超長(zhǎng)距DWDM關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用

摘要　DWDM|0">DWDM是作為目前主流的長(zhǎng)途傳輸中技術(shù)初步解決了傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)大容量和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)幕締?wèn)題，超長(zhǎng)距離DWDM傳輸技術(shù)由于節(jié)省了大量的電中繼設(shè)備，能夠大幅度降低投資成本，提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量和可靠性，具有良好的升級(jí)擴(kuò)容潛力及高效方便的維護(hù)特性。分析了ULH DWDM采用的幾種主要技術(shù)，并分析了其在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的可能性和必要性。

1、引言

根據(jù)國(guó)內(nèi)關(guān)于WDM系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以把長(zhǎng)途光纖傳輸系統(tǒng)分為常規(guī)長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)LH（Long Haul＜1 000 km）、亞超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)ELH（Enhanced Long Haul 1 000～2 000 km）、超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)ULH（Ultra-Long Haul＞2 000 km）。本文主要介紹ULH DWDM系統(tǒng)傳輸中的幾種關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)同時(shí)分析ULH DWDM在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的可能性和必要性。

2、ULH DWDM系統(tǒng)的引入

DWDM（密集波分復(fù)用）技術(shù)是目前長(zhǎng)途干線的主流技術(shù)，從1996年應(yīng)用開(kāi)始，DWDM技術(shù)便以超摩爾定律的速度發(fā)展了5年。目前容量已不再是WDM技術(shù)的唯一發(fā)展方向，運(yùn)營(yíng)商降低建網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)成本的需求驅(qū)動(dòng)著DWDM設(shè)備供應(yīng)商持續(xù)關(guān)注設(shè)備的長(zhǎng)距離傳送能力和綜合運(yùn)維能力。

直接建設(shè)大城市之間的超長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)可以解決對(duì)帶寬的迫切需要，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)節(jié)省大量的電再生中繼站，降低系統(tǒng)的建設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用；UHL技術(shù)與可配置OADM技術(shù)結(jié)合，在骨干網(wǎng)上可以實(shí)現(xiàn)大城市之間的快速直達(dá)車，中間的大城市站點(diǎn)可以采用OADM透明上下業(yè)務(wù)。目前ULH DWDM已經(jīng)成為光纖通信領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，相信隨著業(yè)務(wù)和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，ULH WDM系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。

3、ULH DWDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

ULH DWDM系統(tǒng)采用的主要新技術(shù)包括RAMAN與EDFA相結(jié)合、SFEC/FEC、光均衡、非線性處理、色散/PMD處理、RZ編碼等。

3.1　喇曼放大技術(shù)（RAMAN）[1,2]

光纖中的受激喇曼散射效應(yīng)早在1973年就發(fā)現(xiàn)了，并且在實(shí)驗(yàn)中證明了光纖喇曼放大技術(shù)可以用于數(shù)字信號(hào)和光孤子系統(tǒng)，但在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)喇曼光纖放大器未能獲得廣泛應(yīng)用，甚至在EDFA出現(xiàn)后一度銷聲匿跡，關(guān)鍵原因在于缺乏合適的大功率半導(dǎo)體泵浦激光器。后來(lái)，泵浦激光器技術(shù)的成熟大大促進(jìn)了喇曼放大技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)114 nm的增益帶寬。同時(shí)，通過(guò)選擇合適的泵浦源，喇曼放大技術(shù)可使信號(hào)在光纖透明窗口內(nèi)任何位置上放大；利用多波長(zhǎng)泵浦，增益譜不但可以覆蓋C波段，還可以擴(kuò)展到L波段和S波段。

對(duì)于純粹基于EDFA的長(zhǎng)距離DWDM系統(tǒng)，放大器的自發(fā)輻射噪聲（ASE）累積導(dǎo)致光信噪比不足是限制無(wú)電中繼傳輸距離（600～800 km）的主要因素。喇曼放大器的增益系數(shù)較低，屬于分布式放大器，比集中放大結(jié)構(gòu)可以獲得更高的信噪比，并能減弱有害的非線性效應(yīng)，因此對(duì)于UHL系統(tǒng)喇曼放大是關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2　FEC/SFEC技術(shù)[3，4]

通過(guò)分布式喇曼放大技術(shù)可以延緩OSNR的劣化；而FEC技術(shù)通過(guò)在傳輸碼列中加入冗余糾錯(cuò)碼，可降低接收端的OSNR容限，從而達(dá)到改善系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)成本的目的。FEC的檢測(cè)和糾錯(cuò)技術(shù)不僅改善了傳送系統(tǒng)的誤碼率，也提高了系統(tǒng)的ONSR，從而延長(zhǎng)了傳輸距離。常規(guī)的FEC可將傳送系統(tǒng)的信噪比改善5 dB，一些改進(jìn)的FEC技術(shù)（SFEC）甚至可以改善10 dB的信噪比。

從編碼角度來(lái)說(shuō)，交織碼和級(jí)聯(lián)碼都可以用于FEC技術(shù)。目前業(yè)界提出的實(shí)用化FEC主要有以下3種：

（1）帶內(nèi)FEC，即利用SDH幀中的一部分開(kāi)銷字節(jié)裝載FEC碼的監(jiān)督碼元。

（2）帶外FEC，ITU-T G.975標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定利用RS（255,239）碼交織編解碼，在幀尾插入校驗(yàn)字，編碼冗余度為7%。目前帶外FEC基本上已成為事實(shí)上的FEC編碼標(biāo)準(zhǔn)。

（3）超級(jí)FEC（SFEC），是下一步的發(fā)展方向。

3.3　動(dòng)態(tài)增益均衡[5]

在長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)中，多級(jí)放大器的級(jí)聯(lián)將帶來(lái)增益譜不平坦的問(wèn)題，而整個(gè)線路上的增益平坦對(duì)于超長(zhǎng)距離傳輸是非常重要的。增益均衡用于保證線路上各個(gè)波長(zhǎng)之間的增益平坦，在主光通道的入口可能各個(gè)波長(zhǎng)之間的功率電平一樣，但由于放大器增益平坦度以及各個(gè)波長(zhǎng)在線路中衰耗不一致，會(huì)導(dǎo)致在接收端各個(gè)波長(zhǎng)之間的功率差異較大，影響正常的接收。目前通用的方法是在各個(gè)光放站放置增益平坦濾波器，此外通過(guò)基于各個(gè)通道光譜密度的大小，實(shí)施反饋控制，可以動(dòng)態(tài)管理平坦進(jìn)程。

動(dòng)態(tài)增益均衡的優(yōu)勢(shì)在于可以增加超長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)的區(qū)段數(shù)目，可以在級(jí)聯(lián)50個(gè)EDFA的情況下，不進(jìn)行電再生中繼；支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置，在網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)數(shù)目發(fā)生重大差異時(shí)不會(huì)對(duì)OSNR造成損傷；可以替代目前正在使用的可調(diào)光衰減器。

3.4　新型ULH編碼技術(shù)

對(duì)于ULH WDM系統(tǒng)，先進(jìn)的信號(hào)調(diào)制格式將提高傳輸?shù)纳?、非線性和PMD容限，可以提高系統(tǒng)的OSNR，對(duì)提升傳輸距離大有益處。由于RZ編碼中的CRZ方式具有脈沖壓縮能力、能容忍更高的PMD值、可以緩解信號(hào)在光纖中的非線性交互作用等優(yōu)異特點(diǎn)，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。

RZ碼的主要缺點(diǎn)是信號(hào)頻譜寬度相對(duì)NRZ碼增加，增加調(diào)制器使系統(tǒng)變得復(fù)雜、成本高。為了進(jìn)一步提高RZ碼的傳輸性能，近年來(lái)還出現(xiàn)了CS-RZ（載頻抑制RZ）和CRZ（啁啾RZ）等碼型。在CS-RZ碼中，相鄰碼元的電場(chǎng)振幅的符號(hào)相反，從而達(dá)到降低光譜寬度的目的，在功率較高的情況下，不但增加了色散容限，而且有更強(qiáng)的抵抗SPM和FWM等光纖非線性效應(yīng)的能力。CRZ碼采用了3級(jí)調(diào)制技術(shù)（RZ幅度調(diào)制、相位調(diào)制和數(shù)據(jù)調(diào)制），其相位調(diào)制器在發(fā)射端對(duì)RZ脈沖的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量，抵抗非線性效應(yīng)的能力非常優(yōu)異。

3.5　先進(jìn)的色散補(bǔ)償方案

基于10 Gbit/s的LH DWDM鏈路都須進(jìn)行色散補(bǔ)償，即在每個(gè)（或幾個(gè)）光纖跨段的輸出端放置用DCF制成的色散補(bǔ)償模塊（DCM），周期性地使光纖鏈路上累積的色散接近零。前對(duì)于非長(zhǎng)距的10 Gbit/s系統(tǒng)的色散補(bǔ)償只考慮一階色散補(bǔ)償，但一階色散補(bǔ)償只能補(bǔ)償零色散波長(zhǎng)處附近的幾個(gè)波長(zhǎng)的色散，而對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸和高速率傳輸系統(tǒng)則需要考慮高階色散補(bǔ)償，即是色散斜率的補(bǔ)償。

目前開(kāi)發(fā)出了多種斜率補(bǔ)償型色散補(bǔ)償光纖（DCF），可用于補(bǔ)償G.652光纖和其他數(shù)種新型非零色散位移光纖（NZ-DSF）的色散斜率。若采用60%斜率補(bǔ)償，則經(jīng)過(guò)800 km G.652光纖段傳輸后，C-band的紅端和藍(lán)端之間的色散差異可降低到680 ps/nm，進(jìn)而將總色散控制在的色散容限窗口內(nèi)。理想情況下，采用100%斜率補(bǔ)償可以使C-band的紅端和藍(lán)端之間的色散差異基本消失，按照理論推算，即使是非常長(zhǎng)的ULH DWDM傳輸，色散斜率也不再成為問(wèn)題。

4、ULH DWDM應(yīng)用的必要性

目前UHL DWDM技術(shù)已通過(guò)了試驗(yàn)階段，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅猛增長(zhǎng)，正逐步進(jìn)入商用階段。以某運(yùn)營(yíng)商為例，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（IP）對(duì)長(zhǎng)途傳輸?shù)膸捫枨蟪杀对鲩L(zhǎng)，尤其以北京、上海、廣州、成都、武漢、西安等節(jié)點(diǎn)為主要需求，4個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的主備用路由距離如表1所示。

表1　節(jié)點(diǎn)之間的主備用路由距離

以北京-廣州（京漢廣）DWDM鏈路為例，其主干路由長(zhǎng)達(dá)2 826 km，現(xiàn)有系統(tǒng)中間段落共設(shè)置了7個(gè)電中繼站，在背靠背的OTM、中繼型OTU等模塊上投入大量的建設(shè)資金。京穗的備用路由更是高達(dá)12個(gè)電中繼站，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主用路由。同時(shí)由于京滬穗之間的數(shù)據(jù)流量很大，目前已經(jīng)達(dá)到幾百Gbit/s的流量，因此大量地占用了現(xiàn)有長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)的波道資源，造成現(xiàn)有WDM系統(tǒng)的波長(zhǎng)利用率較高，面臨擴(kuò)容的壓力。

與此同時(shí)，在流量較大的京穗、京滬、滬穗等段落上，面臨著第二套甚至第三套WDM系統(tǒng)的建設(shè)問(wèn)題。在這種情況下，采用ULH WDM技術(shù)會(huì)大大削減建網(wǎng)成本；而且如果建設(shè)ULH DWDM系統(tǒng)，將流量很大的京滬穗等節(jié)點(diǎn)從現(xiàn)有DWDM系統(tǒng)中割接出來(lái)，原有的波道可以被其它骨干節(jié)點(diǎn)利舊使用，不僅梳理了業(yè)務(wù)的流量流向，而且優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1　ULH DWDM組網(wǎng)邏輯圖

ULH WDM網(wǎng)絡(luò)邏輯圖如圖1所示（光放站在圖中省略），無(wú)電光放距離最大為2 000 km，光放站距根據(jù)實(shí)際地理位置選擇，平均可以在120 km左右。這樣僅在京漢廣線路上就可以減少6個(gè)電中繼站和若干光放站，不僅降低了背靠背OTM（多達(dá)12個(gè)）的需求，而且大幅減少了中繼性O(shè)TU的數(shù)量，上述兩者正是WDM系統(tǒng)中的主要成本所在。ULH系統(tǒng)在上海-廣州、上海-北京和廣州-成都段落上成本、運(yùn)營(yíng)效果同樣明顯。對(duì)于在路由上的其它骨干節(jié)點(diǎn)（鄭州、南京、福州等），在論證確有需要的情況下，可以通過(guò)OADM設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)上下路，能夠簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并節(jié)省了大量后期擴(kuò)容時(shí)OTU的數(shù)量的成本。

5、結(jié)束語(yǔ)

寬帶接入、3G移動(dòng)通信等多元化新興通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，深刻地影響著當(dāng)今電信網(wǎng)的概念、格局和體系，推動(dòng)電信科技不斷進(jìn)步。同時(shí)，對(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商而言，有效地降低成本、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋率是保障正常運(yùn)營(yíng)和持續(xù)高速發(fā)展的重要策略之一。超長(zhǎng)距離DWDM傳輸技術(shù)由于節(jié)省了大量的電中繼設(shè)備，能大幅度降低投資成本，提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量和可靠性，具有良好的升級(jí)擴(kuò)容潛力，同時(shí)提供高效方便的維護(hù)特性及其它增值服務(wù)。對(duì)于中國(guó)這樣的幅員遼闊、人口眾多的國(guó)家，該技術(shù)有著廣闊的前景和應(yīng)用市場(chǎng)。

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