超長距DWDM關鍵技術分析及應用

摘要　DWDM|0">DWDM是作為目前主流的長途傳輸中技術初步解決了傳統電信業務大容量和遠距離傳輸的基本問題，超長距離DWDM傳輸技術由于節省了大量的電中繼設備，能夠大幅度降低投資成本，提高系統的傳輸質量和可靠性，具有良好的升級擴容潛力及高效方便的維護特性。分析了ULH DWDM采用的幾種主要技術，并分析了其在國內應用的可能性和必要性。

1、引言

根據國內關于WDM系統的行業標準，可以把長途光纖傳輸系統分為常規長距離傳輸系統LH（Long Haul＜1 000 km）、亞超長距離傳輸系統ELH（Enhanced Long Haul 1 000～2 000 km）、超長距離傳輸系統ULH（Ultra-Long Haul＞2 000 km）。本文主要介紹ULH DWDM系統傳輸中的幾種關鍵技術，同時同時分析ULH DWDM在國內應用的可能性和必要性。

2、ULH DWDM系統的引入

DWDM（密集波分復用）技術是目前長途干線的主流技術，從1996年應用開始，DWDM技術便以超摩爾定律的速度發展了5年。目前容量已不再是WDM技術的唯一發展方向，運營商降低建網和運營成本的需求驅動著DWDM設備供應商持續關注設備的長距離傳送能力和綜合運維能力。

直接建設大城市之間的超長距傳輸系統可以解決對帶寬的迫切需要，優化網絡結構，同時節省大量的電再生中繼站，降低系統的建設成本和維護費用；UHL技術與可配置OADM技術結合，在骨干網上可以實現大城市之間的快速直達車，中間的大城市站點可以采用OADM透明上下業務。目前ULH DWDM已經成為光纖通信領域研究與應用的熱點，相信隨著業務和技術的進一步發展，ULH WDM系統的應用會越來越多。

3、ULH DWDM系統中的關鍵技術

ULH DWDM系統采用的主要新技術包括RAMAN與EDFA相結合、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（RAMAN）[1,2]

光纖中的受激喇曼散射效應早在1973年就發現了，并且在實驗中證明了光纖喇曼放大技術可以用于數字信號和光孤子系統，但在很長時間內喇曼光纖放大器未能獲得廣泛應用，甚至在EDFA出現后一度銷聲匿跡，關鍵原因在于缺乏合適的大功率半導體泵浦激光器。后來，泵浦激光器技術的成熟大大促進了喇曼放大技術的發展，目前已經可以實現高達114 nm的增益帶寬。同時，通過選擇合適的泵浦源，喇曼放大技術可使信號在光纖透明窗口內任何位置上放大；利用多波長泵浦，增益譜不但可以覆蓋C波段，還可以擴展到L波段和S波段。

對于純粹基于EDFA的長距離DWDM系統，放大器的自發輻射噪聲（ASE）累積導致光信噪比不足是限制無電中繼傳輸距離（600～800 km）的主要因素。喇曼放大器的增益系數較低，屬于分布式放大器，比集中放大結構可以獲得更高的信噪比，并能減弱有害的非線性效應，因此對于UHL系統喇曼放大是關鍵技術之一。

3.2　FEC/SFEC技術[3，4]

通過分布式喇曼放大技術可以延緩OSNR的劣化；而FEC技術通過在傳輸碼列中加入冗余糾錯碼，可降低接收端的OSNR容限，從而達到改善系統性能、降低系統成本的目的。FEC的檢測和糾錯技術不僅改善了傳送系統的誤碼率，也提高了系統的ONSR，從而延長了傳輸距離。常規的FEC可將傳送系統的信噪比改善5 dB，一些改進的FEC技術（SFEC）甚至可以改善10 dB的信噪比。

從編碼角度來說，交織碼和級聯碼都可以用于FEC技術。目前業界提出的實用化FEC主要有以下3種：

（1）帶內FEC，即利用SDH幀中的一部分開銷字節裝載FEC碼的監督碼元。

（2）帶外FEC，ITU-T G.975標準規定利用RS（255,239）碼交織編解碼，在幀尾插入校驗字，編碼冗余度為7%。目前帶外FEC基本上已成為事實上的FEC編碼標準。

（3）超級FEC（SFEC），是下一步的發展方向。

3.3　動態增益均衡[5]

在長距離光纖傳輸系統中，多級放大器的級聯將帶來增益譜不平坦的問題，而整個線路上的增益平坦對于超長距離傳輸是非常重要的。增益均衡用于保證線路上各個波長之間的增益平坦，在主光通道的入口可能各個波長之間的功率電平一樣，但由于放大器增益平坦度以及各個波長在線路中衰耗不一致，會導致在接收端各個波長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光放站放置增益平坦濾波器，此外通過基于各個通道光譜密度的大小，實施反饋控制，可以動態管理平坦進程。

動態增益均衡的優勢在于可以增加超長距傳輸系統的區段數目，可以在級聯50個EDFA的情況下，不進行電再生中繼；支持動態網絡配置，在網絡波長數目發生重大差異時不會對OSNR造成損傷；可以替代目前正在使用的可調光衰減器。

3.4　新型ULH編碼技術

對于ULH WDM系統，先進的信號調制格式將提高傳輸的色散、非線性和PMD容限，可以提高系統的OSNR，對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、可以緩解信號在光纖中的非線性交互作用等優異特點，正受到越來越多的關注。

RZ碼的主要缺點是信號頻譜寬度相對NRZ碼增加，增加調制器使系統變得復雜、成本高。為了進一步提高RZ碼的傳輸性能，近年來還出現了CS-RZ（載頻抑制RZ）和CRZ（啁啾RZ）等碼型。在CS-RZ碼中，相鄰碼元的電場振幅的符號相反，從而達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，而且有更強的抵抗SPM和FWM等光纖非線性效應的能力。CRZ碼采用了3級調制技術（RZ幅度調制、相位調制和數據調制），其相位調制器在發射端對RZ脈沖的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量，抵抗非線性效應的能力非常優異。

3.5　先進的色散補償方案

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

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

4、ULH DWDM應用的必要性

目前UHL DWDM技術已通過了試驗階段，隨著數據業務的迅猛增長，正逐步進入商用階段。以某運營商為例，由于數據業務（IP）對長途傳輸的帶寬需求成倍增長，尤其以北京、上海、廣州、成都、武漢、西安等節點為主要需求，4個節點之間的主備用路由距離如表1所示。

表1　節點之間的主備用路由距離

以北京-廣州（京漢廣）DWDM鏈路為例，其主干路由長達2 826 km，現有系統中間段落共設置了7個電中繼站，在背靠背的OTM、中繼型OTU等模塊上投入大量的建設資金。京穗的備用路由更是高達12個電中繼站，建設、運營成本遠遠高于主用路由。同時由于京滬穗之間的數據流量很大，目前已經達到幾百Gbit/s的流量，因此大量地占用了現有長途傳輸系統的波道資源，造成現有WDM系統的波長利用率較高，面臨擴容的壓力。

與此同時，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系統的建設問題。在這種情況下，采用ULH WDM技術會大大削減建網成本；而且如果建設ULH DWDM系統，將流量很大的京滬穗等節點從現有DWDM系統中割接出來，原有的波道可以被其它骨干節點利舊使用，不僅梳理了業務的流量流向，而且優化了網絡結構。

圖1　ULH DWDM組網邏輯圖

ULH WDM網絡邏輯圖如圖1所示（光放站在圖中省略），無電光放距離最大為2 000 km，光放站距根據實際地理位置選擇，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個電中繼站和若干光放站，不僅降低了背靠背OTM（多達12個）的需求，而且大幅減少了中繼性OTU的數量，上述兩者正是WDM系統中的主要成本所在。ULH系統在上海-廣州、上海-北京和廣州-成都段落上成本、運營效果同樣明顯。對于在路由上的其它骨干節點（鄭州、南京、福州等），在論證確有需要的情況下，可以通過OADM設備實現業務上下路，能夠簡化節點結構，并節省了大量后期擴容時OTU的數量的成本。

5、結束語

寬帶接入、3G移動通信等多元化新興通信業務的迅猛發展，深刻地影響著當今電信網的概念、格局和體系，推動電信科技不斷進步。同時，對于電信運營商而言，有效地降低成本、擴大網絡覆蓋率是保障正常運營和持續高速發展的重要策略之一。超長距離DWDM傳輸技術由于節省了大量的電中繼設備，能大幅度降低投資成本，提高系統的傳輸質量和可靠性，具有良好的升級擴容潛力，同時提供高效方便的維護特性及其它增值服務。對于中國這樣的幅員遼闊、人口眾多的國家，該技術有著廣闊的前景和應用市場。

參考文獻

1　李春生.光纖拉曼放大器[J].光通訊，2004（9）：34-37.

2　熊倫.拉曼光纖放大器的應用與研究進展[J].現代電子技術，2007（2）：186-188.

3　關熙瀅，張友純.FEC編碼在高速光通信系統中的應用與性能分析[J]光通信研究，2005（6）：18-20.

4　袁建國，葉文偉，毛幼菊.光通信系統中一種新穎的級聯碼型[J].光電工程，2007（4）

5　張海懿.ULH及WDM技術發展，通信世界網2005-10-17.