ULH及WDM技術發展

一、概述

　　隨著業務量的提高，DWDM系統在我國骨干網和省二級骨干傳送網的網絡上得到了廣泛的應用，基于10Gbit/s和2.5Gbit/s的DWDM系統已經成為基本的傳送平臺。 在東部等業務量大的發達地區使用的是基于10Gbit/s的DWDM傳送平臺，目前使用C波段，波長間隔為100GHz，可升級為40波系統。今年骨干網上也開始使用C波段波長間隔為50GHz，系統容量可達到80波10Gbit/s的系統。

　　從DWDM系統的傳輸距離來看，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(Longhaul)、亞超長距離傳輸系統ELH(Enhancedlonghaul)、超長傳輸系統ULH(ultra-long haul)。對于傳輸距離小于1000km的WDM系統稱為常規長距離傳輸系統，傳輸距離在1000～2000km的WDM系統稱為亞超長傳輸（ELH）系統，傳輸距離大于2000km的WDM系統稱為超長距離傳輸（ULH）系統。

　　單通路為40Gbit/s的系統也在不斷的開發和研制的過程中，由于高端路由器已經具有40Gbit/sPOS接口，因此基于40Gbit/s的DWDM傳送系統的使用會先于40Gbit/sSDH系統，目前國內外廠商也已經有了相關的試驗和產品報道，但是應當看到的是40Gbit/s系統中還有一些技術問題需要進一步解決，才能夠提供商用化的產品

　　目前，常規長距離WDM傳輸系統在我國的干線網絡上已經有大量的應用，亞超長距離系統的標準化也已經完成，超長距離的技術和標準都在研究當中，已經有相當多的廠家有了商用化產品，在我國使用較多的還是解決單段長跨距的WDM傳輸技術。由于傳輸距離長，ULHWDM系統的優勢是顯而易見的，它可以減少電再生站、光放站的數量，延伸光放站之間的距離，有效降低系統成本，尤其對于中國這樣幅員遼闊的國家，ULH將更具實際意義。隨著初期投資成本的降低，其維護成本低的優勢將更加明顯，與ROADM技術結合應用會增加網絡的靈活性，簡化網絡層次。

　　從城域傳送網的層面來看，城域WDM環網技術經過幾年的發展之后，在數據業務逐漸增多的網絡應用中，逐步顯露出它多種業務承載，同時具有保護功能的特點和優勢。

　　本文將針對WDM系統的技術發展和市場應用等進行分析。

　　二、ULH和WDM傳輸的關鍵技術

　　1.寬帶喇曼放大器技術

　　在ULH系統中，喇曼放大器技術是非常受矚目的光傳輸技術，可以放大EDFA所不能放大的波段，并且利用普通的傳輸光纖就能實現分布式放大，從而大大提高系統的光信噪比（OSNR）。

　　喇曼放大器利用光纖自身對信號進行放大，信號在傳輸過程中的固有損耗可以在光纖內部進行補償。一種應用較廣的喇曼放大器稱之為分布式喇曼放大器(DRA)。DRA工作的基本原理是受激喇曼散射(SRS)效應，既將一小部分入射功率由一光束轉移到另外一個頻率下移的光束，頻率下移量由非線性介質的振動模式決定，當波長較短(與信號波長相比)的泵浦光饋入光纖時，發生此類效應。泵浦光光子釋放其自身的能量，釋放出基于信號光波長的光子，將其能量疊加在信號光上，從而完成對信號光的放大。喇曼增益取決于泵浦光功率、泵浦光波長和信號光波長之間的波長差值，所有的喇曼放大器都可應用于40Gbit/s和10Gbit/s的傳輸系統，有時還會采用互泵浦和相對泵浦技術。對于超長距系統來說利用喇曼放大器提高系統的OSNR、增加系統跨距長度、提高WDM系統的通路和抑制光纖非線性效應是主要的目的。

　　2.超強FEC編碼

　　在光傳輸系統中采用前向糾錯(FEC)技術，能夠消除系統性能曲線中的誤碼率平臺現象，其編碼增益也提供了一定的系統富余量，從而降低光鏈路中線性及非線性因素對系統性能的影響。對于有光放大器的系統，可以增加光放大器間隔，延長傳輸距離，提高信道速率，減小單通路光功率。FEC的實現方式有兩種：一是帶外FEC系統，二是帶內FEC系統，帶內FEC的增益一般為3dB左右，而帶外FEC的增益遠高于帶內，因此超長距系統均采用帶外FEC編碼。在現有常規DWDM系統中所應用的FEC編碼，尤以RS編碼最普遍。RS223編碼比RS239編碼擁有更多的冗余字節，因此前向糾錯能力更好，RS239編碼可以比無編碼時的OSNR情況改善5dB左右，而RS223編碼又可以比RS239改善4dB，因此使用超強FEC時，OSNR總體改善情況為9dB，大大提高了系統的傳輸距離。實驗證明，采用3bit軟判決塊Turbo碼，可獲得10.1dB的凈編碼增益和24.6%的冗余。對于40Gbit/s傳輸系統，由于接收機對OSNR更敏感，在高鏈路速率中經常發生信號損傷，因此在40Gbit/s系統中需要更高的編碼增益，并降低開銷冗余。

　　3.動態增益均衡

　　對于超長距離傳輸，保證整個線路上的增益平坦是非常重要的，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和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的不一致，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。目前一種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；由于輸入光功率變化也會造成增益斜度劣化，而通過動態增益均衡，可以代替目前正在使用的可調光衰減器(主要位于發射機一側)。

　　4.碼型技術

　　由于不同線路調制碼型的光信號在色散容限、SPM(Self-PhaseModulation，自相位調制)、XPM(CrossPhaseModulation，交叉相位調制)等非線性的容納能力、頻譜利用率等方面各有特點，對于超寬頻帶的超長距離WDM傳輸系統中，NRZ、RZ等碼型都有自己的特色。

　　NRZ碼的應用簡單、成本低、頻譜效率高，是目前SDH和WDM系統中應用最廣泛的碼型，由于NRZ碼元過渡不歸零，對傳輸損傷敏感，不適用于高速超長距離光信號的傳輸。

　　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，成本提高。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碼采用了三級調制技術(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。此外，CRZ還具有優良的抵抗偏振相關損耗（PDL）和偏振模色散（PMD）的能力，具有更高的傳輸穩定性。它的缺點是調制技術比較復雜，對三級調制之間的定時和時延要求很高。最近又研究出新的編碼格式如CSRZ-DPSK、差分相移鍵控歸零碼（RZ-DPSK）、雙二進制、單邊帶/殘余邊帶調制（SSB/VSB）、相位整形二進制傳輸（PSBT）都可應用于高速率WDM傳輸系統。

　　5.色散補償

　　在10Gbit/s以上的高速長距離傳輸系統中，必須考慮色散補償問題。色散補償包括色度色散補償和偏振模色散補償。色度色散補償的方式包括色散補償器件和色散補償模塊，目前使用最多的是色散補償模塊(DCM)，通常用在EDFA的兩級之間，用以補償DCM的插損。但是這種色散補償光纖具有較強的非線性效應，會使不同信道之間的串擾加大。在40Gbit/s系統當中，環境因素的變化會造成色散量大小的隨機波動，因而還要求色散補償模塊是可調諧的。需要使用動態色散補償，應該選擇光纖光柵器件、VIPA器件和平面波導器件等方案?，F在對于動態的色度色散補償方式也進行了大量的研究，但是真正商用的產品尚不多。

　　6.遙泵技術

　　遙泵技術是用于單段長跨距傳輸的專門技術，主要解決單長跨距傳輸中信號光的OSNR受限問題。在單段長跨距傳輸系統中，光纖輸出端口處的光功率總是很小，經光功率放大后，極易造成接收端OSNR受限，因此需要采用高入纖光功率。同時為了避免出現非線性失真，總光功率一般限制在30dBm以下。

　　為了進一步解決OSNR受限延長傳輸距離，可在光纖鏈路中間部分對光信號進行預先放大。在傳輸光纖的適當位置熔入一段摻鉺光纖，并從單段長跨距傳輸系統的端站（發射端或接收端）發送一個高功率泵浦光，經過光纖傳輸和合波器后注入鉺纖并激勵鉺離子。信號光在鉺纖內部獲得放大，并可顯著提高傳輸光纖的輸出光功率。由于泵浦激光器的位置和增益介質（鉺纖）不在同一個位置，因此稱為“遙泵（RemotePump）”。遙泵光源通常采用瓦級的1480nm激光器，以克服長距離光纖傳輸的損耗問題。根據泵浦光和信號光是否在一根光纖中傳輸，遙泵又分為“旁路”（泵浦光和信號光經由不同光纖傳輸）和“隨路”（兩者通過同一光纖傳輸）兩種形態。隨路方式中泵浦光還可對光纖中的信號光進行喇曼放大，進一步增加傳輸距離，并可節省光纖資源，可以得以廣泛應用。遙泵技術通常還可綜合其他新技術，如光纖有效截面管理、二階喇曼泵浦、兩級遙泵增益區等。

　　總之，遙泵傳輸技術是在光纜線路中插入摻鉺光纖等增益介質來進行光放大，這些點不需要供電設施，也無需維護，適合那些穿越沙漠、高原、湖泊、海峽的環境。不便之處在于，它需要在適當的位置切斷光纜，將摻鉺光纖串聯到原來的光纖中，施工改動量和難度較大。

　　三、WDM技術的現狀和發展趨勢

　　國內各個廠商對于ULH技術也進行了大量的研究，中興、烽火等公司在國家863計劃的資助下，已經完成了ULH試驗系統的研究和搭建。中興公司研發的大容量、超長距離傳輸ULHDWDM系統容量可升級達到160×10Gbit/s，波長范圍覆蓋C+L波段，可在G.652光纖的環路平臺上實現超過5000km的無電中繼傳輸。烽火公司研發的超長距離傳輸系統覆蓋C+L波段，系統容量可升級達到160×10Gbit/s，直線傳輸距離可以達到3040km。兩個系統使用的都是CS-RZ編碼，EDFA和喇曼混合放大技術。上述兩個公司的相關研究成果已經有進一步商用化的計劃。華為公司也宣布研制成功了ULH系統，據報道在業務容量為40×10Gbit/s使用G.652和G.655兩種光纖的情況下，該系統實現全長4600km的無電中繼傳送。

　　國外設備制造商也在前幾年開始了ULHWDM系統的研發，朗訊公司開發的LambdaXtreme超長距離光傳輸系統據報道能夠將128條10Gbit/s光信號傳送至4000km，中間無需放大器。對于64條40Gbit/s的光信號，傳輸距離可達1000km。同時Alcatel、Ciena、Corvis、Nortel等公司也有了商用化產品，但總的來說應用還不多。

　　從技術角度來看，利用ULHWDM系統中的EDFA和喇曼放大器結合的放大技術、采用色散和非線性容限較高的碼型等ULHWDM技術都可以延長光放段的傳輸距離，用于骨干網中部分長跨距的應用，這是目前比較普遍的ULHWDM技術應用。同時ULH WDM系統可以減少電再生站、光放站的數量，延伸光放站之間的距離，充分反映出采用超長距系統對系統成本的降低。直接建設大型城市之間的超長距傳輸系統可以解決對帶寬的迫切需要，同時節省了大量的光放站和電再生中繼站，降低了系統的成本和維護費用，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，在中間的大城市站點可以采用OADM來實現業務接入。

　　城域WDM環網技術隨著城域網中數據業務需求的增加而顯示出它多業務平臺、透明傳輸，同時可以提供一定的保護機制的優勢。在城域傳送網的核心層，尤其是光纖資源相對緊張的地區有較好的發展前景。

　　骨干網上對于波長的需求已經逐步增加，目前骨干網建設中，目標波長數為80波的系統已經提上議事日程，相信隨著業務的不斷增加，對于更高速率、更多波長和更長傳輸距離的DWDM系統的要求也會不斷增加，會為技術的進一步發展提供驅動力。


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