DWDM光纖傳輸系統(tǒng)研究和分析

1、DWD光纖傳輸系統(tǒng)研究與分析摘要介紹光纖傳輸系統(tǒng)密集波分復(fù)用(DWDM光 纖傳輸系統(tǒng)。關(guān)鍵詞 光纖傳輸系統(tǒng) 密集波分復(fù)用 光纖傳輸概述光纖即為光導(dǎo)纖維的簡稱。光纖通訊是以光波為載頻， 以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介的一種通信方式。 光纖通訊之所 以在最近短短的二十年中能得以迅猛的發(fā)展， 是由于它 具有以下的突出優(yōu)點而決定： 1 傳輸頻帶寬、通訊容量大。光載波頻率為 5X1014 MHz, 光纖的帶寬為幾千兆赫 茲甚至更高。2 信號損耗低。目前的實用光纖均采用純凈度很高的石英 (SiO2) 材料， 在光波長為1550nm附近，衰減可降至0.2dB/km,已接近 理論極限。因此，它的中繼距離可以很遠。3 不

2、受電磁波干擾。因為光纖為非金屬的介質(zhì)材料， 因此它不受電磁波的干 擾。4 線徑細、重量輕。由于光纖的直徑很小，只有0.1mm左右，因此制成光纜 后，直徑要比電纜細，而且重量也輕。因此，便于制造 多芯光纜。5 資源豐富。光纖通訊除了上述優(yōu)點之外，還有抗化學(xué)腐蝕等特點。當(dāng)然光纖本身也有缺點，如光纖質(zhì)地脆、機械強度低； 要求比較好的切斷、 連接技術(shù)；分路、耦合比較麻煩等。光纖和光纜1 光纖的分類 按照傳輸模式來劃分： 光纖中傳播的模式就是光纖中存在的電磁場場形， 或者 說是光場場形 (HE) 。各種場形都是光波導(dǎo)中經(jīng)過多次的 反射和干涉的結(jié)果。 各種模式是不連續(xù)的離散的。 由于 駐波才能在光纖中穩(wěn)定

3、的存在， 它的存在反映在光纖橫 截面上就是各種形狀的光場， 即各種光斑。 若是一個光 斑，我們稱這種光纖為單模光纖，若為兩個以上光斑， 我們稱之為多模光纖。單模光纖(Single-Mode)單模光纖只傳輸主模， 也就是說光線只沿光纖的內(nèi)芯進 行傳輸。 由于完全避免了模式色散， 使得單模光纖的傳 輸頻帶很寬，因而適用于大容量，長距離的光纖通訊。單模光纖使用的光波長為1310 nm或1550nm 如圖1 單模光纖光線軌跡圖。多模光纖(Multi-Mode) 在一定的工作波長下(850nm/1300nm),有多個模式在光 纖中傳輸，這種光纖稱之為多模光纖。 由于色散或像差， 因此,這種光纖的傳輸性能

4、較差,頻帶較窄,傳輸容量也比較小,距離比較短。 按照纖芯直徑來劃分：50/125( a m) 緩變型多模光纖62.5/125( a m) 緩變增強型多模光纖8.3/125( a m) 緩變型單模光纖備注：50/62.5/8.3 a m 均為光纖的光芯直徑數(shù), 125a m均為光纖玻璃包層的直徑數(shù)。按照光纖芯的折射率分布來劃分階躍型光纖 (Step index fiber) ,簡稱 SIF；梯度型光纖 (Graded index fiber) ,簡稱 GIF；環(huán)形光纖 (ring fiber) ；W型光纖2光纜：點對點光纖傳輸系統(tǒng)是通過光纜進行連接。 光纜可包含 1根光纖（有時稱單纖）或2根光纖

5、（有時稱雙纖） ，或者 更多（48 纖、 1000纖） 。3 光纖輔助器件： 光纖配線架 （Housing） 用于室內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)配線系統(tǒng)。 光纖活動連接器 （Connector） 用于各類光纖設(shè)備 （如光端機等 ） 與光纖之間的連 接。 (ST-FC-SC) 光纖適配器和衰減 器 (Adaptor and Attenuator) 光纖適配器用于各類光纖設(shè)備與光纖連接方式的轉(zhuǎn)換。光纖衰減器用于減弱輸入光功率減， 從此避免由于輸入 光功率超強而使光接收機產(chǎn)生的失真。（對于NTK光端 機，無需用衰減器 ） 光分路器 (Coupler)適用于將一根光纖信號分解為多路光信號輸出 （ 如：計 算機網(wǎng)絡(luò)、CC

6、TV系統(tǒng)）。 光波分復(fù)用器 （WDM） 用于光路中不同波長的光的分離或混合。三，波分復(fù)用技術(shù)的近況； 近幾年，全球通信市場發(fā)展迅猛，尤其是國際互聯(lián)網(wǎng)、 移動通信系統(tǒng)以及多媒體等一系列業(yè)務(wù)的興起， 對大容 量、高性能網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨髣≡觥?而傳統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)SDH和PDH采用“一波一纖”方式，對系統(tǒng)擴容采用TDM（時分復(fù)用），因受器件的限制，SDH和PDH的擴容 方式都不能滿足通信業(yè)務(wù)急劇增長的需求， 這樣，一種 新的傳輸技術(shù)&#0；密集波分復(fù)用技術(shù)（DWDM成為光纖 擴容最有效和最經(jīng)濟的手段。波分復(fù)用技術(shù)可以充分利用光纖的巨大帶寬資源， 使一 根光纖的傳輸容量比單波長傳輸增加幾十倍甚至上

7、百 倍。在大容量長途傳輸時可以大量節(jié)約光纖， 有效應(yīng)付 光纖耗盡現(xiàn)象， 不必對原有系統(tǒng)作較大的改動即可比較 方便地進行擴容。由于同一光纖中傳輸?shù)男盘柌ㄩL彼此獨立， 傳輸信號的特性可以完全不同， 實現(xiàn)各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合和分離，包括數(shù)字信號、模擬信號、PDH言號和SDH言號。長距離無電中繼傳輸時，EDFA勺應(yīng)用可以大大減少長途 干線系統(tǒng)SDH中繼器的數(shù)目，減少成本。傳輸距離越長, 節(jié)省成本就越多。四、設(shè)備選型DWD光纖傳輸系統(tǒng)的組成，線路傳輸部分由DWD設(shè)備 構(gòu)成，終端部分由傳統(tǒng)的SDHS備構(gòu)成。DWD設(shè)備的選 型主要應(yīng)從設(shè)備制式、 波道數(shù)量、 波道系統(tǒng)速率以及勝 能技術(shù)指標(biāo)等方面考慮。DWD

8、設(shè)備有開放式和集成式兩種制式。開放式組成的系 統(tǒng)如圖之所示，終端接人符合 ITU-T G.957 接口的 SDH 終端設(shè)備（TM，通過波長轉(zhuǎn)換器（OUT接人合波器（0M。合波器將接入N個波道的信息集合起來送人光 纖，經(jīng)過多個光線路放大器（LA）傳輸至電再生器站的 分波器。 分波器將始端輸人的川個波道分開， 各波道的信號通過具有 3R 功能的波長轉(zhuǎn)換器進行再生、定時和 整形后， 再輸入到下一個電再生段， 以此過程一直傳輸 到復(fù)用段或鏈路的終端， 按始端的波道序號接至所對應(yīng) 的終端設(shè)備。 開放式系統(tǒng)有兩個主要特點： 一是在系統(tǒng) 中采用了波長轉(zhuǎn)換器， 使之能夠兼容不同工作波長、 不 同廠商生產(chǎn)的SD

9、H設(shè)備；一是利用波長轉(zhuǎn)換器替代了SDH勺電再生器，使一條光纖通信鏈路的線路傳輸系統(tǒng), 全部由DWD設(shè)備組成，只在鏈路的終端接人SDH設(shè)備, 這對于網(wǎng)絡(luò)的組織、擴容、管理、維護等均非常有利。集成式系統(tǒng)也有兩個主要特點，一是不采用波長轉(zhuǎn)換 器；二是仍使用SDH的電再生器。因此它必須終接規(guī)定 工作波長的SDH設(shè)備，在線路傳輸系統(tǒng)中因接人有 SDH 的再生器，所以這種系統(tǒng)就不具備上述開放式系統(tǒng)的優(yōu) 點，故在工程設(shè)計中宜選用開放式系統(tǒng)的設(shè)備。DWD系統(tǒng)的波道基礎(chǔ)速率，目前可商用的有 2.5 Gbit/s 和 10 Gbit s 兩種設(shè)備，開發(fā)實驗成功 的有 20 Gbit s 和 40 Gbit s 等

10、更高速率的設(shè)備。工程中選定波道的基礎(chǔ)速率， 除與傳輸容量需求有關(guān)之 外尚與所使用的光纖種類密切相關(guān)。因為高速率的DWD系統(tǒng)，除要求光纖需具有低的衰減之外，還要求光 纖具有小的色度色散、 小的偏振模色散和工作波長區(qū)的 色度色散不能為零。 我國已建的近百萬公里光纜線路采 用的光纖，基本上全力 ITU-T G.652 單模光纖，這種 光纖在：550 nm波長的衰減很低，工作波長區(qū)的色散 也不為零，但它在1550 nm波長的色度色散高達 18 ps /( m?km) 一 20 ps /(n n?km),另外，偏振 模色散沒有指標(biāo)要求， 由于制造工藝的原因， 有些光纖 的偏振模色散值還相當(dāng)高。因此， G

11、.652 光纖適合傳輸 波道基礎(chǔ)速率為2.5 Gbit /s的DWDM統(tǒng)。如欲用來 傳輸10 Gbit /s的DWDM統(tǒng)，則需采取色度色散補 償措施， 另外，還需測試光纖的偏振模色散是否滿足系 統(tǒng)的指標(biāo)要求。 關(guān)于偏振模色散， 目前尚無商用的補償 措施。 在我國的光纜網(wǎng)中，有極少量的 6， 653 色散 位移單模光纖，這種光纖可以傳輸單波道時分復(fù)用的 2.5 Gbit /S、10 Gbit /s系統(tǒng)。當(dāng)用來傳輸多波道 的波分復(fù)用系統(tǒng)時，由于光纖工作波長區(qū)的色度色散為 零，會產(chǎn)生四波混頻非線性影響， 所以 G.653 光纖不適 合用于光波道較多的DWDM統(tǒng)。新建的光纜線路工程， 已改用 G.65

12、5 非零色散位移單模 光纖。這種光纖既保持了 G.652、G.653 光纖的優(yōu)點， 又克服了兩種光纖的上述缺點， 所以 G.655 光纖既適合 傳輸波道基礎(chǔ)速率為 2.5 Gbit s。 10 Gbit s 的DWD系統(tǒng)也適合傳輸高速率的時分復(fù)用系統(tǒng)。DWD系統(tǒng)已有8波、16波和32波的商用設(shè)備，開發(fā)實 驗成功的已高達132波。DWDM統(tǒng)中的光放大器，采取 了增益自動控制措施，當(dāng)系統(tǒng)中波道數(shù)量增減變化時， 對整個系統(tǒng)和對已開通業(yè)務(wù)的波道均不產(chǎn)生影響。 例如 工程中采用了 16波的DWDM統(tǒng)，其合波器、分波器和 光放大器均按 16波設(shè)備配置，初裝的波道數(shù)可按工程 初期需要配置SDH終端設(shè)備，以后

13、根據(jù)業(yè)務(wù)量增長的需 要，在空余的波道上進行擴容。由于 DWDM統(tǒng)的擴容 非常簡便， 在工程中選定波道數(shù)量時， 滿足業(yè)務(wù)增長的 年限可適當(dāng)放長一點，即系統(tǒng)的波道數(shù)量可適當(dāng)取多一 點，當(dāng)然需通過技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。DWDM統(tǒng)的每個波道都有一個中心波長或中心頻率。8 波、 16波和 32波各波的中心波長、中心波長間隔與中 心波長偏差， ITU-T 建議中均有統(tǒng)一的規(guī)定。設(shè)備制造 廠商由于技術(shù)開發(fā)方面的原因，相同波道數(shù)量的 DWDI 設(shè)備所用的中心波長位置并不一致， 在工程設(shè)計時應(yīng)按 我國的技術(shù)體制， 選用體制所規(guī)定的中心波長， 為實現(xiàn) 在光波道層面上進行互通， 組建光交叉連接的光網(wǎng)絡(luò)創(chuàng) 造條件。五、

14、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與傳輸累統(tǒng)組織 由于光分插復(fù)用器（ OAD）M 和光交叉連接設(shè)備（ OXC） 尚未達到商用，還不能用 DWD組成全光網(wǎng)層面。目前 只能將DWD系統(tǒng)用作線路傳輸設(shè)備，與SDH終端設(shè)備 結(jié)合起來，在SDHg面上組織傳輸網(wǎng)。DWD系統(tǒng)可以在線形、格形。樹干形和環(huán)形等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 中應(yīng)用，因為DWD系統(tǒng)中的波道數(shù)量很多，在工程設(shè) 計中可以使用不同的波道， 同時分別組織不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)。例如用其中的 3個波道組織線形網(wǎng)， 用其中的另外 2 個波道組織環(huán)形網(wǎng)，還可以用其中的另 4 個波道與別 的SDH系統(tǒng)組織格形網(wǎng)。用DWDI系統(tǒng)組織點到點的線形網(wǎng)絡(luò)，以波道為單元可 以組成終端。轉(zhuǎn)接和直通，配上 SD

15、H終端及復(fù)用設(shè)備, 可以在SDH復(fù)用結(jié)構(gòu)層面上，安排各種速率的通路組織。DWD系統(tǒng)的傳輸容量巨大，一個系統(tǒng)能承載幾十萬條話 路，提高傳輸系統(tǒng)的可靠性應(yīng)是工程設(shè)計中的首要問 題。當(dāng)前光纖通信設(shè)備的故障率很低， 通信故障多來自 光纜線路。統(tǒng)計資料表明，光纜線路故障約每 100 km 每年0.1次，每次故障歷時平均6 h。光纜線路故障多 為外部機械損傷所致， 并且多為整條光纜的纖芯全部阻 斷，利用光纜自身光纖組成的傳輸系統(tǒng)作為保護措施很 難有效地提高傳輸網(wǎng)的可靠性。最近在兒個 DWDM統(tǒng) 的工程設(shè)計中，在點到點間采用了雙光纜、雙路由（ l l ）的組網(wǎng)方式。因為兩條不同物理路由上的光纜同 時阻斷的概

16、率很小，所以這種傳輸網(wǎng)的可靠性非常高， 受到建設(shè)與維護部門的歡迎。 如在多節(jié)點之間組織高可 靠性的傳輸通道，可采用環(huán)形自愈網(wǎng)方式，利用 DWDM 系統(tǒng)的光波道，在傳輸節(jié)點上安裝 SDH分插復(fù)用設(shè)備（ADM，組成通道或復(fù)用段保護環(huán)。光纜干線工程設(shè)計中， 常設(shè)置省際干線和省內(nèi)干線兩種 傳輸系統(tǒng)，在 SDH 工程中是利用光纜中不同的光纖對， 分別組成不同用途的傳輸系統(tǒng)。在DWDM工程中可利用DWD系統(tǒng)中不同的光波道，分別組成省際干線、省內(nèi)干線和其他專業(yè)網(wǎng)的傳輸系統(tǒng)。DWD系統(tǒng)的再生段距離可長達600 km復(fù)用段的距離般比再生段還長。 省內(nèi)干線傳輸系統(tǒng)主要組織省會到地（市）、地（市）到地（市）城市的通

17、信，其間的距 離多在100 km左右，DWD系統(tǒng)若按此距離設(shè)置再生段 或復(fù)用段，勢必提高DWDI工程的造價。所以在具體工 程中，如用干線的DWDI波道組織省內(nèi)傳輸系統(tǒng)感到不 經(jīng)濟時，也可單設(shè)SDH系統(tǒng)組織短程的省內(nèi)或其他專業(yè) 傳輸系統(tǒng)。六、站段配置DWD傳輸系統(tǒng)設(shè)有終端站、轉(zhuǎn)接站、再生站和光放站, 由此組成了復(fù)用段、 再生段與光放段。 終端站和轉(zhuǎn)接站 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通路組織的安排配置。 在該兩種站內(nèi)配 置DWD的合波器、分波器、波長轉(zhuǎn)換器以及 SDH勺終 端復(fù)用器或分插復(fù)用器等設(shè)備。再生站和光放站根據(jù)DWD設(shè)備的傳輸技術(shù)要求與所用光纖的技術(shù)性能配置。在再生站內(nèi)配置合波器、分波器、具有 3R功能

18、的波長 轉(zhuǎn)換器（開放式系統(tǒng)）或SDH勺再生器（集成式系統(tǒng)）。在光放站內(nèi)配置符合增益要求的光放大器。DWD系統(tǒng)的光放段配置，多數(shù)廠商均按等增益進行設(shè) 計。以再生段為單元， 再生段內(nèi)各個光線路放大器均設(shè) 計為等增益工作方式， 各光線路放大器的輸出功率電平 及其接收靈敏度均相同， 如某光放段的光纖衰減小于放 大器的增益數(shù)值， 則用光衰減器進行補齊， 一個再生段 內(nèi)光放段的傳輸電平。光放段的長度按光線路放大器設(shè)定的增益種類配置。 目 前8波、16波DWD的光放大器的增益有22 dB30 dB、 33 dB、44dB等多種。一個再生段內(nèi)只選用一種增益類 型的光放大器， 這樣有利于系統(tǒng)的調(diào)測和維護。 結(jié)合

19、工 程的具體條件， 在一個再生段內(nèi)也可選用不同增益類型 的放大器混合配置， 這種混合配置的再生段， 光波道信 噪比的計算比較復(fù)雜， 系統(tǒng)調(diào)測也比較困難， 所以目前 工程中，多按一個再生段內(nèi)選用一種增益的放大器進行 設(shè)計。放大器的增益類型可通過下式計算確定：G=L(a r +a C +a s) + Ac ( 1) 式中：G棗光放段放大器增益(dB)L 棗光放段光纜長度( km)a r 一一光纜的光纖衰減系數(shù)( dB/km) a c 棗光纜維修余量( dB/km) a s棗光纖接頭平均衰減(dB/km)A c 棗光纖連接器衰減( dB) 工程中如使用G.652單模光纖，工作波長為1550 nm 時

20、，式( 1)中的各項參數(shù)可取定為： a r =0.22dB/ km、a c =0.04 dB/km a s =0.04 dB/km、A c 按1個連接器為0.5 dB。若為利用已建光纜進行擴容 時，上述參數(shù)可用實測數(shù)值。按所設(shè)定的參數(shù)數(shù)值，不 同增益放大器所對應(yīng)的光放段長度見表 1。工程設(shè)計中再生段的長度及其光放段數(shù)量需按再生段 容許的總色散和信噪比指標(biāo)要求配置。再生段容許的總色散，對于波道基礎(chǔ)速率為 2.5 Gbit /s 的 DWD系統(tǒng)，分為 6400 ps/(nm?km)和 12800 ps /(nm?km)兩檔。工程設(shè)計中如用 G.652單模光纖, 1550 nm 波長的色散系數(shù)可取定

21、為 20ps/( nm?km)， 上述兩檔總色散所容許的再生段長度分別為 320 km和 640 km。再生段的長度需符合總色散的要求， 再生段內(nèi)容許的光放段數(shù)量及光放大器的增益， 需滿足光波道信噪比的要 求。光波道信噪比隨光放段數(shù)量的增多和光放大器增益 的提高而降低，即短距離的光放段容許的段數(shù)可多一 些；長距離的光放段容許的段數(shù)就少一些。 再生段單波 光波道的信噪比一般要求大于或等于 20 dB。信噪比的 計算與模擬載波通信系統(tǒng)類似， 工程設(shè)計中可用下式計 算：OSNR=58+P0-Nf-G-10lgN （2） 式中：OSNRS光波道信噪比（dB） 58 棗綜合系數(shù)PO單波道光功率（dBm

22、Nf 一一光線路放大器噪 聲系數(shù)（ dB）G棗光放段增益（dB）N 一一光放段數(shù) 為了簡化工程設(shè)計， DWDM8 波、 16 波的 2.5Gbit s 系統(tǒng)，再生段內(nèi)光放段的數(shù)量其增益設(shè)計為： 8x 22 dB、5X30 dB、3X33 dB禾B l x44 dB等典型配 置。這是等增益的配置方法， 按此配置一般可不再進行 信噪比計算。 加工程中受客觀條件限制， 也可不用此典 型配置方法， 但需在設(shè)備招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書寫清楚， 波道 信噪比按非等增益配置計算。七、網(wǎng)管、公務(wù)與傳輸指標(biāo)DWD系統(tǒng)中設(shè)置了許多光放站，SDH勺業(yè)務(wù)信號不在光 放站上下，它只對光信號放大， 沒有電接口接人， 在 SDH勺業(yè)

23、務(wù)信號開銷中，也未設(shè)對光放大器進行監(jiān)控勺字 節(jié)，故目前的DWD系統(tǒng)均設(shè)有用于監(jiān)控光放大器的專 用監(jiān)控通道（ OSC）。光監(jiān)控通道的工作波長設(shè)在DWD系統(tǒng)波道工作波長之 外，目前多為1510 nm或1480 nm，傳輸速率為 2 Mbit /S。光監(jiān)控通道傳輸?shù)谋O(jiān)控信息不通過光放大 器，在光放大器輸入端靜面將信息取出， 在光放大器輸 出端后面將信息加入， 在光放站。 再生站和終端站均可 從網(wǎng)管接口取出網(wǎng)管信息。DWDI系統(tǒng)中包括 DWD設(shè)備和SDKS備，DWDM信號處 于光網(wǎng)絡(luò)層，SDH的信號處于業(yè)務(wù)層，故 DWD和 SDH 宜分別單設(shè)各自的網(wǎng)管系統(tǒng)。 尤其是省際光纜干線， 將 來要形成一個以DWD為基礎(chǔ)光網(wǎng)絡(luò)層，要建立全國的DWD網(wǎng)管系統(tǒng)，當(dāng)前建設(shè)的DWD光纜干線就宜將DWDM 和SDH勺網(wǎng)管系統(tǒng)分別設(shè)置。但對于不會納入全國網(wǎng)的 局部DWD傳