ULH及WDM技术发展

一、概述

　　随着业务量的提高，DWDM系统在我国骨干网和省二级骨干传送网的网络上得到了广泛的应用，基于10Gbit/s和2.5Gbit/s的DWDM系统已经成为基本的传送平台。 在东部等业务量大的发达地区使用的是基于10Gbit/s的DWDM传送平台，目前使用C波段，波长间隔为100GHz，可升级为40波系统。今年骨干网上也开始使用C波段波长间隔为50GHz，系统容量可达到80波10Gbit/s的系统。

　　从DWDM系统的传输距离来看，根据国内关于WDM系统的行业标准，可以把长途光纤传输系统分为常规长距离传输系统LH(Longhaul)、亚超长距离传输系统ELH(Enhancedlonghaul)、超长传输系统ULH(ultra-long haul)。对于传输距离小于1000km的WDM系统称为常规长距离传输系统，传输距离在1000～2000km的WDM系统称为亚超长传输（ELH）系统，传输距离大于2000km的WDM系统称为超长距离传输（ULH）系统。

　　单通路为40Gbit/s的系统也在不断的开发和研制的过程中，由于高端路由器已经具有40Gbit/sPOS接口，因此基于40Gbit/s的DWDM传送系统的使用会先于40Gbit/sSDH系统，目前国内外厂商也已经有了相关的试验和产品报道，但是应当看到的是40Gbit/s系统中还有一些技术问题需要进一步解决，才能够提供商用化的产品

　　目前，常规长距离WDM传输系统在我国的干线网络上已经有大量的应用，亚超长距离系统的标准化也已经完成，超长距离的技术和标准都在研究当中，已经有相当多的厂家有了商用化产品，在我国使用较多的还是解决单段长跨距的WDM传输技术。由于传输距离长，ULHWDM系统的优势是显而易见的，它可以减少电再生站、光放站的数量，延伸光放站之间的距离，有效降低系统成本，尤其对于中国这样幅员辽阔的国家，ULH将更具实际意义。随着初期投资成本的降低，其维护成本低的优势将更加明显，与ROADM技术结合应用会增加网络的灵活性，简化网络层次。

　　从城域传送网的层面来看，城域WDM环网技术经过几年的发展之后，在数据业务逐渐增多的网络应用中，逐步显露出它多种业务承载，同时具有保护功能的特点和优势。

　　本文将针对WDM系统的技术发展和市场应用等进行分析。

　　二、ULH和WDM传输的关键技术

　　1.宽带喇曼放大器技术

　　在ULH系统中，喇曼放大器技术是非常受瞩目的光传输技术，可以放大EDFA所不能放大的波段，并且利用普通的传输光纤就能实现分布式放大，从而大大提高系统的光信噪比（OSNR）。

　　喇曼放大器利用光纤自身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿。一种应用较广的喇曼放大器称之为分布式喇曼放大器(DRA)。DRA工作的基本原理是受激喇曼散射(SRS)效应，既将一小部分入射功率由一光束转移到另外一个频率下移的光束，频率下移量由非线性介质的振动模式决定，当波长较短(与信号波长相比)的泵浦光馈入光纤时，发生此类效应。泵浦光光子释放其自身的能量，释放出基于信号光波长的光子，将其能量叠加在信号光上，从而完成对信号光的放大。喇曼增益取决于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值，所有的喇曼放大器都可应用于40Gbit/s和10Gbit/s的传输系统，有时还会采用互泵浦和相对泵浦技术。对于超长距系统来说利用喇曼放大器提高系统的OSNR、增加系统跨距长度、提高WDM系统的通路和抑制光纤非线性效应是主要的目的。

　　2.超强FEC编码

　　在光传输系统中采用前向纠错(FEC)技术，能够消除系统性能曲线中的误码率平台现象，其编码增益也提供了一定的系统富余量，从而降低光链路中线性及非线性因素对系统性能的影响。对于有光放大器的系统，可以增加光放大器间隔，延长传输距离，提高信道速率，减小单通路光功率。FEC的实现方式有两种：一是带外FEC系统，二是带内FEC系统，带内FEC的增益一般为3dB左右，而带外FEC的增益远高于带内，因此超长距系统均采用带外FEC编码。在现有常规DWDM系统中所应用的FEC编码，尤以RS编码最普遍。RS223编码比RS239编码拥有更多的冗余字节，因此前向纠错能力更好，RS239编码可以比无编码时的OSNR情况改善5dB左右，而RS223编码又可以比RS239改善4dB，因此使用超强FEC时，OSNR总体改善情况为9dB，大大提高了系统的传输距离。实验证明，采用3bit软判决块Turbo码，可获得10.1dB的净编码增益和24.6%的冗余。对于40Gbit/s传输系统，由于接收机对OSNR更敏感，在高链路速率中经常发生信号损伤，因此在40Gbit/s系统中需要更高的编码增益，并降低开销冗余。

　　3.动态增益均衡

　　对于超长距离传输，保证整个线路上的增益平坦是非常重要的，增益均衡用于保证线路上各个波长之间的增益平坦，在主光通道的入口可能和各个波长之间的功率电平一样，但由于放大器增益平坦度以及各个波长在线路中衰耗的不一致，会导致在接收端各个波长之间的功率差异较大，影响正常的接收。目前一种通用的方法是在各个光放站放置增益平坦滤波器，此外通过基于各个通道光谱密度的大小，实施反馈控制，可以动态管理平坦进程。

　　动态增益均衡的优势在于可以增加超长距传输系统的区段数目，可以在级联50个EDFA情况下，不进行电再生中继；支持动态网络配置，在网络波长数目发生重大差异时不会对OSNR造成损伤；由于输入光功率变化也会造成增益斜度劣化，而通过动态增益均衡，可以代替目前正在使用的可调光衰减器(主要位于发射机一侧)。

　　4.码型技术

　　由于不同线路调制码型的光信号在色散容限、SPM(Self-PhaseModulation，自相位调制)、XPM(CrossPhaseModulation，交叉相位调制)等非线性的容纳能力、频谱利用率等方面各有特点，对于超宽频带的超长距离WDM传输系统中，NRZ、RZ等码型都有自己的特色。

　　NRZ码的应用简单、成本低、频谱效率高，是目前SDH和WDM系统中应用最广泛的码型，由于NRZ码元过渡不归零，对传输损伤敏感，不适用于高速超长距离光信号的传输。

　　RZ码的主要缺点是信号频谱宽度相对NRZ码增加，增加调制器使系统变得复杂，成本提高。为了进一步提高RZ码的传输性能，近年来还出现了CS-RZ(载频抑制RZ)和CRZ(啁啾RZ)等码型。在CS-RZ码中，相邻码元的电场振幅的符号相反，从而达到降低光谱宽度的目的，在功率较高的情况下，不但增加了色散容限，而且有更强的抵抗SPM和FWM等光纤非线性效应的能力。CRZ码采用了三级调制技术(RZ幅度调制、相位调制和数据调制)，其相位调制器在发射端对RZ脉冲的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量。抵抗非线性效应的能力非常优异。此外，CRZ还具有优良的抵抗偏振相关损耗（PDL）和偏振模色散（PMD）的能力，具有更高的传输稳定性。它的缺点是调制技术比较复杂，对三级调制之间的定时和时延要求很高。最近又研究出新的编码格式如CSRZ-DPSK、差分相移键控归零码（RZ-DPSK）、双二进制、单边带/残余边带调制（SSB/VSB）、相位整形二进制传输（PSBT）都可应用于高速率WDM传输系统。

　　5.色散补偿

　　在10Gbit/s以上的高速长距离传输系统中，必须考虑色散补偿问题。色散补偿包括色度色散补偿和偏振模色散补偿。色度色散补偿的方式包括色散补偿器件和色散补偿模块，目前使用最多的是色散补偿模块(DCM)，通常用在EDFA的两级之间，用以补偿DCM的插损。但是这种色散补偿光纤具有较强的非线性效应，会使不同信道之间的串扰加大。在40Gbit/s系统当中，环境因素的变化会造成色散量大小的随机波动，因而还要求色散补偿模块是可调谐的。需要使用动态色散补偿，应该选择光纤光栅器件、VIPA器件和平面波导器件等方案。现在对于动态的色度色散补偿方式也进行了大量的研究，但是真正商用的产品尚不多。

　　6.遥泵技术

　　遥泵技术是用于单段长跨距传输的专门技术，主要解决单长跨距传输中信号光的OSNR受限问题。在单段长跨距传输系统中，光纤输出端口处的光功率总是很小，经光功率放大后，极易造成接收端OSNR受限，因此需要采用高入纤光功率。同时为了避免出现非线性失真，总光功率一般限制在30dBm以下。

　　为了进一步解决OSNR受限延长传输距离，可在光纤链路中间部分对光信号进行预先放大。在传输光纤的适当位置熔入一段掺铒光纤，并从单段长跨距传输系统的端站（发射端或接收端）发送一个高功率泵浦光，经过光纤传输和合波器后注入铒纤并激励铒离子。信号光在铒纤内部获得放大，并可显著提高传输光纤的输出光功率。由于泵浦激光器的位置和增益介质（铒纤）不在同一个位置，因此称为“遥泵（RemotePump）”。遥泵光源通常采用瓦级的1480nm激光器，以克服长距离光纤传输的损耗问题。根据泵浦光和信号光是否在一根光纤中传输，遥泵又分为“旁路”（泵浦光和信号光经由不同光纤传输）和“随路”（两者通过同一光纤传输）两种形态。随路方式中泵浦光还可对光纤中的信号光进行喇曼放大，进一步增加传输距离，并可节省光纤资源，可以得以广泛应用。遥泵技术通常还可综合其他新技术，如光纤有效截面管理、二阶喇曼泵浦、两级遥泵增益区等。

　　总之，遥泵传输技术是在光缆线路中插入掺铒光纤等增益介质来进行光放大，这些点不需要供电设施，也无需维护，适合那些穿越沙漠、高原、湖泊、海峡的环境。不便之处在于，它需要在适当的位置切断光缆，将掺铒光纤串联到原来的光纤中，施工改动量和难度较大。

　　三、WDM技术的现状和发展趋势

　　国内各个厂商对于ULH技术也进行了大量的研究，中兴、烽火等公司在国家863计划的资助下，已经完成了ULH试验系统的研究和搭建。中兴公司研发的大容量、超长距离传输ULHDWDM系统容量可升级达到160×10Gbit/s，波长范围覆盖C+L波段，可在G.652光纤的环路平台上实现超过5000km的无电中继传输。烽火公司研发的超长距离传输系统覆盖C+L波段，系统容量可升级达到160×10Gbit/s，直线传输距离可以达到3040km。两个系统使用的都是CS-RZ编码，EDFA和喇曼混合放大技术。上述两个公司的相关研究成果已经有进一步商用化的计划。华为公司也宣布研制成功了ULH系统，据报道在业务容量为40×10Gbit/s使用G.652和G.655两种光纤的情况下，该系统实现全长4600km的无电中继传送。

　　国外设备制造商也在前几年开始了ULHWDM系统的研发，朗讯公司开发的LambdaXtreme超长距离光传输系统据报道能够将128条10Gbit/s光信号传送至4000km，中间无需放大器。对于64条40Gbit/s的光信号，传输距离可达1000km。同时Alcatel、Ciena、Corvis、Nortel等公司也有了商用化产品，但总的来说应用还不多。

　　从技术角度来看，利用ULHWDM系统中的EDFA和喇曼放大器结合的放大技术、采用色散和非线性容限较高的码型等ULHWDM技术都可以延长光放段的传输距离，用于骨干网中部分长跨距的应用，这是目前比较普遍的ULHWDM技术应用。同时ULH WDM系统可以减少电再生站、光放站的数量，延伸光放站之间的距离，充分反映出采用超长距系统对系统成本的降低。直接建设大型城市之间的超长距传输系统可以解决对带宽的迫切需要，同时节省了大量的光放站和电再生中继站，降低了系统的成本和维护费用，与可配置OADM技术结合，在骨干网上可以实现大城市之间的快速直达车，在中间的大城市站点可以采用OADM来实现业务接入。

　　城域WDM环网技术随着城域网中数据业务需求的增加而显示出它多业务平台、透明传输，同时可以提供一定的保护机制的优势。在城域传送网的核心层，尤其是光纤资源相对紧张的地区有较好的发展前景。

　　骨干网上对于波长的需求已经逐步增加，目前骨干网建设中，目标波长数为80波的系统已经提上议事日程，相信随着业务的不断增加，对于更高速率、更多波长和更长传输距离的DWDM系统的要求也会不断增加，会为技术的进一步发展提供驱动力。


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