DWDM技術原理及其在城域網中的應用

由于密集波分復用（DWDM）技術能充分利用光纖的巨大帶寬資源，大幅度提高系統傳輸容量，降低傳輸成本，因此該技術在長途和骨干網的超大容量傳輸中得到了廣泛的應用。如果把DWDM技術引入城域網、接入網，整個網絡就會變成無縫連接的整體，為所有不同的業務提供支持和連接，因此城域網中DWDM具有很大優越性和發展潛力，將成為整個通信網絡向全光網絡演變的必然。

　　由于DWDM技術在我局城域網上還沒有開展應用，為此結合DWDM技術原理和性能優勢，對DWDM技術在城域網中的應用進行了一些初步探討，為DWDM技術在未來我局城域網中的應用提供一些參考。

　　2 DWDM技術原理與性能優勢

　　2.1 密集波分復用原理

　　DWDM技術指在當前1.55μm波段密集放置更多信道，在發送端采用光復用器（合波器）將不同規定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進行傳播。在接收端，再由一個光解復用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開，從而在一根光纖中可以實現多路光信號的復用傳輸(參看圖1)。在ITU-T建議標準中，規定信道間隔為100GHz的整數倍。現在，人們已在試驗采用50GHz和33.3GHz的信道間隔，甚至更窄，力求更充分地利用光纖的可用帶寬。

　　2.2 DWDM系統組成

　　DWDM系統主要由光源、光放大器、光復用器和光解復用器組成，分別簡述如下。

　　1.光源

　　DWDM系統的無電再生中繼長度從50~60km增加到了500~600km，在要求傳輸系統的色散受限距離大大延長的同時，為了克服光纖非線性效應，要求光源使用技術更為先進、性能更為優良的激光器。總之，DWDM系統光源的兩個突出的特點是：（1）具有一定色度色散容限；（2）標準而穩定的波長。

　　2．光波長轉換器（OTU）

　　DWDM可以分為開放式和集成式兩種系統結構。所謂的“開放式”是指在同一個WDM系統中，可以接入不同廠商的SDH系統。它采用波長轉換技術，將復用終端的光信號轉換成指定的波長，所以對復用終端接口沒有特別的要求，只要這些接口符合ITU-T G.957建議的光接口標準。而集成式WDM系統沒有采用波長轉換技術，要求復用終端的光信號的波長符合系統的規范。

　　3．光放大器（OA）

　　光放大器是一種不需要經過光/電/光的變換而直接對光信號進行放大的有源器件,能補償光功率在光纖傳輸中的損耗,延長通信系統的傳輸距離。

　　摻餌光纖放大器(EDFA)的工作原理:EDFA主要由摻餌光纖（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔離器等部件組成。它利用摻餌光纖的非線性效應，泵浦光(摻餌光纖放大器的泵浦波長為980nm)輸入到摻餌光纖中，當有信號光輸入時，輻射光的相位和波長會自發地與信號光保持一致，這樣在輸出端就可以得到功率較強的光信號，實現了對光信號的放大。

　　4． 光復用器與光解復用器

　　在WDM系統中，將不同光源波長的信號結合在一起的器件稱為合波器，反之，將經同一光纖送來的多波長信號分解為個別波長分別輸出的器件稱為分波器。同一器件既可作為分波器，又可以作為合波器。一般要求分波器、合波器的插入損耗小，隔離度大，帶內損耗平坦，低的偏振相關性等。目前在WDM系統中使用的光分波合波器主要有陣式波導光柵（AWG）、相控陣分波器、可調諧濾波器、干涉膜濾波器、光柵耦合器等。

　　2．3 DWDM網絡管理系統：

　　由于DWDM系統可以承載SDH、PDH和其他不受限的數字信號或模擬信號，其網管系統應該與傳送的業務層的網管分離，分別通過Q3接口同時送給上層的網絡管理層。這樣可以增加DWDM承載業務的多樣性。

　　在發送端，通過插入本節點產生的波長為?s（1510nm）的光監控（OSC）信號，來完成幀同步字節、公務字節和網管所用的開銷字節的傳遞。網絡管理系統通過光監控信道物理層傳送開銷字節到其他節點或接收來自其他節點的開銷字節對DWDM系統進行管理，實現配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并與上層管理系統相連。為防止某段光纖中光監控信道雙向都斷路,網元管理系統無法獲取網元的監控信息, DWDM系統必須具有監控通路的保護功能。

　　 2．4 DWDM適用的光纖系統

　　在DWDM系統中，由于多個光信號在一根光纖中同時傳輸，因此增加了光纖中光功率的密度，很容易引發四波混頻（FWM）等非線性現象。除常規G.652光纖外，還有色散位移G.653光纖和非零色散G.655光纖。

　　G.652光纖在1.3?m和1.5?m處具有很低的損耗，特別是在1.55?m處,損耗低于0.2dB/km,對長距離傳輸非常有利，但色散相對較大，約17ps/nm.km。由于G.652光纖在我國已大量敷設，因此利用原有的光纖采用DWDM技術實現超高速傳輸是當前的首選方案。

　　G.653光纖又稱色散位移光纖，它在1550nm窗口同時具有最小色散和最低損耗，它是單波長系統的最佳選擇，但是由于高速傳輸的串擾現象使多路WDM系統很難開通，現已不提倡使用G.653光纖。

　　G.655光纖是將G.653光纖的零色散點移至1570nm或1510~1520nm附近，成功地克服了G.652的色散受限和G.653無法開通WDM的缺點，升級非常靈活，既可以適用TDM系統也可以適用WDM技術。但采用該光纖的光纜價格為常規光纜的1.5倍。

　　2．5 WDM系統的性能優勢

　　1．傳輸容量大、傳輸速率高

　　在PDH階段，光纖線路的傳送速率多采用34Mbit／s和 140Mbit／s，到了 SDH階段，傳輸速率多采用155Mbit／s、622Mbit／s、2.5Gbit／s以及10Gbit／s。由于在采用TDM方式的SDH傳送10Gbit／s或40Gbit／s速率時，還需要相關的調制技術和更高級的激光器，這將使成本極高，用戶難以接受。而采用WDM方式，每個波長不僅可以傳輸2.5Gbit／s的SDH信號，也可以傳送10Gbit／s及40Gbit／s以上的光載波信號，使得在一個光纖上傳輸的容量比單模光纖大幾倍到幾十倍，

　　2．光纖系統的傳輸距離長、傳輸設備簡單

　　WDM系統采用了石英光纖最低損耗的1550nm窗口，其傳輸損耗更小、 傳輸距離更長，并且EDFA技術、外調制、電吸收等方式使得WDM系統中繼段的允許損耗、色散更大，傳輸距離由幾十公里向幾百公里或更長距離的延長。WDM系統采用了光放大器代替了原來的電再生器，大大減少了SDH中繼器的數量，節省了成本，簡化了設備。

　　3．網絡更加智能化

　　未來光纖網發展的目標之一是實現統一的傳輸網監控并順利地納入TMN。目前的PDH網管幀結構中的管理比特少、網管能力差；SDH雖然在幀結構中增加了豐富的管理、維護用開銷比特，但由于各廠商的信息模型不同，使得不同廠商的網管系統在接口上不能互通；WDM系統設置了重要的網管監控通路，以傳輸WDM系統的網管信息，其網管更接近TMN模式。

　　4．適合傳輸多媒體綜合業務信息

　　由于同一光纖中傳輸的光載波信號彼此獨立，可以傳送不同傳輸特性的不同信號，并且其通道對于數據格式是完全透明的，與信號的速率和調制方式無關，從而多種格式的業務信號，如語音、數據、視頻等多媒體信息都可以在WDM系統中得到高質量的傳送，改善了業務質量。

　　3 DWDM技術在城域網中的應用

　　目前城域網采用的SDH技術主要針對基于電路交換的語音業務。但從網絡擴展角度看，在傳統SDH網絡上通過增加設備來滿足數據業務的需求，從網絡效率角度看，存在著效率低、成本高以及利用率低等缺點。DWDM以其特有的技術優勢為城域網領域和數據通信帶來極具競爭優勢的解決方案。

　　3.1 DWDM在城域網與廣域網應用上的差別DWDM在廣域網應用獲得了巨大的成功，但在架構寬帶城域網時，兩者有著很大的差別。

　　1.器件的要求

　　廣域網的傳輸距離長達數千公里甚至跨洋，中間需要很多放大器等設備，對激光器和復用器件、部件要求很高，系統成本昂貴。而城域網傳輸距離一般在100km以內，對光纖的傳輸衰減值也不太敏感，免除了使用外部調制解調器和光放大器的必要以及相應的通路均衡需求。運營商因而可以相對自由地選用較低規格的光元器件，從而使整個系統成本大幅下降。

　　2.支持的業務種類、靈活性和網絡成本方面的要求

　　與廣域網相比，城域網在傳輸容量和距離方面要求較低，但在支持的業務種類、靈活性和網絡成本方面有著更高的要求。從業務信道角度看，長途網主要提供622Mbit/s、2.5Gbit/s及10Gbit/s信道，而城域網卻要求光接口支持SDH、ATM、吉比特以太網等從100Mbit/s到2.5Gbit/s范圍內的所有信號，能承載不同類型的業務。DWDM是一種純粹的物理層技術，它的運轉完全獨立于所攜帶信息的類型，能夠提供以波長為基礎的透明服務，靈活地傳送任何格式的信號。

　　3.網絡拓撲結構與保護的不同

　　從網絡/業務拓撲和保護角度看，長途網采用的光纖/業務拓撲多為線性結構，業務保護由OXC、DXC或更高層協議執行。相比之下，城域網的拓撲呈環形或網狀結構，業務拓撲則為輻射狀結構，傳輸系統本身必須提供保護，或支持客戶層保護機制。這就要求城域DWDM系統具有更為豐富的組網能力，并可組成光通道自愈環，以提高網絡的安全性和可靠性。

　　4.城域網中對系統的模塊化水平和分插復用能力要求更高

　　長途網的擴容主要通過增加容量，有效利用閑置波長，以不影響業務流量的方式進行。然而，在城域網中由于IP業務的突發性和不確定性，要求城域DWDM系統具備在環路添加新節點以及在不可預測的端點間增加容量的能力。這就對系統的模塊化水平和分插復用能力提出了更高的要求。此外，城域網DWDM系統必須能提供在任何網絡節點進行任意數量的波長分插復用的能力，以滿足動態調度業務的需求。

　　3.2 DWDM城域網結構

　　DWDM城域網的一種基本結構是DWDM自愈環結構（見圖3）。

　　從圖3中可以清晰地看到DWDM系統對不同業務的支撐性。按照環中信號的傳輸方向，自愈環分為單向環和雙向環兩種；按照環路保護機制，DWDM自愈環分為１＋１環路保護、１:１保護和１:Ｎ保護環路等。此外當傳輸ＳＤＨ業務時，還必須協調DWDM保護機制和ＳＤＨ保護機制的重復和沖突問題。

　　在DWDM自愈環城域網結構中，OADM（光分插復用器）是最關鍵的部件。它的作用是在DWDM環路中靈活地添加分離波長。

　　3.3 城域DWDM技術特點

　　1.業務匹配直接、方便

　　傳統的城域網絡中采用ＴＤＭ技術，最適于提供2Mbit/s電路以滿足64kbit／s語音業務，但該結構不適于統計復用數據業務。當城域網中采用了DWDM技術之后，便可用路由器或ATM交換機將分組或信元直接匹配到波長，而不必使用SONET或SDH的方法適配DWDM傳輸網絡。從而，TDM被光層DWDM取代，增加了帶寬利用率，推進了組網，降低了成本。

　　2.節省光纖資源

　　有的大用戶需要的信道帶寬很大，超過STM-16，采用TDM如STM-64技術，目前還難以滿足其要求；若采用更高速率的TDM 系統需要對所有的終端設備進行更新，而DWDM則可以保留現有的終端設備，消除了使用額外光纖的要求。它還易于和現有的SONET／SDH網絡或基于異步協議工作的舊的光終端設備兼容。

　　3.4 目前城域DWDM技術存在的主要問題

　　目前城域ＤＷＤＭ技術存在的主要問題在于以下幾個方面：

　　１．設備成本問題

　　盡管城域網絡的傳輸距離比較短，但由于城域網中使用了大量的光分插復用器（OADM），每個分插復用器引入了一定的損耗，所以在城域網中往往必須使用光放大器，使費用大大增加。如果采用DWDM對城域網進行升級的價格比采用TDM和鋪設新光纖的價格還高，將會限制DWDM在城域網中的應用。現在設備制造商正在努力改進設備，使應用在城域網中DWDM設備的價格低于長途DWDM設備的價格。

　　2．技術問題

DWDM城域網中需使用大量的OADM，為對網絡進行靈活的控制，OADM應是可編程的，可以用軟件進行控制。但目前DWDM分插復用技術還不是很成熟，也沒有大量商用，特別是對于波長數很多的系統。此外，光交叉連接設備更是不成熟。

　　3．設備的兼容性問題

　　由于目前DWDM網絡的標準還沒有完全制定，所以多個廠家設備之間的互連還存在問題。在這種情況下，一個城域網只能采用一個廠家的設備，或者加入相應的轉換設備，以實現不同廠家設備之間的互連，但隨著WDM光網絡標準的制定，這些問題可以迎刃而解。

　　4．網管技術不成熟

　　由于相關標準制訂的滯后，DWDM網管系統目前存在技術相對滯后的問題。比如大多數廠家的DWDM系統雖然都配置了EMS網元管理系統，但網元管理系統的向上接口不統一，有Q3接口、CORBA接口等，管理系統間難以兼容和互通；另外，各廠家的大多數DWDM系統尚不支持系統誤碼性能監測和連接完整性等重要功能。DWDM網管系統的功能尚待進一步加強和完善。

　　4 結束語

　　DWDM在長途干線網中已經獲得了廣泛的應用，在城域網中由于設備的成本還很昂貴，技術尚不成熟，設備的兼容性較差等原因暫時還難于普遍應用，但由于DWDM技術具有擴容的經濟性，比特率和協議的透明性，良好的可擴展性等，隨著市場的發展、新的低成本城域網設備的開發利用，DWDM技術在城域網中具有廣闊的應用前景。相信在不遠的將來，DWDM技術在我局的城域網應用中也會大展風采。