DWDM技术原理及其在城域网中的应用

DWDM技术原理及其在城域网中的应用

由于密集波分复用（DWDM）技术能充分利用光纤的巨大带宽资源，大幅度提高系统传输容量，降低传输成本，因此该技术在长途和骨干网的超大容量传输中得到了广泛的应用。如果把DWDM技术引入城域网、接入网，整个网络就会变成无缝连接的整体，为所有不同的业务提供支持和连接，因此城域网中DWDM具有很大优越性和发展潜力，将成为整个通信网络向全光网络演变的必然。

　　由于DWDM技术在我局城域网上还没有开展应用，为此结合DWDM技术原理和性能优势，对DWDM技术在城域网中的应用进行了一些初步探讨，为DWDM技术在未来我局城域网中的应用提供一些参考。

　　2 DWDM技术原理与性能优势

　　2.1 密集波分复用原理

　　DWDM技术指在当前1.55μm波段密集放置更多信道，在发送端采用光复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传播。在接收端，再由一个光解复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开，从而在一根光纤中可以实现多路光信号的复用传输(参看图1)。在ITU-T建议标准中，规定信道间隔为100GHz的整数倍。现在，人们已在试验采用50GHz和33.3GHz的信道间隔，甚至更窄，力求更充分地利用光纤的可用带宽。

　　2.2 DWDM系统组成

　　DWDM系统主要由光源、光放大器、光复用器和光解复用器组成，分别简述如下。

　　1.光源

　　DWDM系统的无电再生中继长度从50~60km增加到了500~600km，在要求传输系统的色散受限距离大大延长的同时，为了克服光纤非线性效应，要求光源使用技术更为先进、性能更为优良的激光器。总之，DWDM系统光源的两个突出的特点是：（1）具有一定色度色散容限；（2）标准而稳定的波长。

　　2．光波长转换器（OTU）

　　DWDM可以分为开放式和集成式两种系统结构。所谓的“开放式”是指在同一个WDM系统中，可以接入不同厂商的SDH系统。它采用波长转换技术，将复用终端的光信号转换成指定的波长，所以对复用终端接口没有特别的要求，只要这些接口符合ITU-T G.957建议的光接口标准。而集成式WDM系统没有采用波长转换技术，要求复用终端的光信号的波长符合系统的规范。

　　3．光放大器（OA）

　　光放大器是一种不需要经过光/电/光的变换而直接对光信号进行放大的有源器件,能补偿光功率在光纤传输中的损耗,延长通信系统的传输距离。

　　掺饵光纤放大器(EDFA)的工作原理:EDFA主要由掺饵光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等部件组成。它利用掺饵光纤的非线性效应，泵浦光(掺饵光纤放大器的泵浦波长为980nm)输入到掺饵光纤中，当有信号光输入时，辐射光的相位和波长会自发地与信号光保持一致，这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现了对光信号的放大。

　　4． 光复用器与光解复用器

　　在WDM系统中，将不同光源波长的信号结合在一起的器件称为合波器，反之，将经同一光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为分波器。同一器件既可作为分波器，又可以作为合波器。一般要求分波器、合波器的插入损耗小，隔离度大，带内损耗平坦，低的偏振相关性等。目前在WDM系统中使用的光分波合波器主要有阵式波导光栅（AWG）、相控阵分波器、可调谐滤波器、干涉膜滤波器、光栅耦合器等。

　　2．3 DWDM网络管理系统：

　　由于DWDM系统可以承载SDH、PDH和其他不受限的数字信号或模拟信号，其网管系统应该与传送的业务层的网管分离，分别通过Q3接口同时送给上层的网络管理层。这样可以增加DWDM承载业务的多样性。

　　在发送端，通过插入本节点产生的波长为?s（1510nm）的光监控（OSC）信号，来完成帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节的传递。网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节对DWDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并与上层管理系统相连。为防止某段光纤中光监控信道双向都断路,网元管理系统无法获取网元的监控信息, DWDM系统必须具有监控通路的保护功能。

　　 2．4 DWDM适用的光纤系统

　　在DWDM系统中，由于多个光信号在一根光纤中同时传输，因此增加了光纤中光功率的密度，很容易引发四波混频（FWM）等非线性现象。除常规G.652光纤外，还有色散位移G.653光纤和非零色散G.655光纤。

　　G.652光纤在1.3?m和1.5?m处具有很低的损耗，特别是在1.55?m处,损耗低于0.2dB/km,对长距离传输非常有利，但色散相对较大，约17ps/nm.km。由于G.652光纤在我国已大量敷设，因此利用原有的光纤采用DWDM技术实现超高速传输是当前的首选方案。

　　G.653光纤又称色散位移光纤，它在1550nm窗口同时具有最小色散和最低损耗，它是单波长系统的最佳选择，但是由于高速传输的串扰现象使多路WDM系统很难开通，现已不提倡使用G.653光纤。

　　G.655光纤是将G.653光纤的零色散点移至1570nm或1510~1520nm附近，成功地克服了G.652的色散受限和G.653无法开通WDM的缺点，升级非常灵活，既可以适用TDM系统也可以适用WDM技术。但采用该光纤的光缆价格为常规光缆的1.5倍。

　　2．5 WDM系统的性能优势

　　1．传输容量大、传输速率高

　　在PDH阶段，光纤线路的传送速率多采用34Mbit／s和 140Mbit／s，到了 SDH阶段，传输速率多采用155Mbit／s、622Mbit／s、2.5Gbit／s以及10Gbit／s。由于在采用TDM方式的SDH传送10Gbit／s或40Gbit／s速率时，还需要相关的调制技术和更高级的激光器，这将使成本极高，用户难以接受。而采用WDM方式，每个波长不仅可以传输2.5Gbit／s的SDH信号，也可以传送10Gbit／s及40Gbit／s以上的光载波信号，使得在一个光纤上传输的容量比单模光纤大几倍到几十倍，

　　2．光纤系统的传输距离长、传输设备简单

　　WDM系统采用了石英光纤最低损耗的1550nm窗口，其传输损耗更小、 传输距离更长，并且EDFA技术、外调制、电吸收等方式使得WDM系统中继段的允许损耗、色散更大，传输距离由几十公里向几百公里或更长距离的延长。WDM系统采用了光放大器代替了原来的电再生器，大大减少了SDH中继器的数量，节省了成本，简化了设备。

　　3．网络更加智能化

　　未来光纤网发展的目标之一是实现统一的传输网监控并顺利地纳入TMN。目前的PDH网管帧结构中的管理比特少、网管能力差；SDH虽然在帧结构中增加了丰富的管理、维护用开销比特，但由于各厂商的信息模型不同，使得不同厂商的网管系统在接口上不能互通；WDM系统设置了重要的网管监控通路，以传输WDM系统的网管信息，其网管更接近TMN模式。

　　4．适合传输多媒体综合业务信息

　　由于同一光纤中传输的光载波信号彼此独立，可以传送不同传输特性的不同信号，并且其通道对于数据格式是完全透明的，与信号的速率和调制方式无关，从而多种格式的业务信号，如语音、数据、视频等多媒体信息都可以在WDM系统中得到高质量的传送，改善了业务质量。

　　3 DWDM技术在城域网中的应用

　　目前城域网采用的SDH技术主要针对基于电路交换的语音业务。但从网络扩展角度看，在传统SDH网络上通过增加设备来满足数据业务的需求，从网络效率角度看，存在着效率低、成本高以及利用率低等缺点。DWDM以其特有的技术优势为城域网领域和数据通信带来极具竞争优势的解决方案。

　　3.1 DWDM在城域网与广域网应用上的差别DWDM在广域网应用获得了巨大的成功，但在架构宽带城域网时，两者有着很大的差别。

　　1.器件的要求

　　广域网的传输距离长达数千公里甚至跨洋，中间需要很多放大器等设备，对激光器和复用器件、部件要求很高，系统成本昂贵。而城域网传输距离一般在100km以内，对光纤的传输衰减值也不太敏感，免除了使用外部调制解调器和光放大器的必要以及相应的通路均衡需求。运营商因而可以相对自由地选用较低规格的光元器件，从而使整个系统成本大幅下降。

　　2.支持的业务种类、灵活性和网络成本方面的要求

　　与广域网相比，城域网在传输容量和距离方面要求较低，但在支持的业务种类、灵活性和网络成本方面有着更高的要求。从业务信道角度看，长途网主要提供622Mbit/s、2.5Gbit/s及10Gbit/s信道，而城域网却要求光接口支持SDH、ATM、吉比特以太网等从100Mbit/s到2.5Gbit/s范围内的所有信号，能承载不同类型的业务。DWDM是一种纯粹的物理层技术，它的运转完全独立于所携带信息的类型，能够提供以波长为基础的透明服务，灵活地传送任何格式的信号。

　　3.网络拓扑结构与保护的不同

　　从网络/业务拓扑和保护角度看，长途网采用的光纤/业务拓扑多为线性结构，业务保护由OXC、DXC或更高层协议执行。相比之下，城域网的拓扑呈环形或网状结构，业务拓扑则为辐射状结构，传输系统本身必须提供保护，或支持客户层保护机制。这就要求城域DWDM系统具有更为丰富的组网能力，并可组成光通道自愈环，以提高网络的安全性和可靠性。

　　4.城域网中对系统的模块化水平和分插复用能力要求更高

　　长途网的扩容主要通过增加容量，有效利用闲置波长，以不影响业务流量的方式进行。然而，在城域网中由于IP业务的突发性和不确定性，要求城域DWDM系统具备在环路添加新节点以及在不可预测的端点间增加容量的能力。这就对系统的模块化水平和分插复用能力提出了更高的要求。此外，城域网DWDM系统必须能提供在任何网络节点进行任意数量的波长分插复用的能力，以满足动态调度业务的需求。

　　3.2 DWDM城域网结构

　　DWDM城域网的一种基本结构是DWDM自愈环结构（见图3）。

　　从图3中可以清晰地看到DWDM系统对不同业务的支撑性。按照环中信号的传输方向，自愈环分为单向环和双向环两种；按照环路保护机制，DWDM自愈环分为１＋１环路保护、１:１保护和１:Ｎ保护环路等。此外当传输ＳＤＨ业务时，还必须协调DWDM保护机制和ＳＤＨ保护机制的重复和冲突问题。

　　在DWDM自愈环城域网结构中，OADM（光分插复用器）是最关键的部件。它的作用是在DWDM环路中灵活地添加分离波长。

　　3.3 城域DWDM技术特点

　　1.业务匹配直接、方便

　　传统的城域网络中采用ＴＤＭ技术，最适于提供2Mbit/s电路以满足64kbit／s语音业务，但该结构不适于统计复用数据业务。当城域网中采用了DWDM技术之后，便可用路由器或ATM交换机将分组或信元直接匹配到波长，而不必使用SONET或SDH的方法适配DWDM传输网络。从而，TDM被光层DWDM取代，增加了带宽利用率，推进了组网，降低了成本。

　　2.节省光纤资源

　　有的大用户需要的信道带宽很大，超过STM-16，采用TDM如STM-64技术，目前还难以满足其要求；若采用更高速率的TDM 系统需要对所有的终端设备进行更新，而DWDM则可以保留现有的终端设备，消除了使用额外光纤的要求。它还易于和现有的SONET／SDH网络或基于异步协议工作的旧的光终端设备兼容。

　　3.4 目前城域DWDM技术存在的主要问题

　　目前城域ＤＷＤＭ技术存在的主要问题在于以下几个方面：

　　１．设备成本问题

　　尽管城域网络的传输距离比较短，但由于城域网中使用了大量的光分插复用器（OADM），每个分插复用器引入了一定的损耗，所以在城域网中往往必须使用光放大器，使费用大大增加。如果采用DWDM对城域网进行升级的价格比采用TDM和铺设新光纤的价格还高，将会限制DWDM在城域网中的应用。现在设备制造商正在努力改进设备，使应用在城域网中DWDM设备的价格低于长途DWDM设备的价格。

　　2．技术问题

DWDM城域网中需使用大量的OADM，为对网络进行灵活的控制，OADM应是可编程的，可以用软件进行控制。但目前DWDM分插复用技术还不是很成熟，也没有大量商用，特别是对于波长数很多的系统。此外，光交叉连接设备更是不成熟。

　　3．设备的兼容性问题

　　由于目前DWDM网络的标准还没有完全制定，所以多个厂家设备之间的互连还存在问题。在这种情况下，一个城域网只能采用一个厂家的设备，或者加入相应的转换设备，以实现不同厂家设备之间的互连，但随着WDM光网络标准的制定，这些问题可以迎刃而解。

　　4．网管技术不成熟

　　由于相关标准制订的滞后，DWDM网管系统目前存在技术相对滞后的问题。比如大多数厂家的DWDM系统虽然都配置了EMS网元管理系统，但网元管理系统的向上接口不统一，有Q3接口、CORBA接口等，管理系统间难以兼容和互通；另外，各厂家的大多数DWDM系统尚不支持系统误码性能监测和连接完整性等重要功能。DWDM网管系统的功能尚待进一步加强和完善。

　　4 结束语

　　DWDM在长途干线网中已经获得了广泛的应用，在城域网中由于设备的成本还很昂贵，技术尚不成熟，设备的兼容性较差等原因暂时还难于普遍应用，但由于DWDM技术具有扩容的经济性，比特率和协议的透明性，良好的可扩展性等，随着市场的发展、新的低成本城域网设备的开发利用，DWDM技术在城域网中具有广阔的应用前景。相信在不远的将来，DWDM技术在我局的城域网应用中也会大展风采。