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DWDM原理1
访问数:1080      发布时间:03-27   

1.1 DWDM 技术产生背景

随着话音业务的飞速增长和各种新业务的不断涌现,特别是 IP 技术的日新月异,网络容量必将会受到严重的挑战。传统的传输网络扩容方法采用空分复用( SDM )或时分复用( TDM )两种方式。

1. 空分复用 SDM ( Space Division Multiplexer )

空分复用是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量,传输设备也线性增加。

在光缆制造技术已经非常成熟的今天,几十芯的带状光缆已经比较普遍,而且先进的光纤接续技术也使光缆施工变得简单,但光纤数量的增加无疑仍然给施工以及将来线路的维护带来了诸多不便,并且对于已有的光缆线路,如果没有足够的光纤数量,通过重新敷设光缆来扩容,工程费用将会成倍增长。而且,这种方式并没有充分利用光纤的传输带宽,造成光纤带宽资源的浪费。作为通信网络的建设,不可能总是采用敷设新光纤的方式来扩容,事实上,在工程之初也很难预测日益增长的业务需要和规划应该敷设的光纤数。因此,空分复用的扩容方式是十分受限。

2. 时分复用 TDM ( Time Division Multiplexer )

时分复用也是一项比较常用的扩容方式,从传统 PDH 的一次群至四次群的复用,到如今 SDH 的 STM-1 、 STM-4 、 STM-16 乃至 STM-64 的复用。通过时分复用技术可以成倍地提高光传输信息的容量,极大地降低了每条电路在设备和线路方面投入的成本,并且采用这种复用方式可以很容易在数据流中抽取某些特定的数字信号,尤其适合在需要采取自愈环保护策略的网络中使用。

但时分复用的扩容方式有两个缺陷:第一是影响业务,即在“全盘”升级至更高的速率等级时,网络接口及其设备需要完全更换,所以在升级的过程中,不得不中断正在运行的设备;第二是速率的升级缺乏灵活性,以 SDH 设备为例,当一个线路速率为 155Mbit/s 的系统被要求提供两个 155Mbit/s 的通道时,就只能将系统升级到 622Mbit/s ,即使有两个 155Mbit/s 将被闲置,也没有办法。

对于更高速率的时分复用设备,目前成本还较高,并且 40Gbit/s 的 TDM 设备已经达到电子器件的速率极限,即使是 10Gbit/s 的速率 , 在不同类型光纤中的非线性效应也会对传输产生各种限制。

现在,时分复用技术是一种被普遍采用的扩容方式,它可以通过不断地进行系统速率升级实现扩容的目的,但当达到一定的速率等级时,会由于器件和线路等各方面特性的限制而不得不寻找另外的解决办法。

不管是采用空分复用还是时分复用的扩容方式,基本的传输网络均采用传统的 PDH 或 SDH 技术,即采用单一波长的光信号传输,这种传输方式是对光纤容量的一种极大浪费,因为光纤的带宽相对于目前我们利用的单波长信道来讲几乎是无限的。我们一方面在为网络的拥挤不堪而忧心忡忡,另一方面却让大量的网络资源白白浪费。

DWDM 技术就是在这样的背景下应运而生的,它不仅大幅度地增加了网络的容量,而且还充分利用了光纤的宽带资源,减少了网络资源的浪费。

1.2 DWDM 原理概述

DWDM 技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性,采用多个波长作为载波,允许各载波信道在光纤内同时传输。

与通用的单信道系统相比,密集 WDM ( DWDM )不仅极大地提高了网络系统的通信容量,充分利用了光纤的带宽,而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点,特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。

在模拟载波通信系统中,为了充分利用电缆的带宽资源,提高系统的传输容量,通常利用频分复用的方法。即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号,接收端根据各载波频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号。

同样,在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量。事实上,这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是,在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波,根据每一个信道光波的频率(或波长)不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道,从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。

由于目前一些光器件(如带宽很窄的滤光器、相干光源等)还不很成熟,因此,要实现光信道非常密集的光频分复用(相干光通信技术)是很困难的,但基于目前的器件水平,已可以实现相隔光信道的频分复用。人们通常把光信道间隔较大(甚至在光纤不同窗口上)的复用称为光波分复用( WDM ),再把在同一窗口中信道间隔较小的 DWDM 称为密集波分复用( DWDM )。 随着科技的进步,现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用,甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用,只是在器件的技术要求上更加严格而已,因此把波长间隔较小的 8 个波、 16 个波、 32 乃至更多个波长的复用称为 DWDM 。

DWDM 系统的构成及光谱示意图如 图 1-1 所示。发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号,经过光波长复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器(掺铒光纤放大器主要用来弥补合波器引起的功率损失和提高光信号的发送功率),再将放大后的多路光信号送入光纤传输,中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器,到达接收端经光前置放大器(主要用于提高接收灵敏度,以便延长传输距离)放大以后,送入光波长分波器分解出原来的各路光信号。

DWDM 系统的构成及频谱示意图

1.3 DWDM 设备工作方式

1.3.1 双纤双向传输

如图 1-2 所示,一根光纤只完成一个方向光信号的传输,反向光信号的传输由另一根光纤来完成。因此,同一波长在两个方向上可以重复利用。

图 1-2 双纤双向传输的 DWDM 系统

 

这种 DWDM 系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使一根光纤的传输容量扩大几倍至几十倍。在长途网中,可以根据实际业务量的需要逐步增加波长来实现扩容,十分灵活。在不清楚实际光缆色散的前提下,也是一种暂时避免采用超高速光系统而利用多个 2.5Gbit/s 系统实现超大量传输的手段。

1.3.2 单纤双向传输

如图 1-3 所示,在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输,两个方向光信号应安排在不同波长上。

图 1-3 单纤双向传输的 DWDM 系统

单纤双向传输允许单根光纤携带全双工通路,通常可以比单向传输节约一半的光纤器件,由于两个方向传输的信号不交互产生 FWM (四波混频)产物,因此其总的 FWM 产物比双纤单向传输少很多,但缺点是该系统需要采用特殊的措施来对付光反射(包括由于光接头引起的离散反射和光纤本身的瑞利后向反射),以防多径干扰;当需要将光信号放大以延长传输距离时,必须采用双向光纤放大器以及光环形器等元件,但其噪声系数稍差。

1.3.3 光信号分出和插入

 

 

图 1-4 光分出和插入传输

 

通过光分插复用器( OADM )可以实现各波长的光信号在中间站的分出与插入,即完成上 / 下光路,利用这种方式可以完成 DWDM 系统的环形组网。目前 OADM 只能够做成固定波长上 / 下的器件(如图 1-4 所示),从而使该种工作方式的灵活性受到了限制。

 

1.4 DWDM 的应用形式

DWDM 通常有两种应用形式:

开放式 DWDM

集成式 DWDM

开放式 DWDM 系统的特点是对复用终端光接口没有特别的要求,只要求这些接口符合 ITU-T G.957 建议的光接口标准。 DWDM 系统采用波长转换技术,将复用终端的光信号转换成指定的波长,不同终端设备的光信号转换成不同的符合 ITU-T 建议的波长,然后进行合波。

集成式 DWDM 系统没有采用波长转换技术,它要求复用终端的光信号的波长符合 DWDM 系统的规范,不同的复用终端设备发送不同的符合 ITU-T 建议的波长,这样他们在接入合波器时就能占据不同的通道,从而完成合波。

根据工程的需要可以选用不同的应用形式。在实际应用中,开放式 DWDM 和集成式 DWDM 可以混合使用。

1.5 DWDM 的优越性

光纤的容量是极其巨大的,而传统的光纤通信系统都是在一根光纤中传输一路光信号,这样的方法实际上只使用了光纤丰富带宽的很少一部分。为了充分利用光纤的巨大带宽资源,增加光纤的传输容量,以密集 WDM ( DWDM )技术为核心的新一代的光纤通信技术已经产生。

DWDM 技术具有如下特点:

1. 超大容量

目前使用的普通光纤可传输的带宽是很宽的,但其利用率还很低。使用 DWDM 技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量增加几倍、几十倍乃至几百倍。日本 NEC 公司已经在实验室实现了 132 × 20Gbit/s 的 DWDM 系统,传输距离 120km 。该系统总带宽为 35nm (从 1529nm~1564nm ),信道间隔 33GHz ,可以传 4000 万路电话。

2. 对数据率“透明”

由于 DWDM 系统按光波长的不同进行复用和解复用,而与信号的速率和电调制方式无关,即对数据是“透明”的。因此可以传输特性完全不同的信号,完成各种电信号的综合和分离,包括数字信号和模拟信号,以及 PDH 信号和 SDH 信号的综合和分离。

3. 系统升级时能最大限度地保护已有投资

在网络扩充和发展中,无需对光缆线路进行改造,只需更换光发射机和光接收机即可实现,是理想的扩容手段,也是引入宽带业务(例如 CATV 、 HDTV 和 B-ISDN 等)的方便手段,而且利用增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。

4. 高度的组网灵活性、经济性和可靠性

利用 DWDM 技术构成的新型通信网络比用传统的电时分复用技术组成的网络结构要大大简化,而且网络层次分明,各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。由于网络结构简化、层次分明以及业务调度方便,由此而带来的网络的灵活性、经济性和可靠性是显而易见的。

5.可兼容全光交换

可以预见,在未来可望实现的全光网络中,各种电信业务的上 / 下、交叉连接等都是在光上通过对光信号波长的改变和调整来实现的。因此, DWDM 技术将是实现全光网的关键技术之一,而且 DWDM 系统能与未来的全光网兼容,将来可能会在已经建成的 DWDM 系统的基础上实现透明的、具有高度生存性的全光网络。



作者:ayp  来源:中国中铁电气化局集团第三工程有限公司第二工程段

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