波分技术上课讲义

1、波分复用技术 随着公用通信网及国际互联网的飞速发展， 人们对带宽通信提出前所未有的 要求，一些原有的通信技术， 如时分复用，频分复用， 已经不能满足通信的要求。 在这种情况下波分技术应运而生。1 引言目前，光纤通信己成为现代通信网的基本组成部分， 承载着通信骨干网络的 主要传输任务。随着通信新业务的发展，语音、图像、数据等信息量成爆炸式增 长，对通信网带宽要求十分迫切。 现有的通信网已经难以满足要求， 扩大通信容 量成为当务之急。波分复用(WDM技术的基本原理是在一芯光纤中同时传输多个 不同光波波长信道的技术， 应用此技术可以使不同波长的信道成倍、 十倍、百倍 地增长。通常以吉赫兹或纳米这两种

2、计量单位来表示任何两个信道的波长问隔， 如200GH或1.6nm, 100GH或0.8nm等。当波长的间隔小于等于1OOGH或0.8nm时， WD就被称为密集波分复用(DWDM技术。使用WD技术就可以在原有传输速率的基 础上，成倍地扩大光纤的传输能力，对通信网络进行容量的扩展。WD技术可以在不需要敷设新光缆的条件下， 大大增加单芯光纤的传输容量， 冈而大大节约投 资，具有巨大的经济效益。 WD通信网是一个协议透明、格式透明的网络，可以 不断地将现有的电网络迭加到光网络上。WD网络可以根据需要随时升级扩容， 以满足未来新业务的需求。WD系统主要南光合波器、光分波器和掺铒光纤放大 器(EDFA)组

3、成。其中EDF的作用是由比信号波长低的高能量光泵浦源将能量辐射 进一段掺铒光纤中， 当载有净负荷的光波通过此段光纤一起传播时， 完成光能量 的转移，使在15301565nn波长范围内各个光波承载的净负荷信号全都得到放 大，弥补了光纤线路的能量损失。这样，当用EDF/代替传统的光通信链路中的中 继段设备时， 就能以最少的费用直接通过增加波长数增大传输容量， 使整个光通 信系统的结构和设计都大大简化，并便于施工维护。WD系统的发送端是将多个终端光发射机的光信号复用在一根光纤中进行传输，在接收端将光信号解复用， 并由多个终端光接收机来接收。因此，WD系统是构建于单信道系统之上的。 WDM 系统的每个

4、信道的性能都应与相应的单信道系统要求一致。如使用WD系统承载SD系统，则每个信道都应符合G.957光接口标准的要求。2. 波分复用技术的概念波分复用（WDM是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发 送端经复用器（亦称合波器，Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光线路的同一 根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器 （亦称分波器或称去复用器， Demultiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复 原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。使用WD技术就可以在原有传输速率的基础上，成倍地扩大光纤的传 输

5、能力，对通信网络进行容量的扩展。图1是一个波分复用系统及其频谱的示意 图。图1波分复用系统及其频谱的示意图通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。 按照通道间隔的 不同，WD可以细分为CWDM稀疏波分复用）和DWDM密集波分复用）。CWDM 的信道间隔为20nm而DWD的信道间隔从0.2nm到1.2nm,所以相对于DWD， CWD称为稀疏波分复用技术。CWD和DWD的区别主要有二点：一是 CWD载波通道间距较宽，因此，同 一根光纤上只能复用5到6个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别 就由此而来；二是CWDM制激光采用非冷却激光，而 DWD采用的是冷却激光。 冷却激光采用温

6、度调谐，非冷却激光采用电子调谐。由于在一个很宽的波长区段 内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWD避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个 CWD系统成本只有DWDI的 30% CW DM是通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实 现。在链路的接收端， 利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤， 接到 不同的接收机。 2 3波分技术的特点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（d

7、wDM术为核心的 新一代的光纤通信技术已经产生。WD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。现在商用最高容量光纤传输系统为 16Tbit/s 系统，朗讯和北电网络两公司 提供的该类产品都采用 160 X 10Gbit/s 方案结构。（2）对数据的“透明”传输由于DWDM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。一个WD系统的业务可以承载多种格式的“业 务”信号，如ATM IP或者将来有可能出现的信号。 W

8、D系统完成的是透明传输， 对于“业务”层信号来说， WD系统中的各个光波长通道就像“虚拟”的光纤一 样。（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CATVHDT和BISDN 等）的方便手段，而且利用增加一个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WDM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

9、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，WD技术将是实现全光网的关键技术之一，而且 WD系统能与未来的全光网兼容，将来可能会 在已经建成的WD系统的基础上实现透明的、具有高度生存性的全光网络。不言而喻，WD技术是克服电路限制、扩大通信带宽以及在光纤通信网络中实现光波长路由和信道重复使用的关键技术， 是有效利用光纤带宽资源的重要手 段。现在主要介绍密集波分技术。4. 实现DWDI的关键技术和设备 实现光波分复用和传输

10、的设备种类很多，各个功能模块都有多种实现方法， 具体采用何种设备应根据现场条件和系统性能的侧重点来决定。总体上看，在 D WD系统当中有光发送/接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五 个模块。（1）光发送 /接收器 光发送/接收器主要产生和接收光信号。主要要求具有较高的波长精度控制技术和较为精确的输出功率控制技术。 两种技术都有两种实现方法。 常用控制波 长的方式包括： 温度控制，使激光器工作在恒定的温度条件下来达到控制精度的 要求；波长反馈技术， 采用波长敏感器件监控和比较激光器的输出波长， 并通过 激光器控制电路对输出波长进行精确控制。（2）波分复用器波分复用器（OMD包括合波器

11、和分波器。光合波器用于传输系统发送端， 是一种具有多个输入端口和一个输出端口的 器件，它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号， 输入的不同波长的光波 由同一个输出端口输出。光分波器用于传输系统接收端， 正好与光合波器相反， 它具有一个输入端口 和多个输出端口，它将多个不同波长的光信号分离开来。光合波器一般有耦合器型、 介质膜滤波器型和集成光波导型等种类。 光分波器主要有介质膜滤波器型、集成光波导型、布拉格光栅型等种类。其中，集成光 波导技术使用最为广泛，它利用光平面波导构成 NXM个端口传输分配器件，可 以接收多个支路输入并产生多个支路输出，利用不同通道的置换，可用作合波器， 也可用作分波

12、器。具有集成化程度高的特点，但是对环境较为敏感。（3）光放大器光放大器可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的 关键部件之一。目前使用的光放大器分为光纤放大器（OFA和半导体光放大器（SOA两大类，光纤放大器又有掺饵光纤放大器（EDFA、掺错光纤放大器（P DFA、掺铌光纤放大器（NDFA。其中，掺饵光纤放大器（EDFA的性能优越， 已经在波分复用实验系统、商用系统中广泛应用，成为现阶段光放大器的主流。 对EDFA勺基本要求是高增益且在通带内增益平坦、高输出、宽频带、低噪声、 增益特性与偏振不相关等。半导体光放大器（SOA早期受噪声、偏振相关性等 因素的影响，性能不达到实用要

13、求，后来在应变量子阱材料的SOA研制成功后，再度引起人们的关注。SOA吉构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小、 还能与其它配件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA勺应用。（4）光监控通道根据ITU-TG.692建议要求，DWD系统要利用EDFAT作频带以外的一个波 长对EDFA进行监控和管理。目前在这个技术上的差异主要体现在光监控通道（OSC波长选择、监控信号速率、监控信号格式等方面。5. 网络生存性WD系统技术保护概括起来可以分为两大类，一类是基于线路的保护，一类 是基于设备的保护，下面对这两种保护类型分别做些介绍。5.1基于线路的保护方案如果安光层和业务层来分的话，通

14、常WD系统的光层保护有光通道层保护和 光复用段层保护两种方式。根据光纤中传输业务的方向，这两种光层保护方式又 可分别进一步细分为“两纤单向”保护和“两纤双向”保护。 3裸护方式适用用给层武琛护时象圉瓠时间臺盛设计运行维护光通道保护和点默必叢10 IDA略高光規用段帰护OADM环厠整牛光复用段50 ITK图2两种保护方式比较目前，国内外各大主流电信设备厂商在基于 WD线路的保护方面大都采用光 纤线路自动倒换保护（Optical Line Auto switching Protection，OLP技术。OL我术基于光路物理路由备份工作，并具有在工作路由和备份路由之间进行自 动切换和光功率监测功能。

15、 当工作路由上的业务信号丢失或损耗变大导致通信不 能正常进行时，OL系统能够进行实时检测，发出告警信息，并能以毫秒级速度 将传输通道切换到备份路由上，使通信得以恢复，保证 WD系统的传输可靠性， 实现传输系统的自动保护。 4OL战术可以分为1： I保护和1+1保护。1: 1保护采用的是双向四纤保护方式， 在A B两个端局的WD设备与线路光缆之间各放置一套 OLP1 1型保护模块，在模 块中内嵌光检测单元， 对线路光缆中传递的信号进行实时监测。 当工作路由上的 光信号丢失或强度低于设定的阈值时， 两个端局能同时自动生成告警信号并自动 倒换到备用路由上， 当光检测单元检测到工作路由线路情况恢复正常

16、后可选择切 换回去或继续利用备用路由工作。 1+1保护方式同样是利用四纤来实现保护功能， 通过对信号进行并发选收来达到保护目的，在 A B两个端局WD设备与线路光缆 之间各放置一套l+1型保护模块（内置l X 2光分路器或光开关），在发送端对合路 的光信号一分为二， 同时沿工作路由和备用路由向收端传送， 接收端对主备两路 光信号进行判断，选择接收，从而实现对光信号的自动保护。5.2基于WD设备的保护方案顾名思义，基于WD设备的保护方式主要是针对WD设备本身和所用板卡出现 故障而采取的一种保护方式。 各大主流通信设备厂商对此类保护方式也都进行了 深入研究，目前应用的主要有0TU板内1+1保护、O

17、T板间1+1保护、0Tu板卡l : N 保护以及客户侧保护技术等。OT板内l+1保护就是OT板卡本身就具有双发选收 的功能，OT从客户端接入光信号，经过整形、再生、重定时处理后，通过一个 分路器发送到工作通道和保护通道中。 经过光缆传输后， 在接收端， 将工作通道 和保护通道中的光信号接收下来， 然后选择一路光信号处理、 转换后发送给客户 侧设备。OTL板内l+1保护具体实现方式如图3所示。祐 HJJifl j£i图3 OTU板内1+1保护具体实现0TU板间1+1保护则是采用了使用特殊保护板卡的方式。对于要保护的波长， 在发送端利用一块保护单板将客户端的业务分做两路，分别送入主用和备

18、用OTU 在接收端利用另一块保护单板将主用和备用 OTU勺业务送往客户端。正常情况下， 主用通道上的业务会被接收，并进行处理，而备用通道的业务会被终止。此时在 接收端只有主用通道的信号输出端有信号输出， 备用通道的客户侧光发送模块是 关闭的，无光输出。当检测到工作通道的信号丢失时， 备用通道的信号会进行正 常处理，而主用通道的信号会被终结。此时接收端主用通道的客户侧光发送模块 关闭，备用通道输出信号。在系统中每个业务波长通道都可以选择进行保护或不 进行保护，如果需要保护则需要 OTU勺数量加倍，且需要配置相应数量的特殊保 护单板。OT板间1+1保护具体实现方式如图4所示。和|1迪也OTUOTU

19、1 . _ .1一.丄=保忙板卡*1 . . 一*I朝挣图4 OTU板间1+1保护具体实现伽OTI板卡1: N呆护方式主要是通过0TU勺备份对重要业务进行保护。具体实现 方式如图5所示。例如在图5中工作通道中波长为 I到8,保护通道中的波长是 9,在正常工作的时候，保护波长是不传输业务的。当18波长通道中任意一个OT出现故障时，出现故障的业务就从故障 OT倒换到保护OTUh。发送端 利用光开关在此端将业务疏导到保护OT所在的保护通道 9上,并在接收端将此 波长的业务输出到受保护的客户端设备。当同时有多块 OT发生故障，系统可以 根据用户设定的业务优先级数据，确定保护哪一路业务，优先保护级别最高

20、的业 务。客户侧保护方式主要是针对具有汇聚功能的 OT板卡采取的一种保护方式， 这种方式一般也需要配置特殊的保护单板。 保护单板可以分别对两组光信号进行 分光和耦合处理。两路客户侧业务光信号进入保护单板后，分别进行分路处理后 送入主用和备用OT单板，经汇聚和波长转换后分别送入线路传输，当某一路客 户侧信号出现故障时，仅对此一路信号进行倒换，波分侧不发生倒换。此时是将 主用OT单板此路客户侧信号的激光器关闭，将备用OTU单板此路客户侧信号的激 光器打开。其它正常的客户侧信号仍通过主用 OT单板进行传输。客户侧保护方 式相当于OT板间1+1保护方式的一个子集，其特点是当发生保护倒换时，可以只 将部

21、分客户侧业务倒换到备用OTI单板上，而不需将所有业务进行倒换。6. 波分技术的发展随着传输技术的发展， 以 IP 业务为主对网络的进一步优化设计将是 IP ove r WDM 。IP over WDM 技术是将 WDM 技术和成熟的 IP 传输技术结合的产物。 IP over WDM 就是让 IP 数据包直接在光路上跑，减少网络层之间的冗余部分。由 于省去了中间的 ATM 和 SDH 层，其传输效率最高，节省了网络运行成本，同 时也降低了用户的费用，是一种最直接、最经济的 IP 网络结构体系，非常适用 于城域网建设。从协议的角度来讲，可以将这种结构的网络分成 IP 业务层和光网络层。 IP 业务层包括 IP 主干业务子层和 IP 适配子层，光网络层包括：光网络适配子层、 光复用子层和光传输子层。在 IP 业务层当中，核心部分是 IP 主干业务子层，这 一层完成大部分 IPv4 或者 IPv6 的功能，包括数据打包、生成报头、 IP 路由等。 而 IP 适配子层则进行 IP 数据包的差错检测、服务质量 (QoS) 控制等。在光网络 层当中，核心部分是光复用子层， 它将实现光复用协议所规定的功能， 对固定的 带宽进行复用，同时还提供线路保护和故障定位等功能