DWDM光纤传输系统研究和分析

1、DWD光纤传输系统研究与分析摘要介绍光纤传输系统密集波分复用(DWDM光 纤传输系统。关键词 光纤传输系统 密集波分复用 光纤传输概述光纤即为光导纤维的简称。光纤通讯是以光波为载频， 以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。 光纤通讯之所 以在最近短短的二十年中能得以迅猛的发展， 是由于它 具有以下的突出优点而决定： 1 传输频带宽、通讯容量大。光载波频率为 5X1014 MHz, 光纤的带宽为几千兆赫 兹甚至更高。2 信号损耗低。目前的实用光纤均采用纯净度很高的石英 (SiO2) 材料， 在光波长为1550nm附近，衰减可降至0.2dB/km,已接近 理论极限。因此，它的中继距离可以很远。3 不

2、受电磁波干扰。因为光纤为非金属的介质材料， 因此它不受电磁波的干 扰。4 线径细、重量轻。由于光纤的直径很小，只有0.1mm左右，因此制成光缆 后，直径要比电缆细，而且重量也轻。因此，便于制造 多芯光缆。5 资源丰富。光纤通讯除了上述优点之外，还有抗化学腐蚀等特点。当然光纤本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低； 要求比较好的切断、 连接技术；分路、耦合比较麻烦等。光纤和光缆1 光纤的分类 按照传输模式来划分： 光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形， 或者 说是光场场形 (HE) 。各种场形都是光波导中经过多次的 反射和干涉的结果。 各种模式是不连续的离散的。 由于 驻波才能在光纤中稳定

3、的存在， 它的存在反映在光纤横 截面上就是各种形状的光场， 即各种光斑。 若是一个光 斑，我们称这种光纤为单模光纤，若为两个以上光斑， 我们称之为多模光纤。单模光纤(Single-Mode)单模光纤只传输主模， 也就是说光线只沿光纤的内芯进 行传输。 由于完全避免了模式色散， 使得单模光纤的传 输频带很宽，因而适用于大容量，长距离的光纤通讯。单模光纤使用的光波长为1310 nm或1550nm 如图1 单模光纤光线轨迹图。多模光纤(Multi-Mode) 在一定的工作波长下(850nm/1300nm),有多个模式在光 纤中传输，这种光纤称之为多模光纤。 由于色散或像差， 因此,这种光纤的传输性能

4、较差,频带较窄,传输容量也比较小,距离比较短。 按照纤芯直径来划分：50/125( a m) 缓变型多模光纤62.5/125( a m) 缓变增强型多模光纤8.3/125( a m) 缓变型单模光纤备注：50/62.5/8.3 a m 均为光纤的光芯直径数, 125a m均为光纤玻璃包层的直径数。按照光纤芯的折射率分布来划分阶跃型光纤 (Step index fiber) ,简称 SIF；梯度型光纤 (Graded index fiber) ,简称 GIF；环形光纤 (ring fiber) ；W型光纤2光缆：点对点光纤传输系统是通过光缆进行连接。 光缆可包含 1根光纤（有时称单纤）或2根光纤

5、（有时称双纤） ，或者 更多（48 纤、 1000纤） 。3 光纤辅助器件： 光纤配线架 （Housing） 用于室内光纤网络配线系统。 光纤活动连接器 （Connector） 用于各类光纤设备 （如光端机等 ） 与光纤之间的连 接。 (ST-FC-SC) 光纤适配器和衰减 器 (Adaptor and Attenuator) 光纤适配器用于各类光纤设备与光纤连接方式的转换。光纤衰减器用于减弱输入光功率减， 从此避免由于输入 光功率超强而使光接收机产生的失真。（对于NTK光端 机，无需用衰减器 ） 光分路器 (Coupler)适用于将一根光纤信号分解为多路光信号输出 （ 如：计 算机网络、CC

6、TV系统）。 光波分复用器 （WDM） 用于光路中不同波长的光的分离或混合。三，波分复用技术的近况； 近几年，全球通信市场发展迅猛，尤其是国际互联网、 移动通信系统以及多媒体等一系列业务的兴起， 对大容 量、高性能网络传输的需求剧增。 而传统光纤传输系统SDH和PDH采用“一波一纤”方式，对系统扩容采用TDM（时分复用），因受器件的限制，SDH和PDH的扩容 方式都不能满足通信业务急剧增长的需求， 这样，一种 新的传输技术&#0；密集波分复用技术（DWDM成为光纤 扩容最有效和最经济的手段。波分复用技术可以充分利用光纤的巨大带宽资源， 使一 根光纤的传输容量比单波长传输增加几十倍甚至上

7、百 倍。在大容量长途传输时可以大量节约光纤， 有效应付 光纤耗尽现象， 不必对原有系统作较大的改动即可比较 方便地进行扩容。由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立， 传输信号的特性可以完全不同， 实现各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号、模拟信号、PDH言号和SDH言号。长距离无电中继传输时，EDFA勺应用可以大大减少长途 干线系统SDH中继器的数目，减少成本。传输距离越长, 节省成本就越多。四、设备选型DWD光纤传输系统的组成，线路传输部分由DWD设备 构成，终端部分由传统的SDHS备构成。DWD设备的选 型主要应从设备制式、 波道数量、 波道系统速率以及胜 能技术指标等方面考虑。DWD

8、设备有开放式和集成式两种制式。开放式组成的系 统如图之所示，终端接人符合 ITU-T G.957 接口的 SDH 终端设备（TM，通过波长转换器（OUT接人合波器（0M。合波器将接入N个波道的信息集合起来送人光 纤，经过多个光线路放大器（LA）传输至电再生器站的 分波器。 分波器将始端输人的川个波道分开， 各波道的信号通过具有 3R 功能的波长转换器进行再生、定时和 整形后， 再输入到下一个电再生段， 以此过程一直传输 到复用段或链路的终端， 按始端的波道序号接至所对应 的终端设备。 开放式系统有两个主要特点： 一是在系统 中采用了波长转换器， 使之能够兼容不同工作波长、 不 同厂商生产的SD

9、H设备；一是利用波长转换器替代了SDH勺电再生器，使一条光纤通信链路的线路传输系统, 全部由DWD设备组成，只在链路的终端接人SDH设备, 这对于网络的组织、扩容、管理、维护等均非常有利。集成式系统也有两个主要特点，一是不采用波长转换 器；二是仍使用SDH的电再生器。因此它必须终接规定 工作波长的SDH设备，在线路传输系统中因接人有 SDH 的再生器，所以这种系统就不具备上述开放式系统的优 点，故在工程设计中宜选用开放式系统的设备。DWD系统的波道基础速率，目前可商用的有 2.5 Gbit/s 和 10 Gbit s 两种设备，开发实验成功 的有 20 Gbit s 和 40 Gbit s 等

10、更高速率的设备。工程中选定波道的基础速率， 除与传输容量需求有关之 外尚与所使用的光纤种类密切相关。因为高速率的DWD系统，除要求光纤需具有低的衰减之外，还要求光 纤具有小的色度色散、 小的偏振模色散和工作波长区的 色度色散不能为零。 我国已建的近百万公里光缆线路采 用的光纤，基本上全力 ITU-T G.652 单模光纤，这种 光纤在：550 nm波长的衰减很低，工作波长区的色散 也不为零，但它在1550 nm波长的色度色散高达 18 ps /( m?km) 一 20 ps /(n n?km),另外，偏振 模色散没有指标要求， 由于制造工艺的原因， 有些光纤 的偏振模色散值还相当高。因此， G

11、.652 光纤适合传输 波道基础速率为2.5 Gbit /s的DWDM统。如欲用来 传输10 Gbit /s的DWDM统，则需采取色度色散补 偿措施， 另外，还需测试光纤的偏振模色散是否满足系 统的指标要求。 关于偏振模色散， 目前尚无商用的补偿 措施。 在我国的光缆网中，有极少量的 6， 653 色散 位移单模光纤，这种光纤可以传输单波道时分复用的 2.5 Gbit /S、10 Gbit /s系统。当用来传输多波道 的波分复用系统时，由于光纤工作波长区的色度色散为 零，会产生四波混频非线性影响， 所以 G.653 光纤不适 合用于光波道较多的DWDM统。新建的光缆线路工程， 已改用 G.65

12、5 非零色散位移单模 光纤。这种光纤既保持了 G.652、G.653 光纤的优点， 又克服了两种光纤的上述缺点， 所以 G.655 光纤既适合 传输波道基础速率为 2.5 Gbit s。 10 Gbit s 的DWD系统也适合传输高速率的时分复用系统。DWD系统已有8波、16波和32波的商用设备，开发实 验成功的已高达132波。DWDM统中的光放大器，采取 了增益自动控制措施，当系统中波道数量增减变化时， 对整个系统和对已开通业务的波道均不产生影响。 例如 工程中采用了 16波的DWDM统，其合波器、分波器和 光放大器均按 16波设备配置，初装的波道数可按工程 初期需要配置SDH终端设备，以后

13、根据业务量增长的需 要，在空余的波道上进行扩容。由于 DWDM统的扩容 非常简便， 在工程中选定波道数量时， 满足业务增长的 年限可适当放长一点，即系统的波道数量可适当取多一 点，当然需通过技术经济比较后确定。DWDM统的每个波道都有一个中心波长或中心频率。8 波、 16波和 32波各波的中心波长、中心波长间隔与中 心波长偏差， ITU-T 建议中均有统一的规定。设备制造 厂商由于技术开发方面的原因，相同波道数量的 DWDI 设备所用的中心波长位置并不一致， 在工程设计时应按 我国的技术体制， 选用体制所规定的中心波长， 为实现 在光波道层面上进行互通， 组建光交叉连接的光网络创 造条件。五、

14、网络结构与传输累统组织 由于光分插复用器（ OAD）M 和光交叉连接设备（ OXC） 尚未达到商用，还不能用 DWD组成全光网层面。目前 只能将DWD系统用作线路传输设备，与SDH终端设备 结合起来，在SDHg面上组织传输网。DWD系统可以在线形、格形。树干形和环形等网络结构 中应用，因为DWD系统中的波道数量很多，在工程设 计中可以使用不同的波道， 同时分别组织不同的网络结 构。例如用其中的 3个波道组织线形网， 用其中的另外 2 个波道组织环形网，还可以用其中的另 4 个波道与别 的SDH系统组织格形网。用DWDI系统组织点到点的线形网络，以波道为单元可 以组成终端。转接和直通，配上 SD

15、H终端及复用设备, 可以在SDH复用结构层面上，安排各种速率的通路组织。DWD系统的传输容量巨大，一个系统能承载几十万条话 路，提高传输系统的可靠性应是工程设计中的首要问 题。当前光纤通信设备的故障率很低， 通信故障多来自 光缆线路。统计资料表明，光缆线路故障约每 100 km 每年0.1次，每次故障历时平均6 h。光缆线路故障多 为外部机械损伤所致， 并且多为整条光缆的纤芯全部阻 断，利用光缆自身光纤组成的传输系统作为保护措施很 难有效地提高传输网的可靠性。最近在儿个 DWDM统 的工程设计中，在点到点间采用了双光缆、双路由（ l l ）的组网方式。因为两条不同物理路由上的光缆同 时阻断的概

16、率很小，所以这种传输网的可靠性非常高， 受到建设与维护部门的欢迎。 如在多节点之间组织高可 靠性的传输通道，可采用环形自愈网方式，利用 DWDM 系统的光波道，在传输节点上安装 SDH分插复用设备（ADM，组成通道或复用段保护环。光缆干线工程设计中， 常设置省际干线和省内干线两种 传输系统，在 SDH 工程中是利用光缆中不同的光纤对， 分别组成不同用途的传输系统。在DWDM工程中可利用DWD系统中不同的光波道，分别组成省际干线、省内干线和其他专业网的传输系统。DWD系统的再生段距离可长达600 km复用段的距离般比再生段还长。 省内干线传输系统主要组织省会到地（市）、地（市）到地（市）城市的通

17、信，其间的距 离多在100 km左右，DWD系统若按此距离设置再生段 或复用段，势必提高DWDI工程的造价。所以在具体工 程中，如用干线的DWDI波道组织省内传输系统感到不 经济时，也可单设SDH系统组织短程的省内或其他专业 传输系统。六、站段配置DWD传输系统设有终端站、转接站、再生站和光放站, 由此组成了复用段、 再生段与光放段。 终端站和转接站 根据网络结构和通路组织的安排配置。 在该两种站内配 置DWD的合波器、分波器、波长转换器以及 SDH勺终 端复用器或分插复用器等设备。再生站和光放站根据DWD设备的传输技术要求与所用光纤的技术性能配置。在再生站内配置合波器、分波器、具有 3R功能

18、的波长 转换器（开放式系统）或SDH勺再生器（集成式系统）。在光放站内配置符合增益要求的光放大器。DWD系统的光放段配置，多数厂商均按等增益进行设 计。以再生段为单元， 再生段内各个光线路放大器均设 计为等增益工作方式， 各光线路放大器的输出功率电平 及其接收灵敏度均相同， 如某光放段的光纤衰减小于放 大器的增益数值， 则用光衰减器进行补齐， 一个再生段 内光放段的传输电平。光放段的长度按光线路放大器设定的增益种类配置。 目 前8波、16波DWD的光放大器的增益有22 dB30 dB、 33 dB、44dB等多种。一个再生段内只选用一种增益类 型的光放大器， 这样有利于系统的调测和维护。 结合

19、工 程的具体条件， 在一个再生段内也可选用不同增益类型 的放大器混合配置， 这种混合配置的再生段， 光波道信 噪比的计算比较复杂， 系统调测也比较困难， 所以目前 工程中，多按一个再生段内选用一种增益的放大器进行 设计。放大器的增益类型可通过下式计算确定：G=L(a r +a C +a s) + Ac ( 1) 式中：G棗光放段放大器增益(dB)L 棗光放段光缆长度( km)a r 一一光缆的光纤衰减系数( dB/km) a c 棗光缆维修余量( dB/km) a s棗光纤接头平均衰减(dB/km)A c 棗光纤连接器衰减( dB) 工程中如使用G.652单模光纤，工作波长为1550 nm 时

20、，式( 1)中的各项参数可取定为： a r =0.22dB/ km、a c =0.04 dB/km a s =0.04 dB/km、A c 按1个连接器为0.5 dB。若为利用已建光缆进行扩容 时，上述参数可用实测数值。按所设定的参数数值，不 同增益放大器所对应的光放段长度见表 1。工程设计中再生段的长度及其光放段数量需按再生段 容许的总色散和信噪比指标要求配置。再生段容许的总色散，对于波道基础速率为 2.5 Gbit /s 的 DWD系统，分为 6400 ps/(nm?km)和 12800 ps /(nm?km)两档。工程设计中如用 G.652单模光纤, 1550 nm 波长的色散系数可取定

21、为 20ps/( nm?km)， 上述两档总色散所容许的再生段长度分别为 320 km和 640 km。再生段的长度需符合总色散的要求， 再生段内容许的光放段数量及光放大器的增益， 需满足光波道信噪比的要 求。光波道信噪比随光放段数量的增多和光放大器增益 的提高而降低，即短距离的光放段容许的段数可多一 些；长距离的光放段容许的段数就少一些。 再生段单波 光波道的信噪比一般要求大于或等于 20 dB。信噪比的 计算与模拟载波通信系统类似， 工程设计中可用下式计 算：OSNR=58+P0-Nf-G-10lgN （2） 式中：OSNRS光波道信噪比（dB） 58 棗综合系数PO单波道光功率（dBm

22、Nf 一一光线路放大器噪 声系数（ dB）G棗光放段增益（dB）N 一一光放段数 为了简化工程设计， DWDM8 波、 16 波的 2.5Gbit s 系统，再生段内光放段的数量其增益设计为： 8x 22 dB、5X30 dB、3X33 dB禾B l x44 dB等典型配 置。这是等增益的配置方法， 按此配置一般可不再进行 信噪比计算。 加工程中受客观条件限制， 也可不用此典 型配置方法， 但需在设备招标技术规范书写清楚， 波道 信噪比按非等增益配置计算。七、网管、公务与传输指标DWD系统中设置了许多光放站，SDH勺业务信号不在光 放站上下，它只对光信号放大， 没有电接口接人， 在 SDH勺业

23、务信号开销中，也未设对光放大器进行监控勺字 节，故目前的DWD系统均设有用于监控光放大器的专 用监控通道（ OSC）。光监控通道的工作波长设在DWD系统波道工作波长之 外，目前多为1510 nm或1480 nm，传输速率为 2 Mbit /S。光监控通道传输的监控信息不通过光放大 器，在光放大器输入端静面将信息取出， 在光放大器输 出端后面将信息加入， 在光放站。 再生站和终端站均可 从网管接口取出网管信息。DWDI系统中包括 DWD设备和SDKS备，DWDM信号处 于光网络层，SDH的信号处于业务层，故 DWD和 SDH 宜分别单设各自的网管系统。 尤其是省际光缆干线， 将 来要形成一个以DWD为基础光网络层，要建立全国的DWD网管系统，当前建设的DWD光缆干线就宜将DWDM 和SDH勺网管系统分别设置。但对于不会纳入全国网的 局部DWD传