第3章光网络的复用技术

第3章光网络的复用技术3.1复用技术的发展及几种典型复用技术的比较

1.什么是复用技术

“将多路数据组合成一路数据的过程。复用的目的是更好地共享信道资源，适应信道传输。”

更确切的定义应该是：按照某种方式，将多路数据复合到一个信道上或者一个介质链路上传输。目的是为了更有效地利用介质的传输带宽，以降低单位数据的传输成本。2.为什么需要复用技术如果不采用复用技术，而是直接用光纤来传输低速率信号的话，不但会造成资源的极大浪费，而且会使数据的传输成本非常高。复用技术的目的就是为了充分利用资源，降低通信成本。3.复用技术的发展光纤通信系统的复用技术一开始采用的是脉冲编码调制(PCM)方式，先把模拟信号变成数字信号，再利用TDM技术组成一次群至五次群等，传输速率分别是2M、8M、34M、140M、560M，这种系统是PDH系统。SDH系列有STM-1（155Mbps）、STM-4(622Mbps)和STM-16(2.5Gbps)等。无论PDH还是SDH，所采用的复用技术均为TDM技术。其他复用技术：码分复用、光时分复用等，技术最成熟，使用最为广泛的是波分复用（WDM）技术。4.几种典型复用技术

空分复用（SDM）

时分复用（TDM）

光时分复用（OTDM）

光码分复用（OCDM）

(1)空分复用（SDM）单纯依靠增加光纤对的方式，线性增加系统的传输容量，传输容量是随着铺设光纤光缆的数量线性增加。这种扩容方式的优点是简单易行，扩容方案很容易实现。(2)时分复用（TDM）通过把时间划分成更小的时间间隔，把来自不同源头的数据比特承载在同一条链路上，提高传输链路的容量。

优点：技术成熟，可以实现无缝升级。

缺点：第一，通过时分复用方式来扩容，会影响到正在传输的服务；第二，速率的升级缺乏灵活性。对于高速率系统的时分复用，目前实验室中最高传输速率可以达到40Gbps，这个速率已经接近电子器件的速率极限。时分复用(3)光时分复用（OTDM）

OTDM的原理就是将多个高速电调制信号分别转换为等速率光信号，在光层上利用超窄光脉冲进行时域复用，把多个光信号调制成更高速率的光信号，提高单个信道的数据传输速率。OTDM要走向实用化必须解决三个关键技术：

①超窄光脉冲的产生与调制

②全光时分复用

③全光时分解复用和定时提取技术

OTDM目前还是实验室中的研究课题，离应用于光网络还很远。OTDM可以把单信道传输速率提高到TDM无法达到的高速率，这种复用方式会随着技术的成熟，在网络中得到广泛应用。（4）光码分复用（OCDM）

OCDM是码分多址技术在光域内的应用，给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输的数据的地址码进行光正交编码，然后实现信道复用，在接收端，用与发送端相同的地址码进行光正交解码。3.2波分复用（WDM）技术什么是波分复用

所谓的波分复用，就是在一根光纤上不只传输一个光载波，而是利用不同的频段，同时传输多个不同波长的光载波。这些不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同的数据格式。因为这些光载波波长不同，在传输频带内的位置就不一样，传输的时候各自独立传输，不会互相造成干扰。2.WDM技术的实质

WDM波分复用在实质上是频分复用技术。在光信号的频段内，信号频率都高达几百THz，用频率表示信道非常不便，以波长表示更适合。WDM系统的频谱分布图※

WDM、DWDM和CWDM的区别。3.WDM技术原理把低损耗窗口（1550nm窗口）划分成若干个通路，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同波长光信号合并起来送入一根光纤传输，在接收端，再由另一个波分复用器（分波器）把这些不同波长分开。传输过程中，各个波长彼此之间是相互独立的。所以，一方面不同的波长可以在同一根光纤中传输，另一方面不同的方向可以传输不同波长，用一根光纤就可实现双向传输。WDM系统原理示意图4.WDM技术的优点

(1)超大容量传输

(2)节约光纤资源

(3)能够实现平滑升级

(4)充分利用了成熟的TDM技术

(5)利用EDFA实现超长距离传输

(6)对光纤色散无过高要求

(7)支持网络向全光网的发展趋势5.两波分复用系统

WDM技术最早出现在上个世纪80年代初，针对每根光纤上只能传输一个波长，存在巨大的光纤资源浪费的情况，首先考虑的是最简单的方案：在光纤的两个低损耗窗口（1310nm和1550nm），每个波段各自传送一路波长信号，这就是最早的两波长波分复用系统。1310/1550nmWDM系统结构图6.多波长波分复用系统

90年代中后期EDFA的技术成熟，WDM系统的应用就进入了一个新时期，EDFA工作在1550nm窗口，1550nm窗口本身的损耗最低，新的WDM技术只采用1550nm窗口。在此窗口中采用多个波长，称为多波长波分复用系统，即现代的WDM系统。1550nmDWDM系统结构图7.WDM系统实例-济南－青岛的WDM波分复用系统8.WDM系统的分类（1）集成式WDM系统集成式WDM系统指的是接入的SDH终端都具有符合G.692标准的光接口，这种SDH接口称为彩色接口，也称彩光口。集成式WDM系统（2）开放式WDM系统在波分复用器前面已经加入了波长变换器（OTU），可以将非标准波长转换成标准波长。开放式WDM系统比集成式WDM系统更加复杂，但是其兼容性更好，便于对网络性能进行检测，也便于信号的中继。开放式WDM系统符合G.657的发射机与O/E/O型的光波长转换器合并使用示意图9.WDM系统的构成（1）双纤单向：单向WDM是指一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反方向的光信号由另一光纤完成。双纤单向传输（2）单纤双向一根光纤上实现不同方向的传输，两方向所用波长相互分开，允许单根光纤携带全双工通路。与双纤单向WDM相比，单纤双向WDM系统可以减少光纤和线路放大器的数量。但双向系统设计复杂。单纤双向传输10.WDM系统的传输容量在光纤通信系统中，通常将所能达到的最大传输速率B和最长传输距离L的乘积BL，称为系统的传输容量。有时，也把一根光纤中多个信号的总速率称为容量。限制WDM系统传输容量的主要因素有：

(1)光纤损耗：采用EDFA补偿损耗的影响；

(2)色散：利用色散补偿光纤（DCF）对色散进行补偿；

(3)非线性效应：减小输入光功率等。举例：假设一个点到点的WDM系统，每根光纤中传输的信号数目是n，每个信号的传输速率为B，系统中使用的光纤段数为k，每段长度为L，那么：

（1）光纤的总的传输速率为：BT=B×n;

（2）系统总的传输距离为：LT=L×k；

（3）系统的传输容量为：BT×LT=(B×n)×(L×n)若B=2.5Gbps，n=16，L=80km，k=8，则系统总传输容量为：

2.5Gbps×16×80km×8=25.6（Tbps·km）11.WDM系统的技术规范以下介绍的WDM系统的规范，指参考ITU-T的G.692规范所制定的n×2.5Gbps系统的国内标准。并且，只考虑点到点的WDM技术，不考虑组网。（1）光波长区的分配①系统工作波长区ITU-T的G.692规定，WDM系统的工作波长范围为1528.77~1560.61nm，对应的工作频率为198.1~192.1THz。②绝对频率参考（AFR）绝对频率参考是指WDM系统标称中心频率的绝对参考点。G.692规定，绝对频率参考为193.1THz，对应的光波长为1552.52nm。绝对频率参考加上通路间隔的倍数，就是每个信道的标称中心频率（中心波长）。③通路间隔指两个相邻的光信道之间的标称中心频率之差。通路间隔可以是均匀的，也可以是非均匀的。

G.692建议中规定，WDM通路间隔是100GHz（约0.8nm）的整数倍，通常采用的是200GHz（1.6nm）和100GHz（0.8nm）两种通路间隔。④标称中心频率标称中心频率是指WDM系统中每个信道对应的中心频率，或者中心波长。G.692建议规定，标称中心频率是基于绝对频率参考为193.1THz、最小通路间隔为100GHz的频率系列。8/16波长WDM系统的频率系列序号中心频率（THz）波长（nm）1192.11560.612192.21559.793192.31558.984192.41558.175192.51557.366192.61556.557192.71555.758192.81554.949192.91554.1310193.01553.3311193.11552.5212193.21551.7213193.31550.9214193.41550.1215193.51549.3216193.61548.51⑤中心频率偏移简称频偏，是指系统中信道的实际中心频率与标称中心频率之间的偏差。一般规定，对于8通路的WDM系统，考虑到以后向16波长WDM系统的升级，规定最大中心频率偏移为±20GHz。例如：表中序号为5的信道，其频偏最大范围是192.5THz±20GHz，即：192.48~192.52THz，对应波长范围：1557.52~1557.20nm。（2）光接口分类对于N×2.5Gbps的WDM系统的长途应用，国内规定了3种光接口：8×22dB、3×33dB和5×30dB。其中，22dB、33dB和30dB表示的是每个区段允许的损耗，8、3和5表示的是整个系统的区段的数目。①8×22dB系统由8段组成，每段允许的光纤损耗是22dB。普通的G.652光纤平均每公里损耗为0.275dB，22dB的损耗对应的距离是22/0.275=80km。8×22dB系统在中间没有电的再生中继过程的情况下，最远可以传输8×80=640km的距离。适合中国大多数地区使用。8×22dB系统结构图②3×33dB

每段允许损耗可达33dB，对应每区段长度为120km，总的传输距离可达360km。主要是考虑到西北地区，特别是沙漠地区会出现超长中继距离的情况。③5×30dB整个系统由5段组成，每段传输距离大约为100km。这种光接口主要是作为补充。在组网的时候，根据实际情况，每个区段的距离都可以灵活选用80km、100km、或者120km，增加组网的灵活性。（3）光监控信道（OSC）要求表2.2OSC的接口参数监控波长1510nm监控速率2Mbit/s信号码型CMI信号发送功率0~7dBm光源类型MLMLD光谱特性待研究最小接收灵敏度-48dBm（4）安全要求ITU-T建议规定，单路或者合路信号的入纤最大光功率为+17dBm。在链路切断情况下可能出现光浪涌现象，一旦出现光浪涌，瞬间功率可能会远大于这个17dBm，造成器件损坏。①光浪涌的产生

在光纤突然被切断或者其他原因导致信号丢失时，泵浦源继续向EDFA注入高能光子，激发大量的铒离子到达高能级，导致亚稳态上的铒离子大量积累。一旦光信号重新注入EDFA时，会引起亚稳态上大量铒离子的受激辐射，EDFA的输出达到很高的水平，例如30dBm(即1W)，这种光功率是非常危险的，极易损坏光连接器甚至光接收机，这种损坏是不可逆的。光浪涌的产生②光浪涌的防止一旦由于光纤切断或者其他原因引起信号丢失，开始计时，当时间累积到一定值，减小注入到EDFA的泵浦功率，甚至将泵浦功率完全切断，在EDFA中就不会再积累高浓度的亚稳态离子。当链路故障排除后，等信号恢复一定时间，再恢复向EDFA的泵浦功率。光浪涌的防止12.WDM的现有技术水平及国内应用现状（1）WDM现有的技术水平实验室已经达到10.92Tbps，商用化系统也已经达到1.6Tbps。（2）国内WDM技术的应用水平以上海－杭州之间80×40Gbps系统为例：2005年开通

最大波长数：80

单波长传输速率：10/40Gbps

信道间隔：100GHz

使用波段：C＋L波段

线路码型：NRZ＋FEC（非归零码，前向纠错）

色散补偿方案：DCF＋可调光纤光栅色散补偿器

放大：C波段和L波段分开放大13.WDM技术的发展趋势

（1）提高通路速率

（2）增加复用波长数

（3）扩大应用波长范围3.3波分复用器件

WDM器件有多种制造方法，目前广泛使用的WDM器件可以分为4类：

角色散器件

干涉滤波器

熔融拉锥型

集成波导型复用器(合波器)解复用器(分波器)······WDMWDM1.光栅型波分复用器光栅型波分复用器件属于角色散器件，当包含了多个波长信号的入射光照射到光栅上时，由于光栅的角色散作用，不同波长的光信号以不同的角度出射，经过透镜会聚到不同的输出光纤，把多个信号分离，从而完成波长的解复用。块状光栅型波分复用器的典型结构光纤光栅的制作及其内部结构2.介质薄膜滤波器型波分复用器多层介质膜由分别具有高折射率和低折射率的两种不同的介质材料，交替叠加在一起构成，每层的光学厚度都是要反射的光波长的1/4。工作原理：当包含了若干个光信号的光波入射到介质