密集波分复用 百科内容来自于: 百度百科

密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing)技术,也就是人们常说的DWDM,指的是一种光纤数据传输技术,这一技术利用激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。 DWDM是光纤网络的重要组成部分,它可以让IP协议、ATM和同步光纤网络/同步数字序列(SONET/SDH)协议下承载的电子邮件、视频、多媒体、数据和语音等数据都通过统一的光纤层传输。

技术背景

要理解DWDM和光网互联的重要性,就必须在通信产业、特别是服务供应商当前面临何种问题这一大前提下来讨论DWDM技术所带来的强大功能。在网络的设计和建设时期,工程设计人员必须对网络未来的带宽需求作出合理的估计。美国等地区铺设的大多数网络对带宽的需求估计都是来源于古典的工程公式概算,比如泊松(Poisson)概率分布模型等。结果呢,网络所需带宽量的估测值通常按照某种统计假设条件给出,比如,一般认为个人在通常的情况下,在一个小时之内只会使用6分钟的网络带宽。然而,这一数学模型并没有考虑到由于Internet接入(这一业务的数据流量的年增长率是300%)、传真、多条电话线路、调制解调器、电话会议、数据和视频传输等业务而产生的数据流量。如果考虑到这些因素,网络带宽的用户使用模型就和现有的设计初期估计大大不同了。实际上,在人们的日常生活中,许多人平均使用网络带宽的时间是180分钟甚至超过1个小时。
显而易见,运营商们迫切地需要大量的网络容量来满足顾客日益增长的服务需求。据估计,仅在1997年,通过一对光缆传输的长途电话的带宽容量就增加到了1.2 Gbps(百万比特每秒)。当数据传输速度以Gbps单位计算的时候,每秒钟可以通过网络传输1000本图书的信息。可是,假如有1百万个家庭希望观赏网站上推出的视频节目或者使用新出现的网络视频应用,那么,在这一需求场合下,网络传输速率就必须达到太比特级(万亿比特每秒:Tbps)。当数据传输速度以Tbps单位计算的时候,在一秒钟的瞬间之内,网络就可以传输2000万个并发双工电话或者300年来出版的全部日报的数据量。
当然,网络带宽的需求增长是非常快的。例如,有人通过研究预测:从1994年到1998年,美国长途交换网营运公司 (IXC)的网络容量会增长7倍,而美国的本地交换网营运公司(LEC)的网络容量会增长4倍。可事实上呢,据估计其网络容量会比往年增长32倍,而另一家公司单单在1997年的网络新增容量就达到了它在1991年的整个网络规模。还有的公司声称,其网络的规模在未来4年内将达到每半年扩张一倍的增长速率。
从光纤传输到光网互联:光子层的发展 从光纤传输到光网互联:光子层的发展
除了消费者的带宽需求爆炸性地增加以外,众多服务供应商还面临着其光缆可用余量即将用尽的窘迫局面。有一份产业报告指出:在1995年,埋设光缆中已经使用的部分平均在网络中占到了70%到80%之多。许多电信运营商的光缆使用率几乎达到了100%的有效利用率上限。另外还有一个窘迫的难题:网络服务运营商怎么才能在一种物理网络之上部署和集成五花八门的多种通信技术。消费者的需要和企业之间的竞争压力迫使运营商们一方面必须提供在建设和运营成本上比较经济的多种服务,而且另一方面他们还要尽可能地在已经埋设的现有网络基础之上来部署这些业务。还好,出现了DWDM技术,正是DWDM为这些运营商们提供了同时满足这些需求的可行解决方案。
使用DWDM技术可以让服务供应商提供传统的IP over ATM承载数据、SONET/SDH承载语音等传输方式所带来的电子邮件、视频和多媒体业务,与此同时,在无须考虑这些不同数据格式的情况之下——不管他们是IP、ATM还是SONET/SDH,DWDM 却能够同等地向这些不同的传输方式提供统一的带宽管理功能,所有以上三种通信协议都可以通过采用DWDM技术的光层得以传输。这种统一管理功能可以让服务供应商灵活地仅通过单一网络就足以满足顾客的带宽需求。
运营商要想在商业运营上获得成功,其中的一个关键要旨就是需要一个统一的承载平台,这个平台能够统一承载各种通信技术并且同这些通信技术接口,而且,该平台还应该让运营商具备能把当前和新一代技术集成起来的能力。面对以上三个问题:日益增长的服务需求、光缆余量用尽、统一的层次型带宽管理。服务供应商必须找到一条在经济上可行的解决方案。降低光缆耗用率的一个显而易见的措施就是铺设更多的光缆,对那些铺设新光缆的成本可以保持最低的网络来说,这一措施可以证明是最为经济的解决方案。但是,铺设新光缆却并不能促使服务供应商一定能提供新型服务,或者也不能让运营商们获得光传输层带宽的统一管理能力。 第二项措施是使用时分复用技术TDM来增加数据传输速率,TDM把时间划分为更小的间隔以便更多的数据得以在同一时间内被传输,结果就增加了光缆的有效容量。其实,这也就是产业内已经采用的方案(DS–1、DS–2和DS–3等)。不过,当服务供应商仅仅使用这一措施时,他们的每一次网络扩容都具有显著跳跃性,意味着网络容量的增长很不平滑,很有可能最终让他们获得比当初需求更大的多的带宽,从某种意义来说,这是很多运营商所不愿意见到的局面,其管理复杂性和投资都会增长得令人头痛不已。以SONET技术为例,从10 GbpsTDM提升的下一个容量层次就到了40 Gbps(这一令许多人深信不疑的巨大跃进对TDM技术来说在短时间内是不太可能的)。采用SONET的北美传输网络和采用SDH的国际传输网络就都采用了TDM技术。
电信产业采纳了SONET或SDH标准以提供标准的同步光纤网络,通过它所具有的灵活性以匹配当前和未来的数字信号。SONET或者SDH通过定义标准的传输速率和光纤接口来实现以上的目标。比方说,终止SONET网络的终端会引入多种电子信号和光信号,这些信号在成为STS–1的数据负载(SONET 网络帧结构的有机组成部分)之前会以电信号的方式被复用,STS–1负载随后被复用并以单一速率在单根光纤中传输,这些标准速率是:OC–3 、OC–12、OC–48乃至最终高达OC–192。 SDH具有和STM–n类似的帧结构,其信号速率可以达到STS–1到STM–64范围之内。
SONET和SDH是两种密切相关的标准,就是这两种标准为传输网络奠定了基础。这两种标准决定了传输接口的参数、传输的速率、传输数据的格式和信号复用方式乃至实现高速传输所需要的运行、管理、维护和提供(OAM&P)特性。同步传输模式意味着通过光缆系统流动的激光信号和外部时钟保持着同步。这样做的优点是通过光缆系统传输语音、数据和图象的数据流可以很平稳、规则的方式流动,结果每一束激光都可以很容易地被对端识别出来。

技术原理

DWDM首先把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率(波长,lambda),然后把信号复用到一根光纤中去,采用这种方式就可以大大增加已铺设光缆的带宽。由于引入(incoming)信号并不在光层终止,接口的速率和格式就可以保持独立,这样就允许服务供应商把DWDM技术和网络中现有的设备集成起来,同时又获得了现有铺设光缆中没有得以利用的大量带宽。
DWDM可以把多个光信号搭配起来传输,结果这些光信号可以编成同一组同时被放大并且通过单一的光纤传输,网络的带宽也就大大增加(参看图 3)了。每个承载的信号都可以设置为不同的传输速率(OC–3/12/24等)和不同的格式(SONET、ATM、数据等)。比方说,某个DWDM网络可以在DWDM基础上混合OC–48 (2.5 Gbps)和OC–192 (10 Gbps)两种速率的SONET信号。从而获得高达40 Gbps的巨大带宽。采用DWDM的系统在达到以上目标的同时仍然可以维持和现有传输系统同等程度的系统性能、可靠性和稳固性——甚至过之而无不及。以后的DWDM终端更可以承载总计80个波长之多的OC–48以达到200 Gbps的传输速率或者高达40波长的 OC–192以达到400 Gbps的传输速率,这个带宽已经足以在一秒钟之内传输9万卷的大百科全书。实现这种高速、高容量传输能力的关键技术就是光放大器。光放大器运行在特定光谱频带之上并根据现有的光纤进行了优化,这样就可以使得光放大器有可能放大光波信号,从而在无须将其转换为电信号的情况下扩大其传输范围。超宽频带光纤放大器在实践中运用证明承载100个通道(或者波长)的光波信号可以有效地被放大。使用这种放大器的网络可以非常轻松地处理太比特级的信息。以这个速率传输,这种网络甚至可能一次传输全世界所有的电视频道节目或者同时传送50万部电影。
以公路做比喻,一根光纤也可以看作一条多车道公路。通常意义上的TDM系统使用该公路的一个车道,通过在这唯一车道上加快汽车的驾驶速率来增加带宽。在光缆网络中,DWDM的采用好比为把后面的汽车放到了公路上没有使用的车道上(增加了铺设光纤的波长数目)得以获得难以置信的巨大带宽。另外还有一个好处:这条公路并不关心跑在自己上面的车流都是些什么类型。结果呢,跑在DWDM这条公路上的“车子“们可以装载ATM信元、SONET和IP包。

系统特性

可接受的理想DWDM系统应该具备某些共有的关键特性。任何DWDM系统都应该具备这些特性以便运营商意识到该技术的巨大潜能。以下的问题有助于确定某个具体的DWDM系统是否符合要求。
1.系统是否利用现有设备设施。2.5 Gbps 级别的DWDM系统应能完全利用现有的设备和光缆设施。
2.系统使用氟化物或硅基光纤放大器。在1530- 到1565-纳米光谱内,备有滤波器的硅基光放大器和氟化物光放大器性能表现都不错。不过,氟化物光放大器要实现起来成本较大。氟化物光纤的长期可靠性尚未经过检验。
3.在改变通道的时候是否需要人工干预。当增加或者减少光通道数量以达到最优的系统性能时,光放大器会进行自动调节。这一点非常重要,因为,如果高能系统内只有一个通道,那么自相位调制现象会导致系统性能的降低。另一方面,功率太低则会导致放大器无法获得足够的增益。
4.系统是否既稳固可靠。经过良好工程设计和建设的DWDM系统提供自身的可靠性、系统可用性和系统冗余。虽然滤波器经常受到潮湿环境的影响,但这已不成为问题。
5.激光泵是否有连接器。光放大器具有两个关键部件:掺铒光滤波器和放大器。当激光泵用特定波长的激光激活铒元素时,铒就会起到增益媒质的作用把引入的激光信号放大。如果使用连接器而不是直接接合,表面轻微的污垢就可能会破坏连接器。
6.系统的波长数量和传输速率是否可升级。尽管对各种DWDM系统来说这个答案都是肯定的,但对此进行升级计划也至关重要。如果服务供应商采用某种特定的方式把他们的网络组装成一个整体再进行升级,那么可能会发生以下情况:网络需要更大的功率或者附加的信噪比增量。比方说,每次供应商把通道数量或者比特率加倍的时候就需要额外附加3分贝的信噪比增量。
7.系统是否提供遵守标准的维护接口。DWDM 系统下可以广泛使用STL 1接口。接口应当适应服务供应商通常的维护方案。

关键技术

关键器件

以光网络构建未来高速、大容量的信息网络系统需要重点解决高速光传输、复用与解复用技术。基于光的分插复用(OADM)技术,网络间的光交叉互连(OXC)技术,集成化的窄带、高速、波长可调的低噪声探测器技术,以及可用于光纤网络干线传输的、速率可达4OGbit/s的、波长可调谐的、高稳定的增益耦合DFB激光器/光调制器的集成光源。
1)光纤传输通常认为单模光纤SMF色散很大,对减少四波混频(FWM)引起的干扰有好处,但需要很多的补偿光纤。实际的实验表明SMF(G.652)和DSF(G.653)用于WDM系统时,其SPM,XPM的危害较小,不像想象的那么严重。过去理论和实验表明DSF光纤的FWM干扰严重,不宜作WDM系统。然而采用喇曼放大后,其放大作用是沿光纤分布而不是集中的,因而发送的光功率可减小,从而FWM干扰可降低,因此WDM在DSF光纤中传输仍能取得较好的效果。偏阵模色散(PMD)、色散补偿是长距离大容量WDM系统必然遇到的问题,如果想得到一个又宽又平的波段。那么对色散补偿器件的色散和色散斜率同时有一定要求。
2)DWDM光源 WDM光网络对光源的要求是高速(大容量)、低啁啾(以提高传输距离)、工作波长稳定,为此要研究开发高速、低啁啾、工作波长可调且高度稳定的光源。从世界范围的发展趋势上看集成光源是首选方案,激光器与调制器的集成兼有了激光器波长稳定、可调与调制器的高速、低啁啾等功能。有多种集成光源:其一是DFB半导体激光器与电吸收调制器的单片集成。其二是DFB半导体激光器与M-Z型调制器的单片集成:也有分布布拉格反射器(DBR)激光器与调制器的单片集成以及有半导体与光纤栅构成的混合集成DBR激光器。
3)DWDM探测器波长可调谐的窄带光探测器是WDM光网络中一种高效率、高信噪比的下载话路的光接收技术。为了使系统的尺寸大大降低,可考虑将前置放大电路和探测器集成在一起。该类器件的每个探测器必须对应不同的信道,所以探测器必须是窄带的,同时响应的峰值波长必须对准信道的中心波长,所以响应带宽必须在一定范围内可调谐。此外要求探测器间的串扰要小。共振腔增强型(RCE)光探测器集窄带可调谐滤波器与探测器于一体,是这类探测器的首选方案。
4)波长转换全光波长转换模块在接入端应用是对从路由器或其它设备来的光信号进行转换,将非匹配波长上的光信号转换到符合ITU规定的标准波长上然后插入到光耦合器中;而当它用于波长交换节点时,它对光通路进行交换和执行波长重用功能,因此它在波长路由全光网中有着非常巨大的作用。宽带透明性和快速响应是波长转换器的基本要求。在全光波长交换的多种(包括交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频、非线性光学环镜)技术中,最有前途的全光转发器是在半导体光放大器(SOAs)中基于交叉相位调制原理集成进Mach-Zehnder干涉仪(MZI)或Michelson干涉仪(MI)而构成的带波长转换器,它被公认为是实现高速、大容量光网络中波长转换的理想方案。
在大规模使用WDM组网时,特别是通道调度时,可能需要把某一波长变换为另一波长,或者需要整个波段的变换。Lucent研制的光波段变换器是利用LiNbO3的二阶非线性系数x(2):x(2)对光波长进行变换的。光波导是周期极状LiNbO3光波导(Periodically poled waveguide)。
5)光放大器为了克服光纤中的衰减就需要放大器。掺铒光纤放大器EDFA已被广泛应用于长距离通信系统中,它能在1550nm窗口提供30nm左右的平坦增益带宽。
对于宽带EDFA放大器特别需要在整个WDM带宽上的增益平坦特性。日前己有基于掺铒光纤的双带光纤放大器DBFA(Dual-band fiber amplifier),其带宽可覆盖1528~1610nm范围。它由常规的EDFA和扩展带光纤放大器EBFA(Extended band fiber amplifer)共同组成。相类似的产品有Bell Lab的超宽带光放大器UWOA(Ultra-Wideband Optical Amplifier),它有80nm的可用带宽可对单根光纤中多达100路波长信道进行放大。它覆盖了C波段(1530~1656nm)和L波段(1565~1620nm)。
英国帝国学院(UK Imperial College)研制了宽带的喇曼放大器。受激拉曼放大(Stimulated Raman Amplify)是在常规光纤中直接加入光泵功率,利用光纤的非线性使光信号放大的。单光泵的喇曼放大的增益带宽较窄,采用波长为1420nm和1450nm两个光泵的喇曼放大器可得到很宽的带宽(1480~1620nm)。喇曼放大的增益可达30dB,噪声系数小于6dB。光泵功率为860mW。
6)光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)光分插复用器OADMs(Optical Add Drop Muxs)实现在WDM光纤中有选择地上/下(drop or add)特定的任何速率、格式和协议类型的所需光波长信道。它是高速大容量WDM光纤网络与用户接口的界面。OADM一般是复用器、解复用器、光开关阵列的单片集成或混合集成。可调波长工作的OADM器件正在开发之中,并且已取得突破性进展。另外WDM光网络间的交叉互连也将逐步过渡到完全采用光的形式进行。国际上已经有单片集成OXC的实验室工作报道,但是更多的工作是集中在其中的关键器件上,主要有为了解决网络阻塞和合理利用网络资源的波长转换器件。AWG(Array Waveguide Grating)是最适于DWDM复用与解复用以及作为核心器件构成OADM和OXC的新型关键器件。因为AWG可与石英光纤高效耦合使插入损耗很低、能够实现低成本集成。此外,AWG减轻了对光源面阵的集成度的要求,采用多个单波长激光器与其耦合就可以实现DWDM目标。该研究的技术关键在于掌握厚层波导的制备技术,设法避免因应力引入偏振色散,甚至导致器件破裂。
7)光开关光波导开关集成面阵也是构成OXC和OADM的关键部件,实用的光开关阵列,大都是用LiNbO3光波导开关实现的。这种光开关矩阵实现大规模单片集成难度较大,尤其难以与操作电路实现OEIC集成,也有采用SiO2/Si的热光开关,但响应速度较慢,约为毫秒量级,只适用于信道切换,对信元/包的交换,其响应速度不能满足要求,要实现信元/包交换至少响应时间要达到微秒量级。而准实时交换(如在计算机网络中的交换)则要达到纳秒量级。网络中信息资源的利用率决定于OXC的集成规模和运行的灵活程度,所以最终的OXC应当是单片集成的。技术关键是发展高速响应Si基彼导光开关,而利用电注入折变效应构成的SOI型SiO2/Si波导光开关,可以实现小于微秒的光开关运作,有望实现大规模单片集成。
赫茨实验室研制了速度极高的光开关,它可在160Gbit/s的光数据流中取样。其工作原理是:利用波长分别为1302nm、1312nm的两个光脉冲在半导体光放大器中产生的四波混频可对照检查155O nm的光信号脉冲取样。这种高速开关适用于未来从光IP信号中直接提取路由地址,以便实现光IP(IP over Optical)。
基于微电子机械系统MEMS(Micro-elecromechan-ical systems)技术的微镜阵列光开关技术也是技术发展的一个热点。在光网络中使用MEMS技术相对于传统的电子设备具有低成本、快速、体积小、通信容量大,而且具有体积小、灵活可变、对比特率和协议透明、跨越电子限制提高网络速度等优点。但开关速度还达不到要求。微机械技术还可做可变光衰减器,其工作原理是利用静电引力改变微机械中的遮蔽片的位置,以遮蔽光纤的导光面积,从而改变光衰减。该器件可由光信号控制,可用以制作:光衰减器、光功率稳定器、光功率均衡器和光波段开关。
另一种光开关是高分子数字交换器件。采用Polymer高分子材料制作的光波导器件正趋于成熟。高分子材料易于加工,成本低,在电极上施加电压就可控制光信号通过或不通过光波导。存在问题是易于从衬底硅片上脱落、易吸水和老化问题。

网络结构分类

光网络可按照物理连接分为环网、网状网、星型网和总线结构。环型拓朴与网状拓扑相比有很多优点,例如:链路分摊的成本低,链路可共享,而且当出现大的突发数据流时可同时使用工作光纤和保护光纤降低路由器的负荷,从而避免了在路由器端的缓存需要。
多波长网络又可分为单跳网和多跳网。在单路网中从源端到目的地的数据流就像一个光流一样穿过网络,在中间任何节点无需电的转换。从光网络选路方式上划分有两种典型的单跳网络:广播与选择网(Broadcast and select network)以及波长选路网(Wavelength routed network)。
广播与选择网是通过无源星型耦合器件将多个节点按照星型拓朴结构连接起来的。基本原理是以广播形式发送,接收端有选择地滤波接收。这种网络主要用于高速局域网或广域网。有两种工作方式:固定波长光发送而使用可调谐的光接收或者接收波长固定而发送波长可调。广播与选择网有两个不足之处:其一是浪费了光功率。发射的光功享送到所有的接受器,不管这个接收器是否是通信对象。这样,对实现通信节点来说,增加了光分流引起的损耗。其二是可扩展性差。N个节点至少需要用N个波长,增加一个节点要增加一个波长,每一个接收器的可调谐范围也要相应增加一个波长,而且不能执行波长重用。
与之相反,波长选路网关键元素是波长途择交换器,它也分为两种:波长远路交换方式和波长转换交换方式。前者是通过改变WDM路由动态地在通信间交换数据信号。后者通过波长转换将数据倒换到另一个波长通道上。
若在节点中采用光开关、波长转换器、可调谐滤波器、阵列波导路由器等光子器件,就可构成灵活的、可扩展的、可重构的光网络结构。

波长路由

光网络是由光通路将波长路由器和端节点相互连接而构成的。显然每个链路可支持好多信号格式,但它们都被限定在波长粒度上。波长交换机(或波长路由器)构成形式有以下几类:
非重构交换机:每个输入端口和输出端口对应关系是固定的而且波长一致,一旦建成就无法改变。
与波长元关型可重构交换机:输入端口和输出端口的对应关系可以动态重构,但这种关系与波长无关。即每一个输入信号都有一些固定的输出端口。
波长选择型可重构交换机:它同时兼有端口的动态重构和依据输入波长的选路功能。
给定一个网络的物理拓扑和一套需要在网络上建立的端到端光信道,而为每一个带宽请求决定路由和分配波长就是波长途路由问题。光网络中波长路由问题主要有3类:
一是在不使用全光波长变换模块时,实现自适应网络波长和路由的动态分配(RWA)问题,解决途径是确定优化判据、波长和路由的分配算法。也包括在所需系统代价最小的情况下故障恢复路由的动态自愈恢复算法。
二是在有全光波长变换模块时,利用波长变换模块如何降低波长堵塞的算法研究,包括使用波长变换模块后系统性能增加和波长路由光网络拓扑结构、网络尺寸的关系。
另外要实现真正的自适应路由和波长分配,还必须考虑业务流量制约下的选路问题。最理想的情况是DWDM光网络节点监测光信道上的业务流量,根据使用情况按照相应算法增加/减少光信道数量和提高/降低光信道数据速率。
光网络独一无二的属性是可以实现波长路由,通过网络中的信号路径由波长、源信号、网络交换的状态信息以及选路中的波长改变信息等来共同决定。图2表示了一种基于波导光栅路由器(WGR)的波长选路网中光路的建立过程。WGR节点通过波长路由算法分配波长,波长转换器的应用可增加网络的灵活性。
波长分插复用(WADM)可与路由器直接连接,使得在两者之间建立光路径成为可能。由于Internet数据在发达和接收信道上具有很高的不对称性,因此依据对称的话音业务设计的现有通信系统不能适应这种非对称业务。而直接将路由器与分立波长相连的一个优势是光学系统能够直接根据Internet数据的流量情况在以波长为基础的光域上执行相应的流量疏导功能。

网络同步和安全性

由于DWDM系统提供的相互不存在时间关系的不同波长的复用,因此不需类似于SONET中的时钟系统。然而要保证传输质量,也许在WDM系统中仍需要同步技术。
光纤可非常容易地实现安全性连接。量子密码(Quantunm cryptography)技术使用最基本的量子互补(quantum complementarity:基于粒子与波在行为上互斥的同时又是完全描述一种现象的密不可分的两个要素)原理就是其中之一,它允许相距较远的两个用户使用共享的随机比特序列作为密码通信的密匙。十分复杂的传统加密措施是通过复杂和强度很大的数学运算来实现的,与其相比分布量子密码QKD(Quantum Key Distribution)技术,正像它的名字所表示的那样提供了一种新型的基于基本的物理原理来保护和加密有用信息的有效方法。

功率均衡技术

与点到点WDM系统相比,WDM光网络的一个重要特点是网络中同一参考点各信道的功率不同。在端到端WDM系统中,信号发送端处各波长的功率是相等的。而在光网络中,从本地节点上路的光信号与其它传输了不同距离、从而有不同光功率的一些信号复用在一起传输。即使是复用在一起传输的光信号,传输一段距离后,由于EDFA、光滤波器和光开关等器件对各波长的响应略有不同,它们的功率也可能不同。不同功率的波长信号经过级联EDFA系统后,某些波长的功率将可能进一步降低,使该信道性能恶化。此外由于光网络的上下话路、重新配置或网络恢复等原因。使进入节点的各个波长通道的光功率也存在差异,由于光信号要经历多个节点和链路,各个波长通道之间的光功率差异产生累积,导致各个光信道的信噪比下一致,使得系统服务质量受到影响,甚至使某些信道劣化到不可接受的水平。因此在光网络中有必要在节点对每个波长的光功率进行均衡,以保证通信质量。
光网络中通道的不均衡性可严重恶化网络性能,因此通道的均衡性是光网络性能好坏的重要依据,已经提出了许多均衡方案,如AOTF滤波器、MZ滤波器、F-P滤波器调谐方案,以及衰减器调谐方案等,这些方案都是利用光元源器件如可调衰减器以及有源器件如SOA的基于通道级均衡。一种方法是在终端机上的OMUX盘对输入的多路光信号进行中断检测,这一消息被监控系统处理后,将通过监控信道通知到全线各站点,控制各站的光放大器的输出动率。另一种方法是在各种光放大器盘上均设计有输入、输出光信号监视点,通过监控子架,实现对线路信号中各波长通道的集中监视和分析,即从光放大器盘的光监视点引入光信号,进行在线分析,可获知任一波长通道的工作状态,如光功率大小、光波长值、光通路的信噪比等重要参数。当功率监测点位于0XC/OADM中功放EDFA之前,监测并调整各个信道中的信号功牢或信号与噪声的总功率时,这种方案对于各个通道的不均匀性具有很好的均衡效果。但是,如果整个复用段的光功率发生波动,会导致所有受影响的通过都进行相应的调整,这不仅增加了调整时间,还使调节过程复杂化。链路支持的波长数目增多时情况尤为突出。此外,在特定情况下(若通过均衡能力已经达到极限),仅靠通道级均衡无法实现功率均衡。因此为适应网络配置、网络重构对各个光通道的影响,WDM光网络中光功率均衡是WDM光网络一个重要研究内容。

开销处理

光网络节点要支持光联网,必然要有对光通路的OAM(操作、管理与维护)信息,因此就必须具有开销处理能力。对开销的载送方式有随路和共路两种,各有优缺点。而提供开销的方法有3种:副载波调制(SCM),例如利用引示音(Pilot Tones);光监视通道(OSC);数字“包封器”(Digital“Wrapper”)。
WDM系统如何与IP网结合以传送IP信息(通称IP 0ver WDM),是一个极其重要的问题,因为不久的将来IP数据业务会占主要地位。当不使用SONET/SDH设备而要实现直接的IP 0ver WDM,则需要考虑在原来的SONET/SDH中执行的某些功能(如各种开销字节的处理)如何在新型系统中来实现。一种方案是:光的通过开销有两部分,一部分在光容器帧结构内,它对应SONET/SDH的段开销,另一部分不在帧内,而是用调制的导频(pilot tone)另外传送,光层只具有WDM的复用功能。
光联网技术提供在光层上的传送组网技术,例如在光通路(OCh)层上作OCh的快速路由和交换;为了以光通路组网,就需要具有管理频(率)隙(slot)的能力(正像在现有网中管理时隙一样),这里一个频隙就是一个光通路。

同频串扰

在传统的点到点波分复用(WDM)系统中,由于波长选择器件(如波分复用器/解复用器和可调谐光滤波器)性能的不完善,相邻波长信道之间会产生串扰,这种串扰被称为异频串扰。它是一种加性串扰,表现为在信号上叠加了一定功率的噪声,恶化了信号的消光比。构成光网络时这种串扰的影响下去积累,且在接收机前加光滤波器可以将其滤掉,因此对系统的影响较小。
而在以波分复用传输和波长交叉连接(OXC)为基础的WDM光网络中,当不同输入链路中同一波长(频率)的信号被送入同一光开关,根据需要完成光交叉连接后,再送入相应的波分复用器中。由于器件性能的不完善,一个信道的信号经过交叉器件后会包含其它信道的串扰。当多个信道重新耦合到一起时异频串扰就会转化为同频串扰,即与信号光频率相同的串扰。它可以是不同链路中相同波长间的串扰或同一信号与自身的串扰。当光通道经过多个OXC时,由于每个OXC中波长选择器件的作用,异频串扰不会随着节点数的增加而积累。而同频串扰和信号在同一个波长信道内,不受波长选择器件的影响,将随着节点数的增加而下断积累。因此同频串扰需要着重研究。
OXC引入的同频串扰可以分为相于串扰(串扰光的相位与主信号相关)和非相干串扰(串扰光的相位与主信号不相关)。当主信号的一部分能量经过OXC变成串扰时,串扰光信号与主信号可能相干。这主要由串扰光信号和主信号的传输时延差与激光器的相干时间决定。当传输时延差小于激光器相干时间时,这种同频串扰就成了相干串扰。为了减小串扰对系统的影响,在设计OXC时应该使不同光路的时延差大于激光器的相干时间。

发展历程

DWDM光传输系统研发进展迅速,实验室中的DWDM的传输容量已经达到6.4Tb/s,2000年商用系统的容量将达到1.6Tb/s。复用30~40波长的DWDM系统已经大范围使用, 100~160波长的系统也即将商用。实验室中复用波长已超过1000波长。
1996年美国的Bell Labs首先进行总容量1Tb/s级的DWDM传输实验,这在当时是最新记录,然而此记录不到一年就被刷新。在OFC '97上NEC宣布实现了2.6Tb/sDWDM传输实验,号称世界最新记录。但此记录仅保持了两年又被刷新,在OFC '99上NTT宣布完成了3Tb/s OTDM+DWDM的传输实验, Siemens公司也发表实现了80×40Gb/s总容量3.2Tb/s的传输实验,打破了NEC的记录。同年 Nortel在Telecom'99上宣布了两个世界记录,即单信道80Gb/s和总容量6.4Tb/s的最高记录。但这两个记录刚刚宣布不久,在11月份的新发明展示会上,Lucent宣布实现了单信道160Gb/s和DWDM 16Tb/s的传输实验记录,又把Nortel远远地抛在了后面。下一个世界记录属于谁,群雄逐鹿,风云再起。
中国国内DWDM市场也一样,几家主要通信设备供应商纷纷进入DWDM市场开展竞争,一时间中国国内市场也被炒得火热。

网络设计

在设计DWDM 光网络时,应将成本最小化、所选定的网络结构能够提供预期的路由能力和保护恢复能力作为规划和设计的主要奋斗目标。网络设计最具挑战性的问题就是优化处理,整个网络优化的目标就是使组网成本最低。
根据网络的复杂度和优化目标的不同,网络设计和规划可以分步骤进行,也可以集中统一进行。分步设计能够在可接受的运算量条件下完成网络的设计过程,而统一设计方案由于能够通盘考虑网络的整体情况,所以设计的结构相对较优。在后期网络可用性分析阶段,通过更加广泛的测试来评估设计结果,例如在意想不到情况下和动态业务情况下对所设计的网络进行性能分析和可用性评估,评估结果可以反馈到原有的设计处理算法中,通过轻微的参数调整进一步优化下一步设计的执行。
在进行网状网光网络的优化设计时,设计人员首先要决定为了满足承载一定业务量要求的网络资源的多少,所需要的网络资源包括位于不同节点的OXC的规模、光纤数量和节点之间的波长需求。
网状网光网络的设计分为三大步:拓扑设计(即确定链路的使用情况);业务路由和容量分配(即确定节点之间的业务传送状况);容量空闲分配(即确定当网络出现故障时,网络的抗毁性应对措施和资源占用状况)。
环行光网络的设计和规划流程主要可分为两大步:
第一,环网基本情况的界定。主要是要确定所要设计的环网是从零开始的全新设计还是在已有的网络基础上来设计环行光网络,另外还要确定所要设计的网络是否是分级结构的多层网络还是单层网络;
第二,基于环内选路由和波长分配方式对环网结构和功能进行分割和定位。环网互联和网状网设计相比无须执行空闲容量的分配和规划过程因为空闲容量本身已经嵌入在环网内部。

网络优化

DWDM网络优化是指根据实际线路光缆的各种参数,例如衰耗和色散,利用科学的算法工具对DWDM链路进行最优化计算和配置,并在工程执行期间进行具体的优化调整,尽可能消除或抑制信号传输过程中的失真和劣化,使DWDM网络处于相对最优工作状态,确保高质量传输的整个过程。业务信号通过DWDM系统传播的过程中,由于系统和传输媒介的特点,会发生不同程度的信号失真。2.5Gb/s以下速率的信号因速率低而受失真的影响不大;而10Gb/s以上的高速率信号对这些信号失真非常敏感,受影响很大,因此系统优化对保证高速率大容量DWDM网络的高性能至关重要。造成信号失真的因素主要有如下两大类:一是线性失真,二是非线性失真。
广义的DWDM网络优化是一个涉及面很广的过程,包括了项目招投标时基本配置的确定、工程执行期间对实际参数的测量、根据测量结果调整DCM模块和泵浦卡以及各个具体段的实际参数设置、信号预加重调整等过程。DWDM网络优化是一个科学、严谨的过程,必须严格按照相关的操作指示和计算结果,不允许凭空想象、随意而为;另外,鉴于光纤接头清洁对于2.5Gb/s或者10Gb/s速率DWDM网络的重要性,必须确保整条链路每个光接头都是完好的和干净的,否则会影响优化结果、导致系统性能下降。优化后的DWDM系统主要参数的冗余度一般是:单段衰耗3dB,全程色散约400ps/nm。如果出现如下情况,一般需要重新优化;线路衰耗变化过大且无法恢复,则需要重新计算,必要时更改光功率参数;线路光纤类型不变但长度发生较大变化,则需要重新计算,可能需要调整DCM模块顺序或更换DCM模块;线路光纤类型发生改变,则肯定需要重新计算,调整DCM模块,并做重新优化。
总之,对于新建的DWDM链路,只有进行科学严谨、精确有效的系统优化,才能够彻底摆脱传统DWDM链路在长距离和高速率、大容量之间很难完全兼得的限制,真正实现高速率、大容量、长距离、高性能的传输。
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- 来自原声例句
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