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DWDMD技术
题目：
DWDMD技术
绪论
互联网面世之后，谁也不可能准确预料到其发展速度是如此之快，在短短几十年间，服务供应商已经满足不了消费者日益增长的带宽需求，因此运营商们迫切的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1.2Gbps（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，到了今天，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。
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。
现在，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。
密集型光波复用（DWDM：
DenseWavelengthDivisionMultiplexing）是一项用来在现有的光钎骨干网上提高宽带的激光技术。
更确切地说，该技术是在一根指定的光钎中，多路复用单个光钎载波的紧密光谱间距，以便利用可以达到的传输性能。
这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要的光钎的总数量。
DWDM最大的特点在于能提供大容量的数据接入和传输，而且技术已经非常成熟，在长途骨干网中已经广泛应用。
1.DWDM产生的背景
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。
1.1波分复用SDM（SpaceDivisionMultiplexer）
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。
1.2时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexer）
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，就只有将系统升级到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。
2.DWDM的基本原理
所谓波分复用，就是把具有不同标称波长的几个或者几十个光通路信号复用到一根光钎中进行传送，每个光通路承载一个TDM方式的SDH信号。
其系统工作原理图如图所示。
图2-1WDM系统工作原理图
从图中可以看出，在发送端由各复用通路的光发送机分别发出具有不同标称波长的光信号，每个光通路承载着标准的SDH信号如2.5Gb/s或10Gb/s；然后由光复用器OD把光通路信号再分解开，分别输入到相应的各复用通路光接收机中。
这样可以把光钎的传输容量扩大几倍甚至几十倍以上。
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。
利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下形成子数反转，从而对入射光信号提供光增益。
DWDM系统对光放大器的基本要求是宽频带、低噪声和增益平坦等，具体应用时可选用具有增益平坦、增益锁定、增益可调和放大器瞬态抑制等功能的光放大器，整个光通道具有良好的技术指标。
3.DWDM的种类及其应用形式
3.1DWDM的种类
1、WDM（波分复用）：
每条光钎2-4个波长。
初期的WDM系统是双信道1310/1550nm系统。
2、CWDM（粗波分复用）：
每条光钎4-8个波长，有时候更多。
用于中短程网络
3、DWDM（密集波分复用）：
通常的DWDM系统支持8个或更多波长。
新兴系统支持数百个波长。
其实密集波分复用和WDM应是同一技术，它们是在不同时期对WDM系统的称呼，WDM是光钎在不同低耗损窗口的光波复用DWDM光钎在同一低损耗窗口的多个光波复用。
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摻饵光钎功率放大器，再将放大后的多路光信号送入光钎传输，中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器，到达接受端经光前置放大器放大以后，送入光波长分波器分解出原来的各路光信号。
3.2DWDM的应用形式
1.开放式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-TG.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。
2.集成式DWDM：
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。
4.DWDM的关键技术
4.1OTN技术
光传送网（OTN）是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。
由于在网络上传送的IP业务和其他基于包传送数据业务的爆炸式增长，对传输容量的要求在不断迅猛增加，密集波分复用（DWDM）技术和光放大器（OA）技术的成熟和应用使传送网正在向以光联网技术为基础的光传送网发展。
基于OTN的传送网的出现将使人们期望的智能光网络逐步变为现实，为网络运营者和客户提供安全可靠、价格有效、客户无关、可管理、可操作、高效的新一代光传送平台。
OTN将解决传统WDM网络无波长子波长业务调度能力、组网能力弱、保护能力弱等问题。
光传送网面向IP业务、适配IP业务的传送需求已经成为光通信下一步发展的一个重要议题。
光传送网从多种角度和多个方面提供了解决方案，在兼容现有技术的前提下，由于SDH设备大量应用，为了解决数据业务的处理和传送，在SDH技术的基础上研发了MSTP设备，并已经在网络中大量应用，很好地兼容了现有技术，同时也满足了数据业务的传送功能。
但是随着数据业务颗粒的增大和对处理能力更细化的要求，业务对传送网提出了两方面的需求：
一方面传送网要提供大的管道，这时广义的OTN技术（在电域为OTH，在光域为ROADM）提供了新的解决方案，它解决了SDH基于VC-12/VC4的交叉颗粒偏小、调度较复杂、不适应大颗粒业务传送需求的问题，也部分克服了WDM系统故障定位困难，以点到点连接为主的组网方式，组网能力较弱，能够提供的网络生存性手段和能力较弱等缺点；另一方面业务对光传送网提出了更加细致的处理要求，业界也提出了分组传送网的解决方案，目前涉及的主要技术包括T-MPLS和PBB-TE等。
4.2光源技术
目前广泛使用的半导体光源包括激光器（LD）和发光二极管（LED）。
LD是相干光源，入纤功率大、谱线宽窄、调制速率高，适用于长距高速系统；LED是非相干光源，入纤功率小、谱线宽宽、调制速率低，适用于短距低速系统。
DWDM系统的光源采用半导体激光器。
DWDM系统对每个复用通路的工作波长有非常严格的要求，波长漂移将导致系统无法实现稳定、可靠的工作。
常用的波长稳定措施包括温度反馈控制法和波长反馈控制法提供比较大的色散容限值光纤传输可能会受到系统损耗和色散的限制，随着传输速率的提高，色散的影响越来越大。
其中，色散受限可选用色散系数较低的光纤光缆或谱宽狭窄半导体激光器的办法来解决。
由于光缆已经舗设完毕，所以努力减小光源器件的谱宽是解决色散受限的有效手段。
4.3光放大技术
光纤放大器是建立全光通信网的核心技术之一，也是密集波分复用（DWDM）系统发展的关键要素。
DWDM系统的传统基础是摻饵光钎放大器（EDFA）。
光钎在1550nm窗口有一较宽的低耗损带宽，可以容纳DWDM的光信号同时在一根光钎上传输。
采用这种放大器的多路传输系统可以扩展，经济合理。
EDFA出现以后，迅速取代了电的信号再生放大器，大大简化了整个光传输网。
但随着系统带宽需求的不断上升，EDFA也开始显示出它的局限性。
由于可用的带宽只有30nm，同时又希望传输尽可能多的信道，故每个信道间的距离非常小，一般只有0.8~1.6nm，这很容易造成相邻信道间的串话。
因此，实际上EDFA的带宽限制了DWDM系统的容量。
最近研究表明，1590nm宽波段光钎放大器能够把DWDM系统的工作窗口扩展到1600nm以上。
贝尔实验室和NH的研究化硅和饵的双波段光钎放大器。
它由两个单独的子带放大器组成：
传统1550nmEDFA（1530nm~1560nm）；1590nm的扩展波段光钎放大器EBFA。
EBFA和EDFA的结合使用，可使DWDM系统的带宽增加一倍以上（75nm），为信道提供更大的空间，从而减少甚至消除了串话。
因此，1590nmEBFA对满足不断增长的高容量光钎系统的需求迈出了重要的一步。
4.3.1放大原理
铒（Er）是一种稀土元素。
在制造光纤的过程中，掺入一定量的Er3+离子，形成掺铒光纤。
这种光纤中的Er3+离子会吸收光子的能量，使自身的能级发生变化，即激励。
用来做为激励的光源被称为泵浦光源，它所发出的激励光波被称为泵浦光。
图5-1摻饵光钎放大器原理
Er3+离子在未受到任何激励的情况下，处在最低能级上。
当泵浦光射入，Er3+离子吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁。
在高能级，Er3+离子处于不稳定的状态，于是以非辐射跃迁的形式不断地向亚稳态能级汇聚，从而实现粒子数反转分布。
当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生和入射信号光中的光子一模一样的光子，从而实现光信号的放大。
4.3.2组成
EDFA主要由铒掺杂光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等部件组成，结构如图所示。
图5-2摻饵光钎放大器结构图
耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起；隔离器的作用是抑制光反射，以确保光放大器工作稳定；泵浦激光器产生泵浦光源。
4.3.3主要性能指标
（1）增益G
输出光信号功率与输入光信号功率之比。
增益越大，表示放大能力越强。
（2）噪声系数NF
EDFA输入端信噪比与输出端信噪比的比值。
EDFA的噪声来自不同方面，如信号散弹噪声、内部的反射噪声和本身的自发幅射噪声等，但最主要的是自发幅射噪声（ASE）。
ASE是指，由于EDFA的光发射面积与吸收面积的不均衡、粒子数反转的程度不同（处在稳态能级E2上的离子数和处在基态能级E1上的离子数不等）、EDFA的增益大小和工作状态等多方面本身因素而产生的幅射噪声。
由于EDFA对光信号和噪声均有放大作用，因此出现了噪声系数这个参数。
其大小与EDFA的自发幅射噪声（ASE）有密切关系。
噪声系数对于系统的性能，特别是整个系统的光信噪比（OSNR）有着重要影响。
噪声系数越小越好，如小于5.0dB。
（3）带宽
DWDM系统的工作波长范围覆盖C波段和L波段，光放大器需要完成对系统所有复用通路信号的放大，因此它必须具有足够宽的带宽。
（4）增益平坦度Gp-p
增益平坦度是指，在规定的工作波段范围内，EDFA增益的允许波动值。
为了获得良好的平坦度，通常在掺铒光纤中采用掺铝技术。
在DWDM系统中，为了尽量减小各复用通路输出光功率信号的差异，便于光功率预算，EDFA的增益平坦度越小越好。
（5）总输入/输出功率范围
EDFA的输入/输出端的光功率范围。
一方面，在WDM系统的应用中，一个EDFA要承担系统中所有复用光通路信号的放大作用，因此其输入、输出光功率范围要足够大才好，对于复用通路数较多的WDM系统尤其如此。
另一方面，为了保证EDFA增益的平坦性和低噪声性能，应使其处于小信号工作范围，即EDFA的输入、输出功率范围又不宜过大。
更重要的是，为避免出现光纤非线性效应，EDFA的输出功率不能过大。
为了避免出现光纤非线性效应，单通道的光功率不能过大，应根据信号速率、传输光纤的类型等来确定合适的功率。
（6）偏振相关增益（PDG）
由于EDFA对不同偏振态的光波所产生的增益有区别。
因此，将因光波的偏振态变化而造成的EDFA增益的最大变化值，称之为偏振相关增益。
其值越小越好。
（7）泵浦光泄漏
尽管在EDFA的输入与输出端增设了光隔离器，但仍然会有少量的泵浦光泄漏，泄漏量越小越好。
泵浦光泄漏是指，泵浦光泄漏功率与输入、输出泵浦光功率的比值。
（8）输入/输出光反射系数
EDFA输入/输出端的光功率与其反射光功率之比。
其值越大越好。
4.3.4EDFA对DWDM系统的重要作用
为确保DWDM系统的传输质量，DWDM系统中使用的EDFA必须具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。
特别是增益平坦度，这是DWDM系统对EDFA的特殊要求。
4.4光复用和解复用技术
波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即光复用器和光解复用器（有时也称合波器和分波器），实际上均为光学滤波器，其性能好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。
在发送端，合波器（OM）的作用是把具有标称波长的各复用通路光信号合成为一束光波，然后输入到光纤中进行传输，即对光波起复用作用。
在接收端，分波器（OD）的作用是把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的各复用光通路信号，然后分别输入到相应的各光通路接收机中，即对光波起解复用作用。
由于光合、分波器性能的优劣对系统的传输质量有决定性的影响，因此，要求合、分波器的衰耗、偏差、信道间的串扰必须小。
4.5光转发技术
4.5.1概述
光波长转换技术（OTU）的主要功能就是进行波长转换。
它将光通路信号的非标称波长转换成符合ITU-T建议G.692规定的标称光波长，然后接入DWDM系统。
OTU的其他功能包括：
1．提供标准、稳定的光源
由于DWDM系统需要在一个低损耗窗口复用多个波长，波长间隔小，因此，需要DWDM光源的中心频率稳定工作在ITU-T标准规范的标称中心频率序列上。
2．提供较大色散容纳值的光源
DWDM系统的无电中继长度的增加，要求系统延长光源的色散容限距离，并能够克服光纤的非线性效应。
3．作为再生器使用
当转换器作为再生器使用时，具备数据再生功能。
数据再生为波长转换器的可选功能。
4.5.2工作原理以及性能指标
OTU的工作原理如图所示。
图4-6OTU工作原理图
OTU首先把符合G.957规范的复用光通路信号进行光/电（O/E）转换，然后把转换后的电信号进行整形、定时提取和数据再生（也可不进行数据再生），最后再进行电/光（E/O）转换，输出波长、色散和发光功率等皆符合G.692规范要求的DWDM复用光通路信号。
如果O/E转换后，只进行整形、定时处理（即2R功能），该OTU只实现波长转换的功能，传输距离较短。
如果O/E转换后，进行了整形、定时、再生处理（即3R功能），该OTU实际上兼有再生中继器（REG）的功能。
OTU的主要性能指标：
（1）系统工作波长区
位于1550nm低耗窗口，分为C波段和L波段两部分。
C波段（常规波段）
波长范围为：
1530nm~1565nm
工作频率：
196.05THz~192.10THz（1THz=1000GHz）
L波段（长波长波段）
波长范围：
1565nm~1625nm
工作频率：
190.90THz~186.95THz
（2）通路间隔
通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标称频率差，包括均匀通路间隔和非均匀通路间隔。
目前，多数采用均匀通路间隔。
DWDM系统最小通路间隔为50GHz的整数倍。
复用通路为8波时，通路间隔为200GHz。
复用通路为16波/32波/40波时，通路间隔为100GHz。
复用通路为80波以上时，通路间隔为50GHz。
采用的通路间隔越小，要求分波器的分辨率越高，复用的通路数也越多。
（3）标称中心频率
标称中心频率是指DWDM系统中每个复用通路对应的中心波长（频率）。
例如，当复用通路为16波/32波/40波时，第1波的中心频率为192.1THz，通路间隔为100GHz，频率向上递增。
（4）中心频率偏移
中心频率偏移又称频偏，是指复用光通路的实际中心工作频率与标称中心频率之间的偏差。
国标规定，100GHz频率间隔的系统，速率为2.5Gbit/s以下时，最大中心频率偏移为±20GHz（约±0.16nm）；速率为10Gbit/s时，最大中心频率偏移为±12.5GHz。
50GHz频率间隔的系统，最大中心频率偏移为±5GHz。
最大中心频率偏移是指，在系统设计寿命终结时，考虑到温度、湿度等各种因素仍能满足的数值。
（5）色散容限
色散反映了光脉冲沿光纤传播时的展宽。
脉冲展宽将导致接收端信号脉冲消光比的下降，即“1”码与“0”码的电平接近，造成接收机的误判。
为避免误码出现，应采取一定措施补偿光脉冲在光纤传输过程中引起的脉冲展宽，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。
DWDM系统对光纤色度色散系数的要求，基本上就是单个复用通路速率信号对光纤色度色散系数的要求。
同时，由于DWDM系统的无电中继长度远远大于单个SDH系统，所以要求系统光源的色散容限距离必须延长。
（6）接收机灵敏度
接收机灵敏度是指，输入信号处在1550nm窗口，误码率达到10-12时，OTU输入端口处的平均接收光功率的最小值。
（7）过载光功率
过载光功率是指，输入信号处在1550nm窗口，误码率达到10-12时，OTU输入端口处的平均接收光功率的最大值。
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。
6.DWDM的应用实例
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