全光通信网络.docx

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全光通信网络

自从光纤被引入通信网以来，它已为通信网的发展作出了重要的贡献。

随着通信网传输容量的不断增加，光纤通信也发展到了一个新的高度。

但是，在目前的光纤通信系统中，网络的各个节点要经过多次的光-电，电-光变换，而其中的电子器件在适应高速、大容量的需求上存在诸多缺点，如带宽限制、时钟漂移、严重串话、高功耗等，由此产生通信网中的“电子瓶颈”现象。

为了解决这一问题，充分发挥光纤通信的极宽频带、抗电磁干扰、保密性强、传输损耗低等优点，于是提出了全光通信。

可见采用全光传输技术是历史的螺旋上升。

全光通信是历史发展的必然。

从1980年以来的20年间，随着光器件的发展和光系统的演进，光传输系统的容量已从Mbit/s发展到Tbit/s，提高了近10万倍。

从理论上讲，全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，而不需要经过光/电、电/光变换。

也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。

在波分复用技术提出以后，波长本身成为组网（分插、交换、路由）的资源。

伴随着光分插复用（OADM）和光交叉联接（OXC）技术的逐步成熟，原来被认为只是提供带宽传输的光层开始有了组网能力，因此成为最近几年光通信研发的热点。

WDM全光网络是基于WDM技术，以波长作为组网资源，灵活可靠、性能稳定的光网络，它可以划分为长途骨干网、区域网和城域网三个等级。

WDM全光网络通过波长路由机制实现路由选择，具有良好的可扩展性、可重构性和可操作性。

一.1全光通信现状

1970年，美国康宁公司马勒博士等三人的研究小组首次研制成功损耗为20dB/km光纤。

1974年，贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，称作改进的化学汽相沉积法（MCVD），光纤损耗下降到1dB/km。

1976年，日本电话电报公司研制出更低损耗光纤，损耗下降到0.5dB/km

1979年，日本电报电话公司研制出0.2dB/km的光纤1.55um

目前，光纤最低损耗0.17dB／km。

1978年,在全国科学大会上，展出了PCM－24路信号和彩色电视信号的光纤传输试验。

1979年，多模光纤的损耗降至1dB/Km。

建成8Mb/s、光缆中继线路试验段。

1981年,研制出三次群34Mb/s（480路）光传输设备。

1982年，研制出四次群140Mb/s（1920路）光传输设备。

1991年,研制出五次群565Mb/s（7680路）光传输设备.（PDH）。

2002年，研制出320Gb/s（32×10Gb/s）（387万路）光传输设备。

2003年，研制出1.6Tb/s（160×10Gb/s）（1935.36万路）。

2004年，研制出单波长40Gb/s烽火通信-武汉邮科院。

2008年，商用3.2Tb/s（80×40Gb/s）深圳华为。

2001年，法国成功研制出世界上最高容量的DWDM系统，在此期间，光交叉连接器（WSS）,交叉矩阵等全关网中的关键器件也快速的发展，由于其巨大的优势，全光网被许多国家和地区列为重点发展项目，全光网得到了长足的进步。

在光通信快速发展的同时，也有着巨大的隐害。

由于人们只注意到了全光网巨大的优势，却忽视了供需的关系，人们没有那么大的宽带需求。

同时，当时光器件也没法与电器件相比较，价格相当贵，市场需求与技术发展存在着巨大的鸿沟。

这样就在2001年，通信泡沫产生，全光网作为其中一员也随之进入了严冬。

第二章光波分复用系统

2.1光波分复用概述

光纤通信的多路复用技术，最初是采用原铜缆沿用PCM脉冲编码调制方式，把模拟信号变换为数字信号，再应用时分多路（Time—DivisionMultiplxing，TDM）技术组成一次群、二次群、三次群、四次群等．此系列被称为准同步数字系列（PlesiochronousDigitalHierarchy，PDH）。

但现有的PDH几种系列，互不兼容，难以适应同络发展的要求。

后来采用的同步数字系列（SynchronousDigitalHierarchy，SDH）所用的复用技术，仍属TDM技术，尽管目前已在国内外大量使用，但在技术发展，成本投人上都遇到很大困难。

近几年来，WDM技术的进展为光纤的发展开辟了另一个十分广阔的前景。

WDM是一种光纤传技术，将不同的输人光信号分别调制在特定的波长上，然后将调制后的信号复用在一根光纤上。

完成此调制的关键是波分复用器，复用后的信号经传送后到达连接的远端，再经过解复用器分离成不同的渡长，由不同波长的检测器将各自的光信号转换成电信号，或者直接获取各自的渡长信号，并且将它们连接到其它的WDM波道上。

WDM系统使用不同波长，可承载上百个通路的信号，每一通路可携带2.5Gbit/s或10Gbit/ss信号。

采用波分复用使网络链路容量有了突破性进展。

例如，目前2.5Gbit/s，即所谓8×2.5Gbit/s系统。

这样，一根光纤的总速率可达20Gbit/s。

若每个波长的速率为10Gbit/s，则一根光纤的总速率就可达80Gbit/s，这将大量节省光纤的数量。

最近，我国正在全国长途骨干光缆网上进行升级改造，也就是利用WDM8×2.5Gbit/s光传输系统使一对光纤可同时传送24万路电话或2400套电视节目。

WDM除了在传输上可以大幅度地降低传输成本以外，还可以实现灵活的光节点，即所谓的光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC），从而实现类似电领域SDH分插复用器（ADM）和SDH数字交叉连接设备（SDXC）的灵活上下业务的组网功能。

2.2光纤基本特性

因为单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应用。

从80年代末起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。

常规石英单模光纤同时具有1550nm和13l0nm两个窗口，最小衰减窗口位于1550nm窗口。

多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为：

1310nm窗口的误减，消除了这一损耗峰峰值，使整个频带更加平坦。

现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱（13l0到1550Inm）极少的一部分。

在光纤的带宽中只占很小一部分，大约只有OD2nm左右；全部利用光纤放大器EDFA的放大区域带宽（1530～1565nrn）的35nm带宽，也只是占用光纤全部带宽（13l0~1550nm的1／6左右。

理论上，wDM技术可以利用的单模光纤带宽达到200nm，即25THz带宽，即使按照波长间隔为0.8nm（100GHz）计算，理论上夜可以开通200多个波长的WDM系统，因而目前光纤的带宽远远没有利用。

WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽，而光纤本身的宽带宽。

2.3光波分复用原理

WDM技术是在一根光纤中间时传输多波长光信号的一项技术其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中逐行传输。

在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送人不同的终端。

因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

由于目前一些光器件与技术还不十分成熟。

因此要实现光信道十分密集的光频分复用还较为困难。

在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用（DWDM：

Density

WavelengthDivisionMultiplexing，TDM）根据光纤传输的特征，可以将光纤的传输波段分成5个波段。

它们分别是0波段，波长范围为1260—1360nm；E波段，波长范围是1360—1460nm；S波段，波长范围为1460—1530nm；C波段，波长范围为1530—1565nm；L波段波长范围是1565—1625nm。

目前的WDM应用主要C波段上。

其中每个波长之间的间隔为1.6nm，0.8nm或更低，对应约200GHz，100GHz更窄的带宽。

若能消除由光纤中的OH根所致的损耗谱中的尖峰，，则可在1280—1620m波段内充分利用光纤的低损耗特性（称之为全波光纤），使波分复用系统的可用波长范围达到340nm左右可大大提高传输容量。

目前一般系统应用时所采用的信道波长是等间隔的。

以往技术人员习惯采用WDM和DWDM来区分是由1310/1550nm简单复用还是在1550nm波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术，1310/1550nm的复用由于超出了EDFA增益频谱的范围，只用在一些专门场合．所以下面均采用WDM这个更广义的名称来介绍DWDM技术。

WDM技术对网络的扩容升级、发展宽带业务、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速通信等具有十分重要的意义．尤其是WDM加上掺耳光纤放大器（EDFA）更是对现代信息网络具有强大的吸引力。

就发展而言．如果某一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输．我们就可以在这些WDM链路的交叉处设置以波长为单位的光交叉连接设备（OXC），或进行光上下路的光分插复用器（OADM）．则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。

在这个光层中。

相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路．完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活动态地建立和释放，这个光层就是目前引人注目的、新一代的WDM光传送网络。

第三章WDM系统组成与分类

3.1WDM系统的组成以及各部分功能

一般来说。

WDM系统主要由以下五部分组成：

光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统（见图1）。

图1.WDM系统总体结构示意图

光发射机是WDM系统的核心。

根据ITU-T的建议和标准，除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外，还需要根据WDM系统的不同应用（主要是传输光纤的类型和无电中继传输的距离）来选择具有一定色度色散客限的发射机。

在发送端首先将来白终端设备（如SDH端机）输出的光信号，利用光转发器（OTU）把符合ITU—G.957建议的非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号：

利用合渡器合成多通路光信号；通过光功率放大器（RA）放大输出多通路光信号。

经过长距离光纤传输后80-120km）。

需要对光信号进行光中继放大。

目前使用的光放大器多数为掺耳光纤光放大器（EDFA），在WDM系统中，必须采用增益平坦技术，使EDFA对不同波长的光信号具有相同的放大增益．同时,还需要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，能够保证光信道的增益竞争不影响传输性能。

在应用时，可根据具体情况，将EDFA用作“线放（LA）”、“功放（BA）”和“前放（PA）”。

EDFA的增益不受信号偏振的影响。

在高比特率，多信道的波分复用应用中不会产生串扰，不会产生脉冲失真。

图2示出掺铒光纤放大器在不同输入功率时的增益。

图2掺铒光纤放大器增益曲线

在接收端，光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道光信号．采用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信道。

接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽性能。

光监控信道主要功能是监控系统电务信道地传输情况，在发送端，插入本节点产生的波长为ks（1510nm）的光监控信号与主信道的光信号合波输出；在接受端。

将收到的光信号分波，分别输出（1510nm）波长的光监控信号和业务信道光信号。

帧同步字节、公用字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传递的。

网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节WDM系统进行管理．实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理功能。

并与上层管理系统相连。

WDM系统一般包括光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统五部分。

光发射机是光波分复用系统的核心，它发出的光信号波长不同，但精度和稳定度满足一定要求，信号经过光波分复用器合成一路送入光功率放大器放大，然后耦合到光纤上进行传输。

光中继放大器一般采用掺铒光纤放大器（EDFA），主要是用于补偿光信号由于长距离传输所造成信号衰减。

光接收机主要由前置放大器、光分波器等组成。

光前置放大器首先放大经传输而衰减的光信号，然后利用分波器分离各特定波长的光信号而后进行接收；网络管理系统是通过光监控信道的物理层传送开销字节到其它节点或接收其它节点的开销字节对光波分复用系统迸行管理。

主要实现配置、故障、性能、安全管理等功能，并与上层管理系统相连。

3.2WDM系统的分类

光波分复用系统按照结构原理可分为双纤单向传输光波分复用系统和单纤双向传输光波分复用系统；按照线路中是否配置掺铒光纤放大器又可分为有线路放大器波分复用系统和无线路放大器波分复用系统；按照有无波长转发器还可分为集成式波分复用系统和开放式波分复用系统。

双纤单向传输光波分复用系统是指同时采用两路单向光纤的光波复用系统，一路用于信号下传，另一路用于信号回传。

单纤双向传输光波分复用系统是指光信号在一根光纤上同时向两个不同的方向传输，所用波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。

3.3WDM系统结构

WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：

（1）双纤单向传输单向WDM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号通过光复用器组合在一起，井在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同光波长携带的，所以彼此之间不会混淆。

在接收端通过光解复用器将不同光波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。

反方向通过另一根光纤传输，原理相同。

（2）单纤双向传输双向WDM是指光通路在一根光纤上同时向

两个不同的方向传输。

所用波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。

单向WDM系统在开发和应用方面都比较广泛。

双向WM系统的开发和应用相对来说要求更高，这是由于双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑到几个关键的系统因素。

如为了抑制多通道干扰（MPI），必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串话的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、OSC传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。

但与单向WDM系统相比．双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。

（3）WDM系统的组网以上两种方式都是点一点传输，如果在中间设置光分插复用器（OADM）或光交叉连接器（OXC）就可使各波长光信号进行合流与分流，实现光信息的上／下通路与路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插人，或分出信号。

如果根据一定的拓扑结构设置光网元。

就可构成先进的WDM光传送网。

3.4WDM技术的主要优点

（1）可以充分利用光的巨大带宽资源，随着光纤制造技术和水平提高，将来有可能在1290-1600nm开放WDM。

（2）可节约大量光纤，对于早期敷设的芯数不多的光缆，利用WDM可不必对原有系统作较大改动，扩容比较方便。

可节省线路系统（不计2.5Gbit/s光端机和OUT）投资，在160km线路上开4×2.5Gbit/sWDM时比占4对光纤各开2.5Gbit/s时省28％投资．当开8×2.5Gbit/sWDM时8对光纤各开2.5Gbit/s节约50％费用。

（3）WDM克服了色散对高速系统限制。

如在现有以G.652光纤扩容时，当速率达到10Gbit/s以上时．色散成为主要限制，因光纤的色散会导致所传输的光脉冲宽度的展宽。

依G.957附件，通信距离可用下式计算：

L（km）,B是线路通信号比特率（Mbit/s），D是光纤色散系数（ps/nm*km），

是光源的均方根谱宽（nm）。

是发送器和光纤之间的相互作用的一个参数。

G.652传输10Gbit/s系统的色散受限距离约60km。

采用（4-8）*2.5Gbit/s的WDM可大大减轻色散影响。

（4）WDM可以在一根光纤上双向传输也可以单向传输，如图3所示。

单向WDM是在一根光纤上所有光信道同时在相同方向传送。

双向WDM是在一根光纤上光信道同时以双向传送，有的WDM器件具有互易性（双向可逆），即一个器件既可作合波器也可作分渡器，在一根光纤上实现全双工通信。

图3单、双向WDM

（5）由于同一根光纤中传输的信号彼此独立．故可传输各种特性不同信号。

如数字信号（如不同速率）模拟信号（如CATV）。

（6）WDM通道对数据格式和信息比特是透明的。

与速率及电调制方式无关。

在网络逐步扩容和发展方面，是很适合网络运营者投资策略的扩容手段。

只要增加一个附加波长，就可引人新业务或新容量。

（7）利用WDM技术选路来实现即到来的透明的，有保护、倒换功能的全光网络。

如光分插复用器（0ADM）和光路交叉连接（OXC），在大容量交换时可大大简化网络结构，而且网络层次分明，各种业务的调度只需调度相应光信号的波长即可实现。

由此带来网络的灵活性、经济性和可靠性。

在可以预见的未来可望实现的全光网络中，各种信息业务的上下、交叉连接等都是在光上通过对信号的改变和调度来实现的。

（8）WDM与光纤放大器（OA）组合运用，对长距离通信可节约大量网元，节约投资和维护费．而且设备可靠性也提高。

3.5影响WDM系统性能因素

首先，光输入波长的稳定性是影响系统性能的一个重要因素，如果系统的中心频偏过大，会造成相邻信道间的串扰过大，增加误码率。

其次，光线的色散是限制光纤通信系统的一个重要因素。

对于模拟信号，色散限制其带宽；对于数字信号，则色散使光脉冲展宽，并且随着传输距离增加而增大，从而容易产生码间干扰，增加了误码率，进而限制了传输速率。

再次，随着WDM系统中信道数增多，非线性效应成为影响系统性能的主要因素。

3.6WDM系统安全问题及其保护

3.6.1系统安全

对于含光放大器的WDM系统，安全问题特别重要。

因为一般情况下，光放大器系统工作在高功率情况下，有的已经在光纤安全功率极限的边缘。

对链路切断情况下可能引起的强烈“浪涌”效应更应加以重视。

（1）光“浪涌”的产生——在光缆突然被切断或其它原因导致信号丢失时，如果泵浦源不关闭。

泵浦源还处于泵浦状态，使高能级泵浦状态下的离子浓度达到最大。

这时，当信号经过一段时间恢复后。

如果一个较高功率的信号进入掺铒光纤。

将引起几乎所有的亚稳态离子发生受激辐射翻转。

使EDFA输出达到一个最大值，即产生光“浪涌”。

（2）光浪涌的防止——当光缆切断或其它原因引起Los被检出时，当时间积累到一定长度，应减少直至切断向EDFA馈送的泵功率。

而当链路恢复时，应待光信号恢复一定时间后，再恢复EDFA泵功率。

对于WDM系统，只有当所有主通路的光信号都丢失时才启动EDFA自动功率关断进程。

3.6.2WDM系统保护

（1）基于单个波长的保护：

基于单个波长在“SDH”层实施1+1或1:

n的保护，所有的系统设备都需要有备份。

SDH信号在发送端被永久桥接在工作系统和保护系统上。

在接收端监视从这两个WDM系统收到的SDH信号状态，并选择更合适的信号。

与此原理相一致，还可以实现基于单个波长，在SDH层实施1:

n。

（2）光复用段（OMSP）保护：

只在光路上进行1+1保护，而不对终端设备进行保护。

在发端和收端分别使用1×2光分路器或光开关。

在发送端对合路的光信号进行分离，在接收端对光信号进行选路。

在这种采用光分路器和光开关的光复用段保护方案系统中，只有光缆和WDM的线路系统是备份的。

人们也可以用N:

2耦合器来代替复用器和1:

2分路器。

第四章光波分复用系统的应用

4．1波分复用在长途通信干线中的应用

波分复用系统在长途通信干线中的应用框图如图1所示。

在发送端，个信道的光发射机发出一束不同波长的光载波，经合波器复用后进入一根光纤，考虑到长距离传输的实际情况，需再经掺铒光纤放大器对其进行功率放大，然后进入光纤中传输。

当传输距离较远时，可中途加入掺铒光纤放大器对信号进行放大在接收端，经分波器将不同波长分开，送人一个信道的接收机进行信号处理。

4.2波分复用在接入网中的应用

目前，波分复用系统在接入网中的应用主要有无源双星形渡分复用接入网和光纤／同轴电缆混合型波分复用接入网等。

无源双星形波分复用接入网的结构如图4所示，一根光缆可分为7"1条分支光缆（St一2，4，6，8，16，32等）。

不同的光分配器具有不同的分光比，也即具有不同的光衰减，它由各条光缆的传输距离而决定。

无源设备适应环境能力强，既可置于室外，维护维修和管理方便，也可升级发展成光纤到户，适用于宽带业务的需要，是目前市话网的首选方案。

图4无源双星型WDM接入网

光纤／同轴电缆混合型波分复用接入网的结构见图5.在发送端，通过合波器将电话，数据，电视等信号混合成一路进行传输。

在接收端，再通过分波器将它们分开。

对于数据和电话业务，可通过双绞线电缆送用户；对于电视等，则可通过同轴电缆进行传送。

其特点是造价低廉，可分期投入，逐渐升级。

图5光纤／同轴电缆混合型WDM接入网

1．多种客户信号封装和透明传输

基于ITU-TG.709的OTN帧结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输，如SDH、GE和10GE等。

目前对于SDH和ATM可实现标准封装和透明传送，但对于不同速率以太网的支持有所差异。

2．大颗粒的带宽复用、交叉和配置

OTN目前定义的电层带宽颗粒为光通道数据单元（ODUk，k=1,2,3），即ODU1（2.5Gb/s）、ODU2（10Gb/s）和ODU3（40Gb/s），光层的带宽颗粒为波长，相对于SDH的VC-12/VC-4的调度颗粒，OTN复用、交叉和配置的颗粒明显要大很多，对高带宽数据客户业务的适配和传送效率显著提升。

在OTN大容量交叉的基础上，通过引入ASON智能控制平面，可以提高光传送网的保护恢复能力，改善网络调度能力。

3．强大的开销和维护管理能力

OTN提供了和SDH类似的开销管理能力，OTN光通道（OCh）层的OTN帧结构大大增强了该层的数字监视能力。

另外OTN还提供6层嵌套串联连接监视（TCM）功能，这样使得OTN组网时，采取端到端和多个分段同时进行性能监视的方式成为可能。

OTUk层的段监测字节（SM）可以对电再生段进行性能和故障监测；ODUk层的通道监测字节（PM）可以对端到端的波长通道进行性能和故障监测。

4．增强了组网和保护能力

通过OTN帧结构、ODUk交叉和多维度可重构光分插复用器（ROADM）的引入，大大增强了光传送网的组网能力，改变了基于SDHVC-12/VC-4调度带宽和WDM点到点提供大容量传送带宽的现状。

前向纠错（FEC）技术的采用，显著增加了光层传输的距离