DWDM关键技术在城域网中应用研究

DWDM关键技术在城域网中应用研究姓名： 学号： 学院： 专业： 指导老师： 目录摘要31.引言42.DWDM系统结构分析42.1DWDM系统的现状与趋势42.2DWDM的原理概述52.3DWDM的优势63.城域网73.1城域网的概念73.2城域网的特点73.3城域网系统介绍83.3.1核心层93.3.2汇聚层103.3.3接入层104.城域网DWDM技术124.1城域网对DWDM系统的要求124.2城域网DWDM应用的特点134.2.1再生节点之间的距离较短134.2.2网络拓扑结构相对复杂145.DWDM组网需考虑的问题155.1色散受限距离155.1.1色散效应及补偿问题155.1.2减少色散效应影响155.2光信号功率损耗受限距离165.3光信噪比的影响165.3.1噪声产生原理165.3.2减小ASE噪声176.DWDM城域网方案206.1复用方案206.2可配置光环方案216.3网状网方案227.目前城域网DWDM技术存在的问题237.1 设备成本问题237.2 技术问题247.3 设备的兼容性问题247.4 网管技术不成熟248.小结25参考文献26摘要随着超大容量DWDM系统在长途网中的大规模建设,用户接入及局域网的宽带化技术的普及,网络的瓶颈逐渐转移到了城域网。原先以承载话音为主的城域传输网络,已无法适应城域数据业务的快速增长。因此目前全世界大部分运营商的竞争重点正在从长途网转向城域网,建立高效经济的支持多业务的城域网己经成为各运营公司的共同目标。本文的研究内容是当前城域网建设的网络技术,特别是通过对基于DWDM技术城域光网络技术进行深入的分析,提出未来光城域网的发展前景和建设发展方向。本文首先系统地概述了DWDM的系统结构 城域网络的发展 城域网的概念、特点及其主要组网方案;接着详细讨论了目前城域DWDM技术存在的问题。关键词:城域网、密集波分复用（DWDM）、城域网DWDM技术1.引言光纤通信技术的发展为互联网应用提供了保证,已经历了多代光纤系统的演变, 从上世纪 80 年代末的PDH 阶段, 到上世纪 90 年代中期的 SDH 系统阶段,现在光纤系统进入到波分复用(WDM)系统阶段, WDM光纤通信的研究开发应用已成为通信领域的热点。WDM是利用一根光纤同时传输两个或多个不同波长的光信号的技术, 按照通道间隔的不同, WDM可以细分为 CWDM(疏波复用)和 DWDM(密波复用)。 DWDM 技术以其大容量、支持多业务、可扩充性好等优点将成为未来传输网的主体,且已被广泛应用于国际和国内长途干线传输网。随着局域网业务量迅速地膨胀,DWDM 在城域网中的应用也将越来越广泛。2.DWDM系统结构分析2.1DWDM系统的现状与趋势目前国际上超高密度和超大容量DWDM光传输系统的整体主要发展方向和趋势体现在以下几个方面。1、扩展传输光纤的可用带宽可用于光通信的波长带已经由常用的C波段发展到L波段乃至S波端。压缩相邻光波长之间的间隔,由200GHZ、100 GHZ、50 GHZ至25GHz的演变,还在向12.5GHz以至更密的方向发展。系统可容纳的波长数目成倍增长,对光无源器件如光滤波器的滤波带宽、通道隔离度,对有源器件如激光器的波长稳定性以及系统设计方面如光纤非线性效应的克服、光放大器的增益均衡和锁定等都带来极大的挑战。2、单波长传输速率不断提高电时分复用速率在10年内从155Mb/S、622Mb/S、2.5Gb/S、10Gb/s发展至40Gb/s。并应用在DWDM系统中。160Gb/S的时分复用系统也研究中。3、无再生中继距离成倍延长随着直接光放大技术、色散补偿和色散管理技术、光孤子传输技术的发展,光传输系统从最初的五六百千米到上万千米。大大降低了长途光传输系统的成本,提高了系统的稳定性和可靠性。4、向城域传榆平台发展.在城域传输网中,各种客户信号如数据、图象、话音等种类繁多,要求业务调度灵活、带宽管理方便等,目前密集波分复用技术正在向城域多业务传输平台方向发展。5、支撑智能光网络智能光网络是能够适应未来发展的下一代光网络。目前,智能光网络的研究受到众多标准化组织的重视。其中ITU一T提出的自动交换光网络(ASON)的概念是目前体系结构较完善的智能光网络的方案,最大限度兼容现有光传送网络,使之能够平滑演进到未来的智能光网络。2.2DWDM的原理概述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,利用带通滤波器就可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,在接收端采用解复用器(等效于光带通滤波器)将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大,人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别,因而这样的复用方法称为波分复用。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源,根据每一信道光波的频率(或波长)不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道,把光波作为信号的载波,在发送端采用波分复用器(合波器)将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端,再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时),从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也很容易解决,只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同,可以复用的波长数也不同,从2个至几十个不等,现在商用化的一般是8波长和16波长系统,这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。图1 WDM原理示意图WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术,每个波长通路通过频域的分割实现,如图1所示。每个波长通路占用一段光纤的带宽,与过去同轴电缆FDM技术不同的是:1）传输媒质不同,WDM系统是光信号上的频率分割,同轴系统是电信号上的频率分割利用。2）在每个通路上,同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通道上是数字信号SDH2.5Gb/s或更高速率的数字系统。经常与WDM被同时提起的是DWDM(密集波分复用),两者其实是同一种技术,只是在不同时期技术的发展引起人们称谓的改变而已。简单的讲,DWDM就是波道间隔更小、复用的波道数更多的WDM系统,目前商用的基本上都是DWDM技术。根据波分复用器的不同,可以复用的光波长数也不同,常见的一般是8波、16波以及32波系统;根据每波长承载信号的速率不同,经常可分为Nx2.5Gbit/s和Nx10Gbit/s系统。2.3DWDM的优势1）超大容量。使用分波合波技术，传输容量可以到达40G、80G、800G甚至1600G。而且这个容量还并不是终点。2）平滑扩容。一般运营商不会一次对DWDM系统做满配置，以后会一波一波的扩容，扩容过程是平滑的，对已有业务能真正做到几乎没有影响。3）多业务接入。上波分的接入信号可以是各种速率的SDH、PDH、千兆以太网、POS等信号。只要满足G.692信号，就可以在DWDM系统上传输。3.城域网3.1城域网的概念城域网(MAN一MetropolitanAreaNetwork)是在一个城市范围内所建立的计算机通信网,简称MAN。这是80年代末,在LAN的发展基础上提出的,在技术上与LAN有许多相似之处,而与广域网(WAN)区别较大。MAN的一个重要用途是用作骨干网,通过它将位于同一城市内不同地点的主机、数据库,以及LAN等互相联接起来,这与WAN的作用有相似之处,但两者在实现方法与性能上有很大差别。MAN不仅用于计算机通信,同时可用于传输话音、图像等信息,成为一种综合利用的通信网,但属于计算机通信网的范畴,不同于综合业务通信网。城域网实际上是一个处在不断发展和变化中的概念,特别是不同的标准化组织,对城域网的定义并不完全一致。但随着市场的兴起以及相关研究的不断深入,业界对城域网的认识也逐步达成了一些共识。从概念上讲,城域网是一个共同工作网络的集合,在一个城市地区提供接入和服务。特别是,城域网是单个、独立、明确的。城市地区网络。,由一个网络运营商,通常是一个服务商或电信运营商拥有的运行。城域网是一个网络或者网络的集合,将一个局域网的业务流传送到广域网或同一城市的另一个局域网中。城域网也能以距离和功能来描述。以距离来描述,局域网典型跨越距离不超过2公里,而城域网覆盖的距离达到150公里。相比较来说,广域网比城域网扩展的距离更远,典型覆盖的距离大于150公里。以功能来描述,城域网的目的是为最终用户提供安全的分布式宽带接入。3.2城域网的特点与长途干线网相比,城域网具有如下特点。1、业务类型多,需要提供多种标准而且容易使用的接口,并且要求这些接口具有一定的自适应能力,能够支持智能业务的复用,有很好的媒体接纳控制能力。2、业务流量具有一定的不确定性,将来的城域网有各种各样的任务,数据业务会变为主要的业务,数据业务流量会有更大的突发性、流向易变性,这些要求网络具有更大更强的灵活性,而且能够动态分配带宽。3、技术的多样性,现有城域网的发展基本上从骨干网的技术向下延伸,从接入网、以太网的技术向上扩展,形成多种技术融合共存的局面。4、城域网的电路调度多,需要很强的调度和配置能力、上下路和交叉连接的能力,使全光网络和智能网络在城域网中最先获得应用。5、城域网成本控制很重要,城域网性价比高,容易扩展,对电信运营商来说,不希望在开始投入很大的资金,而是希望在扩容的时候逐步投入,这就对扩展性提出了一个很高的要求。从目前来看,城域网面临很好的发展机遇。从全球来看,光纤骨干网的建设已经颇具规模,带宽和容量也相当丰富,城域网和接入网市场广阔。尽管当前全球的经济发展速度放缓,通讯和IP行业处于低靡的状态,但是各设备厂商和运营公司,还是投入大量的人力和物力研究和建设城域网。从城域光网络的情况来看,目前基本上可以归纳为四大类:一是基于SDH的城域光网,SDH有很多优点,但也有一定的局限性,为了适应整个网络特别是城域网的发展,近几年SDH也在不断地发展和演变,这些发展和演变会更加适应城域网的发展方向;二是WDM,在城域网中,不仅利用了WDM终端设备,也利用了WDM光的交叉连接和光复用设备,比如利用OADM很方便组成城域光网;三是基于数据的MetroIP光网,基于数据的城域光网,一种是基于以太网,一种是现在比较热门的弹性分组数据环网;四是智能城市光网络,从城域网的业务和接口多样性的特点来看,需要网络智能化,城域网流量的不确定性需要网络能动态分配资源,自动建立连接,这种需求正好是自动交换光网络能够提供的功能。目前,对自动交换光网络的研究和标准化工作已取得了较大的进展。3.3城域网系统介绍城域网可分为核心层、汇聚层、和接入层、三层结构,其结网络模型如图2图2 城域网网络模型由于各层所执行的功能不同,其传输网络组织也呈现出不同的特点:3.3.1核心层核心层的作用是把多个边缘汇聚层连接起来,为汇聚层网络提供数据的高速转发,同时实现与省级或国家级骨干网络的互联,提供本地业务出口。因此其核心层在组网时应以可靠性、扩展性及开放性为原则。传送技术的选择应该综合考虑网络的可靠性和网络成本,在业务量不太高的情况下,推荐采用SDH传输,并利用SDH的链路保护机制。这时有两种方式可以选择:1、使用普通的SDH设备,实现话音和数据业务混合传输;2、使用具有POS接口或FE/GE接口的MSTP设备。具有FE/GE接口的MSTP设备具有二层交换功能,对数据业务可以实现带宽的统计复用功能,能有效的提高带宽利用率,保证网路安全性的同时降低网络建设成本。对于省会级大城市,由于用户众多,昂贵的DWDM设备可以由城域网内所有用户分摊,每比特的净成本可以达到一个较低的水平,因此在大的城域网内采用DWDM技术不失为网络扩容的很好的选择。在数据业务远远超过话音业务的情况下,宜采用话音业务和数据业务分别组网。话音业务SDH理所当然是首选,数据业务可以采用光纤直连方式。此种方式光纤、光口浪费严重,无保护机制,单端口容量限制在IG以内,弊端会随着业务的发展越来越明显。但在目前来讲仍是最常用的组网方式。由于RPR没有跨环标准,单个环的RPR信息无法跨环传递,独立组大网的能力较弱,无法实现相切环、相交环、环带链等复杂的网路拓扑,不能提供端到端业务。但利用与MPLS相结合的方法可以使跨环业务流配置成同一个MPLS标记交换通道,从而实现多个RPR环业务的互通。这显然又增加了成本。此外,RPR使用共享接入方法,扩展性受限。因此目前核心层不推荐使用此项技术。但随着该技术逐渐成熟和标准化,其巨大的带宽优势和自愈保护机制将使其成为核心网络中最具竞争力的一项技术。3.3.2汇聚层汇聚层的作用是完成本地业务的区域汇接,进行带宽和业务汇聚、收敛及分发,并提供用户管理和流量控制功能,是城域网实施业务管理的主要层面。汇聚层节点一般设置在业务集中区域,负责该区域业务的汇聚。应该说汇聚层相对于核心层来说是局部的,相对于接入层来说又具有相对多的用户群,因此汇聚层网络既能容忍一定程度的局部故障,又能承受相当的网络建设成本。所以说各种传输体制都能在汇聚层找到施展本领的舞台。光缆紧张,传输需扩容时可以使用CWDM技术甚至DWDM技术。数据业务量大时可以采用光纤直连,汇聚层节点向上与2个核心层节点相连,以达到保护备份的目的。还可以组织RPR环网,使汇聚层网络具有安全性和高带宽的性能。汇聚量不大时MSTP技术应该是优先选择的技术。MSTP设备可以是简单的透明传输数据业务的SDH设备,也可以是集成二层交换功能和即PRP技术的复杂MSTP设备。可以根据实际需要灵活选用。3.3.3接入层边缘接入层直接面向用户,主要承担全业务的有效接入,具有业务接入灵活、适应复杂环境需求、易于维护管理等特性,可实现业务的全覆盖。接入层网络的拓扑结构可以根据实际情况采用环形、星形、总线形等结构。接入层宜以SDH、MSTP、光纤直连为主。特别是MSTP技术在一些业务发展不明朗的区域,有预见性的建设MSTP传输网络,在该地区有明确的业务需求时,只需简单增加接口板就能方便地实现业务地快速接入,有利于运营商占领市场,由于传输节点与业务节点融为一体有利于节省建设成本。CWDM、RPR技术由于是还存在成本偏高的问题,暂时还不会是接入层的主流技术。但鉴于RPR具有很好的汇聚特性和优化的数据接入能力,因此最适合于城域网的接入层应用,特别是以太网业务带宽需求占绝对优势的场合。一般认为,对于较大的城域网在核心层和汇聚层,传输网与IP网宜分别组网,即少量使用MSTP技术,IP网的承载可通过光纤、DWDM/CWDM的波长直连,也可通过传输网的带宽通道提供。在接入层应向统一组网的方向发展,以传输与lP数据节点设备融合为主,实现多业务的综合接入、传输。有利于节省网络投资,提高网络资源的利用率。对于中小规模的城域网络,网络结构也不必拘泥于以上网络的严格分层,可以根据需要分为核心层网络既能容忍一定程度的局部故障,又能承受相当的网络建设成本。所以说各种传输体制都能在汇聚层找到施展本领的舞台。光缆紧张,传输需扩容时可以使用CWDM技术甚至DWDM技术。数据业务量大时可以采用光纤直连,汇聚层节点向上与2个核心层节点相连,以达到保护备份的目的。还可以组织RPR环网,使汇聚层网络具有安全性和高带宽的性能。汇聚量不大时MSTP技术应该是优先选择的技术。MSTP设备可以是简单的透明传输数据业务的SDH设备,也可以是集成二层交换功能和RPR技术的复杂MSTP设备。可以根据实际需要灵活选用。城域传输网络分层结构和各层网络的传输技术适用情况如图3所示。图3 城域传输网络的分层结构4.城域网DWDM技术高速率、长距离、高质量一直是通信技术所追求的目标,光纤通信的诞生恰好满足了人们对信息传输系统的需求,而WDM技术的发展,将光纤通信的能力进一步提高,对光纤通信的发展有重要意义。现在,几乎所有的通信骨干网都采用了光传输的方式。光纤通信必将成为以后通信的主流技术,对人类社会产生深远影响。目前全世界大部分运营商的竞争重点正在从骨干网转向城域网,建立高效经济的支持多业务的城域网已经成为各运营公司的共同目标,城域网在整个电信网的作用也越来越重要。随着xDSL、线缆调制解调器以及高速吉比特以太网等宽带接入技术的日益普及,终端用户的接入速率正迅速地从过去的几十kbit/s向Mbit/s量级演进。相比之下,以2.5Gbit/s及以下速率的SDH环为主的城域网,逐步成了全网的瓶颈。波分复用作为城域网骨干技术己被很多运营商列入议事日程。北美市场已经出现长途带宽过剩,有些长途公司一夜之间破产。其中一个重要原因在于用户无法享受带宽所能提供的各项业务,长途网络无法有效的接入用户。城域网业务主体正在发生深刻变化,业务类型从单纯的mM业务为主向数据业务为宽带接口过渡。这种变化必然带来物理层的基础网络变化。运营商面临着重新规划和建设城域传送网络的任务。如何进行有效的规划,保证从过去单纯满足话音传输为主、相对静态的网络过渡到支持多业务、动态可扩展性强的网络是各大运营商都关心的问题。4.1城域网对DWDM系统的要求一般说来,DWDM系统按照市场的分割和产品的优化分为适合于长途网(longdistancene七刃诫)和城域网(MAN)。相对于长途骨干网DWDM来说,MetroDWDM具有局限于某一地理区域,必须有更多的连接,能承受不同类型的业务的特点。由于目前的多数城域网DWDM设备是在改造长距离干线网络设备的基础上生产的,价格比较昂贵,因此分析城域网的特性,努力改进DWDM系统,降低价格,是WrDM技术将逐渐从骨干网渗透到城域网和接入网中,最终实现全光网络的关键。基于城域网的特殊性,DWDM应用于城域网时有一些不同的功能求,主要体现在以下几个方面:网络传输具有透明性,即可透明传输具有不同代码格式的、不同速率等级的用户数字信号;具有可扩展性,易于升级,允许网络节点和业务量的不断增长;提供巨大的带宽;网络具有可重构性,光节点商的光分插复用(OADM)和光交叉连接(OXC)设备,能在波长上实现灵活、高速、大容量的交叉连接,而且使得网络具有透明性;在城域网情况下,由于通常需要传输的距离相对较短,在实际的城域网环境下,90%以上的网络距离都在80kirn以内,对于许多的光器件的要求可以适当的放宽,比如激光器的功率、色散容限;光接收机的灵敏度;光放大器的增益、噪声指数;波分复用器的损耗和各通路插损的最大差异等等。正是基于这些方面的因素,使得在城域网的应用当中,DWDM设备的大部分关键设备的性能要求有所放宽,从而大大的降低了DWDM设备的成本,使得网络运营商可以利用DWDM设备组建大容量、低成本的光城域网,从而最终实现从骨干到城域的全光通信网络。4.2城域网DWDM应用的特点相对于干线传输网上的应用,DWDM应用于城域网时有一些不同的特点,主要体现在以下几个方面:4.2.1再生节点之间的距离较短在长途干线传输网上,再生节点间的距离一般为几百公里,甚至上千公里,对于DWDM设备的长距离传输能力要求很高,需要DWDM设备采用一些特殊的技术才能够实现。比如要在再生节点之间增加中继站,而且对于光放大器、波分复用器件、激光器、光接收器等关键器件的性能要求较高,例如,光放大器要有较低的噪声系数、足够高的增益而且增益谱要平坦;波分复用器要有较高的隔离度、较小的插入损耗和较小的各通路插损的最大差异;激光器要有足够的色散容限和波长稳定性,光接收器要有较高的接收灵敏度等。而在城域网的情况下,需要传输的距离相对较短,在实际的城域环境下,90%以上的网络都在120公里以内,对于许多核心器件的某些性能指标的要求可以相对放宽,比如前面提到的放大器的增益、噪声系数;波分复用器的插入损耗和各通路插损的最大差异;激光器的功率、色散容限;光接收器的灵敏度等,甚至可以不采用放大器。4.2.2网络拓扑结构相对复杂DWDM在长途干线传输网应用中,多为点到点的链型组网,主要目的是要实现超长距离、大容量的数据传输,组网形式相对简单。但在城域网应用中,往往需要组成比较复杂的网络,如:环型网、链型+环型网、环型+环型等,原因主要有以下几:1.DWDM在城域网应用中,主要是实现众多的业务汇接点之间的数据传送,这样的业务汇接点在一个城域网中往往有很多,-而且在这些汇接点上,往往需要很多业务的上下(波长的上下)2.为了能够实现故障时业务的快速恢复,往往采用OADM设备组成环网,采用双纤单向/双向复用段保护来实现业务的保护3.一个城域网中多个链路、环路有可能会相互交叉,从而形成比较复杂的组网。由于城域网应用时网络的拓扑结构相对复杂,对于DWDM设备的组网能力提出了很高的要求,主要表现在以下几个方面:必须具备OADM设备。这是实现复杂组网的基础,虽然采用背靠背的方式也可以实现较复杂的组网,但不如采用OADM更为经济和灵活。并且只有采用OADM设备,才能够实现有效的保护,如双纤单向/双向复用段保护等。监控通道和公务联络必须支持十字交叉组网。组成复杂的网络,不仅要求WDM设备能够实现中间节点的波长上下,而且要能够实现复杂网络的监控和公务联络。在网络中的一些节点,会有多达四个光方向,如图4组网中的两条链路的交叉点,相应的,该节点的监控通道和公务联络通道必须能够支持四个光方向,才能够实现整个网络的监控和公务联络。图4 十字交叉组网示意图5.DWDM组网需考虑的问题5.1色散受限距离5.1.1色散效应及补偿问题色散问题并不是波分复用所独有的,而且目前己发展出很多色散补偿技术,试图解决色散问题,但在波分复用系统中,光的色散斜率不为零,导致了色散特性与波长有关。不同的波长信道的色散大小是不一样的,这就给色散技术带来了新的问题。好的色散补偿技术应同时补偿波分复用的所有波长信道的不同大小的色散,即可以补偿色散斜率。也就是所谓高阶色散补偿。色散是由发送光源光谱特性和光纤色度色散所导致的制约传输容量的一个支配性因素。一般把光放大器加在一个系统上并不会明显地改变总色散。掺稀土光纤的色散与ITU-T建议G.652所规范的光纤差别不大。对于几十至数百公里长的系统来说,该色散影响可忽略不计。另外波分复用系统采用EDFA以后,因衰减限制无中继长距离传输的问题虽然得以解决,但随着距离的增加总色散也随之增加,原来的衰减受限系统变成了色散受限系统。随着光纤通信系统中传输速率的不断提高和由于光放大器极大地延长了无电中继的光传输距离,整个传输链路的总色散及其相应色散代价将可能变得很大而必须认真对待,色散限制已经成为目前决定许多系统再生中继距离的决定因素。在单模光纤中,色散以材料色散和波导色散为主,使信号中不同频率的分量经光纤传输后到达光接收机的时间不同。在时域上造成光脉冲的展宽,引起光脉冲相互间的串扰,使得眼图恶化,最终导致系统误码性能下降。信号中不同频率分量来源于激光源的光谱特性,它们包括波长、光谱宽度、激光器凋啾声等。目前对155Onm区域的SLM激光器的-20dB光谱宽度已可达到0.05nm,这种情况下,限制再生中继距离的决定因素是激光器碉啾声。5.1.2减少色散效应影响在进行密集波分复用(DWDM)网络设计时,一般先将整个网络分为若干再生中继段,使每个再生中继段距离都小于光源的色散受限距离。另外,在一些光放大的子系统中,一种无源色散补偿装置可同光放大器组合在一起,构成一个放大子系统,该子系统会给系统附加有限的色散,其色散系数与线路光纤相反。这就会使系统的色散减小。该装置可同EDFA组装在一起,用以弥补与无源色散补偿功能相关的损耗。5.2光信号功率损耗受限距离光信号的长距离传输要求信号功率足以抵消光纤的衰耗。G.652光纤在1550nm窗口的衰耗系数一般为0.25dB/km左右,考虑到光接头光纤冗余度等因素,综合的光纤衰耗系数一般小于0.275dB/km。具体计算时一般只对传输网络中相邻的两个设备作功率预算而不对整个网络进行统一的功率预算,将传输网络中相邻的两个设备间的距离衰耗称作中继距离衰耗。图5 中级衰耗原理图相邻两站之间的损耗受限距离可以用下面的公式计算:Ll=(发送端光放大器输出的每通道最小光功率接收端光放大器能接收的每通道最大光功率富裕度)/光纤衰减系数一般取工程富裕度为3-8dB,光纤的衰减系数在1310nm窗口一般取0.4dB/km,在1550nm窗口取0.25dB/km,光纤衰减系数最好以工程实测值为准。5.3光信噪比的影响5.3.1噪声产生原理光信噪比(OSNR)定义为:OSNR=每信道的信号光功率/每信道的噪声光功率光放大器会在几十纳米宽的光谱区内产生所谓放大的自发辐射ASE。这个ASE对信号光来说就是一个噪声,在具有若干级联EDFA的传输系统中光放大器的ASE噪声将同信号光一样重复一个周期性的衰减和放大。因为输入光放大器的ASE噪声在每个光放大器中均经过放大并且叠加在那个光放大器所产生的ASE上,所以总ASE噪声功率就随光放大器数目的增多而大致按比例增大,而信号功率则随之减小,最后噪声功率可能超过信号功率。ASE噪声频谱分布也是沿系统长度展开的。当来自第一个光放大器的ASE噪声被送入第二个光放大器时,第二个光放大器的增益分布就会因增益饱和效应导致ASE噪声而发生变化。同样第三个光放大器的有效增益分布也会发生变化。这种效应会向下游传递给下一个光放大器,即使在每个光放大器处使用窄带滤波器,ASE噪声也会积累起来,这是因为噪声存在于包含着信号频段之内的缘故。ASE噪声积累对系统的SNR有影响,因为接收信号SNR劣化主要是与ASE有关的差拍噪声。这种差拍噪声随光放大器的数目的增加而线性增加。因此误码率随光放大器数目的增加而劣化,此外噪声是随放大器的增益幅度以指数形式积累的。作为光放大器增益的一个结果,积累了许多个光放大器之后的ASE噪声频谱会有一个自发射效应导致的波长尖峰。特别要指出的是如果考虑采用闭合全光环路的网络体制,那么若级联数目无限的光放大器则ASE噪声就会无限积累起来,虽然有滤波器的系统中的ASE积累会因有滤波器而明显减小,但带内ASE仍会随光放大器的增多而增大,因此SNR会随光放大器的增多而劣化。5.3.2减小ASE噪声ASE噪声积累可能因光放大器间隔的缩小而减小(当保持总增益等于总传输通道损耗时),因为ASE是随放大器增益幅度的增大而以指数形式积累的。下面滤波技术中的一种可进一步减小非期待ASE噪声即采用ASE噪声滤波器或利用自滤波效应自滤波方法。自滤波方法适用于装设几十或更多个光放大器的系统,这种方法是把信号波长调整到自滤波波长上,从而使检测器接收到的ASE噪声减小,如同使用窄带滤波器一样,当采取缩短光放大器间隔和低增益光放大器的手段来减小初始ASE噪声时,这是最有效的。如果考虑采用全光DWDM闭合环路网,那么自滤波方法就不适用。事实上在光放大器整个增益频谱中形成的峰值可能对系统性能造成严重影响。在这种情况下采用ASE滤波法可最大限度减小ASE噪声的积累。这是通过对未送往网络节点的DWDM信道在倒换出节点之前进行滤波的手段达到的。对于装有很少几个光放大器的系统自滤波法不如ASE滤波法有效。ASE滤波法可灵活地选择信号波长并具有其它的优点,必须谨慎地选择,滤波器的特性,因为级联滤波器的通带比信号滤波器的通带窄,除非是有一个矩形的频带。对不同的网络应用OSNR的要求大致相同,有细微的区别如表1所示表1 OSNR对比光信噪比是影响DWDM系统误码性能最重要因素之一。对于多个级联线路光放大器的DWDM系统噪声的光功率主要由放大的自发辐射噪声所支配。多个级联线路光放大器自发辐射噪声累积的数学模型可由图6说明:图6 自发辐射噪声累积的数学模型图6中为EDF的增益(以线性单位表示);为第N中继段光纤衰耗(以线性单位表示)。则总的自发辐射噪声功率=+ (31)式中:P1是EDF产生的自发辐射噪声功率,P2是EDF产生的自发辐射噪声功率:,是EDF产生的自发辐射噪声功率: ,是EDF产生的自发辐射噪声功率:。单个EDFA产生的噪声一个光放大器在单位频率间隔内产生的放大的自发辐射噪声功率=2(G一l)hv (32)式中:是EDFA的自发噪声系数;G是EDFA的内部增益;h是普朗克常数;v是光频率。 放大器的外部噪声系数NF:NF=10Log2(21)/G+ (33)是放大器输入衰耗(以dB为单位)。中继段衰耗相同时网络光信噪比的简化计算如果假设所有EDFA特性和各中继段衰耗相同;每个放大器后总功率(包括累积的ASE功率)是相等的;并且G1;G=L,则根据式(3一1)、式(3一2)、式(3一3)经一系列处理,光信噪比(OSNR)由下式给出:OSNR=LNF10LogN10Loghv (3一4)式中:是每信道输出功率(以dBm为单位);L是放大器间的衰耗(以dB为单位);NF是外部噪声系数(以dB为单位);N是链路中的间隔数目;v是光带宽;10Loghv =-58dBm(1550nm带域、0.1nm带宽内)。这一计算方法可满足于一般工程设计需要。但是除满足前面的假设外,还必须满足如下条件:光分用器无周期特性;光发送机有足够高的消光比。在实际的系统中,由于EDFA增益不均衡可能会导致每信道输出功率不等和EDFA噪声系数不同。因此设计必须考虑最坏信道的光信噪比满足需要,并有足够的富裕量。6.DWDM城域网方案6.1复用方案DWDM作为复用技术引入城域核心,仅将光波长作为虚拟光纤以解决光纤紧张的局面,目前进入市场的DWDM城域网设备基本上都是这种方式。由于在WDM光层缺少选路、监控和生存性处理的功能,这种方案仍以SDH为综合传送网络平台。己采用图7A结构的传统电信运营商有可能在IP数据业务发展很快、业务量很大的经济发达地区再重叠采用图7B结构方案。 图7 各种运营商的典型网络结构DWDM光复用方案由于在WDM光层的功能很少,网络的可靠性、监视、管理等功能必须依赖于SDH,对于以话音等电路型业务为主的城域环境和运营商,这是一种成本较底的较好方案,但对于北京、上海、深圳等internet数据业务需求旺盛,增长速度很快的大城市,城域网中internet数据业务比重较大,网络流量的动态性强,这种方案存在结构层次复杂、传送效率低、配置时间长、环型拓扑不够灵活和资源利用率底等缺点。从DWDM在城域网中的应用趋势来看,目前己进入实用的DWDM城域网方案基本上是DWDM光复用方案,今后将逐步向可配置光环和全光网状网方向发展。6.2可配置光环方案随着DWDM光复用系统在城域核心中的不断引入和可配置OADM的实用化,将可配置OADM与DWDM系统相结合可组成DWDM可配置光环的城域核心方案。DWDM可配置光环方案可在光层完成波长上下、直通和保护倒换等功能,因此可克服DWDM光复用方案的诸多不足,如提高配置时间和资源利用率,通过IPoverWDM或EthemetoverWDM等方案提高IP数据业务的传送效率,降低网络结构层次。DWDM可配置光环方案结构如图8所示,这种方案使DWDM取代SDH成为多业务平台,通过一个基于DWDM的单一的、公用的城域核心综合传送平台,支持多种协议和业务(如图9所示),并具有前向兼容、减少成本(通过简化网络层次结构、减少设备和提高传送效率)、简化网络管理和提高网络配置的灵活性等诸多优点。以WDM为多业务平台可大大提高网络的透明性,但与DWDM复用方案相比,这种方案的成本较高。虽然基于OADM的DWDM可配置光环方案是DWDM城域网发展的必经之路,但对于将来的发展也表现出一定的限制,主要是基于环型的网络拓扑结构的灵活性较差,对于分散的、不可预知的地理环境和动态的、难以预知的用户要求,环型拓扑较为笨拙,网络运营商需要预先仔细地做好网络规划。多环结构比单环结构能够实现更大范围的覆盖,但多环结构不能共享容量,位于多环交叉点的OADM节点非常复杂。与网状网相比,环型方案的升级性不好。图8 可配置光环方案图9对多种协议支持6.3网状网方案在具有波长交换/选路功能的OXC进入实用后,可在DWDM可配置光环的基础上引入OXC组成更复杂的网状网结构。OXC或波长路由器非常灵活,一般的OXC节点能够包容链型或环型结构中OADM的上下光路和保护功能,可重配OXC能够在不中断业务的情况下,逐步实现向多环或纯网状网结构发展。DWDM网状网城域核心结构如图10所示。 图10 DWDM网状网城域网核心结构DWDM网状网方案的组网灵活性非常大,其光层选路能够与IP和ATM等2层、3层的选路策略进行良好的配合,更好地利用网络资源,使运营商能够根据网络容量的增长,实现网络的逐步升级。DWDM网状网方案具有智能化的网络资源管理和配置功能,能够对DWDM链路波长和相关联的光节点容量资源进行智能化管理和波长信道配置,如具有进行快速连接的软件算法,自动化的端点地址辨认机制,能进行快速的路由计算和连接建立,在光层执行不同的光QoS级(如在光域反映QoS的时延、优先权、保护和信道质量特性等),以实现网络资源利用率最优化。在网络生存性方面,网状网方案有多重选择性,如基于网状的专用保护、共享保护和灵活高效的重选路由恢复机制等。7.目前城域网DWDM技术存在的问题目前城域 DWDM 技术存在的主要问题在于以下几个方面：7.1 设备成本问题尽管城域网络的传输距离比较短，但由于城域网中使用了大量的光分插复用器（OADM），每个分插复用器引入了一定的损耗，所以在城域网中往往必须使用光放大器，使费用大大增加。如果采用DWDM对城域网进行升级的价格比采用TDM和铺设新光纤的价格还高，将会限制DWDM在城域网中的应用。现在设备制造商正在努力改进设备，使应用在城域网中DWDM设备的价格低于长途DWDM设备的价格。7.2 技术问题DWDM城域网中需使用大量的 OADM，为对网络进行灵活的控制，OADM应是可编程的，可以用软件进行控制。但目前DWDM分插复用技术还不是很成熟，也没有大量商用，特别是对于波长数很多的系统。此外，光交叉连接设备更是不成熟。7.3 设备的兼容性问题由于目前 DWDM网络的标准还没有完全制定，所以多个厂家设备之间的互连还存在问题。在这种情况下，一个城域网只能采用一个厂家的设备，或者加入相应的转换设备，以实现不同厂家设备之间的互连，但随着 WDM光网络标准的制定，这些问题可以迎刃而解。7.4 网管技术不成熟由于相关标准制订的滞后，DWDM网管系统目前存在技术相对滞后的问题。比如大多数厂家的 DWDM系统虽然都配置了 EMS 网元管理系统，但网元管理系统的向上接口不统一，有 Q3 接口、CORBA接口等，管理系统间难以兼容和互通；另外，各厂家的大多数DWDM系统尚不支持系统误码性能监测和连接完整性等重要功能。DWDM网管系统的功能尚待进一步加强和完善。8.小结DWDM技术已成为整个光纤通信的基础，成功的解决了信息需求急剧增长时代的骨干网带宽需求，它还将在城域网中发挥更大的作用，在未来几年内，在建设新的DWDM系统的同时，将重点发挥DWDM技术的联网优势，实现真正意义上的光联网。参考文献1 彭亚雄 霓勇 城域网的DWDM关键技术研究 2009年05月2 安亚春 对DWDM 技术在城域网中应用的探讨 2010年3 李文海 现代通信网第2 版M.北京邮电学院出版社 2007年08月4 刘子晶 彭亚雄 田野 肖骞 DWDM 在城域网的应用分析 2007年第6期5 李刚 董轶竹 DWDM关键技术及在城域网应用探讨 2011年6 张宝富 苏洋 王海潼 光纤通信 西安电子科技大学出版社 2009年9月7 刘子晶 彭亚雄 DWDM在城域网应用研究 2008年8 张敏玲 光纤通信技术的发展现状与展望J 中国电信业 2008年04月9 虎俊 DWDM引光网络发展新潮J 中国电信业 2008年04月10刘佳 黄宏光 DWDM 技术及其在城域网中的应用 2009年11钟凌江WDM:发展之路将更宽更远J 中国信息厂业网-人民邮电报 2007年26