超长距DWDM关键技术分析及应用

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摘要　DWDM是作为目前主流的长途传输中技术初步解决了传统电信业务大容量和远距离传输的基本问题，超长距离DWDM传输技术由于节省了大量的电中继设备，能够大幅度降低投资成本，提高系统的传输质量和可靠性，具有良好的升级扩容潜力及高效方便的维护特性。分析了ULH DWDM采用的几种主要技术，并分析了其在国内应用的可能性和必要性。
1、引言
根据国内关于WDM系统的行业标准，可以把长途光纤传输系统分为常规长距离传输系统LH（Long Haul＜1 000 km）、亚超长距离传输系统ELH（Enhanced Long Haul 1 000～2 000 km）、超长距离传输系统ULH（Ultra-Long Haul＞2 000 km）。本文主要介绍ULH DWDM系统传输中的几种关键技术，同时同时分析ULH DWDM在国内应用的可能性和必要性。
2、ULH DWDM系统的引入
DWDM（密集波分复用）技术是目前长途干线的主流技术，从1996年应用开始，DWDM技术便以超摩尔定律的速度发展了5年。目前容量已不再是WDM技术的唯一发展方向，运营商降低建网和运营成本的需求驱动着DWDM设备供应商持续关注设备的长距离传送能力和综合运维能力。
直接建设大城市之间的超长距传输系统可以解决对带宽的迫切需要，优化网络结构，同时节省大量的电再生中继站，降低系统的建设成本和维护费用；UHL技术与可配置OADM技术结合，在骨干网上可以实现大城市之间的快速直达车，中间的大城市站点可以采用OADM透明上下业务。目前ULH DWDM已经成为光纤通信领域研究与应用的热点，相信随着业务和技术的进一步发展，ULH WDM系统的应用会越来越多。
3、ULH DWDM系统中的关键技术
ULH DWDM系统采用的主要新技术包括RAMAN与EDFA相结合、SFEC/FEC、光均衡、非线性处理、色散/PMD处理、RZ编码等。
3.1　喇曼放大技术（RAMAN）[1,2]
光纤中的受激喇曼散射效应早在1973年就发现了，并且在实验中证明了光纤喇曼放大技术可以用于数字信号和光孤子系统，但在很长时间内喇曼光纤放大器未能获得广泛应用，甚至在EDFA出现后一度销声匿迹，关键原因在于缺乏合适的大功率半导体泵浦激光器。后来，泵浦激光器技术的成熟大大促进了喇曼放大技术的发展，目前已经可以实现高达114 nm的增益带宽。同时，通过选择合适的泵浦源，喇曼放大技术可使信号在光纤透明窗口内任何位置上放大；利用多波长泵浦，增益谱不但可以覆盖C波段，还可以扩展到L波段和S波段。
对于纯粹基于EDFA的长距离DWDM系统，放大器的自发辐射噪声（ASE）累积导致光信噪比不足是限制无电中继传输距离（600～800 km）的主要因素。喇曼放大器的增益系数较低，属于分布式放大器，比集中放大结构可以获得更高的信噪比，并能减弱有害的非线性效应，因此对于UHL系统喇曼放大是关键技术之一。
3.2　FEC/SFEC技术[3，4]
通过分布式喇曼放大技术可以延缓OSNR的劣化；而FEC技术通过在传输码列中加入冗余纠错码，可降低接收端的OSNR容限，从而达到改善系统性能、降低系统成本的目的。FEC的检测和纠错技术不仅改善了传送系统的误码率，也提高了系统的ONSR，从而延长了传输距离。常规的FEC可将传送系统的信噪比改善5 dB，一些改进的FEC技术（SFEC）甚至可以改善10 dB的信噪比。
从编码角度来说，交织码和级联码都可以用于FEC技术。目前业界提出的实用化FEC主要有以下3种：
（1）带内FEC，即利用SDH帧中的一部分开销字节装载FEC码的监督码元。
（2）带外FEC，ITU-T G.975标准规定利用RS（255,239）码交织编解码，在帧尾插入校验字，编码冗余度为7%。目前带外FEC基本上已成为事实上的FEC编码标准。
（3）超级FEC（SFEC），是下一步的发展方向。
3.3　动态增益均衡[5]
在长距离光纤传输系统中，多级放大器的级联将带来增益谱不平坦的问题，而整个线路上的增益平坦对于超长距离传输是非常重要的。增益均衡用于保证线路上各个波长之间的增益平坦，在主光通道的入口可能各个波长之间的功率电平一样，但由于放大器增益平坦度以及各个波长在线路中衰耗不一致，会导致在接收端各个波长之间的功率差异较大，影响正常的接收。目前通用的方法是在各个光放站放置增益平坦滤波器，此外通过基于各个通道光谱密度的大小，实施反馈控制，可以动态管理平坦进程。
动态增益均衡的优势在于可以增加超长距传输系统的区段数目，可以在级联50个EDFA的情况下，不进行电再生中继；支持动态网络配置，在网络波长数目发生重大差异时不会对OSNR造成损伤；可以替代目前正在使用的可调光衰减器。
3.4　新型ULH编码技术
对于ULH WDM系统，先进的信号调制格式将提高传输的色散、非线性和PMD容限，可以提高系统的OSNR，对提升传输距离大有益处。由于RZ编码中的CRZ方式具有脉冲压缩能力、能容忍更高的PMD值、可以缓解信号在光纤中的非线性交互作用等优异特点，正受到越来越多的关注。
RZ码的主要缺点是信号频谱宽度相对NRZ码增加，增加调制器使系统变得复杂、成本高。为了进一步提高RZ码的传输性能，近年来还出现了CS-RZ（载频抑制RZ）和CRZ（啁啾RZ）等码型。在CS-RZ码中，相邻码元的电场振幅的符号相反，从而达到降低光谱宽度的目的，在功率较高的情况下，不但增加了色散容限，而且有更强的抵抗SPM和FWM等光纤非线性效应的能力。CRZ码采用了3级调制技术（RZ幅度调制、相位调制和数据调制），其相位调制器在发射端对RZ脉冲的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量，抵抗非线性效应的能力非常优异。
3.5　先进的色散补偿方案
基于10 Gbit/s的LH DWDM链路都须进行色散补偿，即在每个（或几个）光纤跨段的输出端放置用DCF制成的色散补偿模块（DCM），周期性地使光纤链路上累积的色散接近零。前对于非长距的10 Gbit/s系统的色散补偿只考虑一阶色散补偿，但一阶色散补偿只能补偿零色散波长处附近的几个波长的色散，而对于长距离传输和高速率传输系统则需要考虑高阶色散补偿，即是色散斜率的补偿。
目前开发出了多种斜率补偿型色散补偿光纤（DCF），可用于补偿G.652光纤和其他数种新型非零色散位移光纤（NZ-DSF）的色散斜率。若采用60%斜率补偿，则经过800 km G.652光纤段传输后，C-band的红端和蓝端之间的色散差异可降低到680 ps/nm，进而将总色散控制在的色散容限窗口内。理想情况下，采用100%斜率补偿可以使C-band的红端和蓝端之间的色散差异基本消失，按照理论推算，即使是非常长的ULH DWDM传输，色散斜率也不再成为问题。
4、ULH DWDM应用的必要性
目前UHL DWDM技术已通过了试验阶段，随着数据业务的迅猛增长，正逐步进入商用阶段。以某运营商为例，由于数据业务（IP）对长途传输的带宽需求成倍增长，尤其以北京、上海、广州、成都、武汉、西安等节点为主要需求，4个节点之间的主备用路由距离如表1所示。

表1　节点之间的主备用路由距离

以北京-广州（京汉广）DWDM链路为例，其主干路由长达2 826 km，现有系统中间段落共设置了7个电中继站，在背靠背的OTM、中继型OTU等模块上投入大量的建设资金。京穗的备用路由更是高达12个电中继站，建设、运营成本远远高于主用路由。同时由于京沪穗之间的数据流量很大，目前已经达到几百Gbit/s的流量，因此大量地占用了现有长途传输系统的波道资源，造成现有WDM系统的波长利用率较高，面临扩容的压力。
与此同时，在流量较大的京穗、京沪、沪穗等段落上，面临着第二套甚至第三套WDM系统的建设问题。在这种情况下，采用ULH WDM技术会大大削减建网成本；而且如果建设ULH DWDM系统，将流量很大的京沪穗等节点从现有DWDM系统中割接出来，原有的波道可以被其它骨干节点利旧使用，不仅梳理了业务的流量流向，而且优化了网络结构。

图1　ULH DWDM组网逻辑图

ULH WDM网络逻辑图如图1所示（光放站在图中省略），无电光放距离最大为2 000 km，光放站距根据实际地理位置选择，平均可以在120 km左右。这样仅在京汉广线路上就可以减少6个电中继站和若干光放站，不仅降低了背靠背OTM（多达12个）的需求，而且大幅减少了中继性OTU的数量，上述两者正是WDM系统中的主要成本所在。ULH系统在上海-广州、上海-北京和广州-成都段落上成本、运营效果同样明显。对于在路由上的其它骨干节点（郑州、南京、福州等），在论证确有需要的情况下，可以通过OADM设备实现业务上下路，能够简化节点结构，并节省了大量后期扩容时OTU的数量的成本。
5、结束语
宽带接入、3G移动通信等多元化新兴通信业务的迅猛发展，深刻地影响着当今电信网的概念、格局和体系，推动电信科技不断进步。同时，对于电信运营商而言，有效地降低成本、扩大网络覆盖率是保障正常运营和持续高速发展的重要策略之一。超长距离DWDM传输技术由于节省了大量的电中继设备，能大幅度降低投资成本，提高系统的传输质量和可靠性，具有良好的升级扩容潜力，同时提供高效方便的维护特性及其它增值服务。对于中国这样的幅员辽阔、人口众多的国家，该技术有着广阔的前景和应用市场。
参考文献
1　李春生.光纤拉曼放大器[J].光通讯，2004（9）：34-37.
2　熊伦.拉曼光纤放大器的应用与研究进展[J].现代电子技术，2007（2）：186-188.
3　关熙滢，张友纯.FEC编码在高速光通信系统中的应用与性能分析[J]光通信研究，2005（6）：18-20.
4　袁建国，叶文伟，毛幼菊.光通信系统中一种新颖的级联码型[J].光电工程，2007（4）
5　张海懿.ULH及WDM技术发展，通信世界网2005-10-17.