波分复用技术及其应用现状与发展前景

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1、引言

        随着以IP为代表的数据业务的爆炸增长，以及Internet在全球范围内的迅速发展，网络带宽的需求不断增加。随之出现了所谓的“光纤耗尽”现象和对代表通信容量的带宽的“无限渴求”的现象。以美国为例，从1995年起，几家主要长途电信业务承载商光纤通信系统的负载能力都接近饱和。为了提高通信系统的带宽已成为焦点问题，波分复用技术(WDM)正是解决这一问题的关键技术，它将光波耦合复用到一根光纤中，从而更有效地提供带宽，可以让IP、ATM和同步数字序列/同步光纤网协议下承载的电子邮件、视频、多媒体等数据都通过统一的光纤层传输。

2、多路复用技术

        多路复用技术包括：时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDMA)、波分复用(WDM)。

        时分复用(TDM)：当信道达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片(时隙)，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，所以信号之间不会互相干扰。

(1)频分复用(FDM)

        当信道带宽大于各路信号的带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。或者说是将频率划分成不同的频率段，不同路的信号在不同的频段内传送，各个频段之间不会相互影响，所以不同路的信号可以同时传送。

(2)码分复用(CDMA)

        这种技术多用于移动通信，不同的移动台(或手机)可以使用同一个频率，但是每个移动台(或手机)都被分配带有一个独特的“码序列”，该序列码与所有别的“码序列”都有不同，所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台(或手机)，所以又叫做“码分多址”技术

(3)波分复用(WDM)

        这是FDM在光纤信道的一个变例。是指在一根光纤上不只是传送一个载波，而是同时传送多个波长不同的光载波。这样一来，原来在一根光纤上只能传送一个光载波的单一信道变为可传送多个不同波长光载波的信道，从而使得光纤的传输能力成倍增加。

3、WDM的工作原理及其技术特点

        光波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带有名种类型的信息)，在发送端经复用器(亦称合波器，multiplexer)把这些光载波信号汇合在一起，并耦合到光线路中同一根光纤中进行传输；在接收端经分波器(亦称解复用器或去复用器，demulti-plexer)将各种波长的光载波进行分离，然后由光接收机相应的进一步处理恢复信号。这种复用方式称为波分复用。可以是单向传输，也可以是双向传输[2]。

        WDM本质上是光域上的频分复用(FDM)技术，WDM系统的每个信道通过频域的分割来实现，如图2所示。每个信道占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：

(1)传输媒介不同，WDM系统是光信号上的频率分割，而同轴系统是电信号上的频率分割。

(2)在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟的4KHZ语音信号，而WDM系统目前每个通路上传输的是数字信号SDH2.5Gbit/s或更高速率的数字信号。

        WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展，是因为它具有下述优点：

(1)超大容量传输。

        由于WDM系统的复用光通路速率可以为2.5Gbit/s、10Gbit/s等，而复用光通路的数量可以是4、8、16、32，甚至更多，因此系统的传输容量可以达到300-400Gbit/s，甚至更大。

(2)节约光纤资源。

        对于单波长系统而言，1个SDH系统就需要一对光纤；而对于WDM系统来讲，不管有多少个SDH分系统，整个复用系统只需要一对光纤。例如，对于16个2.5Gbit/s系统来说，单波长系统需要32根光纤，而WDM系统仅需要两根光纤。

(3)各信道透明传输，平滑升级、扩容。

        只要增加复用信道数量与设备就可以增加系统的传输容量以实现扩容，WDM系统的各复用信道是彼此相互独立的，所以各信道可以分别透明地传送不同的业务信号，如语音、数据和图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极大的便利。

(4)利用EDFA实现超长距离传输。

        EDFA具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，且其光放大范围为1530(1565nm，但其增益曲线比较平坦的部分是1540(1560nm)它几乎可以覆盖WDM系统的1550nm的工作波长范围。所以用一个带宽很宽的EDFA就可以对WDM系统的各复用光通路信号同时进行放大，以实现系统的超长距离传输，并避免了每个光传输系统都需要一个光放大器的情况。WDM系统的超长传输距离可达数百公里同时节省大量中继设备，降低成本。

(5)提高系统的可靠性。

        由于WDM系统大多数是光电器件，而光电器件的可靠性很高，因此系统的可靠性也可以保证。

(6)可组成全光网络。

        全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网络中，各种业务的上下、交叉连接等都是在光路上通过对光信号进行调度来实现的，从而消除了E/O转换中电子器件的瓶颈。WDM系统可以与OADM、0XC混合使用，以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络，以适应带宽传送网的发展需要。

4、WDM的现有技术水平及国内应用现状

        WDM技术的研究、开发与应用十分活跃。在国际上，体现在电信装备公司投巨额资金竞相研究、开发、宣传展示产品，甚至出现了各公司之间的联合、兼并，以增强在WDM技术领域里的竞争能力。

(1)WDM现有的技术水平

        就现有WDM系统传输容量的试验水平来看，北电等公司的1.6Tbit/s(160(10Gbit/s)WDM系统已经成功。在后来的展览上，北电推出80(80Gbit/s的WDM系统，总容量为6.4Tbit/s。此外，朗讯公司采用80nm谱宽的光放大器创造了波长数高达1022的世界记录。同时，我们了解到一些世界著名公司现有的WDM系统的各项指标。

        在国内，WDM技术的研究和开发不仅活跃，而且进展也十分迅速。武汉邮电科学研究院(WRI)、北京大学、清华大学、邮电部五所先后进行了传输实验或者建设试验工程。例如：武汉邮电科学研究院在1997年10月成功地进行了16(2.5Gbit/s600km单向传输系统，1998年10月在北京‘98国际通信展览会上展示了32(2.5Gbit/s的WDM传输系统，并且容量为40(10Gbit/s的WDM系统也进行了传输实验，更高技术水平的WDM系统正在实验当中。

(2)国内WDM技术的应用水平

        WDM技术仍处于快速发展的阶段，许多厂商的16、32通路的WDM系统已投入商用。目前数百吉比特每秒的WDM系统已经在网络中实际运行,2002年4月19日，武汉邮电科学研究院承担的国家863重大项目“32×10Gbit/sSDH波分复用系统”在广西南宁通过国家验收。该系统首次在国内实现了开满32波满配置400公里的无电再生传输。

        该项目是国家863计划的重中之重项目。系统在STM-64上实现带内前向纠错(FEC)功能。提供4个SDH10Gbit/s终端复用器设备(MF9953-01A)，2个32×10Gbit/sWDM端机(GDB9953-01-32)，4个32×10Gbit/sWDM中继机(GZB9953-01-32)及一个网元管理系统。把系统应用到实际工程，广西的南宁至柳州，全长280km G.652光纤，分为4段(69+36+92+83km)，开通两端10Gbit/s SDH设备，设南宁、柳州两个终端站，九塘、来宾、宾阳三个光放大中继站；WDM开通1个10Gbit/s波道和8个2.5Gbit/s波道，该工程在同一管理平台上实现对SDH和WDM的统一管理，具有较完善的管理维护功能。

        此外中国电信于2003年初启动了北方九省(区、市)内干线传输网的建设，黑吉区域网、辽宁区域网干线沿途经过东北三省的大部分大中城市，工程采用烽火通信密集度紧凑度高的FONST系列DWDM/SDH光网络设备，采用了优越的OTU抖动抑制V-EDFA自动光功率调节、带外FEC、波长稳定、光在线性能监测等多项关键技术来保证系统的稳定运行[3]。可以看出WDM技术在我国将会更广泛的应用。

5、WDM发展前景

        WDM技术的应用第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用(即频率复用)的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，不再回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。因此，从某种意义上讲，WDM技术的应用标志着光通信时代的“真正”到来。

        当前，研究的热点之一是DWDM，DWDM实验室水平为：

1OO×l0Gbit/s(100波，每波10Gbit/s)，中继距离400km；

30×40Gbit/s(30波，每波40Gbit/s)，中继距离85km；

64×5Gbit/s(64波，每波5Gbit/s)，中继距离720km。

        密集波分复用DWDM商用水平为320Gbit/s，即一对光纤可传送400万话路，相当于0.05秒内能传完30卷大英百科全书。目前商用系统的传输能力仅是单根光纤可能传输容量(数十Tbit/s)的1/100。

        WDM是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络既“全光网”，将是光通讯的最高阶段。建立一个以WDM和OXC(光交叉连接)为基础的光网络层，实现用户端到端的全光网连接，用一个纯粹的“全光网”消除光电转换的瓶颈，将是未来的趋势。现在WDM技术还是基于点到点的方式，但点到点的WDM技术作为全光网通讯的第一步，也是最重要的一步，它的应用和实践对于全光网的发展[4]。

6、结束语

        WDM技术具有明显的技术优势，对于一个幅员辽阔的发展中国家来说，推广应用WDM技术显得尤为重要。而全光网络是未来信息传送网的发展方向，它可以直接对光信号进行处理，不仅大大简化了网络结构，降低了成本，而且极大地提高了网络的稳定性与可靠性。如果说20世纪的通信是电网络的时代，那么21世纪的信息传输将会是全新的光网络时代。