[转帖]光波分复用技术-----WDM系统技术规范

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2001-8-20　信息产业部电信研究院 张成良 张海懿
　　

　　随着WDM系统的大规模建设，对标准的需要也越来越强烈。WDM系统不像SDH系统那样有严格统一的规范。主要原因在于SDH系统是ITU-T先制定了标准规范，各大厂商再根据标准去制造产品，而WDM系统的发展却恰恰相反，是各厂商先有产品，而且规范不一，都认为自己是最好的选择，因此到现在为止ITU-T还没有形成统一的规范。因此，为了使引进产品和国内自行开发的产品具有统一性，制订我国的标准是十分必要的。

　　在制定我国WDM规范时，必须先确定波分复用系统的通道数目。从最近几年看，16（8）波长的应用将是第一步。从各个公司现在推出的产品看，几乎全是间隔为100GHz的16波分系统。这主要有以下原因：（a）现实的需要性，以2．5Gb／s系统为例，16波分单向就可达到40Gb／s的传输速率，这足以满足未来几年的业务需求；（b）技术的可行性。当前波分复用器件和激光器元件的技术都满足16个波长以上的复用。有鉴于此，我们所考虑的主要是用于干线系统的1550nm的16通路密集波分复用技术。

　　从当前应用上看，WDM系统只用于2． 5Gb／s以上的高速率系统。因而在制定规范的过程中，我们主要考虑了基于2．5Gb／s SDH的干线网WDM系统的应用，承载信号为SDH STM-16系统，即2．5Gb/s×N的WDM系统。对于承载信号为其他格式（例如IP）的系统和其它速率（例如10Gb／s×N）暂不作要求。

　　在WDM系统规范中，只考虑了点到点的线性系统。目前世界上大规模建设的WDM系统几乎无一例外的都是点到点的系统，而且大部分没有采用OADM。在有业务上下的节点上，采用了复用器／解复用器的背对背方式，因此我们规范的都是点到点的线性系统，而没有考虑环型或其它应用。

　　1 集成式系统和开放式系统
　　WDM系统根据其分类，可以分为开放式WDM系统和集成式WDM系统。

　　集成式系统就是SDH终端设备具有满足G.692的光接口：标准的光波长、满足长距离传输的光源（又称彩色接口）。这两项指标都是当前SDH系统不要求的。即把标准的光波长和长受限色散距离的光源集成在SDH系统中。整个系统构造比较简单，没有增加多余设备。但在接纳过去的老SDH系统时，还必须引入波长转换器OTU，完成波长的转换，而且要求SDH与WDM为同一个厂商，在网络管理上很难实现SDH、WDM的彻底分开。集成式WDM系统如图1所示。

　　开放式系统就是在波分复用器前加入OTU（波长转换器），将SDH非规范的波长转换为标准波长。开放是指在同一WDM系统中，可以接入多家的SDH系统。OTU对输入端的信号没有要求，可以兼容任意厂家的SDH信号。OTU输出端满足6.692的光接口：标准的光波长、满足长距离传输的光源。具有OTU的WDM系统，不再要求SDH系统具有G.692接口，可继续使用符合G.957接口的SDH设备；可以接纳过去的SDH系统，实现不同厂家SDH系统工作在一个WDM系统内，但OTU的引入可能对系统性能带来一定的负面影响；开放的WDM系统适用于多厂家环境，彻底实现SDH与WDM分开。开放式WDM系统如图2所示。

　　图3是一个波长转换器0TU。该器件的主要作用在于把非标准的波长转换为ITU-T所规范的标准波长，以满足系统的波长兼容性。现在已商用的产品中，使用的依旧是光／电／光（O／E／0）的变换，即先用光电二极管PIN或APD把接收到的光信号转换为电信号，然后用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而得到新的符合要求的光波长信号。

　　对于集成系统和开放系统的选取，运营者可以根据需要。在有SDH系统多厂商的地区，可以选择开放系统，而新建干线和SDH制式较少的地区，可以选择集成系统。但是现在WDM系统采用开放系统的越来越多。

　2工作波长区的选择　　

　　对于常规G.652光纤，ITU-T G.692给出了以 193．1THz为标准频率、间隔为100GHz的41个标准波长（192．1～196．1THz），即1530～1561nm。但在实际系统中，考虑到当前干线系统应用WDM系统主要目的是为了扩容，全部应用的可能性几乎为零，因为在整个EDFA放大频谱1530～1565nm内，级联后的EDFA的增益曲线极不平坦，可选用的增益区很小，各波长信号的增益不平衡，必须采取复杂的均衡措施，并且当前业务的需求并没有那么大的容量。综合各大公司的材料，1548～1560nm波长区的16个波长更受青睐，西门子和朗讯都采用了这一波长区。在1549～156Onm波长区间，EDFA的增益相对平坦，其增益差在1．5dB以内，而且增益较高，可充分利用EDFA的高增益区，见图4。在多级级联的WDM系统中，容易实现各通路的增益均衡。另外该区域位于长波长区一侧，很容易在EDFA的另一侧153O～1545nm开通另外16个波长，扩容为32通路的WDM系统。




　　16通路WDM系统的16个光通路的中心频率应满足表1的要求，8通路WDM系统的8个光通路的中心波长应选表：中加＊的波长。

　　　　　　　　　表1 16通路和8通路WDM系统中心频率

　 序号 中心频率（THz） 波长（nm）
1 192.1 *1560.61
2 192.2 1559.79
3 192.3 *1558.98
4 192.4 1558.17
5 192.5 *1557.36
6 192.6 1556.55
7 192.7 *1555.75
8 192.8 1554.94
9 192. *1554.13
10 193.0 1553.33
11 193.1 *1552.52
12 193.2 1551.72
13 193.3 *1550.92
14 193.4 1550.12
15 193.5 *1549.32
16 193.6 1548.51


　　WDM系统除了对各个通路的信号波长有明确的规定外，对中心频率偏移也有严格规定。通路中心频率偏移定义为通路实际的中心频率与通路中心频率标称值的差值。对通路间隔选择100GHz的16×2．5Gb／s WDM系统，到寿命终了时的波长偏移应不大于±20GHz。

　　3 光按口分类
　　由于现在应用的WDM系统都是用于干线长途传输，因而我国只选用有线路光放大器的系统，不考虑两点之间的无线路光放大器的WDM系统。现阶段我们只考虑确定8波长和16波长的应用。对于长途WDM系统的应用，我们规定了3种光接口：即8×22dB，3×33dB和5×30dB系统。其中22dB、30dB和33dB是每一个区段（Span）允许的损耗，而前一个数字8（5，3）则代表区段（Span）的数目。



　　图5为8×22dB系统的示意图。该系统由8段构成，每两个LA之间的允许损耗为22dB，BA和PA分别是功率放大器和预放大器，LA是线路放大器。假设光纤损耗以0.275dB／km为基础（包括接头和光缆富裕度），22dB对应于8Okm的光纤损耗，则8×22dBWDM系统可以传输8×80km=640km的距离，中间无电再生中继。

　　80km比较符合我国中继段的情况，可以满足大部分地区中继距离的要求。目前干线的中继段距离大多在50～60km。另外8×22dB系统技术上相对成熟，可靠性高，性能好，光信噪比（OSNR）比3×33dB和5×30dB要好4～5dB。因此可作为干线传输和省内二级干线传输的优选系统。

　　考虑到西北地区有可能出现超长中继的情况，增加了3×33dB系统（可以传输3×120km=360km），以适应某些沙漠地区超长中继距离的需要。另外由于5×33dB的实现尚需要研究，并结合我国实际情况，在中继距离80km和120km以外，我们引入每区段（Span）损耗30dB（传送距离为100km左右）、5个Span的系统，即5×3OdB系统，作为长中继距离，多段数的补充，也是5×33dB的替代。这样使每个区段（Span）的距离由2种（80km、12Okm）增加到3种（80km、10Okm和12Okm），增加了组网的灵活性。

　　在WDM系统中，目前的8通路系统不能被升级为16路系统，除非该8路系统是配置不完全的16通路系统的子集，否则都不能直接升级，即没有前向兼容性。这就要求运营者在建设WDM系统时，应对本地业务量发展有着正确的估计，以选择合适的通路数。

　　4 光按口参数
　　在ITU-T G.692建议中，对于点到点WDM系统的光接口参数几乎为零，为了增加可操作性，我们重点参考了几家大公司的产品标准，制定了较详细的系统接口规范，增加了标准化程度，具有较强的可操作性，特别是考虑到高功率条件下的非线性效应和光信噪比要求，合理地选择入纤功率，并对开放系统和集成系统提出了相应要求。在开放的WDM系统中，对于OTU在发送端、再生中继器和接收端的不同应用，分别给出了具体指标。考虑到维护人员的需要，对EDFA增加了在线监测口的要求，以方便日常的维护测试。

　　针对WDM系统的模拟性质，我们特别制定了WDM系统接收端光信噪比（OSNR）数值，对于8×22dB的系统，其光信噪比为22dB；而对于5×30dB和3×33dB，则要求分别为21dB和20dB。因为系统的OSNR很大程度上决定于区段（span）的损耗。区段（span）的损耗越大，则最后系统的性能越差。由于篇幅所限，参数的具体内容在此不详述。

　　5 性能要求
　　目前，WDM系统还缺少一套衡量其传输质量的标准。虽然光信噪比（OSNR）可以衡量系统传输质量，但还存在一定缺陷。当光信噪比（OSNR）很高时（＞22dB），系统的质量可以保证（一般BER＜10-15）。当OSNR工作在临界状态，例如15～17dB时，OSNR就很难定量地评估信号传输质量；再考虑到信号脉冲传输中出现的波形失真，有时OSNR较高时相应的误码率有可能较差。因而承载信号的质量很大程度上还需要在电域上进行评估。

　　实际上国家骨干网的WDM系统是基于SDH系统的多波长系统，因而其网络性能应该全部满足我国SDH标准规定的指标，包括误码、抖动和漂移。WDM系统在一个光复用段内，只有一个电再生段，没有任何转接，因而不能用通道指标进行衡量，暂定采用复用段指标进行要求。该指标与具体WDM系统光复用段长度无关。

　　开放式WDM系统引入了波长变换器OTU，OTU应具有和SDH再生中继器一样的抖动传递特性和输入抖动容限。

　　6 光监控通路（OSC）要求
　　与常规SDH系统不同，WDM系统增加对EDFA监视和管理。由于在EDFA上业务信号不进行上下，无电接口接入，只有光信号的放大，而且业务信号的开销（如SDH）上也没有对EDFA进行控制和监控的字节，因而必须增加一个电信号对EDFA的运动状态进行监控。现在经常采用的是在一个新波长上传送检测信号。

　　对于使用线路放大器的WDM系统需要一个额外的光监控通路，这个通路能在每个线路光放大器处进行上下。光线路放大器EDFA的增益区为1530～1565nm，光监控通路必须位于EDFA有用增益带宽的外面，我们规定采用1510nm波长。
　　监控通路的接口参数见表2。



监控波长 1510nm
监控速率 2Mb/s
信号码型 CMI
信号发送功率 （0～7dBm）
光源类型
光谱特性 MLM LD
待研究
最小接收灵敏度 -48dBm



　　7 WDM系统的保护
　　WDM系统线路保护主要有两种保护方式：一种是基于单个波长、在SDH层实施的1＋1或1 ：n的保护；另一种是基于光复用段上保护OMSP，在光路上同时对合路信号进行保护。

　　7.1善于单个液长，在snl1层实施的1＋1保护

　　这种保护系统机制与SDH系统的：1+1MSP类似，所有的系统设备都需要有备份。如图6所示，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。这种方式的可靠性比较高，但是成本也高。与此原理相一致，还可以实现基于单个波长，在SDH层实施的1：n保护。

　　另外一种方式是基于单个波长、同一WDM系统内1：n路的WDM系统中，n个波长通道作为工作波长，1个波长通路作为保护。但是实际系统中，光纤、光缆的可靠性比设备的可靠性要差，只对系统保护，而不对线路保护，实际意义不太大。

　　7.2光复用段（OMSP）保护
　　这种技术是只在光路上进行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。


　　i＋i图7是采用光分路器和光开关的光复用段保护方案。在这种系统中，只有光缆和WDM的线路系统是备份的。人们也可以用N：2的耦合器来代替复用器和1：2分路器。相对于1+1的全保护，该方法减少了成本。光复用段保护只有在独立的两条光缆中实施才有实际意义。

　　8 安全要求
　　对于含光放大器的WDM系统，安全特别重要。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。ITU-T建议规定：单路或合路入纤最大光功率电平为+17dBm。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，必须保证系统能够及时关闭泵浦源和系统，以防止对系统造成损害。
　　8．1光“浪涌”的产生
　　使用EDFA放大光信号，当输入光功率迅速增大时，由于EDFA的慢增益动态效应会产生光浪涌，输出光功率出现“尖峰”，特别是对级联EDFA的情况下，其峰值功率可以到数十瓦，其原理如图8所示。






　　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饵光纤，将引起几乎所有的亚稳态离子发生受激辐射翻转，使EDFA的输出达到一个最大值[+30dBm（IW）以上]。这种高功率是非常危险的，有可能“烧坏”光连接器和接收机。
　　8．2光浪涌的防止（Optical surge prevention）采用图8所示的方法可以防止光浪涌。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，应减小直至切断向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，再恢复向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（APSD）进程。APsD实施时，不影响并且能保持所有OSC（光监控通路）功能的实施。

　　9 单纤双向传输
　　与单纤单向WDM相比，单纤双向WDM系统可以减少光纤和线路放大器的数量。但双向WDM设计比较复杂，必须考虑多通过干扰（MPI）、光反射的影响，另外还需考虑串音、两个方向传输功率电平数值、OSC传输和自动功率关断等一系列问题。

　　从现在得到的资料看：大部分公司都是采用单纤单向系统。单纤双向WDM只适用于光缆对比较紧张的情况，目前只有Nortel采用了这种技术。单纤双向在于线中应用的机会并不多。因为它只适用于光纤芯数极少的地区，而通常干线的芯数都在24芯以上。这种技术适合在一些边远地区采用，而边远地区的业务量似乎尚不能达到N×2．5Gb/s超高速容量，真正实施的可能是622Mb／s或155Mb／s系统的简单两波分或类似系统。

　　对于单纤双向系统，我们没有完全予以禁止，但也并不提倡。在光纤芯数可以满足要求时，最好仍采用单纤单向的WDM系统，只有在那些光纤芯数极少的地区，才有必要考虑采用单纤双向系统。

　　1O 总结
　　当前，WDM技术仍处于快速发展阶段，今年内，许多厂商的32×2．5Gb/s系统都将投入商用，另外N×l0Gb／s的WDM技术也发展很快，我们目前制定的规范仅仅对当前引进和建设的16（8）×2．5Gb／s WDM系统参数进行了具体规定，对于16通路以上的WDM系统的光接口参数还没有规范。但是许多普遍性原则，例如WDM分层结构、光接口分类、保护以及安全要求等在多通路WDM系统中仍将适用。另外我们也会加快32×10Gb／s（2.5Gb/s）和其它拓扑结构的WDM系统（如WDM环网）的标准化，以满足国内迅速发展的WDM技术的要求。

VERY GOOD