波分復用系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究

馬小青

提要隨著固定及移動運營商網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，IPTV、3G等的應(yīng)用對光通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。本文就光通信網(wǎng)絡(luò)中的WDM系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向做出研究，包括對于器件和接口標準化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：WDM；光器件；OTN

中圖分類號：F62文獻標識碼：A

運營商傳統(tǒng)的光傳輸網(wǎng)絡(luò)一般為分為多個層面分級管理，比如接入、匯聚、核心和骨干網(wǎng)。以MSTP技術(shù)為代表的SDH設(shè)備根據(jù)業(yè)務(wù)接入容量以及保護特性不同占據(jù)著匯聚和核心層面，但是骨干網(wǎng)絡(luò)由于要求傳輸容量巨大，主要由WDM設(shè)備承建，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。（圖1）

根據(jù)圖1所示，WDM系統(tǒng)主要可以分為發(fā)射機和接收機、波長復用器和解復用器、光放大器；接收機類型一般比較穩(wěn)定，分為PIN（光電二極管）型和APD（雪崩二極管）型，波長復用器和解復用技術(shù)目前相對來說也比較成熟，聚焦在AWG（波導陣列光柵）上，WDM系統(tǒng)器件的發(fā)展主要是發(fā)射機和光放大器。

發(fā)射機采用的激光器要求精度較高，因為WDM系統(tǒng)的工作波長較為密集，一般波長間隔為20納米到0.8納米，這就要求激光器工作在一個標準波長上，并且具有很好的穩(wěn)定性；另一方面DWDM系統(tǒng)的無電再生中繼長度從單個SDH系統(tǒng)傳輸50～60km增加到600km甚至更多，要求系統(tǒng)色散受限距離必須很大，為了克服光纖的非線性效應(yīng)，如受激布里淵散射效應(yīng)（SBS）、受激拉曼散射效應(yīng)（SRS）、自相位調(diào)制效應(yīng)（SPM）、交叉相位調(diào)制效應(yīng)（XPM）以及四波混頻效應(yīng)（FWM）等，要求WDM系統(tǒng)的光源使用技術(shù)更為先進、性能更為優(yōu)越的激光器。

根據(jù)對光源的不同調(diào)制方法，激光器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：直接調(diào)制、電吸收間接調(diào)制和M-Z調(diào)制。直接調(diào)制即直接對光源進行調(diào)制，通過控制激光器驅(qū)動（調(diào)制）電流的大小來改變激光器輸出光波的強弱，但是由于調(diào)制電流的變化將引起激光器發(fā)光諧振腔的長度發(fā)生變化，引起波長隨著調(diào)制電流線性變化，是一種直接調(diào)制光源無法克服的波長抖動（啁啾），使光源的光譜特性變壞，限制了系統(tǒng)的傳輸速率和距離。電吸收間接調(diào)制是在光源的輸出通路上外加調(diào)制器對光波進行調(diào)制，此調(diào)制器實際上起到一個開關(guān)的作用：當調(diào)制器無偏壓時，光源發(fā)送波長在調(diào)制器材料的吸收范圍之外，該波長的輸出功率最大，調(diào)制器為導通狀態(tài)；當調(diào)制器有偏壓時，調(diào)制器材料的吸收區(qū)邊界波長移動，光源發(fā)送波長在調(diào)制器材料的吸收范圍內(nèi)，輸出功率最小，調(diào)制器為斷開狀態(tài)。

M-Z調(diào)制是將輸入光分成兩路相等的信號，分別進入調(diào)制器的兩個光支路，這兩個光支路采用的材料是電光材料，即其折射率會隨著外部施加的電信號大小而變化，由于光支路的折射率變化將導致信號相位的變化，故兩個支路的信號在調(diào)制器的輸出端再次結(jié)合時，合成的光信號是一個強度大小變化的干涉信號，通過這種辦法，將電信號的信息轉(zhuǎn)換到了光信號上，實現(xiàn)了光強度調(diào)制。分離式外調(diào)制激光器的頻率啁啾可以等于零。（表1）

從表1可以看出，不同調(diào)制器的色散容限直接決定其應(yīng)用場景。直接調(diào)制一般應(yīng)用在CWDM系統(tǒng)中，傳輸距離在80km之內(nèi)，目前的電吸收調(diào)制型激光器廣泛地應(yīng)用在各種類型的WDM系統(tǒng)中，以良好的性能和合理的成本占據(jù)著大部分份額。M-Z調(diào)制型激光器在色散方面的性能注定使其成為了40G激光器的最佳選擇。

光纖放大器有摻鉺光纖放大器（EDFA）和光纖拉曼放大器。EDFA放大器作為新一代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有增益高、輸出功率大、工作光學帶寬較寬、與偏振無關(guān)、噪聲指數(shù)較低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關(guān)等優(yōu)點。它是大容量DWDM系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部件。根據(jù)EDFA在DWDM光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的位置，可以分功率放大器，簡稱BA；線路放大器，簡稱LA；前置放大器，簡稱PA。光纖拉曼放大器的增益波長由泵浦光波長決定，只要泵浦源的波長適當，理論上可得到任意波長的信號放大，其增益介質(zhì)為傳輸光纖本身、噪聲指數(shù)低，當與常規(guī)EDFA混合使用時，可大大降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，增加傳輸跨距。增益波長由泵浦光波長決定，因此對于開發(fā)光纖的整個低損耗區(qū)1270nm～1670nm具有無可替代的作用。

DWDM系統(tǒng)中，復用的光通路數(shù)越來越多，需要串接的光放大器數(shù)目也越來越多，因而要求單個光放大器占據(jù)的譜寬也越來越寬。EDFA的增益鎖定是一個重要問題，因為WDM系統(tǒng)是一個多波長的工作系統(tǒng)，當某些波長信號失去時，由于增益競爭，其能量會轉(zhuǎn)移到那些未丟失的信號上，使其他波長的功率變高。在接收端，由于電平的突然提高可能引起誤碼，而且在極限情況下會帶來強烈的非線性或接收機接收功率過載，也會帶來大量誤碼。EDFA的增益鎖定有許多種技術(shù)，典型的有控制泵浦光源增益的方法和飽和波長法。一般來說，拉曼放大器比較適合特定的長途傳送領(lǐng)域，比如超長單跨WDM系統(tǒng)，而EDFA更廣泛地應(yīng)用在所有的DWDM系統(tǒng)中。

WDM系統(tǒng)在接口標準方面，主要是面向著客戶側(cè)業(yè)務(wù)信號所提供的裝載幀技術(shù)的發(fā)展和面向系統(tǒng)的隨路管理信號幀的發(fā)展。傳統(tǒng)的WDM系統(tǒng)面向客戶側(cè)業(yè)務(wù)提供的是純透傳的功能，因此并不需要額外的幀結(jié)構(gòu)來做信號的映射，只是完成了波長的轉(zhuǎn)換、復用和傳輸。然而，隨著業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和演進，運營商扁平化管理的需求加強，IP業(yè)務(wù)沖擊著傳統(tǒng)的SDH+WDM模式，針對網(wǎng)路的發(fā)展，ITU-T（國際電信聯(lián)盟）制定了OTN（光傳送網(wǎng)絡(luò)）標準。OTN是ITU-T在“先標準，后實現(xiàn)”的理想標準思路下構(gòu)建起來的，因此OTN有效地避免了不同廠家在具體實現(xiàn)差異方面引發(fā)的爭議，在理論架構(gòu)上更加合理、清晰。相比于傳統(tǒng)的SDH網(wǎng)絡(luò)，OTN體系中各級業(yè)務(wù)容量的可擴展性強，交叉容量可擴展到幾十T bit/s。同時，采用異步映射消除了全網(wǎng)同步的限制，更強的FEC糾錯能力，簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低組網(wǎng)成本，在OAM方面提供了多達6級的TCM監(jiān)視管理能力。（圖2）

圖2形象的描述了完整功能OTM接口OTM-n.m信號的組成，OTM-n.m由最多n個復用的波長和支持非隨路開銷的OTM開銷信號組成。其中m可為1、2、3、12、23、123。M單獨數(shù)字1或2或3表示承載的信號分別為OTU1［V］或OTU2［V］或OTU3［V］，m=12表示承載的信號部分為OTU1［V］，部分為OTU2［V］，m=23表示承載的信號部分為OTU2［V］，部分為OTU3［V］；m=123表示承載的信號部分為OTU1［V］，部分為OTU2［V］，部分為OTU3［V］。OTM-n.m信號的物理光特征規(guī)格由廠商決定，建議不做規(guī)定。

光層信號OCh由OCh凈荷和OCh開銷構(gòu)成；OCh被調(diào)制入OCC后，多個OCC時分復用，構(gòu)成OCG-n.m單元；而OMSn凈荷則和OMSn開銷共同構(gòu)成OMU-n.m單元，與此類似，OTSn凈荷和OTSn開銷共同構(gòu)成OTM-n.m單元。這幾部分的光層單元的開銷和通用管理信息一起構(gòu)成了OTM開銷信號OOS全稱為OTM overhead signal，以非隨路開銷的形式由1路獨立的光監(jiān)控信道OSC負責傳送。而電層單元OPUk、ODUk、OTUk的開銷為隨路開銷，和凈荷一同傳送。

簡化功能OTM接口OTM-nr.m信號的組成，OTM-nr.m由最多n個光通道復用組成，不支持非隨路開銷。目前，支持的規(guī)格有OTM 16r.m，m可為1、2、3、12、23、123，其中OTM 16r.1和OTM 16r.2信號的物理光特征規(guī)格在ITU-T建議G.959.1中有定義，而另外4種信號的物理光特性規(guī)格則有待進一步研究。OTM-nr.m和OTM-n.m的電層信號結(jié)構(gòu)相同，光層信號方面則不支持非隨路開銷OOS，沒有光監(jiān)控信道，因此被稱為簡化功能OTM接口。

OTM-0.m僅由單個光信道組成，不支持隨路開銷OOS，沒有特定的波長配置。由于只包含單個光通道，因此m只能為1、2或3，OTM 0.1，OTM 0.2和OTM-0.3信號的物理光特征規(guī)格在ITU-T建議G.959.1和G.693中有定義。以上就是對3種OTM接口包含的基本信息的介紹，可以看出，幾種接口的電層信號結(jié)構(gòu)都是相同的，均通過隨路開銷完成對電層信號的監(jiān)控，區(qū)別在于完整功能OTM接口OTM-n.m的光層信號支持通過1路OSC傳送非隨路開銷，而簡化功能OTM接口OTM-nr.m和OTM-0.m不支持光層開銷。

OTUk幀的大小是固定的，即無論是OTU1、OTU2，還是OTU3，都是4行4080列。對于OTU1幀，第1到16列為OTU1、ODU1、OPU1開銷，第17到3824共3808列為客戶信號，第3825到4080共256列為FEC區(qū)域，假設(shè)其裝載的客戶信號是STM-16的SDH信號，其速率為2488320kbit/s，那么將這些數(shù)值代入以下公式：

客戶信號大小/OTU幀大?。娇蛻粜盘査俾?標稱OTU幀速率

得到：3808/4080＝2488320/標稱OTU1幀速率，也即：標稱OTU1幀速率＝255/238×2488320kbit/s。

而對于OTU2幀，4個ODU1時分復用進ODTUG2，4個ODU1作為OPU2凈荷，占3808列，OPU2凈荷中又有16列為OTU1、ODU1、OPU1開銷，因此客戶信號為3792列，代入公式得到：標稱OTU2幀速率＝255/237×9953280kbit/s。

類似的，可以得到標稱OTU3幀速率 ＝ 255/236×39813120kbit/s。

對OTU1/2/3幀速率進行歸納，可以得出以下結(jié)論：OTUk速率＝255/（239-k）×STM-N幀速率；其中k＝1、2、3時，對應(yīng)的是STM-16、64、256的幀速率。OTU比特速率容差為±20ppm。

OTUk、ODUk以及OPUk等的主要開銷分布大致為：（1）幀對齊開銷用于幀定位，由6個字節(jié)的幀對齊信號開銷FAS和1個字節(jié)的復幀對齊信號開銷MFAS構(gòu)成；（2）OTUk層開銷用于支持一個或多個光通道連接的傳送運行功能，由3個字節(jié)的段監(jiān)控開銷SM、2個字節(jié)的通用通信通道開銷GCC0以及2個字節(jié)的保留作國際標準化用途開銷RES構(gòu)成，在OTUk信號組裝和分解處被終結(jié)；（3）ODUk層開銷用于支持光通道的維護和運行，由3個字節(jié)的用于端到端ODUk通道監(jiān)控的開銷PM、3個字節(jié)的用于6級串行連接監(jiān)視開銷TCM1～TCM6、1個字節(jié)的TCM激活/去激活協(xié)調(diào)協(xié)議控制通道開銷TCMACT、1個字節(jié)的故障類型和故障位置上報通道開銷FTFL、2個字節(jié)的實驗通道字節(jié)EXP、各2個字節(jié)的通用通信通道開銷GCC1和GCC2、4個字節(jié)的自動保護倒換和保護通信控制通道開銷APS/PCC、6個字節(jié)的保留開銷構(gòu)成，ODUk開銷在ODUk組裝和分解處被終結(jié)，TC開銷在對應(yīng)的串行連接的源和宿處分別被加入和終結(jié)；（4）OPUk開銷用于支持客戶信號適配，由1個字節(jié)的凈荷結(jié)構(gòu)標識符開銷PSI、3個字節(jié)的調(diào)整控制開銷JC、1個字節(jié)的負調(diào)整機會字節(jié)開銷NJO、3個字節(jié)的保留開銷構(gòu)成，在OPUk組裝和分解處被終結(jié)。

WDM系統(tǒng)的發(fā)展不僅源于技術(shù)的推動，來自運營商角度的業(yè)務(wù)管理需求同樣引領(lǐng)著網(wǎng)絡(luò)向扁平化方向發(fā)展。基于新型調(diào)制技術(shù)的激光器將降低系統(tǒng)對OSNR、PMD方面的要求，基于拉曼和EDFA混合使用的放大器系統(tǒng)將使系統(tǒng)的傳輸跨段和距離得到提高，而OTN更從使用者的角度對業(yè)務(wù)提供了豐富的管理開銷，對不同的業(yè)務(wù)做到了統(tǒng)一適配和調(diào)度，將是后SDH時代與IP技術(shù)融合的最佳方案。

（作者單位：西安歐亞學院信息工程學院）