密集波分系統(tǒng)規(guī)劃中的部分問(wèn)題

摘要　波分系統(tǒng)在工程中的規(guī)劃相對(duì)于SDH復(fù)雜，本文簡(jiǎn)單介紹了設(shè)計(jì)密集波分復(fù)用系統(tǒng)時(shí)需要考慮的一些主要問(wèn)題，其中詳細(xì)描述關(guān)于中繼距離的測(cè)算和再生段的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞　密集波分系統(tǒng)　光功率　光信噪比

1、引言

在開(kāi)始設(shè)計(jì)DWDM系統(tǒng)前，需要對(duì)所達(dá)到的目標(biāo)和系統(tǒng)的整體情況有所了解。波分系統(tǒng)所覆蓋的地理范圍，路由穿越的地理環(huán)境、地貌，系統(tǒng)當(dāng)前的容量需求和未來(lái)的擴(kuò)容需求，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，是否有超長(zhǎng)跨段，以及目前廠家波分設(shè)備和技術(shù)的成熟度等。

在規(guī)劃和設(shè)計(jì)波分系統(tǒng)時(shí)考慮的主要問(wèn)題是路由的選擇、局站的設(shè)置、光纖類(lèi)型和波長(zhǎng)選用、設(shè)備的性能、最大中繼距離和再生段／光放段的計(jì)算。

2、波分路由的選取

波分系統(tǒng)路由的選擇部分是基于光纜線(xiàn)路的考慮，應(yīng)以工程設(shè)計(jì)和傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為依據(jù)，對(duì)于所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，首先要在源終端站和宿終端站之間選擇最合理的路由，如易于建站、地形單一、地質(zhì)穩(wěn)固平坦。路由一般以直、距離短為選取原則。同時(shí)在復(fù)雜的線(xiàn)路資源情況下，要考慮骨干的省際路由和省內(nèi)二干路由的相互利用問(wèn)題，使得同方向的不同級(jí)別路由可以互為備用，從而達(dá)到較高的線(xiàn)路利用效率和覆蓋面積，同時(shí)也可以增強(qiáng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全性。

3、站型的設(shè)置

密集波分項(xiàng)目中的傳輸站型有終端站、光放站、轉(zhuǎn)接站、再生站和分路站5種。其中項(xiàng)目工程中，按物理結(jié)構(gòu)劃分，業(yè)務(wù)源點(diǎn)、業(yè)務(wù)宿點(diǎn)為終端站，終端站進(jìn)行各波道的合波、分波，直接承載SDH業(yè)務(wù)層；波分復(fù)用終端站之間用于對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大的站型為光放站；連接上、下游雙向的波分復(fù)用終端設(shè)備，部分或是全部光波道通過(guò)SDH終端復(fù)用設(shè)備（TM）背靠背連接，其余光波道是通過(guò)光中繼器或具有再生功能的光轉(zhuǎn)換器（0T）連接的為轉(zhuǎn)接站；兩個(gè)方向的波分復(fù)用終端設(shè)備的光通道是通過(guò)光中繼器或具有再生功能的光轉(zhuǎn)換器（0T）連接，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行3R再生的中間節(jié)點(diǎn)，為再生站；波分網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)，是通過(guò)光分插復(fù)用（OADM）設(shè)備來(lái)上下光通路，為分路站，在物理拓樸為環(huán)形的結(jié)構(gòu)中常采用分路站型。

傳輸站應(yīng)根據(jù)工程立項(xiàng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、波道組織以及傳輸要求的合理配置；同時(shí)，參考維護(hù)體制及維護(hù)條件合理選擇傳輸站址并設(shè)定站型。

除終端站和再生站外，其余各站型的規(guī)劃既要考慮上、下話(huà)路的需要，又要考慮對(duì)信號(hào)放大、再生的需要。由于光纖的衰減和色散使傳輸距離受限，需要在適當(dāng)?shù)木嚯x上設(shè)置光放設(shè)備對(duì)已經(jīng)衰減和變形的信號(hào)進(jìn)行整形，將部分衰減的信號(hào)進(jìn)行判決、再生，從而延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離。目前，在1550nm窗口運(yùn)行的系統(tǒng)，已廣泛引入了摻鉺光纖放大器（EDFA），但對(duì)高速率、長(zhǎng)距離波分傳輸系統(tǒng)，使用級(jí)聯(lián)EDFA時(shí)，需考慮對(duì)色散的補(bǔ)償和對(duì)放大的自發(fā)輻射（ASE）噪聲的抑制。

4、對(duì)設(shè)備的審核

由于WDM設(shè)備是組成波分系統(tǒng)的主要元素，選擇性能良好、可靠性高的設(shè)備是波分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要保障。

對(duì)于設(shè)備性能的考察首先要滿(mǎn)足ITU-T相關(guān)技術(shù)規(guī)范，其次，WDM設(shè)備的詳細(xì)技術(shù)性能、功能和指標(biāo)、工作原理、功耗、機(jī)架結(jié)構(gòu)（容量、尺寸和重量），機(jī)框構(gòu)成和組架方案等均應(yīng)滿(mǎn)足實(shí)際工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要。

設(shè)備性能方面激光器、光檢測(cè)器、光纖放大器、分波器、合波器和時(shí)鐘等主要元器件和模塊的類(lèi)型及其技術(shù)指標(biāo)也應(yīng)達(dá)到相應(yīng)要求。

最后設(shè)備的可靠性，包括MTBF或故障率（Fit）數(shù)據(jù)及其計(jì)算依據(jù)及驗(yàn)證方法，也應(yīng)逐一審核，此外，WDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命不應(yīng)低于20年。

5、系統(tǒng)最大中繼距離的計(jì)算

在波分復(fù)用系統(tǒng)中，最大中繼傳輸距離L，由以下5種因素決定：

（1）光發(fā)送設(shè)備S點(diǎn)單信道穩(wěn)態(tài)時(shí)最大允許輸出功率Pout（dBm）；

（2）光接收設(shè)備R點(diǎn)最小允許輸入功率Pin（dBm）；

（3）光纖損耗a（dB/km）：包括設(shè)計(jì)段落中光纖接頭的總損耗、光纖的總損耗以及損耗冗余度；

（4）光纖色散（ps/nm·km）：采用EDFA放大后，由于衰減限制無(wú)中繼長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯?wèn)題雖已解決，但隨著距離的增加，總色散也隨之增加，原系統(tǒng)逐漸變成了色散受限系統(tǒng)；

（5）光信噪比（OSNR）：由于光放大器的級(jí)聯(lián)使光放大的自發(fā)輻射噪聲產(chǎn)生累積，導(dǎo)致光信噪比（OSNR）降低，OSNR降低到一定程度后將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的接收靈敏度。這種情況常發(fā)生在系統(tǒng)已運(yùn)行了一段時(shí)間，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來(lái)提高OSNR值。

以上5種因素中，前兩種與廠家的設(shè)備性能有關(guān)，由具體器件及系統(tǒng)決定，屬于波分系統(tǒng)的固有特性。后3種因素隨著系統(tǒng)投入運(yùn)行，光纖損耗值、色散值和光信噪比都會(huì)逐漸產(chǎn)生變化。

5.1　功率測(cè)算

在WDM系統(tǒng)規(guī)劃中，一般只對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)中相鄰的兩個(gè)設(shè)備做功率測(cè)算，而不對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一的功率測(cè)算。傳輸網(wǎng)絡(luò)中相鄰的兩個(gè)設(shè)備間的距離產(chǎn)生的衰耗稱(chēng)作中繼距離衰耗。

圖1　功率預(yù)算示意圖

如圖1所示，A站點(diǎn)發(fā)送參考點(diǎn)為S，B站點(diǎn)接收參考點(diǎn)為R，S點(diǎn)與R點(diǎn)間傳輸距離為L(zhǎng)，則：

L=（Pout-Pin）/a　�。�1）

其中Pout為S點(diǎn)單信道的最大允許輸出功率（dBm），S點(diǎn)的發(fā)送光功率與A站點(diǎn)的配置有關(guān)；Pin為R點(diǎn)的單信道最小允許輸入功率（dBm），R點(diǎn)的接收光功率與B站點(diǎn)的配置有關(guān)。

以華為波分系統(tǒng)OptiXTM BWS 320G為例，A、B兩站點(diǎn)配置的32波設(shè)備不同，Pout、Pin的值也不相同。具體如表1所示。

表1　W32對(duì)應(yīng)不同規(guī)格中繼距離（衰耗）的配置

再生段規(guī)格 發(fā)送端（A站點(diǎn)）接收端（B站點(diǎn)）
最大發(fā)送光功率    板類(lèi)型     最小接收光功率    板類(lèi)型           最大中繼段衰耗             
8×22dB          +5dBm      WBA               -18dBm         WBA或D16 22dB          
5×30dB          +5dBm      WBA               -25dBm         WPA 30dB                   
3×33dB          +5dBm      WBA               -28dBm         WPA 33dB                   

a為光纜每公里平均衰耗（dB/km），一般工程設(shè)計(jì)取0.275dB/km，此平均衰耗值已包含光接頭、富裕度等各種因素的影響。實(shí)際工程配置時(shí)，一般先有工程勘測(cè)報(bào)告，勘測(cè)出光纜的實(shí)際衰耗系數(shù)，根據(jù)實(shí)際衰耗再做工程的功率測(cè)算。

具體配置時(shí)，根據(jù)如下原則來(lái)進(jìn)行：先將各種實(shí)際的中繼距離的衰耗規(guī)范到幾種規(guī)格中繼距離衰耗上去。

假設(shè)系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)可以采用5種規(guī)格的中繼距離衰耗值，即：22dB、30dB、33dB、37dB、40dB，如圖2所示。 

圖2　規(guī)格中繼距離劃分示意圖

（1）中繼距離22dB，當(dāng)實(shí)際的中繼段落衰耗不大于22dB時(shí)，按22dB配置，但分為兩種情況處理。第一，該中繼段兩端都為OLA站時(shí)，發(fā)送端配WBA，接收端配WBA；第二，該中繼段有一端為OTM站時(shí)，如該中繼段實(shí)際衰耗不大于18dB時(shí)，OTM端的接收端不配置WPA，OLA端的接收端配WBA；如該中繼段實(shí)際衰耗大于18dB時(shí)，OTM端的接收端配WPA。

（2）中繼距離30dB，當(dāng)實(shí)際的中繼段衰耗大于22dB而不大于30dB時(shí)，按30dB配置，發(fā)送端選配WBA、接收端則配置WPA。

（3）中繼距離33dB，當(dāng)實(shí)際的中繼段衰耗大于30dB而不大于33dB時(shí)，按33dB配置，這時(shí)發(fā)送端配WBA，接收端配置WPA。

5.2　色散測(cè)算

如果光纖的損耗很小，而系統(tǒng)所傳輸碼速很高時(shí)，中繼距離可能受限于光纖的色散，因此，色散的測(cè)算是針對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)考慮的，而不是針對(duì)相鄰兩站點(diǎn)間的中繼距離來(lái)考慮的。如圖3所示。

圖3　色散預(yù)算的考慮

即再生距離由發(fā)、收之間的光通道的總色散決定，這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為色散限制系統(tǒng)。由于色散所造成的脈沖展寬，不僅會(huì)使接收機(jī)靈敏度降低，而且會(huì)使均衡困難，乃至誤碼嚴(yán)重，以至影響中繼距離；對(duì)于色散受限系統(tǒng)，可達(dá)到的最大再生距離可用下式估算（最壞值法）。

Lmax=DSR/Dm　　（2）

式中Lmax為最大再生距離；DSR為S點(diǎn)和R點(diǎn)之間允許的最大色散值，可以從相關(guān)規(guī)范中查找各速率等級(jí)通道的DSR值（單位為ps/nm）；Dm為工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大的光纖色散，單位為ps/nm·km。

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)上下情況將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)再生段，再將各個(gè)再生段距離規(guī)范到對(duì)應(yīng)的色散容限再生段距離上。根據(jù)各種規(guī)格再生段距離配置不同的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換單元。

5.3　OSNR的測(cè)算

摻鉺光纖放大器（EDFA）的應(yīng)用引入ASE噪聲，使信號(hào)質(zhì)量下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)接收靈敏度降低。光放大器的級(jí)聯(lián)導(dǎo)致多個(gè)光放大器的ASE噪聲在接收端累積起來(lái)，最終共同影響OSNR。放大器級(jí)聯(lián)后在接收端得到的ASE噪聲的大小與所級(jí)聯(lián)的每一個(gè)放大器的增益和各個(gè)中繼段的規(guī)格中繼距離衰耗有關(guān)。在總長(zhǎng)度相同的情況下，多個(gè)小增益的中繼段級(jí)聯(lián)后的OSNR比少個(gè)高增益的中繼段級(jí)聯(lián)后的OSNR要好。因此，對(duì)再生段進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到各種級(jí)聯(lián)方式的優(yōu)劣。

對(duì)于中繼段衰耗等于放大器增益的再生段，一般可以參照以下幾種級(jí)聯(lián)模型來(lái)計(jì)算：8×22dB，5×30dB，3×33dB。

級(jí)聯(lián)的中繼段段數(shù)不大于8個(gè)，每個(gè)中繼段的規(guī)格中繼距離衰耗都為22dB。

級(jí)聯(lián)的中繼段段數(shù)不大于5個(gè)，每個(gè)中繼段的規(guī)格中繼距離衰耗都為30dB。

級(jí)聯(lián)的中繼段段數(shù)不大于3個(gè)，每個(gè)中繼段的規(guī)格中繼距離衰耗都為33dB。

以上幾種情況，接收端最后的信噪比可按如下公式計(jì)算：

OSNRN=Pout-L-Nf-10logN=58.03dBm　　（3）

其中OSNRN為第1～N段中繼段級(jí)聯(lián)后的光信噪比（dB）；Pout為單波長(zhǎng)信號(hào)的輸出功率（dB）；L為中繼段衰耗（dB）；Nf是光放大器的噪聲系數(shù)（dB）；N為光中繼段的個(gè)數(shù)。

由此計(jì)算得到的信噪比應(yīng)滿(mǎn)足表2要求。

表2　信噪比計(jì)算法

放大器級(jí)聯(lián)類(lèi)型                          最小光信噪比（dB）

32波8×22dB系統(tǒng) （8×80km）  22

32波5×30dB系統(tǒng)（5×100km）  21

32波3×33dB系統(tǒng)（3×120km）  20

6、光纜線(xiàn)路冗余度

（1）在投入運(yùn)營(yíng)后，若光纜線(xiàn)路的部分參數(shù)發(fā)生變化，如附加的光纖接頭增加、光纜長(zhǎng)度距離的增加等，在規(guī)劃時(shí)一般省際長(zhǎng)途干線(xiàn)按0.05～0.1dB/km考慮。

（2）由于環(huán)境因素造成的光纜性能變化，例如低溫引起的光纜衰減的增加，直埋方式可按0.05dB/km考慮，架空方式隨具體環(huán)境和光纜設(shè)計(jì)而異。

（3）S-R點(diǎn)之間光纜線(xiàn)路所包含的活動(dòng)連接器和其他無(wú)源光器件的性能惡化。

ITU-T并沒(méi)有對(duì)光纜冗余進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，各國(guó)電信部門(mén)可根據(jù)所用的光纜性質(zhì)、環(huán)境情況和經(jīng)驗(yàn)自行確定。對(duì)我國(guó)長(zhǎng)途傳輸，Mc可選用0.05～0.1dB/km，對(duì)于市內(nèi)局間中繼和接入網(wǎng)則常用0.1～0.2dB/km，或以3～5dB范圍內(nèi)的固定值給出。

7、DWDM光纖數(shù)字傳輸工程的再生段/光放段計(jì)算

在工程的實(shí)際應(yīng)用中，各種情況不一，有的光放段段落長(zhǎng)度比較均勻，有的光放段長(zhǎng)度不會(huì)很固定且不均勻，同時(shí)可能在局部中繼段落略微超長(zhǎng)，或光復(fù)用段中的光放段數(shù)量也稍有增加，因此在工程設(shè)計(jì)中，DWDM光纖數(shù)字傳輸工程的再生段／光放段計(jì)算，可按以下步驟進(jìn)行。

7.1　規(guī)則設(shè)計(jì)法

即利用色散受限式及保證系統(tǒng)信噪比的衰耗受限式，分別計(jì)算和比較這兩種結(jié)果后，取其較小值。此方法適用段落比較均勻的情況。公式如下。

L=Ds/D　�。�4）

式中L為色散受限的再生段長(zhǎng)度（km）；Ds為端到端的系統(tǒng)總色散值，從MPI-S到MPI-R之間的光通道允許的最大色散值（ps/nm）；D為光纖色散系數(shù)（ps/nm·km）。

　�。�5）

∑為i，i=1～N段的累加；式中L為滿(mǎn)足信噪比的衰減受限的再生段長(zhǎng)度（km）；n為DWDM系統(tǒng)應(yīng)用的應(yīng)用代碼所限制的光放段數(shù)量；Aspan為最大光放段衰耗，其值應(yīng)小于或等于DWDM系統(tǒng)采用的應(yīng)用代碼所限制的段落衰耗（dB）；∑Ac為MPI-S點(diǎn)至R′點(diǎn)、S′至R′點(diǎn)或S′至MPI-R間所有連接器衰耗之和（dB）；Af為光纖衰減常數(shù)（dB/km）；Amc為光線(xiàn)路維護(hù)每公里設(shè)計(jì)余量（dB/km）。

7.2　簡(jiǎn)易的信噪比計(jì)算法

當(dāng)規(guī)則設(shè)計(jì)法不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求時(shí)，可采用上述色散受限式及簡(jiǎn)易的信噪比計(jì)算式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即利用保證色散受限和系統(tǒng)的信噪比來(lái)確定再生段／光放段的長(zhǎng)度。此方法適用光放段衰耗差別不太大的情況。

OSNRN=58+Pout/M-Nf-Aspan-10logN　�。�6）

式中OSNRN為N個(gè)光放段后的每通路光信噪比（dB）；M為光通道數(shù)量；Pout/M為每通道的平均輸出功率（dB）；Nf為EDFA噪聲系數(shù)；Aspan為最大光放段損耗（dB）。

在光信噪比（OSNR）的計(jì)算中，一般取光濾波器帶寬0.1nm，在每個(gè)光放段R′點(diǎn)及MPI-R點(diǎn)的各個(gè)通路的OSNR大于22dB的情況下，由光放段損耗來(lái)決定光放段的長(zhǎng)度，也可確定通過(guò)若干個(gè)OA級(jí)聯(lián)的再生段長(zhǎng)度。

在上述兩種均不能滿(mǎn)足系統(tǒng)OSNR的情況下，要采用專(zhuān)用系統(tǒng)計(jì)算工具計(jì)算來(lái)確定。所確定的再生段長(zhǎng)度及光放段長(zhǎng)度，應(yīng)為充分考慮系統(tǒng)未來(lái)的升級(jí)擴(kuò)容需求。

8、光纖類(lèi)型及波長(zhǎng)選用

目前，在直埋光纜所用的單模光纖為G.652、G.653和G.655光纖。G.652光纖可以應(yīng)用在1310nm和1550nm兩個(gè)波長(zhǎng)上，在1310m窗口的波長(zhǎng)特性最佳，但在1550nm窗口的色散系數(shù)較大，在傳送速率達(dá)到STM-64時(shí)，需要采取色散調(diào)節(jié)手段，其成本較高。G.653光纖為色散位移光纖，在1550m窗口的波長(zhǎng)特性最佳，適用于開(kāi)通長(zhǎng)距離單通道的STM-64以上速率的SDH系統(tǒng)，但因1550nm工作波長(zhǎng)零色散的非線(xiàn)性影響，將產(chǎn)生四波混頻的效應(yīng)，僅適用于開(kāi)通非均勻的DWDM系統(tǒng)。G.655光纖為非零色散位移光纖，它在1550nm的波長(zhǎng)區(qū)因保持最小的色散系統(tǒng)，可以有效避免四波混頻的影響，既能很好地傳送高速率的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)，又能開(kāi)通均勻的DWDM系統(tǒng)。因此G.652，G.655光纖比較適用于開(kāi)通DWDM系統(tǒng)。