3.2T DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用

烽火通信科技股份有限公司

【摘 要】本文主要分析了40Gbit/s DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，特別是分布式喇曼放大、精確色散管理和動(dòng)態(tài)PMD補(bǔ)償技術(shù)，簡單的闡述了烽火通信在領(lǐng)先的80×40Gbit/s DWDM平臺(tái)的研發(fā)以及工程實(shí)用情況。

【關(guān)鍵詞】DWDM、喇曼放大、色散、PMD、非線性效應(yīng)

隨著業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在大步前進(jìn)。正如我們看到的廣泛應(yīng)用的DWDM系統(tǒng)一樣，已經(jīng)開始由10Gbit/s速率向40Gbit/s 發(fā)展。而且隨著新業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)帶寬需求以及路由器40Gbit/s接口的的出現(xiàn)，人們已經(jīng)從當(dāng)初“該不該發(fā)展40Gbit/s DWDM技術(shù)”的疑惑中走出來，越來越多的設(shè)備供應(yīng)商以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商參與到高速率DWDM系統(tǒng)的研究和建設(shè)中來。

烽火通信一直致力于大容量DWDM系統(tǒng)的研究，目前已成功開發(fā)出了3.2T（80×40G） DWDM平臺(tái)，并在國內(nèi)首次成功實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。在3.2T中采用了多種關(guān)鍵性的技術(shù)，特別是分布式喇曼放大技術(shù)、40G OTU技術(shù)、精確色散管理技術(shù)、動(dòng)態(tài)PMD(偏振模色散，Polarization Mode Dispersion)補(bǔ)償技術(shù)等。

1 80×40Gbit/s DWDM關(guān)鍵技術(shù)

從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)來看，基于40Gbit/s的T比特波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)從功能模塊上可以分為合分波器、光放大器、光波長轉(zhuǎn)換器(OTU)、色散補(bǔ)償管理和偏振模色散管理模塊、光監(jiān)控通路、網(wǎng)元管理等部分。

圖-1 80x40Gb/s系統(tǒng)框圖

從上圖我們不難發(fā)現(xiàn)，為了解決單波道40G bit 的高速率傳輸，重點(diǎn)需要研究如下內(nèi)容：分布式喇曼放大技術(shù)、前向糾錯(cuò)技術(shù)（FEC/EFEC/SFEC）、40G OTU技術(shù)、傳輸碼型和調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、精確色散管理技術(shù)、動(dòng)態(tài)PMD(Polarization Mode Dispersion)補(bǔ)償技術(shù)。其中：40G OTU技術(shù)、傳輸碼型和調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、精確色散管理技術(shù)和動(dòng)態(tài)PMD補(bǔ)償技術(shù)是需要重點(diǎn)解決的技術(shù)難點(diǎn)。

1.1 分布式喇曼放大技術(shù)
40Gbit/s的系統(tǒng)中光放大技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。40Gb/s信號(hào)需要的接收機(jī)電帶寬是10Gb/s的四倍，所以要求的光信噪比(OSNR)至少要高6dB。提高系統(tǒng)的OSNR有兩種解決方案，一種是采用低噪聲的EDFA，另一種是采用EDFA與Raman相結(jié)合來降低系統(tǒng)的噪聲。采用分布式喇曼光纖放大器可以有效地提高傳輸后的OSNR，延長傳輸距離，降低發(fā)射端光功率，有利于降低非線性光效應(yīng)的影響。
在實(shí)際系統(tǒng)中，分布式喇曼放大器（DRA）通常結(jié)合EDFA使用，放在每個(gè)跨段的接收側(cè)，用來提高系統(tǒng)的光信噪比。典型的系統(tǒng)應(yīng)用如圖-3所示。

圖-2 分布喇曼放大器（DRA）在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.2 前向糾錯(cuò)技術(shù)
FEC (前向糾錯(cuò)，F(xiàn)orward error correction)技術(shù)的原理是在發(fā)射端編碼時(shí)加入檢驗(yàn)字節(jié)，根據(jù)比特相關(guān)性，在接收端通過對(duì)校驗(yàn)比特進(jìn)行一定的計(jì)算以糾正碼流中的錯(cuò)誤，從而達(dá)到改善系統(tǒng)誤碼性能的目的。FEC技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于不必增加大量的設(shè)備，就可以有效的改善系統(tǒng)的綜合傳輸性能，包括延長傳輸距離，降低發(fā)射機(jī)功率，改善接收機(jī)靈敏度，降低對(duì)線路光信噪比的要求。

目前，比較常用的FEC方式主要有以下三種：
1、標(biāo)準(zhǔn)FEC， ITU-TG.975、G.709已標(biāo)準(zhǔn)化，它的編碼增益達(dá)到5dB左右，速率提高7%；

2、增強(qiáng) FEC（Enhanced FEC），編碼增益達(dá)到8～9dB，但速率提高25%，達(dá)到12.5Gb/s，對(duì)器件要求比較嚴(yán)格，靈敏度也會(huì)有所劣化；

3、超強(qiáng)FEC（SFEC Super FEC或AFEC Addition FEC）。SFEC能夠?qū)崿F(xiàn)一種具有較小的組長與高的糾錯(cuò)能力碼。這種編碼方式在有突發(fā)誤碼發(fā)生時(shí)，可以將短周期內(nèi)的大突發(fā)誤碼擴(kuò)散到長周期內(nèi)的小誤碼，對(duì)因環(huán)境引起的傳輸損傷如PMD比較有效，速率仍為10.7Gb/s，但可以獲得和12.5Gb/s EFEC同樣高的編碼增益；

這三種FEC技術(shù)目前已廣泛地應(yīng)用于多通道、超長距離（ULH）的 DWDM系統(tǒng)中。
利用前項(xiàng)糾錯(cuò)技術(shù)可以改善系統(tǒng)的BER特性，但是從實(shí)質(zhì)上來看FEC技術(shù)是用電子電路的復(fù)雜性換取光信噪比（OSNR, Optical Signal Noise Ratio）預(yù)算的增加。因而如何選取前向糾錯(cuò)碼碼型需要綜合考慮系統(tǒng)性能BER提高和電路復(fù)雜性以及系統(tǒng)傳輸速率之間的關(guān)系。

圖-3 不同F(xiàn)EC編碼的凈增益比較

1.3 40G 波長轉(zhuǎn)換技術(shù)
目前市面40G OTU的技術(shù)是40G DWDM系統(tǒng)的重中之重，但由于器件的原因，40G OTU方案選擇非常麻煩，下面將簡單介紹40G OTU的兩種方案：
（1）具有40G客戶端接口的結(jié)構(gòu)

圖-4 具有40G客戶端接口的結(jié)構(gòu)
該方案即在線路側(cè)和系統(tǒng)側(cè)全部采用40G的光收發(fā)器，具有40G的客戶端接口。
（2）4×10G TMUX結(jié)構(gòu)

圖-5 TMUX結(jié)構(gòu)
該方案在線路側(cè)為40G光接口，而在系統(tǒng)側(cè)采用4路10G業(yè)務(wù)采用透明復(fù)用的方式形成40G信號(hào)。
方案1的好處是具有40G客戶端接口，但FEC芯片可能是瓶頸；方案2采用的是4×10G TMUX(Transparent Multiplexer)方式，充分利用10G技術(shù)及10G FEC/EFEC/SFEC技術(shù)，比較實(shí)用，缺點(diǎn)是無40G幀，不滿足ITU-TG.709標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 色散管理技術(shù)
在高比特率下（大于Gb/s），由于光傳輸系統(tǒng)的色散容限與系統(tǒng)傳輸?shù)淖畲蟊忍芈实钠椒匠煞幢?，所以40 Gbit/s系統(tǒng)比10 Gbit/s系統(tǒng)對(duì)脈沖展寬和失真的敏感要大很多。在基于10 Gb/s的DWDM傳輸系統(tǒng)中，能滿足要求的采用DCF補(bǔ)償模塊的方式，在40 Gb/sWDM傳輸系統(tǒng)中則由于色散容限只有大約60 ps/nm，而不能單純采用DCF進(jìn)行補(bǔ)償。烽火通信采用了固定色散補(bǔ)償模塊和可調(diào)色散補(bǔ)償模塊相結(jié)合的方式來對(duì)系統(tǒng)的色散進(jìn)行精確補(bǔ)償。
可調(diào)的色散補(bǔ)償器主要用于：

（1）精確補(bǔ)償因溫度變化而引起的色散的變化。例如：對(duì)于500 km的G.652單模光纖(SMF,Single Mode Fiber)，溫度變化25℃時(shí)，色散變化約30 ps/nm，相當(dāng)于約2km的色散量。

（2）DWDM系統(tǒng)中色散斜率。在傳統(tǒng)的色散補(bǔ)償中，由于色散補(bǔ)償光纖和傳輸用光纖的色散斜率失配，隨著傳輸距離的增加，各個(gè)通道的殘余色散差累積越來越大，如圖3-13，導(dǎo)致部分通道的色散代價(jià)增加。因此，對(duì)亞長距離和超常距離傳輸，有必要在接收端對(duì)部分通道進(jìn)行再補(bǔ)償。

通過單通道可調(diào)色散補(bǔ)償模塊，可以實(shí)現(xiàn)精確的動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償。模塊由溫度可調(diào)諧型啁啾布拉格光纖光柵在系統(tǒng)發(fā)送和接收兩端（即MUX之前和DEMUX之后同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償）實(shí)現(xiàn)，如圖-8所示。

圖-6 單通道可調(diào)色散補(bǔ)償模塊
單信道動(dòng)態(tài)可調(diào)諧色散補(bǔ)償模塊，主要針對(duì)DWDM系統(tǒng)的如下特點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生：
1、光通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)支撐器件的多樣化和可配置功能使得普通點(diǎn)到點(diǎn)波分復(fù)用通信系統(tǒng)擁有更靈活的節(jié)點(diǎn)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的組網(wǎng)；
2、城域網(wǎng)通過不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)備將具有不同傳輸物理特性的子網(wǎng)絡(luò)連接，特別是全光網(wǎng)中光交換器、光分插復(fù)用器等全光節(jié)點(diǎn)的引入，增加光網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的不確定性。而光信號(hào)色散、光脈沖展寬與信號(hào)的傳輸路徑是密切相關(guān)的，所以要求能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償。

1.5 PMD補(bǔ)償技術(shù)
PMD對(duì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為使系統(tǒng)產(chǎn)生碼間干擾(ISI)，縮短了無電中繼距離。在1dB代價(jià)10-5概率下40G系統(tǒng)所能容忍的PMD值為2.5ps，在3dB 代價(jià)10-5概率下40G系統(tǒng)所能容忍的PMD值也只有3.75ps。對(duì)于這么小的PMD容忍值，為了保證中繼距離與10G系統(tǒng)相當(dāng)，我們必須采取一定的補(bǔ)償措施。

考慮到光纖PMD是一種動(dòng)態(tài)效應(yīng)，不像色度色散是一個(gè)相對(duì)的穩(wěn)態(tài)值，需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)地補(bǔ)償,因此必須研究PMD對(duì)40Gbit/s光通信傳輸系統(tǒng)的影響，運(yùn)用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償40Gbit/s系統(tǒng)的自適應(yīng)PMD補(bǔ)償器，且補(bǔ)償量宜大于25ps。

PMD補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)如圖-9所示。系統(tǒng)由偏振模色散補(bǔ)償光部分、偏振模色散監(jiān)測(cè)和邏輯控制三部分來實(shí)現(xiàn)。主要原理是通過偏振模色散監(jiān)測(cè)模塊來監(jiān)測(cè)PMD，邏輯控制部分根據(jù)反饋的監(jiān)測(cè)結(jié)果來調(diào)節(jié)PMD色散補(bǔ)償光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)PMD的補(bǔ)償。PMD補(bǔ)償器中最困難的部分是反饋回路中的跟蹤軟件，軟件需要非常復(fù)雜的算法來找到最佳位置把PMD帶來的損失降到最小。而衡量偏振模色散器性能的指標(biāo)主要包括殘余代價(jià)，故障概率、響應(yīng)速度，對(duì)信號(hào)編碼方式、調(diào)制格式以及啁啾敏感程度。

圖-7 PMD補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖

2 工程設(shè)計(jì)實(shí)例
2.1 工程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2005年下半年，烽火通信開通了國內(nèi)第一個(gè)3.2T系統(tǒng)工程“上海到杭州80×40Gbit/s DWDM工程”，工程的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下。

圖-8 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
全程采用G.655光纜，光纜色度色散為5ps/nm.km，PMD 系數(shù)為0.036ps/ 。其中上海民生和杭州武林設(shè)置為OTM站，其它站點(diǎn)設(shè)置為OA站。
1）工程設(shè)計(jì)
本工程中，在上海民生和杭州武林之間建設(shè)80×40Gbit/s DWDM工程。烽火通信采用先進(jìn)的光網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，將網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)實(shí)際參數(shù)導(dǎo)入到仿真軟件當(dāng)中，幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)的色散、衰減、信噪比和非線性進(jìn)行了科學(xué)的模擬，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。
在該項(xiàng)目中，烽火通信對(duì)80×40G DWDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和工程組網(wǎng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，在前向糾錯(cuò)FEC、40G精確色散管理、可擴(kuò)展到80×40G DWDM的設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用、現(xiàn)場測(cè)試方法等方面提出創(chuàng)新解決方案。該項(xiàng)目成功開通后，不僅使烽火通信全面掌握了40G DWDM長距離光傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)，積累了一定的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，更為重要的是為我國未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)，為以后更多大規(guī)模的并發(fā)流媒體和交互式多媒體等新型業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了優(yōu)秀的承載平臺(tái)，引領(lǐng)了光通信技術(shù)發(fā)展潮流。在國家科技部組織的驗(yàn)收后，湖北科學(xué)技術(shù)廳隨后對(duì)這一科技成果也進(jìn)行了鑒定，并認(rèn)為：該項(xiàng)成果填補(bǔ)了國內(nèi)空白，整體達(dá)到國際先進(jìn)水平，實(shí)際應(yīng)用處于國際領(lǐng)先。

3 結(jié)論
�� 當(dāng)然，80×40G DWDM傳輸系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，還有一段漫長的路要走。但可以預(yù)見的是，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的呈指數(shù)級(jí)增長時(shí)，隨著3G新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成本的下降，超大容量、超高速的80×40Gb/s DWDM系統(tǒng)也必將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。
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