大型光纤网络DWDM.docx
《大型光纤网络DWDM.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大型光纤网络DWDM.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
大型光纤网络DWDM
DWDM基本原理
课程目标：
●掌握DWDM网络的意义及适用环境。
●掌握DWDM原理，实现DWDM的关键技术。
参考资料：
●《光波分复用系统》
●《现代通信基础与技术》
●《DWDM传输系统原理与测试》
目录
第1章DWDM概述4
1.1DWDM技术的产生背景4
1.1.1光网络复用技术的发展4
1.1.2PDH、SDH以及DWDM4
1.2DWDM技术概述7
1.2.1DWDM技术与其他复用技术的区别7
1.2.2DWDM与SDH的关系9
1.2.3工作波长范围11
1.3DWDM的特点和优势13
1.4DWDM的发展趋势14
第2章光纤传输概述16
2.1光纤的基本知识16
2.1.1光纤简介16
2.1.2光纤应用频率使用概况19
2.1.3常用单模光纤类型及特点19
2.2DWDM系统的工作波长20
2.2.1工作波长区说明20
2.2.2波长分配21
2.3光纤传输特性25
2.3.1光纤损耗25
2.3.2色散26
2.3.3光纤的非线性效应29
2.4新的光纤类型31
第一章DWDM概述
知识点
DWDM定义和产生背景
DWDM发展趋势
一.1DWDM技术的产生背景
在介绍DWDM技术之前，我们需要了解光网络的发展。
本节将从复用技术和传输技术两方面阐述DWDM技术的产生背景。
一.1.1光网络复用技术的发展
通信网络中，包括多种传输媒介，如双绞线、同轴线、光纤、无线传输。
其中，光纤传输的特点是传输容量大、质量好、损耗小、保密性好、中继距离长等。
随着信息时代宽带高速业务的不断发展，不但要求光传输系统向更大容量、更长距离发展，而且，要求其交互便捷。
因此，在光传输系统中引入了复用技术。
所谓复用技术是指利用光纤宽频带、大容量的特点，用一根光纤或光缆同时传输多路信号。
在多路信号传输系统中，信号的复用方式对系统的性能和造价起着重要作用。
光纤传输网的复用技术经历了空分复用（SDM）、时分复用（TDM）到波分复用（WDM）三个阶段的发展。
SDM技术设计简单、实用，但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数，投资效益较差；TDM技术的应用很广泛，如PDH、SDH、ATM、IP都是基于TDM的传输技术，缺点是线路利用率较低；WDM技术在1根光纤上承载多个波长（信道），使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段，多用于干线网络。
一.1.2PDH、SDH以及DWDM
传统的光纤传输技术，如准同步数字体系（PDH）、同步数字体系（SDH），采用“一纤一波”的方式，由于受器件自身特性的限制，其传输容量及扩容方式均无法满足通信网络飞速发展的要求。
同时，光纤的巨大带宽资源无法得到充分利用。
密集波分复用技术（DWDM）的出现，成为了光纤扩容最有效、最经济的手段。
DWDM技术以其独有的技术优势，成为能迅速、简单、经济、有效地扩展光纤传输容量的途径，可以充分满足目前网络宽带业务发展的需求，同时也为通向未来全光传输网奠定了良好的基石。
以下将简要介绍PDH、SDH到DWDM的发展过程，以及各种技术的接口规范。
1．PDH
早期的光传输系统采用准同步数字体系PDH，是在原有模拟电话网的基础上引入PCM（脉冲编码调制）数字传输技术发展起来的，采用比特填充和码位交织的方法将低速率等级的信号复合成高速信号。
PDH系统的基群信号采用同步时分复用方式，其他高次群的复用均采用准同步（或称异步）的时分复用方式。
PDH系统包括欧洲、北美和日本3个地区性的速率等级标准，如表1.11所示。
表1.11PDH码速率
国家、地区
一次群（基群）
二次群
三次群
四次群
欧洲、中国
2.048Mbit/s
30路
8.448Mbit/s
120路（30×4）
34.368Mbit/s
480路（120×4）
139.264Mbit/s
1920路（480×4）
北美
1.544Mbit/s
24路
6.312Mbit/s
96路（24×4）
44.736Mbit/s
672路（96×7）
274.176Mbit/s
4032路（672×6）
日本
1.544Mbit/s
24路
6.312Mbit/s
96路（24×4）
32.064Mbit/s
480路（96×5）
97.728Mbit/s
1440路（480×3）
从20世纪70年代初期至80年代，PDH系统和设备在数字网中获得大规模的推广应用。
但是随着光纤通信技术的发展，以及用户对通信业务需求的增加，PDH的弱点也越来越明显。
（1）3种速率标准互不兼容，不利于国际互通的发展。
（2）没有世界性的标准光接口规范。
各个厂家自行开发的专用光接口互不兼容，限制了联网的灵活性，增加网络的复杂性和运营成本。
（3）PDH是建立在点对点传输基础上的复用结构。
只支持点对点传输，无法满足复杂网络组网。
（4）运行、管理和维护必须依靠人工的数字信号交叉连接和停业务测试进行，无法满足现代通信网对监控和网管的需求。
（5）随着速率的增加，采用PDH技术实现高次群复用的难度明显增大，不能适应光纤数字通信大容量超高速率传输发展的需要。
2．SDH
20世纪80年代中期，由美国贝尔通信研究所提出了同步光网络（SONET）的概念。
1988年，原CCITT（ITU-T的前身）接受了SONET的概念，形成了世界统一的传输网技术标准，并重新命名为同步数字体系（SDH）。
SDH信号采用同步复用方式和灵活的复用映射结构。
各种不同等级的码流在帧结构净负荷内规律排列，净负荷与网络同步，只需借助相应软件，即可使高速信号一次直接分插出低速支路信号，也就是所谓的一步解复用特性。
SDH系统的速率规范如表1.12所示。
表1.12SDH信号等级
SDH等级（ITU-T）
OC等级（SONET）
线路速率（Mbit/s）
STM-1
OC-3
155.520
STM-4
OC-12
622.080
STM-16
OC-48
2488.320
STM-64
OC-192
9953.280
SDH规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型特性，提供了一个国际支持框架，在此基础上发展并建成了一种灵活、可靠、便于管理的世界电信传输网。
这种传输网易于扩展，适于新电信业务的开展，并且使不同厂家生产的设备互通成为可能。
但是，当传输速率超过10Gbit/s后，系统色散等不良影响将加重长距传输的难度，同时，SDH系统是基于单波长的时分复用系统，单波长传输无法充分利用光纤的巨大带宽，因此，在骨干网，引入了WDM技术，极大的扩大了光纤的传输容量。
3．DWDM
DWDM是WDM技术中的一种。
由于相邻波长间隔较小（1nm~10nm量级），因此，称为密集波分复用（DWDM）。
目前，实用的DWDM系统工作在1550nm窗口，以便利用EDFA放大器的增益频谱特性对复合光波长信号进行直接放大。
为满足系统之间的横向兼容性，光通路的中心波长必须符合G.692标准。
DWDM系统中，每个光通路可承载不同的客户信号，如SDH信号、PDH光信号、ATM信号等。
由于光纤通信以及组网技术在适应多业务需求和宽带化方面具有独特的优势，因此，高速的SDH系统和N×2.5Gbit/s、N×10Gbit/s的DWDM系统成为了核心网的主体和支柱。
一.2DWDM技术概述
DWDM是一种能在一根光纤上同时传送多个携带有信息（模拟或数字）的光载波，只需通过增加波长（信道）实现系统扩容的光纤通信技术。
它将几种不同波长的光信号组合（复用）起来传输，传输后将光纤中组合的光信号再分离开（解复用），送入不同的通信终端，即在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道。
一.2.1DWDM技术与其他复用技术的区别
本节主要对比光纤通信系统中几种常用的复用技术。
1．TDM
时分复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）是指，各路信号在同一条光纤上利用不同的时间间隔（即时隙）进行信号传输。
TDM的优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输。
缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，线路利用率较低。
同时，由于高速电子器件和激光器调制能力的限制，因此，很难实现容量超过40Gbit/s的系统。
TDM术的应用很广泛，如PDH、SDH、ATM、IP。
2．SDM
空分复用（SDM，SpaceDivisionMultiplexing）是指，利用空间分割构成不同的信道，实现光复用的技术。
例如，在光缆中，通过增加芯线数或使用更多光纤构成不同的信道。
SDM对各路基带信号分别进行光强度调制，每路信号用一根光纤传输，各路信号互不影响，传输性能最佳。
SDM技术设计简单、实用，但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数，投资效益较差。
3．SCM
微波副载波复用（SCM，Sub-CarrierMultiplexing）是指，将多个基带信号分别调制到不同频率的微波载频中，完成电的频分复用（FDM），再利用该比特流调制单个光载波进入光纤。
在接收端，先由光电检测器捡出电FDM群路信号，再使用微波技术对不同的微波载频进行解复用，恢复原基带信号。
该技术目前主要应用在接入网的CATV多频道传输系统中。
4．WDM
波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）是指，在1根光纤上承载多个波长（信道）系统，将1根光纤转换为多条“虚拟”纤，每条虚拟纤独立工作在不同波长上。
由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络最广泛使用的光波复用技术。
WDM通常有3种复用方式，即1310nm和1550nm波长的波分复用、粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）。
（1）1310nm和1550nm波长的波分复用
这种复用技术在20世纪70年代初时仅用两个波长：
1310nm窗口一个波长，1550nm窗口一个波长，利用WDM技术实现单纤双窗口传输，这是最初的波分复用的使用情况。
（2）密集波分复用（DWDM）
简单的说，DWDM技术是指相邻波长间隔较小的WDM技术，工作波长位于1550nm窗口。
可以在一个光纤上承载8~160个波长。
主要应用于长距离传输系统。
DWDM技术的详细介绍，请参见本手册其他章节。
（3）粗波分复用（CWDM）
CWDM技术是指相邻波长间隔较大的WDM技术，相邻信道的间距一般大于等于20nm，波长数目一般为4波或8波，最多16波。
CWDM使用1200nm~1700nm窗口。
CWDM采用非制冷激光器、无光放大器件，成本较DWDM低；缺点是容量小、传输距离短。
因此，CWDM技术适用于短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。
一.2.2DWDM与SDH的关系
1．DWDM与SDH在光网络传送层的关系
DWDM系统与SDH系统均属于传送网层，二者都是建立在光纤传输媒质上的传输手段，在传送网中的关系如图1.21所示。
图1.21DWDM、SDH在传送网中的关系
SDH系统是在电通道层上进行的复用、交叉连接和组网，而WDM系统是在光域上进行的复用、交叉和组网。
2．DWDM与SDH对承载信号的复用方式
SDH是基于单波长（一根光纤传输一个波长光路）的时分复用（TDM）系统，当传输速率超过10Gbit/s后，系统色散等不良影响将加重长距传输的难度。
DWDM技术在一根光纤中同时传输不同波长的多个光载波信号，充分利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容量。
3．DWDM可同时传输多种不同类型的信号
目前，DWDM系统的客户层信号多属SDH信号，但是由于DWDM系统中使用的各波长相互独立，与业务信号的格式无关，因此每个波长可以传输特性完全不同的光信号，实现多种信号的混和传输。
DWDM系统与一些常用业务的关系如图1.22所示。
图1.22DWDM与其他业务的关系
4．DWDM与SDH信号的光接口标准
SDH设备的光接口符合ITU-TG.957建议，该标准对工作中心波长没有特别规定。
在DWDM系统中，光接口必须满足ITU-TG.692建议。
该建议规定了每个光通路的参考频率、通路间隔、标称中心频率（即中心波长）、中心频率频率偏差等参数。
为此，DWDM系统提供开放式DWDM系统和集成式DWDM系统。
开放式系统：
WDM系统的发送侧提供有光波长转换器（OTU），使具有非标准波长的客户信号经过OTU转换为符合G.692的标准波长。
所谓“开放式”，是指DWDM系统对输入信号的工作波长没有特殊要求，如图1.22中经过“开放式接口”接入的信号；
集成式系统：
要求所有接入DWDM系统的客户信号都必须满足G.692标准，如图1.22中未经过“开放式接口”接入的信号。
5．DWDM与SDH的综合应用
通过DWDM与SDH的综合使用，可更有效的提高光纤网络的传输容量。
一.2.3工作波长范围
石英光纤有三个低损耗窗口：
860nm窗口、1310nm窗口和1550nm窗口，如图1.23所示。
O：
OriginalBand，原始波段E：
ExtendBand，扩展波段S：
ShortBand，短波段
C：
ConventionalBand，常规波段L：
LongBand，长波段
图1.23光纤通信中的低损窗口
1．860nm窗口
波长范围600nm~900nm。
主要用于多模光纤，传输损耗较大（平均损耗2dB/km）。
一般适用于短距的接入网环境，如光纤通道（FC）业务。
2．1310nm窗口
该波长区的可用波长下限主要受限于光纤截止波长和光纤衰减系数，上限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响。
工作范围为1260nm~1360nm，平均损耗0.3dB/km~0.4dB/km。
1310nm窗口可用于STM-N信号（N＝1、4、16）的局内、短距和长距通信，光源类型采用多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LED）。
由于目前尚无工作于1310nm窗口的宽带光放大器，所以不适用于DWDM系统。
3．1550nm窗口
该波长区的下限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响，而上限主要受限于红外吸收损耗和弯曲损耗的影响。
工作波长位于1460nm~1625nm，平均损耗0.19dB/km~0.25dB/km。
1550nm窗口的损耗最低，可用于SDH信号的短距和长距通信。
同时，由于目前常用的光放大器EDFA在该窗口具有良好的增益平坦度，因此，1550nm窗口也适用于DWDM系统。
1550nm窗口的工作波长分为3部分（S波段、C波段和L波段），波长范围如图1.24所示。
图1.241550nm窗口工作波长划分
（1）S波段（1460nm~1530nm）：
由于EDFA工作波长范围位于C波段或L波段，因此，目前DWDM系统中不使用S波段。
（2）C波段（1530nm~1565nm）：
常用于40波以下DWDM系统（频道间隔100GHz）、80波DWDM系统（频道间隔50GHz）以及SDH系统的工作波长区。
（3）L波段（1565nm~1625nm）：
80波以上DWDM系统的工作波长区。
此时，频道间隔为50GHz。
一.3DWDM的特点和优势
1．充分利用光纤的带宽资源，传输容量巨大
DWDM技术充分利用光纤的巨大带宽（约25THz）资源，扩展系统的传输容量。
2．超长的传输距离
利用掺铒光纤放大器（EDFA）等多种超长距传输技术，可以对DWDM系统中的各通路信号同时放大，实现系统的长距传输。
3．丰富的业务接入类型
DWDM系统中的各波长相互独立，可透明传输不同的业务，如SDH、GbE、ATM等信号，实现多种信号的混和传输。
4．节约光纤资源
DWDM系统将多个单信道波长复用后，在一根光纤中传输，极大的节约了光纤资源，降低线路建设成本。
5．平滑升级扩容
由于DWDM系统中的每个波长通道透明传输数据，不对通道数据进行任何处理，因此，扩容时，只需增加复用光波长通路数即可，方便易行。
6．充分利用成熟的TDM技术
目前，TDM方式的光传输技术，如SDH，已经十分成熟，通过WDM技术可以将传输容量呈几倍甚至几十倍的增加，扩容成本比TDM方式扩容低。
7．可组成全光网络
全光网络是未来光传送网的发展方向。
在全光网络中，通过WDM系统与网络节点中的光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）相连，直接对光波长信号及所带的各种业务进行光路的上下和交叉连接，组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性和高经济性的全光网络，适应未来信息化社会对宽带传送网的发展需要。
一.4DWDM的发展趋势
1．更高的通道速率
DWDM系统的通道速率由2.5Gbit/s发展到目前的10Gbit/s，基于40Gbit/s速率的系统已进入实验阶段，技术日渐成熟。
2．更多波长复用数量
早期DWDM系统多用于8/16/32个波长，通道间隔为100GHz，工作波长位于C波段。
随着技术的不断发展，DWDM系统的工作波长可覆盖C、L波段，间隔50GHz。
如中兴通讯的ZXWMM900设备，最高可提供160波的复用。
3．超长的全光传输距离
通过提高全光传输的距离，减少电再生点的数量，可降低建网的初始成本和运营成本。
传统的DWDM系统采用EDFA延长无电中继的传输距离，目前，通过分布式拉曼放大器、超强前向纠错技术（FEC）、色散管理技术、光均衡技术以及高效的调制格式等，可从目前的600km左右扩展到2000km以上。
4．从点到点WDM走向全光网络
普通的点到点DWDM系统，主要由光终端复用器（OTM）组成，尽管有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带宽，组网能力不灵活。
随着电交叉系统的不断发展，节点容量的不断扩大，点到点组网显然无法跟上网络传输链路容量的增长速度。
进一步扩容的希望转向光节点，即光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）。
通过OADM可构成链型、环型光网络。
OADM设备控制不同波长信道的光信号传至适当的位置，并可实现光层业务的保护和恢复。
OXC是下一代光通迅的路由交换机。
在全光网络中的主要功能包括：
提供以波长为基础的连接功能，光通路的波长分插功能，对波长通路进行疏导以实现对光纤基础设施的最大利用率，实现在波长、波长组和光纤级上的保护和恢复。
OXC设置于网络上重要的汇接点，汇集各方不同波长的输入，再将各路信号以适当的波长输出。
通过OADM和OXC可组建更为复杂的环型网络。
在下一代IPOverDWDM的电信／网络体系结构中，OXC将有望以光信号传送取代现有的电交换/路由的地位。
5．IPoverDWDM技术的发展
Internet骨干网的带宽增长迅猛，如果不采用DWDM技术，那么仅Internet的数据流量就可以占满整个单波光纤系统的容量（目前，商用化单波长光纤系统的最大传输速率为10Gbit/s）。
因此，IPoverDWDM将是未来网络通信的主要技术。
第二章光纤传输概述
知识点
光纤传输基本知识；
常用光纤类型和应用；
光纤的传输特性
二.1光纤的基本知识
二.1.1光纤简介
1．光纤的结构
光纤是一种导光性能极好、直径很细的圆柱形玻璃纤维，主要由纤芯、包层和涂覆层构成，基本结构如图2.11所示。
n1：
纤芯的折射率n2：
包层的折射率
图2.11光纤结构
（1）纤芯
主体材料为SiO2（石英），掺杂微量的掺杂剂，如二氧化锗（GeO2），用以提高纤芯的折射率（n1）。
纤芯的直径通常在5μm~50μm之间。
（2）包层
一般采用纯SiO2，外径为125μm。
包层的折射率（n2）低于纤芯的折射率（n1）。
（3）涂覆
涂覆层采用环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径约250μm。
通过增加涂覆，增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。
2．光纤的分类
（1）按照折射率的分布形状分类
光线在光纤中传递时，各条光线分别以一个合适的角度入射到纤芯与包层的交界面上。
由于纤芯的折射率（n1）大于包层的折射率（n2），因此，当光线的入射角度满足全反射条件时，即可使光线在分界面上不断反复进行全内反射，以“之”字形路径向前行进，使光能限制在纤芯中，形成传输波。
根据光纤截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型光纤。
折射率与光纤结构的关系，以及光线在光纤中的传输如图2.12所示。
a.阶跃型光纤b.渐变型光纤
图2.12阶跃型光纤和渐变型光纤对比
（2）按照光纤的材料分类
按照光纤的材料分类，除石英系光纤之外，还有多种成分的玻璃光纤、采用石英纤芯和塑料包层的石英塑料光纤、采用塑料纤芯和塑料包层的全塑料光纤等。
这些光纤的损耗比石英光纤大，通常只用于楼内、室内等短距离系统。
（3）按照传输模式分类
光线属于电磁波范畴。
因此，光线在光纤中传播时，不仅需要满足纤芯与包层的全反射条件，还需要满足电磁波在传输过程中的相干加强条件。
对于具体的光纤结构，只有一系列特定的电磁波才可以在光纤中有效传输。
这些特定的电磁波就称为光纤模式。
光纤中，可传导的模式数量由光纤的具体结构和折射率径向分布决定。
如果光纤中只支持一个传导模式（基模），则称该光纤为单模光纤，纤芯中只有一条光线传输；如果光纤支持多个传导模式，则称该光纤为多模光纤，纤芯中的每个光线均为一个传输模式，如图2.12所示的光纤既是两种典型的多模光纤。
单模光纤与多模光纤的区别如表2.11所示。
表2.11单模光纤和多模光纤对比
单模光纤
多模光纤
传输模式
只支持基模传输
支持多个传导模式
纤芯
较小（约5μm~10μm）
较大（约50μm）
色散影响
主要由光信号中不同频率成分的传输速度引起。
随着光信号光谱宽度的增大而增大
由于不同模式的传输速度不同，因此具有较大的模式色散，直接影响传输带宽和传输距离
类型
普通单模光纤（SMF）、色散位移光纤（DSF）、色散补偿光纤（DCF）等
普通多模光纤（MMF）
工作窗口
1310nm和1550nm
850nm和1310nm
应用场合
长距、大容量的光纤通信系统
短距、低速的光纤通信系统
二.1.2光纤应用频率使用概况
随着光纤制造工艺的改进，光纤传输损耗逐年降低，目前已存在5个低损耗窗口，各窗口的划分如图2.12所示。
O：
OriginalBand，原始波段E：
ExtendBand，扩展波段S：
ShortBand，短波段
C：
ConventionalBand，常规波段L：
LongBand，长波段
图2.12低损耗窗口划分
5个窗口的光信号的标记、波长范围、使用光纤类型和应用场合，如表2.11所示。
表2.12低损窗口特性比较
窗口
I
II
III
IV
V
标记（nm）
850
1310（O波段）
1550（C波段）
1600（L波段）
1360~1530
（E+S波段）
波长范围（nm）
600~900
1260~1360
1530~1565
1565~1625
1360~1530
光纤类型
多模光纤
多模光纤/G.652/G.653
G.652/G.653/G.655
G.652/G.653
升级会员 