3.2T DWDM系统的关键技术及工程应用

烽火通信科技股份有限公司

【摘 要】本文主要分析了40Gbit/s DWDM系统的关键技术，特别是分布式喇曼放大、精确色散管理和动态PMD补偿技术，简单的阐述了烽火通信在领先的80×40Gbit/s DWDM平台的研发以及工程实用情况。

【关键词】DWDM、喇曼放大、色散、PMD、非线性效应

随着业务的迅速发展，光网络技术正在大步前进。正如我们看到的广泛应用的DWDM系统一样，已经开始由10Gbit/s速率向40Gbit/s 发展。而且随着新业务的驱动，特别是数据业务对带宽需求以及路由器40Gbit/s接口的的出现，人们已经从当初"该不该发展40Gbit/s DWDM技术"的疑惑中走出来，越来越多的设备供应商以及网络运营商参与到高速率DWDM系统的研究和建设中来。

烽火通信一直致力于大容量DWDM系统的研究，目前已成功开发出了3.2T（80×40G） DWDM平台，并在国内首次成功实现了工程应用。在3.2T中采用了多种关键性的技术，特别是分布式喇曼放大技术、40G OTU技术、精确色散管理技术、动态PMD(偏振模色散，Polarization Mode Dispersion)补偿技术等。

1 80×40Gbit/s DWDM关键技术

从系统组成结构来看，基于40Gbit/s的T比特波分复用传输系统从功能模块上可以分为合分波器、光放大器、光波长转换器(OTU)、色散补偿管理和偏振模色散管理模块、光监控通路、网元管理等部分。

图-1 80x40Gb/s系统框图

从上图我们不难发现，为了解决单波道40G bit 的高速率传输，重点需要研究如下内容：分布式喇曼放大技术、前向纠错技术（FEC/EFEC/SFEC）、40G OTU技术、传输码型和调制/解调技术、精确色散管理技术、动态PMD(Polarization Mode Dispersion)补偿技术。其中：40G OTU技术、传输码型和调制/解调技术、精确色散管理技术和动态PMD补偿技术是需要重点解决的技术难点。

1.1 分布式喇曼放大技术
40Gbit/s的系统中光放大技术的实现是实现系统的关键技术之一。40Gb/s信号需要的接收机电带宽是10Gb/s的四倍，所以要求的光信噪比(OSNR)至少要高6dB。提高系统的OSNR有两种解决方案，一种是采用低噪声的EDFA，另一种是采用EDFA与Raman相结合来降低系统的噪声。采用分布式喇曼光纤放大器可以有效地提高传输后的OSNR，延长传输距离，降低发射端光功率，有利于降低非线性光效应的影响。
在实际系统中，分布式喇曼放大器（DRA）通常结合EDFA使用，放在每个跨段的接收侧，用来提高系统的光信噪比。典型的系统应用如图-3所示。

图-2 分布喇曼放大器（DRA）在实际系统中的应用

1.2 前向纠错技术
FEC (前向纠错，Forward error correction)技术的原理是在发射端编码时加入检验字节，根据比特相关性，在接收端通过对校验比特进行一定的计算以纠正码流中的错误，从而达到改善系统误码性能的目的。FEC技术的最大优点在于不必增加大量的设备，就可以有效的改善系统的综合传输性能，包括延长传输距离，降低发射机功率，改善接收机灵敏度，降低对线路光信噪比的要求。

目前，比较常用的FEC方式主要有以下三种：
1、标准FEC， ITU-TG.975、G.709已标准化，它的编码增益达到5dB左右，速率提高7%；

2、增强 FEC（Enhanced FEC），编码增益达到8～9dB，但速率提高25%，达到12.5Gb/s，对器件要求比较严格，灵敏度也会有所劣化；

3、超强FEC（SFEC Super FEC或AFEC Addition FEC）。SFEC能够实现一种具有较小的组长与高的纠错能力码。这种编码方式在有突发误码发生时，可以将短周期内的大突发误码扩散到长周期内的小误码，对因环境引起的传输损伤如PMD比较有效，速率仍为10.7Gb/s，但可以获得和12.5Gb/s EFEC同样高的编码增益；

这三种FEC技术目前已广泛地应用于多通道、超长距离（ULH）的 DWDM系统中。
利用前项纠错技术可以改善系统的BER特性，但是从实质上来看FEC技术是用电子电路的复杂性换取光信噪比（OSNR, Optical Signal Noise Ratio）预算的增加。因而如何选取前向纠错码码型需要综合考虑系统性能BER提高和电路复杂性以及系统传输速率之间的关系。

图-3 不同FEC编码的净增益比较

1.3 40G 波长转换技术
目前市面40G OTU的技术是40G DWDM系统的重中之重，但由于器件的原因，40G OTU方案选择非常麻烦，下面将简单介绍40G OTU的两种方案：
（1）具有40G客户端接口的结构

图-4 具有40G客户端接口的结构
该方案即在线路侧和系统侧全部采用40G的光收发器，具有40G的客户端接口。
（2）4×10G TMUX结构

图-5 TMUX结构
该方案在线路侧为40G光接口，而在系统侧采用4路10G业务采用透明复用的方式形成40G信号。
方案1的好处是具有40G客户端接口，但FEC芯片可能是瓶颈；方案2采用的是4×10G TMUX(Transparent Multiplexer)方式，充分利用10G技术及10G FEC/EFEC/SFEC技术，比较实用，缺点是无40G帧，不满足ITU-TG.709标准。

1.4 色散管理技术
在高比特率下（大于Gb/s），由于光传输系统的色散容限与系统传输的最大比特率的平方成反比 ，所以40 Gbit/s系统比10 Gbit/s系统对脉冲展宽和失真的敏感要大很多。在基于10 Gb/s的DWDM传输系统中，能满足要求的采用DCF补偿模块的方式，在40 Gb/sWDM传输系统中则由于色散容限只有大约60 ps/nm，而不能单纯采用DCF进行补偿。烽火通信采用了固定色散补偿模块和可调色散补偿模块相结合的方式来对系统的色散进行精确补偿。
可调的色散补偿器主要用于：

（1）精确补偿因温度变化而引起的色散的变化。例如：对于500 km的G.652单模光纤(SMF,Single Mode Fiber)，温度变化25℃时，色散变化约30 ps/nm，相当于约2km的色散量。

（2）DWDM系统中色散斜率。在传统的色散补偿中，由于色散补偿光纤和传输用光纤的色散斜率失配，随着传输距离的增加，各个通道的残余色散差累积越来越大，如图3-13，导致部分通道的色散代价增加。因此，对亚长距离和超常距离传输，有必要在接收端对部分通道进行再补偿。

通过单通道可调色散补偿模块，可以实现精确的动态色散补偿。模块由温度可调谐型啁啾布拉格光纤光栅在系统发送和接收两端（即MUX之前和DEMUX之后同时进行补偿）实现，如图-8所示。

图-6 单通道可调色散补偿模块
单信道动态可调谐色散补偿模块，主要针对DWDM系统的如下特点应运而生：
1、光通信网络相关支撑器件的多样化和可配置功能使得普通点到点波分复用通信系统拥有更灵活的节点设置，实现更复杂的组网；
2、城域网通过不同的节点设备将具有不同传输物理特性的子网络连接，特别是全光网中光交换器、光分插复用器等全光节点的引入，增加光网络传输路径的不确定性。而光信号色散、光脉冲展宽与信号的传输路径是密切相关的，所以要求能够进行动态色散补偿。

1.5 PMD补偿技术
PMD对系统的影响主要表现为使系统产生码间干扰(ISI)，缩短了无电中继距离。在1dB代价10-5概率下40G系统所能容忍的PMD值为2.5ps，在3dB 代价10-5概率下40G系统所能容忍的PMD值也只有3.75ps。对于这么小的PMD容忍值，为了保证中继距离与10G系统相当，我们必须采取一定的补偿措施。

考虑到光纤PMD是一种动态效应，不像色度色散是一个相对的稳态值，需要动态实时地补偿,因此必须研究PMD对40Gbit/s光通信传输系统的影响，运用自动跟踪补偿40Gbit/s系统的自适应PMD补偿器，且补偿量宜大于25ps。

PMD补偿器结构如图-9所示。系统由偏振模色散补偿光部分、偏振模色散监测和逻辑控制三部分来实现。主要原理是通过偏振模色散监测模块来监测PMD，逻辑控制部分根据反馈的监测结果来调节PMD色散补偿光，从而实现对系统PMD的补偿。PMD补偿器中最困难的部分是反馈回路中的跟踪软件，软件需要非常复杂的算法来找到最佳位置把PMD带来的损失降到最小。而衡量偏振模色散器性能的指标主要包括残余代价，故障概率、响应速度，对信号编码方式、调制格式以及啁啾敏感程度。

图-7 PMD补偿结构图

2 工程设计实例
2.1 工程网络结构
2005年下半年，烽火通信开通了国内第一个3.2T系统工程"上海到杭州80×40Gbit/s DWDM工程"，工程的网络结构如下。

图-8 网络结构图
全程采用G.655光缆，光缆色度色散为5ps/nm.km，PMD 系数为0.036ps/ 。其中上海民生和杭州武林设置为OTM站，其它站点设置为OA站。
1）工程设计
本工程中，在上海民生和杭州武林之间建设80×40Gbit/s DWDM工程。烽火通信采用先进的光网络仿真软件，将网络中的各个实际参数导入到仿真软件当中，帮助设计人员对系统的色散、衰减、信噪比和非线性进行了科学的模拟，各项指标均符合要求。
在该项目中，烽火通信对80×40G DWDM传输系统的关键技术和工程组网、业务应用进行了深入研究，在前向纠错FEC、40G精确色散管理、可扩展到80×40G DWDM的设计、工程应用、现场测试方法等方面提出创新解决方案。该项目成功开通后，不仅使烽火通信全面掌握了40G DWDM长距离光传输的核心技术，积累了一定的工程建设经验，更为重要的是为我国未来网络的发展提供科学的依据，为以后更多大规模的并发流媒体和交互式多媒体等新型业务应用提供了优秀的承载平台，引领了光通信技术发展潮流。在国家科技部组织的验收后，湖北科学技术厅随后对这一科技成果也进行了鉴定，并认为：该项成果填补了国内空白，整体达到国际先进水平，实际应用处于国际领先。

3 结论