ULH WDM系统的几个关键技术

　　摘要：介绍了目前ULH波分系统的几个关键技术，即编码和调制技术、低噪声放大技术、波道的性能优化技术、非线性色散综合管理技术、超强FEC技术、OADM技术和40G技术，提出了ULH系统结合OADM的使用是目前骨干网络发展的主要方向。

　　关键词：ULH WDM、OADM、FEC

　　1. 引言

随着宽带接入的普及，运营商的骨干网络承载的业务模型越来越向数据转变，IP业务已经成为WDM带宽的最大使用者，汇聚型的数据业务在传送网上呈现出十分突出的“长距离直达”的特点。根据统计，IP骨干层60%的中继距离在1500km左右，15%在2000km以上。另外，从目前WDM主要节点波道的安排来看，节点间的直通波道占整个波道容量的80%左右，普通省会城市之间的波道需求很小。

　　因此，业务模型的变化推动着WDM系统向ULH方向发展，而过去的WDM系统，不仅在容量上受限，而且在长途传输中需要大量的OEO再生器。虽然通过全C波段的EDFA放大器，使得多波长可以跨越6～8个Span，但整体而言，仍然在到达600km左右就必须经过一次OEO再生（实际上，据统计光复用段平均长度在400km左右，600km的很少）。这种背靠背方式将波长全部终结(实际上每个城市只需要几个波长而已)，颇为浪费。

　　假如我们采用新一代的ULH系统，不仅可以延长传输距离达到2000km，而且在每隔400km的大中城市通过OADM上下若干波长，避免了全波段的业务终结，可以节省设备投资成本20%以上。再结合动态可配置的ROADM，可以实现整个网络的灵活扩展，为真正的动态光网络提供基础。目前，传输距离在2000km左右的ULH系统技术上已经成熟，并开始商用。

　　2. ULH系统中的关键技术

　　目前，业内广泛认同的ULH WDM系统中的关键技术主要表现在以下几个方面：

编码和调制技术；

低噪声放大技术；

波道的性能优化技术；

非线性色散综合管理技术；

超强FEC技术；

OADM技术；

40G技术。

　　在ULH DWDM系统中，上述技术被广泛使用，以有效延长系统的传输极限，克服长距离传输后色散和非线性的累积效应对信号带来的损伤，这是ULH系统和常规系统最显著的区别和特点。

　　当然，上述技术在ULH系统中并非都是必须同时配置的，它们可以根据实际的光缆线路以及局站设置情况组合使用，另外，不同的设备供应商对于上述技术的取舍也因设计方案的不同而不同。

　　2.1 编码和调制技术

　　通常，在ULH DWDM系统中有如下码型技术：

● NRZ (Nonreturn-to-Zero) 非归零码

● RZ (Return-to-Zero) 归零码

● CRZ (Chirped Return-to-Zero) 啁啾归零码

● CSRZ (Carrier Suppressed Return-to-Zero) 载波抑制归零码

● PSBT（Phase-Shaped Binary Transmission）or Duobinary 光双二进制码

● DPSK (Differential Phase Shift Keying) 差分相移键控码

　　一般来讲，对于各种RZ码，相对于NRZ码，接收灵敏度能提高2dB左右，但是频谱利用率较NRZ码低，表1列出NRZ码和各类RZ码的比较。

　　码型(对比的码型) 优点 缺点 适用的系统

　　NRZ（相对于RZ） 1.带宽较窄; 1.灵敏度低; 长距离系统，

　　2.色散容限较大2.需要OSNR高 频带利用率较

　　3.PMD容限小 高的系统

　　常规RZ(相对于NRZ) 1.灵敏度高 1.频谱宽,带宽 长距离、频带

　　2.允许较低的 利用率低 利用率不需要

　　OSNR 2.调制较复杂 很高的系统

　　3.PMD容限高 3.色散容限小

　　4.传输后抖动大

　　CS-RZ(相对于 1.频谱窄,频带 1.调制较复杂 超长距离、频

　　常规RZ) 利用率高 带利用率较高

　　2.对色散,SPM 的系统不敏感

　　CRZ(相对于常规RZ) 1.非线性容限大 1.频谱宽 超长距离、频

　　2.色散容限更小 带利用率不高 的系统

　　对于光的双二进制码(Duobinary)，主要用于40Gb/s的波分系统中，用于将40G的频谱压缩，使其适用于10G的波分平台。Duobinary也是目前唯一完全支持50GHz通道间隔的10Gb/s平台的调制技术。

　　对于差分相移键控码（DPSK）是一种很有前途的技术，在10Gb/s和40Gb/s系统中，相对于NRZ码有3dB的OSNR提高，但是目前为止，DPSK码并没有完全成熟到可以在ULH系统中商用的地步。

　　2.2 低噪声放大技术

　　在ULH系统中，由于放大器级联数目的增加，合理控制光放大器的增益和噪声在系统设计中就显得尤为重要，理论和实验表明，长距离系统中线路放大器对系统信噪比的影响最大，因此，除了优化的掺铒光纤放大器（EDFA）外，拉曼放大器也提上了议程。

　　拉曼放大器是利用受激拉曼散射效应，入射光子（泵浦光）被光纤中的分子散射而生成新的低频光子（信号光），同时分子跃迁到高一级的振动态（声子）。泵浦波长比信号波长低100nm左右。因此，只要有合适的泵浦波长，就可以实现任意波长的放大，另外，它以传输光纤作为放大介质，可以做分布式放大器，开光增益大于12dB，等效噪声小于0dB，从而实现低噪声放大。

　　对于拉曼放大器，一般有分布式和分立式两种方式。

　　分布式拉曼放大器可以采用前向泵浦，后向泵浦和双向泵浦三种方案，对于后向泵浦，一般增益较小，噪声较小；而前向泵浦，则增益较大，噪声较小并且泵浦与信号的偏振态相关性较大。分立式拉曼放大器一般用泵浦一段高非线性系数光纤，如DCF来实现，这类放大器，Raman增益系数大，但DCF允许的泵浦功率较小。而全拉曼系统就同时采用了分布式和分立式拉曼放大器。

　　对于ULH系统，一般并不采用全拉曼结构，主要基于以下几点考虑：

　　一、潜在的光纤损坏危险；

　　二、高功率情况下的光纤操作和光接头操作困难；

　　三、由于瑞利后向散射导致最终拉曼增益有限（<27dB）；

　　四、前向泵浦的拉曼瞬态问题以及拉曼饱和效应不好解决；

　　五、相对于EDFA来说，成本太高。

　　因此，成熟的设备制造商一般将拉曼作为EDFA放大的补偿手段，一般应用于超长跨段的场合，如27～42dB。

　　2.3 波道的性能优化技术

　　在ULH系统中，波道性能的自动优化功能尤为重要，其主要分为两大块：光通道性能监测和光功率均衡技术。其中，光功率均衡技术最能体现ULH设备之间性能上的差异。

　　对于光通道性能监测，一般由专门的光通道性能监测板卡完成，可以监测每个通道的波长，光功率和光信噪比，不同厂商的设备在功能上有所不同。目前，业界领先的是，利用光通道性能监测板卡实现系统监控、快速运行控制和波长自动升级功能。

　　光功率均衡技术实现方式多种多样，一般来讲，分为以下三类：

　　一、自动增益箝制功能(AGC);

　　二、自动功率控制功能(APC) ；

　　三、各通道光功率均衡功能。

　　光放大器的自动增益控制（AGC）技术，它的作用是使每个通道的信号增益与光纤内总的通道数目无关，在线光信道数目发生改变时，仍然保证其它每个波长的增益不受影响。AGC属于单板级别的调节功能。

　　另外，在DWDM系统应用中，光纤老化、连接器老化或人为因素都会引入光纤链路的异常衰减。对于仅采用AGC模式的传输系统，当某一段线路衰减增加时，下游的所有放大器的输入输出光功率都将下降，最终导致接收端的光功率和OSNR的下降，甚至危害误码性能。衰减增大的传输光纤越靠近链路的前端，对接收端OSNR的影响就越大。在传输设备中采用自动功率控制（APC）技术，可有效地避免这种光纤链路损耗的异常增加所导致的系统性能劣化。

　　APC功能可以定位出现损耗异常增加的光纤链路，并自动调整相应放大器的增益以补偿该段传输光纤损耗的变化，保证后续光放大器的输入输出光功率基本不变。与AGC相比，APC是系统级别的调节功能。

　　对于各通道的功率均衡，一般有两种模式，预加重和均衡器。在ULH系统中，最终性能取决于最差通道，因此，均衡功能的优劣直接决定了系统性能的好坏。

　　对于预加重来说，一般分为：

　　　一、功率的预加重；

　　二、信噪比的预加重。

　　而均衡器一般是采用MEMS结构的衰减器阵列，通常放置在线路放大器中。

　　目前，对于功率均衡，业内领先水平，可以做到C波段80波均衡后信噪比差异在0.5dB以内。

　　除了光功率均衡之外，有些厂商还在接收端做了判决电平的自动调整技术，以优化每个波道的性能。

　　2.4 非线性色散综合管理技术

　　色散、非线性、啁啾、信号调制码型等对信号传输的作用是综合的，不能分割开，在ULH系统中，尤其需要综合考虑。

　　对于SPM、XPM、FWM、SRS等各种非线性效应，需要合理设计好系统的工作功率水平，同时需要留出足够的余量，并且和实际的光纤类型有关。

　　在色散补偿时，色散补偿率、色散斜率补偿率、残余色散与传输距离、光功率、啁啾、调制码型等有关系。目前主要分为光域色散补偿、电域色散补偿和色散管理孤子三种类型。

　　光域的色散补偿主要由色散补偿光纤DCF实现（包含色散斜率补偿的DCF），不同厂家的解决方案不同，目前，比较领先的解决方案是综合使用色散前补偿、在线补偿和后补偿。

　　电域的色散补偿不需要色散补偿模块，并对色散变化有一定的适应能力，在光缆线路割接时，减少色散造成的影响。但是，电域的色散补偿因其色散补偿量有限，还不能完全取代光域的色散补偿。目前，电域的色散补偿主要用来提高线路的色散容限（一般可以提高1～3倍），从而提高系统对链路色散变化适应性（主要考虑链路割接时长度变化，以及迁站等因数），同时，在符合电域色散补偿容限范围内，可以取消光域的色散补偿模块，简化系统结构。

　　色散管理孤子是综合考虑码型、光功率、精细色散补偿等的一种先进的技术。在色散管理孤子系统中，传输光纤利用非线性抵消平均色散，因此和常规孤子不同的是，色散管理孤子的振幅、脉宽及啁啾都周期性的变化。但是，色散管理孤子对精确度要求很高，实施相对困难，同时对光放大器也有一定的要求。实际上，所有的基于RZ码的传输系统都可以认为是某种意义上的色散管理孤子传输系统（DMS），在这类系统中，由自相位调制SPM导致的损伤部分的被色度色散所补偿。

　　2.5 超强FEC技术

　　目前，前项纠错FEC技术可分为以下三类：

带内FEC（In-band FEC）

带外FEC（Out-band FEC）

超强FEC（Super FEC, Advanced FEC, Extended FEC）

　　其中，In-band FEC基于ITU-T G.707标准，编码增益为3～4dB，在ULH系统中因为其增益太小，一般并不采用。

　　带外FEC是基于ITU-T G.975/709标准，线速为10.66/10.709Gb/s，编码增益为5～6dB，冗余度为7％。其中，G.975采用RS(255, 239)编码，G.709采用RS(255, 237)编码。

　　对于超强FEC，一般用RS级联码，Turbo码和Goppa码，编码增益为7～9dB，可以是带内FEC 和带外FEC共用，也可以是带外FEC。冗余度一般为：10%～25% 。

　　但是，目前对于超强FEC，还没有一个统一的标准，设备供应商一般使用私有编码技术，业内领先技术是采用超强FEC编码增益达到10dB。

　　由于超强FEC带来的冗余度比较高，有些达到25%，对于10G系统，线速达到12.5Gb/s，因此，对于系统的色散容限会有一定的影响，对于一个ULH系统，应该根据实际链路状态及系统设计，选取不同的FEC。

　　2.6 OADM技术

　　当前，长途DWDM传输系统基本上采用带有3R再生的背靠背DWDM干线传输结构，每个400km～600km就进行一次3R再生，这种结构使用大量的OTU，建设、维护成本高、网络灵活性差、OEO转换次数多、电路指配速度慢、系统故障率高，并且不适宜与未来自动交换的传送网相适应。而在ULH系统中，引入OADM，可以很好的解决上述问题。

　　OADM一般分为固定波长上下的OADM，以及100％动态上下的OADM两种，其中，远端动态可配置的OADM（ROADM）是ULH系统中的发展方向。

　　对于固定波长上下话路的OADM，一般上下波长在20%到40%之间，可为串联结构，也可为并联结构，或者是串并联结构混合，从运维的角度，目前运营商一般选用并联式结构。

对于ROADM，存在着两种结构，分别是广播和选择型、解复用与交换/复用型。ROADM的关键组包括交换结构、波长阻塞器和可调滤波器、可调激光器等。 广播和选择型ROADM，一般利用分光器和波长阻塞器构成，并且，联合波长选择开关的使用，还可以将OADM升级到纯光交叉PXC，向真正的纯光网络拓展；解复用与交换/复用型一般由2x1光开光阵列构成，上下波道数可在0～100％之间可配，满足运营商实际建设的需要。

　　2.7 40G技术

　　随着40G路由器接口的出现，以及运营商对超高容量传输网络的需求，单信道40Gb/s的突破成了ULH系统的下一个关键，此时，10G系统中尚不显山露水的PMD效应、非线性和色散这几者之间的微妙关系将成为制约40G的主要因素。

　　40G的波分已经开始商用，并且成本已经低于4个10G波分系统。因此，在10G的ULH波分平台上能否平滑升级到40G体现了ULH系统的水平。

　　一般，只有采用光的双二进制调制码的40G系统，才能在通道间隔为50GHz的ULH系统中平滑升级。

　　目前，代表业内领先水平商用40G系统中，在留有余量的情况下，C波段80x40G系统可传1000km，极限条件下达到1700km。

　　3. 总结

　　综上所述，传输距离在2000km到3000km之间的ULH系统已经成熟，就目前而言,C波段80×10Gb/s的ULH系统是ULH系统的主流，并可拓展到L波段，实现160×10Gb/s的ULH系统，或者单波长升级到40G，实现80×40Gb/s的ULH系统。

　　如今，业务量特别是IP业务量还在以超过50％的速度增长，对波长的耗用也越来越快。WDM系统的建设规模越来越大，而常规WDM系统必然会被新一代的WDM系统ULH＋ROADM所代替，ROADM以其方便的配置、可改变的波长资源分配，可以满足动态的业务需要，并解决中间节点上下业务的问题。ULH系统则可以降低系统成本，简化网络结构。

作者：蒋俏峰，西门子中国有限公司光网络研发部 植涛，北京西门子通信网络有限公司光网络产品线管理主管 来源：《网络通信世界》