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ULH WDM系统的几个关键技术

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  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》

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