第3章光網絡的復用技術3.1復用技術的發展及幾種典型復用技術的比較

1.什么是復用技術

“將多路數據組合成一路數據的過程。復用的目的是更好地共享信道資源，適應信道傳輸?！?/p>

更確切的定義應該是：按照某種方式，將多路數據復合到一個信道上或者一個介質鏈路上傳輸。目的是為了更有效地利用介質的傳輸帶寬，以降低單位數據的傳輸成本。2.為什么需要復用技術如果不采用復用技術，而是直接用光纖來傳輸低速率信號的話，不但會造成資源的極大浪費，而且會使數據的傳輸成本非常高。復用技術的目的就是為了充分利用資源，降低通信成本。3.復用技術的發展光纖通信系統的復用技術一開始采用的是脈沖編碼調制(PCM)方式，先把模擬信號變成數字信號，再利用TDM技術組成一次群至五次群等，傳輸速率分別是2M、8M、34M、140M、560M，這種系統是PDH系統。SDH系列有STM-1（155Mbps）、STM-4(622Mbps)和STM-16(2.5Gbps)等。無論PDH還是SDH，所采用的復用技術均為TDM技術。其他復用技術：碼分復用、光時分復用等，技術最成熟，使用最為廣泛的是波分復用（WDM）技術。4.幾種典型復用技術

空分復用（SDM）

時分復用（TDM）

光時分復用（OTDM）

光碼分復用（OCDM）

(1)空分復用（SDM）單純依靠增加光纖對的方式，線性增加系統的傳輸容量，傳輸容量是隨著鋪設光纖光纜的數量線性增加。這種擴容方式的優點是簡單易行，擴容方案很容易實現。(2)時分復用（TDM）通過把時間劃分成更小的時間間隔，把來自不同源頭的數據比特承載在同一條鏈路上，提高傳輸鏈路的容量。

優點：技術成熟，可以實現無縫升級。

缺點：第一，通過時分復用方式來擴容，會影響到正在傳輸的服務；第二，速率的升級缺乏靈活性。對于高速率系統的時分復用，目前實驗室中最高傳輸速率可以達到40Gbps，這個速率已經接近電子器件的速率極限。時分復用(3)光時分復用（OTDM）

OTDM的原理就是將多個高速電調制信號分別轉換為等速率光信號，在光層上利用超窄光脈沖進行時域復用，把多個光信號調制成更高速率的光信號，提高單個信道的數據傳輸速率。OTDM要走向實用化必須解決三個關鍵技術：

①超窄光脈沖的產生與調制

②全光時分復用

③全光時分解復用和定時提取技術

OTDM目前還是實驗室中的研究課題，離應用于光網絡還很遠。OTDM可以把單信道傳輸速率提高到TDM無法達到的高速率，這種復用方式會隨著技術的成熟，在網絡中得到廣泛應用。（4）光碼分復用（OCDM）

OCDM是碼分多址技術在光域內的應用，給每個用戶分配一個唯一的光正交碼的碼字作為該用戶的地址碼。在發送端，對要傳輸的數據的地址碼進行光正交編碼，然后實現信道復用，在接收端，用與發送端相同的地址碼進行光正交解碼。3.2波分復用（WDM）技術什么是波分復用

所謂的波分復用，就是在一根光纖上不只傳輸一個光載波，而是利用不同的頻段，同時傳輸多個不同波長的光載波。這些不同波長的光信號所承載的數字信號可以是相同速率、相同數據格式，也可以是不同速率、不同的數據格式。因為這些光載波波長不同，在傳輸頻帶內的位置就不一樣，傳輸的時候各自獨立傳輸，不會互相造成干擾。2.WDM技術的實質

WDM波分復用在實質上是頻分復用技術。在光信號的頻段內，信號頻率都高達幾百THz，用頻率表示信道非常不便，以波長表示更適合。WDM系統的頻譜分布圖※

WDM、DWDM和CWDM的區別。3.WDM技術原理把低損耗窗口（1550nm窗口）劃分成若干個通路，把光波作為信號的載波，在發送端采用波分復用器（合波器）將不同波長光信號合并起來送入一根光纖傳輸，在接收端，再由另一個波分復用器（分波器）把這些不同波長分開。傳輸過程中，各個波長彼此之間是相互獨立的。所以，一方面不同的波長可以在同一根光纖中傳輸，另一方面不同的方向可以傳輸不同波長，用一根光纖就可實現雙向傳輸。WDM系統原理示意圖4.WDM技術的優點

(1)超大容量傳輸

(2)節約光纖資源

(3)能夠實現平滑升級

(4)充分利用了成熟的TDM技術

(5)利用EDFA實現超長距離傳輸

(6)對光纖色散無過高要求

(7)支持網絡向全光網的發展趨勢5.兩波分復用系統

WDM技術最早出現在上個世紀80年代初，針對每根光纖上只能傳輸一個波長，存在巨大的光纖資源浪費的情況，首先考慮的是最簡單的方案：在光纖的兩個低損耗窗口（1310nm和1550nm），每個波段各自傳送一路波長信號，這就是最早的兩波長波分復用系統。1310/1550nmWDM系統結構圖6.多波長波分復用系統

90年代中后期EDFA的技術成熟，WDM系統的應用就進入了一個新時期，EDFA工作在1550nm窗口，1550nm窗口本身的損耗最低，新的WDM技術只采用1550nm窗口。在此窗口中采用多個波長，稱為多波長波分復用系統，即現代的WDM系統。1550nmDWDM系統結構圖7.WDM系統實例-濟南－青島的WDM波分復用系統8.WDM系統的分類（1）集成式WDM系統集成式WDM系統指的是接入的SDH終端都具有符合G.692標準的光接口，這種SDH接口稱為彩色接口，也稱彩光口。集成式WDM系統（2）開放式WDM系統在波分復用器前面已經加入了波長變換器（OTU），可以將非標準波長轉換成標準波長。開放式WDM系統比集成式WDM系統更加復雜，但是其兼容性更好，便于對網絡性能進行檢測，也便于信號的中繼。開放式WDM系統符合G.657的發射機與O/E/O型的光波長轉換器合并使用示意圖9.WDM系統的構成（1）雙纖單向：單向WDM是指一根光纖只完成一個方向光信號的傳輸，反方向的光信號由另一光纖完成。雙纖單向傳輸（2）單纖雙向一根光纖上實現不同方向的傳輸，兩方向所用波長相互分開，允許單根光纖攜帶全雙工通路。與雙纖單向WDM相比，單纖雙向WDM系統可以減少光纖和線路放大器的數量。但雙向系統設計復雜。單纖雙向傳輸10.WDM系統的傳輸容量在光纖通信系統中，通常將所能達到的最大傳輸速率B和最長傳輸距離L的乘積BL，稱為系統的傳輸容量。有時，也把一根光纖中多個信號的總速率稱為容量。限制WDM系統傳輸容量的主要因素有：

(1)光纖損耗：采用EDFA補償損耗的影響；

(2)色散：利用色散補償光纖（DCF）對色散進行補償；

(3)非線性效應：減小輸入光功率等。舉例：假設一個點到點的WDM系統，每根光纖中傳輸的信號數目是n，每個信號的傳輸速率為B，系統中使用的光纖段數為k，每段長度為L，那么：

（1）光纖的總的傳輸速率為：BT=B×n;

（2）系統總的傳輸距離為：LT=L×k；

（3）系統的傳輸容量為：BT×LT=(B×n)×(L×n)若B=2.5Gbps，n=16，L=80km，k=8，則系統總傳輸容量為：

2.5Gbps×16×80km×8=25.6（Tbps·km）11.WDM系統的技術規范以下介紹的WDM系統的規范，指參考ITU-T的G.692規范所制定的n×2.5Gbps系統的國內標準。并且，只考慮點到點的WDM技術，不考慮組網。（1）光波長區的分配①系統工作波長區ITU-T的G.692規定，WDM系統的工作波長范圍為1528.77~1560.61nm，對應的工作頻率為198.1~192.1THz。②絕對頻率參考（AFR）絕對頻率參考是指WDM系統標稱中心頻率的絕對參考點。G.692規定，絕對頻率參考為193.1THz，對應的光波長為1552.52nm。絕對頻率參考加上通路間隔的倍數，就是每個信道的標稱中心頻率（中心波長）。③通路間隔指兩個相鄰的光信道之間的標稱中心頻率之差。通路間隔可以是均勻的，也可以是非均勻的。

G.692建議中規定，WDM通路間隔是100GHz（約0.8nm）的整數倍，通常采用的是200GHz（1.6nm）和100GHz（0.8nm）兩種通路間隔。④標稱中心頻率標稱中心頻率是指WDM系統中每個信道對應的中心頻率，或者中心波長。G.692建議規定，標稱中心頻率是基于絕對頻率參考為193.1THz、最小通路間隔為100GHz的頻率系列。8/16波長WDM系統的頻率系列序號中心頻率（THz）波長（nm）1192.11560.612192.21559.793192.31558.984192.41558.175192.51557.366192.61556.557192.71555.758192.81554.949192.91554.1310193.01553.3311193.11552.5212193.21551.7213193.31550.9214193.41550.1215193.51549.3216193.61548.51⑤中心頻率偏移簡稱頻偏，是指系統中信道的實際中心頻率與標稱中心頻率之間的偏差。一般規定，對于8通路的WDM系統，考慮到以后向16波長WDM系統的升級，規定最大中心頻率偏移為±20GHz。例如：表中序號為5的信道，其頻偏最大范圍是192.5THz±20GHz，即：192.48~192.52THz，對應波長范圍：1557.52~1557.20nm。（2）光接口分類對于N×2.5Gbps的WDM系統的長途應用，國內規定了3種光接口：8×22dB、3×33dB和5×30dB。其中，22dB、33dB和30dB表示的是每個區段允許的損耗，8、3和5表示的是整個系統的區段的數目。①8×22dB系統由8段組成，每段允許的光纖損耗是22dB。普通的G.652光纖平均每公里損耗為0.275dB，22dB的損耗對應的距離是22/0.275=80km。8×22dB系統在中間沒有電的再生中繼過程的情況下，最遠可以傳輸8×80=640km的距離。適合中國大多數地區使用。8×22dB系統結構圖②3×33dB

每段允許損耗可達33dB，對應每區段長度為120km，總的傳輸距離可達360km。主要是考慮到西北地區，特別是沙漠地區會出現超長中繼距離的情況。③5×30dB整個系統由5段組成，每段傳輸距離大約為100km。這種光接口主要是作為補充。在組網的時候，根據實際情況，每個區段的距離都可以靈活選用80km、100km、或者120km，增加組網的靈活性。（3）光監控信道（OSC）要求表2.2OSC的接口參數監控波長1510nm監控速率2Mbit/s信號碼型CMI信號發送功率0~7dBm光源類型MLMLD光譜特性待研究最小接收靈敏度-48dBm（4）安全要求ITU-T建議規定，單路或者合路信號的入纖最大光功率為+17dBm。在鏈路切斷情況下可能出現光浪涌現象，一旦出現光浪涌，瞬間功率可能會遠大于這個17dBm，造成器件損壞。①光浪涌的產生

在光纖突然被切斷或者其他原因導致信號丟失時，泵浦源繼續向EDFA注入高能光子，激發大量的鉺離子到達高能級，導致亞穩態上的鉺離子大量積累。一旦光信號重新注入EDFA時，會引起亞穩態上大量鉺離子的受激輻射，EDFA的輸出達到很高的水平，例如30dBm(即1W)，這種光功率是非常危險的，極易損壞光連接器甚至光接收機，這種損壞是不可逆的。光浪涌的產生②光浪涌的防止一旦由于光纖切斷或者其他原因引起信號丟失，開始計時，當時間累積到一定值，減小注入到EDFA的泵浦功率，甚至將泵浦功率完全切斷，在EDFA中就不會再積累高濃度的亞穩態離子。當鏈路故障排除后，等信號恢復一定時間，再恢復向EDFA的泵浦功率。光浪涌的防止12.WDM的現有技術水平及國內應用現狀（1）WDM現有的技術水平實驗室已經達到10.92Tbps，商用化系統也已經達到1.6Tbps。（2）國內WDM技術的應用水平以上海－杭州之間80×40Gbps系統為例：2005年開通

最大波長數：80

單波長傳輸速率：10/40Gbps

信道間隔：100GHz

使用波段：C＋L波段

線路碼型：NRZ＋FEC（非歸零碼，前向糾錯）

色散補償方案：DCF＋可調光纖光柵色散補償器

放大：C波段和L波段分開放大13.WDM技術的發展趨勢

（1）提高通路速率

（2）增加復用波長數

（3）擴大應用波長范圍3.3波分復用器件

WDM器件有多種制造方法，目前廣泛使用的WDM器件可以分為4類：

角色散器件

干涉濾波器

熔融拉錐型

集成波導型復用器(合波器)解復用器(分波器)······WDMWDM1.光柵型波分復用器光柵型波分復用器件屬于角色散器件，當包含了多個波長信號的入射光照射到光柵上時，由于光柵的角色散作用，不同波長的光信號以不同的角度出射，經過透鏡會聚到不同的輸出光纖，把多個信號分離，從而完成波長的解復用。塊狀光柵型波分復用器的典型結構光纖光柵的制作及其內部結構2.介質薄膜濾波器型波分復用器多層介質膜由分別具有高折射率和低折射率的兩種不同的介質材料，交替疊加在一起構成，每層的光學厚度都是要反射的光波長的1/4。工作原理：當包含了若干個光信號的光波入射到介質