1 光傳送網(wǎng)

20世紀(jì)70年代，低損耗的光纖用于通信開啟了光通信的新紀(jì)元。隨后，人們用光纖光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信網(wǎng)的電線電纜，研究光纖通信的器件和技術(shù)，相繼產(chǎn)生了0.85 μm、1.3 μm多模光纖通信系統(tǒng)，1.3 μm、1.5 μm單模光纖通信系統(tǒng)。很快，不管是在陸地上還是在海底都建起了光纖傳輸網(wǎng)，全世界敷設(shè)的光纜總長超過了幾千萬公里，傳送網(wǎng)的技術(shù)體制從準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)發(fā)展到同步數(shù)字體系(SDH)，數(shù)字速率從幾百兆比特每秒發(fā)展到吉比特每秒；但由于時分復(fù)用(TDM)的技術(shù)的限制，以SDH技術(shù)為基礎(chǔ)的傳送網(wǎng)吞吐量仍然十分有限，而各種語音、數(shù)據(jù)、圖像等通信業(yè)務(wù)量猛增又要求傳送網(wǎng)提供更大的帶寬和容量，因此，90年代中期波分復(fù)用(WDM)技術(shù)應(yīng)運而生。

WDM能夠在一根光纖上傳送多路光信號，多路信道的間隔從大于25 nm發(fā)展到小于3.2 nm，后者稱為密集波分復(fù)用(DWDM)。單波長信道速率為2.5 Gbit/s或10 Gbit/s時，采用DWDM技術(shù)就可在單根光纖上實現(xiàn)太比特每秒數(shù)量級的超高速、超大容量傳輸。

因特網(wǎng)的興起，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的爆炸性增長，推動了傳輸技術(shù)和傳送網(wǎng)的發(fā)展。在光纖傳輸線路上加上光放大器，形成了更大容量、更長距離的傳輸系統(tǒng)，從而減少了線路中光/電、電/光轉(zhuǎn)換的電中繼再生器。除了點到點的傳輸采用了光纖線路外，組成傳送網(wǎng)的基本網(wǎng)絡(luò)單元，如數(shù)字交叉連接器(DXC)、分插復(fù)用器(ADM)和終端復(fù)接器(TM)，仍然是一些電設(shè)備，并在電域中實現(xiàn)傳送網(wǎng)必須完成的信號復(fù)接、路由選擇、監(jiān)測等其他功能。所以嚴(yán)格說來，這種傳送網(wǎng)只是對傳統(tǒng)電傳送網(wǎng)的改進(jìn)。

DWDM的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用是組建光傳送網(wǎng)(OTN)的關(guān)鍵[1,2]，以波分復(fù)用器件和光網(wǎng)絡(luò)單元，如光交叉連接器(OXC)、光分插復(fù)用器(OADM)等，組成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供以波長為單位的透明通道，在光域上實現(xiàn)光信號的傳輸、復(fù)用、路由、監(jiān)控、保護(hù)等功能。這樣的網(wǎng)絡(luò)才稱之為光傳送網(wǎng)。

光傳送網(wǎng)和傳統(tǒng)的傳送網(wǎng)相比，具有如下優(yōu)點：

(1)傳輸容量大(可適應(yīng)未來B－ISDN對傳輸容量的要求)、成本低、便于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級；

(2)提供透明光平臺，可作為不同信號格式、比特率和調(diào)制方式的光信號的傳輸載體；

(3)具有靈活組網(wǎng)能力，能對波長通道重選路由改變網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)洌商峁┚W(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)和監(jiān)測；

(4)避免了光信號的光/電、電/光轉(zhuǎn)換及其昂貴的轉(zhuǎn)換設(shè)備，既提高了網(wǎng)絡(luò)單元的吞吐量，又減少了設(shè)備投資。

光網(wǎng)絡(luò)的這些優(yōu)勢吸引了世界各國的研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)通信公司，他們投入了大量的資金和人力研究全光網(wǎng)絡(luò)。近10年來，相繼產(chǎn)生了MONET網(wǎng)、WEST網(wǎng)、PHOTON網(wǎng)、OPEN網(wǎng)、NTON網(wǎng)、CAINONET網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)[3－5]，與OTN相關(guān)的多種技術(shù)也在不斷趨于成熟。單纖的復(fù)用通道數(shù)從幾路擴(kuò)大到十幾路、32路、64路、128路……單信道的傳輸速率也從幾吉比特每秒發(fā)展到上百吉比特每秒，而且2.5 Gbit/s、10 Gbit/s傳輸速率的設(shè)備已經(jīng)商用。EDFA和Raman光放大技術(shù)及器件將進(jìn)一步提高傳輸距離和帶寬，并降低系統(tǒng)成本。各種類型的光網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)備正在被研制，如可任選波長分插的16波長OADM，容量為32×10 Gbit/s的OXC，可靈活配置不同的波道速率、具有不同容量(160×10 Gbit/s、640×2.5 Gbit/s等)的OADM等。因此在OTN的傳輸技術(shù)、系統(tǒng)器件、組網(wǎng)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化等方面，有許多工作等待我們?nèi)プ觥?/p>

2 傳輸性能

目前OTN處在組建、發(fā)展之中，存在著許多不確定的技術(shù)因素，關(guān)于它的性能描述尚無明確的規(guī)定。2001年ITU－T SG32提出了G.873“光傳送網(wǎng)的要求”建議，SG15提出了G.959.1“光傳送網(wǎng)的物理層接口”建議。中國近幾年也建立了WDM光傳輸技術(shù)和設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但這些建議和標(biāo)準(zhǔn)僅可為評價、規(guī)范OTN性能提供一些參考。我們在研究傳輸技術(shù)和傳輸系統(tǒng)時，常常以傳輸帶寬、傳輸容量、傳輸距離等來描述網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，除此之外還需要有反映傳輸信號質(zhì)量好壞的評價指標(biāo)。對OTN的演變、特點及其傳輸技術(shù)、系統(tǒng)測量等方面進(jìn)行研究之后，本文認(rèn)為可采用以下幾個主要的性能指標(biāo)來衡量OTN的傳輸性能：

工作波段(包括了單信道中心波長及信道間隔)

波長信道數(shù)

單信道傳輸速率

信道間隔度

無中繼傳輸距離

接收信號誤碼率

接收信號信噪比

抖動(來自傳輸線路)

這些指標(biāo)不但可以反映OTN的傳輸帶寬、傳輸容量、傳輸距離，還可以說明信號的傳輸質(zhì)量等?，F(xiàn)將這些指標(biāo)分述如下：

(1)工作波段即為傳輸帶寬，將光纖原有的3個低損耗窗口再加上L波段、S波段及全波光纖，使光纖傳輸從1.28 μm到1.625 μm連成一片，為寬帶傳送網(wǎng)提供了適用的傳輸介質(zhì)。

(2)單信息傳輸速率和波長信道數(shù)共同決定網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量，DWDM和TDM的結(jié)合可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。當(dāng)光源譜線被有效利用時，可以提高單信道傳輸速率，而光纖的損耗、色散和各種線性、非線性串?dāng)_則是提高傳輸速率的主要限制。波長信道數(shù)的提高必須采取抑制非線性效應(yīng)，改善WDM器件的濾波特性等措施。

(3)信道隔離度反映了各信道對串?dāng)_的抵御能力，串?dāng)_主要來自傳輸光纖的非線性效應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)單元器件的非理想濾波、EDFA的自發(fā)輻射等。在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，首先要保證網(wǎng)絡(luò)單元器件的隔離度達(dá)到要求(一般為45 dB～60 dB)。

(4)無中繼傳輸距離主要與傳輸速率、光纖非線性、色散、損耗、EDFA噪聲有關(guān)，通常它只有幾十公里。研制新型光纖，進(jìn)行合理的色散管理，有效地抑制非線性效應(yīng)和噪聲，可以增加無中繼傳輸距離。

(5)誤碼率直接表示了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量優(yōu)劣，它反映了色散、非線性等各種傳輸限制共同對信號的影響，因此需要從多方面采取措施來降低誤碼率。中國建立的WDM標(biāo)準(zhǔn)中，對不同速率下的誤碼率有明確的規(guī)定:對于10 Gbit/s的光纖傳輸系統(tǒng)要求誤碼率小于10－9。CAINONET總體組為確保傳輸信號質(zhì)量，要求誤碼率達(dá)到10－12。

(6)信噪比是另一個直接反映傳輸信號質(zhì)量好壞的指標(biāo)，不同的傳輸信號，對應(yīng)地有不同的信噪比要求：若傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，信噪比應(yīng)該達(dá)到20 dB～25 dB，而對于模擬電視信號，信噪比相應(yīng)地應(yīng)取為40 dB～43 dB。

(7)由光纖線路引入的抖動相對于系統(tǒng)中數(shù)字復(fù)接設(shè)備產(chǎn)生的抖動要小得多，所以迄今為止國際上還沒有關(guān)于線路抖動容限的規(guī)定。研究表明，這種抖動主要源于EDFA的自發(fā)輻射噪聲積累和光纖的各種色散非線性效應(yīng)。當(dāng)光信號傳輸距離達(dá)到上千公里時，光纖線路引入的抖動將影響傳輸信號的脈沖幅度和相位[6]，其大小與數(shù)字復(fù)接設(shè)備產(chǎn)生的抖動具有可比性，這是不可忽略的，因此對于超長距離的OTN，抖動指標(biāo)是不可缺少的。

上述的主要傳輸性能指標(biāo)將在OTN的發(fā)展和應(yīng)用中得到檢驗。

3 主要傳輸限制

OTN能夠傳送任何業(yè)務(wù)層的信號，由于其透明性網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點不提供電處理、再生等功能，那么光信號在傳送過程的損傷就無法消除。光信號的損傷源于色散、非線性、串?dāng)_、噪聲等影響，這些影響的積累是連續(xù)的、模擬的，從而導(dǎo)致光信號傳輸質(zhì)量下降、誤碼嚴(yán)重。這種性能惡化隨著傳輸距離的增大和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而越來越嚴(yán)重。那么對OTN有哪些主要的傳輸限制呢？下面根據(jù)現(xiàn)階段的技術(shù)和器件水平從光纖的損耗、色散、EDFA的噪聲積累、光纖和EDFA的非線性效應(yīng)以及光網(wǎng)絡(luò)單元引入的線性串?dāng)_等方面進(jìn)行分析[7－10]。

3.1 光纖的損耗

光纖的損耗限制了傳輸距離，雖然可以通過光放大器進(jìn)行補償，但網(wǎng)絡(luò)中常采用多個EDFA級聯(lián)，導(dǎo)致信號的增益譜變寬、各波長信道的增益不均衡，加上光源波長和濾波器中心波長隨溫度漂移，使各波長通道呈現(xiàn)出較大的增益差，所導(dǎo)致的功率差若不及時地被網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率均衡器均衡，將引起接收端某些波長通道功率過小或過高，產(chǎn)生嚴(yán)重誤碼或接收機(jī)過載。

3.2 光纖的色散

光纖色散使光信號脈沖展寬、光接收靈敏度下降，導(dǎo)致均衡困難、誤碼率增加，因此要保證通信質(zhì)量，就不得不減少傳輸距離，加大碼間距，也就是說色散限制了傳輸中繼距離和傳輸速率。從色散的機(jī)理來看，有色度色散和偏振模色散兩種。當(dāng)信號的傳輸速度大于等于10 Gbit/s時，必須考慮這兩種色散的影響，現(xiàn)已研究了多種方法對光纖的色度色散實現(xiàn)有效的補償，例如線性啁啾光柵可消除數(shù)千公里的長途傳輸色散，而偏振模色散具有隨機(jī)性，對它的測量、補償不是很容易。目前PMD的補償尚處于研究、探索階段。另外，不管采用什么方法補償色散，所引入的插入損耗均會限制傳輸距離。

3.3 非線性效應(yīng)

組成OTN的有源、無源器件都會引入非線性影響。光纖的非線性影響較嚴(yán)重，它包括了四波混頻(FWM)、自相位調(diào)制(SPM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、受激布里淵散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)等，其中XPM將信號的相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制，產(chǎn)生的影響最大，通過增加光纖的有效面積，可減輕這種影響。FWM的影響也不小，當(dāng)采用的光纖工作波長區(qū)域有較小的色散時，F(xiàn)WM的危害會起作用。光放大器同樣也引入XPM、FWM、SRS等非線性影響，而且XPM的影響比來自光纖的影響還要大， FWM的影響在L波段中要大于在C波段中，需要精心設(shè)計EDFA使其FWM最小化。另外，研究表明可采用最佳的光信號脈寬來抑制因XPM引入的非線性。

3.4EDFA的噪聲積累

當(dāng)EDFA放大各波長通道光信號時，對自身能級間的自發(fā)躍遷所產(chǎn)生的自發(fā)輻射同時也放大了，而且所引入的各波長通道噪聲指數(shù)不一致，從而導(dǎo)致信噪比降低，這種自發(fā)輻射噪聲還隨著EDFA的級聯(lián)數(shù)增加而增加，所以利用EDFA是無法改善信號質(zhì)量的。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，光電轉(zhuǎn)換對于消除噪聲積累是行之有效的。

3.5 線性串?dāng)_

OTN的基本網(wǎng)絡(luò)單元(如OADM、WDM器件、光開關(guān)、濾波器等)中的非理想濾波，將引起信號功率泄露，產(chǎn)生主信號與串?dāng)_信號處于相同或不同頻帶的同頻或異頻串?dāng)_，其中異頻串?dāng)_可以通過濾波器濾除，而同頻串?dāng)_在傳輸過程中將有相應(yīng)的積累和相關(guān)性，它們引起各波長通道的功率變化、誤碼率增加。當(dāng)波長通道數(shù)增加，通道間隔減少時，這種線性串?dāng)_的影響就更嚴(yán)重，即這種串?dāng)_限制了OTN的傳輸容量和規(guī)模。

這些傳輸限制對OTN的影響極大。當(dāng)前OTN傳輸技術(shù)和器件的進(jìn)步為解決上述傳輸限制作出了一定的努力。例如，為抑制光纖的色散、損耗和非線性效應(yīng)而不斷研制出新型光纖：更低損耗的非零色散光纖、大有效面積光纖、低色散斜率光纖等；為降低線性串?dāng)_而采取了通過提高OTN基本網(wǎng)絡(luò)單元器件性能的措施：借助于EDFA與Raman光纖放大器混合使用，來改善其噪聲特性、提高信噪比。

4 結(jié)束語

本文所研究和確定的工作波段、波長信道傳輸速率等傳輸性能指標(biāo)反映了OTN基礎(chǔ)技術(shù)(DWDM)的特點，能夠?qū)TN的傳輸性能給予主要、基本的評價。所分析的OTN主要傳輸限制是當(dāng)前十分關(guān)注的研究課題。而對OTN的傳輸限制還有光源的線寬及啁啾性、光放大器帶寬及增益、信號編碼類型及碼長、輸入功率等，因篇幅所限，這里從略。

以DWDM技術(shù)為基礎(chǔ)的OTN向著超大容量、超長距離、超高速率的方向發(fā)展，它將充分利用DWDM的網(wǎng)絡(luò)資源和技術(shù)優(yōu)勢，使傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施躍上新臺階?，F(xiàn)階段的研究和應(yīng)用已顯示出OTN的發(fā)展活力和優(yōu)勢，在傳輸性能方面已有顯著提高[9,10]：在國外，單信道傳輸速率10 Gbit/s已經(jīng)商用并正向40 Gbit/s邁進(jìn)；在國內(nèi)2.5 Gbit/s已經(jīng)商用并正在擴(kuò)大10 Gbit/s的應(yīng)用。幾十路的波長通道數(shù)已廣泛應(yīng)用，實驗室水平則達(dá)到了上百、上千路，對應(yīng)地信道間隔也從3.2 nm發(fā)展到0.4 nm(有報道現(xiàn)正在研究0.2 nm的相關(guān)問題)。實用系統(tǒng)的傳輸容量已達(dá)到幾百吉比特每秒，實驗室研究水平突破了太比特每秒的水平。OFC‘2001會議上報道DWDM傳輸容量已達(dá)10.92 Tbit/s。傳輸距離也從幾百公里到上萬公里。當(dāng)前不斷更新的通信新技術(shù)、新器件和通信新業(yè)務(wù)的商業(yè)需求是發(fā)展OTN的巨大驅(qū)動力，在全球范圍內(nèi)的多種OTN研究、實施方案正在不斷地向前推進(jìn)，對OTN發(fā)展中的新問題、新限制尚需不斷地去認(rèn)識，去解決。OTN的新進(jìn)展必將在不斷的努力中產(chǎn)生。 □

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10 Proceedings,OFC2000: TuE, TUG4, TuJ2, ThA4

(收稿日期：2001－10－10)

作者簡介

余重秀，北京郵電大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院光電子與光波技術(shù)研究中心主任。1969年畢業(yè)于北京郵電學(xué)院。現(xiàn)主要從事光纖通信、光交換、光CDMA、光信息處理及光電子技術(shù)等方面的研究。先后承擔(dān)并完成國家自然科學(xué)基金項目、國家“863”計劃項目及部級科研項目25項，曾獲國家級、部級科技進(jìn)步獎多項。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文80多篇，培養(yǎng)博士、碩士生20余人。目前正在進(jìn)行高速DWDM光纖通信的色散調(diào)節(jié)技術(shù)、光CDMA編解碼技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點性能和光纖光柵技術(shù)及應(yīng)用等方面的研究。