DWDM技术原理及发展趋势

　　一、DWDM技术的产生背景

　　1、光网络复用技术的发展

　　通信网络中，包括多种传输媒介，如双绞线、同轴线、光纤、无线传输。其中，光纤传输的特点是传输容量大、质量好、损耗小、保密性好、中继距离长等。

　　随着信息时代宽带高速业务的不断发展，不但要求光传输系统向更大容量、更长距离发展，而且，要求其交互便捷。因此，在光传输系统中引入了复用技术。所谓复用技术是指利用光纤宽频带、大容量的特点，用一根光纤或光缆同时传输多路信号。在多路信号传输系统中，信号的复用方式对系统的性能和造价起着重要作用。

　　光纤传输网的复用技术经历了空分复用（SDM）、时分复用（TDM）到波分复用（WDM）三个阶段的发展。

　　SDM技术设计简单、实用，但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数，投资效益较差；TDM技术的应用很广泛，如PDH、SDH、ATM、IP都是基于TDM的传输技术，缺点是线路利用率较低；WDM技术在1根光纤上承载多个波长（信道），使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。

　　在过去20年里，光纤通信的发展超乎了人们的想象，光通信网络也成为现代通信网的基础平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从70年代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，以及近来风起云涌的DWDM系统，乃至将来的智能光网络技术，光纤通信系统自身正在快速地更新换代。

　　波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了，80年代末、90年代初，AT&T贝尔实验室的厉鼎毅（T.Y.Lee）博士大力倡导波分复用（DWDM）技术，两波长WDM（1310／1550nm）系统80年代就在美国AT&T网中使用，速率为2×1.7Gb／s。但是到90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：

　　（1）TDM（时分复用）技术的发展，155Mb／s-622Mb／s-2.5Gb／s TDM技术相对简单。据统计，在2.5Gb／s系统以下（含2.5Gb／s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降30％左右。正由于此，在过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。

　　（2）波分复用器件还没有完全成熟，波分复用器／解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化。

　　DWDM发展迅速的主要原因在于：

　　（1）TDM10Gb／s面临着电子元器件的挑战，利用TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限，TDM已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高。

　　（2）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb／s系统的传输，光纤色度色散和偏振模色散的影响日益加重。人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率，而WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。

　　（3）光电器件的迅速发展。1985年英国南安普顿大学首先研制出掺饵光纤放大器。1990年，比瑞利(Pirelli)研制出第一台商用光纤放大器（EDFA），EDFA的成熟和商用化，使WDM技术长距离传输成为可能。

　　从技术和经济的角度，DWDM技术是目前最经济可行的扩容技术手段。

　　2、光通信发展的三个阶段

　　传统的光纤传输技术，经历了准同步数字体系（PDH）、同步数字体系（SDH），和波分复用（WDM）三个阶段，如图1所示。

　　图1  光通信发展的三个阶段

　　以下将简要介绍PDH、SDH到DWDM的发展过程，以及各种技术的接口规范。

　　2.1 PDH

　　早期的光传输系统采用准同步数字体系PDH，是在原有模拟电话网的基础上引入PCM（脉冲编码调制）数字传输技术发展起来的，采用比特填充和码位交织的方法将低速率等级的信号复合成高速信号。

　　PDH系统的基群信号采用同步时分复用方式，其他高次群的复用均采用准同步（或称异步）的时分复用方式。

　　PDH系统包括欧洲、北美和日本3个地区性的速率等级标准，如表所示。

　　表 1.1 1 PDH码速率

　　从20世纪70年代初期至80年代，PDH系统和设备在数字网中获得大规模的推广应用。但是随着光纤通信技术的发展，以及用户对通信业务需求的增加，PDH的弱点也越来越明显。

　　（1）3种速率标准互不兼容，不利于国际互通的发展。

　　（2）没有世界性的标准光接口规范。各个厂家自行开发的专用光接口互不兼容，限制了联网的灵活性，增加网络的复杂性和运营成本。

　　（3）PDH是建立在点对点传输基础上的复用结构。只支持点对点传输，无法满足复杂网络组网。

　　（4）运行、管理和维护必须依靠人工的数字信号交叉连接和停业务测试进行，无法满足现代通信网对监控和网管的需求。

　　（5）随着速率的增加，采用PDH技术实现高次群复用的难度明显增大，不能适应光纤数字通信大容量超高速率传输发展的需要。

　　2.2 SDH

　　20世纪80年代中期，由美国贝尔通信研究所提出了同步光网络（SONET）的概念。1988年，原CCITT（ITU-T的前身）接受了SONET的概念，形成了世界统一的传输网技术标准，并重新命名为同步数字体系（SDH）。

　　SDH信号采用同步复用方式和灵活的复用映射结构。各种不同等级的码流在帧结构净负荷内规律排列，净负荷与网络同步，只需借助相应软件，即可使高速信号一次直接分插出低速支路信号，也就是所谓的一步解复用特性。

　　SDH系统的速率规范如表所示。

　　表 1.1 2 SDH信号等级

　　SDH规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型特性，提供了一个国际支持框架，在此基础上发展并建成了一种灵活、可靠、便于管理的世界电信传输网。这种传输网易于扩展，适于新电信业务的开展，并且使不同厂家生产的设备互通成为可能。SDH设备的光接口符合ITU-T G.957和ITU-T G.691建议，该标准对工作中心波长没有特别规定。

　　但是，当传输速率超过10Gbit/s后，系统色散等不良影响将加重长距传输的难度，同时，SDH系统是基于单波长的时分复用系统，单波长传输无法充分利用光纤的巨大带宽，因此，在骨干网，引入了WDM技术，极大的扩大了光纤的传输容量。

　　2.3 WDM

　　WDM又叫波分复用技术，是新一代的超高速的光缆技术，所谓波分复用技术，就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增，它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源，采用合波器，在发送端将不同规定波长的光载波进行合并，然后传入单模光纤。在接收部分将再由分波器将不同波长的光载分开的复用方式，由于不同波长的载波是相互独立的，所以双向传输问题，迎刃而解。根据不同的波分复用器（分波器，合波器X可以复用不同数量的波长。

　　通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.4nm 到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。

　　3、DWDM在传输网中的定位

　　DWDM是一种能在一根光纤上同时传送多个携带有信息（模拟或数字）的光载波，可以承载SDH业务、IP业务、ATM业务。只需通过增加波长（信道）实现系统扩容的光纤通信技术。它将几种不同波长的光信号组合（复用）起来传输，传输后将光纤中组合的光信号再分离开（解复用），送入不同的通信终端，即在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道，我们也可以称之为虚拟光纤。DWDM在系统中的位置如图2所示。

　　图2  DWDM在系统中的位置

　　二、WDM的相关定义

　　WDM 波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）是指，在1根光纤上承载多个波长（信道）系统，将1根光纤转换为多条“虚拟”纤，每条虚拟纤独立工作在不同波长上。由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络最广泛使用的光波复用技术。

　　WDM通常有3种复用方式，即1310nm和1550nm波长的波分复用、粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）。

　　（1）1310 nm和1550 nm波长的波分复用

　　这种复用技术在20世纪70年代初时仅用两个波长：1310nm窗口一个波长，1550nm窗口一个波长，利用WDM技术实现单纤双窗口传输，这是最初的波分复用的使用情况。

　　（2）密集波分复用（DWDM）

　　简单的说，DWDM技术是指相邻波长间隔较小的WDM技术，工作波长位于1550nm窗口。可以在一个光纤上承载8~160个波长。主要应用于长距离传输系统。

　　图3  DWDM系统示意图

　　（3）粗波分复用（CWDM）

　　CWDM技术是指相邻波长间隔较大的WDM技术，相邻信道的间距一般大于等于20nm，波长数目一般为4波或8波，最多18波。CWDM使用1200nm ~1700nm窗口。

　　CWDM采用非制冷激光器、无光放大器件，成本较DWDM低；缺点是容量小、传输距离短。因此，CWDM技术适用于短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。

　　1、DWDM基本概念

　　DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）密集波分复用技术是在波长1550nm窗口附近，在EDFA能提供增益的波长范围内，选用密集的但相互又有一定波长间隔的多路光载波，这些光载波各自受不同数字信号的调制，复合在一根光纤上传输，提高了每根光纤的传输容量。这些光载波的波长间隔为0.4～2nm，如图4所示。

　　图4  DWDM载波波长间隔

　　DWDM设备通常由五部分组成，如图5所示。

　　图5  DWDM系统组成

　　2、DWDM的特点和优势

　　（1）充分利用光纤的带宽资源，传输容量巨大

　　DWDM系统中的各波长相互独立，可透明传输不同的业务，如SDH、GbE、ATM等信号，实现多种信号的混合传输。如图6所示，多个光信号通过采用不同的波长复用到一根光纤中传输，每个波长上承载不同信号，在一根光纤中传输，大大提高了光纤容量，极大的节约了光纤资源，降低线路建设成本。

　　图6  DWDM传输容量巨大

　　（2）超长的传输距离

　　利用掺铒光纤放大器（EDFA）等多种超长距传输技术，可以对DWDM系统中的各通路信号同时放大，实现系统的长距传输。

　　DWDM的超长距传输

　　（3）平滑升级扩容

　　由于DWDM系统中的每个波长通道透明传输数据，不对通道数据进行任何处理，因此，扩容时，只需增加复用光波长通路数即可，方便易行。

　　3、DWDM的发展趋势

　　3.1 更高的通道速率

　　DWDM系统的通道速率由2.5Gbit/s发展到目前的10Gbit/s，基于40Gbit/s速率的系统已进入商用阶段。

　　3.2 更多波长复用数量

　　早期DWDM系统多用于8/16/32个波长，通道间隔为100GHz，工作波长位于C波段。随着技术的不断发展，DWDM系统的工作波长可覆盖C、L波段，间隔50GHz。如中兴通讯的ZXWM M900设备，最高可提供160波的复用。

　　3.3 超长的全光传输距离

　　通过提高全光传输的距离，减少电再生点的数量，可降低建网的初始成本和运营成本。

　　传统的DWDM系统采用EDFA延长无电中继的传输距离，目前，通过分布式拉曼放大器、超强前向纠错技术（FEC）、色散管理技术、光均衡技术以及高效的调制格式等，可从目前的600km左右扩展到2000km以上。

　　3.4 从点到点WDM走向全光网络

　　普通的点到点DWDM系统，主要由光终端复用器（OTM）组成，尽管有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带宽，组网能力不灵活。随着电交叉系统的不断发展，节点容量的不断扩大，点到点组网显然无法跟上网络传输链路容量的增长速度。进一步扩容的希望转向光节点，即光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）。

　　通过OADM可构成链型、环型光网络。OADM设备控制不同波长信道的光信号传至适当的位置，并可实现光层业务的保护和恢复。

　　OXC是下一代光通迅的路由交换机。在全光网络中的主要功能包括：提供以波长为基础的连接功能，光通路的波长分插功能，对波长通路进行疏导以实现对光纤基础设施的最大利用率，实现在波长、波长组和光纤级上的保护和恢复。OXC设置于网络上重要的汇接点，汇集各方不同波长的输入，再将各路信号以适当的波长输出。通过OADM和OXC可组建更为复杂的环型网络。在下一代IP Over DWDM的电信／网络体系结构中，OXC将有望以光信号传送取代现有的电交换/路由的地位。

　　3.5 IP over DWDM技术的发展

　　Internet骨干网的带宽增长迅猛，如果不采用DWDM技术，那么仅Internet的数据流量就可以占满整个单波光纤系统的容量（目前，商用化单波长光纤系统的最大传输速率为40Gbit/s）。因此，IP over DWDM将是未来网络通信的主要技术。