WDM波分复用技术
1 绪论
本论文主要研究的是WDM波分复用技术，其中包括WDM技术的产生背景，WDM 的基本概念和特点，WDM的关键技术，WDM的网络生存性，WDM技术发展现状及发展趋势等，下面将分别从以上几个方面讨论。
2 WDM技术产生背景
随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传送量正以一种加速度的形式膨胀。信息时代要求越来越大容量的传输网络。近几年来，世界上的运营公司及设备制造厂家把目光更多地转向了WDM 技术，并对其投以越来越多的关注，增加光纤网络的容量及灵活性，提高传输速率和扩容的手段可以有多种，下面对几种扩容方式进行比较。 1. 空分复用SDM（Space Division Multiplexer）
空分复用是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量，传输设备也线性增加。
在光缆制造技术已经非常成熟的今天，几十芯的带状光缆已经比较普遍，而且先进的光纤接续技术也使
光缆施工变得简单，但光纤数量的增加无疑仍然给施工以及将来线路的维护带来了诸多不便，并且对于已有的光缆线路，如果没有足够的光纤数量，通过重新敷设光缆来扩容，工程费用将会成倍增长。而且，这种方式并没有充分利用光纤的传输带宽，造成光纤带宽资源的浪费。作为通信网络的建设，不可能总是采用敷设新光纤的方式来扩容，事实上，在工程之初也很难预测日益增长的业务需要和规划应该敷设的光纤数。因此，空分复用的扩容方式是十分受限。
2. 时分复用TDM（Time Division Multiplexer）
时分复用也是一项比较常用的扩容方式，从传统PDH 的一次至四次的复用，到如今SDH 的STM-1、STM-4、STM-16 乃至STM-64 的复用。通过时分复用技术可以成倍地提高光传输信息的容量，极大地降低了每条电路在设备和线路方面投入的成本，并且采用这种复用方式可以很容易在数据流中抽取某些特定的数字信号，尤其适合在需要采取自愈环保护策略的网络中使用。
时分复用的扩容方式有两个缺陷：第一是影响业务，即在“全盘”升级至更高的速率等级时，网络接口及其设备需要完全更换，所以在升级的过程中，不得不中断正在运行的设备；第二是速率的升级缺乏灵活性，以SDH 设备为例，当一个线路速率为155Mbit/s 的
系统被要求提供两个155Mbit/s 的通道时，就只能将系统升级到622Mbit/s，即使有两个155Mbit/s 将被闲置，也没有办法。
对于更高速率的时分复用设备，目前成本还较高，并且40Gbit/s 的TDM 设备已经达到电子器件的速率极限，即使是10Gbit/s 的速率，在不同类型光纤中的非线性效应也会对传输产生各种限制。现在，时分复用技术是一种被普遍采用的扩容方式，它可以通过不断地进行系统速率升级实现扩容的目的，但当达到一定的速率等级时，会由于器件和线路等各方面特性的限制而不得不寻另外的解决办法。
不管是采用空分复用还是时分复用的扩容方式，基本的传输网络均采用传统的PDH 或SDH 技术，即采用单一波长的光信号传输，这种传输方式是对光纤容量的一种极大浪费，因为光纤的带宽相对于目前我们利用的单波长信道来讲几乎是无限的。我们一方面在为网络的拥挤不堪而忧心忡忡，另一方面却让大量的网络资源白白浪费。 3. 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）
WDM 波分复用是利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，将不同速率（波长）的光混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同数据格式。可以通过增加新的波长特性，按用户的要求确定网络容量。对于2.5Gb/s 以下的速率的WDM，目前的技术可以完全克服由于光纤的散和光纤非线性效应带来的限制，满足对传输容量和传输距离的各种需求。WDM 扩容方案的缺点是需要较多的光纤器件，增加失效和故障的概率。
4. TDM 和WDM 技术合用
汇流板
利用TDM 和WDM 两种技术的优点进行网络扩容是应用的方向。可以根据不同的光纤类型选择TDM 的最高传输速率，在这个基础上再根据传输容量的大小选择WDM 复用的光信道数，在可能情况下使用最多的光载波。毫无疑问，多信道永远比单信道的传输容量大，更经济。[1]
3 基本概念和特点
波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术是指在一根光纤中同时传输多个波长的光载波信号，WDM在光纤实行的频分复用技术，更是与光纤有着不可分割的联系，目前WDM 系统是在1550 nm 窗口实行的多波长复用技术。波分复用（WDM）实际上是光的FDM即OFDM，经复用后在同一根光纤上传送。简而言之，WDM就是指不同颜的光（为不可见光，是指不同频率的光）在同一根光纤中传输，由于它们的光谱成分不同，在大气传输是各不干扰的。在接收端使用解复用器（等效于光通带滤波器）将各种载波上的光信号分开。
波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用（OFDM），
只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制。随着电-光技术的向前发展，在同一光纤中波长的密度会变得很高。因而，使用术语密集波分复用（DWDM-Dense Wavelength Division Multi
plexing），与此对照，还有波长密度较低的WDM 系统，较低密度的就称为稀疏波分复用（CWDM-Coarse Wave Division Multiplexing）。这里可以将一根光纤看作是一个“多车道”的公用道路，传统的TDM 系统只不过利用了这条道路的一条车道，提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度来增加单位时间内的运输量。而使用DWDM 技术，类似利用公用道路上尚未使用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。[2]
WDM系统的基本构成主要分双纤单向传输和单纤双向传输两种方式。单向WDM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的具有不同波长的已调光信号通过光延长用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长的光携带的，所以彼此间不会混淆，在接收端通过光的复用器将不同波长的光信号分开，完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。双向WDM是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络，目前单向的WDM系统在开发和应用方面都比较广泛。
4 关键技术张英森
WDM的关键技术包括三个方面：合/分波器、光放大器和光源器件。
1）合/分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。在整个WDM系统中，光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决
定性作用。将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器；反之，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。从原理上说，该器件是互易（双向可逆）的，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。对光波分复用器性能的基本要求是：插入损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复用通路数多和具有较高的分辨率等。在目前实际应用的WDM系统中，主要有光栅型光波分复用器和介质膜滤波器型光波分复用器。
2）光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大，经过长距离（80~120km）光纤传输后，需要对光信号进行光中继放大。目前使用的光放大器多数为掺铒光纤光放大器（EDFA）。在WDM 系统中必须采用增益平坦技术，使EDFA对不同波长的光信号具有相同的放大增益，并保证光信道的增益竞争不影响传输性能。一般来讲，合/分波器的插入损耗较大，大大减小了WDM系统的传输距离（仅为三四十公里左右），满足不了实际需求。使用光放大器后，不仅可使WDM系统的传输距离达到常规要求，而且还可以实现超长距离传输，达到640km 无电中继传输。因此对光放大器的要求是：有很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数等。目前1550nm 波长范围皆采用掺饵光纤放大器（EDFA），
但在1310nm 波长范围尚无实用化的光放大器，所以目前WDM技术主要用于1550nm 波长范围。
3）WDM 系统的超长距离传输对光源器件提出了非常苛刻的要求，光源器件必须具有十分狭窄的谱宽
和非常稳定的发射波长。光纤通信系统的传输距离可能会受到系统损耗的限制，也可能会受到系统散的限制，而在高速率传输的情况下，往往是散受限占主要地位。光放大器的使用只是解决了损耗受限的问题，而散受限的问题则需要选择谱宽极窄的半导体激光器来解决。此外，ITU－T对WDM系统的工作波长及其偏差（频偏）作了严格的规定，如系统工作光波波长的偏差在±0.08nm 范围，这就要求光源器件的发光波长非常稳定，否则复用光通路的信号可能会串到相邻的光通路之中，在解复用时会产生混乱。除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外，还应根据WDM系统的不同应用（主要是传输光纤的类型和传输距离）来选择具有一定度散容量的发射机。在接收端，光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道信号，采用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信道，接收机不但要满足对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受一定光噪声的信号，要有足够的电带宽性能。[3]
WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点：
1）超大容量传输：WDM系统的传输容量十分巨大。由于WDM系统的复用光通路速率可以为2.5，10Gbit/s等，而复用光通路的数量可以是4，8，16，32甚至更多，因此系统的传输容量可达到300－400Gbit/s。
2）节约光纤资源：对单波长系统而言，1个SDH系统就需要一对光纤，而对WDM 系统来讲，不管有
多少个SDH分系统，整个复用系统只需要一对光纤就够了。例如对于16 个2.5Gbit/s 系统来说，单波长系统需要32 根光纤，而WDM系统仅需要2 根光纤。
3）各通路透明传输、平滑升级扩容：只要增加复用光通路数量与设备，就可以增加系统的传输容量以实现扩容，而且扩容时对其它复用光通路不会产生不良影响。所以WDM 系统的升级扩容是平滑的，而且方便易行，从而最大限度地保护了建设初期的投资。WDM 系统的各复用通路是彼此相互独立的，所以各光通路可以分别透明地传送不同的业务信号，如话音、数据和图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极大的便利。
4）充分利用成熟的TDM技术：以TDM方式提高传输速率，虽然在降低成本方面具有巨大的吸引力，但面临着许多因素的限制，如制造工艺、电子器件工作速率的限制等等。据分析，TDM方式的10Gbit/s光传输设备已非常接近目前电子器件的工作速率极限，再进一步提高速率是相当困难的（至少目前的技术水平如此）。而WDM技术则不然，它可以充分利用现已成熟的TDM技术，相当容易地使系统的传输容量达到80Gbit/s及以上水平。
单水合肼5）利用EDFA实现超长距离传输：接饵光纤放大器（EDFA）具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，在光纤通信中得到了广泛的应用。掺饵光纤放大器的光放大范围为1530
覆盖膜－1565nm，但其增益曲线比较平坦的部分是1540－1560nm，它几乎可以覆盖整个WDM 系统的1550
nm工作波长范围。WDM系统的超长传输距离可达到数百公里，节省大量中继设备，并降低成本。
6）对光纤的散无过高要求。对WDM系统来讲，不管系统的传输速率有多高、传输容量有多大，它对光纤度散系数的要求基本上就是单个复用通路速率信号对光纤度散系数的要求，一般的G.652光纤都能满足。
7）可组成全光网络：全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网络中，各种业务的上下、交叉连接等都是在光路上通过对光信号进行调度来实现的，从而消除了电光转换中电子器件的瓶颈。
5 网络生存性
5.1 网络生存性的概念
生存性是指网络发生故障时，仍可继续提供服务的能力。
具体来说，生存性是指在网络发生故障后能尽快利用网络中空闲资源为受影响的业务重新选路，使业务继续进行，以减少因故障而造成的社会影响和经济上的损失，使网络维护一个可以接受的业务水平的能力。
广义的生存性包括一下几个方面：故障检测（Fault detection）、故障定位（Fault location）、故障通知（Fault notification）、故障恢复（Fault recovery）。狭义的生存性指故障恢复。
狭义的生存性分为保护机制（protection schemes）和恢复机制（restoration schemes）。
保护机制是指利用节点之间预先分配的带宽资源对网络故障进行修复的机制，一般在工作路径建立的同时建立保护路径。
rat组合恢复机制是指不进行预先的带宽资源预留，当发生故障后，再利用节点之间的可用资源动态地进行重路由来代替故障路由的机制。经常出现的网络故障包括以下几种：设备故障，链路故障，软件故障。[4]
5.2 网络生存性策略——保护和恢复
带写字板的椅子为了保障网络的正常工作，必须建立一个具有快速、可靠的交叉连接机制和重选路由技术的保护倒换方案。就网络生存性而言，包含两个方面的内容：保护和恢复。
1）保护恢复技术分类
按网络中所使用的协议层次进行划分，保护恢复技术可以分为：IP层恢复技术，ATM 层恢复即使，SDH层恢复技术，光层恢复技术等。也可以分为保护倒换和利用OXC重新选路进行业务恢复两种。
2）网络生存性性能指标
冗余度：指网络中总的空闲容量与总工作容量之比。
恢复率：指已恢复的通道数占原来失效的总通道数的比例。
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