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【摘 要】本文主要分析了40Gbit/s DWDM系統(tǒng)的關鍵技術(shù)，特別是分布式喇曼放大、精確色散管理和動態(tài)PMD補償技術(shù)，簡單的闡述了烽火通信在領先的80×40Gbit/s DWDM平臺的研發(fā)以及工程實用情況。

【關鍵詞】DWDM、喇曼放大、色散、PMD、非線性效應

隨著業(yè)務的迅速發(fā)展，光網(wǎng)絡技術(shù)正在大步前進。正如我們看到的廣泛應用的DWDM系統(tǒng)一樣，已經(jīng)開始由10Gbit/s速率向40Gbit/s 發(fā)展。而且隨著新業(yè)務的驅(qū)動，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務對帶寬需求以及路由器40Gbit/s接口的的出現(xiàn)，人們已經(jīng)從當初“該不該發(fā)展40Gbit/s DWDM技術(shù)”的疑惑中走出來，越來越多的設備供應商以及網(wǎng)絡運營商參與到高速率DWDM系統(tǒng)的研究和建設中來。
烽火通信一直致力于大容量DWDM系統(tǒng)的研究，目前已成功開發(fā)出了3.2T（80×40G） DWDM平臺，并在國內(nèi)首次成功實現(xiàn)了工程應用。在3.2T中采用了多種關鍵性的技術(shù)，特別是分布式喇曼放大技術(shù)、40G OTU技術(shù)、精確色散管理技術(shù)、動態(tài)PMD(偏振模色散，Polarization Mode Dispersion)補償技術(shù)等。

1 80×40Gbit/s DWDM關鍵技術(shù)

從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)來看，基于40Gbit/s的T比特波分復用傳輸系統(tǒng)從功能模塊上可以分為合分波器、光放大器、光波長轉(zhuǎn)換器(OTU)、色散補償管理和偏振模色散管理模塊、光監(jiān)控通路、網(wǎng)元管理等部分。

圖-1 80x40Gb/s系統(tǒng)框圖

從上圖我們不難發(fā)現(xiàn)，為了解決單波道40G bit 的高速率傳輸，重點需要研究如下內(nèi)容：分布式喇曼放大技術(shù)、前向糾錯技術(shù)（FEC/EFEC/SFEC）、40G OTU技術(shù)、傳輸碼型和調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、精確色散管理技術(shù)、動態(tài)PMD(Polarization Mode Dispersion)補償技術(shù)。其中：40G OTU技術(shù)、傳輸碼型和調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、精確色散管理技術(shù)和動態(tài)PMD補償技術(shù)是需要重點解決的技術(shù)難點。
1.1 分布式喇曼放大技術(shù)
40Gbit/s的系統(tǒng)中光放大技術(shù)的實現(xiàn)是實現(xiàn)系統(tǒng)的關鍵技術(shù)之一。40Gb/s信號需要的接收機電帶寬是10Gb/s的四倍，所以要求的光信噪比(OSNR)至少要高6dB。提高系統(tǒng)的OSNR有兩種解決方案，一種是采用低噪聲的EDFA，另一種是采用EDFA與Raman相結(jié)合來降低系統(tǒng)的噪聲。采用分布式喇曼光纖放大器可以有效地提高傳輸后的OSNR，延長傳輸距離，降低發(fā)射端光功率，有利于降低非線性光效應的影響。
在實際系統(tǒng)中，分布式喇曼放大器（DRA）通常結(jié)合EDFA使用，放在每個跨段的接收側(cè)，用來提高系統(tǒng)的光信噪比。典型的系統(tǒng)應用如圖-3所示。

圖-2 分布喇曼放大器（DRA）在實際系統(tǒng)中的應用

1.2 前向糾錯技術(shù)
FEC (前向糾錯，F(xiàn)orward error correction)技術(shù)的原理是在發(fā)射端編碼時加入檢驗字節(jié)，根據(jù)比特相關性，在接收端通過對校驗比特進行一定的計算以糾正碼流中的錯誤，從而達到改善系統(tǒng)誤碼性能的目的。FEC技術(shù)的最大優(yōu)點在于不必增加大量的設備，就可以有效的改善系統(tǒng)的綜合傳輸性能，包括延長傳輸距離，降低發(fā)射機功率，改善接收機靈敏度，降低對線路光信噪比的要求。

目前，比較常用的FEC方式主要有以下三種：
1、標準FEC， ITU-TG.975、G.709已標準化，它的編碼增益達到5dB左右，速率提高7%；

2、增強 FEC（Enhanced FEC），編碼增益達到8～9dB，但速率提高25%，達到12.5Gb/s，對器件要求比較嚴格，靈敏度也會有所劣化；

3、超強FEC（SFEC Super FEC或AFEC Addition FEC）。SFEC能夠?qū)崿F(xiàn)一種具有較小的組長與高的糾錯能力碼。這種編碼方式在有突發(fā)誤碼發(fā)生時，可以將短周期內(nèi)的大突發(fā)誤碼擴散到長周期內(nèi)的小誤碼，對因環(huán)境引起的傳輸損傷如PMD比較有效，速率仍為10.7Gb/s，但可以獲得和12.5Gb/s EFEC同樣高的編碼增益；

這三種FEC技術(shù)目前已廣泛地應用于多通道、超長距離（ULH）的 DWDM系統(tǒng)中。
利用前項糾錯技術(shù)可以改善系統(tǒng)的BER特性，但是從實質(zhì)上來看FEC技術(shù)是用電子電路的復雜性換取光信噪比（OSNR, Optical Signal Noise Ratio）預算的增加。因而如何選取前向糾錯碼碼型需要綜合考慮系統(tǒng)性能BER提高和電路復雜性以及系統(tǒng)傳輸速率之間的關系。

圖-3 不同F(xiàn)EC編碼的凈增益比較
1.3 40G 波長轉(zhuǎn)換技術(shù)
目前市面40G OTU的技術(shù)是40G DWDM系統(tǒng)的重中之重，但由于器件的原因，40G OTU方案選擇非常麻煩，下面將簡單介紹40G OTU的兩種方案：
（1）具有40G客戶端接口的結(jié)構(gòu)

圖-4 具有40G客戶端接口的結(jié)構(gòu)
該方案即在線路側(cè)和系統(tǒng)側(cè)全部采用40G的光收發(fā)器，具有40G的客戶端接口。
（2）4×10G TMUX結(jié)構(gòu)

圖-5 TMUX結(jié)構(gòu)
該方案在線路側(cè)為40G光接口，而在系統(tǒng)側(cè)采用4路10G業(yè)務采用透明復用的方式形成40G信號。
方案1的好處是具有40G客戶端接口，但FEC芯片可能是瓶頸；方案2采用的是4×10G TMUX(Transparent Multiplexer)方式，充分利用10G技術(shù)及10G FEC/EFEC/SFEC技術(shù)，比較實用，缺點是無40G幀，不滿足ITU-TG.709標準。

1.4 色散管理技術(shù)
在高比特率下（大于Gb/s），由于光傳輸系統(tǒng)的色散容限與系統(tǒng)傳輸?shù)淖畲蟊忍芈实钠椒匠煞幢?nbsp;，所以40 Gbit/s系統(tǒng)比10 Gbit/s系統(tǒng)對脈沖展寬和失真的敏感要大很多。在基于10 Gb/s的DWDM傳輸系統(tǒng)中，能滿足要求的采用DCF補償模塊的方式，在40 Gb/sWDM傳輸系統(tǒng)中則由于色散容限只有大約60 ps/nm，而不能單純采用DCF進行補償。烽火通信采用了固定色散補償模塊和可調(diào)色散補償模塊相結(jié)合的方式來對系統(tǒng)的色散進行精確補償。
可調(diào)的色散補償器主要用于：

（1）精確補償因溫度變化而引起的色散的變化。例如：對于500 km的G.652單模光纖(SMF,Single Mode Fiber)，溫度變化25℃時，色散變化約30 ps/nm，相當于約2km的色散量。

（2）DWDM系統(tǒng)中色散斜率。在傳統(tǒng)的色散補償中，由于色散補償光纖和傳輸用光纖的色散斜率失配，隨著傳輸距離的增加，各個通道的殘余色散差累積越來越大，如圖3-13，導致部分通道的色散代價增加。因此，對亞長距離和超常距離傳輸，有必要在接收端對部分通道進行再補償。

通過單通道可調(diào)色散補償模塊，可以實現(xiàn)精確的動態(tài)色散補償。模塊由溫度可調(diào)諧型啁啾布拉格光纖光柵在系統(tǒng)發(fā)送和接收兩端（即MUX之前和DEMUX之后同時進行補償）實現(xiàn)，如圖-8所示。

圖-6 單通道可調(diào)色散補償模塊
單信道動態(tài)可調(diào)諧色散補償模塊，主要針對DWDM系統(tǒng)的如下特點應運而生：
1、光通信網(wǎng)絡相關支撐器件的多樣化和可配置功能使得普通點到點波分復用通信系統(tǒng)擁有更靈活的節(jié)點設置，實現(xiàn)更復雜的組網(wǎng)；
2、城域網(wǎng)通過不同的節(jié)點設備將具有不同傳輸物理特性的子網(wǎng)絡連接，特別是全光網(wǎng)中光交換器、光分插復用器等全光節(jié)點的引入，增加光網(wǎng)絡傳輸路徑的不確定性。而光信號色散、光脈沖展寬與信號的傳輸路徑是密切相關的，所以要求能夠進行動態(tài)色散補償。

1.5 PMD補償技術(shù)
PMD對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為使系統(tǒng)產(chǎn)生碼間干擾(ISI)，縮短了無電中繼距離。在1dB代價10-5概率下40G系統(tǒng)所能容忍的PMD值為2.5ps，在3dB 代價10-5概率下40G系統(tǒng)所能容忍的PMD值也只有3.75ps。對于這么小的PMD容忍值，為了保證中繼距離與10G系統(tǒng)相當，我們必須采取一定的補償措施。

考慮到光纖PMD是一種動態(tài)效應，不像色度色散是一個相對的穩(wěn)態(tài)值，需要動態(tài)實時地補償,因此必須研究PMD對40Gbit/s光通信傳輸系統(tǒng)的影響，運用自動跟蹤補償40Gbit/s系統(tǒng)的自適應PMD補償器，且補償量宜大于25ps。

PMD補償器結(jié)構(gòu)如圖-9所示。系統(tǒng)由偏振模色散補償光部分、偏振模色散監(jiān)測和邏輯控制三部分來實現(xiàn)。主要原理是通過偏振模色散監(jiān)測模塊來監(jiān)測PMD，邏輯控制部分根據(jù)反饋的監(jiān)測結(jié)果來調(diào)節(jié)PMD色散補償光，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)PMD的補償。PMD補償器中最困難的部分是反饋回路中的跟蹤軟件，軟件需要非常復雜的算法來找到較好的位置把PMD帶來的損失降到最小。而衡量偏振模色散器性能的指標主要包括殘余代價，故障概率、響應速度，對信號編碼方式、調(diào)制格式以及啁啾敏感程度。

圖-7 PMD補償結(jié)構(gòu)圖
2 工程設計實例
2.1 工程網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
2005年下半年，烽火通信開通了國內(nèi)第一個3.2T系統(tǒng)工程“上海到杭州80×40Gbit/s DWDM工程”，工程的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如下。

圖-8 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖
全程采用G.655光纜，光纜色度色散為5ps/nm.km，PMD 系數(shù)為0.036ps/ 。其中上海民生和杭州武林設置為OTM站，其它站點設置為OA站。
1）工程設計
本工程中，在上海民生和杭州武林之間建設80×40Gbit/s DWDM工程。烽火通信采用先進的光網(wǎng)絡仿真軟件，將網(wǎng)絡中的各個實際參數(shù)導入到仿真軟件當中，幫助設計人員對系統(tǒng)的色散、衰減、信噪比和非線性進行了科學的模擬，各項指標均符合要求。
在該項目中，烽火通信對80×40G DWDM傳輸系統(tǒng)的關鍵技術(shù)和工程組網(wǎng)、業(yè)務應用進行了深入研究，在前向糾錯FEC、40G精確色散管理、可擴展到80×40G DWDM的設計、工程應用、現(xiàn)場測試方法等方面提出創(chuàng)新解決方案。該項目成功開通后，不僅使烽火通信全面掌握了40G DWDM長距離光傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)，積累了一定的工程建設經(jīng)驗，更為重要的是為我國未來網(wǎng)絡的發(fā)展提供科學的依據(jù)，為以后更多大規(guī)模的并發(fā)流媒體和交互式多媒體等新型業(yè)務應用提供了優(yōu)秀的承載平臺，引領了光通信技術(shù)發(fā)展潮流。在國家科技部組織的驗收后，湖北科學技術(shù)廳隨后對這一科技成果也進行了鑒定，并認為：該項成果填補了國內(nèi)空白，整體達到國際先進水平，實際應用處于國際領先。

3 結(jié)論 
　 當然，80×40G DWDM傳輸系統(tǒng)要實現(xiàn)規(guī)模應用，還有一段漫長的路要走。但可以預見的是，隨著網(wǎng)絡業(yè)務量的呈指數(shù)級增長時，隨著3G新業(yè)務的不斷涌現(xiàn)，隨著技術(shù)的進一步成熟和成本的下降，超大容量、超高速的80×40Gb/s DWDM系統(tǒng)也必將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。
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