（通信与信息系统专业论文）密集波分复用（dwdm）传送网的规划与设计.pdf

南宣邮f u - j r ：学 1 - i ；7 硕i 研究生学位论史摘经 内容摘要 随着通信技术的发展和i n t e m e t 网络时代的到来，传输网络的容量和质量已越来越受到 各个运营商的重视，采用密集波分复用( 即d w d m 技术) 组建传送网已成共识，如何最大 限度的利用现有传输资源，以较少的投入完成对传输网络的改造和优化己成运营商非常关心 的问题。 本文首先介绍i p 网几种不同的组网方式，i po v e ra t m 、i po v e rs d t t 、i po v e r1 ) v d l d 的技术特点及其在实际应用中的比较，分析了i po v e rd w d m 技术在传输系统组网中的优 势：其次通过介绍不同类型的光纤g 6 5 2 、g 6 5 3 、g 6 5 4 、g 6 5 5 正负色散光纤及目前丌 发不久的令波光纤的技术特点和在实际应用中的比较分析了各类光纤在d w d m 网络设计 和规划中的光纤选型的不同特点。最后在d w d m 网络设计和优化中详细介绍和探讨了系统 的网络规划和设计流程，并结合荆州本地传输网的设计特别是城域网应用中的网络的一些 参数进行了具体规划和计算。 关键词：规划设计组网密集波分复用 订京邮i 也人学t 程坝f ：研究生学位论立 摘要 a b s t r a c t w it ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dt h ea r r i v a lo fi n t e r n e t a g e s ，t h ec a p a c i t ya n dq u a li t yo ft r a n s m i t t i n gn e t w o r kh a v eb e c o m em o r ea n dm o r e s i g n i f i c a n c e t oa l l o p e r a t i o nm e r c h a n t t h e yh a v eg e t i n t o a g r e e m e n t f o r c o n s t r u c t i n gat r a n s m i t t i n gn e t w o r kb yd w d mt e c h n i q u e h o wt ou t i l i z et h e c u r r e n tt r a n s m i t t i n gr e s o u r c et om i n i m u mc o s ti n v e s t m e n t a n di m p r o v et h e t r a n s m i t t i n gn e t w o r kh a v eb e c o m es e r i o u st ot h eo p e r a t i o nm e r c h a n t a tt h eb e g i n n i n go f t h i sp a p e rd e m o n s t r a t es e v e r a ln e tc o n s t r u c t i o nw a yo fi p n e t ，t e c h n i c a ls p e c i a l t yo fi po v e ra t m ，i po v e rs d h ，i po v e r d w d ma n dt h e i r d i f f e r e n c ei np r a c t i c e u s e ，a n da n a l y z et h ea d v a n t a g eo f i po v e r d w d mt e c h n i q u e i n t r a n s m i t t i n gs y s t e mn e t w o r k f o l l o w e dt h e r ei sa n e x p l a n a t i o n o ft h e t e c h n i c a l s p e c i a l t ya n dc o m p a r i s o ni np r a c t i c a lu s eo fd i f f e r e n tk i n d so fr a y g 6 5 2 g 6 5 3 ，g 6 5 4 ，g 6 5 5 ，p o s i t i v ea n dn e g a t i v ec o l o ra s t i g m a t is mr a ya n d n e w l yd e v el o p e df u l lw a v er a y i nt h ee n d ，t h e r ei sad e t a ile x p l a n a t i o na n d s t u d yt ot h es y s t e mp l a n n i n ga n dd e s i g n i n gp r o c e s sw i t hd w d m n e t w o r kd e s i g na n d o p t i m i z a t i o n a n dc o n d u c tad e t a i l e dc a l c u l a t i o ni nc o o p e r a t i o nw i t ht h ed e s i g n o f1 0 c a lt r a n s m i t t i n gn e t w o r ki nj i n g z h o u ，e s p e c i a l l yt h o s ef a c t o r sa p p l i e di n t h et o w na r e an e t w o r k k e yw o r d s ：p l a n n i n gd e s i g n i n gn e “v o r k i n gd w d m 南京邮电大学 工程硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：数字通信系统 作 者：j 塑堕级研究生 杨柳 指导教师庭室垦 题目：密集波分复用传送网的规划与设计 英文题目：p l a n n i n ga n dd e s i g n i n go fd w d mt r a n s p o r tn e t w o r k 主题词：规划设计组网密集波分复用 k e y w o r d s ：p l a n n i n gd e s i g nn e t w o r k i n g d w d m 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书丽使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：超! g 日期：堂! ：! ! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 张生始塑誓导师张膨：竺型 南京j | | | 1 u 人学下程嘲f j i i j 究生学位论义 笫一章概述 第一章概述 随着信息技术应用的飞速发展，计算机的快速普及，信息高速公路j 下在迅 速进入家庭，各种以i p 包交换为主体的数据、图象业务( 如个人通信、商、i p 数 抛、c a b le - t v 、视频点播及曰监壮大的网络等) 迅猛增长并取代传统的话音业 务成为传输网上业务的主导，传输网上的业务流量正以前所未有的速度呈现爆 炸式的增长，带宽需求已使铺设的光纤资源消耗殆尽，对原已建立的传输网络 的承受能力形成了强烈的冲击，换言之，原有的传输网络受限于传输带宽已经 成为我国通信业务快速发展的瓶颈和制约因素。因而，必须寻找合适的技术迅 速提升传输网络的传输能力，既要尽量减少投入的资金，又要使所建设的网络 适应现在和未来一段时期内通信发展的带宽需要己成为传输领域内急需解决的 问题。在采用s d h 系统挖掘光缆的带宽潜力、采用o t d m 技术增加单根光纤中 g d h 的传输容量和采用w d b l 技术进行波分复用这三种技术中，w d m 技术得到了充 分的肯定和优先发展，它在长途骨干网上已经取代了g d h 技术，成为大容量传 输系统的首选扩容方案。同时，随着电信体制的改革深入，目前电信市场现已 呈现多家运营商激烈竞争的态势，对运营商来说，拥有一个高速度、高带宽、 低成本、低时延、拓扑结构灵活能迅速满足未来业务发展需要的基础传输网就 意味着拥有更大的市场份额，在战略上拥有更大的主动权。因此，规划和设计 好一个基础传送网对于每一个运营商来说具有十分重要的战略意义。 在这个信息爆炸的时代，以因特网技术为主导的数掂通信业务，使人们对 于带宽和服务的需求永无止境。面对市场需求的急剧扩张，如何提高通信系统 的性能，增加系统带宽，以满足不断增长的业务需求成为大家关心的焦点。在 众多可选择的方案中，d w d m ( 波分复用) 系统的出现为进一步挖掘和利用光纤 的巨大带宽丌辟了一块全新的天地。 南京郴也大学丁狸埘f 。讲究生学位论文 第一常i p 蚪纰附方比较 第二章i p 网组网方式的比较 随着宽带业务的迅速发展和计算机技术应用的普及，i p 数据包已成为传输 网的主导业务，因此，采用能有效地支持i p 业务的新技术组建骨干传送网是至 关重要的。传统承载i p 业务主要是基于a t m ( 即i p a t m ) 或基于s d h ( 即p o s 技术) 上的，那么，i p d w d m 对比p o s 和i p a t m 技术有哪些优势呢? 2 1i po v e ra t m i p a t m 是面向连接的a t m 与无连接i p 的统一，也是选路与交换的优化组 合，但是i p a t m 网络体系结构复杂，由于a t m 与i p 都具有寻址、选路、流量 控制功能，丌销损失很大。在网络扩展性方面，随着接口速率的增加i p a t m 所 要求的影射方式变得非常复杂，因此，i p a t m 主要用于网络边缘多业务的汇集 和一般i p 骨干网。 2 。2 i po v e rs d h p o s 技术是将i p 分组通过p p p 协议( 点到点协议) 直接映射到s d h 帧，与 i p a t m 比较，它保留了因特网的无连接特征，简化了网络体系结构，提高了传 输效率，易于兼容不同技术体系和实现网间互连。但是，p o s 技术存在以下缺 陷：不适合多业务平台，可扩展性不理想：只有业务分级，无优先级业务质 量；不支持v p n 和电路仿真；s d h 是以链路方式支持i p 网，不能从本质上提高 i p 网的性能。另外，s d h 线路速率受限于电子元件性能的极限，预计在未来不 长的时削内将难以适应高速骨干传送网业务增长的需要。 2 3i po v e rd w d m d w d m 技术是近年来出现的一种新技术，它是一种密集波分复用方式，在波 长1 5 5 2 5 2 r i m 岔口附近( 对应的频率为：1 9 3 1 t i z ) 的1 5 3 01 5 6 0 h m 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( 掺饵光纤放人 器e d f a 对这些光载波能平坦增益) ，受不同数字信号的调制，将不同波长的光 信号复用在一根光纤卜传输，每个波长可以传送2 5 g b i t s 、l o g b i t s 或更高 商京邮i u 人学丁程坝i 研究生学佗论史 第一章i pl 叫到朋方，的l e 较 的信号速率，通过波分复用可以大幅度增加光纤的容量，大人提高了光纡的传 输效率。根据光纤的理论极限，其最高传输速率可达2 5 0 t b i t s 而现在光纤 实际的最高带宽利用率仅为极限速率的1 左右，因此，d w d m 技术应用具有极为 广阔的前景。理想i p d w d , i 是一种最直接的结构体系，其协议栈和功能如下 图，由于i p d w d m 中问省掉了a t m 层和s d h 层，简化了层次和设备，减少了功 能重叠，减轻了网管及网络配置的复杂性。此外，额外的丌销最低，传输效率 高，通过工程流量设计，可以与i p 的不对称业务量特性相匹配，还可以利用光 纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少时延。下一步可以采用 不同波长来承载不同的协议与业务将取代a t m 业务汇集平台。出于省掉了a t m 交换机和大量普通s d h 复用设备，简化了网管，又由于采用了波分复用节约了 大量光纤和再生器，其总成本比传统网络将大大降低。另外，i p d w d m 将不仅 可以在i p 层实现电联网，而且还能在d w d m 光传送网层上实现光联网，从而提 供完全的电信级的网络可靠性和灵活性。正是由于i p d w d m 具备有以上高速 率、高带宽、低成本、低时延、拓扑结构灵活的特点，并代表 i p i p 适配 光通道 d w d m 光复用段 d w d m 光传送段 ip 、r 4 ，i p v 6 ( 客户数据包) i p 多协议封装、分组定界、 差错控制、q o s 控制 数字客户适配和带宽管理、连接性证实 一带宽复h j 、线路故障分段和保护切换 其他传送网维护功能 高速传输( 色散补偿) 、 光放大器故障分类 图2 1i po v e rd w d m 的协议栈及功能 着今后通信传输的发展方向，因此，当今光传输通信网络，无论是骨干长途 网、本地城域网或者用j 、，接入网，都大量以d w d m 技术为甲台，基于i ) w d m 的光 传送m 构成了整个通信嘲的坫础物理层。 2 4 w d m 技术在城域网中的应用 目的，光纤短缺仍然是城域网普遍存在的一个问题。尽管光缆的价格不 断下降，但是，挖沟、劳力以及其他安装成本仍然相当高。而w d m 技术允许一 南京| 1 | | ( 1 u 人苷r 程顺甜究生学位论文第：章i pl 崎纠l 州方a 的比较 根光纤上同时运行多条信道( 波长) 来承载多个信号，因此可以使已有的光纤 具有更大的传送容量。 城域网中的l l r d m 技术分为两类：稀疏波分复用( c w l n ) 和密集波分复用 ( d w d m ) 。萨如它们的名字一样，它们之间的一个重要区别就是它们在光谱中的 信道问隔不同。由于c w d m 信道采用大通带( 2 0 6 - 7 n r n ) ，因此它可以采用更便 宜的元器件，例如非制冷激光器和薄膜滤波器。所以，在同样的应用中，c w d m 比d w d m 具有更大的成本优势。很多人也由此认为c w d m 是城域接入这类短距离 通信的最佳平台。 但是，c w d m 也有它的局限性，因为城域网有时会需要较长的距离和较多的 波长，超出了c w d m 所能提供的范围。根据i t u tg 6 9 4 2 的波长间隔标准，当 前的c w d 在1 2 7 1 n m 到1 6 1l n m 波段内，实际能够支持的信道不超过1 8 条。而 且，目| j 仃电信级系统还不能提供l o g b s 的光波长。而在d w d m 中，尽管有成本 相对较低的“城域”d w d m ，能够将多条最多达4 0 条2 ，5 g b s 和 l o g b s 的光波长复用到根光纤上，但是要做到这点就必须有精细滤波器、 制冷激光器和更多的设备。这样一来，d w d m 对于某些边缘网络而言，就显得太 过昂贵了。 到底谁是最好的解决方案? 城域网是个依赖成本、距离和信道数各方面 因素的综合体系，因此，它可能需要的是c w d m 和i ) w d m 的混合技术。 早期的w d m 出现在上世纪8 0 年代中期，当时只是“双波长复用”即 1 3 l o h m 和1 5 5 0 n m 激光器通过无源滤波器在同根光纤上传送两个信号。这种 方法直接、可靠、成本低，并且易于操作，非常适用于运营商网络。之后的其 他w d m 技术方案多适用于特定的场合。例如c w d m 多用于l a n 中，因为它工作在 8 5 0 n m 波段，传输距离有限。 上世纪9 0 年代早期，w d m 的发展着重于解决运营商的容量短缺问题。由于 各个运营商的骨干网具有不同的性能和费用结构，因此如果要进行长距离大容 量的传送，就必须在系统中采用复杂昂贵的设备。而d w d m 通过采用很窄的信道 间隔( 1 6 到0 8 n m ) ，在很小的光谱窗口内开辟出了多条波长通道，恰好满足 了这一需求。窄信道间隔对于长距离通信非常重要，因为光纤损耗只在c 波段 南京l l i | j i u 人学丁程坝i + 研究生学位论文 笫一章i p 州纰嗍方= i j = 们比较 内是非常小的，而c 波段非常窄。 一，城域核心网用d w d m 由于城域带宽需求的不断增长，长距离d w d m 设备商发现可以在城域网中也 采用d w d m 方案。但是，这必须满足一系列新的要求，例如：距离短了很多：光 纤多是现成的并且多采用s o n e t 环形传送结构；为了能够处理更多种类的业 务，例如在城域网中出现的吉比特以太网、存储网络以及视频业务，协议透明 性更为重要了。 运营商们一直在寻找更便宜、更简单的长途踟o 技术，而设备商也因此不 断地改进自己的d w d m 系统。带通滤波器、无需色散补偿以及更宽的信道间隔都 是针对这些目标提出的解决方案。如今，城域d w d m 很好地满足了城域大容量核 心网以及城市之间网络扩展的要求。 在点到点的d w d m 系统中，d w d m 技术提供了增加带宽的有效方法，解决了 骨干网的带宽需求问题，同时d w d m 技术还有巨大的联网优势，可以以波长为单 位进行寻路、交换等处理，将网络层的更多的功能放到d w d m 光层束实现。 在利用d w d m 技术实现光联网的过程中，需要两种关键的设备：o a d m 和 o x c 。o a d m 可以以波长为单位，有选择性的上所需波长，而对于旁路直通的波 长信号，它不需要像s d h 一样要将所有的波长信号都转换到电域进行处理：带 有波长转换器的o x c 在指令控制下可以实现将任意入口光纤中的任意波长交换 到任意出口光纤的任意波长上。o x c 的基本思想是，先将入口光纤中的信号以 波长为单位进行解复角，然后对每一个波长进行选路，交换到目的出口光纤的 特定波长上，最后将选路后的波长进行复用输出。o a d m 的主要功能就是实现波 长上下路、组建环形网，而o x c 可以实现上下路、波长选路、波长变换以及保 护恢复等功能，它是实现未来的格形光网络的关键节点设备。 由于o a d m 和环形网络结构较易实现并具有较高的性价比，目前在网上已 丌始采用d w d m 环形网：但从节省维护操作成本、提高资源利用率、网络升级、 提供服务的快速和多样化等方面考虑，环状网将由d w d m 格形网来取代。不管是 广域网上还是城域网上，格形网都是发展的方向。例如，格形网结构可以在不 影响网络其它部分的情况下将每个节点升级，这在环状网中是不可能实现的。 另外，网状布局可以通过点到点连接来添加节点，这比在环状结构中添加节点 南京岍也夫学f ：程坝 研究生学位论文笫二幸 p 嘲组m 方，的比较 简单得多。现在已有公司使坏网中的每个节点在它的“邻居”以外建立连接。 在向d w d m 技术在传送网中的应用格形网络的发展过程中，光网络的智能 化显得越来越重要了，主要体现在以波长为单位的网络管理和控制( 信令和寻 路) 上。智能化的光网络以d w d m 技术为基础，在光域上实现自动业务指配和波 长分配、自动选路、自动的保护和恢复、以及业务量工程控制等，在实现真丁f 意义上的光网络的发展过程中产生了各种方案，其中自动交换光网络( a s o n ) 是在光传送网( o t n ) 的基础上发展起来的，这种方案在目前是比较容易实现 的，相关标准在今年底或者明年也将完成。在重叠模型的a s o n 中，将整个网络 分为客房网络( i p 网、a t m 网等) 和核心服务网络( d w d m 光网络) 。客户网络 可以请求光网络提供带宽服务在光网络的边缘设备将根据客户网络的请求为 客户信息建立一条穿越光网络的路由，到达目的客户网络，整个过程通过信令 自动实现，不需要人工干预。 d w d m 技术在城域光网上应用是必然的趋势，目前主要考虑的是接入更多种 类的业务信号，实现多神业务信号在d w d m 上高效率、方便的传输，同时降低 d w d m 相关设备的成本。现在为每一种业务或者为每一个流量大的接入点的信息 传送提供一个专用波长还是过于昂贵，利用效率太低，应该考虑实现在同一波 长上方便、高效地传输不同类型业务。 二城域接入网用c w d m 目前的经济形势以及最近出现的i t u - tg 6 9 5c w i ) m 光接口标准都为城域网 平台提供了更多机会。早期的c w d m 主要是针对企业应用的，而现在主流运营商 提供的c w d m 都能达到电信级，一般至少支持i t u tg 6 9 4 2 规定的1 8 条信道 中的8 条，传送距离最高可达8 0 k m 。c w d m 网络采用简单点到点拓扑和环形拓 扑，不需要d w d m 所必需的掺铒光纤放大器。表中列出了c w d m 和d w d m 之间的主 要区别。 c w d m 成本低、占地小，很适合安装在客户的大楼内和共址安装。吉比特接 口转换器( g b i c ) 和小型可插拔( s f p ) 收发器由于结构简单，都已经实用了。 热插拔光器件的采用也使系统能够在安装时选择波长，因而可以直接与数据通 信设备连接。这些简易的特点是c w d m 备受企业网和存储网青睐的重要原因。 多业务提供平台( m s p p ) 运营商开始在s o n e t 接口中弓l 入c w d m 光器件。 6 南京j 1 1 1 5 1 乜人学丁程峨l ： j j f 究生学位论文第二章l p 刚继悄方式的比较 s o n e r r 平台上的c w d m 激光器使运营商不再需要采用昂贵转发器的系统，而是直 接运用c w d m 。许多运营商认为c w d m 技术的这一应用是它能够得以推广的关键 所在。 转发器可以将多种业务连接到同一个c w d m 系统中，这些模块也是业务提供 商与网络运营商之问的分界点。有些转发器采用可插拔光器件来增加自身的灵 活性，同时可调模块的使用可以减少备用器件的数量。组合器可以将多个较低 速率的信号，例如g b e 或者o c 一1 2 ，进行组合或者复用后在高速波长转发器上 传送，以提高波长利用率，从而延长c w d m 的应用周期。 c w d m 适用于具有下列特性的网络： i 、信道需求较少，在4 8 条之问： 2 、 单信道的传送速率低于2 5 g b s ； 3 、距离小于8 0 k m 。 三d w d m 与c w d m 组网的成本比较 虽然c w d m 和d w d m 的信道数、吞吐速率以及传输距离等参数有类似的情 况，但是，它们的成本却有相当大的差异。按器件价格估算，c w d m 平台可以降 低高达5 0 的成本。 但是如果以系统成本作对比，结果可能会更为贴切。对比的因素包括器 件成本和系统容量，另外，在一定程度上考虑市场调节价格。采用一个简单粗 略的比较模型：两个站点之间点到点的链路距离约为4 0 k m ；所有的8 条线路都 利用具有3 r 功能的转发器传送2 5 g b s ( o c 一4 8 ) 业务：不采取保护措施。这 是c w d m 所能达到的最大业务量，因此，目前暂可认为d w d n i 比c w d m 更具优势。 在这种情况下，c w d m 系统的成本比d w d m 系统低三分之一左右。尽管c w d m 系统所采用的8 信道复用解复用器能够降低4 6 的成本，但节约的总成本中的 6 6 还是靠省去转发器实现的，因为在信道数较多的1 j d m 系统中，转发器占总成 本的比重最大。而且，c w d m 在功耗和冷却方面还可以降低运行成本。因此，即 使系统要增加到1 6 或者更多信道而必须增加3 0 自q 投入，c w d m 也仍然是更值得 的。 如果城域接入所需要的波长数比较少，比如4 信道，则c w d n i 相对于d w d m 的总成本优势还会再高一点接近3 7 。这主要是因为c w d g 对灵活性要求不 南京i | i i 乜大学工程硕i ：研究摩学位论文 第二辛l p 网组嗣方式妁【t 较 高以及系统采用了4 信道复用解复用器，而信道数少的器件成本也相对较低。 对于边缘应用，例如企业l a n 、存储网络以及视频点播等，从设备成本的角度 考虑，c w d m 是更合适的选择。 四d w d m 与c w d m 两种技术共用 出于两种技术都可用于城域网中，因此人们开始考虑兼容性和互通性，也 提出了多种综合的方法。 由于两种系统都用到了c 波段，因此，可以用c 波段的c w d m 信道来传送 d w d m 的窄波长。这样运营商就可以先建设使用全波段的c w d m 系统，既降低了 系统的初建成本，又不损失信道数，将来还可以升级到d w d m 系统，不再受 c w d m 的2 5 g 速率限制。 但是，这种方法并不能经常采用，因为在c w d m 系统中添加一根“额外波 长”的费用是相当昂贵的。因此，c w d m 是更适合城域接入的方案，因为城域接 入更注重成本，而不是容量。 c w d m 和d w d m 互相影响的另外一个地方就是连接城域接入网和城域核心网 的集线器。从边缘网来的业务必须通过集线器彳能被送入核心环网进行传送。 最坏的情况就是两个背靠背的系统对两个平台之间的业务进行解复用和再复 用。显然，这种方案的缺点是要用两套设备，包括两套转发器。 有些同时使用c w d m 和d w d m 技术的厂商已经将这两种系统的模块集中到同 一个平台上，这样，解复用后的c w d j i i 业务可以直接送到d w d m 转发器上，节约 了设备和空间。这种平台还能在整个城域网内实现端到端性能监视和成本优 化。 支持c w d m 光接口的可插拔光器件，例如s f p 收发器，已经能够实用了。这 类模块使交换机、路由器甚至一些s o n e tm s p p 能够将特定的波长直接送入光复 用器。当静d w d m 接口也丌始采用这种可插拔技术。2 0 0 4 年1 月，s f p 器件面 世，这预示着c w d m 价格的进一步下降。尽管这些s f p 激光器不可调，但它的发 展还是值得期待的。 将来，运营商或许就不必在c w d m 和d w d m 之间徘徊犹豫了，因为可能会出 现一种综合的技术，它既能够在短距离时发挥c w d m 的成本优势，又能够在长距 离时具备d w d m 的大容量传送能力。它将是一个综合的、经济的网络，运营商不 南京邮1 u 大学1 一程倾1 l 。驯究生学位论文 第一二革l p 列纽嗍方) 的比较 再需要在质量、数量以及成本之间进行折中。只要向此目标发展，c w d m 必然会 受到运营商的青睐。 最后要说的是，光网络正在变得更加灵活，即使c w d m 能够适应当前的需 求，随着带宽需求的增长，人们还是需要d w d m ，尤其是当业务提供商不再满足 于城域网、需要扩大到区域性或者长途网络的时候。 9 i j 京邮l u 人学i j 程烦i 究生学位论义筛p u 带d w d m 州络的拙术指标干能分析 第三章d w d m 设备和网络设计 3 1d w d m 网络结构 从承载的业务方式来看，w d m 网络可分为静态业务网和动态业务网，静念 业务网类似于永久式虚电路( p v c ) ，两个节点间的路由几分配的波长都是固定 的，而动态业务网则象半永久式虚电路( s p v c ) 或交换式虚电路( s v c ) ，适合 于承载突发业务的网络中，两点间的路由和波长需要动念的选择和分配；从波 长变换的角度看，w d m 网络又可分为无波长变换和有波长变换网络，在无波长 变换网络中，只有所选择的路由经过所有节点都有相同空闲波长情况下，j 能 建立连接，而有波长变换网络无此限制；从数据流在信源到信宿的传输过程中 有无光电转换过程这一角度看，w d m 又可分为单跳网和多跳网，单跳网中信号 从信源到信宿无需光电变换进行中继就象一个光流一样穿过网络，而多跳网 中，信号可在中f b j 节点进行再生和波长变换，因此信号必须经过多个节点的中 继后方能到达信宿节点，类似于信号在多个节点间跳跃前进：在物理连接上 d w d m 可分为环网、网状网、星型网和总线结构。 从d n n 网络选路力式上可划分为两种典型的网络结构：3 播与选择网 ( b r o a d c a s ta x l ) s e i e c tn 阻w o r k ) ( 见图3 1 ) 和波k 选路网( w a v e i ， i g t h r o u t e d 、【：7 f w o r l ( ) ( 见图3 ，2 ) 。 图3 1 删广播选择光网络 3 一1 广播与选择网 l 塑皇儿_ ! - ! 查兰一! ：型塑! ：坐丛生4 兰些笙兰 塑型萱里! 旦竺! 竺| 塾坚丝查塑堑塑竺堂竺塑 第三章d w d m 设备和网络设计 3 1d w d m 网络结构 从承载的业务方式来看，w 渊网络可分为静态、务网和动态业务网，静态 业务网类似于永久式虚电路( p v c ) ，两个节点间的路由几分配的波长都是固定 的，而动态业务网则象半永久式虚电路( s p v c ) 或交换式虚电路( s v c ) ，适合 于承载突发业务的网络中，两点问的路由和波长需要动态的选择和分配；从波 长变换的角度看，w d m 网络又可分为无波长变换和有波长变换网络，在无波长 变换网络巾，只有所选择的路出经过所有节点都有相同空闲波k 情况下，才能 建立连接，而有波长变换网络无此限制；从数据流在信源到信宿的传输过程中 有无光电转换过程这一角度霜，w d m 又可分为单跳网和多跳网，单跳网中信号 从信源到信宿无需光电变换进行中继就象一个光流样穿过网络，而多跳网 中，信号可在中问节点进行再生和波长变换，因此信号必须经过多个节点的中 继后方能到达信宿节点，类似于信号在多个节点间跳跃前进：在物理连接上 d w d m 可分为环网、网状剐、星型网和总线结构。 从d w d m 网络选路方式上可划分为两种典型的网络结构：广播与选择网 ( b r o a i ) c a s a n ds e i 。e c tk h w o r k ) ( 见圈3 i ) 和波长选路网( w a v 阻f 、g 1 h r o u t e d ! t w o r k ) ( 见图3 2 ) 。 r o u7 。f i i i ) nl ：t w o r k ) ( 见圈3 2 ) 。 图3 1 砌矿播选择光网络 3 1r 描与选择网 南京邮1 u 人学丁程倾i i j 究生学位论文第州章d w d m1 司络的技术指杯和性能分析 广播与选择网是通过无源星型耦合器件将多个节点按照星型拓扑结构连接 起来的，其基本原理是以广播形式发送，接收端有选择的滤波接收。 广播与选择网有一! 个不足之处：一是浪费光功牢。发送的光功率送到每一 个接受端，小管是是通信对象，这样埘实际通信节点来说，增加r 光功率的 损耗；二是可扩展性筹。n 个节点需要n 个波长。增加个节点就需要增加。 个波氏，每一个接收器的可调谐范丽也要相应增加一个波k ，斯且不能执行波 长重岸；三是带宽利用率低。一般一个节点只能利用1 n 的带宽。 广播与选择蜘爿i 适合组建较大规模的网络。这种嘲络丰f 要用于节点数较少 且对网络生存性要求布告的局域网或城域网。 3 5 2 波长选路网 波长选路网的关键是波长选路交换器，町分为波长交换方。和波长选择交 换方式两种。6 * 者是通过改变w d m 路由动念的在通道间交换数据信号，后者是 通过波长转换将信号倒换到另个波长上。 在波k 选路网q - t 。o x c 与光链路互相组成任意的拓扑结构，每个终端用户 都通过光链路连接到o x c 上，终端用户与其相应的o x c 组合成一个嘲络节点。 波长选路嘲是通过光通道柬实现通信的，光通道可以跨接多个光链路。 在波长交换方式的d w o m 中，一条光通道输入端口和输出端口上的波长应该 干g 同，这一点称为波长连续性需要。i 面波长选择交换方式的d w d m 网络不必满足 这一要求。 波长选路州可以用较少的波长支持较多节点间的通信，在d w d m 州络中建童： 历书+ 点之问的连接，如选择条最佳路由和合适的波长， 街京邮 b 夫掌丁程硕h 究掌学位论文笫淤嚣d w d m 跚络的技术指标和牲髓分析 i l i a 2波长路由网络 可极大的提高网络效率，减少波长的阻塞，通过优化网络的路由和波长， 还可以减少节点设备的端口数，降低网络的成本。 波长选路嘲具有承载业务透明、波长可以重用、可靠性较高、嘲络结构可虚掮 扑、可光路交换等特点。波长选路网是个基于光路交换的可进 j 二路山配冒和 重用的可靠的光网络，非常适合在覆盖较大的广域骨下网。1 t 使用。 3 2 明d m 网络单元结构及各部分功能 在介绍d w d m 网络设计方案之前，有必要先介绍d w d m 网络单元结构及其各部 分功能。w d m 技术在光网络中的应用正在经历一个从“线”到“面”的发展过 程， 即从点对点的d w d m 系统，到环形网，再到网状网的方向发展。点对点的d w d m 传输技术目前已比较成熟，目前，关于d w d m 技术的发展方向的研究主要有两个 方面：一是朝着更多波长、单个波长更高速率的方向发展；二：是朝着d w d m 联刚 乃m 发展，联嘲更能体现d w d m 技术的优越性。下丽以典型的点对点d w d m 网络 系统为例介绍d w d m 网络荦元结构及其各部分功能。点对点d w d m 网络系统主要 由光发射、光中继、光接收、光纤和网络管理等单元组成( 如图3 1 所示) ， 光发送主要由波长变换器、合波器和后置放大器组成，波长转换器完成将各种 不符合g 6 9 2 标准的单光信号源波长转换为标准的光波长，供i ) w d m 系统合波器 进行波长复用后，通过后置放大器放大进行传输：光中继放大是在d w d m 信号传 1 2 南京邮l 也人学t 程钡l 。研究生学位论史第矾章d w d mm 络的投术指标和矧，能分析 输过程中，信号功率衰减到一定程度后对信号进行功率放大，以便于光信号继 续传送；接收端则完成相反的功能，主要i 前置放大器、分波器和波长变换器 ( o u t ) 组成，由 j i 置放大器将接受到的光信号放大后，分波器将d w d m 合波信 号分离丌来，波长变换器根据需要再将各通道波长转换为所需要的各种波长信 号：网络管理系统主要完成 一一 r 一一i 一一 广 ， 光发射 光甲继放大光华收 光 一! ! ：卜 光 惦伊 衍咿 分 2 合 呻 波 波 _ 鐾 i 器 1 * 髀 i 光监牲芹瑚j 发送器 i l 光监摊佑道通道li 1 ltt l !兰竺竺兰兰l 1 ：b a ( 光后置放大器) 2 ：l a ( 光中继放大器) 3 ：p a ( 光前置放大器) 图3 。3d w d m 系统结构图 d w 嗍系统的各项管理功能，将在d w d m 监控系统中进行详细介绍。下面就d w i ) m 系统几种主要部件作具体介绍： 3 2 1 光放大器 一光放大器的原理与应用 d w d m 系统既可用于陆地与海底干线，也可用于市内通信网，还可用于全光 通信网。但d w d m 系统在带来巨大好处的同时也给系统设计、器件更新等方面带 来了极大的挑战。对新型光放大器的需求更是这些挑战中最关键的一项。 光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低 功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代d w d m 系统中不 南京邮i 乜大学工程硕二l 研究生学位论文第四章d w d m 网络的技术指标和性能分析 可缺少的关键技术。该技术既解决了衰减对光网络传输距离的艰制，叉丌创了 1 5 5 0 r i m 波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用 ( w d m ) 、密集波分复用( d w d m ) 、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信 发展史上的一个划时代的里程碑。 光放大器( o a ) 一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，可以作 为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的关键部件之一。其 作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光 缆传输距离。一个好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数 低、增益谱平坦等特性。目前光放大器形式主要有三种：1 ) 利用激光二极管 ( l d ) 制作的半导体光放大器( s o a ) ：2 ) 利用掺稀士光纤制作的光纤放大器，其 中以掺铒光纤放大器( e d f a ) 为主；3 ) 利用常规光纤非线性效应制作的分布式光 放大器，典型的是光纤拉曼放大器( f r a ) 。下面对s o a 、e d f a 和f r a 光放大器进 行比较。 1 半导体光放大器 现代光放大器中最早出现的是半导体光放大器( s o a ) 。它的基本结构、原 理和特性与半导体激光器非常相似。它们工作原理都是基于激光半导体介质固 有的受激辐射光放大机制，所不周的在于s o a 去掉了构成激光振荡的谐振腔， 并且s o a 是由电流直接激励驱动的。 半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦 合损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易 集成，适宜同光集成和光电集成电路结合使用。 通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大 器，称为法布旱泊罗( f - p ) 半导体激光放大器( f p a ) ，另一种是在f - p 激光器的两个端面上涂上抗反射膜以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这 种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。 由于半导体光放大器的工作原理决定了其放大增益不是很高，因此半导体 放大器在现代光通信系统中作为纯粹功率放大应用较少，它更多的是被用作高 速通信网中光开关、光复用解复用器和波长变换器等光信号处理模块。 2 掺铒光纤放大器 1 4 南京邮r u 大学t 程顶 j 研究生学位论立 第p q 章d w d m 埘络的技术指标和件能分折 掺饵光纤放大器( e d f a ) 主要由合波器w d m 、泵浦激光器( 大功率l d ) 、光 隔离器和掺铒光纤( 长1 0 3 0 m ) 构成。e d f a 的研制成功，是光通信发展的一个 “里程碑”。它的出现打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通 信距离延长至上千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。 掺铒光纤放大器主要幽掺铒光纤、泵浦光源、耦合器、光隔离器等组成。 有同( 前) 向泵浦、反( 后) 向泵浦和双向泵浦3 种泵浦方式，其区别在于信 号光与泵浦光的注入方向不同。同向泵浦也称为前向泵浦，它的信号光与泵浦 光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入。反向泵浦也称为后向泵浦，它的信号 光与泵浦光以两个不同方向注入进掺铒光纤。双向泵浦就是同向泵浦与反向泵 浦合并的方式。三种泵浦方式的结构图如图3 4 所示。三种泵浦方式的性能比 较见表3 1 。 泵浦效率= 信号光输出功率泵浦光功率噪声 同向泵浦6 1 在未饱和区，同向泵浦式掺铒光纤放大器的噪声系数最小，由于 输出功率加大将导致粒子反转数的下降，故在饱和区，噪声系数将增大。 反向泵浦7 6 双向泵浦7 7 e d f a 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光源( 波长9 8 0 n m 或1 4 8 0 r i m ) 的作用下，形成粒子数反转，产生受激辐射，辐射光随入射光的变化而变化， 进而对入射光信号提供光增益。其放大范围为1 5 3 0 1 5 6 5 n m ，增益谱比较平坦 的部分是1 5 4 0 1 5 6 0 n m ，几乎可以覆盖整个w d m 系统的1 5 5 0 n m 工作波长范 围。 南京| | | ；l 乜人学t 程坝i 。圳究生学位论史 第川章d w d m 网耋笄的技术指标和件能分析 ( b ) 信号输出 卜 图3 , 4e d f a 结构图 ( c ) ( a ) 正向泵浦( b )反向泵浦( c )双向泵浦 表3 1掺耳光纤放人器泵浦方式性能比较 泵浦效率= 信号光输出功率泵浦光功率噪声 周向泵浦 6 l 在术饱和风，周向泵 浦式掺耳光纤放人器 反向泵浦 7 6 的噪卢系数最小，由 于输出功率加大将导 致粒子反转数的下 双向泵浦7 7 降，故在饱和区，噪 声系数将增人。 e d f a 的优点是：1 ) 通常工作在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 光纤损耗最低的窗口；2 ) 增益 高，在较宽的波段内提供平坦的增益，是w d m 理想的光纤放大器；3 ) 噪声系数 低，接近量子极限，各个信道问的串扰极小，可级联多个放大器；4 ) 放大频带 宽，可同时放大多路波长信号；5 ) 放大特性与系统比特率和数据格式无关；6 ) 壁里型! 垫人学t 程硕士研究生学位论文第四章d w d m 网络的技术指标和性能分析 输出功率大，对偏振不敏感；7 ) 结构简单，与传输光纤易耦合。 缺点是：1 ) 在第3 窗口以上的波长，光纤的弯曲损耗较大，而常规的e d f