密集波分復用在電力通信行業中的應用

陳 倩

（國網北京市電力公司 信息通信分公司，北京 100176）

0 引 言

密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）是通信行業中的新興技術，具有容量大和成本低等優點，在世界各國得到了迅速發展，已成為現代光通信系統的主要傳輸手段。通信技術發展迅速，新業務不斷涌現。為滿足寬帶網絡信息傳輸的迫切需求，DWDM技術建設寬帶傳輸網絡已成為當前通信行業的重點。光纖通信能夠使我國數據傳輸服務變得更加快捷和便利。DWDM是光纖擴展中有效且極具經濟性的方法，充分滿足了當前電力通信行業發展的需要，也為未來的全光傳輸網絡奠定了良好的基礎。

1 DWDM發展現狀

波分復用技術（Wavelength Division Multiplexing，WDM）旨在利用單模光纖低損耗區域內的大量寬帶資源，通過多路復用方法把光纖低損耗窗口劃分為各種波長信號的多個通道，利用光波將不同波長的光信號通過對應的通道傳輸，并將其劃分為光纖的低損耗區域。光信號的波長彼此分離，而DWDM是WDM中的1個表現形式。20世紀80年代初，光纖通信剛剛興起。最早的WDM系統用在光纖的2個低損耗窗口（1 310 nm和1 550 nm）中傳輸單個光波信號。低插入損耗的熔融WDM器件在沒有光放大器的情況下解復用后，每個中繼器為每個波長執行單獨的光/電/光再生中繼，然后將其復用傳輸到下一個中繼器。摻鉺光纖放大器（Erbium Doped optical Fiber Amplifier，EDFA）的出現及其商業化的發展，將WDM系統帶入了新時代[1]。1 550 nm窗口可以用來傳輸多個光載波信號，而WDM系統的相鄰波長范圍較小，1 550 nm窗口附近有EDFA光放大器。為了與傳統的WDM系統區分開來，人們將這種波分復用系統稱為DWDM。目前，DWDM系統中波長非常密集，距離只有零點幾納米。相比之前幾十納米的波長范圍，這是個里程碑式的變化[2]。

2 DWDM傳輸技術

2.1 光傳輸網基本介紹

數字傳輸網經歷了第1代以T1/E1為核心、第2代以同步光纖網/同步數字系列（Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy，SONET/SDH）為核心以及第3代以光傳輸網（Optical Transport Network，OTN）為核心的發展過程。第1代和第2代傳輸網絡是為支持語音業務設計的，還可用于數據與圖像業務的承載，但傳輸效率不佳。隨著傳輸速度的不斷提高，如何使現有網絡滿足更多新應用的需求，已成為運營商關注的焦點。傳統的傳送網以固定速率為基礎，限制了業務發展空間。相較而言，第3代傳送網技術以支持語音、數據及視頻業務為目標，且支持按需帶寬，可自定義服務質量，結合其他協議實現光虛擬交換等業務[3]。基于OTN傳輸網絡的出現，逐步使人們期待的智能光網絡成為現實，為網絡運營商和客戶提供了安全、可靠、高性價比、獨立于客戶、可管理以及可運營的新一代光傳輸平臺[4]。

2.2 光源技術

SDH系統低損耗窗口內僅有1個光波。波分復用系統對低損耗丟失器內的多個波長進行復用，波長間隙僅為零點幾納米。激光器工作于正常波長，穩定性高。DWDM系統非電中繼長度由單一SDH系統的50～60 km延長為500～600 km。DWDM光色散限制距離資源。DWDM系統對光源有2個方面的基本需求，一是相對較大的色散容差值，二是恒定穩定的波長。開放WDM系統無須SDH系統有G.692界面，仍可采用滿足G.957標準的SDH設備，與13種接口相連。不同廠家SDH系統能夠共同運行于單一WDM系統。DWDM系統對每一個復用信道工作波長都有十分苛刻的要求，而波長出現偏差會導致系統不能穩定可靠的工作。波長穩定性對光纖傳輸網絡至關重要，一旦出現故障，將導致整個光纖通信業務中斷，因此這對波長轉換器提出了更高要求，以保證其正常工作，降低故障率。通常采用溫度反饋控制法和波長反饋控制法等波長穩定措施。光纖傳輸受系統損耗和色散等因素制約，影響會隨傳輸速度增加而更加顯著。為使光纖通信能夠在更高的速率下工作，人們提出了一些降低光信號衰減的措施[5]。直接調制是用電脈沖編碼電流調控半導體激光器工作電流，從而發射出對應電信號脈沖的光脈沖電流，可有效提高激光輸出功率和光束質量。但在實際應用中，由于激光器工作電壓低，還存在輸出功率較小而光強分布比較均勻的問題。例如，電脈沖信號為“1”時，激光器工作電流超過它的閾值電流而發射光脈沖；電脈沖信號為“0”時，工作電流低于閾值電流，不發射光脈沖[6,7]。

3 DWDM關鍵器件組成及其在電力通信工程中的應用

3.1 DWDM的關鍵器件

3.1.1 光 纖

人們對傳輸容量提出了越來越高的要求，推動著傳輸技術的進步，表現在DWDM、光纖放大技術、EDFA分布式光纖拉曼放大器、固態放大器以及光時分復用等技術的開發與應用上。光纖通信網絡持續向更快、更大容量的方向發展，并逐漸演變為全光網絡。DWDM技術日益發展，要求光纖在C波段、L波段以及S波段等較寬頻率范圍內傳輸。1 383 nm衰減水峰被消除，O波段向E波段延伸，達到全波段傳輸。但對于石英光纖來說，F/G（或P/I）比值很低，不能滿足上述要求，因此亟需1種新材料解決問題。通過ITU-T對石英玻璃單模光纖工作波長范圍進行界定。長距離DWDM光纖有適當的色散值、恰當的色散符號以及較低的色散斜率，適合大面積單模光纖中偏振色散（Polarization Mode Dispersion，PMD），并且可采用不同光纖配置達到色散控制和減小線性效應的目的。

3.1.2 EDFA

1990年，EDFA研制成功，打破了光纖損耗造成的光纖數據傳輸距離限制，將光數據傳輸距離延長至數千千米。EDFA原理結構如圖1所示。正向泵浦又稱前向泵浦，泵浦光與信號光注入摻鉺光纖同端，泵浦光與信號光向摻鉺光纖發射方向一致，配置的噪聲性能較好。反向泵浦的泵浦光源與信號光同時注入摻鉺光纖兩端，泵浦光與信號光的傳播方向相反，具有較高的輸出信號功率。雙向泵浦是將泵浦光由摻鉺光纖兩端向2泵浦光源同步注入，綜合了前向泵浦和后向泵浦2種泵浦方式的長處，輸出光信號功率較大，而EDFA性能不受信號傳輸方向影響。

圖1 EDFA原理結構

EDFA在1.55 μm窗口中運行，光纖損耗因數（僅0.2 dB/km）低于1.31 μm窗口。鉺是稀土金屬之一，具有優良的光、電特性及化學穩定性，被廣泛應用于激光和光纖通信系統。近年來，隨著半導體工業的發展，行業內對摻雜物質提出了新要求，因此研究摻鉺光纖具有重要意義。光纖制造時混入一定數量的Er3+離子制成摻鉺光纖。該光纖中Er3+離子能夠吸收光子能量，改變自身能級，其中泵浦光源用于激發光源，發出的激發光波稱為泵浦光[8]。

3.2 DWDM在電力通信工程中的應用

3.2.1 網格管理應用

受管網絡每一個網元必須被管理軟件與硬件平臺管理。工作站用戶窗口和用戶界面必須能監視被管區域網絡，展示被管網絡整體拓撲結構。因此，網元管理系統應具有良好的交互性能。網元管理系統通過以窗口、圖標、菜單以及光標為表現形式的人機界面，監視和控制整個被管理網絡的各個網元，其中告警與事件記錄追蹤到網絡的各個回路。與傳統的光纖通信系統的結構相同，DWDM系統是由光發射機、光接收機、光中繼器和光監控與管理系統構成，如圖2所示，其中λ1、λn為光纖光波輸入輸出信號，λ3為光纖光波傳輸收發信號。

圖2 DWDM系統總體結構

DWDM網元管理系統主要有故障管理、性能管理、配置管理以及安全管理等功能。故障管理能夠對傳輸系統完成故障診斷、故障定位、故障隔離、故障修復以及路徑測試等功能。網元管理系統要支持的告警功能主要有2個方面：一方面，利用內部診斷確定全部故障并定位于一張卡；另一方面，上報全部告警信號及保存的數據，如時間、來源、性質以及告警級別[9]。

3.2.2 光監控信道應用

DWDM系統的波長速率為2 Mb/s，攜帶光控制信道，根據OSCG.704進行網管傳輸，移動并控制數據幀結構。在DWDM系統中，光監控信道（Optical Supervisory Channel，OSC）作為運行方式進行信息中繼，由光纖鏈路和光路2個部分組成，光通路包括光纜線路和復接設備。光路徑包括無源光網絡（Passive Optical Network，PON）和SDH網絡。DWDM系統內部中，OSC作為相對獨立的子系統，用于傳輸光通道層、光復用段層以及光傳輸段層的信息，實現維護管理信息、提供官方連接以及用戶連接等功能。OSC子系統實現了OSC信道收發、時鐘恢復與再生、外部時鐘信號的接收、OSC信道故障探測與處理、性能監控、編碼方式標識符（Coding Method Identifier，CMI）編解碼、OSC幀定位與成幀處理以及監控數據處理等功能。其中，OSC通道接收和發送監控功能是實現網絡服務質量控制（Quality of Service，QoS）最重要的一環。性能監控B1、J0、OPM，在服務終端上實現光放大器的監控。模擬監控功能及B1誤碼監控功能為多路光通道提供不間斷的性能監控，包括檢測每個通道波長、光功率以及光信噪比等參數，適時監測光傳輸部分性能質量，提供高效故障排除手段[10]。

4 結 論

光傳輸技術的傳輸速度快，但傳輸能力有待提高，而光波復用技術在光傳輸領域是系統升級和擴容的首選。通過深入研究DWDM技術在通信技術中的應用，可為大家更深刻地理解光纖通信系統奠定堅實基礎。