超长距离光传输技术发展现状

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作者：周天

    本文分析现阶段超长距离光传输技术的功能特点和需要解决的问题，展开讨论了多项技术革新带来的新动向。

    提出超长距离光传输技术现阶段只适用于部分区域，并展望在将来全国干线传输网中超长距离光传输将发挥重要作用。

    关键词超长距离光传输ULHDWDM系统

    目前，随着通信业务需求的强劲增长，各运营商也开始面临如何规划和建设未来基础传输网络的课题。

    以国内某运营商为例，国际数 据带宽是语音带宽的6倍以上，省际网络数据带宽已经是语音带宽的10倍；另一方面，整个传输网络中的业务流量持续呈指数增长，而且根据发达国家的经验，数据带宽占整个网络带宽的比例还会不断上升，所以未来的传输网络一定是基于数据为中心的光网络。研究证明，语音传输一般可终结在600km的范围内，而数据通信的平均传输距离约是语音的2.5倍，即1500km。对于长距离光传输市场的相当一部分用户来说，长距离(LH)传输系统可实现的600km的传输距离已经不能够满足其需求。

    因此，超长距离密集波分复用技术最近成为传输界关注的焦点。毕竟全光网络的全面应用离我们还远，但目前的基于2.5GHz和10GHz的需要频繁光电转换的传统光网络却越来越面临技术更新的压力。ULHDWDM比较充分地利用了光纤的传输带宽，解决了网络节点间无电中继传输问题，对多种数字业务具有透明传输特性，具有极高的性能价格比，正逐渐成为核心网传输技术的首选方案。

    在超长距离传输的技术研究开发方面，主要有以下几个关键技术的应用，这几项技术的成熟直接带来了革命性的创新和应用成本的直接下降。

    1、应用分布式宽带喇曼放大器进行内部补偿

    在ULH系统中，喇曼放大器技术是非常受瞩目的光传输技术，可以放大EDFA所不能放大的波段，并且利用普通的传输光纤就能实现分布式放大，从而大大提高系统的光信噪比(OSNR)。

    现有的第一代WDM无论其传输容量、对带宽的利用率、无电中继最大传输距离、网络的延伸扩展性等方面都无法满足日益增长的需求。EDFA的增益谱只能覆盖所谓的C波段(1529-1561nm)和L波段(1570-1610nm)，而石英单模光纤在1.55mm波段的低损耗窗口拥有几十太赫兹的带宽，目前还远没有得到充分利用。如何有效提高现有光纤传输系统的传输速率和通道数以增加总容量、延长无电再生中继的传输距离，已经成为新的光纤通信领域研究的热点。

    分布式光放大器如喇曼光纤放大器，比起掺铒光纤放大器至少具有以下几个方面的优势。

    首先，增益谱不是由特定的掺杂元素决定的，只要有合适的泵浦源，光纤透明窗口内任何位置上都可得到信号放大。

    其次，对应每个泵浦波长，可以产生10-30nm的增益带宽，利用多波长泵浦，增益谱不但可以覆盖C波段，还可以扩展到L波段(1570-1610nm)和S波段(1480-1520nm)。

    另外，喇曼放大器的增益系数较低，所以喇曼放大器本质上属于分布式放大器，比集中放大结构可以获得更高的信噪比，并减弱有害的非线性效应。对于纯粹基于EDFA的长距离DWDM系统来说，放大的自发辐射噪声累积导致光信噪比不足是限制无电中继传输距离(600-800km)的主要因素。要维持足够的光信噪比，必须提高输入信号功率，缩小放大器间隔，前者会导致更强的光纤非线性效应(四波混频、自相位调制等)，后者则提高了系统成本。而分布式喇曼放大则可以同时解决上述问题，特别有利于高速信号超长距离传输。

    总之，喇曼放大器利用光纤自身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿。喇曼放大器比EDFA更吸引人的地方主要有两点：可以放大任意波段和低噪声。通过合理设计光纤传输系统中的喇曼光纤放大器的增益、放大器间距等参数，可以实现超宽带、超长距离(2000km以上)的光传输。对于超长距系统来说，利用喇曼放大器提高系统的OSNR、增加系统跨距长度、提高WDM系统的通路数和抑制光纤非线性效应是主要的目的。

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2、新型FEC编码消除误码率平台现象

    在光传输系统中采用前向纠错(FEC)技术，能够消除系统性能曲线中的误码率平台现象，其编码增益也提供了一定的系统富余量，从而降低光链路中线性及非线性因素对系统性能的影响。在超长距离WDM系统中，一般在光传送单元(OTU)内配备前向纠错(FEC)功能，这种以电子电路的复杂性来换取光功率预算增加的方法，是延长光电再生距离的有效手段。可以说，FEC是一个非常古老的技术，从1984年就已开始出现，但直到近年来才开始形成大规模的应用。在早期，电信网采用的是多模系统，但后来转成单模，因而就不需要FEC了。但是随着光速率达到40Gbit/s，提高光信噪比的难度越来越大，成本和代价也越来越高，FEC就成为一个非常关键的实用技术。

    目前采用的是G.975规定的海缆Reed-Solomon编码方法，虽然使开销增加了7%，但可以使OSNR增益达到5-7dB。为了更大程度地提高功率预算，厂商又采用了新的扩展FEC技术，即采用更多冗余字节进行纠错。与在现有技术限制下不断追求精确的光电控制系统不同，扩展的FEC技术可以在很大程度上暂时缓解不断增大的数据流需求和技术改进的矛盾，FEC正是可以从放松对光器件的要求入手，从而提高产量和降低生产成本的技术。

    FEC分为IBFEC(带内)和OOBFEC(带外)两种，但目前的各种增强版FEC多采用带外的方式才能有足够的开销字段使用，最多的达到30%的开销。采用BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)编码方案，编码可以将BER降到10-15以下，预期可获得2dB以上的误码性能改善。但到目前为止ITU-T尚未确定何种纠错码适用于系统的带外FEC，各厂家只好按照自己的方式进行ASIC和系统设计，在互通方面存在着极大的隐患，并且在接收功率临界状态对连续误码的纠错能力将不能得到保证。

    在现有常规DWDM系统中所应用的FEC编码，尤以BCH和RS编码最普遍。RS223编码比RS239编码拥有更多的冗余字节，因此前向纠错能力势必更好，RS239编码将可以比无编码时BER的情况改善5dB左右，而RS223编码又可以比RS239改善4dB，因此总体改善情况为9dB，大大降低了对线路的要求。

    采用扩展的FEC编码后，光信噪比OSNR的预算要增加2-3dB左右，喇曼放大器应用提高OSNR预算3dB，两者相加光链路预算增加5-6dB，也就是光传输距离增加到4倍左右，这将使光电传输距离从500km提高到2000km，从而更大程度地减少背对背OTU中继站，减少系统成本。

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3、新型编码技术提升系统的传输性能

    由于不同线路调制码型的光信号在色散容限、SPM(自相位调制)、XPM(交叉相位调制)等非线性的容纳能力、频谱利用率等方面各有特点，对于超宽频带的超长距离WDM传输系统，NRZ、RZ等码型都有自己的特色。

    信号调制格式是大容量WDM系统传输的一项重要技术。首先，每根光纤可利用的带宽和可达到的谱效率决定着光纤总容量；其次，先进的信号调制格式将提高40Gbit/s传输的色散、非线性和PMD容限，可以提高系统的OSNR，对提升40Gbit/s传输距离大有益处。RZ码的主要缺点是信号频谱宽度相对NRZ码增加，增加调制器使系统变得复杂、成本高。

    目前有许多种可用的编码格式，主要分为两大类：归零(RZ，return-to-zero)编码和不归零(NRZ，non-return-to-zero)编码。其中RZ编码主要包括RZ(常规RZ码)、CRZ(啁啾RZ码)、CS-RZ(载波抑制RZ)等方式。CRZ码采用了三级调制技术(RZ幅度调制、相位调制和数据调制)，其相位调制器在发射端对RZ脉冲的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量，抵抗非线性效应的能力非常优异。此外，CRZ还具有优良的抵抗偏振相关损耗(PDL)和偏振模色散(PMD)的能力，具有更高的传输稳定性。它的缺点是调制技术比较复杂，对三级调制之间的定时和时延要求很高。在CS-RZ码中，相邻码元的电场振幅的符号相反，从而达到降低光谱宽度的目的，在功率较高的情况下，不但增加了色散容限，而且有更强的抵抗SPM和FWM等光纤非线性效应的能力。

    40Gbit/s的WDM系统由于非线性效应及色散(包括PMD)等变为突出矛盾，采用RZ编码已经被业界认为是解决问题的重要技术，目前部分超长距的10Gbit/s的WDM系统也已采用了RZ编码。

    RZ编码技术其实并不是新生技术，在海缆通信系统中已得到广泛的研究和应用。而在陆地传输系统中，由于早期的传输距离普遍不是很长，因此没有得到充分的重视。在RZ编码技术中，在40Gbit/s的调制方式的选择上，目前仍没有达成统一定论，但由于RZ编码中的CRZ方式具有脉冲压缩能力、能容忍更高的PMD值、可以缓解信号在光纤中的非线性交互作用等优异特点，正受到越来越多的关注。

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4、动态增益均衡减少传输系统光电转换数目

    对于超长距离传输，保证整个线路上的增益平坦是非常重要的，增益均衡用于保证线路上各个波长之间的增益平坦，在主光通道的入口可能各个波长之间的功率电平一样，但由于放大器增益平坦度以及各个波长在线路中衰耗不一致，会导致在接收端各个波长之间的功率差异较大，影响正常的接收。目前一种通用的方法是在各个光放站放置增益平坦滤波器，此外通过基于各个通道光谱密度的大小，实施反馈控制，可以动态管理平坦进程。

    动态增益均衡的优势在于可以增加超长距传输系统的区段数目，可以在级联50个EDFA的情况下，不进行电再生中继；支持动态网络配置，在网络波长数目发生重大差异时不会对OSNR造成损伤；由于输入光功率变化也会造成增益斜度劣化，而通过动态增益均衡，可以代替目前正在使用的可调光衰减器(主要位于发射机一侧)。

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5、动态色散补偿增加光传输的距离

    色散补偿包括色度色散补偿和偏振模色散补偿。

    关于色散的对策是使用DCF(色散补偿光纤)和啁啾布拉格光栅(C-FBG)。

    DCF是一种宽带器件，能够对各个波长进行补偿，但它单一固定的补偿值不能满足对所有波长色散的精确控制。DCF的插损也是比较大的，约为SMF的两倍。

    C-FBG是指光栅周期延光纤方向逐渐缩短，它可以针对不同波长进行补偿，是很有前景的一种色散补偿方式。

    面对40GHz的高速率。对于单纤高速率而言影响最大的是色散，而色散在温度和压力等外界环境压力下会是动态效应明显的参数。当线路情况发生改变，如环网保护时工作路由和保护路由的长度不同，配制新的OADM时光通道节点数量的变化，甚至将来全光网OXC使光路由动态改变时，色散补偿必须做出相应的动态调整。目前可实现动态可调的色散补偿技术是：自由空间虚相位阵列、机械可调式FBG、温度可调式FBG等。利用温度和机械力调整C-BFG的长度就可以调节色散补偿曲线，再通过对线路色散的实时监控做出相应的动态补偿。

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6、需解决的技术问题

    通过比较国际上的研究状况，我们发现：首先，目前国际上的超长距离系统通常在非零色散光纤、色散位移光纤或正/负色散光纤组合段上进行实验，在G.652光纤上进行实验的较少，原因可能是因为DSF、DCF的喇曼增益系数比SMF高，更容易实现增益。而这种超长距离系统要在我国应用，不能不考虑我国有大量G.652光纤的国情。其次，由于C+L波段范围较大，在这么宽的范围内用DCF补偿色散，总会有某些波长有较大的剩余色散，利用分波段色散补偿以及用光纤光栅同时补偿多路信号的技术，可以有效解决这个问题。再者，用多波长泵浦实现超宽带、平坦增益的喇曼放大，普遍采用多个半导体激光器，用包层膜泵浦的多波长光纤激光器作为喇曼放大的泵浦目前还没有明显进展。而设备编码技术和带外FEC标准的不统一，也为将来系统应用带来隐患。

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7、国内外厂商的进展

    国外设备制造商在前几年开始了ULHWDM系统的研发，朗讯公司开发的LambdaXtreme超长距离光传输系统据报道能够将128条10Gbit/s光信号传送至4000km，中间无需放大器。对于64条40Gbit/s的光信号，传输距离可达1000km。同时阿尔卡特、Ciena、Corvis、北电等公司也有了商用化产品。

    国内的一些研究机构和公司如北京交通大学、清华大学、上海交通大学等已经开展了喇曼光纤放大器的研究工作。而且国内多家单位如北京大学、清华大学、武汉邮电科学研究院等已经掌握了其他关键技术如10Gbit/s光转发器、C+L波段EDFA等。北京交通大学在利用啁啾光纤光栅补偿多个通道的色散和色散斜率方面取得了创新的具有自主知识产权的成果。国内各个厂商对于ULH技术也进行了大量的研究，中兴、烽火等公司在国家863计划的资助下，已经完成了ULH试验系统的研究和搭建。中兴公司研发的大容量、超长距离传输ULHDWDM系统容量可升级到160×10Gbit/s，波长范围覆盖C+L波段，可在G.652光纤的环路平台上实现超过5000km的无电中继传输。烽火公司研发的超长距传输系统覆盖C+L波段，系统容量可升级到160×10Gbit/s，直线传输距离可以达到3040km。两个系统使用的都是CS-RZ编码、EDFA和喇曼混合放大技术。华为公司也宣布研制成功了ULH系统，据报道在业务容量为40×10Gbit/s、使用G.652和G.655两种光纤的情况下，该系统可实现全长4600km的无电中继传送。

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8、结束语

    当我国骨干网的业务具有“大站快车”的需求时，ULHWDM系统才会有较多应用。受到地理环境、国土面积和业务需求等的限制，ULHWDM系统只能在部分国家应用。

    目前，美国的传输干线网络明显是东西走向的由南至北共三条干线结构，且大量城市规模和距离近似，在人口及经济分布上则是东西两个海岸为主，极为适合以全境为大环中间分布网格的网络结构；我国的光缆干线则是以北京、上海、广州三点为核心网，并分别向东北地区、西北、西南区域环网为补充的结构。造成大量数据集中于三点之上、数据传输极不平衡的现状。值得关注的是，我国的三个核心节点是以南北走向为主的，这在全世界都是没有的结构。我国地理南北跨度大，北京-广州的点对点光直连将面对其他国家所不曾遇到的各种困难。所以我国只有依靠自己独立解决这些问题，同时这也给我设备生产商带来了机遇和挑战。

    对于电信运营商而言，ULHWDM系统可以减少电再生站、光放站的数量，延伸光放站之间的距离，充分反映出采用超长距系统对系统成本的降低。直接建设大型城市之间的超长距传输系统可以解决对点对点带宽的迫切需要，同时节省大量的光放站和电再生中继站，降低系统的成本和大量维护费用。至于电中继站的上下业务功能，可以应用可配置OADM技术，在骨干网上实现大城市之间“快速直达车”的同时，在中间站点可以采用OADM来满足上下业务需求。目前已有中国电信等运营商在积极探讨ULHWDM系统在电信网上应用的可能性，相信随着业务和技术的不断发展，ULH系统的应用一定会越来越多。