光传送网的传输性能和传输限制
1 光传送网
20世纪70年代，低损耗的光纤用于通信开启了光通信的新纪元。随后，人们用光纤光缆代替传统通信网的电线电缆，研究光纤通信的器件和技术，相继产生了0.85 μm、1.3 μm多模光纤通信系统，1.3 μm、1.5 μm单模光纤通信系统。很快，不管是在陆地上还是在海底都建起了光纤传输网，全世界敷设的光缆总长超过了几千万公里，传送网的技术体制从准同步数字体系(PDH)发展到同步数字体系(SDH)，数字速率从几百兆比特每秒发展到吉比特每秒；但由于时分复用(TDM)的技术的限制，以SDH技术为基础的传送网吞吐量仍然十分有限，而各种语音、数据、图像等通信业务量猛增又要求传送网提供更大的带宽和容量，因此，90年代中期波分复用(WDM)技术应运而生。
WDM能够在一根光纤上传送多路光信号，多路信道的间隔从大于25 nm发展到小于3.2 nm，后者称为密集波分复用(DWDM)。单波长信道速率为2.5 Gbit/s或10 Gbit/s时，采用DWDM技术就可在单根光纤上实现太比特每秒数量级的超高速、超大容量传输。
因特网的兴起，数据业务量的爆炸性增长，推动了传输技术和传送网的发展。在光纤传输线路上加上光放大器，形成了更大容量、更长距离的传输系统，从而减少了线路中光/电、电/光转换的电中继再生器。除了点到点的传输采用了光纤线路外，组成传送网的基本网络单元，如数字交叉连接器(DXC)、分插复用器(ADM)和终端复接器(TM)，仍然是一些电设备，并在电域中实现传送网必须完成的信号复接、路由选择、监测等其他功能。所以严格说来，这种传送网只是对传统电传送网的改进。
DWDM的技术发展和应用是组建光传送网(OTN)的关键[1,2]，以波分复用器件和光网络单元，如光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)等，组成不同的拓扑结构，提供以波长为单位的透明通道，在光域上实现光信号的传输、复用、路由、监控、保护等功能。这样的网络才称之为光传送网。
光传送网和传统的传送网相比，具有如下优点：
(1)传输容量大(可适应未来B－ISDN对传输容量的要求)、成本低、便于网络扩展和升级；
(2)提供透明光平台，可作为不同信号格式、比特率和调制方式的光信号的传输载体；
(3)具有灵活组网能力，能对波长通道重选路由改变网络的逻辑拓扑，可提供网络故障恢复和监测；
(4)避免了光信号的光/电、电/光转换及其昂贵的转换设备，既提高了网络单元的吞吐量，又减少了设备投资。
光网络的这些优势吸引了世界各国的研究机构和相关通信公司，他们投入了大量的资金和人力研究全光网络。近10年来，相继产生了MONET网、WEST网、PHOTON网、OPEN网、NTON网、CAINONET网等网络[3－5]，与OTN相关的多种技术也在不断趋于成熟。单纤的复用通道数从几路扩大到十几路、32路、64路、128路……单信道的传输速率也从几吉比特每秒发展到上百吉比特每秒，而且2.5 Gbit/s、10 Gbit/s传输速率的设备已经商用。EDFA和Raman光放大技术及器件将进一步提高传输距离和带宽，并降低系统成本。各种类型的光网络单元设备正在被研制，如可任选波长分插的16波长OADM，容量为32×10 Gbit/s的OXC，可灵活配置不同的波道速率、具有不同容量(160×10 Gbit/s、640×2.5 Gbit/s等)的OADM等。因此在OTN的传输技术、系统器件、组网规范、标准化等方面，有许多工作等待我们去做。
2 传输性能
目前OTN处在组建、发展之中，存在着许多不确定的技术因素，关于它的性能描述尚无明确的规定。2001年ITU－T SG32提出了G.873“光传送网的要求”建议，SG15提出了G.959.1“光传送网的物理层接口”建议。中国近几年也建立了WDM光传输技术和设备的相关标准，但这些建议和标准仅可为评价、规范OTN性能提供一些参考。我们在研究传输技术和传输系统时，常常以传输带宽、传输容量、传输距离等来描述网络的传输能力，除此之外还需要有反映传输信号质量好坏的评价指标。对OTN的演变、特点及其传输技术、系统测量等方面进行研究之后，本文认为可采用以下几个主要的性能指标来衡量OTN的传输性能：
工作波段(包括了单信道中心波长及信道间隔)
波长信道数
单信道传输速率
信道间隔度
无中继传输距离
接收信号误码率
接收信号信噪比
抖动(来自传输线路)
这些指标不但可以反映OTN的传输带宽、传输容量、传输距离，还可以说明信号的传输质量等。现将这些指标分述如下：
(1)工作波段即为传输带宽，将光纤原有的3个低损耗窗口再加上L波段、S波段及全波光纤，使光纤传输从1.28 μm到1.625 μm连成一片，为宽带传送网提供了适用的传输介质。
(2)单信息传输速率和波长信道数共同决定网络的传输容量，DWDM和TDM的结合可以有效地提高网络的传输容量。当光源谱线被有效利用时，可以提高单信道传输速率，而光纤的损耗、色散和各种线性、非线性串扰则是提高传输速率的主要限制。波长信道数的提高必须采取抑制非线性效应，改善WDM器件的滤波特性等措施。
(3)信道隔离度反映了各信道对串扰的抵御能力，串扰主要来自传输光纤的非线性效应、网络单元器件的非理想滤波、EDFA的自发辐射等。在设计网络系统时，首先要保证网络单元器件的隔离度达到要求(一般为45 dB～60 dB)。
(4)无中继传输距离主要与传输速率、光纤非线性、色散、损耗、EDFA噪声有关，通常它只有几十公里。研制新型光纤，进行合理的色散管理，有效地抑制非线性效应和噪声，可以增加无中继传输距离。
(5)误码率直接表示了信号传输的质量优劣，它反映了色散、非线性等各种传输限制共同对信号的影响，因此需要从多方面采取措施来降低误码率。中国建立的WDM标准中，对不同速率下的误码率有明确的规定:对于10 Gbit/s的光纤传输系统要求误码率小于10－9。CAINONET总体组为确保传输信号质量，要求误码率达到10－12。
(6)信噪比是另一个直接反映传输信号质量好坏的指标，不同的传输信号，对应地有不同的信噪比要求：若传输的是数字信号，信噪比应该达到20 dB～25 dB，而对于模拟电视信号，信噪比相应地应取为40 dB～43 dB。
(7)由光纤线路引入的抖动相对于系统中数字复接设备产生的抖动要小得多，所以迄今为止国际上还没有关于线路抖动容限的规定。研究表明，这种抖动主要源于EDFA的自发辐射噪声积累和光纤的各种色散非线性效应。当光信号传输距离达到上千公里时，光纤线路引入的抖动将影响传输信号的脉冲幅度和相位[6]，其大小与数字复接设备产生的抖动具有可比性，这是不可忽略的，因此对于超长距离的OTN，抖动指标是不可缺少的。
上述的主要传输性能指标将在OTN的发展和应用中得到检验。
3 主要传输限制
OTN能够传送任何业务层的信号，由于其透明性网络中间节点不提供电处理、再生等功能，那么光信号在传送过程的损伤就无法消除。光信号的损伤源于色散、非线性、串扰、噪声等影响，这些影响的积累是连续的、模拟的，从而导致光信号传输质量下降、误码严重。这种性能恶化随着传输距离的增大和网络规模的扩大而越来越严重。那么对OTN有哪些主要的传输限制呢？下面根据现阶段的技术和器件水平从光纤的损耗、色散、EDFA的噪声积累、光纤和EDFA的非线性效应以及光网络单元引入的线性串扰等方面进行分析[7－10]。
3.1 光纤的损耗
光纤的损耗限制了传输距离，虽然可以通过光放大器进行补偿，但网络中常采用多个EDFA级联，导致信号的增益谱变宽、各波长信道的增益不均衡，加上光源波长和滤波器中心波长随温度漂移，使各波长通道呈现出较大的增益差，所导致的功率差若不及时地被网络系统的功率均衡器均衡，将引起接收端某些波长通道功率过小或过高，产生严重误码或接收机过载。
3.2 光纤的色散
光纤色散使光信号脉冲展宽、光接收灵敏度下降，导致均衡困难、误码率增加，因此要保证通信质量，就不得不减少传输距离，加大码间距，也就是说色散限制了传输中继距离和传输速率。从色散的机理来看，有色度色散和偏振模色散两种。当信号的传输速度大于等于10 Gbit/s时，必须考虑这两种色散的影响，现已研究了多种方法对光纤的色度色散实现有效的补偿，例如线性啁啾光栅可消除数千公里的长途传输色散，而偏振模色散具有随机性，对它的测量、补偿不是很容易。目前PMD的补偿尚处于研究、探索阶段。另外，不管采用什么方法补偿色散，所引入的插入损耗均会限制传输距离。
3.3 非线性效应
组成OTN的有源、无源器件都会引入非线性影响。光纤的非线性影响较严重，它包括了四波混频(FWM)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、受激布里渊散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)等，其中XPM将信号的相位调制转化为强度调制，产生的影响最大，通过增加光纤的有效面积，可减轻这种影响。FWM的影响也不小，当采用的光纤工作波长区域有较小的色散时，FWM的危害会起作用。光放大器同样也引入XPM、FWM、SRS等非线性影响，而且XPM的影响比来自光纤的影响还要大， FWM的影响在L波段中要大于在C波段中，需要精心设计EDFA使其FWM最小化。另外，研究表明可采用最佳的光信号脉宽来抑制因XPM引入的非线性。
3.4 EDFA的噪声积累
当EDFA放大各波长通道光信号时，对自身能级间的自发跃迁所产生的自发辐射同时也放大了，而且所引入的各波长通道噪声指数不一致，从而导致信噪比降低，这种自发辐射噪声还随着EDFA的级联数增加而增加，所以利用EDFA是无法改善信号质量的。在现有技术条件下，光电转换对于消除噪声积累是行之有效的。
3.5 线性串扰
OTN的基本网络单元(如OADM、WDM器件、光开关、滤波器等)中的非理想滤波，将引起信号功率泄露，产生主信号与串扰信号处于相同或不同频带的同频或异频串扰，其中异频串扰可以通过滤波器滤除，而同频串扰在传输过程中将有相应的积累和相关性，它们引起各波长通道的功率变化、误码率增加。当波长通道数增加，通道间隔减少时，这种线性串扰的影响就更严重，即这种串扰限制了OTN的传输容量和规模。
这些传输限制对OTN的影响极大。当前OTN传输技术和器件的进步为解决上述传输限制作出了一定的努力。例如，为抑制光纤的色散、损耗和非线性效应而不断研制出新型光纤：更低损耗的非零色散光纤、大有效面积光纤、低色散斜率光纤等；为降低线性串扰而采取了通过提高OTN基本网络单元器件性能的措施：借助于EDFA与Raman光纤放大器混合使用，来改善其噪声特性、提高信噪比。
4 结束语
本文所研究和确定的工作波段、波长信道传输速率等传输性能指标反映了OTN基础技术(DWDM)的特点，能够对OTN的传输性能给予主要、基本的评价。所分析的OTN主要传输限制是当前十分关注的研究课题。而对OTN的传输限制还有光源的线宽及啁啾性、光放大器带宽及增益、信号编码类型及码长、输入功率等，因篇幅所限，这里从略。
以DWDM技术为基础的OTN向着超大容量、超长距离、超高速率的方向发展，它将充分利用DWDM的网络资源和技术优势，使传输技术和网络设施跃上新台阶。现阶段的研究和应用已显示出OTN的发展活力和优势，在传输性能方面已有显著提高[9,10]：在国外，单信道传输速率10 Gbit/s已经商用并正向40 Gbit/s迈进；在国内2.5 Gbit/s已经商用并正在扩大10 Gbit/s的应用。几十路的波长通道数已广泛应用，实验室水平则达到了上百、上千路，对应地信道间隔也从3.2 nm发展到0.4 nm(有报道现正在研究0.2 nm的相关问题)。实用系统的传输容量已达到几百吉比特每秒，实验室研究水平突破了太比特每秒的水平。OFC‘2001会议上报道DWDM传输容量已达10.92 Tbit/s。传输距离也从几百公里到上万公里。当前不断更新的通信新技术、新器件和通信新业务的商业需求是发展OTN的巨大驱动力，在全球范围内的多种OTN研究、实施方案正在不断地向前推进，对OTN发展中的新问题、新限制尚需不断地去认识，去解决。OTN的新进展必将在不断的努力中产生。 □
参考文献
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7 Eiichi Shinbano, et al. 96x11.4 Gbit/s transmission over 3 800 km using C－band EDFA and non－zero dispersion shifted fiber. OFC2001, TUN2, 2001
8 Garrent L D,et al. Dispersion management in optical network. IOOC/ECOC97 Technical Digest,1997(3): 73－76
9 Proceedings, OFC2000: TUN2, WDD45, ME3, TuJ7, WM28, WW3, WDD38, TUG4, WS2
10 Proceedings,OFC2000: TuE, TUG4, TuJ2, ThA4
(收稿日期：2001－10－10)
作者简介
余重秀，北京邮电大学教授，博士生导师，北京邮电大学电子工程学院光电子与光波技术研究中心主任。1969年毕业于北京邮电学院。现主要从事光纤通信、光交换、光CDMA、光信息处理及光电子技术等方面的研究。先后承担并完成国家自然科学基金项目、国家“863”计划项目及部级科研项目25项，曾获国家级、部级科技进步奖多项。已发表学术论文80多篇，培养博士、硕士生20余人。目前正在进行高速DWDM光纤通信的色散调节技术、光CDMA编解码技术、光网络节点性能和光纤光栅技术及应用等方面的研究。