CWDM技術(shù)在城域網(wǎng)的優(yōu)勢

                 李雄

        上海全光網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司
 

在城域網(wǎng)由于傳輸距離短（一般100公里以內(nèi)）,不需要使用放大器,增加一根光纖成本也不高,如果簡單采用和廣域網(wǎng)一樣的DWDM設(shè)備,無疑將得不償失。解決的方法是采用粗波分復(fù)用技術(shù)。  

一、概述 
  
   　城域網(wǎng)（Metro）原是與局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)相對應(yīng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念,指城域范圍的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)通信和電信技術(shù)的發(fā)展賦予城域網(wǎng)新的內(nèi)涵,將城域網(wǎng)的概念延伸到整個通信網(wǎng)絡(luò),泛指運(yùn)營商在城市及其郊區(qū)范圍內(nèi)提供多種業(yè)務(wù)的所有網(wǎng)絡(luò)。它以寬帶光傳輸為開放平臺。各類網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體、IP接入合各種增值業(yè)務(wù)及智能業(yè)務(wù),并與各運(yùn)營商的長途網(wǎng)和公用電話交換網(wǎng)（PSTN）互通的本地寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。城域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的主要區(qū)別在于城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)范圍不僅有話音,還有數(shù)據(jù)和圖像,是全業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。城域網(wǎng)需要支持各種客戶層信號,而且要能很快地提供客戶層信號所需的帶寬。局域網(wǎng)的地域限制使各行各業(yè)形成了一個個信息孤島,廣域網(wǎng)的帶寬限制又使信息高速公路上的寬帶應(yīng)用大打折扣,核心問題可歸結(jié)為帶寬與距離的矛盾。而城域網(wǎng)則是解決帶寬和增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的很好方法,這使得城域網(wǎng)成為未來最具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 
  
  　 寬帶城域網(wǎng)的建設(shè)正成為電信建設(shè)的熱點(diǎn)。由于密集波分復(fù)用(Dense Wave Division Multiplexer, DWDM)技術(shù)的巨大帶寬和傳輸數(shù)據(jù)的透明性,人們自然希望能把DWDM作為城域網(wǎng)中的傳輸平臺。在長途傳輸中,由于DWDM采用了EDFA（摻鉺光纖放大器）將光信號直接放大,節(jié)省了大量的電中繼設(shè)備,從而大大節(jié)約了成本。但由于EDFA平坦增益帶寬較窄和它本身某些增益特性的限制,人們不得不采用高波長穩(wěn)定度的激光器和密集波分復(fù)用器和解復(fù)用器,并且在整個線路上進(jìn)行光功率均衡；此外,由于電中繼傳輸距離加長,對激光器的色散容限和啁啾特性也提出了很高的要求。這些技術(shù)的應(yīng)用又提高了系統(tǒng)成本。盡管這些高性能的器件和部件價格昂貴,由于廣域網(wǎng)傳輸距離很長,DWDM系統(tǒng)中多個波長通道共用光纖和放大器,仍然可以大幅度降低成本。 
  
  　 而在城域網(wǎng)由于傳輸距離短（一般100公里以內(nèi)）,不需要使用放大器,增加一根光纖成本也不高,如果簡單采用和廣域網(wǎng)一樣的DWDM設(shè)備,無疑將得不償失。解決的方法是采用粗波分復(fù)用（Coarse WDM,CWDM）技術(shù)。 
  
  　 二、城域網(wǎng)對波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的需求 
  
  　 首先是成本需求。眾所周知,城域網(wǎng)的用戶群相對長途網(wǎng)絡(luò)較小,如果按照用戶數(shù)量分?jǐn)偝杀?城域WDM技術(shù)占不到任何優(yōu)勢�？紤]其它技術(shù)來降低用戶成本,WDM技術(shù)才可能更有發(fā)展?jié)摿ΑＶ档脩c幸的是,城域網(wǎng)的傳輸距離較短,可以利用減少光纖放大器數(shù)目的辦法初步降低設(shè)備成本。但這還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須在系統(tǒng)內(nèi)部找原因,減少關(guān)鍵部位的技術(shù)成本。 
  
  　 其次是承載業(yè)務(wù)的靈活性需求。城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)復(fù)雜多樣,帶寬顆粒分布幾乎沒有嚴(yán)格的規(guī)律及可預(yù)見性,對傳輸系統(tǒng)的適應(yīng)性要求很強(qiáng)。而長途波分系統(tǒng)提供的波長通道一般為2.5G或10G。 
  
  　 最后是業(yè)務(wù)的可靠性及質(zhì)量保證措施需求。由于城域網(wǎng)中的業(yè)務(wù)特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)大都沒有QoS保障,需要系統(tǒng)在光層全面考慮。 
  
  　 由于城域網(wǎng)范圍傳輸距離通常不超過l00km,因而長途網(wǎng)必須使用的外調(diào)制器和光放大器在城域網(wǎng)中可以不使用。由于沒有光放大器,波長數(shù)的增加和擴(kuò)展也不再受光放大器頻帶的限制,可以容許使用波長間隔較寬、波長精度和穩(wěn)定度要求較低的光源、合波器、分波器和其他元件,使元器件特別是無源器件的成本大幅度下降,城域網(wǎng)系統(tǒng)對WDM技術(shù)的的成本需求是很低的。 
  
  　 對于城域網(wǎng),系統(tǒng)對單模光纖的傳輸衰減要求不高,也不需要使用光纖放大器。這樣這可以使用1200-1700nm的寬窗口,將相鄰波長間隔放寬到10或20nm同樣可以構(gòu)成數(shù)十路的波分復(fù)用系統(tǒng)。這就是粗波分復(fù)用（CWDM）系統(tǒng)。 
  
  　 DWDM的收發(fā)設(shè)備要比CWDM系統(tǒng)的同類產(chǎn)品貴四、五倍,DWDM的收發(fā)設(shè)備價格高與激光器的許多因素相關(guān)。CWDM的激光器與DWDM激光器制造上的波長容差是一個非常關(guān)鍵的因素,DWDM激光器的波長容差的典型值為±0.1nm。然而CWDM激光器的波長容差卻高達(dá)±2－3nm。另外,激光片的成品率低也增加了DWDM激光器的造價。此外,帶Peltier冷卻設(shè)備和熱敏電阻的蝶形DWDM激光器要比無冷卻的同軸CWDM激光器貴得多。 
  
  　 CWDM系統(tǒng)采用的DFB激光器不需要冷卻,當(dāng)CWDM系統(tǒng)工作在0℃到70℃的溫度范圍內(nèi),其激光器的波長一般會有6nm的漂移。這個波長漂移再加上激光器生產(chǎn)過程造成的±3nm波長變化,總共大約有±12nm的變化。這樣就要求光濾波器的通帶和激光器信道間距必須足夠?qū)挕Ｔ谶@些系統(tǒng)中,在信道帶寬為13nm的情況下信道間距一般為20nm。當(dāng)復(fù)用的信道數(shù)為16或者更少時,在成本、功耗要求和設(shè)備尺寸方面,CWDM系統(tǒng)比DWDM系統(tǒng)更有優(yōu)勢。隨著越來越多的城域網(wǎng)運(yùn)營商開始尋求更合理的傳輸解決方案,CWDM越來越廣泛地被業(yè)界所接受。 
  
  　 CWDM最大的特點(diǎn)即是對波分復(fù)用設(shè)備系統(tǒng)要求不高。CWDM無須選擇成本昂貴的密集波分解復(fù)用器和EDFA,只須采用便宜得多的多通道激光收/發(fā)器作為中繼,因而成本大大下降。在地理范圍不是特別大、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展不是非�？斓某鞘�,具有良好的應(yīng)用價值。 
  
  　 三、粗波分復(fù)用CWDM技術(shù)的優(yōu)勢 
  
  　 在城域網(wǎng)中,由于傳輸距離短,不必使用放大器,對光纖的傳輸衰減值也不太敏感,采用CWDM粗波分復(fù)用技術(shù)可以降低對器件、部件的性能要求,從而大幅度降低成本。 
  
  　 在同一根光纖中傳輸?shù)牟煌�波長之間的間距是區(qū)分DWDM和CWDM的主要參數(shù)。DWDM系統(tǒng)的波長間距一般為200GHz(1.6nm),100GHz(0.8nm)或50GHz(0.4nm),將來的系統(tǒng)中可能會有更窄的間距。在DWDM系統(tǒng)中,采用DFB（分布反饋）激光器作為光源,后者的溫度漂移系數(shù)為0.08nm/℃,它需要采用冷卻技術(shù)來穩(wěn)定波長,以防止由于溫度變化波長漂移到復(fù)用器和解復(fù)用器的濾波器通帶之外。 
  
  　 CWDM技術(shù)充分利用了城域網(wǎng)傳輸距離短的特點(diǎn),不必受EDFA放大波段的限制,而是可以在1310-1560nm的整個光纖傳輸窗口上,以比DWDM系統(tǒng)寬得多的波長間隔進(jìn)行波分復(fù)用。由于波長間隔寬、傳輸距離短,CWDM無須選擇價格昂貴的高波長穩(wěn)定度和高色散容限的激光器,這可以大幅度降低激光器成本。此外,CWDM無須選擇成本昂貴的密集波分解復(fù)用器和復(fù)用器,只須選擇廉價的粗波分復(fù)用器和解復(fù)用器；無須采用比較復(fù)雜的控制技術(shù)以維護(hù)較高的系統(tǒng)要求；無須采用EDFA,只須采用便宜得多的多通道激光收/發(fā)器作為中繼。由于器件成本和系統(tǒng)要求的降低,使得CWDM系統(tǒng)的造價比DWDM系統(tǒng)有大幅下降。 
  
  　 雖然價格成本比DWDM低得多,CWDM系統(tǒng)也能和DWDM一樣支持多業(yè)務(wù)接口,例如可以提供SDH接口,實現(xiàn)IP/Ethernet over SDH、ATM over SDH；可以為路由器和ATM交換機(jī)提供光纖直連接口,實現(xiàn)IP/Ethernet over Optical和ATM over Optical等。CWDM系統(tǒng)也可以通過使用OUT（光傳輸單元）和OADM（光分/插復(fù)用）,同使用標(biāo)準(zhǔn)波長的DWDM系統(tǒng)互連、成環(huán)或接入DWDM骨干層。此外,CWDM可以兼容在城域網(wǎng)中已得到廣泛應(yīng)用的1310nm的SDH系統(tǒng),而目前的DWDM還做不到這點(diǎn)。CWDM技術(shù)還具有應(yīng)用于長途傳輸?shù)臐撛谀芰?一旦寬帶的LAMAN（拉曼）光放大器進(jìn)入商用,CWDM技術(shù)就有可能進(jìn)入長途傳輸市場。 
  
   3.1 成本低 
  
  　 在CWDM系統(tǒng)中,相鄰波長通道的間隔放寬到20nm,這就有可能將各個部件的容錯范圍放大,可以使用廉價的復(fù)用器、解復(fù)用器、插/分設(shè)備和交換機(jī)。例如,DWDM解復(fù)用的薄膜濾波器0.4nm、0.8nm的由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜成品率低,價格昂貴。而20nm的濾波器生產(chǎn)工藝簡單、成品率高,價格要便宜得多。 
  
  　 在復(fù)用器和解復(fù)用器方面,DWDM和CWDM的造價差別主要是由于CWDM的濾波器包含的層數(shù)少,故CWDM濾波器的成本比DWDM濾波器的成本低。DWDM系統(tǒng)中使用的100GHz濾波器一般大約有150層,而CWDM系統(tǒng)的20nm濾波器大約有50層。CWDM濾波器的成本比DWDM濾波器的成本要少50%,預(yù)計在未來的2到3年內(nèi),自動化生產(chǎn)的成本可望再降1/3。此外,新的濾波器和復(fù)用器/解復(fù)用器技術(shù)的采用有望進(jìn)一步縮減成本。 
  
   3.2 功耗低 
  
  　 光傳輸系統(tǒng)的運(yùn)營成本取決于系統(tǒng)的維護(hù)和系統(tǒng)消耗的功率。既使DWDM和CWDM系統(tǒng)的維護(hù)成本都可以接受,DWDM系統(tǒng)的功耗要比CWDM系統(tǒng)的功耗高得多。例如,DWDM激光器采用的冷卻器及其控制電路每波長要消耗大約4W的功率。而沒有冷卻器的CWDM激光器僅消耗0.5W的功率。四波CWDM光傳輸系統(tǒng)大約消耗10－15W的功率,然而類似的DWDM系統(tǒng)卻要消耗高達(dá)30W的功率。在DWDM系統(tǒng)中,隨著復(fù)用的波長總數(shù)的增加以及單信道傳輸速率的增加,功率損耗及其溫度管理變成了電路板設(shè)計的關(guān)鍵問題。 
  
   3.3 體積小 
  
  　 CWDM激光器要比DWDM激光器小得多,不帶冷卻器的激光器一般是由激光片和密封在帶有玻璃窗口的金屬容器中的監(jiān)控光電二極管構(gòu)成的。DWDM激光發(fā)射機(jī)的尺寸大約是CWDM激光發(fā)射機(jī)體積的五倍,也就是說,如果DWDM激光發(fā)射機(jī)的體積為100cm2,那么沒有冷卻器的CWDM激光器體積僅僅為20cm2。 
  
  　 如今,廠家已經(jīng)能夠提供具有2到8個波長的商用CWDM系統(tǒng),將來這些系統(tǒng)有望在1290nm到1610nm的頻譜內(nèi)擴(kuò)展到16個復(fù)用波長。目前,大多數(shù)CWDM系統(tǒng)工作在從1470nm到1610nm的范圍內(nèi),其信道間距為20nm。此外在1310nm窗口附近也在開發(fā)之中。由于到目前為止,已經(jīng)安裝的大部分光纖中有殘留水分,使得其在1400nm波長附近的光信號衰減。這個附加損耗會限制系統(tǒng)在長途傳輸中的使用,但是對于城域網(wǎng)使用的CWDM系統(tǒng)而言,這并不是一個障礙。 
 
 　 四、CWDM技術(shù)在城域網(wǎng)中的應(yīng)用 
  
  　 我國的大部分城市,包括東部發(fā)達(dá)地區(qū)的一部分城市和西部不發(fā)達(dá)地區(qū)的大部分城市,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求不高,應(yīng)用DWDM不能體現(xiàn)良好的性價比。此時,用低成本的CWDM技術(shù)對城域網(wǎng)進(jìn)行組織就顯得十分必要。CWDM系統(tǒng)由于和DWDM系統(tǒng)一樣,具有多種業(yè)務(wù)接口,因此具有很廣泛的適應(yīng)性。在不發(fā)達(dá)地區(qū),可以直接應(yīng)用CWDM技術(shù)進(jìn)行城域核心層和城域匯聚層組網(wǎng);在比較發(fā)達(dá)地區(qū),數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展比較好、光纖資源不太緊張的城市,CWDM技術(shù)可以和路由器結(jié)合組織匯聚層網(wǎng)絡(luò),也可以和以太網(wǎng)結(jié)合組織城域接入層網(wǎng)絡(luò)。 
  
  　 CWDM技術(shù)充分適應(yīng)了城域傳輸網(wǎng)傳輸距離短的特點(diǎn),而且不受EDFA放大波段的限制,可以在1310nm-1560nm的整個光纖傳輸窗口上,以比DWDM系統(tǒng)寬得多的波長間隔進(jìn)行波分復(fù)用。由于波長間隔寬、傳輸距離短,CWDM無須選擇價格昂貴的高波長穩(wěn)定度和高色散容限的激光器,這至少可以從三個方面大幅度降低激光器成本： 
  
  　 1.由于使用無致冷激光器,使激光器制造和封裝成本降低。 
  
  　 2.對波長誤差的放寬也便于生產(chǎn)更廉價的激光器。 
  
  　 3.CWDM用的激光器可以使用和DVD激光器一樣的生產(chǎn)和封裝技術(shù),成本低,工藝成熟簡單,而今天DVD激光器正在大批量生產(chǎn),這可進(jìn)一步降低CWDM激光器的生產(chǎn)成本。 
  
  　 此外,CWDM無須選擇成本昂貴的密集波分復(fù)用器和解復(fù)用器,只需選擇廉價的粗波分復(fù)用器和解復(fù)用器；無須采用比較復(fù)雜的控制技術(shù)以維護(hù)較高的系統(tǒng)要求；無須采用EDFA,只須采用便宜得多的多通道激光收/發(fā)器作為中繼。由于器件成本和系統(tǒng)要求的降低,使得CWDM系統(tǒng)的造價比DWDM系統(tǒng)大幅下降。 
  
  　 CWDM傳輸系統(tǒng)和高性能路由交換機(jī)連接起來就可以構(gòu)成寬帶IP城域網(wǎng),也可以把CWDM傳輸設(shè)備直接與路由交換機(jī)相連,由路由交換機(jī)直接驅(qū)動光傳輸設(shè)備。路由交換機(jī)對各波長和數(shù)據(jù)流都可以進(jìn)行分/插。 
  
  　 CWDM技術(shù)是應(yīng)寬帶IP城域網(wǎng)到需求而發(fā)展起來的,將CWDM傳輸系統(tǒng)和高性能路由交換機(jī)連接起來就構(gòu)成寬帶IP城域網(wǎng)。另外一個趨勢是將CWDM光傳輸設(shè)備和路由交換機(jī)結(jié)合在一起,這就可以由路由交換機(jī)端口直接驅(qū)動光傳輸設(shè)備。最簡單情況,一根光纖只傳輸一路數(shù)據(jù)時,在裸光纖上直接運(yùn)行吉位以太網(wǎng)（GE）。如果需要傳輸多路數(shù)據(jù)可采用CWDM系統(tǒng),根據(jù)需要逐步增加波長通道。 
  
  　 寬帶IP城域網(wǎng)采用IP Over CWDM系統(tǒng)和NXGbE幀格式。傳輸采用CWDM系統(tǒng),路由器采用N×GbE端口較SDH端口要便宜得多。因此,IP over CWDM系統(tǒng)的成本比IP over DWDM要低得多。這種系統(tǒng)的另外一個好處是由于采用自適應(yīng)速率對光纜的性能要求不高,一些由于性能下降原來已經(jīng)不能使用的舊光纜也有了使用價值。由于采用以太網(wǎng)幀格式,任何有局域網(wǎng)使用經(jīng)驗的人都可以租借,購買光纜來構(gòu)成自己的城域網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)。 
  
  　 IP over CWDM寬帶IP城域骨干網(wǎng)與100/1000Mb/s以太網(wǎng)接入網(wǎng)可以無縫連接,中間不需要格式轉(zhuǎn)換,可以便宜高效率地實現(xiàn)100/1000Mb/s接入速率的寬帶IP城市域網(wǎng)。