波分超长距离传输解决方案

波分超长距离传输解决方案

一、超长距离传输的类型和应用环境

近年来，波分复用技术主要朝超长距离和大容量传输两个方向发展，鉴于超长距离传输的市场需求和网络趋势，本文将重点集中在长距离传输方面，探讨超长距离传输的解决方案。

图1 长距离传输的两种类型

超长距离传输包括多跨（放大）段的长距离无电中继传输和单跨（放大）段传输两种。从形态特征角度看，前者通常指1000km~3000km无光电转换的点对点传输，后者则是100km~300km 的无有源放大或者无中继点对点传输，如图1所示。从技术实现角度看，多跨段长距离无电中继传输需解决光信噪比（OSNR）、色散（CD）、偏振模色散（PMD）、非线性效应（NL）以及功率均衡等一系列问题；而单跨段传输所需解决的问题相对要少很多，一般仅关注OSNR和非线性效应（NL）。从网络应用角度看，前者应用于常规环境下，可减少无业务上下的电中继接点数量，大大减轻维护工作量；后者则主要应用于海岛之间、沙漠、无人区等受天然障碍制约无法设置有源设备或不便维护的地区。

图2 动态光网络的路由变化

当然，多跨（放大）段的长距离无电中继传输还有一个非常重要的应用场景，就是动态光网络。基于ROADM （可重构光分插复用器）系统，PXC（光交叉）系统的动态光网络的光通道状态可能会经常发生变化。当网络连接因为调度、保护和恢复等原因，使得光通道的路由长度和连接关系发生变化时，就可能发生图2所示的例子，路由经历从A→D→F→I的变化，面临着光路由的物理限制OSNR、色散补偿等如何获得动态满足的问题。

如果能够实现长距离无电中继传输，动态路由的物理限制问题就可以迎刃而解，这也是长距离无电中继传输受到越来越多关注的重要原因。

二、超长距离传输相关技术

超长距离传输受到色散效应、非线性效应等物理障碍的限制。为了完成超远距离传输，必须在终端和线路两个方面采取相应技术进行处理。

1．长距离传输的物理限制

光信号在光纤中进行传输，遇到的物理障碍包括非线性效应（NL）、色散效应（CD）、偏振模色散（PMD）和光信噪比（OSNR）限制。其中，非线性效应又包括自相位调制（SPM）、互相位调制（XPM）、四波混频（FWM）、受激拉曼（SRS）和受激布里渊（SBS）等效应。

色散效应（CD）可以通过增加终端发射单元的色散容限、线路色散补偿以及在接收端进行后补偿等方法加以克服。而对于偏振模色散（PMD），尚没有好的商用补偿手段，只能采用偏振模色散（PMD）指标好（小于0.1ps/km1/2）的光纤实现长距离传输。光信噪比（OSNR）的限制，可以通过降低发射单元的OSNR门限加以解决。

影响长距离传输性能的非线性效应主要是自相位调制（SPM），而自相位调制（SPM）的影响是通过与光纤色散效应（CD）相互作用来体现的，即所谓色散图谱问题。如图3所示，色散图谱的变化与传输距离有关，随着传输距离的延长，残余色散曲线向正色散方向移动，色散窗口也同时变窄。

图3 色散图谱

2．长距离传输的终端调制技术

按照信息承载方式，有3种物理参量可用于加载信息：强度、相位和偏振态，进而产生了3种调制格式：强度调制、相位（或频率）调制和偏振调制。

在现代高速光纤通信中，强度调制得到了广泛应用。利用差分接收，可以将相位信息转化为强度调制接收，解决了相干接收难以实现的难题，相位调制也受到高度关注。而偏振调制则需稳定可靠的偏振管理，在光纤传输中，由于偏振态的随机变化，增加了接收端的复杂性。正是因为偏振系统的复杂性和与波长有关的随机偏振旋转，使得偏振调制技术难以应用于商用光通信系统当中。

按照脉冲调制方式，还可将调制技术分为归零码（RZ）和非归零码（NRZ）两种调制方式。RZ码因为占空比小，信号能量在时域上更加集中，具备更好的OSNR容限。同时，对非线性传输失真和PMD等具有良好的容忍性。

按照信道频带利用方式，可将调制技术分为二进制调制和多（M）进制数字调制方式。M进制多电平信号提高频谱利用效率，在降低码速率，减少CD、PMD对信号的影响等方面具有优势，但同时也提高了OSNR 门限。如果采用多电平调制方式的目的不是为了提高频谱利用率，而是引入码元间的相关性，以达到频谱整型和容忍度改进，则此种调制被称为伪多电平调制。CSRZ、DB和AMI调制等都属于该种伪电平调制方式。

表1以普通的NRZ调制方式为参照，对常用的各种调制方式进行了性能比较。OSNR门限采用相对差值方式表达，色散容限和DGD容限则采用相对倍数的表达方式。

从表1可以看出，对于长距离传输来说，RZ DPSK调制方式具有最低的OSNR门限，可以实现最远距离的无电中继传输。DB调制方式则具有高色散容限，在长距离传输的动态光路由应用模式下非常有用。而RZ DQPSK调制方式具备最大的DGD容限，对基于40Gbps速率的长距离传输来说十分重要。在实际应用过程中，可根据不同的应用场合来选择与之对应的合适的调制技术。

3．长距离传输电域处理技术

当动态光路由要求与长距离传输要求同时出现时，仅仅依靠终端调制技术来提高色散容限有时仍不能解决问题。此时，可以考虑采用电域处理方式，辅助提高系统的色散容限。

电色散补偿是将光域DCM模块色散补偿的功能转移到电域来处理，通过采用有限冲击响应滤波器（FIR）等技术，把在光纤中远距离传输的光信号经光电转换成电信号后作均衡处理的一种新方法。目前，已知的电域色散补偿的处理方法有前向均衡技术（FFE）、后向均衡技术（DFE）、最大似然序列估计（MLSE），FFE与DFE 也可以级联起来使用。

在DFE、FFE以及MLSE等电色散补偿方法中，以MLSE技术对色散补偿的效果最好。MLSE可以补偿G652光纤100km左右的距离。而预离散（Pre distortion）技术，更可实现几千公里距离的色散补偿。其实现方法是在进行初始配置时，接收端进行色散扫描，通过反馈，在发送端可进行相应的信号预调制，以使传输