物联网主干组网之全IP光网络_光传输组网原理

【1】光波分复用

1）技术原理

      WDM (Wavelength Division Multiplexing)是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种不同波长的光信号分开，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

       同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息,称为光波分复用技术，简称WDM。光波分复用一般应用波长分光复用器和解复用器（也称合波/分波器）分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的原理是相同的。

       注：BA，光功率放大器；LA，光线路放大器；PA，光前置放大器。

       光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。其主要特性指标为插入损耗和隔离度。通常，由于光链路中使用波分复用设备后，光链路损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长L1, L2通过同一光纤传送时，在与分波器中输入端L2的功率与L1输出端光纤中混入的功率之间的差值称为隔离度。

2）粗/密集波分复用

粗波分复用器(CWDM)  

       粗波分复用器（Coarse Wavelength Division Multiplexing）简称CWDM，是一种面向城域网接入层的低成本WDM传输技术。从原理上讲，CWDM就是利用光复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端，借助光解复用器将光纤中的混合信号分解为不同波长的信号，连接到相应的接收设备。  

密集波分复用器(DWDM)  

        密集波分复用器（Dense Wavelength Division Multiplexing）简称DWDM，是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时进行传输。与通用的单信道系统相比，密集波分复用器不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单、性能可靠、直接接入多种业务等诸多优点。  

CWDM和DWDM之间的区别 

1. CWDM有18个波段，从1270nm 到1610nm，每个波段间间隔为20nm。DWDM每个通道间隔根据需要有3种：0.4nm(50Ghz)、0.8nm(100Ghz)以及1.6nm(200Ghz)，100GHz (从C17到C61，是最常用的，适用于常规设备)；50GHz (从C17到H61，适用于高通道设备)；通常CWDM波长取1470nm～1610nm及一般使用DFB激光器，因为通道间隔大，所以CWDM器件以及激光器比DWDM 器件便宜，CWDM光波通道间距较宽，同一根纤上复用光波长数比DWDM少，因此，同一根光纤上能复用到10个左右波长的光波，而DWDM能复用10个以上波长的光波；
2. CWDM调制激光采用电子调谐的非冷却激光，而DWDM采用温度调谐的冷却激光。由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高，同时， CWDM系统的功耗和物理尺寸均比DWDM系统的小得多。相对而言整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。。
3.  DWDM系统可提供16/20波或32/40波的单纤传输容量，最大可到160波，具有灵活的扩展能力。用户初期可建16/20波的系统，之后根据需要再升级到32/40波，这样可以节省初期投资。其升级方案原理：一种是在C波段红带16波加蓝带16波升级为32波的方案；另一种是采用interleaver，在C波段由200GHz间隔16/32波升级为100GHz间隔20/40波。进一步的扩容求，可提供C+L波段的扩容方案，使系统传输容量进一步扩充为160波。

【2】无源光网络

       无源光网络（Passive Optical Network, PON）是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式、上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树形、星型、总线型等拓扑结构，在光分支点只需要安装一个简单的光分支器即可。

OLT（optical line terminal）用于部署在局域端终结PON协议的汇聚设备。

ODN（optical distribution network）由一个或多个无源分路器（passive optical splitter pos）组成，连接OLT和ONU。

ONU（opitical network unit）位于客户端的给用户提供各种接口的用户侧单元或终端。

ONT（opitical network terminal）光网络终端。

PON系统光链路损耗简要计算

1. 光路损耗=所有分光器插损值之和+光纤长度(km)*0.4+熔纤点数目*0.1+法兰盘个数*0.5
2. ONU接收侧功率=OLT发射功率-光路损耗
3. 设计要求ONU接收侧光功率大于ONU最小接收功率指标。

全IP光传输网络设计

      全光纤连接，网络层次扁平化，多网融合。

       光交机（核心交换机）采用堆叠技术组网形成一台交换机进行管理，简化运维；主干网采用双链路冗余设计确保网络通信稳定可靠。

【3】波分复用型无源光网络（WDM-PON）

       PON按信号分配方式可以分为功率分割型无源光网络（PSPON）和波分复用型无源光网络（WDMPON）。目前，APON、BPON、EPON、GPON均属于PSPON。

        PSPON采用星型耦合器分路，上行、下行传送采用TDMA/TDM方式，实现共享信道带宽，分路器通过功率分配将OLT发出的信号分配到各个ONU上。

        WDMPON则是将波分复用技术运用在PON中，光分路器通过识别OLT发出各种波长，将信号分配到各路ONU。基于波分复用技术的WDMPON采用波长作为用户端ONU的标识，利用波分复用技术实现上行接入，能够提供较宽的工作带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入。同时，还可以避免时分多址技术中ONU的测距、快速比特同步等诸多技术难点，并且在网络管理以及系统升级性能方面具有明显优势。

典型的 WDM-PON 由三部分组成：

•光线路终端(OLT)

•光波长分配网络(OWDN)

•光网络单元(ONU)

       OLT是局端设备，包括光波分复用器/解复用器(OMUX/ODEMUX), 一般具有控制、交换、管理等功能，局端的 OMUX和ODEMUX 在物理上与 OLT 设备是可以分离的。

       OWDN是指位于OLT与ONU之间，实现按波长分配的网络，物理链路上包括馈线光纤和无源远端节点(PRN, Passive Remote Node)。PRN 中包含了热不敏感的阵列波导光栅(AAWG, Athermal Arrayed Waveguide Grating), AAWG 是波长不敏感无源光器件，完成光波长复用、解复用功能。

ONU放置在用户终端，是用户侧的光终端设备。

WDM-PON的主要特点：

1. 更长的传输距离
2. 更高的传输效率
3. 更高的带宽
4. 更具安全性
5. 对业务、速率完全透明
6. 成本更低
7. 更易维护

WDM-PON解决方案

       在WDM-PON系统中，多个不同波长同时工作，因此最直接的WDM-PON方案是OLT中有多个不同波长的光源，每个ONU也使用特定波长的光源，各点对点连接都按预先设计的波长进行配置和工作。如果波长数越多，需要的光源种类也越多，带来严重的仓储问题，这对ONU 尤其突出。

       由于存在严重的ONU仓储问题，固定光源的解决方案难以应用于商用WDM-PON系统，因此使用无色ONU已基本成为当前WDM-PON相关研究的共识，基于无色ONU的技术方案是 WDM-PON系统的主流。

无色ONU的实现技术根据使用的器件不同可分为以下三类：

•可调激光器

•宽谱光源

•无光源

（1）可调激光器方案：

可调激光器是使用波长可调的激光器使ONU可以工作在不同的波长，可调激光器也工作在特定波长，但可通过辅助手段对波长进行调谐，如电调谐、温度调谐和机械调谐，这样在系统中可使用同样的激光器以产生不同的工作波长。

但是可调激光器比传统PON系统中使用的激光器更为复杂，价格也较为高昂，因此在目前的 WDM-PON 系统中一般不采用。

（2）宽谱光源方案：

      第二种方案是在ONU中放置一个宽谱光源，发出的光从ONU出来之后，再接一个WDM设备，比如薄膜滤波器或者AWG, 对信号进行频谱分割，只允许特定的波长部分通过并传输到位于中心局的OLT。这样各个ONU具有相同的光源，但由于它们接在WDM合波器的不同端口上，从而可为每个通道生成单独的波长信号。

       在采用宽谱光源的 WDM-PON 系统中，光源发出的光中只有很窄的一部分谱线被用作承载上行信号，而其他大量的能量都被浪费了，因此需要光源提供足够的光功率。

       此外，频谱分割会引起较大的线性串扰，限制了系统的动态范围，需要适当地选择复用器和解复用器的通带谱宽以及信道间隔。

（3）无光源方案：

       还有一种方案是在ONU处无光源，系统中的所有光源都置于OLT处，并通过AWG进行频谱分割后向ONU提供特定波长的光信号，而ONU直接对此光信号进行调制，以产生上行信号。

      根据上行信号的路径，这类方案也称为基于反射的无色ONU实现方案，在这种实现方案中，宽谱光源发出的光经AWG分波后提供给不同的ONU作为上行光源，因此没有光信号的浪费。