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摘要 波分系统在工程中的规划相对于SDH复杂，本文简单介绍了设计密集波分复用系统时需要考虑的一些主要问题，其中详细描述关于中继距离的测算和再生段的计算方法。
关键词 密集波分系统 光功率 光信噪比
1、引言
在开始设计DWDM系统前，需要对所达到的目标和系统的整体情况有所了解。波分系统所覆盖的地理范围，路由穿越的地理环境、地貌，系统当前的容量需求和未来的扩容需求，所设计系统的各项性能指标，是否有超长跨段，以及目前厂家波分设备和技术的成熟度等。
在规划和设计波分系统时考虑的主要问题是路由的选择、局站的设置、光纤类型和波长选用、设备的性能、最大中继距离和再生段／光放段的计算。
2、波分路由的选取
波分系统路由的选择部分是基于光缆线路的考虑，应以工程设计和传输网络规划为依据，对于所要设计的系统，首先要在源终端站和宿终端站之间选择最合理的路由，如易于建站、地形单一、地质稳固平坦。路由一般以直、距离短为选取原则。同时在复杂的线路资源情况下，要考虑骨干的省际路由和省内二干路由的相互利用问题，使得同方向的不同级别路由可以互为备用，从而达到较高的线路利用效率和覆盖面积，同时也可以增强传输网络的安全性。
3、站型的设置
密集波分项目中的传输站型有终端站、光放站、转接站、再生站和分路站5种。其中项目工程中，按物理结构划分，业务源点、业务宿点为终端站，终端站进行各波道的合波、分波，直接承载SDH业务层；波分复用终端站之间用于对光信号进行中继放大的站型为光放站；连接上、下游双向的波分复用终端设备，部分或是全部光波道通过SDH终端复用设备（TM）背靠背连接，其余光波道是通过光中继器或具有再生功能的光转换器（0T）连接的为转接站；两个方向的波分复用终端设备的光通道是通过光中继器或具有再生功能的光转换器（0T）连接，并对信号进行3R再生的中间节点，为再生站；波分网络的中间节点，是通过光分插复用（OADM）设备来上下光通路，为分路站，在物理拓朴为环形的结构中常采用分路站型。
传输站应根据工程立项、网络拓扑、波道组织以及传输要求的合理配置；同时，参考维护体制及维护条件合理选择传输站址并设定站型。
除终端站和再生站外，其余各站型的规划既要考虑上、下话路的需要，又要考虑对信号放大、再生的需要。由于光纤的衰减和色散使传输距离受限，需要在适当的距离上设置光放设备对已经衰减和变形的信号进行整形，将部分衰减的信号进行判决、再生，从而延长光信号的传输距离。目前，在1550nm窗口运行的系统，已广泛引入了掺铒光纤放大器（EDFA），但对高速率、长距离波分传输系统，使用级联EDFA时，需考虑对色散的补偿和对放大的自发辐射（ASE）噪声的抑制。
4、对设备的审核
由于WDM设备是组成波分系统的主要元素，选择性能良好、可靠性高的设备是波分系统设计的重要保障。
对于设备性能的考察首先要满足ITU-T相关技术规范，其次，WDM设备的详细技术性能、功能和指标、工作原理、功耗、机架结构（容量、尺寸和重量），机框构成和组架方案等均应满足实际工程项目的设计需要。
设备性能方面激光器、光检测器、光纤放大器、分波器、合波器和时钟等主要元器件和模块的类型及其技术指标也应达到相应要求。
最后设备的可靠性，包括MTBF或故障率（Fit）数据及其计算依据及验证方法，也应逐一审核，此外，WDM系统的设计寿命不应低于20年。
5、系统最大中继距离的计算
在波分复用系统中，最大中继传输距离L，由以下5种因素决定：
（1）光发送设备S点单信道稳态时最大允许输出功率Pout（dBm）；
（2）光接收设备R点最小允许输入功率Pin（dBm）；
（3）光纤损耗a（dB/km）：包括设计段落中光纤接头的总损耗、光纤的总损耗以及损耗冗余度；
（4）光纤色散（ps/nm·km）：采用EDFA放大后，由于衰减限制无中继长距离传输的问题虽已解决，但随着距离的增加，总色散也随之增加，原系统逐渐变成了色散受限系统；
（5）光信噪比（OSNR）：由于光放大器的级联使光放大的自发辐射噪声产生累积，导致光信噪比（OSNR）降低，OSNR降低到一定程度后将严重影响系统的接收灵敏度。这种情况常发生在系统已运行了一段时间，可以通过网络优化来提高OSNR值。
以上5种因素中，前两种与厂家的设备性能有关，由具体器件及系统决定，属于波分系统的固有特性。后3种因素随着系统投入运行，光纤损耗值、色散值和光信噪比都会逐渐产生变化。
5.1 功率测算
在WDM系统规划中，一般只对传输网络中相邻的两个设备做功率测算，而不对整个网络进行统一的功率测算。传输网络中相邻的两个设备间的距离产生的衰耗称作中继距离衰耗。
图1 功率预算示意图
如图1所示，A站点发送参考点为S，B站点接收参考点为R，S点与R点间传输距离为L，则：
L=（Pout-Pin）/a （1）
其中Pout为S点单信道的最大允许输出功率（dBm），S点的发送光功率与A站点的配置有关；Pin为R点的单信道最小允许输入功率（dBm），R点的接收光功率与B站点的配置有关。
以华为波分系统OptiXTM BWS 320G为例，A、B两站点配置的32波设备不同，Pout、Pin的值也不相同。具体如表1所示。
表1 W32对应不同规格中继距离（衰耗）的配置
再生段规格 发送端（A站点）接收端（B站点）
最大发送光功率 板类型 最小接收光功率 板类型 最大中继段衰耗
8×22dB +5dBm WBA -18dBm WBA或D16 22dB
5×30dB +5dBm WBA -25dBm WPA 30dB
3×33dB +5dBm WBA -28dBm WPA 33dB
a为光缆每公里平均衰耗（dB/km），一般工程设计取0.275dB/km，此平均衰耗值已包含光接头、富裕度等各种因素的影响。实际工程配置时，一般先有工程勘测报告，勘测出光缆的实际衰耗系数，根据实际衰耗再做工程的功率测算。
具体配置时，根据如下原则来进行：先将各种实际的中继距离的衰耗规范到几种规格中继距离衰耗上去。
假设系统规划时可以采用5种规格的中继距离衰耗值，即：22dB、30dB、33dB、37dB、40dB，如图2所示。
图2 规格中继距离划分示意图
（1）中继距离22dB，当实际的中继段落衰耗不大于22dB时，按22dB配置，但分为两种情况处理。第一，该中继段两端都为OLA站时，发送端配WBA，接收端配WBA；第二，该中继段有一端为OTM站时，如该中继段实际衰耗不大于18dB时，OTM端的接收端不配置WPA，OLA端的接收端配WBA；如该中继段实际衰耗大于18dB时，OTM端的接收端配WPA。
（2）中继距离30dB，当实际的中继段衰耗大于22dB而不大于30dB时，按30dB配置，发送端选配WBA、接收端则配置WPA。
（3）中继距离33dB，当实际的中继段衰耗大于30dB而不大于33dB时，按33dB配置，这时发送端配WBA，接收端配置WPA。
5.2 色散测算
如果光纤的损耗很小，而系统所传输码速很高时，中继距离可能受限于光纤的色散，因此，色散的测算是针对整个网络来考虑的，而不是针对相邻两站点间的中继距离来考虑的。如图3所示。
图3 色散预算的考虑
即再生距离由发、收之间的光通道的总色散决定，这类系统称为色散限制系统。由于色散所造成的脉冲展宽，不仅会使接收机灵敏度降低，而且会使均衡困难，乃至误码严重，以至影响中继距离；对于色散受限系统，可达到的最大再生距离可用下式估算（最坏值法）。
Lmax=DSR/Dm （2）
式中Lmax为最大再生距离；DSR为S点和R点之间允许的最大色散值，可以从相关规范中查找各速率等级通道的DSR值（单位为ps/nm）；Dm为工作波长范围内的最大的光纤色散，单位为ps/nm·km。
在进行系统设计时，先根据网络上各节点的业务上下情况将整个网络划分为多个再生段，再将各个再生段距离规范到对应的色散容限再生段距离上。根据各种规格再生段距离配置不同的波长转换单元。
5.3 OSNR的测算
掺铒光纤放大器（EDFA）的应用引入ASE噪声，使信号质量下降，从而导致系统接收灵敏度降低。光放大器的级联导致多个光放大器的ASE噪声在接收端累积起来，最终共同影响OSNR。放大器级联后在接收端得到的ASE噪声的大小与所级联的每一个放大器的增益和各个中继段的规格中继距离衰耗有关。在总长度相同的情况下，多个小增益的中继段级联后的OSNR比少个高增益的中继段级联后的OSNR要好。因此，对再生段进行设计时，要充分考虑到各种级联方式的优劣。
对于中继段衰耗等于放大器增益的再生段，一般可以参照以下几种级联模型来计算：8×22dB，5×30dB，3×33dB。
级联的中继段段数不大于8个，每个中继段的规格中继距离衰耗都为22dB。
级联的中继段段数不大于5个，每个中继段的规格中继距离衰耗都为30dB。
级联的中继段段数不大于3个，每个中继段的规格中继距离衰耗都为33dB。
以上几种情况，接收端最后的信噪比可按如下公式计算：
OSNRN=Pout-L-Nf-10logN=58.03dBm （3）
其中OSNRN为第1～N段中继段级联后的光信噪比（dB）；Pout为单波长信号的输出功率（dB）；L为中继段衰耗（dB）；Nf是光放大器的噪声系数（dB）；N为光中继段的个数。
由此计算得到的信噪比应满足表2要求。
表2 信噪比计算法
放大器级联类型 最小光信噪比（dB）
32波8×22dB系统 （8×80km） 22
32波5×30dB系统（5×100km） 21
32波3×33dB系统（3×120km） 20
6、光缆线路冗余度
（1）在投入运营后，若光缆线路的部分参数发生变化，如附加的光纤接头增加、光缆长度距离的增加等，在规划时一般省际长途干线按0.05～0.1dB/km考虑。
（2）由于环境因素造成的光缆性能变化，例如低温引起的光缆衰减的增加，直埋方式可按0.05dB/km考虑，架空方式随具体环境和光缆设计而异。
（3）S-R点之间光缆线路所包含的活动连接器和其他无源光器件的性能恶化。
ITU-T并没有对光缆冗余进行统一规范，各国电信部门可根据所用的光缆性质、环境情况和经验自行确定。对我国长途传输，Mc可选用0.05～0.1dB/km，对于市内局间中继和接入网则常用0.1～0.2dB/km，或以3～5dB范围内的固定值给出。
7、DWDM光纤数字传输工程的再生段/光放段计算
在工程的实际应用中，各种情况不一，有的光放段段落长度比较均匀，有的光放段长度不会很固定且不均匀，同时可能在局部中继段落略微超长，或光复用段中的光放段数量也稍有增加，因此在工程设计中，DWDM光纤数字传输工程的再生段／光放段计算，可按以下步骤进行。
7.1 规则设计法
即利用色散受限式及保证系统信噪比的衰耗受限式，分别计算和比较这两种结果后，取其较小值。此方法适用段落比较均匀的情况。公式如下。
L=Ds/D （4）
式中L为色散受限的再生段长度（km）；Ds为端到端的系统总色散值，从MPI-S到MPI-R之间的光通道允许的最大色散值（ps/nm）；D为光纤色散系数（ps/nm·km）。
（5）
∑为i，i=1～N段的累加；式中L为满足信噪比的衰减受限的再生段长度（km）；n为DWDM系统应用的应用代码所限制的光放段数量；Aspan为最大光放段衰耗，其值应小于或等于DWDM系统采用的应用代码所限制的段落衰耗（dB）；∑Ac为MPI-S点至R′点、S′至R′点或S′至MPI-R间所有连接器衰耗之和（dB）；Af为光纤衰减常数（dB/km）；Amc为光线路维护每公里设计余量（dB/km）。
7.2 简易的信噪比计算法
当规则设计法不能满足实际应用的要求时，可采用上述色散受限式及简易的信噪比计算式进行系统设计，即利用保证色散受限和系统的信噪比来确定再生段／光放段的长度。此方法适用光放段衰耗差别不太大的情况。
OSNRN=58+Pout/M-Nf-Aspan-10logN （6）
式中OSNRN为N个光放段后的每通路光信噪比（dB）；M为光通道数量；Pout/M为每通道的平均输出功率（dB）；Nf为EDFA噪声系数；Aspan为最大光放段损耗（dB）。
在光信噪比（OSNR）的计算中，一般取光滤波器带宽0.1nm，在每个光放段R′点及MPI-R点的各个通路的OSNR大于22dB的情况下，由光放段损耗来决定光放段的长度，也可确定通过若干个OA级联的再生段长度。
在上述两种均不能满足系统OSNR的情况下，要采用专用系统计算工具计算来确定。所确定的再生段长度及光放段长度，应为充分考虑系统未来的升级扩容需求。
8、光纤类型及波长选用
目前，在直埋光缆所用的单模光纤为G.652、G.653和G.655光纤。G.652光纤可以应用在1310nm和1550nm两个波长上，在1310m窗口的波长特性最佳，但在1550nm窗口的色散系数较大，在传送速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段，其成本较高。G.653光纤为色散位移光纤，在1550m窗口的波长特性最佳，适用于开通长距离单通道的STM-64以上速率的SDH系统，但因1550nm工作波长零色散的非线性影响，将产生四波混频的效应，仅适用于开通非均匀的DWDM系统。G.655光纤为非零色散位移光纤，它在1550nm的波长区因保持最小的色散系统，可以有效避免四波混频的影响，既能很好地传送高速率的时分复用系统，又能开通均匀的DWDM系统。因此G.652，G.655光纤比较适用于开通DWDM系统。
