DWDM传输距离受限的理论分析及计算方法

DWDM 传输距离受限的理论分析及计算方法（下半部分）

-----------色散引起传输距离受限的理论分析

本部用服部

郑洪良

光传输系统的传输距离受两种因素的限制：第一种是光功率受限，即WDM 复用段距离由光源的发送功率、接收机灵敏度和通道的光衰减来决定；第二种是光源的色散受限，即WDM 复用段距离由光源的类型和光通道总色散所限定。设备的最大传输距离必需同时满足上述两个受限条件。我们这里分析色散引起的传输距离受限。

色散受限传输距离理论计算

光纤色散就是光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散，限制电中继器之间的距离。

色散主要是指集中的光能（例如光脉冲）经过光纤传输后在输出端发生能量分散，导致传输信号畸变。在数字通信系统中，由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同，在光纤中传输一段距离后，将互相散开，脉冲加宽。严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的带宽，限制了光纤的传输容量。

与光纤色散有关的系统性能损伤有多种因素，主要有码间干扰、模分配噪声和啁啾噪声（chirping）三种。详细资料可以查阅相关光通信理论的资料。

DWDM 色散受限传输距离理论计算公式

对于高比特率的传输系统，光纤色散是限制中继段传输长度的主要因素。色散功率代价随传输距离、光谱宽度和色散系数这些参数值的增加而迅速增加。为了防范由于色散功率代价的迅速增加而导致的系统性能恶化，应该使系统有足够的工

作余度，避开高功率代价区。一般认为 1dB 功率

代价所对应的光通道色散值(D*L)定义为通道最大色散值。

受限距离：假设光源啁啾等为零，无电中继距离

满足以下公式：

B2×D×L<105

式中：

B —为信号带宽，（Gb/s）

L —线路长度，(km)

D —光纤色散系数，G.652 光纤的色散系数

一般取18ps/(nm·km)，G.655 光纤的色散系数

一般取6ps/(nm·km)，实际参数根据具体情况

确定。实际受限距离将比理论值低20%——40%左右。

在工程中，若色散受限距离小于实际需要传输

距离，则要配置色散补偿模块 DCM，进行色散补

偿。

对于 2.5Gb/s 系统：

由公式可以知道，对于 G.652 光纤(D=18ps/nm.km)，B=2.5Gb/s, L<960km；B=10Gb/s, L<60km；对于

G.655 光纤(D=6ps/nm.km)，B=2.5Gb/s,

L<4800km；B=10Gb/s, L<300km。

对于 10Gb/s 系统：

10Gb/s OTU 采主要有两种：其一，M－Z 调制，色散容限 1600ps/nm，带波长锁定，可用于 80 波系统，啁啾系数－0.7；其二，EA 调制，色散容限800ps/nm，不带波长锁定，不能用于 80 波

系统。

补偿原则：对于色散容限小于 800 ps/nm 的复

用段，不进行色散补偿。对于色散容限大于 800 ps/nm 的复用段，需进行色散补偿。 综合考虑色散冗余度和非线性效应等因素，补偿后的残余色散容纳值在 200ps/nm~800ps/nm 之间，最佳值在 450~700ps/nm 之间 ，光放站站点的最佳色散补偿量为前段光纤色散的 94％。

DCM 模块在系统中的位置

光纤的色散工程计算值和实际值如下表 1 所示。

OPA 与 OPA 之间最大允许插损是 10dB 。在OMU32（应为 AWG 型）和 OBA 之间一般配置DCM20，最多不能超过 DCM40。节点放大站中的 OPA 与 OBA 之间，前置节点放大站中的 OPA 与 OPA 之间最大允许插损是 10dB 。

根据上述原则，G.652 的色散大，DCM 插损较大，只能采用分布式补偿的方法，补偿方案有以下 5 种：

1． 置于发送端的 OBA 与 OMU 之间（如图 1），

此时发送端的 OMU 采用介质膜滤波器型。此方案为预补偿，即本节点的 DCM 补偿下一段线路光纤的色散。G.652 光纤系统，这里补偿最大为 DCM40，G.655 光纤系统最大为 DCM100。

表 1 光纤的色散值

我们目前的 10G 光发模块的色散容限为 800ps/nm ，按照工程量计算在 G.652 光纤中能传 40km ，G.655 光纤中能传 130km 。超过这个传输距离，就要用色散补偿光纤进行补偿。原则上，我们都采用 100%补偿的 DCF 。 配置色散补偿的原则有：（为简化计算以下补偿量的单位按 km 算）

1．（总线路光纤长度 – 光源的最大传输距离）

≤ 总补偿量 ≤ 总线路光纤长度

2．进入 DCM 的单通道入纤光功率<-3dBm 。

3．DCM 增加系统损耗，要核算系统接收端的OSNR 满足要求。DCM 增加系统损耗，要核算系统接收端的 OSNR 满足要求。

4．DCM 设置要以增加 OA 数量最少考虑。 5．在 OMU32（应为 AWG 型）和 OBA 之间一般配

置 DCM20，最多不能超过 DCM40。节点放大站中的 OPA 与 OBA 之间，前置节点放大站中的

图 1

DCM 置于发送端的 OBA

2． 在接收端采用 OPA+DCM 进行后补偿（如

图 2）。考虑到接收机的入光功率，G.652 光纤系统这里补偿最大为 DCM40。G.655 光纤系统最大为 DCM60。

图 2

DCM 在接收端采用 OPA+DCM 进

3． 置于线路中，DCM 插在 OLA 放大前面（如

图 3），采用 DCM+OLA 作为放大站。此方案为后补偿，即 DCM 补偿前一段线路光纤的色散。当（线路损耗+DCM 插损）<33dB 并且系统信噪比核算满足要求时，可以采用这种方案。

图 3 DCM 插在 OLA 放大前面

光纤类型

工程计算值 G.652 20ps/（nm.km ） G.655

6ps/（nm.km ）

实际值 17ps/（nm.km ） 4ps/（nm.km ）

4． 对于 32×10Gb/s 系统，当 OTM 收端前级线

路插损<12dB 时，无须配置 OPA 板但是需要配置 SDMR 板，可在接收端采用SDMR+DCM 进行后补偿（如图 4）。

上路和直通通道的补偿量相当。

图 4 接收端采用 SDMR+DCM 进行

图 6 （a ） DCM 在 OADM 站点预补偿

5． 置于线路中，采用 OPA+DCM+OBA 两级放

大作为放大站（如图 5）。此方案既可做后补偿，亦可做前补偿。当其前、后跨段均大于 60km 时，则多考虑这种方案。

在考虑色散补偿方案时，按照 1，2 → 3，4 →5 的优先顺序配置。

图 6 （b ） DCM 在 OADM 站点后补偿

OTM

OBA

OPA+DCM+OBA

OPA OTM

图 5

DCM 置于线路中，采用 OPA+DCM+OBA 两级放大作

6．在 OADM 站点，采用 OPA+OBA 两级放大， 中间插 DCM 的方法。图 6（a ）为预补偿， 即前提是下路通道已经在前级完全补偿，此 处补偿上路和直通通道的色散，预补偿量

在 OADM 节点配置 DCM 时要考虑的因素有：

下路通道色散必须完全被补偿。 下路通道的光功率在接收机允许范围内。

图 6

（c ） DCM 在 OADM 站点分别补

G.655 光纤系统色散小，DCM 插损小，采用上述 1 或者 4 的 OTM 内补偿以及集中后补偿的方案，在集中补偿点采用两级放大器，最大补偿量为 4 个 DCM100。

一个 3 子架机架有 2 个 DCF 插箱，每个 DCF 插箱中只能放一个 DCM 模块。原则上一个节点的一个方向最多配 2 个 DCM 。对于不满 3 子架的机架。DCF 插箱可自底向上放置在第 3 子架的位置上。

光纤偏振模色散（PMD ）

光纤偏振模色散计算

对于高比特率的传输系统，传输距离除了受到

光线路衰耗和光纤色散的限制外，还受到光纤

OTM OBA OPA+DCM1+OAD+DCM2+OBA

OPA OTM

OTM OBA

OPA+OAD+DCM+OBA

OPA OTM

OTM OBA OPA+DCM+OAD+OBA

OPA OTM

偏振模色

散的限制。工程中一般只讨论 10 Gb/sDWDM 系统的PMD 受限。

PMD 由光纤的随机性双折射引起，即不同极化状态下光纤的折射率不同，从而引起相移不同，反映在时域上表现为不同极化态之间的群延时不同，最终使光脉冲波形展宽。

PMD 是由以下几个方面的因素造成的：光纤固有的双折射，即光纤在生产过程中产生的几何尺寸不规则和在光纤中残留应力导致折射率分布的各向异性；光缆在铺设使用过程中，由于受到外界的挤压、弯曲、扭转和环境温度变化的影响而产生偏振模耦合效应，结果改变两偏振模各自的传播常数和幅度，导致偏振模色散；另外当光信号通过一些光通信器件如隔离器、耦合器、滤波器时，由于器件结构和材料本身的不完整性，也能导致双折射，产生偏振模色散。对于高比特率的传输系统，传输距离除了受到光线路衰耗和光纤色散的限制外，还受到光纤偏振模色散的限制。工程中一般只讨论10 Gb/sDWDM 系统的PMD 受限。

PMD 由光纤的随机性双折射引起，即不同极化状态下光纤的折射率不同，从而引起相移不同，

反映在

时域上表现为不同极化态之间的群延时不同，

最终使光脉冲波形展宽。

PMD 是由以下几个方面的因素造成的：光纤固有的双折射，即光纤在生产过程中产生的几何尺寸不规则和在光纤中残留应力导致折射率分布

的各向异性；光缆在铺设使用过程中，由于受

到外界的挤压、弯曲、扭转和环境温度变化的

影响而产生偏振模耦合效应，结果改变两偏振

模各自的传播常数和幅度，导致偏振模色散；

另外当光信号通过一些光通信器件如隔离器、

耦合器、滤波器时，由于器件结构和材料本身

的不完整性，也能导致双折射，产生偏振模色散。

对10Gb/sDWDM 系统，PMD 受限距离(详细说明见G.691 的appendix I)按ITU-T 规定，满足以下公式：

B2×PMD2×L<104

式中：

B —信号带宽，（Gb/s）

L —线路长度，(km)

PMD —光纤偏振模色散。（ps/ km1/2）

ITU-T 规定：PMD 取 0.5 ps/ km1/2。此时，32×10Gb/s DWDM系统的 PMD 受限距离为 400km 左右。

光纤偏振模色散时延的计算

考虑色散补偿模块和放大器引入的DGD 时延，系统的DGD 值计算如下：

DGD（SYS）＝[Σ(PMD2×L＋DGD（DCM）

2＋DGD（EDFA）2)] 1/2 (10)

式中：

DGD（SYS）—系统 PMD 时延，（ps）

DGD（DCM）—DCM 模块引入的 PMD 时延，（ps）

DGD（EDFA）—EDFA 引入的 PMD 时延，

（ps）

L —线路长度(km)，

PMD —光纤偏振模色散。一

般地，取DGD（DCM）

<1ps，DGD（EDFA）<1ps。

在工程设计中，运营方给出的PMD 值主要有以下几种：0.3ps/ km1/2、0.4ps/ km1/2、0.5ps/ km1/2，可根据实际情况在上述值中选择，一般保守选择0.5ps/

km1/2。

按ITU-T 规定，32×10Gb/s DWDM 系统各复用段的PMD 群时延（DGD）应小于10ps。

单段光纤的DGD 值计算：

DGD（SGL）＝PMD×L1/2

式中：

DGD（SYS）—单机 PMD 时延，（ps）

L —线路长度(km)，

PMD —光纤偏振模色散。

偏振模色散是一统计量，随时间和温度而变化，并测量的状态密切相关。根据现有各种单模光纤的制造技术水平并考虑到 10Gb/s 系统传输距离的可用性，ITU-T 于几年前规定了单模光纤的PMD 系数必须小于 0.5 ps/ km1/2 ，并且这一规定已成为行业标准。目前由于光纤加工工艺的改进和提高，光纤的偏振模色散系数远小于ITU-T 的规定值 0.5ps/km1/2，绝大部分数据在

0.1ps/km1/2 左右。

MPI-R 点最小光信噪比的要求

WDM 系统在复用段接收端的光信噪比必须大于某限值。

●对于 2.5Gb/s 系统，该值一般不低于

22dB，对于具有 FEC 功能的 10Gb/s 系统，

光信噪比不低于 17dB。

● 对于 10Gb/s 系统，该值一般不低于 25dB，

对于具有 FEC 功能的 10Gb/s 系统，光信噪

比不低于 22dB。

在理论上有一套复杂的公式可以进行计算，

ITU-T G.692 中提出的各个用代码子集就是以此为根据得出的，在实际系统的设计时，可以直接引用。

特别地：采用带外FEC，信噪比等效提高

5.5dB。(按国标要求，带有FEC 功能的系统光

信噪比要大于22 dB)

信噪比的系统设计原则

根据 OSNR 计算公式可得出系统的设计原则：

●当系统总长度一定时，低增益、多级数比

高增益、少级数方案有高得多的 OSNR。

●光纤段损耗（或EDFA 增益）是最敏感的因

素。在系统成本允许的条件下，选择较低

的光纤段损耗能给系统在每信道数据率、

信道数和传输距离方面的升级提供比较广

阔的空间。

● 提高 EDFA 总输出功率是改善光信噪比和/

或增加光纤段长度的有效应方法，但这种

方法受到非线性因素的制约，不能无限提

高。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gj3l.html