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城域网与CWDM

吴健学

摘  要  粗波分复用（CWDM）技术在系统成本、性能及可维护性等方面的优势，正逐渐成为日益增长的城域网市场的主流技术。本文通过对CWDM技术优势的分析，探讨了CWDM在城域网建设方面的应用前景。

关键词  城域网  CWDM  DWDM

1    城域网主要特点及技术选型

    城域网是一种主要面向企事业用户的、最大可覆盖城市及其郊区范围的、提供丰富业务和支持多种通信协议的公用网。城域网有两个突出特点：一是全业务，二是公用网。城域网处于三个桥接区：第一，它是传统的广域网和局域网或者长途和接入网的桥接区，从数据网来说它是广域网的桥接区，从电信网来说，它是长途网和接入网的桥接区，这是水平的角度；第二，从垂直的角度看，城域网又是传送网与接入网与各种业务网的融合区，因为垂直的角度下层是传送网，上层是业务网；第三，从运营商的性质来说，它是电信网与数据网的交叉融合地带，也是未来的三网融合区。

    因此，城域网作为城市范围内的一个业务网，它起着承上启下的作用。所谓承上就是在它的上面有各种各样的骨干网，骨干网的业务落地和业务接入需要有这样一个大的城域网作为容器；在城域网的下面有各种各样最后一公里的解决方法，也就是最后一公里的资源，这个资源就是用户接入到城域网的一个必经途径。骨干网选择什么样的技术，接入层面采用什么样的一公里解决方案，都将影响城域网的建设。城域网业务定位也是影响城域网技术选择的重要因素，选择不同的业务，城域网也就选择不同的技术。还有就是最底层的光纤资源、传输资源等资源的不同也影响着城域网技术的选择。除此之外，选择什么样的城域网技术，从根本上说与下一代城域网的基本要求直接相关，这些要求可以总结为：

    · 希望采用单一公共平台支持多协议、多业务,中间层最少；

    · 目前应该有效地支持从电路交换网向分组网的过渡，将来应该对IP传送最佳；

    · 希望网络的链路容量和节点数可以不受限扩展；

    · 具有光的透明性，适应各种现有和将来可能出现的协议和业务；

    · 具有拓扑灵活性，可快速扩展业务；

    · 可以实现快速业务指配；

    · 集成的、标准的、易用的网管系统；

    · 支持以传统语声业务为代表的实时业务；

    · 价格低（包括初建和维护）。

    为了满足这些要求，各种各样的技术在城域网上粉墨登场，呈现出百花齐放的局面。笔者以为，目前城域网的主要问题首先是带宽瓶颈。在用户侧，由于低成本吉比特以太网的出现和发展，局域网的速率上了一个大台阶。在长途网侧，由于DWDM技术的发展，商用化系统的容量已达Tbit/s。两头挤压的结果，使中间的城域网/接入网成为全网的带宽瓶颈。因此，目前正成为电信建设热点的宽带城域网在建设时必须首先解决的主要矛盾。

    在这样的背景下，波分复用技术由于其巨大的带宽和对传输数据的透明性，引起了人们的关注，希望能把WDM技术作为城域网中的传输平台。根据复用波长间隔的大小，人们一般将波分复用技术分为宽波分复用技术（WWDM）和密集波分复用技术（DWDM），后者在长途传输中，从20世纪90年代中期开始获得了广泛的应用。但要在城域网中采用DWDM技术，则面临着很多障碍，难以获得运营商的青睐。这主要是因为城域网在很多方面有别于广域网，WDM技术要在城域网上获得应用，必须针对城域网的特点，解决以下几个方面的关键问题：

    （1）成本问题。城域网的用户群相对长途网络较小，如果按照用户数量分摊成本，DWDM技术占不到任何优势，必须从技术层面进行改造；

    （2）承载业务的灵活性。城域网的业务复杂多样，带宽颗粒分布几乎没有严格的规律及可预见性，对传输系统的适应性要求很强。而长途波分系统提供的波长通道一般为2.5Gbit/s或10Gbit/s；

    （3）业务的可靠性及质量保证。由于城域网中的业务特别是数据业务大，目前的数据业务网络和协议自身QoS保障很差，需要系统在光层全面考虑。

    有鉴于此，一种新的波分复用技术——粗波分复用（Coarse WDM，CWDM）技术最近几年被推上了城域网的舞台，成为市场上的新宠。较之密集波分复用，粗波分复用技术的波长间隔大小不同。DWDM系统的波长间距一般为1.6nm、0.8nm、0.4nm或更小，如有的文献已提出S-DWDM的概念，定义了波长间隔为0.1nm的WDM系统。而对于CWDM而言，其波长间隔目前尚没有相应的国际标准，美国的1400nm商业利益组织正在致力于为CWDM系统制定标准。目前建议草案考虑的CWDM系统波长分为3个波段。“O波段”包括4个波长：1290、1310、1330和1350nm，“E波段”包括4个波长：1380、1400、1420和1440nm，“S+C+L”波段包括从1470~1610nm的范围，间距为20nm的8个波长。

2   CWDM的技术优势

    与DWDM技术相比，CWDM技术应用在城域网具有很多优越性，这里从以下几个方面进行简单的比较。

   1. 成本

   CWDM系统20nm的波长间隔，使系统可以不考虑波长漂移，器件的容错范围也可以放大，因而可以降低激光器和复用/解复用器的成本，改善性能，提高可靠性。

    决定CWDM成本优势的最主要因素是激光器。一般来讲，DFB激光器芯片的波长温漂为0.08nm/°C，在输出功率为2mW时，若激光器在0°C~70°C的温度范围内工作，其波长漂移在6nm左右。对于25GHz频道间隔、波长间隔仅为0.2nm的DWDM系统而言，如果不采取温度控制措施，这样的器件根本无法正常工作。此外，反射光及工作电流的波动都会导致激光器的中心波长发生漂移。因此，DWDM激光器除了必备的激光器芯片和监控用光电二极管外，还包括帕尔帖致冷器、热敏电阻及相应的电子电路，以使激光器的中心波长不至于偏出复用器/解复用器滤波器的带宽范围。如此复杂的结构使得自动化封装近乎不可能，导致DWDM激光器的制作工时、成品率均不理想。

    而对于CWDM而言，20nm的信道间距完全可以抗击70°C的温度变化而产生的温漂，加之传输距离短，因而无需选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器。另一方面，宽的波长间隔，使CWDM激光器中心波长的对准精度远没有DWDM激光器严格，所含的附件又较少，所以它可以采用结构较为简单的同轴电缆封装形式。这些因素导致CWDM中激光器成本可以大幅度降低，目前市场上DWDM的收发设备要比CWDM系统的同类产品差不多要贵3倍就是很好的证明。

    决定CWDM成本优势的另一个重要因素是复用/解复用器。DWDM在32波以下的系统中多使用多层干涉薄膜滤波器，而在40波及以上的系统中，则使用集成光波导（AWG）。后者的成本与波道数的相关性较小，因而在多波长系统中使用较为经济。目前的CWDM一般只使用多层干涉薄膜滤波器来做复用/解复用器，但与DWDM所使用的多层干涉薄膜滤波器比较，滤波器包含的层数是不一样的。

   DWDM系统中使用的100GHz滤波器（信道间隔0.8nm）一般大约有150层，而且制造工艺也要高得多。而CWDM系统的20nm滤波器（信道间隔20nm）大约有50层。此外，在典型的三端口的器件中，CWDM器件的对准公差要比DWDM器件宽松得多。这也是CWDM器件价格要比DWDM器件便宜的一个重要因素。CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50%，预计在未来的2年到3年内，自动化生产的成本可望再降1/3。

    在DWDM系统中，由于存在光放大器，通路均衡就显得非常重要，通常在复用器中经常需要串接可调衰减器或是对复用器的结构进行专门的设计；而CWDM由于没有光放大器，也就不需要任何形式的通路均衡，从而减少了复用器/解复用器的复杂性。

    正因如此，就目前的市场行情而言，DWDM由于需要线宽非常窄的特定波长激光，必须能够控制温度以消除波长漂移，需要外部调制来消除chirp，需要精确滤波技术选择接收器的波长，对于极远距离的传输则需要光放大器和色散补偿器。一个DWDM系统中的单一信道（波长）成本可高达2万美元。而CWDM的大波长间隔由于前述原因可以简化光学系统的设计，使4～8个波长的CWDM收发器市场售价不到1000美元。

   2. 功耗

    对于WDM系统来说，系统消耗的功率对光传输系统的运营成本有很大的影响，因为WDM系统网络运营中的维持费用在运营成本里占的比例较小。但是，DWDM系统的功耗要比CWDM系统的功耗高得多。这主要是因为DWDM系统波长间隔太小，为避免串扰，激光器输出波长必须保持稳定，目前一般使用致冷技术来解决。据测算，DWDM激光器采用冷却器及其控制电路每波长要消耗大约4W的功率，而没有冷却器的CWDM激光器仅消耗0.5W的功率。这样，对于一个四波CWDM光传输系统大约消耗10~15W的功率，然而类似的DWDM系统却要消耗高达30W的功率。

    随着复用的波长总数的增加以及单信道传输速率的增加，功率损耗及其温度管理成为电路板设计的关键问题。同时，功耗小还可以减少电源和空调费用，并减少备份电池（一般要求在共置机架内提供6h的备份电池）所带来的空间和成本负荷。

   3. 尺寸

    在光通信设备中，器件的小型化是一种趋势。更多的部署占地面积小的设备将节约大笔运营开支。在同样大小的机器上，器件做得越小，传输设备提供的通信容量就越大。在带宽需求空前激增的今天，按目前的密度标准（1Gbit/s/平方英尺）来配置占地面积，这对于寸士寸金的城域范围是一笔不小的开销。

    在这方面，CWDM具有很大优势，主要体现在作为光源的激光器上。不带冷却器的激光器一般是由激光器芯片和密封在带有玻璃窗口的金属管座中的监控光电二极管构成的，金属管座与光纤跳线准直或与容纳连接器的陶瓷管准直。该金属管座加上陶瓷管所形成的圆柱封装是发射器的光学部分（TOSA）。典型的TOSA尺寸为长2cm、直径为0.5cm。而DWDM致冷激光的机构要复杂得多，这些器件几乎全是带尾纤输出，并具有热沉、相应的监测和控制电路。因此DWDM激光发射机的尺寸大约是CWDM激光发射机体积的5倍，如果DWDM激光发射机的尺寸为100cm2，那么没有冷却器的CWDM激光器体积仅仅为20cm2。同时，CWDM器件内部结构也相对简单，为器件封装的模块化和阵列化提供了方便。

    4.可靠性

    一般认为，同样的环境和制造工艺水平，器件数量越少，结构越简单，其可靠性也就越高。CWDM的激光器所含附件比DWDM激光器要少，所使用的复用器和解复用器相对于DWDM也要简单，因此CWDM器件的可靠性比DWDM的可靠性要高得多。

3   CWDM在城域网的应用及前景展望

    目前城域网解决方案主要有四大类：第一类是以SDH为基础的多业务平台；第二类是基于第二层交换和第三层选路的方案，主要指以太网解决方案；第三类是以ATM为基础的多业务平台方案；第四类是城域网用WDM方案，即以WDM为基础的多业务平台。一般认为，第四种方案是适应长远发展可平滑演进的解决思路，在城域网中引入WDM技术，就等于建立起了理想的承载平台。

    （1）城域WDM系统的应用，能够解决业务量膨胀对传输带宽的需求，随时增加复用波长数量或者启用备用波长信道，直到满足对带宽的需求。也可应用多速率接口卡自动适应不同速率的传送要求。

    （2）WDM技术对数据格式具备透明性，不论对现有的业务类型，还是对未来可能出现的新业务，都具有适应性。CWDM与DWDM一样支持多业务接口，如提供SDH接口，实现IP/Ethernet over SDH、ATM over SDH；可以为路由器和ATM交换机提供光纤直连接口，实现IP/Ethernet overOptical和ATM overOptical等。不仅对网络中的现有技术，对引进的新技术，也会具备集成能力，这一点对城域环境格外重要，因为城域网业务种类繁杂，速率多种多样。

   CWDM的这种具有多种业务接口特点，使其应用于城域网的各个层面成为可能，从而具有很广泛的适应性。利用CWDM技术对城域网进行组织，在不发达地区，可以直接应用CWDM技术进行城域核心层和城域汇聚层组网；在比较发达地区，数据业务发展比较好、光纤资源不太紧张的城市,CWDM技术可以和路由器结合组织汇聚层网络，也可以和以太网结合组织城域接入层网络。因此，目前的IP宽带城域网可考虑将CWDM传输系统和高性能路由交换机连接起来，或是将CWDM光传输设备和路由交换机结合在一起，从而可以由路由交换机端口直接驱动光传输设备。例如路由器采用比SDH端口要便宜得多的Ｎ×GbE端口，而传输采用CWDM系统，可实现宽带IP城域网与以太网接入的无缝连接。

    （3）CWDM系统能够实现基于波长的可灵活调度的光网络，通过使用OADM构成物理环网，在任意两节点上下波长，形成逻辑上的网状网, 或使用OTU与使用标准波长的DWDM系统互连、成环或接入DWDM骨干层。此外，CWDM可以兼容在城域网中已得到广泛应用的1310nm的SDH系统,而目前的DWDM还做不到这点。

    正是由于CWDM鲜明的技术和应用特色，从而使之在城域网建设中逐渐成为宽带城域网各种解决方案中都需要的基础环节。目前，一些设备供应商正推出与CWDM相关的产品。这些产品中，既有16波长全波段CWDM产品，也有8个或4个波长的产品，既有系统产品也有器件产品。

    为了更好地规划CWDM技术的发展，ITU-T正在积极制定有关的标准，目前已有部分草案正在征求意见中。可以预言，随着应用和研究的深入，CWDM技术一定会在当前城域网建设热潮中发挥更加重要的作用。

                            参 考  文  献

[1]  侯克刚 . 城域WDM技术发展分析 . 光通信研究 ，2002,（4）

[2]  唐雄燕 . 城域宽带网的发展策略. 电信科学, 2001,（1）

[3]  肖剑 . 宽带城域网的组网技术分析 . 网络通信世界, 2001,（1）

    吴健学，男，武汉邮电科学研究院烽火科技学院副教授，从事光纤通信、光网络技术研究以及硕士研究生教学和培训工作。