熊　瑩，金　剛，汪亞玲，劉　星，毛雪松

（1.武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢，430065；2.智能信息處理與實(shí)時(shí)工業(yè)系統(tǒng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430065；3.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，430081）

使用波長(zhǎng)選擇型ROADM構(gòu)筑IP網(wǎng)絡(luò)的光損失特性

熊瑩1,2，金剛1，汪亞玲1，劉星1，毛雪松3

（1.武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢，430065；2.智能信息處理與實(shí)時(shí)工業(yè)系統(tǒng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430065；3.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，430081）

針對(duì)近年網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)率增長(zhǎng)，傳統(tǒng)型的光分插復(fù)用器往往不能滿足大容量波分復(fù)用網(wǎng)中在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化時(shí)要求架構(gòu)保持快速平滑變化的情況。提出使用ROADM來(lái)構(gòu)筑光環(huán)形網(wǎng)，并搭建了以ROADM為主要器件構(gòu)筑的四個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)光網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量環(huán)形網(wǎng)不同鏈路的光損失，得到隨光波長(zhǎng)變化的光損失特性，確定環(huán)形網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳遞可靠性。

ROADM；波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)；光損失

0　引言

WDM（Wavelength Division Multiplexing）是使用具有不同波長(zhǎng)的光束來(lái)傳遞信息的技術(shù)[1]，可以實(shí)現(xiàn)多路信息在同一根光纖中互不干擾地傳輸。WDM技術(shù)可分為CWDM和DWDM，其主要區(qū)別在于波長(zhǎng)分割間隔。DWDM用于大容量、遠(yuǎn)距離傳輸（大于100km），而CWDM主要用于容量要求較小，傳送距離較近（小于50km）的應(yīng)用場(chǎng)景。無(wú)論DWDM還是CWDM，近年來(lái)都得到了快速的發(fā)展。

OADM（Optical Add/Drop Multiplexer）[2~4]是構(gòu)成WDM網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，它將來(lái)自不同信道的光信號(hào)復(fù)用（路由）到單模光纖。近年來(lái)，OADM器件的發(fā)展使其具備可遠(yuǎn)程配置的功能，設(shè)備維護(hù)人員可通過(guò)遠(yuǎn)程發(fā)送命令來(lái)重新配置器件。ROADM（Reconfigurable Op tical Add/Drop Multiplexer）的結(jié)構(gòu)保證光上路/下路（Add/Drop）不影響信號(hào)地通過(guò)（Passing through），具有操作靈活、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，且ROADM技術(shù)的發(fā)展使其具有很高的性價(jià)比[5~6]。近年來(lái)，研究人員在ROADM中引入陣列光放大器，實(shí)現(xiàn)了127Gb的正交相位鍵控傳輸系統(tǒng)[7~8]。在DWDM網(wǎng)絡(luò)中使用ROADM，存在通帶變窄以及串話的問(wèn)題[9]。

本文首先分析了ROADM的結(jié)構(gòu)及其在WDM網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，然后使用ROADM搭建具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)的CWDM網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)不同鏈路的波長(zhǎng)損失特性，找出不同節(jié)點(diǎn)間最大路徑長(zhǎng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得出來(lái)WDM網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)間的波長(zhǎng)損失特性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的管理效率使用ROADM搭建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，除了鏈路損失問(wèn)題，最近有研究者觀察到基于ROADM的WDM網(wǎng)絡(luò)存在功率失常問(wèn)題，并給出解決方案[10]。

1　ROADM

傳統(tǒng)的環(huán)形光通信網(wǎng)一般選用OADM來(lái)實(shí)現(xiàn)光的上路/下路，但由于該器件不具備任意波長(zhǎng)上路/下路的功能，使得光路選擇必須通過(guò)人工設(shè)定來(lái)調(diào)整。圖1為傳統(tǒng)OADM工作原理圖，假定一束光由λ1、λ2、…、λn構(gòu)成，只有λ1能夠通過(guò)OADM上路或下路到光收發(fā)器，因此通過(guò)這種方式搭建局域網(wǎng)，具有成本高、效率低的缺點(diǎn)。本文選用一種新型設(shè)備ROADM用于光網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)的上路/下路，降低網(wǎng)絡(luò)成本并提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

圖2給出實(shí)驗(yàn)選用ROADM的結(jié)構(gòu)。它由一個(gè)波長(zhǎng)相關(guān)的耦合器/分光器、2×2機(jī)械式光開(kāi)關(guān)（SW）和一個(gè)光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。ROADM的每個(gè)SW都有上路、下路和通過(guò)三種工作狀態(tài)。ROADM的左側(cè)連接到環(huán)形網(wǎng)，右邊連接到光收發(fā)器。環(huán)形網(wǎng)中的光信號(hào)由λ1、λ2、λ3和λ4四個(gè)波長(zhǎng)組成。通過(guò)分光器分為四個(gè)獨(dú)立波長(zhǎng)的信號(hào)分別進(jìn)入四個(gè)光開(kāi)關(guān)，或者來(lái)自四個(gè)光開(kāi)關(guān)的信號(hào)通過(guò)耦合器合并為一路信號(hào)進(jìn)入光網(wǎng)絡(luò)傳輸。連接在光開(kāi)關(guān)后面的光收發(fā)器可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，也可以由電信號(hào)轉(zhuǎn)換生成光信號(hào)。

圖1　OADM的結(jié)構(gòu)

圖2　ROADM的結(jié)構(gòu)

ROADM器件中關(guān)鍵設(shè)備是四個(gè)2×2光開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種光開(kāi)關(guān)具有兩種狀態(tài)：第一種狀態(tài)為端口1與端口4相連、端口2與端口3相連，用以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的上路和下路；第二種狀態(tài)為端口1與端口2相連、端口3與端口4相連，用以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的通過(guò)。這四個(gè)端口都是光信號(hào)的輸入/輸出端口。

圖3　光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

2　WDM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皩?shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文使用ROADM搭建一個(gè)4節(jié)點(diǎn)IP網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。其中，每個(gè)ROADM作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。連接節(jié)點(diǎn)之間的光纖長(zhǎng)度為預(yù)先設(shè)定的固定值。框圖中使用了兩種ROADM，一種是CWDM標(biāo)準(zhǔn)的8波長(zhǎng)ROADM，用于節(jié)點(diǎn)1；另一種是4波長(zhǎng)ROADM，用于節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)4。網(wǎng)絡(luò)通過(guò)使用單模光纖連接4個(gè)節(jié)點(diǎn)形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)4之間的間隔分別為6km、6km、5km、5km。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)還包括一個(gè)控制環(huán)路用于網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。ROADM中光開(kāi)關(guān)的上路、下路和通過(guò)的三種狀態(tài)切換通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)來(lái)發(fā)送控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)ROADM都連接到一個(gè)3層交換機(jī)，控制信號(hào)通過(guò)3層交換機(jī)發(fā)送到光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器上。

圖4　4節(jié)點(diǎn)IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)框架

在光學(xué)系統(tǒng)中，光損耗定義為光學(xué)器件輸出功率與輸入功率比值的對(duì)數(shù)，即：

其中，P2和P1分別為輸出功率和輸入功率，采用這一定義測(cè)量圖4中環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的損失特性。

光纖環(huán)路總長(zhǎng)為22km，環(huán)路所使用的信號(hào)光波長(zhǎng)分別為1530nm、1550nm、1570nm和1590nm，對(duì)應(yīng)于圖4中的λ1、λ2、λ3和λ4。

本文實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)工作波長(zhǎng)為λ1即信號(hào)波長(zhǎng)為1530nm時(shí)，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)設(shè)定為上路/下路，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)設(shè)定為通過(guò)。同理，當(dāng)工作波長(zhǎng)為其他波長(zhǎng)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所示。

表1　ROADM的工作狀態(tài)

3　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

首先測(cè)量出單個(gè)OADM在上路、下路和通路三種狀態(tài)下的損耗值，經(jīng)過(guò)分析多次測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)，并計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，可獲得OADM的性能參數(shù)。

圖5的測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)波長(zhǎng)為1530nm、1550nm、1570和1590nm時(shí)，測(cè)量值的68.7%位于μ±σ范圍內(nèi)，表明測(cè)量系統(tǒng)對(duì)這四個(gè)波長(zhǎng)是有效的。

對(duì)于1530nm、1550nm、1570nm和1590nm這四種波長(zhǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以分別選擇這四個(gè)波長(zhǎng)的上路、下路和通過(guò)這3種狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1設(shè)定為上路，節(jié)點(diǎn)4設(shè)定為下路，節(jié)點(diǎn)2和3設(shè)定為通過(guò)狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中就產(chǎn)生了4條在不同波長(zhǎng)的鏈路，分別測(cè)量4條鏈路的波長(zhǎng)損失特性，結(jié)果如圖6所示。

圖5　單個(gè)OADM損失多次測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2給出四個(gè)鏈路在上路/下路波長(zhǎng)選擇為1530nm、1550nm、1570nm和1590nm時(shí)損失值。

假定光纖的損失為0.35dB/km，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，當(dāng)最大損失值為16dB，得到允許的光纖長(zhǎng)度：

從上式可以計(jì)算出6dB是功率預(yù)算。因此，節(jié)點(diǎn)1~4的順時(shí)針?lè)较蛟试S的鏈路長(zhǎng)度可達(dá)到17km，同理可以計(jì)算出整個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的最大允許鏈路長(zhǎng)度可以達(dá)到22km。

表2　四個(gè)鏈路的損失值

圖6　光鏈路損失特性

4　結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種使用波長(zhǎng)選擇型ROADM的4節(jié)點(diǎn)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)配置模型,以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量該模型波長(zhǎng)損失特性的方法。首先測(cè)量了單個(gè)ROADM的損失特性，通過(guò)多次測(cè)量，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出68.7%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)位于μ±σ內(nèi)，符合高斯分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，表明測(cè)量方法對(duì)1530nm、1550nm、1570和1590nm這四個(gè)波長(zhǎng)是有效的。然后測(cè)量整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路的損失特性，通過(guò)測(cè)量最長(zhǎng)鏈路，即節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)4的波長(zhǎng)損失特性，計(jì)算分析得出使用ROADM搭建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的最大鏈路長(zhǎng)度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，4節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于構(gòu)建小型局域網(wǎng)是可行的，構(gòu)成環(huán)路的光纖長(zhǎng)度可以達(dá)到22 km。

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Optical Loss Property of IP Network with Wavelength-Selectable ROADMs

XIONG Ying1,2，JIN Gang1，WANG Ya-ling1，LIU Xing1，MAO Xue-song3

（1.College of Computer Science and Technology,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065; 2.Hubei Province Key Laboratory of Intelligent Information Processing and Real-time Industrial System,Wuhan 430065; 3.School of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081）

Due to recent exponential increase of network traffic volume,classical Optical Add/Drop Multiplexers generally cannot satisfy the requirement of keeping the framework of large capacity Wavelength Division Multiplexing network rapid and smooth variation along with the changes of network structure.Proposes Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers to be used for constructing a fiber ring network.Establishes a 4-node optical network,which uses ROADMs as its main components.By experiments,optical losses of different fiber links, which consists of the ring network,are measured.The result shows the loss variation against light wavelength,and confirms reliable data transferring through fiber link of the ring network.

ROADM（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers）;WDM Network;Optical Loss

1007-1423（2015）11-0010-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.11.002

熊瑩（1978-），女，湖北人，碩士，實(shí)習(xí)研究員，研究方向?yàn)楦咚俅笕萘烤W(wǎng)絡(luò)

金剛（1961-），男，江蘇人，本科，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)應(yīng)用

汪亞玲（1962-），女，河南人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閼?yīng)用軟件開(kāi)發(fā)

劉星（1975-），女，湖北人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自然語(yǔ)義分析

毛雪松（1975-），男，江蘇人，博士研究生，教授，研究方向?yàn)檐?chē)載多普勒激光雷達(dá)信號(hào)處理

2015-02-05

2015-03-25