首页 关于长弋通信 新闻动态 技术成就 解决方案 长弋通信产品 人才招聘 联系我们

上海长弋通信技术有限公司
 地址:上海市闵行区都庄路4226号
    福克斯商务大厦B栋306室
 电话:021-33589423 
18616522269
 传真:021-33589423
 邮编:201102

解决方案

引言:

本方案提出的“多系统光复用”:是指不同的光传输系统通过光复用技术复用在单根光纤之上。这里的“不同的光传输系统”:是指光传输系统中传输的信号格式不同,如1550广播电视光传输系统和宽带IP网络光传输系统或SDH系统,前者传输的是QAM调制的、SCM—FDM的射频信号,而后者是传输的基带数字信号,两者对光传输系统的指标要求差别很大。而SDH光传输系统和宽带IP网络光传输系统两者我们认为是同一种形式的系统,因为两者传输的均是基带数字信号,两者对光传输系统的指标要求没有什么差别。

本方案提出的“多系统光复用网络技术”:是指将不同的光传输系统通过光复用技术复用在单根光纤之上的一系列相关技术,与目前普遍使用的数字光传输系统(含SDH光传输系统和宽带IP网络光传输系统)的光波分复用技术有相似之处,也有很多不同之处,这正是本方案要讨论的主题。

在当前三网融合和建设NGB的关键时刻,我们讨论多系统复用网络技术及其应用对广电运营商具有重要意义—节省光纤资源和投入,在城域骨干网络上实现“融合”!

一、概述

NGB是英文Next Generation Broadcasting Network的缩略语简称,意为中国下一代广播电视网。我国下一代广播电视网(NGB)是以有线电视数字化和移动多媒体广播电视(CMMB)的成果为基础,以自主创新的“高性能宽带信息网”核心技术为支撑的,构建适合我国国情的、“三网融合”的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。

我国下一代广播电视网(NGB)是国家信息技术网络的重要补充和组成部分。下一代广播电视网(NGB)的核心传输带宽将超过每秒1千千兆比特(1TBits)、保证每户接入带宽超过每秒40兆比特,可以提供高清晰度电视、数字视音频节目、高速数据接入和话音等“三网融合”的“一站式”服务,使电视机成为最基本、最便捷的信息终端,使宽带互动数字信息消费如同水、电、暖、气等基础性消费一样遍及千家万户。同时NGB还具有可信的服务保障和可控、可管的网络运行属性,其综合技术性能指标达到或超过国际先进水平,能够满足未来20年每个家庭“出门就上高速路”的信息服务总体需求。

2009年7月31日,在中国下一代广播电视网启动仪式上,国家广电总局副局长张海涛透露了下一代广播电视网(NGB)的建设目标,即为全国3亿户以上家庭构建覆盖城乡、低成本的信息高速公路。张海涛表示,计划首期用一年时间,建成用户规模达到1000万的示范网,在随后的十年内,基本建成覆盖全国3亿以上家庭、有线无线并用的NGB网络。

在当前大力倡导建设下一代广播电视网(NGB)的形势下,各个运营商非常重视接入网的双向化改造,积极推进EPON+EoC实施双向网络改造。然而多年前建立的地市城域网骨干基础设施已经不能适应现在接入网的流量和带宽要求,有的地区城域网还没有实现双向化,新建、升级扩容和改建势在必行。

1.1、地市城域网现状

随着电视技术的数字化,使HFC传输网络技术平台发生很多变化,同时使电视节目可以在宽带IP网络平台上传输和互动。

目前,广电运营商普遍采用SDH或千兆以太网架构宽带数据平台,同时加上原有的1550或1310广播电视平台,形成两个独立的双平台运营和网络架构体系,如图一所示。

然而随着网络的发展和更多业务的开展,网络带宽和容量越来越紧张。在建设NGB和三网融合的形势下,势必要新建或升级和扩容原有网络,势必造成原有网络中的光纤资源越来越稀少,甚至根本没有纤芯可用。若重新架设光缆,施工周期长、费用大,显然很不经济;因此采用DWDM和CWDM技术进行光复用成为必然的选择。在数据网络中采用DWDM和CWDM技术已经非常成熟和大量商用化了,但是在1550广播网络中采用DWDM和CWDM比较少见,特别是网络传输距离比较远(网络传输跨度大)的情况下;而要将1550广播电视网络和宽带IP数据网络一同进行DWDM和CWDM的应用更为鲜见。

 

图一、广电运营商的双平台运营体系和网络架构

本解决方案就是要采用DWDM或CWDM技术实现1550广播网络和宽带IP数据网络在单纤上传输和复用,构建单纤NGB城域骨干网络,降低NGB网络建设和升级的造价,特别是在光纤资源紧缺情况下非常适合,因此具有很大推广和应用价值。

二、单纤NGB宽带城域骨干网络设计的难点和考虑

之所以要在单纤上架构NGB宽带城域骨干网络,一方面是要解决光纤资源紧张的问题,另一方面是由于1550广播电视网络平台在节目广播时具有极高的效率和极低的成本优势,而宽带IP数据网络是点播和互动业务平台的最佳选择,因此在单纤上架构NGB宽带城域骨干网络,不仅将两种网络平台的优势互补和结合起来,而且网络的架构和建设成本也是很低的,从而到达了建设覆盖城乡的、低成本的信息高速公路的目的,也是建设低成本NGB网络的最佳选择。

在单纤上架构NGB宽带城域骨干网络,要求在单纤上复用数据网络的光信号和1550广播电视网络的光信号。由于1550广播电视网络的光信号功率很大,传输信号质量要求很高,极易受到数据网络的光信号的干扰,同时大功率的1550广播电视网络的光信号也会干扰数据网络的光信号,劣化数据网络的光接收模块的灵敏度,因此电视光信号和数据光信号的相互干扰(串扰)问题将是单纤NGB宽带城域骨干网络架构和设计的难点和关键。

2.1、波分复用技术的选择

在单纤NGB宽带城域骨干网络架构和设计中,采用哪种波分复用技术主要根据网络带宽的需求和相关器件的成本来选择,可以灵活地采用CWDM,CWDM+DWDM,最终过渡到DWDM的策略。

先期采用CWDM主要考虑CWDM光模块的成本较低,网络造价易于控制,带宽也能满足需求。由表一可知,CWDM可以使用的波长达到18个,若每波1Gbps总计带宽可达18Gbps;若每波10Gbps总计带宽可达到180Gbps,完全可以满足网络开展各种业务的带宽需求。

由于现在光纤中已经使用了1550nm波长的光信号,而宽带IP光纤骨干网络必须是双向的,需要占用两个波长资源,因此常用的1310/1550波分复用不能满足系统需求。DWDM器件和设备目前比较昂贵,因此系统设计考虑采用粗波分复用(CWDM)技术;将来逐步向DWDM过度,这样既可保护投资又能节约网络建设成本。

理论上一个CWDM通道20nm带宽可以容纳25个DWDM通道,实际考虑到CWDM和DWDM器件的特性,一个CWDM通道20nm带宽实际可供使用的DWDM通道数是19个(100GHz/0.8nm间隔)。

考虑到1550nm电视广播通道占一个通道,剩下17个CWDM通道可以升级到DWDM复用,这样可以最多升级到17*19=323个DWDM通道。若按每个通道10Gbps计,可用带宽达到3,230Gbps;若按每个通道40Gbps计,可用带宽达到12,920Gbps。

图二、广电运营商的现有网络架构示意图(CATV与SDH同缆多纤传输)

 

图三(a)、通过xWDM技术升级或扩容现有网络(单纤双系统传输方案)

 

图三(b)、通过xWDM技术升级或扩容现有网络(单纤多系统传输方案)

图四、通过xWDM技术升级或扩容现有网络(单纤多系统传输方案)

因此,采用CWDM再逐步向CWDM/DWDM过渡,最终全部DWDM复用的技术方案,既经济又能节约网络建设成本,同时又无需架设光缆,网络建设和升级快捷可靠。

2.2、光纤中混合光信号的信号劣化问题

   由于光纤中同时传输三个波长(如图五),且他们的光功率均比较大,特别是

图五、一个光传输段中光信号示意图

1550nm光信号功率很高。λ1/λ2两个波长由于传输距离的关系,这两个波长的光功率在有的传输段上的光功率也比较大,因此1550nm/λ1/λ2三个波长之间的串扰、非线性效应等多种因素导致的1550nm/λ1/λ2这三个波长光信号质量的劣化问题必须引起高度重视,否则会对系统带来灾难性的后果,以下分别予以论述。

2.2.1、CWDM器件导致的电视光信号和数据光信号的相互干扰和劣化

由图六可见,由CWDM器件导致的电视光信号和数据光信号的相互干扰和劣化主要存在于以下六个方面:

①、甲端1550nm电视光信号对波长λ1的数据光信号引起的干扰;

②、乙端1550nm电视光信号对波长λ2的数据光信号引起的干扰;

③、乙端波长λ2的数据光信号对1550nm电视光信号引起的干扰;

④、乙端波长λ1的数据光信号对1550nm电视光信号引起的干扰;

⑤、乙端波长λ1的数据光信号对波长λ2的数据光信号引起的干扰;

⑥、甲端波长λ2的数据光信号对波长λ1的数据光信号引起的干扰。

图六、CWDM器件模块可能形成的六种干扰示意图

研究和测试表明,上述六种情况的光信号之间的相互干扰,导致模拟电视信号的CNR降低,如图七(A)所示,数字电视信号的MER指标由于数字信号干扰而降低;电视信号导致宽带IP数据光接收模块的误码率上升或灵敏度下降,如图七(B)所示。

在上图七(A)横坐标代表电视光接收机接收到数据光信号的光功率的大小,单位是dBm,在电视光接收机接收-9dBm(CNR为46dB)的电视光信号时测试;图七(B)横坐标代表数据光接收模块接收到电视光信号的光功率的大小,单位是dBm,其中OMI=4%表示电视光发射机的光调试度为4%。

由测试和图七(A)明显看出,当进入电视光接收机的数据光信号光功率大于-45dBm时,对电视信号的CNR指标的劣化越来越明显;当进入电视光接收机的数据光信号光功率大于-40dBm时,电视信号的CNR指标已经处于43dB的临界点了。

由测试和图七(B)明显看出,数据光接收模块接收数据光信号的光功率分别为-33dBm和-30dBm时,当进入数据光接收模块的电视光信号光功率分别大于-38dBm和-30dBm时,数据光接收模块的误码率指标将分别超过系统要求的10-1的临界值。因此,我们在设计、制作和选择CWDM器件过程中必须严格把关各个波长(端口)之间方向性和隔离度等技术指标要求,确保各个光信号之间的相互干扰降低到最小程度。

由于城域骨干网络一般覆盖广,网络各个传输段长度差别比较大。即使在某种情况下设计和制作好的CWDM器件,在其他另外的网络条件下还是存在三个波长光信号相互干扰问题的可能性的,这就需要在网络开通和调试过程中,进行各波长信号光功率的匹配和调节来达到系统技术要求,实践证明这是完全可以做到的。

 

2.2.2、光纤非线性引起的电视和数据光信号串扰导致指标的劣化

光纤非线性主要源于以下两种因素:

①、光纤的折射率大小是与通过光纤中光信号的光功率大小有关,随光功率大小变化而变化的。

②光纤的折射率是与通过光纤中光信号的波长相关的,光信号波长不同折射率也不同。

对于折射率与光功率相关的这种效应,我们称之为:克尔效应,由公式(1)表示。

其中n0表示低功率情况下光纤的纤芯的折射率,n2表示非线性折射率系数,对于我们常用的硅材料,n2它等于2.35 x 10-20 m2/W ,pi表示光纤中的光功率大小(单位:W),Aeff表示光纤的有效面积(单位:m2

根据公式(1)可以得出图八,光纤纤芯的折射率与光功率的变化曲线。

图八、光纤纤芯的折射率与光功率的变化曲线

克尔效应会导致自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM )等非线性现象,对光纤传输系统指标带来很多的劣化。由于数据系统的光传输功率不是很大,因此自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)对数据光传输系统的影响不大。由于本设计方案中采用三个波长,四波混频(FWM )现象必须予以研究和考虑。

四波混频(FWM )现象与CATV电缆网络中的CSO和CTB产物类似,假设有三个波长:λ1 = 1551.72 nm、λ2 = 1552.52 nm、λ3= 1553.32 nm,由于四波混频(FWM )现象产生九个新的波长为:

λ1 + λ2 – λ3 = 1550.92 nm

λ1 – λ2 + λ3 = 1552.52 nm

λ2 + λ3 – λ1 = 1554.12 nm

2λ1 – λ2 = 1550.92 nm

2λ1 – λ3 = 1550.12 nm

2λ2 – λ1 = 1553.32 nm

2λ2 – λ3 = 1551.72 nm

2λ3 – λ1 = 1554.92 nm

2λ3 – λ2 = 1554.12 nm

这九个新产生的光信号对原有的三个光信号就是干扰信号,会劣化原有光信号指标。随着光纤中光信号的数量越多产生新光信号产物数大大增加,具体数量可按公式½•(N3-N2)计算得到。

图九、光纤四波混频(FWM )效率与光波长间距和光纤色散之间的关系

由图九所示的光纤四波混频(FWM)效率与光波长间距和光纤色散之间的关系可知,通过合理选择光纤的色散值和光信号波长之间的间距可以有效控制四波混频(FWM)现象,避免对系统指标造成较大的损伤。

然而光纤中另一种非线性现象就不是这么容易处理了,这就是光纤中的受激拉曼散射(SRS)现象。由于光纤中存在受激拉曼散射(SRS)效应,会导致短波长光信号上的能量转移到长波长光信号上去,如图十(A)、(B)两图所示。

图十(A)、(B)两图可见,通过一段光纤传输之后,长波长光信号的功率比短波长光信号功率增大了,同时短波长光信号上调制的信号(不论是模拟还是数字信号,与调制信号的内容和形式都无关)也转移到长波长光信号上,造成短波长光信号对长波长光信号的干扰,也称交叉干扰(Crosstalk),简称“串扰”。

理论研究和实际测试表明,这种交叉干扰与光信号波长之间的间距、光信号功率的大小等有密切的关系,如图十一(A)、(B)所示。

由图十一(A)、(B)可见:拉曼效应造成的光信号之间的串扰影响是比较大的,必须在系统设计中引起足够的重视,若处理不当势必会对系统造成灾难性后果。在解决方案中,我们会通过合理设计和安排1550nm/λ1/λ2三个波长的位置、间距和光功率的大小,使拉曼效应造成的光信号之间的串扰对整个系统,特别是原有1550nm电视信号广播传输系统的影响降低到最小,确保系统的安全可靠地运营。

三、单纤NGB宽带城域骨干网络指标要求与设计

在单纤NGB宽带城域骨干网络中,由于存在数据网络光信号和1550电视网络光信号之间的干扰(串扰)问题,尤其是数据网的光信号对电视网络光信号的串扰更为严重和对电视信号的影响更大;虽然现在电视信号已经数字化,对传输网络的指标要求较模拟电视信号已经有所降低,但是为了保证网络的指标余量和将来网络升级的需要,确保网络在为了5-10年之内或更长时间内的可靠运营,网络技术指标不能“刚刚好”或“仅仅够用”就可以了,因此传输网络技术指标的确定要有前瞻性和先进性。

3.1、DVB-C2标准的兼容性考虑

目前,在1550光传输网络中的电视信号是采用DVB-C数字电视标准,大多数采用64QAM调制。由于电视信号向高清过渡也是必然的趋势,因此1550光传输网络传输容量的问题越来越显现出来。为了提高网络的传输容量,这样DVB-C2孕育而生。

DVB-C2将提供播出HDTV、VOD和交互电视服务所要求的更多容量。它采用最新的调制和编码技术,能高效利用有线电视网。它提供一系列能为不同网络特性和不同服务要求而优化的模式和选项。在与DVB-C部署同样的条件下,其频谱效率得以大大提高。

在下行传输容量已被用至极限的情况下,DVB-C2可被用于分发创新服务,如VOD和HDTV。DVB-C2能帮助数字运营商保持竞争力,并满足对下行容量始终增长的需求。DVB-C2代表性特性如下:

•DVB-C采用QAM(16,32,64,128,256-QAM),但DVB-C2增加COFDM(编码正交频分复用:Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing的缩写,简称COFDM)和更高阶QAM(一直到65536-QAM)的调制方式;

•一种灵活的输入码流适配器,适合以各种格式的单和多输入码流运行(打包或连续);

•一种基于LDPC(低密度奇偶检验)码连同BCH码的强大FEC系统,使准确无误码地传输数字视频信号,传输容量接近香农理论极限;

•广泛的纠错码率(从2/3到9/10),频谱效率从1到10.8b/s/Hz,优化用于有线电视网运行;

•自适应编码和调制(ACM)功能,逐帧优化频道编码和调制。

由于采用更高阶的QAM调制方式,其对传输网络的SNR指标要求大大提高。

 

由表二可知:DVB-C2对传输网络指标的要求提高近10dB(相对于64QAM而言)。传输网络的设计指标必须提高,原有的基于DVB-C的网络设计和电平规划均要改变,如图十二所示。

图十二、模拟、DVB-C和DVB-C2混合系统电平规划示意图

因此在单纤NGB宽带城域骨干网络设计中,必须考虑到兼容DVB-C2的新标准,确保网络可以可靠地传输DVB-C2的数字电视信号,使传输网络的设计真正具备科学性和先进性,具备可持续发展性。

3.2、1550广播电视网络光信号与数据网络光信号串扰的评估

由前面的讨论可知,在单纤NGB宽带城域骨干网络中,在光复用和解复用器件指标达到网络技术指标要求的情况下,拉曼效应导致的光信号之间的串扰(crosstalk)是限制系统的主要因素,因此研究和评估串扰问题是设计和实施单纤NGB宽带城域骨干网络的主要任务。据相关文献可知:两波长之间的串扰由如下公式计算:

  

在公式(1)、(2)中,Aeff表示光纤的有效面积, 表示1550光发射机的光调制度, 代表偏振因子, 代表λ1为泵浦信号时在λ2波长处的拉曼增益因子, 代表光泵浦功率, 是光衰减因子, 是光波长差值,L是光纤长度, 是数据信号的波特率,B是电视信号带宽,f是电视信号频率, 是消光比。通过计算可知:频率越低的电视频道收到串扰干扰影响越大,如图十三所示。

图十三、1550广播电视信号与1G(1490nm)和10G(1530nm)数据信号之间串扰

通过计算分析发现,1550广播电视信号和数据信号之间串扰与光功率大小、光纤长度和光信号波长间隔等因素密切相关,我们可以根据光信号的波长之间的间隔来和光纤长度决定光传输信号的功率大小,确保1550广播电视信号和数据信号之间串扰保持在系统要求的范围之内。

四、结语

在当前大力倡导建设下一代广播电视网(NGB)和三网融合的形势下,各个运营商非常重视接入网的双向化改造,积极推进EPON+EoC实施双向网络改造。然而如何低成本、高效率地构建下一代广播电视网(NGB)的地市城域骨干网基础设施同样紧迫和重要!

本文提出“多系统复用”概念,并对“多系统复用技术”应用的难点进行了详细的研究和探讨。多系统复用技术的应用具有容量大、扩展方便、节约光纤资源等突出优点,在广电网络改造中具有很大的推广和应用价值,非常适合全业务NGB城域网络的要求。  

上海长弋通信技术有限公司

倾力奉献!

2010年7月

上海长弋通信技术有限公司 版权所有 严禁复制 2010-2014
地址:上海市闵行区都庄路4226号福克斯商务大厦B栋306室 邮编:201102 电话:021-33589423 18616522269  传真: 021-33589423 
网站备案号:沪ICP备11026823号 沪公网安备31011202003591号 网站建设|网站制作:上海频道