波分复用系统的容量极限思考

波分复用系统的容量极限思考----_{孔弘斌总结}

引言：波分复用的容量极限到底是多少？

这不是简单的理论计算问题，而是一个综合考虑光纤可用光谱、单波长最大传输速率、容许的最小波长间隙等三个主要因素的影响后才能得出的结论。

再说明波分容量前，要对带宽及传输速率概念理解。带宽的概念来自对信号频带的定义；传输速率对应数据通信系统的质量指标中有效性中信息速率。

带宽引言

带宽又叫频宽是指在固定的的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。

在数字设备中，频宽通常以bps表示，即每秒可传输之位数；在模拟设备中，频宽通常以每秒传送周期或赫兹Hertz (Hz)来表示。

“带宽”（bandwidth）有以下两种不同的意义：

 1.指信号具有的频带宽度.信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。

 2.在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”.

1带宽概念

对于一个信号，从零频开始到需要考虑的最高频率分量之间的频率范围称为带宽。

1.1信号的频带

(一)  在实际中，对于包络线为抽样函数的频谱，把从零频率开始到频谱包络第一次过零点对应的频率之间的频率范围定义为信号频带。

(二)  对于一般频谱，从零频率开始到频率振幅降为包络线最大指的1/10处对应的频率之间的频率范围定义为信号频带。

2传输速率

2.1数据通信系统的质量指标

归纳起来有以下几个方面：

有效性：指信息的传输速度；

可靠性：指信息的传输质量；

适应性：指环境使用条件；

标准性：指元件的标准性互换性；

经济性：指成本的高低；

使用维护：是否方便；

以下阐述的概念均为有效性的重要指标。

2.2码元速率

定义：每秒钟传输信号码元的数目称为码元速率。单位：波特（B），用符号R_B表示。

码元速率只与码元宽度T有关。例如，某N进制信号，其码元宽度为T，每秒钟码元的数目为1/T，故码元速率R_B=1/T波特，码元速率也称为调制速率。调制速率中的信号码元时长是指信号码元中的最短时长。

2.2 信息速率

定义：每秒钟传输的信息量称为数据信号的信息速率。单位：比特/秒（bit/s），用符号R_b表示。

一个N进制数据信号，每个码元可能出现的状态有N个，设每个状态出现的概率P是相同的，即P=1/N，在信息论中，定义每个码元的信息量为

I=log₂1/P=log₂N(bit)

一个N进制的数据信号，其信息速率为

R_b=R_B×I=R_Blog₂N(bit/s)

对于二进制数据信号而言，码元速率和数据信息速率在数值上相等，但它们的单位是不同的。

综合以上叙述，考虑例如155Mbit/s速率的信号的可用带宽^[1]为155MH_Z，两者在数值上应该相等。对于二进制数据信号，我们找到了传输数率和带宽的对应关系。

3 波分复用系统的容量极限

从光纤的可用光谱、单波长最大传输速率、容许的最小波长间隔等三个主要因素讨论，从而导出按当前技术限制的前提下单对光纤的可能容量极限。最后再给出理论上单对光纤的可能容量极限。

3.1 光纤的可用光谱

从可用波长范围看，波分复用系统在低端受限于为防范模式噪声所规范的光纤截止波长，而在高端受限于光纤的硅吸收损耗和弯曲损耗，光缆衰减和光纤色散也对工作波长范围有一定限制。

目前ITU-T的最新规范可用波长范围大致为1260~1675nm。扣除光纤在1385nm处水峰，一共大约415nm可用光谱，相当于大约58TH_Z(通常粗略地按50TH_Z计)^【2】。

当然设计系统还会考虑光源光器件等因素，实际可用的光谱范围会略有缩小。

3.2 单波长最大传输速率

从理论上看，单路波长的传输速率是有上限的，主要受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子迁移率，另外，还受限于传输媒质的色散和极化模色散，还必须考虑所开发系统的性能价格比是否合算，是否有商用经济价值。

从目前看来，材料问题不是主要限制，特别是具有较高电子和空穴迁移率的铟化磷材料已经在40Gbit/s以上速率显示了出色的性能，但传输媒质的色散和极化模色散以及系统的性能比限制使40Gbit/s以上速率实用化前景变得十分暗淡，因此我们权且以40Gbit/s作为单波长的最大传输速率。

3.3 容许的最小波长间隙

在理论上，一个光信号的真正信息带宽大约为传输比特速率的两倍。

实际上，系统设计的最小波长间隙通常远大于传输比特速率的两倍（由于光滤波器不具有理想的平直特性和绝对稳定性，光源也同样不具有绝对稳定性，即使采用了波长锁定技术，也仍然会有波长漂移）。

从保守的角度，为了估算最大传输容量，假设2.5Gbit/s、10Gbit/s和40Gbit/s的最小波长间隙至少传输比特速率的5倍、2.5倍和1.25倍，相对应最小波长间隙分别为12.5GH_Z、25GH_Z和50GH_Z。

3.4 容量极限推算

已知可用光谱为50THZ时，单波长速率为2.5Gbit/s、10Gbit/s和40Gbit/s时，最大波长数分别为4000个、2000个、1000个。

最大波长数=可用光谱/最小波长间隙

由此，可推出总的传输容量分别为10Tbit/s、20Tbit/s和40Tbit/s左右

总传输容量=最大波长数×单波速率

 

个人总结仅供参考！！