NGN - 快速指南

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NGN - 脉冲编码调制

高速语音和数据通信的出现，带来了对快速传输信息媒介的需求。数字电路或链路的发展源于以数字形式传输语音或数据的需求。

从模拟到数字形式的转换遵循四个阶段的过程（参见下图），并在以下部分详细介绍。

采样

语音频率采用模拟信号的形式，即正弦波（参见下图）。此信号必须转换为二进制形式，才能通过数字介质传输。此转换的第一阶段是将音频信号转换为**脉冲幅度调制 (PAM)** 信号。此过程通常称为**采样**。

采样过程必须从传入的语音频率中收集足够的信息，以便能够复制原始信号。语音频率通常在**300Hz 至 3400Hz** 范围内，通常称为**商用语音频段**。

为了获得样本，将采样频率应用于原始语音频率。采样频率由**奈奎斯特采样定理**确定，该定理规定**“采样频率应至少为最高频率分量的两倍”。**

这确保每个半周期至少采样一次，从而消除了在周期零点采样的可能性，因为零点没有幅度。这导致采样频率至少为 6.8 KHz。

欧洲标准以**8 KHZ** 的频率对传入信号进行采样，确保每**125 微秒**或 1/8000 秒采样一次（参见下图）。

量化

每个样本的幅度理想情况下将分配一个二进制代码（1 或 0），但由于幅度可以是无限的，因此需要有无限数量的二进制代码可用。这在实践中是不可能的，因此必须采用另一种过程，称为**量化**。

量化将 PAM 信号与量化刻度进行比较，量化刻度具有有限数量的离散级别。量化刻度分为 256 个量化级别，其中 128 个为正级别，128 个为负级别。

量化阶段涉及分配一个唯一的 8 位二进制代码，该代码适用于 PAM 信号幅度落入的量化间隔（参见下图）。

这包括 1 个极性位，其余 7 位用于识别量化级别（如上图所示）。

第一个位如前所述是极性位，接下来的三位用于段代码，给出八个段代码，其余四位用于量化级别，给出十六个量化级别。

压扩

量化过程本身会导致一种称为**量化失真**的现象。当采样信号幅度落在量化级别之间时发生这种情况。信号始终向上舍入到最接近的整数级别。采样级别和量化级别之间的差异是量化失真。

信号幅度的变化率在周期的不同部分有所不同。这在高频时最为明显，因为信号的幅度变化速度快于低频。为了克服这个问题，第一个段代码的量化级别彼此靠近。然后下一个段代码的高度是前一个代码的两倍，依此类推。此过程称为**压扩**，因为它压缩较大的信号并扩展较小的信号。

在欧洲，他们使用**A律**压扩，而北美和日本使用**μ律**。

由于量化失真等效于噪声，因此压扩提高了低幅度信号的信噪比，并在整个幅度范围内产生了可接受的信噪比。

编码

为了将二进制信息通过数字路径传输，必须将信息修改为合适的线路码。欧洲采用的编码技术称为**高密度双极性 3 (HDB3)**。

HDB3 源自一种称为 AMI 或**交替标记反转**的线路码。在 AMI 编码中，使用 3 个值：无信号表示二进制 0，以及交替使用的正或负信号表示二进制 1。

与 AMI 编码相关的一个问题是当传输长串零时。这可能导致远端接收器出现锁相环问题。

**HDB3** 的工作方式类似于 AMI，但包含一个额外的编码步骤，该步骤将任何四位零的字符串替换为三位零后跟一个“违规位”。此违规与先前转换的极性相同（参见下图）。

如示例所示，000V 替换了第一个四位零的字符串。但是，使用这种类型的编码可能会导致将平均直流电平引入信号，因为可能存在长串零，所有这些都以相同的方式编码。为了避免这种情况，通过使用极性交替的“双极性违规”位，将每个连续的四个零的编码更改为 B00V。

由此可以推断，使用 HDB3 编码，没有转换的最大零数为三个。这种编码技术通常称为**调制格式**。

NGN - 多路复用

多路复用

到目前为止，我们只关注一个语音通道。现在，我们需要将多个这些通道组合到一个传输路径中，这个过程称为**多路复用**。多路复用是一种采用的过程，其中可以组合多个通道，以便通过单个传输路径传输它们。电话中常用的过程称为**时分多路复用 (TDM)**。

如前所述，一个通道的采样每**125 微秒**进行一次。这使得可以在此期间对其他通道进行采样。在欧洲，时间跨度被划分为**32**个时间段，称为**时隙**。然后可以将这 32 个时隙组合在一起形成一个**帧**（参见下图）。

因此，帧的时间持续时间可以认为是 125 微秒。现在还可以假设，由于每个时隙包含 8 个数据位，并且重复 8000 次，因此可以实现 64000 位/秒或 64 Kbit 的信道速率。有了这些信息，现在可以确定通过单个路径传输的数据位的总数，称为**系统比特率**。这使用以下公式计算 -

系统比特率 = 采样频率 x 时隙数 x 每时隙位数 = 8000 x 32 x 8，= 2048000 位/秒，= 2.048 Mbit

在可用的 32 个信道中，30 个用于语音传输，其余 2 个时隙用于对齐和信令。下一节将解释所有时隙的功能。

NGN - 帧结构

时隙 1 到 15 和 17 到 31

这 30 个时隙可用于以 8 位形式传输数字化模拟信号，带宽为 64 kbit/s（例如，客户数据）。

时隙 0

欧洲推荐系统规定，每个帧的时隙 0 用于同步，也称为**帧对齐**（参见下图）。这确保了每个帧中的时隙在发送站和接收站之间对齐。

**帧对齐字 (FAW)** 位于每个偶数帧的数据位 2 到 8 中，而奇数帧在数据位 2 中包含**非帧对齐字 (NFAW)**（参见下图）。

时隙 0 中也提供错误检查，使用**循环冗余校验 (CRC)** 验证帧对齐，该校验位于所有帧的数据位 1 中。还具有报告**远端警报**的功能，这通过在所有奇数帧的数据位 3 中插入二进制 1 来指示。奇数帧的其余数据位 4 到 8 可用于国家警报和网络管理。

时隙 16

时隙 16 有 8 个数据位可用，通过使用 4 个数据位的可变代码，可以在每个帧中对 2 个语音信道执行信令。

因此可以看出，需要 15 个帧才能完成所有语音信道的信令（参见下图）。

由于现在有多个帧以逻辑顺序传输，因此必须有一个设备来对齐这些帧。这是通过使用包含信令信息的帧之前的帧（称为帧 0）来实现的。

**帧 0 中的时隙 16** 包含一个**多帧对齐字 (MFAW)**，使用数据位 1 到 4，用于指示多帧的开始，并在接收站进行检查（参见下图）。

数据位 6 可用于指示**远端多帧对齐丢失 (DLMFA)**。如您所见，多帧包含完成所有语音和信令操作所需的所有帧，即 16 个帧，称为**多帧**（参见下图）。

多帧的持续时间可以使用以下公式计算 -

多帧持续时间 = 帧数 x 帧持续时间

= 16 x 125 微秒

= 2000 微秒

= 2 毫秒

其余信道均可用于语音或数据传输，称为时隙 1 到 15 和 17 到 31，相当于信道编号 1 到 30。

FAW = 帧对齐字

MFAW = 多帧对齐字

DATA = 8 位数据字

SIG = CAS 信令时隙

NGN - 高阶多路复用

准同步数字体系 (PDH) 是从基本的 30 信道 PCM (PCM-30) 系统分阶段开发的。

如以下图所示，有三种不同的分层系统可用，每种系统都支持不同的线路速率和复用速率。因此，可以通过使用复用器将较低的速率组合在一起，从而实现较高的聚合速率。

较高的比特率链路还需要额外的比特用于帧和控制。例如，8.4 Mbit 信号包含 4 × 2.048 Mbit = 8.192 Mbit，其余 256 Kbit 用于帧和控制。

欧洲和北美的分层系统通常用字母**“E”**表示欧洲，用**“T”**表示北美，分层级别按顺序编号。以下图可以比较这些分层级别 -

这些比特率通常分别缩写为 1.5 兆、3 兆、6 兆、44 兆、274 兆和 2 兆、8 兆、34 兆、140 兆和 565 兆。

由于 PDH 在电信行业中如此突出，因此有必要在任何要引入的新技术中容纳这些线路速率，因此同步数字体系 (SDH) 支持许多 PDH 线路速率。唯一的例外是省略了 8.4 Mbit 级别，该级别不再有任何实际意义，并且 SDH 不支持。

在基本的2 Mbit系统中，数据是字节交织的，其中每个8位时隙一个接一个地发送。在更高层次的情况下，数据流按位多路复用在一起。该系统的一个缺点是，由于每个复用器都有自己的独立时钟源，因此每个支路信号的比特率可能会有所不同于标称值。这些时钟偏差取决于线路速率，并且可以通过在多路复用阶段之后剩余的带宽内使用调整技术来补偿。线路速率也决定了用于传输的线路码，如下所示：

NGN - 准同步数字体系

PDH的特性

• 准同步 - “几乎同步”

• 将2 Mbit/s信号多路复用成更高阶的多路复用信号。

• 在交换站点之间铺设电缆非常昂贵。

• 通过提高比特率来提高电缆的流量容量。

• 在每一级将4个低阶信号多路复用成单个高阶信号。

PDH技术允许信号从2 M – 8 M、从8 M – 34 M、从34 M – 140 M，最后从140 M – 565 M系统进行连续多路复用。

还存在“跳跃”或“跳过”复用器，它们允许将16个2 M信号多路复用成34 M信号，而无需中间的8 M级。

PDH局限性

同步 - 数据以规则的间隔传输。利用来自发射机振荡器的时序，数据以与传输相同的速率进行采样。

数据以规则的间隔传输。利用来自发射机振荡器的时序，数据以低于发射机的速率进行采样。PDH的缺点之一是每个元件都是独立同步的。为了正确接收数据，接收端采样率必须与发射端传输速率相同。

数据以规则的间隔传输。利用来自发射机振荡器的时序，数据以高于发射机的速率进行采样。如果接收端振荡器运行速度低于发射端振荡器，则接收机将错过一些传输信号的比特。

或者，如果接收机时钟运行速度快于发射机时钟，则接收机将对某些比特进行两次采样。

将调整比特添加到低阶信号中，以便它们可以以单一速率进行多路复用。设备振荡器用作低阶以及复用过程中比特率自适应过程的定时源。当信号被解复用时，接收端会丢弃调整比特。

由于所使用的同步方法，不可能在一台设备中将高阶信号解复用到最低阶支路信号。有必要在所有级别上进行解复用以访问在站点上被丢弃的信号，然后将所有其他信道重新复用回更高的速率。这意味着该站点必须有大量设备才能完成此操作。这被称为PDH复用器山。所有这些设备占据了站点上的大量空间，并且还增加了在站点上需要备件的数量。

PDH网络缺乏弹性，这意味着如果光纤断裂，流量将丢失。PDH网络管理只是向NOC运营商报告警报。NOC人员无法使用任何诊断或补救工具。需要将维护工程师派往现场，且信息量最少。每个网络元素都需要连接到DCN网络，因为不存在在PDH网络上传输管理信息的设施。

互连缺乏标准意味着无法互连来自多个供应商的设备。设备可以在不同的波长上运行，使用不同的比特率或专有的光接口。

NGN - 同步数字体系

SDH网络取代了PDH，并具有几个关键优势。

• G.707、G.708和G.709 ITU建议为全球网络提供基础。

• 网络受益于流量弹性，以最大程度地减少在光纤断裂或设备故障时发生的流量损失。

• 内置监控技术允许远程配置和故障排除网络。

• 灵活的技术允许在任何级别访问支路。

• 面向未来的技术允许随着技术的进步而获得更快的比特率。

虽然欧洲PDH网络无法与美国网络接口，但SDH网络可以承载这两种类型。此幻灯片显示了不同的PDH网络如何比较以及哪些信号可以通过SDH网络传输。

SDH – 网络拓扑

线路系统

孤线系统是PDH网络拓扑结构的系统。流量仅在网络的端点添加和删除。终端节点用于网络末端添加和删除流量。

在任何SDH网络中，都可以使用称为再生器的节点。该节点接收高阶SDH信号并重新传输。再生器无法访问低阶流量，它们仅用于覆盖站点之间的长距离，在这些距离中，接收功率过低而无法承载流量。

环形系统

环形系统由几个以环形配置连接的加/删复用器（ADM）组成。可以在环上的任何ADM访问流量，并且还可以将流量删除到多个节点以用于广播目的。

环形网络还具有提供流量弹性的优势，如果光纤断裂，流量不会丢失。稍后将详细讨论网络弹性。

SDH网络同步

虽然PDH网络没有集中同步，但SDH网络是（因此称为同步数字体系）。在运营商网络的某个地方将存在一个主参考源。该源通过SDH网络或单独的同步网络分发到整个网络。

如果主源不可用，每个节点都可以切换到备份源。定义了各种质量级别，节点将切换它可以找到的下一个最佳质量源。在节点使用输入线路定时的情况下，MS开销中的S1字节用于表示源的质量。

节点可用的最低质量源通常是其内部振荡器，在节点切换到其自己的内部时钟源的情况下，应尽快解决此问题，因为节点可能会随着时间的推移开始产生错误。

网络的同步策略的规划至关重要，如果网络中的所有节点都尝试从同一侧的邻居同步，则会产生称为定时环路的效果，如上所示。由于每个节点都试图相互同步，因此该网络将很快开始产生错误。

SDH层级

下图显示了有效载荷是如何构建的，它并不像一开始看起来那么可怕。接下来的几张幻灯片将解释SDH信号是如何由低级有效载荷构建的。

STM-1帧

该帧由9个开销行和261个有效载荷字节组成。

该帧按行传输，如下所示。传输一行中的9个开销字节，然后传输261个有效载荷字节，然后以类似的方式传输下一行，直到传输完整个帧。整个帧在125微秒内传输。

STM-1开销

前3行开销称为中继段开销。第4行形成AU指针，最后5行包含复用段开销。

为了解释不同类型的开销，请考虑一个系统，其中有效载荷在到达要从中添加/删除的ADM之前通过几个中间再生器。

中继段开销用于任何两个相邻节点之间的通信和监控。

复用段开销用于具有加/删功能（如ADM）的两个节点之间的通信和监控。

在较低级别，还有在支路级别添加的路径开销，这些将在后面详细讨论。

监控不同的开销警报可以更容易地查明网络故障。RS警报表示两个节点之间HO SDH侧存在问题，而在调查MS警报时，您可以排除再生器节点的问题。

SDH路径跟踪

路径跟踪在查明节点之间的互连问题方面非常有用。在两个节点之间，可能存在各种物理互连，例如光纤盒之间的熔接和跳线。网络运营商配置每个节点以发送一个唯一字符串来标识它。

每个节点也配置了它应该从其相邻节点接收的字符串。

如果节点接收到的路径跟踪与它期望的路径跟踪匹配，则一切正常。

如果接收到的路径跟踪与节点期望的跟踪不匹配，则表示节点之间的连接存在问题。

SDH管理

段开销中包含的DCC信道允许轻松管理SDH网络。连接到网络上节点的网络管理系统可以使用DCC信道与网络上的其他节点通信。连接到DCN网络的节点称为网关节点，出于弹性目的，网络上通常有多个网关节点。

SDH网络弹性

在环形配置中，流量从起始ADM（加/删复用器）沿环的两条路径发送。在任何未删除信号的ADM处，它都只是通过。尽管流量通过环的两条路径，但只有一条路径用于从接收ADM提取流量，这条路径是活动路径或路径。另一条路径称为备用路径或路径。

如果活动路径上发生光纤断裂，接收ADM将使用备用信号作为活动路径进行切换。这允许快速自动恢复客户的流量。当光纤断裂修复后，环不会自动切换回来，因为这会导致进一步的流量“中断”，但会将其用作备用路径，以防将来在新的活动路径上发生故障。丢失流量的MUX将使用K字节向起始MUX发出保护切换信号。

也可以从网络管理中心或工程师操作的本地终端执行手动环形切换。

NGN - WDM 技术

WDM是一种使各种光信号能够通过一根光纤传输的技术。其原理与频分复用（FDM）基本相同。也就是说，几个信号使用不同的载波传输，占据频率谱的非重叠部分。在WDM的情况下，使用的频谱带在1300或1550 nm区域，这是光纤信号损耗非常低的两段波长窗口。

最初，每个窗口用于传输单个数字信号。随着分布式反馈（DFB）激光器、掺铒光纤放大器（EDFA）和光电探测器等光学元件的进步，人们很快意识到，每个传输窗口实际上可以被多个光信号使用，每个信号占据可用总波长窗口的一小部分。

事实上，在一个窗口内复用的光信号数量仅受这些元件精度的限制。目前的科技，可以在一根光纤中复用超过100个光通道。这项技术随后被命名为**密集波分复用**（DWDM）。

DWDM的主要优势在于它能够以经济有效的方式将光纤带宽提高数倍。全球现有的庞大光纤网络的容量可以突然成倍增加，而无需铺设新的光纤，这是一个昂贵的过程。显然，新的DWDM设备必须连接到这些光纤上。此外，可能需要光再生器。

ITU（T）正在对要使用的波长数量和频率进行标准化。使用的波长集不仅对于互操作性很重要，而且对于避免光信号之间的破坏性干扰也很重要。

下表给出了基于50 GHz、锚定在193.10 THz参考的最小信道间距的名义中心频率。请注意，C（光速）的值取为2.99792458 x 108 m/sec，用于在频率和波长之间进行转换。

ITU-T 网格（在C波段内），ITU（T）建议G.692

网络中的DWDM

一个典型的SDH网络在每个节点的两侧都会有两根光纤，一根用于向其**相邻节点**传输，另一根用于接收来自其**相邻节点**的数据。

虽然在站点之间有两根光纤听起来还不错，但实际上可能会有许多系统在站点之间运行，即使它们不属于同一个网络。

仅以上述两个网络为例，现在站点C和D之间需要四根光纤，并且在站点之间铺设光纤非常昂贵。这就是DWDM网络发挥作用的地方。

使用DWDM系统，站点C和D之间所需的光纤数量减少到一根。现代DWDM设备可以复用多达160个信道，这节省了大量的光纤投资。由于DWDM设备仅处理物理信号，因此它根本不会影响网络的SDH层。就SDH网络而言，SDH信号不会被终止或中断。站点之间仍然存在直接连接。

DWDM网络与协议无关。它们传输光波长，而不操作于协议层。

DWDM系统在铺设光纤时可以为网络运营商节省大量资金，尤其是在长距离传输时。使用光放大器，可以将DWDM信号传输到很长的距离。

放大器接收多波长DWDM信号，并将其放大以到达下一个站点。

一个光放大器将放大红色或蓝色波长，如果它放大红色波长，它将丢弃接收到的蓝色信道，反之亦然。为了双向放大，需要两种类型的光放大器中的一种或两种。

为了使DWDM系统能够以令人满意的方式运行，进入光放大器的输入波长应均衡。

这涉及将所有进入DWDM系统的输入光源设置为类似的光功率水平。未均衡的波长在承载流量时可能会出现错误。

一些制造商的DWDM设备通过测量输入信道的光功率并建议哪些信道需要进行功率调整来帮助现场技术人员。

均衡波长可以通过几种方式完成；可以在光纤管理框架和DWDM耦合器之间安装一个可变光衰减器——工程师可以在DWDM耦合器侧调整信号。

或者，源设备可能具有可变输出光发射器，这允许工程师通过源设备的软件调整光功率。

一些DWDM耦合器为每个接收到的信道内置了衰减器，工程师可以在DWDM接入点调整每个信道。

当多种频率的光通过光纤传播时，可能会发生称为四波混频的现象。光纤内会产生新的光波长，其波长/频率由原始波长的频率决定。新波长的频率由f123 = f1 + f2 - f3给出。

这些波长的存在会对光纤内的光信噪比产生不利影响，并影响波长内流量的误码率。

波分复用组件

波分复用组件基于各种光学原理。下图描绘了一个单波分复用链路。DFB激光器用作发射器，每个波长一个。光复用器将这些信号组合到传输光纤中。光放大器用于提高光信号功率，以补偿系统损耗。

在接收端，光解复用器分离每个波长，并在光链路的末端传递给光接收器。光信号由光ADM（OADM）添加到系统中。

这些光器件等效于数字ADM，沿传输路径整理和分割光信号。OADM通常由阵列波导光栅（AWG）制成，尽管也使用了其他光学技术，例如光纤布拉格光栅。

一个关键的波分复用组件是光开关。该器件能够将来自给定输入端口的光信号切换到给定输出端口。它等效于电子交叉开关。光开关能够构建光网络，以便可以将给定的光信号路由到其适当的目的地。

另一个重要的光学组件是波长转换器。波长转换器是一种将以给定波长到达的光信号转换为不同波长上的另一个信号的器件，同时保持相同的数字内容。此功能对于波分复用网络非常重要，因为它提供了在网络中路由光信号的更多灵活性。

光传输网络

波分复用网络通过以某种选择的拓扑结构连接波长交叉连接（WXC）节点来构建。WXC由波长复用器和解复用器、开关和波长转换器实现。

下图描绘了一个通用的WXC节点架构。

在同一根光纤中复用的光信号到达光解复用器。信号被分解成几个波长载波，并发送到一组光开关。光开关将几个波长信号路由到一组输出。

复用器，其中信号被复用并注入到输出光纤中进行传输。为了提供更多的路由灵活性，可以在光开关和输出复用器之间使用波长转换器。WXC已经研究多年了。WXC的难点在于串扰和消光比。

波长交叉连接节点

光传输网络（OTN）是波分复用网络，通过光路径提供传输服务。光路径是一条高带宽管道，以高达每秒数千兆比特的速度承载数据。光路径的速度由光学组件（激光器、光放大器等）的技术决定。目前可以实现STM-16（2488.32 Mbps）和STM-64（9953.28 Mbps）量级的速度。

OTN由WXC节点和管理系统组成，该系统通过监控光器件（放大器、接收器）、故障恢复等监管功能控制光路径的建立和拆除。考虑到每个光路径都提供主干带宽容量，因此光路径的建立和拆除需要在较长的时间范围内执行，例如数小时甚至数天。

OTN的部署方式非常灵活，具体取决于要提供的传输服务。这种灵活性的原因之一是大多数光学组件对信号编码是透明的。只有在光层的边界，当需要将光信号转换回电子域时，编码才重要。

因此，支持各种遗留电子网络技术（如SDH、ATM、IP和帧中继）在光层上运行的透明光服务可能是未来的发展趋势。

光层进一步划分为三个子层：

• 光通道层网络，它与OTN客户端接口，提供光通道（OCh）。

• 光复用层网络，它将各种信道复用到单个光信号中。

• 光传输段层网络，它提供光信号在光纤中的传输。

OTN帧格式

类似于使用SDH帧，访问OCh预计将通过当前定义的OC帧进行。基本帧大小对应于STM-16速度或2488.32 Mbps，构成基本OCh信号。下图描绘了可能的OCh帧格式。

光通道帧

帧的最左侧区域（如下图所示）保留用于开销字节。这些字节将用于OAM&P功能，类似于前面讨论的SDH帧的开销字节。

但是，可能会支持其他功能，例如提供暗光纤（为单个用户保留两个端点之间的波长）和基于波长的APS。帧的最右侧区域保留用于对所有有效载荷数据执行的前向纠错（FEC）方案。光传输层上的FEC增加了最大跨距长度，并减少了中继器的数量。可以使用里德-所罗门码。

几个OCh将在光域中复用在一起，形成光复用信号（OMS）。这类似于将几个STM-1帧复用成STM-N SDH帧格式。多个OCh可以复用以形成OMS。

光客户端信号放置在OCh有效载荷信号内。客户端信号不受OCh帧格式的约束。相反，客户端信号只需要是恒定比特率数字信号。其格式也与光层无关。

波分复用环网

从概念上讲，波分复用环网与SDH环网没有太大区别。WXC以环形拓扑结构互连，类似于SDH环网中的SDH ADM。SDH环网和波分复用环网之间主要的体系结构差异在于WXC的波长切换和转换功能。

例如，这些功能可用于提供SDH技术中没有的保护级别。换句话说，除了路径和线路保护外，还可以提供波长或光路径保护。

光APS协议与SDH APS一样复杂。保护可以在OCh级别或光复用段/光传输段级别提供。可以使用一些在SDH环网中没有的额外保护功能。例如，可以通过将给定波长上的光信号转换为不同的波长来修复故障的光路径（例如激光器故障），从而避免信号重新路由。

这等效于SDH中的跨距切换，不同之处在于即使是两根光纤波分复用环网也可以为OCh保护提供这种功能。然而，在OMS层，跨距保护将需要四根光纤环，就像SDH一样。这些额外功能无疑会使光层APS协议变得更加复杂。

一旦WDM环路建立，就需要根据要支持的流量模式建立光路径。

网状WDM网络

网状WDM网络使用与WDM环路相同的组件。但是，网状网络中使用的协议与环路中使用的协议不同。例如，网状网络中的保护是一个更复杂的问题，就像WDM网状网络中的路由和波长分配问题一样。

网状网络很可能作为连接WDM环路的骨干基础设施。其中一些连接预计将是光学的，避免光/电瓶颈并提供透明性。其他将需要将光信号转换为电子域以进行监控管理，也许还有计费目的。下图描绘了一个WDM网络。

基础设施 - 在此图中，显示了以下三个拓扑层 -

• 接入网络
• 区域网络
• 骨干网络

WDM网络基础设施

包括SDH环路和无源光网络（PON）作为接入网络。它们通常基于总线或星形拓扑，并使用介质访问控制（MAC）协议来协调用户之间的传输。此类网络不提供路由功能。

这些架构适用于支持最多几百个用户在短距离内通信的网络。尽管PON比WDM环路成本更低，因为缺少有源组件和波长路由等功能，但PON源处所需的激光器使得第一代此类设备仍然比SDH环路贵。至少在不久的将来，这有利于在接入网络级别使用SDH解决方案。

骨干网络包含有源光学组件，因此提供了波长转换和路由等功能。骨干网络必须以某种方式与传统的传输技术（如ATM、IP、PSTN和SDH）接口。

总体方案如下图所示。图中涉及几种类型的接口。

叠加承载ATM/IP流量的WDM传输网络。

SDH帧封装

必须定义OCh帧，以便可以轻松地进行SDH帧封装。例如，整个STM-16xc必须作为OCh有效载荷承载。如果使用基本的STM-16光通道，则可能无法将SDH-16xc封装到STM-16光通道中，因为OCh开销字节。

OCh帧格式目前正在定义。下图举例说明了SDH帧封装到OCh帧中。

SDH接口到WDM

具有物理SDH接口的WDM设备将向SDH设备传送光信号。这些接口必须与SDH技术向后兼容。因此，SDH设备不需要了解用于传输其信号的WDM技术（例如，该设备可以属于BLSR/4环）。

在这种情况下，WXC将从光介质中删除和添加最初在SDH环路中使用的波长。这样，WDM和SDH层完全解耦，这对于WDM与SDH传统设备的互操作性是必要的。

这给光层中波长的选择施加了额外的约束，因为与SDH设备接口的最后一跳波长必须与SDH设备用于终止光路径的波长相同，如果SDH设备内部不提供波长转换。

WDM链路

根据上表所示，虽然WDM的恢复速度快于SDH技术，但WDM的故障检测速度较慢。WDM/SDH保护机制的安全叠加需要更快的WDM保护方案。或者，如果SDH客户端能够承受此类过程造成的性能下降，则可以人为地降低SDH APS的速度。

上层不必要的故障恢复可能会导致路由不稳定和流量拥塞；因此，应不惜一切代价避免这种情况。上层可以使用故障持久性检查来避免对下层故障的过早反应。

OMS子层上的故障恢复可以替代光层提供的多个SDH信号实例的恢复过程。因此，大量的SDH客户端无需在其层启动故障恢复过程。因此，光学OMS子层上的单个故障恢复可以节省数百个。

向全光传输网络的演进

向全光WDM网络的演进很可能逐渐发生。首先，WXC设备将连接到现有的光纤。光链路中可能需要一些额外的组件，例如EDFA，以使传统光纤链路适合WDM技术。WXC将与传统设备（如SDH和光纤分布式数据接口（FDDI））接口。

全光透明传输网络的一个优点是，SDH功能很可能转移到SDH之上（IP/ATM）或之下（WDM）层，从而在网络可升级性和维护方面节省成本。假设包括语音在内的实时流量被分组化（IP/ATM），这种层重组可能会影响传输网络。这可能导致VC的SDH信号消失。

那么关键问题是如何最有效地将数据包打包到SDH中，甚至直接打包到OCh帧中。无论出现什么新的封装方法，都必须与IP/PPP/HDLC和ATM封装向后兼容。

NGN - 微机电系统

DWDM使用一组围绕1553 nm的光波长（或通道），通道间隔为0.8 nm（100 GHz），每个波长可以承载高达10 Gbps（STM 64）的信息。可以在一根光纤上组合并传输超过100个此类通道。正在努力进一步压缩通道并提高每个通道的数据速率。

在实验中，已经成功地在300公里的长度上测试了80个通道的传输，每个通道承载40 Gbps（相当于3.2 Tbit/秒）的信息。部署点对点和基于环路的DWDM光网络需要一种新型的网络元件，这些元件可以在运行时操纵信号，而无需昂贵的光-电-光转换。光放大器、滤波器、光添加/删除复用器、解复用器和光交叉连接是一些必不可少的网络元件。MEMS在设计和开发此类网络元件中发挥着重要作用。

MEMS是微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems）的首字母缩写词。它用于创建超小型化设备，尺寸从几微米到几厘米不等。这些与IC非常相似，但能够在同一基板上集成移动机械部件。

MEMS技术起源于半导体行业。这些是使用类似于VLSI的批量制造工艺制造的。典型的MEMS是芯片上的集成微系统，除了电气、光学、流体、化学和生物医学元件外，还可以包含移动机械部件。

在功能上，MEMS包含各种转导机制，用于将信号从一种能量形式转换为另一种能量形式。

许多不同类型的微传感器和微执行器可以与信号处理、光学子系统和微计算集成在一起，形成芯片上的完整功能系统。MEMS的特征能力是在同一基板上包含移动机械部件。

由于尺寸小，因此可以在机械设备几乎不可能放置的地方使用MEMS；例如，在人体血管内。MEMS器件的开关和响应时间也小于传统机器，并且功耗更低。

MEMS的应用

如今，MEMS在各个领域都得到了应用。电信、生物科学和传感器是主要受益者。基于MEMS的运动、加速度和应力传感器正在飞机和航天器中大量部署，以提高安全性和可靠性。皮卫星（重约250克）被开发为检查、通信和监视设备。它们使用基于MEMS的系统作为有效载荷以及用于其轨道控制。MEMS用于喷墨打印机的喷嘴和硬盘驱动器的读/写磁头。汽车行业正在将MEMS用于“燃油喷射系统”和安全气囊传感器。

设计工程师正在将其新设计中的MEMS用于提高其产品的性能。它降低了制造成本和时间。将多个功能集成到MEMS中提供了更高的微型化程度、更低的组件数量和更高的可靠性。

设计和制造技术

在过去的几十年里，半导体行业已经发展到成熟阶段。MEMS的发展从这项技术中受益匪浅。最初，用于集成电路（IC）设计和制造的技术和材料被直接借用于MEMS开发，但现在正在开发许多特定于MEMS的制造技术。表面微加工、体微加工、深反应离子刻蚀（DRIE）和微模塑是一些先进的MEMS制造技术。

使用微加工方法，沉积多层多晶硅，通常厚1-100毫米，以形成具有金属导体、反射镜和绝缘层的三维结构。精确的蚀刻工艺选择性地去除下层薄膜（牺牲层），留下称为结构层的覆盖薄膜，该薄膜能够进行机械运动。

表面微加工用于以商业规模制造各种MEMS器件。在蚀刻过程前后可以看到多晶硅和金属层。

体微加工是另一种广泛使用的工艺，用于形成MEMS的功能组件。单晶硅被图案化和成形以形成高精度三维零件，如通道、齿轮、膜片、喷嘴等。这些组件与其他零件和子系统集成在一起，以生产完全功能的MEMS。

MEMS加工和MEMS组件的一些标准化构建块是多用户MEMS工艺（MUMPs）。这些是平台的基础，该平台正在导致MEMS的特定于应用程序的方法，非常类似于在集成电路行业取得巨大成功的特定于应用程序的方法（ASIC）。

全光DWDM网络和MEMS

如今的电信专家面临着前所未有的挑战，即如何在电信网络中适应不断扩展的高带宽服务阵列。由于互联网和互联网支持服务的扩展，带宽需求呈指数级增长。密集波分复用（DWDM）的出现解决了这种技术短缺，并彻底改变了核心光网络的经济状况。

DWDM使用一组围绕1553 nm的光波长（或通道），通道间隔为0.8 nm（100 GHz），每个波长可以承载高达10 Gbps（STM 64）的信息。可以在一根光纤上组合并传输超过100个此类通道。正在努力进一步压缩通道并提高每个通道的数据速率。

实验表明，在单根光纤上成功传输了80个信道，每个信道承载40 Gbit/s（相当于3.2 Tbit/s），传输距离达到300公里。点对点和环形DWDM光网络的部署需要新型的网络设备，这些设备能够在信号传输过程中进行处理，而无需昂贵的O-E-O转换。光放大器、滤波器、光加法复用器、解复用器和光交叉连接器是其中一些必不可少的网络设备。MEMS在这些网络设备的设计和开发中发挥着重要作用。我们将详细讨论光加法复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）。

光开关的突破

1999年，贝尔实验室的科学家演示了一种实用的基于MEMS的光开关。它的工作原理类似于跷跷板，一端有一个镀金的微型镜面。静电力将杆的另一端向下拉，抬起镜面，使光线以直角反射。因此，入射光从一根光纤转移到另一根光纤。

这项技术的成功实际上是各种设备和系统（如波长加法/减法复用器、光配置开关、光交叉连接器和WDM信号均衡器）的基石。

光加法复用器

与基于环形的SDH/SONET网络类似，全光DWDM网络也开始兴起。SDH网络设计人员已经证实了环形网络优于网状网络。在全光环中，可以为保护目的保留带宽（λ）。光加法复用器（OADM）在功能上类似于SDH/SONET加法复用器（ADM）。可以选择性地从多波长光信号中添加或删除一组波长（λ）。OADM消除了昂贵的O-E-O（光电转换）过程。

如上所述，使用二维矩阵的光开关来制造这种OADM，灵活性很差。另一方面，可重构加法复用器（R-OADM）提供了完全的灵活性。可以访问、删除任何通过的信道，或者添加新的信道。可以更改特定信道的波长以避免阻塞。这种类型的光开关或OADM被称为2D或N2开关，因为所需的开关元件数量等于端口数量的平方，并且光线仅停留在二维平面内。

一个8端口OADM需要64个独立的微镜及其在MEMS器件上的控制。这与电话交换机中使用的“交叉连接”开关非常相似。

这种类型的光开关已经过严格的机械和光学测试。平均插入损耗小于1.4 dB，在超过100万次循环中具有±0.25 dB的出色重复性。配置大于32×32（1024个开关镜）的2D/N2型OADM变得实际上难以管理且不经济。使用多层较小的交换结构来创建更大的配置。

光交叉连接器

贝尔实验室通过一项创新性的光开关技术克服了2D型光开关的局限性。它通常被称为“自由空间3D MEMS”或“光束转向”。它使用一系列双轴微镜作为光开关。微镜安装在一组交叉耦合万向节环的一个轴上，通过一组扭转弹簧。这种布置允许镜面沿两个垂直轴以任何所需的角度移动。通过在镜面下方四个象限施加静电力来驱动镜面。使用MEMS技术复制完整的微镜单元，形成一个由128或256个微镜组成的“交换结构”。

一组准直输入光纤与一组镜面对齐，这些镜面可以通过在X和Y轴上倾斜镜面将光线重新定向到与准直输出光纤对齐的第二组镜面。通过精确地将输入和输出光纤上的一组镜面对准，可以建立所需的连接。此过程称为“光束转向”。

3D MEMS开关的切换时间小于10毫秒，并且微镜非常稳定。基于此技术的开光交叉连接器相较于O-E-O型交叉连接器提供了各种独特的优势。OXC具有高容量、可扩展性，并且真正地与数据速率和数据格式无关。它可以智能地路由光信道，无需昂贵的O-E-O转换。低占用空间和功耗是全光开关技术的其他优势。

NGN - WDM的种类

早期的WDM系统传输两个或四个波长，这些波长间隔很大。WDM以及CWDM和DWDM的“后续”技术已经远远超出了这一早期的限制。

WDM

传统的无源WDM系统已经广泛应用，2、4、8、12和16个信道数量是正常的部署。此技术通常在距离上存在小于100公里的限制。

CWDM

如今，粗波分复用（CWDM）通常使用高达18个信道的20 nm间距（3000 GHz）。CWDM建议ITU-T G.694.2为目标距离（在ITU-T建议G.652、G.653和G.655中指定的单模光纤上，最远约50公里）提供了一个波长网格。CWDM网格由18个波长组成，定义在1270 nm到1610 nm范围内，间隔为20 nm。

DWDM

密集波分复用（DWDM）的常见间距可以是200、100、50或25 GHz，信道数量达到128个或更多，距离可达数千公里，并在该路线上进行放大和再生。