NGN - WDM 技术

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WDM 是一项技术，它允许各种光信号通过单根光纤进行传输。其原理本质上与频分复用 (FDM) 相同。也就是说，多个信号使用不同的载波传输，占据频率谱中不重叠的多个部分。对于 WDM，使用的频谱带在 1300 或 1550nm 的区域内，这是光纤信号损耗非常低时可使用的两个波长窗口。

最初，每个窗口均用于传输单一数字信号。随着分布反馈 (DFB) 激光器、掺铒光纤放大器 (EDFA) 和光电检测器等光学元件的进步，人们很快意识到，事实上每个传输窗口都可以使用多个光信号，每个信号占据可用的总波长窗口的一小部分。

事实上，在窗口内复用光信号的数量仅受这些元件精度的限制。利用当前技术，可以将 100 多个光信道复用到一根光纤中。然后该技术被命名为密集 WDM (DWDM)。

DWDM 的主要优点是能够经济有效地增加光纤带宽。全球现有的庞大光纤网络可以突然将其容量成倍增加，而无需敷设昂贵的长新光纤。显然，必须将新的 DWDM 设备连接到这些光纤上。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 的标称中心频率，最小信道间距锚定在 193.10 THz 上。请注意，C（光速）值取为 2.99792458 x 108 m/sec.，用于在频率和波长之间转换。

ITU-T Grid（在 C 波段内），ITU (T) Rec. G.692

网络内的 DWDM

典型的 SDH 网络将在每个节点的每一侧有两根光纤，一根用于传输到其邻居端，另一根用于接收来自其邻居端的光纤。

虽然在站点之间拥有两根光纤听起来相当不错，但在实践中，即使它们不构成同一网络的一部分，也可能会在站点之间运行许多系统。

仅使用上面显示的两个网络，站点 C 和 D 之间现在需要四根光纤，而在站点之间铺设光纤极为昂贵。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光纤。现代 DWDM 设备可以复用多达 160 个信道，从而在光纤投资方面节省了大量资金。由于 DWDM 设备仅适用于物理信号，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。站点之间仍然有直接连接。

DWDM 网络与协议无关。它们传输波长的光，并且不在协议层上运行。

DWDM 系统甚至可以在远距离铺设光纤时为网络运营商节省大量资金。使用光放大器可以将 DWDM 信号传输到远距离。

放大器接收多波长 DWDM 信号，简单地进行放大以到达下一个站点。

运放会放大红色或蓝色兰姆达，如果放大红色兰姆达，它将丢弃接收到的蓝色信道，反之亦然。要双向放大，需要两种类型的放大器之一。

为让 DWDM 系统以令人满意的方式运行，应使进入光放大器的波长相等。

这涉及将所有传入光源都设置为相似的光功率级，进入 DWDM 系统。尚未相等的波长在承载流量时可能会显示错误。

一些制造商的 DWDM 设备通过测量传入信道的功率并推荐哪些信道需要调整功率来协助现场技术人员。

可以使用几种方法对波长进行均等化；可在光纤管理框架和 DWDM 耦合器之间安装可变光衰减器——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中的软件调整光功率。

某些 DWDM 耦合器已为每个接收信道内置衰减器，工程师可以在 DWDM 接入点调整每个信道。

当多种光频通过光纤时，可能会出现四波混频的条件。新的光波长在光纤内生成，其波长/频率由原始波长的频率确定。新波长的频率由 f123 = f1 + f2 - f3 给出。

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。以下是给出的图像，它描述了单个波分复用链路。分布式反馈激光器用作发射器，每个波长使用一个。光波分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。

在接收器端，光解复用器分隔每个波长，然后将其传送至光链路末端的接收器中。光信号通过光学 ADM（OADM）添加到系统中。

这些光设备等同于数字 ADM，梳理和拆分传输路径中的光信号。OADM 通常由阵列波导光栅 (AWG) 制成，但其他光学技术，比如光纤布拉格光栅，也得到了使用。

关键的波分复用组件是光开关。这个装置能够将光信号从给定的输入端口切换到给定的输出端口。这等同于电子式交叉开关。光开关能够构成光网络，因此给定的光信号可以路由到其适当的目标位置。

另一个重要的光学元件是波长转换器。波长转换器是一种将给定波长进入的光信号转换成不同波长信号的设备，同时保持相同数字内容。该功能对于 WDM 网络非常重要，因为它在跨网络路由光信号方面提供了更大的灵活性。

光传输网络

WDM 网络是通过在特定选择的拓扑中连接波长交叉连接 (WXC) 节点构建起来的。WXC 是通过波长多路复用器和解复用器、开关和波长转换器实现的。

以下图展示了一个通用 WXC 节点架构。

多路复用在同一条光纤中的光信号到达一个光解复用器。信号被分解为其多个波长载波，并被发送到一组光开关。光开关将多个波长信号路由到一组输出中。

多路复用器，其中信号被多路复用并注入到输出光纤中进行传输。波长转换器可以在光开关和输出多路复用器之间使用，以提供更大的路由灵活性。WXC 已经研究了许多年。WXC 的难点在于串扰和消光比。

一个波长交叉连接节点

光传输网络 (OTN) 是 WDM 网络，提供通过光路的传输服务。光路是一个高达每秒数千兆的高带宽管道，承载数据。光路的速率由光组件（激光器、光放大器等）的技术决定。STM-16 (2488.32 Mbps) 和 STM-64 (9953.28 Mbps) 范围内的速率目前是可以实现的。

OTN 由 WXC 节点和一个管理系统组成，该系统控制光路通过监控光设备（放大器、接收器）、故障恢复等的监管功能的设置和拆除。光路的设置和拆除将在大型时标上执行，例如数小时甚至数天，因为每条光路都提供骨干带宽容量。

在 OTN 部署方式方面有很大的灵活性，具体取决于要提供的传输服务。这种灵活性的原因之一是，大多数光组件都对信号编码是透明的。只有在光层的边界处，光信号需要被转换回电子域时，编码才有关系。

因此，透明光学服务可以在光层上运行，以支持各种旧式电子网络技术，例如 SDH、ATM、IP 和帧中继，这在未来是一种可能的情况。

光层进一步分为三个子层 -

• 光信道层网络，与 OTN 客户端连接，提供光信道 (OCh)。

• 光复用层网络，将多个信道复用为一个光信号。

• 光传输部分层网络，通过光纤提供光信号的传输。

OTN 帧格式

类似于 SDH 帧的使用，对 OCh 的访问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，这组成了基本 OCh 信号。以下图展示了一个可能 OCh 帧格式。

一个光信道帧

帧的最左侧区域（显示在下面给出的图中）保留给开销字节。这些字节将用于 OAM&P 函数，类似于之前讨论的 SDH 帧的开销字节。

然而，其他功能很可能会得到支持，例如提供暗光纤（为单个用户在两个端点之间保留波长）和基于波长的 APS。框架的最右侧区域保留用于对所有有效负载数据进行纠错（FEC）方案。光传输层上的 FEC 可增加最大跨度长度，并减少中继器的数量。里德-所罗门码可用于此目的。

多个 OCh 应在光域内进行多路复用，以形成光多路复用信号 (OMS)。这与将多个 STM-1 帧多路复用到 STM-N SDH 帧格式中类似。多个 OCh 可以多路复用到一起以形成 OMS。

光客户端信号被置于 OCh 有效负载信号内。客户端信号不受 OCh 帧格式的约束。相反，客户端信号只需要一个恒定比特率的数字信号即可。它的格式与光层也无关。

WDM 环

从概念上讲，WDM 环与 SDH 环没有太大区别。WXCs 以环形拓扑互连，类似于 SDH 环中的 SDH ADM。SDH 环和 WDM 环之间的主要架构差异源于 WXC 的波长切换和转换能力。

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

光 APS 协议与 SDH APS 一样复杂。保护可以在 OCh 层或光复用段/光传输段层提供。一些额外的保护功能可以在 SDH 环中实现，而不会产生并行性。例如，可以通过将来自给定波长的光信号转换为另一个波长来修复故障光路（例如激光器故障），从而避免信号重新路由。

这相当于 SDH 中的跨度切换，区别在于即使两个光纤 WDM 环也可以为 OCh 保护提供这种能力。然而，在 OMS 层，跨度保护将需要四个光纤环，就像在 SDH 中一样。这些额外功能无疑会给光层 APS 协议引入额外的复杂性。

一旦 WDM 环建立，就需要根据要支持的流量模式建立光路。

网状 WDM 网络

网状 WDM 网络使用与 WDM 环相同的光组件构建。然而，网状网络中使用的协议与环中使用的协议不同。例如，网状网络中的保护是一个更复杂的主张，就像 WDM 网状网络中路由和波长分配的问题一样。

网状网络很可能成为连接 WDM 环的骨干基础设施。预计其中一些连接将是光学的，避免光电瓶颈并提供透明度。其他连接将需要将光信号转换为电子域，用于监视管理，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

接入网络中包括 SDH 环和无源光纤网络 (PON)。它们通常基于总线或星形拓扑结构，并且使用介质访问控制 (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在短距离上至数百名用户的网络。虽然 PON 比 WDM 环网成本更低，但由于缺乏有源元件和波分路由等特性，PON 光源所必需的激光器使此类设备的第一代产品仍然比 SDH 环网贵。这使得 SDH 解决方案更适用于接入网络层，至少在近期内是这样。

骨干网络包含有源光纤元件，因此可提供波长转换和路由等功能。骨干网络在某种程度上必须与传统的传输技术（如 ATM、IP、PSTN 和 SDH）相连。

以下图表描绘了整个场景。此图表涉及了多种类型的接口。

叠加传输 ATM/IP 流量的 WDM 传输网络。

SDH 帧封装

必须定义 OCh 帧以便轻松完成 SDH 帧封装。例如，整个 STM-16c 必须作为 OCh 有效负载进行承载。如果使用基本的 STM-16 光纤通道，则由于 OCh 开销字节，可能无法将 SDH-16c 封装到 STM-16 光纤通道中。

OCh 帧格式目前正在定义中。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 设备会向 SDH 设备输送光纤信号。这些接口必须向后兼容 SDH 技术。因此，SDH 设备无需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 将丢弃并添加到光纤介质中，该介质最初用于 SDH 环。这样，WDM 层和 SDH 层将完全分离，这对于 WDM 与传统的 SDH 设备的互操作性是必要的。

这给光纤层中的波长选择增加了额外的限制，因为最后一个跳跃的波长（与 SDH 设备相连的波长）必须与 SDH 设备用来终止光纤路径的波长相同，如果 SDH 设备中并未提供波长转换。

WDM 链路

根据上表所示，虽然 WDM 中的恢复速度比 SDH 技术快，但 WDM 中的故障检测速度较慢。更安全的 WDM/SDH 保护机制叠加需要更快的 WDM 保护方案。或者，如果 SDH 客户端能承受此类程序导致的性能下降，则可以人为减缓 SDH APS。

较高的层不必要的故障恢复可能会导致路由不稳定和流量拥堵；因此，应不惜一切代价加以避免。可以在较高层使用故障持久性检查，以避免过早对较低层故障做出反应。

OMS 子层故障恢复能替代光层所服务的 SDH 信号的多实例的恢复程序。因此，大量的潜在 SDH 客户端不必启动它们所在层中的故障恢复程序。故而，光 OMS 子层中的单一故障恢复可以节省数百个。

向全光传输网络演进

向全光 WDM 网络的演进可能逐渐发生。首先，WXC 设备将连接至现有光纤。光链路中可能需要一些额外组件（如光纤放大器），以使传统光纤链路适用于 WDM 技术。WXC 将与传统设备（如 SDH 和光纤分布式数据接口 (FDDI)）进行连接。

全光透明传输网络的一大优点是，SDH 功能可能会转移到 SDH 之上的层（IP/ATM）或之下的层（WDM），从而在网络升级性和维护方面带来节省。这种层级重组可能会影响传输网络，假设实时流量（包括语音）已分组（IP/ATM）。这可能会导致 VCD 的 SDH 信号消失。

一个关键问题是如何最有效地将分组封装到 SDH，甚至直接封装到光信道 (OCh) 帧中。无论采用何种新的封装方法，都必须向后兼容 IP/PPP/HDLC 和 ATM 封装。