光网络 - 快速指南

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光网络 - 简介

目前关于IP over WDM的思路，通过概述通往光数据网络的路径，其中包括多个数据网络协议以及协议无关的光网络基础设施，受到了挑战。本教程讨论了光数据网络中数据网络协议和网络架构的多样性。

互联网的普及带来了带宽爆炸，导致电信行业从以语音优化的电路交换服务转向以数据优化的分组交换服务。支持“光纤直接传输数据”的概念，得益于消除不必要的网络层将大幅降低网络成本和复杂度的承诺。

在这种减少或折叠网络层的观点中，现有的TDM系统（如同步数字系列（SDH））的作用正在减弱，光传输网络成为由此产生的“网络的网络”的基础传输基础设施。

光互联网

例如，光互联论坛（OIF）定义的光互联网工作，是一种数据优化的网络基础设施，其中交换机和路由器集成了光接口，并通过光纤或光网络元件（如密集波分复用器（DWDM））直接连接。

然而，目前，IP直接在WDM上的概念只不过是巧妙伪装的营销手段。几乎总是，IP over WDM是将IP数据包映射到SDH，并与基于SDH的点对点DWDM系统相结合。不需要独立的SDH元素（通常称为时分复用器（TDM）），但SDH仍然是数据网络设备接口的组成部分。

对DWDM系统中SDH存在的日益依赖限制了技术创新。例如，它可能会抑制基于分组的光纤应用，例如异步传输模式（ATM）、千兆以太网（GbE）和10 GbE over DWDM。它也没有让我们更接近实现光传输网络的最终愿景。

与目前对IP over WDM的看法相比，对数据/传输网络演进有更平衡的看法。这种平衡的观点基于两个基本原则：

• 在以差异化为主导的市场中，每个数据网络都是独一无二的。

• 作为底层基础设施“网络的网络”的光传输网络（OTN）应该能够传输各种客户端信号，而与它们的格式无关。

这两个基本原则共同构成了光数据网络概念的基础。

融合网络

如今的基于TDM的传输网络旨在为主要的语音和基线服务提供可靠的性能和可靠性。成熟的技术（如SDH）已被广泛部署，为语音和专线应用提供高容量传输，可扩展到千兆位每秒速率。SDH自愈环可在网络故障后几十毫秒内实现服务级恢复。所有这些功能都得到完善的全球标准的支持，从而实现了高度的多厂商互操作性。

当今的网络

与当今基于TDM的传输网络（以及在某种程度上与ATM网络）相比，“尽力而为”的IP网络通常缺乏保证高可靠性和可预测性能的方法。大多数传统IP网络提供的尽力而为的服务，具有不可预测的延迟、抖动和数据包丢失，这是通过统计复用实现最大链路利用率所付出的代价。链路利用率（例如，每单位带宽的用户数量）一直是数据网络的重要衡量指标，因为链路通常通过TDM传输网络上的租用电路承载。

鉴于数据流量固有的突发性，TDM传输的固定带宽管道可能不是一个理想的有效解决方案。但是，传统上，这种低效率的重要性不如TDM传输网络提供商的网络可靠性和拥塞隔离功能重要。

对高带宽和差异化数据服务的需求激增，现在正在挑战这种基于TDM的传输和尽力而为分组网络的双重架构模型。通过过度配置网络带宽并使网络保持轻载来扩展尽力而为网络的用途并不划算。

此外，由于需求增长不稳定，这种方法并非总是能够实现或保证，并且对于对未充分利用设施的经济约束最敏感的网络接入域来说尤其是一个问题。因此，总的来说，当今的数据服务提供商没有网络基础设施支持来提供客户特定的差异化服务保证和相应的服务级别协议。

下一代网络

下一代网络架构将采用传输网络和增强的服务层，以经济高效、可靠和可扩展的方式进行演进，它们以互补和互操作的方式协同工作。这些下一代网络将显着提高并最大限度地共享骨干网络基础设施容量，并为新兴的数据应用程序提供复杂的差异化服务。

传输网络使服务层能够更有效地运行，使其免受物理拓扑的约束，专注于满足服务需求这一足够大的挑战。因此，作为对许多服务层增强功能的补充，光传输网络将提供一个统一的、优化的、高容量、高可靠性带宽管理层，并为具有保证质量的高容量数据服务创建所谓的“光数据网络”解决方案。

光传输网络：实用视角

自从WDM成功实现快速商业化以来，光网络的愿景就一直吸引着研究人员和网络规划人员的想象力。在最初的光传输网络愿景中，一个灵活、可扩展和稳健的传输网络应运而生，满足各种客户端信号不断增长的服务需求（灵活性、可扩展性和生存能力以及比特率和协议独立性）。

能够满足本世纪初不断增长的带宽需求的传输基础设施的前景确实令人着迷，其中波长取代时隙成为在网络中提供可靠的高带宽服务传输的媒介。但是什么是光网络？答案多种多样，并且实际上近年来一直在发展。早期尝试的光网络侧重于光透明性和在全球范围内设计光透明网络。

实用解决方案

在缺乏可行的“全光”解决方案的情况下，光网络的更实用解决方案适应了光电子器件支持光信号再生和光信号性能监控的需求。在所谓的全光网络中，信号完全在光域中穿过网络，没有任何形式的光电处理。这意味着所有信号处理——包括信号再生、路由和波长交换——都完全在光域中进行。

由于模拟工程的局限性（例如，在设计良好的数字系统中，限制因素是将原始模拟消息波形转换为数字形式的精度）以及考虑到当前全光处理技术的现状，全球或甚至全国范围的全光网络的概念在实践中是无法实现的。

特别是，可能需要在光网络元件中进行光电转换，以防止传输损伤的累积——这些损伤是由诸如光纤色散和非线性、非理想平坦增益放大器的级联、光信号串扰以及级联非平坦滤波器的传输频谱变窄等因素造成的。光电转换还可以支持波长交换，这目前在全光域中实现起来具有挑战性。

简而言之，在缺乏能够执行信号再生以减轻损伤累积并在全光域中支持波长转换的商用器件的情况下，在近期的实用光网络架构中应该预计某种程度的光电转换。由此产生的光网络架构可以由光透明（或全光）子网来表征，这些子网受功能增强的光电子器件的限制，如上图所示。

客户端信号透明度

除了模拟网络工程之外，实际考虑因素将继续决定OTN的最终实现。其中最重要的考虑因素是网络运营商希望在未来的传输基础设施中实现高度的客户端信号透明度。

“客户端信号透明度”是什么意思？具体而言，对于打算在OTN上传输的目标客户端信号集，定义了用于将这些信号作为光通道（OCh）服务器信号有效载荷传输的单独映射。OTN中预期的信号包括传统的SDH和PDH信号，以及基于分组的流量，如互联网协议（IP）、ATM、GbE和简单数据链路（SDL）。一旦客户端信号在OTN的入口处映射到其OCh服务器信号，部署此类网络的运营商就不需要详细了解（或访问）客户端信号，直到它在网络出口处被解映射。

光网络入口和出口点应界定OTN客户端信号透明度的范围。因此，实现客户端信号透明度的最重要因素是在OTN入口和出口点之间消除所有特定于客户端的设备和处理。幸运的是，更容易在入口/出口处接受依赖于客户端的设备，因为它通常是按服务进行专门分配的。

通过数字封装实现光传输网络

DWDM技术的广泛使用给服务提供商带来了一个新的挑战：如何以经济高效的方式管理不断增加的波长数量，以便为最终客户提供快速可靠的服务。有效地管理波长或OCh，需要光网络支持每个波长或OCh级别的操作、管理和维护（OAM）功能。

ITU(T) 建议G872定义了以开销形式实现的OCh级OAM的一些功能，但没有指定如何承载此开销。到目前为止，支持信号再生以及监控、分析和管理OCh（波长）的唯一可行方法是依靠整个网络中的SDH信号和设备。这要求WDM系统中每个波长上的信号都采用SDH格式。

光通道（波长）

利用DWDM系统中现有的光电再生点，使用数字封装技术的概念将提供类似于SDH的功能和可靠性，但适用于任何客户端信号，使我们更接近实现光传输网络的最初愿景。

数字封装技术提供了ITU(T) 建议G.872中概述的网络管理功能，以支持OTN。这些功能包括光层性能监控、前向纠错（FEC）以及每个波长的环保护和网络恢复，所有这些都独立于输入信号格式，如以下图所示。

最近提出了在每个“围绕”OCh客户端的数字（或TDM）封装中使用该概念来支持信道相关的OCh开销，并且实际上已被采用作为OCh定义的基础。此方案将利用OCh再生需求来增加OCh客户端的额外容量。当然，一旦我们有了以数字方式向OCh客户端信号添加开销的方法，就可以利用它来支持所有OCh级OAM要求。

特别是，数字添加的开销使得解决OTN的主要性能监控问题变得非常容易，即以独立于客户端的方式访问比特差错率（BER）。并且，通过可选地使用FEC，数字封装方法可以显著增强客户端信号的BER性能，进一步减少对光电转换的需求。

增强传输网络性能的一种方法是使用FEC，目前一些设备中已提供该功能。因此，数字封装技术的额外优势是可以选择性地支持FEC以增强系统裕度。

OCh帧结构

从功能上讲，OCh有效载荷和OAM应该与FEC机制分离。这使得能够在整个网络中端到端传输有效载荷和OAM，同时在不同的链路上使用不同的FEC方案。一个明显的例子是海底和陆地链路之间的切换。在海底链路中，正在研究下一代系统的新FEC码。

下图说明了所提出的OCh基本帧结构，以及OCh帧结构中可能承载的各种功能类型。虽然有人可能会认为此提议与全光网络的长期目标不一致，但我们不应期望再生需求会消失。

再生点之间的距离将继续增加；但是，在信号切换点进行再生的需求将仍然存在。结合使用光监督信道（OSC）来管理光透明子网内的OCh，数字封装将支持在国家或全球OTN中对OCh（波长）进行端到端管理。

3R再生（整形、定时和再生）是通过光电转换和反向转换实现的，数字封装方案利用了这一点。如果全光3R再生可用，情况会发生变化吗？如果全光再生能够添加开销，则论点不变；只有再生器的实现方式会发生变化。

如果光再生器无法添加开销，则OCh开销的需求不会消失；光再生器只会增加光电再生点之间的潜在距离，并且数字封装将透明地通过它们。数字封装的使用对光传输网络演进的影响可能是深远的，尤其是在数据网络趋势的背景下。

协议栈选择

IP协议显然是当今数据通信网络中的融合层，可以预见，它将在未来几年将其作用扩展到多业务网络。IP可以通过各种数据链路层协议和底层网络基础设施传输。下图显示了一些将IP映射到WDM网络基础设施的可能的协议栈或映射关系。

什么是IP over WDM？

下图中标记为a、b和d的协议栈是当今最常用的。它们使用经典的IP over ATM over SDH映射（如图a所示）；分组在SDH上（POS，如图b所示）；或经典且经过良好扩展的IP over以太网（如图d所示）。情况（e）和（f）使用简单数据链路（SDL），这是一种最近提出的作为POS替代方案的新数据链路层。标记为（c）的协议栈是情况（a）的替代方案，其中消除了中间SDH层，并执行了ATM信元到WDM的直接映射。

这些不同的协议栈在带宽开销、速率可扩展性、流量管理和QoS方面提供了不同的功能。声称任何一种特定的映射都代表IP over WDM是极其不诚实的。

数据链路层协议的多样性和IP到不同底层网络基础设施的映射是IP的主要优势之一，并且这种特性不会消失。相反，很有可能提出新的、创新的和更高效的协议映射来传输IP数据包。对于低带宽和低可靠性网络，这种情况已经存在，对于高带宽和高可靠性的光网络也将如此。这种观点也符合“万物皆IP，IP无处不在”的愿景。

光数据网络

今天定义的IP over WDM对数据网络和光网络可以提供的功能施加了限制性观点。由单个协议栈引入的约束，而不是充分利用光层网络功能的约束，对于某些网络应用来说是非常严格的。

上面提到的网络趋势需要一个光网络平台，该平台能够以独立于客户端信号的方式支持各种协议栈、网络架构以及保护和恢复选项。对于高速数据网络中的一些网络应用，点对点WDM上的POS选择是最佳的，但肯定不是全部。此外，用于实施和部署这些未来数据网络的光平台必须确保可以轻松地适应新的、意外的协议栈映射，并且它们可以从光层网络获得相同的功能，而无需进行中间协议转换。

光数据网络是一种替代方法，它不试图减少协议栈和网络架构的异构性，而是利用异构性为每个特定的应用和网络提供商细分市场提供量身定制的网络解决方案。光数据网络结合了服务层和传输层的功能。

光数据网络的主要组成部分

通过使用数字封装来适应协议栈的多样性，这体现在OTN中需要支持的多种客户端信号类型上。通过OCh路由、故障和性能监控、保护和恢复等功能，真正的光网络功能提供了额外的灵活性和鲁棒性，所有这些功能都可以在每个OCh的基础上选择性地执行。所有这些元素的结合形成了一种功能强大且灵活的网络解决方案，该解决方案面向未来且对数据服务提供商的任何特定愿景开放。

这项技术对于升级信道容量、添加/删除信道、重新路由和流量分配、支持所有类型的网络拓扑和保护系统以及同步而言，具有成本效益且更灵活。以下是主要组件：

• TP（转发器）
• VOA（可变光衰减器）
• MUX（复用器）
• DEMUX（解复用器）
• BA（放大器）
• 线路（OFC介质）
• LA（线路放大器）
• PA（前置放大器）
• OSC（光监督信道）

转发器

此单元是STM-n宽脉冲光信号与MUX/DEMUX设备之间的接口。此光信号可以位于同一位置，也可以来自不同的物理介质、不同的协议和流量类型。它将宽脉冲信号转换为纳米级（nm）数量级的窄波长（点或彩色频率），间距为1.6 nm；发送到MUX。

在反方向上，DEMUX的彩色输出转换为宽脉冲光信号。两个方向的输出功率电平为+1至-3 dBm。转换在2R或3R方法中是光电和电光（O到E和E到O）。

在2R中，执行再生和整形，而在3R中，执行再生、整形和定时。TP可以依赖于波长颜色和比特率，也可以对两者进行调谐（成本高且未使用）。但是，在2R中，任何比特率、PDH、STM-4或STM-16都可以作为信道速率。该单元在接收机灵敏度和过载点方面存在限制。

尽管无法访问中间电气阶段，但STN-n的开销字节用于监控目的。此单元还支持基于ITU-T建议G.957的光学安全操作（ALS）。

可变光衰减器（VOA）

这是一种无源网络，例如预加重，需要调整以在EDFA频带上实现信号电平的均匀分布，以便Mux单元的各个信道光输出功率保持相同，而不管系统中加载的信道数量如何。

光衰减器类似于用于降低信号电平的简单电位器或电路。当必须运行性能测试时，例如，查看比特错误如何受链路中信号电平变化的影响时，会使用衰减器。一种方法是在光信号通过具有不同暗度程度的玻璃板然后返回光纤的精确机械设置中，如图所示。

玻璃板具有从一端0%到另一端100%的灰度密度。当板材穿过间隙移动时，允许通过或多或少的能量。这种类型的衰减器非常精确，可以处理任何光波长（因为无论波长如何，板材都会以相同的量衰减任何光能），但机械成本很高。

复用器（MUX）和解复用器（De-MUX）

由于DWDM系统通过一根光纤发送来自多个站点的信号，因此它们必须包括某种方式来合并传入的信号。这是借助复用器完成的，复用器接收来自多根光纤的光波长并将它们汇聚成一束光束。在接收端，系统必须能够分离出光束的传输波长，以便能够对其进行单独检测。

解复用器通过将接收到的光束分离成其波长分量并将它们耦合到各个光纤中来执行此功能。

复用器和解复用器在设计上可以是无源的或有源的。无源设计使用棱镜、衍射光栅或滤波器，而有源设计将无源器件与可调谐滤波器结合使用。

这些器件的主要挑战是最小化串扰并最大化信道分离（两个相邻信道之间的波长差）。串扰是衡量信道分离程度的指标，而信道分离是指区分每个波长的能力。

复用器/解复用器的类型

棱镜型

可以使用棱镜对波长进行简单的复用或解复用。

一束平行多色光入射到棱镜表面，每个分量波长都会发生不同的折射。这就是彩虹效应。在输出光中，每个波长与下一个波长之间都存在一定角度的分离。然后，透镜将每个波长聚焦到需要进入光纤的位置。这些组件可以反向使用，将不同的波长复用到一根光纤上。

衍射光栅型

另一种技术基于衍射和光学干涉原理。当多色光源入射到衍射光栅上时，每个波长都会在不同的角度发生衍射，因此会到达空间中的不同点。使用透镜，这些波长可以聚焦到各个光纤上，如下图所示。布拉格光栅是一种简单的无源组件，可用作波长选择性反射镜，并广泛用于DWDM系统中添加和删除信道。

布拉格光栅是通过使用紫外激光束照射通过相位掩模的单模光纤纤芯制成的。光纤掺杂磷、锗或硼以使其具有光敏性。光通过掩模后，会产生干涉条纹，并被“打印”到光纤上。这会在光纤纤芯玻璃中产生永久性的折射率周期性调制。成品光栅在布拉格波长处反射光（等于高折射率区域和低折射率区域之间光学间距的两倍），并透射所有其他波长。

可调谐布拉格光栅

布拉格光纤光栅可以粘合到压电元件上。通过在元件上施加电压，元件会伸展，从而使光栅伸展，布拉格波长移向更长的波长。目前的器件可以在 150V 的输入电压下提供 2nm 的调谐范围。

阵列波导光栅

阵列波导光栅 (AWG) 也基于衍射原理。AWG 器件，有时称为光波导路由器或波导光栅路由器，由一系列弯曲的通道波导组成，相邻通道之间的路径长度存在固定差值。波导连接到输入和输出处的腔体。

光复用器

当光进入输入腔体时，它会发生衍射并进入波导阵列。因此，每个波导的光程差会在输出腔体中引入相位延迟，在那里耦合一系列光纤。该过程导致不同的波长在不同的位置产生最大干涉，对应于输出端口。

多层干涉滤光片

另一种技术在称为薄膜滤光片或多层干涉滤光片的器件中使用干涉滤光片。通过将由薄膜组成的滤光片放置在光路中，可以进行波长解复用。每个滤光片的特性使其透射一个波长，同时反射其他波长。通过级联这些器件，可以解复用许多波长。

滤光片具有良好的稳定性和通道之间的隔离度，成本适中，但插入损耗较高（AWG 具有平坦的光谱响应和低插入损耗）。滤光片的主要缺点是它们对温度敏感，可能无法在所有环境中实际使用。但是，它们的最大优点是可以设计成同时执行复用和解复用操作。

OM 的耦合类型

耦合 OM 是一种表面交互式器件，将两根或多根光纤焊接在一起。通常，它用于 OM，其工作原理如下图所示。

耦合 OM 只能以低制造成本执行复用功能。其缺点是插入损耗高。目前，ZTWE 的 DWDM 设备中使用的 OM 采用耦合 OM。OD 采用 AWG 组件。

放大器（光放大器）

由于衰减，光纤段能够在信号完整性保持的情况下传播信号的距离是有限的，在信号需要再生之前。在光放大器 (OA) 出现之前，必须为每个传输的信号配备一个中继器。OA 使得能够同时放大所有波长，而无需进行光电光 (OEO) 转换。除了用于光链路（作为中继器）外，光放大器还可用于在复用之后或解复用之前增强信号功率。

光放大器的类型

在每条光路上，光放大器都以单工模式用作中继器。一根光纤用于发送路径，另一根光纤用于返回路径。最新的光放大器将能够同时双向工作。我们甚至可以在两个方向上使用相同的波长，前提是采用两种不同的比特率。因此，一根光纤可以用于双工操作。

光放大器还必须具有足够的带宽才能通过一系列在不同波长上运行的信号。例如，光谱带宽为 40nm 的 SLA 可以处理大约十个光信号。

在 565 mb/s 系统中，对于 500 公里的光链路，需要五个 SLA 光放大器，间隔 83 公里。每个放大器提供大约 12 dB 的增益，但也给系统引入噪声（误码率为 10-9）。

SLA 放大器具有以下缺点：

• 对温度变化敏感
• 对电源电压变化敏感
• 对机械振动敏感
• 不可靠
• 易于产生串扰

掺铒光纤放大器 (EDFA)

在 DWDM 系统中，使用 EDFA。铒是一种稀土元素，当被激发时，会在 1.54 微米左右发出光，这是 DWDM 中使用的光纤的低损耗波长。一个弱信号进入掺铒光纤，使用泵浦激光将 980nm 或 1480nm 的光注入其中。

注入的光激发铒原子释放其存储的能量作为额外的 1550nm 光。信号增强。EDFA 中的自发辐射也会增加 EDFA 的噪声系数。EDFA 的典型带宽为 100nm，需要在光路沿线每隔 80-120 公里设置一个。

EDFA 还受到称为四波混频的影响，这是由于相邻通道之间的非线性相互作用引起的。因此，增加放大器功率以增加中继器之间的距离会导致更多的串扰。

拉曼放大器

如前所述，SLA 和 EDFA 放大器在 WDM 中的应用受到限制，现代 WDM 系统正转向拉曼放大，其带宽约为 300nm。在这里，泵浦激光位于光纤的接收端。串扰和噪声大大降低。但是，拉曼放大需要使用高功率泵浦激光。

光纤中的色散实际上有助于最小化“四波混频”效应。不幸的是，早期的光链路经常使用零色散光纤，以努力最大程度地减少长距离的色散，当这些相同的纤维升级为承载 WDM 信号时，它们并不是宽带光信号的理想介质。

正在开发用于 WDM 的特殊单模光纤。这些光纤具有正色散光纤和负色散光纤交替的段，因此，总色散加起来为零。但是，各个段提供色散以防止四波混频。

线路放大器

它是一个两级 EDFA 放大器，由前置放大器 (PA) 和放大器 (BA) 组成。如果没有这两个阶段，就不可能将信号放大到 33 dB（根据 EDFA 原理，以避免自发发射产生的噪声）。线路放大器 (LA) 分别补偿长途和超长途系统的 22 dB 或 33 dB 的线路损耗。它完全是一个光学级器件。

线路 (OFC) 介质

这是 DWDM 信号传输的光纤介质。衰减和色散是决定传输距离、比特率容量等的主要限制因素。通常，将 22dB 和 33dB 分别作为长途和超长途系统的跳跃长度线路损耗。

超长途线路波长可以在没有中继器 (LA) 的情况下达到 120 公里。但是，通过级联多个中继器，长度可以达到 600 公里，使用色散补偿模块可以进一步增加到 1200 公里。超过这样的距离，需要在电气级进行再生，而不是仅在光学级进行中继。

前置放大器 (PA)

此放大器单独用于终端，用于连接解复用器和线路，以接收来自远端站点的信号。因此，衰减的线路信号在进入解复用器单元之前被放大到 +3 dBm 到 10 dBm 的水平。

光监视通道

OSC 执行在单独波长（根据 ITU-T 建议 G-692 为 1480nm）上传输附加数据（2mbps：EOW、用户特定数据等通过接口）的功能，其光学电平较低，没有任何光学安全措施，并伴随且独立于主 STM-n 光通信信号。用于选择性和总线信道的 EOW（0.3 到 3.4 KHz）为 8 位 PCM 代码的 64 kbps。

光监视通道 (OSC) 有助于控制和监视光线路设备以及使用 LCT 实现故障定位、配置、性能和安全管理。

光网络 - 设备

在本章中，我们将讨论光器件的各种组件。

隔离器

隔离器是一种非互易器件，允许光沿一个方向通过光纤，并在相反方向提供非常高的衰减。光系统需要隔离器来防止不希望的反射回光纤并扰乱激光的运行（产生噪声）。在制造隔离器时，使用法拉第效应，它是偏振相关的。

隔离器由光偏振器、分析器和法拉第旋转器构成。光信号通过与入射偏振态平行的偏振器。法拉第旋转器将光信号的偏振旋转 45 度。

然后，信号通过分析器，该分析器相对于输入偏振器以 45 度角定向。隔离器使光信号从左到右通过，并将其偏振改变 45 度，并产生约 2 dB 的损耗。

环行器

环行器是微光学器件，可以与任意数量的端口一起使用，但是，通常使用 3 端口/4 端口环行器。它具有相对较低的端口到端口损耗，为 0.5 dB 到 1.5 dB。

上图显示了环行器的基本功能。进入任何特定端口（例如端口 1）的光沿着环行器传播并在下一个端口（例如端口 2）处退出。进入端口 2 的光从端口 3 离开，依此类推。该器件围绕圆形对称运行。环行器是微光学器件，可以制造任意数量的端口。但是，3 端口和 4 端口环行器非常常见。环行器的损耗非常低。典型的端口到端口损耗约为 0.5 到 1.5 db。

分束器和耦合器

耦合器和分束器用于组合光信号和/或分光信号。绝大多数单模光耦合器采用谐振耦合原理。两个 SM 光纤纤芯平行放置并彼此靠近。光功率通过电磁波感应从一个纤芯传输到另一个纤芯，然后再返回。功率耦合取决于耦合段的长度。

三个重要特性是：

• 回波损耗 - 反射和损失的功率量。

• 插入损耗 - 信号在通过器件的总传输过程中损失的量。

• 过量损耗 - 器件除理论损耗外的额外损耗。

耦合器的类型

• Y 型耦合器
• 星型耦合器
  • 熔接光纤
  • 混合板
  • 平面（自由空间）
  • 3 dB耦合器
• 分束器

滤波器

滤波器用于从多个信号中选择透射路径和接收器中的信号。光栅是滤波器。开关、调制器、AWG、复用器等都被认为是滤波器的类型。

以下是滤波器的类型：

• 法布里-珀罗
• 可调谐滤波器
• 光纤布拉格光栅滤波器

滤波器用于LED前面，以在传输前缩小线宽。滤波器在WDM网络中非常有用，因为：

• 放置在非相干接收器前面的滤波器可用于从多个到达的信号中选择特定信号。

• 提出的WDM网络使用滤波器来控制信号将通过网络的哪条路径。

光纤布拉格光栅是通信领域中最重要的光学滤波器。

调制器

调制器由一种材料组成，该材料在电场或磁场的影响下会改变其光学特性。一般来说，使用三种方法：

• 电光和磁光效应
• 电吸收效应
• 声光调制器

由于机械振动，材料的折射率发生变化。声光调制器使用非常高频的声音。通过控制声音的强度，我们可以控制偏转的光量，从而构建调制器。

以下是一些优点：

• 它们可以处理相当高的功率。

• 折射的光量与声波的强度成线性正比。

• 它们可以同时调制不同的波长。

光ADM

光学滤波器用于从到达光纤上的多个波长中隔离或去除所需的波长。一旦波长被去除，另一个使用相同波长的信道就可以添加到光纤上，因为它离开OADM。

一个简单的ADM只有4个输入和输出信道，每个信道有4个波长。在OADM中，波长可能会被放大、均衡或进一步处理。OADM使用光交叉连接将波长从输入光纤排列到输出光纤。

光交叉连接

光交叉连接可以接收4根输入光纤，每根光纤承载4个波长，并将16个波长重新排列到4根输出光纤上。OXC内部的一个简单的转发器会将其中一个波长切换到可用的信道。

单跳和多跳网络

电信流量继续以非常快的速度增长。这加速了数据和移动流量的增长，特别是在印度，由于最近电信市场的开放。可以采用一种解决方案来满足不断增长的流量需求，该解决方案基于WDM、SDH和IP传输技术的组合。

波分复用用于在单根光纤上复用多个波长信道，从而克服光纤拥塞。SDH技术提供了客户今天所需的容量粒度，并提供了保护这些服务免受网络中断的可能性。基于IP的WDM传输网络可以为互联网服务提供商（ISP）提供高容量的互联网中转服务。

同步数字体系

同步数字体系（SDH）网络取代了PDH，并具有若干关键优势。

• G.707、G.708和G.709 ITU建议为全球网络提供了基础。

• 网络受益于流量弹性，以最大程度地减少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实现更快的比特率。

欧洲PDH网络无法与美国网络接口，SDH网络可以承载这两种类型的网络。上图显示了不同的PDH网络如何比较以及哪些信号可以跨SDH网络传输。

SDH - 网络拓扑

线路系统是PDH网络拓扑的系统。流量仅在网络的端点添加和删除。终端节点用于网络的末端以添加和删除流量。

线路系统

在任何SDH网络中，都可以使用称为**再生器**的节点。此节点接收高阶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，在这些距离上，接收到的功率太低而无法承载流量。

环形系统

环形系统由多个加/减复用器（ADM）组成，这些复用器以环形配置连接。可以在环路中的任何ADM处访问流量，并且还可以将流量删除到多个节点以进行广播。环形网络具有提供流量弹性的优点，如果光纤断裂，流量不会丢失。网络弹性将在后续章节中详细讨论。

SDH网络同步

虽然PDH网络没有集中同步，但SDH网络是同步的（因此，名称为同步数字体系）。运营商网络的某个地方将是主要参考源。此源通过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用源。定义了各种质量级别，节点将切换到它可以找到的下一个最佳质量源。在节点使用传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。如果节点切换到自己的内部时钟源，则应尽快解决此问题，因为节点可能会随着时间的推移开始生成错误。

网络的同步策略必须仔细计划。如果网络中的所有节点都尝试从同一侧的邻居进行同步，则会出现称为**定时环路**的效果，如上图所示。由于每个节点都尝试相互同步，因此此网络将很快开始生成错误。

SDH层次结构

下图显示了有效载荷是如何构建的，它并不像乍一看那样可怕。

光网络 - 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，占据频谱的非重叠部分。在WDM的情况下，使用的频谱带在1300 nm或1550 nm区域，这两个波长窗口是光纤信号损耗非常低的地方。

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组件的进步，人们很快意识到，每个传输窗口实际上都可以被多个光信号使用，每个信号占据总波长窗口的一小部分。

实际上，复用在一个窗口内的光信号数量仅受这些组件精度的限制。凭借当前的技术，可以将超过100个光信道复用到一根光纤中。然后该技术被称为密集波分复用（DWDM）。

长途WDM

1995年，美国的长途运营商开始部署点对点WDM传输系统，以提高其网络的容量，同时利用其现有的光纤基础设施。从那时起，WDM也席卷了长途市场。WDM技术可以应对不断增长的容量需求，同时推迟光纤的耗尽并提高容量升级的灵活性。

然而，最主要的驱动因素是与竞争解决方案（如空间分复用（SDM）或增强型时分复用（TDM））相比，WDM解决方案的成本优势，以升级网络容量。“开放式”WDM解决方案（在下图中说明）利用了WDM终端复用器（TM）中的转发器以及多个波长信道共享的内联光放大器。

转发器本质上是一个3R光电光（O/E/O）转换器，它将符合G.957标准的光信号转换为适当的波长信道（反之亦然），同时在电气上重新供电、重塑和重新定时信号。SDM解决方案并行使用多对光纤，每对光纤都配备了SDH再生器，而不是多个波长共享相同的内联光放大器。升级到更高的TDM速率（例如，从2.5 Gb/s STM-16到10 Gb/s STM-64）只是一个短期解决方案，因为色散等传输损伤不会随着TDM速率的提高而很好地扩展，尤其是在标准单模光纤上。

一项案例研究表明，即使对于低至三个STM-16信道，长途点对点WDM系统也显然比SDM更具成本效益。上图说明了传输网络初始核心（包含5000光纤公里，两个接入城市之间的平均距离为300公里）的两个链路成本比较。请注意，上图中100%的成本参考点对应于部署一个STM-16信道的成本，包括光纤成本。从上图可以得出两个结论。

如以下图所示，如果仅考虑传输和再生设备成本（即SDM情况下的SDH再生器以及WDM情况下的带转发器的WDM TM和内联光放大器），则使用WDM技术的初始链路成本是SDH的两倍多。但是，由于共享使用内联光放大器，因此对于在网络中部署三个或更多信道，WDM解决方案更具成本效益。

如以下图所示，如果除了上述考虑之外，还考虑了光纤成本，则WDM情况的成本优势变得更加明显，并且随着信道数量的增加而放大。对于在网络中部署三个或更多信道，WDM解决方案更具成本效益。

短途WDM

由于短途网络的距离有限，因此不需要再生器，并且光学损伤的影响较小，因此WDM的优势不如SDM或增强型TDM解决方案明显。但是，光纤耗尽和低成本光学组件现在正在推动WDM进入城域网。

短途应用与同一城市内多个接入点（POP）的互连有关。让我们考虑一个示例。下图显示了传输网络在每个城市至少有两个POP，客户可以在其中互连。使用双节点互连技术（例如下接和继续），客户网络可以通过两个不同的POP与传输网络互连。

这导致了一个非常安全的架构，即使在POP发生故障的情况下，也不会对流量产生任何影响。因此，城市中两个POP之间的流量不仅包括通过该城市传输的流量，还包括在该城市终止并使用下接和继续进行保护的流量。这些增加的城市内部容量需求导致在传输网络的短途部分部署了WDM。

WDM 比 SDM 更受欢迎的主要原因是，城市中的光纤必须从第三方租赁，或者必须建设光纤网络。租赁或建设城市光纤不仅是一个昂贵的过程，而且也是一种不太灵活的容量升级方法。在流量分布和流量规模快速变化的动态环境中，很难提前预测需要租赁或建设的光纤数量。因此，使用 WDM 技术具有明显的灵活性优势，因为波长通道可以在很短的时间内激活。

虽然世界上有一些特定的短距离 WDM 系统，但对于其长距离网络来说，使用相同类型的 WDM 系统是有利的。虽然短距离 WDM 系统比其长距离对应系统更便宜，并且由于其低成本的光学组件可以被使用，但它们会导致异构网络，由于多种原因，这并不是首选。首先，使用两种不同的系统会导致运营和管理成本增加。例如，异构网络需要比同构网络更多的备用设备部件。其次，两个不同系统之间的互操作可能会带来问题。例如，可能会出现瓶颈，因为短距离 WDM 系统通常支持的波长数量少于长距离 WDM 系统。

光传输网络架构

光传输网络 (OTN)，如下图所示，代表了传输网络演进的自然下一步。从高级架构的角度来看，人们不会期望 OTN 架构与 SDH 架构有很大差异。然而，SDH 涉及数字网络工程，而 OTN 涉及模拟网络工程，这一事实导致了一些重要的，即使是细微的差异。探索这些差异使我们能够理解 OTN 的哪些方面可能与其 SDH 对应部分不同。

不断发展的 WDM OTN 架构（包括网络拓扑和生存能力方案）将与 SDH TDM 网络的架构非常相似，甚至可以镜像。然而，这应该令人惊讶，因为 SDH 和 OTN 都是面向连接的多路复用网络。主要区别在于复用技术的形式：SDH 的数字 TDM 与 OTN 的模拟 WDM。

数字与模拟的区别对 OTN 网络和系统设计的许多方面的基本成本/性能权衡产生了深远的影响。特别是，与模拟网络工程相关的复杂性和维护影响构成了与 OTN 相关的大多数挑战。

为了满足对容量增长的短期需求，WDM 点对点线路系统将继续大规模部署。随着波长数量和终端之间距离的增加，在中间站点添加和/或删除波长的需求也越来越大。因此，灵活的可重构光 ADM (OADM) 将成为 WDM 网络不可或缺的组成部分。

随着越来越多的波长在运营商网络中部署，将越来越需要在光通道级别管理网络之间的容量和切换信号。与 DXC 在电层管理容量的方式大致相同，光交叉连接 (OXC) 将在光层管理容量。

最初，对光层带宽管理的需求在核心传输网络环境中将最为迫切。在这里，基于逻辑网状的连接将通过物理拓扑得到支持，包括基于 OADM 的共享保护环和基于 OXC 的网状恢复架构。选择将取决于服务提供商所需的带宽“过度构建”程度和生存能力时间尺度要求。

随着类似的带宽管理需求出现在城域网互连办公室和接入环境中，基于 OADM 环的解决方案也将针对这些应用进行优化：用于网状需求的光共享保护环，以及用于集中式需求的光专用保护环。因此，正如 OA 是 WDM 点对点线路系统出现的技术推动者一样，OADM 和 OXC 将成为 OTN 出现的推动者。

随着光网络元件承担传统上由 SDH 设备提供的传输层功能，光传输层将成为能够支持传统和融合分组核心网络信号格式的统一传输层。当然，服务提供商向 OTN 的迁移将取决于“类似 SDH”的传输层功能向光层的转移，以及为新兴的光传输层开发维护理念和相关的网络维护功能。

生存能力是光网络作为统一传输基础设施的作用的核心。与许多其他架构方面一样，光网络生存能力将在很大程度上与 SDH 生存能力相似，因为网络拓扑和网络元素类型非常相似。在光层内，生存能力机制将继续提供从光纤断裂和其他物理介质故障中恢复的最快可能速度，并提供高效灵活的保护容量管理。

OTN 在概念上类似于 SDH，因为定义了反映客户机-服务器关系的子层。由于 OTN 和 SDH 都是面向连接的多路复用网络，因此它们的恢复和保护方案非常相似并不奇怪。细微但重要的区别值得重复：TDM 网络基于数字时隙操作，而 OTN/WDM 网络基于模拟频率时隙或光通道（波长）操作。因此，虽然我们可能期望两种技术都能实现类似的保护和恢复架构，但可能需要在任何特定生存能力方案中考虑的网络故障类型可能大不相同。

光层生存能力

电信网络需要为其客户提供可靠的不间断服务。整体可用性要求约为 99.999% 或更高，这意味着网络平均每年不能停机超过 6 分钟。因此，网络生存能力是影响这些网络设计和运营的主要因素。需要设计网络以处理链路或光纤断裂以及设备故障。

网络可以被视为由许多相互操作的层组成，如上图所示。不同的运营商选择不同的方式来实现他们的网络，使用不同的分层策略组合。现有的运营商利用其大量的 SDH 设备安装基础和数字交叉连接广泛的整理和监控功能。

相比之下，提供基于互联网协议 (IP) 的服务的运营商寻求使用 IP 作为基本传输层，而无需使用 SDH，从而拥有简化的网络基础设施。根据服务质量 (QOS)（和多样性）来区分自己的运营商可以使用 ATM 作为其传输技术。在这些层之下是新兴的光 WDM 层，或光层。

光层为较高的层提供光路径，这些层可以被视为利用光层提供的服务的客户端层。光路径是电路交换管道，以相当高的比特率（例如，2.5 Gb/s 或 10 Gb/s）传输流量。这些光路径通常被设置为互连客户端层设备，例如 SDH ADM、IP 路由器或 ATM 交换机。一旦设置好，它们就会随着时间的推移保持相对静态。

光层由光线路终端 (OLT)、光 ADM (OADM) 和光交叉连接 (OXC) 组成，如下图所示。OLT 将多个通道复用到单个光纤或光纤对中。OADM 从聚合 WDM 流中删除和添加少量通道。OXC 在高流量节点位置切换和管理大量通道。

我们从服务的角度来看光层保护，从光层需要为上层提供的服务类型方面来看。然后，我们根据必须支持的服务组合，比较不同光层保护方案在成本和带宽效率方面的差异。这有点不同，它倾向于将光层保护视为类似于 SDH 层保护。

为什么需要光层保护？

上图所示的 IP、ATM 和 SDH 层都包含保护和恢复技术。虽然这些层都设计为与其他层一起工作，但它们也可以直接在光纤上运行，因此不依赖于其他层来处理保护和恢复功能。因此，这些层中的每一层都包含其自己的保护和恢复功能。因此，问题就出现了，为什么我们需要光层提供自己的一套保护和恢复机制。以下是其中一些原因 -

• 光层之上的一些层可能无法完全提供网络所需的所有保护功能。例如，SDH 层旨在提供全面的保护，因此不会依赖于光层保护。但是，其他层（IP 或 ATM）中的保护技术本身可能不足以在出现故障时提供足够的网络可用性。

  目前有很多建议直接在光层上运行 IP 层，而无需使用 SDH 层。虽然 IP 在路由级别包含容错功能，但这种机制很麻烦，并且速度不够快，无法提供足够的 QOS。在这种情况下，光层提供快速保护以满足传输层整体可用性要求变得很重要。

• 大多数运营商在传统设备上投入了巨额资金，这些设备根本不提供保护机制，但不能忽视。在这些设备和原始光纤之间无缝引入光层，可以以较低的成本升级长光纤链路的网络基础设施，并提高生存能力。

• 光层保护和恢复可用于在网络中提供额外的弹性级别。例如，许多传输网络被设计为一次处理单个故障，而不是多个故障。光恢复可用于提供针对多重故障的弹性。

• 光层保护在处理某些类型的故障（例如光纤断裂）方面可以更有效。一根光纤承载着多个波长的流量（例如，16-32个SDH流）。因此，光纤断裂会导致这16-32个SDH流都由SDH层独立恢复。网络管理系统会被每个独立实体产生的大量告警淹没。如果光层能够足够快地恢复光纤断裂，则可以避免这种运营效率低下。

• 利用光层保护和恢复可以获得可观的成本节约。

光层保护的限制

以下是光层保护的一些限制。

• 它无法处理网络中的所有类型的故障。例如，它无法处理IP路由器或连接到光网络的SDH ADM中的激光器故障。此类故障必须分别由IP层或SDH层处理。

• 它可能无法检测网络中的所有类型的故障。光层提供的路径可能是透明的，因此它们可以以各种比特率承载数据。在这种情况下，光层实际上可能不知道这些路径上到底承载了什么。因此，它无法监控流量以感知降级（例如比特错误率增加），而这些降级通常会触发保护切换。

• 光层以光路径为单位保护流量。它无法对光路径上承载的不同部分的流量提供不同级别的保护（部分流量可能是高优先级，另一部分是低优先级）。此功能必须由处理更细粒度流量的更高层执行。

• 可能存在限制光层保护能力的链路预算约束。例如，保护路径的长度或保护流量经过的节点数量可能会受到限制。

• 如果整个网络设计不当，当光层和客户层都试图同时保护流量免受故障影响时，可能会出现竞争条件。

• 该技术和保护技术尚未经过现场测试，因此，这些新的保护机制的全面部署还需要几年时间。

受保护实体的定义

在详细介绍保护技术以及它们之间的权衡之前，最好定义光层和客户层保护的实体。这些实体如下图所示。

客户设备端口

客户设备上的端口可能会发生故障。在这种情况下，光层本身无法保护客户层。

客户设备与光设备之间的站内连接

站点内部的电缆可能会断开连接，主要是由于人为错误。这被认为是一个相对可能发生的事件。同样，仅靠客户层和光层保护才能完全防止此类事件发生。

转发器卡

转发器是客户设备和光层之间的接口卡。这些卡使用光电光转换将来自客户设备的信号转换为适合在光网络内部使用的波长。因此，此卡的故障率不能忽略不计。考虑到系统中此类卡的数量众多（每个波长一个），因此需要对其进行专门的保护支持。

外部设施

站点之间光纤设施被认为是系统中最不可靠的组件。光纤断裂相当普遍。此类别还包括沿光纤部署的光放大器。

整个节点

整个节点可能会因维护人员的错误（例如，跳闸电源断路器）或整个站点故障而发生故障。站点故障相对罕见，通常是由于火灾、洪水或地震等自然灾害造成的。节点故障对网络有重大影响，因此，尽管其发生的概率相对较低，但仍然需要对其进行保护。

保护与恢复

保护被定义为处理故障的主要机制。它需要非常快（通常在SDH网络发生故障时，流量中断不应超过60毫秒）。因此，通常需要预先计划保护路径，以便能够快速将流量从正常路径切换到保护路径。

由于速度要求，此功能通常由网络元素以分布式方式执行，而无需依靠集中式管理实体来协调保护操作。除了最近（尚未得到证实）的快速网状保护方案外，保护技术往往相当简单，并在线性或环形拓扑中实现。它们最终都在网络中使用了100%的访问带宽。

相反，恢复不是处理故障的主要机制。在保护功能完成后，恢复用于在修复第一个故障之前提供高效的路由或针对进一步故障的额外弹性。因此，它可以承受相当慢的速度（有时为几秒到几分钟）。

恢复路径无需预先计划，并且可以由集中式管理系统动态计算，而无需分布式控制功能。可以使用更复杂的算法来减少所需的冗余带宽，并且可以支持更复杂的网状拓扑。

光层内的子层

光层由几个子层组成。可以在这些不同的层上执行保护和恢复。我们可以有保护单个光路径或光通道的方案。这些方案处理光纤断裂以及终端设备（例如激光器或接收器）的故障。

我们可以有在聚合信号级别工作的方案，这对应于光复用段（OMS）层。这些方案不区分复用在一起的不同光路径，并通过将它们作为一个组切换来同时恢复所有光路径。

术语路径层保护用于表示在单个通道或光路径上运行的方案，而线路层保护用于表示在光复用段层上运行的方案。有关路径和线路层方案属性的比较，请参阅表1；有关不同的路径和线路方案，请参阅表2和表3。

表1：线路保护和路径保护的比较

表2：线路层方案的比较

表3：路径层方案的比较

物理网络拓扑可以是任何网状拓扑，在客户设备节点之间传递光路径。从客户设备的角度来看，虚拟拓扑受客户层限制（例如，SDH的环形）。2物理拓扑是任何网状拓扑，而光路径的虚拟拓扑是环形。

例如，考虑以下图中所示的两种保护方案。这两种方案都可以认为是1+1保护方案，即都在发送端将信号分成两路，并在接收端选择较好的副本。图(a)描绘了1+1线路层保护，其中整个WDM信号的分割和选择都是一起进行的。图(b)描绘了1+1路径层保护，其中每个光路径的分割和选择是分别进行的。

线路层与路径层保护

这两种方法在成本和复杂性方面存在重要差异。线路保护需要一个额外的分路器和一个切换到不受保护系统的开关。但是，路径保护每个通道需要一个分路器和一个开关。更重要的是，如果要保护所有通道，则路径保护通常需要两倍于线路保护的转发器和两倍于复用/解复用资源。因此，如果所有通道都需要保护，则路径保护的成本几乎是线路保护的两倍。但是，如果并非所有通道都需要保护，情况就会发生变化。

基本保护方案

表1、2和3中提供了各种保护方案的比较。光层保护方案的分类方式与SDH保护方案类似，可以在客户层、路径层或线路层实现。

客户保护

一个简单的选项是让客户层负责自己的保护，而光层不执行任何保护。对于SDH客户层来说，这可能是常见的情况。虽然从光层的角度来看这很简单，但通过执行光层保护可以获得显著的成本效益和带宽节省。虽然客户保护方法可以支持点到点、环形或网状客户网络，但需要注意的是，从光网络的角度来看，所有这些都转化为光网状支持，因为即使是点到点的客户链路也可以跨越整个光网状网络。

在客户层保护中，工作和保护客户路径通过光层完全多样化路由，因此不存在单点故障。此外，工作和保护客户路径不应映射到同一WDM链路上的不同波长。如果WDM链路发生故障，两条路径都将丢失。

路径层方案

1+1路径保护

此方案需要网络中的两个波长，以及每个端点的两组转发器。当应用于环形网络时，此保护也称为光单向路径交换环（OUPSR）或OCh专用保护环（OCh/DP环）。

实现说明 - 桥接通常通过光耦合器完成，而选择则通过1x2光开关完成。接收端可以在不与源端协调的情况下决定切换到备用路径。

双向路径交换环

此方案松散地基于SDH 4纤双向线路交换环（BLSR），并依赖于环路周围共享的保护带宽。当工作光路径发生故障时，节点协调并尝试通过同一方向环路中的指定保护带宽发送流量（以克服转发器故障）。这是一个段交换。如果此操作失败，则节点将流量环路绕到环路的备用路径，一直到故障的另一端。此操作是环路交换。

此方案允许非重叠的光路径共享相同的保护带宽，只要它们不会同时发生故障。此方案也称为OCh共享保护环（OCh/SPRing）。

实现说明 - 此方案可以在OXC中实现，或者通过OADM中的更小交换机实现。每个保护通道都需要交换机。它类似于SDH BLSR标准。

网状路径保护

此方案允许全局网状保护，并为每个发生故障的光路径分别快速切换（少于100毫秒）到备用路径，该路径由多个光路径共享，每个光路径可能采用不同的路由。发生故障时，会通知所有相关节点设置备用路径。

实现说明 - 这些方案正在OXC中实现。由于时间限制，预定义的备份路径存储在网络节点中，并根据故障类型激活。

网状路径恢复

与网状路径保护不同，此方案没有严格的时间限制。该设备使用其拓扑计算备用路由，并将新的设置信息传播到节点，这些节点设置这些路由。节点不需要维护任何网络信息。

实现说明 - 此方案的集中式特性确保了更优化的保护路由，并降低了实施和维护复杂性。

1:N设备保护

典型WDM终端中最复杂（因此也最容易发生故障）的模块之一是转发器。1:N保护指定一个备用转发器，以在正常转发器发生故障时接管。

实现说明 - 此方案通常基于指定的保护波长。发生故障时，两端必须使用快速信令协议进行切换，这与SDH中的APS不同。

线路层方案

1+1线性保护

此方案基于将整个WDM信号批量桥接到一对多样化路由的设施上。这些设施的接收端然后选择接收这两个信号中的哪一个。

1:1线性保护

此方案需要类似于前一个（即1+1线性）的配置，但是，信号切换到工作路径或保护路径，而不是两者。虽然这增加了协调负担，但它允许在备份路径上运行低优先级流量（直到需要保护工作路径）。它还由于整个信号能量被引导到一条路径而不是两条路径，因此导致更低的的光功率损耗。

实现说明 - 切换通常使用光1×2开关完成。协调通过快速信令协议实现。

光单向线路交换环（OULSR）

此方案类似于OUPSR方案，只是信号的桥接和选择是针对聚合的WDM信号完成的。这允许更优化的设计、更低的成本和完全不同的实现。

实现说明 - 此方案的实现基于无源耦合器，将光环路引入广播介质。此方案不是使用OADM，而是基于简单的OLT，每个OLT都耦合到顺时针和逆时针环路中，因此每个波长都在两根光纤上发送和接收。在正常情况下，链路被人工断开，形成线性总线，当光纤断开链路重新连接时。

双向线路交换环

此方案在协议方面和使用的保护操作（段和环路切换）方面都类似于OBPSR方案。与所有线路层方案一样，聚合的WDM信号被批量切换到专用的保护光纤（需要四根光纤），或切换到单根光纤内的不同WDM频段（仅允许两根光纤，但需要两级光MUX方案）。此方案也称为OMS共享保护环（OMS/SPRing）。

实现说明 - 由于备份路由在整个环路中光学循环，因此备份路径上可能需要光线路放大器来补偿损耗。环路的周长也受其他光学损伤的限制。因此，此选项最适合于城域应用。

网状线路保护/恢复

此方案基于全光交叉连接，将WDM信号从故障设施转移到备用路由，然后返回到故障设施的另一端。

实现说明 - 与OBLSR类似，此方案受到备用路由上可能产生的光学损伤的限制，需要谨慎的光学设计。

保护方案选择考虑因素

运营商可以选择用于网络中的保护方案的标准。下图显示了用于此目的的简化决策图，假设需要设备和线路保护。

保护成本

从运营商的角度来看，另一个标准是系统的成本，至少有两个方面：

• 设备成本
• 带宽效率

这两者都取决于流量的服务组合，即光层需要保护的流量的比例。

下图显示了路径层方案和等效线路层方案的设备成本作为流量组合的函数。如果所有流量都需要保护，则路径层方案所需的设备大约是线路层方案的两倍，因为共享的通用设备较少。

但是，路径层保护的成本与需要保护的信道数量成正比，因为每个信道都需要相关的MUX/DEMUX和终端设备。因此，如果需要保护的信道较少，则路径层保护的成本就会下降。在不需要保护任何信道的情况下，路径层方案的成本将与线路层方案大致相同，假设没有部署额外的通用设备。

从带宽效率的角度来看，情况有所不同，如下图所示。在线路保护系统中，保护带宽被需要保护的光路径以及不需要保护的光路径消耗。在路径保护系统中，不需要保护的光路径可以使用带宽，允许其他未受保护的光路径使用原本浪费在不需要的保护上的带宽。

由此可见，如果很大一部分光路径可以保持不受保护，则路径层保护可以通过在相同网络上支持比线路层保护更多的工作流量来收回成本。

光网络 - ROADM

传统的光网络部署SDH/SONET技术来传输数据跨越光网络。这些网络相对容易规划和设计。新的网络元素可以轻松地添加到网络中。静态WDM网络可能需要较少的设备投资，尤其是在城域网络中。但是，这些网络的规划和维护可能是一场噩梦，因为工程规则和可扩展性通常非常复杂。

带宽和波长必须预先分配。由于波长被捆绑成组，并且并非所有组都在每个节点终止，因此在某些站点可能无法访问特定的波长。网络扩展可能需要新的光电光再生和放大器，或者至少需要调整现有站点的功率。操作静态WDM网络需要大量人力。

网络和带宽规划应该像过去SDH/SONET网络一样简单。例如，在给定的环路带宽内，每个节点都可以根据需要提供尽可能多的带宽，例如STM-16或OC-48。

每个ADM都可以访问整个带宽。网络扩展，例如在现有环路中引入新节点，相对容易，不需要访问现有节点的任何现场。左侧的网络图说明了这一点：数字交叉连接系统连接到多个光SDH/SONET环路。

可重构光网络的行为有所不同：带宽可以按需规划，并且范围得到优化，因为现在每个WDM信道都管理光功率。可扩展性显著提高。

支持这种可重构光网络的关键要素是可重构光加/减复用器（ROADM）。它可以通过软件单击即可将光波长重定向到客户端接口。其他流量不受此影响。所有这些都无需对相关站点进行任何现场维护来安装滤波器或其他设备。

使用ROADM的可重构WDM网络

静态WDM工程规则和可扩展性可能非常复杂（每个节点都有OADM）。

• 带宽和波长预分配
• 固定滤波器结构的裕量分配

• 电源管理不足
• 网络扩展需要光电光 (OEO) 再生

SDH/SONET 网络易于规划。

• 每个 ADM 都可以访问整个带宽
• 简单的工程规则（仅限单跳）
• 轻松添加新的网络元素

可重构的光层能够实现以下功能。

• 按需带宽规划
• 由于每个 WDM 通道的电源管理，扩展了透明覆盖范围
• 无中断可扩展性

静态光子层由独立的光环组成。考虑位于这些环中的多个 DWDM 系统。通常，信息或数据只是保留在同一个环上，因此没有问题。但是，如果数据需要移交给另一个光环会发生什么情况？

在静态系统中，每当需要在环之间进行转换时，都需要大量转发器。实际上，每个从一个环传递到另一个环的波长都需要两个转发器：一个在网络的每一侧。考虑到带宽和通道的分配，这种方法会产生高成本和大量初始规划。

现在让我们想象一个动态可重构的光子层。这里，只有一个 DWDM 系统形成两个光环之间的接口。因此，基于转发器的再生消失了，DWDM 系统的数量也减少了。整个网络设计得到简化，波长现在可以从一个环传递到另一个环，而不会遇到任何进一步的障碍。

任何波长都可以传播到任何环和任何端口。这种完全灵活和可扩展的网络设计的关键，从核心到接入区域的光直通，是 ROADM 和 GMPLS 控制平面。

通过 ROADM 简化

ROADM 简化了网络以及服务提供商或运营商的流程。这种交互总结了其中一些简化。毕竟，我们需要牢记所有这些优势都会减少时间、精力和成本。但更重要的是，它们还会提高客户满意度，进而提高客户忠诚度。

使用 ROADM 可以极大地简化网络规划。只需考虑仓库中需要存放的转发器数量显著减少。

安装和调试——例如，在为网络设置新波长时——所需的精力明显减少，并且复杂程度大大降低。服务技术人员只需要访问相应的端点站点即可安装转发器和 ROADM。以前使用的固定光添加/删除复用器 (FOADM) 需要访问每个中间站点，以便进行安装工作和补丁。

当部署动态光网络时，操作和维护得到了极大的简化。光学诊断可以在几分钟内完成，而不是像以前一样需要几个小时。可以检测到损伤并动态清除，而不是触发到外部站点的卡车行程。

随着可调谐激光器和无色 ROADM 的部署，光纤网络的维护更加容易。使用这些功能，服务供应现在比以往任何时候都更容易。与安装和调试工作一样，执行网络维护和任何潜在的升级也变得更加容易。

ROADM 架构

前面几节介绍了 ROADM 为网络设计和运营带来的许多优势。这里再举几个——

• 每个通道的功率监控和均衡，以均衡整个 DWDM 信号
• 从远程网络运营中心完全控制流量

但是，有一个问题到目前为止还没有得到解答：ROADM 是如何工作的？让我们来看一些基本知识。

ROADM 通常由两个主要的函数元素组成：波长分束器和波长选择开关 (WSS)。请查看上面的框图：网络接口 No. 1 处的纤芯对连接到 ROADM 模块。

承载传入数据（来自网络）的纤芯被馈送到波长分束器。现在，所有波长都可以在分束器的所有输出端口（在本例中为 8 个）上使用，本地添加/删除流量（波长）可以使用阵列波导滤波器 (AWG) 进行复用/解复用。使用 AWG 意味着固定的波长分配和方向。

波长选择开关 (WSS) 选择性地连接各种波长，并将它们馈送到网络接口 #1 的输出。剩余的分束器端口连接到其他网络方向，例如，在 4 度结点处连接到另外三个方向。

注意——在此节点的每个网络方向都需要一个所示模块（完全灰色的框）。或者更准确地说：在一个服务于四个方向（4 度）的结点中，需要四个这样的模块。

ROADM 的核心——WSS 模块

让我们从左侧传入的 WDM 信号开始。它穿过顶部的纤芯，并指向体光栅。这个体光栅充当棱镜的作用。它将各种波长分离到不同的方向，尽管角度变化很小。分离的波长照射到一个球面镜上，该球面镜将光线反射到一组微机电系统 (MEMS) 上。每个微开关都受到不同波长的照射，然后将其发送回球面镜。

从那里，光线返回到体光栅并发送到纤芯。但这现在是与我们开始使用的不同的纤芯。单波长输出信号表明已发生这种情况。然后，此信号可以与其他单波长信号组合，以填充另一根传输纤芯。

有各种版本可用——这里的关键词是无色、无方向等。

ROADM——度数、无色、无方向等

为了理解这种分级 ROADM 方法，以下是一些经常与 ROADM 相关的关键术语。

无色

简单的 ROADM 为每个方向配备一个 WSS，也称为“一度”。波长仍然分配给并使用固定的添加/删除转发器。无色 ROADM 消除了此限制：使用此类 ROADM，任何波长或颜色都可以分配到任何端口。由于整个设置都是软件控制的，因此不需要卡车行程。必须实现滤波器模块才能实现无色功能。

无方向

这通常与“无色”一词一起出现。无方向设计消除了另一个 ROADM 限制。使用无方向 ROADM 消除了物理重新连接传输纤芯的需要，因为没有关于方向的限制，例如，南向或北向。

无竞争

尽管 ROADM 已经提供了很大的灵活性，并且是无色和无方向的，但使用相同频率的两个波长仍然可能在 ROADM 中发生冲突。无竞争 ROADM 提供了一个专用的内部结构来避免这种阻塞。

无网格

无网格 ROADM 支持非常密集的波长信道网格，并且可以适应未来的传输速度要求。该功能是 100Gbit/s 以上的信号速率以及一个网络中的不同调制格式所必需的。

当无方向时

无方向 ROADM 是最广泛使用的 ROADM 设计，因为它们允许从支持的 ITU 网格上的任何线接口添加/删除波长。在仅无方向变体的情况下，添加/删除端口特定于定义的波长。使用无色选项，端口也可以是非波长特定的。

无方向技术主要用于根据需要将波长重新路由到其他端口，以满足恢复目的。其他应用程序也是可能的，例如，在按需带宽的情况下。不支持无方向功能的 ROADM 在灵活性方面受到一些限制。

当无色时

无色 ROADM 允许更改特定光通道的波长，而无需任何物理重新布线。无色 ROADM 可以重新配置为在任何添加/删除端口上添加/删除支持的 ITU 网格中的任何波长。添加/删除的波长可以更改（可调谐 DWDM 接口）。这使得——

• 波长供应和波长恢复的灵活性增强

• 恢复切换、方向切换和颜色切换

• 无色添加/删除端口与可调谐 DWDM 线接口结合的关键优势是增强了波长供应和波长恢复目的的灵活性。自动调整到请求光路径上的下一个可用波长。

完全自动化光网络的最后一点之一是部署无色 ROADM。使用此类 ROADM 允许在任何添加/删除端口上添加/删除支持的 ITU 网格中的任何波长。由于可调谐转发器用作光学前端，因此端口上的波长可以更改。

波长供应和恢复比以前更加容易。当某个波长繁忙时，系统可以自动将转发器调整到下一个可用的空闲波长。ROADM 提供了在同一 ROADM 节点内使用固定和无色添加/删除功能的选项。

当无竞争时

无竞争ROADM可以在任何加/减端口添加/删除任何波长，而无需在任何加/减端口上设置任何竞争网格。一个专用的波长颜色可以多次（来自不同的DWDM线路接口）添加到同一个加/减分支上。如果仅配备了8个加/减端口，则必须能够从8个不同的线路方向在8个加/减端口上删除相同的波长。只要有空闲的加/减端口可用，ROADM节点就必须能够从/到任何线路接口添加/删除任何波长。

无色、无方向和无竞争功能（CDC）的组合提供了最高级别的灵活性。

当无网格时

无网格ROADM节点支持同一DWDM信号内的不同ITU-T信道网格。网格带宽可以按信道配置。

对于以超过100Gbit/s的数据速率运行的网络或使用不同调制方案运行的网络，需要无网格功能。它适用于具有相干线路接口的下一代网络。不同的数据速率根据调制方案和数据速率需要不同的波长要求。

传输速度正在提高，调制方案也变得越来越复杂。现在可以在一根光纤上混合使用多种调制技术。所有这些都反映在ROADM技术上，并产生了对无网格ROADM的需求。此类ROADM在密集的频率网格上运行，并允许按信道配置带宽。现在，数据信道根据其调制方案和数据速率需要不同的波长要求。

典型的应用是数据速率超过100Gbit/s或并行运行不同调制方案的网络。例如，在部署相干传输技术时，后一种情况很容易出现。