光网络 - WDM 技术

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WDM 是一种能够通过单根光纤传输多种光信号的技术。其原理与频分复用 (FDM) 基本上相同。也就是说，使用不同的载波传输多个信号，占据频谱中不重叠的部分。在 WDM 的情况下，使用的频谱带位于 1300 或 1550 nm 区域，这是光纤信号损耗非常低的两个波长窗口。

最初，每个窗口用于传输单个数字信号。随着光学组件（如分布反馈 (DFB) 激光器、掺铒光纤放大器 (EDFA) 和光电探测器）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。

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。凭借当前技术，可以将 100 多个光通道复用到一根光纤中。然后该技术被命名为密集波分复用 (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，以提升其网络容量，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，最主要的驱动力是与竞争解决方案（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（如下图所示）利用了 WDM 终端复用器 (TM) 中的转发器和多个波长通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通道（反之亦然），同时通过电子方式重新供电、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 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。

一个案例研究表明，即使对于仅三个 STM-16 通道，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（包括 5000 公里光纤，两个接入城市之间平均距离为 300 公里）的两个链路成本比较。请注意，上图中 100% 成本参考点对应于部署一个 STM-16 通道的成本，包括光纤成本。从上图可以得出两个结论。

如下图所示，如果仅考虑传输和再生设备成本（即 SDM 情况下的 SDH 再生器和 WDM 情况下的带有内联光放大器的 WDM TM 和转发器），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 WDM 解决方案在网络中部署三个或更多通道时更具成本效益。

如下图所示，如果除了上述考虑因素外，还考虑光纤成本，则 WDM 方案的成本优势变得更加明显，并且随着通道数量的增加而放大。WDM 解决方案在网络中部署三个或更多通道时更具成本效益。

短途 WDM

由于短途网络的距离有限，因此不需要再生器，光学损伤的影响也较小，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 在城域网中的应用。

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

这产生了一种非常安全的架构，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上行进行保护的流量。这些不断增长的城市内容量需求导致了 WDM 在传输网络的短途部分中的部署。

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必须构建光纤网络。租赁或构建城市光纤不仅是一个昂贵的过程，而且也是一种升级容量的灵活性较差的方法。在流量分布和流量量快速变化的动态环境中，预先很难预测需要租赁或构建多少光纤。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。

尽管世界上有特定的短途 WDM 系统可用，但最好对其长途网络使用相同类型的 WDM 系统。虽然短途 WDM 系统比其长途对应系统更便宜，并且由于其低成本光学组件可以被使用，但它们会导致异构网络，这由于以下几个原因而不受欢迎。首先，使用两个不同的系统会导致运营和管理成本增加。例如，异构网络需要的备用设备部件比同构网络多。其次，两个不同系统之间的互操作可能会带来问题。例如，由于短途 WDM 系统通常支持的波长少于长途 WDM 系统，因此可能会出现瓶颈。

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，事实上 SDH 涉及数字网络工程而 OTN 涉及模拟网络工程，导致了一些重要的（即使是细微的）区别。探索这些区别使我们能够理解 OTN 的哪些方面可能与其 SDH 对应物不同。

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（如果不是镜像的话）。然而，这应该令人惊讶，因为 SDH 和 OTN 都是面向连接的复用网络。主要区别源于复用技术的类型：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占 OTN 相关挑战的大部分。

为了满足对容量增益的短期需求，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，越来越需要在中间站点添加和/或下接波长。因此，灵活的可重构光 ADM (OADM) 将成为 WDM 网络的组成部分。

随着越来越多的波长部署在运营商网络中，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 在电气层管理容量的方式非常相似，光交叉连接 (OXC) 将出现在光层管理容量。

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。

随着城域网互连办公室和接入环境出现类似的带宽管理需求，OADM 环形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和用于集线器需求的光专用保护环。因此，就像 OA 是 WDM 点对点线路系统出现的技术推动力一样，OADM 和 OXC 将成为 OTN 出现的推动力。

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。

光网络作为统一传输基础设施的核心作用，其生存能力至关重要。与许多其他架构方面一样，光网络的生存能力将与SDH的生存能力具有高度相似性，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切断和其他物理介质故障中恢复的最快可能方法，并提供高效且灵活的保护容量管理。

OTN在概念上类似于SDH，因为它定义了反映客户端-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也就不足为奇了。微妙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，但任何特定生存能力方案中可能需要考虑的网络故障类型可能会有很大不同。

光层生存能力

电信网络需要向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得停机超过6分钟。因此，网络生存能力是影响这些网络设计和运行的主要因素。网络需要设计成能够处理链路或光纤切断以及设备故障。

网络可以被视为由许多层相互操作组成，如上图所示。不同的运营商选择不同的方式来实现其网络，使用不同的分层策略组合。现有的运营商利用其大量的SDH设备安装基础以及数字交叉连接的广泛管理和监控能力。

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

光层为上层提供光路径，上层可以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当静态。

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将多个通道复用到一根光纤或一对光纤中。OADM从聚合WDM流中添加和删除少量通道。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待光层保护，从光层需要为上层提供的服务类型来看。然后，我们根据必须支持的服务组合，比较所提出的不同光层保护方案的成本和带宽效率。这与倾向于将光层保护视为类似于SDH层保护的做法有所不同。

为什么要进行光层保护？

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，问题出现了，为什么我们需要光层提供其自身的一套保护和恢复机制？以下是其中一些原因：

• 一些在光层之上运行的层可能无法完全提供网络所需的所有保护功能。例如，SDH层被设计为提供全面的保护，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。

  目前有许多提案建议在不使用SDH层的情况下，将IP层直接运行在光层之上。虽然IP在路由级别包含容错功能，但这种机制比较繁琐，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非常重要。

• 大多数运营商在遗留设备上投入了巨资，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，可以以低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。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（例如光纤切断）方面可能更有效。一根光纤承载多条波长的流量（例如，16-32个SDH流）。因此，光纤切断会导致这16-32个SDH流中的所有流都由SDH层独立恢复。网络管理系统被每个这些独立实体生成的的大量警报淹没。如果光层能够足够快地恢复光纤切断，则可以避免这种操作效率低下。

• 利用光层保护和恢复可以获得可观的成本节省。

限制 - 光层保护

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，它无法处理连接到光网络的IP路由器或SDH ADM中激光器的故障。此类故障必须分别由IP或SDH层处理。

• 它可能无法检测网络中的所有类型的故障。光层提供的光路径可能是透明的，因此它们可以以各种比特率传输数据。在这种情况下，光层实际上可能不知道这些光路径上到底传输了什么。因此，它无法监视流量以感知降级（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。它无法对光路径上传输的流量的不同部分提供不同级别的保护（一部分流量可能是高优先级，另一部分是低优先级）。此功能必须由以更细粒度处理流量的上层执行。

• 可能存在限制光层保护能力的链路预算约束。例如，保护路由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，当光层和客户端层同时尝试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，全面部署这些新的保护机制还需要几年时间。

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，最好定义由光层和客户端层保护的实体。这些实体如下图所示。

客户端设备端口

客户端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端层。

客户端和光学设备之间的站点内连接

站点内的电缆可能会断开连接，这主要是由于人为错误造成的。这被认为是一个相对可能发生的事件。同样，只有通过客户端层和光层保护相结合才能完全防止此类事件发生。

转发器卡

转发器是客户端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端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。鉴于系统中此类卡的数量众多（每个波长一个），因此需要为其提供特殊的保护支持。

外部设施

站点之间的光纤设施被认为是系统中可靠性最低的组件。光纤切断现象相当普遍。此类别还包括沿光纤部署的光放大器。

整个节点

整个节点可能会由于维护人员的错误（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，流量中断时间不应超过60毫秒）。因此，保护路由通常需要预先计划，以便可以快速将流量从正常路由切换到保护路由。

由于速度要求，此功能通常由网络元素以分布式方式执行，而无需依赖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。它们最终都会使用网络中100%的接入带宽。

相比之下，恢复不是处理故障的主要机制。在保护功能完成之后，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（有时需要几秒到几分钟）。

恢复路由不需要预先计划，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，并支持更复杂的网状拓扑。

光层内的子层

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

我们可以拥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，并通过将其作为一组进行切换来同时恢复所有光路径。

术语“路径层保护”用于表示在单个信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。请参见表1以比较路径和线路层方案的特性，并参见表2和表3以了解不同的路径和线路方案。

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

物理网络拓扑结构可以是任何网状结构，在客户端设备节点之间传递光路径。从客户端设备的角度来看，虚拟拓扑结构根据客户端层进行限制（例如，SDH环网）。²物理拓扑结构为任何网状结构，而光路径的虚拟拓扑结构为环形。

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，并在接收端选择质量较好的一路。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都是单独进行的。

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。然而，路径保护每个信道都需要一个分路器和一个开关。更重要的是，路径保护通常需要线路保护两倍的转发器和两倍的复用/解复用资源。因此，如果所有信道都需要保护，则路径保护的成本几乎是线路保护的两倍。然而，如果并非所有信道都需要保护，情况就会发生变化。

基本保护方案

表1、2和3中可以找到保护方案的比较。光层保护方案可以像SDH保护方案一样进行分类，并且可以在客户端层、路径层或线路层实现。

客户端保护

一个简单的选择是让客户端层负责自己的保护，而光层不执行任何保护。对于SDH客户端层来说，情况可能就是如此。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着的成本效益和带宽节省。虽然客户端保护方法可以支持点到点、环形或网状客户端网络，但需要注意的是，从光网络的角度来看，所有这些都转换为光网状支持，因为即使是点到点的客户端链路也可以跨越整个光网状网络。

在客户端层保护中，工作和保护客户端路径通过光层完全多样化路由，因此不存在单点故障。此外，工作和保护客户端路径不应映射到同一WDM链路上的不同波长上。如果WDM链路发生故障，则两条路径都将丢失。

路径层方案

1+1路径保护

此方案需要网络中的两个波长，以及每端两组转发器。当应用于环形网络时，这种保护也称为光单向路径切换环（OUPSR）或OCh专用保护环（OCh/DP环）。

实施说明 - 桥接通常通过光耦合器完成，而选择则通过1×2光开关完成。接收端可以决定切换到备份路径，而无需与源端协调。

双向路径切换环

此方案松散地基于SDH 4纤双向线路切换环（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，节点会协调并尝试通过同一方向环路中的指定保护带宽发送业务（以克服转发器故障）。这是一种段切换。如果此操作失败，则节点会将业务环绕到环路的备用路径，一直到故障的另一端。此操作是环路切换。

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

实施说明 - 此方案可以在OXC中实现，或者通过OADM中的更小尺寸的开关实现。每个保护信道都需要开关。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单独快速切换（小于100毫秒）到备份路径，该路径由多个光路径共享，并且每个光路径可能采用不同的路由。如果发生故障，会通知所有相关节点设置备份路径。

实施说明 - 这些方案正在OXC中实施。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。该设备使用其拓扑结构计算备用路由，并将新的设置信息传播到节点，节点会设置这些路由。节点不需要维护任何网络信息。

实施说明 - 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，以防正常转发器发生故障。

实施说明 - 此方案通常基于指定的受保护波长。如果发生故障，则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。然后，这些设施的接收端选择接收两个信号中的哪一个。

1:1线性保护

此方案需要与前一个方案（即1+1线性）类似的配置，但是，信号切换到工作路径或保护路径，而不是同时切换到两者。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业务（直到需要保护工作路径）。由于整个信号能量被引导到一条路径而不是两条路径，因此它还带来了更低的功率损耗。

实施说明 - 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。

光单向线路切换环（OULSR）

此方案与OUPSR方案类似，只是信号的桥接和选择是针对聚合的WDM信号进行的。这允许更优化的设计、更低的成本和截然不同的实现方式。

实施说明 - 此方案的实现基于无源耦合器，将光环路连接到广播介质中。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。

双向线路切换环

此方案在协议方面和所使用的保护操作（段切换和环切换）方面都与OBPSR方案类似。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，但需要两级光复用方案）。此方案也称为OMS共享保护环（OMS/SPRing）。

实施说明 - 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损伤限制。因此，此选项最适合城域应用。

网状线路保护/恢复

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

实施说明 - 与OBLSR一样，此方案受备用路由上可能产生的光损伤限制，需要仔细的光学设计。

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。下图描绘了此标准的简化决策图，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，至少包括以下两个方面：-

• 设备成本
• 带宽效率

这两者都取决于业务的组合，即光层需要保护的业务的比例。

下图显示了路径层方案和等效线路层方案的设备成本与业务组合的关系。如果所有业务都需要保护，则路径层方案需要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。

然而，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复用/解复用和终端设备。因此，如果需要保护的信道较少，则路径层保护的成本就会降低。在不需要保护任何信道的情况下，假设没有部署额外的通用设备，则路径层方案的成本将与线路层方案大致相同。

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，保护带宽既会被需要保护的光路径占用，也会被不需要保护的光路径占用。而在路径保护系统中，不需要保护的光路径可以利用带宽，从而允许其他未受保护的光路径使用原本会被浪费在不需要的保护上的带宽。

因此，如果很大一部分光路径可以不进行保护，路径层保护可以通过在相同网络上支持更多工作流量的方式来收回成本，而线路层保护则无法做到这一点。