光网络 - WDM 技术

WDM 是一种使各种光信号通过单根光纤传输的技术。其原理与频分复用 (FDM) 基本相同。也就是说，使用不同的载波传输多个信号，占用频谱的非重叠部分。对于 WDM，使用的频谱带在 1300 或 1550 nm 范围内，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。随着光学元件（例如分布式反馈 (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由多个光信号使用，每个光信号占用可用总波长窗口的一小部分。

实际上，窗口内复用的光信号数量仅受这些元件的精度限制。利用目前的技术，可以将 100 多个光通道复用到一根光纤中。该技术当时被称为密集 WDM (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，以升级其网络容量，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，最主要的驱动因素是 WDM 解决方案与竞争解决方案（例如空分复用 (SDM) 或增强时分复用 (TDM)）相比具有成本优势，可用于升级网络容量。下图所示的"开放"WDM 解决方案利用 WDM 终端复用器 (TM) 中的转发器和由多个波长通道共享的在线光放大器。

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），同时对信号进行电气再供电、再整形和再定时。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同一个在线光放大器。升级到更高的 TDM 速率（例如从 2.5 Gb/s STM-16 升级到 10 Gb/s STM-64）只是一种短期解决方案，因为传输损伤（例如色散）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。

案例研究表明，长距离点对点 WDM 系统显然比 SDM 更具成本效益，即使对于低至三个 STM-16 通道也是如此。上图说明了两个链路成本比较，对于由 5000 光纤公里组成的传输网络的初始核心，两个接入城市之间的平均距离为 300 公里。请注意，上图中的 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 情况下的带转发器和在线光放大器的 WDM TM），使用 WDM 技术的初始链路成本是 SDH 的两倍多。但是，由于在线光放大器的共享使用，对于网络中部署三个或更多通道的 WDM 解决方案更具成本效益。

如下图所示，如果除了上述考虑之外，还考虑光纤成本，则 WDM 情况下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。对于网络中部署三个或更多通道的情况，WDM 解决方案更具成本效益。

短距离 WDM

由于短距离网络距离有限，再生器不是必需的，光学损伤影响较小，因此 WDM 的优势不如 SDM 或增强型 TDM 解决方案那么明显。然而，光纤耗尽和低成本光学元件现在正在推动大都市地区的 WDM。

短距离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。下图显示传输网络每个城市至少有两个 POP，客户可以在那里互连。使用双节点互连技术（例如丢弃和继续），客户网络可以通过两个不同的 POP 与传输网络互连。

这会产生一个非常安全的架构，甚至可以承受 POP 故障而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穿过城市的流量，还包括在城市中终止并使用 Drop and Continue 保护的流量。这些增加的城市内容量需求导致在传输网络的短途部分部署 WDM。

WDM 优于 SDM 的主要原因是城市中的光纤必须从第三方租用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，而且也是升级容量的灵活性较差的方法。在动态环境中，流量分布和流量快速发展，很难提前预测要租赁或构建的光纤数量。因此，使用 WDM 技术具有明显的灵活性优势，因为波长信道可以在很短的时间内激活。

尽管世界上有特定的短距离 WDM 系统，但对长距离网络使用相同类型的 WDM 系统是有利的。虽然短距离 WDM 系统比长距离 WDM 系统便宜，并且由于可以使用低成本的光学元件，但它们会导致异构网络，由于多种原因，这不是首选。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，异构网络比同质网络需要更多的备用设备零件。其次，两个不同系统之间的互通可能会带来问题。例如，由于短距离 WDM 系统通常比长距离 WDM 系统支持的波长更少，因此可能会出现瓶颈。

光传输网络架构

如下图所示，光传输网络 (OTN) 代表了传输网络演进的自然下一步。从高层次架构的角度来看，人们不会认为 OTN 架构与 SDH 架构有显著差异。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显著但微妙的区别。探索这些区别使我们了解 OTN 可能与 SDH 对应物不同的方面。

不断发展的 WDM OTN 架构（包括网络拓扑和生存方案）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 都是面向连接的多路复用网络。主要差异源于多路复用技术的形式：SDH 为数字 TDM，OTN 为模拟 WDM。

数字与模拟的区别对 OTN 网络和系统设计许多方面的基本成本/性能权衡有着深远的影响。特别是，与模拟网络工程和维护相关的复杂性占了与 OTN 相关的大多数挑战。

为了满足短期的容量增益需求，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，在中间站点增加和/或减少波长的需求也日益增加。因此，灵活的可重构光 ADM (OADM) 将成为 WDM 网络不可或缺的元素。

随着运营商网络中部署的波长越来越多，在光通道级别管理网络之间的容量和切换信号的需求将会增加。与 DXC 出现以管理电气层的容量的方式一样，光交叉连接 (OXC) 将出现以管理光层的容量。

最初，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，逻辑网格连接将通过物理拓扑（包括基于 OADM 的共享保护环和基于 OXC 的网格恢复架构）来支持。选择将取决于服务提供商所需的带宽"过度建设"程度和生存时间尺度要求。

随着城域局间和接入环境出现类似的带宽管理要求，基于 OADM 环的解决方案也将针对这些应用进行优化：用于网状需求的光学共享保护环和用于集线器需求的光学专用保护环。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。

随着光网络元素承担传统上由 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，随着"类似 SDH"的传输层功能向光层的转移，以及新兴光传输层的维护理念和相关网络维护功能的开发，服务提供商将转向 OTN。

生存能力是光网络作为统一传输基础设施的核心。与许多其他架构方面一样，光网络生存能力与 SDH 生存能力高度相似，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切断和其他物理介质故障中尽可能快的恢复，并提供高效灵活的保护容量管理。

OTN 在概念上类似于 SDH，因为子层的定义反映了客户端-服务器关系。由于 OTN 和 SDH 都是面向连接的多路复用网络，因此两者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：虽然 TDM 网络基于数字时隙操作，但 OTN/WDM 网络基于模拟频隙或光通道（波长）操作。因此，虽然我们可以预期这两种技术都可以实现类似的保护和恢复架构，但在任何特定的生存能力方案中需要考虑的网络故障类型可能完全不同。

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。总体可用性要求为 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。网络需要设计为能够处理链路或光纤切断以及设备故障。

如上图所示，网络可以被视为由许多相互操作的层组成。不同的运营商选择使用不同的分层策略组合来实现其网络的不同方式。现有运营商利用其庞大的 SDH 设备安装基础以及数字交叉连接的广泛整理和监控功能。

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 作为基本传输层而不使用 SDH 的简化网络基础设施。根据服务质量（和多样性）（QOS）脱颖而出的运营商可以使用 ATM 作为其传输技术。这些层之下是新兴的光学 WDM 层或光学层。

光学层为更高层提供光路，这些更高层可被视为利用光学层提供的服务的客户层。光路是电路交换管道，以相当高的比特率（例如 2.5 Gb/s 或 10 Gb/s）承载流量。这些光路通常用于互连客户层设备，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稳定。

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 流中分出和添加少量通道。OXC 在高流量节点位置切换和管理大量通道。

我们从服务角度看待光层保护，即光层需要向更高层提供的服务类型。然后，我们根据必须支持的服务组合，比较已提出的不同光层保护方案的成本和带宽效率。这有些不同，它们倾向于将光层保护视为类似于 SDH 层保护。

为什么要使用光层保护？

上图所示的 IP、ATM 和 SDH 层都采用了保护和恢复技术。虽然这些层都设计为与其他层协同工作，但它们也可以直接在光纤上运行，因此不依赖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自己的一套保护和恢复机制。以下是一些原因 −

• 在光层之上运行的某些层可能无法完全提供网络所需的所有保护功能。例如，SDH 层旨在提供全面保护，因此不会依赖光层保护。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。

  目前有许多提议直接在光层上运行 IP 层，而不使用 SDH 层。虽然 IP 在路由级别包含容错功能，但这种机制很麻烦，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的整体可用性要求变得非常重要。

• 大多数运营商在完全不提供保护机制的传统设备上投入了巨额资金，但不能忽视。在此设备和原始光纤之间无缝引入光层，可通过提高生存能力，以低成本升级长光纤链路上的基础设施。

• 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，许多传输网络设计为一次处理单个故障，而不是多个故障。光学恢复可用于提供针对多重故障的恢复能力。

• 光学层保护可以更有效地处理某些类型的故障，例如光纤切断。单根光纤承载多个波长的流量（例如，16-32 个 SDH 流）。因此，光纤切断会导致所有 16-32 个 SDH 流由 SDH 层独立恢复。网络管理系统充斥着由每个独立实体生成的大量警报。如果光学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。

• 通过利用光学层保护和恢复可以节省大量成本。

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 IP 路由器中的激光器故障或连接到光网络的 SDH ADM。这种类型的故障必须分别由 IP 或 SDH 层处理。

• 它可能无法检测网络中的所有类型的故障。光层提供的光路可能是透明的，因此它们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上到底承载了什么。因此，它无法监控流量以感知通常会调用保护开关的劣化，例如增加的比特错误率。

• 光层以光路为单位保护流量。它无法为光路上承载的不同部分流量提供不同级别的保护（部分流量可能是高优先级，另一部分流量可能是低优先级）。此功能必须由处理这种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，保护路由的长度或保护流量经过的节点数可能受到限制。

• 如果整个网络设计不周，当光层和客户端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，全面部署这些新保护机制将需要几年时间。

受保护实体的定义

在详细介绍保护技术及其之间的权衡之前，定义受光学层和客户端层保护的实体是有益的。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，光学层无法自行保护客户端层。

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，主要是由于人为错误。这被认为是一种相对可能发生的事件。同样，只有通过结合客户端层和光学层保护才能完全防止此类事件发生。

转发器卡

转发器是客户端设备和光学层之间的接口卡。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学网络内部使用的波长。因此，此卡的故障率不能忽略不计。鉴于系统中有大量此类卡（每个波长一个），因此需要对它们进行特殊保护支持。

外部设施

站点之间的这种光纤设施被认为是系统中最不可靠的组件。光纤切断相当常见。此类别还包括沿光纤部署的光放大器。

整个节点

整个节点可能由于维护人员的错误（例如，跳闸）或整个站点故障而发生故障。站点故障相对罕见，通常由于火灾、洪水或地震等自然灾害而发生。节点故障对网络有重大影响，因此，尽管发生的可能性相对较低，但仍需要加以保护。

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，如果 SDH 网络发生故障，流量中断时间不应超过 60 毫秒）。因此，通常需要预先规划保护路由，以便流量能够快速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，而不依赖于集中管理实体来协调保护操作。除了最近的（尚未证实的）快速网格保护方案外，保护技术往往相当简单，并以线性或环形拓扑实现。它们最终都使用网络中 100% 的接入带宽。

相反，恢复不是用于处理故障的主要机制。保护功能完成后，恢复用于在第一次故障修复之前提供有效路由或额外的弹性以应对进一步的故障。因此，它可以承受相当慢（有时需要几秒到几分钟）。

恢复路由不需要预先规划，可以由集中管理系统动态计算，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多余带宽，并且可以支持更复杂的网状拓扑。

光学层内的子层

光学层由多个子层组成。可以在这些不同的层上执行保护和恢复。我们可以有保护单个光路或光通道的方案。这些方案处理光纤切断以及终端设备（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，并通过将它们作为一个组进行切换来同时恢复所有光路。

术语"路径层保护"用于表示在单个通道或光路上运行的方案，而"线路层保护"用于表示在光复用段层运行的方案。请参阅表 1 了解路径和线路层方案的属性比较，以及表 2 和表 3 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：线路层方案之间的比较

表 3：路径层方案之间的比较

物理网络拓扑可以是任意网格，在客户端设备节点之间传递光路。从客户端设备的角度来看，虚拟拓扑受到客户端层的限制（例如，SDH 的环）。2物理拓扑是任意网格，而光路的虚拟拓扑是环。

例如，考虑下图所示的两种保护方案。这两种方案都可以被认为是 1+1 保护方案，即都在发送端分割信号并在接收端选择更好的副本。图 (a) 描绘了 1+1 线路层保护，其中对整个 WDM 信号同时进行拆分和选择。图 (b) 描绘了 1+1 路径层保护，其中对每个光路径分别进行拆分和选择。

线路层与路径层保护

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拆分器和交换机来连接未受保护的系统。但是，路径保护每个通道需要一个拆分器和交换机。更重要的是，路径保护通常需要两倍于线路保护的转发器和两倍的多路复用/解复用资源。因此，如果要保护所有通道，路径保护的成本几乎是线路保护的两倍。但是，如果不需要保护所有通道，情况就会发生变化。

基本保护方案

保护方案的比较可以在表 1、2 和 3 中找到。光层保护方案的分类方式与 SDH 保护方案大致相同，可以在客户端层、路径层或线路层实施。

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，而不是让光层执行任何保护。SDH 客户端层可能就是这种情况。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着的成本优势和带宽节省。虽然客户端保护方法可以支持点对点、环或网状客户端网络，但需要注意的是，从光网络的角度来看，所有这些都转化为光网状支持，因为即使是点对点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不同地路由，因此没有单点故障点。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。如果 WDM 链路发生故障，则两条路径都会丢失。

路径层方案

1+1 路径保护

此方案需要两个波长穿过网络，以及两端各有两组转发器。当应用于环时，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)。

实施说明 −桥接通常通过光耦合器完成，而选择则通过 1 x 2 光开关完成。接收端可以决定切换到备用路径，而无需与源协调。

双向路径交换环

该方案大致基于 SDH 4 光纤双向线路交换环 (BLSR)，并依赖于环周围的共享保护带宽。当工作光路发生故障时，节点会进行协调并尝试通过指定的保护带宽沿环的同一方向发送流量（以克服转发器故障）。这是一个跨度开关。如果发生故障，节点会将流量绕环的备用路径循环到故障的另一端。此操作是环路开关。

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

实施说明 − 该方案可以在 OXC 中实施，也可以通过 OADM 中小得多的交换机实施。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，每条故障光路均可快速切换（不到 100 毫秒）到备用路径，由多条光路共享，每条光路可能采用不同的路径。如果发生故障，则会通知所有设置备用路径的相关节点。

实施说明 − 这些方案正在 OXC 中实施。由于时间限制，预定义的备用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。此设备使用其拓扑计算备用路由，并将新的设置信息传播给设置这些路由的节点。节点无需维护任何网络信息。

实施说明 − 该方案的集中式特性可确保更优化的保护路由，并降低实施和维护的复杂性。

1:N 设备保护

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

实施说明 − 该方案通常基于指定的受保护波长。如果发生故障，两端都必须使用快速信令协议进行切换，而不像 SDH 中的 APS。

线路层方案

1+1 线性保护

该方案基于将整个 WDM 信号批量桥接到一对不同路由的设施上。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，信号会切换到工作路径或保护路径，但不会同时切换到两者。虽然这会增加协调负担，但它允许在备用路径上运行低优先级流量（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，因此它还会导致较低的光功率损耗。

实施说明 − 切换通常使用光学 1×2 交换机完成。协调是通过快速信令协议实现的。

光单向线路交换环 (OULSR)

该方案类似于 OUPSR 方案，不同之处在于信号的桥接和选择是针对聚合 WDM 信号进行的。这样可以实现更优化的设计、更低的成本和非常不同的实现。

实现说明 − 此方案的实现基于将光环运行到广播介质中的无源耦合器。此方案不使用 OADM，而是基于简单的 OLT，每个 OLT 都耦合到顺时针和逆时针环中，因此每个波长都在两条光纤上发送和接收。在正常情况下，当重新连接光纤切断链路时，链路被人为断开，从而产生线性总线。

双向线路交换环

此方案在协议方面和所用的保护措施（跨度和环交换）方面与 OBPSR 方案类似。与所有线路层方案一样，聚合 WDM 信号被批量交换到专用保护光纤（需要四根光纤），或交换到单根光纤内的不同 WDM 波段（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 − 由于备份路由在光学上环绕整个环，因此可能需要沿备份路径使用光线路放大器来补偿损耗。环的周长也受到其他光学损伤的限制。因此，此选项最适合大都市应用。

网状线路保护/恢复

该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，再返回到故障设施的另一端。

实施说明 − 与 OBLSR 一样，该方案受到可能沿备用路由产生的光学损伤的限制，需要仔细的光学设计。

保护方案选择的考虑因素

运营商可以使用的标准，以选择要在网络中使用的保护方案。下图描绘了一个简化的决策图，假设需要设备和线路保护。

保护成本

从运营商的角度来看，另一个标准是系统至少在两个方面的成本 −

• 设备成本
• 带宽效率

这两者都取决于流量的服务组合，即光学层要保护的流量部分。

下图显示了路径层方案和等效线路层方案的设备成本与流量组合的关系。如果要保护所有流量，路径层方案所需的设备数量大约是线路层方案的两倍，因为共用设备较少。

但是，路径层保护的成本与要保护的通道数量成正比，因为每个通道都需要相关的多路复用/解复用和终端设备。因此，如果需要保护的通道较少，路径层保护的成本就会下降。如果不需要保护任何通道，则假设不部署额外的共用设备，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，保护带宽既用于需要保护的光路，也用于不需要保护的光路。在路径保护系统中，不需要保护的光路可以使用带宽，从而允许其他未受保护的光路使用原本会浪费在不必要的保护上的带宽。

因此，如果大部分光路可以不受保护，则路径层保护可以通过在同一网络上支持比线路层保护更多的工作流量来收回成本。