NGN - WDM 技术

WDM是一种能够通过一根光纤传输多种光信号的技术。其原理与频分复用（FDM）本质上相同。也就是说，使用不同的载波来传输多个信号，占据频谱的非重叠部分。对于 WDM，所使用的光谱带位于 1300 或 1550 nm 区域，这是光纤具有非常低信号损耗的两个波长窗口。

最初，每个窗口用于传输单个数字信号。随着分布式反馈（DFB）激光器等光学元件的进步，随着掺铒光纤放大器 (EDFA) 和光电探测器的出现，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，每个光信号仅占据可用总波长窗口的一小部分。

事实上，窗口内复用的光信号数量仅受这些组件的精度限制。利用目前的技术，可以将超过 100 个光通道复用到单根光纤中。该技术随后被命名为密集WDM（DWDM）。

DWDM 的主要优势在于其能够以经济高效的方式将光纤带宽增加许多倍。世界各地现有的大型纤维网络的容量可以突然成倍增加，而不需要长新纤维，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，可能还需要光再生器。

所用波长的数量和频率正在由 ITU (T) 进行标准化。所使用的波长组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 的标称中心频率，最小信道间隔锚定于 193.10 THz 参考。请注意，C（光速）的值等于 2.99792458 x 108 m/sec。用于频率和波长之间的转换。

ITU-T 网格（C 频段内），ITU (T) Rec. G.692

50 GHz 间隔的标称中心频率 (THz)	间隔 100 GHz 的标称中心频率 (THz)	标称中心波长 (Nm)
196.10	196.10	1528.77
196.05		1529.16
196.00	196.00	1529.55
195.95		1529.94
195.90	195.90	1530.33
195.85		1530.72
195.80	195.80	1531.12
195.75		1531.51
195.70	195.70	1531.90
195.65		1532.29
195.60	195.60	1532.68
195.55		1533.07
195.50	195.50	1533.47
195.45		1533.86
195.40	195.40	1534.25
195.35		1534.64
195.30	195.30	1535.04
195.25		1535.43
195.20	195.20	1535.82
195.15		1536.22
195.10	195.10	1536.61
195.05		1537.00
195.00	195.00	1537.40
194.95		1537.79
194.90	194.90	1538.19
194.85		1538.58
194.80	194.80	1538.98
194.75		1539.37
194.70	194.70	1539.77
194.65		1540.16
194.60	194.60	1540.56
194.55		1540.95
194.50	194.50	1541.35
194.45		1541.75
194.40	194.40	1542.14
194.35		1542.54
194.30	194.30	1542.94
194.25		1543.33
194.20	194.20	1543.73
194.15		1544.13
194.10	194.10	1544.53
194.05		1544.92
194.00	194.00	1545.32
193.95		1545.72
193.90	193.90	1546.12
193.85		1546.52
193.80	193.80	1546.92
193.75		1547.32
193.70	193.70	1547.72
193.65		1548.11
193.60	193.60	1548.51
193.55		1548.91
193.50	193.50	1549.32
193.45		1549.72
193.40	193.40	1550.12
193.35		1550.52
193.30	193.30	1550.92
193.25		1551.32
193.20	193.20	1551.72
193.15		1552.12
193.10	193.10	1552.52
193.05		1552.93
193.00	193.00	1533.33
192.95		1553.73
192.90	192.90	1554.13
192.85		1554.54
192.80	192.80	1554.94
192.75		1555.34
192.70	192.70	1555.75
192.65		1556.15
192.60	192.60	1556.55
192.55		1556.96
192.50	192.50	1557.36
192.45		1557.77
192.40	192.40	1558.17
192.35		1558.58
192.30	192.30	1558.98
192.25		1559.39
192.20	192.20	1559.79
192.15		1560.20
192.10	192.10	1560.61

网络内的 DWDM

典型的 SDH 网络在每个节点的每一侧都有两根光纤，一根用于向其邻居传输，一根用于从其邻居接收。

虽然站点之间有两条光纤听起来并不算太糟糕，但实际上，站点之间可能会运行许多系统，即使它们不构成同一网络的一部分。

仅使用上面所示的两个网络，站点 C & D 之间现在就需要四根光纤，并且站点之间的铺设非常昂贵。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为单根光纤。现代 DWDM 设备可以复用多达 160 个通道，这意味着可以大量节省光纤投资。由于DWDM设备仅与物理信号一起工作，因此根本不会影响网络的SDH层。就SDH网络而言，SDH信号不会终止或中断。站点之间仍然存在直接连接。

DWDM 网络与协议无关。它们传输光的波长并且不在协议层运行。

DWDM 系统可以在铺设光纤时为网络运营商节省大量资金，在长距离铺设时更是如此。使用光放大器，可以将 DWDM 信号传输到长距离。

放大器接收多波长 DWDM 信号并简单地将其放大以到达下一个站点。

运算放大器将放大红色或蓝色 lambda，如果放大红色 lambda，则会丢弃接收到的蓝色通道，反之亦然。要双向放大，需要两种类型的放大器中的一种。

为了使 DWDM 系统以令人满意的方式运行，光放大器的输入波长应该均衡。

这涉及将 DWDM 系统的所有传入光源设置为相似的光功率级别。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 设备通过测量输入通道的光功率并建议哪些通道需要功率调整来协助现场技术人员。

可以通过多种方式实现波长均衡；可变光衰减器可以安装在光纤管理框架和DWDM耦合器之间——工程师可以调整DWDM耦合器侧的信号。

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上的软件调整光功率。

一些 DWDM 耦合器为每个接收通道内置了衰减器，工程师可以调整 DWDM 接入点的每个通道。

当多个频率的光穿过光纤时，可能会发生称为四波混合的情况。新波长的光在光纤内产生，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 BER。

WDM 组件

WDM 组件基于各种光学原理。下面给出的图描述了单个WDM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。光放大器用于泵浦光信号功率，以补偿系统损耗。

在接收器侧，光解复用器将每个波长分离，然后传送到光链路末端的光接收器。光信号通过光 ADM (OADM) 添加到系统。

这些光器件相当于数字ADM，沿着传输路径对光信号进行疏导和分离。 OADM 通常由阵列波导光栅 (AWG) 制成，但也使用了光纤布拉格光栅等其他光学技术。

关键的 WDM 组件是光开关。该设备能够将光信号从给定的输入端口切换到给定的输出端口。它相当于电子交叉开关。光开关可以构建光网络，因此可以将给定的光信号路由到适当的目的地。

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的光信号转换为不同波长的另一个信号并保持相同数字内容的设备。此功能对于 WDM 网络非常重要，因为它为跨网络路由光信号提供了更大的灵活性。

光传输网络

WDM 网络是通过以选定的某种拓扑连接波长交叉连接 (WXC) 节点来构建的。 WXC由波长复用器和解复用器、开关和波长转换器实现。

下面的图描述了通用的WXC节点架构。

在同一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。光开关将多个波长信号路由到一组输出中。

复用器，信号被复用并注入输出光纤中进行传输。可以在光开关和输出复用器之间使用波长转换器，以便提供更多的路由灵活性。 WXC 的研究已经很多年了。 WXC 的困难在于串扰和消光比。

波长交叉连接节点

光传输网络 (OTN) 是通过光路提供传输服务的 WDM 网络。光路是一种高带宽管道，每秒传输高达数千兆位的数据。光路的速度由光学元件（激光器、光放大器等）的技术决定。目前可实现的速度约为 STM-16 (2488.32 Mbps) 和 STM-64 (9953.28 Mbps)。

OTN由WXC节点和管理系统组成，通过光器件（放大器、接收器）监控、故障恢复等管理功能来控制光路的建立和拆除。考虑到每个光路都提供骨干带宽容量，光路的建立和拆除需要在很长的时间范围内执行，例如几小时甚至几天。

OTN 的部署方式有很大的灵活性，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学元件对信号编码是透明的。只有在光层的边界处，光信号需要转换回电子域，编码才起作用。

因此，未来可能出现的情况是，在光层之上运行透明光服务来支持各种传统电子网络技术，例如 SDH、ATM、IP 和帧中继。

光层又分为三个子层 −

光通道层网络，与OTN客户端对接，提供光通道（OChs）。
光复用层网络，将各种通道复用为单个光信号。
光传输段层网络，提供光信号通过光纤的传输。

OTN 帧格式

与 SDH 帧的使用类似，对 OCh 的访问预计通过当前定义的 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。下面的图描述了可能的 OCh 帧格式。

光通道框架

帧的最左侧区域（如下面的图所示）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。帧的最右边区域被保留用于对所有有效负载数据执行前向纠错（FEC）方案。光传输层上的FEC增加了最大跨度长度，并减少了中继器的数量。可以使用里德-所罗门码。

多个 OCh 将在光域中复用在一起，以形成光复用器信号 (OMS)。这与将多个 STM-1 帧复用为 STM-N SDH 帧格式类似。多个 OCh 可以复用形成 OMS。

光学客户端信号放置在 OCh 有效负载信号内。客户端信号不受 OCh 帧格式的限制。相反，客户端信号只需是恒定比特率的数字信号。其格式也与光层无关。

WDM 环

从概念上讲，WDM环与SDH环没有太大区别。 WXC 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波长交换和转换的 WXC 功能。

这些功能可用于提供 SDH 技术中无可比拟的保护级别。也就是说，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。可以在 OCh 级别或光复用部分/光传输部分级别提供保护。一些额外的保护功能可以在SDH环中实现，这是独一无二的。例如，可以通过将光信号从给定波长转换为不同的波长来修复故障光路（例如激光器故障），从而避免信号的重新路由。

这相当于SDH中的跨段交换，不同的是即使是两个光纤WDM环也可以提供这种OCh保护能力。然而，在 OMS 层，跨距保护将需要四个光纤环，如 SDH 中一样。这些额外的功能无疑会给光层APS协议带来额外的复杂性。

WDM 环启动后，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 网络采用与 WDM 环相同的光学组件构建。然而，网状网络中使用的协议与环网中使用的协议不同。例如，网状网络中的保护是一个更复杂的命题，WDM 网状网络中的路由和波长分配问题也是如此。

网状网络很可能作为连接 WDM 环的骨干基础设施。其中一些连接预计是光学的，以避免光学/电子瓶颈并提供透明度。其他人则需要将光信号转换为电子域以进行监控管理，或许还可以用于计费目的。下图描述了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
地区网络
骨干网络

WDM 网络基础设施

包括 SDH 环和作为接入网络的无源光网络 (PON)。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。此类网络中不提供路由功能。

这些架构对于短距离支持最多数百个用户的网络来说非常实用。尽管 PON 是比 WDM 环网更便宜的网络，但由于缺乏有源组件和波长路由等功能，PON 源所需的激光器使得第一代此类设备仍然比 SDH 环网更昂贵。这有利于接入网层面的SDH解决方案，至少在不久的将来是这样。

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

整体场景如下图所示。图中涉及到的几种接口类型。

覆盖承载 ATM/IP 流量的 WDM 传输网络。

SDH帧封装

必须定义 OCh 帧，以便可以轻松完成 SDH 帧封装。例如，整个 STM-16xc 必须作为 OCh 有效负载携带。如果使用基本的STM-16光通道，由于OCh开销字节，可能无法将SDH-16xc封装到STM-16光通道中。

OCh 帧格式当前正在定义中。下图是SDH帧封装为OCh帧的示例。

SDH 与 WDM 的接口

具有物理SDH接口的WDM设备将光信号传送到SDH设备。这些接口必须向后兼容 SDH 技术。因此，SDH 设备不需要知道用于传输其信号的 WDM 技术（例如，该设备可以属于 BLSR/4 环）。

在这种情况下，WXC 将删除 SDH 环中最初使用的波长并将其添加到光学介质中。这样，WDM 和 SDH 层就完全解耦，这对于 WDM 与 SDH 传统设备的互操作性是必要的。

这对光层波长的选择提出了额外的限制，因为如果进行波长转换，最后一跳波长（与 SDH 设备接口的波长）必须与 SDH 设备用于终结光路的波长相同。 SDH 设备中不提供。

WDM 链路

	技术	检测	恢复	详细信息
WDM	WDM-OMS/OCH	1-10ms	10-30ms	Ring/P-P
SDH	SDH	0.1ms	50ms	Ring
SDH	APS 1+1	0.1ms	50ms	P-P
ATM	FDDI	0.1ms	10ms	Ring
	STM	0.1ms	100ms
	ATM PV-C/P 1+1	0.1ms	10msxN	Standby N=#hops
	ATM PNNI SPV-C/P, SV-C/P	40s	1-10s
IP	边界网关协议	180ms	10-100s
	内部网关路由协议和E-OSPF	40s	1-10s
	中间系统	40s	1-10s
	路由互联网协议	180s	100s

根据上表所示，虽然 WDM 中的恢复速度比 SDH 技术更快，但 WDM 中的故障检测速度较慢。 WDM/SDH 保护机制的更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导致的性能下降，则可以人为地减慢 SDH APS 的速度。

高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。可以在较高层使用故障持久性检查，以避免对较低层的故障过早做出反应。

OMS 子层的故障恢复可以替代由光层提供服务的 SDH 信号的多个实例的恢复过程。因此，可能有大量的 SDH 客户端无需在其层启动故障恢复过程。因此，光OMS子层的一次故障恢复可以节省数百次。

向全光传输网络的演进

向全光 WDM 网络的演进可能会逐渐发生。首先，WXC 设备将连接到现有光纤。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 将与传统设备连接，例如 SDH 和光纤分布式数据接口 (FDDI)。

全光透明传输网络的优点是可以将 SDH 功能转移到上层 (IP/ATM) 或下层 (WDM) SDH，从而节省网络升级和维护成本。假设实时流量（包括语音）已分组化（IP/ATM），这种层重组可能会影响传输网络。这可能会导致 VC 的 SDH 信号消失。

接下来的一个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，都必须向后兼容IP/PPP/HDLC 和ATM 封装。

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