光网络 - WDM 技术

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WDM是一种能够在一根光纤上传输多种光信号的技术。其原理本质上与频分复用（FDM）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、掺铒光纤放大器（EDFA）和光电探测器等光学元件的进步，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，每个光信号占用可用总波长窗口的小牵引力。

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。利用当前技术，可以将超过 100 个光通道复用到单根光纤中。该技术当时被命名为密集波分复用（DWDM）。

长距离波分复用 (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，同时利用现有的光纤基础设施。此后，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，增加容量升级的灵活性。

然而，最普遍的驱动因素是 WDM 解决方案与竞争解决方案相比的成本优势，例如用于升级网络容量的空分复用 (SDM) 或增强型时分复用 (TDM)。下图所示的“开放式”WDM 解决方案利用了 WDM 终端复用器 (TM) 中的转发器以及由多个波长通道共享的内联光放大器。

该转发器本质上是一个 3R 光电光 (O/E/O) 转换器，可将符合 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重新供电、整形和重新定时。SDM 解决方案使用多个并行光纤对，每个光纤对都配备 SDH 再生器，而不是多个波长共享同一个内联光放大器。升级到更高的 TDM 速率（例如，从 2.5 Gb/s STM-16 到 10 Gb/s STM-64）只是一个短暂的解决方案，因为色散等传输损伤不能随着 TDM 速率的增加而很好地扩展，特别是在标准上单模光纤。

案例研究表明，长途点对点 WDM 系统显然是比 SDM 更具成本效益的解决方案，即使对于低至三个 STM-16 通道也是如此。上图展示了传输网络初始核心的两个链路成本比较，该传输网络由 5000 公里光纤组成，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情况下带有转发器和内联光放大器的WDM TM），则使用WDM技术的初始链路成本更多是SDH的两倍。然而，由于共享内联光放大器，WDM 解决方案对于网络中三个或更多通道的部署更具成本效益。

如下图所示，如果除了上述考虑外，还考虑光纤成本，那么WDM方案的成本优势就更加明显，并且随着通道数量的增加而放大。WDM解决方案对于网络中部署三个通道及更多通道来说更具成本效益。

短距离波分复用 (WDM)

不需要再生器，而且由于短距离网络的距离有限，光损伤的影响较小，因此 WDM 的优势不如 SDM 或增强型 TDM 解决方案那么明显。然而，光纤枯竭和低成本光学元件正在推动城域地区的 WDM 发展。

短途应用涉及同一城市内多个接入点（POP）的互连。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，客户可以在其中互连。通过双节点互连技术，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。

这形成了一个非常安全的架构，甚至可以承受 POP 故障而不会影响任何流量。因此，一个城市中两个 POP 之间的流量不仅包括经过该城市的流量，还包括在该城市终止并使用“丢弃并继续”保护的流量。这些增加的城市内容量需求导致了在传输网络的短距离部分部署 WDM。

WDM 优于 SDM 的主要原因是因为城市中的光纤必须从第三方租赁或必须建设光纤网络。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。在流量分布和流量快速变化的动态环境中，很难提前预测要租赁或建造的光纤数量。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。

尽管世界上存在特定的短距离WDM系统，但是对于其长途网络使用相同类型的WDM系统是有利的。虽然短程 WDM 系统比长程 WDM 系统便宜，并且由于可以使用低成本的光学组件，但它们会导致异构网络，而由于多种原因，这不是优选的。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，异构网络比同构网络需要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，由于短程 WDM 系统通常比长途 WDM 系统支持更少的波长，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。从高层架构的角度来看，人们不会期望 OTN 架构与 SDH 架构有显着差异。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着但微妙的区别。探索这些区别使我们能够了解 OTN 可能与 SDH 同行不同的方面。

不断发展的 WDM OTN 架构（包括网络拓扑和生存性方案）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。主要差异源自复用技术的形式：SDH 的数字 TDM 与 OTN 的模拟 WDM。

数字与模拟的区别对于 OTN 网络和系统设计的许多方面的基本成本/性能权衡具有深远的影响。特别是，与模拟网络工程和维护影响相关的复杂性构成了与 OTN 相关的大部分挑战。

为了满足短期容量增长的需要，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长，在中间站点添加和/或删除波长的需求日益增加。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在运营商网络中部署，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。与此类似，DXC 的出现是为了管理电气层的容量，光交叉连接 (OXC) 的出现也是为了管理光层的容量。

最初，在核心传输网络环境中对光层带宽管理的需求将是最迫切的。在这里，基于逻辑网格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 的网格恢复架构。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：满足网状需求的光共享保护环，以及满足集线器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 也将成为 OTN 出现的推动者。

由于光网络元件承担传统上由 SDH 设备提供的传输层功能，因此光传输层将充当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，服务提供商转向 OTN 的预测是，将“类 SDH”传输层功能转移到光层，同时开发新兴光传输层的维护理念和相关网络维护功能。

生存能力对于光网络作为统一传输基础设施的作用至关重要。与许多其他架构方面一样，光网络的生存能力将与 SDH 的生存能力高度相似，因为网络拓扑和网络元件类型非常相似。在光层内，生存机制将继续提供从光纤切断和其他物理介质故障中最快的恢复，并提供高效、灵活的保护容量管理。

OTN 在概念上类似于 SDH，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：TDM 网络基于数字时隙操作，而 OTN/WDM 网络则基于模拟频率间隙或光通道（波长）操作。因此，虽然我们可能期望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性方案中可能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、不间断的服务。总体可用性要求约为 99.999% 或更高，这意味着网络平均每年停机时间不能超过 6 分钟。因此，网络生存能力是影响这些网络设计和运营方式的主要因素。网络的设计需要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彼此交互操作的层组成，如上图所示。不同的运营商使用不同的分层策略组合来选择不同的网络实现方式。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疏导和监控功能。

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 来简化网络基础设施。基于服务质量（和多样性）（QOS）而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。

光层向更高层提供光路，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）传送流量。这些光路通常用于互连客户端层设备，例如 SDH ADM、IP 路由器或 ATM 交换机。一旦设置完毕，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 流中删除或添加少量通道。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，对已提出的不同光层保护方案的成本和带宽效率进行比较。这有些不同，人们倾向于将光层保护视为类似于SDH层保护。

为什么要进行光层保护？

上图所示的IP、ATM和SDH层都包含了保护和恢复技术。虽然这些层都被设计为与其他层一起工作，但它们也可以直接通过光纤进行操作，因此不依赖于其他层来处理保护和恢复功能。因此，每一层都包含自己的保护和恢复功能。那么问题来了，为什么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 -

• 光层之上运行的某些层可能无法完全提供网络中所需的所有保护功能。例如，SDH层的设计目的是提供全面的保护，因此不会依赖于光层的保护。然而，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。

  目前有许多建议直接在光层上操作IP层而不使用SDH层。虽然 IP 在路由级别结合了容错功能，但这种机制很麻烦，而且速度不够快，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的整体可用性要求就变得很重要。

• 大多数运营商对遗留设备进行了大量投资，这些设备根本不提供保护机制，但也不容忽视。在该设备和原始光纤之间无缝引入光学层，可以通过长光纤链路对基础设施进行低成本升级，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级别的弹性。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。光学恢复可用于提供针对多种故障的恢复能力。

• 光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的情况。

• 通过利用光层保护和修复可以显着节省成本。

限制 - 光层保护

以下是光学层保护的一些限制。

• 它不能处理网络中所有类型的故障。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。这种类型的故障必须分别由IP 层或SDH 层处理。

• 它可能无法检测网络中所有类型的故障。由光学层提供的光路可以是透明的，使得它们以各种比特率承载数据。在这种情况下，光学层实际上可能不知道这些光路上到底承载着什么。因此，它无法监控流量以感知性能下降，例如误码率增加，而这种情况通常会调用保护开关。

• 光层以光路为单位保护流量。它无法为光路径上承载的流量的不同部分提供不同级别的保护（部分流量可能具有高优先级，其他流量的优先级较低）。此功能必须由以更细粒度处理流量的更高层执行。

• 可能存在限制光层保护能力的链路预算约束。例如，可以限制保护路由的长度或保护流量经过的节点的数量。

• 如果整个网络没有经过精心设计，当光层和客户端层同时尝试保护流量免受故障时，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，这些新保护机制的全面部署将需要几年的时间。

受保护实体的定义

在详细讨论保护技术及其之间的权衡之前，定义受光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出现故障。在这种情况下，光层无法单独保护客户层。

客户端与光设备站内连接

站点内的电缆可能会断开，这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，只有结合客户端层和光层保护才能支持针对此类事件的全面保护。

应答器卡

转发器是客户端设备和光层之间的接口卡。这些卡使用光到电到光的转换，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，这张卡的故障率不能忽略不计。鉴于系统中存在大量此类卡（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

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

整个节点

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，整个节点可能会发生故障。站点故障相对较少，通常是由于火灾、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，因此尽管发生的概率相对较低，但仍然需要采取防范措施。

保护与恢复

保护被定义为用于处理故障的主要机制。它需要非常快（如果 SDH 网络发生故障，流量中断通常不应超过 60 毫秒）。因此，通常需要预先规划保护路由，以便流量能够快速地从正常路由切换到保护路由。

由于速度要求，该功能通常由网元以分布式方式执行，而不依赖集中管理实体来协调保护动作。除了最近（尚未经过验证）的快速网状保护方案之外，保护技术往往相当简单，并且以线性或环形拓扑实现。它们最终都使用了网络中 100% 的访问带宽。

相反，恢复并不是用于处理故障的主要机制。保护功能完成后，恢复用于在修复第一个故障之前提供有效的路由或针对进一步故障的额外恢复能力。因此，它可以承受相当慢的速度（有时是几秒到几分钟）。

恢复路线不需要预先规划，并且可以由集中管理系统即时计算，而不需要分布式控制功能。可以使用更复杂的算法来减少所需的额外带宽，并且可以支持更复杂的网状拓扑。

光层内的子层

光学层由几个子层组成。保护和恢复可以在这些不同的层次上进行。我们可以制定保护单独光路或光通道的方案。这些方案可以处理光纤切断以及终端设备（例如激光器或接收器）的故障。

我们可以制定在聚合信号级别工作的方案，该级别对应于光复用部分（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”用于表示在各个通道或光路径上操作的方案，而“线路层保护”则用于表示在光复用段层操作的方案。路径和线路层方案的属性比较请参见表 1，不同路径和线路方案的属性比较请参见表 2 和表 3。

表1：线路保护与路径保护的比较

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何网格，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，虚拟拓扑受到每个客户端层的限制（例如，SDH 的环）。(2)物理拓扑为任意网状，而光路的虚拟拓扑为环形。

例如，考虑下图中显示的两种保护方案。这两种方案都可以被认为是1+1保护方案，即都在发送端对信号进行分割，并在接收端选择更好的副本。图(a)描述了1+1线路层保护，其中对整个WDM信号一起进行分路和选择。图(b)描绘了1+1路径层保护，其中对每条光路分别进行分裂和选择。

线路层与路径层保护

这两种方法之间存在重要的成本和复杂性差异。线路保护需要一个额外的分路器并切换到未受保护的系统。然而，路径保护每个通道需要一个分离器和开关。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。然而，如果不需要保护所有通道，情况就会发生变化。

基本保障计划

保护方案的比较可在表-1、表2和表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，并且可以在客户层、路径层或线路层实现。

客户保护

一个简单的选择是让客户端层负责自己的保护，而不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效益和带宽节省。虽然客户端保护方法可以支持点对点、环形或网状客户端网络，但值得注意的是，从光网络的角度来看，所有这些都转化为光网状网络支持，因为即使是点对点客户端链路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不同路由，因此不存在单一故障点。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，两条路径都会丢失。

路径层方案

1+1路径保护

该方案需要跨网络的两个波长，以及每端的两组转发器。当应用于环时，这种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份路径，而无需与源协调。

双向路径交换环

该方案松散地基于 SDH 4 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，节点进行协调并尝试通过指定的保护带宽沿环路同向发送流量（以克服转发器故障）。这是一个量程开关。如果失败，节点将围绕环路的备用路径循环流量，一直到故障的另一端。这个动作是环形开关。

该方案允许非重叠的光路共享相同的保护带宽，只要它们不同时发生故障即可。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，或者通过 OADM 中更小的交换机实施。每个保护通道都需要开关。它类似于SDH BLSR 标准。

网状路径保护

该方案允许通过非常快速的切换（小于 100 毫秒）实现全局网状网络保护，将每个故障光路单独切换到备份路径，由多个光路共享，每个光路可能采用不同的路线。如果出现故障，则会通知所有相关节点并建立备份路径。

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的节点中，并根据故障类型激活。

网格路径恢复

与网状路径保护不同，该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设置这些路由的节点。节点不需要维护任何n/w信息。

实施说明- 该方案的集中式性质确保了更优化的保护路线，并降低了实施和维护的复杂性。

1:N设备保护

典型 WDM 终端中最复杂（因此最容易出现故障）的模块之一是转发器。1:N 保护指定备用应答器在正常应答器发生故障时接管。

实施说明- 该方案更典型地基于指定的受保护波长。如果发生故障，两端必须使用快速信令协议进行切换，而不是像 SDH 中的 APS 那样。

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

该方案需要类似于前一种方案的配置（即1+1线性），但是，信号切换到工作路径或保护路径，但不能同时切换到两者。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流量（直到需要它来保护工作路径）。由于整个信号能量被引导到一条路径而不是两条路径，因此它还需要降低光功率损耗。

实施说明- 切换通常使用光学 1×2 开关完成。协调是通过快速信号协议实现的。

光单向线路交换环 (OULSR)

该方案与OUPSR方案相似，不同之处在于信号的桥接和选择是针对聚合WDM信号完成的。这可以实现更优化的设计、更低的成本和截然不同的实现。

实施说明- 该方案的实施基于将光环运行到广播介质中的无源耦合器。该方案不使用 OADM，而是基于简单的 OLT，每个 OLT 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传输和接收。正常情况下，链路被人为断开，导致总线呈线性，当断纤链路重新连接时。

双向线路交换环

该方案在协议方面和所使用的保护动作（跨段和环倒换）方面与OBPSR方案相似。与所有线路层方案一样，聚合 WDM 信号批量切换到专用保护光纤（需要四根光纤），或单根光纤内的不同 WDM 频段（仅允许两根光纤，但需要两级光复用方案） ）。该方案也称为OMS共享保护环(OMS/SPRing)。

实施注意事项- 由于备份路由以光学方式围绕整个环，因此可能需要沿着备份路径使用光线路放大器来补偿损耗。环的周长还受到其他光学缺陷的限制。因此，该选项最适合城市应用。

网状线保护/修复

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，然后返回到故障设施的另一端。

实施说明- 与 OBLSR 一样，该方案受到可能沿替代路线发展的光学损伤的限制，并且需要仔细的光学设计。

选择保障方案的考虑因素

运营商可以用来选择网络中使用的保护方案的标准。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，另一个标准是系统的成本至少在两个方面 -

• 设备成本
• 带宽效率

这两者都取决于流量的服务组合，即受光层保护的流量比例。

下图显示了路径层方案和等效线路层方案的设备成本与流量混合的函数关系。如果要保护所有流量，路径层方案需要的设备大约是线路层方案的两倍，因为公用设备的共享较少。

然而，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关联的复用器/解复用器和端接设备。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。在不需要保护信道的情况下，假设不部署额外的通用设备，路径层方案的成本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，需要保护的光路和不需要保护的光路都会消耗保护带宽。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本来会浪费在不需要的保护上的带宽。

由此可见，如果大部分光路径不受保护，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弥补成本。