NGN - 快速指南

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NGN - 脉冲编码调制

高速语音和数据通信的出现带来了对用于传输信息的快速介质的需求。数字电路或链路是根据以数字形式传输语音或数据的需要而发展起来的。

从模拟到数字形式的转换遵循四个阶段的过程（参见下图），并将在以下各节中详细介绍。

采样

语音频率采用模拟信号的形式，即正弦波（参见下图）。该信号必须转换为二进制形式才能通过数字介质传输。此转换的第一阶段是将音频信号转换为脉冲幅度调制 (PAM)信号。此过程通常称为采样。

采样过程必须从传入的语音频率中收集足够的信息，以便能够复制原始信号。语音频率通常在300Hz 至 3400Hz范围内，通常称为商业语音频段。

为了获得样本，将采样频率应用于原始语音频率。采样频率由奈奎斯特采样定理决定，该定理规定“采样频率应至少是最高频率分量的两倍”。

这确保了每个半周期至少采样一次，从而消除了在周期的零点采样的可能性，因为零点采样没有幅度。这导致采样频率至少为 6.8 KHz。

欧洲标准以8 KHZ对输入信号进行采样，确保每125 微秒或 1/8000 秒采样一次（参见下图）。

量化

理想情况下，每个样本的幅度都会分配一个二进制代码（1 或 0），但由于幅度可以有无限多个；因此，需要有无限数量的可用二进制代码。这是不切实际的，因此必须采用另一个过程，即量化。

量化将 PAM 信号与量化标度进行比较，量化标度具有有限数量的离散级别。量化尺度分为256个量化级别，其中128个为正级别，128个为负级别。

量化阶段涉及分配一个独特的 8 位二进制代码，该代码适合 PAM 信号幅度所属的量化间隔（参见下图）。

这包括 1 个极性位，其余 7 位用于识别量化级别（如上图所示）。

前面看到的第一位是极性位，接下来的三位是段代码，给出了八个段代码，剩下的四位是量化级别，给出了十六个量化级别。

压扩

量化过程本身会导致一种称为量化失真的现象。当采样信号幅度落在量化级别之间时，就会发生这种情况。信号始终向上舍入到最接近的整数电平。采样电平和量化电平之间的差异就是量化失真。

信号幅度的变化率在周期的不同部分有所不同。这种情况在高频时最常发生，因为信号幅度的变化比低频时更快。为了克服这个问题，第一段代码的量化级别非常接近。下一个段代码的高度是前一个段代码的两倍，依此类推。此过程称为压扩，因为它压缩较大的信号并扩展较小的信号。

在欧洲，他们使用A压扩定律，而北美和日本则使用μ 定律。

由于量化失真等同于噪声，压扩提高了低幅度信号的信噪比，并在整个幅度范围内产生可接受的信噪比。

编码

为了通过数字路径传输二进制信息，必须将信息修改为合适的线路代码。欧洲采用的编码技术称为高密度双极 3 (HDB3)。

HDB3 源自称为 AMI 或交替标记反转的线路代码。在 AMI 编码中，使用了 3 个值：没有信号来表示二进制 0，以及交替使用正或负信号来表示二进制 1。

当传输一长串零时，会出现与 AMI 编码相关的一个问题。这可能会导致远端接收器出现锁相环问题。

HDB3 的工作方式与 AMI 类似，但包含一个额外的编码步骤，将任何四个零的字符串替换为三个零，后跟一个“违规位”。此违规与之前的转换具有相同的极性（参见下图）。

从示例中可以看出，000V 替换了第一串四个零。然而，使用这种类型的编码可能会导致信号中引入平均直流电平，因为可能存在一长串零，所有零都以相同的方式进行编码。为了避免这种情况，通过使用极性交替的“双极性违规”位，将每个连续的四个零的编码更改为 B00V。

由此，可以假设对于HDB3编码，没有转变的零的最大数量是三个。这种编码技术通常称为调制格式。

NGN-多路复用

多路复用

到目前为止，我们只专注于一个语音通道。现在，我们需要将许多这样的通道组合成一个传输路径，这个过程称为多路复用。多路复用是一种可以组合多个信道的过程，以便使它们在单个传输路径上传输。电话中常用的过程称为时分复用 (TDM)。

正如我们之前所见，一个通道的采样每125 微秒进行一次。这使得在此期间对其他通道进行采样成为可能。在欧洲，时间跨度被划分为32个时间段，称为时隙。然后可以将这 32 个时隙组合在一起形成一个帧（参见下图）。

因此，一帧的持续时间可以被认为是125微秒。现在还可以假设，由于每个时隙由 8 个数据位组成，并且重复 8000 次，因此可以达到每秒 64000 位或 64Kbits 的信道速率。有了这些信息，现在就可以确定通过单个路径传输的数据位数，称为系统比特率。这是使用以下公式计算的 -

系统比特率 = 采样频率 x 时隙数 x 每个时隙的位数 = 8000 x 32 x 8, = 2048000 位/秒, = 2.048Mbits

在 32 个可用信道中，30 个用于语音传输，其余 2 个时隙用于对齐和信令。以下部分将解释所有时隙的功能。

NGN-帧结构

时段 1 至 15 和 17 至 31

这30个时隙可用于传输8位形式的数字化模拟信号，带宽为64 kbit/s（例如客户数据）。

时隙0

欧洲推荐系统定义每帧的时隙0用于同步，也称为帧对齐（见下图）。这确保了每个帧中的时隙在发送站和接收站之间对齐。

帧对齐字（FAW）在每个偶数帧的数据位2至8中携带，而奇数帧在数据位2中携带非帧对齐字（NFAW）（见下图）。

时隙 0 中还提供错误检查，使用循环冗余校验(CRC) 来验证帧对齐，该对齐由所有帧的数据位 1 承载。还有报告远端警报的功能，这通过在所有奇数帧的数据位3中插入二进制1来指示。奇数帧的剩余数据位4至8可用于国家警报和网络管理。

时段 16

时隙16有8个可用数据位，通过使用4个数据位的可变代码，可以为每帧中的2个语音通道执行信令。

因此可以看出，完成所有语音通道的信令需要15帧（见下图）。

由于现在有多个帧按逻辑顺序传送，因此必须有一个设备来对齐这些帧。这是通过使用包含信令信息的帧之前的帧（称为帧 0）来实现的。

帧 0 中的时隙 16包含多帧对齐字（MFAW），使用数据位 1 至 4，用于指示多帧的开始，在接收站进行检查（见下图）。

数据位 6 可用于指示远程多帧对齐丢失(DLMFA)。可以看出，一个复帧由完成所有语音和信令操作所需的所有帧即16帧组成，称为复帧（见下图）。

多帧的持续时间可以使用以下公式计算 -

多帧持续时间 = 帧数 x 帧持续时间

= 16 x 125 微秒

= 2000微秒

= 2 毫秒

其余信道均可用于语音或数据传输，称为时隙 1 至 15 和 17 至 31，相当于编号为 1 至 30 的信道。

FAW = 框架对齐字

MFAW = 多帧对齐字

DATA = 8 位数据字

SIG = CAS 信令时隙

NGN - 高阶复用

准同步数字体系 (PDH) 是从基本的 30 通道 PCM (PCM-30) 系统分阶段开发出来的。

如下图所示，共有三种不同的分层系统可用，每种系统都支持不同的线路速率和复用速率。因此，可以通过使用多路复用器将较低速率组合在一起来实现较高的总速率。

较高比特率的链路还需要额外的比特来进行成帧和控制。例如，8.4 Mbits 信号由 4 × 2.048 Mbits = 8.192 Mbits 组成，其余 256 Kbits 用于成帧和控制。

欧洲和北美的等级制度通常用字母“E”（代表欧洲）和“T”（代表北美）来表示，等级级别是连续编号的。这些层次结构级别可以在下图中进行比较 -

这些比特率通常分别缩写为 1.5 meg、3 meg、6 meg、44 meg、274 meg 和 2 meg、8 meg、34 meg、140 meg 和 565 meg。

由于 PDH 的传统在电信行业中如此突出，因此有必要在任何要引入的新技术中适应这些线路速率，因此许多 PDH 线路速率都受到同步数字体系 (SDH) 的支持。唯一的例外是省略了 8.4 Mbits 级别，该级别不再具有任何实际意义，并且不受 SDH 支持。

在基本的 2 Mbits 系统中，数据是字节交织的，其中每个 8 位时隙被一个接一个地发送。在较高层级的情况下，数据流被逐位复用在一起。该系统的缺点是，由于每个多路复用器具有其自己的独立时钟源，因此每个支路信号的比特率可能与标称值不同。这些时钟偏差取决于线路速率，并且可以通过在复用级之后剩余的带宽内使用调整技术来补偿。线路速率还决定了用于传输的线路代码，如下所示 -

NGN - 准同步数字体系

PDH的特性

• 准同步——“几乎同步”

• 将 2 Mbit/s 信号复用为更高阶的复用信号。

• 在交换机站点之间铺设电缆非常昂贵。

• 通过提高比特率来提高电缆的流量容量。

• 每级 4 个低阶信号复用为单个高阶信号。

PDH 技术允许连续复用 2 M – 8 M、8 M – 34 M、34 M – 140 M 以及最终 140 M – 565 M 系统的信号。

还存在“跳跃”或“跳过”复用器，允许将 16 个 2 M 信号复用为 34 M 信号，而无需中间 8 M 电平。

PDH 限制

同步- 数据定期传输。通过从发送器振荡器导出的定时，数据以与发送时相同的速率进行采样。

数据定期传输。通过从发射器振荡器导出的定时，数据采样速率比发射器慢。PDH 的缺点之一是每个元素都是独立同步的。为了正确接收数据，接收端的采样率必须与发送端的传输率相同。

数据定期传输。通过从发射器振荡器导出的定时，数据采样速率比发射器更快。如果接收器端的振荡器运行速度比发送器端的振荡器慢，则接收器将丢失所发送信号的一些比特。

或者，如果接收器时钟的运行速度比发送器的时钟运行得快，则接收器将对某些位进行两次采样。

调整位被添加到低阶信号中，以便它们可以以单一速率复用。设备振荡器用作低阶比特率自适应过程以及复用过程的定时源。当信号被解复用时，调整位在接收端被丢弃。

由于所使用的同步方法，不可能在一台设备中将高阶信号解复用为最低阶支路信号。有必要在所有级别上进行解复用，以访问在某个站点丢弃的信号，然后重新复用所有其他通道以恢复到更高的速率。这意味着现场必须有大量设备才能完成此任务。这就是所谓的PDH Mux 山。所有这些设备占用了现场大量空间，也增加了现场备件的需求。

PDH 网络缺乏弹性意味着如果发生光纤断裂，流量就会丢失。PDH网络管理只需向NOC操作员报告警报即可。NOC 工作人员无法使用任何诊断或补救工具。需要派一名维护工程师到现场并携带最少的信息。每个网络元件都需要连接到 DCN 网络，因为不存在通过 PDH 网络传送管理信息的设施。

缺乏互连标准意味着无法互连多个供应商的设备。设备可以在不同的波长上运行，使用不同的比特率或专有的光接口。

NGN-同步数字体系

SDH 网络取代了 PDH，并具有几个关键优势。

• G.707、G.708 和 G.709 ITU 建议为全球联网提供基础。

• 网络受益于流量弹性，可以在设备故障或光纤断裂时最大限度地减少流量损失。

• 内置监控技术允许远程配置和排除网络故障。

• 灵活的技术允许任何级别的朝贡访问。

• 随着技术的进步，面向未来的技术可以实现更快的比特率。

虽然欧洲 PDH 网络无法与美国网络连接，但 SDH 网络可以承载这两种类型。该幻灯片显示了不同 PDH 网络的比较以及哪些信号可以通过 SDH 网络传输。

SDH——网络拓扑

线路系统

孤岛系统是针对PDH网络拓扑的系统。仅在网络的端点添加和删除流量。终端节点在网络末端用于添加和删除流量。

在任何 SDH 网络中，都可以使用称为再生器的节点。该节点接收高阶SDH信号并重传。再生器不可能进行低阶流量访问，并且它们仅用于覆盖站点之间的长距离，其中该距离意味着接收功率太低而无法承载流量。

环形系统

环形系统由以环形配置连接的多个分插复用器 (ADM) 组成。可以在环周围的任何 ADM 处访问流量，也可以出于广播目的在多个节点处丢弃流量。

环形网络还具有提供流量弹性的优点，如果出现光纤中断，流量也不会丢失。稍后将进一步详细讨论网络弹性。

SDH网络同步

虽然 PDH 网络不是集中同步的，但 SDH 网络却是集中同步的（因此称为同步数字体系）。运营商网络上的某个位置将是主要参考源。该源分布在 SDH 网络或单独的同步网络上。

如果主源不可用，每个节点都可以切换到备份源。定义了各种质量级别，节点将切换它可以找到的下一个最佳质量源。在节点使用输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。

节点可用的质量最低的源通常是其内部振荡器，在节点切换到其自己的内部时钟源的情况下，应尽快补救，因为随着时间的推移，节点可能开始生成错误。

仔细规划网络的同步策略非常重要，如果网络中的所有节点都尝试与同一侧的邻居同步，您将得到称为定时循环的效果，如上所示。当每个节点尝试相互同步时，该网络将很快开始生成错误。

SDH层次结构

下图展示了有效负载是如何构建的，它并不像乍看起来那么可怕。接下来的几张幻灯片将解释如何从较低级别的有效负载构建 SDH 信号。

STM-1框架

该帧由 9 行开销和 261 个有效负载字节组成。

该帧按行传输，如下图所示。连续传输 9 个开销字节，然后是 261 个字节的有效负载，然后以类似的方式传输下一行，直到传输整个帧。整个帧在 125 微秒内传输。

STM-1 开销

开销的前 3 行称为转发器部分开销。第 4 行形成 AU 指针，最后 5 行保存复用段开销。

为了解释不同类型的开销，请考虑一个系统，其中有效负载在到达从中添加/删除的 ADM 之前会经过多个中间再生器。

中继器部分开销用于任意两个相邻节点之间的通信和监视。

多路复用部分开销用于具有添加/删除设施（例如 ADM）的两个节点之间的通信和监视。

在较低级别，还存在在支路级别添加的路径开销，这些将在稍后更详细地讨论。

对不同开销警报的监控可以更轻松地查明网络上的问题。RS 警报表明两个节点之间的 HO SDH 侧存在问题，而如果调查 MS 警报，则可以排除再生器节点的问题。

SDH 路径追踪

路径跟踪对于查明节点之间的互连问题非常有用。两个节点之间的光学框架内可能存在各种物理互连，例如接头和补片。每个节点都由网络运营商配置为发送标识它的唯一字符串。

每个节点还配置有应从其相邻节点接收的字符串。

如果节点接收到的路径跟踪与它们期望的路径跟踪相匹配，则一切正常。

如果接收到的路径跟踪与节点期望的跟踪不匹配，则表明节点之间的连接存在问题。

SDH管理

部分开销中包含的 DCC 通道可以轻松管理 SDH 网络。连接到网络上的节点的网络管理系统可以使用DCC通道与网络上的其他节点进行通信。连接到 DCN 网络的节点称为网关节点，出于弹性目的，网络上通常有多个网关节点。

SDH 网络弹性

在环配置中，流量从始发 ADM（分插复用器）绕环发送两条路由。在任何信号不被丢弃的 ADM 处，它只是简单地通过。尽管流量通过两条路由绕过环路，但只有一条路由用于从接收 ADM 处提取流量，该路由是活动路由或路径。另一条路由称为备用路由或路径。

如果活动路径上存在光纤断裂，接收 ADM 将使用备用信号作为活动路径进行切换。这样可以快速自动恢复客户的流量。当光纤断裂修复后，环路不会自动切换回来，因为这会导致进一步的流量“命中”，但会使用它作为备用路径，以防未来新的活动路径出现故障。丢失流量的 MUX 将使用 K 字节将保护交换机发信号回原始 MUX。

手动环网切换也可以从网管中心或由工程师操作的本地终端进行。

NGN-波分复用技术

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，每个光信号占用一个可用的总波长窗口的牵引力较小。

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。该技术当时被命名为密集波分复用（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

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，一根用于向上的邻居发送信号，一根用于从上的邻居接收信号。

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 和 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 网络是独立于协议的。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，它将丢弃接收到的蓝色通道，反之亦然。为了在两个方向上放大，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水平。未均衡的波长在传输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，源设备可以具有可变输出光发射器，这允许工程师通过源设备处的软件来调整光功率。

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。

波分复用组件

WDM 组件基于各种光学原理。下图描述了单个 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，光解复用器分离每个波长，将其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。光开关能够构建光网络，因此可以将给定的光信号路由到其适当的目的地。

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，信号被复用并注入到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 已被研究多年。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，管理系统通过光器件（放大器、接收器）的监控、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，在光层之上运行的透明光服务支持各种传统电子网络技术，例如SDH、ATM、IP和帧中继，是未来可能出现的情况。

光学层进一步分为三个子层 -

• 光通道层网络，与OTN客户端对接，提供光通道（OCh）。

• 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。

然而，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 在光域中复用在一起，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 可以复用以形成 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。

波分复用环

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。

例如，这些功能可用于提供 SDH 技术中无可比拟的保护级别。换句话说，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中的跨段倒换，不同之处在于即使是两个光纤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。

一旦 WDM 环启动，就需要根据要支持的流量模式建立光路。

网状波分复用网络

Mesh 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
• 区域网络
• 骨干网

波分复用网络基础设施

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是实用的。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。

主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 帧格式目前正在定义中。下图举例说明了 SDH 帧封装为 OCh 帧的情况。

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 将分出 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。

这对光层中的波长选择提出了额外的限制，因为如果不提供波长转换，最后一跳波长（与 SDH 设备接口的波长）必须与 SDH 设备用于终止光路的波长相同SDH 设备内。

WDM 链路

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。

向全光传送网演进

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费用。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。

那么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。

NGN - 微机电系统

DWDM 使用一组大约 1,553 nm 的光波长（或通道），通道间隔为 0.8 nm (100 GHz)，每个波长可以承载高达 10 Gbps (STM 64) 的信息。可以组合 100 多个这样的通道并在单根光纤上传输。人们正在努力进一步压缩通道并提高每个通道的数据比特率。

实验上，80 个通道的传输已在 300 公里的长度上成功测试，每个通道在单根光纤上承载 40 Gbps（相当于 3.2 Tbits/秒）。点对点和基于环的 DWDM 光网络的部署需要一种新型网络元件，该网络元件可以在运行时操纵信号，而无需进行昂贵的 OEO 转换。光放大器、滤波器、光分插复用器、解复用器和光交叉连接是一些重要的网络元件。MEMS 在此类网络元件的设计和开发中发挥着重要作用。

MEMS 是微机电系统的缩写。它用于制造超小型设备，尺寸从几微米到几厘米。它们与 IC 非常相似，但能够将移动机械部件集成在同一基板上。

MEMS 技术起源于半导体行业。它们是使用类似于 VLSI 的批量制造工艺制造的。典型的 MEMS 是芯片上的集成微系统，除了电气、光学、流体、化学和生物医学元件之外，还可以集成移动机械部件。

从功能上讲，MEMS 包括多种渗出机制，可将信号从一种形式的能量转换为另一种形式的能量。

许多不同类型的微传感器和微执行器可以与信号处理、光学子系统和微计算集成，形成完整的片上功能系统。MEMS 的特点是在同一基板上包含可移动的机械部件。

由于尺寸小，可以在几乎无法放置机械设备的地方使用MEMS；例如，在人体的血管内。MEMS 设备的开关和响应时间也比传统机器短，并且功耗更低。

微机电系统的应用

如今，MEMS 已在各个领域得到应用。电信、生物科学和传感器是主要受益者。基于 MEMS 的运动、加速度和应力传感器正在飞机和航天器中大量部署，以提高安全性和可靠性。微微卫星（重约 250 克）被开发为检查、通信和监视设备。它们使用基于 MEMS 的系统作为有效载荷以及轨道控制。MEMS用于喷墨打印机的喷嘴和硬盘驱动器的读/写头。汽车行业正在“燃油喷射系统”和安全气囊传感器中使用 MEMS。

设计工程师正在将 MEMS 融入他们的新设计中，以提高产品的性能。它降低了制造成本和时间。将多种功能集成到 MEMS 中可实现更高程度的小型化、更少的元件数量并提高可靠性。

设计和制造技术

在过去的几十年里，半导体行业已经发展成熟。MEMS的发展很大程度上受益于这项技术。最初，用于集成电路 (IC) 设计和制造的技术和材料直接用于 MEMS 开发，但现在许多 MEMS 专用的制造技术正在开发中。表面微机械加工、体微机械加工、深反应离子蚀刻 (DRIE) 和微成型是一些先进的 MEMS 制造技术。

使用微加工方法，沉积多层多晶硅（通常为 1-100 毫米厚）以形成具有金属导体、镜子和绝缘层的三维结构。精确的蚀刻工艺选择性地去除下衬膜（牺牲层），留下被称为能够机械运动的结构层的覆盖膜。

表面微机械加工用于商业批量制造各种 MEMS 设备。在蚀刻过程之前和之后可以看到多晶硅和金属层。

体微机械加工是另一种广泛使用的形成 MEMS 功能组件的工艺。对单晶硅进行图案化和成形，形成高精度三维部件，如通道、齿轮、薄膜、喷嘴等。这些部件与其他部件和子系统集成，以生产功能齐全的 MEMS。

MEMS 处理和 MEMS 组件的一些标准化构建块是多用户 MEMS 工艺 (MUMP)。这些是导致 MEMS 特定应用方法的平台的基础，该方法与在集成电路行业非常成功的特定应用方法 (ASIC) 非常相似。

全光 DWDM 网络和 MEMS

当今的电信专家面临着前所未有的挑战，需要适应电信网络中不断扩大的高带宽服务。由于互联网和互联网服务的扩展，带宽需求呈指数级增长。密集波分复用 (DWDM) 的出现解决了这一技术稀缺问题，并彻底改变了核心光网络的经济性。

DWDM 使用一组 1553 nm 左右的光波长（或通道），通道间隔为 0.8 nm (100 GHz)，每个波长可以承载高达 10 Gbps (STM 64) 的信息。可以组合 100 多个这样的通道并在单根光纤上传输。人们正在努力进一步压缩通道并提高每个通道的数据比特率。

实验上，80 个通道的传输，每个通道在单根光纤上传输 40 Gbits/秒（相当于 3.2 Tbits/秒），已在 300 公里的长度上成功进行了测试。点对点和基于环的 DWDM 光网络的部署需要一种新型网络元件，该网络元件可以在运行时操纵信号，而无需进行昂贵的 OEO 转换。光放大器、滤波器、光分插复用器、解复用器和光交叉连接是一些重要的网络元件。MEMS 在此类网络元件的设计和开发中发挥着重要作用。我们将详细讨论光分插复用器 (OADM) 和光交叉连接 (OXC)。

光开关的突破

贝尔实验室的科学家于 1999 年展示了一种实用的基于 MEMS 的光开关。它的功能就像一根一端带有镀金微型镜子的跷跷板。静电力将杆的另一端向下拉，抬起镜子，以直角反射光线。因此，入射光从一根光纤移动到另一根光纤。

事实上，技术上的成功是各种设备和系统的构建模块，例如波长分插复用器、光配置交换机、光交叉连接和 WDM 信号均衡器。

光分插复用器

与基于环的SDH/SONET网络类似，基于DWDM的全光网络也开始起飞。SDH 网络设计者已经确立了基于环的网络相对于网状网络的优越性。在全光环中，可以预留带宽(ls)用于保护目的。光分插复用器 (OADM) 在功能上与 SDH/SONET 分插复用器 (ADM) 类似。可以从多波长光信号中添加或删除一组选定的波长(ls)。OADM 消除了昂贵的 OEO（光到电和反）转换。

如上所述的光开关的二维矩阵用于制造这种 OADM，提供的灵活性非常小。另一方面，可重新配置分插复用器 (R-OADM) 可实现充分的灵活性。可以访问、删除任何经过的通道，也可以添加新通道。可以更改特定通道的波长以避免阻塞。这种光开关或 OADM 被称为 2D 或 N2 开关，因为所需的开关元件数量等于端口数量的平方，并且因为光仅保留在二维平面中。

八端口 OADM 需要 64 个单独的微镜，并在 MEMS 设备上进行控制。它与电话交换机中使用的“交叉开关”交换机非常相似。

这种光开关经过了严格的机械和光学测试。平均插入损耗小于 1.4 db，在 100 万次循环中具有 ± 0.25 db 的出色重复性。具有大于32×32（1024个切换镜）的配置的2D/N2型OADM实际上变得难以管理且不经济。多层较小的交换结构用于创建更大的配置。

光交叉连接

贝尔实验室创新的光开关技术已经克服了 2D 型光开关的局限性。它通常被称为“自由空间 3-D MEMS”或“光束转向”。它采用一系列双轴微镜作为光开关。微镜通过一组扭力弹簧安装在一组交叉耦合的万向环的一个轴上。这种布置允许镜子沿着两个垂直轴以任何所需角度移动。镜子由施加在镜子下方四个象限的静电力驱动。使用 MEMS 技术复制完整的微镜单元，形成 128 或 256 个微镜的“交换结构”。

准直输入光纤阵列与一组镜子对齐，通过将镜子在 X 和 Y 轴上倾斜到与准直输出光纤对齐的第二组镜子，可以重新引导光线。通过将一组镜子精确对准输入和输出光纤，可以实现所需的光连接。这个过程称为“光束转向”。

3D MEMS开关的切换时间小于10毫秒，微镜极其稳定。与 OEO 型交叉连接相比，基于该技术的光交叉连接具有多种独特的优势。OXC 具有高容量、可扩展、真正独立于数据比特率和数据格式的特点。它可以智能地路由光通道，无需昂贵的 OEO 转换。低占地面积和低功耗是全光交换技术的额外优势。

NGN - 各种 WDM

早期的 WDM 系统传输两个或四个间隔很宽的波长。WDM 以及 CWDM 和 DWDM 的“后续”技术已经发展成熟