科创学院上课课件WDM基础理论.ppt

1、,WDM基础理论,一、光波分复用技术概述,1.1 光波分复用系统基本原理 1.2 WDM光网络的演变与发展方向,1.1 光波分复用系统基本原理,WDM Wavelength Division Multiplexing 在一根光纤中同时传输多波长光信号的技术 不同信道的信号采用不同的波长（频率）的光载波，多路光信号通过光学复用后在同一条光纤中传输，在接收端同样需要采用光学的方法解复用而获得每一信道的信号。,1.1 光波分复用系统基本原理,波分复用器,波分解复用器,光纤,1.1 光波分复用系统基本原理,DWDM密集波分复用 Dense Wavelength Division Multiplexin

2、g 同一传输窗口中信道间隔较小的波分复用,光纤损耗谱图,O波段,E波段,S波段,C波段,L波段,标准单模光纤（G.652）,无（低）水峰光纤（G.652C）,非零色散位移光纤（G.655）,1280 1360 1460 1530 1565 1625,波长(nm),损耗（dB/km）,WDM光传输网络,就发展而言，如果某一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通

3、道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活动态地建立和释放，这个光层就是WDM全光网络。,WDM系统的基本形式,双纤单向传输,光发射机,光发射机,光接收机,光接收机,复用器,解复用器,光纤放大器,光接收机,光接收机,光发射机,光发射机,解复用器,复用器,光纤放大器,WDM系统的基本形式,单纤双向传输,光发射机,光发射机,光接收机,光接收机,复用/解复用器,光纤放大器,光接收机,光接收机,光发射机,光发射机,复用/解复用器,WDM系统总体结构,光转发器 1,光转发器 n,光接收器 1,光接收器 n,光合波器,光合波器,BA,LA

4、,BA,网络管理系统,光监控信道发送器,光监控信道接收器,光监控信道接收/发送器,1.2 WDM光网络的演变与发展方向,早期WDM点到点传输系统,TX,TX,TX,TX,RX,RX,RX,RX,DXC,DXC,Mux,DMux,1.2 WDM光网络的演变与发展方向,固定波长OADM完成上下波长功能,TX,TX,TX,TX,RX,RX,RX,RX,DXC,DXC,OADM,DXC,Mux,DMux,1.2 WDM光网络的演变与发展方向,可变波长OADM组成WDM环网络,DXC,OADM,DXC,OADM,DXC,OADM,DXC,OADM,1.2 WDM光网络的演变与发展方向,引入OXC后的WD

5、M光网络,OXC,DXC,OADM,DXC,OADM,DXC,OADM,OADM,OADM,OXC,1.2 WDM光网络的演变与发展方向,WDM光网络的不足 （1）不能快速、高质量为用户提供各种带宽服务和应用，如“波长租用”，“光VPN”等； （2）无法进行实时的流量工程控制，不能根据数据业务的需求，实时动态地调整网络的逻辑拓扑结构以避免拥塞，实现资源的最佳配置； （3）光网络的保护和恢复功能有待加强； （4）设备的互操作性和网络可扩展性差；,1.2 WDM光网络的演变与发展方向,解决方案： 自动交换传送网（ASTN：Automatic Switched Transport Networks）

6、 自动交换光网络（ASON： Automatic Switched Optical Networks ）,二、WDM系统的功能结构和基本描述,2.1 基于SDHWDM点到点系统的WDM网络 2.2 WDM全光网络 2.3 WDM环形网络,2.1 基于SDHWDM点到点系统的WDM网络,1.承载SDH客户层信号的WDM分层结构 光通道层为各种业务信息提供光通道上端到端的透明传送； 光复用段层为多波长光信号提供联网功能； 光传输段层为光信号提供在各种类型的光纤上传输的功能；,再生段层,光通道层,光复用段层,光传输段层,物理层网络,两类WDM系统 集成式WDM系统,SDH,SDH,SDH,复 用 器

7、,EDFA,EDFA,解 复 用 器,SDH,SDH,SDH,要求：SDH终端必须具有满足G.692的光接口，包括标准的光波长和满足长距离传输的光源。即需要把标准的光波长和长色散受限距离光源集成在SDH系统中。 特点：系统构造比较简单，没有增加多余设备。,两类WDM系统 开放式WDM系统,SDH,SDH,SDH,复 用 器,EDFA,EDFA,解 复 用 器,SDH,SDH,SDH,OTU,OTU,OTU,OTU,OTU,OTU,.957,.957,.692,.692,OTU：光波长转发器。输出端为G.692光接口。即标准的光波长和长色散受限距离光源。在不改变光信号数据格式的情况下，把光波长按

8、照一定要求重新转发，以满足WDM系统要求。 开放式：在同一WDM中，可接入不同厂商的SDH系统。,2.2 WDM全光网络,WDM全光网络包括一组节点的集合和一组点到点的光纤链路的集合。,WDM全光网络的物理拓扑结构,网络的物理拓扑网络节点的物理连接关系，从组成上看，它是网络节点与光缆链路的集合。,WDM全光网络的逻辑拓扑结构,网络的逻辑拓扑网络节点之间的业务连接（分布）关系，与物理拓扑紧密联系。,M,S,S,S,M1,S,S,S,M2,单星型,双星型,平衡型,网孔型,物理拓扑与逻辑拓扑比较,物理拓扑网络节点和WDM链路的物理连接结构，不能随业务的改变而随时改变； 逻辑拓扑节点之间的业务连接，可

9、由软件配置而比较容易改变； （1）物理拓扑基础是节点间的物理连接； 逻辑拓扑基础是节点间的业务连接； （2）物理拓扑反映了物理媒质层的连接关系，拓扑的复杂度与网络节点的端口数量紧密相关； 逻辑拓扑反映了光通道层的网络连接、传输和处理功能，拓扑的复杂度与节点的端口数量、复用的波长数量以及网络的功能结构直接相关；,物理拓扑与逻辑拓扑比较,（3）物理拓扑设计是以满足网络业务需求为目的，对网络节点的地理分布和节点之间的物理连接关系进行优化的过程； 逻辑拓扑设计是依据已有的物理拓扑，以提高网络营运指标为目的，优化光通道层网络功能的过程。；,拓扑结构的主要议题,第一类：“网络设计”问题 即已知网络的业务需

10、求和物理拓扑，确定网络的配置，包括光纤对数、节点交叉连接的规模、需要的光放大器以及光载波复用器等。 可以在静态业务条件下优化波长资源，使网络需要的波长数目最小。 比如静态业务下的选路和波长分配（RWA，Routing and Wavelength Assignment）,拓扑结构的主要议题,第二类：“网络营运”问题 即对给定的网络（已知拓扑和资源），在已知或可以预测业务量的平均分布情况下，假设实际业务需求的变化是随机的，则网络可能存在的一定的阻塞概率。 可以看作是动态业务条件下的RWA问题。,拓扑结构的主要议题,网络的保护和恢复是保证网络正常运转的重要手段，应该在网络的初始设计中仔细考虑。 本

11、质上讲，网络的保护问题是网络的冗余性设计问题。 网络的冗余性设计不但涉及到网络的物理拓扑设计，还与网络业务的安排有重要的关系。 实际的网络都有一定的冗余度，一旦工作通道出现故障，可以使用网络的冗余容量为工作容量提供保护，从而维持网络的正常运转，保证网络业务的畅通。,2.3 WDM环形网络,单向两纤环 双向两纤环 四纤WDM环 多纤环,单向两纤环,A,C,B,D,工作光纤,保护光纤,波长2 直通,上 / 下,节点之间的通信业务由预定波长携带， 对应的来业务方向和去业务方向是同向传输。节点之间通过波长连接实现通信。,为了简化网络设计，可以使用上下固定波长的设计。,单向两纤环分布式光源,每个环网节点

12、都在本地产生与其他节点通信使用的光载波。 要求： 统一调配节点的波长资源。 增加了光源稳定性和精度控制的难度，提高了系统造价。,单向两纤环光源子系统,A,C,B,D,工作光纤,保护光纤,1:N无源星型耦合器,多波长光源,单向两纤环集中波长提供,A,C,B,D,工作光纤,保护光纤,多波长光源,中心节点,从节点1,从节点3,从节点2,上路波长,下路波长,双向两纤环,在双向环中，一个双向光通道使用在相同路由上反向传输的波长组来建立。 两种实现方式： （1）单纤双向传输方式 工作通道占用一根光纤，由该单根光纤实现双向业务传输，另外一根光纤用作保护； （2）双纤双向传输方式 工作通道占用两根光纤，内外环

13、复用的波长一半用作传输业务，一半波长保留用来提供保护能力；,双向两纤环单纤双向传输,A,C,B,D,工作光纤,保护光纤,特点：需要双向的波分复用器和双向的光放大器，网络节点必须具有同时处理双向传输波长的能力。,单纤双向传输双向OADM节点,倒 换,倒 换,BADM,控制,双向光放大器,BADM,双向波长分插复用模块,双向两纤环双纤双向传输,A,C,B,D,工作光纤,工作光纤,工作波长组（1N/2） 保护波长组（1N/2）N,工作波长组（1N/2）N 保护波长组（1N/2）,注：节点无波长转换能力时,双向两纤环双纤双向传输,两种情况： （1）节点不提供波长变换能力时，考虑到环路保护的需要，建立一

14、条双向通道时内外环的工作波长组不一样。 （2） ）节点提供波长变换能力时，内外环的可以使用一样的波长组，也可以使用不同的波长组。（依据网络的波长分配方案确定） 双向两纤环的主要优点波长重用能力 在网络波长总量不变的情况下，能够提供比单向两纤环更多的通信通道，大大提高环形网络波长的使用效率。,WDM四纤环,A,C,B,D,工作光纤,保护光纤,WDM多纤环,A,C,B,D,N,N,采用了空间复用方式（不同的光纤传输）,相邻节点间使用多于4根光纤连接。所有光纤可分为顺时针和逆时针两组，每组为N条光纤。可以采用两纤环方式组织，也可以用四纤环方式组织。,WDM多纤环,A,C,B,D,N,N,采用了空间复

15、用方式（不同的光纤传输）,相邻节点间使用多于4根光纤连接。所有光纤可分为顺时针和逆时针两组，每组为N条光纤。可以采用两纤环方式组织，也可以用四纤环方式组织。,三、WDM的节点结构,3.1 光交叉连接OXC 3.2 光分插复用OADM,3.1 光交叉连接OXC,OXCOptical Cross Connecter 光交叉连接（ OXC ）是光网络最重要的网络元件，在WDM网络中，OXC要完成两个功能： （1）光通道的交叉连接功能 （2）本地的上下路功能,光交叉连接OXC的性能指标,1、是支持波长通道还是虚波长通道 2、阻塞特性 3、链路模块性 4、波长模块性 5、广播发送能力 6、成本,光交叉连

16、接OXC节点结构,OXC的光交换模块中可采用两种基本交换机制： 空间交换 、波长交换 光开关 实现空间交换 波长变换器 实现波长交换 根据选路功能主要是由哪种器件实现，OXC可分为两大类： 基于空间交换的OXC 基于波长交换的OXC,1、基于空间交换的OXC节点结构,1.1 基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构 1.2 基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构 1.3 基于分送耦合开关OXC结构 1.4 基于平行波长开关OXC结构,1.1 基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构（a）,特点：无波长变换器，只能支持波长通道；具有波长模块性，不具有链路模块性，不具

17、有广播发送能力。,1 2 Nf,1 2 Nf,空分光开关矩阵,波分复用器,波分解复用器,1.1 基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构 （b）,MNMN 空间 开关 矩阵,DXC,发送模块,接收模块,波长变换器,特点：有波长变换器，支持虚波长通道；不具有波长模块性和链路模块性，不具有广播发送能力。,1 2 Nf,1 2 Nf,1.2 基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构（a）,1 2 Nf,1 2 Nf,特点：无波长变换器，只能支持波长通道；具有波长模块性，不具有链路模块性，具有广播发送能力。,星型耦合器,可调谐滤波器,1.2 基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构

18、（b）,1 2 Nf,1 2 Nf,NN,NN,NN,DXC,发送模块,接收模块,1,2,M,特点：有波长变换器，支持虚波长通道；具有波长模块性，不具有链路模块性，具有广播发送能力。,可调谐滤波器,星型耦合器,波长变换器,1.3 基于分送耦合开关OXC结构（a）,1 2 Nf,1 2 Nf,NN,NN,NN,DXC,发送模块,接收模块,1,2,M,特点：有波长变换器，支持虚波长通道；具有波长模块性，不具有链路模块性，具有广播发送能力。,星型耦合器,波长变换器,波分解复用器,分送耦合开关,1.3 基于分送耦合开关OXC结构（b）,1 2 Nf,1 2 Nf,特点：能支持虚波长通道；不具有波长模块

19、性，具有链路模块性，具有广播发送能力。,星型耦合器,波长变换器,分送耦合开关,MN分送耦合开关结构,特点：即可将多个输入波长耦合到一个输出端，也可将一个输入波长广播发送到多个输出端，具有广播发送能力。,星型耦合器,12光开关,1 2 M,1 2 N,1.4 基于平行波长开关OXC结构,波长变换器,可调谐滤波器,空间交换矩阵,特点：能支持虚波长通道；不具有波长模块性，具有链路模块性，具有广播发送能力。,2、基于波长交换的OXC节点结构,2.1 基于阵列波导光栅复用器的多级波长交换OXC结构 2.2 完全基于波长交换的OXC结构,2.1 基于阵列波导光栅复用器的多级波长交换OXC结构,特点：有波长

20、变换器，支持虚波长通道；具有波长模块性，不具有链路模块性，不具有广播发送能力。,11波长变换器,阵列波导光栅复用器,波分解复用器,波分复用器,1 Nf,1 Nf,11波长变换器,特点：完成将M个输入波长转换为R个内部波长中某个波长的功能。当R=(2M-1)/N*N时，可实现绝对无阻塞的虚波长通道交叉连接,波分解复用器,星型耦合器,1,1,1,M,2.2 完全基于波长交换的OXC结构,特点：支持虚波长通道；具有波长模块性，具有链路模块性，具有广播发送能力。,发送模块,接收模块,DXC,A W G M,1 Nf,1 Nf,可调谐滤波器,一般波长变换器（MN个）,星型耦合器,11波长变换器(Nf个)

21、,OXC节点结构比较与讨论,支持虚波长通OXC能充分利用有限的波长资源，提高波长利用率； 但是否采用波长变换器和采用何种波长变换器仍需根据器件的发展水平和系统的实际需求来决定； （1）在不采用波长变换器的结构中，1.1（a）所示结构最简单实用； （2）1.2所示结构有广播能力，但耦合器可调谐滤波器的损耗大于波分复用器，滤波性能也较差，传输性能不如1.1； （3）如果分送耦合开关的性能满足要求，1.3的结构很有优势；,OXC节点结构比较与讨论,（4）由于可用波长数量有限，网络的扩容将更多通过增加链路数来进行，因此链路模块性更为重要，1.3（a）结构更为实用； （5）1.4所示结构的缺点是损耗太大

22、，需要光放大器进行补偿，影响了传输性能并增加了成本； （6）2.1和2.2所示结构都是采用了内部波长的概念在波长域上实现交换，缺点是对波长变换器和可调谐滤波器的要求过高。,OXC的研究热点问题,实用的OXC的节点一般还应该包括光监控模块、光功率均衡模块、光放大模块，并具有完善的网络管理系统，不仅能对网元实现监控和管理，并能实施波长路由算法，实现网络的动态重构和故障的自动恢复。 研究热点：OXC节点结构，保护恢复算法，OXC与OADM的组网方案等。,3.2 光分插复用OADM,OADMOptical Add/Drop Multiplexer 光分插复用（OADM）可以看作是OXC的功能简化。 （1）从传输设备中有选择地下路（Drop）通往本地的光信号； （2）上路（Add）本地用户发往另一节点用户的光信号； 在光域实现传统SDH设备中的电分插复用器在时域的功能，相对更具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号。,3.2 光分插复用OADM,一般，OADM包括解复用、分插控制滤波单元、复用单元三部分。 基本形式： （1）分波器空间交换单元合波器； （2）耦合单元滤波单元合波器； （3）基于声光可调谐滤波器（AOTF）； （4）基于波长