第11章+城域传输网设计

第11章城域传输网设计11.1SDH骨干传输网络【重点】11.2DWDM骨干传输网络【重点】11.3电信级以太城域网设计111.1SDH骨干传输网络

211.1SDH骨干传输网络11.1.1SDH网络工作原理ITU-T在SONET基础上制定了SDH（同步数字系列）标准。1．SDH帧结构SDH采用以字节为基础的矩形块状帧结构。基本帧结构为STM-N（同步传输模块）。STM-1帧：9行×270列=2430Byte帧传输原则：按帧结构顺序，从左到右，自上至下逐个字节传输，传完一行再传下一行，传完一帧再传下一帧。311.1SDH骨干传输网络[P291图11-1]STM-1帧结构411.1SDH骨干传输网络[P291图11-1]STM-4帧结构511.1SDH骨干传输网络ITU-T规定，任何级别的STM-N帧，帧频都是8000帧/秒，帧周期恒为125μs。STM-1的传输速率为：8000×2430×8=155.52Mbit/s。STM-N帧开销和位置是固定的，与负载无关。SDH帧可以封装各种信息（如Ethernet、E1、PPP等），因此SDH可用于集成新的服务。在SDH链路上使用PPP封装，因此可以在SDH传输网上实现IPoverSDH。611.1SDH骨干传输网络2．SDH的容器容器主要完成速率调整功能。ITU-T规定了5种标准容器：C11、C12、C2、C3、C4，我国只采用C12、C3和C4三种容器。由标准容器出来的数据流加上通道开销后，就构成了虚容器（VC），它用于支持通道层的连接。711.1SDH骨干传输网络3．SDH的映射、定位和复用将低速支路信号复用为SDH标准速率信号，要经历映射、定位和复用3个步骤。映射将支路信号适配进虚容器（VC）。定位将帧偏移信息收进支路单元。复用将多个信道的信号复合起来，在一个公共信道上进行传输。811.1SDH骨干传输网络[P292图11-2]我国采用的SDH复用与映射结构911.1SDH骨干传输网络4．字节间插复用字节间插是将低级别的STM，向高级别的STM复用的方式。例如，STM-4的模块容量是STM-1的4倍，字节间插就是有规律地分别从4个STM-1中，依次抽出1个字节插入到STM-4中，在以上过程中，STM保持帧频不变（8000帧/秒）。1011.1SDH骨干传输网络由于支路信号在STM-N帧中的位置固定，因此可直接分出或插入。可以用字节间插复用方式，将低速信号插入到高速STM-N模块中；也可以用字节间插复用方式，从高速STM-N信号中分出低速支路信号。信号分出和插入设备称为ADM（分插复用器）。1111.1SDH骨干传输网络[案例]信号的分出与插入1211.1SDH骨干传输网络11.1.2SDH传输网络接口1．光接口与电接口ITU-TG.957将光接口分为三类：局内通信光接口短距离局间通信光接口长距离局间通信光接口1311.1SDH骨干传输网络2．SDH接口速率等级ITU-T规定了SDH接口标准速率等级；基本等级STM-1的速率为155.52Mbit/s；高等级的同步传输模块，可以由低等级的模块复接而成，复接个数是4的倍数。例如：STM-4＝STM-1×4；STM-16＝STM-4×4；STM-64＝STM-16×4等。1411.1SDH骨干传输网络[案例]SDH光接口类型1511.1SDH骨干传输网络3．SDH设备接口（1）SDH电接口E1（2Mbit/s）电接口；75Ω同轴接口；STM-1155Mbit/s电接口；100/1000M以太电接口等。（2）同步时钟接口外接高精度时钟源（如BITS）接口；如符合G.703建议的2.048MHz外同步时钟接口接口为75Ω同轴接插件。1611.1SDH骨干传输网络（3）数字通信及设备维护接口。X.25接口，作网络管理接口；RS232接口，作网元管理接口；以太网接口，作网络管理接口；N×64kbit/s接口，作数据通信接口；RS422数据接口；RJ11接口，作公务电话接口等。（4）电源接口。给设备子架提供-48V电源进行电源告警管理1711.1SDH骨干传输网络11.1.3SDH传输网络的同步1．信号的同步同步是数字信号在传输时，速率必须保持一致。（1）位同步收发两端的时钟频率必须同频、同相。常用方法是接收端直接从接收到的信号码流中提取时钟信号，作为接收端的时钟基准，使收发双方时钟保持同步。（2）帧同步实现数据和语音信号的正确分路。1811.1SDH骨干传输网络（3）数字同步网（4）准同步在数字网中，各个节点分别设置高精度的独立时钟，速率的变化限制在规定范围内。通常国际通信时采用准同步方式。1911.1SDH骨干传输网络2．SDH同步网SDH同步的方法有主从同步和伪同步。（1）主从同步网络内设一时钟主局，配有高精度时钟，网内各局均以主局时钟为定时基准，并且逐级下控，直到网络终端局。一般用于国家、地区内部的数字网络。我国SDH网采用分级主从同步方式。2011.1SDH骨干传输网络[案例]时钟的主从同步2111.1SDH骨干传输网络（2）伪同步各数字交换局在时钟上相互独立，毫无关联，而各数字交换局的时钟都具有极高的精度和稳定度，一般用铯原子钟。由于铯原子钟精度高，误差很小，接近同步。伪同步方式一般用于国际数字传输网络中。2211.1SDH骨干传输网络11.1.4SDH传输网设计技术1．SDH传输网络设备大部分SDH器件以插板形式，集中安装在机柜中。[P395图11-5]SDH信号交换方式2311.1SDH骨干传输网络（1）TM（终端复用器）将多路低速信号复用成为1路高速信号，或者将1路高速信号分接成多路低速信号。（2）ADM（分插复用器）应用最广泛的设备，用于SDH网络的中间局站。主要功能：在高速信号中分出或插入部分低速信号；进行不同VC（虚容器）之间的互连；构成自愈环网络。2411.1SDH骨干传输网络（3）DXC（数字交叉连接设备）对接入端口的速率进行控制；分接/插入功能；分离业务功能；电路调度功能；简易网络配置功能；网关功能；网络保护倒换功能；测试设备接入功能等。2511.1SDH骨干传输网络（4）REG（再生中继器）延长传输距离，不能上/下电路。纯光再生中继器，主要进行光功率放大，以延长光传输距离；电再生中继器，通过光/电变换，电信号抽样、判决、再生整形，电/光变换，达到消除线路噪声，保证线路传送信号波形的完好。2611.1SDH骨干传输网络2．SDH网络拓扑结构SDH网络支持的拓扑结构有：点到点、链路形、环形、星形和网状形等[P296图11-6]SDH网络基本结构2711.1SDH骨干传输网络[案例]SDH系统组成2811.1SDH骨干传输网络3．自愈环网络发生故障时，无需人为干预，网络自动在极短的时间内（ITU-T规定为50ms），使业务自动从故障中恢复传输。自愈是通过备用信道将失效的业务自动恢复，不涉及具体故障部件和线路的修复。故障的修复仍然需要人工干预才能完成。2911.1SDH骨干传输网络5．SDH城域传输网设计案例（1）设计目标（2）组网方案（3）传输系统（4）设备配置（5）结构设计（6）网管系统（7）业务功能及实现（8）网络时钟同步3011.1SDH骨干传输网络[案例]SDH网络应用案例3111.1SDH骨干传输网络[案例]SDH网络应用案例3211.1SDH骨干传输网络[案例]SDH网络应用案例3311.1SDH骨干传输网络[案例]SDH网络应用案例3411.1SDH骨干传输网络[案例]SDH网络应用案例3511.1SDH骨干传输网络[案例]SDH网络应用案例3611.1SDH骨干传输网络[案例]SDH网络设备3711.2DWDM骨干传输网络3811.2DWDM骨干传输网络11.2.1DWDM网络工作原理1．WDM系统工作原理波分复用（WDM）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。WDM是一种物理层技术，它可以传送任何格式的信号。WDM采用频分复用（FDM）技术，每个波长信道在光谱中占用一定的频率。WDM采用一系列特定长度的标准光波长。3911.2DWDM骨干传输网络2．DWDM与CWDMWDM系统按照波长信道间距不同，分为CWDM（粗波分复用）和DWDM（密集波分复用）。一般认为：波长信道间距大于1nm，且信道总数少于18个时，称为CWDM；如果波长信道间距小于1nm，且信道总数大于18个，则称为DWDM系统。现有的商用WDM系统大部分是DWDM系统。4011.2DWDM骨干传输网络3．单纤双向传输单纤双向传输可以减少光纤和线路放大器的数量。双向传输的DWDM系统设计复杂。目前DWDM系统大部分采用单纤单向传输。对于单纤双向传输的DWDM系统，我国没有完全禁止，但也并不提倡。EPON系统是采用时分复用的单纤双向传输系统。4111.2DWDM骨干传输网络4．WDM信道容量现有的成熟技术，在C波段（1530～1565nm）和L波段（1565～1615nm）采用0.8nm（100GHz）信道间距，可传送64个光信道；如果采用0.4nm（50GHz）信道间距，可传送128个光信道；CWDM采用20nm（2500GHz）信道间距，可以传输18个光信道。目前在单光纤上采用DWDM技术，商用总容量达到了3.2Tbit/s（80信道×40Gbit/s，烽火通信）4211.2DWDM骨干传输网络[案例]实验室DWDM系统性能4311.2DWDM骨干传输网络5．DWDM系统的优点DWDM系统与传送内容无关。DWDM可传送IP、SDH等数字信号，也可以传送CATV、视频监控、音频等模拟信号。不同波长的光信号可以在同一根光纤中独立传输而互不干扰，因此能在一根光纤中同时传输声音、视频、数据等多媒体信息，实现多业务综合。DWDM系统可以节约大量的光纤资源。4411.2DWDM骨干传输网络如果DWDM系统中的ROADM（可重构光分插器）和OXC（光交换机）设备能够商用化，就可以直接进行光交换，免除O-E-O（光-电-光）转换步骤，提升网络效率。DWDM系统扩容时，不需要改变原有的光纤设备，也不需要铺设光纤，只需要更换光端机或增加一个光波长，就可以进行容量扩充，因此DWDM是理想的扩容技术。4511.2DWDM骨干传输网络6．DWDM的发展（1）新调制码型不断应用。（2）信道间距不断变窄。（3）单信道传输速率不断提高。（4）光传输网（OTN）已经开始商业化试用。4611.2DWDM骨干传输网络7．DWDM系统存在的问题（1）网络管理仍不成熟。（2）性能管理有待研究。（3）不同厂商的DWDM产品兼容性较差。（4）一些重要的光器件不成熟。（5）随着信道间距的减小，相邻信道之间的信号光谱开始发生重叠。（6）设备费用仍然相当高。4711.2DWDM骨干传输网络11.2.2DWDM网络基本结构现在ITU-T还没有形成统一的WDM规范。1．集成式WDM系统和开放式WDM系统集成式WDM兼容性较差，应用不多。开放式WDM系统是在波分复用器前加入OTU（波长转换器），将SDH、Ethernet、CATV等不规范的波长转换为标准波长。开放式WDM系统可以实现不同厂商的DWM设备，工作在一个WDM系统内。4811.2DWDM骨干传输网络[P301图11-9]开放式WDM系统结构4911.2DWDM骨干传输网络[案例]DWDM系统结构5011.2DWDM骨干传输网络2．波长工作区的选择在1548～1560nm波长区内的16个波长，可充分利用EDFA的高增益区，更容易实现各信道的增益均衡。很容易在该区域的另一侧（1530～1545nm）开通另外16个波长，扩容为32信道的WDM系统。WDM系统对中心频率偏移有严格规定。信道间距为100GHz的16×2.5Gbit/s的WDM系统，到光信号终了时，波长偏移应不大于±20GHz。5111.2DWDM骨干传输网络3．WDM系统环路保护业务集中型网络多采用光通道保护环方式;业务分散型网络多采用光复用段保护环方式。（1）光通道保护环光通道保护环采用双发优收（单收）方式实现保护，一根光纤组成工作环路，另一根光纤组成保护环路。5211.2DWDM骨干传输网络1+1保护环结构：信号发送端同时向工作环路和保护环路发送数据，由接收端进行信号选收。不需要复杂的倒换协议，可靠性较高。1：1保护环结构：首端的连接是不确定的，产生保护倒换请求时，才进行保护首端的连接。缺点：光通道利用率低，成本较高。5311.2DWDM骨干传输网络（2）光复用段保护环只在光信道上进行1+1保护；不对终端设备进行保护；这种方法减少了成本。5411.2DWDM骨干传输网络[案例]4纤双向自愈环5511.2DWDM骨干传输网络4．WDM系统安全要求当输入的光信号功率迅速增大时，会使光放大器内部产生“光浪涌”现象，导致输出的光功率出现“尖峰”，其峰值功率可达到数十瓦。这种高功率的光信号非常危险，有可能烧坏光连接器件和光接收机。为了防止光浪涌，当检出光缆中断或信号中断时，系统应自动减小或切断向光放大器的馈送功率；链路状态恢复时，待光信号恢复一定时间后，再恢复光放大器的馈送功率。5611.2DWDM骨干传输网络11.2.3DWDM网络常用器件1．DWDM系统组成发射部分：光发射机，光波长转换器（OTU），光合波器（OMU）接收部分：光分波器（ODU），光接收机等传输部分：光线路放大器（LA），光分插复用器（OADM）等5711.2DWDM骨干传输网络监控部分：光监控通道（OSC）等；网管部分：工作站（WS），网络管理终端（EOT），管理软件等。5811.2DWDM骨干传输网络2．光端机（1）光发射机DWDM系统对波长、波长间距、中心频率偏移等有严格要求。（2）光接收机5911.2DWDM骨干传输网络3．掺铒光纤放大器（EDFA）（1）光放大器功能DWDM系统光放段距离为60～80km；光放大器不需要经过光-电-光（O-E-O）转换，可直接对光信号进行放大的有源器件。光中继放大器（REG）可对光信号进行O-E-O转换，并且对信号进行3R（再放大，再整形，再定时）处理；使用光中继放大器（REG）后，光信号传输距离可达到600km。6011.2DWDM骨干传输网络（2）光放大器的类型目前商用的光放大器：掺稀土元素的掺铒光纤放大器（EDFA）；半导体激光放大器（SOA）；非线性拉曼光纤放大器（SRA）。目前WDM系统大部分采用EDFA。6111.2DWDM骨干传输网络（3）EDFA工作原理EDFA由掺铒光纤、泵浦激光和耦合器等组成。EDFA是在石英光纤中掺入铒离子（E3+），使掺铒光纤具有受激放大功能；然后用高功率泵浦激光对掺铒光纤进行辐射激发，掺铒光纤受辐射激发后会对光信号进行放大。耦合器的功能是将光信号与泵浦激光混合。6211.2DWDM骨干传输网络[P304图11-11]掺铒光纤放大器基本结构6311.2DWDM骨干传输网络（4）EDFA技术性能980nm泵浦激光可以保持较低的噪声系数；1480nm泵浦激光可以获得较大的输出功率。出于激光安全性和光纤非线性的考虑，输出光功率一般限制在17dBm以下。光信号的放大与码率和信号格式无关。EDFA能把各波长光信号同时放大。WDM系统经过500～600km的传输后（中间需要OLA），必须使用光中继放大器（REG）对信号进行“光-电-光”转换和3R处理。6411.2DWDM骨干传输网络4．光合波器（OMU）与光分波器（ODU）（1）分波/合波器的功能。光合波器与光分波器也称为复用器/解复用器（MUX/DEMUX）。合波器是将不同波长的光信号结合在一起的器件；分波器将多波长信号分解为个别波长输出的器件。6511.2DWDM骨干传输网络（3）分波/合波器技术性能光栅型分波/合波器是一种无源器件；波长间距可缩小到0.51nm。插入损耗不会随信道的增多而增加；能实现32～131个波长的复用。光栅型分波/合波器对温度很敏感，因此必须采用温控措施。6611.2DWDM骨干传输网络[P305图11-12]光栅型分波/合波器工作原理6711.2DWDM骨干传输网络5．光波长转换器（OTU）将输入的光信号转换成满足G.692要求的光信号。大部分光波长转换器属于光-电-光型。光波长转换器功能：光信号恶化的情况下，进行光信号再生和放大；波长的上路与下路；光波长转换器可以接触电信号，它很容易进行开销处理。6811.2DWDM骨干传输网络6．光分插复用器（OADM）OADM的功能有选择地按需上下路波长；上下路波长不影响直通波长；对非标准波长与WDM标准波长进行转换；控制上下路波长的功率，补偿链路损耗；对波长进行管理和开销处理；满足光信号的常规要求。如最大信噪比（OSNR）;功率一致性;光损耗等。6911.2DWDM骨干传输网络7．光监控信道（OSC）使用中继放大器的WDM系统，需要增加一个额外的光监控信道，对光放大器的运行状态进行监控。一般采用1510nm波长，监控信号速率为2Mbit/s，信号发送功率为0～7dBm。7011.2DWDM骨干传输网络11.2.4DWDM传输网络设计1．DWDM网络对光纤的要求DWDM系统容易引发四波混频（一种光干扰信号）等现象。2．DWDM网络对设备的要求城域网传输距离一般在80km以内，对光纤的传输衰减不敏感，这免除了使用外部调制解调器和光放大器的要求，以及相应的信道均衡要求。7111.2DWDM骨干传输网络3．DWDM网络结构设计DWDM支持环型、链路型、网状型、树型等结构。长途传输网大多采用链路型和环型结构。WDM城域网大多采用环型结构。光通信设备故障率很低，故障大多来自光缆线路。7211.2DWDM骨干传输网络[案例]DWDM城域网结构7311.2DWDM骨干传输网络[案例]DWDM网络应用案例7411.2DWDM骨干传输网络[案例]DWDM网络应用案例7511.2DWDM骨干传输网络[案例]DWDM网络应用案例7611.2DWDM骨干传输网络11.2.5CWDM在城域网中的应用1．CWDM定义的工作波长ITU-TG.694.2定义了1270～1610nm的18个标准波长的CWDM（粗波分复用）系统。CWDM产品有8波长和16波长两种形式。8波长系统目前应用较多。8波长一般选用1460～1620nm（S+C+L）波段；16波长的CWDM系统必须采用损耗平坦的G.652C“全波"光纤。7711.2DWDM骨干传输网络2．CWDM波长间距G.694.2选取20nm做为CWDM系统的通道间隔；这种间隔允许使用无致冷器的激光源。光滤波器通带宽度为13nm左右。7811.2DWDM骨干传输网络3．CWDM系统信号功率DWDM系统每波长需要消耗4W左右的功率；CWDM系统每波长只需要0.5W左右的功率。4波长的CWDM系统，消耗10～15W的功率。CWDM系统一般不采用线路光放（LA），最大传输距离为50km左右。7911.2DWDM骨干传输网络4．CWDM在城域网中的应用CWDM的优势在于成本较低不需要冷却激光器，采用价格低廉的无源滤波器，使用廉价的小型光端机。目前CWDM系统成本只有DWDM的30%左右。CWDM适用于点对点、以太网、SDH等网络，特别适合短距离（50km以下）、高带宽（2.5Gbit/s以上）、接入点密集的通信应用，如园区网络通信。8011.2DWDM骨干传输网络[案例]CWDM网络应用案例8111.2DWDM骨干传输网络[案例]CWDM网络应用案例8211.2DWDM骨干传输网络[案例]CWDM与DWDM的技术比较8311.3电信级以太城域网设计8411.3电信级以太城域网设计11.3.1城域以太网技术特征1．以太网技术的发展全球已有10亿多个以太网交换端口；以太网端口占全球数据端口的95%以上；以太网已有长期应用的经验；流行的操作系统和应用程序与以太网兼容；以太网初始建设成本和运营成本较低；扩展性好，容易安装开通等。城域以太网与传统以太网比较，仅保留了帧结构和简单性，其他特征已有根本性变化。8511.3电信级以太城域网设计2．城域以太网技术特征（1）标准化网络结构、接口和协议的标准化；标准化的业务传送，如：以太网专线（EPL）；以太网虚拟专线（EVPL）；以太局域网（E-LAN）等。8611.3电信级以太城域网设计（2）扩展性城域以太网支持用户的数量（百万级用户）；网络的地理范围（百公里）；业务识别（数据、语音、视频）；网络控制能力（AAA、OAM）；组网规模等。8711.3电信级以太城域网设计（3）可靠性星形结构组网时，可能出现广播风暴等问题；增加信令协议，实现环形组网；链路聚合耗费了大量的线路和端口资源，不适合城域以太网；生成树协议（STP）恢复时间为秒级，远远大于电信级要求的50ms。城域以太网要确保业务倒换时间小于50ms。8811.3电信级以太城域网设计（4）QoS城域以太网的QoS技术：流分类：根据MAC地址、VLANID、IP地址及端口号区分业务流。映射：根据策略，对实时性较强的业务设置为EF（加速转发）；对丢包敏感，而实时性不强的业务，设置为AF（确保转发）；对应普通业务设置为BF（尽力而为）。8911.3电信级以太城域网设计拥塞控制：根据业务的不同需求，对数据流应用不同的拥塞控制算法。队列调度：确保时延和抖动等性能。9011.3电信级以太城域网设计（5）电信级管理OAM（操作、管理、维护）功能要求。以太网OAM能力很弱，管理功能不足以支持电信网的网络范围。以太网交换机不具备内置的故障定位和性能监视能力。9111.3电信级以太城域网设计11.3.2城域以太网体系结构1．城域以太网参考模型城域以太网主要承载业务：面向公众用户的多业务承载；企业用户的专线/VPN业务承载。（1）城域以太网组网参考模型。[如图11-20]9211.3电信级以太城域网设计（2）城域以太网业务参考模型[P316图11-21]城域以太网业务参考模型9311.3电信级以太城域网设计2．城域以太网业务类型（1）EVC（以太网虚连接）EVC是一种端到端的逻辑管道连接，以太网帧一旦进入到管道中是不会被泄露的。EVC可以将数据流量有效地隔离开来，通过对EVC及其中的流量进行相应控制。MEF定义了3种城域以太网业务类型：E-Line点到点业务E-LAN多点到多点E-Tree点到多点。9411.3电信级以太城域网设计（2）E-Line业务类型E-Line业务在实际应用中表现