光联网技术与WDM和DWDM波分复用和密集波分复用技术详解

第四讲光联网技术一、WDM技术原理二、WDM技术的发展三、光传送网的联网技术2一、WDM技术原理20世纪90年代中期以前，光传输一般只使用一个波长目前，WDM技术使一根光纤上传输多个不同波长的光波信号3WDM传输技术利用TDM技术，已经可以实现40Gbit/s的SDH商用系统，但受电子器件发展和偏振模色散（PMD）的限制，要实现更高比特率的系统非常困难人们开始研究光机制下的复用技术，即波分复用技术，使得一条光纤芯上可以同时传输多个波长目前，32(40)×2.5Gbit/s、32(40)×10Gbit/sDWDM系统已经开始得到广泛应用2001年3月的世界记录：NEC的实验容量达到10.92Tbit/s，采用273×40Gbit/s方案，传输距离117kmAlcatel的实验容量为10.2Tbit/s，采用256×42.7Gbit/s方案，传输距离100km4

光纤的损耗特性从80年代末起，国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有1550nm和1310nm两个窗口，最小衰减窗口位于1550nm窗口，多数商用光纤在这两个窗口的典型数值为：1310nm窗口的衰减在（0.3～0.4）dB／km、1550nm窗口的衰减在（0.19～0.25）dB／km5单模光纤波段定义6TDM与WDM原理7WDM工作原理充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的波长不同把光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波：在发送端采用波分复用将不同波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输在接收端，再由一波分复用器将这些承载不同信号的不同波长光载波分开8WDM系统结构9WDM传输技术以前，光中继采用“光-电-光”的方式进行光放大EDFA是全光方式的放大器，它使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，是WDM系统及未来高速系统、全光网络不可缺少的重要器件10WDM系统特点极大地提高了光纤的传输容量，使单纤传输容量增加几倍甚至几十倍WDM通道各波长相互独立，对数据格式透明，可以承载不同格式、不同速率的信号DWDM+EDFA应用于长途骨干网，可大大延长无电中继距离利用WDM波长路由技术，可实现具有高度生存性的光网络11二、WDM技术的发展1、超长距离传输2、城域WDM系统3、CWDM在城域网中的应用121、超长距离传输WDM系统的分类超长距离（superlong-haul）长距离（long-haul）城域（metro）目前在干线上用得最多的DWDM系统一般经过600－800公里传输后就要进行光电再生以消除噪声、色散等因素带来的传输损伤，将该范围内的DWDM系统称为长距离系统超长距离传输系统大都在1000公里以上城域DWDM则主要应用于城市地区范围内，一般总传输距离不超过300公里，点到点传输距离在100公里以内13超长距离传输2.5Gbit/s或10Gbit/s的WDM信号经过400－600多公里传输后，需要进行电再生中继，增设电再生中继设备后，不可避免地使整个系统的结构较为复杂，成本昂贵在长距离传输系统中，再生中继是加大成本投入的一个主要原因，保持较长的电再生距离，可以减少光电转换次数，从而减少系统成本目前对传输距离造成限制的主要因素：光信噪比OSNR色散非线性14超长距离传输色散的问题可以通过色散补偿光纤完成光信噪比OSNR的受限主要是通过RAMAN放大器、超强FEC技术来解决超长距离传输系统的主要使能技术包括RAMAN放大器、超强FEC技术及色散补偿RAMAN放大器应用提高OSNR预算3－4dB超强FEC使光信噪比OSNR的预算要增加7－9dB两者相加光链路预算增加10－13dB，可以将光电传输距离从几百公里提高到几千公里153、城域WDM系统城域和长途WDM系统比较16城域WDM系统主要特征容量大城域WDM系统更突出容量的升级能力，目前各厂家WDM设备大都满足8波/16波/32波的逐渐升级，以降低网络的初期投资具有更强的灵活性城域WDM系统需要具备灵活上下波长的能力，以便灵活地指配波长路由，缩短网络的通道配置时间城域WDM系统要能适应各种类型的业务分布，包括星形、相邻形、均衡形等，还要适应拓扑结构的变化，包括节点的增减提供全面的综合业务传送能力城域WDM系统应能够提供开放的协议和丰富的客户层接口，可以提供城域网应当具备的各种业务17城域WDM系统主要特征高效灵活的子速率汇聚系统提供多种子速率复用器，即模块化地配置部分子速率客户波道（子波道），然后将其复用（汇集）到一个单个的较高容量的波长波道提供丰富多样的光层保护机制城域WDM网承载的业务不全是具备自愈能力的SDH业务，因此更强调对各种业务的光层保护提供丰富多样的业务模式针对城域网的应用，更强调业务的提供和业务的管理，提供新型的业务模式，包括波长出租、波长批发、OVPN等对网络管理的要求不同于干线长途网主要是对设备的管理方式，而更为强调面向业务面向应用的管理184、CWDM在城域网中的应用城域网具有传输距离短、拓扑灵活和接入类型多等特点，如直接使用用于长途传输的DWDM技术会造成成本过高早期的DWDM系统对城域网的灵活多样性也难以适应面对这种低成本城域范围的宽带需求，人们提出了CWDM（CoarseWavelengthDivisionMultiplexing）技术19CWDM和DWDM波段范围CWDM目前定义三个可用光波段（Band），光纤链路最大可容纳18个波长，各段波长为：OBand：1270nm、1290nm、1310nm、1330nm、1350nmEBand：1370nm、1390nm、1410nm、1430nm、1450nmS+C+LBand：1470nm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm、1610nmDWDM波长间隔小于8nm，典型的波长间隔为0.8nm，而CWDM波长间隔小于50nm，典型的波长间隔为20nm20CWDM和DWDM波段范围21CWDM和DWDM的比较22CWDM和DWDM的比较CWDM光波通道间距较宽，同一根光纤上复用光波长数比DWDM少CWDM光调制采用非冷却激光，用电子调谐，而DWDM采用的是冷却激光，用温度调谐由于在一个很宽的光波长区段内温度分布不均匀，温度调谐实现难度较大，成本也很高CWDM避开了这一难点，大幅度降低了成本，目前CWDM系统成本一般只有相同容量DWDM系统的30%CWDM系统的功耗和物理尺寸比DWDM系统小得多23CWDM的优势成本低，功能强CWDM激光器对波长容差的要求不是太高，降低了激光器的制造成本（DWDM激光器的波长容差典型值为0.1nm，CWDM激光器的波长容差高达±（2~3）nm）传输距离短，不必使用放大器，对光纤的传输衰减值也不太敏感，可以降低对器件、部件的性能要求，从而降低系统的成本传输距离短，不必受EDFA放大波段的限制，可以在1310－1560nm的整个光纤传输窗口上，以比DWDM系统宽得多的波长间隔进行波分复用24系统功耗低在DWDM系统中，采用DFB（分布反馈）激光器作为光源，温度漂移系数为0.08nm/℃，需要采用冷却技术来稳定波长，以防止由于温度变化使得波长漂移到复用器和解复用器的滤波器通带之外CWDM系统在采用DFB激光器时不需要冷却技术处理，因为CWDM系统的波长间隔为20nm，CWDM系统工作在0－70℃温度范围内激光器的波长一般有6nm的漂移，再加上激光器生产过程造成的±3nm波长变化总共大约有±12nm的变化，不会对CWDM系统造成太大的影响DWDM激光器采用的冷却器及控制电路每波长要消耗大约4W的功率，而没有冷却器的CWDM激光器仅消耗0.5W的功率。四个波长CWDM光传输系统大约消耗10-15W的功率，然而类似的DWDM系统的功耗高达30W25体积小CWDM激光器要比DWDM激光器小得多，不带冷却器的激光器一般是由激光片和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的监控光电二极管构成DWDM激光发射机的尺寸大约是CWDM激光发射机体积的5倍左右，也就是说，如果DWDM激光发射机的体积为100cm3，那么没有冷却器的CWDM激光器体积仅仅为20cm326对系统要求不高CWDM最大的特点即是对波分复用设备系统要求不高CWDM无须选择成本昂贵的密集波分解复用器和EDFA，只需采用多通道激光收/发器作为中继，因而系统的成本大大下降DWDM运行10Gbit/s以上业务的时候，需要采用G.655光纤，而CWDM对光纤没有此特殊要求，G.652、G.653、G.655光纤均可采用，因此可以大量利用以前铺设的光缆目前适用于城域网的DWDM系统继承了长途骨干网的特点，大多是端到端的逻辑连接，拓扑结构不灵活，不支持网状结构，不适应城域网内复杂机动的多逻辑拓扑，而CWDM可以较好地克服以上问题27三、光传送网的联网技术1、IPoverWDM技术原理2、OTN和数字包封3、光联网设备281、IPoverWDM技术原理IP在WDM上的适配IP是网络层协议，WDM是物理层技术，IP业务要想在WDM网络中直接传输需要经过中间的数据链路层进行适配，从而构成了从IP到WDM的多层协议栈29IP在WDM上的适配

30IP在WDM上的适配从IP到WDM多层协议栈的原因IP业务线路速率较低，须经过速率适配才能充分利用波长带宽各个运营商发展了各自的协议体系和网络结构，运营商之间进行信息交换需要一定的协议转换过程ATM、SDH技术都有着各自的应用场合，采用多层协议栈一方面可以兼容现有技术，另一方面可以发挥各协议层的优点31主要适配技术（1）IPoverATM（2）IPoverSDH/SONET（3）IPoverGE（4）IPoverWDM32（1）IPoverATM将IP数据包在ATM层封装为ATM信元，将数据以ATM信元的形式在信道中进行传输具体过程：交换机根据IP数据包的IP地址按路由转发根据计算所得的路由在ATM网上建立虚电路（VC）33IPoverATM特点好处：数据包可以直接通过VC传输，而不需路由器地址解析，有效地解决了IP路由器的“瓶颈”问题，提高了IP数据包的交换速度不足：ATM的开销量在整个净荷中所占比重太大，造成了资源的浪费，直接导致该网络结构的传输效率低下。此外，此结构还存在着网络结构复杂、功能重复，以及网络扩展性差等诸多不足34（2）IPoverSDH将IP数据包通过PPP协议，或其他一些数据链路层协议（如LAPS）直接映射到SDH/SONET帧，去除了中间的ATM层

35SDH传输体制的普及和全球化（目前，各国骨干网基本上都采用了SDH传输体制，我国省级以上骨干网90％采用的是SDH传输体制），网络建设和运行维护成本相对较低路由器技术的发展以及路由器上普遍采用SDH的线路接口，也是采用SDH的原因之一IPoverSDH的引入36将IP数据报通过点到点协议（PPP）直接映射到SDH帧，省掉了中间复杂的ATM层，这样可大大节省网络的投资具体作法：

先把IP数据报封装进PPP分组然后利用高层数据链路控制（HDLC）组帧再将字节同步映射进虚容器（VC）包封中最后再加上相应的SDH开销置入STM-N帧中即可IPoverSDH基本思路37

网络层数据链路层物理层HDLC功能：对通过同步传输网络传输的经PPP封装的IP数据包进行区分，区分过程通过字节填充（bytestuffing）来完成，即每一个HDLC帧以字节标志0x7e开始，以0x5e结束IPoverSDH的OSI模型38例如：路由器1与2通信，接入线路速率为2048kbit/s，欲实现IPoverSDH，则在STM-1中继线及STM-16光纤环中分别分出一条2Mbit/s速率的支路信号，由SDH网管系统设置，这条支路类似于ATM网中设置的永久虚电路固定连接于路由器1与路由器2之间IPoverSDH应用方案39主要是为适应IP业务的传送发展起来的，在处理多媒体等综合业务时还不尽人意：对业务的服务质量不能完全保证随着网络规模越来越大，处理庞大、复杂的路由表也存在着一定困难网络流量管理、拥塞控制以及网络的可扩展性比较差IPoverSDH的不足40（3）IPoverGE41使用路由器中的千兆比特线路卡可以提供与SDH相当的容量，但花费只是SDH的六分之一左右千兆比特以太网支持在IEEE802.1q和802.1p标准中所定义的一些服务等级，通过向“加贴标记”的包中加上优先级指示，可在以太网上方便容易地实现分等级服务IPoverGE基本原理42如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能，且省掉中间的SDH层让IP直接在光路上跑，形成十分简单的统一的IP网结构——IPoverOptical/WDM，无疑将大大降低传输的开销量、提高传输的效率（4）IPoverWDM43越来越多的实时业务，例如话音业务也将在IP网络中传输，QoS以及在故障情况下的快速恢复将成为未来IP网络的核心问题随着光网络中复用设备和交叉连接设备的应用，在光层实现短时间恢复成为可能允许IP路由器集中处理服务质量和多业务综合等问题，然而在IPoverSDH中这些问题是很难实现的IPoverWDM应用结构44IPoverWDM网络结构45IPoverWDM的发展ATM的目标是承载多业务、提高网络吞吐量和QoS保证SDH的目标针对电路交换业务提供高容量的传输ATM和SDH不是适配层最有效的选择简化IP到WDM的适配过程是未来网络体系结构的发展趋势46IPoverWDM的发展IP与光网络的融合可以实现优势互补：结合光层和IP层的路由功能，可以提供动态的波长路由结合光层的保护功能和IP层的恢复功能，可以提供多种保护恢复方案，生存性IP智能控制协议丰富，WDM技术提供巨大的带宽472、OTN和数字包封技术（1）OTN（光传送网）（2）OTN中的数字包封技术48（1）OTN（光传送网）背景：20世纪90年代初，人们提出“全光网”的概念全光网：直接在光域内进行信号的传输、再生、交换、选路，中间不经过任何光电转换，即信号以光的形式穿过整个网络目前，AON的研究成果还达不到运营要求，涉及的器件价格偏高，因而人们提出了OTN49OTN的定义在光域对客户信号提供传送、复用、选路、监控和生存性功能的实体OTN=WDM链路＋OADM+OXC50OTN的目标在初期实现子网内的透明光传输，各子网通过3R再生器级连，构成光网络随着技术和器件的进步，再将光透明子网的范围逐步扩大到全网，在未来实现真正的全光网OTN不仅可以将传送容量提高到Tbit/s甚至十Tbit/s量级，更重要的是可以在光层对信号进行处理，例如光信号的复用/去复用、光信号的分插、光波长的转换、光波长交换、光通路建立/拆除直到提供光波长出租业务等51OTN的特点OTN是以WDM网络为基础，该网络具有波长交换和波长选路等功能采用以单模光纤为基础的DWDM技术广泛采用光放大器设备网络的交换以波长为单位提供大规模的系统容量支持不同的客户层信号种类52OTN分层结构53OTN的分层结构54OTN的分层结构光通道层（OpticalChannelLayer）为来自电复用段层的客户信息选择路由和分配波长、为网络选路安排光通道连接、处理光通道开销、提供光通道层的检测与管理功能等在网络发生故障时通过重新选路或直接把工作业务切换到预定保护路由的方式来实现保护倒换和恢复55OTN的分层结构光复用段层（OpticalMultiplexingSectionLayer）负责相邻两个复用传输设备间复用光信号的完整传输，为复用信号提供网络管理主要功能：为灵活的光网络选路重新安排光复用段功能为保证光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销为网络的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能光传输段层（OpticalTransmissionSectionLayer）为信号在不同类型的光传输媒介（如G.652、G.653、G.655光纤等）上提供传输功能，同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等56（2）OTN的数字包封技术数字包封映射过程数字包封帧结构数字包封实现方式数字包封发展现状57数字包封映射过程OPUk：光净荷单元ODUk：光数据单元OTUk：光传送单元58首先，客户信号同步或异步映射到OPUk然后，OPUk再映射到ODUk，四个低速率的ODUk可虚级联成一个高速率的ODTUG，ODUG再作为客户信号向高速率的OPUk映射最后，ODUk映射到OTUk，OTUk信号以特定波长经光复用器进入OTN中传送数字包封映射过程59数字包封映射过程60数字包封帧结构61数字包封帧结构与SDH不同，数字包封的帧结构和帧长度是固定的，无论对于OTU1、OTU2或OTU3，都是由4080列×9行字节组成。其中：帧定位开销位于第1行的1～7列OTUk开销位于第1行的8～14列OTUk的FEC开销位于第3825～4080列ODUk开销位于第2～4行的1～14列OPUk开销位于15～16列，而OPUk净荷位于第17～3824列62数字包封实现方式63数字包封实现方式数字包封的处理通常在波长器（OTU）中实现，包封过程在发送波长转发器（TxOTU）中实现，解包封过程在接收光转发器（RxOTU）中实现，而在某些网络节点则需要中继光转发器（IROTU）同时实现解包封和包封过程，以实现信号的3R再生和网络管理包封过程：在发送波长转发器中，客户信号经过光电转换、时钟恢复电路和串并转换电路后由高速串行光信号转化为低速并行电信号以便于数字包封处理器处理。在数字包封处理器中，首先进行客户信号的性能监测，通常是SDH的B1和J0开销，以监测从客户端到OTU端的传输性能，然后映射到OPUk，插入ODUk和OTUk开销，扰码，并串转换，最后转换成特定波长光信号进入OTN中。如果客户信号丢失，则数字包封处理器在ODUk填充全“1”图案，产生ODUk-AIS告警通知下游网络解包封过程：接收光转发器的解包封过程基本是发送波长转发器包封的逆过程64数字包封技术发展现状数字包封技术的研究与开发得到了业界的高度重视，数字包封技术标准G.709建议已经得到了ITU-T的批准，标准还需要进一步发展与完善，标准中的很多字节还有待于进一步定义已有厂商能够提供了专用的数字包封处理芯片我国烽火公司也已经研发出OTU1和OTU2速率的光转发器OTU1定义为2.7Gbps信号，设计用于透明承载SDHSTM-16信号OTU2定义承载10.7Gbps信号，用于透明传输STM-64、10GbpsWAN物理层实体（PHY）和10Gbps光纤信道（FC）

653、光联网设备（1）光分插复用器OADM（2）光交叉连接设备OXC（3）光交换设备（4）光路由设备66（1）光分插复用器OADM基本原理通过将传输光通路中的上下业务波长或直通波长进行光复用、解复用等处理实现业务提供的一种光通信技术主要功能从传输设备中有选择地下路（DROP）通往本地的光信号，同时上路（ADD）本地用户发往另一节点用户的光信号，而不影响其他波长信道的传输67OADM的结构解复用、分插控制滤波单元、复用单元等解复用单元并不是将所有的波长都从来纤中进行解复用操作，OADM节点用解复用器分出需要下路的光波长（λd），同时把要上路的波长（λa）经过复用器复用到光纤上进行传输由于OADM的波长通道之间没有交换功能，所以OADM比较适合于环形网络的组建68（2）光交叉连接设备OXC光交叉连接设备OXC是实现全光网络的核心器件光交叉连接设备相当于一个具有多个标准的光纤接口模块，可以把输入端的任一光纤信号（或各波长信号）可控地连接到输出端的任一光纤（或各波长）中去，并且此过程是在全光域中进行的69OXC的特点OXC将交叉连接和分插复用从电信号形式上升到直接以光信号形式进行OXC具有透明的传输代码格式和比特率，可以对不同传输代码格式和不同比特速率等级的信号进行交叉连接OXC交叉容量大，交叉总容量可达到Tbit/s级别70OXC的结构左图为无波长变换器，右图为每个波长信号经过波长变换器实现波长交换后再复用到输出链路中71OXC的实现方式光纤交叉连接：以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行交叉连接，容量大但不灵活波长交叉连接：可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上波长变换交叉连接：可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用不同波长的光纤上，具有较高的灵活性，它和波长交叉连接的主要区别是可以对波长进行转换72OXC发展现状美国、日本以及欧洲的少数公司已经完成了OXC传输设备的一些现场试验，在系统与网络间的兼容性、OXC设备的级联特性、系统的保护倒换能力、网络管理等方面取得了不少成功的经验

73（3）光交换设备光交换定义：被交换的信号不经过任何光/电转换，在光域直接将输入光信号端口交换到不同的输出端光交换分类：光路光