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波分復(fù)用(WDM)和光傳送網(wǎng)(OTN)淺談

摘要:波分(WDM)和傳送(OTN)是我們經(jīng)常提及的話題,那么波分和傳送到底什么關(guān)系呢?本文將詳細(xì)講述二者。

  本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“光通信充電寶”,作者馮振華博士,訊石經(jīng)允許略作刪改。

  ICC訊 波分(WDM)和傳送(OTN)是我們經(jīng)常提及的話題,那么波分和傳送到底什么關(guān)系呢?今天簡(jiǎn)單聊聊。

  一、WDM

  顧名思義,WDM即波分復(fù)用技術(shù),是將多個(gè)不同波長(zhǎng)(或頻率)的調(diào)制光信號(hào)(攜帶有用信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(也叫合波器,Mux)合路到一起送入光線路(光纖傳輸鏈路)的同一根光纖中進(jìn)行傳輸,在接收端用解復(fù)用器(也叫分波器,demux)將不同波長(zhǎng)信號(hào)分開(kāi)接收的技術(shù),原理圖見(jiàn)圖1。一個(gè)波分系統(tǒng)包含很多的功能單元,如光轉(zhuǎn)發(fā)單元(OTU),用于轉(zhuǎn)發(fā)客戶側(cè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到線路側(cè)的光口;光合波單元(OMU)和光分波單元(ODU),分別用于將多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)合并和分開(kāi);以及光功率放大器(OBA),光線路放大器(OLA)和光前置放大器(OPA),分別用于發(fā)端,鏈路,和接收端光信號(hào)放大。當(dāng)然還應(yīng)該包括光監(jiān)控信道(OSC),完成業(yè)務(wù)和鏈路的監(jiān)控以便網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)。

圖1. WDM系統(tǒng)組成框圖

  如果說(shuō)WDM的本質(zhì)是頻分復(fù)用(FDM),可能還是不好理解,不如用圖2的多車(chē)道的高速公路來(lái)類比WDM系統(tǒng)好了。

圖2. 多車(chē)道高速公路與WDM系統(tǒng)類比

  要保證交通順暢,標(biāo)識(shí)并區(qū)分不同車(chē)道,讓不同的車(chē)各行其道是必須的。與公路交通類似,WDM系統(tǒng)也需要相應(yīng)的規(guī)則,最重要的就是波長(zhǎng)頻點(diǎn)的劃分了。原則上WDM分為兩種,CWDM(粗波分)和DWDM(密波分),前者波長(zhǎng)間隔較大,一般為20nm,而后者間隔小,一般小于0.8nm。具體每個(gè)波長(zhǎng)信道的中心波長(zhǎng)也有相應(yīng)的規(guī)定,也就是常說(shuō)的C80,C96,C120等,對(duì)應(yīng)為C波段的80波,96波,120波50GHz間隔WDM系統(tǒng)。另外,OSC監(jiān)控信道波長(zhǎng)一般不與信號(hào)波長(zhǎng)范圍重疊,約在1510nm處。顯然,相比于之前的時(shí)分復(fù)用(TDM),WDM技術(shù)的出現(xiàn)是具有劃時(shí)代意義的。WDM系統(tǒng)具有以下方面的優(yōu)勢(shì):

  — 高容量:可以充分利用光纖巨大帶寬資源,使傳輸容量比單波長(zhǎng)增加幾十上百倍;

  — 低成本:在大容量長(zhǎng)途傳輸時(shí)節(jié)省大量光纖和3R再生器,傳輸成本顯著下降;

  — 保護(hù)投資:在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和擴(kuò)容時(shí),無(wú)需對(duì)光纜線路進(jìn)行改造,增加波長(zhǎng)即可開(kāi)通或疊加新業(yè)務(wù);

  — 透明性:與信號(hào)速率、調(diào)制格式無(wú)關(guān),方便引入大帶寬新業(yè)務(wù);

  — 波長(zhǎng)路由:利用WDM選路可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)透明全光網(wǎng)絡(luò)。

  既然WDM技術(shù)這么好,那它跟以往的業(yè)務(wù)是什么關(guān)系,對(duì)以后的光傳輸網(wǎng)絡(luò)會(huì)有什么影響呢?還是看圖說(shuō)話吧。

圖3. WDM與其它業(yè)務(wù)的關(guān)系。

       如圖3所示,WDM不過(guò)是建立在光層之上,通過(guò)具體的接口來(lái)承載不同類型的業(yè)務(wù)罷了,具體的業(yè)務(wù)在WDM上適配情況如圖4所示。

圖4. WDM支持廣泛的業(yè)務(wù)接入

  不過(guò)這是早期時(shí)候的網(wǎng)絡(luò),那時(shí)運(yùn)營(yíng)商的主要業(yè)務(wù)還是語(yǔ)音業(yè)務(wù),數(shù)據(jù)較少,SDH傳送占主導(dǎo)。SDH作為承載TDM類型業(yè)務(wù)的技術(shù),設(shè)備效率低,成本高,越來(lái)越不適應(yīng)以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主體的IP類型網(wǎng)絡(luò),業(yè)界急需一種簡(jiǎn)化的代成本,便于維護(hù)的新型傳輸網(wǎng),適合傳輸IP業(yè)務(wù)。這也就導(dǎo)致了后來(lái)IP over WDM網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變之說(shuō)。如圖5所示,在WDM上借鑒SDH技術(shù),也就是后來(lái)的新傳送網(wǎng),即OTN了。

圖5. IP over WDM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)變

  二、OTN

  光傳送網(wǎng)(OTN),可以簡(jiǎn)單的理解為OTN是將SDH 強(qiáng)大完善的OAM的理念和功能移植到了WDM 光網(wǎng)絡(luò)中。具體來(lái)講,OTN是一種通過(guò)引入電域子層,為客戶信號(hào)提供在波長(zhǎng)/子波長(zhǎng)上進(jìn)行傳送、復(fù)用、交換、監(jiān)控和保護(hù)恢復(fù)的技術(shù)。同時(shí)在電層逐步Packet化,實(shí)現(xiàn)基于包、VC以及ODUk交叉的功能實(shí)體。事實(shí)上,OTN的物理基礎(chǔ)在鏈路上還是依賴于WDM技術(shù)了,又像SDH那樣引入封裝和開(kāi)銷管理,提高管理和互通能力,對(duì)波長(zhǎng)/子波長(zhǎng)進(jìn)行交叉連接提高組網(wǎng)、保護(hù)和調(diào)度能力。簡(jiǎn)言之,OTN其實(shí)就是IP化的WDM再加上光、電交叉功能,更多強(qiáng)調(diào)的是一種節(jié)點(diǎn)技術(shù),如下圖所示。

圖6. OTN節(jié)點(diǎn)為技術(shù)示意圖

  繼續(xù)以道路交通來(lái)對(duì)比OTNWDM技術(shù),如圖7所示。WDM類似于高速公路,提供超大容量,超高速,超長(zhǎng)距離的傳送能力,而OTN則更像是有立交橋的高速公路,提供靈活的切換、上下,解決流量調(diào)度問(wèn)題;網(wǎng)絡(luò)中的控制平面和網(wǎng)管系統(tǒng)就對(duì)應(yīng)了道路交通中的紅綠燈和交管系統(tǒng)。

圖7. WDM (左)和OTN (右)的道路交通類比示意圖

  跟WDM對(duì)應(yīng)的ITU-T波長(zhǎng)規(guī)范類似,OTN技術(shù)有也很多相應(yīng)的規(guī)范,主要還是以G. 開(kāi)頭的ITU-T協(xié)議,見(jiàn)圖8,不同的數(shù)字對(duì)應(yīng)了不同類型的規(guī)范,如網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),設(shè)備功能,保護(hù)倒換,物理特性,幀結(jié)構(gòu)、開(kāi)銷、映射編碼等。

圖8. OTN技術(shù)相關(guān)的協(xié)議規(guī)范

  除去上述規(guī)范中的一些細(xì)節(jié),OTN中的關(guān)鍵創(chuàng)新和主要技術(shù)其實(shí)就是就只有四個(gè):a)幀結(jié)構(gòu)(映射、封裝、開(kāi)銷),b)支線路分離,c)ROADM,d)保護(hù)倒換。下面具體地稍加說(shuō)明。

  a) 幀結(jié)構(gòu)

  如下圖所示,OTN將整個(gè)光層分為光通道層(OCH),光復(fù)用段層(OMS),光傳輸段層(OTS)。它們?cè)诠饩W(wǎng)絡(luò)中分別對(duì)應(yīng)的范圍如圖1,OCH指的是端到端的OTU之間部分,OMS指的是OMU和ODU之間,OTS指OLA與OLA之間。其中光通道層又分為三個(gè)子層:光通道數(shù)據(jù)單元(ODUk),光通道傳送單元(OTUk)及光通道凈荷單元(OPU)。

圖9. OTN封裝的幀格式示意圖


  如上圖所示,不同的子層,復(fù)用段之間都可能會(huì)增加一些幀頭開(kāi)銷用于管理和監(jiān)控,甚至還會(huì)增加FEC糾錯(cuò)編解碼,實(shí)現(xiàn)更好的容錯(cuò)抗干擾。對(duì)于不同速率的OTU信號(hào)(k=0表示1G,k=1表示2.5G,k=2表示10G,k=3表示40G),OTN幀結(jié)構(gòu)和尺寸相同,都是4x4080字節(jié),只是幀的周期不同。正是這些獨(dú)特的幀結(jié)構(gòu)和豐富的開(kāi)銷,成就了OTN強(qiáng)大的管理能力。

  b) 支線路分離

圖10. 支線路分離的光轉(zhuǎn)發(fā)單元

  作為OTN的核心之一,是引入子波長(zhǎng)層面的電交叉:將傳統(tǒng)收發(fā)合一的OTU拆分成線路側(cè)與支路側(cè)(客戶側(cè)),中間填充了OTN交換單元。這樣帶來(lái)的好處是業(yè)務(wù)側(cè)保持大顆粒和大的交叉粒度,(1~40G),還實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的解耦,避免統(tǒng)一的交叉粒度。同時(shí)業(yè)務(wù)接口變化時(shí)只需改變接口盤(pán),將OTU種類由MxN降為M+N,極大減少了單盤(pán)備件種類。省去了SDH設(shè)備,但仍保持了類似的保持能力。

  c) ROADM

圖11. 多維度可重構(gòu)分插復(fù)用器(ROADM)

  作為全光網(wǎng)的重要基礎(chǔ),OADM(光分插復(fù)用器)用來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的上下話。主要有兩種,固定分插復(fù)用器(FOADM)和可重構(gòu)分插復(fù)用器(ROADM)。很明確,相比于FOADM,如圖11所示的ROADM可以實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)輸入,任意端口輸出,具有方向無(wú)關(guān),波長(zhǎng)無(wú)關(guān),無(wú)沖突、靈活帶寬,即(CDC-F)的特征。ROADM的出現(xiàn),使得遠(yuǎn)程靈活配置波長(zhǎng)上下,快速開(kāi)通業(yè)務(wù),自由升級(jí)擴(kuò)容,多維度波長(zhǎng)調(diào)度,多波道功率均衡成為可能,極大地增加了光網(wǎng)絡(luò)的靈活性,并降低運(yùn)維成本。 當(dāng)前最新ROADM技術(shù)已經(jīng)可以支持最高32維度,Pbit級(jí)別的超大容量交叉,并且全光背板技術(shù)的出現(xiàn)極大降低了內(nèi)部連纖的難度。

  d)保護(hù)倒換

  OTN保護(hù)分為設(shè)備級(jí)保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù),一般說(shuō)的保護(hù)指的是網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù),它又可以分為光層保護(hù)和電層保護(hù),具體地又可再細(xì)分為以下多種不同的保護(hù)方式,見(jiàn)圖12和13所示。

圖12. OTN 光層網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù)

圖13. OTN電層網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù)

  不同的保護(hù)方式的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景也略有些區(qū)別,見(jiàn)下表。所謂保護(hù)就是在單盤(pán)或線路上做冗余備份,倒換通常就是多發(fā)或并發(fā)選收了。

表1. 不同保護(hù)方式及應(yīng)用場(chǎng)景

  當(dāng)然業(yè)務(wù)質(zhì)量要求越高,保護(hù)倒換要求也高,網(wǎng)絡(luò)也越復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)可靠性增強(qiáng),但成本也會(huì)更高,如圖14所示。

  三、最后展望未來(lái)

  在過(guò)去十年,相干檢測(cè)技術(shù)推動(dòng)了光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,讓光系統(tǒng)滿足網(wǎng)絡(luò)流量的增長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)更低的每比特成本。相干檢測(cè)的時(shí)代尚未結(jié)束,并將日臻成熟。因此,供應(yīng)商及其客戶必須不斷創(chuàng)新,降低光系統(tǒng)的總體擁有成本(TCO)。未來(lái)幾年OTN的發(fā)展趨勢(shì)包括:更高速率(100G到200G甚至400G)、硬件簡(jiǎn)化和先進(jìn)的運(yùn)營(yíng)、管理和維護(hù)(OA&M)功能。OTN下沉,城域邊緣接入與傳送網(wǎng)的融合也可能是一個(gè)趨勢(shì)。

       只有為運(yùn)營(yíng)商、數(shù)據(jù)中心客戶帶來(lái)價(jià)值,降低 TCO,設(shè)備商才有豐厚的回報(bào)。當(dāng)然前提是設(shè)備能提高傳輸效率,降低硬件復(fù)雜度和功耗,智能算法提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率。


  參考來(lái)源:

  https://wenku.baidu.com/view/eb68d08408a1284ac9504307.html?fr=search

  http://www.pinlue.com/article/2019/10/2412/229733535040.html

  https://wenku.baidu.com/view/791d1866b84ae45c3b358c11.html

  https://wenku.baidu.com/view/24399a56a517866fb84ae45c3b3567ec102ddc69.html?rec_flag=default&sxts=1590317081239

  https://wenku.baidu.com/view/0fd28e67c950ad02de80d4d8d15abe23482f03f1.html?rec_flag=default&sxts=1590315175785

  https://wenku.baidu.com/view/f722671384254b35eefd34eb.html


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