第四講-WDM光網(wǎng)絡1

光網(wǎng)絡許國良xugl@南京大學光通信工程研究中心第四講WDM光網(wǎng)絡WDM技術(shù)概述

WDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成

WDM傳送網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)WDM光網(wǎng)絡組網(wǎng)

WDM光網(wǎng)絡生存性WDM技術(shù)概述一概述

九十年代以來，以Internet為代表的信息技術(shù)革命正在深刻地改變傳統(tǒng)電信概念和體系

目前北美Internet骨干網(wǎng)的業(yè)務量幾乎每6～9個月翻一番，比著名的CPU性能進展more定律（18個月左右翻番）快2～3倍話音業(yè)務數(shù)據(jù)業(yè)務寬帶綜合業(yè)務B-ISDN

世界電話業(yè)務年增長率為10%，數(shù)據(jù)業(yè)務年增長40%

中國話音業(yè)務14%的增長率，數(shù)據(jù)業(yè)務400%增長容量的需求2502001501005001151352IP23106250話音話音和IP通信量的增長情況1996199719981999201020201058Tbit技術(shù)到干線網(wǎng)21世紀的傳輸

Gbit技術(shù)到辦公室/家庭Mbit技術(shù)到個人擴容的選擇空分復用

SDM(SpaceDivisionMultiplexer)時分復用

TDM(TimeDivisionMultiplexer)波分復用

WDM(WavelengthDivisionMultiplexer)TDM和WDM技術(shù)合用DWDM技術(shù)特點高容量：可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，使傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍至幾十倍低成本：在大容量長途傳輸時可以節(jié)約大量光纖和再生器，大大降低傳輸成本透明性：與信號速率、格式無關(guān),是引入寬帶新業(yè)務（例如CATV)的方便手段波長路由：利用WDM選路實現(xiàn)網(wǎng)絡交換和恢復從而實現(xiàn)未來透明的、具有高度生存性的光聯(lián)網(wǎng)采用WDM前的擴容采用WDM后的擴容TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纖傳輸DEM

1310nm/1550nm窗口的波分復用

仍用于接入網(wǎng)，但很少用于長距離傳輸

1550nm窗口的密集波分復用(DWDM)

可廣泛用于長距離傳輸，用于建設全光網(wǎng)絡波分復用技術(shù)的發(fā)展WDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成DWDM系統(tǒng)的分類

以信道速率分類：2.5Gbit/s、10Gbit/s及混合速率

以信道承載業(yè)務類型分類：PDH、SDH、ATM、

IP或混合業(yè)務等

以信道數(shù)分類：4、8、16、32等以系統(tǒng)接口分類：集成式或開放式系統(tǒng)還可以總?cè)萘?、地理域或網(wǎng)絡功能等分類開放式和集成式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放式4波、8波、16波、32波WDM系統(tǒng)集成式4波、8波、16波、32波WDM系統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換(WavelengthConvertion)開放式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)------DWDM系統(tǒng)的五大組成部分

合波和分波無源部分信道隔離度高的光解復用器

發(fā)射和接收有源部分特定波長和波長穩(wěn)定、色散容限大的激光器發(fā)射源能容忍一定SNR信號的光接收機

光傳輸和光放大小色度色散系數(shù)光纖增益平坦和增益鎖定的EDFA光放大器

光監(jiān)控信道

1510nm

DWDM系統(tǒng)網(wǎng)管光傳送網(wǎng)分層模型

WDM傳送網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)1．光傳送網(wǎng)與通信網(wǎng)之間的關(guān)系2．WDM光傳送網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)1．光傳送網(wǎng)與通信網(wǎng)之間的關(guān)系圖6-9通信網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)2．WDM光傳送網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)(1)分層結(jié)構(gòu)(2)光通道網(wǎng)絡①光通道層的邏輯功能模型②光復用段層的邏輯功能塊模型(3)WDM光傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡單元連接模型圖6-10WDM光傳送網(wǎng)的功能分層模型圖圖6-12VWP機制的波長轉(zhuǎn)換過程示意圖圖6-13WDM光傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡單元連接模型圖1．WDM網(wǎng)絡的交換形式2．波長路由機制WDM網(wǎng)絡交換形式和波長路由機制

1．WDM網(wǎng)絡的交換形式(1)光路交換(2)分組交換(3)光突發(fā)交換(4)光分組流交換圖6-14廣播式星形光網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖圖6-15光分組交換網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)圖6-16光突發(fā)交換網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)圖6-17光分組流交換數(shù)據(jù)包格式2．波長路由機制圖6-18WDM網(wǎng)絡中的波長通路1．網(wǎng)絡生存性的概念2．網(wǎng)絡生存性策略——保護和恢復3．WDM網(wǎng)絡保護WDM網(wǎng)絡的生存性1．網(wǎng)絡生存性的概念網(wǎng)絡的生存性是指網(wǎng)絡在經(jīng)受各種故障(網(wǎng)絡失效和設備失效)后能夠維持可接受業(yè)務質(zhì)量的能力。經(jīng)常出現(xiàn)的網(wǎng)絡故障包括以下幾種。設備故障鏈路故障軟件故障為了保證網(wǎng)絡的正常工作，必須建立一個具有快速、可靠的交叉連接機制和重選路由技術(shù)的保護倒換方案。就網(wǎng)絡生存性而言，它包含兩個方面的內(nèi)容：保護和恢復。(1)保護恢復技術(shù)分類(2)網(wǎng)絡生存性性能指標2．網(wǎng)絡生存性策略——保護和恢復2．網(wǎng)絡生存性策略——保護和恢復（1）保護恢復技術(shù)分類按網(wǎng)絡中所使用的協(xié)議層次進行劃分：IP層恢復技術(shù)ATM層恢復技術(shù)SDH層恢復技術(shù)光層恢復技術(shù)WDM網(wǎng)絡的恢復方案又可分為保護倒換和利用OXC重新選路進行業(yè)務恢復兩種。2．網(wǎng)絡生存性策略——保護和恢復(2)網(wǎng)絡生存性性能指標冗余度是指網(wǎng)絡中總的空閑容量與總工作容量之比?；謴吐适侵敢鸦謴偷耐ǖ罃?shù)占原來失效的總通道數(shù)的比例?；謴蜁r間是與恢復率有關(guān)的指標，它是指在以一定恢復率為目標的情況下，恢復網(wǎng)絡所需要的時間。3．WDM網(wǎng)絡保護(1)WDM系統(tǒng)線路保護方式①基于單個波長的、在SDH層上實現(xiàn)的1+1或1∶n保護②光復用段保護(OMSP)(2)WDM環(huán)網(wǎng)的保護①WDM環(huán)形網(wǎng)絡的分類②兩纖環(huán)(3)網(wǎng)狀網(wǎng)的OXC保護DWDM網(wǎng)絡現(xiàn)有拓撲結(jié)構(gòu)點到點環(huán)狀12345ABCDE12345ABCDE

線路保護主要有兩種保護方式：SDH層的保護 光網(wǎng)絡層的保護WDM系統(tǒng)的保護(1)WDM系統(tǒng)線路保護方式圖6-33采用分路器和光開光復用段保護(OMSP)圖3SDH層的1＋1線路保護這種保護系統(tǒng)的機制是：在發(fā)送端的SDH設備所發(fā)射的光信號，通過光分路器將信號分成兩路，然后再通過兩個合波器分別送入工作通路和保護通路，在接收端利用SDH復用段功能監(jiān)視從這兩個通路中收到的SDH信號狀態(tài)，并選擇更合適的信號，送到接收端，這種方式可靠性比較高，但是成本也較高?；趩瓮ǖ?:N保護T×11、T×21～T×n1共用一個保護段，與T×p1構(gòu)成1:N的保護關(guān)系。以此類推，T×1m、T×2m、T×nm共用一個保護段，與T×pm構(gòu)成1:N的保護關(guān)系。接收端監(jiān)視和判斷接收到的信號狀態(tài)，并執(zhí)行來自保護段合適信號的橋接和選擇。

ADMmADMADMADM2纖自愈環(huán)nADMmADMADMADM4纖自愈環(huán)mmmnmnmnmDWDM和SDH自愈環(huán)的結(jié)合（2）WDM環(huán)網(wǎng)保護圖6-34兩纖單向配置環(huán)WDM單向通道保護環(huán)是在波長通道切換的基礎(chǔ)上進行路徑的恢復。單向通道保護環(huán)每對節(jié)點之間都有兩根光纖，一根用作主通道來傳輸工作信號，一根用于保護通道來傳輸保護信號，這兩根光纖的傳輸方向相反，傳輸內(nèi)容相同。系統(tǒng)采用1+1保護方式，在發(fā)送端的主、保護通道中傳送同一業(yè)務，在接收端根據(jù)信號質(zhì)量優(yōu)劣從兩條通道中選擇一條接收。圖1自愈環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)：二纖單向通道保護從圖2中可以看出，從某個節(jié)點發(fā)出的同樣的信號從不同的方向、以不同的傳輸時延到達目的地。接收機通常選擇來自主通道的信號，當然它也在不斷比較兩個方向信號的保真度，在出現(xiàn)主通道信號丟失或者服務劣化時即選擇另一信號。因此，每個通道都是基于信號性能而獨立切換的。如果通道2中斷或是節(jié)點2出現(xiàn)設備故障，則節(jié)點3將切換到保護通道，通過鏈路5和鏈路6接受來自節(jié)點1的信號。圖2某兩點之間出現(xiàn)斷纖或設備出現(xiàn)故障示意圖動態(tài)可重構(gòu)的OADM節(jié)點輸入光纖1234本節(jié)點信息DEMMUX輸出光纖12341123344RXTX23412341x2開關(guān)1234123412

3412

3412341234動態(tài)可重構(gòu)的交叉連接節(jié)點光開關(guān)11圖6-35兩纖雙向配置環(huán)(集中波長產(chǎn)生)（2）WDM環(huán)網(wǎng)保護圖6

2纖光復用級光享保護環(huán)其保護機制如下,光纖1和光纖2中分別有N個波長的光波傳輸，它們分別是λ1、λ2……λN，其中光纖1和光纖2中λ1~λN/2所傳送的是工作波長，

λN/2＋1~λN所傳送的是保護波長。在正常情況下，信號均由工作波長所攜帶，傳送到目標節(jié)點。如圖6(a)所示，A→C的信號由光纖1的工作波長所攜帶傳送，而C→A的信號由光纖2的工作波長所攜帶傳送。當光纖斷裂時，如A、B之間的光纖斷裂，A→C的信號，在A點進行倒換由光纖2的保護波長所攜帶傳送，經(jīng)由D、C節(jié)點，到達B節(jié)點，在B點再進行倒換（包括波長的轉(zhuǎn)換），信號由光纖1的工作波長所攜帶傳送到達目標節(jié)點C點。而C→A的信號，由光纖2的工作波長所攜帶到達節(jié)點B，在節(jié)點B上進行倒換（包括波長的轉(zhuǎn)換），信號由光纖1的保護波長所攜帶，經(jīng)由D點到目標節(jié)點C經(jīng)倒換以后接收,如圖（b）所示。當2纖環(huán)節(jié)點失效，如B節(jié)點失效,如圖（c）所示，則要在A、C節(jié)點進行環(huán)倒換，如A→C，信號由光纖2的保護波長所攜帶傳送；C→A，信號由光纖1的保護波長所攜帶。圖7

4纖光復用段共享保護環(huán)4纖復用段保護環(huán)與2纖共享保護環(huán)相類似，只不過在4纖環(huán)中所有的工作波長均由工作光纖所攜帶，而所有的保護波長均由保護光纖所攜帶,如圖7所示。正常情況下，A→C和C→A的信號均是由工作光纖所攜帶傳送，如圖7（a）所示。當某一根工作光纖斷裂，如圖7（b）所示，則A→C的信號，在節(jié)點A通過跨距倒換，由保護光纖所攜帶，到達節(jié)點B再經(jīng)跨距倒換，由工作光纖所攜帶到達目標節(jié)點C。當節(jié)點失效，如圖7（c）所示，如B節(jié)點失效，需在A、C節(jié)點進行環(huán)倒換，如：A→C信號首先在節(jié)點A進行環(huán)倒換，由保護光纖所攜帶，經(jīng)由D節(jié)點到達目標節(jié)點C經(jīng)倒換以后接收；而從C→A，信號首先在節(jié)點C進行環(huán)倒換，由保護光纖所攜帶，經(jīng)由D節(jié)點到達目標節(jié)點A經(jīng)倒換以后接收。光通道保護光復用段保護集中型業(yè)務;網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)較為豐富，支持環(huán)形、鏈形、點對點以及點對多點等;可以實現(xiàn)基于光波長的保護，保護更加細致，可以根據(jù)業(yè)務的需要設置是否保護和保護方式。如在同一個WDM系統(tǒng)中對于SDH業(yè)務可以不采用光層保護，而GE業(yè)務則采用光通道保護；工作和保護波道路徑是相對固定的，WDM系統(tǒng)在功率和色散方面的規(guī)劃較為簡單；受系統(tǒng)距離的限制，可靈活用于干線、本地接入網(wǎng)WDM系統(tǒng)中；基于硬件的倒換，倒換時間短，可達10ms以內(nèi)(目前國內(nèi)行業(yè)標準為50ms)。分散型區(qū)間業(yè)務;基于光線路復用段的保護，保護單盤的數(shù)量只與系統(tǒng)節(jié)點數(shù)相關(guān)，不受波長容量的影響，成本較低；可以支持同一波道在不同的復用段區(qū)間中同時使用，系統(tǒng)整體容量較光通道保護要高。光通道保護光復用段保護保護單元OCP的數(shù)量與波長數(shù)相關(guān)，系統(tǒng)容量越大，OCP的數(shù)量越多，成本略高；采用“既保護波道路徑也保護OTU”和“只保護OTU不保護波道路徑”的方式，OTU采用了1+1的配置，OTU數(shù)量成倍增長，建設成本更高；采用“只保護波道路徑”的方式，OTU業(yè)務盤沒有得到有效的保護，保護的級別不是很高。只適用于閉合的OADM環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時對于系統(tǒng)的總傳輸距離有限制，一般不得超過200km；工作波道路徑固定，但保護波道路徑不固定，系統(tǒng)在色散及光功率方面的設置較為復雜，系統(tǒng)運行維護難度較大；多個區(qū)間的相同波長業(yè)務共享一個保護波長，有可能發(fā)生在倒換時的錯連現(xiàn)象；只保護整個光復用段(即光纜線路)，保護方式較粗放，不支持對單波道的細致保護和OTU單盤的保護，不能針對不同的業(yè)務波道設置是否保護和保護方式；后期運行維護困難；由于采用OADM閑合環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，部分波道(由其是保護通道)在環(huán)內(nèi)被EDFA循環(huán)放大，可能會導致光功率自激振蕩現(xiàn)象，造成系統(tǒng)癱瘓；保護采用軟件協(xié)議實現(xiàn)，倒換時間較通道保護長，為50ms。WDM網(wǎng)絡模型圖1本地WDM的一個組網(wǎng)模型圖2圖1的分解網(wǎng)模型在圖1中，節(jié)點D是一個背靠背設備，節(jié)點A、B、C、E、G、H均為光分插復用設備（OADM）或是一個背靠背設備，節(jié)點F是WDM的系統(tǒng)終端設備。以圖2的分解網(wǎng)中的SDH網(wǎng)來分析，這個SDH網(wǎng)是由兩個環(huán)網(wǎng)組成，在節(jié)點A、C、D所構(gòu)成的環(huán)網(wǎng)（稱環(huán)n1）中，它是以

WDM系統(tǒng)中的第λn光波來形成環(huán)n1，經(jīng)與節(jié)點D的背靠背設備；業(yè)務跨入以節(jié)點D、E、H組成的環(huán)網(wǎng)（稱環(huán)n2），它是以WDM系統(tǒng)中第λn光波也可以是其他光波長來形成環(huán)n2。(3)網(wǎng)狀網(wǎng)的OXC保護圖6-36OXC節(jié)點的保護示意圖ABCDXYEGFHI格形網(wǎng)絡的保護可以通過多種路由實現(xiàn)。如果A、B斷開，可以從A、C、D、B到B。如果C、D也斷開、或擁塞，A、B可以從A、E、F、G、H、I、Y、B。格形網(wǎng)絡的保護6.3.3WDM系統(tǒng)中的光監(jiān)控信道隨著EDFA的商用化進程的發(fā)展，在WDM系統(tǒng)中通常使用EDFA作為中繼器，這樣使無電中繼距離大大提高，因而在WDM系統(tǒng)中的監(jiān)控內(nèi)容增加了對EDFA的監(jiān)控與管理的內(nèi)容。在WDM系統(tǒng)中是通過增加一個新的波長來對EDFA的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。除監(jiān)控線路中的EDFA之外，WDM系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)還應完成對各波道工作狀態(tài)的監(jiān)控。監(jiān)控信號所傳信息包括幀同步字節(jié)、公務字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)等。DWDM系統(tǒng)監(jiān)控通道保護技術(shù)DWDM網(wǎng)管系統(tǒng)DWDM網(wǎng)管系統(tǒng)示意圖光復用段層(OMS)光通道層(OCH)光傳輸段層(OTS)光傳送網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)通道層段層SDH分層結(jié)構(gòu)物理層(FIBER)電路層

網(wǎng)元管理系統(tǒng)管理功能：故障管理：進行故障診斷、故障定位、故障隔離、故障改正，以及路徑測試功能。性能管理：性能參數(shù)監(jiān)視等配置管理：設置和預配等安全管理：4級授權(quán)等獨立的網(wǎng)元管理功能EM層DWDM的網(wǎng)管應與所承載信號的網(wǎng)管分離開，以增加承載多樣性，發(fā)揮“業(yè)務透明”的特點。三DWDM組網(wǎng)考慮三DWDM組網(wǎng)考慮

網(wǎng)絡規(guī)劃的前瞻性

光網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡規(guī)劃的一致性

統(tǒng)一的網(wǎng)絡管理，分級的網(wǎng)元管理網(wǎng)絡規(guī)劃的開放性

可容納不同業(yè)務和不同種類的傳輸設備DWDM系統(tǒng)總體考慮n為最大通路數(shù)目W字母表示跨距x表示應用代碼中最大允許的光中繼段數(shù)；y

表示通路信號的最大比特率（STM等級）:1,4,16,64z表示光纖類型L表示長距離80kmV,表示較長距離100kmV表示甚長距離120kmU表示超長距離160km2表示G.652光纖3表示G.653光纖5表示G.655光纖

應用代碼的構(gòu)成：nWx-y.z

系統(tǒng)應用代碼

DWDM應用代碼nL8-16.2 (8×80km)nV3-16.2 (3×120km)nV’5-16.2 (5×100km)無在線光放大器系統(tǒng)的應用代碼有在線光放大器系統(tǒng)和應用代碼1)80公里跨距2)120公里跨距有在線光放大器系統(tǒng)和應用代碼

系統(tǒng)衰減范圍

系統(tǒng)目標距離的衰減范圍基于光纜在1530-1565nm范圍內(nèi)的衰減系數(shù)為0.28dB/km(包括接頭衰減和光纜富余度）、目標距離40km的光纖衰減為11dB的假設計算得到的。G.652光纖目標距離的最大色散基于色散系數(shù)為20ps/(nm.km)的假設計算得到的。WDMWDM色散限制無電中繼總傳輸距離OSNR光纖段跨距光信噪比（OSNR）限制光纖段跨距