NGN - WDM 技術

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WDM 是一項技術，它允許各種光訊號透過單根光纖進行傳輸。其原理本質上與頻分複用 (FDM) 相同。也就是說，多個訊號使用不同的載波傳輸，佔據頻率譜中不重疊的多個部分。對於 WDM，使用的頻譜帶在 1300 或 1550nm 的區域內，這是光纖訊號損耗非常低時可使用的兩個波長視窗。

最初，每個視窗均用於傳輸單一數字訊號。隨著分佈反饋 (DFB) 雷射器、摻鉺光纖放大器 (EDFA) 和光電檢測器等光學元件的進步，人們很快意識到，事實上每個傳輸視窗都可以使用多個光訊號，每個訊號佔據可用的總波長視窗的一小部分。

事實上，在視窗內複用光訊號的數量僅受這些元件精度的限制。利用當前技術，可以將 100 多個光通道複用到一根光纖中。然後該技術被命名為密集 WDM (DWDM)。

DWDM 的主要優點是能夠經濟有效地增加光纖頻寬。全球現有的龐大光纖網路可以突然將其容量成倍增加，而無需敷設昂貴的長新光纖。顯然，必須將新的 DWDM 裝置連線到這些光纖上。此外，可能需要光再生器。

ITU (T) 正在對要使用的波長數量和頻率進行標準化。使用的波長集不僅對互操作性很重要，而且對於避免光訊號之間的破壞性干擾也很重要。

下表給出了基於 50 GHz 的標稱中心頻率，最小通道間距錨定在 193.10 THz 上。請注意，C（光速）值取為 2.99792458 x 108 m/sec.，用於在頻率和波長之間轉換。

ITU-T Grid（在 C 波段內），ITU (T) Rec. G.692

網路內的 DWDM

典型的 SDH 網路將在每個節點的每一側有兩根光纖，一根用於傳輸到其鄰居端，另一根用於接收來自其鄰居端的光纖。

雖然在站點之間擁有兩根光纖聽起來相當不錯，但在實踐中，即使它們不構成同一網路的一部分，也可能會在站點之間執行許多系統。

僅使用上面顯示的兩個網路，站點 C 和 D 之間現在需要四根光纖，而在站點之間鋪設光纖極為昂貴。這就是 DWDM 網路發揮作用的地方。

使用 DWDM 系統，站點 C 和 D 之間所需的光纖數量減少到一根光纖。現代 DWDM 裝置可以複用多達 160 個通道，從而在光纖投資方面節省了大量資金。由於 DWDM 裝置僅適用於物理訊號，因此它根本不會影響網路的 SDH 層。就 SDH 網路而言，SDH 訊號不會被終止或中斷。站點之間仍然有直接連線。

DWDM 網路與協議無關。它們傳輸波長的光，並且不在協議層上執行。

DWDM 系統甚至可以在遠距離鋪設光纖時為網路運營商節省大量資金。使用光放大器可以將 DWDM 訊號傳輸到遠距離。

放大器接收多波長 DWDM 訊號，簡單地進行放大以到達下一個站點。

運放會放大紅色或藍色蘭姆達，如果放大紅色蘭姆達，它將丟棄接收到的藍色通道，反之亦然。要雙向放大，需要兩種型別的放大器之一。

為讓 DWDM 系統以令人滿意的方式執行，應使進入光放大器的波長相等。

這涉及將所有傳入光源都設定為相似的光功率級，進入 DWDM 系統。尚未相等的波長在承載流量時可能會顯示錯誤。

一些製造商的 DWDM 裝置透過測量傳入通道的功率並推薦哪些通道需要調整功率來協助現場技術人員。

可以使用幾種方法對波長進行均等化；可在光纖管理框架和 DWDM 耦合器之間安裝可變光衰減器——工程師可以在 DWDM 耦合器側調整訊號。

或者，源裝置可能具有可變輸出光發射器，這允許工程師透過源裝置中的軟體調整光功率。

某些 DWDM 耦合器已為每個接收通道內建衰減器，工程師可以在 DWDM 接入點調整每個通道。

當多種光頻透過光纖時，可能會出現四波混頻的條件。新的光波長在光纖內生成，其波長/頻率由原始波長的頻率確定。新波長的頻率由 f123 = f1 + f2 - f3 給出。

波長的存在會對光纖內的光信噪比產生不利影響，並影響波長內流量的誤位元速率。

波分複用元件

波分複用元件基於各種光學原理。以下是給出的影像，它描述了單個波分複用鏈路。分散式反饋雷射器用作發射器，每個波長使用一個。光波分複用器將這些訊號組合到傳輸光纖中。光放大器用於提高光訊號功率，以補償系統損耗。

在接收器端，光解複用器分隔每個波長，然後將其傳送至光鏈路末端的接收器中。光訊號透過光學 ADM（OADM）新增到系統中。

這些光裝置等同於數字 ADM，梳理和拆分傳輸路徑中的光訊號。OADM 通常由陣列波導光柵 (AWG) 製成，但其他光學技術，比如光纖布拉格光柵，也得到了使用。

關鍵的波分複用元件是光開關。這個裝置能夠將光訊號從給定的輸入埠切換到給定的輸出埠。這等同於電子式交叉開關。光開關能夠構成光網路，因此給定的光訊號可以路由到其適當的目標位置。

另一個重要的光學元件是波長轉換器。波長轉換器是一種將給定波長進入的光訊號轉換成不同波長訊號的裝置，同時保持相同數字內容。該功能對於 WDM 網路非常重要，因為它在跨網路路由光訊號方面提供了更大的靈活性。

光傳輸網路

WDM 網路是透過在特定選擇的拓撲中連線波長交叉連線 (WXC) 節點構建起來的。WXC 是透過波長多路複用器和解複用器、開關和波長轉換器實現的。

以下圖展示了一個通用 WXC 節點架構。

多路複用在同一條光纖中的光訊號到達一個光解複用器。訊號被分解為其多個波長載波，並被髮送到一組光開關。光開關將多個波長訊號路由到一組輸出中。

多路複用器，其中訊號被多路複用並注入到輸出光纖中進行傳輸。波長轉換器可以在光開關和輸出多路複用器之間使用，以提供更大的路由靈活性。WXC 已經研究了許多年。WXC 的難點在於串擾和消光比。

一個波長交叉連線節點

光傳輸網路 (OTN) 是 WDM 網路，提供透過光路的傳輸服務。光路是一個高達每秒數千兆的高頻寬管道，承載資料。光路的速率由光元件（雷射器、光放大器等）的技術決定。STM-16 (2488.32 Mbps) 和 STM-64 (9953.28 Mbps) 範圍內的速率目前是可以實現的。

OTN 由 WXC 節點和一個管理系統組成，該系統控制光路透過監控光裝置（放大器、接收器）、故障恢復等的監管功能的設定和拆除。光路的設定和拆除將在大型時標上執行，例如數小時甚至數天，因為每條光路都提供骨幹頻寬容量。

在 OTN 部署方式方面有很大的靈活性，具體取決於要提供的傳輸服務。這種靈活性的原因之一是，大多數光元件都對訊號編碼是透明的。只有在光層的邊界處，光訊號需要被轉換回電子域時，編碼才有關係。

因此，透明光學服務可以在光層上執行，以支援各種舊式電子網路技術，例如 SDH、ATM、IP 和幀中繼，這在未來是一種可能的情況。

光層進一步分為三個子層 -

• 光通道層網路，與 OTN 客戶端連線，提供光通道 (OCh)。

• 光復用層網路，將多個通道複用為一個光訊號。

• 光傳輸部分層網路，透過光纖提供光訊號的傳輸。

OTN 幀格式

類似於 SDH 幀的使用，對 OCh 的訪問預計將通過當前定義的 OC 幀進行。基本幀大小對應於 STM-16 速度或 2488.32 Mbps，這組成了基本 OCh 訊號。以下圖展示了一個可能 OCh 幀格式。

一個光通道幀

幀的最左側區域（顯示在下面給出的圖中）保留給開銷位元組。這些位元組將用於 OAM&P 函式，類似於之前討論的 SDH 幀的開銷位元組。

然而，其他功能很可能會得到支援，例如提供暗光纖（為單個使用者在兩個端點之間保留波長）和基於波長的 APS。框架的最右側區域保留用於對所有有效負載資料進行糾錯（FEC）方案。光傳輸層上的 FEC 可增加最大跨度長度，並減少中繼器的數量。裡德-所羅門碼可用於此目的。

多個 OCh 應在光域內進行多路複用，以形成光多路複用訊號 (OMS)。這與將多個 STM-1 幀多路複用到 STM-N SDH 幀格式中類似。多個 OCh 可以多路複用到一起以形成 OMS。

光客戶端訊號被置於 OCh 有效負載訊號內。客戶端訊號不受 OCh 幀格式的約束。相反，客戶端訊號只需要一個恆定位元率的數字訊號即可。它的格式與光層也無關。

WDM 環

從概念上講，WDM 環與 SDH 環沒有太大區別。WXCs 以環形拓撲互連，類似於 SDH 環中的 SDH ADM。SDH 環和 WDM 環之間的主要架構差異源於 WXC 的波長切換和轉換能力。

例如，這些功能可用於提供在 SDH 技術中沒有的保護級別。換句話說，除了路徑和線路保護之外，還可以提供波長或光路保護。

光 APS 協議與 SDH APS 一樣複雜。保護可以在 OCh 層或光復用段/光傳輸段層提供。一些額外的保護功能可以在 SDH 環中實現，而不會產生並行性。例如，可以透過將來自給定波長的光訊號轉換為另一個波長來修復故障光路（例如雷射器故障），從而避免訊號重新路由。

這相當於 SDH 中的跨度切換，區別在於即使兩個光纖 WDM 環也可以為 OCh 保護提供這種能力。然而，在 OMS 層，跨度保護將需要四個光纖環，就像在 SDH 中一樣。這些額外功能無疑會給光層 APS 協議引入額外的複雜性。

一旦 WDM 環建立，就需要根據要支援的流量模式建立光路。

網狀 WDM 網路

網狀 WDM 網路使用與 WDM 環相同的光元件構建。然而，網狀網路中使用的協議與環中使用的協議不同。例如，網狀網路中的保護是一個更復雜的主張，就像 WDM 網狀網路中路由和波長分配的問題一樣。

網狀網路很可能成為連線 WDM 環的骨幹基礎設施。預計其中一些連線將是光學的，避免光電瓶頸並提供透明度。其他連線將需要將光訊號轉換為電子域，用於監視管理，也許還有計費目的。下圖描繪了一個 WDM 網路。

基礎設施 − 在此圖中，顯示了以下三個拓撲層 −

• 接入網路
• 區域網路
• 骨幹網路

WDM 網路基礎設施

接入網路中包括 SDH 環和無源光纖網路 (PON)。它們通常基於匯流排或星形拓撲結構，並且使用介質訪問控制 (MAC) 協議來協呼叫戶之間的傳輸。此類網路不提供路由功能。

這些架構適用於支援在短距離上至數百名使用者的網路。雖然 PON 比 WDM 環網成本更低，但由於缺乏有源元件和波分路由等特性，PON 光源所必需的雷射器使此類裝置的第一代產品仍然比 SDH 環網貴。這使得 SDH 解決方案更適用於接入網路層，至少在近期內是這樣。

骨幹網路包含有源光纖元件，因此可提供波長轉換和路由等功能。骨幹網路在某種程度上必須與傳統的傳輸技術（如 ATM、IP、PSTN 和 SDH）相連。

以下圖表描繪了整個場景。此圖表涉及了多種型別的介面。

疊加傳輸 ATM/IP 流量的 WDM 傳輸網路。

SDH 幀封裝

必須定義 OCh 幀以便輕鬆完成 SDH 幀封裝。例如，整個 STM-16c 必須作為 OCh 有效負載進行承載。如果使用基本的 STM-16 光纖通道，則由於 OCh 開銷位元組，可能無法將 SDH-16c 封裝到 STM-16 光纖通道中。

OCh 幀格式目前正在定義中。下圖舉例說明了 SDH 幀封裝到 OCh 幀中。

SDH 介面到 WDM

具有物理 SDH 介面的 WDM 裝置會向 SDH 裝置輸送光纖訊號。這些介面必須向後相容 SDH 技術。因此，SDH 裝置無需瞭解用於傳輸其訊號的 WDM 技術（例如，該裝置可以屬於 BLSR/4 環）。

在這種情況下，WXC 將丟棄並新增到光纖介質中，該介質最初用於 SDH 環。這樣，WDM 層和 SDH 層將完全分離，這對於 WDM 與傳統的 SDH 裝置的互操作性是必要的。

這給光纖層中的波長選擇增加了額外的限制，因為最後一個跳躍的波長（與 SDH 裝置相連的波長）必須與 SDH 裝置用來終止光纖路徑的波長相同，如果 SDH 裝置中並未提供波長轉換。

WDM 鏈路

根據上表所示，雖然 WDM 中的恢復速度比 SDH 技術快，但 WDM 中的故障檢測速度較慢。更安全的 WDM/SDH 保護機制疊加需要更快的 WDM 保護方案。或者，如果 SDH 客戶端能承受此類程式導致的效能下降，則可以人為減緩 SDH APS。

較高的層不必要的故障恢復可能會導致路由不穩定和流量擁堵；因此，應不惜一切代價加以避免。可以在較高層使用故障永續性檢查，以避免過早對較低層故障做出反應。

OMS 子層故障恢復能替代光層所服務的 SDH 訊號的多例項的恢復程式。因此，大量的潛在 SDH 客戶端不必啟動它們所在層中的故障恢復程式。故而，光 OMS 子層中的單一故障恢復可以節省數百個。

向全光傳輸網路演進

向全光 WDM 網路的演進可能逐漸發生。首先，WXC 裝置將連線至現有光纖。光鏈路中可能需要一些額外元件（如光纖放大器），以使傳統光纖鏈路適用於 WDM 技術。WXC 將與傳統裝置（如 SDH 和光纖分散式資料介面 (FDDI)）進行連線。

全光透明傳輸網路的一大優點是，SDH 功能可能會轉移到 SDH 之上的層（IP/ATM）或之下的層（WDM），從而在網路升級性和維護方面帶來節省。這種層級重組可能會影響傳輸網路，假設即時流量（包括語音）已分組（IP/ATM）。這可能會導致 VCD 的 SDH 訊號消失。

一個關鍵問題是如何最有效地將分組封裝到 SDH，甚至直接封裝到光通道 (OCh) 幀中。無論採用何種新的封裝方法，都必須向後相容 IP/PPP/HDLC 和 ATM 封裝。