光網路 - WDM 技術

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WDM 是一種能夠透過單根光纖傳輸多種光訊號的技術。其原理與頻分複用 (FDM) 基本上相同。也就是說，使用不同的載波傳輸多個訊號，佔據頻譜中不重疊的部分。在 WDM 的情況下，使用的頻譜帶位於 1300 或 1550 nm 區域，這是光纖訊號損耗非常低的兩個波長視窗。

最初，每個視窗用於傳輸單個數字訊號。隨著光學元件（如分佈反饋 (DFB) 雷射器、摻鉺光纖放大器 (EDFA) 和光電探測器）的進步，人們很快意識到，每個傳輸視窗實際上可以被多個光訊號使用，每個訊號佔據可用總波長視窗的一小部分。

實際上，複用在一個視窗內的光訊號數量僅受這些元件精度的限制。憑藉當前技術，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波分複用 (DWDM)。

長途 WDM

1995 年，美國的長途運營商開始部署點對點 WDM 傳輸系統，以提升其網路容量，同時利用其現有的光纖基礎設施。從那時起，WDM 也席捲了長途市場。WDM 技術可以應對不斷增長的容量需求，同時推遲光纖的耗盡並提高容量升級的靈活性。

然而，最主要的驅動力是與競爭解決方案（如空間分複用 (SDM) 或增強型時分複用 (TDM)）相比，WDM 解決方案的成本優勢，以升級網路容量。“開放式”WDM 解決方案（如下圖所示）利用了 WDM 終端複用器 (TM) 中的轉發器和多個波長通道共享的內聯光放大器。

轉發器本質上是一個 3R 光電光 (O/E/O) 轉換器，它將符合 G.957 標準的光訊號轉換為適當的波長通道（反之亦然），同時透過電子方式重新供電、重塑和重新定時訊號。SDM 解決方案並行使用多對光纖，每對光纖都配備 SDH 再生器，而不是多個波長共享相同的內聯光放大器。升級到更高的 TDM 速率（例如，從 2.5 Gb/s STM-16 到 10 Gb/s STM-64）只是一個短期解決方案，因為色散等傳輸損傷不會隨著 TDM 速率的提高而很好地擴充套件，尤其是在標準單模光纖上。

一個案例研究表明，即使對於僅三個 STM-16 通道，長途點對點 WDM 系統也顯然比 SDM 更具成本效益。上圖說明了傳輸網路初始核心（包括 5000 公里光纖，兩個接入城市之間平均距離為 300 公里）的兩個鏈路成本比較。請注意，上圖中 100% 成本參考點對應於部署一個 STM-16 通道的成本，包括光纖成本。從上圖可以得出兩個結論。

如下圖所示，如果僅考慮傳輸和再生裝置成本（即 SDM 情況下的 SDH 再生器和 WDM 情況下的帶有內聯光放大器的 WDM TM 和轉發器），使用 WDM 技術的初始鏈路成本是 SDH 的兩倍多。但是，由於共享使用內聯光放大器，因此 WDM 解決方案在網路中部署三個或更多通道時更具成本效益。

如下圖所示，如果除了上述考慮因素外，還考慮光纖成本，則 WDM 方案的成本優勢變得更加明顯，並且隨著通道數量的增加而放大。WDM 解決方案在網路中部署三個或更多通道時更具成本效益。

短途 WDM

由於短途網路的距離有限，因此不需要再生器，光學損傷的影響也較小，因此 WDM 的優勢不如 SDM 或增強型 TDM 解決方案明顯。但是，光纖耗盡和低成本光學元件現在正在推動 WDM 在都會網路中的應用。

短途應用與同一城市內多個接入點 (POP) 的互連有關。讓我們考慮一個例子。下圖顯示了傳輸網路每個城市至少有兩個 POP，客戶可以在其中互連。透過雙節點互連技術（如下接上行），客戶網路可以透過兩個不同的 POP 與傳輸網路互連。

這產生了一種非常安全的架構，即使在 POP 發生故障的情況下，也不會對流量產生任何影響。因此，城市中兩個 POP 之間的流量不僅包括透過該城市傳輸的流量，還包括在該城市終止並使用下接上行進行保護的流量。這些不斷增長的城市內容量需求導致了 WDM 在傳輸網路的短途部分中的部署。

WDM 比 SDM 更受歡迎的主要原因是，城市中的光纖必須從第三方租賃或必須構建光纖網路。租賃或構建城市光纖不僅是一個昂貴的過程，而且也是一種升級容量的靈活性較差的方法。在流量分佈和流量量快速變化的動態環境中，預先很難預測需要租賃或構建多少光纖。因此，使用 WDM 技術具有明顯的靈活性優勢，因為波長通道可以在很短的時間內啟用。

儘管世界上有特定的短途 WDM 系統可用，但最好對其長途網路使用相同型別的 WDM 系統。雖然短途 WDM 系統比其長途對應系統更便宜，並且由於其低成本光學元件可以被使用，但它們會導致異構網路，這由於以下幾個原因而不受歡迎。首先，使用兩個不同的系統會導致運營和管理成本增加。例如，異構網路需要的備用裝置部件比同構網路多。其次，兩個不同系統之間的互操作可能會帶來問題。例如，由於短途 WDM 系統通常支援的波長少於長途 WDM 系統，因此可能會出現瓶頸。

光傳輸網路架構

光傳輸網路 (OTN)（如下圖所示）代表了傳輸網路演進的自然下一步。從高階架構的角度來看，人們不會期望 OTN 架構與 SDH 架構有很大差異。然而，事實上 SDH 涉及數字網路工程而 OTN 涉及模擬網路工程，導致了一些重要的（即使是細微的）區別。探索這些區別使我們能夠理解 OTN 的哪些方面可能與其 SDH 對應物不同。

不斷發展的 WDM OTN 架構（包括網路拓撲和生存能力方案）將與 SDH TDM 網路的架構非常相似（如果不是映象的話）。然而，這應該令人驚訝，因為 SDH 和 OTN 都是面向連線的複用網路。主要區別源於複用技術的型別：SDH 的數字 TDM 與 OTN 的模擬 WDM。

數字與模擬的區別對 OTN 網路和系統設計的許多方面的基本成本/效能權衡產生了深遠的影響。特別是，與模擬網路工程相關的複雜性和維護影響佔 OTN 相關挑戰的大部分。

為了滿足對容量增益的短期需求，WDM 點對點線路系統將繼續大規模部署。隨著波長數量和終端之間距離的增加，越來越需要在中間站點新增和/或下接波長。因此，靈活的可重構光 ADM (OADM) 將成為 WDM 網路的組成部分。

隨著越來越多的波長部署在運營商網路中，越來越需要在光通道級別管理網路之間的容量和切換訊號。與 DXC 在電氣層管理容量的方式非常相似，光交叉連線 (OXC) 將出現在光層管理容量。

最初，對光層頻寬管理的需求在核心傳輸網路環境中將最為迫切。在這裡，基於邏輯網狀的連線將透過物理拓撲得到支援，包括基於 OADM 的共享保護環和基於 OXC 的網狀恢復架構。選擇將取決於服務提供商所需的頻寬“過度構建”程度和生存能力時間尺度要求。

隨著都會網路互連辦公室和接入環境出現類似的頻寬管理需求，OADM 環形解決方案也將針對這些應用進行最佳化：用於網狀需求的光共享保護環和用於集線器需求的光專用保護環。因此，就像 OA 是 WDM 點對點線路系統出現的技術推動力一樣，OADM 和 OXC 將成為 OTN 出現的推動力。

隨著光網路元件承擔傳統上由 SDH 裝置提供的傳輸層功能，光傳輸層將成為能夠支援傳統和融合分組核心網路訊號格式的統一傳輸層。當然，服務提供商向 OTN 的遷移將取決於“類似 SDH”的傳輸層功能向光層的轉移，以及為新興的光傳輸層開發維護理念和相關的網路維護功能。

光網路作為統一傳輸基礎設施的核心作用，其生存能力至關重要。與許多其他架構方面一樣，光網路的生存能力將與SDH的生存能力具有高度相似性，因為網路拓撲和網路元素型別非常相似。在光層內，生存能力機制將繼續提供從光纖切斷和其他物理介質故障中恢復的最快可能方法，並提供高效且靈活的保護容量管理。

OTN在概念上類似於SDH，因為它定義了反映客戶端-伺服器關係的子層。由於OTN和SDH都是面向連線的多路複用網路，因此它們的恢復和保護方案非常相似也就不足為奇了。微妙但重要的區別值得重複：TDM網路基於數字時隙操作，而OTN/WDM網路基於模擬頻率時隙或光通道（波長）操作。因此，雖然我們可能期望兩種技術都能實現類似的保護和恢復架構，但任何特定生存能力方案中可能需要考慮的網路故障型別可能會有很大不同。

光層生存能力

電信網路需要向其客戶提供可靠的不間斷服務。整體可用性要求約為99.999%或更高，這意味著網路平均每年不得停機超過6分鐘。因此，網路生存能力是影響這些網路設計和執行的主要因素。網路需要設計成能夠處理鏈路或光纖切斷以及裝置故障。

網路可以被視為由許多層相互操作組成，如上圖所示。不同的運營商選擇不同的方式來實現其網路，使用不同的分層策略組合。現有的運營商利用其大量的SDH裝置安裝基礎以及數字交叉連線的廣泛管理和監控能力。

相比之下，提供基於網際網路協議（IP）服務的運營商尋求使用IP作為基本傳輸層，而無需使用SDH，從而構建簡化的網路基礎設施。根據服務質量（和多樣性）（QOS）來區分自己的運營商可能會使用ATM作為其傳輸技術。在這些層之下是新興的光WDM層，或稱光層。

光層為上層提供光路徑，上層可以視為利用光層提供的服務的客戶端層。光路徑是電路交換管道，以相當高的位元率（例如，2.5 Gb/s或10 Gb/s）傳輸流量。這些光路徑通常被設定為互連客戶端層裝置，例如SDH ADM、IP路由器或ATM交換機。一旦設定好，它們就會隨著時間的推移保持相當靜態。

光層由光線路終端（OLT）、光ADM（OADM）和光交叉連線（OXC）組成，如下圖所示。OLT將多個通道複用到一根光纖或一對光纖中。OADM從聚合WDM流中新增和刪除少量通道。OXC在高流量節點位置切換和管理大量通道。

我們從服務的角度來看待光層保護，從光層需要為上層提供的服務型別來看。然後，我們根據必須支援的服務組合，比較所提出的不同光層保護方案的成本和頻寬效率。這與傾向於將光層保護視為類似於SDH層保護的做法有所不同。

為什麼要進行光層保護？

上圖所示的IP、ATM和SDH層都包含保護和恢復技術。雖然這些層都設計為與其他層一起工作，但它們也可以直接在光纖上執行，因此不依賴於其他層來處理保護和恢復功能。因此，這些層中的每一層都包含其自己的保護和恢復功能。因此，問題出現了，為什麼我們需要光層提供其自身的一套保護和恢復機制？以下是其中一些原因：

• 一些在光層之上執行的層可能無法完全提供網路所需的所有保護功能。例如，SDH層被設計為提供全面的保護，因此不會依賴於光層保護。但是，其他層（IP或ATM）中的保護技術本身可能不足以在出現故障時提供足夠的網路可用性。

  目前有許多提案建議在不使用SDH層的情況下，將IP層直接執行在光層之上。雖然IP在路由級別包含容錯功能，但這種機制比較繁瑣，並且速度不夠快，無法提供足夠的QOS。在這種情況下，光層提供快速保護以滿足傳輸層整體可用性要求變得非常重要。

• 大多數運營商在遺留裝置上投入了巨資，這些裝置根本不提供保護機制，但不能忽視。在這些裝置和原始光纖之間無縫引入光層，可以以低成本升級長光纖鏈路的網路基礎設施，並提高生存能力。

• 光層保護和恢復可用於在網路中提供額外的彈性。例如，許多傳輸網路被設計為一次處理單個故障，而不是多個故障。光恢復可用於提供針對多重故障的彈性。

• 光層保護在處理某些型別的故障（例如光纖切斷）方面可能更有效。一根光纖承載多條波長的流量（例如，16-32個SDH流）。因此，光纖切斷會導致這16-32個SDH流中的所有流都由SDH層獨立恢復。網路管理系統被每個這些獨立實體生成的的大量警報淹沒。如果光層能夠足夠快地恢復光纖切斷，則可以避免這種操作效率低下。

• 利用光層保護和恢復可以獲得可觀的成本節省。

限制 - 光層保護

以下是光層保護的一些限制。

• 它無法處理網路中的所有型別的故障。例如，它無法處理連線到光網路的IP路由器或SDH ADM中雷射器的故障。此類故障必須分別由IP或SDH層處理。

• 它可能無法檢測網路中的所有型別的故障。光層提供的光路徑可能是透明的，因此它們可以以各種位元率傳輸資料。在這種情況下，光層實際上可能不知道這些光路徑上到底傳輸了什麼。因此，它無法監視流量以感知降級（例如位元錯誤率增加），而這些降級通常會觸發保護切換。

• 光層以光路徑為單位保護流量。它無法對光路徑上傳輸的流量的不同部分提供不同級別的保護（一部分流量可能是高優先順序，另一部分是低優先順序）。此功能必須由以更細粒度處理流量的上層執行。

• 可能存在限制光層保護能力的鏈路預算約束。例如，保護路由的長度或保護流量經過的節點數量可能會受到限制。

• 如果整個網路設計不當，當光層和客戶端層同時嘗試保護流量免受故障影響時，可能會出現競爭條件。

• 該技術和保護技術尚未經過現場測試，因此，全面部署這些新的保護機制還需要幾年時間。

受保護實體的定義

在詳細介紹保護技術以及它們之間的權衡之前，最好定義由光層和客戶端層保護的實體。這些實體如下圖所示。

客戶端裝置埠

客戶端裝置上的埠可能會發生故障。在這種情況下，光層本身無法保護客戶端層。

客戶端和光學裝置之間的站點內連線

站點內的電纜可能會斷開連線，這主要是由於人為錯誤造成的。這被認為是一個相對可能發生的事件。同樣，只有透過客戶端層和光層保護相結合才能完全防止此類事件發生。

轉發器卡

轉發器是客戶端裝置和光層之間的介面卡。這些卡使用光電光轉換將來自客戶端裝置的訊號轉換為適合在光網路內部使用的波長。因此，此卡的故障率不能忽略不計。鑑於系統中此類卡的數量眾多（每個波長一個），因此需要為其提供特殊的保護支援。

外部設施

站點之間的光纖設施被認為是系統中可靠性最低的元件。光纖切斷現象相當普遍。此類別還包括沿光纖部署的光放大器。

整個節點

整個節點可能會由於維護人員的錯誤（例如，跳閘電源斷路器）或整個站點故障而發生故障。站點故障相對罕見，通常是由於火災、洪水或地震等自然災害造成的。節點故障對網路有重大影響，因此，儘管其發生的機率相對較低，但仍然需要對其進行保護。

保護與恢復

保護被定義為處理故障的主要機制。它需要非常快（通常在SDH網路發生故障時，流量中斷時間不應超過60毫秒）。因此，保護路由通常需要預先計劃，以便可以快速將流量從正常路由切換到保護路由。

由於速度要求，此功能通常由網路元素以分散式方式執行，而無需依賴集中式管理實體來協調保護操作。除了最近（尚未得到證實）的快速網狀保護方案外，保護技術往往相當簡單，並在線性或環形拓撲中實現。它們最終都會使用網路中100%的接入頻寬。

相比之下，恢復不是處理故障的主要機制。在保護功能完成之後，恢復用於在修復第一個故障之前提供高效的路由或針對進一步故障的額外彈性。因此，它可以承受相當慢的速度（有時需要幾秒到幾分鐘）。

恢復路由不需要預先計劃，可以由集中式管理系統動態計算，而無需分散式控制功能。可以使用更復雜的演算法來減少所需的冗餘頻寬，並支援更復雜的網狀拓撲。

光層內的子層

光層由多個子層組成。可以在這些不同的層上執行保護和恢復。我們可以擁有保護單個光路徑或光通道的方案。這些方案處理光纖切斷以及終端裝置（如雷射器或接收器）的故障。

我們可以擁有在聚合訊號級別工作的方案，這對應於光復用段（OMS）層。這些方案不區分複用在一起的不同光路徑，並透過將其作為一組進行切換來同時恢復所有光路徑。

術語“路徑層保護”用於表示在單個通道或光路徑上執行的方案，而“線路層保護”用於表示在光復用段層上執行的方案。請參見表1以比較路徑和線路層方案的特性，並參見表2和表3以瞭解不同的路徑和線路方案。

表1：線路保護和路徑保護的比較

表2：線路層方案的比較

表3：路徑層方案的比較

物理網路拓撲結構可以是任何網狀結構，在客戶端裝置節點之間傳遞光路徑。從客戶端裝置的角度來看，虛擬拓撲結構根據客戶端層進行限制（例如，SDH環網）。²物理拓撲結構為任何網狀結構，而光路徑的虛擬拓撲結構為環形。

例如，考慮以下圖中所示的兩種保護方案。這兩種方案都可以認為是1+1保護方案，即都在傳送端將訊號分成兩路，並在接收端選擇質量較好的一路。圖(a)描繪了1+1線路層保護，其中整個WDM訊號的分割和選擇都是一起進行的。圖(b)描繪了1+1路徑層保護，其中每個光路徑的分割和選擇都是單獨進行的。

線路層與路徑層保護

這兩種方法在成本和複雜性方面存在重要差異。線路保護需要一個額外的分路器和一個切換到不受保護系統的開關。然而，路徑保護每個通道都需要一個分路器和一個開關。更重要的是，路徑保護通常需要線路保護兩倍的轉發器和兩倍的複用/解複用資源。因此，如果所有通道都需要保護，則路徑保護的成本幾乎是線路保護的兩倍。然而，如果並非所有通道都需要保護，情況就會發生變化。

基本保護方案

表1、2和3中可以找到保護方案的比較。光層保護方案可以像SDH保護方案一樣進行分類，並且可以在客戶端層、路徑層或線路層實現。

客戶端保護

一個簡單的選擇是讓客戶端層負責自己的保護，而光層不執行任何保護。對於SDH客戶端層來說，情況可能就是如此。雖然從光層的角度來看這很簡單，但透過執行光層保護可以獲得顯著的成本效益和頻寬節省。雖然客戶端保護方法可以支援點到點、環形或網狀客戶端網路，但需要注意的是，從光網路的角度來看，所有這些都轉換為光網狀支援，因為即使是點到點的客戶端鏈路也可以跨越整個光網狀網路。

在客戶端層保護中，工作和保護客戶端路徑透過光層完全多樣化路由，因此不存在單點故障。此外，工作和保護客戶端路徑不應對映到同一WDM鏈路上的不同波長上。如果WDM鏈路發生故障，則兩條路徑都將丟失。

路徑層方案

1+1路徑保護

此方案需要網路中的兩個波長，以及每端兩組轉發器。當應用於環形網路時，這種保護也稱為光單向路徑切換環（OUPSR）或OCh專用保護環（OCh/DP環）。

實施說明 - 橋接通常透過光耦合器完成，而選擇則透過1×2光開關完成。接收端可以決定切換到備份路徑，而無需與源端協調。

雙向路徑切換環

此方案鬆散地基於SDH 4纖雙向線路切換環（BLSR），並依賴於環路周圍共享的保護頻寬。當工作光路徑發生故障時，節點會協調並嘗試透過同一方向環路中的指定保護頻寬傳送業務（以克服轉發器故障）。這是一種段切換。如果此操作失敗，則節點會將業務環繞到環路的備用路徑，一直到故障的另一端。此操作是環路切換。

該方案允許非重疊的光路徑共享相同的保護頻寬，只要它們不同時發生故障即可。此方案也稱為OCh共享保護環（OCh/SPRing）。

實施說明 - 此方案可以在OXC中實現，或者透過OADM中的更小尺寸的開關實現。每個保護通道都需要開關。它類似於SDH BLSR標準。

網狀路徑保護

此方案允許全域性網狀保護，併為每個發生故障的光路徑單獨快速切換（小於100毫秒）到備份路徑，該路徑由多個光路徑共享，並且每個光路徑可能採用不同的路由。如果發生故障，會通知所有相關節點設定備份路徑。

實施說明 - 這些方案正在OXC中實施。由於時間限制，預定義的備份路徑儲存在網路節點中，並根據故障型別啟用。

網狀路徑恢復

與網狀路徑保護不同，此方案沒有嚴格的時間限制。該裝置使用其拓撲結構計算備用路由，並將新的設定資訊傳播到節點，節點會設定這些路由。節點不需要維護任何網路資訊。

實施說明 - 此方案的集中式特性確保了更最佳化的保護路由，並降低了實施和維護複雜性。

1:N裝置保護

典型WDM終端中最複雜（因此也最容易發生故障）的模組之一是轉發器。1:N保護指定一個備用轉發器，以防正常轉發器發生故障。

實施說明 - 此方案通常基於指定的受保護波長。如果發生故障，則兩端必須使用快速信令協議進行切換，這與SDH中的APS不同。

線路層方案

1+1線性保護

此方案基於將整個WDM訊號批次橋接到一對多樣化路由的設施上。然後，這些設施的接收端選擇接收兩個訊號中的哪一個。

1:1線性保護

此方案需要與前一個方案（即1+1線性）類似的配置，但是，訊號切換到工作路徑或保護路徑，而不是同時切換到兩者。雖然這增加了協調負擔，但它允許在備份路徑上執行低優先順序業務（直到需要保護工作路徑）。由於整個訊號能量被引導到一條路徑而不是兩條路徑，因此它還帶來了更低的功率損耗。

實施說明 - 切換通常使用光1×2開關完成。協調透過快速信令協議實現。

光單向線路切換環（OULSR）

此方案與OUPSR方案類似，只是訊號的橋接和選擇是針對聚合的WDM訊號進行的。這允許更最佳化的設計、更低的成本和截然不同的實現方式。

實施說明 - 此方案的實現基於無源耦合器，將光環路連線到廣播介質中。此方案不是使用OADM，而是基於簡單的OLT，每個OLT都耦合到順時針和逆時針環路中，因此每個波長都在兩根光纖上傳送和接收。在正常情況下，鏈路被人工斷開，形成線性匯流排，當光纖斷開鏈路重新連線時。

雙向線路切換環

此方案在協議方面和所使用的保護操作（段切換和環切換）方面都與OBPSR方案類似。與所有線路層方案一樣，聚合的WDM訊號被批次切換到專用的保護光纖（需要四根光纖），或切換到單根光纖內的不同WDM頻段（僅允許兩根光纖，但需要兩級光復用方案）。此方案也稱為OMS共享保護環（OMS/SPRing）。

實施說明 - 由於備份路由在整個環路中光學迴圈，因此備份路徑上可能需要光線路放大器來補償損耗。環路的周長也受其他光損傷限制。因此，此選項最適合城域應用。

網狀線路保護/恢復

此方案基於全光交叉連線，將來自故障設施的WDM訊號轉移到備用路由，然後返回到故障設施的另一端。

實施說明 - 與OBLSR一樣，此方案受備用路由上可能產生的光損傷限制，需要仔細的光學設計。

保護方案選擇考慮因素

運營商可以選擇用於網路中的保護方案的標準。下圖描繪了此標準的簡化決策圖，假設需要裝置和線路保護。

保護成本

從運營商的角度來看，另一個標準是系統的成本，至少包括以下兩個方面：-

• 裝置成本
• 頻寬效率

這兩者都取決於業務的組合，即光層需要保護的業務的比例。

下圖顯示了路徑層方案和等效線路層方案的裝置成本與業務組合的關係。如果所有業務都需要保護，則路徑層方案需要的裝置大約是線路層方案的兩倍，因為共享的通用裝置較少。

然而，路徑層保護的成本與需要保護的通道數量成正比，因為每個通道都需要相關的複用/解複用和終端裝置。因此，如果需要保護的通道較少，則路徑層保護的成本就會降低。在不需要保護任何通道的情況下，假設沒有部署額外的通用裝置，則路徑層方案的成本將與線路層方案大致相同。

從頻寬效率的角度來看，情況有所不同，如下圖所示。線上路保護系統中，保護頻寬既會被需要保護的光路徑佔用，也會被不需要保護的光路徑佔用。而在路徑保護系統中，不需要保護的光路徑可以利用頻寬，從而允許其他未受保護的光路徑使用原本會被浪費在不需要的保護上的頻寬。

因此，如果很大一部分光路徑可以不進行保護，路徑層保護可以透過在相同網路上支援更多工作流量的方式來收回成本，而線路層保護則無法做到這一點。