近阶段WDM网络技术的发展与应用

2019-11-03 18:11:46

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供稿：网友

吴继平　　(中国电信集团公司，北京 100032)　　摘要：首先简要介绍了WDM技术，之后讨论了WDM环网和智能光网络，最后介绍了WDM技术在国内外的发展情况。

　　关键词：WDM；WDM环网；智能光网络

　　文章编号(Article ID)：1009-9336(2001)05-00 -

　　图分类号(CLC number)：TN929.11

　　文献标识码(Document code)：A

　　从20世纪80年代末波分复用概念提出，到90年代中期这短短几年的时间里，此项技术在北美市场上的应用已具备了一定的规模。特别是在过去的5年里，电信传输技术领域内还没有任何其它的传输技术能像WDM技术一样发展得如此迅速。1997年波分复用技术在中国内地开始进入实用，而现在波分复用系统已经较为普遍地应用于我国电信传输网络中了。

　　1 WDM技术简介

　　WDM是一种光纤传送技术。它在一定的带宽上将输入的光信号调制在特定的频率上，然后将调制后的信号复用在一根光纤上，完成此调制的关键是波长复用器的应用。复用后的信号经传送后到达链接的远端，再经过分离或解复用出不同的波长，然后由不同的检测器将各自的光信号转换成电信号，或者直接获取各自的波长信号，并且将它们连接到其它的WDM线路上。

　　WDM系统通过使用不同的波长（在1550nm附近）来承载多个通路的信号，其中可包含大量的2.5Gbit/s和10Gbit/s信号。在实验室中，已成功地实现了在120km长的光纤上传送2.6Tbit/s（即复用132波，每波20Gbit/s）信号的试验。

　　WDM的优势在于：复用多个光业务流到一根光纤上，允许灵活地扩展带宽，降低复用成本，重复利用现存的光信号。特别是在光放大器引入后，光-电转换不再成为必须。WDM光联网实现的关键是光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）的引入，组成这些元素的基本模块是空分交换模块，建立起输入和输出端口之间的信道联接。所有这些，将使电信网络通路的组织、调配、安全保护等更趋灵活。

　　 WDM传送网分为三层结构：电路层、通道层和传输媒质层。其中光通道（OP）技术是关键技术，能够同时提高线路传送容量和节点的吞吐量，而且在宽带宽、终端到终端的通信中，能够显著降低传送网的成本。OP模式分为两种结构：波长通道（WP）和虚波长通道（VWP）。WP在整个路由分配唯一一个波长，而VWP在每个链路上分配一个波长；WP具有全局意义，而VWP只具有局部意义。这两种结构各具特点：采用VWP技术，波长利用率和路由选择的自由度将高于WP技术，对于同一物理网络结构和同样数目的波长，VWP可以容纳更多的光通道；从波长的管理角度出发，WP方案要求对全网进行集中控制，而VWP采取链路到链路的分布式控制；在WP方案中，若不能分配一个从源节点到目的节点波长一致的光通道，就会发生波长阻塞，而VWP只存在由于没有空闲的波长通道造成的容量阻塞。光通道交叉连接（OPXC）提供了VWP方案所要求的波长转换能力。OPXC通过传送-耦合型矩阵开关（DC-SW）的应用，为VWP提供高性能的调制和升级能力。

　　WDM光联网已由最初的线形点到点式传送结构，逐步转变为环型结构、网型结构。现在的WDM系统与SDH在结构上非常相似，WDM光联网是在SDH的基础上，应用OADM和OXC设备建立起来的。与后者相比，其网络容量不断提高，保护能力也日益增强。

　　2 WDM环网

　　WDM环网按传输方向可分为单向环和双向环。按环路中相临节点间的光纤数目又可分为单纤环、两纤环、四纤环和多纤环。

　　就环网而言，由于采用了OADM技术，其每个节点均可上行、下行一定数量的波长。与线性网络及格状网络相比，环网的优点在于：其结构规则，不需要很复杂的路由策略，网络资源（主要是波长）的控制和管理相对容易；环网的硬件比格状网的要简单，格状网除了需要OADM之外，还需要有OXC；环网的光纤在被切断或网络节点发生故障时，能够以简单的方式进行保护，快速可靠。

　　a 线性结构 b 环形结构 c 格状结构

　　WDM环网的研究涉及环网的路由波长优化、环网的互联、环网的恢复与保护等项内容。主要是研究如何使环网资源(主要是波长)优化，以确保网上业务得以顺利实现；不同环网间通过互联构成网状网时，如何通过波长转换解决波长冲突的问题，而不影响环网内部业务的畅通；在环网的恢复和保护中，如何采用最短的路径倒换系统，减少延迟，提高传送质量和性能等。

　　由此而引出了下一代光通信网络-智能光网络。

　　3 智能 (自动)光网络

　　目前，现代电信网络中又提出了一个非常重要的概念，这就是智能（自动保护）光网络。光传送网（OTN）将从过去的仅仅提供传送容量的角色，转向在提供传送容量的同时也可以提供端到端连接的重要角色。未来的OTN将成为一个可向任何地点和用户（如ip、ATM、TDM等用户）提供宽带连接的网络，使得可以充分利用网络资源进行动态地分配各用户通道路由，并确保网上业务的恢复及保护等项功能的光通道自动交换技术将很快成为现实。

　　智能光网络的提出其主要动因是：网络当前的发展已从原来的关注核心传输容量，注重满足网络对容量的需求，逐渐转向侧重核心网络与网络边际间的更加面向服务层的密切联系及其协调发展。即从初期的网络层面的传送连接，更多地转向为终端用户提供端到端的服务连接。网络市场需求的这些新变化，随之也促进了网络规模的迅速发展。光传送网（OTN）正从目前提供传送容量的角色，转向提供端到端连接的角色。

　　与传统的SDH网络相比，智能光网络在管理系统上与前者有很大区别：在SDH/SONET网络中，网络管理侧重于可靠性和保护管理；在智能光网络中，网络管理重点升级为服务提供管理。在智能光网络的标准化方面，目前包括ITU-T在内的许多标准化组织已经提出了相关的标准草案或建议。其中，ITU主要从网络的框架结构方面提出相关的要求，OIF光互联网论坛主要从UNI用户节点接口方面提出业务和相关信令的要求，而IETF主要从信令和选路方面对自动交换光网络进行要求（主要包括选路方法，并对采用OSPF或MPLS等进行讨论）。从当前的情况来看，许多厂商也都在致力于开发该类智能光网络的产品。

　　智能光网络的发展有两项关键技术：硬件光交叉技术及软件选路算法。

　　在硬件光交叉技术上，采用新技术实现全光OXC是一种方向。如Lucent公司的LambdaRouter，该波长路由器是基于贝尔实验室的微机械专利技术，使用256个精微的光反射镜对光信号进行路由选配，而不需要像现在这样先将光信号转换为电信号。它能够在点到点连接的两个节点间迅速建立一条虚光通路，大大节约了时间，其256个信道支持SONET/SDH标准，每个接口速率最高可达40Gbit/s，并提供网络恢复功能，支持基于Mesh的光网络，能够与ATM交换机和IP路由器互连。波长路由器被认为是波长颗粒度和IP网智能的结合。同时，采用O/E/O电的手段来实现大容量的光波长交叉OXC也是一种手段。如CISIO ON S15900系统，支持256个OC-48接口，交换矩阵容量为640Gb/s，并可以无阻塞地升级到160 Tb/，该系统能支持1+1的倒换。MESH网中端到端的波长路由恢复时间也在50 ms以内。

　　软件选路算法是智能光网络的核心，因为自动光网络就是需要增加光网的智能，使点到点的光管道成为有弹性的可管理的光网，其核心软件必不可少。比较可行的方案是结合MPLS和OSPF，制定适合波长路由的新的路由协议。

　　智能光网络的网元具有智能性，网元能够主动和其他网元交换链路及容量信息，从而掌握全网状态。网络状态无时无刻不在发生变化，网络的节点数也可能很多，甚至达到数千个，波长和中继链路达到数万条。因此，网元间交换信息时信息数据库必须具有实时动态性、可扩展性及可收敛性。

　　使用拓展的、适用于光路计算的OSPF协议，可做到与标准OSPF路由协议域互通。光网络上的光链路情况和路由器上的链路情况有所不同。其路由协议也与IP有所区别，它是一个受限路由的OSPF协议，增加了网元和网元间的链路状态信息的描述，以供OSPF链路状态数据库使用，同时必须生成波长路由选择因子作为光路路由计算的因素，使光路在两节点间的最短路径建立起来。这条光路的开销为途经的所有链路的管理开销之和。每条链路的管理开销可手工配置，或由网管软件根据可用带宽等因素自动配置。路由软件在计算光路最短路径时充分考虑了链路的各种链路状态，自动配置不同的链路管理开销，并让有高可用带宽的路径优先。

　　MPLS即多协议标记交换，是一个用于控制数据链路层和网络层的协议。Sycamore公司提供的智能光网络系统中就采用了这种技术。在智能光网络中，如果将波长或物理光口和一个标记绑定，波长/物理光口就可被逻辑表示，用户业务线路也变成了一个具有标记的通道。在Sycamore光网络入口处，用户端设备(如高速路由器、ATM交换机等)向智能光网络设备发出标准的标记通道请求消息，智能光网络的边缘交换机通过OSPF知道通过哪些交换设备可到达终点。根据用户端设备的请求，向智能光网络内下行交换机发出CR-LDP通道标记请求消息，这个消息中有详细的通道参数描述，诸如承诺速率、峰值速率等。MPLS向下行交换机发出标记请求消息，然后向上行交换机发送标记映射消息，这样建立一条基于标签的光路。

　　随着技术的进步、电信市场需求的变化及运营者控制生产成本的要求，智能光网络越来越得到电信业界的高度重视。

　　4 国内外发展简况

　　如前所述，中国在WDM的研究和应用上进展迅速。我国的干线网全部采用SDH技术，1998年起，全国逐步展开WDM技术的应用，在原有的光纤网上进行WDM的升级已经成为中国电信发展的既定目标。WDM的应用使光纤的潜力大大开发出来。我国大力建设WDM网络，为WDM光联网的实现展现了良好前景。

　　与此同时，WDM作为解决网络带宽瓶径方案已被业内广泛接受。自20世纪90年代以来，世界上各大通信公司在此领域也进行了卓有成效的研制和开发。90年代初，美国国防部的先进研究项目署(ARPA)已着手进行全光网络的研究计划，目前在器件技术、网络结构、网络管理和控制，以及现场实验取得了显著的进展。

　　加拿大国家光联网计划是一条国家级光联网工程，它应用WDM技术，首先支持Internet业务，其次支持话音业务。此计划的主要特点是，直接将WDM波长耦合至路由器上；利用Internet本身具有的自愈能力，消除了SDH和ATM层；应用多协议标记交换（MPLS）技术在3层进行恢复、保护和业务工程设计。加拿大光联网设计包括：利用非对称的WDM波长补偿Internet业务非对称的Tx/Rx；利用WDM环网的两侧，充分利用带宽资源。

　　欧洲ACTS(欧洲先进通信方式的研究与技术开发)计划正着眼于将分布于欧洲各国的国家通信设施充分利用起来，以此为基础应用各种光网络技术。

　　在中国，1999年1月，由北京大学、北京邮电大学和清华大学联合完成的全光通信网已经通过专家组验收，形成了八、四波长混合的五节点全光通信实验网；2001年7月份，中国高速信息示范网-3个OADM环网也已通过国家有关部门组织的鉴定。

　　5 总结

　　WDM光联网的演进由最初的线性点到点式传送结构，逐步转变为环型结构、网型结构。当前，OADM的应用日趋增多，特别是城域网和省内网，以ＯＡＤＭ构成的WDM环网技术已成为一个发展热点。当业务需求超过2个4纤SDH 2.5Gbit/s自愈环的容量时，采用 WDM 环就可显示出优越性，可以节省光纤并提高容量，这样既可以降低企业的运营成本，同时也可以更好地为市场及用户提供网络服务。

摘自《电信建设》2001.5

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