DWDM城域網

2019-11-03 19:07:45

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馬利然盧燕飛北方交通大學　　摘要：網絡和數據業務的高速發展，使城域傳輸網的建設成為運營商爭取終端用戶、把握經營機遇的焦點。與以往相比，寬帶城域網的內涵、產品技術和建設已有較大的發展。本文重點介紹了新一代DWDM寬帶城域網。
　　關鍵詞：密集波分復用城域網
　　城域網的基本概念
　　現在城域網(MAN)的概念已延拓到電信網絡領域。電信運營商的城域網絡可以泛指該運營商在某城市范圍內提供電信業務的所有網絡。而寬帶城域網主要指有別于PSTN、能在某城市范圍內提供寬帶數據及多媒體業務的網絡。
　　城域網是核心骨干網與本地用戶接入系統的關鍵連接。它以寬帶光傳輸為開放平臺,通過各類網關實現話音、數據、圖像、多媒體、ip接入和各種增值業務及智能業務,并與各運營商長途網互通的本市(地)綜合業務網絡。作為數據骨干網和長途電話網在城域范圍內的延伸覆蓋,城域網承擔著集團用戶、商用大樓、智能小區的業務接入和電路出租任務,具有覆蓋面廣、投資量大、接入技術多樣和接入方式靈活的特點。
　　城域傳輸網的規劃應充分考慮到業務需求：寬帶城域網80％左右的應用業務都將基于IP承載,而城域傳輸網至少能夠滿足兩類IP業務需求：一類是對QoS要求較高的企業互聯業務和實時視頻業務,另外一類是對QoS要求較低的 Internet網上業務。
　　傳統的城域網
　　傳統電信城域網采用SDH系統,以TDM方式提供專線來構成城域網。隨著骨干核心網帶寬的飛速增長和另一側用戶端各種先進接入技術的引入,使得這種成本高、帶寬有限、建設周期長的系統,遠不能滿足新一代城域網對帶寬的要求。SDH技術畢竟是PSTN時代的產物,所以SDH系統主要是針對系統的語音信號設計的。它是一種電路模式傳送技術,非常適合傳送64Kbit/s的話音業務和提供以2M為單位的固定速率電路,但基于時隙結構的SDH不具備無級動態帶寬分配特性,用來傳輸數據業務時導致網絡效率低下且難以適應業務的突發性與速率可變性特點。例如：使用傳統的SDH系統的ADM ,兩個千兆以太網的連接會占用一個完全的2.5 Gb/s OC-48。浪費了500 Mb/s 的光纖容量。所以SDH并不是數據業務的理想傳送模式,而且SDH設備的接口類別少,難以滿足數據網絡發展的需要。
要能使信息量龐大的視頻、數據等信息,尤其是實時性要求很高的視頻信息也能在該系統上快速、高效地傳輸,同時保證較好的QoS,SDH還有許多問題需要解決。例如：如何保證語音和視頻信息的QoS；如何以一種統一的數據格式傳輸各種信息；如何進行復雜、靈活的網絡管理；如何保證技術實現的低成本等。而且骨干通信網絡速度的大幅度提高,以及用戶對接入帶寬需求的不斷增加,對城域網提出了更高的要求。利用SDH等傳統電信網構建城域數據通信網絡以及接入Internet的方式已經不能滿足人們對高速、低價網絡服務的需求。
　　DWDM城域網
　　1、城域DWDM系統的結構
　　城域光網絡要實現對各種業務的承載,因此在這種網絡中以環形網最為普遍。
　　DWDM城域網的一種基本結構是DWDM自愈環結構(圖1),其中DWDM自愈環又可按照不同的特性分為不同的類型。按照環中信號的傳輸方向,自愈環分為單向環和雙向環兩種；按照環路出現故障時的業務恢復媒介,DWDM自愈環既可以采用備用光纖,又可以采用備用波長方式；按照環路保護機制,DWDM自愈環分為1+1環路保護、1∶1保護和1∶N保護環路等。此外當傳輸SDH業務時,還必須協調DWDM保護機制和SDH保護機制的重復和沖突問題。各種類型的DWDM自愈環各有優缺點,在實際應用中必須根據具體的情況選擇合適的方案。
　　如果SDH/SONET的ADM之間已經有TDM的保護,那么光層的保護就不需要了；相反,IP路由器的業務恢復需要保護,因為像BGP4(Bolder Gateway PRotocol,version4)和0SPF(0penShortestPathFirst)這樣的路由協議,路由表的更新相當的慢,這時就需要光層的保護,如果ATM交換機之間的業務是由半永久性虛連接的,就可以在ATM層進行恢復。此時,可能就不需要光層的保護。
　　在DWDM自愈環城域網結構中,OADM(光分插復用器)是最關鍵的部件。它的作用是在DWDM環路中靈活地添加分離波長。
　　2、城域DWDM系統的關鍵技術
　　為滿足上面的網絡要求,在業務節點處必須提供以下主要功能:
　　●必須從通過本節點的所有波長中有選擇性地下載所需的波長(λ1λ2,……λk),也可以有選擇地入本地支路。
　　●在新增加的業務進入骨干網以前,它必須轉換攜帶新業務的不兼容的波長(λ1λ2,……λm)到兼容的波長上去。
　　●它必須提供合理足夠的功率預算以便能夠適應足夠大的信噪比等。
　　在這個參考模型中,可編程的分插復用器(OADM)是一個核心部件。盡管城域網絡的傳輸距離比較短,但由于城域網中使用了大量的分插復用器(OADM),每個分插復用器引入了一定的損耗,所以在城域網中往往必須使用光放大器(OA)。在寬帶的光放大器(OA)和OTU的許可下,OADM有選擇性地上下任意一個波長,而不管該波長承載什么樣的速率。信號格式和協議。下面將這幾個部件的功能和特點簡述如下：
　　(1)光放大器OA
　　由于多數波分復用器件是無源的而且損耗比較大。所以就必須用OA來補償這些器件引起的損耗。除了對直通的光波長進行放大之外,對上下的波道同樣要進行放大。但是,必須記住,OA是比較昂貴的器件,所以在城域網中用得越少越好?？紤]到城域環的重要特性,OA必須具有下面一些特性,比如：
　　●低噪聲：因為一些波長可能經過環中的很多級聯的光放大器,噪聲和損傷會積累。
　　●每波道的自動增益控制。
　　●帶寬：OA的帶寬必須覆蓋整個波道的總帶寬。
　　●增益平坦性。
　　(2)光波長轉換單元OTU
　　OTU是將不標準的波長轉換為標準的波長以便在整個網中交換和傳送。OTU在光信號惡化的情況下執行再生功能。OTU的另外一個重要功能是開銷處理。它從信號中提取數字開銷并且處理。因為OTU可以接觸電信號,所以它很容易進行開銷處理?，F在0TU大多是光電0TU。下一代光網絡中OTU將是全光的?，F在的全光OTU還不能進行開銷處理。
　　(3)光分插復用器OADM
　　可編程的OADM必須具有可以逾過遠程監控在任何兩個節點之間傳送所有波長的能力。在城域這種對費用相當敏感的區域,必須通過認真的技術選擇和合理的OADM結構設計來滿足這種要求。最常用的一種OADM結構就是背靠背的連接結構,含多波道的光信號通過光解復用器分成各個波長支路(這種光復用和解復用器已經大量商用),然后經過光交叉矩陣。在這種結構中,由于引入了光復用和解復用器,損耗較大,所以有時有必要用外部的光放大器來進行補償。否則的話,如果對一個直通的信號經過若干次這樣的裝卸,信號將會嚴重惡化。而且,還必須考慮濾波器的帶寬和其他波道的串擾和影響。最經濟有效的實現OADM的方式應該僅僅對上下波長進行處理,對直通的波長盡量不要影響。這就需要一種可調(tunable/switchable filters)的濾波器僅僅對要下路的波長進行解復用。迄今為止,各種不同的OADM結構在世界各地的實驗室陸續出現,許多即將商用化。采用一種合適的而且價格便宜的OADM來構建城域DWDM光網絡是發展的必然。
　　3、DWDM城域網的光纖的選擇
　　建設好DWDM城域網關鍵之一是要選擇合適的光纖類別。城域網光纜一般都是采用常規的G．652光纖,隨著城域傳輸速率的不斷提高和工作波長移到低損耗區1550nm,G．652光纖的色散問題變得突出,雖然對于10Gbit/s的信號,使用G．652光纖時理論上能傳輸50km以上,基本上能滿足城域點對點的傳輸要求,但對設備光口的要求已經較嚴格,設備的造價較高,而且將來發展城域DWDM全光網絡時,城域光通道的路由距離有可能達到上百公里,在此情況下必須使用色散補償手段,而這又是以設備造價的提高為代價的。如果速率提高到40Gbit/s,使用G．652光纖實際上已無法工作。零色散位移光纖(G.653光纖)能很好地解決色散問題,但是在G.653光纖上采用DWDM技術時似波混頻等非線性效應的影響非常嚴重,因此適合DWDM系統應用的非零色散位移光纖(G．655光纖)應運而生,G.655光纖在長途干線上已廣泛部署,已成為長途光纜建設中的主要選擇。由于目前城域傳輸系統主要還是工作在1310nm的單波長系統,現階段城域光纜網可以繼續以G．652光纖為主,但在新敷設城域中繼光纜時也應該積極使用新型的城域光纖,為未來全光網絡的發展奠定更為良好的基礎。雖然G．652與G．655光纖難以在物理媒介上互連,但可在DWDM光層互通,因此一個城市中G．652光纖與G．655光纖并存也是可行的。
　　4、WDM城域網的優點
　　4.1 良好的帶寬擴展性
　　DWDM技術能夠在一根光纖中傳送多個不同波長的信號,從而能充分挖掘光纖的帶寬潛力,所以DWDM系統自90年代中期商用以來,發展極為迅速,320Gbit/s的DWDM系統已經大規模商用,Tbit/s的系統也早已在各大實驗室實現。如西門子公司實現了176×40Gbit/s(7．04Tbit/s)的DWDM傳輸,投入實用指日可待。由于OADM和OXC(光交叉連接器,或被稱為光交換機、波長路由器)的逐步成熟,DWDM技術正從點到點的傳輸應用向智能光聯網的方向發展,這樣可以靈活實現波長保護和波長調度。有強大的波長管理能力以便能快速靈活地開放波長出租業務,而且DWDM系統設備還有良好的擴張性以適應城域業務需求的多變性。
　　由于DWDM技術對于業務的提供基于波長,各波長相互獨立,所以新業務可以在不改變原有網絡結構和不影響原有業務的情況下方便地加入。與長距離干線網絡不同的是,城域網中的光纖長度較短,一般在幾千米到幾十千米的范圍,所以長距離網絡中采用DWDM技術的理由并不完全適用于城域網。在城域系統中,如果采用鋪設新光纖及采用更高速率的TDM系統的方法實現擴容,也是一個解決方案。但是,鋪設新的光纖的費用非常高,特別是在人口稠密的大都市,而且城市的土地使用問題十分復雜,并不是任何公司都有鋪設新光纖的權力；如果用戶需要的信道帶寬很大,通常采用的TDM系統難以滿足其要求,而采用更高速率的TDM系統需要對所有的終端設備進行更新。而DWDM則可以保留現有的終端設備。因此,在城域網中使用DWDM技術仍然具有很重要的意義。
　　4.2 對速率和協議透明

　　DWDM的協議透明性可以使城域DWDM網絡能在同一平臺上支持任何可能在城域可能出現的任意種類業務。比如：以太網數據、ATM、IP over SDH等,用不同的波長來支持不同類型的數據。光層提供了獨立于業務類型的傳送結構。同樣,DWDM提供了在一根光纖上提供不同速率的數據通道(見圖4)。這一點在城域環境中非常重要。因為城域網中有許多不同的業務和不同的速率。DWDM的透明性和Metro DWDM的分插復用功能可以允許業務提供者直接上下某一個波道,而不用轉換原始信號的格式。當然,相應接入設備的光接口還是需要的。
　　4.3提高的業務質量
　　在城域網中應用DWDM系統可以使光層恢復成為可能。光層恢復比電層恢復要經濟得多?？紤]到光層恢復是獨立于業務和速率的,那么原來一些自身體制無保護功能的體系(例如：PDH),則可以利用DWDM來進行保護。這樣,業務提供者對現有和將來的業務均可以提供較好的服務等級。
　　4.4 緩解光纖資源的緊張
在許多的局間段,都面臨著光纖資源的緊張的問題。采用DWDM的光纖環比點對點的升級有著更多的好處。比如可以為未來準備一些“虛”環和“虛”光纖。它可以根據新業務和新應用的引進而不斷地擴展。這種可擴展性會使業務提供者很容易吸引新的客戶,因而會比TDM方式升級取得更快的效益。因此,從這個角度來說,將DWDM技術引入城域不僅僅是為了解決光纖資源耗盡的問題,而且具有了更為廣泛的內涵。
　　4.5 健壯性
　　提出99.999％的工作時間、硬件冗余、光纜環故障保護自愈能力。要有能與SDH媲美的網絡自愈能力且能根據不同的業務需要提供不同級別的保護手段,要有較強的環境適應能力。
　　結束語
　　今天大部分的高速IP路由器、ATM交換機都可以將DWDM層集成在同一設備中了,也就是說這些網絡設備都已具備了光口,在城域范圍組網時將不需要依賴于SDH網,而是直接架構于光纖上。2000年8月,美國Neon通信公司宣布將向ISP等客戶提供波長管理服務。將來運營商只用租用某一波長,不再需要租用整根光纖。Neon公司的這套系統采用2.5G速率,在兩點間使用雙路徑,切換將在15ms內完成,同時價格上比普通SONET系統有更大的優勢,在可靠性上卻沒有降低。同時點亮新波長僅需要在網絡中安裝一對新設備,整個安裝可以在幾天內完成,而不是現在SONET系統的幾個月。
　　DWDM傳輸網由于其多業務兼容性好、擴容能力強,與現有網絡良好的兼容性、空前的帶寬優化能力、可靠性、服務的靈活性以及優良的性價比等明顯優勢,成為建設寬帶城域傳輸網的良好選擇。
參考文獻
1 “城域DWDM技術及其應用”《電信技術》2000.7 周聯紅馮重熙
2 “Multiservice Metro DWDM market and products analysis” Lucent Technologies
3 “Next Generation DWDM Metro” Lou Martinage, Chromatis Networks
作者簡介：
馬利然北方交通大學多媒體通信科研室碩士
盧燕飛北方交通大學多媒體通信科研室講師

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