D1.城域網 

通常，我們把城域光網定義為跨距從幾十公里到上百公里的光傳輸網，一般服務于大的、業務量集中的城市地區。城域光網橋接于長途網和接入網之間，把接入網中企業網、校園網的各種業務連接到運營商的骨干網。近幾年來，隨著長途傳輸骨干網的大規模建設、用戶接入及局域網的寬帶化技術的普及，網絡的瓶頸逐漸轉移到了城域網，原先以承載話音為主的城域傳輸網絡，已無法適應城域數據業務的快速增長，城域網絡環境也發生了很大變化。 

1.1用戶對供應速度的要求 

速度不僅僅指帶寬，而且也指提供服務的速度，而且兩者都日趨重要。用戶所需要的是大容量帶寬和及時地提供服務。因此，剩下的問題是誰能夠提供和什么時候能夠提供這些業務。 

在局域網中帶寬持續增長，已經由10/100Base-T發展到了G比特級以太網，很快又發展到10G以太網，同時在長途骨干網中，也從傳統的SONET業務發展到了支持T比特傳輸速率的大容量DWDM系統。但是由于城域網（MAN）的容量有限，用戶仍然在為通過城域網將地理上分散的局域網連接起來。 

隨著互聯網/數據業務、高速緩存業務、應用業務提供商（ASP）的引入、存儲區域網絡(SAN)和其他業務的增加，城域網的業務將持續爆炸式地增長。 

在帶寬爆炸式增長的情況下，基于單波長環形結構的傳統SONET網絡很快就過時了。SONET非常適合于傳輸TDM業務，但它的幀結構和工作方式對于M比特和G比特數據業務的傳輸而言，已經證明是沒有效率的。再者，城域SONET結構的設計初衷是將本地業務量送到長途骨干網，并向長途交叉連接器饋送環間業務量。第二代DWDM城域網開始解決特定環網上的容量需求，并采用靜態光分插復用器（OADM）提供基于波長的點對點業務。但是，新涌現的網絡要求采用大端口（例如，1000×1000或以上）全光交叉連接器（OXC）來完成環間交換。這充其量只是一個耗資巨大的臨時性解決方案。 

使網絡自身具有分布式交換能力，并且能夠支持環形或者邏輯格形體系結構將極大地減少對OXC的需求，并且可以使網絡對不斷變化的業務模式進行優化。光纖不再是專門為干線傳輸提供服務，交換式主集線器所需的端口數也將大大減少。 

1.2城域網的新面貌 

仔細觀察一下當前的城域網業務市場，不難發現本地業務提供商的收入來源正在發生巨大的轉變，從傳統的本地交換運營商（ILEC）的端局到電信運營綜合樓和網絡接入點（NAP）。一個典型的電信運營綜合樓在同一幢建筑物內能容納多個業務提供商、互聯網業務提供商（ISP）、有線電視網前端以及其它許多潛在的用戶。從目前大搞網絡接入點（這些接入點將服務于眾多的運營商和互聯網業務提供商）不難看出這個趨勢。 

1.3技術、體系結構的選擇 

過去，只有SONET技術能滿足業務提供商的要求。現在，DWDM技術也能提供許多與SONET相同的功能（保護倒換、業務恢復及承載話音和數據等），并具有較強的網絡擴展能力。而且，DWDM城域網還能透明地承載更大范圍的業務――SONET/SDH、ATM、IP、GbE（吉比特以太網）。大多數DWDM城域網采用了所謂的光域上的UPSR（單向通道倒換環）保護倒換技術。該倒換機理類似于SONET UPSR技術，能提供同等級別的網絡生存能力。DWDM技術也能支持電路插板的備份，與線形和環狀拓撲結構一樣。DWDM城域網還能進一步演進，為運營商提供一個格形光網絡。 

對于開放系統互連模型（OSI/RM）中第3層（網絡層）的IP路由網絡而言，格形網并不是一個什么新東西，但是在物理層（第1層）上實現該拓撲則相當新穎。格形光網絡為用戶提供多種業務等級協議（SLA）供選擇。另外，業務提供商還能根據電路級別來提供相應保護和制定不同的收費標準。 

有的用戶愿意選擇具有全網質量保證的服務，而其它用戶可能寧愿選擇低成本、采用盡力而為機制的服務。盡力而為機制，意思是指如果網絡還有可用帶寬，當主要路由失效時還能重新選擇路由，其最長的倒換時間通常在幾百毫秒之內。然而，如果沒有可用帶寬，用戶將無法得到服務。這有點類似于ATM網絡的業務等級（CoS）制，即對不同等級的業務指定不同的優先權?；旧希裥喂饩W絡允許一個電路交換網絡仿效一個分組或信元交換網絡的一些優點。在格形光網絡上傳送IP業務能進一步優化帶寬。 

在城域網（MAN）和局域網(LAN)中，雖然帶寬和網絡容量持續地增長，但是在市區內人們仍然面臨著嚴重挑戰。在這里，為了提供G比特級帶寬和靈活的網絡配置，業務提供商不得不采用傳統的SONET設備和第二代DWDM設備?；谌釪WDM設備的第三代網絡將能夠動態地配置和管理網絡，為業務提供商提供迫切需要的解決方案。 

提供動態全光波長管理的下一代網絡將有更多的優勢，動態管理會帶來許多好處：完全上下路能力、保護和恢復功能、波長路由以及性能監測功能，所有的業務都可以波長為單位提供。采用第三代系統允許在每根光纖上提供高一個數量級的帶寬，大大地提高業務速度，改善光層的保護和波長級業務質量，所有這些將會帶來很大的經濟收益。 

2.DWDM技術的發展 

WDM在20世紀80年代開始出現，早期使用間隔很大的兩個波長1310nm和1550nm(或者850nm和1310nm)區域，有時被稱為寬帶WDM。20世紀90年代早期，出現了第二代WDM, 有時也被稱為窄帶WDM, 使用2個到8個信道。這些信道在1550nm窗口的間隔為400 GHz。到了90年代中期，帶16到40信道，間隔為100到200 GHz的密集波分復用器（DWDM）出現了。90年代末，DWDM系統已經發展到有64到160平行信道，間隔為50甚至25 GHz?？梢钥吹郊夹g是朝著波長數越來越多而波長間隔在不斷縮小的方向發展的。由于提高了波長的密度，系統在結構的形式上越來越靈活。 

DWDM技術不斷地提高信道的密度，這對光纖的負載能力帶來了巨大的影響。在1995年，當首個10 Gbps出現的時候，容量增加的速率從每4年增加4倍增到每年增加4倍。 

2.1DWDM系統功能 

DWDM包含少量的物理層功能。每個光信道傳輸一定的波長。波長以電磁頻譜中的絕對值來表示。有效光波是在其中心波長周圍很窄的窄帶。系統執行以下主要功能： 

2.1.1產生光信號；固體激光器必須發出穩定的，特定窄帶的光信號，同時攜帶被模擬信號調制的數字信息。 

2.1.2合并光信號；現在的DWDM系統使用多路復用器合并光信號。在合復用和解復用的過程中會有固定的損耗。這種損耗與信道數有關，但是可以通過放大器來彌補。放大器可以同時將所有波長一起放大而不需要預先轉換為電的形式。 

2.1.3傳送信號；在光纖傳輸中必須考慮到串擾效應和信號能量的損失。這些影響可以通過控制一系列因素而被減小，如信道空間、波長公差和光能量大小。在傳輸鏈上，還需要對光信號進行放大。 

2.1.4分離接收到的信號；在接收端，合并了的信號必須被分離出來。盡管這比合并信號顯得簡單一些，但是實際上有很多技術難題。 

2.1.5接收信號；光電探測器接收分離了的信號。 

除了這些功能以外，DWDM系統還必須裝備客戶界面以接收輸入信號。這項功能由收發機來實現，DWDM的傳輸界面是和DWDM系統相連的光纖。 

光網絡不同于SONET/SDH，它不依賴于電形式的數據處理。因此，它的發展更多地依賴于光學的發展。在上面所述的早期形式中，WDM可以攜帶兩個寬帶波長信號，并傳輸相對較短的距離。要將這種初始的形式更進一步，WDM需要提高現有的技術和發明新的技術。光濾波片的改進和窄帶激光的出現使DWDM能夠在光纖上合并更多的信號。增益平坦放大器的發明，結合傳輸光纖發送光信號，大大提高了DWDM傳輸更遠距離的能力。 

其他技術包括采用低損耗和更好傳輸特性的光纖、EDFA，和諸如在光上下路復用器中采用光纖布拉格光柵，這些對DWDM的發展同樣重要。 

2.2組成和操作 

DWDM是光網絡的核心技術。DWDM的主要組成可以依據它們在系統中的位置區分為以下這些： 

2.2.1在發送端，激光必須發射精確穩定的波長。 

2.2.2在鏈路中，光纖在相應的波長頻譜內需要有低損耗和良好的傳輸性能，除此之外增益平坦放大器可以在更遠的跨度對信號進行放大。 

2.2.3在接收端，是光電探測器以及使用薄膜濾光片或衍射器的解復用器。 

2.2.4光上下路復用器和光交叉連接器件。 

這些和其他的一些器件，包括它們潛在的技術，其中的很多，尤其是正面和反面的競爭性技術，對于系統設計者比對終端用戶或網絡設計者或許更加重要。 

2.3第一代和第二代DWDM系統 

第一代DWDM設備已經成為長途網的首選技術。這些相對簡單的點對點系統已經由OC-48的幾個波長迅速擴展到OC－192的100個以上波長的系統，提供的總容量相當于每纖960Gb/s。由于容量有限而且鋪設新光纖的費用很高，業務提供商安裝了點對點的DWDM設備，以最大限度擴大每光纖公里的單位容量。這種方法雖然能暫時解決光纖用盡的問題，但是由于增加了不少設備而導致了網絡成本的上升。 

近來，第二代DWDM設備準備為MAN的業務提供商提供DWDM的容量。在城域網中引入小容量的第二代DWDM設備可以如同在長途傳輸中一樣幫助解決光纖用盡的問題。更為重要的是，當今第二代DWDM的網絡結構能支持有保護的環形結構，并且提供多種業務接口，例如：G比特以太網、Escon、Ficon、光纖通道和從OC-3到OC-48的各種接口。 

雖然這些改善與SONET網絡相比，看起來好像是巨大的，但即使是第二代的容量（如每對光纖80Gb/s）也估計只能維持12到18個月。第二代DWDM網絡仍然存在三個問題：成本、可擴容性和可管理性。 

為了迎接這個挑戰，業務提供商現在非常需要具備遠程配置、激活和糾錯功能的端到端管理系統。備用設備的花費也是相當大的，這是由于激光器和過濾器都是靜態的而不得不保留相當數量的備用資源，例如容量為40波長的節點必須準備40個備用轉發器。 

在第二代網絡中，其中的一個主要瓶頸就是OXC節點。由于人們對OXC的研發和投資方面所作的付出很大，迫使制造商繼續大量生產交換能力很強的OXC產品。如今，由于在光波長連接方面缺乏多廠商產品互通的標準，故大多數OXC節點仍然采用光電光（OEO）設備。OEO交換機的可擴容性有限，而且非常昂貴。OEO要求對DWDM系統的光束進行解復用，然后轉換成電信號，經交換，再把它們還原成光信號重新送到復用器進行傳輸。 

網絡容量從M比特到數百G比特以至T比特持續爆炸式增長，只有采用全光交換才能提供所需求的容量和相應的投資保護。最近，在網絡結構方面的改進已經減少了城域網所需要的OXC。 

2.4第三代DWDM結構 

第三代DWDM網絡提供可升級的、全光的、分布式的波長交換。同第二代結構相比，主要的區別是，第三代光網絡在成本、可擴容性和可管理性方面作了很大改進。而且，第三代網絡可以使業務提供商從新的有特色的服務中獲取最大利潤，同時降低運營成本。在城域網和地區網情況下，應用全光的波長交叉連接器（WXC）、可動態配置的OADM、可調激光轉發器以及可動態控制光層的高級管理軟件，可以對環間互連和邏輯格形網進行優化設計。 

業務提供商能夠動態地將任意波長插入任意鏈路的任意節點上，從而把DWDM系統從一種光纖耗盡的解決方案轉換為一個商業系統。具有波長配置靈活性的第三代網絡排除了網絡交換中心所需要的大型OXC節點，直接面對互連環或者格形網中的波長路徑。 

動態選路可以支持許多不斷出現的業務，例如視頻節目、SAN和虛擬專用網絡。例如，在市區內，一個ASP可以向一群用戶提供數據儲存和災難恢復業務。當轉移數據時，每個用戶只需短時間與ASP連接。ASP只利用單一波長就可以把它的連接從公司A轉移到公司B。不斷涌現的信令協議，如多協議波長交換將會使這種想法成為可能。 

第三代網絡利用前向糾錯（FEC）和數字封裝技術改善了光域的性能，包括對單波長的保護和光性能的監測。光保護能力包括波長級、通道級和鏈路級，允許業務提供商劃分和保證業務等級。同樣，FEC和數字封裝技術給第三代業務提供商帶來了以下兩個好處： 

（1）性能檢測，例如，誤碼率和通道/鏈路狀態，可確認的服務水平協議（SLA）。 

（2）與比特速率和協議無關的波長業務。所有這些改進以及基本的結構更新，使得第三代業務提供商能夠提供多樣化的特色服務，同時也極大地改善了整體效益。 

第三代光網絡引發了三大技術進步：動態波長交換、可調激光器和可調濾波器。利用完全可動態配置的OADM和WXC，波長交換節點能夠將任何波長分配給任何節點。在光域中，利用軟件和高級功率均衡算法可以實時地配置基于波長的業務。 

這些基于波長的業務是與協議和比特率無關的，并能支持G比特和10G比特以太網、從OC-3到OC-12、從STM-1到STM-64以及Escon、Ficon和光纖通道，允許在互連的環形網絡或者格形網中和在沒有光電光轉換和OXC中心節點的干預下將任何波長分配給任何節點。 

第二個關鍵性技術是可調激光器，在最理想的情況下，一個可調激光器能夠對所有的波長進行調諧，調諧范圍很廣而且調諧速度快，此外它有足夠的傳輸功率從而可減少對摻鉺光纖放大器（EDFA）的依賴性。 

可調光濾波器是第三代光網絡所需要的第三個關鍵性技術。可調激光器使發射機能夠選擇一個可用的波長，波長交換機使我們能在發射機和接收機之間建立一條鏈接，可調濾波器允許接收機調諧到所要求的波長上以建立完整的鏈路。 

各種各樣的可調濾波器層出不窮，例如可調光纖布拉格光柵，可調腔濾波器和可調多介質薄膜濾波器。 

第三代網絡借助于動態可管理的全光DWDM技術，支持以波長為單位的分級式業務。第三代光網絡業務提供商為了滿足用戶對服務速度的要求。必須結合使用動態可管理的OADM和WXC節點、可調激光器、可調濾波器、光性能監測、波長級的保護機制和網絡管理軟件。這樣，在削減運營成本的同時，業務提供商可方便地提供增加收益的新業務。【未完待續】