城域WDM环网及其应用

1 前言

　　数据业务的持续发展推动着运营商构建新一代的宽带城域网，以便于向广大用户经济有效、快速动态地提供带宽业务。目前中国骨干网的带宽利用率平均只有10%左右，如何将巨大的带宽转化为运营收入是运营商所面临的重要课题。若转化成功，则城域网将成为不断发展的大量宽带业务和运营收入的源泉。在点到点线性WDM(波分复用)系统广泛应用于骨干网后，适用于城域网的WDM系统特别是WDM环网正在蓬勃发展。波长透明性使WDM技术非常适合城域网的多业务传送，并在容量和可扩展性方面具有优势。采用WDM技术可实现波长出租、企业互联和SAN(存储网络)互联，是非常理想的大中型城域骨干层解决方案。

　　2 WDM环网的波长分配结构

　　WDM环网的物理拓扑结构是环形，其承载业务的分布类型决定了波长通路的分配结构，因此应根据WDM环网实际承载的业务分布而规划组织各WDM节点之间的波长通路分配结构。典型的城域业务分布有两种类型，即集中汇聚型和均匀型，因此WDM环网的波长通路分配结构也可分为集中汇聚型、均匀型(网状)或上述两种类型的混合形式。汇聚型业务分布一般是星形或双星形的，即业务量分布主要集中于一个或两个特殊节点(如汇接局或关口局)；城域汇聚层的业务分布一般也是单星形或双星形的。

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图1 WDM环网的典型波长分配结构

　　图1中的左图是以单星形业务分布为例的波长通路分配示意图。中心节点实现所有波长通路的上下，环网的业务分布采用各个节点向中心节点汇聚的方式，城域汇聚层的业务分布属于该类型。而均匀分布的各个节点之间业务量比较均匀，呈分布式，城域的骨干层的业务分布近似于该类型。图1中的右图是均匀型分布的波长通路分配示意图。WDM环网的波长通路分配是全连接的网状结构，比较复杂，需要详细规划。由于城域业务的多样性和动态发展的特性，WDM环网实际承载业务量的分布可能是上述两种类型的混合，因此WDM环网的波长通路分配结构多为混合型。

　　3 WDM节点的基本结构

　　根据对波长处理方式的不同，WDM节点的基本结构可分为3类：并行、串行和串并行混合结构。并行结构对在本节点上下路的波长进行复用和解复用处理，所有直通波长也同样进行一次复用和解复用处理，如图2所示。串行结构只对在本节点需要上下路的波长进行滤波处理，而对直通波长不进行复用和解复用处理，如图3所示，这种结构适用于业务量上下较小的节点，具有成本低、体积小的特点。串并行混合结构即先通过子波带分波器将在本节点上下路的1个或多个子波带进行滤波，然后对子波带内的每个波长进行复用和解复用处理，而其他子波带在经过子波带分波/合波器的处理后在光域直通，如图4所示。串并行混合结构是以子波带为单位进行上下路，可实现波长的模块化的平滑扩容，并且由于一个子波带内的各波长经过的距离相同，衰耗也相同，所以可采用子波带放大技术(如图5所示)。图2、图4、图5中的虚框分别表示前置放大器、功率放大器和光放大器，根据实际需要可对它们加以选择。

图2 OADM单方向并行结构示意图

图3 OADM单方向串行结构示意图

图4 OADM单方向串并行混合结构示意图

图5 OADM单方向串并行混合结构（采用子波带放大技术）示意图

　　根据是否能实现波长的灵活上下，OADM(光分插复用器)可分为固定和动态两种。动态OADM是采用光交叉矩阵来实现波长的交叉连接和本地业务的上下，为了避免在上下波长时产生大的功率突变。动态OADM节点内部应进行动态功率均衡控制：一种方案是在每个信道采用电控的VOA(可变光衰减器)和光放大器内部的增益均衡器，可实现对功率波动的控制；另一种方案是采用一个可对上下波长光功率进行监控和快速调整的器件。

　　4 WDM环网的保护方式

　　WDM环网的保护方式可有多种类型。

　　根据保护结构的不同，可分为路径保护和子网连接保护。路径保护是一种端到端的保护机制，适合于任何物理结构，可以工作在单向或双向模式状态下。单向保护是指两节点间的双向业务经过不同的物理路由，在单向出现故障时仅倒换受影响的信号方向；双向保护则是指两节点间的双向业务经过相同的物理路由，在单向出现故障时同时倒换双向信号。

　　根据路径的不同，可分为光通道保护和光线路保护。

　　根据对保护资源的占有情况不同，可分为专有保护和共享保护，前者的保护资源由工作业务独占，仅用于保护；后者的保护资源在正常工作状态下可传送低等级的额外业务。

　　常用的WDM环网保护方式为UPSR(单向光通道保护)、OSNCP(光子网连接保护)、双向光线路共享保护(BLSR或OMS-SPRing)和双向光通道共享保护(BPSR或OCh-SPRing)。

　　由于终端用户协议的多样性，多种生存性共存便有利于城域运营商向用户提供多种级别的业务服务。SDH自愈环保护和WDM环网保护同属于物理层的保护，保护倒换时间均应小于50 ms。当WDM环网承载SDH业务时，若同时采用SDH层保护和光层保护，则需要设置SDH层保护的延迟(Hold-off)时间，这将大大增加业务的受损时间，目前大多数厂商提供的SDH复用段共享保护环不支持延迟时间的设置，因此一般仅采用SDH的保护，而在光层不配置保护。数据业务(如IP、ATM)自身的恢复收敛时间为几十秒。因物理层十几毫秒的保护倒换时间对数据业务没有明显影响，因此当WDM环网直接承载数据业务时，应根据与用户签定的SLA(服务级别协议)的规定，采用光层和数据业务层保护机制或仅依赖数据业务自身的保护。

　　5 波长转换器

　　OTU(波长转换器)的主要功能是提供客户端设备(如SDH设备、路由器和以太网交换机等)与WDM环网的适配和互通。通过OTU的适配，WDM环网可接入和传输多种业务：SDH、ATM、IP POS、FE(快速以太网)、GE(千兆比以太网)业务以及未来可能广泛应用的其它一些业务，如10GE、Fiber Channel、ESCON、FICON和Digital Video等。
根据是否具备再定时功能，OTU可分为两类：2R和3R。

　　2R类型OTU仅具备整形和再生功能，而不具备再定时功能，因此对信号速率透明，可接收信号速率为100 Mbit/s～2.5 Gbit/s，适合于波长出租业务，运营商不能监视客户端设备接入信号的速率和数据流量。2R 类型OTU对信号的性能监视和告警状态仅限于物理层参数(如光接收/发送功率和光信号丢失等告警事件)。

　　3R类型OTU具有整形、再定时和再生功能，再定时功能可有效地抑制信号的传输损伤(如高频抖动)。根据再定时电路的不同，3R类型OTU又可分为固定时钟和多时钟两类：固定时钟的OTU仅支持单一速率的信号输入；多时钟的OTU可支持多种不同速率的信号输入(如GE、STM-1、STM-4和STM-16)。支持哪种速率的信号输入可通过网管系统进行设置，也可以是自适应的。3R类型OTU除了可监视信号的物理层参数外，还可有效地监视信号性能，如监视SDH信号的B1和J0字节，对GE等数据信号进行CRC校验和流量统计等。

　　6 子速率复用

　　城域WDM环网可大量承载客户的多种协议和多种速率的业务，但每个波长承载一种业务的方式将会很快耗尽波长。为提高每个波长的带宽利用率，应尽量避免低速率业务单独占用一个光波长通道。一种新兴的经济有效的方法是将多个低速率客户信号复用到一个波长信道中。该技术被称为子速率(或子波长)复用，可实现“单波长多业务”。 子速率复用需要在WDM环网的输入侧将多种数据业务和TDM业务复用到同一波长信道中，并在输出侧进行信号的解复用，完成此功能的设备单元称为子速率复用/解复用器。

　　7 城域光网络管理

　　WDM环网作为城域光网络的一部分，必须纳入运营商城域光网络的统一管理中。城域光网络的业务和资源为运营商提供了可管理、可运营的对象。光网络无论作为配套的基础网络还是向企业或其他运营商直接出租带宽资源都属于可运营的范畴。网络管理系统应当为网络的运营维护提供决策和判断依据，如网络故障诊断定位、业务质量分析和故障业务调度策略等智能特性。城域运营商的光网络管理体系可划分为两个层面：业务管理层面及网络和设备管理层面。业务层面主要完成面向运营的网络业务调度和管理服务，如波长、带宽批发与租用管理，CNM(客户网络管理)和计费等；网络和设备层面则主要为业务层提供资源管理和算法支撑，实现网络运营维护体系中的设备管理、资源管理、故障分析与抑制等功能。

　　8 WDM环网的应用

　　根据中国电信业务的发展现状和特点，WDM环网主要适用于经济发达的大中型城市的骨干层及业务量较大的数据专网。在实际应用时，需要考虑ADM环网长度及光功率预算、系统光通路数、OADM节点数量和类型、环网的保护方式、波长通路的分配、每个节点的上下波长数量等因素，需要根据每个城市的具体情况和承载业务的分布类型进行具体的规划和设计。在大多数应用情况下，WDM环网的环长在100 km以内，但应用在地区网时，环网的环长可在100 km到250 km之间。一个环网上的节点数一般为3到8个，典型值为4到6个。目前，许多设备厂商可提供依据自己的OADM产品参数而开发的城域WDM网络规划设计软件。

　　环网的长度及光功率预算与采用的保护方式相关，WDM环网的规划和设计必须能保证环网保护倒换时最坏情况的光通道信号质量，即光通道最大衰耗的确定应保证误码率为10-12时要求的光功率和OSNR(对STM-16信号为20 dB；对STM-64信号，无FEC时为 25 dB，具备带外FEC时为20 dB)。当WDM环网承载STM-64信号时，光缆的PMD(偏振模色散)系数应小于10，其中最长光通道为WDM环网正常工作或保护倒换时传输最长距离的光通道。

　　9 系统成本

　　对大多数运营商来说，是否在城域骨干层采用WDM解决方案，成本是一个需要考虑的重要因素。因此，一方面为了能占领和推动市场，设备商应努力降低成本并提高产品的性能价格比。另一方面，运营商应充分考虑城域WDM的真正优势：具备大容量、多业务支持和快速提供新业务的能力；便于实现向“IP+光”网络的平滑演进，适应未来难以预测的数据业务发展，构建“真正经得起未来考验”的城域智能光网络。可见，高的初期设备投资可带来可观的运营收入并降低运维费用，运营商真正需要评估的是光网络设备在其整个生命周期的成本和收益。

　　10 总结

　　受业务驱动的城域光传送网络建设将为运营商和设备商带来新的发展机遇。城域WDM环网应用的切入点在于缓解城市中管道和光纤资源紧张问题，并实现多业务的透明传输。城域WDM环网的应用顺应了大城市通信业务的发展趋势，但成本问题是限制其广泛应用的一个因素。目前在中国骨干网上数据带宽已超过了话音带宽，估计今后5~6年内全网的数据业务量将会超过话音业务量，IP将最终成为主导的网络协议。因此WDM技术将逐渐从骨干网渗透到城域网和接入网中，并且与IP技术相结合，向智能化的ASON(自动交换光网络)演进。

[摘要] 文章阐述了城域WDM环网的节点结构、保护方式、波长转换器、子速率复用和光网络管理等，给出了WDM环网在城域应用时应考虑的一些因素，并分析了运营商所关心的系统成本问题。

[关键词] 宽带城域网；WDM环网；密集波分复用；波长转换器；保护；子速率复用

[Abstract] The metropolitan WDM ring network is introduced from the aspects of node architecture, protection modes, features of OTU and sub-rate multiplexer/demultiplexer, network management, etc. Then, some factors that should be considered in the application of WDM ring in metropolitan area are given, and the system cost that operators commonly concern is also analyzed.

[Keywords] Broadband MAN; WDM ring network; DWDM; OTU; Protection; Sub-rate Multiplexer/Demultiplexer