DWDM在城域网中的发展与应用

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1.城域网
     
     通常，大家把城域光网定义为跨距从几十公里到上百公里的光传输网，一般服务于大的、业务量集中的城市地区。城域光网桥接于长途网和接入网之间，把接入网中企业网、校园网的各种业务连接到运营商的骨干网。近几年来，随着长途传输骨干网的大规模建设、用户接入及局域网的宽带化技术的普及，网络的瓶颈逐渐转移到了城域网，原先以承载话音为主的城域传输网络，已无法适应城域数据业务的快速增长，城域网络环境也发生了很大变化。
     
     1.1用户对供应速度的要求
     
     速度不仅仅指带宽，而且也指提供服务的速度，而且两者都日趋重要。用户所需要的是大容量带宽和及时地提供服务。因此，剩下的问题是谁能够提供和什么时候能够提供这些业务。
     
     在局域网中带宽持续增长，已经由10/100Base-T发展到了G比特级以太网，很快又发展到10G以太网，同时在长途骨干网中，也从传统的SONET业务发展到了支撑T比特传输速率的大容量DWDM系统。但是由于城域网（MAN）的容量有限，用户仍然在为通过城域网将地理上分散的局域网连接起来。
     
     随着互联网/数据业务、高速缓存业务、应用业务提供商（ASP）的引入、存储区域网络(SAN)和其他业务的增加，城域网的业务将持续爆炸式地增长。
     
     在带宽爆炸式增长的情况下，基于单波长环形结构的传统SONET网络很快就过时了。SONET非常适合于传输TDM业务，但它的帧结构和工作方式对于M比特和G比特数据业务的传输而言，已经证明是没有效率的。再者，城域SONET结构的设计初衷是将本地业务量送到长途骨干网，并向长途交叉连接器馈送环间业务量。第二代DWDM城域网开始解决特定环网上的容量需求，并采用静态光分插复用器（OADM）提供基于波长的点对点业务。但是，新涌现的网络要求采用大端口（例如，1000×1000或以上）全光交叉连接器（OXC）来完成环间交换。这充其量只是一个耗资巨大的临时性解决方案。
     
     使网络自身具有分布式交换能力，并且能够支撑环形或者逻辑格形体系结构将极大地减少对OXC的需求，并且可以使网络对不断变化的业务模式进行优化。光纤不再是专门为干线传输提供服务，交换式主集线器所需的端口数也将减少。
     
     1.2城域网的新面貌
     
     仔细观察一下当前的城域网业务市场，不难发现本地业务提供商的收入来源正在发生巨大的转变，从传统的本地交换运营商（ILEC）的端局到电信运营综合楼和网络接入点（NAP）。一个典型的电信运营综合楼在同一幢建筑物内能容纳多个业务提供商、互联网业务提供商（ISP）、有线电视网前端以及其它许多潜在的用户。从目前大搞网络接入点（这些接入点将服务于众多的运营商和互联网业务提供商）不难看出这个趋势。
     
     1.3技术、体系结构的选择
     
     过去，只有SONET技术能满足业务提供商的要求。现在，DWDM技术也能提供许多与SONET相同的功能（保护倒换、业务恢复及承载话音和数据等），并具有较强的网络扩展能力。而且，DWDM城域网还能透明地承载更大范围的业务——SONET/SDH、ATM、IP、GbE（吉比特以太网）。大多数DWDM城域网采用了所谓的光域上的UPSR（单向通道倒换环）保护倒换技术。该倒换机理类似于SONET UPSR技术，能提供同等级别的网络生存能力。DWDM技术也能支撑电路插板的备份，与线形和环状拓扑结构一样。DWDM城域网还能进一步演进，为运营商提供一个格形光网络。
     
     对于开放系统互连模型（OSI/RM）中第3层（网络层）的IP路由网络而言，格形网并不是一个什么新东西，但是在物理层（第1层）上实现该拓扑则相当新颖。格形光网络为用户提供多种业务等级协议（SLA）供选择。另外，业务提供商还能根据电路级别来提供相应保护和制定不同的收费标准。
     
     有的用户愿意选择具有全网质量保证的服务，而其它用户可能宁愿选择低成本、采用尽力而为机制的服务。尽力而为机制，意思是指如果网络还有可用带宽，当主要路由失效时还能重新选择路由，其最长的倒换时间通常在几百毫秒之内。然而，如果没有可用带宽，用户将无法得到服务。这有点类似于ATM网络的业务等级（CoS）制，即对不同等级的业务指定不同的优先权。基本上，格形光网络允许一个电路交换网络仿效一个分组或信元交换网络的一些优点。在格形光网络上传送IP业务能进一步优化带宽。
     
     在城域网（MAN）和局域网(LAN)中，虽然带宽和网络容量持续地增长，但是在市区内人们仍然面临着严重挑战。在这里，为了提供G比特级带宽和灵活的网络配置，业务提供商不得不采用传统的SONET设备和第二代DWDM设备。基于全光DWDM设备的第三代网络将能够动态地配置和管理网络，为业务提供商提供迫切需要的解决方案。
     
     提供动态全光波长管理的下一代网络将有更多的优势，动态管理会带来许多好处：完全上下路能力、保护和恢复功能、波长路由以及性能监测功能，所有的业务都可以波长为单位提供。采用第三代系统允许在每根光纤上提供高一个数量级的带宽，地提高业务速度，改善光层的保护和波长级业务质量，所有这些将会带来很大的经济收益。
     
     2.DWDM技术的发展
     
     WDM在20世纪80年代开始出现，早期使用间隔很大的两个波长1310nm和1550nm(或者850nm和1310nm)区域，有时被称为宽带WDM。20世纪90年代早期，出现了第二代WDM, 有时也被称为窄带WDM, 使用2个到8个信道。这些信道在1550nm窗口的间隔为400 GHz。到了90年代中期，带16到40信道，间隔为100到200 GHz的密集波分复用器（DWDM）出现了。90年代末，DWDM系统已经发展到有64到160平行信道，间隔为50甚至25 GHz。可以看到技术是朝着波长数越来越多而波长间隔在不断缩小的方向发展的。由于提高了波长的密度，系统在结构的形式上越来越灵活。
     
     DWDM技术不断地提高信道的密度，这对光纤的负载能力带来了巨大的影响。在1995年，当首个10 Gbps出现的时候，容量增加的速率从每4年增加4倍增到每年增加4倍。
     
     2.1DWDM系统功能
     
     DWDM包含少量的物理层功能。每个光信道传输一定的波长。波长以电磁频谱中的绝对值来表示。有效光波是在其中心波长周围很窄的窄带。系统实行以下主要功能：
     
     2.1.1产生光信号；固体激光器必须发出稳定的，特定窄带的光信号，同时携带被模拟信号调制的数字信息。
     
     2.1.2合并光信号；现在的DWDM系统使用多路复用器合并光信号。在合复用和解复用的过程中会有固定的损耗。这种损耗与信道数有关，但是可以通过放大器来弥补。放大器可以同时将所有波长一起放大而不需要预先转换为电的形式。
     
     2.1.3传送信号；在光纤传输中必须考虑到串扰效应和信号能量的损失。这些影响可以通过控制一系列因素而被减小，如信道空间、波长公差和光能量大小。在传输链上，还需要对光信号进行放大。
     
     2.1.4分离接收到的信号；在接收端，合并了的信号必须被分离出来。尽管这比合并信号显得简单一些，但是实际上有很多技术难题。
     
     2.1.5接收信号；光电探测器接收分离了的信号。
     
     除了这些功能以外，DWDM系统还必须装备客户界面以接收输入信号。这项功能由收发机来实现，DWDM的传输界面是和DWDM系统相连的光纤。
     
     光网络不同于SONET/SDH，它不依赖于电形式的数据处理。因此，它的发展更多地依赖于光学的发展。在上面所述的早期形式中，WDM可以携带两个宽带波长信号，并传输相对较短的距离。要将这种初始的形式更进一步，WDM需要提高现有的技术和发明新的技术。光滤波片的改进和窄带激光的出现使DWDM能够在光纤上合并更多的信号。增益平坦放大器的发明，结合传输光纤发送光信号，提高了DWDM传输更远距离的能力。
     
     其他技术包括采用低损耗和更好传输特性的光纤、EDFA，和诸如在光上下路复用器中采用光纤布拉格光栅，这些对DWDM的发展同样重要。
     
     2.2组成和操作
     
     DWDM是光网络的核心技术。DWDM的主要组成可以依据它们在系统中的位置区分为以下这些：
     
     2.2.1在发送端，激光必须发射精确稳定的波长。
     
     2.2.2在链路中，光纤在相应的波长频谱内需要有低损耗和良好的传输性能，除此之外增益平坦放大器可以在更远的跨度对信号进行放大。
     
     2.2.3在接收端，是光电探测器以及使用薄膜滤光片或衍射器的解复用器。
     
     2.2.4光上下路复用器和光交叉连接器件。
     
     这些和其他的一些器件，包括它们潜在的技术，其中的很多，尤其是正面和反面的竞争性技术，对于系统设计者比对终端用户或网络设计者或许更加重要。
     
     2.3第一代和第二代DWDM系统
     
     第一代DWDM设备已经成为长途网的首选技术。这些相对简单的点对点系统已经由OC-48的几个波长迅速扩展到OC－192的100个以上波长的系统，提供的总容量相当于每纤960Gb/s。由于容量有限而且铺设新光纤的费用很高，业务提供商安装了点对点的DWDM设备，以最大限度扩大每光纤公里的单位容量。这种方法虽然能暂时解决光纤用尽的问题，但是由于增加了不少设备而导致了网络成本的上升。
     
     近来，第二代DWDM设备准备为MAN的业务提供商提供DWDM的容量。在城域网中引入小容量的第二代DWDM设备可以如同在长途传输中一样帮助解决光纤用尽的问题。更为重要的是，当今第二代DWDM的网络结构能支撑有保护的环形结构，并且提供多种业务接口，例如：G比特以太网、Escon、Ficon、光纤通道和从OC-3到OC-48的各种接口。
     
     虽然这些改善与SONET网络相比，看起来好像是巨大的，但即使是第二代的容量（如每对光纤80Gb/s）也估计只能维持12到18个月。第二代DWDM网络仍然存在三个问题：成本、可扩容性和可管理性。
     
     为了迎接这个挑战，业务提供商现在非常需要具备远程配置、激活和纠错功能的端到端管理系统。备用设备的花费也是相当大的，这是由于激光器和过滤器都是静态的而不得不保留相当数量的备用资源，例如容量为40波长的节点必须准备40个备用转发器。
     
     在第二代网络中，其中的一个主要瓶颈就是OXC节点。由于人们对OXC的研发和投资方面所作的付出很大，迫使制造商继续大量生产交换能力很强的OXC产品。如今，由于在光波长连接方面缺乏多厂商产品互通的标准，故大多数OXC节点仍然采用光电光（OEO）设备。OEO交换机的可扩容性有限，而且非常昂贵。OEO要求对DWDM系统的光束进行解复用，然后转换成电信号，经交换，再把它们还原成光信号重新送到复用器进行传输。
     
     网络容量从M比特到数百G比特以至T比特持续爆炸式增长，只有采用全光交换才能提供所需求的容量和相应的投资保护。最近，在网络结构方面的改进已经减少了城域网所需要的OXC。
     
     2.4第三代DWDM结构
     
     第三代DWDM网络提供可升级的、全光的、分布式的波长交换。同第二代结构相比，主要的区别是，第三代光网络在成本、可扩容性和可管理性方面作了很大改进。而且，第三代网络可以使业务提供商从新的有特色的服务中获取最大利润，同时降低运营成本。在城域网和地区网情况下，应用全光的波长交叉连接器（WXC）、可动态配置的OADM、可调激光转发器以及可动态控制光层的高级管理App，可以对环间互连和逻辑格形网进行优化设计。
     
     业务提供商能够动态地将任意波长插入任意链路的任意节点上，从而把DWDM系统从一种光纤耗尽的解决方案转换为一个商业系统。具有波长配置灵活性的第三代网络排除了网络交换中心所需要的大型OXC节点，直接面对互连环或者格形网中的波长路径。
     
     动态选路可以支撑许多不断出现的业务，例如视频节目、SAN和虚拟专用网络。例如，在市区内，一个ASP可以向一群用户提供数据储存和灾难恢复业务。当转移数据时，每个用户只需短时间与ASP连接。ASP只利用单一波长就可以把它的连接从企业A转移到企业B。不断涌现的信令协议，如多协议波长交换将会使这种想法成为可能。
     
     第三代网络利用前向纠错（FEC）和数字封装技术改善了光域的性能，包括对单波长的保护和光性能的监测。光保护能力包括波长级、通道级和链路级，允许业务提供商划分和保证业务等级。同样，FEC和数字封装技术给第三代业务提供商带来了以下两个好处：
     
     （1）性能检测，例如，误码率和通道/链路状态，可确认的服务水平协议（SLA）。
     
     （2）与比特速率和协议无关的波长业务。所有这些改进以及基本的结构更新，使得第三代业务提供商能够提供多样化的特色服务，同时也极大地改善了整体效益。
     
     第三代光网络引发了三大技术进步：动态波长交换、可调激光器和可调滤波器。利用完全可动态配置的OADM和WXC，波长交换节点能够将任何波长分配给任何节点。在光域中，利用App和高级功率均衡算法可以实时地配置基于波长的业务。
     
     这些基于波长的业务是与协议和比特率无关的，并能支撑G比特和10G比特以太网、从OC-3到OC-12、从STM-1到STM-64以及Escon、Ficon和光纤通道，允许在互连的环形网络或者格形网中和在没有光电光转换和OXC中心节点的干预下将任何波长分配给任何节点。
     
     第二个关键性技术是可调激光器，在最理想的情况下，一个可调激光器能够对所有的波长进行调谐，调谐范围很广而且调谐速度快，此外它有足够的传输功率从而可减少对掺铒光纤放大器（EDFA）的依赖性。
     
     可调光滤波器是第三代光网络所需要的第三个关键性技术。可调激光器使发射机能够选择一个可用的波长，波长交换机使大家能在发射机和接收机之间建立一条链接，可调滤波器允许接收机调谐到所要求的波长上以建立完整的链路。
     
     各种各样的可调滤波器层出不穷，例如可调光纤布拉格光栅，可调腔滤波器和可调多介质薄膜滤波器。
     
     第三代网络借助于动态可管理的全光DWDM技术，支撑以波长为单位的分级式业务。第三代光网络业务提供商为了满足用户对服务速度的要求。必须结合使用动态可管理的OADM和WXC节点、可调激光器、可调滤波器、光性能监测、波长级的保护机制和网络管理App。这样，在削减运营成本的同时，业务提供商可方便地提供增加收益的新业务。