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密集波分復用

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密集波分復用(Dense Wavelength Division Multiplexing)技術,也就是人們常說的DWDM,指的是一種光纖數據傳輸技術,這一技術利用激光的波長按照比特位并行傳輸或者字元串列傳輸方式在光纖內傳送數據。 DWDM是光纖網路的重要組成部分,它可以讓IP協議、ATM和同步光纖網路/同步數字序列(SONET/SDH)協議下承載的電子郵件、視頻、多媒體、數據和語音等數據都通過統一的光纖層傳輸。

1技術背景

要理解DWDM和光網互聯的重要性,就必須在通信產業、特別是服務供應商當前面臨何種問題這一大前提下來討論DWDM技術所帶來的強大功能。在網路的設計和建設時期,工程設計人員必須對網路未來的帶寬需求作出合理的估計。美國等地區鋪設的大多數網路對帶寬的需求估計都是來源於古典的工程公式概算,比如泊松(Poisson)概率分佈模型等。結果呢,網路所需帶寬量的估測值通常按照某種統計假設條件給出,比如,一般認為個人在通常的情況下,在一個小時之內只會使用6分鐘的網路帶寬。然而,這一數學模型並沒有考慮到由於Internet接入(這一業務的數據流量的年增長率是300%)、傳真、多條電話線路、數據機、電話會議、數據和視頻傳輸等業務而產生的數據流量。如果考慮到這些因素,網路帶寬的用戶使用模型就和現有的設計初期估計大大不同了。實際上,在人們的日常生活中,許多人平均使用網路帶寬的時間是180分鐘甚至超過1個小時。
顯而易見,運營商們迫切地需要大量的網路容量來滿足顧客日益增長的服務需求。據估計,僅在1997年,通過一對光纜傳輸的長途電話的帶寬容量就增加到了1.2 Gbps(百萬比特每秒)。當數據傳輸速度以Gbps單位計算的時候,每秒鐘可以通過網路傳輸1000本圖書的信息。可是,假如有1百萬個家庭希望觀賞網站上推出的視頻節目或者使用新出現的網路視頻應用,那麼,在這一需求場合下,網路傳輸速率就必須達到太比特級(萬億比特每秒:Tbps)。當數據傳輸速度以Tbps單位計算的時候,在一秒鐘的瞬間之內,網路就可以傳輸2000萬個併發雙工電話或者300年來出版的全部日報的數據量。
當然,網路帶寬的需求增長是非常快的。例如,有人通過研究預測:從1994年到1998年,美國長途交換網營運公司 (IXC)的網路容量會增長7倍,而美國的本地交換網營運公司(LEC)的網路容量會增長4倍。可事實上呢,據估計其網路容量會比往年增長32倍,而另一家公司單單在1997年的網路新增容量就達到了它在1991年的整個網路規模。還有的公司聲稱,其網路的規模在未來4年內將達到每半年擴張一倍的增長速率。
從光纖傳輸到光網互聯:光子層的發展

  從光纖傳輸到光網互聯:光子層的發展

除了消費者的帶寬需求爆炸性地增加以外,眾多服務供應商還面臨著其光纜可用余量即將用盡的窘迫局面。有一份產業報告指出:在1995年,埋設光纜中已經使用的部分平均在網路中佔到了70%到80%之多。許多電信運營商的光纜使用率幾乎達到了100%的有效利用率上限。另外還有一個窘迫的難題:網路服務運營商怎麼才能在一種物理網路之上部署和集成五花八門的多種通信技術。消費者的需要和企業之間的競爭壓力迫使運營商們一方面必須提供在建設和運營成本上比較經濟的多種服務,而且另一方面他們還要儘可能地在已經埋設的現有網路基礎之上來部署這些業務。還好,出現了DWDM技術,正是DWDM為這些運營商們提供了同時滿足這些需求的可行解決方案。
使用DWDM技術可以讓服務供應商提供傳統的IP over ATM承載數據、SONET/SDH承載語音等傳輸方式所帶來的電子郵件、視頻和多媒體業務,與此同時,在無須考慮這些不同數據格式的情況之下——不管他們是IP、ATM還是SONET/SDH,DWDM 卻能夠同等地向這些不同的傳輸方式提供統一的帶寬管理功能,所有以上三種通信協議都可以通過採用DWDM技術的光層得以傳輸。這種統一管理功能可以讓服務供應商靈活地僅通過單一網路就足以滿足顧客的帶寬需求。
運營商要想在商業運營上獲得成功,其中的一個關鍵要旨就是需要一個統一的承載平台,這個平台能夠統一承載各種通信技術並且同這些通信技術介面,而且,該平台還應該讓運營商具備能把當前和新一代技術集成起來的能力。面對以上三個問題:日益增長的服務需求、光纜余量用盡、統一的層次型帶寬管理。服務供應商必須找到一條在經濟上可行的解決方案。降低光纜耗用率的一個顯而易見的措施就是鋪設更多的光纜,對那些鋪設新光纜的成本可以保持最低的網路來說,這一措施可以證明是最為經濟的解決方案。但是,鋪設新光纜卻並不能促使服務供應商一定能提供新型服務,或者也不能讓運營商們獲得光傳輸層帶寬的統一管理能力。 第二項措施是使用時分復用技術TDM來增加數據傳輸速率,TDM把時間劃分為更小的間隔以便更多的數據得以在同一時間內被傳輸,結果就增加了光纜的有效容量。其實,這也就是產業內已經採用的方案(DS–1、DS–2和DS–3等)。不過,當服務供應商僅僅使用這一措施時,他們的每一次網路擴容都具有顯著跳躍性,意味著網路容量的增長很不平滑,很有可能最終讓他們獲得比當初需求更大的多的帶寬,從某種意義來說,這是很多運營商所不願意見到的局面,其管理複雜性和投資都會增長得令人頭痛不已。以SONET技術為例,從10 GbpsTDM提升的下一個容量層次就到了40 Gbps(這一令許多人深信不疑的巨大躍進對TDM技術來說在短時間內是不太可能的)。採用SONET的北美傳輸網路和採用SDH的國際傳輸網路就都採用了TDM技術。
電信產業採納了SONET或SDH標準以提供標準的同步光纖網路,通過它所具有的靈活性以匹配當前和未來的數字信號。SONET或者SDH通過定義標準的傳輸速率和光纖介面來實現以上的目標。比方說,終止SONET網路的終端會引入多種電子信號和光信號,這些信號在成為STS–1的數據負載(SONET 網路幀結構的有機組成部分)之前會以電信號的方式被複用,STS–1負載隨後被複用並以單一速率在單根光纖中傳輸,這些標準速率是:OC–3 、OC–12、OC–48乃至最終高達OC–192。 SDH具有和STM–n類似的幀結構,其信號速率可以達到STS–1到STM–64範圍之內。
SONET和SDH是兩種密切相關的標準,就是這兩種標準為傳輸網路奠定了基礎。這兩種標準決定了傳輸介面的參數、傳輸的速率、傳輸數據的格式和信號復用方式乃至實現高速傳輸所需要的運行、管理、維護和提供(OAM&P)特性。同步傳輸模式意味著通過光纜系統流動的激光信號和外部時鐘保持著同步。這樣做的優點是通過光纜系統傳輸語音、數據和圖象的數據流可以很平穩、規則的方式流動,結果每一束激光都可以很容易地被對端識別出來。

2技術原理

增加的網路容量—WDM

  增加的網路容量—WDM

DWDM首先把引入的光信號分配給特定頻帶內的指定頻率(波長,lambda),然後把信號復用到一根光纖中去,採用這種方式就可以大大增加已鋪設光纜的帶寬。由於引入(incoming)信號並不在光層終止,介面的速率和格式就可以保持獨立,這樣就允許服務供應商把DWDM技術和網路中現有的設備集成起來,同時又獲得了現有鋪設光纜中沒有得以利用的大量帶寬。
DWDM可以把多個光信號搭配起來傳輸,結果這些光信號可以編成同一組同時被放大並且通過單一的光纖傳輸,網路的帶寬也就大大增加(參看圖 3)了。每個承載的信號都可以設置為不同的傳輸速率(OC–3/12/24等)和不同的格式(SONET、ATM、數據等)。比方說,某個DWDM網路可以在DWDM基礎上混合OC–48 (2.5 Gbps)和OC–192 (10 Gbps)兩種速率的SONET信號。從而獲得高達40 Gbps的巨大帶寬。採用DWDM的系統在達到以上目標的同時仍然可以維持和現有傳輸系統同等程度的系統性能、可靠性和穩固性——甚至過之而無不及。以後的DWDM終端更可以承載總計80個波長之多的OC–48以達到200 Gbps的傳輸速率或者高達40波長的 OC–192以達到400 Gbps的傳輸速率,這個帶寬已經足以在一秒鐘之內傳輸9萬卷的大百科全書。實現這種高速、高容量傳輸能力的關鍵技術就是光放大器。光放大器運行在特定光譜頻帶之上並根據現有的光纖進行了優化,這樣就可以使得光放大器有可能放大光波信號,從而在無須將其轉換為電信號的情況下擴大其傳輸範圍。超寬頻帶光纖放大器在實踐中運用證明承載100個通道(或者波長)的光波信號可以有效地被放大。使用這种放大器的網路可以非常輕鬆地處理太比特級的信息。以這個速率傳輸,這種網路甚至可能一次傳輸全世界所有的電視頻道節目或者同時傳送50萬部電影。
以公路做比喻,一根光纖也可以看作一條多車道公路。通常意義上的TDM系統使用該公路的一個車道,通過在這唯一車道上加快汽車的駕駛速率來增加帶寬。在光纜網路中,DWDM的採用好比為把後面的汽車放到了公路上沒有使用的車道上(增加了鋪設光纖的波長數目)得以獲得難以置信的巨大帶寬。另外還有一個好處:這條公路並不關心跑在自己上面的車流都是些什麼類型。結果呢,跑在DWDM這條公路上的「車子「們可以裝載ATM信元、SONET和IP包。

3系統特性

可接受的理想DWDM系統應該具備某些共有的關鍵特性。任何DWDM系統都應該具備這些特性以便運營商意識到該技術的巨大潛能。以下的問題有助於確定某個具體的DWDM系統是否符合要求。
1.系統是否利用現有設備設施。2.5 Gbps 級別的DWDM系統應能完全利用現有的設備和光纜設施。
2.系統使用氟化物或硅基光纖放大器。在1530- 到1565-納米光譜內,備有濾波器的硅基光放大器和氟化物光放大器性能表現都不錯。不過,氟化物光放大器要實現起來成本較大。氟化物光纖的長期可靠性尚未經過檢驗。
3.在改變通道的時候是否需要人工干預。當增加或者減少光通道數量以達到最優的系統性能時,光放大器會進行自動調節。這一點非常重要,因為,如果高能系統內只有一個通道,那麼自相位調製現象會導致系統性能的降低。另一方面,功率太低則會導致放大器無法獲得足夠的增益。
4.系統是否既穩固可靠。經過良好工程設計和建設的DWDM系統提供自身的可靠性、系統可用性和系統冗餘。雖然濾波器經常受到潮濕環境的影響,但這已不成為問題。
5.激光泵是否有連接器。光放大器具有兩個關鍵部件:摻鉺光濾波器和放大器。當激光泵用特定波長的激光激活鉺元素時,鉺就會起到增益媒質的作用把引入的激光信號放大。如果使用連接器而不是直接接合,表面輕微的污垢就可能會破壞連接器。
6.系統的波長數量和傳輸速率是否可升級。儘管對各種DWDM系統來說這個答案都是肯定的,但對此進行升級計劃也至關重要。如果服務供應商採用某種特定的方式把他們的網路組裝成一個整體再進行升級,那麼可能會發生以下情況:網路需要更大的功率或者附加的信噪比增量。比方說,每次供應商把通道數量或者比特率加倍的時候就需要額外附加3分貝的信噪比增量。
7.系統是否提供遵守標準的維護介面。DWDM 系統下可以廣泛使用STL 1介面。介面應當適應服務供應商通常的維護方案。

4關鍵技術

網路結構分類
光網路可按照物理連接分為環網、網狀網、星型網和匯流排結構。環型拓樸與網狀拓撲相比有很多優點,例如:鏈路分攤的成本低,鏈路可共享,而且當出現大的突發數據流時可同時使用工作光纖和保護光纖降低路由器的負荷,從而避免了在路由器端的緩存需要。
多波長網路又可分為單跳網和多跳網。在單路網中從源端到目的地的數據流就像一個光流一樣穿過網路,在中間任何節點無需電的轉換。從光網路選路方式上劃分有兩種典型的單跳網路:廣播與選擇網(Broadcast and select network)以及波長選路網(Wavelength routed network)。
廣播與選擇網是通過無源星型耦合器件將多個節點按照星型拓樸結構連接起來的。基本原理是以廣播形式發送,接收端有選擇地濾波接收。這種網路主要用於高速區域網或廣域網。有兩種工作方式:固定波長光發送而使用可調諧的光接收或者接收波長固定而發送波長可調。廣播與選擇網有兩個不足之處:其一是浪費了光功率。發射的光功享送到所有的接受器,不管這個接收器是否是通信對象。這樣,對實現通信節點來說,增加了光分流引起的損耗。其二是可擴展性差。N個節點至少需要用N個波長,增加一個節點要增加一個波長,每一個接收器的可調諧範圍也要相應增加一個波長,而且不能執行波長重用。
與之相反,波長選路網關鍵元素是波長途擇交換器,它也分為兩種:波長遠路交換方式和波長轉換交換方式。前者是通過改變WDM路由動態地在通信間交換數據信號。後者通過波長轉換將數據倒換到另一個波長通道上。
若在節點中採用光開關、波長轉換器、可調諧濾波器、陣列波導路由器等光子器件,就可構成靈活的、可擴展的、可重構的光網路結構。
網路同步和安全性
由於DWDM系統提供的相互不存在時間關係的不同波長的復用,因此不需類似於SONET中的時鐘系統。然而要保證傳輸質量,也許在WDM系統中仍需要同步技術。
光纖可非常容易地實現安全性連接。量子密碼(Quantunm cryptography)技術使用最基本的量子互補(quantum complementarity:基於粒子與波在行為上互斥的同時又是完全描述一種現象的密不可分的兩個要素)原理就是其中之一,它允許相距較遠的兩個用戶使用共享的隨機比特序列作為密碼通信的密匙。十分複雜的傳統加密措施是通過複雜和強度很大的數學運算來實現的,與其相比分佈量子密碼QKD(Quantum Key Distribution)技術,正像它的名字所表示的那樣提供了一種新型的基於基本的物理原理來保護和加密有用信息的有效方法。
開銷處理
光網路節點要支持光聯網,必然要有對光通路的OAM(操作、管理與維護)信息,因此就必須具有開銷處理能力。對開銷的載送方式有隨路和共路兩種,各有優缺點。而提供開銷的方法有3種:副載波調製(SCM),例如利用引示音(Pilot Tones);光監視通道(OSC);數字「包封器」(Digital「Wrapper」)。
WDM系統如何與IP網結合以傳送IP信息(通稱IP 0ver WDM),是一個極其重要的問題,因為不久的將來IP數據業務會佔主要地位。當不使用SONET/SDH設備而要實現直接的IP 0ver WDM,則需要考慮在原來的SONET/SDH中執行的某些功能(如各種開銷位元組的處理)如何在新型系統中來實現。一種方案是:光的通過開銷有兩部分,一部分在光容器幀結構內,它對應SONET/SDH的段開銷,另一部分不在幀內,而是用調製的導頻(pilot tone)另外傳送,光層只具有WDM的復用功能。
光聯網技術提供在光層上的傳送組網技術,例如在光通路(OCh)層上作OCh的快速路由和交換;為了以光通路組網,就需要具有管理頻(率)隙(slot)的能力(正像在現有網中管理時隙一樣),這裡一個頻隙就是一個光通路。

同頻串擾

在傳統的點到點波分復用(WDM)系統中,由於波長選擇器件(如波分復用器/解復用器和可調諧光濾波器)性能的不完善,相鄰波長通道之間會產生串擾,這種串擾被稱為異頻串擾。它是一種加性串擾,表現為在信號上疊加了一定功率的雜訊,惡化了信號的消光比。構成光網路時這種串擾的影響下去積累,且在接收機前加光濾波器可以將其濾掉,因此對系統的影響較小。
而在以波分復用傳輸和波長交叉連接(OXC)為基礎的WDM光網路中,當不同輸入鏈路中同一波長(頻率)的信號被送入同一光開關,根據需要完成光交叉連接后,再送入相應的波分復用器中。由於器件性能的不完善,一個通道的信號經過交叉器件後會包含其它通道的串擾。當多個通道重新耦合到一起時異頻串擾就會轉化為同頻串擾,即與信號光頻率相同的串擾。它可以是不同鏈路中相同波長間的串擾或同一信號與自身的串擾。當光通道經過多個OXC時,由於每個OXC中波長選擇器件的作用,異頻串擾不會隨著節點數的增加而積累。而同頻串擾和信號在同一個波長通道內,不受波長選擇器件的影響,將隨著節點數的增加而下斷積累。因此同頻串擾需要著重研究。
OXC引入的同頻串擾可以分為相於串擾(串擾光的相位與主信號相關)和非相干串擾(串擾光的相位與主信號不相關)。當主信號的一部分能量經過OXC變成串擾時,串擾光信號與主信號可能相干。這主要由串擾光信號和主信號的傳輸時延差與激光器的相干時間決定。當傳輸時延差小於激光器相干時間時,這種同頻串擾就成了相干串擾。為了減小串擾對系統的影響,在設計OXC時應該使不同光路的時延差大於激光器的相干時間。

5發展歷程

DWDM光傳輸系統研發進展迅速,實驗室中的DWDM的傳輸容量已經達到6.4Tb/s,2000年商用系統的容量將達到1.6Tb/s。復用30~40波長的DWDM系統已經大範圍使用, 100~160波長的系統也即將商用。實驗室中復用波長已超過1000波長。
1996年美國的Bell Labs首先進行總容量1Tb/s級的DWDM傳輸實驗,這在當時是最新記錄,然而此記錄不到一年就被刷新。在OFC '97上NEC宣布實現了2.6Tb/sDWDM傳輸實驗,號稱世界最新記錄。但此記錄僅保持了兩年又被刷新,在OFC '99上NTT宣布完成了3Tb/s OTDM+DWDM的傳輸實驗, Siemens公司也發表實現了80×40Gb/s總容量3.2Tb/s的傳輸實驗,打破了NEC的記錄。同年 Nortel在Telecom'99上宣布了兩個世界記錄,即單通道80Gb/s和總容量6.4Tb/s的最高記錄。但這兩個記錄剛剛宣布不久,在11月份的新發明展示會上,Lucent宣布實現了單通道160Gb/s和DWDM 16Tb/s的傳輸實驗記錄,又把Nortel運運地拋在了後面。下一個世界記錄屬於誰,群雄逐鹿,風雲再起。
中國國內DWDM市場也一樣,幾家主要通信設備供應商紛紛進入DWDM市場開展競爭,一時間中國國內市場也被炒得火熱。

6網路設計

在設計DWDM 光網路時,應將成本最小化、所選定的網路結構能夠提供預期的路由能力和保護恢復能力作為規劃和設計的主要奮鬥目標。網路設計最具挑戰性的問題就是優化處理,整個網路優化的目標就是使組網成本最低。
根據網路的複雜度和優化目標的不同,網路設計和規劃可以分步驟進行,也可以集中統一進行。分步設計能夠在可接受的運算量條件下完成網路的設計過程,而統一設計方案由於能夠通盤考慮網路的整體情況,所以設計的結構相對較優。在後期網路可用性分析階段,通過更加廣泛的測試來評估設計結果,例如在意想不到情況下和動態業務情況下對所設計的網路進行性能分析和可用性評估,評估結果可以反饋到原有的設計處理演算法中,通過輕微的參數調整進一步優化下一步設計的執行。
在進行網狀網光網路的優化設計時,設計人員首先要決定為了滿足承載一定業務量要求的網路資源的多少,所需要的網路資源包括位於不同節點的OXC的規模、光纖數量和節點之間的波長需求。
網狀網光網路的設計分為三大步:拓撲設計(即確定鏈路的使用情況);業務路由和容量分配(即確定節點之間的業務傳送狀況);容量空閑分配(即確定當網路出現故障時,網路的抗毀性應對措施和資源佔用狀況)。
環行光網路的設計和規劃流程主要可分為兩大步:
第一,環網基本情況的界定。主要是要確定所要設計的環網是從零開始的全新設計還是在已有的網路基礎上來設計環行光網路,另外還要確定所要設計的網路是否是分級結構的多層網路還是單層網路;
第二,基於環內選路由和波長分配方式對環網結構和功能進行分割和定位。環網互聯和網狀網設計相比無須執行空閑容量的分配和規劃過程因為空閑容量本身已經嵌入在環網內部。

7網路優化

DWDM網路優化是指根據實際線路光纜的各種參數,例如衰耗和色散,利用科學的演算法工具對DWDM鏈路進行最優化計算和配置,並在工程執行期間進行具體的優化調整,儘可能消除或抑制信號傳輸過程中的失真和劣化,使DWDM網路處於相對最優工作狀態,確保高質量傳輸的整個過程。業務信號通過DWDM系統傳播的過程中,由於系統和傳輸媒介的特點,會發生不同程度的信號失真。2.5Gb/s以下速率的信號因速率低而受失真的影響不大;而10Gb/s以上的高速率信號對這些信號失真非常敏感,受影響很大,因此系統優化對保證高速率大容量DWDM網路的高性能至關重要。造成信號失真的因素主要有如下兩大類:一是線性失真,二是非線性失真。
廣義的DWDM網路優化是一個涉及面很廣的過程,包括了項目招投標時基本配置的確定、工程執行期間對實際參數的測量、根據測量結果調整DCM模塊和泵浦卡以及各個具體段的實際參數設置、信號預加重調整等過程。DWDM網路優化是一個科學、嚴謹的過程,必須嚴格按照相關的操作指示和計算結果,不允許憑空想象、隨意而為;另外,鑒於光纖接頭清潔對於2.5Gb/s或者10Gb/s速率DWDM網路的重要性,必須確保整條鏈路每個光接頭都是完好的和乾淨的,否則會影響優化結果、導致系統性能下降。優化后的DWDM系統主要參數的冗餘度一般是:單段衰耗3dB,全程色散約400ps/nm。如果出現如下情況,一般需要重新優化;線路衰耗變化過大且無法恢復,則需要重新計算,必要時更改光功率參數;線路光纖類型不變但長度發生較大變化,則需要重新計算,可能需要調整DCM模塊順序或更換DCM模塊;線路光纖類型發生改變,則肯定需要重新計算,調整DCM模塊,並做重新優化。
總之,對於新建的DWDM鏈路,只有進行科學嚴謹、精確有效的系統優化,才能夠徹底擺脫傳統DWDM鏈路在長距離和高速率、大容量之間很難完全兼得的限制,真正實現高速率、大容量、長距離、高性能的傳輸。
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