波分復用(WDM)和光傳送網(wǎng)(OTN)淺談

  本文轉載自微信公眾號“光通信充電寶”，作者馮振華博士，訊石經(jīng)允許略作刪改。

  ICC訊 波分(WDM)和傳送(OTN)是我們經(jīng)常提及的話(huà)題，那么波分和傳送到底什么關(guān)系呢？今天簡(jiǎn)單聊聊。

  一、WDM

  顧名思義，WDM即波分復用技術(shù)，是將多個(gè)不同波長(cháng)(或頻率)的調制光信號(攜帶有用信息)在發(fā)送端經(jīng)復用器(也叫合波器，Mux)合路到一起送入光線(xiàn)路(光纖傳輸鏈路)的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端用解復用器(也叫分波器，demux)將不同波長(cháng)信號分開(kāi)接收的技術(shù)，原理圖見(jiàn)圖1。一個(gè)波分系統包含很多的功能單元，如光轉發(fā)單元(OTU)，用于轉發(fā)客戶(hù)側數據業(yè)務(wù)到線(xiàn)路側的光口；光合波單元(OMU)和光分波單元(ODU)，分別用于將多個(gè)波長(cháng)光信號合并和分開(kāi);以及光功率放大器(OBA)，光線(xiàn)路放大器(OLA)和光前置放大器(OPA)，分別用于發(fā)端，鏈路，和接收端光信號放大。當然還應該包括光監控信道(OSC)，完成業(yè)務(wù)和鏈路的監控以便網(wǎng)絡(luò )管理和維護。

圖1. WDM系統組成框圖

  如果說(shuō)WDM的本質(zhì)是頻分復用(FDM)，可能還是不好理解，不如用圖2的多車(chē)道的高速公路來(lái)類(lèi)比WDM系統好了。

圖2. 多車(chē)道高速公路與WDM系統類(lèi)比

  要保證交通順暢，標識并區分不同車(chē)道，讓不同的車(chē)各行其道是必須的。與公路交通類(lèi)似，WDM系統也需要相應的規則，最重要的就是波長(cháng)頻點(diǎn)的劃分了。原則上WDM分為兩種，CWDM(粗波分)和DWDM(密波分)，前者波長(cháng)間隔較大，一般為20nm，而后者間隔小，一般小于0.8nm。具體每個(gè)波長(cháng)信道的中心波長(cháng)也有相應的規定，也就是常說(shuō)的C80,C96,C120等，對應為C波段的80波，96波，120波50GHz間隔WDM系統。另外，OSC監控信道波長(cháng)一般不與信號波長(cháng)范圍重疊，約在1510nm處。顯然，相比于之前的時(shí)分復用(TDM)，WDM技術(shù)的出現是具有劃時(shí)代意義的。WDM系統具有以下方面的優(yōu)勢：

  — 高容量：可以充分利用光纖巨大帶寬資源，使傳輸容量比單波長(cháng)增加幾十上百倍;

  — 低成本：在大容量長(cháng)途傳輸時(shí)節省大量光纖和3R再生器，傳輸成本顯著(zhù)下降;

  — 保護投資：在網(wǎng)絡(luò )升級和擴容時(shí)，無(wú)需對光纜線(xiàn)路進(jìn)行改造，增加波長(cháng)即可開(kāi)通或疊加新業(yè)務(wù);

  — 透明性：與信號速率、調制格式無(wú)關(guān)，方便引入大帶寬新業(yè)務(wù);

  — 波長(cháng)路由：利用WDM選路可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )交換和恢復從而實(shí)現未來(lái)透明全光網(wǎng)絡(luò )。

  既然WDM技術(shù)這么好，那它跟以往的業(yè)務(wù)是什么關(guān)系，對以后的光傳輸網(wǎng)絡(luò )會(huì )有什么影響呢?還是看圖說(shuō)話(huà)吧。

圖3. WDM與其它業(yè)務(wù)的關(guān)系。

       如圖3所示，WDM不過(guò)是建立在光層之上，通過(guò)具體的接口來(lái)承載不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)罷了，具體的業(yè)務(wù)在WDM上適配情況如圖4所示。

圖4. WDM支持廣泛的業(yè)務(wù)接入

  不過(guò)這是早期時(shí)候的網(wǎng)絡(luò )，那時(shí)運營(yíng)商的主要業(yè)務(wù)還是語(yǔ)音業(yè)務(wù)，數據較少，SDH傳送占主導。SDH作為承載TDM類(lèi)型業(yè)務(wù)的技術(shù)，設備效率低，成本高，越來(lái)越不適應以數據業(yè)務(wù)為主體的IP類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )，業(yè)界急需一種簡(jiǎn)化的代成本，便于維護的新型傳輸網(wǎng)，適合傳輸IP業(yè)務(wù)。這也就導致了后來(lái)IP over WDM網(wǎng)絡(luò )轉變之說(shuō)。如圖5所示，在WDM上借鑒SDH技術(shù)，也就是后來(lái)的新傳送網(wǎng)，即OTN了。

圖5. IP over WDM網(wǎng)絡(luò )架構轉變

  二、OTN

  光傳送網(wǎng)(OTN)，可以簡(jiǎn)單的理解為OTN是將SDH 強大完善的OAM的理念和功能移植到了WDM 光網(wǎng)絡(luò )中。具體來(lái)講，OTN是一種通過(guò)引入電域子層，為客戶(hù)信號提供在波長(cháng)/子波長(cháng)上進(jìn)行傳送、復用、交換、監控和保護恢復的技術(shù)。同時(shí)在電層逐步Packet化，實(shí)現基于包、VC以及ODUk交叉的功能實(shí)體。事實(shí)上，OTN的物理基礎在鏈路上還是依賴(lài)于WDM技術(shù)了，又像SDH那樣引入封裝和開(kāi)銷(xiāo)管理，提高管理和互通能力，對波長(cháng)/子波長(cháng)進(jìn)行交叉連接提高組網(wǎng)、保護和調度能力。簡(jiǎn)言之，OTN其實(shí)就是IP化的WDM再加上光、電交叉功能，更多強調的是一種節點(diǎn)技術(shù)，如下圖所示。

圖6. OTN節點(diǎn)為技術(shù)示意圖

  繼續以道路交通來(lái)對比OTN和WDM技術(shù)，如圖7所示。WDM類(lèi)似于高速公路，提供超大容量，超高速，超長(cháng)距離的傳送能力，而OTN則更像是有立交橋的高速公路，提供靈活的切換、上下，解決流量調度問(wèn)題;網(wǎng)絡(luò )中的控制平面和網(wǎng)管系統就對應了道路交通中的紅綠燈和交管系統。

圖7. WDM (左)和OTN (右)的道路交通類(lèi)比示意圖

  跟WDM對應的ITU-T波長(cháng)規范類(lèi)似，OTN技術(shù)有也很多相應的規范，主要還是以G. 開(kāi)頭的ITU-T協(xié)議，見(jiàn)圖8，不同的數字對應了不同類(lèi)型的規范，如網(wǎng)絡(luò )架構，設備功能，保護倒換，物理特性，幀結構、開(kāi)銷(xiāo)、映射編碼等。

圖8. OTN技術(shù)相關(guān)的協(xié)議規范

  除去上述規范中的一些細節，OTN中的關(guān)鍵創(chuàng )新和主要技術(shù)其實(shí)就是就只有四個(gè)：a)幀結構(映射、封裝、開(kāi)銷(xiāo))，b)支線(xiàn)路分離，c)ROADM，d)保護倒換。下面具體地稍加說(shuō)明。

  a) 幀結構

  如下圖所示，OTN將整個(gè)光層分為光通道層(OCH),光復用段層(OMS),光傳輸段層(OTS)。它們在光網(wǎng)絡(luò )中分別對應的范圍如圖1，OCH指的是端到端的OTU之間部分，OMS指的是OMU和ODU之間，OTS指OLA與OLA之間。其中光通道層又分為三個(gè)子層：光通道數據單元(ODUk),光通道傳送單元(OTUk)及光通道凈荷單元(OPU)。

圖9. OTN封裝的幀格式示意圖

  如上圖所示，不同的子層，復用段之間都可能會(huì )增加一些幀頭開(kāi)銷(xiāo)用于管理和監控，甚至還會(huì )增加FEC糾錯編解碼，實(shí)現更好的容錯抗干擾。對于不同速率的OTU信號(k=0表示1G,k=1表示2.5G,k=2表示10G,k=3表示40G)，OTN幀結構和尺寸相同，都是4x4080字節，只是幀的周期不同。正是這些獨特的幀結構和豐富的開(kāi)銷(xiāo)，成就了OTN強大的管理能力。

  b) 支線(xiàn)路分離

圖10. 支線(xiàn)路分離的光轉發(fā)單元

  作為OTN的核心之一，是引入子波長(cháng)層面的電交叉：將傳統收發(fā)合一的OTU拆分成線(xiàn)路側與支路側(客戶(hù)側)，中間填充了OTN交換單元。這樣帶來(lái)的好處是業(yè)務(wù)側保持大顆粒和大的交叉粒度，(1~40G),還實(shí)現了業(yè)務(wù)的解耦，避免統一的交叉粒度。同時(shí)業(yè)務(wù)接口變化時(shí)只需改變接口盤(pán)，將OTU種類(lèi)由MxN降為M+N，極大減少了單盤(pán)備件種類(lèi)。省去了SDH設備，但仍保持了類(lèi)似的保持能力。

  c) ROADM

圖11. 多維度可重構分插復用器(ROADM)

  作為全光網(wǎng)的重要基礎，OADM(光分插復用器)用來(lái)實(shí)現波長(cháng)的上下話(huà)。主要有兩種，固定分插復用器(FOADM)和可重構分插復用器(ROADM)。很明確，相比于FOADM,如圖11所示的ROADM可以實(shí)現任意波長(cháng)輸入，任意端口輸出，具有方向無(wú)關(guān)，波長(cháng)無(wú)關(guān)，無(wú)沖突、靈活帶寬，即(CDC-F)的特征。ROADM的出現，使得遠程靈活配置波長(cháng)上下，快速開(kāi)通業(yè)務(wù)，自由升級擴容，多維度波長(cháng)調度，多波道功率均衡成為可能，極大地增加了光網(wǎng)絡(luò )的靈活性，并降低運維成本。 當前最新ROADM技術(shù)已經(jīng)可以支持最高32維度，Pbit級別的超大容量交叉，并且全光背板技術(shù)的出現極大降低了內部連纖的難度。

  d)保護倒換

  OTN保護分為設備級保護和網(wǎng)絡(luò )級保護，一般說(shuō)的保護指的是網(wǎng)絡(luò )級保護，它又可以分為光層保護和電層保護，具體地又可再細分為以下多種不同的保護方式，見(jiàn)圖12和13所示。

圖12. OTN 光層網(wǎng)絡(luò )級保護

圖13. OTN電層網(wǎng)絡(luò )級保護

  不同的保護方式的特點(diǎn)和應用場(chǎng)景也略有些區別，見(jiàn)下表。所謂保護就是在單盤(pán)或線(xiàn)路上做冗余備份，倒換通常就是多發(fā)或并發(fā)選收了。

表1. 不同保護方式及應用場(chǎng)景

  當然業(yè)務(wù)質(zhì)量要求越高，保護倒換要求也高，網(wǎng)絡(luò )也越復雜，網(wǎng)絡(luò )可靠性增強，但成本也會(huì )更高，如圖14所示。

  三、最后展望未來(lái)

  在過(guò)去十年，相干檢測技術(shù)推動(dòng)了光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，讓光系統滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )流量的增長(cháng)，實(shí)現更低的每比特成本。相干檢測的時(shí)代尚未結束，并將日臻成熟。因此，供應商及其客戶(hù)必須不斷創(chuàng )新，降低光系統的總體擁有成本(TCO)。未來(lái)幾年OTN的發(fā)展趨勢包括：更高速率(100G到200G甚至400G)、硬件簡(jiǎn)化和先進(jìn)的運營(yíng)、管理和維護(OA&M)功能。OTN下沉，城域邊緣接入與傳送網(wǎng)的融合也可能是一個(gè)趨勢。

       只有為運營(yíng)商、數據中心客戶(hù)帶來(lái)價(jià)值，降低 TCO，設備商才有豐厚的回報。當然前提是設備能提高傳輸效率，降低硬件復雜度和功耗，智能算法提升網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)效率。

  參考來(lái)源：

  https://wenku.baidu.com/view/eb68d08408a1284ac9504307.html?fr=search

  http://www.pinlue.com/article/2019/10/2412/229733535040.html

  https://wenku.baidu.com/view/791d1866b84ae45c3b358c11.html

  https://wenku.baidu.com/view/24399a56a517866fb84ae45c3b3567ec102ddc69.html?rec_flag=default&sxts=1590317081239

  https://wenku.baidu.com/view/0fd28e67c950ad02de80d4d8d15abe23482f03f1.html?rec_flag=default&sxts=1590315175785

  https://wenku.baidu.com/view/f722671384254b35eefd34eb.html