波分復(fù)用(WDM)和光傳送網(wǎng)(OTN)淺談

  本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“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(fù)用技術(shù)，是將多個(gè)不同波長(zhǎng)(或頻率)的調(diào)制光信號(hào)(攜帶有用信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(也叫合波器，Mux)合路到一起送入光線路(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(fù)用器(也叫分波器，demux)將不同波長(zhǎng)信號(hào)分開(kāi)接收的技術(shù)，原理圖見(jiàn)圖1。一個(gè)波分系統(tǒng)包含很多的功能單元，如光轉(zhuǎn)發(fā)單元(OTU)，用于轉(zhuǎn)發(fā)客戶側(cè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到線路側(cè)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(zhǎng)光信號(hào)合并和分開(kāi);以及光功率放大器(OBA)，光線路放大器(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(hào)放大。當(dāng)然還應(yīng)該包括光監(jiān)控信道(OSC)，完成業(yè)務(wù)和鏈路的監(jiān)控以便網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)。

圖1. WDM系統(tǒng)組成框圖

  如果說(shuō)WDM的本質(zhì)是頻分復(fù)用(FDM)，可能還是不好理解，不如用圖2的多車道的高速公路來(lái)類比WDM系統(tǒng)好了。

圖2. 多車道高速公路與WDM系統(tǒng)類比

  要保證交通順暢，標(biāo)識(shí)并區(qū)分不同車道，讓不同的車各行其道是必須的。與公路交通類似，WDM系統(tǒng)也需要相應(yīng)的規(guī)則，最重要的就是波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)信道的中心波長(zhǎng)也有相應(yīng)的規(guī)定，也就是常說(shuō)的C80,C96,C120等，對(duì)應(yīng)為C波段的80波，96波，120波50GHz間隔WDM系統(tǒng)。另外，OSC監(jiān)控信道波長(zhǎng)一般不與信號(hào)波長(zhǎng)范圍重疊，約在1510nm處。顯然，相比于之前的時(shí)分復(fù)用(TDM)，WDM技術(shù)的出現(xiàn)是具有劃時(shí)代意義的。WDM系統(tǒng)具有以下方面的優(yōu)勢(shì)：

  — 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(zhǎng)增加幾十上百倍;

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

  — 保護(hù)投資：在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和擴(kuò)容時(shí)，無(wú)需對(duì)光纜線路進(jìn)行改造，增加波長(zhǎng)即可開(kāi)通或疊加新業(yè)務(wù);

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

  — 波長(zhǎng)路由：利用WDM選路可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)從而實(shí)現(xiàn)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(duì)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(yùn)營(yíng)商的主要業(yè)務(wù)還是語(yǔ)音業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)較少，SDH傳送占主導(dǎo)。SDH作為承載TDM類型業(yè)務(wù)的技術(shù)，設(shè)備效率低，成本高，越來(lái)越不適應(yīng)以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主體的IP類型網(wǎng)絡(luò)，業(yè)界急需一種簡(jiǎn)化的代成本，便于維護(hù)的新型傳輸網(wǎng)，適合傳輸IP業(yè)務(wù)。這也就導(dǎo)致了后來(lái)IP over WDM網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)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(gòu)轉(zhuǎn)變

  二、OTN

  光傳送網(wǎng)(OTN)，可以簡(jiǎn)單的理解為OTN是將SDH 強(qiáng)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，為客戶信號(hào)提供在波長(zhǎng)/子波長(zhǎng)上進(jìn)行傳送、復(fù)用、交換、監(jiān)控和保護(hù)恢復(fù)的技術(shù)。同時(shí)在電層逐步Packet化，實(shí)現(xiàn)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(chǔ)在鏈路上還是依賴于WDM技術(shù)了，又像SDH那樣引入封裝和開(kāi)銷管理，提高管理和互通能力，對(duì)波長(zhǎng)/子波長(zhǎng)進(jìn)行交叉連接提高組網(wǎng)、保護(hù)和調(diào)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(qiáng)調(diào)的是一種節(jié)點(diǎn)技術(shù)，如下圖所示。

圖6. OTN節(jié)點(diǎn)為技術(shù)示意圖

  繼續(xù)以道路交通來(lái)對(duì)比OTN和WDM技術(shù)，如圖7所示。WDM類似于高速公路，提供超大容量，超高速，超長(zhǎng)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(diào)度問(wèn)題;網(wǎng)絡(luò)中的控制平面和網(wǎng)管系統(tǒng)就對(duì)應(yīng)了道路交通中的紅綠燈和交管系統(tǒng)。

圖7. WDM (左)和OTN (右)的道路交通類比示意圖

  跟WDM對(duì)應(yīng)的ITU-T波長(zhǎng)規(guī)范類似，OTN技術(shù)有也很多相應(yīng)的規(guī)范，主要還是以G. 開(kāi)頭的ITU-T協(xié)議，見(jiàn)圖8，不同的數(shù)字對(duì)應(yīng)了不同類型的規(guī)范，如網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)備功能，保護(hù)倒換，物理特性，幀結(jié)構(gòu)、開(kāi)銷、映射編碼等。

圖8. OTN技術(shù)相關(guān)的協(xié)議規(guī)范

  除去上述規(guī)范中的一些細(xì)節(jié)，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(jié)構(gòu)(映射、封裝、開(kāi)銷)，b)支線路分離，c)ROADM，d)保護(hù)倒換。下面具體地稍加說(shuō)明。

  a) 幀結(jié)構(gòu)

  如下圖所示，OTN將整個(gè)光層分為光通道層(OCH),光復(fù)用段層(OMS),光傳輸段層(OTS)。它們?cè)诠饩W(wǎng)絡(luò)中分別對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)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(fù)用段之間都可能會(huì)增加一些幀頭開(kāi)銷用于管理和監(jiān)控，甚至還會(huì)增加FEC糾錯(cuò)編解碼，實(shí)現(xiàn)更好的容錯(cuò)抗干擾。對(duì)于不同速率的OTU信號(hào)(k=0表示1G,k=1表示2.5G,k=2表示10G,k=3表示40G)，OTN幀結(jié)構(gòu)和尺寸相同，都是4x4080字節(jié)，只是幀的周期不同。正是這些獨(dú)特的幀結(jié)構(gòu)和豐富的開(kāi)銷，成就了OTN強(qiáng)大的管理能力。

  b) 支線路分離

圖10. 支線路分離的光轉(zhuǎn)發(fā)單元

  作為OTN的核心之一，是引入子波長(zhǎng)層面的電交叉：將傳統(tǒng)收發(fā)合一的OTU拆分成線路側(cè)與支路側(cè)(客戶側(cè))，中間填充了OTN交換單元。這樣帶來(lái)的好處是業(yè)務(wù)側(cè)保持大顆粒和大的交叉粒度，(1~40G),還實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的解耦，避免統(tǒng)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，將OTU種類由MxN降為M+N，極大減少了單盤備件種類。省去了SDH設(shè)備，但仍保持了類似的保持能力。

  c) ROADM

圖11. 多維度可重構(gòu)分插復(fù)用器(ROADM)

  作為全光網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，OADM(光分插復(fù)用器)用來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的上下話。主要有兩種，固定分插復(fù)用器(FOADM)和可重構(gòu)分插復(fù)用器(ROADM)。很明確，相比于FOADM,如圖11所示的ROADM可以實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)輸入，任意端口輸出，具有方向無(wú)關(guān)，波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，無(wú)沖突、靈活帶寬，即(CDC-F)的特征。ROADM的出現(xiàn)，使得遠(yuǎn)程靈活配置波長(zhǎng)上下，快速開(kāi)通業(yè)務(wù)，自由升級(jí)擴(kuò)容，多維度波長(zhǎng)調(diào)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(yùn)維成本。 當(dāng)前最新ROADM技術(shù)已經(jīng)可以支持最高32維度，Pbit級(jí)別的超大容量交叉，并且全光背板技術(shù)的出現(xiàn)極大降低了內(nèi)部連纖的難度。

  d)保護(hù)倒換

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

圖12. OTN 光層網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù)

圖13. OTN電層網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù)

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

表1. 不同保護(hù)方式及應(yīng)用場(chǎng)景

  當(dāng)然業(yè)務(wù)質(zhì)量要求越高，保護(hù)倒換要求也高，網(wǎng)絡(luò)也越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)可靠性增強(qiáng)，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(cè)技術(shù)推動(dòng)了光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，讓光系統(tǒng)滿足網(wǎng)絡(luò)流量的增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)更低的每比特成本。相干檢測(cè)的時(shí)代尚未結(jié)束，并將日臻成熟。因此，供應(yīng)商及其客戶必須不斷創(chuàng)新，降低光系統(tǒng)的總體擁有成本(TCO)。未來(lái)幾年OTN的發(fā)展趨勢(shì)包括：更高速率(100G到200G甚至400G)、硬件簡(jiǎn)化和先進(jìn)的運(yùn)營(yíng)、管理和維護(hù)(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(shì)。

       只有為運(yùn)營(yíng)商、數(shù)據(jù)中心客戶帶來(lái)價(jià)值，降低 TCO，設(shè)備商才有豐厚的回報(bào)。當(dāng)然前提是設(shè)備能提高傳輸效率，降低硬件復(fù)雜度和功耗，智能算法提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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