（光学工程专业论文）metro+wdm网络若干核心技术研究理论、实验、应用.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 w d m 技术已在光纤传输领域广泛应用，为高速率、大容量信息的长距离 传输提供了易于实现的方案，但目前在城域网中的市场前景尚不明朗，受元器 件成本、接入的业务速率和市场需求等因素的限制，目前的城域w d m 网络还 没有达到技术和经济性二者兼优的境地，所以该技术要想腾飞，必须在提供性 能优势的同时保持成本的竞争力。 本文的研究内容主要基于目前城域w d m 网络发展中需要解决的几个问 题，从成本、业务、保护和网络结构等几方面考虑，提出w d m 的“城域化” 过程一些相对应的解决办法。 在城域网应用中一个最为主要的特征是造价敏感，w d m 技术在城域网中 尚未普遍使用主要也是因为成本因素，在第二章我们从两方面考虑m e t r o w d m 的成本问题：从器件考虑，采用全光纤器件( f b g 和环形器) ，提出一种可用 于单纤双向环网，结构简单、插入损耗小，易于集成的b o a d m 器件结构：从 网络结构考虑，提出两种方法：一是针对s d h ( a t m ) ，w d m 网络中，多个低效 率的电接口业务可以通过t r a f f i cg r o o m i n g 方法整合为一个波长容量进行传输特 性，提出一种可以有效减少网络端口数量，降低网络成本的多h u b 环网的分层 结构模式，二是针对在w d m 全光网中，不同路由的业务链路可以通过合理的 分配，把尽量多的波长业务置入到一个“环”中，以最大程度减少网络中所需 设备端口数和光纤数量，提出一种基于构造环的最小化波长需求波长分配算 法。 针对城域网多业务类型、多业务颗粒传输特性。在第三章，我们搭建了一 个可以实现多业务单纤双向传送的s d h w d m 网络平台，以单栀1 5 0 k m 光纤作为 物理媒质，以m u x d e m u x 的为单纤双向复用器件，以s d h w d m 为传输手段， 采用m s t p 技术，通过接x v l a n 模块建成一个单纤双向传输的局域网，并以此 为基础通过接入图像编解码器实现单纤双向视频传输，为城域! e 带接入网的多 业务实现提供了范例。 无论是在长途网还是城域网中，w d m 光网络的生存性问题是在网络设计 中必须重点考虑的一个方面。在第四章，我们提出两种保护方案：s f v p p 保护 方案充分利用光纤的波分复用特性，针对复杂的网络结构，把不同波长通道业 务划分成不同虚拓扑( 虚环网) ，综合利用w d m 环网光层保护策略，实现网络 中不同的环网综合保护。此外我们首次针对b o a d m 结构给出具体的在环网 一i i i 浙江大学博士学位论文 中实现保护的策略，并把d n i 保护方式运用于全光网中，完成单纤双向光网 在多种环网结构下的保护。 第五章，在研究某高校校园网现状和需求基础上，从校园网的设计原则、 结构分层、网络保护、设备组成、节点结构以及业务实现等若干方面进行研究， 我们提出一种以w d m 光网络为传输平台，适用于较大规模校园网的完整解决 方案。方案具有造价低、扩容方便、安全性好、结构清晰、支持多业务接入能 力等特点。 目前，在业界对于城域w d m 网络的承载业务、技术选择、建设方向和规 划设计还没有统一的认识，作者通过研究城域网的发展历程，需求特点以及面 临的问题，在降低设备及网络成本的大前提下，综合考虑城域w d m 网络在容 量、可靠性、灵活性、多业务提供等方面的要求，提出一些实际的解决方法， 以期推动m e t r ow d m 最终实用化的目标。 关键词：城域w d m 网络，网络成本，生存性，多业务接入，网络设计 一r v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g yh a sa c h i e v e dw i d e a p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fo p t i c a ln e t w o r k ( o n ) i tp r o v i d e sa l le a s ys c h e m et o s a r i s f yt h eh i g h c a p a c i t yr e q u i r e m e n to fl o n g - h a u lo n h o w e v e r , t h eu s eo fw d m t e c h n o l o g yi nt h ec u r r e n tm a r k e to fm e t r o p o l i t a no p t i c a ln e t w o r k s ( m o n ) i sn o t o b v i o u sy e td u et ol i m i t a t i o n si nt h ec o s to fw d m c o m p o n e n t s ，t y p e so f a c c e s s s e r v i c e sa n dn e e do ft h em a r k e t t h u s ，t oa c c e l e r a t et h eu s eo fw d mi nm o n ， a t t e n t i o n sm u s tb ep a i dt ob o t ht h e a d v a n t a g eo fw d mp e r f o r m a n c e a n dt h e c o m p e t i t i v ep o t e n t i a l o fi t sc o s t t h e p r e s e n t t h e s i sf o c u s e so ns o m ep r i m a r y p r o b l e m s i n m e t r o p o l i t a nw d m ( m e t r ow d m ) n e t w o r k s ，a n dp r o v i d e s t h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o nt o t h ei s s u e so f c o s t ，t r a f f i c ，p r o t e c t i o na n da r c h i t e c t u r ei n m e t r ow d mn e t w o r k s t h es e n s i t i v i t yo ft h ec o s ti st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro fam e t r ow d m n e t w o r k w es t u d yt h ec o s to fm e t r ow d m i nt w oa s p e c t si nc h a p t e r2 f o rt h e a s p e c to fc o m p o n e n t s ，ab i d i r e c t i o n a lo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ( b o a d m ) u s i n g f i b e r g r a t i n g s a n dc i r c u l a t o r si s d e s i g n e d ，a n d i s c h e a p e r ，s i m p l e a n d a p p r o p r i a t ec o m p e n e n t f o rs i n g l e f i b e rb i d i r e c t i o n a lr i n gn e t w o r k s ( s f b r n ) f o r t h ea s p e c to fn e t w o r k ，a f t e rs t u d yt h et r a f f i c - g r o o m i n gp r o b l e ma n dt h ec o s to f w d m r i n gn e t w o r k s ，al a y e r e dn e t w o r k w i t ham u l t i - h u b si sp r e s e n t e dt or e d u c e t h et o t a ln u m b e ro ft h en e t w o r kp o r t s f u r t h e r m o r e ，an o v e lw a v e l e n g t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h mb a s e do n c i r c l ec o n s t r u c t i o n ”i sp r o p o s e d t h eo p t i m a lo b j e c t i v eo f t h i s a l g o r i t h m i st om i n i m i z et h en u m b e ro fw a v e l e n g t h su s e di nn e t w o r k t or e a l i z et h em u l t i s e r v i c et r a n s p o r ta b i l i t yi nm e t r ow d m n e t w o r k s w e h a v eb u i l tap l a t f o r mb a s e do ns d h w d mi nc h a p t e r3 t h ep l a t f o m ac o m p o s e so f s d h & w d m e q u i p m e n t s a tt w on o d e sw h i c hc o n n e c t e db yo n l yo n e5 0 k ms m f i b e r ，一,somev l a nm o d u l e sa r ei n s e r t e d a n dt h es d hf o r m sas i n g l ef i h e rb i d i r e c t i o n a l l a nt ot r a n s p o r ti ps e r v i c e s o m ec o d e r s d e c o d e r so fv i d e oa r ec o n n e c t e dt ot h e m o d u l e st of i n i s ht h ev i d e os e r v i c et r a n s p o r t t os a t i s f yt h en e e do fm e t r ow d ms u r v i v a b i l i t y , t w ot y p e so fp r o t e c t i o n s t r a t e g i e s ，n a m e l y ，s h a r e f i b e r v i a u a l - p a t hp r o t e c t i o na n d s i n g l e f i b e r b i d i r e c t i o n a lr i n gn e t w o r k sd n ip r o t e c t i o n a r eg i v e ni nc h a p t e r4 t h ef o r m e ri s s u i t a b l ef o rac o m p l i c a t e do ns u c ha sam e s hn e t w o r ku s i n gt i l eo p t i c a lr i n g p r o t e c t i o n t h el a t t e ri so r e ne m p l o y e df o rb o a d m i ns i n g l e - f i b e rb i d i r e c t i o n a l r i n g n e t w o r k s v 一 浙江大学博士学位论文 i nc h a p t e r5 ，a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h es t a t u sa n dn e e d so f t r a n s p o r tn e t w o r k i na u n i v e r s i t y w ep r o p o s ean e ww d m n e t w o r ka r c h i t e c t u r e t h ed e s i g ni sb a s e do n w d m o n ，a n di n c l u d e st h ep r i n c i p l eo fd e s i g n ，l a y e r i n ga n dp r o t e c t i n go fn e t w o r k ， c o m p o s i n go fn e t w o r k se q u i p m e n t ，s t r u c t u r e o fn o d e sa n dr e a l i z a t i o no fs o m e s e r v i c e s ，e t c i t g i v e sa ni n t e g r a t e de x m p l e w h i c hi ss u i t a b l ef o ro t h e rm e t r ow d m n e t w o r k si nt h ef u t u r e t i l ln o w ，n os t a n d a r de x i s t si nh o wt or e a l i z et h et r a f f i ct r a n s l ) 1 3 r t a t i o n ，s e l e c t t h et e c h n o l o g ya n dt h ed i r e c t i o no fc o n s t r u c t i o n ，a n dp r o g r a mt h el a y o u ti nam e t r o w d mn e t w o r k t h r o u g ht h e s t u d y o ft h ec o u r s e 。t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e p r o b l e m sm e t r ow d m n e t w o r k sh a v ef a c e d ，w es y n t h e s i z et h en e e d si nc a p a c i t y ， r e l i a b i l i t y ，f l e x i b i l i t y ，a n dm u l t i - s e r v i c et r a n s p o r ta b i l i t yo fn e t w o r k s ，a n dp r e s e n t s o m ep r a c t i c a ls o l u t i o n sf o rt h e mt os p e e du pt h eu s eo fw d m i nm e t r o p o l i t a ni n t h ef u t u r e k e y w o r d sm e t r ow d mn e t w o r k ，c o s t o fn e t w o r k ，s u r v i v a b i l i t y , m u l t i s e r v i c e t r a n s p o r t ，d e s i g no f n e t w o r ka r c h i t e c t u r e 浙江大学博士学位论文 第一章m e t r ow d m 网络概述 1 1 引言 全球网络用户的大量增长和大容量业务的发展使得传输带宽需求量成线性 增长，如何有效地增加网络的传输能力成为众多i m e m e t 服务提供商( i s p ， i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 必须面对的重要问题。虽然目前的骨干网多数已使用 光纤链路来传输数据，但是传统的同步数字传输( s d h ，s y n c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y ) 技术只能以特定的传输速率( 如2 5 g b i d s ，1 0 g b i t s ) 在光纤中的单 波长通道上传输数据。单纯依靠增加单波长传输速率的方法，例如使用更高速 的时分复用( t d m ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术，将遇到诸如因传输速 率接近电层处理极限而使得设备的成本迅速增加等问题。 波分复用( w d m ，w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术可以充分挖掘和 利用光纤的带宽能力，对网络的升级扩容、发展宽带新业务，特别是在现有光 纤资源紧张情况下实现超高速大容量通信具有十分重要的意义。从通信的发展 来看，w d m 技术从光纤通信出现伊始就出现了，早期是两波长( 1 3 1 0 1 5 5 0 n m ) 的w d m 系统，上世纪8 0 年代美国a t & t 公司就实验了传输速率为2 1 7 g w s 的w d m 系统。到9 0 年代，w d m 技术的进入快速发展阶段，特别是掺饵光纤 放大器( e d f a ，e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ) 在15 5 0 n m 窗口使用，更加促 进w d m 技术的商用化过程【i “，l u c e n t 公司率先推出了8 互5 g b s 系统，随 后c i e n a 公司也推出1 6 2 5 g b s w d m 系统。自1 9 9 5 年以来，美国的各大传 统电话公司已经在其干线传输网络中引入w d m 设备 5 1 ，到1 9 9 9 年底，其干线 上基本实现w d m 传输。w d m 设备自1 9 9 7 年进入中国市场，到上世纪末中国 电信已在绝大部分的省级光缆干线上使用来w d m 技术。目前商用化的d w d m 系统己达到一根光纤传输的总容量4 0 0 g b s 。与此同时，e d f a 的产品已成熟 可靠，它们能与d w d m 系统联合运用，大约每隔8 0 - - 1 0 0 k m 设置一个线路中 间放大站，使得长途线路的传输距离可达1 0 0 0 k m 。目前的w d m 系统主要是 在1 5 5 0 n m 窗口实施多波长复用技术，利用波分复用密集波分复用 ( w d m d w d m ) 技术，一根单模光纤在波长1 5 5 0 n m 窗口能够同时传输几十 路甚至上百路光载波，传输的速率最高达到原来传送一个光载波时的一百倍， 即16 0 4 0 g b s = 6 4 t b i t s 6 1 。 w d m 和e d f a 的迅速实用化，为高速率、大容量信息的长距离传输提供 一1 一 第一章m e t r ow d m 网络概述 了易于实现的方案，使通信网的传输容量极大地增加。而传输容量的增长又给 交换节点带来巨大的压力和急待变革的动力，从而激发了以波长选路为基础的 全光通信网的发展。在w d m 传输系统应用过程中，人们发现，w d m 技术在 提高传输能力的同时，还有强大、灵活的联网优势，可以形成具有高度灵活性 和生存性的全光网络( i t u t 定义为光传送网) j 。可以说，w d m 对整个通信网 产生长期、深远的影响。 1 2m e t r ow d m 网络概述 1 2 1m e t r ow d m 网络的概念及特点 城域网概念是由计算机网络演化而来，光纤传输技术尤其是w d m 技术的 引入赋予了城域网新的内涵。城域w d m 网络是指本地传送网中覆盖城市中心 的部分，也是本地传送网在城市区域的具体表现，它负责为同一城市内的交换 机、基站、路由器等业务节点提供传输电路。概括来讲，城域w d m 网络是一 种主要面向企事业用户的、最大可覆盖城市及其郊区范围的、可提供丰富业务 并支持多种通信协议的本地公共网络，它可以提供语音、数据、图像、视频等 多媒体综合业务，其中以数据业务为主。本文讨论的城域网是以光纤作为传输 媒介，因此被称为“光城域网”，而采用了w d m 技术的城域网形成了本文讨 论的对象“m e t r ow d m 网络( m e t r o p o l i t a n w d mn e t w o r k s ) ”，在本文其他地 方提到的城域w d m 网络、w d m 网络的”城域化”都是同一个概念。 光城域网既不同于局域网，又不同于长途网。与局域网的主要区别首先是 网络性质的不同，局域网是企事业专用网，而光城域网是面向公用网应用和多 用户环境的；其次是传输距离的扩展，典型局域网的传输距离为数公里，而光 城域网范围可扩展到5 0 1 5 0 k m ：最后是业务范围的扩展，典型局域网主要提 供数据业务，而光城域网的业务范围不仅有数据，还有语音、图像和视频，是 全业务网络。同样使用w d m 技术，m e t r ow d m 网络也在许多j 亨面有别于长 途w d m 传送网络，长途传送网络要求的是高速安全地传送各种业务，而m e t r o w d m 网则是有效地接入、疏导和汇聚各种业务。综合来说，城域w d m 网络 主要特点如下： 1 低成本是城域网w d m 系统最重要的特点 在长途传输中w d m 由于采用了e d f a 将光信号直接放大，省略了大量 的电中继设备，从而大大节约了网络成本。但另外一方面，由于f d f a 平坦增 一2 一 浙江大学博士学位论文 益带宽较窄和它本身某些增益特性的限制，人们不得不采用高波长稳定度的激 光器和密集波分复用器解复用器。并且在整个线路上进行光功率均衡；此外， 由于中继传输距离加长，对激光器的色散容限和啁啾特性提出了很高的要求。 而在城域网中。由于传输距离通常不超过1 0 0 k i n ，因而长途网必须使用的外调 制器和光放大器可以省略：由于没有光放大器，波长数的增加和扩展也不再受 光放大器频带的限制，可以容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较 低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅 度下降，降低了整个系统成本。 2 速率和协议透明 w d m 的协议透明性可以使业务提供者支持本地的企业数据，比如：l a n 、 a t m 、i po v e rs d h 等，用不同的波长来支持不同类型的数据。光层提供了独 立于业务类型的传送结构。由于城域网中有许多不同的业务和不同的速率， w d m 的透明性和m e t r ow d m 的分插复用功能可以允许业务提供者直接上下 某一个波道，而不用转换原始信号的格式，为m e t r ow d m 网络实现多类型、 多颗粒业务的传送提供支持。 3 提高业务质量 在城域网中应用w d m 系统可以使光层恢复成为可能。光层恢复比电层恢 复要经济得多。考虑到光层恢复是独立于业务和速率的，那么原来一些自身体 制无保护功能的体系( 例如：p d h ) ，则可以利用w d m 来进行保护。这样，业 务提供者对现有和将来的业务均可以提供较好的服务等级。 4 光纤资源的耗尽 在许多的城域网接入层部分，都面临着光纤资源的紧张。采用w d m 的光 纤环网比点对点结构的升级有着更多的好处。比如可以为未来准备一些“虚” 环和“虚”光纤。它可以根据新业务和新应用的引进而不断地扩展。这种可扩 展性会使业务提供者很容易吸引新的客户，因而会比t d m 方式升级取得更快 的效益。因此，从这个角度来说，将w d m 技术引入城域( m e t r o p o l i t a n ) 不仅仅 是为了解决光纤资源耗尽的问题，而且具有了更为广泛的内涵。 1 2 2m e t r ow d m 网中w d m 器件的技术要求 从以上m e t r ow d m 的特点可以看到，应用于城域的w d m 系统同长途网 中的w d m 有着不同的要求。在长途干线传输网上，再生节点间的距离一般为 几百k m ，甚至上千k m ，对于w d m 设备的长距离传输能力要求很高，对于光 3 一 第一章m e t r ow d m 网络概述 放大器、波分复用器件、激光器、光接收器等关键器件的性能要求也较高。而 m e t r ow d m 网需要传输的距离相对较短，在实际的城域环境下，9 0 以上的网 络距离都在8 0 k m 以内，对于许多核心器件的某些性能指标的要求可以相对放 宽，例如激光器的功率、色散容限、光接收器的灵敏度、放大器的增益、噪声 系数、波分复用器的插入损耗和各通路插损的最大差异等。下面就分别介绍在 城域网应用中，在w d m 设备的关键器件的选择上相比长途干线网上应用的不 同。 光调制器：光信号调制方式分直接调制和外调制。其中，直接调制实现起 来较简单，成本较低，但色散受限距离较短，一般在8 0k m 以下。而外调制比 直接调制能获得较大的色散容限值，但实现起来较复杂，成本相对也较高。在 长距离传输时，为了满足色散容限的要求，一般要采用外调制，调制器有电吸 收调制器、铌酸锂光调制器：但在城域网应用中，可采用直接调制器和低成本 的外调制器，从而降低系统成本。 光接收器：w d m 系统中的光接收器主要有两种，p i n 型和a 。p d 型，其中 a p d 型的光接收器较p i n 型有较高的接收灵敏度，但成本也较i 葛。在m e t r o w d m 应用中，由于传输距离较短，线路的损耗也较小。对于光接收器的灵敏 度等指标的要求可以放宽，一般可以采用较低成本的p i n 型光接i 故器。 光放大器：尽管m e t r ow d m 网络的传输距离e e 较短，但由二f 使用了大量 的光分插复用器( o a d m ，o p t i c a l a d d - d r o pm u l t i p l e x e r ) ，而每个0 a d m 都有一 定的损耗，所以在m e t r ow d m 中往往必须使用光放大器，使费用大大增加。 通常需要光功率放大器和光前置放大器，而如果传输距离小于3 0 k m ，可以只 用光功率放大器，由于不需要多个放大器的级联，因此对于放大器的噪声系数、 增益平坦度等指标的要来可以放宽。 波分复用器：相比在干线传输网上的应用，w d m 应用在城域网时，对光 通道数目的需求不会减少，有时为了方便地集成多种业务，反而需要更多的光 通道，但全波光纤的出现有可能降低对于波分复用器性能的要来，同时为了降 低w d m 技术在m e t r ow d m 中应用的成本，一般尽量不采用光放大器，因此 要求波分复用器的插入损耗低，各通路插损的差异小等等。 由上面的内容可以看出与长途w d m 应用相比在m e t r ow d m 应用中， w d m 设备的大部分关键器件的性能要求可相对放宽，从而大大降低w d m 设 备的成本，使网络运营商可以利用w d m 设备组建大容量、低成：举的城域网。 浙江大学博士学位论文 1 2 3m e t r ow d m 网络解决方案及技术发展 典型的m e t r o w d m 网络可以分为核心层、汇接层和接入层，网络结构如 图1 1 所示。其中，核心层完成整个网络的高速信息交互并与省际传输网的互 联互通，提供大容量的业务调度能力和多业务传输能力，该层多采用w d m 传 输环网结构以满足宽频带、大容量、可靠性高、生存力强，易升：级扩容，可持 续发展的要求；汇接层负责汇集分散的接入点，完成一定区域内业务的汇聚和 疏导，提供强大的业务汇聚能力，使网络具有良好的可扩展性。汇接层以传输 容量为s t m 1 6 6 4 的s d h 环网为主，一方面提供到w d m 设备的波长颗粒的 光接口，一方面通过多速率光口的s d h 设备与接入层连接，接收由接入层传 送的跨环业务。接入层主要完成各种类型用户和业务的接入，接入层是汇聚层 以下连接用户的部分，有容量小，接入用户分散的特点。通常采用小容量s d h 环网( 如s t m 1 4 ) 或具有经济、灵活、免维护优势的p o n 构成链形、环形、 星形或树型网络。对地理等条件受限，有线难到达的地方，则采用无线接入。 接入层具有有源、无源一体化，有线、无线相结合的特点【5 引。 图i1 典型m e t r o w d m 网解决方案 在市场的推动下，w d m 技术在不断进步，很多针对于城域网发展要求的 新技术和设备也层出不穷，相应的针对光城域网的解决方案也在发生根本变 化，从图1 2 中我们可以清楚的体会到w d m 技术的发展对城域w d m 网络产 生的影响； 一5 一 第一章m e t r ow d m 网络概述 图1 2 新技术在m e t r ow d m 网络中应用 1 核心层以o a d m 和o x c 组成多波长全光传输网 不同于图1 1 的w d m 环网( 实际是由点对点的w d m 设备配合s d h 环网 组成) ，图1 2 中在核心层由光分插复用器( 0 a d m ) 和光交叉连接设备( o x c o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) 组成多波长全光环网甚至波长路由网状网结构：网络中 信息从源节点到目的节点的传输和交换过程中始终在光域内进行，避免了在所 经过的各个节点上的光电光转换，即电子瓶颈的限制。全光网络不仅克服了 交换瓶颈，而且是完全透明的，能够传输和交换不同速率、协议、调制频率的 信号，从而为诸如p d h 、s d h 、a t m 、i p 路由器等设备提供了一个高性能的 电子网络平台。 图1 2 中，o a d m 实现光网中有选择地上下( a d d d r o p ) 特定的任何速率、 格式和协议类型的所需光波长信道，提供高速大容量w d m 光网络与用户接口 的界面。o a d m 器件一般是由复用器、解复用器、光开关阵列的单片集成或混 合集成。目前可调波长工作的o a d m 器件正在开发之中，并且已取得突破性 进展。同时w d m 光网络中的交叉互连也将逐步过渡到完全采用光的形式进行， 目前已经有单片集成o x c 的报道，但是更多的工作是集中在其中的关键器件 上，主要有为了解决网络阻塞和合理利用网络资源的波长转换器件。 2 接入层和汇接层之间的区别已经模糊，基于m p l s 的i po v e r1 w d m 网络技 术得到应用，原来的s d h 接入环网演化为r p r 、m s t p 环网。 为了适应i p 业务发展的需要，近来提出一种基于多协议标签交换( m p l s ， m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i s h i n g ) 的i po v e rw d m 网络技术【7 6 1 。该技：柠的将目前普 一6 一 浙江大学博士学位论文 遍接纳的i p 寻址、标签交换与光联网技术有机结合起来，主要由m p l s 功能 块和波长交换功能块构成，上层由i p 提供流量工程( t e ) 能力，执行诸如资 源发现，网络状态，通路计算和路由管理等功能，下层以波长交换为核心实现 波长路由和交换，主要提供选路，监控，整形和光信道的保护与恢复等功能。 在光网络节点中集成m p l s 业务量工程控制层技术是一种注重实效的资源 调度策略并具有不断满足i n t e r a c t 发展需要的潜力。该方法将有助于光层的带 宽管理、动态维护和在光域上提供保护和恢复能力来加强网络生存性。 弹性分组环( r p r ，r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ) 技术吸收了千兆以太网的经济性和 s d h 系统5 0 m s 环网保护特性，采用类似以太网的帧格式，结合m p l s 的标记， 同时具有空间复用机制【9 9 】。r p r 技术可以支持更细小的带宽颗粒，网络成本较 低，能够承载具有突发性的i p 业务，同时支持传统的语音传送，有比较好的带 宽公平机制和拥塞控制机制。由于r p r 环是在整个环上而不是在单独链路上实 行公平机制，因此容易实现全局的公平机制。 多业务传送平台( m s t p ，m u l t i s e r v i c et r a n s p o r tp l a t f o r m ) 技术主要是为了 适应数据业务和电路业务共同发展的需要，更加关注于以数据业务为主的多业 务的接入、承载和汇聚能力。m s t p 在一套设备中集成s d h 的a d m 和2 3 层 的数据交换技术，同时支持传统的t d m 业务以及i p 、a t m 和以太网业务的接 入。新型m s t p 还处于快速发展之中，其最重要的特点就是实现了带宽的公 平使用、支持信号q o s 的分级、动态调整带宽三个方面。 在s d h w d m 光网上直接架构千兆以太网目前正在成为城域传送网的主 流，基于s d h 的m s t p 受到众多运营商的认可，纷纷在自己城域传送网部署 建设，以满足城域范围的语音、数据、无线业务( g s m 、g 1 c r s 、c d m a ) 等 的传送需求”“。 3 子速率复用技术 城域w d m 环网可承载大量客户的多种协议和多种速率业务，已往的每个 波长承载一种业务的方式将很快耗尽光纤中的波长资源。为了提高每个波长的 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。目前一种新兴 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) 复用技术，子速率复用实现了“每个波长多种业务”。 这种“子速率复用器”降低了城域w d m 系统的应用门槛，可以直接容纳低速 率的信号，给组网带来了灵活性。 一7 一 第一章m e t r ow d m 网络概述 1 3w d m 系统在城域网应用中需要解决的几个主要问题 目前，w d m 系统已经广泛应用于长途骨干网中，随着技术的日渐成熟，尤 其是w d m 网络在灵活性和大容量传输方面的特性，使得w d m 技术正逐步引入 到城域网领域。但目前，在m e t r ow d m 的实用化过程，还需要解：央的几个方面 的问题，主要表现在如何平衡m e t r ow d m 网络在成本、容量、可靠性、灵活性、 多业务提供等方面的综合要求婵“，归纳起来，w d m 系统在城域网应用需要解 决以下几个方面问题： 1 3 1 成本问题 低成本是m e t r ow d m 系统最重要的特点之一，也是目前w d m 技术在城域 网中尚未普遍使用的一个主要原因。从w d m 系统使用的设备来看，由于目前 的多数w d m 设备都是在改造长距离干线网络设备的基础上生产的，因此设备 成本比较昂贵。尽管城域网络的传输距离比较短，同时由于城域网中使用了大 量的光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接设备( o x c ) ，这些设备引入了一定的 损耗，所以在较大规模的城域网中往往还需要使用光放大器，使：费用进一步增 加；此外采用w d m 对城域网进行升级的价格比采用t d m 和铺设新光纤的价 格还高，将会限制w d m 在城域网中的应用。目前设备制造商正j 芷努力改进设 备，降低价格，目标是使应用在城域网中的w d m 设备的价格j i 2 5 反射率 9 9 9 插入损耗 d b0 2 表2 3 设计用c i r c u l a t o r s 2 e 要参数 一2 0 浙江大学博士学位论文 2 实验结果及分析 在双向的传输系统中。最主要的问题是避免各种信号反射所产生的噪音信 号，反射信号的产生主要是由于信号在光纤传输过程中光纤内部固有的瑞利背 向散射以及光纤连接头处引起的光反射，反射的噪音信号引起各种同频和异频 串扰，将导致系统信噪比及接受端灵敏度下降。为了减少反射信号对系统的影 响，我们在设计中使用单向的e d f a ，在e d f a 所置入的光纤段中( 0 c 3 - - 0 c 2 以及由o c 4 一o c l 间的光纤段) 信号只有单向传输，因此系统可以获得较大的 信号增益以支持远距离传输。 由图2 5 可见，整个b o a d m 结构对称，并且在信号传输过程中，反方向传 输的信号( 九2 ，九4 ，知n ) 与正向传输信号( h ，九3 ，九2 n - 1 ) 由于波长不同，相互没 有影响，所以我们在实验中只需选择其中的一半结构进行测试就可以反映该结 构的性能。图2 6 给出该b o a d m 的实验结构，图中输入波长九l ：= 1 5 5 2 5 3 n m ， 九，= 1 5 5 3 3 3 n m ，九f 1 5 5 4 1 3 n m ，输入功率5 d b m 左右，f b g 和环形器参数见表 2 2 、表2 3 所示。图中各测试点定义为：a 为波长九l 下路( d r o p ) ，e 为波长l 上 路( a d d ) ，b 、c 、d 为输出波长l 九2 b 在放大及5 0 k m 光纤传输前后情况。测试 结果如图2 7 所示，图2 7 中( a ) 为输入端光源( 九l 九2 沁) ；( b ) 为测试点e 的频 谱，目1 a d d e d 信号1 ；( c ) 为测试点a 的频谱，即d r o p p e d 信号，小图( d ) ( e ) 为测试点b 的频谱，其中( d ) 为未加入a d d e d 信号l 的情况，图( f ) 为测试点c 、 d 的频谱。 图2 6 实验中的b o a d m 结构 分析图2 7 ( c 忡，由于o c l 的部分泄漏以及f b g l 对穿通信号的部分反射的 影响，产生带间的异频串扰信号( h e t e r o h y n ec r o s s t a l k ) ，串扰量为一2 1 4 d b ，根 据文献 2 8 】，w d m 系统中，当异频串扰量小于- 1 5 d b 时，在误码率为1 0 ，所产 生的功率代价小于0 5 d b ，故该结构对异频串扰的抑制满足要求。图中( d ) 和( e ) m 1 ) a d d e d 信号前后的频谱，由图可见，当未加入i 时输出端的 k l g 时，节点“间 的光路数为 r 9 1 ，整个环网所需设备端口数q 及波长数w 可分别计算如下： w = q = z * = 肿， )n 为偶数时 ( 2 2 ) n 为奇数时 ( 2 - 3 ) 由于全光网中没有电复用设备，无法进行低速率业务的整合，相对于后面 讨论的几种网络结构，网络所需的设备端口数多，而且此结构只能支撑静态的 业务模式。 ( 2 ) 单h u b 环网( s i n g l e h u b r i n g ) 结构，环网结构如图2 1 2 所示：取 网络中业务量最大的节点为h u b 节点。每个非h u b 节点只与h u b 连接，非 f i u b 节点间的业务通过h u b 的d x c ( d i g i t a l c r o s sc o n n e c t ) 进行交换。每个 非h u b 节点包含( n 1 ) r 个低速率业务和h r ( n 1 ) r 9 1 个光路。据此我们可 以得到单h u b 环网所需的a d m 端口数q 及波长数w 【3 5 1 ： q - 2 ( 肛1 ) 卜1 ) ；i ( 2 - 4 ) w ：f 业三 ( 2 - 5 ) 1 2 gi 耕华 ir 广=引一二o_i 浙江大学博士学位论文 在单h u b 环网中，由于采用了集中式的业务交换，增加了网络所需的波长 数，但h u b 的引入，使业务整合，所需端口数量明显的减少，而且此结构支 持动态的业务模式。 图2 1 2 单h u b 结构图2 1 3 全h u b 结构 ( 3 ) 全h u b 环网( a l lh u br i n g ) 结构，如图2 1 3 所示，每个节点都作 为一个d x c 只与其相邻节点连接，用以发送接收所有进出该节点的业务，并 实现其他业务( 不在本站上下的业务) 之间的交换和穿通，相应的计算公式为【3 6 】： q = 2 n w ( 2 6 ) n 为偶数时 n 为奇数时( 2 - 7 ) 在全h u b 环网结构中，由于每个节点都要参与非本节点业务的交换，使得 q 值很大，但比较方程( 2 3 ) ，( 2 5 ) ，( 2 - 7 ) 可知，全h u b 环网可以使用更少的波长数， 同时全h u b 环网支持动态业务模式。 2 多h u b 环网( m u l t i p l e h u b r i n g ) 分层结构及业务整合算法 综合以上结构，我们提出一种如图2 1 4 所示的多h u b 环网分层结构，整 个结构按照其业务的流向和所处的地位分为光传输和业务接入两部分，光传输 部分由o a d m ，o x c ，e d f a 等光设备组成w d m 层，业务颗粒大小为节点光 路的容量g ；业务接入部分包括s d h a d m 、d x c 、a t m 、i pr o u t e r s 等设备， 这部分按节点的功能又分为h u b 层( k 个h u b 节点组成) 和非h u b 层( ( n k ) 个非h u b 节点组成) ，每个非h u b 节点