自考光纤通信第6章基于WDM的光传送网.ppt

6 1基本概念及特点6 2波分复用系统6 3光传送网6 4OTN网络的保护模式 第6章基于WDM的光传送网 6 1光传送网的基本概念及特点 光传送网 OTN 是以波分复用 WDM 技术为基础 在光层组织网络的传送网 是新一代的骨干传送网 通过G 872 G 709 G 798等一系列ITU T的建议所规范的新一代 数字传送体系 和 光传送体系 其主要功能包括传送 复用 选路 监视和生存性等 它是网络逻辑功能的集合 6 1光传送网的基本概念及特点 OTN技术标准主要优势如下 1 可提供多种客户信号的封装和透明传输 2 大颗粒的带宽复用和交叉调度能力 3 提供强大的保护恢复能力 4 强大的开销和维护管理能力 5 增强了组网能力 6 2波分复用系统 6 2 1光波分复用的基本概念6 2 2波分复用系统6 2 3WDM网络的关键设备6 2 4采用光分复用技术的高速光纤通信线路6 2 51 6Tbit sWDM系统 6 2 1光波分复用的基本概念 光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号 在发射端经复用器汇合 并将其耦合到同一根光纤中进行传输 在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离 然后由光接收机做进一步的处理 使原信号复原 这种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系统 同时也适用于单向或双向传输 6 2 1光波分复用的基本概念 波分复用系统的工作波长可以从0 8 m到1 7 m 由此可见 它可以适用于所有低衰减低色散窗口 当同一根光纤中传输的光载波路数更多 波长间隔更小 通常0 8 2nm 时 该系统称为密集波分复用系统 1 WDM DWDM和CWDMWDM系统的通道间隔为几十纳米以上 DWDM系统是一种波长间隔更紧密的WDM系统 6 2 1光波分复用的基本概念 现在的通道间隔则更小 只有0 8 2nm 甚至小于0 8nm CWDM系统是在1530 1560nm的频谱范围内每隔10nm分配一个波长 此时可以使用频谱较宽的 对中心波长精确度要求低的 比较便宜的激光器 通路间隔可以是均匀的 也可以是非均匀的 非均匀通路间隔可以用来抑制G 653光纤的四波混频效应 但目前多数情况下是采用均匀通路间隔 6 2 1光波分复用的基本概念 通路间隔是100GHz 约0 8nm 的整数倍 可以是100GHz 200GHz 400GHz 500GHz 600GHz等 2 WDM的特点 1 光波分复用器结构简单 体积小 可靠性高 2 提高光纤的频带利用率 3 降低对器件的速率要求 6 2 1光波分复用的基本特点 4 提供透明的传送通道 5 可更灵活地进行光纤通信组网 6 存在插入损耗和串光问题3 WDM与光纤光纤的主要性能包括损耗 色散和非线性 下面分别进行讨论 在图6 2中给出WDM与光纤特性的关系图 6 2 1光波分复用的基本特点 图6 2WDM与光纤特性 6 2 1光波波分复用的基本概念 单模光纤的规格有常规的G 652单模光纤 G 653色散位移单模光纤和G 655非零色散位移单模光纤以及一些特种光纤 G 652光纤的色散最小点处于1310nm处 而在1550nm处的色散较大 G 653光纤虽然工作于1550nm窗口 但由于在此波长窗口色散系数过小 容易受到四波混频等光纤非线性的影响 因此无法进行波分复用 6 2 1光波分复用的基本概念 4 WDM对光源和光电检测器的要求 1 对光源的要求 具体如下 激光器的输出波长保持稳定 激光器应具有比较大的色散容纳值 采用外调制技术 6 2 1光波分复用的基本概念 2 对光检测器的要求在WDM系统中可利用一根光纤同时传输不同波长的光信号 因而在接收时 必须能从所传输的多波长业务信号中检测出所需波长的信号 因此要求光检测器应具有多波长检测能力 要完成此功能可以采用可调光检测器 6 2 2波分复用系统结构 1 波分复用系统结构WDM系统是由光发射机 光接收机 光中继器和光监控与管理系统构成 如图6 3所示 图6 3WDM系统总体结构示意图 6 2 2波分复用系统结构 在发射端 首先要将来自各SDH终端设备的光信号送入光波长转换器 OTU 光波长转换器负责将符合ITU TG 957规范的非标准波长的光信号转换成为符合设计要求的 稳定的 具有特定波长的光信号 各光波长转换器输出的是标准的波长 这些波长的信号在光波分复用器进行合路处理 形成包含多波长成份的光信号 然后再经EDFA 作为功率放大器 将多波长信号同时放大 6 2 2波分复用系统结构 在接收端 首先经过一个EDFA进行前置放大 将经过长距离传输后 相当微弱的多波长光信号放大 并送入光解复用器 从中分解出所需的特定波长的信号 送往规定波长的接收机 2 WDM系统的基本应用形式及其监控光波分复用通信传输系统有单向和双向两种基本应用形式 6 2 2波分复用系统结构 单向WDM传输系统的扩容效率高 具有升级效应同时并不要求对原有的光纤设施进行改动 而单根光纤的双向传输结构 具有简化传输网络等方面的优点 在WDM系统中通常使用EDFA作为中继器 这样使无电中继距离大大提高 采用光放大器作为中继的WDM系统 需要增加一个额外的光监控信道 而且在每个EDFA处均能进行上下操作 该波长一般位于EDFA增益有效区的外面 规定为1510nm波长 用 S表示 6 2 3WDM的关键设备 1 基本复用单元光分插复用器OADM 光数字交叉连接器OXC和光终端复用器OTM是光传送网中的关键器件 1 OADM OADM的功能 6 2 3WDM的关键设备 与SDH中ADM设备的功能类似 OADM的主要功能如下 波长上 下话路的功能具有波长转换功能具有光中继放大和功率平衡功能提供复用段和通道保护倒换功能具有多业务接入功能 6 2 3WDM的关键设备 OADM的基本结构图6 4OADM节点主光通道的体系结构框图 6 2 3WDM的关键设备 2 OXC的结构与功能OXC是一种光网络节点设备 它可在光层上进行交叉连接和灵活的上下话路操作 同时还提供网络监控和管理功能 它是实现可靠地网络保护与恢复以及自动配线和监控的重要手段 其一般OXC组成结构图如图6 5所示 OXC的关键技术是光交叉连接矩阵 6 2 3WDM的关键设备 图6 5OXC的一般结构 6 2 3WDM的关键设备 与SDH网络中的DXC设备的功能相比 它们在网络中的地位和作用相同 但功能上存在下列区别 OXC是在光域完成交叉连接功能的 而DXC是在电层上进行交叉连接 6 2 3WDM的关键设备 OXC可以对不同速率和采用任何传输格式的信号进行交叉连接操作 但DXC设备是针对不同传输格式和不同传输速率的信号的处理方式不同 因此分为不同的型号 如DXC4 4 DXC4 1等 而且其监控维护也相对复杂 6 2 3WDM的关键设备 由于DXC设备中的信号处理是在电层上进行的因而DXC受电子速率的限制 交叉连接速率较低 到目前为止 交叉连接和接入速率最高只能到622Mbit s 交叉总容量只达40Gbit s 而OXC无论在交叉连接速率 接入速率以及总容量等方面 都优于DXC OXC的接入速率范围可从140Mbit s到10Gbit s 交叉总容量可达1 10Tbit s 6 2 3WDM的关键设备 OXC中无需进行时钟信号同步与开销处理 便于网络升级 无需更换设备 而DXC必须进行时钟信号同步与开销处理 在网络升级时必须更换设备 6 2 3WDM的关键设备 OXC DXC功能和实现方式上存在很大不同 因此各自的应用方式也不同 这样在一个光网络节点中可分为光层和数字层 一般光层的OXC和数字层的DXC是配合起来使用的 其中OXC直接与光纤链路接口相连接 而DXC则处于OXC与网络服务层之间 6 2 3WDM的关键设备 OXC的实现方式OXC共有三种实现方式 光纤交叉连接 波长交叉连接和波长转换交叉连接 光纤交叉连接方式是指在以一根光纤中所传输的总容量为基础进行交叉连接的方式 如图6 6 a 所示 波长交叉连接方式是指可以将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上的实现方式 如图6 6 b 所示 6 2 3WDM的关键设备 波长转换交叉连接方式是指可以将任何输入光纤上的任何波长交叉连接到任何输出光纤上的实现方式 如图6 6 c 所示 图6 6oxc的实现方式 a 图6 6oxc的实现方式 b 图6 6oxc的实现方式 c 6 2 3WDM的关键设备 OXC的主要功能OXC可以在光纤和波长两个层面上为网络提供带宽管理 如动态重构光网络 提供光信道的交叉连接以及本地上 下话路操作 动态调节各个光纤中的流量分布等 同时在出现断纤故障时 OXC还能提供1 1光复用段保护 即使用其中的光开关将原主用信道中所传输的信号倒换到备用信道上 而当故障排除之后再倒换回主用信道 从而实现网络保护与恢复功能 6 2 3WDM的关键设备 2 ROADM 可重构光分插复用器 远端可动态配置的ROADM是发展的方向 目前可实现在一定波长范围内的指配 但灵活性不够相信在不久的将来一定能够实现更大范围 更灵活的波长上下指配 6 2 3WDM的关键设备 典型的ROADM节点结构如图6 7所示 图6 7ROADM节点结构示意图 6 2 3WDM的关键设备 是由光波长交叉模块和电层子波长交叉模块共同构成 不仅在光域可支持10G 40Gbit s波长信号的直通和上下操作 而且还可以在上下路侧支持电层的G 709帧结构处理 子波长交叉和客户信号适配等功能 具体功能如下 实现波长资源的可重构和多方向的波长重构 且对所承载的业务协议 速率透明 6 2 3WDM的关键设备 可支持无方向选择性的 无波长选择性的 无端口选择性的本地波长上下 支持波长广播 多播 可选 波长的重构操作不会对其他已有波长信号构成影响 不产生误码 可在本地或远端实现对上下波长的动态控制以及对本地上下波长和直通波长的功率控制 在上游光纤出现故障时 不应影响本地向下游方向的上路业务 6 2 4采用光波分复用技术的高速光纤通信线路 1 影响波分复用系统性能的因素 1 制作技术和成本限制 2 串扰影响 3 稳频 4 阻塞特性 6 2 4采用光波分复用技术的高速光纤通信线路 2 与WDM系统设计有关的几个问题 1 WDM系统中的最小和最大光功率 最小光功率信道信噪比的最坏值出现在光放大器的输出端 可获得光放大器输出端的信噪比 6 2 4采用光波分复用技术的高速光纤通信线路 最大光功率单信道的最大光功率大小由SRS非线性效应决定 2 信噪比 通道间隔 总通道数对传输距离的影响在图6 8中给出了WDM系统中的SNR与EDFA级联数k和通路总数i之间的关系图 6 2 4采用光波分复用技术的高速光纤通信线路 图6 8SNR与EDFA级联数K的关系 6 2 4采用光波分复用技术的高速光纤通信线路 3 最大中继距离的计算其中AOADM和AOXC是OADM和OXC的插入损耗 6 2 51 6Tb sWDM系统 目前出现的1 6Tb s 160 10Gb s WDM系统中采用波长间插技术 使用C L波段160个波长 其相邻波长间隔为50GHz L波段与C波段比邻 波长分布范围为1570 42 1603 57nm 可见L波段上同样能够开通80通路WDM系统 1 高速长距离WDM系统中的光器件 1 光放大器分别使用C和L波段的信号进行放大 如图6 9所示 6 2 51 6Tb sWDM系统 图6 9全波段EDFA结构框图 6 2 51 6Tb sWDM系统 2 波分复用器在图6 10中给出使用梳状滤波器的160波WDM系统的复用和放大框图 80 160波WDM系统的解复用过程 如图6 11所示 图6 10使用梳状滤波器的160波WDM系统的复用和放大原理框图 6 2 51 6Tb sWDM系统 图6 11使用梳状滤波器的160波WDM系统的解复用原理框图 6 2 51 6Tb sWDM系统 2 解决光纤受限的主要途径在高速长距离WDM系统中 对光传输特性的要求更高 如光信噪比OSNR 色度色散和偏振模色散等 解决光纤受限的主要途径 拉曼放大器 前向纠错编码 FEC 色散补偿 归零 RZ 码或其他编码格式等等 1 拉曼放大器 6 2 51 6Tb sWDM系统 拉曼放大器是利用光纤的拉曼受激散射效应 实现不同频带的光功率的转移 即将短波长光能量转移到长波长信号上 效率最高的能量转移出现在波长间隔100nm左右 因此如利用1420 1500nm泵浦光 那么便能在C L波段上产生的拉曼增益最高 如图6 12所示 6 2 51 6Tb sWDM系统 图6 12采用反向分布式拉曼辅助传输的WDM系统 6 2 51 6Tb sWDM系统 2 前向纠错编码 FEC 前向纠错技术是指在发射机编码时通过加入某些校验比特 3 色散补偿 4 信号编码格式普遍使用非归零码 NRZ 作为信息传输编码格式 但40Gb s系统中 欲实现1000km以上的信息传输时 色散对其传输性能的限制是无法忽 6 2 51 6Tb sWDM系统 视的问题 因而人们开始关注具有更窄脉宽的归零码RZ 因此载波抑制归零 CS RZ 码由于具有较窄的频谱 因而在高速长距离的WDM系统中受到相当的关注 6 3光传送网 OTN 6 3 1WDM光传送网的体系结构6 3 2OTN帧结构和开销6 3 3客户信号的映射和复用6 3 4光通道网络6 3 5OTN关键设备 返回 6 3 1WDM光传送网的体系结构 光传送网分为光通道 OCH 层 光复用段 OMS 层和光传输段 OTS 层三个独立的层网络 它们之间的关系 如图6 13所示 图6 13WDM光传送网的功能分层模型图 6 3 1WDM光传送网的体系结构 1 光通道 OCh 层所接收的信号来自电通道层 在此光通道层将为其进行路由选择和波长分配 从而可灵活地安排光通道连接 光通道开销处理以及监控功能等 光通道层所接收的信号来自电通道层 它是OTN的主要功能的载体 是由OCh传送单元 OTUk OCh数据单元 ODUk 和OCh净负荷单元三个电域子层和光域的光信道OCh组成 6 3 1WDM光传送网的体系结构 2 光复用段层 OMS 主要负责为两个相邻波长复用器之间的多波长信号提供连接功能 3 光传输段 OTS 层为各种不同类型的光传输媒质 如G 652 G 653 G 655光纤 上所携带的光信号提供传输功能 包括光传输段开销处理功能 由于光通道层 光复用段层和光传输段层三层上所传输的信号均为光信号 因此也称它们为光层 6 3 1WDM光传送网的体系结构 光层又包含了光通道层和光段层 WDM传送网的功能分层模型与SDH传送网的功能分层模型进行比较 发现它们之间的区别在于在通道层中增加了一个新的子层 光通道层 电通道层与光通道层共同构成通道层 6 3 2OTN帧结构和开销 在G 709定义的OTUk基本帧结构如图6 14所示可见数字包封的帧结构和帧长度均是固定的 并包含帧定位开销 OTUk开销 OTUk的前向纠错 FEC 开销和OPUk开销字节 图6 14OTUk帧结构 6 3 2OTN帧结构和开销 对于不同速率的G 709 k 1 2 3 信号 即OTU1 OTU2 OTU3均具有相同的信息结构 即4 4080字节 但每帧的周期不同 在开销方面 OTN所用的开销要远远小于传统的SDH 而且因为取消了复杂的指针调整处理机制 从而降低了实现的难度 同时对客户层信号格式和速率无任何的限制 具有良好的业务透明性 6 3 2OTN帧结构和开销 各类开销的内容及在系统中的作用如下 OTUk层开销 包含了光通道传输功能的信息 用于在3R再生点之间提供传输性能检测功能ODUk开销 包含了光通道的维护和操作功能的信息 具体包括串联连接监测 通道监测 OTU层的段监测 保护倒换协议 传送故障类型和故障定位等 6 3 2OTN帧结构和开销 OPUK开销 支持客户信号适配相关的开销 如客户信号的类型 OTN光层开销 包括OTS OMS OCh开销信号 用于光层维护 并由OSC承载 OTN信号经过OTNNNI接口时 有些开销字节是透明的 有些开销字节需要终结和再生 6 3 3客户信号的映射和复用 1 OTN层次结构及信息流之间的关系OTN层次结构及信息流之间的关系如图6 15所示 可见OTN中定义了两种客户信号适配进OTN的途径 分别是通过数据包适配进ODU和直接适配到OCh 图6 15OTN层次结构及信息流之间的关系 6 3 3客户信号的映射和复用 G 709定义两种光传送模块 OTM n 分别为完全光传送模块 OTM n m 和简化功能传送模块 OTM nr m OTM nr m 这里 OTM n m 为OTN透明域内接口 而OTM nr m为透明域间接口 其中m表示接口所能支持的信号速率类型或组合 n表示传送系统所允许的最低传送速率信号时所能支持的最多波长数目 6 3 3客户信号的映射和复用 OTN网络中信息流的适配过程 首先是从客户业务适配到光通道层 OCh 信号的处理是在电域内进行的 包括业务负荷的映射复用 OTN开销的插入 此间信号采用TDM处理方式 然后从光通道层 OCh 到光传输段 OTS 信号的处理也是在电域内完成的 包括光信号的复用 放大及光监控信道 OSC 的插入 其间信号是采用波分复用处理方式 6 3 3客户信号的映射和复用 2 OTN客户信号的复用和映射结构图6 16所示的是OTN的复用和映射结构 它表明了各种信号结构元之间的关系 可见客户信号首先被映射进OPUk中的净负荷区 加上OPUk开销后便构成OPUk 然后OPUk被映射到ODUk 再映射到功能标准化光通路传送单元OTUk V OTUk V 映射到简化功能的光通道OCh r 中 OCh r 再被调制到简化光通道载波 OCC r 最后成为OTM n m信号 6 3 3客户信号的映射和复用 图6 16OTN复用和映射结构 6 3 3客户信号的映射和复用 OTN客户信号共有3种 分别是2 5Gbit s 10Gbit s和40Gbit s OTN是通过一级一级复用映射而成的 在不同阶段均具有不同的速率 4 通用映射规程 GMP OTN技术是目前全光组网定义的基于多种带宽颗粒的通用映射规程 GMP 就是为解决多业务的混合承载提出的有效适配方案 6 3 3客户信号的映射和复用 GMP能够根据客户信号速率和服务层传送通道的速率 自动计算每个服务帧中需要携带的客户信号数量 并分布式适配到服务帧中 以支持多业务的传送承载 6 3 4光通道网络 光通道网络是基于波长路由的网络 它是根据光波长来识别每一个光通道 并可以在光域上完成基于波长路由的光信号处理 这样可为不同速率和传输格式提供一个统一的光平台 1 光通道层的逻辑功能光通道层网络为不同速率和不同传输格式的用户信息提供透明的端到端的连接功能 6 3 4光通道网络 因而光通道层网络应具有光通道连接的重组 光通道开销处理以及光通道监控等功能 它是由网络连接 链路接连 子网连接和路径等实体组成 其逻辑功能模型如图6 17所示 图6 17WDM光传送网的逻辑功能模型 6 3 4光通道网络 光通道层网络应完成光通道适配 OPA 光通道终端 OPT 光通道交叉连接和对光连接的监控功能 光通道适配 包括ODUk OPUk 功能块负责提供串联连接监视 ODUkT 端到端通路检测 ODUkP OPUk的适配功能 6 3 4光通道网络 光复用段层网络负责为多波长光信号提供网络连接功能 因而光复用段层网络应具有光复用段开销处理功能和光复用段监控功能 它是由网络连接 链路连接和路径等实体构成 6 3 4光通道网络 光复用段适配功能块负责将光通道层送来的信号适配成光复用段层的信号格式 在OTU层分别定义了OTUk及OTUkV两类可选的功能模块 两者之间的区别在于OTUkV对复帧 ODU同步映射及FEC的支持是可选的 而在光层则分为完整功能和简化功能的两类 即OCh OTM n和OChr OTM nr OTM 0 它们之间的区别是简化功能不支持非结合开销 6 3 4光通道网络 2 光传送网的网络单元连接模型在图6 18中给出了一个能够支持WDM光传送网的网络单元连接模型 从中可以清楚地看出 光通道网络中信息转移路径 其中两端的客户系统之间的链路称为端到端的连接 它是由单波长SDH网络的再生段链路 RS 和光通道网络的光通道构成 6 3 4光通道网络 图6 18WDM光传送网的网络单元连接模型 6 3 4光通道网络 3 波长路由机制下面介绍两种最重要的通道机制 波长通道 WP 机制和虚波长通道 VWP 机制 波长通道是指光通路上的OXC节点没有波长转换功能 因此某一光通道中的不同光复用段必须使用相同的波长 6 3 4光通道网络 虚波长通道是指光通道上的OXC节点具有波长转换功能 因此一个光通道中的各光复用段可以占用不同的波长 6 3 4光通道网络 采用不同的路由机制可构成不同的网络 因此WDM网络又可分为波长选路网络和虚波长通道网络 在波长选路网络中 由于每一条光通道占用一条固定波长的通道 为了能对全网各复用段上波长的占用情况有所了解 因此必须采用集中控制方式 这样才能保证为新的呼叫请求选择一条适当的路由 而在虚波长通道网络中 由于每一个节点的OXC均具有波长转换功能 因而在一个光通道上的波长是按光复用段逐个进行分配的 6 3 5OTN关键设备 光传送网 OTN 是以光通路接入点作为边界 由OTN设备和网络设备构成的光传送网络 如图6 20所示 可从两个方面来界定 一是具有OTN物理接口 二是具备ODUk级别的交叉连接能力 在OTN网络中通常存在3种设备 1 具有OTN接口的WDM设备 如图6 20所示 6 3 5OTN关键设备 图6 20具有OTN接口的设备功能模型 6 3 5OTN关键设备 2 支持ODUk电交叉设备OTUk电交叉设备可完成ODUk级别的电路交叉功能 其结构如图6 21所示 图6 21OTN电交叉设备的功能模型 6 3 5OTN关键设备 具有OTN电交叉功能设备的技术要求 业务接入功能 提供SDH ATM 以太网 OTUk等多种业务接入功能 互联接口能力 提供标准的OTNIrDI接口 连接其他WDM设备 交叉能力 支持一个或多个级别的ODUk电路的交叉保护能力 支持一个或多个级别的ODUk通道级别的保护 倒换时间在50ms以内 6 3 5OTN关键设备 管理能力 提供端到端的电路配置和性能 告警监视功能 智能功能 支持GMPLS控制平面 实现电路自动建立自动发现和保护恢复等功能 3 支持ODUk和光波长交叉的OTN设备支持ODUk和光波长交叉的OTN设备的功能模型 如图6 22所示 6 3 5OTN关键设备 图6 22具有OTN光电交叉的设备 6 3 5OTN关键设备 支持ODUk和光波长交叉的OTN设备的技术要求 接口能力OCh调度能力ODUK调度能力两层的协调能力管理能力智能功能 6 4OTN网络的保护方式 在OTN网络共定义了3中保护方式 即线性保护子网连接保护共享保护 返回 6 4 1线性保护 线性保护通常可分为基于光放段光缆线路保护 O