WDM波分复用技术.doc

第一章 WDM技术概述 1.1 WDM技术产生背景 随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传送量正以一种加速度的形式膨胀。信息时代要求越来越大容量的传输网络。近几年来，世界上的运营公司及设备制造厂家把目光更多地转向了WDM 技术，并对其投以越来越多的关注，增加光纤网络的容量及灵活性，提高传输速率和扩容的手段可以有多种。由于数据业务和语音业务爆炸式增长，驱使波分复用(WDM)技术不断发展，波分复用的信道数不断增加。单信道速率也由2.5 Gbit/s到10 Gbit/s再到40 Gbit/s不断提高。由于光传送网能够提供高速、宽带的特性，因此，光传送网成为传送网的首选方案。网络的生存性(Survivability)是指当网络设备发生故障时，网络能够维持某种可容忍的服务水平的能力。在光传送网容量较大时，一旦网络故障导致传输业务失效，将造成巨大损失，因此网络的生存性问题成为人们日益关注的重要问题。在网络的各种生存性技术中，光层生存性技术具有响应快速、灵活的特点，能够有效提高网络的服务质量(QoS)，减少业务的丢失，因此对光层的生存性研究具有重要的意义。1.2 WDM的概念 光波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术是在一根光纤中同时传输多个波长的光载波信号，WDM在光纤实行的频分复用技术，更是与光纤有着不可分割的联系，目前WDM 系统是在1550 nm 窗口实行的多波长复用技术。而每个光载波可以通过FDM或TDM方式，各自承载多路模拟或多路数字信号。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将这些组合在一起的不同波长的信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。 WDM技术对网络的扩容升级，发展宽带业务，挖掘光纤带宽能力，实现超高速通信等均具有十分重要的意义，尤其是加上掺铒光纤放大器（EDFA）的WDM对现代信息网络更具有强大的吸引力。 简而言之，WDM就是指不同颜色的光（为不可见光，是指不同频率的光） 在同一根光纤中传输，由于它们的光谱成分不同，在大气传输是各不干扰的。在接收端使用解复用器（等效于光通带滤波器） 将各种载波上的光信号分开。1.3 WDM系统类型 WDM系统结构可根据波长转换器的运用与否分为开放式系统和集成式系统。1.3.2 开放式系统 开放式系统，在波分复用器前应加入波长转换单元，提供满足本标准规范波长的光信号，如图1.3.2-1所示图1.3.2-1 开放式WDM系统注：Tx为SDH终端设备或数据设备等客户侧设备。1.3.3 集成式系统 集成式系统，客户端设备应具有满足本标准规范波长的光信号，不需要光波长转换单元，如图1.3.3-2所示。图3.2.2-2 集成式WDM系统注： Tx/Rx、REG分别为具有本标准规范波长信号的SDH终端或数据设备。1.3.4 系统应用代码、参考点及波长分配1、 WDM系统的应用代码可用下面的字符序列来表示：多跨段：Mn.Bc-xWz(S)单跨段：Sn.Bc-Wz(S)其中：M表示多跨段WDM系统；S表示单跨段WDM系统n表示WDM系统所支持的最大波长数量；B表示WDM系统所支持的单通路速率：2.5G：表示WDM系统单通路典型速率为2.49 2.67Gbit/s；10G：表示WDM系统单通路典型速率为9.953 12.5Gbit/s；40G：表示WDM系统单通路典型速率为39.813 43.018Gbit/s；c表示WDM系统所支持的通道间隔（GHz）；x表示WDM系统所支持的最大跨段数量，单跨段省略；W表示WDM系统所支持的跨段损耗值（dB）；A：对于多跨段表示跨段损耗为22dB（约80km），单跨段表示跨段损耗为44dB；B：对于多跨段表示跨段损耗为27dB（约100km），单跨段表示跨段损耗为55dB；C：对于多跨段表示跨段损耗为33dB（约120km）；z表示WDM系统所支持的光纤类型：652：表示光纤为G.652类型；655：表示光纤为G.655类型；S表示WDM系统的工作波段；C：表示工作波段为C波段（1530nm1565nm），可以省略；L：表示工作波段为L波段（1565nm1625nm）；典型的WDM系统的应用代码参照表3.3.1-1。光复用段传输距离小于1000km的WDM系统称为常规长距离系统；光复用段传输距离在1000km2000km的WDM系统称为亚超长传输（ELH）系统。光复用段传输距离大于2000km的WDM系统称为超长传输距离（ULH）系统。亚超长传输（ELH）系统指标参照超长传输距离（ULH）系统。 表1.3.4-3 常见WDM系统的应用代码系统容量典型应用代码通路间隔（GHz）跨段衰耗（dB)目标距离（km)光纤类型402.5GM40.2.5G100-8A652100822640652M40.2.5G100-6A652100622480652M40.2.5G100-3B652100327300652M40.2.5G100-3C652100333360652M40.2.5G100-8A655100822640655M40.2.5G100-6A655100622480655M40.2.5G100-3B655100327300655M40.2.5G100-3C6551003333606554010GM40.10G100-8A652100822640652M40.10G100-6A652100622480652M40.10G100-3B652100327300652M40.10G100-3C652100333360652M40.10G100-8A655100822640655M40.10G100-6A655100622480655M40.10G100-3B655100327300655M40.10G100-3C6551003333606558010GM80.10G50-8A65250822640652M80.10G50-3B65250327300652M80.10G50-6B65250627600652M80.10G50-9B65250927900652M80.10G50-8A65550822640655M80.10G50-8A65550822640655M80.10G50-3B655503273006554010G(超长距)M40.10G100-25A65210025222000652M40.10G100-38A65210038223040652M40.10G100-20B652100202720006528010G(超长距)M80.10G50-25A6525025222000652M80.10G50-38A6525038223040652M80.10G50-15B65250152720006528040GM80.40G50-8A65250822640652M80.40G50-12A652501222960652M80.40G50-16A6525016221280652M80.40G50-8A65550822640655M80.40G50-12A655501222960655M80.40G50-16A65550162212806554040GM40.40G100-8A652100822640652M40.40G100-16A65210016221280652M40.40G100-8A655100822640655M40.40G100-16A6551001622128065540x10G（单长跨段）S40.40G100-A652100144160652S40.40G100-B652100155200652注：32x2.5G和32x10G等同于402.5G和40x10G。2、开放式WDM系统光接口参考点，应符合图1.3.4-4(a)或图1.3.4-4(b)要求。图中OTU为光波长转换器实现3R功能，即再放大、再整形和再定时；OMU为光复用器单元，实现多个波长的复用功能；OA为光放大单元，实现信号的光域放大（包含色散补偿功能）；ODU为光解复用器单元，实现多个波长的解复用功能，Tx/Rx为客户侧光接口。图1.3.4-3(a) 开放式WDM 系统参考配置图1.3.4-3(b) 开放式WDM 系统(R)OADM参考配置图1.3.4-3定义了6个系统外参考点和2个系统内参考点，即S、MPI-SM、RM、SM、MPI-RM、R和Sn、Rn。其中S、R是WDM系统与客户系统的接口参考点；MPI-SM、RM、SM、MPI-RM是WDM系统主光通道的参考点；Sn、Rn是WDM系统内OTU分别与OMU和ODU之间的参考点。这些参考点具体含义如下：S表示客户信号发射机输出接口之后光纤连接处的参考点；Sn表示OTU连接到OMU的输出接口之后光纤连接处的参考点；MPI-SM表示OMU后面OA（光功率放大器）光输出接口之后光纤连接处的参考点；RM表示OA（光线路放大器）输入接口之前光纤连接处的参考点；SM表示OA（光线路放大器）输出接口之后光纤连接处的参考点；MPI-RM表示ODU前面OA（光前置放大器）输入接口之前光纤连接处的参考点；Rn表示表示ODU后面连接OTU的输入接口之前光纤连接处的参考点；R表示客户信号接收机输入接口之前光纤连接处的参考点。第二章 WDM工作方式WDM工作方式有双纤单向传输和单纤双向传输两种方式2.2 单纤双向传输单纤双向传输指一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向的光信号应安排在不同波长上。如图2.2-4图所示2.3 双纤单向传输双纤单向传输指一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反响光信号的传输由另一根光纤来完成。因此，同一波长在两个方向上可以重复利用。如图2.2-5图所示单向WDM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的具有不同波长的已调光信号通过光延长用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长的光携带的，所以彼此间不会混淆，在接收端通过光的复用器将不同波长的光信号分开，完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。双向WDM是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。目前单向的WDM系统 在开发和应用方面都比较广泛，而双向WDM由于在设计和应用时受各通道干扰、光反射影响、双向通路间的隔离和串话等因素的影响，目前实际应用较少。 2.4 双纤单向WDM系统的组成 双纤单向WDM系统主要由以下5部分组成：光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统。 2.4.1 光发射机 光发射机是WDM系统的核心，除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外，还应根据WDM系统的不同应用（主要是传输光纤的类型和传输距离）来选择具有一定色度色散容量的发射机。在发送端首先将来自终端设备输出的光信号利用光转发器把非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的信号，再利用合波器合成多通路光信号，通过光功率放大器（BA）放大输出。 2.4.2 光中继放大器 经过长距离（80120km）光纤传输后，需要对光信号进行光中继放大，目前使用的光放大器多数为掺铒光纤光放大器（EDFA）。在WDM系统中必须采用增益平坦技术，使EDFA对不同波长的光信号具有相同的放大增益，并保证光信道的增益竞争不影响传输性能。 2.4.3 光接收机 在接收端，光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道信号，采用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信道，接收机不但要满足对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受一定光噪声的信号，要有足够的电带宽性能。 2.4.4 光监控信道 光监控信道的主要功能是监控系统内各信道的传输情况。在发送端插入本节点产生的波长为s（1550nm）的光监控信号，与主信道的光信号合波输出。在接收端，将接收到的光信号分波，分别输出s（1550nm）波长的光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管使用的开销字节都是通过光监控信道来传递的。 （1） WDM系统光监控通路的信号速率宜选择2M，也可选择STM-1（l55.520 Mbit/s) 、10 Mbit/s 、100 Mbit/s 以太网以及其他速率（不宜低于2M）。选用2Mbit/s时，其物理接口应符合G.703要求，帧结构和比特率应符合G.704的规定，且帧结构的使用应能提供包括光放段/复用段的数据通信通道、公务通信通道、使用者通道及远端环境监控通道。（2） WDM系统光监控通路的接口参数应符合表3.6.3要求。表3.6.3 光监控通路的接口参数监控波长1510nm10nm监控速率2.048Mbit/sOSC光线路传输速率4.096Mbit/s信号码型CMI信号发送功率0-7dBm光源类型MLM （SLM）最小接收灵敏度-48dBm2.4.5 网络管理系统 网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能。 （1） WDM网管系统的具体功能及详细配置要求由运营商自主制定，全网应保持统一，具有延续性。（2 ）WDM网管系统主要由网元管理级系统（EMS）和网络管理级系统（NMS）组成。子网管理级系统（SMS）是NMS的子层，能够完成大部分网络管理级功能。（3 ）本地维护终端（LCT）主要用于WDM系统设备安装初始化，作为辅助管理设备，可对WDM设备进行日常维护管理。2.5 WDM传输网络扩容方法2.5.1 空分复用SDM（Space Division Multiplexer）空分复用是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量，传输设备也线性增加。在光缆制造技术已经非常成熟的今天，几十芯的带状光缆已经比较普遍，而且先进的光纤接续技术也使光缆施工变得简单，但光纤数量的增加无疑仍然给施工以及将来线路的维护带来了诸多不便，并且对于已有的光缆线路，如果没有足够的光纤数量，通过重新敷设光缆来扩容，工程费用将会成倍增长。而且，这种方式并没有充分利用光纤的传输带宽，造成光纤带宽资源的浪费。作为通信网络的建设，不可能总是采用敷设新光纤的方式来扩容，事实上，在工程之初也很难预测日益增长的业务需要和规划应该敷设的光纤数。因此，空分复用的扩容方式是十分受限。2.5.2 时分复用TDM（Time Division Multiplexer）时分复用也是一项比较常用的扩容方式，从传统PDH 的一次群至四次群的复用，到如今SDH 的STM-1、STM-4、STM-16 乃至STM-64 的复用。通过时分复用技术可以成倍地提高光传输信息的容量，极大地降低了每条电路在设备和线路方面投入的成本，并且采用这种复用方式可以很容易在数据流中抽取某些特定的数字信号，尤其适合在需要采取自愈环保护策略的网络中使用。时分复用的扩容方式有两个缺陷：第一是影响业务，即在“全盘”升级至更高的速率等级时，网络接口及其设备需要完全更换，所以在升级的过程中，不得不中断正在运行的设备；第二是速率的升级缺乏灵活性，以SDH 设备为例，当一个线路速率为155Mbit/s 的系统被要求提供两个155Mbit/s 的通道时，就只能将系统升级到622Mbit/s，即使有两个155Mbit/s 将被闲置，也没有办法。对于更高速率的时分复用设备，目前成本还较高，并且40Gbit/s 的TDM 设备已经达到电子器件的速率极限，即使是10Gbit/s 的速率,在不同类型光纤中的非线性效应也会对传输产生各种限制。现在，时分复用技术是一种被普遍采用的扩容方式，它可以通过不断地进行系统速率升级实现扩容的目的，但当达到一定的速率等级时，会由于器件和线路等各方面特性的限制而不得不寻找另外的解决办法。不管是采用空分复用还是时分复用的扩容方式，基本的传输网络均采用传统的PDH 或SDH 技术，即采用单一波长的光信号传输，这种传输方式是对光纤容量的一种极大浪费，因为光纤的带宽相对于目前我们利用的单波长信道来讲几乎是无限的。我们一方面在为网络的拥挤不堪而忧心忡忡，另一方面却让大量的网络资源白白浪费。2.5.3 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）WDM 波分复用是利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，将不同速率（波长）的光混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同数据格式。可以通过增加新的波长特性，按用户的要求确定网络容量。对于2.5Gb/s 以下的速率的WDM，目前的技术可以完全克服由于光纤的色散和光纤非线性效应带来的限制，满足对传输容量和传输距离的各种需求。WDM 扩容方案的缺点是需要较多的光纤器件，增加失效和故障的概率。4.5.4 TDM 和WDM 技术合用利用TDM 和WDM 两种技术的优点进行网络扩容是应用的方向。可以根据不同的光纤类型选择TDM 的最高传输速率，在这个基础上再根据传输容量的大小选择WDM 复用的光信道数，在可能情况下使用最多的光载波。毫无疑问，多信道永远比单信道的传输容量大，更经济。2.6 光波分复用器和解复用器 在整个WDM系统中，光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决定性作用。将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器；反之，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。从原理上说，该器件是互易（双向可逆）的，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光波分复用器性能指标主要有接入损耗和串扰，要求损耗及频偏要小，接入损耗要小于1.02.5db，信道间的串扰小，隔离度大，不同波长信号间影响小。 在目前实际应用的WDM系统中，主要有光栅型光波分复用器和介质膜滤波器型光波分复用器。 2.6.1 光栅型光波分复用器 闪耀光栅是在一块能够透射或反射的平面上刻划平等且等距的槽痕，其刻槽具有小阶梯似的形状。当含有多波长的光信号通过光栅产生衍射时，不同波长成分的光信号将以不同的角度射出。当光纤中的光信号经透镜以平行光束射向闪耀光栅时，由于光栅的衍射作用，不同波长的光信号以方向略有差异的各种平行光返回透镜传输，再经透镜聚焦后，以一定规律分别注入输出光纤，从而将不同波长的光信号分别以不同的光纤传输，达到解复用的目的。根据互易原理，将光波分复用输入和输出互换即可达到复用的目的。 2.6.2 介质膜滤波器型光波分复用器 目前WDM系统工作在1550nm波长区段内，用8，16或更多个波长，在一对光纤上（也可用单光纤）构成光通信系统。每个波长之间为1.6nm、0.8nm或更窄的间隔，对应200GHz、100GHz或更窄的带宽。 第三章 关键技术WDM的关键技术包括三个方面：合/分波器、光放大器和光源器件。3.1 合/分波器合/分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。在整个WDM系统中，光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决定性作用。将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器；反之，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。从原理上说，该器件是互易（双向可逆） 的，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。对光波分复用器性能的基本要求是：插入损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复用通路数多和具有较高的分辨率等。在目前实际应用的WDM系统中，主要有光栅型光波分复用器和介质膜滤波器型光波分复用器。3.2光放大器 光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大，经过长距离（80120km） 光纤传输后，需要对光信号进行光中继放大。目前使用的光放大器多数为掺铒光纤光放大器（EDFA）。在WDM 系统中必须采用增益平坦技术，使EDFA对不同波长的光信号具有相同的放大增益，并保证光信道的增益竞争不影响传输性能。一般来讲，合/分波器的插入损耗较大，大大减小了WDM系统的传输距离（仅为三四十公里左右），满足不了实际需求。使用光放大器后，不仅可使WDM系统的传输距离达到常规要求，而且还可以实现超长距离传输，达到640km 无电中继传输。因此对光放大器的要求是：有很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数等。目前1550nm 波长范围皆采用掺饵光纤放大器（EDFA），但在1310nm 波长范围尚无实用化的光放大器，所以目前WDM技术主要用于1550nm 波长范围。3.3 光源器件 WDM 系统的超长距离传输对光源器件提出了非常苛刻的要求，光源器件必须具有十分狭窄的谱宽和非常稳定的发射波长。光纤通信系统的传输距离可能会受到系统损耗的限制，也可能会受到系统色散的限制，而在高速率传输的情况下，往往是色散受限占主要地位。光放大器的使用只是解决了损耗受限的问题，而色散受限的问题则需要选择谱宽极窄的半导体激光器来解决。此外，ITUT对WDM系统的工作波长及其偏差（频偏） 作了严格的规定，如系统工作光波波长的偏差在0.08nm 范围，这就要求光源器件的发光波长非常稳定，否则复用光通路的信号可能会串到相邻的光通路之中，在解复用时会产生混乱。除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外，还应根据WDM系统的不同应用（主要是传输光纤的类型和传输距离） 来选择具有一定色度色散容量的发射机。在接收端，光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道信号，采用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信道，接收机不但要满足对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受一定光噪声的信号，要有足够的电带宽性能。3七 WDM技术的优点7.1 超大容量传输：WDM系统的传输容量十分巨大。由于WDM系统的复用光通路速率可以为2.5，10Gbit/s等，而复用光通路的数量可以是4，8，16，32甚至更多，因此系统的传输容量可达到300400Gbit/s。7.2 节约光纤资源：对单波长系统而言，1个SDH系统就需要一对光纤，而对WDM系统来讲，不管有多少个SDH分系统，整个复用系统只需要一对光纤就够了。例如对于16 个2.5Gbit/s 系统来说，单波长系统需要32 根光纤，而WDM系统仅需要2 根光纤。7.3 各通路透明传输、平滑升级扩容：只要增加复用光通路数量与设备，就可以增加系统的传输容量以实现扩容，而且扩容时对其它复用光通路不会产生不良影响。所以WDM系统的升级扩容是平滑的，而且方便易行，从而最大限度地保护了建设初期的投资。WDM系统的各复用通路是彼此相互独立的，所以各光通路可以分别透明地传送不同的业务信号，如话音、数据和图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极大的便利。7.4 充分利用成熟的TDM技术：以TDM方式提高传输速率，虽然在降低成本方面具有巨大的吸引力，但面临着许多因素的限制，如制造工艺、电子器件工作速率的限制等等。据分析，TDM方式的10Gbit/s光传输设备已非常接近目前电子器件的工作速率极限，再进一步提高速率是相当困难的（至少目前的技术水平如此）。而WDM技术则不然，它可以充分利用现已成熟的TDM技术，相当容易地使系统的传输容量达到80Gbit/s及以上水平。7.5 利用EDFA实现超长距离传输：接饵光纤放大器（EDFA）具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，在光纤通信中得到了广泛的应用。掺饵光纤放大器的光放大范围为15301565nm，但其增益曲线比较平坦的部分是15401560nm，它几乎可以覆盖整个WDM系统的1550nm工作波长范围。WDM系统的超长传输距离可达到数百公里，节省大量中继设备，并降低成本。7.6 对光纤的色散无过高要求。对WDM系统来讲，不管系统的传输速率有多高、传输容量有多大，它对光纤色度色散系数的要求基本上就是单个复用通路速率信号对光纤色度色散系数的要求，一般的G.652光纤都能满足。7.7 可组成全光网络：全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网络中，各种业务的上下、交叉连接等都是在光路上通过对光信号进行调度来实现的，从而消除了电光转换中电子器件的瓶颈。WDM系统可以根据通道类型、复用段长度、光缆参数等因素，可灵活选用以下技术：1.功率均衡技术：具备光功率均衡功能，可自动对单波道进行功率调节，不需人工参与。2.喇曼放大技术：喇曼放大器一般有分布式和分立式两种方式。应优选分布式喇曼放大器。分布式喇曼放大器可在前向泵浦，后向泵浦和双向泵浦三种方式中进行选择。3.FEC技术：分为普通FEC技术和超强FEC技术，超强FEC能提供7dB以上等效OSNR增益。4.精细色散管理：更精确地补偿各波道的色散，包括斜率补偿，波长或波带补偿方式，自适应电色散补偿等技术。八 网络生存性8.1 网络生存性的概念生存性是指网络发生故障时，仍可继续提供服务的能力。具体来说，生存性是指在网络发生故障后能尽快利用网络中空闲资源为受影响的业务重新选路，使业务继续进行，以减少因故障而造成的社会影响和经济上的损失，使网络维护一个可以接受的业务水平的能力。网络被划分为不同的层面，各层通常提供了相对独立的生存技术。广义的生存性包括一下几个方面：故障检测（Fault detection）、故障定位（Fault location）、故障通知（Fault notification）、故障恢复（Fault recovery）。狭义的生存性指故障恢复。狭义的生存性分为保护机制（protection schemes）和恢复机制（restoration schemes）。保护机制是指利用节点之间预先分配的带宽资源对网络故障进行修复的机制，一般在工作路径建立的同时建立保护路径。恢复机制是指不进行预先的带宽资源预留，当发生故障后，再利用节点之间的可用资源动态地进行重路由来代替故障路由的机制。经常出现的网络故障包括以下几种：设备故障，链路故障，软件故障。8.2 网络生存性策略保护和恢复为了保障网络的正常工作，必须建立一个具有快速、可靠的交叉连接机制和重选路由技术的保护倒换方案。就网络生存性而言，包含两个方面的内容：保护和恢复。2.1 WDM系统主要采用线性保护，WDM系统线性路径保护可选用下列方式：1. 光线路1+1保护（OLP）； 2. 光复用段1+1保护（OMSP）；3. 光通道1+1保护（OCHP）。5.2.2 WDM线性1+1保护主要采用光保护倒换开关设备实现。光保护倒换设备宜使用WDM设备同厂家的设备。工作路径和保护路径均应基于光复用段进行分别设计计算，保证主用WDM系统和备用WDM系统满足系统指标要求，且能对设备进行全监控。5.2.3 WDM线性1+1保护倒换时间均应小于50ms。在业务层也进行保护时，需要进行协调，避免网络震荡。8.2.1 保护恢复技术分类按网络中所使用的协议层次进行划分，保护恢复技术可以分为：IP层恢复技术，ATM层恢复即使，SDH层恢复技术，光层恢复技术等。也可以分为保护倒换和利用OXC重新选路进行业务恢复两种。1.IP层的生存性技术在IP层中，IP/MPLS能够恢复多故障业务，同时对业务的操作粒度也很小，但IP层恢复的速度较慢，无法在故障出现时快速恢复。目前，在网络层IP/MPLS完成的生存性方案通常考虑的是动态的路由方案和多协议标记交换(MPLS)的保护倒换方案。(1)动态路由方案动态路由方案是指在故障出现时，动态计算寻找可到达宿节点的有效备用路由，以此来替代网络的故障路由，恢复故障业务。这些工作可以通过使用路由协议，在邻接的路由器间交换用来更新路由器路由表的控制信息来完成。这使得IP包能使用备用动态路由绕过故障链路或故障节点，恢复业务的传送。这些路由协议保证了网络的生存性，同时独立于下层的物理层。网络的路由器能以显示或隐示的方式来检测网络故障。显示方式中，本地检测到故障后，故障信息通过路由器间定期交换的路由协议控制消息，通知邻接的路由器。隐示方式是指通过定时器的超时来判断(如KEEPALIVE和HELLO等消息)有线路故障，隐含了通知故障点，路由器检测到线路故障后将重新计算受影响的路由并更新路由表，然后将更新的路由信息通过UPDATE消息，如链路状态发布(LSA)或边界网关协议(BGP-4)，通知邻接的路由器。动态的路由协议利用网络的空闲资源，不受网络资源拓扑改变的影响。动态的路由方案的缺点是恢复速度慢，恢复速度大约为十几秒到几分钟，同时，其操作也具有不可预测性，这对于高速传送网络而言是重大缺陷。(2)MPLS保护倒换方案MPLS保护倒换方案是为了克服动态路由方案缺点的一种方案，通过预置一系列不同等级的通路，称为标记交换通路(LSP)，来完成保护倒换。这些标记交换通路在分配工作业务时已经计算完成，预先放置在分组包头的标签堆栈中作为备用通路。当故障发生时，可以从标签堆栈中获得。保护的实体可采用动态或预先决定的方式建立。动态路由方案和多协议标记交换保护倒换方案可以基于链路级保护或通道级保护。通常动态的路由方案的恢复时间长，但网络资源利用率高。多协议标记交换保护倒换方案的保护时间短。2 .SDH层生存性技术SDH和WDM光网络有着相似的功能，都是面向连接的复用网络，SDH是基于同步数字复用，WDM是基于波长复用。SDH和WDM光生存性结构都可分为保护倒换或恢复方案。自动保护倒换(APS)和自愈环(SHR)是最常用的保护方案。(1)自动保护倒换APS典型地被用于链路故障。主要包括11、1?誜1和M?誜N的APS。3种保护方式的不同在于分配不同的保护资源。在11的APS中，工作通路和保护通路上均传送业务，接收端比较两个信号的质量并接收更好的信号；在1?誜1的APS中，信号由工作通路传送，当接收端信号质量劣化，信号转由保护通路传送；在M?誜N的APS中，N条工作通路共享M条保护通路。(2)自愈环SHR是网络生存性非常成功的技术，SHR比APS具有更灵活的特点，可以处理节点故障和链路故障。高速的分插复用(ADM)和简单的控制机制使得它具有很大的吸引力。单向的SHR(USHR)和双向的SHR(BSHR)是SDH中的两种SHR。USHR的保护有两种不同的方式：链路保护倒换(USHR/L)和通道保护倒换(USHR/P)。USHR/L也称为环回，在环回时，故障的邻接节点将发生倒换，将受影响的业务倒换到保护环中。很明显，环回也可以应用在节点故障中，将故障节点的邻接节点进行环回，所有不以故障点为起始终止点的业务可以被保护。USHR/P通常是11保护方案，因为对信号的每个连接在两个环上都运行。当故障出现并影响到一个信号时，节点上的ADM将决定那个信道的信号更好，并选择此信道。典型的BSHR结构包括两纤链路保护(BSHR/2)和四纤链路保护(BSHR/4)。BSHR/2中每个环中的一半容量作为保护资源预留。故障时故障的两个邻接节点将使用预留的保护资源将故障业务环回。BSHR/4中，两根光纤作为工作光纤，两根光纤作为保护光纤，故障时，故障链路邻接节点将工作链路倒换到保护链路上，以环回受到影响的业务。(3)动态恢复方案动态恢复是指在网络故障时动态发现网络的空闲资源来恢复受影响的业务。恢复比保护具有更高的资源使用效率，但恢复时间更长，同时不能确保能100%地恢复故障业务。SDH网络中用数字交叉连接系统(DCS)和控制器来实现动态的资源恢复。控制器可以用集中式或分布式来完成路由和波长分配(RWA)算法。保护和动态恢复方案是否优劣要取决于网络的拓扑。例如，对点对点系统，APS是最好的解决方案；在环形网络中，SHR是最好的解决方案。目前通信网络中大多使用保护方案，而在大规模的格形网络(Mesh)中，APS和SHR可能会消耗掉更多的网络资源，所以动态恢复方案是更好的解决办法。但如何实现快速恢复是需要考虑的问题。8.2.2 网络生存性性能指标冗余度：指网络中总的空闲容量与总工作容量之比。恢复率：指已恢复的通道数占原来失效的总通道数的比例。恢复时间：是与恢复率有管的指标，是指在以一定恢复率为目标的情况下，恢复网络所需要的时间。8.3 WDM网络保护WDM网络保护可以按组网方式分为3种：线路保护（线性网），环网保护（环网），网状OXC保护（网状网）。8.3.1 线路保护线路保护用基于波长的，在SDH层上实现的1+1或1:n保护，使用光复用段保护层(OMSP)来实现保护。这种技术是只在光路上进行1+1保护，而不对终端设备进行保护。在发端和收端分别使用12光分路器或光开关，在发送端对合路的光信号进行分离，在接收端对光信号进行选路。光复用段保护只有在独立的两条光缆中实施才有实际意义。保护模式见图1。图1 用分路器和光开的OMSP图中的光开关用来保护倒换，当工作系统出故障时，该开关将倒向保护系统继续业务的传送，当工作系统恢复正常后，开关又及时倒向工作系统继续工作。8.3.2环网保护图2 WDM的两纤环网保护该原理与线路保护差不多，只是这里的倒换是在接收端实现的，当工作光纤不正常后，节点处将接收保护光纤发送来的信号。8.3.3 网状OXC保护OXC(optical cross-connect)是一种兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管的多功能OTN传输设备，OADM可以看成OXC结构的功能简化。对于一般传输网络而言，OXC并不是一种必须的网元（例如网络拓扑主要为环或链，而且其保护和恢复方案也以环网为基础时），其必要性和重要性取决于网络规模、规划者的保护/恢复策略和对网络可靠性的要求等各方面因素。但从整个传输网络看，为了提供网络必须的灵活配置能力和以较小的冗余代价（含线路和设备）具备必要的保护/恢复功能，则必须在网络中配置OXC设备，而且一旦在网络中采用了OXC设备，其在网络中必然处于中心地位，成为最核心的网元。OXC在网络中的基本用途是进行自动的业务疏导，着眼点在网络。其主要功能有：1.提供以波长为基础的半永久的交叉连接功能；2.对波长通道进行配置以实现对网络光纤资源的优化；3.当网络出现故障时，迅速提供网络的重新配置； 4.根据业务量的变化优化网络；5.尽量允许运营者自由使用各种信号格式（即尽量保持网络的透明）。5网状OXC保护方式见图3。图3 网状OXC保护这种保护方式在网状网中应用非常广泛，通过伪线与子网连接，自动重新选路，实现了故障的快速回复。WDM光层的保护和恢复技术光网络中，光层的保护和恢复(如图1所示)发生在WDM层，具有高速响应、快速实现保护和恢复的特点。光网络的生存性基于共享资源和动态恢复资源。光网络生存技术通常包括两种技术：保护和恢复。光网络的保护是指为光网络的承载业务提供预留的保护资源，当网络故障时，故障业务将由预留的保护资源进行传送来恢复受影响的业务；光网络的恢复是指为光网络的承载业务动态寻找网络中剩余资源，通过利用网络提供的富裕资源使得由于故障所带来的阻塞快速而准确地得以消除。保护技术由于其预先指定网络的保护资源，因此具有快速恢复业务的特点，但网络资源的利用率不高；恢复技术能动态搜索网络剩余资源，充分利用了网络资源，但恢复时间受到限制。图4光层保护/恢复方案 光层的保护和恢复技术(如图2所示)又可分为：光信道(OCh)层和光复用段(OMS)层保护/恢复技术。OCh保护/恢复技术(见图2a)是针对每个信道的，当故障时，光网络为受影响的故障信道分配一条完整的(通常是通道无关的)保护/恢复通路来恢复故障信道；OMS保护/恢复技术(见图2b)是针对复用段层的，当故障时，光网络为受故障链路寻找一条替代路由来同时恢复故障链路上的所有业务。图5光层的保护和恢复技术 通常空闲资源既能专用保护(空闲资源为某条工作通路专用)同时又能用作共享保护(空闲资源能同时为多条工作通路提供保护)。专用保护通常是指11和1?誜1通路保护。11通路保护时，工作通路和保护通路同时传送，宿节点终端动态监测接收信号的质量来决定选取工作通路信号还是保护通路信号；1?誜1保护通路时，仅在工作通路传送信号，保护通路资源预留，但保护通路可以传送业务优先级低的额外业务。共享保护允许空闲的波长由多个工作波长共享以作为保护通路。当故障发生时，中断的业务由保护资源传送。在操作上需要一些信令来通知网络节点新的传送通路，并确保保护通路在不同链路上的保护波长能构成保护。WDM光层保护和恢复技术的优点有：(1)高速WDM层的恢复比其他高层的恢复速度更快，因为节点能在故障出现时就迅速动作，而不需要等待高层的指示信号。(2)简单它比高层的恢复需要更少的协调性。(3)高效光层的恢复可更有效地利用恢复资源，因为资源是由不同的服务层共享的。(4)透明性波长的路由保护技术是独立于高层使用的协议。8.4 WDM光网络恢复路由和波长分配算法光网络的恢复算法通常将路由问题和波长分配问题分开考虑。恢复路由算法是为待恢复的业务动态寻找一条替代路由。光网络的恢复路由基于最短路径优先选取。故障类型通常考虑为针对节点故障和链路故障。光网络的恢复策略可以基于不同故障选择不同的恢复路由算法。光网络中链路故障是常见故障，当网络出现链路故障时，恢复的路由算法可基于两种备用路由策略：(1)链路无关策略选择的恢复路由同故障链路无关。即在当前光网络资源中寻找故障链路两个端节点间的一条最短路由来替代故障链路。(2) 通道无关策略选择的恢复路由同原故障业务路由没有共同链路。即在当前网络资源中寻找一条除去原故障业务路由资源后的最短路由。可以看到，基于链路无关的策略是链路层的恢复，属于OMS层，它只需要为故障链路寻找替代链路，而路由的其它部分不变，因此其计算时间的复杂度低。但链路无关路由需要准确的故障定位信息、富余的网络剩余资源，而且无法选取当前网络中的最优资源，对网络中的资源分配效率不高，同时在故障业务路由上故障多的情况下效果不好。基于通道无关的恢复策略属于OCh层，恢复针对的是通过故障链路的每条通路，其路由选择策略选取了同原业务通路没有相关链路的路由，因此，它无需等待故障定位，当检测到故障时可以立即启动恢复算法程序，在避开原通路的物理拓扑上，寻找一条备用的光通路，并将故障业务切换到恢复通路上。由于基于通路无关的恢复是针对每条受故障影响的业务，故障链路上的所有光通路均需要切换，恢复动作涉及到多节点动作。但基于通道无关的路由选取策略能选择当前网络的最优路由，同时能较好地处理该故障路由上的多故障情况。当光网络的节点出现故障时，首先可以判断光网络节点的故障影响范围，光网络节点故障影响的范围分为：整个节点失效、部分链路失效、部分通路失效。当光网络故障导致部分链路失效或部分通路失效时(这种情况较常见)，恢复算法可以优先考虑节点内部动态重构光网络节点结构，从而恢复节点部分链路或部分通路失效影响的业务，这样只涉及到节点内部的动作，可大大节省恢复时间。当节点内部无法通过重构连接恢复所有的故障业务时，可采取基于OMS层的避开故障节点的业务路由算法，选择优化的恢复路由或基于OCh层的故障业务通路无关的恢复路由。为恢复业务选取路由后，恢复算法需要为故障业务分配波长。各种不同的波长分配算法可参见文献3。恢复算法要求恢复时间尽量短，因此在路由和波长分配选择上可以选择时间复杂度低的算法来保证恢复时间。首次命中(FF)算法的计算时间复杂度低，是一种可行的选择方案。8.5 故障检测和故障定位故障检测和故障定位是光网络各项生存性技术的基础。WDM光网络中的主要故障有：(1)节点故障由于节点中器件的故障、器件的掉电、单板的插拔以及人为因素的影响导致在WDM光网络中的节点产生故障。(2)链路故障由于自然因素和人为因素的影响，导致光纤链路的切断，使得WDM光网络的链路产生故障，影响传输的业务。(3)通道故障通道故障通常是指发射机、接收机或相关设备故障导致光通道产生故障。基本的生存性故障因素主要被归集为单链路或节点故障，这是因为光网络光纤断裂导致的链路故障更常见，而且一次仅考虑单设备故障更容易处理。自然现象导致的无法控制的灾难而产生的设备和节点故障以及信道的故障等都不是人们重点考虑的故障。在SDH中，故障检测和定位是由帧头的字节和电的监测手段来检测数据丢失或误码率过大。但这种方法在光层中无法使用，因此光层利用信道的光功率级别、串扰或其他参数来检测信道的连续性和质量。光监控信道可以用来进行监控，但在光监控技术不很成熟时，电的监控方案可以考虑。虽然电的监控方案将导致信号的不透明传送，但电的处理过程是按比特位来进行的，具有协议的透明性。8.6 WDM光网络的多层保护协调机制通常一些高层服务如SDH和ATM等有自己的保护/恢复的生存性机制。而WDM层生