光波分复用系统技术要求.docx

1、光波分复用系统技术要求【业界新技术】1.光波分复用系统(WDM)技术要求【RPR专栏】1.新一代光环城域网一一弹性分组环2.For personal use only in study and research; not for commercial use3.3.城域网新标准：弹性分组环 RPR【业界新技术】光波分复用系统(WDM)技术要求(2003-07-31通新世界)一、 引言在过去几年中，WDM技术使得光纤丰富的带宽资源得以开发利用。 然而，2.5Gbit/s或10Gbit/s的WDM信号经过400-600km传输后，还需要进行电再生中继。 整个系统结构复杂，成本昂贵。如何在实现全光传

2、输的前提下，降低传输成本，延长传输距离，是 一个急需解决的问题。在超长距传输环境下，引入了许多新的技术，如采用喇曼放大器。在传输过程中， 进行波形管理、功率管理、色散管理，以及信号编码采用 RZ编码和超强FEC等技术。信号在无电中继传输的距离达到 3000km,在实验室甚至达到了 10000km。鉴于国内外WDM技术发展迅速，1.6Tbit/s与800Gbit/s的WDM设备已经有商用化产品， 并在干线网络上有实际应用。为了给研制和运营部门提供技术依据，在以往 WDM标准基础上，制定了光波分复用系统(WDM)技术要求一一1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分。二、 光波分复用系统(WD

3、M)技术标准介绍我国于1997年在省际干线(西安一武汉)引入第一条 WDM系统(Lucent公司的 8*2.5Gbit/s系统)，从此揭开了 WDM系统在中国大规模应用的序幕， WDM技术系列标准的研究和制定也正式开始。 1999年，我国第一个针对 WDM技术的标准一一光波分复用系统总体技术要求暂行规定(YDN120-1999)正式发布，标准中对 8*2.5Gbit/sWDM系统及16*2.5Gbit/sWDM系统的技术要求进行了规范。2000年，发布 了光波分复用系统 (WDM)技术要求32*2.5Tbit/s 部分(YD/T1060-2000)。2000 年对于中国 WDM 技术发展和应用

4、是一个新的里程碑。从 1997-1999年间，基于2.5Tbit/sSDH系统的地位受到了严重挑战，以中国电信为代表的运营商开始全面转向 SDH10Gbit/s与WDM320Gbit/s系统，基于10Gbit/sWDM系统开始成为传输系统的主流。 从2000年开始，对基于单波长为 10Gbit/s的WDM系统的标准制定开始迅速展开。当时，正逢中国电信对 10Gbit/sSDH和320Gbit/sWDM的选择测试。经过对实际设备及系 统的测试，以及与各运营商和国内外厂家单位进行广泛的技术交流，制定出了光波分 复用系统(WDM)技术要求 1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分(YD/T11

5、43-2001)。光波分复用系统(WDM)技术要求一一1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分是为了适 应超长距 WDM系统的应用而制定的，该标准规定了 1.6Tbit/s和800Gbit/s的WDM系统技术要求。1.标准的适用范围该标准给出的具体参数针对 160路与80路的点到点线性 WDM系统，承载信号为SDH STM-64 系统或 10Gbit/s 以太网信号，即 1.6Tbit/s 和 800Gbit/s 的 WDM 系统。规 定的参数包括波长区划分、波分复用器件的要求、光接口参数、波长转换器 (OTU) 的要 求、 OADM 要求及网管要求等。光放大器和主光通道的参数适用于单方

6、向使用增益范围为192.1-196.1THz和186.95-190.90THZ的光放大器，波长间隔最小为 50GHz。该标准适用于2000km以内的长途传输。对于不采用喇曼放大器，采用非NRZ调制方式达到 1000-2000km 距离传输的系统不在标准范围之内。 此外，该标准对于 WDM 系统应用的新技术、向前纠错 (带内和带外 )的功能、喇曼放大器的应用、梳状滤波器及色散补 偿技术都作了相应的规范。1.6Tbit/s的WDM系统在C波段的基础上，启用新的波长区段 一一L波段，C+L波 段共 160 个波长， 波段内的波长间隔为 50GHz。 C 波段的波长分布范围为 191.80-196.0

7、5THz (1529.16-1563.05nm)， 该范围内 共有 86 个波长,建议优选 (192.10-196.61 nm)这 80 个波长。L 波段的波长分布范围为 186.95-190.90THZ (1570.42-1603.57nm)。由于波长数目增多，相邻波长的间隔减少。 1.6Tbit/sWDM 系统对激光器的稳定性 要求更加严格，规定最大中心频率偏移为 GHz(约为0.04nm),而320Gbit/sWDM系统的 要求为2.5GHz(约为0.1 nm)。最大中心频率偏移为寿命终了值，即在系统设计寿命终了 时，考虑了温度、湿度等各种因素仍能满足数值。基于C+L波段80通路的WDM

8、系统，用于超过1500km长距离传输时，可以分别 采用 C 波段的 40 个波长和 L 波段的 40 个波长，波段内的波长间隔为 100GHz。实际应用的1.6Tbit/s系统中，C波段和L波段是完全分开的，其中 C波段和L波 段各具 80 个波长。 而 C 波段和 L 波段内 80 波的，可以通过梳状滤波器将两个基础波长 间隔为100GHz40波复用器交织复用构成，也可以直接采用50GHz间隔的复用器件构成。采用梳状滤波器方案， 要完成 C 波段 80 波的复用， 需要 2 个 C 波段复用器 (其中两 个波段相邻波长的差别为 50GHz)和1个梳状滤波器(C-Interleaver)。梳状

9、滤波器是一个3 端子器件，两个输入端是两路波长间隔均为 100GHz的40波群路信号，输出端则为波长间隔为50GHz的80波信号。在通过波分复用器或耦合器将 C波段的80波和L波段的 80波复用为 160波的系统。为了确保大容量 WDM 系统的性能，要求波分复用器件插入损耗小，间隔度大，带 内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，尺寸小等。目前的复用器解复用器 一般是以40波为基本单位，相邻通道间隔为 100GHz，在技术实现上较为成熟。当复用 通路数为80个时，相邻通道间隔为 50HGz，这时对复用器件隔离度的要求就更加严格 了。3.喇曼放大器的应用超长距 WDM 系统中的光放大器除了应

10、用传统意义上的掺铒光纤放大器外， 最主要 的是对喇曼放大器的应用。掺铒放大器的增益取决于掺杂元素的浓度，而喇曼增益取决 于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值。喇曼放大器就地取材，利用 干线光纤作为工作的媒质。其增益特性还取决于光纤的性能，如对泵浦光的吸收能力、 光纤有效面积等。采用喇曼放大器的系统，每通路光信号的发送功率较低。而输出光功率的降低，使 得每个通路经过线路放大器后，信号得到放大的同时，所引入的非线性损耗降低，这样 使得信号尽可能以线性模式 (如准线性模式 )传输。因此，输出信号的光信噪比增大，从 而保证在没有电再生中继设备的条件下，信号可以传输更远的距离。对于采用喇曼

11、放大器的 800Gbit/s 和 1.6Tbit/sWDM 系统，其光接口参数有 N(22dB 长距离间隔 ) 与 M(30dB( 甚长距离间隔 )两种。由于喇曼放大器有一定的增益，线路损耗 由 EDFA 和喇曼光放大器共同承担， 其效果等级于两极光放大器 (EDFA+REMAN) 串联。 由于后一级喇曼放大器具有较小的噪声系统，其等效噪声系数相应减少。在应用喇曼放大器的系统中，为了实现光纤非线性效应，喇曼泵谱源输出功率必须 很高，处于安全考虑， 其总输出功率必须小于 +29dBm(800mw) 。由于喇曼泵谱源的高功 率，必须保证相应连接部分的清洁，这对运行维护提出了很高的要求。不能让喇曼放

12、大 器的泵谱源功率输出裸露在空间，光纤切断时，系统应具有喇曼泵谱源自动关闭功能， 以防止对人体造成伤害。对 80/160 路 WDM 系统，当逐路增加承载的通路数量时， 不应影响其它通路的性能。 当同时增加多个通路时，系统也应不受影响。当运行中增加或减少承载的通路数量时， 系统的各项参数应可以进行自动调整，不需要进行其他任何硬件或软件的改动。对于光 放大器(包括EDFA+喇曼放大器)增益的调整，可以基于单个光放大器或整个光复用段进 行。单个光放大器的增益调整时间小于 50ms,整个光复用段全部光信号调整完成时间应小于60s，包括各个波长的发送功率、预均衡和全部光放大器的增益调整时间。4.系统分

13、类由于喇曼光放大器在 WDM 系统的应用和超强 FEC 的应用, 1.6Tbit/s 与 800Gbit/s 系统的分类和应用代码增加,超长距传输系统分为常规 LH(Long haul) 长距离传输系统、 亚超长传输系统 ELH(Enhanced long haul) 和超长传输系统 ULH(Ultra-long haul) 。对于传 输距离小于 1000kmWDM 系统称为常规长距离传输系统,传输距离在 1000-2000km 系 统称为亚超长传输系统,传输距离大于 2000kmWDM 系统成为超长传输距离系统。对于亚超长传输系统，又可以分为波长间隔100GHz系统与波长间隔为50GHz系统

14、。 对于需要亚超长距离传输的波长并不需要那么多,为了尽可能达到更远的距离,则对于 亚超长距离传输 WDM系统，允许进行波长间隔 100GHz的传输。800Gbit/s 和 1.6Tbit/s 的系统分类如下：(1)没有喇曼放大器，只有常规带外 FEC的80/160波WDM系统，定义有8*22dB和 3*30dB 两种光接口。(2)具有常规FEC与喇曼光放大器的 80/160波WDM系统(50GHz间隔)，定义有 14*22dB 与 6*30dB 两种光接口。(3)具有常规FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，定义有20*22dB 与 8*30dB 两种光接口。(4)具有超

15、强FEC与喇曼光放大器的 80/160波WDM系统(50GHz间隔)，定义有 18*22dB 与 7*30dB 两种光接口。(5)具有超强FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，定义有25*22dB 与 9*30dB 两种光接口。在这里，传输距离最远的系统，定义的是最具有超强 FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，传输距离为2000km。由于是多波长系统，需要考虑沿途某 些站点对波长上下的需求,因此会产生对 OADM 应用的需求。 OADM 的出现会减少区 段的数量,与传输距离的远近无关。为保证接受机的正常接受,对于采用常规带外 FEC的WDM系统，在

16、主光通路接收点(MPI-R)，光接口光信噪比为20dB。采用超强带外FEC 的 WDM 系统,光接口光信噪比为 18dB。5.色度色散补偿对于超长距离的传输,色散是一种主要线性补偿对象,一般都采用 DCF 色散补偿光纤技术。目前，采用 2个色散补偿模块分别补偿 C/L波段信号。对于超过1000km的 传输,为了实现精确补偿,不排除采用多个色散斜率补偿模块对每个子波段进行补偿。由于G.652光纤和G.655光纤在1550nm窗口是正色散，因此 WDM系统在此光纤 上使用的色散补偿光纤主要为负色散的 DCM模块，此模块在一段距离之后对于不同的波长给予不同的色散补偿。色散补偿模块一般用于发送端功放、

17、线路光放和接收端预放 的中间级，其补偿原则根据光功率预算的结果而定。由于G.652/G.655光纤都有一定斜率，有可能会在一个频段内造成比较大的色散差 异。要补偿这些斜率，DCF光纤也要有相应的斜率分布。在 C/L频带内，在一个光复用 段内，补偿后剩余色散差别应小于 500ps/nm。6.自动光功率降低（APR）和自动激光关断 （ALS）进程光缆切断、设备失效及光连接器拔出等均会导致光功率丢失。出于安全的考虑，在 主光通道一个光段内光功率丢失的情况下，需要系统实施 ALS与APR进程。功率减少后，剩余的所有通道的功率（包括由光监控通路 OSC来的功率）减少10dBm水平以内， 不排除光放大器的

18、完全关闭。为便于在链路重新连接好后系统能容易的恢复，同时考虑 实施自动（或人工）重启动进程。对于带喇曼增益型的光放大器， WDM系统也必须满足同样的光安全要求，并必须保证在 APR进程中对喇曼泵浦也进行光安全进程处理。三、结束语在今后的光网络建设中， 必将会面临大容量、超长距离（1000km以上）的信号传送问 题。光波分复用系统（WDM）技术要求一一1.6Tbit/s部分和800Gbit/s部分 的制定，为 我国1.6Tbit/s部分和800Gbit/sWDM系统的研制、生产、工程应用及入网测试给出了 统一的技术依据，为科研和网络建设提供了标准和规范。【RPR专栏】新一代光环城域网一一弹性分组

19、环一、引言目前，电信业的开放和互联网的发展，致使网络与通信正以前所未有的速度迅猛发展。 住宅用户和各类商业用户对带宽的要求越来越高，且业务的发展和宽带的增加之间相辅相 成。从网络发展的角度看，以太网（ Ethernet）因其简单性、易扩展性及其高的性价比，在局域网（LAN ）中已占主导地位。超过 95%的用户用以太网连接其内部网络，且正以每 3-5年10倍的速度增长。10Mbit/s,100Mbit/s,和1Gbit/s的以太网已广泛应用，10Gbit/s也即将商 用化。同时，在广域网（WAN ）方面，基于同步数字序列（SDH）和密集波分复用（DWDM） 的骨干网传输速率已达到 Tbit/s。

20、但在城域网（MSN ）方面，无论是光纤分布式数字接口（FDDI ），帧中继（FR ），异步传输模式（ATM ），（ SDH ）等传输效率一般都不是很高，无 法跟上LAN和WAN的发展，成为整个网络的瓶颈，严重阻碍了 WAN端到端的服务潜力。同时，这些技术又是基于语音传输为基础的。 虽然这些技术具有高可靠性和技术成熟等优点，但它们基于专线的方式，需要预先确定所需的带宽，这与数据业务突发性的特点显然是相 背道的。这样，就导致了光传输带宽的浪费。许多研究表明，专线带宽的利用率不足 50%，多数情况下不超过 20%。其次，原来的传输多数是用点到点为基础的，而数据业务常需要点到多点的传输。这种情况下，以

21、前者来适应后者，又必然要浪费大量的带宽。此外，从提 供新业务的角度来看，由于网络下层承载技术往往需要一定时间来提供与管理， 由开始计划到完成一条回路一般需要几周甚至几月的时间， 这将严重阻碍新数据业务的提供。 再有，从成本上考虑，显而易见，目前的 MAN技术也不占有任何优势。建立良好的MAN，首先需要有一个价格合理、扩展性好的解决方案来适应不断膨胀的IP流量和光纤带宽的增长，其次要能够对各种不同的 IP业务进行优化，以最少的中间电路层在分组交换网上传输 IP业务。同时，还必须支持现有的传统语音业务，因为这仍是运营商的重要收入来源，且来应该在达到可接受的 Qos 保证时降低系统的复杂性和费用。由

22、于 MAN 中存在大量的光环形网，充分利用其优点和特点更是非常必要。 IP 领域很早就认识到 了环形网络结构的价值，发展了像令牌环， FDDI 等解决方案。但这些方案都无法满足上述 MAN 的需要， 也无法满足在拥塞情况下维持高的带宽利用率和转发量、 保证节点间的平衡、迅速从节点或传输媒体故障中恢复、即可插可用等 IP 传输和业务传递发展需要。因此，并 不适用于新一代的 MAN 。为了解决上述 MAN 存在的问题， 在城域范围内构建新的环形拓扑结构， 通过传输类似 以太网结构的分组来提供各种增强型业务， 在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经 济的 MAN 解决方案。 2000 年 11

23、月， IEEE802.17 工作组正式成立，目标是开发一个 PRP （ Resilient Packet Rings ）标准，优化在 MAN 拓扑环上数据包的传输。该技术结合了以太网 的实用性和光设备的强大功能， 利用空分复用、 统计复用和保护环提高了带宽的利用率， 使 得协议开销最小，实现了节点对网络资源的公平利用。同时，还支持业务分级（ SLA ）以及 即插即用等特性。该技术打破了 LAN 与 WAN 的接入瓶颈，将 MAN 转变为快速、简单、 可靠、能及时提供丰富增值业务的带宽网络，为运营商、网络服务提供商提供了一种全新、 有效的 MAN 的城域接入网解决方案，并预计到 2003 年制定

24、出最终协议标准。而目前由于 国际上还未形成统一标准， 还有许多问题未达成一致意见， 本文以下几部分的内容综合参考 了各种提案中较为一致的意见，同时也阐述了笔者在相关问题上的看法。二、RPR关键技术SONET 采用了固定时隙分配技术来执行带宽分配和服务保护，以太网则依赖于以太网 网桥或 IP 路由器来实现带宽分配管理和服务保证。这样，当使用 SONET 时，网络使用效率不高。当使用以太网交换机时，网络的服务质量又得不到保证。考虑到带宽市场的潜力、 兼容性、技术特点、技术可行性和经济可行性等 5个标准，RPR采用了以缓存器插入环（BIR ） 为基础的优化的 MAC 协议来弥补这些缺陷，提供下一代接

25、入网所要求的恢复能力、有保证 的服务质量和可管理能力。1.网络结构与协议分层网络拓扑基于两个反方向传输的环， 相邻节点通过一对光纤连接。 节点间使用光纤连接 并可采用 WDM 进行扩容。节点具有以太网接口，可直接与路由器相联。 RPR 的内环和外 环都作为工作信道来传送简化的 SDH，或者以太网帧格式和 RPR协议封装的数据帧和控制 帧。从网络结构可以看出， RPR 支持多播传输和点到点的连接，因此更利于数据业务的传 送。此外，当发现节点网元或光纤传输失效时， RPR 执行快速自动保护倒换机制，数据会在 50ms 内转换到无故障通路，这样就提高了网络的健壮性。从开放式系统互联模型（ OSI ）

26、出发，在总结多种协议 参考模型的基础上，给出普遍 认同的 RPR 协议参考模型。可以看出。 RPR 网络必须要完成的功能包括：支持多种物理层（PHY ）技术，介质访问控制（MAC ）客户层处理，MAC与MAC控制技术，运行、管理、 维护、与操作（ OAM&P ），兼容性能考虑等。其中， PHY 可采用 Ethernet,SDH 或 WDM, 因 此对上层也是透明的。 而 MAC 与 MAC 控制技术是 RPR 最主要， 也是最基本的功能， 是标 准化组织研究的重点。 前者主要内容是数据传输操作控制， 而后者主要包括流量控制、 业务 等级支持（ SLA ） 、拓扑自动识别、保护倒换等功能。2.基

27、本 MAC 协议RPR的基本MAC结构是一个BIR，在任何一个节点都存在 3个缓存，即发送缓存、接 收缓存和转发缓存。 如果目的地不是本地， 则通过转发缓存发出。 而本节点的报文则通过发 送缓存发送数据。RPR 支持空分复用技术，即传输的数据报文在目的节点而不是在源节点被取出。节点11 到节点 2，以节点 3到节点 6的报文传送是完全不影响的。 这样， 网络不但能为传送的报 文提供最短的传输路径， 且仅占用户源和目的站之间的线路， 环路上的其他部分可同时供其 他站点使用，因此提高了带宽的利用率。3.流量控制由于 RPR 网络资源是基于共享的，同时目的地取出报文的方式又使得环上有超过一个 节点同

28、时传送信息， 这就引发了流量控制的问题。 如果不进行节点接入控制， 每个节点随意 访问将会出现网络拥塞，增加端到端的时延和丢帧率。在极端情况下，会出现完全的 “饥饿 ”状态，即节点的带宽完全被上游的流量所占用，而本节点流量无法接入。图 4 中，如果节点 11 流往节点 8和节点 8流往节点 10存在的流量都比较大， 节点 9 可以传送数据的机会就比 较少。如果节点 9总是被上游的流量所 “覆盖 ”，它就会完全 “饥饿”。这种情况下，就提出了 所谓 “公平性 ”性能问题，即 MA 应该对环上所有节点支持上层客户 “公平地 ”接入下层介质。任何一种公平性的具体的实现都是通过一些接入算法和一些控制信

29、息协调实现的（如 Cisco 公司提出的 SRP-fa 等）。具体算法的选择是 RPR 标准化组织的主要内容之一。4.SLA 支持和带宽管理为了适应 MAN 客户种类繁多、 交换粒度差异大的特点， 除流量控制外， RPR 还必须有 一套灵活的动态带宽管理和多等级承载业务 SLA 保证机制，以满足不同业务对传输延时、 抖动、差错率的不同要求。虽然已提交的 RPR 提案中对业务等级的定义与细节描述不尽相同，但总体上看，大致 可以归纳为 3 种：用于业务速率恒定的情况固定带宽业务， 用于有承诺带宽并且允许一定突 发数据的可变带宽业务，与传统 IP 中的业务等级类似的尽力而为的业务。数据流在进入环 路

30、时首先被分类、调度，然后根据不同的优先级标识，被放入不同的缓存区。 RPR 对于第 一种情况一般是采用带宽预留的方式来保证其传送， 而对后两种则采用了动态的带宽分配方 式。这样， 不但提高了带宽的利用率， 同时实现了对数据突发业务的语音等其他业务的有效 支持。5.拓扑自动识别在 RPR 环结构中，每个节点均有上下两个相邻节点，网络结构相当简单。正常状态下， 节点间没有任何关于拓扑信息的更新。 而当环初始化、 新节点加入环中或需环路保护倒换时， RPR 进入自动拓扑识别模式。触发器触发节点向环上的所有的节点发送第二层消息，节点 可根据此消息判断有哪些节点处于环形拓扑结构中， 在环的两个方向上达到

31、其它节点需要几 跳以及环上每段光纤的状态。 这样， 在网络运行过程中， 每个节点都详细地掌握着网络的拓 扑图和每条链路的状态。基于此， 网络不但实现了即插即用的特点， 同时当网络发生故障时， 故障点的两侧节点 向其他节点广播故障消息， 然后每个节点得知每个节点和每条链路的现状， 这样节点可根据 业务服务等级的要求进行基于源路由的业务倒换。6.保护倒换机制如上所述， RPR 是通过正反传输方向两个光环进行组网的，这种组网方式使得 RPR 具有很强的健壮性。当一光环切断或某一网元失效时， RPR 可通过第二层的保护机制自动为 数据包切换到另一环路上，即使两个环路都失效，网络仍能工作。保护倒换机制主

32、要有两种： 采用源路由的保护机制和采用卷绕的保护机制。 采用卷绕的 保护机制为， 当一传输光环线路失效时， 通过信令通知网络节点， 在失效处两端节点处绕回。 因此，业务流要先沿原路到达环回处， 才被切换到另一环路去， 再环回， 最终达到目的节点。 采用源路由的保护机制， RPR 则不同。当一传输光环线路失效时，失效处两端节点会发出 第二层的控制信令沿光纤方向通知各个节点。 业务流源节点接受到这个信息后， 立即向另一 个方向的光纤上发送报文，从而实现保护倒换。同时，在保护切换时，节点会考虑业务流不 同的服务等级， 根据同一节点的切换原则， 依次向反方向环切换业务。 两种机制都能在 50ms 的时间里完成保护倒换功能。 而基于源路由切换保护机制由于不需要 “折回 ”，因此保护倒换 时间更短，同时也更能节约带宽。三、 RPR特点与发展现状综上所述， 通过结合第二层简单的交换技术和现代光网络设备传输能力、 带宽有效性和 低的协议开销等性能， RPR 体现出很多的优点。1.