城域网波分复用技术及应用

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烽火通信科技股份有限企业  李永红  胡先志

　　由于Internet的驱动及IP业务的长足发展，促使长途骨干网WDM的容量一再扩大和IP接入带宽爆发增长，从而将城域光传送网的发展推到一个交叉路口。在激烈竞争的城域市场环境下，要提高竞争力需要全面的解决方案，如提供所需带宽、不同等级的服务、降低成本等。显然，在整个传输网结构建设上，既要寻求在短期内扩大通信网容量、充分利用现有光缆资源，又要降低成本的网络扩容方案，城域网WDM技术成为每个网络运营商追求的目标。

一、城域网WDM技术
　　目前在城域网中应用的WDM技术主要有两种：DWDM和CWDM（Coarse WDM，粗波分复用）技术。
　　城域DWDM在系统结构上部分继承了长途骨干网DWDM的技术特点，采用16/32（40）波光分插复用（OADM）系统，同时在业务的接入种类和组网的灵活性上做了大量的改进，使之适合于城域网的环网应用。目前城域DWDM技术已经非常成熟，而且在国内外已经广泛应用，因此本文仅就CWDM作详细讨论。
　　CWDM技术考虑了城域网传输距离短的特点，无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器一般提供4/8/16波，其具有综合成本低廉和安装的方便等特点，已在欧美及日、韩等国得到大量的工程应用。国内也正在积极开展CWDM的应用研究。
　　CWDM技术诞生于20世纪80年代初，当时的Quante企业推出了一个工作在800nm窗口、每信道的速率为140Mbit/s的四波系统，它首先应用在利用多模光纤传输数字视频信号的有线电视的广播链路。
　　与DWDM系统不同，CWDM系统采用的是不带冷却器的分布式反馈（DFB）激光器和宽带光滤波器，因此CWDM系统具有以下优点：功率损耗低、尺寸小，降低了城域网建设的综合成本。
　　DWDM系统的工作波长是依据国际电信联盟（ITU）的标准定义的，其波长间距一般为200GHz（1.6nm），100GHz（0.8nm）或50GHz（0.4nm）。在DWDM系统中，采用DFB激光器作为光源，DFB激光器的温度漂移系数为0.08nm/ °C，它需要采用冷却技术来稳定波长，以防止由于温度变化波长漂移到复用器和解复用器的滤波器通带之外。
　　CWDM系统采用不需要冷却的DFB激光器，当CWDM系统工作在0°到70°的温度范围内，其激光器的波长漂移一般有6nm。这个波长漂移再加上激光器生产过程造成的±3nm波长变化，总共大约有12nm的波长漂移变化。这样就要求光滤波器的通带和激光器信道间距必须足够宽。CWDM系统信道间距一般为20 nm。
　　当复用的信道数等于或小于16时，CWDM系统在成本、功耗和设备尺寸方面比DWDM系统更具优势。这两种技术进行比较如下：
　　CWDM和DWDM系统之间的成本差别主要是由于波长间隔宽、传输距离短等原因。CWDM大幅度降低成本的途径：
由于使用无致冷和对波长误差放宽的低价激光器，如DWDM激光器的波长容差的典型值为±0.1nm，然而CWDM激光器的波长容差却高达±2～3nm。
　　在复用器和解复用器方面，由于CWDM的滤波器包含的层数少（大约有50层），故CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本低50％。CWDM只需选择低价的粗波分复用器和解复用器。
　　由于器件成本和系统要求的降低，使得CWDM系统的造价比DWDM系统大幅下降。
　　光传输系统的运营成本取决于系统的维护和系统消耗的功率。DWDM系统的功耗要比CWDM系统的功耗高得多。例如，四波CWDM光传输系统大约消耗10－15W的功率，而类似的DWDM系统却要消耗的功率高达30W。
　　CWDM激光器要比DWDM激光器小得多，不带冷却器的激光器一般是由激光片和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的监控光电二极管构成的。DWDM激光发射机的尺寸大约是CWDM激光发射机体积的五倍。
　　如今，厂家已能够提供2到8个波长的商用CWDM系统，将来这些系统有望在1280nm到1625nm的频谱内扩展到16个复用波长。目前，大多数CWDM系统工作在从1470nm到1625nm的范围内，其信道间距为20nm。此外，在1310nm窗口附近系统也在开发之中。
　　目前，美国的1400nm商业利益组织正在制定CWDM系统标准。建议草案考虑的CWDM系统波长栅格分为三个波段。分别是：“O波段”包括四个波长：1290、1310、1330和1350nm；“E波段”包括四个波长：1380、1400、1420和1440nm；“S＋C+L”波段包括从1470nm到1610nm的范围，间距为20nm的八个波长：1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590, 1610nm。20nm的信道间距允许利用低价的不带冷却器的激光发射机和宽带光滤波器，同时，它也躲开了1270nm高损耗波长，并且使相邻波段之间保持了30nm的间隙。
　　这些波长利用了光纤的全部光谱，从而既增加了复用的信道数，又可与传统的SDH系统进行互通。
　　同时，随着光纤制造技术的发展，很多光纤厂商能提供城域网用的广谱光纤。该类光纤通过采用新工艺去掉了1385 nm附近的水吸取峰，从而扩展了光纤可用频谱（可增加约100 nm）。由于这种光纤可以提供完整的光谱频段（从1260nm－1625nm），从而支撑CWDM技术在城域网中的应用。

二、城域网WDM技术典型应用
　　由于两种技术各自的特点，使得它们在城域网中的应用各有千秋。
　　DWDM最大的特点在于能提供大容量的数据接入和传输，而且技术已经非常成熟，在长途骨干网中已经广泛应用。
　　目前国内几大电信运营商都倾向于采用DWDM系统进行城域网建设，在大型城市城域网骨干层的WDM设备采用32（40）波城域波分复用（WDM）光分插复用（OADM）设备。
　　但是，考虑到大多数大中型城域网面临着复杂的组网环境及短距离的特征，城域DWDM技术在很多大中型城市的城域骨干层并不是最好的选择。
　　CWDM技术由于其低价、结构简单、灵活多样的特点，使之特别适合我国绝大部分地区的城域网建设需要，它既可以应用在东南部沿海城市的区级的核心网络，更有机会在西部大开发的中小城市的城域网建设中找到自己的用武之地。CWDM具有与DWDM技术一样的多业务接入和组网灵活的特性，把CWDM传输系统和高性能路由交换机连接起来就可以构成宽带IP城域网，也可以把CWDM传输设备直接与路由交换机相连，由路由交换机直接驱动光传输设备。路由交换机对各波长和数据流都可以进行分/插。IP over  CWDM宽带IP城域骨干网与100/1000Mbit/s以太接入网可以无缝连接，中间不需要格式转换，同时，可以便宜高效地实现100/1000Mbit/s接入速率的宽带IP城域网。

三、城域网WDM技术发展
　　目前在城域网中应用的WDM系统主要是帮助解决光纤资源紧张及容量的问题，其不足之处在于不能非常灵活的接入多样化的业务，此外，不支撑动态配置波长，实现光层网络恢复。总的来说，城域网技术发展主要从两个方面考虑：
　　城域网可采用IP over WDM技术，采用GE帧直接  over WDM。以太网复用器可将N路GbE以TDM方式合成一路传输，这种帧格式实现简单，而且，由于这种可变速率格式的速率要求对光纤性能要求不高，也可以应用一些性能下降的旧光纤。此外，传输采用WDM技术，路由器采用N×GbE端口较SDH端口便宜得多。
　　采用由波长路由器（光交换机）和WDM系统构成的智能光网核心网和设置在边缘的以太网路由器构成的宽带城域网。在核心光网上采用以太网帧传输，边缘则为10GbE或GbE以太网。这种核心网可以采用网状网结构，采用MPLmS协议等提供QoS和流量工程，这样可以减少对电路由器性能要求的压力，提供更高的性能。
　　采用子速率带宽配置技术，充分利用每个波道的容量。由于城域网波长资源有限，单纯承载小颗粒业务对带宽的利用率不高，所以城域WDM系统采用T-MUX（透明复用）方式，将子速率带宽（也即小颗粒业务信号）进行“捆绑”传送。目前应用较多的是4x2.5G→10G、2xGE→2.5G、8xGE→10GE、8xFE→GE、8x155M+2x622M→2.5G等透明复用接口。这样，可以大幅降低投资及运营成本，城域网中业务复杂多样性的问题得到了根本的解决。
　　如果大家考虑到网络的可管理、可运营以及城域网的恢复机制，就不能不谈到ASON（自动交换光网络）。传统意义上的OXC仅仅具有静态网络配置的能力，主要靠网管系统进行调配，无法适应日益动态的网络和业务环境，特别是随着IP业务成为网络的主要业务量后，由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求将越来越迫切，网络急需实时动态配置能力，即智能光交换能力。为了能够建立一个智能化的传输网络，必须在过去传统的传输网中引入交换信令的概念。ASON(也称ASTN)便是大家目前所能够实现的智能传输网络协议，其实质就是在传输网中引入动态交换。ASON允许将网络资源动态地分配给路由，具有恢复和复原能力，使网络在出问题时仍能维持一定水准的业务，特别是具备分布式恢复能力，可以实现快速业务恢复；ASON还可将光网络资源与数据业务分布自动联系在一起，形成一个响应快和成本低的光传送网；同时，ASON还可以提供大量新的业务类型，诸如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、按使用量付费、光拨号业务、动态路由分配、光层虚拟专用网等。
　　可以预计，随着全网业务的迅速数据化，特别是宽带IP业务的快速发展，ASON将不仅可以提供巨大的网络带宽，而且可以提供可持续发展的动态网络结构、有保证的性能以及低价的成本来支撑当前和未来的任何业务和信号，成为支撑下一代电信网的最灵活有效的基础设施和新的波长业务的直接提供者。显然，ASON最终将成为光网络也是城域光网络演进发展的最高境界。
　　随着城域WDM技术的发展，在建设城域传输网时，对于城域网技术的选择及应用可以根据需要考虑：
　　城域网建设采用WDM技术的初始目的在于解决城域网枢纽点光纤资源紧张的问题，因此，城域网建设的第一步是通过建设点到点系统解决光纤紧缺。第二步是逐步建设自动配置的OADM形成光自愈环，此时的WDM网开始具有简单的光层联网功能，节点可以根据组网的需要插入或分路一组选择的波长。将现有的SDH自愈环业务汇聚到光自愈环，从线形系统开始不中断业务的升级到自愈环。在核心节点设置并行式OADM（背靠背WDM TM），增加新波长时，无须对整个网络重新进行工程调整。第三步是引入OXC互连大量的光自愈环形成光网状网结构，在核心节点进行波长转换，从而带来网状网结构的大量好处，还能提供端到端波长业务。支撑点到点、环和网状网，可动态在线增加波长和节点。在网状网中增加新的线路，无须对整个网络重新进行工程调整。网状网便于今后实现全光的环间互联，能更有效地用于保护的网络资源，将来为了实现网状网的保护和动态连接，可在核心节点加入光交换机。最后，在合适的阶段，依靠光交换及路由技术的发展，在OXC的基础上引入自动交换光网络，进一步实现动态分配部署波长通路，以适应IP业务量的需要，从而实现城域全光网。