波分復用(WDM)和光傳送網(wǎng)(OTN)淺談

  本文轉載自微信公眾號“光通信充電寶”，作者馮振華博士，訊石經(jīng)允許略作刪改。

  ICC訊 波分(WDM)和傳送(OTN)是我們經(jīng)常提及的話題，那么波分和傳送到底什么關系呢？今天簡單聊聊。

  一、WDM

  顧名思義，WDM即波分復用技術，是將多個不同波長(或頻率)的調(diào)制光信號(攜帶有用信息)在發(fā)送端經(jīng)復用器(也叫合波器，Mux)合路到一起送入光線路(光纖傳輸鏈路)的同一根光纖中進行傳輸，在接收端用解復用器(也叫分波器，demux)將不同波長信號分開接收的技術，原理圖見圖1。一個波分系統(tǒng)包含很多的功能單元，如光轉發(fā)單元(OTU)，用于轉發(fā)客戶側數(shù)據(jù)業(yè)務到線路側的光口；光合波單元(OMU)和光分波單元(ODU)，分別用于將多個波長光信號合并和分開;以及光功率放大器(OBA)，光線路放大器(OLA)和光前置放大器(OPA)，分別用于發(fā)端，鏈路，和接收端光信號放大。當然還應該包括光監(jiān)控信道(OSC)，完成業(yè)務和鏈路的監(jiān)控以便網(wǎng)絡管理和維護。

圖1. WDM系統(tǒng)組成框圖

  如果說WDM的本質(zhì)是頻分復用(FDM)，可能還是不好理解，不如用圖2的多車道的高速公路來類比WDM系統(tǒng)好了。

圖2. 多車道高速公路與WDM系統(tǒng)類比

  要保證交通順暢，標識并區(qū)分不同車道，讓不同的車各行其道是必須的。與公路交通類似，WDM系統(tǒng)也需要相應的規(guī)則，最重要的就是波長頻點的劃分了。原則上WDM分為兩種，CWDM(粗波分)和DWDM(密波分)，前者波長間隔較大，一般為20nm，而后者間隔小，一般小于0.8nm。具體每個波長信道的中心波長也有相應的規(guī)定，也就是常說的C80,C96,C120等，對應為C波段的80波，96波，120波50GHz間隔WDM系統(tǒng)。另外，OSC監(jiān)控信道波長一般不與信號波長范圍重疊，約在1510nm處。顯然，相比于之前的時分復用(TDM)，WDM技術的出現(xiàn)是具有劃時代意義的。WDM系統(tǒng)具有以下方面的優(yōu)勢：

  — 高容量：可以充分利用光纖巨大帶寬資源，使傳輸容量比單波長增加幾十上百倍;

  — 低成本：在大容量長途傳輸時節(jié)省大量光纖和3R再生器，傳輸成本顯著下降;

  — 保護投資：在網(wǎng)絡升級和擴容時，無需對光纜線路進行改造，增加波長即可開通或疊加新業(yè)務;

  — 透明性：與信號速率、調(diào)制格式無關，方便引入大帶寬新業(yè)務;

  — 波長路由：利用WDM選路可以實現(xiàn)網(wǎng)絡交換和恢復從而實現(xiàn)未來透明全光網(wǎng)絡。

  既然WDM技術這么好，那它跟以往的業(yè)務是什么關系，對以后的光傳輸網(wǎng)絡會有什么影響呢?還是看圖說話吧。

圖3. WDM與其它業(yè)務的關系。

       如圖3所示，WDM不過是建立在光層之上，通過具體的接口來承載不同類型的業(yè)務罷了，具體的業(yè)務在WDM上適配情況如圖4所示。

圖4. WDM支持廣泛的業(yè)務接入

  不過這是早期時候的網(wǎng)絡，那時運營商的主要業(yè)務還是語音業(yè)務，數(shù)據(jù)較少，SDH傳送占主導。SDH作為承載TDM類型業(yè)務的技術，設備效率低，成本高，越來越不適應以數(shù)據(jù)業(yè)務為主體的IP類型網(wǎng)絡，業(yè)界急需一種簡化的代成本，便于維護的新型傳輸網(wǎng)，適合傳輸IP業(yè)務。這也就導致了后來IP over WDM網(wǎng)絡轉變之說。如圖5所示，在WDM上借鑒SDH技術，也就是后來的新傳送網(wǎng)，即OTN了。

圖5. IP over WDM網(wǎng)絡架構轉變

  二、OTN

  光傳送網(wǎng)(OTN)，可以簡單的理解為OTN是將SDH 強大完善的OAM的理念和功能移植到了WDM 光網(wǎng)絡中。具體來講，OTN是一種通過引入電域子層，為客戶信號提供在波長/子波長上進行傳送、復用、交換、監(jiān)控和保護恢復的技術。同時在電層逐步Packet化，實現(xiàn)基于包、VC以及ODUk交叉的功能實體。事實上，OTN的物理基礎在鏈路上還是依賴于WDM技術了，又像SDH那樣引入封裝和開銷管理，提高管理和互通能力，對波長/子波長進行交叉連接提高組網(wǎng)、保護和調(diào)度能力。簡言之，OTN其實就是IP化的WDM再加上光、電交叉功能，更多強調(diào)的是一種節(jié)點技術，如下圖所示。

圖6. OTN節(jié)點為技術示意圖

  繼續(xù)以道路交通來對比OTN和WDM技術，如圖7所示。WDM類似于高速公路，提供超大容量，超高速，超長距離的傳送能力，而OTN則更像是有立交橋的高速公路，提供靈活的切換、上下，解決流量調(diào)度問題;網(wǎng)絡中的控制平面和網(wǎng)管系統(tǒng)就對應了道路交通中的紅綠燈和交管系統(tǒng)。

圖7. WDM (左)和OTN (右)的道路交通類比示意圖

  跟WDM對應的ITU-T波長規(guī)范類似，OTN技術有也很多相應的規(guī)范，主要還是以G. 開頭的ITU-T協(xié)議，見圖8，不同的數(shù)字對應了不同類型的規(guī)范，如網(wǎng)絡架構，設備功能，保護倒換，物理特性，幀結構、開銷、映射編碼等。

圖8. OTN技術相關的協(xié)議規(guī)范

  除去上述規(guī)范中的一些細節(jié)，OTN中的關鍵創(chuàng)新和主要技術其實就是就只有四個：a)幀結構(映射、封裝、開銷)，b)支線路分離，c)ROADM，d)保護倒換。下面具體地稍加說明。

  a) 幀結構

  如下圖所示，OTN將整個光層分為光通道層(OCH),光復用段層(OMS),光傳輸段層(OTS)。它們在光網(wǎng)絡中分別對應的范圍如圖1，OCH指的是端到端的OTU之間部分，OMS指的是OMU和ODU之間，OTS指OLA與OLA之間。其中光通道層又分為三個子層：光通道數(shù)據(jù)單元(ODUk),光通道傳送單元(OTUk)及光通道凈荷單元(OPU)。

圖9. OTN封裝的幀格式示意圖

  如上圖所示，不同的子層，復用段之間都可能會增加一些幀頭開銷用于管理和監(jiān)控，甚至還會增加FEC糾錯編解碼，實現(xiàn)更好的容錯抗干擾。對于不同速率的OTU信號(k=0表示1G,k=1表示2.5G,k=2表示10G,k=3表示40G)，OTN幀結構和尺寸相同，都是4x4080字節(jié)，只是幀的周期不同。正是這些獨特的幀結構和豐富的開銷，成就了OTN強大的管理能力。

  b) 支線路分離

圖10. 支線路分離的光轉發(fā)單元

  作為OTN的核心之一，是引入子波長層面的電交叉：將傳統(tǒng)收發(fā)合一的OTU拆分成線路側與支路側(客戶側)，中間填充了OTN交換單元。這樣帶來的好處是業(yè)務側保持大顆粒和大的交叉粒度，(1~40G),還實現(xiàn)了業(yè)務的解耦，避免統(tǒng)一的交叉粒度。同時業(yè)務接口變化時只需改變接口盤，將OTU種類由MxN降為M+N，極大減少了單盤備件種類。省去了SDH設備，但仍保持了類似的保持能力。

  c) ROADM

圖11. 多維度可重構分插復用器(ROADM)

  作為全光網(wǎng)的重要基礎，OADM(光分插復用器)用來實現(xiàn)波長的上下話。主要有兩種，固定分插復用器(FOADM)和可重構分插復用器(ROADM)。很明確，相比于FOADM,如圖11所示的ROADM可以實現(xiàn)任意波長輸入，任意端口輸出，具有方向無關，波長無關，無沖突、靈活帶寬，即(CDC-F)的特征。ROADM的出現(xiàn)，使得遠程靈活配置波長上下，快速開通業(yè)務，自由升級擴容，多維度波長調(diào)度，多波道功率均衡成為可能，極大地增加了光網(wǎng)絡的靈活性，并降低運維成本。 當前最新ROADM技術已經(jīng)可以支持最高32維度，Pbit級別的超大容量交叉，并且全光背板技術的出現(xiàn)極大降低了內(nèi)部連纖的難度。

  d)保護倒換

  OTN保護分為設備級保護和網(wǎng)絡級保護，一般說的保護指的是網(wǎng)絡級保護，它又可以分為光層保護和電層保護，具體地又可再細分為以下多種不同的保護方式，見圖12和13所示。

圖12. OTN 光層網(wǎng)絡級保護

圖13. OTN電層網(wǎng)絡級保護

  不同的保護方式的特點和應用場景也略有些區(qū)別，見下表。所謂保護就是在單盤或線路上做冗余備份，倒換通常就是多發(fā)或并發(fā)選收了。

表1. 不同保護方式及應用場景

  當然業(yè)務質(zhì)量要求越高，保護倒換要求也高，網(wǎng)絡也越復雜，網(wǎng)絡可靠性增強，但成本也會更高，如圖14所示。

  三、最后展望未來

  在過去十年，相干檢測技術推動了光網(wǎng)絡的發(fā)展，讓光系統(tǒng)滿足網(wǎng)絡流量的增長，實現(xiàn)更低的每比特成本。相干檢測的時代尚未結束，并將日臻成熟。因此，供應商及其客戶必須不斷創(chuàng)新，降低光系統(tǒng)的總體擁有成本(TCO)。未來幾年OTN的發(fā)展趨勢包括：更高速率(100G到200G甚至400G)、硬件簡化和先進的運營、管理和維護(OA&M)功能。OTN下沉，城域邊緣接入與傳送網(wǎng)的融合也可能是一個趨勢。

       只有為運營商、數(shù)據(jù)中心客戶帶來價值，降低 TCO，設備商才有豐厚的回報。當然前提是設備能提高傳輸效率，降低硬件復雜度和功耗，智能算法提升網(wǎng)絡運營效率。

  參考來源：

  https://wenku.baidu.com/view/eb68d08408a1284ac9504307.html?fr=search

  http://www.pinlue.com/article/2019/10/2412/229733535040.html

  https://wenku.baidu.com/view/791d1866b84ae45c3b358c11.html

  https://wenku.baidu.com/view/24399a56a517866fb84ae45c3b3567ec102ddc69.html?rec_flag=default&sxts=1590317081239

  https://wenku.baidu.com/view/0fd28e67c950ad02de80d4d8d15abe23482f03f1.html?rec_flag=default&sxts=1590315175785

  https://wenku.baidu.com/view/f722671384254b35eefd34eb.html