高速光傳送網(wǎng)的發(fā)展及應(yīng)用研究

李 鷹，陳 巖

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

全業(yè)務(wù)運營及全網(wǎng)IP化，帶來了業(yè)務(wù)量的急劇增加和運營模式的新變化，高帶寬、大容量、分組化已成為城域傳送網(wǎng)最為突出的需求，傳統(tǒng)的SDH、MSTP已不能適應(yīng)新形勢的發(fā)展要求。在業(yè)務(wù)IP化和高帶寬等需求的驅(qū)動下，OTN、PTN 技術(shù)應(yīng)運而生，且越來越受到人們的關(guān)注。文中圍繞通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，對光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展進行了跟蹤，對新一代高速光傳送網(wǎng)的優(yōu)勢、發(fā)展、應(yīng)用進行了研究和論述，并就其如何解決和應(yīng)對人們對帶寬的“無限渴求”，以及“光纖耗盡”等問題進行了探討。

1 光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其發(fā)展概述

（1）SDH技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展

隨著IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐漸成為全網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)逐漸向分組網(wǎng)特別是IP網(wǎng)演進。作為支持電路交換方式的SDH的TDM結(jié)構(gòu)將越來越不適應(yīng)未來業(yè)務(wù)的發(fā)展，表現(xiàn)在:其一、傳統(tǒng)的SDH光網(wǎng)絡(luò)主要是適應(yīng) TDM 業(yè)務(wù)的傳送，在處理傳送帶寬可變的分組業(yè)務(wù)時顯得力不從心；其二、受電子瓶頸的影響，SDH技術(shù)在核心網(wǎng)向更高速率發(fā)展的應(yīng)用減緩；其三、SDH與DWDM/OTN的疊加應(yīng)用，增加了網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)。

目前的市場、帶寬需求和技術(shù)發(fā)展都已顯示，SDH的作用和角色將會發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變，SDH技術(shù)將逐步向網(wǎng)絡(luò)邊緣轉(zhuǎn)移。鑒于網(wǎng)絡(luò)邊緣復(fù)雜的客戶信號特點，SDH必須從純傳送網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭魉途W(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)一體化的多業(yè)務(wù)平臺。

（2）WDM、OTN的提出和應(yīng)用

未來需要一個更經(jīng)濟、大容量、高生存性和靈活性的的光網(wǎng)絡(luò)，基于電路交換、時分復(fù)用的SDH網(wǎng)絡(luò)顯然不能滿足未來網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。而基于WDM的OTN系統(tǒng)，通過在光域的復(fù)用方式解決了經(jīng)濟、大容量問題，通過對網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的引入解決了高生存性和靈活性等問題，由此可見，基于WDM的OTN網(wǎng)絡(luò)是未來核心網(wǎng)應(yīng)用和發(fā)展的主要技術(shù)體系。

（3）網(wǎng)絡(luò)演進過程

核心網(wǎng)從基于SDH和WDM的傳送網(wǎng)演進到未來基于OTN的傳送網(wǎng)，是傳送網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。但是，對于目前已具有大量SDH網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的光傳送層網(wǎng)絡(luò)，要完成這一演進將是一個循序漸進的過程。第一步:重疊模型，即客戶-服務(wù)者模型，該種模式由于最適合傳統(tǒng)的已具有大量 SDH網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施而同時又需要支持分組化數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)運營商，成為目前主流的模式；第二步:集成模型，即對等模型或和混合模型，該種模式實現(xiàn)了客戶層網(wǎng)絡(luò)和光傳送網(wǎng)統(tǒng)一的路由協(xié)議、地址結(jié)構(gòu)和相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是未來的發(fā)展目標(biāo)。

2 光傳送網(wǎng)技術(shù)體系概述

根據(jù) G.872建議，光傳送網(wǎng)分為光通道層、光復(fù)用段層、光傳輸段層、光媒質(zhì)層[1]，如圖1所示。

圖1 光傳送網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)

光通道層為來自點復(fù)用段不同格式的客戶信號選擇路由和波長，為靈活的網(wǎng)絡(luò)選路安排光通路連接，為透明地傳遞各種不同格式的客戶層信號的光通路提供端到端的聯(lián)網(wǎng)功能[2]。處理光通道開銷，提供光通道層的檢測、管理功能，提供端到端的連接。并在故障發(fā)生時，通過重新選路或直接把工作業(yè)務(wù)切換到預(yù)定的保護路由來實現(xiàn)保護倒換和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。

光復(fù)用段層負(fù)責(zé)保證相鄰兩個波長復(fù)用傳輸設(shè)備間多波長復(fù)用信號的完整傳輸，為多波長信號提供網(wǎng)絡(luò)功能。其主要功能包括:為靈活的多波長網(wǎng)絡(luò)選路重新安排光復(fù)用段功能；為保證多波長光復(fù)用段適配信息的完整性處理光復(fù)用段開銷；為段層的運行和維護提供復(fù)用段的檢測和管理功能。

光傳輸段層為光信號在不同類型的光媒質(zhì)上提供傳輸功能；進行光傳輸段開銷處理以便確保光傳輸段適配信息的完整性；同時實現(xiàn)對光放大器或中繼器的檢測和控制功能等。

光媒質(zhì)層支持整個光傳送網(wǎng)，是傳輸段層的服務(wù)者。光傳輸段層與光媒質(zhì)層通常會涉及以下問題:功率均衡問題、EDFA增益控制問題、色散的積累和補償問題。

光傳送網(wǎng)技術(shù)具有以下優(yōu)勢，包括:

（1）多種客戶信號封裝和透明傳輸

OTN可以支持多種客戶信號的透明傳送，其采用的異步映射模式保證了客戶信號定時信息的透明傳輸。

（2）大顆粒調(diào)度和保護恢復(fù)

高速率的交叉顆粒具有更高的交叉效率，使得設(shè)備更容易實現(xiàn)大的交叉連接能力，降低設(shè)備成本。

（3）完善的性能和故障監(jiān)測能力

OTN引入了豐富的開銷，具備完善的性能和故障監(jiān)測機制。

（4）引入 FEC機制，提高了編碼增益，實現(xiàn)更長距離的傳送。

總之，高速光傳送網(wǎng)作為能夠提供大容量傳輸、大顆粒交叉、完備管控功能的網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)在乃至未來骨干、核心網(wǎng)的主要趨勢。

3 需求性分析

光傳送網(wǎng)技術(shù)體系是以WDM技術(shù)為基礎(chǔ)，在光層進行組網(wǎng)，由光層和電層組成，光、電層網(wǎng)絡(luò)都具備各自的監(jiān)控、管理能力，該體系具有較好的網(wǎng)絡(luò)生存性，具備完善的OAM 功能、及良好的故障監(jiān)測性能。

光傳送網(wǎng)作為一種先進的傳輸技術(shù)，可以解決現(xiàn)代及未來通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨的簡化結(jié)構(gòu)、帶寬擴展、靈活調(diào)度等方面的技術(shù)難題，具體包括:

（1）海量接入及帶寬擴展問題

在通信領(lǐng)域，伴隨著以IP為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅猛增長，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求也隨之不斷增加。而目前廣泛應(yīng)用的基于電路交換，單波長傳輸?shù)腟DH網(wǎng)絡(luò)，其傳輸速率受電子瓶頸的影響，已趨近上線，大規(guī)模擴容的出路正逐步轉(zhuǎn)向光的復(fù)用方式。OTN通過引入WDM技術(shù)，在一根指定的光纖中，多路復(fù)用單個光纖載波的緊密光譜間距[3]，從而在有限的物理資源上實現(xiàn)了有效的擴容。目前，基于WDM的OTN技術(shù)體系在商用通信領(lǐng)域逐步被推廣。

（2）簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

IP業(yè)務(wù)是現(xiàn)在以及未來通信網(wǎng)絡(luò)主要的業(yè)務(wù)類型，WDM/OTN是解決帶寬問題的主要手段。由于IP業(yè)務(wù)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，WDM/OTN是物理層，IP業(yè)務(wù)不能直接在WDM/OTN網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸，需要經(jīng)過中間的數(shù)據(jù)鏈路進行適配，再放到WDM/OTN上面進行傳輸，從而構(gòu)成了從IP到WDM/OTN的多層協(xié)議棧，目前，IP業(yè)務(wù)適配到WDM/OTN的映射途徑[4]如圖2所示。

圖2 IP業(yè)務(wù)適配到WDM/OTN的映射途徑

目前普遍認(rèn)為簡化IP到WDM/OTN的適配過程是未來網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下好處:

1）避免了在SDH/SONET/ATM 設(shè)備上所花費的開銷。

2）結(jié)合光層和 IP層的路由功能，提供動態(tài)的波長路由。

3）結(jié)合光層和IP層的恢復(fù)功能，提供類似SDH的恢復(fù)性能，滿足目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。

綜上，SDH技術(shù)雖然在現(xiàn)實中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是也證實它們不是適配層最合適的選擇，需要尋找新的適配層技術(shù)。目前比較流行的方案有多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）和數(shù)字包封器兩種。

由此可見，去掉多協(xié)議層的SDH/SONET、ATM，簡化IP到WDM/OTN的適配過程，是未來的發(fā)展趨勢。

（1）提高傳輸距離

WDM/OTN的引入，可以使電再生中繼距離從目前的幾百公里擴展到幾千公里，從而消除大量的電再生中繼器，大大降低網(wǎng)絡(luò)的維護運營成本。此外，OTN通過引入FEC機制有效改善了系統(tǒng)誤碼性能，在同等物理傳輸條件下，大大提升了傳輸距離。

（2）提升光傳送層的組網(wǎng)能力，實現(xiàn)靈活調(diào)度，維護便利

OTN技術(shù)體系可實現(xiàn)任意級聯(lián)、虛擬容量、虛環(huán)保護和網(wǎng)狀恢復(fù)，其組網(wǎng)方式包括鏈狀、環(huán)裝、網(wǎng)狀組網(wǎng)，具有靈活易擴展的特性，通過光路由和信令協(xié)議可實現(xiàn)分布式智能，支持帶寬抽象概念，帶寬和物理網(wǎng)絡(luò)分離，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)帶寬分配和調(diào)整。上述特點，使光傳送層具備強大的組網(wǎng)能力，以及靈活調(diào)度能力。

綜上所述，現(xiàn)代及未來通信網(wǎng)絡(luò)要具備結(jié)構(gòu)簡化、海量接入、帶寬擴展、靈活調(diào)度等現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)強大的傳輸組網(wǎng)能力，對光傳送網(wǎng)及OTN技術(shù)體制的引入是十分必要的。

4 光傳送網(wǎng)組網(wǎng)應(yīng)用及發(fā)展

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，光傳送網(wǎng)將沿著“干線網(wǎng)—＞本地網(wǎng)/城域網(wǎng)—＞接入網(wǎng)/用戶駐地網(wǎng)”的次序逐步滲透。目前，OTN作為一種光電聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，其優(yōu)勢在于大顆粒業(yè)務(wù)的靈活調(diào)度，對接入?yún)R聚層小顆粒業(yè)務(wù)處理能力有限，其主要定位于網(wǎng)絡(luò)中的核心骨干層，隨著未來業(yè)務(wù)量的高速發(fā)展將會逐步下沉。3G、LTE的大規(guī)模部署，使PTN/IP RAN在現(xiàn)網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在IP化基站、大客戶專線等小顆粒業(yè)務(wù)的靈活接入和匯聚，而對大顆粒業(yè)務(wù)的傳送能力卻存在不足。因此在城域核心、匯聚層會出現(xiàn)OTN與PTN/IP RAN的疊加網(wǎng)絡(luò)。

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪砜矗鈧魉途W(wǎng)將沿著“點到點鏈—＞環(huán)—＞多環(huán)— ＞網(wǎng)狀網(wǎng)”的方向發(fā)展。首先，為了滿足日益增長的帶寬需求，當(dāng)廣泛應(yīng)用的SDH系統(tǒng)使已鋪設(shè)的光纖很快耗盡時，大容量的DWDM技術(shù)將以點對點的方式被大量引入。在此基礎(chǔ)上，為了進一步提高網(wǎng)絡(luò)運維能力，又將逐步引入OADM構(gòu)成鏈形和環(huán)形光網(wǎng)絡(luò)，并進一步采用靈活的可編程OADM甚至OXC將多個單環(huán)連成多環(huán)光網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬及智能化的發(fā)展需求，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的配置將限制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的進一步擴展，光傳送網(wǎng)將向能夠進行靈活有效配置的全光網(wǎng)狀網(wǎng)發(fā)展。光網(wǎng)絡(luò)靈活性將按“靜態(tài)—＞半動態(tài)— ＞動態(tài)”的方向逐步推進。

綜上所述，伴隨通信網(wǎng)絡(luò)向IP化的演進，新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與解決方案紛紛涌現(xiàn)，光網(wǎng)絡(luò)將成為各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與方案相互競爭、相互融合、向未來共用通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的綜合傳送平臺。基于WDM的光傳送網(wǎng)目前正在進入實用，關(guān)鍵的光器件技術(shù)發(fā)展很快；隨著 IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，光傳送網(wǎng)與 IP技術(shù)的結(jié)合越來越緊密；光傳送網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢將是適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的光分組交換網(wǎng)。

總之，未來寬帶組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展一定是骨干和核心盡量多的使用快速的光子技術(shù)，邊緣多使用靈活的電子處理；電路交換和分組交換不會排斥，而是要相互結(jié)合，互為補充；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一定是選路和交換的綜合；交換形式一定是分組、波長、波長組和整個光纖以及光纖組等不同交換粒度的混合交換；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不斷被增強和擴展；服務(wù)質(zhì)量越來越有保證等等。

5 結(jié)語

總之，高速光傳送網(wǎng)將以其大容量、多類型接入，大顆粒調(diào)度，有效的保護恢復(fù)機制[5-6]，完善的性能和故障監(jiān)測能力等特性，成為未來城域傳送網(wǎng)的發(fā)展趨勢，為網(wǎng)絡(luò)層次扁平化，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度高效化，以及降低網(wǎng)絡(luò)投資，提升運維效率，提升業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量提供有效的解決方案。

[1]鄧忠禮.光同步傳送網(wǎng)和波分復(fù)用系統(tǒng)[M].北京:北方交通大學(xué)出版社,清華大學(xué)出版社,2003.

[2]劉國輝.光傳送網(wǎng)原理與技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004.

[3]武文彥.光波分復(fù)用系統(tǒng)與維護[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[4]吳健學(xué),李文耀.自動交換光網(wǎng)絡(luò)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004.

[5]王曄,苗臣冠.新一代傳送網(wǎng) OTN[J].通信技術(shù),2009,42(05):152-154.

[6]王云,曾慶濟,楊旭東.光傳送網(wǎng)的一體化網(wǎng)管研究[J].通信技術(shù),2002(01):30-34.