马利然 卢燕飞 北方交通大学
摘要：网络和数据业务的高速发展，使城域传输网的建设成为运营商争取终端用户、把握经营机遇的焦点。与以往相比，宽带城域网的内涵、产品技术和建设已有较大的发展。本文重点介绍了新一代DWDM宽带城域网。
关键词：密集波分复用 城域网
城域网的基本概念
现在城域网(MAN)的概念已延拓到电信网络领域。电信运营商的城域网络可以泛指该运营商在某城市范围内提供电信业务的所有网络。而宽带城域网主要指有别于PSTN、能在某城市范围内提供宽带数据及多媒体业务的网络。
城域网是核心骨干网与本地用户接入系统的关键连接。它以宽带光传输为开放平台,通过各类网关实现话音、数据、图像、多媒体、IP接入和各种增值业务及智能业务,并与各运营商长途网互通的本市(地)综合业务网络。作为数据骨干网和长途电话网在城域范围内的延伸覆盖,城域网承担着集团用户、商用大楼、智能小区的业务接入和电路出租任务,具有覆盖面广、投资量大、接入技术多样和接入方式灵活的特点。
城域传输网的规划应充分考虑到业务需求：宽带城域网80％左右的应用业务都将基于IP承载,而城域传输网至少能够满足两类IP业务需求：一类是对QoS要求较高的企业互联业务和实时视频业务,另外一类是对QoS要求较低的 Internet网上业务。
传统的城域网
传统电信城域网采用SDH系统,以TDM方式提供专线来构成城域网。随着骨干核心网带宽的飞速增长和另一侧用户端各种先进接入技术的引入,使得这种成本高、带宽有限、建设周期长的系统,远不能满足新一代城域网对带宽的要求。SDH技术毕竟是PSTN时代的产物,所以SDH系统主要是针对系统的语音信号设计的。它是一种电路模式传送技术,非常适合传送64Kbit/s的话音业务和提供以2M为单位的固定速率电路,但基于时隙结构的SDH不具备无级动态带宽分配特性,用来传输数据业务时导致网络效率低下且难以适应业务的突发性与速率可变性特点。例如：使用传统的SDH系统的ADM ,两个千兆以太网的连接会占用一个完全的2.5 Gb/s OC-48。浪费了500 Mb/s 的光纤容量。所以SDH并不是数据业务的理想传送模式,而且SDH设备的接口类别少,难以满足数据网络发展的需要。
要能使信息量庞大的视频、数据等信息,尤其是实时性要求很高的视频信息也能在该系统上快速、高效地传输,同时保证较好的QoS,SDH还有许多问题需要解决。例如：如何保证语音和视频信息的QoS；如何以一种统一的数据格式传输各种信息；如何进行复杂、灵活的网络管理；如何保证技术实现的低成本等。而且骨干通信网络速度的大幅度提高,以及用户对接入带宽需求的不断增加,对城域网提出了更高的要求。利用SDH等传统电信网构建城域数据通信网络以及接入Internet的方式已经不能满足人们对高速、低价网络服务的需求。
DWDM城域网
1、城域DWDM系统的结构
城域光网络要实现对各种业务的承载,因此在这种网络中以环形网最为普遍。
DWDM城域网的一种基本结构是DWDM自愈环结构(图1),其中DWDM自愈环又可按照不同的特性分为不同的类型。按照环中信号的传输方向,自愈环分为单向环和双向环两种；按照环路出现故障时的业务恢复媒介,DWDM自愈环既可以采用备用光纤,又可以采用备用波长方式；按照环路保护机制,DWDM自愈环分为1+1环路保护、1∶1保护和1∶N保护环路等。此外当传输SDH业务时,还必须协调DWDM保护机制和SDH保护机制的重复和冲突问题。各种类型的DWDM自愈环各有优缺点,在实际应用中必须根据具体的情况选择合适的方案。
如果SDH/SONET的ADM之间已经有TDM的保护,那么光层的保护就不需要了；相反,IP路由器的业务恢复需要保护,因为像BGP4(Bolder Gateway Protocol,version4)和0SPF(0penShortestPathFirst)这样的路由协议,路由表的更新相当的慢,这时就需要光层的保护,如果ATM交换机之间的业务是由半永久性虚连接的,就可以在ATM层进行恢复。此时,可能就不需要光层的保护。
在DWDM自愈环城域网结构中,OADM(光分插复用器)是最关键的部件。它的作用是在DWDM环路中灵活地添加分离波长。
2、城域DWDM系统的关键技术
为满足上面的网络要求,在业务节点处必须提供以下主要功能:
●必须从通过本节点的所有波长中有选择性地下载所需的波长(λ1λ2,……λk),也可以有选择地入本地支路。
●在新增加的业务进入骨干网以前,它必须转换携带新业务的不兼容的波长(λ1λ2,……λm)到兼容的波长上去。
●它必须提供合理足够的功率预算以便能够适应足够大的信噪比等。
在这个参考模型中,可编程的分插复用器(OADM)是一个核心部件。尽管城域网络的传输距离比较短,但由于城域网中使用了大量的分插复用器(OADM),每个分插复用器引入了一定的损耗,所以在城域网中往往必须使用光放大器(OA)。在宽带的光放大器(OA)和OTU的许可下,OADM有选择性地上下任意一个波长,而不管该波长承载什么样的速率。信号格式和协议。下面将这几个部件的功能和特点简述如下：
(1)光放大器OA
由于多数波分复用器件是无源的而且损耗比较大。所以就必须用OA来补偿这些器件引起的损耗。除了对直通的光波长进行放大之外,对上下的波道同样要进行放大。但是,必须记住,OA是比较昂贵的器件,所以在城域网中用得越少越好。考虑到城域环的重要特性,OA必须具有下面一些特性,比如：
●低噪声：因为一些波长可能经过环中的很多级联的光放大器,噪声和损伤会积累。
●每波道的自动增益控制。
●带宽：OA的带宽必须覆盖整个波道的总带宽。
●增益平坦性。
(2)光波长转换单元OTU
OTU是将不标准的波长转换为标准的波长以便在整个网中交换和传送。OTU在光信号恶化的情况下执行再生功能。OTU的另外一个重要功能是开销处理。它从信号中提取数字开销并且处理。因为OTU可以接触电信号,所以它很容易进行开销处理。现在0TU大多是光电0TU。下一代光网络中OTU将是全光的。现在的全光OTU还不能进行开销处理。
(3)光分插复用器OADM
可编程的OADM必须具有可以逾过远程监控在任何两个节点之间传送所有波长的能力。在城域这种对费用相当敏感的区域,必须通过认真的技术选择和合理的OADM结构设计来满足这种要求。最常用的一种OADM结构就是背靠背的连接结构,含多波道的光信号通过光解复用器分成各个波长支路(这种光复用和解复用器已经大量商用),然后经过光交叉矩阵。在这种结构中,由于引入了光复用和解复用器,损耗较大,所以有时有必要用外部的光放大器来进行补偿。否则的话,如果对一个直通的信号经过若干次这样的装卸,信号将会严重恶化。而且,还必须考虑滤波器的带宽和其他波道的串扰和影响。最经济有效的实现OADM的方式应该仅仅对上下波长进行处理,对直通的波长尽量不要影响。这就需要一种可调(tunable/switchable filters)的滤波器仅仅对要下路的波长进行解复用。迄今为止,各种不同的OADM结构在世界各地的实验室陆续出现,许多即将商用化。采用一种合适的而且价格便宜的OADM来构建城域DWDM光网络是发展的必然。
3、DWDM城域网的光纤的选择
建设好DWDM城域网关键之一是要选择合适的光纤类别。城域网光缆一般都是采用常规的G．652光纤,随着城域传输速率的不断提高和工作波长移到低损耗区1550nm,G．652光纤的色散问题变得突出,虽然对于10Gbit/s的信号,使用G．652光纤时理论上能传输50km以上,基本上能满足城域点对点的传输要求,但对设备光口的要求已经较严格,设备的造价较高,而且将来发展城域DWDM全光网络时,城域光通道的路由距离有可能达到上百公里,在此情况下必须使用色散补偿手段,而这又是以设备造价的提高为代价的。如果速率提高到40Gbit/s,使用G．652光纤实际上已无法工作。零色散位移光纤(G.653光纤)能很好地解决色散问题,但是在G.653光纤上采用DWDM技术时似波混频等非线性效应的影响非常严重,因此适合DWDM系统应用的非零色散位移光纤(G．655光纤)应运而生,G.655光纤在长途干线上已广泛部署,已成为长途光缆建设中的主要选择。由于目前城域传输系统主要还是工作在1310nm的单波长系统,现阶段城域光缆网可以继续以G．652光纤为主,但在新敷设城域中继光缆时也应该积极使用新型的城域光纤,为未来全光网络的发展奠定更为良好的基础。虽然G．652与G．655光纤难以在物理媒介上互连,但可在DWDM光层互通,因此一个城市中G．652光纤与G．655光纤并存也是可行的。
4、WDM城域网的优点
4.1 良好的带宽扩展性
DWDM技术能够在一根光纤中传送多个不同波长的信号,从而能充分挖掘光纤的带宽潜力,所以DWDM系统自90年代中期商用以来,发展极为迅速,320Gbit/s的DWDM系统已经大规模商用,Tbit/s的系统也早已在各大实验室实现。如西门子公司实现了176×40Gbit/s(7．04Tbit/s)的DWDM传输,投入实用指日可待。由于OADM和OXC(光交叉连接器,或被称为光交换机、波长路由器)的逐步成熟,DWDM技术正从点到点的传输应用向智能光联网的方向发展,这样可以灵活实现波长保护和波长调度。有强大的波长管理能力以便能快速灵活地开放波长出租业务,而且DWDM系统设备还有良好的扩张性以适应城域业务需求的多变性。
由于DWDM技术对于业务的提供基于波长,各波长相互独立,所以新业务可以在不改变原有网络结构和不影响原有业务的情况下方便地加入。与长距离干线网络不同的是,城域网中的光纤长度较短,一般在几千米到几十千米的范围,所以长距离网络中采用DWDM技术的理由并不完全适用于城域网。在城域系统中,如果采用铺设新光纤及采用更高速率的TDM系统的方法实现扩容,也是一个解决方案。但是,铺设新的光纤的费用非常高,特别是在人口稠密的大都市,而且城市的土地使用问题十分复杂,并不是任何公司都有铺设新光纤的权力；如果用户需要的信道带宽很大,通常采用的TDM系统难以满足其要求,而采用更高速率的TDM系统需要对所有的终端设备进行更新。而DWDM则可以保留现有的终端设备。因此,在城域网中使用DWDM技术仍然具有很重要的意义。
4.2 对速率和协议透明
DWDM的协议透明性可以使城域DWDM网络能在同一平台上支持任何可能在城域可能出现的任意种类业务。比如：以太网数据、ATM、IP over SDH等,用不同的波长来支持不同类型的数据。光层提供了独立于业务类型的传送结构。同样,DWDM提供了在一根光纤上提供不同速率的数据通道(见图4)。这一点在城域环境中非常重要。因为城域网中有许多不同的业务和不同的速率。DWDM的透明性和Metro DWDM的分插复用功能可以允许业务提供者直接上下某一个波道,而不用转换原始信号的格式。当然,相应接入设备的光接口还是需要的。
4.3提高的业务质量
在城域网中应用DWDM系统可以使光层恢复成为可能。光层恢复比电层恢复要经济得多。考虑到光层恢复是独立于业务和速率的,那么原来一些自身体制无保护功能的体系(例如：PDH),则可以利用DWDM来进行保护。这样,业务提供者对现有和将来的业务均可以提供较好的服务等级。
4.4 缓解光纤资源的紧张
在许多的局间段,都面临着光纤资源的紧张的问题。采用DWDM的光纤环比点对点的升级有着更多的好处。比如可以为未来准备一些“虚”环和“虚”光纤。它可以根据新业务和新应用的引进而不断地扩展。这种可扩展性会使业务提供者很容易吸引新的客户,因而会比TDM方式升级取得更快的效益。因此,从这个角度来说,将DWDM技术引入城域不仅仅是为了解决光纤资源耗尽的问题,而且具有了更为广泛的内涵。
4.5 健壮性
提出99.999％的工作时间、硬件冗余、光缆环故障保护自愈能力。要有能与SDH媲美的网络自愈能力且能根据不同的业务需要提供不同级别的保护手段,要有较强的环境适应能力。
结束语
今天大部分的高速IP路由器、ATM交换机都可以将DWDM层集成在同一设备中了,也就是说这些网络设备都已具备了光口,在城域范围组网时将不需要依赖于SDH网,而是直接架构于光纤上。2000年8月,美国Neon通信公司宣布将向ISP等客户提供波长管理服务。将来运营商只用租用某一波长,不再需要租用整根光纤。Neon公司的这套系统采用2.5G速率,在两点间使用双路径,切换将在15ms内完成,同时价格上比普通SONET系统有更大的优势,在可靠性上却没有降低。同时点亮新波长仅需要在网络中安装一对新设备,整个安装可以在几天内完成,而不是现在SONET系统的几个月。
DWDM传输网由于其多业务兼容性好、扩容能力强,与现有网络良好的兼容性、空前的带宽优化能力、可靠性、服务的灵活性以及优良的性价比等明显优势,成为建设宽带城域传输网的良好选择。
参考文献
1 “城域DWDM技术及其应用”《电信技术》2000.7 周联红 冯重熙
2 “Multiservice Metro DWDM market and products analysis” Lucent Technologies
3 “Next Generation DWDM Metro” Lou Martinage, Chromatis Networks
作者简介：
马利然 北方交通大学多媒体通信科研室硕士
卢燕飞 北方交通大学多媒体通信科研室讲师
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