波分复用(WDM)和光传送网(OTN)浅谈

  本文转载自微信公众号“光通信充电宝”，作者冯振华博士，讯石经允许略作删改。

  ICC讯 波分(WDM)和传送(OTN)是我们经常提及的话题，那么波分和传送到底什么关系呢？今天简单聊聊。

  一、WDM

  顾名思义，WDM即波分复用技术，是将多个不同波长(或频率)的调制光信号(携带有用信息)在发送端经复用器(也叫合波器，Mux)合路到一起送入光线路(光纤传输链路)的同一根光纤中进行传输，在接收端用解复用器(也叫分波器，demux)将不同波长信号分开接收的技术，原理图见图1。一个波分系统包含很多的功能单元，如光转发单元(OTU)，用于转发客户侧数据业务到线路侧的光口；光合波单元(OMU)和光分波单元(ODU)，分别用于将多个波长光信号合并和分开;以及光功率放大器(OBA)，光线路放大器(OLA)和光前置放大器(OPA)，分别用于发端，链路，和接收端光信号放大。当然还应该包括光监控信道(OSC)，完成业务和链路的监控以便网络管理和维护。

图1. WDM系统组成框图

  如果说WDM的本质是频分复用(FDM)，可能还是不好理解，不如用图2的多车道的高速公路来类比WDM系统好了。

图2. 多车道高速公路与WDM系统类比

  要保证交通顺畅，标识并区分不同车道，让不同的车各行其道是必须的。与公路交通类似，WDM系统也需要相应的规则，最重要的就是波长频点的划分了。原则上WDM分为两种，CWDM(粗波分)和DWDM(密波分)，前者波长间隔较大，一般为20nm，而后者间隔小，一般小于0.8nm。具体每个波长信道的中心波长也有相应的规定，也就是常说的C80,C96,C120等，对应为C波段的80波，96波，120波50GHz间隔WDM系统。另外，OSC监控信道波长一般不与信号波长范围重叠，约在1510nm处。显然，相比于之前的时分复用(TDM)，WDM技术的出现是具有划时代意义的。WDM系统具有以下方面的优势：

  — 高容量：可以充分利用光纤巨大带宽资源，使传输容量比单波长增加几十上百倍;

  — 低成本：在大容量长途传输时节省大量光纤和3R再生器，传输成本显著下降;

  — 保护投资：在网络升级和扩容时，无需对光缆线路进行改造，增加波长即可开通或叠加新业务;

  — 透明性：与信号速率、调制格式无关，方便引入大带宽新业务;

  — 波长路由：利用WDM选路可以实现网络交换和恢复从而实现未来透明全光网络。

  既然WDM技术这么好，那它跟以往的业务是什么关系，对以后的光传输网络会有什么影响呢?还是看图说话吧。

图3. WDM与其它业务的关系。

       如图3所示，WDM不过是建立在光层之上，通过具体的接口来承载不同类型的业务罢了，具体的业务在WDM上适配情况如图4所示。

图4. WDM支持广泛的业务接入

  不过这是早期时候的网络，那时运营商的主要业务还是语音业务，数据较少，SDH传送占主导。SDH作为承载TDM类型业务的技术，设备效率低，成本高，越来越不适应以数据业务为主体的IP类型网络，业界急需一种简化的代成本，便于维护的新型传输网，适合传输IP业务。这也就导致了后来IP over WDM网络转变之说。如图5所示，在WDM上借鉴SDH技术，也就是后来的新传送网，即OTN了。

图5. IP over WDM网络架构转变

  二、OTN

  光传送网(OTN)，可以简单的理解为OTN是将SDH 强大完善的OAM的理念和功能移植到了WDM 光网络中。具体来讲，OTN是一种通过引入电域子层，为客户信号提供在波长/子波长上进行传送、复用、交换、监控和保护恢复的技术。同时在电层逐步Packet化，实现基于包、VC以及ODUk交叉的功能实体。事实上，OTN的物理基础在链路上还是依赖于WDM技术了，又像SDH那样引入封装和开销管理，提高管理和互通能力，对波长/子波长进行交叉连接提高组网、保护和调度能力。简言之，OTN其实就是IP化的WDM再加上光、电交叉功能，更多强调的是一种节点技术，如下图所示。

图6. OTN节点为技术示意图

  继续以道路交通来对比OTN和WDM技术，如图7所示。WDM类似于高速公路，提供超大容量，超高速，超长距离的传送能力，而OTN则更像是有立交桥的高速公路，提供灵活的切换、上下，解决流量调度问题;网络中的控制平面和网管系统就对应了道路交通中的红绿灯和交管系统。

图7. WDM (左)和OTN (右)的道路交通类比示意图

  跟WDM对应的ITU-T波长规范类似，OTN技术有也很多相应的规范，主要还是以G. 开头的ITU-T协议，见图8，不同的数字对应了不同类型的规范，如网络架构，设备功能，保护倒换，物理特性，帧结构、开销、映射编码等。

图8. OTN技术相关的协议规范

  除去上述规范中的一些细节，OTN中的关键创新和主要技术其实就是就只有四个：a)帧结构(映射、封装、开销)，b)支线路分离，c)ROADM，d)保护倒换。下面具体地稍加说明。

  a) 帧结构

  如下图所示，OTN将整个光层分为光通道层(OCH),光复用段层(OMS),光传输段层(OTS)。它们在光网络中分别对应的范围如图1，OCH指的是端到端的OTU之间部分，OMS指的是OMU和ODU之间，OTS指OLA与OLA之间。其中光通道层又分为三个子层：光通道数据单元(ODUk),光通道传送单元(OTUk)及光通道净荷单元(OPU)。

图9. OTN封装的帧格式示意图

  如上图所示，不同的子层，复用段之间都可能会增加一些帧头开销用于管理和监控，甚至还会增加FEC纠错编解码，实现更好的容错抗干扰。对于不同速率的OTU信号(k=0表示1G,k=1表示2.5G,k=2表示10G,k=3表示40G)，OTN帧结构和尺寸相同，都是4x4080字节，只是帧的周期不同。正是这些独特的帧结构和丰富的开销，成就了OTN强大的管理能力。

  b) 支线路分离

图10. 支线路分离的光转发单元

  作为OTN的核心之一，是引入子波长层面的电交叉：将传统收发合一的OTU拆分成线路侧与支路侧(客户侧)，中间填充了OTN交换单元。这样带来的好处是业务侧保持大颗粒和大的交叉粒度，(1~40G),还实现了业务的解耦，避免统一的交叉粒度。同时业务接口变化时只需改变接口盘，将OTU种类由MxN降为M+N，极大减少了单盘备件种类。省去了SDH设备，但仍保持了类似的保持能力。

  c) ROADM

图11. 多维度可重构分插复用器(ROADM)

  作为全光网的重要基础，OADM(光分插复用器)用来实现波长的上下话。主要有两种，固定分插复用器(FOADM)和可重构分插复用器(ROADM)。很明确，相比于FOADM,如图11所示的ROADM可以实现任意波长输入，任意端口输出，具有方向无关，波长无关，无冲突、灵活带宽，即(CDC-F)的特征。ROADM的出现，使得远程灵活配置波长上下，快速开通业务，自由升级扩容，多维度波长调度，多波道功率均衡成为可能，极大地增加了光网络的灵活性，并降低运维成本。 当前最新ROADM技术已经可以支持最高32维度，Pbit级别的超大容量交叉，并且全光背板技术的出现极大降低了内部连纤的难度。

  d)保护倒换

  OTN保护分为设备级保护和网络级保护，一般说的保护指的是网络级保护，它又可以分为光层保护和电层保护，具体地又可再细分为以下多种不同的保护方式，见图12和13所示。

图12. OTN 光层网络级保护

图13. OTN电层网络级保护

  不同的保护方式的特点和应用场景也略有些区别，见下表。所谓保护就是在单盘或线路上做冗余备份，倒换通常就是多发或并发选收了。

表1. 不同保护方式及应用场景

  当然业务质量要求越高，保护倒换要求也高，网络也越复杂，网络可靠性增强，但成本也会更高，如图14所示。

  三、最后展望未来

  在过去十年，相干检测技术推动了光网络的发展，让光系统满足网络流量的增长，实现更低的每比特成本。相干检测的时代尚未结束，并将日臻成熟。因此，供应商及其客户必须不断创新，降低光系统的总体拥有成本(TCO)。未来几年OTN的发展趋势包括：更高速率(100G到200G甚至400G)、硬件简化和先进的运营、管理和维护(OA&M)功能。OTN下沉，城域边缘接入与传送网的融合也可能是一个趋势。

       只有为运营商、数据中心客户带来价值，降低 TCO，设备商才有丰厚的回报。当然前提是设备能提高传输效率，降低硬件复杂度和功耗，智能算法提升网络运营效率。

  参考来源：

  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