基于波分复用技术的城域网建设探讨

刘元春，汪彦龙

　　当前，通信技术正朝着宽带化、智能化、大众化和个人化的方向发展。随着骨干传输网、局域网容量的大幅度增长，网络宽带化的瓶颈已经转移到位于这两者之间的中间网络——城域网。受用户业务多样化要求和网络发展方向的驱动，特别是接入层IP业务带宽的显著增长和长途网DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）容量的爆增，波分复用技术在城域网中得到了初步的应用。
1波分复用（WDM）技术的发展

　　WDM技术在20世纪80年代开始出现，早期使用间隔很大的两个波长1 310 nm和1 550 nm(或者850 nm和1 310 nm)区域，有时被称为宽带WDM。波分复用的基本思路是如果将多个发送波长适当错开的发源信号同时在一根光纤上传送，就可以大大增加光纤的信息传输容量。

　　20世纪90年代早期，出现了第二代WDM,有时也被称为窄带WDM,使用2~8个信道，这些信道在1 550 nm窗口的间隔为400 GHz。到了90年代中期，带16~40信道，间隔为100~200 GHz的密集波分复用器（DWDM）出现了，复用波长有2、4、8、16、32、40个波长。在有线电视系统中，最典型的2波复用就是在1.3 μm的单模光纤上传送节目，再在1.55 μm的波长上提供数据传输业务。在通信系统中，往往是从复用4波开始，再以4波长为单位倍增，如40 Gbps就是用2.5 Gbps×16波来实现的。如今，拥有4~40个信道，每个信道最高容量为10 Gb/s的系统已经问世，并且有若干厂商可以提供商用产品。WDM技术本质上就是光域上的频分复用FDM技术。90年代末，DWDM系统已经发展到有64~160平行信道，间隔为50 GHz甚至25 GHz。DWDM技术不断地提高信道的密度，这对光纤的负载能力带来了巨大的影响。在1995年，当首个10 Gbps出现的时候，容量增加的速度从每4年增加4倍提高到每年增加4倍。

　　WDM技术过去主要是在光纤的C波段（1 530～1 565 nm）使用。最新的技术已将石英光纤在1.3～1.6 μm的两个低损耗窗口打通并连成一个区域，未来的WDM可在1.3～1.6 μm的全波段窗口中使用，每根光纤的复用光波长数可达几千，传输容量可高达数十个太（T）比特。基于全光DWDM设备的第三代网络将能够动态地配置和管理网络，为业务提供商提供迫切需要的解决方案，可以认为WDM技术将为光传输网的发展提供几乎取之不尽的资源。

　　采用波分复用系统的主要优点是：可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量迅速扩大几倍至上百倍；在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，大大降低传输成本；与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；利用WDM选路实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光层传送联网。

　　2MAN（Metro Area Network）建设

　　2.1宽带城域网（MAN）建设的要求和关键特征

　　目前，宽带城域网建设正成为国家信息化建设的热点。城域网通常是指覆盖城市及其郊区范围、为城域多业务提供综合传送平台的网络，主要应用于大中型城市地区，城域网以多业务光传送网络为基础，实现话音、数据、图像、多媒体、IP等接入。它主要完成接入网中的企业和个人用户与在骨干网络上的运营商之间全方位的协议互通，因此要求城域网：一方面，能够满足日益增长的数据传送需求；另一方面，作为长途骨干网在本地的延伸，城域网必须与长途骨干网络保持协调发展，从而有效地为长途骨干网吸纳业务流量，简而言之，即能够快速将多种最终用户接入长途干线网络。
城域网的关键特征是公用多业务网，它具有一系列有别于其他网络的特点：面向公用网应用和多用户环境；网络范围小；多业务网络；只需中等容量；需要支持各种客户层信号和快速提供客户层信号所需的带宽；节点成本低。因此建设城域网时需要考虑以下几点：应该有效支持从电路交换网向分组交换网的过渡，将来应该对IP传送最佳；网络的链路容量和节点数可以不受限扩展；具有光的透明性，适应各种现有和将来可能出现的协议和业务；具有拓扑灵活性，可快速扩展业务；可以实现快速业务指配。

　　2.2主要光传输技术的比较

　　在城域网骨干网络的建设中，目前基本上都采用光缆作为传输介质。采用光缆作为传输介质的主要光传输技术有SDH、ATM、WDM、DPT及千兆以太网技术。

　　2.3城域网典型解决方案

　　目前，城域网解决方案主要有4大类，第一类是以SDH为基础的多业务平台；第二类是基于第二层交换和第三层选路的以太网解决方案；第三类是以ATM为基础的多业务平台方案；第四类是以WDM为基础的多业务平台。

　　以SDH为基础的多业务平台的基本思路是将多种不同业务通过VC级联等方式映射进不同的SDH时隙，而SDH设备与2层和3层乃至4层分组设备在物理上集成为一个实体，特别是集成了IP选路、以太网、帧中继或ATM后，网络可以提高TDM通路的带宽利用率和减少局端设备的端口数，使现有SDH基础设施最佳化。最后，SDH多业务节点还可以方便地完成协议终结和转换功能，使运营者可以在网络边缘提供多种不同业务，而同时将这些业务的协议转换成其特有的骨干网协议。SDH多业务平台最适合作为网络边缘的融合节点支持混合型业务量特别是以TDM业务量为主的混合型业务量。目前多数这类解决方案带宽效率低下、开销处理复杂、抖动要求严、设备成本较高、带宽配置时间较长、同时管理多个面向连接和无连接网较困难而且管理成本较高。从长远看，特别是数据业务成为网络的主导业务类型后，这种解决方案不是一种有效的方法。

　　基于第二层交换和第三层选路的以太网解决方案，从技术上看，以太网是与媒体无关的承载标准技术，可以透明地与铜线对、电缆和各种光纤等不同传输媒体接口，互操作性好，具有广泛的软硬件支持，成本低；从结构上看，以太网络较为简单，易扩展；从管理上看，由于同样的系统可以应用在网络的各个层面上，因此网络管理可以大大简化。但以太网基于局域网，网管能力差，无法提供故障定位、性能监视和保护功能。

　　以ATM为基础的多业务平台技术可以为IP或其他任意客户层信号提供面向连接的、带宽可控、安全性好、延时小的高质量业务。对于未来网络最重要的IP客户层信号而言，将IP与ATM结合可以综合利用ATM的速度快、颗粒细、多业务支持能力强的优点以及IP的简单、灵活、易扩充和统一性的特点，达到优势互补的目的，可以为不同类型的业务流建立不同的通道，根据业务流负荷和阻塞情况疏导不同链路，确保实时业务的QoS。以ATM为基础的多业务平台最适用于多业务电信环境以及服务质量要求较高的IP业务，主要应用于网络边缘多业务的汇集和一般IP骨干网。但是网络体系结构复杂重复、传输效率较低、速率难以提高、选路灵活性差、硬件投资高、运行维护管理复杂，对于IP业务量会持续大幅度攀升、网络规模需要大幅度扩展的情况，这并非一种长远的解决方案。

　　以WDM为基础的多业务平台的优势是：首先，采用WDM后，容量有了大幅度的增加，至少可以增加几十倍，且可以提供某种形式的WDM环保护；其次，应用WDM后容许网络运营者提供透明的以波长为基础的业务，这样用户可以灵活地传送任何协议和格式的信号而不受限于SDH格式；而且，DWDM节省了昂贵的电中继，可以通过多个OADM级联实现扩容，网络建设初期仅需要少量的光器件，降低了首期投资成本，也降低了投资风险；最后，城域网WDM系统还应具备波长可扩展性，新的波长应能随时增加而不会影响原有工作波长，这样，系统可以通过简单增加波长而迅速提供新的业务，极大地增强了运营者的市场竞争能力。城域网WDM系统的主要不足之处在于不能有效灵活地将低速率信号汇聚进较昂贵的波长通路，不能动态地配置波长，实现光层灵活连接，而且，目前这种解决方案存在建设周期长、开通维护成本高、实际应用不灵活等方面的缺点。

　　WDM不仅解决了容量问题，而且刺激了大量新业务的产生。我国在国家863高科技计划中安排了16×10 Gb/s的WDM系统研制项目，实验室的最高水平则已达到2.6 Tb/s。近几年来技术上的重大突破和市场的驱动，使波分复用系统发展十分迅速，实用化系统的最大容量已达400 Bbit/s。可以认为，近几年来在WDM系统中大于100光波长的复用系统特别是超大容量DWDM系统的发展是光纤通信发展史上的又一个划时代的里程碑。

　　3波分复用技术

　　城域网的特点是距离短，业务接口复杂，在短途网中使用骨干网DWDM技术缺乏足够的成本优势，于是一种复用波长适度（一般不大于16个）、距离适中（一般在60~80 km以内）、不用光放大器、低成本（大概是DWDM的1/3~1/5）的粗波分复用的CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)技术应运而生，近两年在城域网广泛应用。

　　3.1CWDM技术的典型应用方案

　　如图1所示，在城域核心网或接入网中采用CWDM设备组网，有利于节省光纤和促进多业务融合，可以说是CWDM技术的典型应用方案，如CWDM分插复用设备可以将SDH业务、IP业务、视频图像业务通过一个物理的光纤环实现多个逻辑环的叠加，每个环上承载一个独立的业务，互不干扰。

　　CWDM设备实现了在数据平面上光复用段的1+1保护功能，支持双纤单向波长通道保护环（UWPSR）业务，切换时间＜50 ms，保证了每个光通道业务不丢失，在组建环型拓扑时，可在光层面提供光通道的1+1保护，能实现类似SDH环网的自愈功能，提供1 310 nm的带内网管监控通道和带外采用OMU上面的Ethernet数据接口公用数据网管系统，这些功能的实现可大大开拓CWDM系统的应用领域，也使得运营商进行网络数据传输更加安全可靠。

　　3.2波分复用的技术特点

　　近年来，波分复用技术在城域网中得到越来越深入的应用，它具有以下技术特点：波分复用技术属于OSI 7层协议的最底层——物理层，支持多协议多业务，具有光的透明性；波分复用系统既具备点到点的组网需求，也可以根据业务拓扑的需要满足星型、环型、格状等组网模式，网络可扩展性好，拓扑灵活；波分复用系统能够快速地进行波长配置，业务扩展性能好，业务的管理和调度灵活方便；多种业务保护机制共存，以确保承载业务的可靠传输；波分复用系统提供的高带宽利用，是其他任何组网形态所无法比拟的。

　　3.3存在问题

　　首先是成本。众所周知，城域网（特别是小型城域网）的用户群相对长途网络较小，如果按照用户数量分摊成本，城域WDM技术占不到任何优势，因此必须在系统内部减少关键部位的技术成本，新型光电器件的研发直至最终的成本控制将成为DWDM发展的重要障碍。

　　其次是网络管理。目前WDM系统的网络管理仍处于不成熟时期，相关的运行维护软件仍不成熟，若不解决好性能管理、故障管理、业务的可靠性及QoS保障措施等问题，将阻碍基于波分复用技术的城域网的建设。

　　三是互联互通。WDM是一项新生的技术，其行业标准制定粗糙，不同厂家的WDM产品互通性较差，应加强光接口设备的研究，以加强WDM系统间的互操作性和不同系统间的互联互通。
四是承载业务的灵活性。城域网的业务复杂多样，虽然说基于全光网第三代DWDM网络可以提供灵活的带宽配置，但目前还处于发展阶段，暂不具备可操作性和工程应用基础，因此如何利用网络中的现实资源，快速低成本地解决工程问题是当前最迫切的环节。
为了能在新的竞争环境中更好地保护自身的利益，并获取更大的效益，就必须合理规划和充分利用现有的网络资源。既要提供顾客需要的功能，同时又要最大程度地利用现有基础设施的投资，在这种前提下，密集波分复用技术（DWDM）浮现出来，成为用智能光网络技术扩展城域网的有效、高性价比的选择。通过将光纤波长分解为单独的信道，DWDM使运营商能够根据不同的价格、不同的服务水平为顾客分配波长，同时增加智能应用。DWDM不仅是骨干网的重要选择，也将是城域网建设的主要选择，城域网建设方案选择、发展的速度和规模最终取决于应用。

　　4结束语

　　波分复用技术一直在高速发展，根据Dell＼'Oro集团发布的一份市场调查报告显示：2003年第2季度全球整体光传输设备市场达到15亿美元，2003年第2季度全球整体光传输设备市场中的DWDM城域设备与第一季度相比增长20%，达到1.34亿美元，是整个市场增长最快的领域。根据“十五”规划，我国未来的网络将由DWDM光传送网构成核心网络，由SDH网、分组网和WDM环网构成省内城域网，由多元化发展的宽带接入、综合业务接入等向用户延伸。随着传送网逐渐由基础配套网转变为综合业务提供的核心运营网，作为大型骨干光网络“神经末梢”的城域网也日臻完善，波分复用技术将在城域网建设中发挥巨大的作用。

摘自《中国有线电视》