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构筑新一代核心光网络

2/14/2005来源:光纤通信人气:6829

□ 武汉邮电科学研究院 巴继东 毛 谦

    一、光纤传送网发展的推动力
    光纤通信由于其具有的一系列特点,使其在通信网传输平台中居于十分重要的地位。光纤是一种高带宽低损耗的优良传输介质,本来就在通信网络的物理传输层起着举足轻重的作用,而DWDM技术的发展又进一步挖掘了光纤带宽的潜力,同时,伴随着光器件技术和光信号处理技术的发展,在光传输层已经提供了联网能力。因此,光网络的研究和建设已经成为网络发展和建设的要点。虽然目前移动通信(其信息传输也主要通过光纤),甚至卫星通信的热浪再现高波,但近几年的Telecom展示(1999~2001)均说明,光纤通信仍然是最主要的传输手段。在北美,光纤网是信息传输的主要方式之一(承载信息量的80%以上)。在我国光纤通信也得到了广泛的应用,全国通信网的传输光纤化比例已超过82%,光纤通信技术的应用基本达到国际同类水平。
    二、点对点的DWDM系统向OTN演进
    传统的通信网扩容方法是采用TDM(时分复用)方式,即对电信号进行时间分隔复用。如PDH的复用34Mbit/s-140Mbit/s-565Mbit/s,SDH的复用155Mbit/s-622Mbit/s-2488Mbit/s-9952Mbit/s,它们都是按照这一原则进行的。但是,由于现代通信网对传输容量要求的急剧提高,利用TDM方式已日益接近硅和砷化钾技术的极限,并且传输设备的价格也很高,光纤色散和极化模色散的影响也日益加重。因此,虽然对单通道提高TDM系统的速率的探究方兴未艾,人们正越来越多地把兴趣从电时分复用转移到光复用。光复用有三种技术,即光时分复用(OTDM)、光波分复用(OWDM)以及正处于研究阶段的光码分复用(OCDMA)。迄今为止,DWDM(密集波分复用)技术是研究最多、发展最快、应用最为广泛的技术,DWDM从提出到今天,短短数年,一直保持强劲的增长势头。
    到目前为止,几乎所有商用化的DWDM系统都是用于国家核心网的超大容量传输,这也是可以理解的。因为EDFA的应用可以大大减少长途干线系统电再生中继器的数目,从而降低成本。另外敷设比较早的光缆,芯数较少,要扩容时没有纤芯可用,只有采用DWDM技术。对于国家核心网而言,采用DWDM技术进行扩容是经济的,距离越长,节省成本就越多。我国的DWDM光通信网的研究也取得了一定的进展。各电信运营公司已经引进了多条DWDM传输链路进行有关的传输试验,国内自行研制开发的DWDM传输系统也已经开始大规模商用。迄今我国的许多干线传输系统都已采用了波分复用技术。
    DWDM系统本质上是点对点的系统,组网方式有限,它的一个发展方向就是网络化,形成波分复用光网络,也叫光传送网(OTN:Optical Transport Network)。它的基本思想是将点到点的波分复用系统用光交叉(OXC:Optical Cross-connector)互连节点和光分插复用(OADM:Optical Add/Drop Multiplexer)节点连接起来,组成光传送网。波分复用技术完成OTN节点之间的多波长通道的光信号传输,OXC节点和OADM节点则完成网络的交叉连接、上下波波长转换等功能。当然,由于目前的技术的限制,交叉是以波长通道为单位的。
    DWDM系统向光传送网演进是光通信网发展的必然趋势。这里有很多原因。首先,电子瓶颈限制了大容量电TDM网络的发展。电子交换系统在数十Gbit/s的水平上存在着“电子瓶颈”问题。尽管高速电子技术的发展,可能会使这个上限进一步提高,但是成本的上涨将很可观。其次,这也是综合宽带通信网的要求。随着全球通信业务量的急剧增长,网络业务形式日趋多样化,高速大容量的综合宽带网已成为现代通信网络的发展趋势。第三,网络的历史兼容性和空间复杂性要求网络尽可能透明,与协议无关。由于历史演变的关系,在网络设计时,现有的各种通信设备、协议不能马上废止,同时网络的设计也必须考虑今后的通信设备和协议,因此一个尽可能透明的网络是必须的。另一方面,由于网络用户的复杂性,不同用户之间所需的服务是不同的。有的用户要求传输模拟信号,有的用户要求传输高码率的数字信号,有的用户要求传输低码率的数字信号,这也对网络的透明性提出要求。第四,网络在运行中希望能实现网络结构的动态调整。网络运行在一个复杂的环境中,环境的变化要求网络的逻辑拓扑结构能够动态调整。比如网络的物理链路-光纤被切断时,希望网络有自愈功能,又比如某些端之间由于通信容量剧增,希望网络能提供临时的额外容量。
    光传送网的分层结构充分考虑SDH网络到WDM光网络的平滑过渡,并满足网络规划和管理的需要。按照建议G.872,光传送网中加入光层,光层由光通道层、光复用段层和光传输段层组成。
    1.光通道层(optical channel layer)
    光通道层负责为来自电复用段层的客户信息选择路由和分配波长,为灵活的网络选路安排光通道连接,处理光通道开销,提供光通道层的检测、管理功能。并在故障发生时通过重新选路或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护倒换和网络恢复。
    2.光复用段层(optical multiplexing section layer)
    光复用段层负责保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输,为多波长信号提供网络功能。其主要功能包括:为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段功能;为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销;为网络的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能。
    3.光传输段层(optical transmission section layer)
    光传输段层为光信号在不同类型的光传输媒介(如G.652、G.653、G.655光纤等)上提供传输功能,同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等。通常会涉及以下问题:功率均衡问题、EDFA增益控制问题和色散的积累和补偿问题。
    国际电信联盟ITU-T从1997年开始考虑OTN的标准化问题,现在已形成一系列框架性标准,包括G.871~G.875, G.798, G.709, G.664, G.671, G.661,G.662,G.663,G.959.1。
    G.871给出了关于OTN的一系列标准的总体结构和它们之间的相互关系。
    G.872给出了OTN的总体结构(Architecture)。包括:OTN的分层结构(Optical transport network layered structure)、特征信息(characteristic information)、客户/服务层间联系(client/server layer associations)、网络拓扑(networking topology)和网络各层的功能(layer network functionality),即光信号发送(optical signal transmission)、复用(multiplexing)、路由(routing)、监测(supervision)、性能评估(performance assessment)和网络生存(network survivability)。
    G.873给出了OTN的要求(requirements)和参考模型(reference configuration)。包括:能够级联的WDM光网络的单元个数、误码性能和SONET/SDH,PDH/SDH等数字信号的抖动性能。
    G.874规定了OTN设备的网管方面的内容(capture management of OTN equipment)。
    G.875给出了光网络单元的信息模型(information models for optical network elements)。
    G.709给出了OTN网络节点接口(Network Node Interface for the optical transport network)。
    G.798描述了光网络单元的功能(functional aspects of optical network elements)。
    G.959.1给出了OTN的物理层特性(physical layer aspects)。
    G.664规范了对光传送系统的光安全保护进程的要求。
    G.671是有关OTN中所使用的光无源器件的技术要求。
    G.661~663给出了关于光放大器的分类、参数、技术要求、测试方法和有关应用的方面。
    此外,ITU-T还正在开发有关OTN的配套建议,如:G.otnjit、G.optperf 、G.dcn、G.dsn等。
    不过,在最近的标准化过程中,有一个问题是值得大家注意的。ITU-T目前倾向于暂时舍弃OTN的透明性要求。其主要原因是,目前的光通信技术和光器件技术的发展还没有完全成熟,有许多问题不得不在电域上进行处理,如信号的再生、波长变换、开销加载、性能监测。但是全光的OTN依然是各研究机构努力的方向。在技术进展到一定程度后,相信ITU-T仍会考虑全光的OTN。
    三、建设新一代的光网络——ASON
    下一代光网络体系结构应该具备的特点:
    * 提供虚拟的无限制的端到端的带宽,无论距离多远,都能快速移动大量的数据,满足应用的要求,如信息恢复、Web软件下载(经常是多媒体)、交换CAD大小的软件(数百兆字节)和数据模型(吉字节级)(远程网络协作设计的一部分)等等。端用户之间的实时多媒体通信将需要双向的高带宽。
    * 能简单有效地对宽带信号进行多播和广播。
    * 具有灵活性和敏捷性,可以适应突发的和未预见的业务巨浪,并且当出现故障时能及时响应,从而实现大数据块的无缝和无错传送。
    * 对所有类型的数字信号和协议透明,以便于使大量不同的网络类型和业务可以同时适应,或随着时间的推移逐步应用。
    * 以带宽换取网络的简单,从而减少由于不断增加的驻于网络的软件所导致的通信网络的复杂性,这些软件增加网络的成本并降低了其可靠性。
    现代通信网络的另一个重要的演变趋势是由以电路型交换为主向以IP等数据的包交换为主过渡。对于包交换而言,其特点是数据码流的突发性和不可预见性。随着数据业务量的飞速增长,估计数据码流所需带宽,或按业务量随时调整带宽变得越来越困难。能自动地、动态地分配带宽资源显得越来越重要。即使是DXC或OXC也必须由人工配置或由人工输入指令,自动选路,人工确认后自动配置,实现起来费时、费工,不能适应业务发展需要,也不能充分利用网络资源。于是,自动交换光网络ASON应运而生。ASON是一个光纤化的传送网络,具有动态建立连接的功能。在O/E/O网络和全光网(AON)中  ,它都包括提供SDH连接、波长连接以及潜在的光纤连接业务。这样的一个功能可以带来许多价值:
    * 业务活性,这是它最主要的属性,允许动态地利用网络资源分配路径。
    * 恢复和复原特性,这些属性可以在网络出现劣化时继续保持已建立的业务。
    * 自动为数据业务图案链接光网络资源,以实现快速响应和经济有效的传送网。
    * 可以支持各种业务,包括目前尚未定义的新业务,因为它与客户层信号无关。
    * 使用专门的控制平面协议,而不采用普通的,具有较小原语集的网管协议。
    * 采用可扩展性能的信令组。
    * 在多供应商环境下实现连接控制。
    * 引入补充业务(例如:限制用户群和VPN等)。
    * 快速业务指配。
    * 减少运营商为新技术的出现,用于维护操作系统的配置管理,所需的开发费用。
    * 在不同传送技术情况下,控制平面协议的再利用。
    ASON:Automatic Switched Optical Network,自动交换光网络(从广义上讲,应能实现自动交换传送网ASTN)。这一概念的提出,是光传送网的一大突破,它将交换功能引入了光层,是传送与交换在光层的融合。ASON是一个智能化的光网络,它采用客户/服务器(Client/Server)的体系结构,具有定义明确的接口,让客户端从光网络(服务器)请求服务。目前,ASON的体系结构及其一般的自动交换传输网(ASTN:Automatic Switched Transport Networks)是ITU等国际标准化组织的一个研究热点(ITU-T G.astn)。
    ITU-T已经基本完成了ASON框架建议的起草工作,G.ason将在今年10月确定。相关的一系列建议如G.dcm、G.dcn、G.874.1、G.disc、G.cemr等也将同时确定。
    ASON与一般光传送网的最大区别在于增加了控制平面,其体系结构如图1所示。
    图中各接口的定义如下:
    E-NNI 控制平面内,属于不同域的控制实体之间的双向信令接口。
    I -NNI 在控制平面的一个运营域内,不同控制实体之间的双向信令接口。
    UNI 业务请求者和业务提供者的控制平面实体间的双向信令接口。
    CCI 控制平面和传送平面之间的连接控制接口。
    PI 传送平面的传送网元(包括交换实体)之间的物理接口。
    NMI 网络管理接口。其中NMI -A是对ASON控制平面的网络管理接口,NMI -T是对传送平面的网络管理接口。
    其它符号的含义为:
    RA 请求代理。
   OCC 光通道连接控制。
    NE 传送平面中的网元。
    AD 运营域。
    ASON的这种体系结构旨在允许光传输网中的光网连接在ASON信令网控制之下实现交换。
    此网络体系结构中包括三个单独的平面:
    * 传输平面(TP:Transport Plane);
    * 控制平面(CP:Control Plane);
    * 管理平面(MP:Management Plane)。
    传输平面包括传输网元(交换和链路),它们承载所交换的实体,如光连接。传输平面中端到端的连接是在ASON控制平面(CP)的控制之下建立的。ASON支持的连接有三种类型:
    * 指配方式:这种方式的连接,通过对沿所要求的端到端连接的通道上的每个网元,进行配置来完成。指配是由网管系统或者人工参与实现的,网管系统需要接入网络的数据库,要首先找出最适宜的路由,然后发命令给支持连接的网元实现连接。这种连接又称为硬永久性连接。
    * 信令方式:这种方式的连接由通信端点的命令来完成。这些通信端点在控制平面内,以信令消息的形式进行动态协议消息互换。这些消息流通过控制平面内的I -NNI或者E-NNI。这种方式的连接需要网络命名和编址方案,以及控制平面协议。
    * 混合方式:这种方式的连接是在网络的边缘,由网络提供者提供永久性连接,在网络边缘的永久性连接之间,提供交换的连接,以实现总的端到端的连接(参见图2)。连接是通过网络产生的信令和选路协议完成的,并取决于NNI的定义,指配只是完成边缘的连接。这种方式的连接没有定义UNI,所以又称之为软永久性连接(SPC)。从端到端来看,与指配、网管控制、永久性连接没有什么区别。
    这三种连接的最重要区别是由谁来建立连接。指配的连接建立的责任在网络运营者,信令连接建立的责任在终端用户,这时,必须支持第三方信令通过UNI。实际上,不同的连接类型,对计费系统有不同的影响。ASON体系结构属于客户/服务器(Client/Server)模型或者说重叠网络模型。这种模型显著的特点是在客户网络与提供商域之间存在清晰易辨的边界。客户/提供商的分离直射现今的网络的实际现状,即网络中第三层和第一层的设备的所有权可能属于不同的组织。这种客户/提供商域的分离要求在各自域运行不同的路由协议实例,因此,在运营商及其客户之间没有必要共享网络拓扑信息。