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张成良:SDH/WDM传输设备的一些新功能

2009-06-25 10:19
汉水狂客
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作者:张成良

  最近,光通信发展处于一个快速发展时期,已从过去纯粹满足骨干网长途传输的需要向城域网、接入网拓展,并出现了长途、城域、接入系列传输。除了速率上差别较大外,各种产品在接口类型、支持的业务种类也有很大差别。而在长途传输上,也从单纯满足话音业务的传输向满足IP等多业务过渡,WDM 系统的发展更是一日千里,随着RAMAN 放大器的出现和前向纠错FEC技术的应用,光电再生距离已延伸到2000公里以上,大大加快了全光网的进程。整个传送网正在努力成为一个高速、高质量、具有较高网络生存能力和统一网管的多业务传送平台。

  一、SDH 设备新发展

  由于电信市场的放开和竞争的加剧,几家运营公司分别建设长途传输网,出现了技术方案的多元化趋势。IP 业务的爆炸式增长对SDH 设备提出了新要求,在SDH 组网技术和设备功能上都出现了一些新特点,比如TDM 40Gbit/s、 超长复用段MS-Spring保护环、VC-4级联技术、对GE 接口的支持等。

  1.TDM 40Gbit/s产品将在年底推出

  Lucent 在实验室实现了40 ×40Gbit/s 400公里传输,并宣称将在今年9月份推出产品。许多公司也开展了类似实验。但真正按照G.707规定开展SDH 端机开发的并不多,许多厂商的重点只是放在40Gbit/s传输上,而不是在40Gbit/s复用器上。在过去人们的观念中,10 Gbit/s TDM 是电信号传输的最高速率,再向上必须采用N ×10Gbit/s 的WDM 系统。随着分布式RAMAN放大器和PMD色散补偿器在实验室的实验成功,给 40Gbit/s商用化带来了光明前景。RAMAN 放大器可以大大降低噪声系数,减轻了对40Gbit/s传输对光信噪比的要求。即使采用带外FEC,40Gbit/s系统对OSNR 要求仍然在26dB以上,这对长距离传输仍是很困难的。而RAMAN 放大器的低噪声系数可以确保系统在经过长距离传输后,光信噪比OSNR 劣化不明显,能满足系统要求。

  光纤的偏振模色散PMD 一直是运营商和制造商都关心的问题。在人们的眼中,0.5ps/sqrt(km)足以保证10Gbit/s 系统400公里的传输,光纤指标是定义为0.5ps/sqrt(km)。但是对于40Gbit/s系统来说,要保证系统传输400公里,光纤的PMD链路值应该下降到0.125 ps/sqrt(km)以下。而目前敷设的光纤很难达到这种要求,必须采取PMD补偿措施,由于光纤PMD是一种动态效应,不像色度色散是一个稳态值,其补偿技术比较复杂,而且必须对每个波长分别补偿。只有在出现了成熟的PMD 色散补偿技术后,TDM40Gbit/s才能大规模在长途传输上应用。从发展上看,TDM 40Gbit/s 可能先在城域网上应用。在长途网的应用前景尚需要观察。

  2.VC-4级联技术

  在可预见的将来,IP 业务将超过话音业务成为主要业务。而SDH 是基于话音传输的体制,为了传送IP等数据业务并提高效率,SDH 设备的级联特性就变得越来越重要。过去ITU 虽然定义了VC-4相邻级联技术,但是过去基本上没有厂家支持这一功能。反而是路由器厂家,例如Cisco 率先在路由器中支持VC-4-16C。IP 信号直接映射入VC-4-16C 的虚容器,然后再加上SDH 段开销SOH,成为标准的SDH 信号。为了因应这种技术需求,从许多公司SDH 系统都开始开发支持VC-4-16C 功能,从各公司的产品看,10Gbit/s产品基本上都支持VC-4-4C、VC-4-16C技术,而在2.5Gbit/s速率设备上,则很少有厂家支持VC-4级联。从级联技术上看,大多数都采用了相邻级联技术,因为相邻级联实现起来比较简单。并且虚级联只是在去年才标准化。

  如果10Gbit/s系统支持VC-4-16C级联,则2.5Gbit/s 的路由器POTS 接口就可以直接连接到10Gbit/s支路口,充分利用SDH 所提供的各项功能进行保护恢复。如果设备不支持VC-4-16C交叉,IP路由器信号就无法顺利接入到10Gbit/s高速环中,IP 信号在SDH层面上无法实施有效的保护。

  3.SDH 设备开始支持GE 接口

  由于以太网所支持的简易网络升级,以及对新应用和数据类型处理的灵活性、网络的可伸缩性,使得以太网在城域和接入层面得到了广泛的应用,由过去的10Mbit/s以太网向100Mbit/s、1Gbit/s发展。随着多业务节点概念的提出,作为长途/城域传输的SDH系统,对以太网接口就更为重要。

  目前,2.5Gbit/s SDH 设备开始支持100Mbit/s 以太网接口。由于GE 进行长途还存在着一定的局限性。目前还需要封装在SDH 帧结构中,10Gbit/s系统对GE的支持更是成了各厂商的竞争热点。从目前技术看,一种是采用VC-4-8C相邻级联技术,采用8个相邻的VC-4传输,这种方式占用的带宽是固定的,由于GE 的带宽最多才是1Gbit/s,至少会造成 1个VC-4 浪费,而实际上以太网的带宽是动态的,平均带宽可能远远低于1Gbit/s ,可能造成带宽更大的浪费。另外一种技术是采用VC-4虚级联技术,大多数厂商是采用VC-4-7V,7个VC-4提供的带宽刚好是1Gbit/s,由于是虚级联,可以通过软件设置参与虚级联的VC-4数目。有些厂商还可以实现根据GE 口实际的数据流量动态地决定级联VC-4的数目。从两种方式看,虚级联要灵活一些,带宽利用率更高,但实现技术较复杂。

  4.G.841越洋海缆复用段保护方式

  在北美SDH 网络中,超长复用段保护环MS-Spring 几年前就有应用。其中某些环网的周长超过了5000公里。现在包括中国电信、中国联通等许多运营商开始采用。一般相信超长复用段保护环倒换时间(16个节点以内)不会因环的周长增加而增加很多,主要增加的是传输时延,5000公里的环倒换时间会在100ms左右, 对话音业务不会造成很大影响,有可能对TCP传送的语音或其它对时延要求严格的业务造成影响。

  许多厂家采用了G.841附录中的复用段环倒换模式,该附录主要针对越洋海缆中规定了倒换模型。这种保护虽然也采用复用段K1、K2 字节 ,但是保护和倒换确是基于VC-4,即只有受影响的VC-4进行倒换,在线路切断的两节点上,系统并不进行环回。对于2000公里以上的复用段环,系统出现故障时,由于系统环回,端到端的时延增加。海缆保护机制由于没有系统环回,减少了端到端的时延,并且在开通低等级业务时,出现故障倒换只对部分低等级业务产生影响,不会对开在其他VC-4通道上的低等级业务产生影响。但是该保护机制由于在每个节点都必须进行逻辑连接的处理,倒换时间较长,一般在200~300 ms。综合比较:海缆保护机制的缺点是倒换时间长,但倒换后端到端业务时延比较短。普通复用段倒换环的倒换时间短,但倒换后端到端信号时延大,对某些时延要求严格的业务,应该采用G.841附录A 规定的倒换模型。

  二、WDM 设备的新特点

  随着新光纤的敷设,基于10 Gbit/s 的WDM 将逐渐成为产品的主流。其中一些厂商已经拥有160 ×10Gbit/s 的商用化产品,成为现在商用化速率最高的系统。但在10Gbit/s WDM 系统中,也出现了一些新特点。

  1. TMUX 4:1透明复用器的应用

  现在大规模建设的是基于10Gbit/s速率的WDM 系统,而过去建设了大量的2.5Gbit/s系统。为了更有效地利用光纤资源,有时候我们需要把正在运营2.5Gbit/s系统的光纤腾置出来开10Gbit/sWDM系统,而过去2.5Gbit/s系统必须接入到新建的WDM系统中。如果新建WDM系统每个波长支持1个2.5Gbit/s传输在技术上是可行的,但是在经济上是不划算的,因为新建WDM系统都是按照10Gbit/s设计的,增加了色散补偿模块等,传输2.5Gbit/s速率成本高。而如果只是将几个2.5Gbit/s 设备复用到10Gbit/s SDH 端机中,则2.5Gbit/s开销将被全部终结,原来已有的网络管理系统的各项功能也无法实施。现在厂商开发的所谓TMUX 设备,支持将4个2.5Gbit/s信号透明复用为一个10Gbit/s信号,2.5Gbit/s开销信息将被写入10Gbit/s开销未采用的字节中,保持开销传输透明,各个2.5Gbit/s可以继续实施自己已有的功能,保证2.5Gbit/s信号的透明传输,TMUX类似于 4×2.5Gbit/s WDM 功能。输出端具备标准WDM 工作波长,可以提高单个波长的利用率。

  另外一些厂商在开发TMUX 的同时,还开发了反向TMUX ,即把10Gbit/s速率信号解复用到4个2.5Gbit/s进行传输,并且保持10Gbit/s开销信号的透明性,10Gbit/s开销信号将会被写入某个2.5Gbit/s的未用开销中,在复用处再被取出来。对于一个超长复用段保护环,在某一个段落可能由于光纤PMD值偏大而不能开通10Gbit/s WDM ,而其他段落采用的都是10Gbit/s 系统。在该段落可以先采用2.5Gbit/s WDM 系统,加上反向TMUX复用器,10Gbit/s 系统在该段落将以4个2.5Gbit/s运行,并且能够保持10Gbit/s开销的透明传输和APS倒换协议的正常工作,整个大环依然可以实施10Gbit/s 速率的复用段保护环技术,而不至于一段不合格的光纤影响整个网络规划。

  2. RAMAN 放大器在WDM应用大量出现

  RAMAN 放大器工作的基本原理是激拉曼散射效应,当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动,进而调制入射光强产生了间隔恰好为分子振动频率的边带。低频边带称为斯托克斯线,高频边带称为反斯托克斯线,前者强于后者。当两个恰好分离斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时,低频波将获得光增益,高频波将衰减,其能量转移到低频波上去,也就是短波长光能量将转移到长波长信号,这就是受激拉曼散射(SRS )。RAMAN 放大器的最大特点是噪声系数小,正常EDFA的噪声系数为5~7 dB,而RAMAN 放大器一般利用干线光纤做为其工作的媒质,其等效噪声系数很小。 RAMAN 放大器典型噪声系数为0 左右,以EDFA 的噪声系数6dB计算,则RAMAN 放大器要小6dB,而达到同样的光信噪比,则可以实现4倍距离的传输,意味着从目前500~600公里延伸到 2000~3000公里。目前好几个公司都进行了现场试验,混合的RAMAN放大器和EDFA可以传输3000公里以上。这将有可能在一个国家内实现全光传送,即一个国家内的全光子网。从厂商提供的设计原则看,采用RAMAN 放大器系统,可以达到20个以上的光放段传输。目前的RAMAN 放大器增益还比较小(10 dB左右),还必须与EDFA 共同工作才能达到25dB以上的增益。大部分厂商采用的都是采用EDFA+RAMAN的策略,也有厂商声称自己的40Gbit/s WDM 只采用RAMAN 放大器技术,采用双向喇曼泵浦技术,同时利用DCM 色散补偿模块非线性强的特点进行喇曼泵浦放大,从而提高喇曼增益,可以达到 25 dB左右。

  3.FEC 功能对于10Gbit/s速率以上WDM 系统成为必需

  在基于10Gbit/s 的WDM 系统中,大部分公司都采用前向纠错技术 FEC。WDM 系统一般在OTU内配备带外FEC功能,带外FEC技术可以利用更多的字节,获得较高的增益。目前广泛采用的是G.975规定的海缆Reed-Solomon 编码方法 ,这种方法虽然使开销增加了7% ,但可以使OSNR 增益提高5~7dB,由于OTN 系列建议的光网络节点接口 G.709也确定了采用Reed-Solomon编码作为带外FEC 方案,所以基本上所有的制造厂商的WDM 系统都选用Reed-Solomon 编码,OTU输入端的线路速率为 10Gbit/s,输出速率则为10.7Gbit/s ,有些公司如Intel 还推出了ASIC 芯片。由于OTU采用带外FEC,信号速率从10Gbit/s提高到10.7Gbit/s ,带来了时钟的变换,一般内部有时钟14/15的变换,所以抖动传递函数超标的可能性大大增加。设备制造设计不当时会引起OTU抖动转移函数超标,在多级OTU级联时会导致系统输出抖动严重超标。

  为了应对40Gbit/s更高速率和超长距离的传输,一些公司新近提出了Super-FEC 方案,即占用开销由R-S 的7% 提高到25% ,对光信噪比的改善能力也将提高到7~9dB,比G.975规定的R-S提高2dB 左右,该编码方案正在标准化组织中进行讨论。
 

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