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Typical applications of WDM technology in OTN system
LI Haixi， YANG Xiaodong，SU Xing
（Lanzhou Power Supply Company， Lanzhou 730050， Gansu Province， China）
摘要：光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤中能同时传输多波长光信号的一项技术。在一根光纤上使原来只能传送一个光载波的单一光信道变为可传送多个不同波长的光信道，同时在单根光纤上传输，使光纤的传输能力成倍增加。
关键词：波分复用；DWDM；应用；OTN
Abstract： Abstract： optical wavelength division multiplexing （WDM， Wavelength DivisionMultiplexing） technology is a technology can transmit multi wavelength optical signals simultaneously over a single optical fiber. The original can only transmita single optical channel optical carrier to transmit a plurality of light of different wavelength channels on a single fiber， transmit simultaneously on a single fiber，optical fiber transmission capacity doubled..
Key word： Wavelength DivisionMultiplexing（WDM）；DWDM；application；OTN
1 引言
光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤中能同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（合波），在接收端又将组合的光信号分开（分波）并送入不同的终端。因此，就可以在一根光纤上使原来只能传送一个光载波的单一光信道变为可传送多个不同波长的光信道，同时在单根光纤上传输，使光纤的传输能力成倍增加。
在兰州电网专用通信网中，应用最为广泛的便是在兰州市区EPON配电自动化通信网络里。系统在每套OLT与ONU之间通过一根光纤中的不同窗口，即1310nm和1490nm窗口的两个光波段来进行上行和下行信号的传送，不仅上、下行信号不受阻扰的传送畅行，而且大大节约了光纤的实际应用，使得少量的光纤便能实现10千伏线路信息采集节点的大面积覆盖。如果说EPON中的两波简单复用还算是WDM中的基础应用的话，那么，目前在整个甘肃电力系统正在应用的OTN大容量传输系统4波/单波10Gbps的40Gbps全容量高速传送网络，便是波分复用，甚至是密集型波分复用（DWDM）的典型应用。
2 光WDM的主要技术特点
（1）对已建成的光纤线路，由于业务发展需要扩容时，利用WDM技术可以不增建光缆线路或不改动原有光缆线路而在原有容量的基础上扩大几倍、几十倍、以至几百倍的传输容量，节省线路费用。
（2）在波分复用技术中，各个波长工作的系统是彼此独立的，各个系统所用的调制方式、传输速率、传送什么信号，如用模拟信号还是数字信号，各波长工作系统彼此没有关系，因而在使用上带来很大的方便和灵活性。
（3）光波分复用器主要是无源器件，结构简单，体积小，可靠性高，易与光纤耦合，成本低。
由于波分复用器件具有互异性（双向可逆），即一个器件既可合波又可分波，因此可以在一根光纤上实现全双工通信。
3 WDM的工作原理
WDM技术的工作原理图如下：
由图可见，实现WDM技术的关键在于WDM器件，图中WDM器件一般也称作合波/分波器。
这n个系统在发端n台光放射机（即有n个不同波长的光源）。这n个光波信号通过合波器将来自n台光放射机的光信号合并起来耦合进同一根光纤中传输到远方。当这些被合并的光波传送到接收端后，又通过一个分波器将合并的信号分开，再分别送到各相应的光检测器通道中。从而实现了在一根光导纤维上传输多个光源的光信号的目的。通过这样的复用方式，使在一根光纤中的实际传输容量得到成倍地增加。
4 DWDM密集波分复用技术的延伸应用
OTN，通常也称为OTH（Optical Transport Hierarchy），中文译名： 光传送网络，是G.872、G.709、G.798等一系列ITU-T的建议所规范的新一代光传送体系。
OTN综合了SDH/ASON的优点和DWDM的带宽可扩展性，集传送和交换能力于一体，是承载宽带IP业务的理想平台，代表了下一代传送网的发展方向。
从电域看，OTN保留了许多SDH的优点，如多业务适配、分级复用和疏导、管理监视、故障定位、保护倒换等。同时OTN扩展了新的能力和领域，例如提供大颗粒的2.5G、10G、40G业务的透明传送，支持带外FEC，支持对多层、多域网络进行级联监视等。
从光域看，OTN将光域划分成Och（光信道层）、OMS（光复用段层）、OTS（光传送段层）三个子层，允许在波长层面管理网络，并支持光层提供的OAM功能。为了管理跨多层的光网络，OTN提供了带内和带外两层控制管理开销。
相对于传统SDH，OTN解决了透明性和扩展性问题； 相对于传统WDM，OTN提供了兼容多厂商设备的能力、提供了网络级的管理和端到端的性能监视，提供了子波长、波长、波长组，以及光纤级的业务调度能力，和以点到点扩展链路容量的WDM技术有着本质的不同。
未来的传送网的演化方向：单波长解决方案趋向基于分组的传送，主要定位在汇聚层；多波长解决方案将是基于OTN的智能WDM平台（分传送设备和交叉连接设备），成为核心传送网的演进方向。
5 OTN系统的颗粒应用
OTN实际上是DWDM和ASON的综合体。首先OTN具备光交叉能力，即通过加载WSS型ROADM模块，可以使其组成类似于ASON设备的MESH网结构，即提高业务调度的灵活性，又增加了网络安全性；其次OTN具备电交叉能力，即每个波道的子速率交叉能力，这一部分与SDH的作用非常相像，但OTN有自己特殊的帧结构，那就是2.5G颗粒的ODU1和10G颗粒的ODU2，也有专门为数据业务服务的ODU1E和ODU2E。
光交叉和电交叉实际上是可以相互独立的，比如只具备光交叉能力而没有电交叉，或者只有电交叉而没有光交叉，都可称之为OTN。目前国外对光交叉感兴趣，而国内对电交叉感兴趣。由于光交叉主要由ROADM模块来实现，这里简单谈谈OTN的电交叉。
OTN电交叉的需求源于单波10G速率的出现，当一个波道达到10G时，其OTU便可承载4*2.5G或者8～9个GE，典型的DWDM开通业务方式都是点到点对开，倘若目标站点根本不需要这么大的容量，那么OTU的投资就显得很浪费。GE业务也是如此，因为许多节点大多只需要1～2个GE，而不必要8～9个GE。
为解决这一问题，就必须在DWDM上引入类似于SDH的交叉功能，从而演进出OTN的电交叉功能。OTN的电交叉部分实际相当于一端只能调度2.5G和10G颗粒的SDH设备，其客户侧部分是彩色光口，与业务设备对接，通过客户侧将业务信号接入至交叉矩阵，复用成ODU1或者ODU2颗粒，然后通过线路侧的OTU转换成符合DWDM规范的波长，通过OMU和ODU以及OA在光缆上传输。
由此可见，OTN实际上可比喻为DWDM+ASON的综合体，但需要注意的是OTN对低于2.5G颗粒的业务几乎难以支持。
6 OTN技术的本质
OTN技术是在目前全光组网的一些关键技术（如光缓存、光定时再生、光数字性能监视、波长变换等）不成熟的背景下基于现有光电技术折中提出的传送网组网技术。OTN在子网内部进行全光处理而在子网边界进行光电混合处理，但目标依然是全光组网，也可认为现在的OTN阶段是全光网络的过渡阶段。
按照OTN技术的网络分层，可分为光通道层、光复用段层和光传送段层三个层面。另外，为了解决客户信号的数字监视问题，光通道层又分为光通道传送单元（OTUk）和光通道数据单元（ODUk）两个子层，类似于SDH技术的段层和通道层。因此，从技术本质上而言，OTN技术是对已有的SDH和WDM的传统优势进行了更为有效的继承和组合，同时扩展了与业务传送需求相适应的组网功能，而从设备类型上来看，OTN设备相当于SDH和WDM设备融合为一种设备，同时拓展了原有设备类型的优势功能。
7 OTN的技术优势
（1）多种客户信号封装和透明传输
OTN可以支持多种客户信号的透明传送，如SDH、GE和10GE等。OTN定义的OPUk容器传送客户信号时不更改其净荷和开销信息，而其采用的异步映射模式保证了客户信号定时信息的透明。
10GE接口相对于10GPOS接口具有很大的成本优势，路由器采用10GE接口可以大大降低网络建设成本。而目前基于SDH的WDM系统主要是针对SDH信号的传送，无法实现对10GELAN信号的透明传送。因此，WDM系统引入OTN接口是路由器采用10GE接口的前提条件。
（2）提供快速、可靠的大颗粒业务保护能力
电信级业务需要达到50ms的保护倒换时间。在IP+WDM网络中，路由器逻辑路由一般呈Full Mesh状分布，而光纤物理路径则一般呈环或简单的Mesh状，一条物理路径中断可能引起大量IP逻辑路由中断，导致路由器FRR保护恢复时间变长，远远超过50ms。传统电信级IP网中引入SDH层面，一个重要原因就是为了提供50ms的保护恢复时间。
基于OTN交换的WDM设备可以实现波长或子波长的快速保护，如1+1、1：1、1：N、Mesh保护，满足50ms的保护倒换时间。
（3）完善的性能和故障监测能力
目前基于SDH的WDM系统只能依赖SDH的B1和J0进行分段的性能和故障监测。当一条业务通道跨越多个WDM系统时，无法实现端到端的性能和故障监测，以及快速的故障定位。
而OTN引入了丰富的开销，具备完善的性能和故障监测机制。OTUk层的段监测字节（SM）可以对电再生段进行性能和故障监测；ODUk层的通道监测字节（PM）可以对端到端的波长通道进行性能和故障监测。从而使WDM系统具备类似SDH的性能和故障监测能力。
OTN还可以提供6级连接监视功能（TCM），对于多运营商/多设备商/多子网环境，可以实现分级和分段管理。适当配置各级TCM，可以为端到端通道的性能和故障监测提供有效的监视手段，实现故障的快速定位。
因此，在WDM系统中引入OTN接口，可以实现对波长通道端到端的性能和故障监测，而不需要依赖于所承载的业务信号（SDH/10GE等）的OAM机制。从而使基于OTN的WDM网络成为一个具备OAM功能的独立传送网。
（4）FEC能力
G.709为OTN帧结构定义了标准的带外FEC纠错算法，FEC校验字节长达4×256字节，使用RS（255，239）算法，可以带来最大6.2dB（BER=10-15）编码增益，降低OSNR容限，延长电中继距离，减少系统站点个数，降低建网成本。G.975.1定义了非标准FEC，进一步提高了编码增益，实现更长距离的传送。
8 结束语
现有城域核心层及干线的SDH网络适合传送的主要为TDM业务，而目前迅猛增加的主要为具备统计特性的数据业务，因此在这些网络层面后续的网络建设不可能大规模新建SDH网络，但WDM网络的规模建设和扩容不可避免，可IP业务通过POS或者以太网接口直接上载到现有WDM网络将面临组网、保护和维护管理等方面的缺陷。
鉴于此，对于现有WDM系统新建或扩容的传送网络，在省去SDH网络层面以后，应支持基于G.709开销的维护管理功能和基于光层的保护倒换功能，也就是说，OTN网络替代了SDH网络相应的功能。WDM网络则应逐渐升级过渡到OTN网络，而基于OTN技术的组网则应逐渐占据传送网主导地位。
参考文献
[1]李允博.光传送网（OTN）技术的原理与测试.人民邮电出版社，2013.04.
[2]金明晔.DWDM技术原理与应用.电子工业出版社，2004.01
作者简介：
李海曦（1976），女，学士，高级工程师，从事通信设计、二次规划工作。
杨小冬（1988），男，学士，助理工程师，从事电网规划工作。
苏醒（1983），男，学士，工程师，从事电气工程技术经济工作。
LI Haixi， YANG Xiaodong，SU Xing
（Lanzhou Power Supply Company， Lanzhou 730050， Gansu Province， China）
摘要：光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤中能同时传输多波长光信号的一项技术。在一根光纤上使原来只能传送一个光载波的单一光信道变为可传送多个不同波长的光信道，同时在单根光纤上传输，使光纤的传输能力成倍增加。
关键词：波分复用；DWDM；应用；OTN
Abstract： Abstract： optical wavelength division multiplexing （WDM， Wavelength DivisionMultiplexing） technology is a technology can transmit multi wavelength optical signals simultaneously over a single optical fiber. The original can only transmita single optical channel optical carrier to transmit a plurality of light of different wavelength channels on a single fiber， transmit simultaneously on a single fiber，optical fiber transmission capacity doubled..
Key word： Wavelength DivisionMultiplexing（WDM）；DWDM；application；OTN
1 引言
光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤中能同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（合波），在接收端又将组合的光信号分开（分波）并送入不同的终端。因此，就可以在一根光纤上使原来只能传送一个光载波的单一光信道变为可传送多个不同波长的光信道，同时在单根光纤上传输，使光纤的传输能力成倍增加。
在兰州电网专用通信网中，应用最为广泛的便是在兰州市区EPON配电自动化通信网络里。系统在每套OLT与ONU之间通过一根光纤中的不同窗口，即1310nm和1490nm窗口的两个光波段来进行上行和下行信号的传送，不仅上、下行信号不受阻扰的传送畅行，而且大大节约了光纤的实际应用，使得少量的光纤便能实现10千伏线路信息采集节点的大面积覆盖。如果说EPON中的两波简单复用还算是WDM中的基础应用的话，那么，目前在整个甘肃电力系统正在应用的OTN大容量传输系统4波/单波10Gbps的40Gbps全容量高速传送网络，便是波分复用，甚至是密集型波分复用（DWDM）的典型应用。
2 光WDM的主要技术特点
（1）对已建成的光纤线路，由于业务发展需要扩容时，利用WDM技术可以不增建光缆线路或不改动原有光缆线路而在原有容量的基础上扩大几倍、几十倍、以至几百倍的传输容量，节省线路费用。
（2）在波分复用技术中，各个波长工作的系统是彼此独立的，各个系统所用的调制方式、传输速率、传送什么信号，如用模拟信号还是数字信号，各波长工作系统彼此没有关系，因而在使用上带来很大的方便和灵活性。
（3）光波分复用器主要是无源器件，结构简单，体积小，可靠性高，易与光纤耦合，成本低。
由于波分复用器件具有互异性（双向可逆），即一个器件既可合波又可分波，因此可以在一根光纤上实现全双工通信。
3 WDM的工作原理
WDM技术的工作原理图如下：
由图可见，实现WDM技术的关键在于WDM器件，图中WDM器件一般也称作合波/分波器。
这n个系统在发端n台光放射机（即有n个不同波长的光源）。这n个光波信号通过合波器将来自n台光放射机的光信号合并起来耦合进同一根光纤中传输到远方。当这些被合并的光波传送到接收端后，又通过一个分波器将合并的信号分开，再分别送到各相应的光检测器通道中。从而实现了在一根光导纤维上传输多个光源的光信号的目的。通过这样的复用方式，使在一根光纤中的实际传输容量得到成倍地增加。
4 DWDM密集波分复用技术的延伸应用
OTN，通常也称为OTH（Optical Transport Hierarchy），中文译名： 光传送网络，是G.872、G.709、G.798等一系列ITU-T的建议所规范的新一代光传送体系。
OTN综合了SDH/ASON的优点和DWDM的带宽可扩展性，集传送和交换能力于一体，是承载宽带IP业务的理想平台，代表了下一代传送网的发展方向。
从电域看，OTN保留了许多SDH的优点，如多业务适配、分级复用和疏导、管理监视、故障定位、保护倒换等。同时OTN扩展了新的能力和领域，例如提供大颗粒的2.5G、10G、40G业务的透明传送，支持带外FEC，支持对多层、多域网络进行级联监视等。
从光域看，OTN将光域划分成Och（光信道层）、OMS（光复用段层）、OTS（光传送段层）三个子层，允许在波长层面管理网络，并支持光层提供的OAM功能。为了管理跨多层的光网络，OTN提供了带内和带外两层控制管理开销。
相对于传统SDH，OTN解决了透明性和扩展性问题； 相对于传统WDM，OTN提供了兼容多厂商设备的能力、提供了网络级的管理和端到端的性能监视，提供了子波长、波长、波长组，以及光纤级的业务调度能力，和以点到点扩展链路容量的WDM技术有着本质的不同。
未来的传送网的演化方向：单波长解决方案趋向基于分组的传送，主要定位在汇聚层；多波长解决方案将是基于OTN的智能WDM平台（分传送设备和交叉连接设备），成为核心传送网的演进方向。
5 OTN系统的颗粒应用
OTN实际上是DWDM和ASON的综合体。首先OTN具备光交叉能力，即通过加载WSS型ROADM模块，可以使其组成类似于ASON设备的MESH网结构，即提高业务调度的灵活性，又增加了网络安全性；其次OTN具备电交叉能力，即每个波道的子速率交叉能力，这一部分与SDH的作用非常相像，但OTN有自己特殊的帧结构，那就是2.5G颗粒的ODU1和10G颗粒的ODU2，也有专门为数据业务服务的ODU1E和ODU2E。
光交叉和电交叉实际上是可以相互独立的，比如只具备光交叉能力而没有电交叉，或者只有电交叉而没有光交叉，都可称之为OTN。目前国外对光交叉感兴趣，而国内对电交叉感兴趣。由于光交叉主要由ROADM模块来实现，这里简单谈谈OTN的电交叉。
OTN电交叉的需求源于单波10G速率的出现，当一个波道达到10G时，其OTU便可承载4*2.5G或者8～9个GE，典型的DWDM开通业务方式都是点到点对开，倘若目标站点根本不需要这么大的容量，那么OTU的投资就显得很浪费。GE业务也是如此，因为许多节点大多只需要1～2个GE，而不必要8～9个GE。
为解决这一问题，就必须在DWDM上引入类似于SDH的交叉功能，从而演进出OTN的电交叉功能。OTN的电交叉部分实际相当于一端只能调度2.5G和10G颗粒的SDH设备，其客户侧部分是彩色光口，与业务设备对接，通过客户侧将业务信号接入至交叉矩阵，复用成ODU1或者ODU2颗粒，然后通过线路侧的OTU转换成符合DWDM规范的波长，通过OMU和ODU以及OA在光缆上传输。
由此可见，OTN实际上可比喻为DWDM+ASON的综合体，但需要注意的是OTN对低于2.5G颗粒的业务几乎难以支持。
6 OTN技术的本质
OTN技术是在目前全光组网的一些关键技术（如光缓存、光定时再生、光数字性能监视、波长变换等）不成熟的背景下基于现有光电技术折中提出的传送网组网技术。OTN在子网内部进行全光处理而在子网边界进行光电混合处理，但目标依然是全光组网，也可认为现在的OTN阶段是全光网络的过渡阶段。
按照OTN技术的网络分层，可分为光通道层、光复用段层和光传送段层三个层面。另外，为了解决客户信号的数字监视问题，光通道层又分为光通道传送单元（OTUk）和光通道数据单元（ODUk）两个子层，类似于SDH技术的段层和通道层。因此，从技术本质上而言，OTN技术是对已有的SDH和WDM的传统优势进行了更为有效的继承和组合，同时扩展了与业务传送需求相适应的组网功能，而从设备类型上来看，OTN设备相当于SDH和WDM设备融合为一种设备，同时拓展了原有设备类型的优势功能。
7 OTN的技术优势
（1）多种客户信号封装和透明传输
OTN可以支持多种客户信号的透明传送，如SDH、GE和10GE等。OTN定义的OPUk容器传送客户信号时不更改其净荷和开销信息，而其采用的异步映射模式保证了客户信号定时信息的透明。
10GE接口相对于10GPOS接口具有很大的成本优势，路由器采用10GE接口可以大大降低网络建设成本。而目前基于SDH的WDM系统主要是针对SDH信号的传送，无法实现对10GELAN信号的透明传送。因此，WDM系统引入OTN接口是路由器采用10GE接口的前提条件。
（2）提供快速、可靠的大颗粒业务保护能力
电信级业务需要达到50ms的保护倒换时间。在IP+WDM网络中，路由器逻辑路由一般呈Full Mesh状分布，而光纤物理路径则一般呈环或简单的Mesh状，一条物理路径中断可能引起大量IP逻辑路由中断，导致路由器FRR保护恢复时间变长，远远超过50ms。传统电信级IP网中引入SDH层面，一个重要原因就是为了提供50ms的保护恢复时间。
基于OTN交换的WDM设备可以实现波长或子波长的快速保护，如1+1、1：1、1：N、Mesh保护，满足50ms的保护倒换时间。
（3）完善的性能和故障监测能力
目前基于SDH的WDM系统只能依赖SDH的B1和J0进行分段的性能和故障监测。当一条业务通道跨越多个WDM系统时，无法实现端到端的性能和故障监测，以及快速的故障定位。
而OTN引入了丰富的开销，具备完善的性能和故障监测机制。OTUk层的段监测字节（SM）可以对电再生段进行性能和故障监测；ODUk层的通道监测字节（PM）可以对端到端的波长通道进行性能和故障监测。从而使WDM系统具备类似SDH的性能和故障监测能力。
OTN还可以提供6级连接监视功能（TCM），对于多运营商/多设备商/多子网环境，可以实现分级和分段管理。适当配置各级TCM，可以为端到端通道的性能和故障监测提供有效的监视手段，实现故障的快速定位。
因此，在WDM系统中引入OTN接口，可以实现对波长通道端到端的性能和故障监测，而不需要依赖于所承载的业务信号（SDH/10GE等）的OAM机制。从而使基于OTN的WDM网络成为一个具备OAM功能的独立传送网。
（4）FEC能力
G.709为OTN帧结构定义了标准的带外FEC纠错算法，FEC校验字节长达4×256字节，使用RS（255，239）算法，可以带来最大6.2dB（BER=10-15）编码增益，降低OSNR容限，延长电中继距离，减少系统站点个数，降低建网成本。G.975.1定义了非标准FEC，进一步提高了编码增益，实现更长距离的传送。
8 结束语
现有城域核心层及干线的SDH网络适合传送的主要为TDM业务，而目前迅猛增加的主要为具备统计特性的数据业务，因此在这些网络层面后续的网络建设不可能大规模新建SDH网络，但WDM网络的规模建设和扩容不可避免，可IP业务通过POS或者以太网接口直接上载到现有WDM网络将面临组网、保护和维护管理等方面的缺陷。
鉴于此，对于现有WDM系统新建或扩容的传送网络，在省去SDH网络层面以后，应支持基于G.709开销的维护管理功能和基于光层的保护倒换功能，也就是说，OTN网络替代了SDH网络相应的功能。WDM网络则应逐渐升级过渡到OTN网络，而基于OTN技术的组网则应逐渐占据传送网主导地位。
参考文献
[1]李允博.光传送网（OTN）技术的原理与测试.人民邮电出版社，2013.04.
[2]金明晔.DWDM技术原理与应用.电子工业出版社，2004.01
作者简介：
李海曦（1976），女，学士，高级工程师，从事通信设计、二次规划工作。
杨小冬（1988），男，学士，助理工程师，从事电网规划工作。
苏醒（1983），男，学士，工程师，从事电气工程技术经济工作。