波分復用網路

波分復用網路將單模光纖的可用頻寬劃分成多個獨立的波長，每個波長是一個通道，各信道的速率在技術所能實現的範圍內任意選擇。網路中不同用戶的不同業務可在不同邏輯通道上傳送，這樣多個信道速率的總和就構成了網路的速率，增加波分復用的信道數，就可進一步挖掘光纖的頻寬資源；而多個獨立非重疊信道可以同時傳送不同類型的服務，這樣也實現了網路綜合業務的功能。

基本介紹

• 中文名：波分復用網路
• 外文名：WDM network
• 分類：光路交換、分組交換WDM網
• 背景：現有網路無法突破特定量級
• 研究基礎：路由選擇和波長分配
• 套用領域：通信工程、物理學、電子科學

定義

波分復用網路將單模光纖的可用頻寬劃分成多個獨立的波長，每個波長是一個通道，各信道的速率在技術所能實現的範圍內(如100Mbit/s～10Gbit/s)任意選擇。網路中不同用戶的不同業務可在不同邏輯通道上傳送，這樣多個信道速率的總和就構成了網路的速率，增加波分復用的信道數，就可進一步挖掘光纖的頻寬資源；而多個獨立非重疊信道可以同時傳送不同類型的服務，這樣也實現了網路綜合業務的功能。一根光纖上可用的光波長為2、4、8、16、32、64，最多為132個，因此光波長數是有限的。

全光波分復用網路有兩種交換方式:光路交換(Circuit-switching)和光分組交換(Packet-switching)，由此形成了兩種全光波分復用網路的網路形式，即光路交換WDM(波分復用)網和分組交換WDM（波分復用）網。

背景

近幾年來，全世界計算機及通信技術得到了長足的發展，由於網路構築所依賴的以電為基本傳輸介質的物理層已到了其極限，使得現有的網路在多方面已不能適應需求:頻寬匱乏、靈活性差、速度慢。

現有的基於時分復用方式工作的光纖網路由於受到電子器件的極限工作速率的限制，網路綜合頻寬難以突破10Gbit/s的量級。為充分利用光纖提供的巨大通信頻寬，在網路中採用並行訪問方式是必然的選擇。

基礎研究

全光WDM網的路由選擇和波長分配(RAW)是重要的套用基礎性研究問題，它解決怎樣通過光交叉連線或其它設備構成運載信號的光通道，併合理地分配通道所使用的波長，使有限資源能提供儘量大的通信容量。

給出一組建立全光連線(光通路)的請求，RAW問題由兩部分組成:①為每個源節點尋找到達目的節點的路徑；②在這些路徑上分配波長。因為波長數有限，不可能在每對節點間建立光通路。RAW問題可分為動態RAW和靜態RAW。動態RAW一般是考慮建立光連線的請求隨機到達，靜態RAW則是考慮在進行路由和波長分配前已知所有的希望建立的光連線。

在較早的研究中，假定網路中沒有波長轉換的光部件，這種情況下的RAW問題已有較多的研究，但是還有探討的必要。隨著光部件的發展，網路中可以採用波長變換，在某些情況下，網路性能得到改善，這方面的研究很活躍。

光路交換WDM網

光路交換WDM網是研究得最多，也是最接近實用化的一種網路。在美國、日本以及歐洲的一些國家已經建立了基於光交換的WDM實驗網路，如:LondonFiberNetwork，歐洲的RACEIIMultiwavelengthTransportNetwork(MWTN)，等等。

從拓撲結構上看光交換的全光WDM網路有兩種主要的形式:①廣播和選擇網路(thebroadcastandselectnetwork)，也就是常說的星型結構的網路；②波長尋徑網路。

廣播和選擇網路

廣播和選擇網路中各個節點通過光纖和無源星型耦合器連線，每個節點被分給不同的波長。各節點以自己特定的波長發出的信息經耦合器匯集，分流後到達各節點的收信端，每個節點利用可調諧接收器選擇接收。各節點的發射器是固定頻率的，接收器是可調諧的(實際上也可以有相反的情況)。注意，此處接收節點要想接受某傳送節點的信息，必須利用調諧接收器把接受波長調到與傳送信息的波長一致，這就要用到某種介質訪問控制協定（MAC協定）

由於星型耦合器和光纖鏈路都是無源的，所以這種網路很可靠，而且易於控制。但是廣播和選擇網路有兩個很明顯的不足之處。第一，這種網路非常浪費光能，因為每一個要傳輸信號的光能幾乎都被平分到網路中的所有節點上去了；第二，每一個節點都需要一個不同的傳輸波長，而光波波長數目有限，所以網路中的節點數目也就有限了。因此廣播和選擇網較適合用作區域網路。

波長尋徑網路

波長尋徑網路中，特定波長上的信號被直接尋逕到目的節點，而不是向全網廣播。這樣就減少了不必要的信號光能損失，同時又能使一個波長在網路的非重疊部分被多次使用(圖1)。

圖1中:節點3經過節點5與節點2通信，用的是波長1；與此同時，節點1經過節點n與節點4通信，用的是同樣的信道波長1。因為這兩條路徑是非重疊的。而若同時節點1經過節點n與節點3通信，則需要用信道波長2了。

圖1 波長尋徑網路結構

在最簡單的情況下，路由是固定的，並不需要像光交換設備這樣的可配置光器件。但是為了使網路有更大的靈活性和可擴展性，必須在網路中使用光路由設備，它可以動態重新配置路由以改變到達目的節點的光路。這樣一來，網路中就需要用到一個或多個控制器來配置這些光路由設備。

為了使網路具有最大限度的可擴展性，則需要在波長尋徑網路的光路由設備後面級聯一個波長轉換器，這樣的話，連線就可以在不同光纖的不同波長信道中轉換了。這將最大限度地重複利用有限的可用波長。但值得注意的是，全光波長轉換器並沒有完全研製出來。要達到波長的轉換還必須利用光電轉換和再生。因此，在實用中，波長尋徑網路並沒有用波長轉換器。由此不難看出波長尋徑網較適合用作城域網或廣域網。

全光網的互連

在實際的套用中，一個光路交換WDM網總是由以上兩種網路組合起來的。廣播和選擇網通常總是作為區域網路(LAN)，它們通過波長尋徑網互連起來(見圖2)，形成一個分層結構。圖2中的小圓代表LAN中的用戶節點，LAN中節點之間的通信是通過廣播方式完成的，它占用了一個固定的波長集合(此例中是波長1)。

圖2 全光互連網的分層結構和波長復用情況

在第二個層次，幾個LAN互連成一個組(Group)，同一個Group不同LAN中的用戶要通信，則要使用波長2，波長不在LAN的固定波長集合中。以這種方式可以級聯成多個層次。但是，由於固定波長集合的存在，限制了網路中用戶數的擴展(可以通過使用波長轉換器來解決)。

有鑒於光節點的能力和可用波長的數目有限，因此有必要在全光網上加上一層常規的高速電子層，如ATM。光層提供多個高速信道(如SONET)“粗糙”路由，電子層則提供較低速度的“精細”處理(如完成ATM的信元交換)。這樣的分層結構好處在於:光節點之間存在大容量、高速、透明的光路由，而光層的端節點完成常規的較低速、單信道、與協定有關的“精細”處理。光層與常規電子層構成的混合結構能夠實現真正意義上的用戶數目的可擴展性，而這是僅僅依靠WDM全光網所不能實現的。

分組交換WDM網

在數據通信中，我們需要一個具備分組交換能力的網路去支持像計算機通信或基於ATM通信等這樣基於分組交換的大量現存套用。由於電處理的極限限制了數據速率的提高，所以，需一個“全光”的解決方案來處理這些基於分組(Packet)或信元(Cell)的通信，在這個方案中，數據淨荷除了在源和目的節點外不會遇到電處理。分組業務具有很大的突發性，如果用光路交換的方式處理將會造成資源的浪費。

在這種情況下，一個全光的分組交換將是最為理想的選擇，它將大大提高鏈路的利用率。要實現全光分組交換有許多問題需要解決。首先，需要建立一個新的路由機制。由於缺乏較好的光存儲技術，光數據的尋徑和交換必須不停頓地進行，也即不用電處理不用存儲轉發，這就需要一個全新的分組交換體系結構和技術，新的結構必須考慮到光領域的特殊性。其次是全光網交換和存儲器件的實用性。這些全光器件都還在研製的過程中。最後則是一些基礎研究，如光纖的非線性問題，竄擾(crosstalk)問題等等。

在分組交換網路里，每個分組都必須包含自己的路由信息，通常是放在頭部(header)中。交換機只需要根據頭部信息就可以決定向何處轉發，而其他的信息如淨荷則不需要被交換機處理。光交換機通常是分布存儲式的交換機。

全光的分組交換一般有兩種方法。最簡單的一種是順序比特分組交換法(BSPS:Bit-SequentailPacket-Switching)，這是由電分組交換直接演化而來的:一個二進制的序列頭部數據告訴交換機向哪兒轉發分組；另一種是並行比特分組交換法(BPPS:Bit-ParallelPacket-Switching)。

波分復用網路的保護

WDM技術使得單根光纖鏈路同時傳輸多路客戶信號成為可能，而與此相對立的就是各種網路故障均會導致大量業務的異常中斷，因此，WDM網路的可靠性一直受到業界人士的廣泛關注。當今最為常用的保護方法就是在網路規劃和設計時預留一定的冗餘資源，且這些冗餘資源構成的備用路徑(backuppath)必須滿足與受保護的業務路徑(workingpath)存在鏈路分離(link-disjoint)或節點分離(node-disjoint)的關係，這樣才能提供真正的保護。工作路徑與備用路徑之間並不存在嚴格的一一對應關係，而是根據受損工作路徑對於承載業務的影響程度以及網路冗餘資源的分配策略才能為工作路徑創建合適的備用路徑。基於網狀WDM網路的生存策略及其保護方法的研究已經引起了業界人士的大量興趣。

研究主要解決了冗餘波長信道的使用效率問題，即如何以一定的網路冗餘資源來取得最大的恢復性能；而對於實施這些生存方案所需要的保護倒換時間還沒有得到較為深入的研究，儘管部分文獻就環型WDM網路分析了APS技術的保護倒換時間，但並不能直接作用於網狀WDM網路。

未來前景

為支持數據、話音、圖像等多種業務，採用分組方式進行傳輸和交換具有很多優點。特別是Internet的空前發展，使得人們必須研究IP分組怎樣進入全光網的問題。但是，由於真正的光分組交換技術的不成熟，使得我們不能採取真正光的方式進行分組交換，只能採用在全光網上加一層常規電子層(如ATM，IP)方法來解決這個問題。以邏輯拓撲為基礎的交換網路能充分發揮光技術和電技術的特長，讓攜帶信息的分組在邏輯拓撲上以光的形式儘量向前傳輸；當分組必須由一條光通道轉發到另一條光通道時，才引入電交換雖然WDM如何與IP和ATM結合的問題在過去研究得比較少，但是這方面的研究已經興起，而且將是未來的研究熱點。

由於它具有極高的傳輸速率，因此探索能在儘可能短的時間內為被中斷的業務尋找新的傳輸路由和自愈方案是十分必要的。網路生存性屬於網路完整性的一部分。完整性包括通信質量、可靠性和生存性等，涉及通信系統多方面的技術。網路生存性泛指網路遭受各種故障仍能維持可接受的業務質量的能力。網路生存性策略包括恢復技術、控制管理技術等。