1.4.6 环形光网络的生存性

SDH/SONET这个主流传送技术使用的网络保护机制是已成事实的行业标准。网络保护

的新方法是在接入网中趋向于采用双归（或无保护）技术，在城域网中采用SDH/SONET自愈环，在长途传输网则采用1:1或1:N（主要的）线形保护技术。但是，随着光网络向智能化方向发展，迫切需要一些适用于多种网络拓扑结构（如环形网、互连环形网、格形与环形混合网、格形网）的全新光层保护机制。

WDM环网就其恢复能力而言具有很大的优越性，它能够利用简单快速的保护倒换方案对单个的光缆断裂和设备故障完成100%的恢复。但是WDM环网具有在SONET网络的SHR环中所不曾遇到的一些十分具有挑战性的问题。例如，在WDM环网中OADMs节点之间的环路如果太长，那么在工作光纤上的OADMs之间便需要放置光放大器，同样在保护光纤中也需要放置光放大器。但当没有故障时，保护光纤是一种闭环结构，除非采取措施消除这种闭环，否则来自于光放大器的自发辐射噪声将在这个闭合通道中重复循环。为了避免这种情况，目前研究人员已提出了几种克服这种影响的方法。

在WDM全光网各种拓扑结构中，环形网络具有较强的自愈能力，它可以在极短的时间内（几十毫秒内）从失效故障中自动恢复被中断的业务，使用户几乎感觉不到网络出现故障。与传统的SDH环形自愈网相比，WDM环形自愈网使用了多个波长传送业务，从而克服了传统的SDH环形网容量小且不容易升级的缺点。和SONET网络的自愈环SHR一样，WDM网络的自愈环SHR也可以是基于通道（OCh）的保护倒换或是基于线路的保护倒换。前者的保护是以光通道为基础的，倒换与否按照每一个光通道的信号质量而定；而后者的保护则是以复用段为基础的，倒换与否按每一对节点之间的复用段质量而定。基于通道倒换的环是一种单向的通道保护环（UPPR）结构，而基于线路倒换的环被称为共享保护环（SPRING）结构。光层的线路保护倒换也称为光复用段（OMS）保护倒换，所以WDM保护环网有三种生存性结构：OMS共享保护环（OMS-SPRING）、OCH专用保护环（OCH-DPRING）和OCH共享保护环（OCH-SPRING）。

按节点间波长通道来去业务的传输方向，可以将WDM环形网络分成单向环和双向环两种。针对一个节点而言，在同一条光通道中单向环的来业务的波长传输方向与去业务的波长传输方向相同，而双向环的传输方向相反。按连接环路中相邻节点的光纤数目，环形网络可以分成单纤环、二纤环、四纤环和多纤环。

参照目前最流行的SDH环形网保护机制——二纤单向通道倒换环（UPSR/2）和二纤双

向线路倒换环（BLSR/2）就可在光层上实现诸如光信道专用通道保护环（OCh-DPRING，基于光UPSR）和光复用段共享保护环（OMS-SPRING，基于光BLSR）等光层保护机制。

1.专用保护环

专用保护环一般由两条传输方向相反的光纤环构成。一根光纤作为工作光纤，而另一根作为保护光纤，因此一根光纤中的一路波长由反向传输光纤中的一路波长提供保护。由于是针对每一路波长提供保护，这种环又被称为光信道专用保护环（OCh-DPRing）。当发生节点或线路故障时，则受影响的业务被倒换到保护环中。

如图1.24所示，这种环网保护由于是基于1:1保护原理，所以相对比较简单，信号在发射端被分割后同时桥接到两根光纤上（用光分波器），形成了两个完全相同的信号但绕环在不同的方向上运行。如果出现故障，接收端根据对光信道的监控信息将业务从工作光纤切换到保护光纤上。当故障发生时，接收端并不需要通知发射端，所以就不需要信令信道。当然在这种环网结构中也可以使用1:1保护，但是当出现故障时1:1保护需要执行双端切换，而且需要信令来协调接收端和发送端之间的倒换动作。在正常运行时，保护带宽还可以用于传输优先级低的业务从而创造新的利润。

专用保护环的近期应用可能主要是和固定OADM配合然后在客户层实现保护，这时WDM的应用主要是为了降低客户层电子设备的成本。随着可重构型OADM的使用，它会过渡到名副其实的光层专用保护环。

OCh-DPRing的主要缺点是由于每一个保护需求都要消耗整个环网的容量，它需要至少

100%的容量备份，所以容量使用效率低。环网的容量直接决定于环网所能满足的保护需求总量的大小而与各个节点之间的业务分布无关。

在OCh-DPRING方案（1+1）中，每一根光纤中的波长信道是反方向传送的。波长是在前端桥接的，实现基于接收端的保护倒换，它只需要少量信令或根本不用信令。在集成光交换机中引入动态组播功能，有助于OCh-DPRING结构的实现。功率分配将能补偿桥接引入的损耗。由于环的两个方向上的光通道数量几乎很少是相等的，采用功率动态分配策略更为有效。

2.共享保护环

在共享保护环中，50%的环网容量被用来作为保护容量，而且允许不同的波长共享这些备用保护容量，如图1.25所示。既可以基于波长执行保护倒换，也就是所谓的光信道共享保护环（OCh-SPRing），也可以基于复用段执行保护倒换，这也就是所谓的光复用段共享保护环（OMS-SPRlng）。光复用段共享保护环（OMS-SPRing）的结构一般有两种：两纤OMS-SPRing和四纤OMS-SPRing。

在两纤的OMS-SPRING环结构中，用两根光纤连接相邻的两个OADM节点。每根光纤都是工作光纤，但在每根光纤中都分配出一半的信号带宽用于保护目的。每一根光纤中的工作波长都是由传输方向相反的另一根光纤中的保护波长来提供保护的。当光缆断裂或节点故障都会触发最临近的OADM的保护倒换开关，将受影响的工作业务切换迂回到另一根光纤中的保护容量上，如图1.26所示，从而将处于故障状态的业务流量重新路由出失效的状态以避免业务受到影响。由图中可见，有趣的是双向传输的业务在两个方向上不得不使用不同的波长，否则当需要保护时，就必须使用波长转换器。

在OMS-SPRing结构中，保护仅在光复用段（OMS）上实现，这对于复用量很大的DWDM系统而言是非常经济的。OMS-SPRing机制是通过在发生故障的相邻节点处执行光纤环回来实现的。在这种机制中，两根“虚拟光纤”是在两根物理光纤上创建的。这里采用了一种波长分配牌号机制并在光纤中分配工作波长和保护波长。这种方法要求每一根光纤（工作和备份光纤）中的业务流都是反向传送的。波长分配策略确保为每一个工作波长备份一个保护波长。

这种机制的优点是保护了光纤而不是光信道，然而它同时要求延长受保护的同通道和采用复杂的信令协议。为了支持更灵活的波长分配和光纤环回，有必要将交换和衰减控制结合在一起。如果将OMS-SPRing机制运用到四纤环中，效果将会更好。

在四纤的OMS-SPRing环结构中，在相邻的OADM节点之间需要4根光纤连接。和两纤的OMS-SPRING保护环不同，这时工作信道和保护信道都分别由不同的光纤来承载，这样可以给两个方向的工作光纤分配相同的波长。四纤网络同时综合了环网保护和区段保护两种保护类型，因此如果环网中仅仅是工作光纤的复用段受到故障的影响，那么与之平行的保护光纤只需要简单地执行区段保护倒换，而无须执行整个的业务环回保护倒换。这种结构可应付多种故障。

OCh-SPRing保护环和OMS-SPRing保护环的结构完全相同，而且在容量共享方面也完全相同，二者仅仅在保护倒换的操作上有所区别。在OCh-SPRing中，当发生故障时，受影响的业务连接在终端节点，而不是与故障最邻近的节点就直接倒换到反向的保护环上，如图1.27所示，它释放了原有工作路由的每一段容量。OCh-SPRing保护环与OMS-SPRing保护环相比最大的好处就是缩短了保护通道的长度，从而降低了信号衰减和扭曲。

对于大多数业务模式来说，共享保护环SPRing的容量使用效率高于专用容量保护环DPRing。但是在共享保护环中OADM的执行与管理比专用保护环复杂且成本较高。SPRing环结构在执行恢复功能时需要环上故障点两端的节点进行协调，因此，需要信令协议来保证线路切换和网络的故障恢复。关于SPRing的详细的信令协议还有待于ITU的进一步研究才能出台相关的技术标准。SPRing结构比起UPPR来说很难操作，因为UPPR结构并不需要信令协议来参与保护倒换，但与UPPR相比较，它能够承载更多的业务流量。

3.故障检测和定位

光网络的透明性问题一直是争论的焦点问题。光网络的透明性使得光网络能支持不同信号格式、不同比特率的业务，使光网络成为一个兼容各类业务的传送平台。但是由于光信号固有的模拟特性，所以在光域内很难完成3R中继，无法有效地消除噪声累积和色散影响。

因此有人提出核心网络不必保持透明性，利用光电变换消除噪声和色散累积，处理光通道开销以及实现OAM（操作维护管理）功能。但对于WDM环形网络，由于节点数目少、节点间距离短、噪声和色散累积影响不严重，因此完全可以实现信号的透明传输。WDM环形网的透明性产生两个特有的问题：网络状态的判定以及由于无法进行光信号的再生而引起的伪告警。

在SDH环网中，维护信号、管理信息与业务信息是共路传送的。在SDH帧结构中，通过对相应的段开销（SOH）和通道开销（POH）的处理，可以获得传输系统的全部状态信息，这为故障的定位、隔离以及保护倒换的实施提供了保障。SDH强大的网管功能也是SDH环网得以广泛应用的一个重要原因。在WDM环网中，为了保持业务的透明性，业务信号与监控和管理信息分路传送，网络无法直接利用SDH的开销字节来判定网络状态，从而无法据此实施相应的保护操作。此外在WDM环网中，业务信号完全以光信号的形式传送，而且有可能经过多个节点。若在传输过程中由于某段光纤链路断裂造成光信号丢失，那么故障下游各个节点无法判定是由于故障产生了信号丢失，还是由于中间节点无光信号再生而产生的误告警，WDM环网存在的这两个问题为故障判定、定位、隔离提出了新的要求。

比照SDH系统，为了实现环路保护、倒换及恢复，WDM环网必须快速传送缺陷指示标识符[前向缺陷指示（FDI）和后向缺陷指示（BDl）]和自动保护倒换字节（APS）。为了判定具体是哪个通道出现故障，还需要传送信道标识符（OCH-ID）。目前WDM全光网传送维护信号和管理信息的方法主要有两种：利用导频法（Pilot Tone）和专门的光监控信道。导频法是在信号光载波上调制一个低频信号，这种方法可以实现管理和维护信息与数据信号捆绑传送，但是数据传送速率很低——不超过10kbps，无法实现信令有效和快速的传送。监控信道的方法则是将这些开销通过一个专门的光监控信道传送，它可以达到很高的速率，正好适合APS快速传送的要求。目前对监控信道ITU-T仅规定了波长和传送速率，但对帧结构和具体开销的使用并未作出明确规定。

在故障判定依据上，WDM环网与SDH环网存在显著差异。SDH的告警信号按来源可以分为两类：本地告警信号和远端告警指示。本地告警信号上要有信号丢失（LOS）、帧丢失（LOF）、帧失步（OOF）、指针丢失（LOP），是由本地设备产生的。当本地设备检测到本地告警信号后，将相应的通道开销和段开销置位，产生通道失效指示（AIS）和复用段失效指示（MS-AIS）信号，同时向下游节点传送，供系统使用。远端告警指示主要有远端失效指示（RDI）。比照SDH系统，在WDM环形网中本地告警信号主要有光功率信号丢失（LOS）、光频率信号丢失（LOF）以及光信号劣化（SD），即光信噪比劣化。WDM环网使用FDI（前向缺陷指示）和BDI（后向缺陷指示）代替AIS和RDI。FDI和BDI是通过光监控信道传送的。它们分层传送、分层处理，可以用来实现故障的定位和隔离。

在检测到本地告警信号后，SDH环网和WDM环网的处理过程是不一样的。SDH环网在每个节点都进行光电变换和信号再生，所以不存在虚假告警的问题，一检测到本地告警就可以直接启动后续进程。但对于WDM环形网而言，单凭检测到本地告警这一事件是不应该启动保护倒换进程的，因为此列节点无法判定是由于故障产生了信号的丢失，还是由于中间节点无光信号再生而产生的误告警，此时，必须依靠监控信道所传送的维护和管理信息进行故障判定。例如当光纤发生断裂故障时，下游第一节点检测到WDM信号和监控信道信号同时丢失，而下游其他节点也检测到某些波长信道丢失，产生误告警。但由于此时监控信道信号未丢失，所以还可以利用监控信道向下游传送告警指示信号，下游节点检测到这些告警指示信号后可以屏蔽掉本地告警，从而避免了误操作。

4.环互连策略

环网出于要克服传输损伤和降低保护倒换的时延以确保环网的可用性，因此从本质结构上就限制了光纤长度不能太长，而且环上节点数也不能太多，所以要基于环网结构来构造大型网络就必须采用多环互连。虽然以前有些网络在两个环之间采用环覆盖策略从而避免了环间互连的需要，但是从大型网络的经济性、可靠性和可管理性来说，环网互连都具有本质的优势。

环网互连通常可采用两种方式：分级（Hierarchy）结构和平面（Flat）结构。在分级结构的环网互连方式中，有选择地抽出环网中的某些节点组成一个高层环网。两种互连方式的本质不同点表现在环间业务的路由上，一般在分级结构中环间互连业务的路由简单直接，但在平面结构互连网络中环间业务的路由就要复杂得多。因此分级互连环网的路由与管理模式比较简单，但是由于分级网络的远路缺乏灵活性，使得它在容量使用效率方面比平面环网互连结构差。

从物理层来讲，和SDH/SONET环网互连相类似，光网络也存在三种环互连方式。最简单的方式就是直接使用OADM的上下路波长分别与两个环网相连，这种方式的最典型的情况就是两个OADM放置在同一个地方以执行所谓的背靠背连接结构。由于这种方式使用一个光纤配线架直接提供硬连接而不具有任何程度的灵活性，因此它只适用于静态业务条件下。第二种互连方式通过在两个OADM之间插入一个OXC的方法以提高连接的灵活性，这时OADM的上下路业务也可被终结于OXC。第三种最具有灵活性的环网互联方式是采用集成了OADM的分插复用功能和OXC的交叉连接功能于一体的多功能OXC节点，同时提供环路直通、上下路和交叉互连功能。这种OXC也可以支持环网的保护倒换协议。

采用环网互连可以使各个环网内部的保护倒换相互隔离，可以实现对位于不同环网中的多个故障的恢复。而互连节点的故障可以通过双节点互连机制来直通或下路受影响的业务。

WDM光网络与SDH/SONET最本质的区别就是它的模拟性，因此它会受到噪声积累、色散等物理损伤的影响。目前许多标准化组织都建议在子网接口（SNI）使用转发器（即3R再生器）来消除物理损伤的影响。在子网或一个管理域的边缘使用转发器能够消除不同域之间信号的差异，提高信号质量的同时还可以提供OCh性能检测。在基于环网互连的大型网络中，互连节点从本质上来讲就完全可以放置转发器。

5.环网自愈时间

WDM环形网自愈所需要的时间由以下3部分组成：故障的判定及隔离所需的时间、信令和维护信号的传输和处理时间，以及开关动作所需要的时间。为了实现业务的快速恢复， WDM环形网不仅要求信令和维护信号能够快速传送，执行保护倒换的工作实体（如光开关）快速运用，而且对故障的判定时效性要求很高。但是这会与WDM系统固有的一个问题相矛盾，即WDM系统中光元器件的瞬态响应会导致系统瞬间功率变化以及信噪比恶化。光元器件的瞬态响应主要是光开关存在一定动作时间以及EDFA（掺饵光纤放大器）的瞬态特性。

光开关是环网保护倒换的执行元器件，光开关的速度直接决定了网络的自愈时间。此外光开关还广泛地用于系统的重新配置以及波长的上下话路。当光开关动作时，从一种稳定状态进入另外一种稳定状态有一定的时间延迟，在此过程中光开关输出处于不定状态，其表现为输出功率出现振荡和毛刺，这将导致某些监测点产生随时间变化的告警信息。对于采用机械式光开关的系统这点表现得尤为突出。机械式光开关具有优良的隔离度、低插入损耗，因此广泛地应用WDM系统中，但其转换时间为几个甚至几十毫秒，这已经达到了环网自愈时间量级。为了实现网络快速自愈，并消除由于光开关存在反应时间所导致的伪告警，因此有必要采用开关速度更快的热光开关。

在WDM环网中，常常利用EDFA实现光信号的放大以支持长距离传输。在WDM环网中所传送的波长数是可变的，它随着光通道的建立和撤销、波长的重新选路、波长的上下路或网络的保护倒换而随时改变。在存在多个EDFA级联的情况下，一个波长信号的插入或撤销会影EDFA对其他波长信号的增益。这是由于当EDFA工作在深度饱和状态时，总的输出功率基本不变且与输入信道数目无关，即每一通道的增益与通道数有关。当波长数变化时，信道之间产生交叉增益调制，使得信号的功率和信噪比发生变化。当进入EDFA的波长数减少时，剩余波长可能会由于增益增加，而使光功率超过非线性效应的门限或接收机的动态范围；当复用的波长增加时，会使信号的信噪比下降或光功率低于接收机的灵敏度，这两种情况都会影响系统的传输质量。由于WDM环形网中故障判决依据是监测点光功率变化或信噪比恶化，因此EDFA的瞬态效应会影响节点对网络工作状态的检测和判断。

采用功率均衡技术可以减小由于各输入通道功率不一致而引起EDFA输出的光功率和信噪比恶化。利用EDFA增益锁定技术，可以大大减小由于EDFA动态特性而导致的输出功率变化。对于单个EDFA，由于饵离子上能级自发辐射寿命约为11ms，所以EDFA的动态增益随时间变化非常慢，对于深度饱和的E DFA动态增益特性的时间尺度要快得多，约为100μs。当有n个EDFA级联时，该时间尺度为原来的1/n。由于深度饱和EDFA动态增益特性的时间尺度在微秒量级，所以采用增益锁定技术并结合安全保护时间的设置，可以解决EDFA动态增益特性所带来的影响。

6.WDM环网自激

WDM环形自愈网中有多个波长传送业务或用做保护波长，由于节点结构或网络设计的原因，有可能出现环路自激的现象，影响环路正常工作。

WDM环形网产生自激的主要原因如下：如果某个波长在环路中未承载业务，而且所有节点都处于直通状态，那么该波长将以较小的损耗通过各个节点，当环路的增益大于损耗时，EDFA的自发辐射在该波长信道不断地放大，从而有可能产生激光。例如，对于由OADM组成的二纤双向复用段保护环，由于这两根光纤中一半波长用来传输业务，另一半波长用做另外一根光纤工作波长的保护波长，所以若这一半保护波长不传送业务，且处于直通状态，则很有可能满足上述条件。

自激消耗了网络功率，引起网络工作状态不稳定。激射所产生的波长有可能对下路波长造成串扰，严重恶化系统性能。环路自激还对光通道的监测造成干扰，甚至会影响节点功率均衡模块以及造成保护倒换开关的误动作。

根据环形网自激产生的条件及其特点，可以采用以下措施来消除环路自激：

（1）使所有可能形成环路的波长通道的增益小于1；

（2）当某个波长不传送业务时，环路中某个或多个节点可以利用光开关断开环路，或在直通通道上加光开关，并使其与保护倒换光开关联动，在完成复用段倒换的同时，接通波长通道，使得其他链路的工作波长可以在这些波长通道传输；

（3）利用空闲的波长通道传送低等级额外业务，这不仅提高了环路容量，还有利于避免形成环路。