光传送网——前沿技术与应用 PDF下载

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内容简介

　　本书是一本有关光传送网前沿技术的技术专著，内容涉及光传送网的应用场景、平面架构、关键技术、协议机制等。全书共6章，第1章为概论；第2章介绍100Gb/s波分复用（WDM）技术；第3章介绍400Gb/s光传送网技术；第4章阐述光传送网智能控制技术；第5章结合PTN和IP RAN讨论分组技术引入光传送网后的多业务传送特性；第6章讲述未来极具发展前景的光与IP资源协同和数据中心网络技术。

作者简介

　　曹畅：中国联通博士后工作站在站博士后，中国通信学会会员，国际电子电气工程师协会会员。国家863项目“基于T-MPLS的电信级分组传送网络”分项目负责人，发表论文数篇，出版专著有《分组城域网演进技术》（机械工业出版社，2012）。

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 第1章 概论 
1.1 光传送网发展的主要驱动力 
1.1.1 宽带化驱动 
1.1.2 分组化驱动 
1.1.3 智能化驱动 
1.1.4 扁平化驱动 
1.2 光传送网中的关键技术 
1.2.1 光波分复用（WDM）技术 
1.2.2 OTN技术 
1.2.3 ASON/WSON技术 
1.2.4 PTN与IP RAN技术 
1.3 光传送网的主要应用场景 
1.3.1 国家干线光传送网 
1.3.2 省内/区域干线光传送网 
1.3.3 城域光传送网 
1.4 光传送网的体系架构 
1.4.1 传送平面 
1.4.2 控制平面 
1.4.3 管理平面 
1.5 本书写作思路和章节安排
 第2章 100G DWDM传输与组网技术 
2.1 100G技术标准化情况 
2.1.1 国际标准 
2.1.2 国内标准 
2.2 100G DWDM关键技术 
2.2.1 调制码型 
2.2.2 相干检测 
2.2.3 FEC技术 
2.2.4 非线性效应 
2.2.5 客户侧接口 
2.2.6 系统余量 
2.3 100G DWDM组网关键问题 
2.3.1 WDM平台与OTN平台的选择 
2.3.2 40G及以下低速率业务传送方式 
2.3.3 WDM系统混传策略 
2.3.4 客户侧接口选择 
2.3.5 100G DWDM技术引入策略 
2.4 100G DWDM测试方案 
2.4.1 系统配置模型 
2.4.2 测试仪表介绍 
2.4.3 系统中心频率和波长要求 
2.4.4 单机测试项 
2.4.5 系统测试项 
2.5 小结
 第3章 400G DWDM与OTN技术 
3.1 400G技术引入的背景 
3.2 400G DWDM关键技术 
3.2.1 调制编码技术 
3.2.2 灵活栅格技术 
3.2.3 DSP与FEC技术 
3.3 400G OTN关键技术 
3.3.1 传统 OTN架构 
3.3.2 OTN帧结构与开销 
3.3.3 Flex OTN架构 
3.3.4 信号反向复用技术 
3.4 400GE承载与400G 链路技术 
3.4.1 400GE承载技术 
3.4.2 新型光纤技术 
3.4.3 光放大技术 
3.5 小结
 第4章 光传送网智能控制技术 
4.1 ASON技术发展与应用情况 
4.1.1 ASON技术标准化进程 
4.1.2 引入ASON技术的考量因素 
4.1.3 ASON网络结构规划 
4.2 WSON概述与研究进展 
4.2.1 WSON技术背景及需求 
4.2.2 WSON标准化进展 
4.2.3 WSON网络结构 
4.3 PCE概述与研究进展 
4.3.1 PCE技术背景及需求 
4.3.2 PCE功能架构及应用场景 
4.3.3 PCE的标准化进展 
4.3.4 PCE路由协议在WSON网络中的应用 
4.4 SDN技术研究与在光网络中的应用 
4.4.1 SDN的产生与发展 
4.4.2 SDN标准推进情况 
4.4.3 SDN在光传送网中的应用分析 
4.5 控制平面与SDN融合阶段分析 
4.5.1 第一阶段：分布式ASON+统一网管 
4.5.2 第二阶段：分布式ASON+PCE 
4.5.3 第三阶段：Transport-SDN统一控制 
4.5.4 融合中的关键技术 
4.6 小结
 第5章 光传送网多业务承载技术 
5.1 分组传送网的业务承载模型 
5.1.1 OAM带内传送技术 
5.1.2 双标签传送技术 
5.1.3 业务通用封装格式 
5.1.4 标签封装和标签栈 
5.2 TDM业务时延分析与优化 
5.2.1 TDM业务时延模型 
5.2.2 TDM包长自适应调整方案 
5.2.3 TDM业务仿真结果 
5.3 流量特性对承载分组业务的影响 
5.3.1 业务发生规律的影响 
5.3.2 业务自相似性的影响 
5.3.3 分组业务仿真结果 
5.4 IP RAN技术承载LTE业务的效率分析 
5.4.1 IP RAN技术介绍 
5.4.2 IP RAN组网方案 
5.4.3 IP RAN与MSTP承载效率对比 
5.5 小结
 第6章 光与IP资源协同和数据中心网络技术 
6.1 光与IP协同的需求 
6.1.1 运营商骨干网架构和面临的问题 
6.1.2 光与IP协同的主要需求 
6.2 光与IP协同策略 
6.2.1 联合组网策略 
6.2.2 联合生存性策略 
6.2.3 流量旁路策略 
6.3 云数据中心网络技术 
6.3.1 数据中心内部网络技术 
6.3.2 数据中心外部互连技术 
6.4 SDN技术在数据中心网络中的应用 
6.4.1 数据中心内部应用场景 
6.4.2 数据中心互连应用场景 
6.4.3 业务协同平台的设计 
6.5 小结 
缩略语

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　　第1章　概论
　　本章要点
　　√ 光传送网发展的主要驱动力
　　√ 光传送网中的关键技术
　　√ 光传送网的主要应用场景
　　√ 光传送网的体系架构
　　√ 本书写作思路和章节安排
　　信息技术是当今世界经济发展和社会发展的重要驱动力，通信产业已经成为我国全面建设小康社会的战略性、基础性和先导性支柱产业。支撑通信产业的基础是高可信的通信网络，而以光纤为物理媒介的电信传送网则是整个通信网络的重要组成部分。自20世纪80年代以来，以密集波分复用（DWDM）技术和掺铒光纤放大器的发明为标志，光通信的发展不断加速，传输容量一直以每隔12个月左右翻一倍的速度递增，成为网络时代“超摩尔定律”的重要践行者。随着数据业务的迅猛发展和运营模式的不断更新，传统的中低速传送技术和面向电路的刚性管道已不能完全适应网络对大带宽、多等级分组数据传送和承载的要求，而超高速、面向分组的高性能传送技术则应运而生。
　　在全球主要运营商的网络中，超高速DWDM、大容量光传送网（OTN）、智能控制等技术层出不穷，并且为了适应网络业务IP化转变的需要，以PTN、IP RAN为代表的分组传送技术在短短几年内已经大规模部署，极大地缓解了运营商网络的承载压力。本章内容将从光传送网发展的主要驱动力入手，阐述目前光传送网的主要技术以及它们所适用的部署场景，最后介绍光传送网的功能架构和传送平面、控制平面、管理平面的主要概念。
　　1.1 光传送网发展的主要驱动力
　　技术的发展和业务的发展如同汽车的前后轮一样共同驱动着光网络高速向前发展，两者缺一不可。业务的发展引领了光网络的带宽需求、智能需求和弹性需求，指导着未来光传送网发展的方向；光学、电子学和计算机领域的技术进步则是光传送网坚实的推动力，每一次关键技术的突破对光网络的发展都具有重要意义，往往带来产业界巨大的机遇。从当今时代的业务需求和技术发展水平来看，下一代光传送网络发展的驱动力可以归结为四个方面：宽带化驱动、分组化驱动、智能化驱动和扁平化驱动。
　　1.1.1 宽带化驱动
　　近年来，随着高清视频，在线游戏和高可靠数据业务的飞速增长，骨干光传送网的网络容量亟须扩容。而且在互联网运营商OTT业务的冲击下，VOD、CDN等系统的部署方式也在不断转变，这些对城域光传送网的容量和组网方式也带来了较大影响，从整体上来看，DWDM/OTN系统已经呈现出长距离和大容量传输的趋势。
　　超大容量、超长距离的传送通道一直是光传送网络的立足之本。目前，电信网络中以GE/10GE/40GE、2.5Gb/s/10Gb/s/40Gb/s POS接口为代表的大颗粒宽带业务大量涌现，飞速增长的数据流量需求直观地引导着光传送网络的发展，推动光传输技术不断前进。从单信道速率（单波长速率）来看，100Gb/s的系统已经开始在国内外大规模商用，400Gb/s的系统也已在实验室完成研发，并有部分的部署案例。单信道容量为11.2Tb/s的系统在实验室已经实现；从单纤信道数来看，C波段80波系统、C+L波段160波系统已经成熟商用，单纤432波、波长间距25GHz的试验系统已经实现；从整个传输系统的总容量来看，单纤10Tb/s技术已经完全突破，目前单纤容量最高已经达到69.1Tb/s，正在逼近100Tb/s。这些都表明下一代光传送网络有能力为未来业务提供大容量传输平台。
　　超长距离传输能有效地降低系统成本并提高系统的可靠性，所以也备受产业界的青睐。随着分布式喇曼放大器、超强前向纠错技术、高速信号调制与接收处理技术、色散管理与相干检测技术、PMD补偿技术、光子集成技术和严格的光域均衡技术的使用，全光网传输的距离也在大幅度增加，部分厂家研发的系统已经达到4000km以上。
　　1.1.2 分组化驱动
　　随着IP业务的快速增长，宽带数据业务已在固定和移动的方方面面取代了传统电信网中以话音为主的业务形态，与基于TDM技术的话音承载系统不同，IP业务天生具备的突发、抖动等统计复用特性要求承载网络更具备灵活性，在满足高可靠要求之外，还要高效率地支持多种业务的综合接入。因此，未来的光传送网络必须满足从分组到波长的传送需求，支持PDH、IP、Ethernet、SDH和ATM等多种业务。同时，下一代网络基于分组技术，必须支持用户层次与业务需求的多样性，在为业务提供服务质量（QoS）的同时，网络经营者需更多地关注业务的体验质量（QoE）。多业务的支持能力同时要求光传送网络具有开放性和可扩展性，能够适应未来业务的需求，为未来业务提供开放的接口。
　　　　同时，传送网所承载业务的分组化趋势并不意味着传送网的完全IP化。数据网络的可靠性、生存性和管理维护方面与电信级网络还存在着很大的差距，如路由器的连接可用率通常仅可达到99.9%左右（1～2个9），与电信网络所要求的99.9999%（4～5个9）不可同日而语。在经济有效的光层带宽复用和调度技术出现之前，仍然需要一个智能的传送层将各类业务高效、灵活地填充到光纤巨大的带宽通道中去。
　　1.1.3 智能化驱动
　　与传统的电信业务相比，IP化的电信业务具有更高的动态特征和不可预测性，所以需要承载业务的光传送网具备更高的灵活性和智能化功能，以便在网络拓扑及业务分布发生变化时能够快速响应，实现业务的灵活调度。
　　智能化是光传送网络发展的一个方向，它反映了光网络体系的重大变革。作为网络智能化代表的ASON技术，在这些传送平面的技术之上提供了智能化的功能。随着光传送网络从传统的点到点、环形组网向复杂的网状网方向演进，下一代光传送网络必须在传送上融入交换，使网络具有更高智能性和动态的建路、拆路功能，同时提供更高效的保护和恢复机制、灵活的可扩展性和交互的流量工程能力。传统的光传送网引入ASON以后，多层复杂网络结构得以简化，光网络层开始直接承载业务，避免了传统网络升级时受到的多重限制，可以满足用户对资源动态分配、高效保护恢复能力以及波长应用新业务等方面的需求，是一次传送网的重大突破。随着DWDM网络速率的不断提高，未来光传送网中传输码型、FEC方式、栅格结构等都将成为智能光网络需要控制的关键要素，光传送网的智能控制技术将会有巨大的用武之地。因此可以说，光传送网是否智能，将成为未来电信网性能优劣的主要考量指标。
　　业务发放更快：主要指端到端网络建设周期短，端到端建设的管道调度速度快。
　　承载效率更高：任意的业务颗粒都能汇聚到任意的管道中传送，不同业务分级合理占用带宽资源，避免资源过占用。
　　网络生存性更强：大带宽网络更需要高可靠性，互联网业务需要更高网络性能，端到端性能监视确保服务质量。
　　控制方法更便捷：控制界面和操作的便捷与易用，控制方法的统一和软件的兼容。
　　1.1.4 扁平化驱动
　　在当前网络发展的转型阶段，网络技术不断走向融合，这种融合主要表现在层级架构方面，这其中最典型的就是传统传送网络和承载网络的融合。随着业务IP化和OTT带来的冲击，运营商营业收入的增长压力越来越大，因此简化网络层级，减少功能重叠，节约投资是目前运营商网络建设的主要目标，IP和光层的融合和协调发展成为光传送网发展的主要趋势。随着IP承载网所需要的电路带宽和颗粒度不断增大，以VC调度为基础的SDH网络首先在扩展性和效率方面呈现出了明显的不足，SDH设备对GE以上速率的大颗粒IP业务交叉效率低、带宽收敛性能差，为了适应IP业务发展的需要，在光层网络上直接承载IP/MPLS的扁平化架构已经是大势所趋。原有IP over Ethernet over SDH over WDM的承载形式将向着IP/Ethernet over OTN/WDM的方式转变。
　　目前，基础承载网络是由“IP”和“光”组成的重叠型网络，IP与光网络节点重合。IP层与光层互不感知，IP层面的控制信息不流入光层，光层通过静态指配建立“管道”。光网络作为IP网络的管道，通过预先静态配置，实现路由器之间的互连，所有分组的交换均在路由器中完成。这种承载模式采用静态优化方案，通常需要通过人工的网络规划和静态配置来实现。面对上述现状，如果引入光层和IP层协同工作的机制，并在此基础上采用实时优化的方案，就能够有效地配置网络资源，简化设备形态，提升生存能力，缓解扩容压力。
　　1.2 光传送网中的关键技术
　　1.2.1 光波分复用（WDM）技术
　　光波分复用技术是指在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。它的基本原理如图1-7所示，是在发射机端将不同波长的光信号通过光合波器组合（复用）在一起，再经过光合路平台送入光缆线路向光传送网的另一端进行传输，在接收机端再将组合的不同波长的光信号用光分波器分开（解复用），并做进一步处理，恢复出源信号后送入不同的终端。因为复用是在光域上进行的波长分割复用，所以可称其为光波长复用。采用波分复用技术的突出优点是可以极大地提高光纤的传输容量，充分利用光纤的带宽资源，提高通信系统的容量。
　　通过波分复用技术，可以生成光网络的WDM层，承载SDH业务、IP业务和ATM等业务，并且系统扩容时只需要增加波长（信道数）即可，类似于在一根实体的物理光纤上虚拟出了很多光纤通道，每个通道都具备10Gb/s乃至更高的速率。按照被复用的波道间隔不同，波分复用技术可分为两类：密集波分复用技术和粗波分复用技术。DWDM是指相邻波长间隔较小的WDM技术，工作波长位于1550 nm窗口，在一根光纤上可以承载40～80波，最高可达160波，无电中继条件下的传输距离往往可达1500km以上，主要用于运营商骨干网的长途干线传输。CWDM是指相邻波长间隔较大的WDM技术，相邻波道的间隔一般不小于20 nm，波长数目一般不超过16波，使用1200 nm至1700 nm的窗口传输。CWDM技术以短距离、低成本而著称，主要通过使用非制冷和放宽要求的激光器及光滤波器来降低DWDM系统的成本，是一种新的、便宜的波分复用技术。CWDM技术的主要应用场合包括城域网的汇聚层和边缘层等，满足多业务、多协议的城域网建设要求。
　　DWDM系统组成原理如图1-8所示，主要包括波长转换器、合分波器、光放大器等。波长转换器（OTU）的功能是完成G.957光信号到G.692固定波长光的转换。合波器和分波器完成G.692固定波长光信号的合波和分波。光放大器包括BA、PA、LA。BA是功放，通过提升合波后的光信号功率，从而提升各波长的输出光功率；PA是预放，通过提升输入合波信号的光功率，从而提升各波长的接收灵敏度；LA是线放，完成对合波信号的纯光中继放大处理。
　　1.5 本书写作思路和章节安排
　　本书围绕超高速、分组化光传送网这一主题，以近年来传输和承载领域的技术发展为主线，重点阐述了光传送网中与高速传送相关的100G/400G DWDM和OTN技术，与智能控制相关的ASON/PCE/SDN技术和与分组承载相关的PTN/IP RAN技术，最后介绍了未来光与IP融合技术和光传送网最新的应用领域——数据中心互联网络。其中，高速/超高速的传输技术是光传送网长期以来赖以生存的技术，而业务的IP化又对网络提出了适应分组承载的要求，为了提高业务承载的水平，光传送网引入了智能控制，以实现灵活快速的响应承载需求，并为业务提供个性化的服务质量和生存性水平。因此，无论在什么应用场景中，未来光网络的发展都将沿着超高速、智能化和分组化三个方向，三位一体，缺一不可，目标都是服务IP层和更高层越来越丰富的业务形态。
　　就本书的章节安排而言，在本章对光传送网发展的驱动力、主要技术、应用场景、体系架构进行阐述之后，接下来的第2章和第3章会重点介绍目前超高速领域最新的100G和400G传输技术以及组网方案。第4章介绍近年来智能光网络发展的最新情况，特别是PCE和SDN技术在光网络的应用以及未来的演进路线。第5章分析以PTN/IP RAN为代表的分组承载技术适配业务的模型和性能，并通过OPNET软件系统仿真的方法将PTN/IP RAN技术与其他承载技术进行对比，给出了特定条件下延时、抖动、丢包率等定量结果。第6章是对未来光传送网新技术的展望，阐明当前电信运营商在光层与IP层网络建设领域面临的问题，各种网络1～3层融合技术的发展情况和数据中心互联网络形态。本书所论述的内容基本上覆盖了未来5年左右光传送网的主要技术和应用场景。希望本书的内容可为在电信行业和其他行业中从事光传送网研究的工程技术人员提供有益参考。

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