光通信从入门到精通：PDH→DWDM→OTN 的超详细演进笔记
光通信从入门到精通：PDH→DWDM→OTN 的超详细演进笔记
作者： 脱脱克克
日期：2025-07-24
关键词：DWDM、OTN、G.709、光纤、带宽、C-band、L-band、DSP、ROADM
摘要
本文用一条“高速公路”的比喻，把 40 年光传输技术演进、单位换算、波段划分、设备形态、标准组织一次讲透。读完你能回答：
- 为什么 1530–1565 nm 叫 C-band？
- 400 G 指什么 G？
- OTN 与 DWDM 是竞争还是互补？
- 今天骨干网到底在用什么？
目录
- 通信速率的单位：Hz、bit、Byte 一次说清
- 光纤的“天然窗口”：C-band & L-band 的由来
- 技术演进时间线：从单车道到 160 条彩色车道
- DWDM 网：今天最成熟的高速公路
- OTN（G.709）：高速公路上的智能交通系统
- DSP & ROADM：自动驾驶与可变匝道
- 市场现状：设备、芯片、标准全链路
- 实战案例：运营商 400G 省际骨干网
- 一张图总结
- 参考资料
1 通信速率的单位：Hz、bit、Byte 一次说清
| 物理量 | 符号 | 换算关系 | 10 的幂次 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 赫兹 | Hz | 1 Hz | 10⁰ | 频率 |
| 千赫兹 | kHz | 1 kHz = 10³ Hz | 10³ | |
| 兆赫兹 | MHz | 1 MHz = 10⁶ Hz | 10⁶ | |
| 吉赫兹 | GHz | 1 GHz = 10⁹ Hz | 10⁹ | |
| 太赫兹 | THz | 1 THz = 10¹² Hz | 10¹² |
为什么用 Hz 而不用 nm？
因为香农容量公式 C = B·log₂(1+SNR) 中的 B 必须是频率带宽（Hz）。波长差 Δλ 与频率差 Δf 是非线性关系：
Δf ≈ (c / λ²) · Δλ
同样 1 nm 在 1550 nm 处仅≈125 GHz，在 1310 nm 处≈175 GHz，直接写 nm 无法一眼看出容量。
提高光纤传输能力的核心目标是在单位时间内通过单根光纤传输更多的比特数（即提升总容量，单位bit/s）。这一总容量由通道数 × 每通道比特率决定，因此任何增加通道数或提升单通道速率的方法均可增强传输能力。
2 光纤的“天然窗口”：C-band & L-band 的由来
| 波段 | 波长范围 | 频率带宽 | 关键特性 |
|---|---|---|---|
| O | 1260–1360 nm | ≈17 THz | 早期多模，损耗高 |
| E | 1360–1460 nm | ≈15 THz | 水峰，难放大 |
| S | 1460–1530 nm | ≈10 THz | 需拉曼/ SOA |
| C | 1530–1565 nm | ≈4.3 THz | EDFA 增益峰，最低损耗 |
| L | 1565–1625 nm | ≈4.4 THz | EDFA 尾巴，扩容用 |
| U | 1625–1675 nm | ≈2 THz | 研究阶段 |
EDFA 只能吃 C+L → 所以商用 DWDM 最先锁定这两段；再往两边走，就得换拉曼、SOA 或铥放大，成本和成熟度陡增。
3 技术演进时间线：从单车道到 160 条彩色车道
| 年代 | 技术 | 车道比喻 | 单纤总容量 | 关键痛点 |
|---|---|---|---|---|
| 1980s–1990s | PDH/SDH | 单车道+收费站 | 155 M–2.5 G | 光电中继站多 |
| 2000 年代初 | CWDM | 4–8 条车道 | 8 × 2.5 G | 无放大、距离短 |
| 1995 起商用，2005 起规模 | DWDM | 80–160 条彩色车道 | 10–96 Tbps | 需 DSP、ROADM、EDFA |
| 2010 起 | OTN over DWDM | 彩色车道+智能调度 | 百 Tbps | 端到端监控、保护 |
4 DWDM 网：今天最成熟的高速公路
4.1 核心指标
- 通道间隔：100 GHz → 50 GHz → 25 GHz（Nyquist-WDM）
- 单波速率：10 G → 100 G → 400 G → 800 G（相干 QPSK/16-QAM）
- 总容量：例如 80 波 × 400 G = 32 Tbit/s（单纤）
- 无电中继距离：120 km × N（EDFA）或 1000 km+（拉曼+ROPA）
4.2 系统框图
5 OTN（G.709）：高速公路上的智能交通系统
一句话速记
OTN = 把 DWDM 的“彩色车道”再套上“集装箱 + 调度中心 + 监控 + 保险”的完整物流体系。
5.1 什么是 OTN？
- 全称：Optical Transport Network
- 标准：ITU-T G.709（2001 首版 → 2024 OTUCn 1.6T 草案）
- 定位：在光层（DWDM）之上，定义统一的电层帧结构，实现多业务、长距离、高可靠的端到端传输。
5.2 关键概念对照表
| 概念 | 中文 | 功能 | 高速公路比喻 |
|---|---|---|---|
| OPUk | 光通道净荷单元 | 装客户业务（100GE/400GE/STM-64） | 标准集装箱 |
| ODUk | 光通道数据单元 | 提供监控、保护、时钟透传 | 集装箱 + GPS + 温控 |
| OTUk | 光通道传送单元 | 加 FEC、开销、成帧 | 集装箱 + 防震 + 条码 |
| ODUCn | 灵活速率容器 | n×100 G 模块化 | 可伸缩拼箱 |
5.3 速率等级一览
| 等级 | 线路速率 | 客户容量 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| OTU1 | 2.7 Gb/s | 2.5 Gb/s | 早期 SDH 2.5G |
| OTU2 | 10.7 Gb/s | 10 Gb/s | 10GE/STM-64 |
| OTU3 | 43 Gb/s | 40 Gb/s | 40GE/OC-768 |
| OTU4 | 112 Gb/s | 100 Gb/s | 100GE |
| OTUC2 | 2×100 Gb/s | 200 Gb/s | 200GE 汇聚 |
| OTUC4 | 4×100 Gb/s | 400 Gb/s | 省际骨干 400G |
| OTUCn | n×100 Gb/s | n×100 Gb/s | 800G/1.6T 未来 |
注：OTUCn 采用 FlexE/FlexO 技术，可按需 50 G 步进扩容。
5.4 G.709 帧结构（简化）
OTN 把任何客户业务（100 GE、400 GE、FC、SDH …）都塞进一个 固定大小、统一格式 的光传送帧，这个帧的名字叫 OTUk。
G.709 帧长度固定为 4 行 ×4080 字节，即 16320 字节，周期根据不同光传送单元（OTU）类型而不同，如 OTU1 周期大约为 48.971μs。它支持多级速率透明传输，速率范围从 2.5Gbps 到 100Gbps 甚至更高。
帧结构组成部分：
- 定位字节
- 组成：6字节帧定位（FAS）+ 1字节复帧定位（MFAS）
- 功能：设备同步基准，识别帧边界
- 告警触发：FAS/MFAS 错误 → 帧丢失（LOF）/复帧丢失（LOMF）
- 段开销（SOH）
- 核心功能：OTN链路管理与维护
- 关键字段：
- TTI（途径踪迹标识符）：防链路错连
- BIP-8：比特间插校验，检测传输错误
- BEI/BIAE/BDI：向上游反馈错误与缺陷
- 净荷（Payload）
- 角色：实际业务数据载体
- 适配能力：透明承载SDH/以太网/IP等信号
- 技术特性：支持多级速率（2.5Gbps~100Gbps+）
- 前向纠错（FEC）
- 位置：帧特定列（如OTU1的第3825~4080列）
- 作用：通过冗余编码自动修复传输误码
- 使用规范：OTU1/2/3可选，OTU4强制要求
5.5 OTN vs SDH 对比
SDH（Synchronous Digital Hierarchy）：一种基于时分复用（TDM）的同步传输网络，是第二代光通信技术，20 世纪 90 年代广泛应用。
OTN（Optical Transport Network）：一种基于波分复用（WDM）和数字包封技术的新一代光传输网络，ITU-T G.709 标准为核心。
| 特性 | SDH | OTN |
|---|---|---|
| 帧长 | 125 µs 固定 | 可变（3.2 µs） |
| 速率 | 2.5G/10G/40G | 10G–1.6T |
| 映射 | 只支持 TDM | 支持 ETH/FC/SDH/ODUk 任意封装 |
| 保护 | MSP/环网 | ODUk 1+1/SNCP/环网/ASON |
| 管理 | DCC 开销 | GCC0/GCC1/GCC2 扩展开销 |
在现代网络中，OTN 逐渐取代 SDH成为骨干网和大容量传输的主流技术，但 SDH 仍在部分传统业务场景中保留。
5.6 商用产品示例
- 华为 OSN 9800 M24：单框 48 Tbit/s，支持 OTUC4/OTUC8
- 诺基亚 1830 PSS-x：1.2 Tbit/s 单板，SD-FEC 增益 11.5 dB
- Ciena 6500-T：600 mm 深机框，支持 OTN 交换 + ROADM 统一背板
5.7 OTN + DWDM 协同示意图
6 DSP & ROADM：自动驾驶与可变匝道
把 DWDM 高速公路真正跑起来，需要两大“黑科技”：DSP 负责让车不跑偏，ROADM 负责让车随时上下匝道、换车道。
6.1 DSP（Digital Signal Processing）——自动驾驶的“大脑”
| 维度 | 说明 | 举例/参数 |
|---|---|---|
| 作用 | 在电域实时补偿色散、PMD、非线性、相位噪声 | 800 G ZR+ 模块内置 7 nm DSP |
| 算法 | FIR 滤波、CMMA、DBP、SD-FEC | 软判决 FEC 增益 11.5 dB |
| 优势 | 省掉色散补偿光纤（DCF），功耗 ↓30%，距离 ↑40% | 400 G QPSK 可跑 1200 km |
| 芯片 | Inphi/Credo/Marvell 相干 DSP | 每通道功耗 < 15 W |
一句话：DSP 把“烂路”算成“坦途”，让 800 G 信号在普通 G.652 光纤上跑出 1000 km+。
6.2 DSP 工作流程示意
6.3 ROADM
ROADM（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，可重构光分插复用器）一种能动态配置光层波长（λ）的设备，支持在光传输节点灵活 “插入”（Add）或 “分出”（Drop）特定波长信号，无需光电转换。
6.4 ROADM 关键特性对照表
| 功能维度 | 技术实现说明 | 高速比喻（变形金刚匝道） |
|---|---|---|
| 波长上下 | WSS（波长选择开关） | 任意出口匝道可升降，想下哪辆车就下哪辆 |
| 方向可重构 | 1×9 / 1×20 端口 WSS | 匝道还能左右摆，想去东/西/南/北随你选 |
| 无阻塞调度 | CDC（Colorless, Directionless, Contentionless） | 红色车想去任何方向都不会堵路 |
| 远程控制 | NETCONF / YANG / RESTful API | 手机 App 一键换匝道，无需人工上塔 |
6.4 CDC-ROADM 架构图
7 市场现状：设备、芯片、标准全链路
7.1 市场规模
| 区域 | 2022 市场规模 | 复合年增长率 CAGR |
|---|---|---|
| 全球 | ≈ 200 亿美元 | ≈ 9.9 % |
| 中国 | 千亿元人民币 | ≈ 10 % |
7.2 主流玩家
| 类别 | 代表厂商 / 型号 |
|---|---|
| 设备 | 华为 OSN 9800、诺基亚 1830 PSS、Ciena 6500、中兴 ZXONE 9700 |
| 芯片 | Inphi / Credo 相干 DSP、Acacia 硅光模块 |
7.3 标准演进
- G.709 Amd3（2023） → 400 G / 800 G 新调制
- G.709.20（2024） → 1.6 T FlexE 接口
8 实战案例：运营商 400G 省际骨干网
| 项目 | 详情 |
|---|---|
| 场景 | 中国移动 2023 年 400G 省际干线集采 |
| 波段 | C + L 双波段，共 160 波 |
| 单波速率 | 400 Gbit/s，调制格式 16-QAM 相干 |
| 无电中继 | > 1000 km（EDFA + Raman + DSP 补偿） |
| 平台架构 | OTN over DWDM（G.709） + CDC-ROADM + 相干 DSP |
| 效果 | - 单纤总容量 64 Tbit/s - 每比特成本 ↓ 30 % - 功耗 ↓ 40 % |
9 一张图总结
10 参考资料
- ITU-T G.709 Series (2024)
- 《光网络技术白皮书》华为 2023
- OIF 400ZR/800ZR Implementation Agreement
- 中国移动 2023 年 400G 省际骨干网集采技术规范书