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全光网络发展趋势的探讨点击：1527 日期：[ 2014-04-26 22:34:53 ] |
| 20世纪90年代以来，随着光纤通信技术的迅速发展，许多学者提出了“全光网络”的概念，其本意是信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换/选路，中间 不经过任何光电转换，以达到全光透明性，实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。 全光网络由光传输系统和在光域内进行交换/选路的光节点组成，光传输系统的容量和光节点的处理能力非常大，电子处理通常在边缘网络进行，边缘网络中的节点或节点系统可采用光通道通过光网络进行直接连接。光节点不进行按信元或按数据包的电子处理，因而具有很大的吞吐量，可大大地降低传输延迟。不同类型的信号可以直接接入光网络。光网络具有光通道的保护能力，以保证网络传输的可靠性。为了提高传输效率，也可以简化或去掉SDH和ATM等中有关网络保护的功能，避免各个层次的功能重复。 由于光器件技术的局限性，目前全光网络的覆盖范围还很小，要扩大网络覆盖范围，必须要通过光电转换来消除光信号在传输过程中积累的损伤（色散、衰减、非线性效应等），进行网络维护、控制和管理。因此，目前所说的“光网络”是由高性能的光电转换设备连接众多的全光透明子网的集合，是ITU－T有关“光传送网”概念的通俗说法。ITU－T在G.872建议中定义光传送网为一组可为客户层信号提供主要在光域上进行传送复用、选路、监控和生存性处理的功能实体，它能够支持各种上层技术，是适应公用通信网络演进的理想基础传送网络。 2.光传送技术 大容量光传送技术是最先应用于光网络中的技术，技术的发展主要围绕以下几点展开： 2.1、提高单信道速率 主要有ETDM和OTDM方式，ETDM应用最广泛，目前40Gb/s的ETDM系统即将进入实用，更高速率的系统也处在研发之中，其中的关键技术是色散补偿和偏振模色散补偿。此外，受“电子瓶颈”的限制，纯粹的ETDM方式发展潜力已不太大，今后的发展将是“ETDM＋OTDM”方式。 2.2、增加通道数量 主要采用WDM方式，通过增加可用带宽和减小信道间隔都可实现通道数量的增加。打通1310nm和1550nm窗口之间的氢氧根吸收峰以后，光纤在0.35dB以下的低损耗可用带宽增加到50THz，非常丰富，由于一些主要光器件的损耗/增益与波长密切相关，因此，可用带宽的增加主要取决于光器件，尤其是光放大器。目前应用的光放大器主要是EDFA，增益带宽仅35nm左右。因此扩展光放大器的增益带宽是提高WDM信道数量和传输容量最有效的方法。扩展光放大器带宽的主要技术有以下几种： 2.2.1、基于新材料带增益均衡光滤波器的EDFA； 2.2.2、采用平行配置使用EDFA的两个增益波段； 2.2.3、将局部增益平坦的EDFA与光纤拉曼放大器（FRA）进行串联使用； 2.2.4、采用拉曼激光放大器； 2.2.5、将掺稀土光纤放大器与FRA进行组合。 EDFA在1580nm和1550nm处有非常好的增益平担度，①～③种技术都是针对这两个增益波段所采用的扩大EDFA增益带宽的方法。采用带增益均衡器（GEQ）的常规二氧化硅基EDFA使用二级放大器配置可以在1550和1580nm周围得到50nm的带宽；采用基于新材料的EDFA加GEQ则可在此基础上将带宽进一步扩展到近80nm带宽；采用平行配置利用EDFA的两增益波段可得到85nm的带宽。混合放大器的带宽受常规EDFA带宽所限，只能达到80nm左右，今后的发展趋势将是拉曼光放大器，将掺稀土光纤放大器与拉曼光放大器进行结合则显示出增益带宽几乎覆盖光纤全部低损窗口的发展前景。 减小信道间隔主要取决于光纤的非线性效应，非线性效应主要有受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等。XPM，SBS和SRS的影响较小（在DSF中XPM的影响也较大）；FWM与色散、波长划分密切相关，色散越小，波长划分越规则，FWM越大；SPM有较大的影响，限制了输入功率；光纤中的功率密度越大，波道数越多，波道间隔越小，非线性影响越大。光纤的优化设计能够较好地克服非线性效应，今后干线网将主要应用大有效面积、低色散斜率的G.655光纤，城域网主要应用G.652C类光纤（全波光纤等），接入网将主要应用普通的G.652光纤。 2.3、扩大全光传送距离 上述光放大器等光器件技术、色散和偏振模色散补偿技术以及克服非线性效应影响的技术对扩大全光传送距离具有很大的影响，此外，前向纠错技术、光孤子等也是非常重要的技术。如果全光中继器开发成功，则可彻底解决全光传送问题，这有待于光器件技术的突破性发展。 3.全光交换方式 3.1、全光交换方式 全光交换方式主要有以下几种： 3.1.1、空分光交换；由光开关矩阵实现的，光开关矩阵节点可由机械、电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。各种机械、电或光控制的相关器件均可构成空分光交换。构成光矩阵的开关有铌酸锂定向耦合器、微电子机械系统（MEMS）。 3.1.2、时分光交换；时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器，通过光读写门对光存储器的受控有序读写操作完成交换动作。关键技术是高速光逻辑器件，即光的读写器件和存储器件。 3.1.3、波分/频分光交换；信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，由波长开关进行交换。波分光交换由波长复用器/解复用器、可调波长滤波器、波长转换器和波长选择开关等组成。 3.1.4、光分组交换；类似电领域的分组交换的基本原理，采用波分复用、电或光缓冲技术，由分组波长进行选路。依照分组的波长，分组被选路到输出端口的光缓冲存储器中，然后将选路到同一输出端口的分组存储于公用的光缓冲存储器内，完成交换。 3.1.5、复合型光交换；综合采用以上两种或两种以上的方式。 3.2、光网络节点 光交换/选路节点技术 光交换/选路是光网络中关键光节点技术，主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路。光交换/选路的带宽粒度可以是光线路级、波长级、分组级甚至比特级。从功能上看，光交换机/选路器、OXC、OADM都属于光交换/选路节点，它们是顺序包容的。即OADM是OXC的特例，主要进行光路上下，OXC是光交换机/选路器的特例，主要在光路上进行交叉连接，OADM和OXC主要应用于目前正准备进入实用的WDM光网络，是光纤和波长级的粗粒度带宽处理光节点设备。下一步的应用将是光分组交换/选路节点，它主要应用于光分组交换网络，这种光节点在分组级进行光交换/选路，可更加灵活、有效地利用带宽。基于OTDM的比特级光交换节点对光器件的要求非常高，离实用尚远。 3.2.1、WDM光网络节点；目前及今后较长一段时期应用的主要是基于WDM的光网络，其主要的网络节点为OADM和OXC，通常由WDM复用/解复用器、光交换矩阵（由光开关和控制部分组成）、波长转换器和节点管理系统组成。主要完成光路上下、光层的带宽管理、光网络的保护和恢复和动态重构等功能。 OADM的主要功能是从多波长信道中分出或插入一个或多个波长，有固定型和可重构型两种类型。固定型只能上下一个或多个固定的波长，节点的路由是确定的；缺乏灵活性，但性能可靠、延时小；可重构型能动态调节OADM节点上下通道的波长，可实现光网络的动态重构，使网络的波长资源得到良好的分配，但结构复杂。 OXC的主要功能是在光纤和波长两个层次上提供带宽管理，如动态重构光网络，提供光信道的交叉连接以及本地上下话路功能，动态调整各个光纤中的流量分布，提高光纤的利用率。此外，OXC还在光层提供网络保护和恢复等生存性功能，如出现光纤断裂情况可通过光开关将光信号倒换至备用光纤上，实现光复用段1+1保护。通过重新选择波长路由实现更复杂的网络恢复，处理包括节点故障在内的更广泛的网络故障。 OXC有光纤交叉连接、波长交叉连接和波长变换交叉连接等三种实现方式： *光纤交叉连接：一根光纤上所有波长的总容量为基础进行的交叉连接，容量大但灵活性差。 *波长交叉连接：可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上，它比光纤交叉连接具有更大的灵活性，但由于不进行波长变换，这种方式的灵活性还是受到一定的限制。 *波长变换交叉连接：可将任何输入光纤上的任何波长交叉连接到任何输出光纤上，由于采用了波长变换技术，这种方式可以实现波长之间的任意交叉连接，具有最高的灵活性。关键技术是波长变换。 OXC的核心技术是光开关矩阵，今后的发展方向是微电子机械系统（MEMS），这种技术可以在极小的晶片上排列大规模机械光开关矩阵，其响应速率和可靠性很高。另外，一些厂家推出将光纤和波长两级光交叉连接甚至电路交叉连接和电子分组交换/选路（IP、ATM）等各种功能集于一体的综合光网络节点设备，以适用网络的发展演进。 3.2.2、光分组交换节点；光分组交换能够在非常小的粒度上实现光交换/选路，极大地提高光网络的灵活性和带宽利用率，非常适合数据业务的发展，是未来光网络的发展方向。光分组交换节点主要由输入/输出接口、交换矩阵、同步控制和交换控制等部分组成。其关键技术主要包括光分组产生、同步、缓存、再生、光分组头重写及分组之间的光功率均衡等。这些技术对光器件的要求非常高，因此，光分组交换节点离实用尚远。 4.WDM光网络中的关键光器件技术 光网络的发展关键在于开发先进的光器件，WDM光网络中的关键光器件主要有波长可调光源、波长可调滤波器、波长转换器件和波长选路和交换器件等几种。 4.1、波长可调光源 波长可调光源可任意控制信道波长，方便准确地控制频道间隔，其特性要求包括快速调谐速率，宽的调谐范围，低功率消耗和低成本等，主要有以下多种实现方式： *机械调谐激光器：是最早的解决方案之一，一般采用法布里-珀罗（Fabry-Perot）空腔，调谐方式为空腔内机械式调谐，调谐范围几乎是全部的有源半导体激光器范围，调谐时间较长，达毫秒级。只适用于电路交换WDM网络。 *声光和电光调谐激光器：其原理是利用声光或电光效应改变外腔折射率，折射率的变化可择性地通过特定波长的光。声光可调谐激光器的调谐时间是数十微秒，调谐范围受激光器产生频率的范围和滤波器可选波长范围所限。电光调谐激光器的调谐时间接近十亿分之一秒，可用于分组交换网络。 *注入电流调谐激光器：其原理是在发射激光区域放置一个衍射光栅，通过电流注入使光栅折射率发生改变，进行波长调谐。调谐时间少于10ns，交换时间0.5ns，调谐范围4nm。 *光子集成多量子阱快速交换光源：它采用两个可调谐激光器和高速开关装置（其速率决定整个交换速率）的双工发射机结构，可克服交换时间和可调谐性之间的冲突。 *阵列光源：也称为多频激光器，由一个1×N光复用器结合在一起的N个半导体光放大器组成，该结构在两端设有镜面，形成了一个空腔，其本质上是N独立的激光器，波长被精密地锁在一起。有采用波导光栅路由器（WGR）和采用DFB激光器两种实现方式。4.2波长可调滤波器 波长可调滤波器是插入和分出波长的重要器件，主要有以下几种：法布里-珀罗（Fabry-Perot）滤波器：这是一种非常好的滤波器结构，其工作原理是局部光束干涉。光束先分路，再自相干涉，从而在频域内产生峰值和零值。FP滤波器由两个高反射面之间形成的谐振腔构成。 *基于模式耦合的可调滤波器：这种滤波器可基于声光、电光或磁光效应等各种模式耦合。入射光首先经一个单模式处理，如横电（TE）模式。通过周期扰动，将其转换成另一模式，如横磁（TM）模式。利用声、电或磁场可以产生取决于相关效应的周期扰动。在这些扰动下，只能满足波型耦合条件的极窄波长范围之内的光波能够通过，从而导致了高选择性的波长输出。 *基于半导体激光器结构的可调滤波器：半导体激光器结构提供了光谱滤波功能，它决定着结构内的纵向波型选择性。谐振频率受电流注入或温度变化的影响而发生改变，温度调谐结构的速率很慢。 *液晶可调滤波器：这种滤波器具有成本低、调谐范围大（>40nm）、功耗低（<1mW）但速率却不够快。 *光纤布拉格光栅（FBGs）：大多数都是固定滤波器，但也可以用温度或机械伸展方式进行轻度和慢速的调谐。 除此以外，上述AWG与MFL激光器一起也可组成一个滤波器，而且如果与热光开关（thermo-optic switch）一起应用还可当作一个解复用器使用。级联马赫-曾德尔干涉计也可用作可调谐滤波器，其调谐范围达十亿分之一米级，调谐时间是数个十亿分之一秒。 4.3、波长转换技术 波长转换将成为光网络节点中的一个基本功能，可进行透明的互操作、解决波长争用、波长路由选定，以及在动态业务模式下较好地利用网络资源。尤其是对大容量、多节点的网状网，采用波长变换器能大大降低网络的阻塞率。波长变换技术应具备的基本特点： *对光信号透明； *对输入光信号功率要求不苛刻，并且偏振敏感度低； *变换速率高（10Gb/s或者更高）； *光信噪比和消光比的恶化程度较低或为零； *波长变换的范围宽，既可以向长波长变换，也可以向短波长变换； *波长变换系统实现简单、工作稳定，波长变换器价格合理。 波长变换有光/电/光波长转换和全光波长转换两大类型。 4.3.1、光/电/光波长转换；光/电/光波长转换在普通的WDM光传输系统中经常用到，当光发射机的输出波长不能满足密集波分复用（DWDM）传输的需要时，需采用光转发器（OTU）进行转换。光/电/光（O/E/O）波长变换器相当于光传输线路中的1R或3R中继器。在光网络中，当需要对某一波长的光信号进行波长转换时，先用光电检测器接收该光信号，实现光/电（O/E）转换；然后将信号调制到所需波长的激光器发射出去，实现电/光（E/O）转换，从而实现波长变换。这种类型的主要优点是系统原理简单、输入光功率适应范围较宽、对偏振不敏感、技术成熟、性能稳定，应用广泛。但缺点也相当明显：电路结构相对复杂，不能对传输速率完全透明；经过光/电/光的转换，原先光信号的相位、幅度等信息会丢失，无法实现光信号的完全透明传输，成本高。目前的发展趋势是全光波长转换。 4.3.2、全光波长转换；全光波长变换是指不经过光/电处理，直接在光域内将某一波长（频率）的光信号转换到另外的一个波长（频率）上。全光波长变换主要是依靠光的非线性效应实现。主要类型有基于光调制原理的波长变换器、基于光混频原理的波长变换器和光纤光栅外腔波长变换器等三种。实现全光变换（AOWC）的器件主要有：半导体光放大器（SOA）、饱和吸收双稳态激光器、注入锁定Y型激光器、强度调制（或频率调制）的分布式布拉格反射（DBR）激光器、基于光波混频的铌酸锂（LiNbO3）波导或铝镓砷（AlGaAs）波导、非线性光纤环镜（NLOM）和光纤光栅等。其中，用SOA实现的波长变换方法具有较好的使用前景。 基于光调制原理的波长变换器主要是利用交叉增益调制（XGM）和交叉相位调制（XPM）。通过光信号和连续光（探测光）信号的交叉调制，将输入信号所携带的信息转移到另外一个波长上再输出。这种波长变换方式只适用于强度调制的信号，达到有限的透明性，不能实现严格透明。主要有基于半导体光放大器交叉增益调制（XGM）的波长变换器－－SOA-XGM、基于半导体光放大器交叉相位调制（XPM）的波长变换器－－SOA-XPM和非线性光纤环镜（NOLM）型波长变换器等实现方式。 基于光混频原理的波长变换器主要有差频和四波混频等。差频方式是利用差频（DFG，Difference Frequency Generation）原理，光信号分两路输入，它们在同一个非线性媒质中传输时产生混频现象，从而产生新的光波，其强度与输入光波的强度之积成正比，频率和相位是输入光波的相位和频率的线性组合。四波混频方式是利用四波混频（FWM，Four-Wave Mixing）原理，光信号分三路输入，在非线性元件（有源、无源器件和光纤等）中产生新的光波。 光纤光栅外腔波长变换器原理是光纤光栅（FBG）作为DBR激光器的外腔布拉格（Bragg）反射器，FBG-DBR激光器单频工作在恒定直流偏置状态，工作波长lT由FBG的反射率决定。波长为λs的光信号从耦合器注入，基于载流子耗尽的机制，输出信号lT受到λs的调制，完成波长变换功能。 4.4、波长选路和交换器件 波长选路和交换器件，能够以波长为基础将输入信号选路/交换到特定的输出端口。主要实现方式如下： *＊解复用波长选路器：输入信号解复用成不同的波长，将波长交换（选路）到不同的输出端口，最后进行输出端口的波长复用； *＊（波导光栅选路器（WGR）； *＊声光选路开关：可并列处理大量波长，提供并行光滤波、交换或选路功能； *＊FBGWR：光纤芯折射率的一个周期性波动形成光栅使光纤会选择性地反射某一个波长，而其它波长不变地通过光纤； *＊以上技术的组合方案。 5.光网络的控制与管理技术 光网络的控制与管理系统是实现光网络的重要组成部分，它通过用于光层处理的开销通道和光层控制信令与管理信息对光网络进行有效的控制和管理，如：边缘节点的带宽请求；网络拓扑、带宽资源、路由信息的传递；动态路由选择和波长分配；网络保护、恢复、重新配置；以及对光设备和光通道进行性能监测，完成各种管理功能。 5.1、控制与管理开销通道 光网络的控制与管理开销通道主要有几种实现方式： *带外方式：是一种共路方式，主要采用光监控信道（OSC）实现； *带内方式：属于随路方式，有多种实现技术，如副载波调制（Pilot Tone）、数字包封（Digital Wrapper）等； *带内、带外结合：在不同层采用不同的方式，如在OCH层采用带内方式，而在OMS层和OTS层采用带外方式。 目前，数字包封技术是发展的热点，数字包封技术用信道开销等额外比特数据从外面包裹Och客户信号形成数字包封，它由光信道净载荷、前向纠错（FEC）和光信道开销三部分组成。ITU－T正在研究数字包封技术并有可能形成标准，这种技术是是今后的发展方向。 数字包封主要提供以下基本功能： *提供定帧信号，支持时钟提取与数据信号定界； *提供FEC以支持10Gb/s及更高速率； *为网管提供开销通路； *提供自动保护倒换指令。 5.2、控制与管理配置模式 光网络控制与管理平台主要负责提供和维护连接，管理网络资源，对路由选择提供连接请求进行计算，以及在网络中沿选择的路由请求和建立连接的信令机制。一旦成功地建立了连接，则维护业务级别合同。光网络的控制与管理配置模式有以下几种： *软永久电路模式（SPC）：基于用户或终端系统和网络之间的差别，终端系统和网络之间没有网络管理或控制交互作用，位于控制平台上方的管理系统代替用于终端与网络节点中的相通信。SPC模式对于传统设备与光核心网相连接特别重要。ATM、FR可以通过管理系统（SPC模式）把接口交换到光网络。 *用户网络接口模式（UNI）：也称客户机－服务器（client-server）模式，类似用于ISDN中的模式，由终端系统触发业务（如连接），通过UNI向光网络请求大带宽的连接。终端系统不知道光网络的拓扑或资源，光网络中的控制智能全部应用于光层。这种模式使终端系统和光网络之间的相互作用仅限于建立和拆除连接的简单请求。 *对等（peer）模式：最初发出连接请求的是对等的网络单元（NE），请求发出者已全面获得拓扑信息。通过这些信息，请求发出者可通过光网络选择路由来满足各种不同的要求：例如多样化的路由选定、延迟最短、可靠性最高，以及跳的次数最少。此模式应用于IP网络比较有利，路由器可与OXC具有同等地位，共享路由信息和控制智能。目前正在研究在对等模式中共享信息的程度。 5.3、光层动态控制信令协议 标准化的信令系统将为光网络提供共同的语言和机理，较好传送与连接相关的信息。信令系统的基本部分是请求操作、与连接相关的属性、通过网络传送操作命令的协议、以及传送信令消息的信道。主要过程与技术如下： *邻居发现：知道哪个终端系统与网络连接，哪个NE（如OXC）是邻居，以及根据端口连接性NE怎样连接在一起，这个过程称作邻居发现。 *邻居发现的方法：相同层的发现，交叉层和/或单向发现，业务发现。 *路由选定：对于光网络选路需要考察许多因素，包括单个连接的路由计算、拓扑信息获得和发布、资源状态信息发布和可到达信息。向光网络提出连接请求时，要计算从源通过网络到达目的地的路由，算法有最短路径法、最少负荷法和交替固定选路法。典型的可采用最短路由算法。 目前，光域业务互连联盟（ODSI）、IETF和OIF等国际性组织正在对光层动态控制信令协议标准进行研究，具体研究状况如下： *光域业务互连联盟（ODSI）：最初目标是使众多销售商在光网络中提供开放的用户光网络接口（UNI）达成共识，并不期望解决多销售商在光网络中的互操作性问题。ODSI对光UNI的定义与叠加网络的模式相兼容。ODSI接口包括如下的协议：业务发现、地址登记和信令。ODSI的信令协议以现有的MPLS信令为基础，向光域扩展并作进一步技术规范。有可能是资源预留协议（RSVP）或局部路由标记分配协议（CR-LDP）中的扩展信令。 *IETF：对光网络的路由和信令协议进行技术规范－多协议波长交换（MP LambaS），作为IP协议的扩展，可运行叠加或对等模式。在对等模式中，由光和电交换机构成的网络都在运行相同的多协议波长交换、共享拓扑和资源信息。在叠加模式中，只有光交换机运行多协议波长交换，业务传输平台运行自已的路由和信令协议。 *OIF：其结构工作组一直致力于UNI方案，最近创建了一个信令工作组，考虑与ODSI和IETF的工作进行协调。 5.4、光网络的生存性 光网络的生存性包括保护机制和恢复机制这两种技术。保护机制是采用预先规划的方法分配网络资源，防止未来预期可能出现的网络失效。其优点是失效恢复时间短，但不够灵活、带宽利用率不高、无法恢复预期范围以外的失效；恢复机制是网络出现失效后，动态寻找可用资源并采用重新选路的方式绕过失效部件。这种方式的优点是能够有效利用网络资源、灵活性高、能够恢复预期范围以外的失效；不足是失效恢复时间长。 6.结语 目前，通信网络正在向IP化的方向演进，新的网络技术与解决方案纷纷涌现，光网络将成为各种网络技术与方案相互竞争、相互融合，向未来公用通信网络发展的综合传送平台；基于WDM的光网络目前正在进入实用，关键的光器件技术发展很快；随着IP数据业务的快速发展，光网络与IP技术的结合越来越紧密；光网络未来的发展趋势将是适应数据业务发展的光分组交换网；20世纪向21世纪的跨越是电网络向光网络的跨越。 |
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