光通信中的关键技术

蝴蝶-41

     光纤通信技术的出现是通信史上的一次重要革命。
     作为宽带传输解决方案的光纤通信从其诞生之日起，就受到人们的特别重视．并且一直保持着强劲的发展势头。特别是在20世纪90年代中期到末期的这段时间，无论是在技术方面还是在其相关产品方面，光通信都得到了飞速的发展，并确立了其在通信领域不可替代的核心地位。
     当前，光通信技术正以超乎人们想像的速度发展。在过去的10年里，光传输速率提高了100倍，预计在未来1O年里还将提高100倍左右。IP业务持续的指数式增长，对光通信的发展带来了新的机遇和挑战：一方面，IP巨大的业务量和不对称性刺激了波分复用(WDM)技术的应用和迅猛发展；另一方面，IP业务与电路变换的差异也对基于电路交换的SDH(同步数字系列)提出了挑战。光通信本身也正处在深刻的变革之中，特别是“光网络”的兴起和发展，在光域上可进行复用、解复用、选路和交换，可以充分利用光纤的巨大带宽资源增加网络容量，实现各种业务的“透明”传输，所以光通信技术更是成了人们关注的焦点。本文将对光通信中的几种重要技术作一简要介绍和展望。
     一、复用技术

     1.时分复用技术(TDM)
     复用技术是加大通信线路传输容量的好办法。数字通信利用时分复用技术，数字群系列先是PDH各群，后有SDH各群，由电的合路/分路器和合群/分群器(MUX/De-MUX)构成。电的TDM目前的最高数字应用速率为10Gbit/s。把这最高数字速率的数字群向光纤上的光载波直接调制，就成为光纤传输的最高数字速率。而光纤本身却有很大的潜在容量，所以说光纤受到电的最高速率的限制。实际上当传输速率由10Gbit/s提高到20Gbit/s左右时已接近半导体技术或微电子工艺的技术极限，即便开发出更高速率的TDM电子器件和线路，例如采用微真空光电子器件、原子级电子开关等技术，其开发和生产成本必然昂贵，造成传输设备、系统价格很高而不可取，更何况此时光纤色散和非线性的影响更加严重，造成传输困难。所以，尽管TDM的实验室速率已达40Gbit/s，但要在G.652光纤上实现长距离传输绝不是近期能指望的事。相反地，如采用以10Gbit/s为基础速率的WDM系统，就可用4个波长实现40Gbit/s的高容量。这样不仅可解决中长期通信容量的需求，而且又不存在实质性的技术困难，能适应21世纪的通信发展。
     2.波分复用技术(WDM)
     20世纪80年代后期，国际上开始设想利用一根光纤同时传输多个光载波，并受数字信号的调制。如果这些光载波的波长相互间有足够的间隔，则每路的数字信号可同在一根光纤上传输而不会相互干扰，这就是光纤通信使用的波分复用技术。波分复用技术在本质上是对光的频分复用，只是因光载波用波长表达较为方便，所以常称为波分复用。如果一根光纤利用n路的WDM，每路带有10Gbit/s的数字信号，则光纤传输容量将为n×l0Gbit/s，这样就打破了电子瓶颈对传输速率的限制。由此可见，复用技术是扩容的一种优良方法。随着波分复用技术的成熟与应用，光纤的巨大潜在带宽资源得到了充分利用，因而使光纤通信成为支撑通信传输网络的主流技术。目前光纤的单波长传输速率已达到40Gbit/s，而进一步提高单波长传输速率将受到半导体技术的制约。但是，WDM技术作为光纤传输网络增容的主要技术这一地位却是不可动摇的。
     由于光纤制造技术本身按WDM系统的要求在传输容量上大加改进，再加之激光管等光器件及合波/分波器等在结构和性能上都有创新，使得光纤上多路光载波的波长间隔减小，因而同时传输的光路数大大增多。为了使一根光纤上传输的光路数增加更多，1995年，国际上开始使用密集波分复用技术(DWDM)。1998年，大约90%的长途通信线路使用了DWDM技术，即容许一根光纤同时传输更多路光载波，使光纤传输容量又进一步加大。目前商用的DWDM系统可在一根光纤上传输的总容量为400Gbit/s。从技术层面上来看，DWDM系统技术还在继续进步，完全有可能使光纤的传输容量继续加大。因此，人们预计，未来的骨干通信网容量将很快从Gbit/s量级上升到Gbit/s量级。
     3.光时分复用技术(OTDM)
     光时分复用技术是指利用高速光开关把多路光信号复用到一路上传输的技术。利用OTDM技术不仅可以获得较高的速率带宽比，同时还可克服掺铒光纤放大器(EDFA)的增益不平坦特点、四波混频FWM)非线性效应等诸多因素限制，并可解决复用端口的竞争，进一步增加全光网络的灵活性。尽管OTDM有以上的优点，但由于其关键技术(高重复率超短光脉冲源、时分复用技术、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分解复用技术)比较复杂并且较难实现，加之实现这些技术的光电子器件特别昂贵，所以它的技术优势还没有得到充分的发展和应用。但可以预计，随着光纤传输系统扩容的需要、工业制造技术的不断创新以及光电子器件制造水平的不断提高，光时分复用技术必将得到巨大的发展和更多的实际应用。
     4.光码分多址技术(OCDMA)
     作为第三代和第四代移动通信的技术基础，码分多址技术(CDMA)已经对通信事业的发展做出了重大的贡献。CDMA技术具有许多优于其他技术的特点．如在提高系统的容量方面具有显著的优势，能够很好地解决移动通信系统之中的抗干扰和抗多径衰落的问题。但由于卫星通信和移动通信中的带宽限制，CDMA技术优点尚未充分发挥。光纤通信具有丰富的带宽资源，能很好地弥补这个缺陷。CDMA技术应用于光纤系统能充分利用光纤的巨大带宽，充分发挥其技术本身的优点，这是CDMA技术发展的必然趋势。早在20世纪80年代中期，国外就有专家对OCDMA系统进行了研究，近年来，OCDMA已经成为一项备受瞩目的热点技术。
     虽然DWDM技术的发展为解决光纤的容量扩展问题提供了一个解决方案，但与OCDMA相比．DWDM方案有一个主要的缺陷----增加了网络结构的成本。对于大多数的用户来说，现有的网络成本已经很昂贵了，而OCDMA技术则为网络的发展提供了一条新的途径。当消除了传统SDH中所需要的大量TDM中间步骤时，OCDMA不仅可以增加现有光纤设备的利用率，而且还可以大大减少将来建设的光纤数量。减少网络中的设备不仅能节省设备本身的成本，而且还可以减少与设备相关的其他建设项目、外围设施以及运行支撑系统所需要的费用，同时还可以通过网元层简化网管。但是，目前OCDMA的技术还不够成熟。影响OCDMA实用化的主要障碍在非相干光CDMA方面：首先，由于无极性码的数量有限，码间干扰也较大，因而限制了用户的数量；其次，光编解码器过于笨重，故而不实用等等。
     二、交换技术

     1.光分组交换技术
     光分组交换的概念与电分组交换的概念是类似的，只不过是在光域内的扩展，即交换粒度是以高速传输的光分组为单位。虽然光分组可长可短，但由于交换设备必须具备处理最小分组的能力，因此光分组交换要求节点的处理能力非常高。早先提出的全光交换，要求控制信号在光域处理，但由于光逻辑器件到目前为止依然无法实用化，只能进行实验室演示。因此目前国际上通行的做法实际上已经脱离了早期所谓实现分组透明交换的初衷，采用的是光电混合的办法实现光分组交换，即数据在光域进行交换，而控制信息在交换节点被转换成电信号后再进行处理。
     2.光突发交换技术(OBS)
     光突发交换的概念出现于20世纪80年代初。但由于当时无论是电话网还是数据网，在技术上都已经相当成熟，没有必要以突发为单位来处理话音或数据，因此光突发交换的概念在当时并没有像电路交换与分组交换那样得到重视与发展。实际上在每次电路交换中，交换粒度包含许多个语音突发，但为每个突发都做一次呼叫申请显然太浪费资源。在早期数据网中，一个突发代表一大段数据，为了占用较少的网络资源，提高传输的成功率，将突发数据拆分成多个分组后再传输，没有以突发为单位。但是随着技术的不断发展．传输速率的增长速度大大超过了处理速率的增长速度，如果依然要按照旧的分组方法来处理，网络处理设备将长期处于过载状态，不利于网络性能的改进和优化。因此，进一步改进并简化网络节点的处理就显得非常必要。光突发交换提高了处理粒度就是一种较好的解决方法。通过预先发送控制信息，在每个节点处．进行光？电变换、处理、预约资源后，节点再传送突发数据，数据可以始终保持在光域内，同时免去分组交换中逐一处理分组头的麻烦。光突发交换节点包括两种：核心节点与边缘节点。边缘节点负责重组数据，如将接入网中的用户分组数据封装为突发数据，或反之；核心节点的任务是完成突发数据的转发与交换。与光分组交换不同的是，只需对光纤中传输控制分组的波长进行光？电变换，传输突发数据的波长不需要光？电变换。另外，光分组交换中入口光纤延迟线(FDL)的作用是缓存突发数据，可以省掉。
      目前通信网正朝光因特网的方向发展，而且明显地呈现出两种趋势：一是以IP为核心，数据业务将在未来5？8年内成为主导业务：二是IP层的下层光化，光传送、光交换成为主要的发展方向。目前，除了WDM已成为各种网络升级扩容的首选方式而日渐成熟外，关于光交换的争议还很多：一种意见是基本否定光交换，认为实现光交换价格昂贵，技术上也不可行，坚持IP高端路由器加上WDM传输的网络发展模式：另一种意见是承认光交换，但是受IP分组的影响，坚持认为未来的光交换只是光分组交换。从近期来看，利用高性能的高端路由器和成熟的WDM传输，以POS（PacketOverSDH）、ATM或GE(Gigabit Ethernet)方式在数个波长上传送信号，实现Internet的升级(不是真正意义上的光因特网)，的确是简单可行的解决办法。但是，如果波长数量越来越多，信号传输速率越来越高，每个波长的每个分组都要处理，这将大大增加路由器的负担，而且网络QoS(服务质量)也将无法保证。所幸这时出现了多协议标签交换技术(MPLS，Multi-Protocol Label Switching)，现在的高端路由器已经可以顺利解决这两个问题，但路由器依然会按hop by hop方式对每个波长进行处理，因此解决程度终究是有限的。所以，在光因特网中采用光交换技术应该是一种必然发展方向。
      三、光因特网技术

      光因特网，又称为IPoverWDM，简而言之，直接在光层上运行的IP网就是光因特网。随着IP数据业务以指数形式飞速增长和WDM技术的不断成熟完善，如何利用WDM带来的超大光纤带宽容量进行数据业务的传送就成为了全球的研究热点。
      IP数据业务在WDM光网络上的承载必然要构建在目前最成熟、最先进的网络传输技术基础之上，并利用现有网络的各种资源，包括设备、组网方式、网络协议和信号格式等，因此存在多种不同的实现方式，如IPoverATMover WDM、IP over SDH over WDM、IP over WDM等。但随着各种新型技术的涌现以及设备和组网方式的不断更新，网络各层次间的很多冗余功能将不断被取消，多层协议栈不断坍塌简化。但并非只是简单的丢弃某些层，而是将ATM交换、SONET/SDH复用/解复用和IP层寻址等每层不同的功能进行了合理的分解与组合。将中间层次的重要功能分别渗入到IP层和WDM光层，最后发展成为IP over WDM。
     直接的IPoverWDM方式省掉了中间的ATM、SDH层。而构建于一个纯粹的光传输骨干网上，具有丰富的带宽管理和设施保护恢复能力，充分利用了G位或T位路由交换技术与WDM光互连网技术，将IP数据包经一定的适配封装直接在光网上传送，从而大大减少了网络层次之间的功能重叠，降低了网管的复杂性和网络运行的成本，提高了传输效率，并能方便地进行不同网络之间的互联和互操作，实现了光层与业务层的有效集成。因此，光因特网体系结构备受通信各界的关注，成为未来IP网络和光网络互联的主流技术。另外，应注意到，尽管称为IPover WDM，但事实上并非在WDM网络上直接承载IP。两者之间必然存在某种功能简化的适配层。用于对进入WDM光网络的IP数据进行合适的封装并提供相应的硬件支持功能。虽然还有许多问题有待解决，但发展光因特网的方向是肯定的。
     四、全光通信网

     全光通信网，就是信号处理全部在光域内进行，网络中的信号通道始终保持光的形式，没有光？电转换。由于全光网在网络终端与用户节点之间的信号通道始终保持着光的形式。即端到端的全光路，中间没有光？包转换器，信息传递过程中不存在电子器件处理信息速率难以提高的困难。因此，能消除光？电转换的“电子颈瓶”限制。从网络对光信号的透明性来说，能做到全透明(即全光域处理)，可以全面而充分地利用光纤内潜力，网络的带宽几乎是无限的。而半透明的网络就只能有限地利用光纤的巨大潜力，网络的透明性可能会受光？电？光转换及电子电路的限制，但它可以利用电域已成熟的技术和资源．例如SDH技术和网络中大量已建的SDH设备。相对半透明网络来说，全透明网内明显好处有带宽潜力几乎无限、对传送的信号无限制、对信号的处理极小，因此网络可做到最经济、可靠。但是，目前实现全透明网还有不少难处，例如直接在光或组网及运营，尚有不少全光组网技术及相应的标准需研究开发。所以，考虑到实际情况，为避免技术与运营上的困难，国际电联电信标准局(ITU-T)决定按光传送网(OTN，OpticalTransportNetwork)的概念来研究光网络技术及制订相应的标准化建议。OTN不限定网络向透明性，其最终目标是全透明的全光网络。但是，可以从半透明开始，即在网中允许光？电转换。
     全光通信网比传统的电信网具有更大的通信容量，具备以往通信网和现行光通信系统所不具备的下列优点：(1)从结构上来说，全光通信网结构简单，端到端采用的是透明光通路连接，沿途没有光？电转换与存储。(2)网中许多光器件都是无源的，因此便于维护，可靠性较高。(3)易于扩展，当加入新的网络节点时，可不影响原有的网络结构和设备，这样就可大大降低网络成本。(4)在全光网络中，路由方式是以波长选择路由，对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可提供多种协议的业务，同时不受限制地提供端到端业务。(5)网络具有可重组性，可根据通信业务量的需求动态地改变网络结构，以便更好地利用网络资源。所以说，全光通信网代表了未来光网络的发展方向。
     五、结束语

     目前，光通信技术正以惊人的速度向前发展，IP业务的爆炸式增长给光通信的发展提供了新的机遇和挑战，对光网络的研究和发展具有重大意义。光纤技术、光放大器技术、光波长转换技术、光色散补偿和管理技术、光交叉连接和光交换技术等高新技术已经取得了很大进展。以密集波分复用技术为基础的多色宽带网，将为全光通信网络的实现奠定一个非常坚实的基础。估计在21世纪的前10年，随着IP业务一统天下局面的出现，光通信技术必将逐渐走向成熟。因此：全光通信网的前景是非常光明的。

hanzhongwangnan

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