光通信網新技術

摘要：新技術的開發(fā)和使用使得光網絡層具有了許多原先只能在高層實現的網絡功能，并使原先單純?yōu)榱嗽黾觽鬏斎萘康腤DM層具有了真正的光聯網功能。以光標記交換技術、光突發(fā)分組交換技術、無纖光能信系統(tǒng)以及全新的光互聯網技術為代表構成了今天的光通信網研究熱點并吸引了世界各國科研院所和著名通信公司的廣泛關注。 關鍵詞：WDM光聯網；數字包封；光標記交換；光突發(fā)交換 1 引 言 IP業(yè)務的高速增長產生的帶寬需求和WDM傳輸技術提供超大容量帶寬資源的雙重刺激下，傳統(tǒng)光網絡朝適于傳輸IP業(yè)務的新一代光網絡演進勢在必行。數據化、寬帶化、綜合化無疑已成為如今建網的時尚和潮流。面向未來IP業(yè)務的光網絡研究已經成為各國和跨國研究計劃的重點，如歐洲的ACTS計劃，COST計劃，美國的NGI計劃和國防部高級研究計劃局（DARPA）支持的MIT、Stanford、Princeton和Michigan等多所著名大學的合作項目和加拿大的CA*net3國家互聯計劃中都著眼于發(fā)展承載未來IP業(yè)務的下一代光通信網絡。日本和澳大利亞等國的科研機構和大學也正致力于下一代光網絡的研究。與此同時，包括ITU-TANSIT1X1.5協會、光互聯網論壇（OIF）和IETF在內的標準化組織也都積極致力于對可重構光網絡的研究。以數據業(yè)務為主導、AllOpticalNetworking（全光聯網）和Terabit帶寬（太比特速率）是未來光通信網絡體系結構的必然特征和發(fā)展趨勢。 2 光通信網技術的研究熱點 目前，國內外著名大學和科研機構都將光通信技術的研究方向集中在下一代光網絡及其關鍵技術的研究上，突破網絡節(jié)點處理的速率瓶頸、實現全光聯網、高效傳送和交換IP業(yè)務等全新光通信網技術的研究熱點大體如下。 2.1 光聯網技術 近幾年來，搭乘IP數據業(yè)務爆炸式發(fā)展所帶來的對帶寬無限需求這個“東風”，波分復用技術又一次得到了蓬勃發(fā)展。其復用的波段正由常用波段（C波段）擴展到長波段（L波段）和短波段（S波段）。最新的技術進展已經使石英光纖在1.3-1.6um的二個低損耗窗口打通并連成一個區(qū)域，未來的WDM將在1.3-1.6um的全波作口中進行。每根光纖的傳輸容量已達到數十太比特(Terabit)，這樣一來WDM技術為光纖網絡的發(fā)展提供了幾乎取之不盡的資源。同時隨著可用波長數的增加和網絡靈活性的提高，人們發(fā)現WDM技術在提高傳輸能力的同時，還具有無可比擬的通過光通信直接聯網的優(yōu)勢。光聯網技術利用波分復用和波長路由技術，將一個波長作為一個通道，全光地進行路由選擇。通過可重構的選路節(jié)點建立端到端“虛波長通路”，實現源和目的之間端到端的光連接，這將使通路之間的調配和轉接變得簡單和方便。 （1）動態(tài)路由和波長分配技術 給定一個網絡的物理拓撲和一套需要在網絡上建立的端到端光信道，而為每一個帶寬請求決定路由和分配波長以建立光信道的問題也就是波長選路由和波長分配問題（RWA）。目前較成熟的技術有最短路徑法、最少負荷法和交替固定選路法等。根據節(jié)點是否提供波長轉換功能，光通路可以分為波長通道（WP）和虛波長通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，當整個光路都采用同一波長時就稱其為波長通道反之是虛波長通道。 在波長通道網絡中，由于給信號分配的波長通道是端到端的，每個通路教師與一個固定的波長關聯，因而在動態(tài)路由和分配波長時一般必須獲得整個網絡的狀態(tài)，因此其控制系統(tǒng)通常必須采用集中控制方式，即在掌握了整個網絡所有波長復用段的占用情況后，才可能為新呼叫選一條合適的路由。這時網絡動態(tài)路由和波長分配所需時間相對較長。而在虛波長通道網絡中，波長是逐個鏈路進行分配的，因此可以進行分布式控制，這樣可以大大降低光通路層選路的復雜性和選路所需的時間但卻增加了節(jié)點操作的復雜性。 由于波長選路所需的時間較長，近期提出了一種基于波長作為標記的多協議波長標記交換（MPLS）的方案，它將光交叉互聯設備視為標記交換路由器進行網絡控制和管理。在基于MPLS的光波長標記交換網絡中的光路由器有兩種：邊界路由器和核心路由器。邊界路由器用于與速率較低的網絡進行業(yè)務接入，同時電子處理功能模塊完成MPLS中較復雜的標記處理功能，而核心路由器利用光互聯和波長變換技術實現波長標記交換和上下路等比較簡單的光信號處理功能。它可以更靈活地管理和分配網絡資源，并能較有效地實現業(yè)務管理及網絡的保護、恢復。 （2）光層的生存性 網絡的生存性是指網絡在經受各種故障后能夠維持可接收的業(yè)務質量的能力，它是網絡完整性的一部分。如果不使用SDH/SONET網絡而要直接進行光信道聯網，除了需要波長預分配和靈活的波長選路由策略外，還必須使光層具有網絡生存性能力，包括保護倒換、恢復和直接在光層上處理光信號、建立和動態(tài)分配光通道的功能。因此目前的研究熱點是在網絡重構性方面開發(fā)類似于TDMSONET環(huán)網和WDM環(huán)網結構。 WDM光網絡與SDH網絡一樣，也是一個面向連接的網絡，所使用的網絡技術和網絡單元極為相像，光網的核心設備以及業(yè)務恢復的主要載體是光交叉連接設備（OXC）和分插復用設備（OADM）。但是SDH光網絡與WDM網絡最大的區(qū)別是前者是一個基于時分復用的對時隙進行操作的“數字網絡”；而后者處理的對象是光載波也就是模擬的“頻隙”或光通道（波長），因而它是一個“模擬傳送網絡”。因此WDM光層網絡恢復表現出一些與SDH網絡不同的特征： 光層恢復速度快。SDH網絡中，由于是對各個時隙進行處理，恢復時支持的帶寬為電通道或電復用段所支持量級；而對于WDM光網絡，由于是對波長直接進行操作，無需光電轉換，可充分發(fā)揮光網絡巨大的帶寬潛能。 光層恢復成本低。通過光層恢復來取代或改善電層恢復，可以減少現有網絡恢復方案所必須的數目眾多的電子器件。由于不必使用業(yè)務層恢復，簡化了相應的通信、管理和控制系統(tǒng)，極大地降低了成本。 光層恢復可靠性高。在業(yè)務層進行恢復時，由于層與層之間是不透明的，業(yè)務層不知道物理層的拓撲結構，業(yè)務層的替代路由可能與工作路由共享同一物理媒介（如光纖），當該物理鏈路出現故障是，替代路由起不到保護作用。 未來的WDM全光網是一個支持多協議、多業(yè)務的綜合傳送平臺。SDH只是光網絡所支持的一種協議，它具有內置恢復功能。而其它信號，如模擬視頻信號等自身不具有恢復能力。在WDM光網絡中的光層進行恢復可以各種信吃提供了一個公共生存平臺，而無論該信號是否具有內在恢復能力。 目前較成熟的一種光層保護倒換方案是1+1的WDM光復用段保護。它與SONET中的1+1復用段保護倒換方案相類似。 （3）光層開銷處理技術 當然，如果只是有了大量可用波長，還談不上就形成了光聯網技術。因為全光聯網技術，除了要求必須直接在光層通過業(yè)務信息外還必須在光層具有管理光信道（Och）的OAM（操作、管理、維護）信息的能力和執(zhí)行光信道性能監(jiān)測的能力。這時如果在光層使用數字包封技術將完全可以滿足這些要求，并為光網絡提供所有SONET/SDH網所具有的強大管理功能和高可靠性保證。數字包封技術就是用信道開銷等額外比特數據從外面包裹Och客戶信號的一種數字包封技術。 總之，光纖、動態(tài)波長分配和路由、WDM環(huán)網保護、數字包封等技術的進步將原先單純增加系統(tǒng)傳輸容量的WDM技術向前大大的推進了一步，使WDM層具有了許多原先只能在高層實現的網絡功能，并使其發(fā)生了質的飛躍----轉化為一種具有真正光聯網功能的新型光網絡技術，從而使徹底拋棄SONET/SDH而直接在具有光聯網功能的WDM多波長光網絡上承載IP業(yè)務成為可能。基于這些技術的全新WDM光聯網技術具有兩大吸引力：一是直接通過光的互聯可以節(jié)省用于SONET/SDH系統(tǒng)升級的花費；二是使用戶以波長接入/接出成為可能，這樣能更好地對網絡進行控制。另外與SDH/SONET相比，WDM光網絡提供了更透明、更開放的傳送平臺，可以支持不同比特率、不同數據格式和不同業(yè)務質量(QoS)要求的業(yè)務的傳送，使現存各種網絡的融合成為可能。 2.2 光聯網關鍵網元技術 要想使全光聯網成為現實關鍵需要實現光分插復用（OADM）和光交叉連接（OXC）等光交換節(jié)點設備。使用OADM和OXC執(zhí)行聯網功能就可靈活上下活路的非常簡單的光網絡結構。 目前的研究重點主要集中在對多波長網絡中實現端到端透明光通道的關鍵網絡單元及支撐技術進行研究，包括新型的可調諧光射模塊，適用于動態(tài)路由的增益鉗制的寬帶光纖放大器，波長變換器，可調諧濾波器、MEMS開關陣列和陣列波導光柵（AWG）路由器件和光層的保護恢復、動態(tài)路由等技術。AWG是目前最適于WDM復用與解復用以及作為核心器件構成OADM和OXC的新型關鍵器件，光波導開關集成面陣是構成OXC和OADM交換功能的關鍵部件。同時還有大量研究集中在拓寬光纖通信窗口和降低信道波長間隔這兩個方面，以增加系統(tǒng)的波長通道數、進一步開發(fā)光纖的帶寬資源。 在一個用戶不斷增長的網絡環(huán)境中引入OADM和OXC等網元，將有助于靈活地使用和分配波長。這些新網元的使用可以幫助運營商在光子層重新配置網絡流量以獲得最佳的數據傳輸，并能在鏈路發(fā)生故障時迅速恢復。隨著通信網絡逐漸向全光網絡平臺發(fā)展，網絡的優(yōu)化、路由、保護和自愈功能在光領域中就變得越來越重要了。光網絡最終會丟棄緩慢而昂貴的光電轉換器，從而使未來的網絡以更迅速更經濟的方式運行。 2.3 全光標記分組交換技術 從原理上講，前面所述的波長選路仍是光層上的一種電路交換技術。為了更有效，靈活地承載未來的IP包/分組業(yè)務，另一種具有深遠應用前景的方案是由具有光分組交換功能的核心路由器構成光網絡。光分組交換網絡中的核心路由器可以同時實現空分，時分和波分交換，并且僅對帶有路由信息的光分組頭進行高速處理而為光分組的有效負載提供透明路徑，因此它具有高速、大吞吐量、低延時、業(yè)務和比特率透明等突出優(yōu)點，能高效地承載IP業(yè)務，同時它還能靈活地組網和實現網絡升級，大幅度提高網絡適應性和生存能力。光核心路由器由光分組頭識別和重置、沖突解決、分組路由和傳輸控制等光信號處理功能模塊組成。同時，目前基于光標記交換的分組光網絡研究在網絡管理和控制方面，吸收了由IETF開發(fā)的MPLS技術的一些優(yōu)點，將MPLS的標簽交換、流量工程（IE）和業(yè)務分類管理融入分組交換網絡的管理與控制，以滿足未來多業(yè)務所要求的業(yè)務質量(QoS)保證。MPLS網絡具有支持不同網絡業(yè)務的能力，它簡化了路由器入口處處理網絡層頭和等價轉發(fā)類（FEC）分配的過程，實現了快速有效的轉發(fā)。它能夠在像IP這樣的無連接型網絡中創(chuàng)建連接型業(yè)務，并提供完善的流量工程能力。 光分組交換節(jié)點主要由標記交換模塊和光子交換機組成。光標記交換模塊負責：檢測分組字頭，完整地轉發(fā)數據包，檢測包的端點，當需要的時候重寫光字頭；而目前比較先進的光交換技術有：微電子機械技術（MEM）、LiNbO3交換器、快速液晶交換器、半導體光放大器（SOA）或電吸收EA調制器/交換器等。 在幾種全光的標簽交換解決方案中，副載波復用（SCM）技術已經引起了廣泛的注意。在這種方法中，數據頭和凈荷信息被復用在同一個波長上，數據調制在基帶，而包頭信息承載于一個合適的副載波上。 采用SCM技術，分組頭可很容易被提取和刷新。但通常要求副載波頻帶要很窄，而且間隔較寬，因而副載波的數量受限。另外如果凈荷數據速率上升的話，基帶的頻帶展寬問題會覆蓋掉副載波頻段。全光包頭替換可以快速的光交換阻塞掉舊的包頭并插入一個新的包頭來實現。目前還有人提出了一種方法讓凈荷數據和分組頭信息分別使用不同的波長信道傳輸，這樣頭刷新只對傳輸頭信息的信道執(zhí)行光電轉換。 現在開發(fā)了一種基于SOA（半導體光放大器）的新技術，它能夠在對SCM包頭進行波長變換的同時也可對基帶數據信息進行交換。目前光分組技術要步入實用還受制于光存儲、光緩沖、光同步、光子時隙路由、波長轉換、波長選擇等技術難點問題。因此真正的光分組交換網絡的實現還有一段距離。 2.4 光突發(fā)數據交換技術 光突發(fā)路由器同樣能實現光分組交換功能。它是針對目前光信號處理技術尚未足夠成熟而提出的。在這種網絡結構中有兩種光分組：包含路由信息的控制分組和承載業(yè)務的數據分組?？刂品纸M中的控制信息要通過路由器的電子處理，而數據分組不需光電/電光轉換和電子路由器的轉發(fā)，直接在端到端的透明傳輸信道中傳輸?？刂品纸M在WDM傳輸鏈路中的某一特定信道中傳送，每一個突發(fā)的數據分組對應于一個控制分組，并且控制無組先于數據分組傳送，通過“數據報”或“虛電路”路由模式指定路由器分配空閑信道，實現數據信道的帶寬資源動態(tài)分配。數據信道與控制信道的隔離簡化了突發(fā)數據交換的處理，且控制分組長度非常短，因此使高速處理得以實現。同時由于控制分組和數據分組是通過控制分組中含有的可“重置”的時延信息相聯系的，傳輸過程中可以根據鏈路的實際狀況用電子處理對控制信元作調整，因此控制分組和信號分組都不需要光同步。可以看出，這種路由器充分發(fā)揮了現有的光子技術和電子技術的特長，實現成本相對較低、非常適合于在承載未來高突發(fā)業(yè)務的局域網（LAN）中應用，超大容量的光突發(fā)數據路由器同樣可用于構建骨干網。 2.5 無纖光通信技術 遠在90年代光纖通信出現之前自由空間光通信的研究就已開始，但大氣作為傳輸媒體，沿傳輸路徑大氣有不同的溫度、密度和折射率，小氣團就像小透鏡和棱鏡一樣對光進行折射從而使光波形失真，而且大氣的透光特性和傳輸損耗是隨氣候和時間而變的，因此一直一來大氣光通信系統(tǒng)的傳輸容量都很小而且要求的對準精度也很高，所以一直難以在通信網中推廣使用。 隨著光纖通信領域的不斷拓展，人們也遇到了一些問題。比如，在大都市中不宜挖溝鋪設光纜的兩座摩天大樓之間如何建立有效的數據聯系？在不宜建橋的河兩岸的局域網之間如何建立數據聯系？如何給臨時性的大型活動提供大容量的信息通道？等等。蓬勃興起的無線移動通信浪潮給人們以深刻的啟示：盡管手機在通話質量和費用上都不過固定電話，但它提供給人們的便利卻使越來越多的人將移動通信作為自己的重要通信手段。由于光波頻率比微波頻率高得多，光通信所能提供的帶寬遠大于微波通信的帶寬。能否將具有寬帶特點的光纖通信和具有無線連接特點的微波無線通信各自優(yōu)勢結合起來，實現寬帶無線光通信呢？新一代無線光通信正是在這樣的形式下應運而生的。它采用了光纖通信中的許多先進技術，如波分復用、摻餌光纖放大器、前向糾錯信道編碼等，并取得了重要的研究成果。 無纖WDM系統(tǒng)是由Lucent于1999年提出的，而且下半年推出了產品WaveStar OpticAir光纖DWDM系統(tǒng)，該系統(tǒng)是貝爾實驗室的又一新突破。采用1550nm波長和DWDM（波分復用）技術傳4x2.5Gbit/s，即12萬話路容量，速率高達10Gbit/d的DWDM系統(tǒng)，不再局限于經傳統(tǒng)的光纖傳輸，用光速直接在空間傳輸話音、視頻和數據業(yè)務。由于該系統(tǒng)不受地形的限制和影響，抗干擾，抗惡劣氣候的能力很強，保密性又很好，而且采用了開放性接口，即可以承載多種業(yè)務。所以為WDM技術用于接入網提供了最佳的解決方案。在新澤西洲試驗無損誤碼成功傳輸了4.4km。據稱到2000年9月傳輸距離可達5km，并且今后還可升級到8x2.5Gbit/s容量。 其主要組成部件有專用望遠物鏡(Telescope)、標準光發(fā)送機和高功率的Er/Yb光放大器，其中望遠物鏡和光收發(fā)送機組合在一起。關鍵技術是多徑發(fā)射和使用放大器補償光通道損耗。單模光纖經分支器將光信號同時加到望遠物鏡發(fā)射機的三個孔徑上，每個孔徑偏移0.5mrad（毫弧度），在大氣中傳輸4.4km后到達收端時光斑的直徑為2.2m，如此大的光班尺寸接收端不至于太難對準；光接收端是一個改進了斯密特-卡塞格倫望遠物鏡，自由空間光信號進行望遠鏡后被聚焦到62.5um的多模光纖上輸出。無纖光通信的主要應用場合為： 在不具備接入條件或原帶寬不足時提供高效的接入接出方案； 解決了各種業(yè)務接入的“最后一公里”問題； 提供了臨近局域網之間的有效互連互通； 可以用作線路故障時的緊急“備用鏈路”。 2.6 多層協議棧的壩塌和新型光互聯網技術 基于“IPoverWDM”的光互聯網是利用WDM的大容量和易操作特性在光層上傳輸數據包的一種技術。鑒于前面所述的相關基礎技術的極大進步，今天的光網絡層已具有了許多原先只能在高層實現的網絡功能，這就使拋棄SONET/SDH而直接在具有光聯網功能和網絡管理功能的WDM多波長光網絡上承載P業(yè)務成為可能。同時也造成了傳統(tǒng)的IP-WDM的多層協議棧的壩塌。倒塌后的IP層由于增加了MPLS技術，因此其功能就類似于傳統(tǒng)IP層功能和ATM功能的綜合。而這時的光網絡層也綜合了SONET/SDH特性和WDH多波長光聯網技術。在業(yè)務層，由MPLS流量工程控制層來執(zhí)行至關重要的選路、監(jiān)控和網絡存活性。即就是使用MPLS來提高流量工程（TE）；在傳送層而由WDM光網絡來提供WDM傳輸和波長路由的光怪聯網技術。這樣可實現更加緊密的IP到WDM的集成網絡結構。 總之，隨著MPLS和數字包封存器標準的制定，以它們?yōu)榛A的自愈恢復、QoS選路、流量工程和網絡管理、性能監(jiān)測等技術將快速發(fā)展。這將使未來的光互聯網具有更優(yōu)越的性能。未來光互聯網絡將一定是既具有SDH的復用/解復用和快速自愈恢復能力，又有ATM的有QoS保證的選路交換能力，同時還具有MPLS的標簽交換和流量工程能力以及直接在WDM層處理光信號、建立和動態(tài)分配光通道的先進的高速網絡系統(tǒng)。未來的光互聯網交換/路由節(jié)點的功能，基于這種技術，簡化了新型聯網設備和標簽交換路由器的功能集成，在引入了標記交換概念后，再附以傳統(tǒng)路由器的許多優(yōu)化手段，千兆級甚至太比特的標記交換路由器或路由交換機（LSR）就完全可以實現了。 3 結束語 從光纖問世到現在短短30余年的時間，光傳輸的速率以指數增長。建立透明的全光網絡是技術發(fā)展的必由之路，而光聯網WDM光網絡----作為“全光通信網”的基石，將提供邁向太比特光通信網絡的陽光大道。由于在全球范圍內通信產業(yè)及其相關領域正面臨著全方位的殘酷競爭，各大電信巨頭和通信設備廠商無不把面向互聯網業(yè)務的更靈活、更可靠和成本更低的下一代光網絡的研究和創(chuàng)新（R&I）提升到戰(zhàn)略發(fā)展高度，傳統(tǒng)光通信網 絡向下一代光聯網光網絡演進的步伐正在加速。