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标题: 全光联网新技术简述 [打印本页]

作者: liqiao 时间: 2003-5-23 18:42
标题: 全光联网新技术简述
全光联网新技术简述

徐荣龚倩纪越峰叶培大

　新一代光网络的特点

——二十世纪90年代早期，面向未来IP业务的光网络研究已经成为各国或跨国研究计划的重点，如欧洲的ACTS计划、COST计划、美国的NGI计划和国防部高级研究计划局（DARPA）支持的MIT、Stanford、Princeton和Michigan等多所著名大学的合作项目以及加拿大的CA*net3国家光互联计划。日本和澳大利亚等国的科研机构和大学也在致力于下一代光网络的研究。与此同时，包括ITU-T、ANSI、T1X1.5协会、光互联网论坛（OIF：Optical Internetworking Forum）和IETF在内的标准化组织也都积极致力于对可重构光网络的研究。

——新一代光网络必须具有以下几方面的特性：

——1.开放、支持多业务。IP技术正在促进现有的通信网、计算机网和有线电视网走向融合，但为了实现真正意义上的“三网合一”，传送这些业务的骨干光网络必须能够支持多种业务。从现有的和可预见到的未来互联网业务来看，大致可以分为二类：人与人之间的通信，如P电话和视频电话；人与计算机之间的通信。如基于Web的各种业务；以及计算机之间的通信，如Email。这些业务对时延和QoS等有不同的要求。另外随着互联网对人类生活和工作方式的影响进一步加深，一些无法预测的新业务必然兴起。这些都决定了未来的光网络必顷是能够支持多业务和开放的。

——2.灵活和易升级。IP业务是突发性的，同时IP业务是不平衡的，即流入与流出同一端口的业务量相差悬殊。IP业务的这些特性要求未来的网络必须具有能够根据业务且的变化灵活、快速地调整网络拓朴，实时按需分配带宽的能力。同时，IP业务量与接入用户数的高速增长、未来业务种类的不可预测和各种技术的不断涌现都要求网络能方便地升级和扩充。

——3.具有更高效的保护与恢复策略。目前的SDH／SONET网络均是1＋1备份的环形网络，这意味着网络正常工作时有50％的设备和光纤资源是闲着的。随着大量环网的铺设，网络拓扑正向格形网演化以充分利用冗余的备份光纤和设备资源。WDM光网络技术的进步使得直接由光层提供网络保护功能成为可能，利用波长分插复用器（WADM）和光交叉连接器（OXC）就能实现光复用段级的保护倒换。从而使基于IP over WDM技术的新型网络结构可以同时使用工作光纤和备份光纤。因此，光网络也将支持类似于SDH的强大的自愈能力。另外多协议标签交换（MPLS）在这方面也是令人瞩目的解决方案。由于MPLS使用与路由器接口序号相对应的固定长度的标签，大大简化了路由选择的复杂性。

——4.更简单、更有效的网络控制和管理功能（NCM）。随着光层技术的不断提高，特别是MPLS技术向光层的拓展使建立简单的、集成的网络控制与管理系统成为可能。这将大大降低网络的成本，提高网络的性能。MPLS流量工程控制层非常适合于OXC的控制层。当OXC使用MPLS流量工程控制层时，则变成一个有效的IP可寻址设备。MPLS流量工程控制层将负责光信道踪迹的建立、提供OTN网络的流量工程能力和网络恢复能力。

WDM联网技术

——近几年来，波分复用技术又一次得到了蓬勃发展。其复用的波段正由常规波段（C波段）扩展到长波段（L波段）和短波段（S波段）。最新的技术进展已经使石英光纤在1.3μm-1.6μm的二个低损耗窗口打通并连成一个区域，未来的WDM将在1.3-μm的全波段窗口中工作。目前，100个波长通道的传输设备已经商用化，不少实验室正致力于开发200到100个波长通道的传输系统。而单波长光通过的传输速率也正进一步从2.5Gb／s和10Gb／s提高至40Gb／s。每根光纤的传输容量已达到数十太比特（Terabits），这样一来，WDM技术为光纤网络的发展提供了几乎取之不尽的资源。

——人们发现DWDM技术在提高传输能力的同时，还具有无可比拟的光信道直接联网的优势。由图1可见，由于WADM和OXC技术的成熟，使得光纤通信逐渐从点到点的单路传输系统向WDM联网的光网络方向发展。波长信道的光联网技术利用波分复用和波长路由技术，将一个波长作为一个通道，全部在光域进行路由选择。通过可重构的选路节点建立端到端的“虚波长”通路，实现源和目的之间端到端的光连接，这将使通路之间的调配和转接变得简单和方便。在不久的未来，完全有可能通过将传输和交换子系统集成为一个网络元素的方法，将这些WDM传输系统和光交叉连接器集成起来，形成波长选择交叉连接器（WSXC）或波长交换交叉连接器（WIXC）。这种交叉连接器由于消除了不同器件之间的功能重叠和重复，从而可大大降低网络成本。要真正实现光联网还需要以下几项技术的进步和相互协调：

——1）动态路自和波长分配

——光层联网就是利用动态路由和波长分配实现透明的端到端“虚波长通道”，使光信号在经过中间节点时不通过电子路由器而直接从光路径上通过节点。在给定网络的物理拓扑和所需的端到端光信道的情况下，为每一个带宽请求决定路由和分配波长以建立该光信道的问题就是波长选路由和波长分配问题（RWA：Routing and Wavelength Assignment problem）。目前较成熟的技术有最短路径法、最少负荷法和交替固定选路法等。根据节点是否提供波长转换功能，光通路可以分为波长通道（Wavelength Path）和虚波长远道（Virtual Wavelength path）。WP可看作VWP的特例，当整个光路都采用同一波长时就称其为波长通道（WP），反之是虚波长通道（VWP）。

——在波长通道（WP）网络中，由于波长通道是端到端的，每个通路都与一个固定的波长关联，在动态路由和分配波长时一般必须获得整个网络的状态，因此其控制系统必须采用集中式控制，即在掌握了整个网络所有波长复用段的占用情况后，才可能为新呼叫选一条合适的路由。这时网络动态路由和波长分配所需时间相对较长。而在虚波长通道（VWP）网络中，波长是逐个链路进行分配的，因此可以进行分布式控制，这样可以大大降低光通路层选路的复杂性和选路所需的时间，但却增加了节点操作的复杂性。

——由于波长选路所需的时间较长，近期提出了一种用波长作为标签的多协议波长标签交换MPLmS
（Multiprotocol Lambda／Label Switching）的方案，它将光交叉互联设备视为标签交换路由器进行网络控制和管理。在基于MPLmS的网络中，光路由器有两种：边界路由器和核心路由器。边界路由器用于与速率较低的网络进行业务接入，同时电子处理功能模块完成MPLmS中较复杂的标签处理功能，而核心路由器利用光互联和波长变换技术实现波长标签交换和上下路等比较简单的光信号处理功能。它可以更灵活地管理和分配网络资源，并能较有效地实现业务管理及网络的保护和恢复。

——另外，由于可用的波长数目是有限的，为了优化网络性能，无论哪一种类型的光通路层网络，都需要根据网络的物理拓扑结构和各节点间的业务需求，设计最优的网络逻辑拓扑连接方案。要实现真正的自适应路由和波长分配，还必须考虑业务流量制约下的选路问题。最理想的情况是DWDM光网络节点监测光信道上的业务流量，根据使用情况按照相应算法增加／减少光信道数量和提高／降低光信道数据速率。

——2）光层处理技术

——全光联网技术除了要求必须直接在光层上传递业务信息外还必须在光层上提供管理光信道（OCh）的OAM（操作、管理、维护）能力和光信道性能监测能力。当在同一光纤中传输更多的信号时，业务管理将变得更加复杂。为了重新分配路由或进行故障恢复，网络必须能监视每一个业
务通道（如某一终端用户信号的抖动或漂移）。就光网络而言，它还必须能区分缆型、激光器（比如1310nm还是1550nm激光器）以及一些具体问题。

——如果在光层使用数字包封（Digital Wrappor）技术将完全可以满足这些要求，并为光网络提供所有SONET／SDH网所具有的强大管理功能和高可靠性保证。数字包封（图2）主要由光信道净负荷、光信道开销和正向纠错（FEC）三部分组成，ITU-T G.872规定了数字包封所提供的网络管理功能主要有光层上的性能监控、FEC以及环路保护。

——将图2的数字包封结构和SDH的帧结构进行简单的对比就可看出，数字包封技术将原在SDH／SONET层完成的某些功能移到光网络层上来完成，大大简化了通信网络的分层结构，对各种通信业务具有很好的开放透明性。可进一步提高其总体传输效率和网络的利用率及可靠性，增强网络的生存能力和安全性，ITU-T SG15已明确数字（TDM）包封技术是在OTN中实现随路OCh-OH的最佳方案，然而还未就数字包封的帧结构作出具体的规定。

——3）光层的生存能力

——网络的生存能力是指网络在经受各种故障后能够维持可接受的业务质量的能力，它是网络完整性的一部分。尽管人们在网络的设计和运营中采用各种方法来保证网络的完整性。但网络可利用率从来来达到10O％。光网络固有的宽带宽和多通过特性也使其在光纤断裂时造受更大的业务损
失。这种损失远远大于任何电缆断裂的影响。因此，光网络的诊断和检测以及迅速的倒换动作是相当重要的。SONET在这方面就有良好的设计。在光网络设计中要求保证适当的保护策略和避免业务过载的管理。如果不使用SDH／SONET网络而要直接进行光信道联网，除了需要波长预分配和灵活的波长选路由策略外，还必须使光层具有网络生存能力，包括保护倒换、恢复和直接在光层上处理光信号、建立和动态分配光通过的功能。因此，目前的研究热点是开发类似于TDM SONET环网的WDM环网结构。

——WDM光网络与SDH网络一样，也是一个面向连接的网络，所使用的网络技术和网络单元极为相似，光网的核心设备以及业务恢复的主要载体是光的交叉连接设备（OXC）和分插复用设备（OADM）。但是SDH光网络与WDM网络最大的区别是前者是一个基于时分复用的对时隙进行操作
的“数字网络”，而后者处理的对象是光载波，也就是模拟的“频率时隙”或光通道（波长），即一个“模拟传送网络”。因此WDM光层网络的恢复特性与SDH网络不同：

——*光层恢复速度快：由于WDM光网络是对波长进行操作，这种恢复使网络用于保护的总带宽提高了一两个数量级，可充分发挥光网络巨大的带宽潜能。

——*光层恢复成本低：由于光网络恢复方案不使用业务层恢复所必须的数目众多的电子器件，简化了相应的通信、管理、控制系统，极大地降低了成本。

——*光层恢复可靠性高：在业务层进行恢复时，由于层与层之间是不透明的，业务层不知道物理层的拓朴结构，业务层的替代路由可能与工作路由共享同一物理媒介（如光纤），当该物理链路出现故障时，替代路由起不到保护作用。

——*未来的WDM全光网是一个支持多协议、多业务的综合传送平台。SDH只是光网络所支持的一种协议，它具有内置恢复功能。而其它信号，如模拟视频信号等自身不具有恢复能力。在WDM光网络中的光层进行恢复可以为各种信号提供一个公共生存平台，与该信号的内在恢复能力无关。

——光网络节点可以为一条路径上的所有波长提供保护，而且光层与SDH环的恢复时间在目前的技术条件下已经相差无几，因此完全可以在光层上提供网络生存能力。

全光联网的关键器件

——全光网络的实现依赖于光器件技术的进步。未来的高速、大容量信息网络系统需要重点解决高速光传输、复用与解复用技术、光分插复用技术、光交叉互连技术、集成阵列波导器件、光波导开关集成面阵、高性能集成探测器和集成光源技术。而OADM和OXC是光网络得以实现的关键设备。使用光滤波器件或光开关可以很容易构成OADM。

——目前的研究重点主要集中在对多波长网络中实现端到端透明光通过的关键网络部件及支撑技术的研究，包括新型的可调谐光发射模块、适用于动态路由的宽带光纤放大器、波长变换器、可调谐滤波器、MEMS开关阵列和阵列波导光栅（AWG）路由器件和光层的保护恢复、动态路由等技术。

——光开关是大型分组／包交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素，因而是全光网中的关键器件。在最近一段时间，半导体光逻辑门、热光开关、机械光开关、液晶光开关等光开关技术和集成化都取得了很大的突破。机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关尺寸比较大，开关动作时间比较长，一般为几十毫秒到毫秒量级，而且机械开关不易集成为大规模的矩阵阵列。波导开关的开关速度在毫秒到亚毫秒量级，体积非常小，而
且易于集成为大规模的矩阵开关阵列，但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。近来在热光开关的研究上取得了重大的成果，同时也产生了一种微机械技术。它利用机械开关的原理，但又能象波导开关那样，集成在单片硅基底上。因此兼有机械光开关和波导光开关的
优点，同时克服了它们所固有的缺点。

——波长交换技术包含了可调谐滤波器、激光器和波长变换器等技术难点。目前在全光波长变换的多种技术（包括交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频、非线性光学环镜）中最有前途的全光转发器是在半导体光放大器（SOA）中基于交叉相位调制原理集成进Mach-Zehnder干涉仪（MZI）或Michelson干涉仪（MI）而构成的宽带波长转换器，它被公认为是实现高速、大容量光网络中波长转换的理想方案。

——现在还有大量研究集中在展宽光纤通信窗口和降低信道波长间隔两个方面，以增加系统的波长通道数、进一步开发光纤的带宽资源。

——随着通信网络逐渐向全光网络平台发展，在光域中进行网络的优化、路由、保护和自愈就变得越来越重要了。光网络最终会丢弃缓慢而昂贵的光电转换器，从而使未来的网络以更迅速、更经济的方式运行。

基于全光标签交换的分组光网络技术

——从原理上讲，前面所述的波长标签选路仍是一种光层上的电路交换技术。为了更有效、灵活地承载未来的IP包／分组业务，另一种具有深远应用前景的方案是由具有光分组交换功能的核心路由器构成光网络。光分组交换网络中的核心路由器可以同时实现空分、时分和波分交换，它具有高速、大吞吐量、低时延、业务和比特率透明等突出优点，能高效地承载IP业务，同时它还能灵活地组网和实现网络升级，大幅度提高网络适应性和生存能力。日前基于光标签交换的分组光网络研究在网络管理和控制方面，吸收了由IETF开发的MPLS技术的一些优点，将MPLS的标签交换、流量工程和业务分类管理融入分组交换网络的管理与控制，以满足未来多业务所要求的业务质量（QoS）保证。

——MPLS网络具有支持不同网络业务的能力，它能够在像IP这样的无连接型网络中创建连接型业务，并提供完善的流量工程能力。光分组交换节点主要由标签交换模块和光子交换机组成。

——在几种全光的标签解决方案中，SCM（subcarrier multiplex）技术已经引起了广泛的注意。在这种方法中，数据头和有效信息被复用在同一个波长上，数据在基带进行调制，而包头信息采用一个合适的副载波频率，其调制速率也低于通信数据的调制速率（图3）。

——现在开发了一种基于SOA的新技术，它能够在对SCM包头进行波长变换的同时也对基带数据信息进行变换。目前光分组交换技术要步入实用阶段还受光存储、光缓冲、光同步、光子时隙路由、波长转换、波长选择等技术发展的限制，因此，离真正的光分组交换网络的实现还有一段距离。

光突发数据交换技术

——光突发路由器同样能实现光分组交换功能。它是针对目前光信号处理技术尚未足够成熟而提出的。在这种网络结构中有两种光分组：包含路由信息的控制分组和承载业务的数据分组。控制分组中的控制信息要通过路由器的电子处理，而数据分组不需光电／电光转换和电子路由器的转
发，直接在端到端的透明传输信道中传输。控制分组在WDM传输链路中的某一特定信道中传送，每一个突发的数据分组对应于一个控制分组，并且控制分组先于数据分组传送，通过“数据报”或“虚电路”路由模式指定路由器分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。数据信道与控制信道的隔离简化了突发数据交换的处理，且控制分组长度非常短，因此使高速处理得以实现。可以看出，这种路由器充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相对较低、非常适合于在承载未来高突发业务的局域网（LAN）中应用，超大容量的光突发数据路由器同样可用于构建骨干网。

无纤光联网技术

——无纤WDM系统是由Lucent于1999年提出的，而且下半年推出了产品WaveStar OpticAir无纤DWDM系统，该系统采用1550nm波长和DWDM技术传4×2.5Gb／s，用光束直接在空中传输话音、视频和数据业务。在新泽西洲试验无误码成功传输了4.4km。据称到2000年9月传输距离可达5km，并且今后还可升级到8×2.5Gb／s容量。

——其主要组成部件如图4所示，有专用望远物镜（Telescope）、标准光收发信机和高功率的Er／Yb光放大器，其中望远物镜和光收发信机组合在一起。关键技术是多径发射和使用放大器补偿光通过损耗。光接收机是一个改进了的斯密特-卡塞格伦望远物镜。自由空间光信号进入望远物镜后被聚焦到62.5 um的多模光纤上输出。无纤光通信的主要应用场合有：

——*在不具备接入条件或原带宽不足时提供高效的接入方案；

——*解决各种业务接入的“最后一公里”问题；

——*提供临近局域网之间的有效互连互通；

——*可以用作线路故障时的紧急“备用链路”。

——另一种借鉴于无线通信技术的新型光的复用／多址接入技术就是光CDMA技术，它利用不同的波形信号来实现动态的多路访问。它可与WDM技术结合使用以提高带宽利用率。WDM和光CDMA的结合将为用户彻底解决带宽严重不足的问题。

结束语

——从光纤问世到现在已有30余年的时间，光传输速率在过去10年中大约提高了100倍左右。预计在未来10年中，系统速率将再提高100倍左右。建立透明的全光网络是技术发展的必由之路，而作为“全光网”的基石——WDM光联网技术将提供迈向太比特光通信网络的阳光大道。

——基于MPLS技术和数字包封技术的波长交换结构是一种降低网络管理复杂性和网络成本的优选光组网方案。

——全光标签交换、光突发交换等光分组交换技术以其提供的海量交换吞吐量和对数据的透明性，使其具有光明的发展前途，但光子路由、光同步、资源竞争（冲突）的解决方案、帧头的提取／更新以及先进的光子交换机等技术难点仍待进一步研究。

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