全光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景展望

徐善利

【摘 要】隨著光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展日趨成熟并規(guī)模應(yīng)用。本篇論文介紹了全光網(wǎng)的概念、優(yōu)點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)，展望了未來(lái)全光通信的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】全光網(wǎng)絡(luò)；光交換；光復(fù)用

一、全光網(wǎng)絡(luò)的概念

全光網(wǎng)絡(luò)（AON All Optical Network）是指信號(hào)以光的形式穿越整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，直接在光域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)的傳輸、再生、光交叉連接、光分叉復(fù)用和交換/選路，中間不需要經(jīng)過(guò)光電、電光轉(zhuǎn)換，以達(dá)到全光透明性，實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、傳送任意格式信號(hào)的理想目標(biāo)。也就是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)中用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與減緩全部采用光波技術(shù)，即端到端保持全光路，中間沒(méi)有光電轉(zhuǎn)換器。

二、全光網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

基于波分復(fù)用的全光通信網(wǎng)可使通信網(wǎng)具備更強(qiáng)的可管理性、靈活性、透明性。與傳統(tǒng)的通信相比，具備如下優(yōu)點(diǎn)：

1.寬頻帶，容量大

傳輸?shù)膸挿浅Ｖ螅?jīng)過(guò)WDM和DWDM的復(fù)用，可達(dá)400GB/S以上的傳輸容量。

2.速度快，成本低，可靠性高

全光網(wǎng)中采用了較多無(wú)源光器件，省去了龐大的光/電/光轉(zhuǎn)換工作量及設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)整體的傳輸和交換速度，降低了成本并提高了可靠性。

3.透明傳輸，組網(wǎng)靈活

在全光網(wǎng)中，由于沒(méi)有電信號(hào)參與處理，所以可以使用各種不同的協(xié)議和編碼形式，即對(duì)信號(hào)形式無(wú)限制。允許采用不同的速率和協(xié)議，組網(wǎng)極具靈活性，在任何節(jié)點(diǎn)可以抽出或加入某個(gè)波長(zhǎng)。

4.可擴(kuò)展性強(qiáng)

全光網(wǎng)采用波分復(fù)用技術(shù)，以波長(zhǎng)選擇路由，可方便地提供多種協(xié)議的業(yè)務(wù)。不僅與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)兼容，而且還支持各種新的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)。用戶也可根據(jù)需求量，可對(duì)現(xiàn)有的全光網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展。

三、全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

1.光交換技術(shù)

光交換技術(shù)可以分成光路交換技術(shù)和分組交換技術(shù)。光路交換又可分成3種類型，即空分（SD）、時(shí)分（TD）和波分/頻分（WD/FD）光交換，以及由這些交換形式組合而成的結(jié)合型。其中空分交換按光矩陣開(kāi)關(guān)所使用的技術(shù)又分成兩類，一是基于波導(dǎo)技術(shù)的波導(dǎo)空分，另一個(gè)是使用自由空間光傳播技術(shù)的自由空分光交換。光分組交換中，異步傳送模式是近年來(lái)廣泛研究的一種方式。

2.光交叉連接（OXC）技術(shù)

OXC是全光網(wǎng)中的核心器件，它與光纖組成了一個(gè)全光網(wǎng)絡(luò)。OXC是用于光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備，通過(guò)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接，能夠靈活有效地管理光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)/恢復(fù)以及自動(dòng)配線和監(jiān)控的重要手段。OXC交換的是全光信號(hào)，它在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處，對(duì)指定波長(zhǎng)進(jìn)行互連，從而有效地利用波長(zhǎng)資源，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)重用，也就是使用較少數(shù)量的波長(zhǎng)，互連較大數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接，能夠靈活有效地管理光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)/恢復(fù)以及自動(dòng)配線和監(jiān)控的重要手段。OXC主要由光交叉連接矩陣、輸入接口、輸出接口、管理控制單元等模塊組成。為增加OXC的可靠性，每個(gè)模塊都具有主用和備用的冗余結(jié)構(gòu)，OXC自動(dòng)進(jìn)行主備倒換。輸入輸出接口直接與光纖鏈路相連，分別對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行適配、放大。管理控制單元通過(guò)編程對(duì)光交叉連接矩陣、輸入輸出接口模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。光交叉連接矩陣是OXC的核心，它要求無(wú)阻塞、低延遲、寬帶和高可靠，并且要具有單向、雙向和廣播形式的功能。OXC也有空分、時(shí)分和波分3種類型。

OXC主要由光交叉連接部分（光交叉連接矩陣）、輸入部分（光放大器EDFA、解復(fù)用器DMUX）、輸出部分（光接口單元OUT、均功器、復(fù)用器、EDFA）、管理控制部分、本地上下業(yè)務(wù)接口這五大部分組成。為增加OXC的可靠性，每個(gè)模塊都具有主用和備用的冗余結(jié)構(gòu)，OXC自動(dòng)進(jìn)行主備倒換。輸入輸出接口直接與光纖鏈路相連，分別對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行適配、放大。管理控制單元通過(guò)編程對(duì)光交叉連接矩陣、輸入輸出接口模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制、光交叉連接矩陣是OXC的核心，它要求無(wú)阻塞、低延遲、寬帶和高可靠，并且要具有單向、雙向和廣播形式的功能。

3.光分插復(fù)用

OADM具有選擇性，可以從傳輸設(shè)備中選擇下路信號(hào)或上路信號(hào)，也可僅僅通過(guò)某個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)，但不要影響其他波長(zhǎng)信道的傳輸。OADM在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了SDH中的分插復(fù)用器在時(shí)域內(nèi)完成的功能，且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號(hào)，能提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，降低節(jié)點(diǎn)成本，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率，是組建全光網(wǎng)必不可少的關(guān)鍵性設(shè)備。 特別是OADM可以從一個(gè)WDM光束中分出一個(gè)信道（分出功能），并且一般是以相同波長(zhǎng)往光載波上插入新的信息（插入功能）。對(duì)于OADM，在分出口和插入口之間以及輸入口和輸出口之間必須有很高的隔離度，以最大限度地減少同波長(zhǎng)干涉效應(yīng)，否則將嚴(yán)重影響傳輸性能。已經(jīng)提出了實(shí)現(xiàn) OADM的幾種技術(shù)：WDM DE-MUX和MUX的組合；光循環(huán)器或在Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)中的光纖光柵；用集成光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)中的干涉濾波器。前兩種方式使隔離度達(dá)到最高，但需要昂貴的設(shè)備如WDM MUX/DE MUX或光循環(huán)器。Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)（用光纖光柵或光集成技術(shù)）還在開(kāi)發(fā)之中，并需要進(jìn)一步改進(jìn)以達(dá)到所要求的隔離度。上面幾種OADM都被設(shè)計(jì)成以固定的波長(zhǎng)工作。

4.光放大技術(shù)

光纖放大器是建立全光通信網(wǎng)的核心技術(shù)之一，也是密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵要素。DWDM系統(tǒng)的傳統(tǒng)基礎(chǔ)是摻餌光纖放大器（EDFA）。光纖在1550nm窗口有一較寬的低損耗帶寬，可以容納DWDM的光信號(hào)同時(shí)在一根光纖上傳輸。采用這種放大器的多路傳輸系統(tǒng)可以擴(kuò)展，經(jīng)濟(jì)合理。EDFA 出現(xiàn)以后，迅速取代了電的信號(hào)再生放大器，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)光傳輸網(wǎng)。但隨著系統(tǒng)帶寬需求的不斷上升，EDFA也開(kāi)始顯示出它的局限性。由于可用的帶寬只有 30nm，同時(shí)又希望傳輸盡可能多的信道，故每個(gè)信道間的距離非常小，一般只有O.8～1.6nm，這很容易造成相鄰信道間的串話。因此，實(shí)際上EDFA 的帶寬限制了DWDM系統(tǒng)的容量。最近研究表明，1590nm寬波段光纖放大器能夠把DWDM系統(tǒng)的工作窗口擴(kuò)展到1600nm以上。貝爾實(shí)驗(yàn)室和NH的研究化硅和餌的雙波段光纖放大器。它由兩個(gè)單獨(dú)的子帶放大器組成：傳統(tǒng)1550nm EDFA（1530nm～1560nm）；1590nm的擴(kuò)展波段光纖放大器EBFA。EBFA和EDFA的結(jié)合使用，可使DWDM系統(tǒng)的帶寬增加一倍以上（75nm），為信道提供更大的空間，從而減少甚至消除了串話。因此，1590nm EBFA對(duì)滿足不斷增長(zhǎng)的高容量光纖系統(tǒng)的需求邁出了重要的一步。

5.全光網(wǎng)的管理、控制和運(yùn)作

全光網(wǎng)對(duì)管理和控制提出了新的問(wèn)題：①現(xiàn)行的傳輸系統(tǒng)（SDH）有自定義的表示故障狀態(tài)監(jiān)控的協(xié)議，這就存在著要求網(wǎng)絡(luò)層必須與傳輸層一致的問(wèn)題；②由于表示網(wǎng)絡(luò)狀況的正常數(shù)字信號(hào)不能從透明的光網(wǎng)絡(luò)中取得，所以存在著必須使用新的監(jiān)控方法的問(wèn)題；③在透明的全光網(wǎng)中，有可能不同的傳輸系統(tǒng)共享相同的傳輸媒質(zhì)，而每一不同的傳輸系統(tǒng)會(huì)有自己定義的處理故障的方法，這便產(chǎn)生了如何協(xié)調(diào)處理好不同系統(tǒng)、不同傳輸層之間關(guān)系的問(wèn)題。從現(xiàn)階段的WDM全光網(wǎng)發(fā)展來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)的控制和管理要比網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)更具挑戰(zhàn)性，網(wǎng)絡(luò)的配置管理、波長(zhǎng)的分配管理、管理控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試等都是網(wǎng)絡(luò)管理方面需解決的技術(shù)。

四、全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景 展望

現(xiàn)階段全光傳送網(wǎng)以波分復(fù)用技術(shù)為核心，以波分復(fù)用的傳輸、交換和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為重點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。在傳輸方面，將摻餌光纖放大器（EDFA）用于波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)，使大容量長(zhǎng)距離全光傳輸成為可能。在交換技術(shù)方面，傳統(tǒng)傳送網(wǎng)的電路、分組交換也逐漸被空分、時(shí)分的光路交換方式替代。在聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面，基于WDM的全光傳送網(wǎng)與現(xiàn)有的SDH網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)了很好的互聯(lián)，IP over WDM技術(shù)也在積極地發(fā)展之中。這一切都為我們展現(xiàn)了WDM全光傳送網(wǎng)的美好前景。

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越高。全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)初具規(guī)模，光纖到戶FTTH的普及，也使該技術(shù)在接入網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。

相信未來(lái)網(wǎng)絡(luò)將在網(wǎng)絡(luò)帶寬、可擴(kuò)展性、生存性和運(yùn)行成本等方面提出更高的要求，網(wǎng)絡(luò)朝著寬帶化發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)承載能力更強(qiáng)，運(yùn)營(yíng)成本更低；同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)也將朝著數(shù)據(jù)化（特別是IP）方向發(fā)展，使之逐漸成為未來(lái)所有業(yè)務(wù)的共載體。