全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展研究

胡成旭

摘? ?要：全光網(wǎng)絡(luò)屬于光纖通信技術(shù)的最高發(fā)展階段，也是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向之一，這是由于全光網(wǎng)絡(luò)能夠有效節(jié)省通信系統(tǒng)成本、提升通信系統(tǒng)性能?；诖耍恼聦⒑?jiǎn)單介紹全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，并深入探討全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，希望研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來(lái)一定啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：全光網(wǎng)絡(luò);光交換技術(shù);光交叉連接技術(shù)

傳統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)存在彎曲半徑存在限制、切斷和連接操作較為復(fù)雜、分路和耦合較為繁瑣、安全性能不高等缺陷，因此，光纖通信逐漸無(wú)法滿(mǎn)足人們?nèi)諠u提升的網(wǎng)絡(luò)需求。為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信的安全性、穩(wěn)定性、靈活性，全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用必須得到重點(diǎn)關(guān)注，這正是本文圍繞全光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展開(kāi)展具體研究的原因。

1? ? 全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1? 光交換技術(shù)

作為全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，光交換技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)光節(jié)點(diǎn)處的光纖端口隨意選擇，光信號(hào)的選路和交換需要可得到較好滿(mǎn)足。因此，也可以將光交換技術(shù)視作全光網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)之一，全光網(wǎng)絡(luò)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性可在光交換技術(shù)支持下得到大幅提升。波長(zhǎng)的變換屬于光交換技術(shù)的重點(diǎn)，為保證全光網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能，基于光交換技術(shù)的光波長(zhǎng)處理必須得到重視，這便是光交換技術(shù)被稱(chēng)作波長(zhǎng)交換技術(shù)的原因。光交換技術(shù)可細(xì)分為光路交換技術(shù)和分組交換技術(shù)，光路交換技術(shù)能夠進(jìn)一步細(xì)分為波分/頻分光交換技術(shù)、時(shí)分光交換技術(shù)、空分光交換技術(shù)，3種技術(shù)可基于實(shí)際選擇復(fù)合使用或單獨(dú)使用。在空分光交換技術(shù)的應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)光信號(hào)在傳輸通路上的改變，自由空分和波導(dǎo)空分的光交換可基于光矩陣開(kāi)關(guān)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。時(shí)分復(fù)用屬于時(shí)分光交換技術(shù)的基礎(chǔ)，交換目的可基于時(shí)隙互換的原理實(shí)現(xiàn)。波分復(fù)用為波分/頻分光交換技術(shù)的基礎(chǔ)，在信號(hào)以不同網(wǎng)絡(luò)通路和波長(zhǎng)完成后，該技術(shù)可基于波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)交換[1]。

1.2? 光信息再生技術(shù)

光纖的色散和損耗會(huì)直接影響傳統(tǒng)光纖通信的安全與穩(wěn)定，碼間的干擾往往與色散存在直接聯(lián)系，光纖系統(tǒng)的誤碼率也會(huì)因此大幅提升。信息傳輸距離的增加必然會(huì)造成傳統(tǒng)光纖通信損耗，按照指數(shù)規(guī)律，衰減的光信號(hào)幅度屬于損耗的源頭，而通過(guò)全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)光信息再生技術(shù)實(shí)現(xiàn)光信息的再生，即可較好保證信息傳輸質(zhì)量。光電中繼器屬于傳統(tǒng)的光信號(hào)再生手段，通過(guò)光帶二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輔以整修放大，最終通過(guò)光源的重新驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)再生。但由于這類(lèi)裝置大多體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能力消耗巨大，光纖通信的信息色散與損耗問(wèn)題并沒(méi)有得到根本解決。但在全光網(wǎng)絡(luò)的光信息再生技術(shù)應(yīng)用中，該技術(shù)以光纖鏈路為基礎(chǔ)，接入光調(diào)制器和濾波器，即可通過(guò)光調(diào)制器中輸入的光信號(hào)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)有周期、有規(guī)律的光信號(hào)調(diào)制，光脈沖的頻譜拓寬、窄小化處理可由此實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)噪聲和頻率漂移也能夠得到有效控制，最終重新定時(shí)和校準(zhǔn)光脈沖位置。全光傳輸型的中繼器屬于全光網(wǎng)絡(luò)光信息再生技術(shù)的應(yīng)用核心，信號(hào)的放大和傳輸由此即可圍繞光路直接完成。

1.3? 光分插復(fù)用技術(shù)

在不影響其他波長(zhǎng)信道傳輸?shù)那疤嵯?，光分插?fù)用技術(shù)可有選擇地從波分多路復(fù)用光束中分出功能或一個(gè)信道，并插入新的功能和信息（基于相同波長(zhǎng)），其他波長(zhǎng)信道的傳輸并不會(huì)受到影響。在環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)中，光分插復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用具備較強(qiáng)的選擇性?xún)?yōu)勢(shì)。光分插復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用要求插入口和分出口之間的隔離度大于25 dB，輸出口和輸入口的隔離度也需要滿(mǎn)足該要求，由此可最大限度地降低波長(zhǎng)的干擾，隔離度的設(shè)置也能夠有效服務(wù)于傳輸性能的控制。光分插復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用需得到光率波器件的支持，以此實(shí)現(xiàn)上路或下路的波長(zhǎng)選擇，各種速率和形式的信號(hào)可由此得到有效處理，且具備良好的透明性。光濾波器件屬于光分插復(fù)技術(shù)的核心器件，在全光網(wǎng)絡(luò)中也發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，全光網(wǎng)絡(luò)的效率和安全性直接受其影響[2]。

1.4? 光交叉連接技術(shù)

光交叉連接技術(shù)的應(yīng)用需基于位于光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的光交叉連接設(shè)備實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備屬于全光網(wǎng)絡(luò)的核心器件之一，全光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成離不開(kāi)光纖與光交叉連接的支持。通過(guò)對(duì)光信號(hào)的交叉連接，光交叉連接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)資源更為有效的利用，波長(zhǎng)重用也能夠有效實(shí)現(xiàn)，光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的管理靈活性和有效性將由此得到大幅提升。光交叉連接技術(shù)具備網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)、路由選擇、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、自動(dòng)配線(xiàn)和監(jiān)控等功能，管理控制單元等模塊、輸出接口、輸入接口、光交叉連接（Optical Cross Connect，OXC）矩陣屬于光交叉連接的主要構(gòu)成模塊，為提高設(shè)備的可靠性，每個(gè)模塊均設(shè)置有主用和備用的冗余結(jié)構(gòu)。光交叉連接技術(shù)的核心為OXC矩陣，具備單雙向和廣播形式功能，以及高可靠性、低延遲、無(wú)阻塞等特性。輸入接口主要用于適配信號(hào)，輸出接口用于放大信號(hào)，對(duì)其他模塊的監(jiān)測(cè)和控制由管理控制單元負(fù)責(zé)。光交叉連接技術(shù)也可細(xì)分為波分、時(shí)分、空分3類(lèi)，其中，時(shí)分技術(shù)尚不成熟，為了提高交叉連接矩陣的靈活性和容量，可結(jié)合空分技術(shù)與波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術(shù)。

2? ? 全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展展望

2.1? 前景展望

雖然光傳輸速率不斷提升，全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度也在不斷提升，但是為滿(mǎn)足超高速網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需要，原有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備將出現(xiàn)適用性問(wèn)題。如果不實(shí)現(xiàn)設(shè)備的更新?lián)Q代，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜繁瑣程度必將大幅提升，電子“瓶頸”也將直接制約高速傳輸，可見(jiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是解決這類(lèi)困境的唯一出路。通過(guò)打破傳統(tǒng)“瓶頸”，超大容量的網(wǎng)絡(luò)可基于全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，較強(qiáng)的擴(kuò)展性也能夠滿(mǎn)足業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)不斷增長(zhǎng)的需要，且這一過(guò)程中原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不會(huì)受到影響。由于具備較高的透明性，全光網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中可允許不同速率、體制、格式的信號(hào)混合，且允許不同類(lèi)型的新老系統(tǒng)互連。此外，全光網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)性特點(diǎn)也使得網(wǎng)絡(luò)組建的靈活性大幅提升，這主要得益于光交叉連接等技術(shù)的支持，網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性與可靠性也能夠同時(shí)得以提升。

我國(guó)的干線(xiàn)網(wǎng)較為龐大且幅員遼闊，因此，通過(guò)應(yīng)用全光網(wǎng)絡(luò)在干線(xiàn)網(wǎng)交叉節(jié)點(diǎn)建立光波長(zhǎng)變換和光交叉連接，端到端的“虛波長(zhǎng)”通路即可順利實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)端到端的連接也能夠同時(shí)得以實(shí)現(xiàn)，電路間的調(diào)配轉(zhuǎn)接難度將大幅下降。從發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，全光網(wǎng)絡(luò)可基于網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的發(fā)展逐步完善，真正基于光交換技術(shù)與光交換技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)層也能夠由此得以建立，光/電“瓶頸”可通過(guò)純粹的全光網(wǎng)絡(luò)得以打破，傳送網(wǎng)分層化的發(fā)展也能夠獲得有力支持。在具體實(shí)踐中，可在分插復(fù)用器（Add and Drop Multiplexer，ADM）和DXC之下提出新的全光網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化可大幅提升網(wǎng)絡(luò)可靠性，且全光網(wǎng)絡(luò)層不會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)和承載信號(hào)造成直接影響。隨著全光網(wǎng)絡(luò)與用戶(hù)家庭、服務(wù)器、路由器、企業(yè)網(wǎng)、城域網(wǎng)真正連接，高速網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)便能獲得充足的動(dòng)力支持[3]。

2.2? 困難和挑戰(zhàn)

雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)外全光網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件也逐漸完成研發(fā)，但想要基于全光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建可運(yùn)營(yíng)、可維護(hù)、可管理且性?xún)r(jià)比較高的電信級(jí)傳送網(wǎng)，全光網(wǎng)絡(luò)在建設(shè)中仍面臨物理參數(shù)預(yù)算、光層信號(hào)透明、網(wǎng)絡(luò)傳送成本等方面的制約。物理參數(shù)預(yù)算指的是全光網(wǎng)絡(luò)中光信號(hào)連接存在的異常復(fù)雜物理參數(shù)預(yù)算過(guò)程，在大范圍超長(zhǎng)距離的全光網(wǎng)絡(luò)中，光信號(hào)將因此出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，預(yù)算的緊張程度也會(huì)大幅提升，全光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)會(huì)因此面臨來(lái)自于物理層預(yù)算的致命障礙制約。此外，作為動(dòng)態(tài)的光網(wǎng)絡(luò)，全光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃調(diào)度復(fù)雜程度較高，且需要得到橫向兼容性標(biāo)準(zhǔn)的支持，這同樣在很大程度上制約了全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。光層信號(hào)透明會(huì)帶來(lái)業(yè)務(wù)信號(hào)無(wú)法由中間節(jié)點(diǎn)識(shí)別等問(wèn)題，且全光網(wǎng)絡(luò)會(huì)因此無(wú)法有效監(jiān)控業(yè)務(wù)信號(hào)質(zhì)量，這種信號(hào)監(jiān)控與光層信號(hào)透明性存在的矛盾必須得到重視。網(wǎng)絡(luò)傳送成本較高同樣制約全光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，在目前的成本結(jié)構(gòu)下，設(shè)備成本中光電轉(zhuǎn)換的占比較大，且全光網(wǎng)絡(luò)無(wú)法提供經(jīng)濟(jì)、有效的傳送方案，全部以光信號(hào)處理的業(yè)務(wù)連接也可能引起嚴(yán)重的波長(zhǎng)阻塞，無(wú)法充分利用的光纖資源同樣會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)傳送成本，這類(lèi)問(wèn)題必須得到業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，全光網(wǎng)絡(luò)具備較為廣闊的發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的光交換技術(shù)、光信息再生技術(shù)、光分插復(fù)用技術(shù)、光交叉連接技術(shù)等內(nèi)容，提供了可行性較高的全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路徑。為更好推進(jìn)全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，物理參數(shù)預(yù)算、光層信號(hào)透明等問(wèn)題必須得到重點(diǎn)關(guān)注。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐展.密集波分復(fù)用技術(shù)及全光網(wǎng)絡(luò)研究[J].通訊世界，2019（3）：47-48.

[2]姜峰，杜磊.有線(xiàn)電視全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景[J].中國(guó)有線(xiàn)電視，2018（10）：1133-1135.

[3]黃巨一，周楠.傳輸質(zhì)量可控的全光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息通信，2017（7）：257-258.

Research on key technologies and development of all-optical network

Hu Chengxu

（Shenzhen Telecom Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen 518020， China）

Abstract：All-optical network belongs to the highest development stage of optical fiber communication technology and is one of the main directions of network development. This is because all-optical network can effectively save communication system cost and improve communication system performance. Based on this， this paper will briefly introduce the key technologies of all-optical networks， and deeply explore the development trend of all-optical networks. It is hoped that the research content will bring some inspiration to relevant industry insiders.

Key words：all-optical network; optical switching technology; optical cross-connect technology