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全光网发展及其关键技术
文章来源:本站原创  发布时间:2014-10-28  浏览次数:682
作者:张朝阳  杨斌
(1.总参通信工程设计研究院,辽宁 沈阳110005;2.北京军区66019部队 北京 102300)
摘  要:随着信息技术的快速发展,图像、数据、多媒体业务迅猛增长。现有光传输网络采用的仍然是以电信号处理信息的速度进行交换的技术方式,对交换速度存在着“电子瓶颈”现象。为此,只有发展全光网络,实现信息的全光传输与交换,才能解决“电子瓶颈”现象。本文重点讨论了支撑全光网的关键技术。
关键词:全光网 光交换技术
      随着信息技术的快速发展,数字业务、图像业务、互联网及多媒体业务的需求增长迅猛,给现有传输网络带来巨大压力。目前的基于波分复用(Wavelength Division Multiplex,WDM)的传输网络中,网络的各个节点要完成光信号的交换,仍然需要通过将光信号转换为电信号,以电信号处理信息的速度进行交换,而其中的电子器件越来越无法适应高速、大容量网络发展的需求,存在着诸如时钟偏移、带宽限制、严重串话、高功耗等缺点,因而导致了通信网中的“电子瓶颈”现象,成为限制通信网络吞吐能力的主要因素,使得设备的交换容量上再难有本质的提高。
1. 基于波分复用(DWDM)的全光网 
      为了解决通信网中的“电子瓶颈”现象,人们提出了“全光网”的概念。全光网是指信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式存在。也就是说,只有信号在进入和离开网络时才进行电/光和光/电(E/O和O/E)转换,而在网络中的传输和交换过程中始终保持着光的形式。
      由于没有光电转换的障碍,还可以允许存在各种不同的协议和编码形式,使信息传输具有透明性,提高了网络资源的利用效率。
      在现有光传输网络中,波分复用(DWDM)技术得到了广泛应用。因此,建设基于波分复用的全光通信网在技术上具有更好的延续性。同时,与其它形式的全光网络相比,基于波分复用的全光通信网有更强的灵活性、可管理性和透明性。与以往通信网和现行光通信系统相比,它具备如下的优点: 
a)节省大量电子器件
      全光网络中光信号的传输不再需要通过电/光和光/电转换,因而克服了途中由于电子器件处理信号速率难以提高的障碍,节省了大量的电子器件,大大提高了传输速率。
b)具有传输透明性
      因为采用光路交换以光波波长来选择路由,因此对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性,即对信号形式无限制,允许采用不同速率和协议。
c)组网灵活性高
      可根据通信容量的需求动态地改变网络结构,可进行恢复、建立、拆除光信号的连接。
d)可靠性高
      由于全光网络中许多光器件都是无源器件,而且沿途没有变换和存储,因此可靠性高。
e)便于管理和维护
      从当前信息技术发展的潮流来看,基于DWDM的全光网络(All Optical Network)方案因能提供高速大容量的传输及处理,已经成为现代信息技术发展的必然趋势。
2. 全光网中的关键技术
      支撑全光网络的关键技术主要分为光监控技术、光交换技术和光处理技术几大类。其中,光交换技术在全光通信网中发挥着重要的作用,在某种程度上也是决定了全光通信的发展。
      光交换技术是指不经过任何光/电转换,直接将输入光信号交换到不同的输出端。按交换的粒度来分,光交换主要可以分为光线路交换和光分组交换。光线路交换可通过光分插复用器(OpticalAdd-Drop Multiplexer,OADM)、光交叉连接设备(Optical CrossConnection,OXC)等设备来实现,而光分组交换的核心是在光域上实现数据包的传送、路由、波长变换、存贮和转发的光信号处理技术,由于光分组交换的交换粒度小,能与IP分组很好地兼容,是最适合IP网络发展的理想方案。由于当前缺乏光子存储器和光子集成芯片而处于探索阶段,光缓存技术和多个输入分组的精确同步技术还不成熟。因此,光分组交换还有很长的一段路要走。对于光线路交换的全光网主要是基于波分复用(DWDM)的全光网,从目前发展来看,决定全光网技术应用的主要技术在以下两个方面。
(1)可重构光分插复用器
      在波分复用光网络领域,人们的兴趣越来越集中到可重构光分插复用上,可重构光分插复用器正是为了满足下一代全光网络对于WDM系统的要求而发展起来的一种关键器件。可重构光分插复用器的主要功能是从DWDM光纤信道中有选择地下路(drop)通往本地的光信号,同时上路(add)本地用户发往另一节点用户的光信号,而不影响其它的波长信道的传输。通过可重构光分插复用器可以实现远程配置,灵活实现波长上下,使网络具备重构功能。目前构成可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer,ROADM)主要技术有以下3种:
a)基于波长阻塞器实现的ROADM
      这种结构的ROADM通过光栅将光信号进行复用/解复用。波长阻塞器完成各波长的阻塞/直通(将下路波长滤除,但广播类业务波长虽在本地下路仍可让其直通),被阻塞的波长则可以在本地上路。这种结构的ROADM的缺点在于:需要采用外部滤波器进行波长下路,如果采用固定滤波器,则无法实现动态重构上、下路波长,只能重构直通波长。
b)基于PLC技术实现的ROADM
      采用PLC技术,可将光栅、光开关、耦合器及可调衰减器等固态器件集成到单个芯片上,特别利于大批量生产。阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating,AWG)完成波长的复用/解复用,每个波长对应的光开关控制该波长直通还是由本地上路,可调光衰减器实现对各波长的信道功率控制。同基于波长阻塞器实现的ROADM存在的问题类似,上、下路端口与波长相关,无法重构上、下路波长,只能称为“半可重构”OADM。
c)基于波长选择开关(Wavelength Selective Switch,WSS)实现的ROADM
      由于WSS可以做到无阻塞的交叉连接,可以将任意波长下到任意端口。因此基于WSS实现的ROADM的上、下路波长不受端口限制,真正实现了“可重构”。由两个WSS串接可以实现具有强大联网功能和波长上/下载功能的ROADM,如图1所示。

图1  两个WSS串接实现ROADM
(2)光交叉连接器
      光交叉连接器OXC作为网格状光网络的重要节点,通过实施波长路由算法完成多波长环网间的交叉连接以及光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路,实现全光网的自动配置、动态重构和故障的自动恢复。通常将ROADM看作是功能简化的光交叉连接节点。
      根据交叉粒度的大小,光交叉连接又分为基于光纤级交叉连接和基于波长级交叉连接(包括波长选择交叉连接和波长变换交叉连接)。基于光纤级交叉连接是OXC的初级阶段,它可以被视为具有交叉能力的光配线架,或称为智能光配线架,其优点是交叉连接的复杂程度低,容量大;但缺点也很明显:缺乏灵活性,设备本身独立组网能力差。基于波长级交叉连接能够转换从输入光纤到输出光纤的一个子集的波长信道,这种交叉连接比基于光纤级交叉连接有更大的灵活性,允许提供波长业务,而波长业务则可支持音频分配、远程教育或一系列其他业务。但是目前全光波长转换器还不太成熟,波长变换交叉连接近期还难以实用,因此目前研究热点集中在基于波长选择交叉连接。由多个WSS按全连接方式可以实现波长选择交叉连接,如图2所示。

图2  由多个WSS按全连接方式可以实现波长选择交叉连接
      WSS是近几年国内外光通信行业研究的热点之一。作为可重构的光分插复用器子系统,WSS能够在任意的输入、输出端口之间进行倒换,大大提高密集波分复用设备的组网能力。
      与一般的光开关相比,WSS最大的不同是它具有波长选择的功能。一般的光开关对波长是均一的,即对所有波长都是同时实现线路的切换,因而可被称为无波长选择性的空间光开关。
      WSS可分为1×N和N×1两种。1×N的WSS能够将输入端口的波分复用信号中的任意波长组合输出到任意输出端口上;相反,N×1型WSS可以将任意一个输入端口的光信号选择任意波长组合与其他输入端口的波长组合合并后输出。
3.国内外发展现状
      全光网络的兴起使光通信行业获得新的发展空间,这促使对作为全光网络节点的光交叉连接器与光分插复用器的需求增多,而WSS是组成新一代高维光交叉连接器与光分插复用器的关键器件。
      来自调查机构的最新数据显示,多种因素正在推动WSS市场快速强劲的增长,其中ROADM应用功不可没。WDM ROADM光设备市场将依旧成为整个光网络设备市场中增长最为快速的细分市场。据相关机构预测,WDM ROADM光设备市场的年平均复合增长率将达到13%,而WSS器件的增速更快。目前,1:8的ROADM已开始商用。由此可见,围绕WSS的光通信交换和传输技术的,成为实现全光网络传输的关键技术。
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