光通信网新技术

摘要：新技术的开发和使用使得光网络层具有了许多原先只能在高层实现的网络功能，并使原先单纯为了增加传输容量的WDM层具有了真正的光联网功能。以光标记交换技术、光突发分组交换技术、无纤光能信系统以及全新的光互联网技术为代表构成了今天的光通信网研究热点并吸引了世界各国科研院所和著名通信公司的广泛关注。 关键词：WDM光联网；数字包封；光标记交换；光突发交换 1 引 言 IP业务的高速增长产生的带宽需求和WDM传输技术提供超大容量带宽资源的双重刺激下，传统光网络朝适于传输IP业务的新一代光网络演进势在必行。数据化、宽带化、综合化无疑已成为如今建网的时尚和潮流。面向未来IP业务的光网络研究已经成为各国和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和加拿大的CA*net3国家互联计划中都着眼于发展承载未来IP业务的下一代光通信网络。日本和澳大利亚等国的科研机构和大学也正致力于下一代光网络的研究。与此同时，包括ITU-TANSIT1X1.5协会、光互联网论坛（OIF）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。以数据业务为主导、AllOpticalNetworking（全光联网）和Terabit带宽（太比特速率）是未来光通信网络体系结构的必然特征和发展趋势。 2 光通信网技术的研究热点 目前，国内外著名大学和科研机构都将光通信技术的研究方向集中在下一代光网络及其关键技术的研究上，突破网络节点处理的速率瓶颈、实现全光联网、高效传送和交换IP业务等全新光通信网技术的研究热点大体如下。 2.1 光联网技术 近几年来，搭乘IP数据业务爆炸式发展所带来的对带宽无限需求这个“东风”，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用波段（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1.3-1.6um的二个低损耗窗口打通并连成一个区域，未来的WDM将在1.3-1.6um的全波作口中进行。每根光纤的传输容量已达到数十太比特(Terabit)，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。同时随着可用波长数的增加和网络灵活性的提高，人们发现WDM技术在提高传输能力的同时，还具有无可比拟的通过光通信直接联网的优势。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，全光地进行路由选择。通过可重构的选路节点建立端到端“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。 （1）动态路由和波长分配技术 给定一个网络的物理拓扑和一套需要在网络上建立的端到端光信道，而为每一个带宽请求决定路由和分配波长以建立光信道的问题也就是波长选路由和波长分配问题（RWA）。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（WP）和虚波长通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，当整个光路都采用同一波长时就称其为波长通道反之是虚波长通道。 在波长通道网络中，由于给信号分配的波长通道是端到端的，每个通路教师与一个固定的波长关联，因而在动态路由和分配波长时一般必须获得整个网络的状态，因此其控制系统通常必须采用集中控制方式，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，近期提出了一种基于波长作为标记的多协议波长标记交换（MPLS）的方案，它将光交叉互联设备视为标记交换路由器进行网络控制和管理。在基于MPLS的光波长标记交换网络中的光路由器有两种：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MPLS中较复杂的标记处理功能，而核心路由器利用光互联和波长变换技术实现波长标记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、恢复。 （2）光层的生存性 网络的生存性是指网络在经受各种故障后能够维持可接收的业务质量的能力，它是网络完整性的一部分。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性能力，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道的功能。因此目前的研究热点是在网络重构性方面开发类似于TDMSONET环网和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像，光网的核心设备以及业务恢复的主要载体是光交叉连接设备（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“频隙”或光通道（波长），因而它是一个“模拟传送网络”。因此WDM光层网络恢复表现出一些与SDH网络不同的特征： 光层恢复速度快。SDH网络中，由于是对各个时隙进行处理，恢复时支持的带宽为电通道或电复用段所支持量级；而对于WDM光网络，由于是对波长直接进行操作，无需光电转换，可充分发挥光网络巨大的带宽潜能。 光层恢复成本低。通过光层恢复来取代或改善电层恢复，可以减少现有网络恢复方案所必须的数目众多的电子器件。由于不必使用业务层恢复，简化了相应的通信、管理和控制系统，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扑结构，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是，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各种信吃提供了一个公共生存平台，而无论该信号是否具有内在恢复能力。 目前较成熟的一种光层保护倒换方案是1+1的WDM光复用段保护。它与SONET中的1+1复用段保护倒换方案相类似。 （3）光层开销处理技术 当然，如果只是有了大量可用波长，还谈不上就形成了光联网技术。因为全光联网技术，除了要求必须直接在光层通过业务信息外还必须在光层具有管理光信道（Och）的OAM（操作、管理、维护）信息的能力和执行光信道性能监测的能力。这时如果在光层使用数字包封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。数字包封技术就是用信道开销等额外比特数据从外面包裹Och客户信号的一种数字包封技术。 总之，光纤、动态波长分配和路由、WDM环网保护、数字包封等技术的进步将原先单纯增加系统传输容量的WDM技术向前大大的推进了一步，使WDM层具有了许多原先只能在高层实现的网络功能，并使其发生了质的飞跃----转化为一种具有真正光联网功能的新型光网络技术，从而使彻底抛弃SONET/SDH而直接在具有光联网功能的WDM多波长光网络上承载IP业务成为可能。基于这些技术的全新WDM光联网技术具有两大吸引力：一是直接通过光的互联可以节省用于SONET/SDH系统升级的花费；二是使用户以波长接入/接出成为可能，这样能更好地对网络进行控制。另外与SDH/SONET相比，WDM光网络提供了更透明、更开放的传送平台，可以支持不同比特率、不同数据格式和不同业务质量(QoS)要求的业务的传送，使现存各种网络的融合成为可能。 2.2 光联网关键网元技术 要想使全光联网成为现实关键需要实现光分插复用（OADM）和光交叉连接（OXC）等光交换节点设备。使用OADM和OXC执行联网功能就可灵活上下活路的非常简单的光网络结构。 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道的关键网络单元及支撑技术进行研究，包括新型的可调谐光射模块，适用于动态路由的增益钳制的宽带光纤放大器，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。AWG是目前最适于WDM复用与解复用以及作为核心器件构成OADM和OXC的新型关键器件，光波导开关集成面阵是构成OXC和OADM交换功能的关键部件。同时还有大量研究集中在拓宽光纤通信窗口和降低信道波长间隔这两个方面，以增加系统的波长通道数、进一步开发光纤的带宽资源。 在一个用户不断增长的网络环境中引入OADM和OXC等网元，将有助于灵活地使用和分配波长。这些新网元的使用可以帮助运营商在光子层重新配置网络流量以获得最佳的数据传输，并能在链路发生故障时迅速恢复。随着通信网络逐渐向全光网络平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光领域中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。 2.3 全光标记分组交换技术 从原理上讲，前面所述的波长选路仍是光层上的一种电路交换技术。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，并且仅对带有路由信息的光分组头进行高速处理而为光分组的有效负载提供透明路径，因此它具有高速、大吞吐量、低延时、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。光核心路由器由光分组头识别和重置、冲突解决、分组路由和传输控制等光信号处理功能模块组成。同时，目前基于光标记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（IE）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，它简化了路由器入口处处理网络层头和等价转发类（FEC）分配的过程，实现了快速有效的转发。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记交换模块和光子交换机组成。光标记交换模块负责：检测分组字头，完整地转发数据包，检测包的端点，当需要的时候重写光字头；而目前比较先进的光交换技术有：微电子机械技术（MEM）、LiNbO3交换器、快速液晶交换器、半导体光放大器（SOA）或电吸收EA调制器/交换器等。 在几种全光的标签交换解决方案中，副载波复用（SCM）技术已经引起了广泛的注意。在这种方法中，数据头和净荷信息被复用在同一个波长上，数据调制在基带，而包头信息承载于一个合适的副载波上。 采用SCM技术，分组头可很容易被提取和刷新。但通常要求副载波频带要很窄，而且间隔较宽，因而副载波的数量受限。另外如果净荷数据速率上升的话，基带的频带展宽问题会覆盖掉副载波频段。全光包头替换可以快速的光交换阻塞掉旧的包头并插入一个新的包头来实现。目前还有人提出了一种方法让净荷数据和分组头信息分别使用不同的波长信道传输，这样头刷新只对传输头信息的信道执行光电转换。 现在开发了一种基于SOA（半导体光放大器）的新技术，它能够在对SCM包头进行波长变换的同时也可对基带数据信息进行交换。目前光分组技术要步入实用还受制于光存储、光缓冲、光同步、光子时隙路由、波长转换、波长选择等技术难点问题。因此真正的光分组交换网络的实现还有一段距离。 2.4 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，并且控制无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。同时由于控制分组和数据分组是通过控制分组中含有的可“重置”的时延信息相联系的，传输过程中可以根据链路的实际状况用电子处理对控制信元作调整，因此控制分组和信号分组都不需要光同步。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。 2.5 无纤光通信技术 远在90年代光纤通信出现之前自由空间光通信的研究就已开始，但大气作为传输媒体，沿传输路径大气有不同的温度、密度和折射率，小气团就像小透镜和棱镜一样对光进行折射从而使光波形失真，而且大气的透光特性和传输损耗是随气候和时间而变的，因此一直一来大气光通信系统的传输容量都很小而且要求的对准精度也很高，所以一直难以在通信网中推广使用。 随着光纤通信领域的不断拓展，人们也遇到了一些问题。比如，在大都市中不宜挖沟铺设光缆的两座摩天大楼之间如何建立有效的数据联系？在不宜建桥的河两岸的局域网之间如何建立数据联系？如何给临时性的大型活动提供大容量的信息通道？等等。蓬勃兴起的无线移动通信浪潮给人们以深刻的启示：尽管手机在通话质量和费用上都不过固定电话，但它提供给人们的便利却使越来越多的人将移动通信作为自己的重要通信手段。由于光波频率比微波频率高得多，光通信所能提供的带宽远大于微波通信的带宽。能否将具有宽带特点的光纤通信和具有无线连接特点的微波无线通信各自优势结合起来，实现宽带无线光通信呢？新一代无线光通信正是在这样的形式下应运而生的。它采用了光纤通信中的许多先进技术，如波分复用、掺饵光纤放大器、前向纠错信道编码等，并取得了重要的研究成果。 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光纤DWDM系统，该系统是贝尔实验室的又一新突破。采用1550nm波长和DWDM（波分复用）技术传4x2.5Gbit/s，即12万话路容量，速率高达10Gbit/d的DWDM系统，不再局限于经传统的光纤传输，用光速直接在空间传输话音、视频和数据业务。由于该系统不受地形的限制和影响，抗干扰，抗恶劣气候的能力很强，保密性又很好，而且采用了开放性接口，即可以承载多种业务。所以为WDM技术用于接入网提供了最佳的解决方案。在新泽西洲试验无损误码成功传输了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8x2.5Gbit/s容量。 其主要组成部件有专用望远物镜(Telescope)、标准光发送机和高功率的Er/Yb光放大器，其中望远物镜和光收发送机组合在一起。关键技术是多径发射和使用放大器补偿光通道损耗。单模光纤经分支器将光信号同时加到望远物镜发射机的三个孔径上，每个孔径偏移0.5mrad（毫弧度），在大气中传输4.4km后到达收端时光斑的直径为2.2m，如此大的光班尺寸接收端不至于太难对准；光接收端是一个改进了斯密特-卡塞格伦望远物镜，自由空间光信号进行望远镜后被聚焦到62.5um的多模光纤上输出。无纤光通信的主要应用场合为： 在不具备接入条件或原带宽不足时提供高效的接入接出方案； 解决了各种业务接入的“最后一公里”问题； 提供了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”。 2.6 多层协议栈的坝塌和新型光互联网技术 基于“IPoverWDM”的光互联网是利用WDM的大容量和易操作特性在光层上传输数据包的一种技术。鉴于前面所述的相关基础技术的极大进步，今天的光网络层已具有了许多原先只能在高层实现的网络功能，这就使抛弃SONET/SDH而直接在具有光联网功能和网络管理功能的WDM多波长光网络上承载P业务成为可能。同时也造成了传统的IP-WDM的多层协议栈的坝塌。倒塌后的IP层由于增加了MPLS技术，因此其功能就类似于传统IP层功能和ATM功能的综合。而这时的光网络层也综合了SONET/SDH特性和WDH多波长光联网技术。在业务层，由MPLS流量工程控制层来执行至关重要的选路、监控和网络存活性。即就是使用MPLS来提高流量工程（TE）；在传送层而由WDM光网络来提供WDM传输和波长路由的光怪联网技术。这样可实现更加紧密的IP到WDM的集成网络结构。 总之，随着MPLS和数字包封存器标准的制定，以它们为基础的自愈恢复、QoS选路、流量工程和网络管理、性能监测等技术将快速发展。这将使未来的光互联网具有更优越的性能。未来光互联网络将一定是既具有SDH的复用/解复用和快速自愈恢复能力，又有ATM的有QoS保证的选路交换能力，同时还具有MPLS的标签交换和流量工程能力以及直接在WDM层处理光信号、建立和动态分配光通道的先进的高速网络系统。未来的光互联网交换/路由节点的功能，基于这种技术，简化了新型联网设备和标签交换路由器的功能集成，在引入了标记交换概念后，再附以传统路由器的许多优化手段，千兆级甚至太比特的标记交换路由器或路由交换机（LSR）就完全可以实现了。 3 结束语 从光纤问世到现在短短30余年的时间，光传输的速率以指数增长。建立透明的全光网络是技术发展的必由之路，而光联网WDM光网络----作为“全光通信网”的基石，将提供迈向太比特光通信网络的阳光大道。由于在全球范围内通信产业及其相关领域正面临着全方位的残酷竞争，各大电信巨头和通信设备厂商无不把面向互联网业务的更灵活、更可靠和成本更低的下一代光网络的研究和创新（R&I）提升到战略发展高度，传统光通信网 络向下一代光联网光网络演进的步伐正在加速。