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21世纪光通信技术

更新时间 2008-5-6 15:41:11 点击数:

1、复用技术

复用技术的主要目的是扩容,传统的扩容方法采用ETDM(电时分复用)方式,但由于现代通信网对传输容量要求的急剧提高,利用TDM方式已日益接近硅和砷化镓技术的极限,并且传输设备的价格也很高,光纤色散和极化模色散的影响也日益加重。因此人们正越来越多地把兴趣从电时分复用转移到光复用。光复用有3种技术,即光时分复用(OTDM)、光波分复用(OWDM)以及正处于研究阶段的光码分复用(OCDMA)。

1.WDM技术及OTDM技术
迄今为止,WDM技术是研究最多、发展最快、应用最为广泛的技术,经过数年的发展和应用,已趋于成熟,而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前,WDM系统的传输容量正以极快的速度向前发展,直接基于WDM传输的业务也越来越多。WDM技术正对光通信的发展起着重要的作用,其作为现代超大容量传输规模的复用技术的优越性将体现得越来越为明显。

随着WDM系统单信道速率越来越高、复用的路数越来越多、信道之间的间隔也越来越窄,WDM系统表现出来的色散(包括偏振模色散)、互相位调制(XPM)和4波混频(FWM)等非线性效应严重地影响了系统的性能,同时对所用光纤的性能、光放大器的带宽范围及增益平坦度、偏振模控制器的性能、分会波器的隔离度等等件的性能都提出了很高的要求。

OTDM指利用高速光开关把多路光信号复用到1路上传输,利用OTDM技术可以。获得较高的速率带宽比,可克服EDFA增益不平坦、4波混频(FWM)非线性效应等诸多因素限制,而且可解决复用端口的竞争,增加全光网络的灵活性。虽然,OTDM有以上的优点,但由于其关键技术(高重复率超短光脉冲源、时分复用技术、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分解复用技术)比较复杂,更为重要的是实现这些技术的器件特别昂贵,而且制作和实现均很困难,所以这项技术迟迟没有得到很大的发展和应用。但随着系统扩容的需要、技术的不断创新、器件制造水平的不断提高以及克服单单依*WDM技术不足以解决的困难,最终OTDM也将得到很大的发展和应用。

WDM和TDM的发展趋势为:两种技术相结合,实现超长距离Tb/s星级的传输;利用WDM现有特殊的优势,以及OTDM更具特点的组网方式,为未来的全光网络提供更为灵活的网络解决方案(优点:对数据速率和业务种类的透明性和扩展性,提供从MHz到THz任意速率等级的业务接入)。

2.OCDMA技术
作为第3代和第4代移动通信的技术基础,CDMA已经对通信事业的发展作出了重大的贡献。CDMA技术具有许多优于其它技术的特点,如在提高系统的容量方面具有显著的优势,能够很好地解决移动通信系统之中的抗干扰和抗多径衰落的问题。但由于卫星通信和移动通信中的带宽限制,尚未充分发挥CDMA技术的优点。光纤通信具有丰富的带宽资源,能很好地弥补这个缺陷,将CDMA技术应用于光纤系统中能充分利用光纤的巨大带宽。CDMA技术与光纤通信的结合不仅能充分发挥其技术本身的优点,而且是CDMA技术发展的必然趋势。早在80年代中期,国外就有专家对OCDMA系统进行了研究,近年来,已经成为1项备受瞩目的热点技术。

DWDM技术的发展,为解决扩展光纤问题提供了1个解决方案。但与OCDMA相比,DWDM方案有1个主要的缺陷:增加了网络结构的成本,因为对于大多数的用户来说现有的网络成本已经很昂贵了,OCDMA为网络的发展提供了1条新的途径。当消除了传统SDH中所需的大量TDM中间的步骤时,OCDMA不仅增加了现有光纤设备的利用率,而且可以大大减少将来建设的光纤数量。减少网络中的设备不仅能节省设备本身的成本,而且减少了与设备相关的建设、外围设施以及运行支撑系统所需费用,同时可以通过网元层、简化网管。

WDM将光纤频谱分成窄彼长,而OCDMA是将光纤频谱划分成不同的码,WDM的扩容要求单信道速率越来越高、信道间隔越来越窄、整个频谱越来越宽,而OCDMA的扩容并不对系统提过高的要求,只需能有越来越多相互正交的码序列就可以实现。已经广泛应用于抗衰落、抗干扰的多址接入无线通信系统的CDMA技术,在光通信系统具有较大的应用前景。它将极大改善网络的性能,其优越的性能为:
  1)提高了网络的通信容量;
  2)提高信噪比,改善了系统性能;
  3)增强了保密性;
  4)增加了网络灵活性;
  5)降低了网络对同步的要求;
  6)可以随机接人,实现信道的共享。

完成实际的、经济的OCDMA系统,将面对困难的技术挑战。影响OCDMA实用化的主要障碍有:在非相干光CDMA方面,首先是由于无极性码的数量有限,码间干扰较大,限制了用户数量;其次是光编解码器过于笨重,不实用。在非相干光CDMA方面激光源的频率稳定度差,光纤极化态不稳定及光脉冲相位难以控制是主要问题。目前,在为OCDMA寻找最佳的编解码器结构和最优的光正交码方面,国内外专家已经进行了大量的研究,取得了1些研究成果,但是尚未有突破性的进展,应该说,OCDMA距实用化还有很长1段路要走。

2、光交换技术

光纤有着巨大的频带资源和优异的传输性能,是实现高速率、大容量传输的最理想的物理媒质。随着波分复用(WDM)技术的成熟,1根光纤中已经能够传输几百Gbit/s到上Tbit/S的数字信息。传输系统容量的快速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。通信网中交换系统的规模越来越大,运行速率越来越高,未来的大型交换系统将需要处理总量达几百、上千Tbit/s的信息。但是目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近了电子速率的权限。其中所固有的RC参数、钟歪、漂移、串话、响应速度慢等缺点限制了交换速率的提高。为了解决电子瓶颈限制问题,研究人员开始在交换系统中引入光子技术,实现光交换。

光交换的优点在于,光信号在通过光交换单元时,不需经过光电、电光转换,因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制,对比特速率和调制方式透明,可以大大提高交换单元的吞吐量。由于光逻辑器件的功能还很简单,不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能,因此目前的光交换单元还大多要由电信号来控制,即电控光交换。

1.全光标记分组交换技术
从原理上讲,现在的光交换仍是光层上的1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1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(Internet En-gineer Task Force)开发的MPLS(Multi-protocol Label Switching)技术的1些优点,将MPLS的标签交换、流量工程TE(Traffic engineering)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MEMs、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。

目前光分组交换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1段距离。

2.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1特定信道中传送,每1个突发的数据分组对应于1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。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。

3、全光通信网

近年来,由于WDM技术已经成熟并开始大量商用,在国际上掀起了1个研究全光通信网的热潮。以美国为代表的北美地区、欧洲联盟以及亚洲的日本都竞相开展光网络技术的研究试验,在美国和欧洲还进行了系统性的大规模网络应用试验计划。

在我国,光纤通信的发展已具相当规模,已形成8纵8横光纤干线网,连接首都与31个省会中心城市并覆盖绝大部分地区的城市。可以看出,大规模光缆铺设为国家规模的全光网建设准备了物质条件,同时落后的节点技术和迅速增长的社会经济需求,使全光网的研究建设更加紧迫和必要。为此,在1999年,863智能计算机主题、光电子主题和通信主题联合提出实施“中国高速信息示范网”(CAINONET)研究开发项目。2000年底,CAINONET要实现1个基于光因特网技术的高速信息网实验环境。它将充分利用自行研制的光交*连接设备(OXC)、光分插复用设备(OADM)、核心路由器(CR)和全光网网管系统,并使用通信技术主题和智能计算机主题研制的综合接入服务器、边缘路由器、ATM边线交换机和SDH传输系统等配套设备建设基于IP/DWDM的示范网,为以光因特网技术为代表的先进网络技术的研究、开发和测试提供1个实验平台。

从以上国内外的研究进展情况我们可以看出,基于WDM技术的全光通信网络已经引起了人们的广泛关注,在未来的1段时间里,人们将继续建设各种实验网络,并在验证有关概念和方案的同时,对全光传送网络的关键技术进行全面、深入的研究。这些关键技术包括:业务接入和综合技术(IP/DWDM,SDH/DWDM等);光分插复用技术;光交*连接技术;光放大技术;全光的波长转换技术;传输限制因素的研究;波长路由与虚波长路由技术;基于OADM与OXC节点的光网络重构技术以及全光网络的管理技术等。所有这些都充分体现了器件及其相关技术均向着高速化(OTDM与WDM技术的结合)、集成化(光电集成、功能模块集成)、模块化与业务综合化的方向发展,以充分适应全光通信网络的高速、可扩展、业务透明以及高生存性的发展要求。

4、IP承载技术

目前,IP业务爆炸性的增长给电信业带来了激烈的竞争,也为其提供了难得的机遇。据报道,传统语音业务量年增长率只有5%-10%,而以Internet为代表的数据业务年增长率达到30%-40%。

由于IP的爆炸性增长,IP Over ATM、IP Over SDH/SONET、IP Over WDM都将得到飞速发展,下1代Internet或基于IP的多媒体通信骨干网必将是这3种IP技术的混合体,是1个多协议光互联网。其中其核心骨干网将采用IP Over WDM技术,次骨干网及其边线则采用IP Over SDH/SONET和IP Over ATM技术。但由于IP Over WDM具有IP Over ATM和IP Over SO-NET无可比拟的体系简单直接、网络设备少、网管复杂性小、额外开销低、延时小、传输效率最高等特点,IP OVER ATM和IP OVER SDH/SONET最终都将发展为IP Over WDM。

基于“Internet协议(IP)Over WDM”的光互联网利用WDM的大容量和易操作特性在光层上传输数据包的1种技术。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IP业务成为可能。同时也造成了传统的IP-WDM的多层协议栈的简化,简化后的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WDM多波长联网技术。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来提高网络性能和执行流量工程(TE);在传送层而由WDM光网络来提供WDM传输和波长路由的光层联网技术。这样可实现更加紧密的IP到WDM的集成网络结构。

随着MPLS和数字包封器标准的制定,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。这将使本来的光互联网具有更优越的性能。未来光互联网络将1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。

总之,IP Over WDM技术将对现有电信网络产生深刻的影响,将使现有的3个网络:计算机网、电信网和CATV网走向融合,以IP Over WDM技术为基础的“统1网络”已成为电信网络发展的大趋势。基于IP技术的网络正在把话音、数据和视频传送结合在1起在WDM网中传输,成为各国信息基础设施的基础,全球正在进入1个新“统1网络”的时代。

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