光通信中的關(guān)鍵技術(shù)

光通信中的關(guān)鍵技術(shù)光纖通信技術(shù)的出現(xiàn)是通信史上的一次重要革命。作為寬帶傳輸解決方案的光纖通信從其誕生之日起，就受到人們的特別重視并且一直保持著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。特別是在20世紀(jì)90年代中期到末期的這段時(shí)間，無(wú)論是在技術(shù)方面還是在其相關(guān)產(chǎn)品方面，光通信都得到了飛速的發(fā)展，并確立了其在通信領(lǐng)域不可替代的核心地位。當(dāng)前，光通信技術(shù)正以超乎人們想像的速度發(fā)展。在過(guò)去的10年里，光傳輸速率提高了100倍，預(yù)計(jì)在未來(lái)1O年里還將提高100倍左右。IP業(yè)務(wù)持續(xù)的指數(shù)式增長(zhǎng)，對(duì)光通信的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)：一方面，IP巨大的業(yè)務(wù)量和不對(duì)稱(chēng)性刺激了波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的應(yīng)用和迅猛發(fā)展；另一方面，IP業(yè)務(wù)與電路變換的差異也對(duì)基于電路交換的SDH(同步數(shù)字系列)提出了挑戰(zhàn)。光通信本身也正處在深刻的變革之中，特別是“光網(wǎng)絡(luò)”的興起和發(fā)展，在光域上可進(jìn)行復(fù)用、解復(fù)用、選路和交換，可以充分利用光纖的巨大帶寬資源增加網(wǎng)絡(luò)容量，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的“透明”傳輸，所以光通信技術(shù)更是成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將對(duì)光通信中的幾種重要技術(shù)作一簡(jiǎn)要介紹和展望。一、復(fù)用技術(shù)1.時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM)復(fù)用技術(shù)是加大通信線路傳輸容量的好辦法。數(shù)字通信利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，數(shù)字群系列先是PDH各群，后有SDH各群，由電的合路/分路器和合群/分群器 (MUX/De-MUX)構(gòu)成。電的TDM目前的最高數(shù)字應(yīng)用速率為10Gbit/s。把這最高數(shù)字速率的數(shù)字群向光纖上的光載波直接調(diào)制，就成為光纖傳輸?shù)淖罡邤?shù)字速率。而光纖本身卻有很大的潛在容量，所以說(shuō)光纖受到電的最高速率的限制。實(shí)際上當(dāng)傳輸速率由10Gbit/s提高到20Gbit/s左右時(shí)已接近半導(dǎo)體技術(shù)或微電子工藝的技術(shù)極限，即便開(kāi)發(fā)出更高速率的TDM電子器件和線路，例如采用微真空光電子器件、原子級(jí)電子開(kāi)關(guān)等技術(shù)，其開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本必然昂貴，造成傳輸設(shè)備、系統(tǒng)價(jià)格很高而不可取，更何況此時(shí)光纖色散和非線性的影響更加嚴(yán)重，造成傳輸困難。所以，盡管TDM的實(shí)驗(yàn)室速率已達(dá)40Gbit/s，但要在G.652 光纖上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸絕不是近期能指望的事。相反地，如采用以10Gbit/s為基礎(chǔ)速率的WDM系統(tǒng)，就可用4個(gè)波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)40Gbit/s的高容量。這樣不僅可解決中長(zhǎng)期通信容量的需求，而且又不存在實(shí)質(zhì)性的技術(shù)困難，能適應(yīng)21世紀(jì)的通信發(fā)展。2.波分復(fù)用技術(shù)(WDM)20世紀(jì)80年代后期，國(guó)際上開(kāi)始設(shè)想利用一根光纖同時(shí)傳輸多個(gè)光載波，并受數(shù)字信號(hào)的調(diào)制。如果這些光載波的波長(zhǎng)相互間有足夠的間隔，則每路的數(shù)字信號(hào)可同在一根光纖上傳輸而不會(huì)相互干擾，這就是光纖通信使用的波分復(fù)用技術(shù)。波分復(fù)用技術(shù)在本質(zhì)上是對(duì)光的頻分復(fù)用，只是因光載波用波長(zhǎng)表達(dá)較為方便，所以常稱(chēng)為波分復(fù)用。如果一根光纖利用n路的WDM，每路帶有10Gbit/s的數(shù)字信號(hào)，則光纖傳輸容量將為nl0Gbit/s，這樣就打破了電子瓶頸對(duì)傳輸速率的限制。由此可見(jiàn)，復(fù)用技術(shù)是擴(kuò)容的一種優(yōu)良方法。隨著波分復(fù)用技術(shù)的成熟與應(yīng)用，光纖的巨大潛在帶寬資源得到了充分利用，因而使光纖通信成為支撐通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。目前光纖的單波長(zhǎng)傳輸速率已達(dá)到40Gbit/s，而進(jìn)一步提高單波長(zhǎng)傳輸速率將受到半導(dǎo)體技術(shù)的制約。但是，WDM技術(shù)作為光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)增容的主要技術(shù)這一地位卻是不可動(dòng)搖的。由于光纖制造技術(shù)本身按WDM系統(tǒng)的要求在傳輸容量上大加改進(jìn)，再加之激光管等光器件及合波/分波器等在結(jié)構(gòu)和性能上都有創(chuàng)新，使得光纖上多路光載波的波長(zhǎng)間隔減小，因而同時(shí)傳輸?shù)墓饴窋?shù)大大增多。為了使一根光纖上傳輸?shù)墓饴窋?shù)增加更多，1995年，國(guó)際上開(kāi)始使用密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)。1998年，大約90%的長(zhǎng)途通信線路使用了DWDM技術(shù)，即容許一根光纖同時(shí)傳輸更多路光載波，使光纖傳輸容量又進(jìn)一步加大。目前商用的DWDM系統(tǒng)可在一根光纖上傳輸?shù)目側(cè)萘繛?00Gbit/s。從技術(shù)層面上來(lái)看，DWDM系統(tǒng)技術(shù)還在繼續(xù)進(jìn)步，完全有可能使光纖的傳輸容量繼續(xù)加大。因此，人們預(yù)計(jì)，未來(lái)的骨干通信網(wǎng)容量將很快從Gbit/s量級(jí)上升到Gbit/s量級(jí)。3.光時(shí)分復(fù)用技術(shù)(OTDM)光時(shí)分復(fù)用技術(shù)是指利用高速光開(kāi)關(guān)把多路光信號(hào)復(fù)用到一路上傳輸?shù)募夹g(shù)。利用OTDM技術(shù)不僅可以獲得較高的速率帶寬比，同時(shí)還可克服摻鉺光纖放大器(EDFA)的增益不平坦特點(diǎn)、四波混頻FWM)非線性效應(yīng)等諸多因素限制，并可解決復(fù)用端口的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步增加全光網(wǎng)絡(luò)的靈活性。盡管OTDM有以上的優(yōu)點(diǎn)，但由于其關(guān)鍵技術(shù)(高重復(fù)率超短光脈沖源、時(shí)分復(fù)用技術(shù)、超短光脈沖傳輸技術(shù)、時(shí)鐘提取技術(shù)和時(shí)分解復(fù)用技術(shù))比較復(fù)雜并且較難實(shí)現(xiàn)，加之實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的光電子器件特別昂貴，所以它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)還沒(méi)有得到充分的發(fā)展和應(yīng)用。但可以預(yù)計(jì)，隨著光纖傳輸系統(tǒng)擴(kuò)容的需要、工業(yè)制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及光電子器件制造水平的不斷提高，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)必將得到巨大的發(fā)展和更多的實(shí)際應(yīng)用。4.光碼分多址技術(shù)(OCDMA)作為第三代和第四代移動(dòng)通信的技術(shù)基礎(chǔ)，碼分多址技術(shù)(CDMA)已經(jīng)對(duì)通信事業(yè)的發(fā)展做出了重大的貢獻(xiàn)。CDMA技術(shù)具有許多優(yōu)于其他技術(shù)的特點(diǎn)如在提高系統(tǒng)的容量方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠很好地解決移動(dòng)通信系統(tǒng)之中的抗干擾和抗多徑衰落的問(wèn)題。但由于衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信中的帶寬限制，CDMA技術(shù)優(yōu)點(diǎn)尚未充分發(fā)揮。光纖通信具有豐富的帶寬資源，能很好地彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。CDMA技術(shù)應(yīng)用于光纖系統(tǒng)能充分利用光纖的巨大帶寬，充分發(fā)揮其技術(shù)本身的優(yōu)點(diǎn)，這是CDMA技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。早在20世紀(jì)80年代中期，國(guó)外就有專(zhuān)家對(duì)OCDMA系統(tǒng)進(jìn)行了研究，近年來(lái)， OCDMA已經(jīng)成為一項(xiàng)備受矚目的熱點(diǎn)技術(shù)。雖然DWDM技術(shù)的發(fā)展為解決光纖的容量擴(kuò)展問(wèn)題提供了一個(gè)解決方案，但與OCDMA相比DWDM方案有一個(gè)主要的缺陷-增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的成本。對(duì)于大多數(shù)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)成本已經(jīng)很昂貴了，而OCDMA技術(shù)則為網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了一條新的途徑。當(dāng)消除了傳統(tǒng)SDH中所需要的大量TDM中間步驟時(shí)，OCDMA不僅可以增加現(xiàn)有光纖設(shè)備的利用率，而且還可以大大減少將來(lái)建設(shè)的光纖數(shù)量。減少網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備不僅能節(jié)省設(shè)備本身的成本，而且還可以減少與設(shè)備相關(guān)的其他建設(shè)項(xiàng)目、外圍設(shè)施以及運(yùn)行支撐系統(tǒng)所需要的費(fèi)用，同時(shí)還可以通過(guò)網(wǎng)元層簡(jiǎn)化網(wǎng)管。但是，目前OCDMA的技術(shù)還不夠成熟。影響OCDMA實(shí)用化的主要障礙在非相干光CDMA方面：首先，由于無(wú)極性碼的數(shù)量有限，碼間干擾也較大，因而限制了用戶(hù)的數(shù)量；其次，光編解碼器過(guò)于笨重，故而不實(shí)用等等。二、交換技術(shù)1.光分組交換技術(shù)光分組交換的概念與電分組交換的概念是類(lèi)似的，只不過(guò)是在光域內(nèi)的擴(kuò)展，即交換粒度是以高速傳輸?shù)墓夥纸M為單位。雖然光分組可長(zhǎng)可短，但由于交換設(shè)備必須具備處理最小分組的能力，因此光分組交換要求節(jié)點(diǎn)的處理能力非常高。早先提出的全光交換，要求控制信號(hào)在光域處理，但由于光邏輯器件到目前為止依然無(wú)法實(shí)用化，只能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室演示。因此目前國(guó)際上通行的做法實(shí)際上已經(jīng)脫離了早期所謂實(shí)現(xiàn)分組透明交換的初衷，采用的是光電混合的辦法實(shí)現(xiàn)光分組交換，即數(shù)據(jù)在光域進(jìn)行交換，而控制信息在交換節(jié)點(diǎn)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后再進(jìn)行處理。2.光突發(fā)交換技術(shù)(OBS)光突發(fā)交換的概念出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初。但由于當(dāng)時(shí)無(wú)論是電話網(wǎng)還是數(shù)據(jù)網(wǎng)，在技術(shù)上都已經(jīng)相當(dāng)成熟，沒(méi)有必要以突發(fā)為單位來(lái)處理話音或數(shù)據(jù)，因此光突發(fā)交換的概念在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有像電路交換與分組交換那樣得到重視與發(fā)展。實(shí)際上在每次電路交換中，交換粒度包含許多個(gè)語(yǔ)音突發(fā)，但為每個(gè)突發(fā)都做一次呼叫申請(qǐng)顯然太浪費(fèi)資源。在早期數(shù)據(jù)網(wǎng)中，一個(gè)突發(fā)代表一大段數(shù)據(jù)，為了占用較少的網(wǎng)絡(luò)資源，提高傳輸?shù)某晒β?，將突發(fā)數(shù)據(jù)拆分成多個(gè)分組后再傳輸，沒(méi)有以突發(fā)為單位。但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展傳輸速率的增長(zhǎng)速度大大超過(guò)了處理速率的增長(zhǎng)速度，如果依然要按照舊的分組方法來(lái)處理，網(wǎng)絡(luò)處理設(shè)備將長(zhǎng)期處于過(guò)載狀態(tài)，不利于網(wǎng)絡(luò)性能的改進(jìn)和優(yōu)化。因此，進(jìn)一步改進(jìn)并簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理就顯得非常必要。光突發(fā)交換提高了處理粒度就是一種較好的解決方法。通過(guò)預(yù)先發(fā)送控制信息，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行光？電變換、處理、預(yù)約資源后，節(jié)點(diǎn)再傳送突發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以始終保持在光域內(nèi)，同時(shí)免去分組交換中逐一處理分組頭的麻煩。光突發(fā)交換節(jié)點(diǎn)包括兩種：核心節(jié)點(diǎn)與邊緣節(jié)點(diǎn)。邊緣節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)重組數(shù)據(jù)，如將接入網(wǎng)中的用戶(hù)分組數(shù)據(jù)封裝為突發(fā)數(shù)據(jù)，或反之；核心節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是完成突發(fā)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與交換。與光分組交換不同的是，只需對(duì)光纖中傳輸控制分組的波長(zhǎng)進(jìn)行光？電變換，傳輸突發(fā)數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)不需要光？電變換。另外，光分組交換中入口光纖延遲線(FDL)的作用是緩存突發(fā)數(shù)據(jù)，可以省掉。目前通信網(wǎng)正朝光因特網(wǎng)的方向發(fā)展，而且明顯地呈現(xiàn)出兩種趨勢(shì)：一是以IP為核心，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將在未來(lái)5？8年內(nèi)成為主導(dǎo)業(yè)務(wù)：二是IP層的下層光化，光傳送、光交換成為主要的發(fā)展方向。目前，除了WDM已成為各種網(wǎng)絡(luò)升級(jí)擴(kuò)容的首選方式而日漸成熟外，關(guān)于光交換的爭(zhēng)議還很多：一種意見(jiàn)是基本否定光交換，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)光交換價(jià)格昂貴，技術(shù)上也不可行，堅(jiān)持IP高端路由器加上WDM傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)發(fā)展模式：另一種意見(jiàn)是承認(rèn)光交換，但是受IP分組的影響，堅(jiān)持認(rèn)為未來(lái)的光交換只是光分組交換。從近期來(lái)看，利用高性能的高端路由器和成熟的WDM傳輸，以POS （Packet Over SDH）、ATM或GE(Gigabit Ethernet)方式在數(shù)個(gè)波長(zhǎng)上傳送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)Internet的升級(jí)(不是真正意義上的光因特網(wǎng))，的確是簡(jiǎn)單可行的解決辦法。但是，如果波長(zhǎng)數(shù)量越來(lái)越多，信號(hào)傳輸速率越來(lái)越高，每個(gè)波長(zhǎng)的每個(gè)分組都要處理，這將大大增加路由器的負(fù)擔(dān)，而且網(wǎng)絡(luò)QoS(服務(wù)質(zhì)量)也將無(wú)法保證。所幸這時(shí)出現(xiàn)了多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)(MPLS，Multi-Protocol Label Switching)，現(xiàn)在的高端路由器已經(jīng)可以順利解決這兩個(gè)問(wèn)題，但路由器依然會(huì)按hop by hop方式對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行處理，因此解決程度終究是有限的。所以，在光因特網(wǎng)中采用光交換技術(shù)應(yīng)該是一種必然發(fā)展方向。三、光因特網(wǎng)技術(shù)光因特網(wǎng)，又稱(chēng)為IP over WDM，簡(jiǎn)而言之，直接在光層上運(yùn)行的IP網(wǎng)就是光因特網(wǎng)。隨著IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以指數(shù)形式飛速增長(zhǎng)和WDM技術(shù)的不斷成熟完善，如何利用WDM帶來(lái)的超大光纖帶寬容量進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳送就成為了全球的研究熱點(diǎn)。IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在WDM光網(wǎng)絡(luò)上的承載必然要構(gòu)建在目前最成熟、最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)基礎(chǔ)之上，并利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各種資源，包括設(shè)備、組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和信號(hào)格式等，因此存在多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，如IP over ATM over WDM、IP over SDH over WDM、IP over WDM等。但隨著各種新型技術(shù)的涌現(xiàn)以及設(shè)備和組網(wǎng)方式的不斷更新，網(wǎng)絡(luò)各層次間的很多冗余功能將不斷被取消，多層協(xié)議棧不斷坍塌簡(jiǎn)化。但并非只是簡(jiǎn)單的丟棄某些層，而是將ATM交換、SONET/SDH復(fù)用/解復(fù)用和IP層尋址等每層不同的功能進(jìn)行了合理的分解與組合。將中間層次的重要功能分別滲入到IP層和WDM光層，最后發(fā)展成為IP over WDM。直接的IP over WDM方式省掉了中間的ATM、SDH層。而構(gòu)建于一個(gè)純粹的光傳輸骨干網(wǎng)上，具有豐富的帶寬管理和設(shè)施保護(hù)恢復(fù)能力，充分利用了G位或T位路由交換技術(shù)與WDM光互連網(wǎng)技術(shù)，將IP數(shù)據(jù)包經(jīng)一定的適配封裝直接在光網(wǎng)上傳送，從而大大減少了網(wǎng)絡(luò)層次之間的功能重疊，降低了網(wǎng)管的復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的成本，提高了傳輸效率，并能方便地進(jìn)行不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)和互操作，實(shí)現(xiàn)了光層與業(yè)務(wù)層的有效集成。因此，光因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)備受通信各界的關(guān)注，成為未來(lái)IP網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主流技術(shù)。另外，應(yīng)注意到，盡管稱(chēng)為IP over WDM，但事實(shí)上并非在WDM網(wǎng)絡(luò)上直接承載IP。兩者之間必然存在某種功能簡(jiǎn)化的適配層。用于對(duì)進(jìn)入WDM光網(wǎng)絡(luò)的IP數(shù)據(jù)進(jìn)行合適的封裝并提供相應(yīng)的硬件支持功能。雖然還有許多問(wèn)題有待解決，但發(fā)展光因特網(wǎng)的方向是肯定的。四、全光通信網(wǎng)全光通信網(wǎng)，就是信號(hào)處理全部在光域內(nèi)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)通道始終保持光的形式，沒(méi)有光？電轉(zhuǎn)換。由于全光網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)終端與用戶(hù)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)通道始終保持著光的形式。即端到端的全光路，中間沒(méi)有光？包轉(zhuǎn)換器，信息傳遞過(guò)程中不存在電子器件處理信息速率難以提高的困難。因此，能消除光？電轉(zhuǎn)換的“電子頸瓶”限制。從網(wǎng)絡(luò)對(duì)光信號(hào)的透明性來(lái)說(shuō)，能做到全透明(即全光域處理)，可以全面而充分地利用光纖內(nèi)潛力，網(wǎng)絡(luò)的帶寬幾乎是無(wú)限的。而半透明的網(wǎng)絡(luò)就只能有限地利用光纖的巨大潛力，網(wǎng)絡(luò)的透明性可能會(huì)受光？電？光轉(zhuǎn)換及電子電路的限制，但它可以利用電域已成熟的技術(shù)和資源例如SDH技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)中大量已建的SDH設(shè)備。相對(duì)半透明網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，全透明網(wǎng)內(nèi)明顯好處有帶寬潛力幾乎無(wú)限、對(duì)傳送的信號(hào)無(wú)限制、對(duì)信號(hào)的處理極小，因此網(wǎng)絡(luò)可做到最經(jīng)濟(jì)、可靠。但是，目前實(shí)現(xiàn)全透明網(wǎng)還有不少難處，例如直接在光或組網(wǎng)及運(yùn)營(yíng)，尚有不少全光組網(wǎng)技術(shù)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)需研究開(kāi)發(fā)。所以，考慮到實(shí)際情況，為避免技術(shù)與運(yùn)營(yíng)上的困難，國(guó)際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)局 (ITU-T)決定按光傳送網(wǎng)(OTN，Optical Transport Network)的概念來(lái)研究光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)