光通信中的關(guān)鍵技術(shù)

1、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)展勢頭。特別是在20世紀(jì)90 年代中期到末期的這段時間，無論是在技術(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。在過去的10年里，光傳輸速率提高了 100倍，預(yù)計在未來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，對光通信的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)：一方面，IP巨大的業(yè)務(wù)量和不對稱性刺激了波分復(fù)用（WDM） 技術(shù)的應(yīng)用和迅猛發(fā)展；另一方

2、面，IP業(yè)務(wù)與電路變換的差異也對基于電路交換的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。本文將對光通信中的幾種重要技術(shù)作一簡要介紹和展望。 一、復(fù)用技術(shù) 1 .時分復(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/DeMUX）構(gòu)成。電的TDM目前的最高數(shù)字應(yīng)用速率為1

3、0Gbit/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，所以說光纖受到電的最高速率的限制。實際上當(dāng)傳輸速率由10Gbit/s提高到20Gbit/s左右時 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、原子級電子開關(guān)等技術(shù)，其開發(fā)和生產(chǎn)成本必然昂貴，造成傳 輸設(shè)備、系統(tǒng)價格很高而不可取，更何況此時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的實驗室速率已達(dá)40Gbit/s,但要在G。652光纖上實現(xiàn)長距離傳輸絕不是近期能指望的事.相反地，如采

4、用以10Gbit/s為基礎(chǔ)速率的WDM系統(tǒng)，就可用4個波長實現(xiàn)40Gbit/s的高容量。這樣不僅可解決中長期通信容量的需求，而且又不存在實質(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，國際上開始設(shè)想利用一根光纖同時傳輸多個光載波，并受數(shù)字信號的調(diào)制。如果這些光載波的波長相互間有足夠的間隔，則每路的數(shù)字信號可同在一根光纖 上傳輸而不會相互干擾，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 光的頻分復(fù)用，只是因光載波用波長表達(dá)較為方便，所以常稱為波分復(fù)用。如果一根光纖利 用n路白WDM,每路帶有10Gbit/s的數(shù)字信號，則光纖傳輸

5、容量將為nx10Gbit/s,這樣就打破了電子瓶頸對傳輸速率的限制.由此可見，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)。目前光纖的單波長傳輸速率已達(dá)到40Gbit/s,而進(jìn)一步提高單波長 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間隔減小， 因而同時傳輸?shù)墓饴窋?shù)大大增多。為了使一根光纖

6、上傳輸?shù)墓饴窋?shù)增加更多，1995年，國 際上開始使用密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)。1998年，大約90%的長途通信線路使用了DWDM 技術(shù)，即容許一根光纖同時傳輸更多路光載波，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，未來的骨干通 信網(wǎng)容量將很快從Gbit/s量級上升到Gbit/s量級。 3 。光時分復(fù)用技術(shù)(OTDM) 光時分復(fù)用技術(shù)是指利用高速光開關(guān)把多路光信號復(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，

7、同時還可克服摻餌光纖放大器(EDFA)的增 益不平坦特點、四波混頻FWM)非線性效應(yīng)等諸多因素限制，并可解決復(fù)用端口的競爭，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，但由于其關(guān)鍵技術(shù)(高重復(fù)率超短光脈沖源、時分復(fù)用技術(shù)、超短光脈沖傳輸技術(shù)、時鐘提取技術(shù)和時分解復(fù)用技術(shù))比較復(fù) 雜并且較難實現(xiàn)，加之實現(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)勢還沒有得到 充分的發(fā)展和應(yīng)用。但可以預(yù)計，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，光時分復(fù)用技術(shù)必將得到巨大的發(fā)展和更多的實際應(yīng) 用。 4 。光碼分多址技術(shù)(OCDMA) 作為第三代和第四代移

8、動通信的技術(shù)基礎(chǔ)，碼分多址技術(shù)(CDMA)已經(jīng)對通信事業(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.如在提高系統(tǒng)的容量方面具有顯著的優(yōu)勢，能夠很好地解決移動通信系統(tǒng)之中的抗干擾和抗多徑衰落的問題。但由于 衛(wèi)星通信和移動通信中的帶寬限制，CDMA技術(shù)優(yōu)點尚未充分發(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，這是CDMA技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。早在20世紀(jì)80年代中期， 國外就有專家對OCDMA系統(tǒng)進(jìn)行了研究，近年來，OCDMA已經(jīng)成為一項備受矚目的熱 點技術(shù). 雖然DWDM技術(shù)的發(fā)展為解決

9、光纖的容量擴(kuò)展問題提供了一個解決方案，但與OCDMA相比.DWDM方案有一個主要的缺陷增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的成本。對于大多數(shù) 的用戶來說，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，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，同時還可以通過網(wǎng)元層簡化網(wǎng)管。但是，目前OCDMA的技術(shù)還不夠成 熟。影響OCDMA實用化的主要障礙在非相干光CDMA方面：首先，由于

10、無極性碼的數(shù)量有 限，碼間干擾也較大，因而限制了用戶的數(shù)量；其次，光編解碼器過于笨重，故而不實用等 、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似的，只不過是在光域內(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)點的處理能力非常高.早先提出的全光交換，要求控制 信號在光域處理，但由于光邏輯器件到目前為止依然無法實用化，只能進(jìn)行實驗室演示.因 此目前國際上通行的做法實際上已經(jīng)脫離了早期所謂實現(xiàn)分組透明交換的初衷，采用的是光 電混合的辦法實現(xiàn)光分組交換，即數(shù)據(jù)在光域進(jìn)行交換，而控制信息

11、在交換節(jié)點被轉(zhuǎn)換成電 信號后再進(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)時無論是電話網(wǎng)還是數(shù)據(jù)網(wǎng)，在 技術(shù)上都已經(jīng)相當(dāng)成熟，沒有必要以突發(fā)為單位來處理話音或數(shù)據(jù)，因此光突發(fā)交換的概念 在當(dāng)時并沒有像電路交換與分組交換那樣得到重視與發(fā)展.實際上在每次電路交換中，交換 粒度包含許多個語音突發(fā)，但為每個突發(fā)都做一次呼叫申請顯然太浪費(fèi)資源.在早期數(shù)據(jù)網(wǎng) 中,一個突發(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)拆分成多個分組后再傳輸，沒有以突發(fā)為單位。但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展.傳輸速率的增長速度大大超過了處理速率的增長速度，如果依

12、然要按照舊的分組方法來處理，網(wǎng)絡(luò)處理設(shè)備 將長期處于過載狀態(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)并簡化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的 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。通過預(yù)先發(fā)送 控制信息，在每個節(jié)點處.進(jìn)行光？電變換、處理、預(yù)約資源后，節(jié)點再傳送突發(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)點包 括兩種： 核心節(jié)點與邊緣節(jié)點。 邊緣節(jié)點負(fù)責(zé)重組數(shù)據(jù)， 如將接入網(wǎng)中的用戶分組數(shù)據(jù)封裝為突發(fā)數(shù)據(jù)，或反之；核心節(jié)點的任務(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，只需對光纖中傳輸控制分組的波長進(jìn)行光？電變換，傳輸突發(fā)數(shù)據(jù)

13、的波長不需要光？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：一是以IP為核心, 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將在未來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)升級擴(kuò)容的首選方式而日漸成熟外，關(guān)于光交換的爭議還很多：一種意見是基本否定光交換，認(rèn)為實現(xiàn)光交換價格昂貴，技術(shù)上也不 可行，堅持IP高端路由器加上WDM傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)發(fā)展模式：另一種意見是承認(rèn)光交換，但是受IP分組的影響， 堅持認(rèn)為未來的光交換只是光分組交換。 從近期來看， 利用高性能的高端路

14、由器和成熟的WDM傳輸，以POS（PacketOverSDH）、ATM或GE（GigabitEthernet）方式在數(shù)個波長上傳送信號，實現(xiàn)Internet的升級（不是真正意義上的光因特網(wǎng)），的確是簡單可行的解決辦法.但是，如果波長數(shù)量越來越多，信號傳輸速率越來越高，每個波長的每個分組都要處理，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）也將無法保證.所幸這時出現(xiàn)了多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)（MPLS,Multi-ProtocolLabelSwitching）,現(xiàn)在的高端路由器已經(jīng)可以順利解決這兩個問題，但路由器依然會按hopbyhop方式對每個波長進(jìn)行處理，因此 解決程度終究是有限的。所以，

15、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)，又稱為IPoverWDM,簡而言之，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)形式飛速增長和WDM技術(shù)的不斷成熟完善，如何利用WDM帶來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 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)議和信號格式等，因此存在多種不同的實現(xiàn)方式，如IPoverATMoverWDM、IPoverSDHoverWDM、IPoverWDM等。但隨著各種新型技術(shù)的涌現(xiàn)以及

16、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)議棧不斷坍塌簡化。但并非只是簡單的丟棄某些層，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IPoverWDM。 直接的IPoverWDM方式省掉了中間的ATM、SDH層。而構(gòu)建于一個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)

17、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， 盡管稱為IPoverWDM， 但事實上并非在WDM網(wǎng)絡(luò)上直接承載IP。兩者之間必然存在某種功能簡化的適配層。用于對進(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)，就是信號處理全部在光域內(nèi)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)中的信號通道始終保持光的形式，沒有光？電轉(zhuǎn)換。由于全光網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)終端與用戶節(jié)點之間的信號通道始終保

18、持著光的形式。即端到端的全光路，中間沒有光？包轉(zhuǎn)換器，信息傳遞過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)對光信號的透明性 來說，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。相對半透明網(wǎng)絡(luò)來說，全透明網(wǎng)內(nèi)明顯好處有帶寬潛力幾乎無限、對傳送的信號無限制、對信號的處理極小，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，尚有不少全光組網(wǎng)技術(shù)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)需研究開發(fā)。所以，考慮到實際情況，為避免技術(shù)與運(yùn)營上的困難，國際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)局 (ITU-T)決定按光傳送網(wǎng)(OTN,OpticalTransportNetwork)的概念來研究光網(wǎng)絡(luò)技