光通信中的關(guān)鍵技術(shù)

作者：張寧  紀(jì)越峰

    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(jì)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(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/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(shí)驗(yàn)室速率已達(dá)40Gbit/s，但要在G.652光纖上實(shí)現(xiàn)長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個波長實(shí)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(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路的WDM，每路帶有10Gbit/s的數(shù)字信號，則光纖傳輸容量將為n×l0Gbit/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(jì)，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，同時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(diǎn)，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(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)勢還沒有得到充分的發(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(diǎn)．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(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。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(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(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(shí)用化的主要障礙在非相干光CDMA方面：首先，由于無極性碼的數(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(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(diǎn)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(shí)用化，只能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室演示。因此目前國際上通行的做法實(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(shí)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(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。通過預(yù)先發(fā)送控制信息，在每個節(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)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(shí)現(xiàn)光交換價格昂貴，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：另一種意見是承認(rèn)光交換，但是受IP分組的影響，堅(jiān)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由器和成熟的WDM傳輸，以POS（PacketOverSDH）、ATM或GE(Gigabit Ethernet)方式在數(shù)個波長上傳送信號，實(shí)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-Protocol Label Switching)，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hop by hop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，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(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)議和信號格式等，因此存在多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，如IPoverATMover 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IP over WDM。

    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)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IPover 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(diǎn)之間的信號通道始終保持著光的形式。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(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，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(shí)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)技術(shù)及制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化建議。OTN不限定網(wǎng)絡(luò)向透明性，其最終目標(biāo)是全透明的全光網(wǎng)絡(luò)。但是，可以從半透明開始，即在網(wǎng)中允許光？電轉(zhuǎn)換。

    全光通信網(wǎng)比傳統(tǒng)的電信網(wǎng)具有更大的通信容量，具備以往通信網(wǎng)和現(xiàn)行光通信系統(tǒng)所不具備的下列優(yōu)點(diǎn)：(1)從結(jié)構(gòu)上來說，全光通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，端到端采用的是透明光通路連接，沿途沒有光？電轉(zhuǎn)換與存儲。(2)網(wǎng)中許多光器件都是無源的，因此便于維護(hù)，可靠性較高。(3)易于擴(kuò)展，當(dāng)加入新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時，可不影響原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，這樣就可大大降低網(wǎng)絡(luò)成本。(4)在全光網(wǎng)絡(luò)中，路由方式是以波長選擇路由，對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性，可提供多種協(xié)議的業(yè)務(wù)，同時不受限制地提供端到端業(yè)務(wù)。(5)網(wǎng)絡(luò)具有可重組性，可根據(jù)通信業(yè)務(wù)量的需求動態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便更好地利用網(wǎng)絡(luò)資源。所以說，全光通信網(wǎng)代表了未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

    五、結(jié)束語

    目前，光通信技術(shù)正以驚人的速度向前發(fā)展，IP業(yè)務(wù)的爆炸式增長給光通信的發(fā)展提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，對光網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展具有重大意義。光纖技術(shù)、光放大器技術(shù)、光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)、光色散補(bǔ)償和管理技術(shù)、光交叉連接和光交換技術(shù)等高新技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。以密集波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)的多色寬帶網(wǎng)，將為全光通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)奠定一個非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。估計(jì)在21世紀(jì)的前10年，隨著IP業(yè)務(wù)一統(tǒng)天下局面的出現(xiàn)，光通信技術(shù)必將逐漸走向成熟。因此：全光通信網(wǎng)的前景是非常光明的。