波長(zhǎng)變換——全光網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一

來(lái)源:世界寬帶網(wǎng)絡(luò)      作者:劉剛　余重秀　張茹

   一 引言

   21世紀(jì)是一個(gè)信息化的社會(huì)，大量的信息傳送需要大容量的系統(tǒng)波分復(fù)用(WDM)技術(shù)。WDM的實(shí)現(xiàn)使得光纖到戶已不再是遙不可及的夢(mèng)想。WDM系統(tǒng)不僅僅能使系統(tǒng)的容量成倍增長(zhǎng)，同時(shí)它可以利用波長(zhǎng)完成路由和交換等功能。雖然WDM網(wǎng)絡(luò)的 帶寬可以滿足每個(gè)用戶的需求，即使傳來(lái)更令人興奮的消息：在試驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了4000個(gè)信道的WDM系統(tǒng)，但是系統(tǒng)的波長(zhǎng)數(shù)目仍然大大少于實(shí)際的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和 用戶數(shù)目。這就使得當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)向相同的節(jié)點(diǎn)連接時(shí)造成波長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)，這時(shí)WDM網(wǎng)絡(luò)會(huì)有很高的阻塞率。解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)就是利用波長(zhǎng)變換 (WC)。波長(zhǎng)變換即為波長(zhǎng)的再分配和再利用以解決交叉連接中的波長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)、有效地進(jìn)行路由選擇、降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。從而提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性，同時(shí) 也有利于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理和控制，以及通道的保護(hù)倒換。

   實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換有光電光(OEO)變換和全光變換兩大類(lèi)。光電光型已經(jīng)實(shí)用，但是其變換效率低，對(duì)信號(hào)不透明。目前研究熱點(diǎn)集中在全光波長(zhǎng)變換上，本文主要討論全光波長(zhǎng)變換的應(yīng)用和其在全光網(wǎng)中的作用。

   二 波長(zhǎng)變換在WDM中的應(yīng)用

   根據(jù)全光波長(zhǎng)變換功能和控制信號(hào)的不同大致可分為兩種：光閥型和光頻混合型，在光閥型中沒(méi)有新的波長(zhǎng)產(chǎn)生，而在光頻混合型中有新的波長(zhǎng)產(chǎn)生。在WDM網(wǎng) 絡(luò)中以波長(zhǎng)作為通道，每個(gè)通道通過(guò)其波長(zhǎng)識(shí)別建立連接，不同的節(jié)點(diǎn)間的通道分配以不同的波長(zhǎng)。信息從源到目的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，波長(zhǎng)一直保持不變，也就是“一 波到底”，在這種波長(zhǎng)通道(WP)方案中，波長(zhǎng)是在整個(gè)網(wǎng)內(nèi)分配的，通道波長(zhǎng)具有全網(wǎng)意義。

   波長(zhǎng)通道具有固定性和連續(xù)性。當(dāng)建立新的連接時(shí)，只有分配的某一波長(zhǎng)在連接通路的所有鏈路段上都未被占用時(shí)，連接才能建立。為避免出現(xiàn)阻塞，網(wǎng)絡(luò)必須有足夠的波長(zhǎng)數(shù)來(lái)支持。在實(shí)際中由于濾波器與放大器的 帶寬有限，所以可用波長(zhǎng)數(shù)有限，不足以支持大容量的需要，并且每波長(zhǎng)通道的利用率很低。因此在設(shè)計(jì)中提出一種新的波長(zhǎng)通道方案，在連接通路的不同鏈路上可 以采用不同波長(zhǎng)，波長(zhǎng)只在鏈路上有局部意義。如所示，這種通道稱(chēng)為“虛”波長(zhǎng)通道(VWP)，使用這種方案可提高波長(zhǎng)重用率，減少全網(wǎng)所需波長(zhǎng)，對(duì)避免波 長(zhǎng)碰撞阻塞、故障排除和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)擴(kuò)容有重大意義。在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置波長(zhǎng)變換器，以避開(kāi)正在使用的波長(zhǎng)( 1)，使信號(hào)轉(zhuǎn)換到其它未被占用的波長(zhǎng)( 2)上。

   波長(zhǎng)變換在WDM中的應(yīng)用非常靈活，下面介紹三種主要的應(yīng)用方案。

   1. 光開(kāi)關(guān)矩陣與波長(zhǎng)變換組合在OXC結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

   為避免OXC交叉連接時(shí)可能出現(xiàn)的波長(zhǎng)通道競(jìng)爭(zhēng)，減少可能出現(xiàn)的阻塞，在空間光開(kāi)關(guān)矩陣后接入M個(gè)波長(zhǎng)變換器，提高波長(zhǎng)的再利用率，保持OXC無(wú)阻塞透明傳輸特性。這種OXC具有廣播發(fā)送和上下路插分復(fù)用功能。

   2. 分送耦合交換與波長(zhǎng)變換組合在OXC結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

   利用分送耦合交換(DCS)機(jī)制，可以設(shè)計(jì)不同的OXC結(jié)構(gòu)。波長(zhǎng)變換在這種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是分送耦合交換的基本單元是星形耦合器(SC)和光開(kāi)關(guān)。每個(gè) 光開(kāi)關(guān)有1個(gè)輸入、2個(gè)輸出，能形成4種狀態(tài)：輸入信號(hào)不發(fā)送；輸入信號(hào)發(fā)送到第一個(gè)輸出口；輸入信號(hào)發(fā)送到第二個(gè)輸出口；輸入信號(hào)發(fā)送到兩個(gè)輸出口。在 分送耦合交換結(jié)構(gòu)中波長(zhǎng)變換置于分送耦合開(kāi)關(guān)之前，由于它具有波長(zhǎng)選擇功能，因而可同時(shí)起到調(diào)光濾波器的作用，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)除了需要個(gè)交叉點(diǎn)，還 需要個(gè)波長(zhǎng)變換器，所以結(jié)構(gòu)還是相當(dāng)復(fù)雜。其阻塞特性為嚴(yán)格無(wú)阻塞、路由策略為虛波長(zhǎng)通道、模塊為性波長(zhǎng)或鏈路、傳輸性能中。

   3. 基于波長(zhǎng)變換為交換單元的OXC結(jié)構(gòu)

   基于波長(zhǎng)交換的OXC結(jié)構(gòu)方案中，交換直接在波長(zhǎng)域進(jìn)行。在結(jié)構(gòu)的輸入端，首先對(duì)每根輸入光纖上的M個(gè)光信號(hào)波長(zhǎng)用波長(zhǎng)變換器變到光譜的相鄰區(qū)域，然后 分送到星型耦合器、可調(diào)光濾波器和波長(zhǎng)變換器，從中選擇各自的信道，并將其變換到合適的光波長(zhǎng)，再由星型耦合器合路后送至輸出段口。這種OXC結(jié)構(gòu)，當(dāng)星 型耦合器設(shè)計(jì)有足夠冗余時(shí)，還具有波長(zhǎng)和鏈路的模塊性，便于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)擴(kuò)容。這種結(jié)構(gòu)中沒(méi)有空間開(kāi)光，也沒(méi)有交叉點(diǎn)，但要用較多的光濾波器TF和波長(zhǎng)變換器 WC，所以傳輸特性會(huì)有所不足。阻塞特性為嚴(yán)格無(wú)阻塞、路由策略為虛波長(zhǎng)通道、模塊性為波長(zhǎng)或鏈路、傳輸性能較差。

   在以上3種方案中加入波長(zhǎng)變換器后，相對(duì)無(wú)波長(zhǎng)變換的光網(wǎng)絡(luò)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性有所下降。這就需要我們來(lái)研究高性能的波長(zhǎng)變換器，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。

   三 波長(zhǎng)變換在WDM的作用

   波長(zhǎng)變換對(duì)WDM網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生什么影響，也是我們需要討論的一大熱點(diǎn)話題。概括地說(shuō)：波長(zhǎng)變換器對(duì)于頻帶資源基本耗盡(波長(zhǎng)數(shù)量固定且業(yè)務(wù)量接近飽和)的網(wǎng)絡(luò)作用不大。對(duì)于集中管理交換和環(huán)形網(wǎng)的影響也不明顯，而對(duì)于大容量的網(wǎng)格網(wǎng)， 由于波長(zhǎng)變換器的加入會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)阻塞率大大降低。有研究資料顯示，在2.5Gb/s的全光網(wǎng)中不加波長(zhǎng)變換器會(huì)比加波長(zhǎng)變換器的網(wǎng)絡(luò)大概損失2~3倍的容 量。如果在21%的節(jié)點(diǎn)上加波長(zhǎng)變換可以減少一半的損失；如果在35%的節(jié)點(diǎn)上加波長(zhǎng)變換可以減少75%的容量損失。事實(shí)上，波長(zhǎng)變換器的作用大小與 WDM光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、波長(zhǎng)數(shù)、波長(zhǎng)從源到目的地所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)以及業(yè)務(wù)量都有密切關(guān)系。

   波長(zhǎng)變換除了降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率 外，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間的互聯(lián)及分布式網(wǎng)管系統(tǒng)方面的作用也是顯而易見(jiàn)的。譬如對(duì)內(nèi)部所有波長(zhǎng)可以進(jìn)行調(diào)度和分配的子網(wǎng)，在子網(wǎng)和上層網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，可以通過(guò)波長(zhǎng)變 換把信號(hào)變換到空閑波長(zhǎng)上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分布式管理。此外，波長(zhǎng)變換還具有適配功能，把非標(biāo)網(wǎng)絡(luò)種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)上來(lái)。

   理想的波長(zhǎng)變換器應(yīng)用到WDM網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)具有諸如對(duì)各種調(diào)制方式的信號(hào)透明、具有高速的變換速率、消光比無(wú)劣化等等特性的要求。但是就目前實(shí)際研究，所有波長(zhǎng)變換的方法只能滿足其中的幾個(gè)要求，這就是說(shuō)對(duì)于特定的網(wǎng)絡(luò)需要選擇特定的波長(zhǎng)變換器。

   四 總結(jié)

   本文介紹、分析了全光波長(zhǎng)變換在WDM中的幾種主要應(yīng)用方案和其在WDM中發(fā)揮的作用。在迅速發(fā)展的全光網(wǎng)中，波長(zhǎng)變換器有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力。因此全光波長(zhǎng)變換技術(shù)一直是近幾年的研究熱點(diǎn)之一，進(jìn)一步研究高性能的波長(zhǎng)變換器是我們追求的目標(biāo)。

   (編輯:xiaoyao)