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1、第- 届京、津、沪、渝反全国城市有线电视簸术缉讨会论文集 一1 3 7 一 全光网络概述和发展浅析 中国传媒大学- f & - 息工程学院申虹丽马赛 摘要：在介绍全光网络的概念和关键技术的基础上。从技术角度介绍了全光网络的发展概况、着重介绍了近年来国内和国外包 括贝尔实验富和我国C A I N O N E T 罔等在垒光网络研究上取得的成就。最后。从技术和经济角度展望了未来全光网络发展。 关毽词：全光网络波分复用( w D M ) 时分复用0 D M ) 1 前言 目前，全世界的科学家都在努力研究下一代网络技术，以满足终端用户对于传输速度和稳定性日益增长的 需求。通信网络的发展经历了第一代全电
2、网络、第二代电光网络之后，目前第三代全光网络正以其良好的性能 受到世界各先进国家的重视，同时，全球光通信市场也呈现快速发展的趋势。传送技术将从点对点通信到光联 网转变。光交换与W D M 等技术共同使网络向全光网方向迈进。现有网络由光传输系统和电子节点组成，光技术 用于两个电子节点闯的点对点传输，在每个电子节点中光信号都要转换成电信号由电子节点进行电处理，两个 网络边缘节点之间的连接通常为多跳连接，这将会增大传输延迟，使电子节点的处理负担过重，限制网络节点 的吞吐量。9 0 年代以来，随着光纤通信技术的迅速发展，许多学者提出了“全光网络”的概念，其本意是信号以光 的形式穿过整个网络，直接在光域
3、内进行信号的传输、再生和交换选路，中间不经过任何光电转换，不仅在网 络中心采用全光交换机，而且希望在信号到达网络边缘之前都元需将光信号变换到电信号，以达到全光透明 性，实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。由于未来家庭电气产品都会透过I P 连结上网 际网路，所以全光网络必然是一重要趋势。 2 光网络的概念及技术 2 1 全光网络的概念 所谓全光网络A O n ( A I IO p t i o n a lN e t w o r k ) ，是指信号只是在进出网络时才进行电光和光电的变换，而在 网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。以光节点取代现有网络的电节点，并用光纤将光节
4、点互连成 网，在光域中完成信号的传输、交换等功能，因为信号在通过光节点时不需要经过光电、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，可以大大提高节点的吞吐量，克服了 原有电子交换节点的时钟偏移、漂移、串话、响应速度慢、固有的R C 参数等缺点，也就是说，信息从源节点到目 的节点的传输过程中始终在光域内，波长成为全光网络的最基本积木单元。由于全光网络中的信号传输全部在 光域内进行，因此，全光网络具有对信号的透明性，它通过渡长选择器件实现路由选择。全光网络以其良好的透 明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性。成为下一代高速( 超高速) 宽带网络的首选。因为
5、在整个传输过程中没 有电的处理，所以克服了现有网络在传送和交换时的电子瓶颈，减少了信息传输的拥塞，大大提高了丽络的吞 吐量而且P D H 、S D H 、A T M 等各种传送方式均可使用，提高了网络资源的利用率。 2 _ 2 全光网络的特点 全光网络( A O N ) 全部采用光渡技术完成信息的传输和交换的宽带网络。它包括光传输、光放大、光再生、光 选路、光交换、光存储、光信息处理等先进的全光技术。全光网有如下特点： ( 1 ) 充分利用了光纤的带宽资源，有极大的传输容量和极好的传输质量。W D M 技术的采用开发了光纤的带 宽资源，光域的组网减少了电光、光电转换，突破了电子瓶颈。 一1 3
6、 8 - 第日届京、津、沪、渝反套国城市有线电视技术研讨会论文集 ( 2 ) 光网络最重要的优点是其开放性。全光网本质上是完全透明的，即对不同的速率、协议、调制频率和制 式的信号同时兼容，并允许几代设备( P D H I S D H A T M ) 甚至与I P 技术共存，共同使用光纤基础设施。 ( 3 ) 全光网络不仅扩大了网络容量，更重要的是易于实现网络的动态重构，可为大业务量的节点建立直通 的光通道。利用光分插复用器可实现在不同的节点灵活地上、下波长，利用光交叉连接实现波长路由选择动态 重构、网间互连、自愈功能。 ( 4 ) 采用虚波长通道技术，解决了网络的可扩展性，节约网络资源( 光纤
7、、节点规模、波长数) 。当然还有如网 络的吞吐量大、网络结构简化等优点。 2 3 全光网络的关键技术 全光网络主要由核心网、城域网和接入网3 层组成，三者的基本结构相类似，由波分复用系统、光放大器、 光分插复用器和光交叉连接设备等设备组成。要在全光网络中实现信号的透明性、可重构性传输，必须研究和 掌握全光传输的关键技术。全光网络的关键技术主要包括光交换光路由( 全光交换) 、光交叉连接、光分插复用 以及光复用去复用技术等。 2 3 1 光交女t t 路由 传统的交换技术需要将数据转换成电信号进行交换，然后再转换为光信号进行传输，这使得网络的吞吐容 量受到电子器件工作速度的限制，难以适应通信流量
8、尤其是I P 业务流量迅猛增长的需要。因此，在交换领域引 入光子技术成为通信网络发展的必然，光交换技术的出现也就显得十分自然和必要。光交换技术能将输入端的 光信号，不经过光电、电光转换直接交换到任意的光输出端，因此是全光网络的关键技术之一。 从交换方式上分，光交换技术可分为电路交换和分组交换。电路交换又可分为空分光交换( S D ) 、时分光交 换( T D ) 和渡分频分光交换( W D F D ) 和码分光交换( C D ) 以及这些交换组合而成的结合型。空分光交换( S D ) 、 时分光变换( T D ) 和波分频分光交换( W D F D ) 和码分光交换( C D ) 分别完成空分
9、信道、时分信道、波分信道和码 分信道的交换。 ( 1 ) 空分( S D ) 光交换：由开关矩阵来实现。 ( 2 ) 时分( 7 I D ) 光交换：采用时隙交换原理进行。时分光交换是在时间轴上将复用的光信号的时间位置h 和 另一个时间位置k 交换。要完成时分光交换，必须要有时隙交换器完成将输入信号一帧中任一时隙交换到另一 时隙输出的功能。目前的时隙交换器都是由空间开关和一组光纤延时线构成的。 ( 3 ) 波分( W D F D ) 光交换：不同波长选择不同网络通道。波分光交换是将复用信号中任一波长k 变换成另 一波长k 。波分光交换所需的波长变换器也只能先用波分解复用器件将波分信道空间分割开
10、，对每一波长信道 分别进行波长转换，然后再把它们复用起来输出。 ( 4 ) 复合光交换：空分+ 时分，空分+ 波分，空分+ 时分+ 波分等都是常用的复合光交换方式。 光交换光路由是全光网络中的关键技术，主要完成光节点处任意光纤端r a 之间的光信号交换及选路。由 于其实质是对光的波长进行处理，所以更准确地说，光交换光路由应该称为波长交换波长路由。 2 ，3 2 光交叉连接( o x c ) 光交叉连接( o x c ) 位于网络的节点处，交换的是全光信号。当光缆中断或业务失效，O X C 能自动完成故障 隔离，重新选择路由和网络，具有网络恢复功能；允许光信号插入或分离出电网络层，如同S D H
11、 中的D X C 。O X C 有空分、时分和波分三种类型。目前比较成熟的技术是渡分和空分技术。如果将W D M 技术和空分技术相结合， 可大大提高交叉连接矩阵的容量和灵活性。 2 3 3 光分插复用( O A D M ) 光分插复用( O A D M ) 具有选择性，可以从传输设备中选择下路信号或上路信号，也可以仅仅通过某个波长 信号，而不影响其他波长信道的传输。对于O A D M ，在分出口和插人口之问以及输入口和输出口之间必须有很 高的隔离度( 2 5 d B ) ，以最大限度地减少同波长干涉效应，否则将严重影响传输性能。O A D M 在光域内S D H 中 的分插复用器在时域内完成的
12、功能，且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，能提高网络的可靠性，降 低节点成本，提高网络运行效率，是组建A O N 必不可少的关键性设备。 23 4 光复用去复用技术。主要有三种方式 第四届京、津、沪、瀹及会国城市有线电视技术研讨会论文集 一1 3 9 - ( 1 ) 光时分复用( O T D M ) ：用多个电信道信号调制具有同一个光频( 波长) 的不同信道，在一根光纤中传输。 它避开了在电域进行更高速率复用所受到的限制，采用光脉冲压缩、光脉冲时延、光放大、光均衡、光色散补偿、 光时钟提取、光再生等一系列技术实现在时域的复用和去复用。目前已有许多成功的实验，如清华大学、北京邮 电大学、
13、北方交通大学和天津大学完成了8 x 2 5 G b i f f s1 0 0 k i n 的O T D M 传输实验。1 3 本N r r 已实现了1 6 x 6 3 G b i t s2 0 0 k m 的O T D M 传输实验。O T D M 是以光领域的超高速信号处理技术为基础，避免了高速电子器件 和半导体激光器直接调制能力的限制，可实现数十G b i t 8 乃至数百G b i C s 的高速传输。这种方法使用宽带光电 器件代替了高速电子器件，因而避免了因电子器件造成的瓶颈，是一种构成高比特率传的很有效的技术。 ( 2 ) 光码分复用( O C D M A ) ：是一种扩频通信技术，
14、它利用正交码的自相关和互相关方面的特性，在同一波 长、相同时间内将不同码址的光信号复用和解复用。不同用户的信号用互成正交的不同码序列来填充，这样经 过填充的用户信号可调制在同一光载波上在光纤通道中传输，接收时只要用与发方向相同的码序列进行相关 接收时不会造成干扰。这里的关键之处在选择适合光纤信道的不同的扩频码序列对码元进行扩充，形成不同的 码分信道，即以不同的互成正交的码序列来区分用户，实现多址。O C D M A 通信是采用光纤信道，利用单极性扩 频码序列对信息进行编解码，使低速率的数据信息复用成高速率的光脉冲序列传输或解复用，实现多用户共享 信道、随机异步接人、高速透明的通信方式。多用户共
15、享信道主要用在点对点的信道共享。它的特点是：具有天 然的保密性和安全性；用户随机异步接人网。 ( 3 ) 光波分复用( W D M D W D M ) ：将光纤的低损耗窗口可使用光谱带宽划分为若干狭窄的子带宽，信号经强 度调制后，调制在子带宽的中心波长上在子带宽带内传输，即在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技 术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传 输，在接收端又将组合波长的光信号分开( 解复用) ，并作进一步处理，恢复出原信号后送人不同的终端，因此将 此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用( W D M ) 技术。人们把
16、在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称 为密集波分复用( D W D M ) 。W D M 技术的主要特点：充分利用光纤的巨大带宽资源；同时传输多种不同类型的信 号；实现单根光纤双向传输；多种应用形式；节约线路投资；降低器件的超高速要求；I P 的传送通道；高度的组网 灵活性、经济性和可靠性。 W D M 是提高单纤传输容量的技术，它可以提高单信道数据率( 实现电T D M ，光T D M 和偏振复用；单信道速 率从1 0 G b i t s 到4 0 G b i t s 到8 0 G b i t s ) ；采用W D M ，光纤传输由单信道向多波长信道发展。 无论D W D M 还是O T D M 本身，由于技术的限制，都不可能将信道数做到无限大，因此总容量和总速率受到 一定的限制。如果将D W D M 与O T D M 结合使用，则发挥两者的各自优势，从而极大地提高总容量和总速率。如 N T T 进行的3 T b i C sO T D M W D M 传输实验，就是先用O T D M 把每个波道速率提高到1 6
