Tbit/s光网络技术

2019-11-03 18:17:07

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供稿：网友

北京邮电大学纪越峰一、光节点设备技术

　　光网络的节点技术是网络技术的核心，光节点的引入，可以实现信号在光域上进行交换和选择路由，使得在光域上联网成为可能。首先，光复用设备技术。光复用技术是增大光通信系统的通信容量的一种有效手段。目前研究开发的光复用技术有波分复用(WDM)、光时分复用(OTDM)、光码分复用(OCDM)等，它们具有各自的特点和优势, 应用环境也有所不同。其中WDM技术现已有大规模商业应用，最高实验室记录已经达到7Tbit/s，OTDM+WDM技术也有报道。

　　其次，光分插复用设备（OADM）技术。目前已有多种OADM方案，但总的说来可以分为非重构型和可重构型两种。前者主要采用复用器/解复用器以及固定滤波器等无源光器件，在节点上/下固定波长，也就是说节点的路由选择是确定的，主要应用于城域网。后者采用光开关、可调谐滤波器等光器件，能动态控制OADM节点上/下话路的波长，从而达到光网络动态重构能力，主要应用于骨干网。从90年代提出光分插复用单元开始，到目前为止，人们提出了很多种OADM的实现方案，这些方案很大程度上取决于新的光器件的开发和研制，这些器件的性能最终决定OADM的主要性能参数。现有的OADM方案归纳起来主要有如下几种基本形式：耦合单元＋滤波单元＋合波器；分波器＋空间交换单元＋合波器；基于声光可调谐滤波器（AOTF）；基于阵列波导光栅器（AWG）等，具体的实现方案可能有所差别，但一般都是这几种基本方案的演化形式。

　　再次，光交叉连接设备（OXC）技术。OXC的光交换单元可采用两种基本交换机制：空间交换和波长交换。实现空间交换可采用各种类型的光开关，它们在空间域上完成入端到出端的交换功能，典型结构如基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构、基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构、基于分送耦合开关的OXC结构、基于平行波长开关的OXC结构等。实现波长交换可采用各种类型的波长变换器，它们将信号从一个波长上转换到另一个波长上，实现波长域上的交换，典型结构如基于阵列波导光栅复用器的多级波长交换OXC结构、完全基于波长交换的OXC结构等。另外，光交换单元中还广泛使用了波长选择器（如各种类型的可调谐光滤波器和解复用器）。目前已提出的OXC结构有很多种，且由于器件的相互可替代性，它们又可演化为更多种的结构。OXC的难点之一是在光网络、光节点与业务接入层面上如何解决路由算法与控制问题。目前提出了一种称之为多协议波长标签交换MPLmS技术，它是将MPLS业务量工程和OXC相结合的一项新技术，主要研究基于多协议标签交换（MPLS）技术和动态波长分配/波长路由技术的新型网络体系结构及相关组网技术，解决标签的分配、绑定和交换以及与光包交换的波长路由虚通路标识（VOPI）的协调问题和分配算法，以及同期到达的去往同一目的地的数据包对资源的竞争等问题，在此基础上可实现基于MPLmS技术的光路由器。另外考虑到用户的需求与目前的技术水平，现已提出了一种光纤—波长—分组（FWP）的混合交换方式，即采用光纤的空分交换、波长的信道交换和分组的包交换的有机结合，以实现不同粒度的交换与选路。

　　最后，光（分组）交换技术。所谓光交换是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换可分成光路光交换和分组光交换二种类型，前者可利用OADM、OXC等设备来实现，而后者对光部件的性能要求更高，由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。光分组交换系统所涉及的关键技术主要包括：光分组交换（OPS）技术；光突发交换（OBS）技术；光标记分组交换（OMPLS）技术；光子时隙路由（PSR）技术等。这些技术目前主要是在实验室内进行研究与功能实现。

二、光联网技术

　　光联网技术涉及面广，技术难度大，但其作为宽带信息网络的基石已为世人瞩目。

　　首先，光传送网分层结构。WDM光传送网是用光波长作为最基本交换单元的交换技术，即客户信号是以波长为最基本单位来完成传送、复用、路由、和管理。 WDM光传送网是随着 WDM 技术的发展，在SDH网络的基础上发展起来的，通过引入光节点，在原有的分层结构中引入了光层，它又可以细分成三个子层：从上到下依次为光信道层（OCh）、光复用段层(OMS)和光传输段层(OTS)，相邻的层网络形成所谓的客户/服务者关系，每一层网络为相邻上一层网络提供传送服务，同时又使用相邻的下一层网络所提供的传送服务。这种分层结构为Tbit/sWDM光联网提供了必要的统一规范与实施策略。

　　其次，WDM光网中的路由选择/波长分配。在WDM光网的实现中，如何合理的规划网络波长资源与采用合理的路由算法，是决定网络资源利用效率的关键问题，WDM光网的路由选择和波长分配（RAW）是重要的应用基础性研究问题，它解决怎样通过OXC或其它设备构成运载信号的光通道，并合理地分配通道所使用的波长，使有限资源能提供尽量大的通信容量。RAW问题由两部分组成：其一是如何为每个源节点寻找到达目的节点的路径；其二是在这些路径上如何分配波长。RAW问题可分为动态RAW和静态RAW。动态RAW一般是考虑建立光连接的请求随机到达，静态RAW则是考虑在进行路由和波长分配前已知所有的希望建立的光连接。另外根据OXC节点是否提供波长转换功能，光通路可以分为波长通路（Wavelength Path）和虚波长通路（Virtual Wavelength Path）。

　　第三，WDM光网的结构设计。WDM光网的结构设计包含两层含义：一是物理拓扑结构的设计，二是逻辑拓扑结构的设计。因此整个网络的设计问题就变成了对这两个不同层面的优化问题。在对这两层的优化过程中，必须考虑彼此之间的限制与支持。特别是逻辑拓扑结构的设计，既要考虑到下层WDM光层特性与物理拓扑结构因素，也要考虑到上层所运载的业务特性因素。因此设计逻辑拓扑结构时，要考虑的已不再仅仅是业务流量情况，还包括对下涉及物理结构（波分复用技术所产生的波长数的限制，器件的限制等）和对上涉及网络所提供的性能指标（时延敏感，可靠性等）。另外设计逻辑拓扑结构还涉及到许多全网优化的指标，如节点交换能力的利用率、网络的最大拥塞率、平均传输时延、波长复用因子等。

　　第四，光网络的生存性。网络生存性泛指网络遭受各种故障仍能维持可接受的业务质量的能力，光网具有极高的传输速率，同时其“模拟网络”的特性与SDH“数字网络”的特性又有所不同，因此探索能在尽可能短的时间内为被中断的业务寻找新的传输路由和自愈方案是十分必要的。网络生存性策略包括保护与恢复技术、控制管理技术等，保护与恢复技术包括保护倒换、重选路由等自愈技术，涉及到通信系统的许多方面，相关参量包括恢复率、恢复时间、冗余度、开销及复杂度等。

　　第五，光传送网的管理技术。由于光网中客户信号的传送、复用、选路、监测等处理功能都是在光域上进行，因此光网络的管理方式必须适应光层管理的特点和要求。如对光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）设备的管理；自身的管理信息结构和开销方案；尤其是光网究竟需要那些运行、管理和维护(OAM)信息，以及这些信息如何传送，如何与现有的SDH /ATM传送网管理进行协调与配合等。光网的管理既可以采取集中方式，也可以采取分布方式。分布式管理方案通常比集中式管理方案更为健壮，但从维持网络数据库的一致性和实现网络局部或全网的分布恢复的角度分析，分布式管理方案更加复杂。光网的管理协议（ONMP）主要解决自动拓扑发现和资源更新、带宽管理、分布式信令、光信道计算、光通路保护与恢复等，而管理的一些功能则可通过数字包封技术来解决。

　　第六，业务的接入与适配。由于目前普遍采用了统一的TCP/ip协议，因此在光网上能否接入以IP为基础的各种数据业务已成关键。从长远看，IP over ATM，IP over SDH都将最终发展为IP over WDM/Optical，因此对于今后的长期应用来说，为了实现在光纤上直接传输IP数据包，最关键的问题之一是需要设计出一种合理的帧格式（物理层接口），即规范出一种新的、最佳的IP对光路的适配接口，但在目前情况下，考虑到多种因素，主要使用以下两种帧格式来实现两种不同的技术路线：SDH帧格式（或简化）和千兆比以太网帧格式，即IP/SDH/WDM和　　IP/Ethernet/WDM。另外目前已有一些研究机构提出了一些其他的优化解决方案与具体的实现方法。

以上分析了支撑Tbit/s 光网络的主要关键技术，虽然目前仍有一些关键技术问题有待解决，如Tbit/s光网络的设计、各种传输限制因素的克服、光网络的业务透明性、传输/交换/接入融合节点技术、智能光网络、主动光网络、层网络互操作性与管理等，但我们有理由相信，随着科技进步和研究人员的不懈努力以及强大的市场驱动力，这些关键技术定会得到突破。我们也完全可以说“光通信技术对21世纪来说，就象电对20世纪那样重要”。在新的世纪，Tbit/s 光网络必将为宽带信息网络奠定优良的物理承载平台和坚实的基础，使信息高速公里通向千家万户。

摘自　通信世界

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