全光网络的发展历程与发展趋势(二)

2019-11-03 18:18:45

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供稿：网友

彭承柱彭明宇

4 全光网络国外研究概况

　　目前世界各国研究开发中的全光网络主要集中在美国、欧洲和日本。例如前几年开始的美国ARPA(Advanced Research PRojects Agency)一期计划(ONTC、AON等)和二期全球网计划(MONET、NTON、ICON、WEST等)；欧洲的RACE(Research and development in Advanced Communications technologies in Europe)和ACTS(Advanced Communications Technologies and Services)光网络计划；日本有NTT、NEC和富士通等主要大公司和实验室进行的研究开发项目；此外，在法国、德国、意大利和英国同时也在做全光网络方面的研究。最近有Oxygen计划，美国光互联网规划、加拿大光网络规划，欧洲光网络规划等，既建立了许多试验平台，又进行了现场试验，以研究光网络结构、光网络管理、光纤传输、光交换和光网络对新业务的适应性等关键技术。比较著名的有美国的多波长光网络MONET(Multiwavelength Optical Networking)和国家透明光网络NTON；欧洲ACTS计划中的泛欧光传送网OPEN和光纤城域网METON；日本NTT的企业光纤骨干COBNET和光城域网PROMETEO等。在我国则有中科院、高等院校和科研院所进行的国家"863"计划重大项目"中国高速信息示范网CAINONET"等。

　　值得注意的是，当业务变得以ip为中心时，在光领域的分组交换将具有明显的优点。因为它可以有效地将各种业务量集中在一起，提高每一波长或光路的利用率，降低每比特的费用，而不必过多地仅依靠配置和增加波长来疏通调节业务量；所以，将光分组交换与光波长交换相结合，才是一条实现全光通信网的技术坦途。

　　面向未来IP业务的全光网络的研究已经成为各国和跨国公司研究计划的重点，而自动光交换网络是首当其冲的。

5 自动光交换网络

　　实现全光网络的关键之一是用光交换代替电交换，然而，直到不久以前光交换在技术和可靠性方面还存在一些问题，随着微电子机械系统MEMS和可调谐激光器等能满足实用需要的一些成熟光器件的出现，并研究出了一些更加实用的方法以后，自动光交换网络才能走上实用化的道路。实现光层上的自动交换会给光网络带来以下好处：

*相互交换的流量工程使光网络资源动态分配、合理利用；

*当网络性能下降时实施网络回恢复，即可维持较高优先级别的业务；

*自动地将数据业务、IP业务与光网络资源相连，使网络具备更快的反应能力并具有低成本。

　　图4示出自动光交换网(ASTN)结构的两个功能层；外层是电层网络，完成各种业务的汇聚和路由功能，内层是交换光网络(SON)，完成光传输和交换功能。边缘交换单元ES位于光电二层的边界处。各种业务例如IP业务通过标准的电层网络进入ES，ES完成业务的汇聚与基本的路由功能，确定输入的IP包转发到哪一个ES，即边缘的ES要把传输的IP包组装到目的地的ES的一个光包中。在组装过程中IP包的等待时间是关键，光包一旦组装完成就进入交换光网络。SON把光包从源ES交换传送到目的ES，在目的ES又将业务分解并分发到目的电层网络。SON中的交换单元称核心交换单元CS，它们通过WDM光传送网相连接。CS在光域完成光包的交换与转发，同时还完成到WDM光链路的统计复用。

　　为了简化光网络节点的包转发过程，ES、CS间可以采用MPLS技术。

　　可以有两种传输方式实现交换光网络：一种是光透明包网络(OTPN)，它以固定长度包和同步节点工作为基础；另一种是光突发交换(OBS)，以可变长度包和异步节点工作为基础。OTPN技术目前存在明显的成本和技术障碍，主要是由采用固定长度包引起的传输效率低，以及实现光包的同步处理非常困难造成的。OBS技术介于电路和包交换之间，为光网络发展开辟了新的途径。这两种方式和单纯的光波长交换方式的比较见表2。

　　由于传统的TDM网络处理分组包数据业务时效率低，因此，运营商在积极地改变他们的网络，以更好地适应电信业务，在从电路交换到分组包交换的过渡中，要求光层网络既完成传输功能也完成交换功能。

　　在此，有必要简单介绍一种数字包封(Digital Wrapper)技术。数字包封的实质是ITU-T关于光段开消的建议，其具体结构如图5所示。

　　由图5可见，传输的业务信号位于光通路(简称光路)净负荷中，其格式可以多种多样，与光路彼此独立，只要满足固定码速及带宽小于3R中继设备工作带宽这两个条件，任何信号都可以这种方式在光网络上传输，并能被网管系统管理和保护。由于在段开消中没有指针一类的消息指定信号帧的位置，故数字包封满足了理想光网络应能传送各种不同格式与码速信号的要求。

　　数字包封的一个重要特点是除净负荷外，还包括前向纠错FEC，光路维护管理OAM消息两部分。FEC的帧结构应符合I-YU-T关于海底光缆系统的G.975建议。运用FEC可使DWDM系统的波长数或光路数进一步增加，提高光路信号的码速，或延伸光中继距离。

　　为了实现光层管理与维护、光层保护与恢复，在全光网络研究中曾提出过三种方法：监测光路(OSC)、副载波调制(SCM)和光头字节，也就是数字包封，它们能完成管理与维护功能的优劣和特点的比较见表3。由此可见，数字包封的方法最优、功能最完善。

　　对全光网络需要有三层光层的性能监控，最少需监视的项目如表4所列。

　　在全光网络的研究中对光分组交换网中的双数据分组或光数字包的处理通常考虑如下：将光数字包主要分成两步分处理，其中包的净负荷部分采用步经过光一电一光处理的路由与转发，可极大地提高数据包的转发速度和网络节点的吞吐量，而将载有地址和管理信息的光数字头等字节，即需要作同步、帧识别和地址识别的字节另作较复杂的光信号处理。这是因为目前光信号处理技术还处于初级发展阶段，不能实现非常复杂的光信号处理，故有多种光包信头处理方式，从而有不同的光分组交换网技术，如光标记交换技术、全光时分多址技术和光突发交换技术等。载光标记交换网中，光标记的写入、读取、删除和交换等较简单的光包信头处理功能采用光子技术，而将复杂的光包信头处理留给电子技术。由于目前载全光时分多址交换网中，同步、地址识别等复杂的处理功能均采用光子技术，故不能实现。而在光突发交换网络中，光包信头的较复杂处理则是采用了电子技术。目前研究较成熟的是光标记交换技术，其中有两种光标记新方法：前置光标记法和高强度光脉冲光标记法。全光交换网中光交换是以光包为单位进行交换的。在前置光标记法中设计的光包由低速率的包头段(622Mbps)和高速率(10Gbps)的净负荷段构成，如图6所示。包头作为光标记，置于净负荷的前面，二者间由光标或光包保护带(64ns)与负荷保护带(6.4ns)分离，光包之间有包间保护段。总包宽为1.6Us，净负荷约800字节，占640ns；由于低速率的光包头/光标记占用了较多的包宽或信道资源，故净负荷的宽度受限制，尽管打的净负荷宽度可节约信道资源，但净负荷过宽会影响光包交换的灵活性，故800字节是比较合适的。保护带的设置是必要的，一方面可给光包对齐留有余量，另一方面是为了兼容电子电路。前置光标记法的优点是光标记的产生、提取和识别都比较容易实现，缺点是占用信道资源较多，效率不高。

　　高强度光脉冲光标记法是利用高强度包头作为光标记，利用非线性光学介质的非线形效应实现光标记的提取。在用高强度光脉冲实现光标记的技术方法中，光包由高速率(最高可达40Gbps)低强度的净负荷和低速率(最高622Mbps)高强度的包头/光标记构成。二者有相同的时钟并占用相同的时间段，其光包结构如图7所示。光标记脉冲与净负荷脉冲可以重合，也可以不重合，这取决于光标记的识别方式和光标记更新、信号再生的方式。在重合的情况下要求光标记与净负荷信号有一定的强度比，以利二者在识别、更新、再生时按此比例分离与重合，因光标记脉冲要由净负荷脉冲时加载光标记脉冲。但是，无论哪种情况，加载光标记脉冲时都需要对净负荷脉冲进行探测。利用非线性光学介质在强场作用下的克尔(Kerr)效应产生非线形门控作用，使高低强度不同的光脉冲分离开来，将高强度的光标记光脉冲提取出来进行处理。目前的非线性光学介质有单模光纤、半导体光放大器(SOA)两种。例如可利用单模光纤的非线形光纤环路镜(NOLM)提取光标记，也可以利用SOA的四波混频(FWM)效应提取光标记；前者NOLM结构简单，后者器件的稳定性高、信号检出容量、效率较高。高强度光标记法的有点是它不占用信道资源，光标记的提取比较复杂。

　　光标记交换是光包交换(OPS)的一种实现方式，国外的光标记交换关键技术的研究主要集中在：光标记脉冲的产生、光标记的复用与解复用、以及光时钟提取等技术方面。光标记交换的实用化仍有一段路要走，尽管其技术还不够成熟，构成光标记交换系统的许多关键器件还处于实验室研究阶段，但此技术正成为世界厂商与科研单位的研究热点，值得我们给予关注、学习和研究。

　　国际上关于自动光交换网ASTN的标准主要有ITU-T和OIF(光互联网论坛)以及ODSI客户端/服务器模型，IETF(Internet Engineering Task Force)的对等模型或混合模型，又称集成模型。这4个标准组织主导了当前两种基本的光网络演进结构与发展思路。

6 智能光交换网络

　　目前电信网络的智能绝大部分仅存在于电层，而光层仅作为简单的传送介质和载体。尽管大容量的WDM设备和OXC设备已经应用，但光路或波长的连接主要仍是人工配置。这种方式效率低、操作复杂，容易发生差错，从而严重地制约了网络的灵活性、可靠性、可用性和可扩张性。为此，一方面引入智能光网络管理体系，以便自动发现线形、环形、网孔拓扑的光传送网的拓扑结构与光纤的连接关系；自动地配置网络，实现网络节点间路由的自动调度配置，优化网络资源的分配，维护网络拓扑的完整一致；实现光路的自动选择和动态建立/释放，即对光路进行自动迂回与保护。还可以进行故障的自动寻迹定位，完成光路的保护与恢复，确保网络资源的释放与利用。一句话，将光网络智能分布到网元，通过网管系统软件设置，对光网络资源进行动态的分配；使光网络从仅仅提供传输信道变成能提供全光业务的解决方案，成为能提供各种带宽应用与服务的智能全光网络。另一方面将智能赋予自动光交换网络也能达到同样的作用与目的。传统的电信传送网只涉及客户层信号的传送、复用、交叉连接、监控和生存性处理，通常并不含交换功能，仅有较低的智能。故在传统的传送网中引入动态交换是传送网技术的一次重大突破，使传送网具备了自动选路和动态管理的更烦嚣智能；并且能支持多种客户信号，成为一种利用独立的控制面实施动态配置连接管理的全光网络。也就是说通过智能光网络管理系统的软件控制与智能光交换网络的应用使得今天的光网络演进到智能自动光交换网络。这样，运营者可更加灵活、有效地进行网络恢复、业务自动配置和流量管理，开展新的业务与应用，例如提供波长业务、光层组网、光虚拟专用网(OVPN)，以及带宽的交易和转售等。

　　以光传送网OTN为基础的ASTN或ASON在选路和信令控制下完成自动交换功能的新一代全光传送网就使智能光交换网，简称智能光网络。它也是一种具备标准化智能的光传送网。

　　ITU-T是通信行业主要的标准化组织，它的标准化建议对通信市场有深远的影响。ITU-T在智能全光网络领域的主要工作是定义一个标准的自动光交换网络体系结构，同时还制订了光网络的一些基础性标准，如WDM的波长分配等。

　　实际上智能光交换网的标准化工作远未完成。就连光传送网OTN的标准化也还没有完成，例如OTN体系结构文件G.872还在修订和扩充；关于OTN保护恢复的建议G.841和G.842还未补充制订，关于网络管理信息模型和功能需求的建议G.874和G.875也没有完成；定义中距离OTN功能的建议G.798也没有完成；规范OTN的接口建议G.709还需要定义复用和传送开消等等。通常认为第一代的智能光交换网是建立在OTN的基础上的全光网络，然后再向全光智能光交换网演变。

7 结束语

　　以上概述了全光网络的发展历程与发展趋势。尽管人们对智能光交换网络的研究开发寄予很大的热望、投入了相当的技术力量，但智能光交换网络的未来却存在许多不确定因素。如果进展到智能光交换网络可以为网络运营商带来新的收入，而不仅仅是降低运营成本的话，那时才有可能加速智能光交换网络的建设与应用。

摘自《广播电视信息》

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