智能光网络中的几个关键技术

2019-11-03 18:21:54

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

张骞，石鹏

西安电子科技大学37＃

　　摘要：本文介绍了智能光网络的基本概念，然后详细讨论了智能光网络中的节点技术、光通路路由状态监测技术、硬件光交叉技术这几个极为关键的技术，总结了各个技术的发展现状并指出各自的优缺点。

　　关键词：智能光网络光交叉连接光传送网

一．引言

　　近些年来,受到ＩＰ业务高速增长所产生的带宽需求以及波分复用技术所引入的新型带宽利用模式的双重驱动,传统光网络正发生着“量”(宽带化)和“质”(智能化)的深刻变革。从用户的角度来看,希望未来的光网络能够快速、便捷地实现对多粒度带宽服务的聚合与疏导,提供对各种业务类型的支持。从运营商的角度来看,则要求光网络能够自动地按需提供端到端的连接,具备快速重构和增强的网络保护／恢复能力,实现网络资源的最佳配置,克服传统光网络中资源调配时间长、协调性差的缺点。在此背景下产生了智能光网络.

　　智能光网络方案直接在光纤网络上引入了以ＩＰ为核心的智能控制技术,可以有效地支持连接的动态建立与拆除,基于流量工程按需合理分配网络资源,并能提供良好的网络保护／恢复性能。因此,智能光网络代表了光通信网络技术新的发展阶段和未来的演进方向。

二．智能光网络的基本概念

　　智能光网络最初的思路来源于几年前的“ip over WDM"网络模型，是对该模型的进一步优化。近几年来，随着IP等数据业务在骨干网上的爆炸性增长，WDM技术被广泛地应用到网络中来，“IPover WDM"组网模型被提出，这种模型认为IP等数据包通过相应的封装技术（例如：POS、GFP）就可以直接由WDM或OTN网络传送，从而省去了ATM甚至SDH/SONET层面，同时，只需过度建设(overbuild)超大容量的光传输网，IP业务的业务质量QoS）就可以得到保证。然而，这种网络模型被证明是一种价格昂贵的建网方式,其主要原因是IP路由器的POS（Packet overSDH/SONET）接口和WDM系统的波长转换器（OTU）价格都较昂贵，采用过度建设的策略将使网络成本居高不下。同时，尽管IP数据业务所占用的带宽已经在某些运营商的网络中超出了传统的语音业务所占用的带宽，可是从业务收入角度来说，语音业务的收入仍然是运营商最主要的收入来源。因此，有必要建立一个新的网络体系结构来更经济有效地支持未来大容量的数据业务。IP数据业务量具有突发性和不确定性，这为通过对光网络带宽实行动态分配和调度以实现有效的网络优化提供了契机，对于不同的网络业务需求，这种优化可以减少全网中所需光接口（POS接和OTU接口等）和相应波长的数目，既大规模降低建网成本，又高带宽利用率。所以，一种可以实现动态自动完成网络带宽分配和调度的新型网络体系结构—“智能光网络”应运而生。

　　传统的传送网络中通常只涉及对信号的传送、复用、交叉连接、监控和保护恢复，是一个静态的网络，而智能光网络将引入动态交换的概念，特别是引入业务层与传送层之间的自动协同工作机制，这种创新的体系结构代表了新一代光网络的重要发展趋势。特别是这种概念正由最初的只针对IP和OTN进一步拓展到针对业务层面（IP/ATM等不同业务）和传送层面SDH/SONET/OTN），成为一个更通用的网络结构。

三．智能光网络中的几个关键技术

　　智能光网络中的若干关键技术支撑和决定这智能光网络性能的优劣，在智能光网络中它们起着极为重要的作用，以下讨论几个智能光网络中极为关键的技术：

1．智能光网络中的结点技术

　　光节点的作用是以波长路由为基础，提供端到端的光通道连接和分插复用，对光通道进行优化配置和动态业务疏导，实现支撑骨干业务网的流量工程，实现网络的保护与恢复。光节点的主要功能如下：

a.连接和带宽管理、提供光信道的连接和波长上/下路功能，迅速提供端到端业务

b.波长整形，提高所建立的基础设施的服务质量

c.多业务接口，从2.5Gbit/s到40 Gbit/s业务的平滑增速，甚至包括吉比特以太网，降低网络成本

d.在波长层面的保护和恢复，以较低的网络成本，最大限度地提高骨干网基础设施的效率和可靠性

e.动态分配波长，在波长层面选择路由和互联

f.光虚拟专网（OVPN）

g流量工程，其方法是将光节点与核心路由器耦合，为数据网中波动的带宽需求提供高效解决办法

h.新业务提供：如波长批发、波长出租、带宽贸易、按使用量付费、光拨号

根据规定，智能交换光网络节点支持如下三种连接方式：

m.永久连接：是一个由管理系统规定的连接类型

n.软永久连接：是一个用户到用户的连接，在此连接中，端到端连接的用户到网络部分是网络管理系统建立的，如同永久连接一样；端到端连接的网络部分是由管理平面发起请求，通过控制平面建立的

k.交换连接：是指由端用户提出请求，利用信令/控制平面在端用户之间建立的任何连接。

光节点的交换结构，是实现输入和输出参量之间对应关系的连接性的表示，功能上相当于数学中的排列组合，表示为：

　　在输入和输出参量中还包含了上下路（支路）的描述，上路属于输入参量，下路属于输出参量。因此，它是OXC、OADM和WDM的通用描述。实现输出和输入之间的排列组合可以采用多种交换结构。以OXC结构为例，已经提出了几十种交换结构。在这些交换结构中，有些交换结构比较相近，归纳为以下6类交换结构：

（1）整体交换结构：交换背板是一个大矩阵，交换矩阵容量 IK×IK,其中，I=max(k) ，等于输入或输出光纤总数（含上下路），K=max(k) ，等于光纤中的波长总数。

（2）三级Clos网络交换结构：理论上成熟，但因各级交换矩阵的不对称性，不适合光交换

（3）分波交换结构：对于波长选择交叉（WSXC），因为没有波长交换的要求，也就没有不同波长之间的排列组合的要求，只需在相同波长间进行交叉连接。这种交换结构已用于美国多波长光网（MONET）和“中国高速信息示范网”中。

（4）独立交换结构：每一个输入端口通过一个l×I 光开关交换到任一输出光纤j ，然后合波输出。或者反之，每一输出端口通过一个l×I 光开关交换，从任一输入光纤中通过可调滤波器选择任一输入波长，然后合波输出。该结构已用于欧盟泛光网（OPEN）中。

（5）对称交换结构：在OXC的实际应用中，交叉连接的输入和输出端口间的对应关系是对称的。

（6）自由扩展交换结构：基于分立单元，光纤数和波长数可以任意增加，但实用意义不大。

　　对于以上结构，在技术实现上有难度，成本也高。可采用多颗粒度的交换结构，进行分级处理，以适度降低交换结构的规模。一般的，有如下四级颗粒度：

第一级颗粒度：光纤级（群路）的交叉连接

第二级颗粒度：波段级的交叉连接

第三级颗粒度：波带级的交叉连接。将若干个波长（如4或8波）分为一组，称为波带，进行波带级的处理

第四级颗粒度：波长级。

2光通路路由状态监测技术

　　光传送网(OTN)中光通路路由状态监测是指对进入节点的光通路(opticalpath或lightpath)的路由状态进行监测,要求完成的功能有:确定该光通路是否连通;是否按照要求正确地配置光通路的路由;如果没有连通,故障点在何处;如果没有正确配置,问题出在什么地方。　

　　　智能光网络光通路路由状态监测对OTN具有重要意义。首先它完成光通路的连通性检查,在发生光通路阻断的情况下还负担故障定位的功能;第二,监测光通路实际的路由状态配置是否与管理者的要求一致;第三,在发生路由配置错误的情况下,担负起故障定位的职责。

　　现在发展起来的智能光网络光通路路由状态监测技术主要分为3大类:

　　(1)　间接监测法　　此类方法通过监测节点中各开关部件的状态来间接监测节点的路由状态,简单和现实可行是它最大的优点。它要求节点中的开关部件能够提供开关的状态信息,这一点许多商用器件都能满足。器件实际的开关状态与其提供的状态信息的一致性由器件本身的可靠性保证。开关状态和路由状态之间的转化通常由软件完成,软件的可靠性和正确性保证了转化的可靠性和正确性。在将开关状态转变为节点光通路路由状态时,还需要知道不同开关间的拓扑连接关系。本方法认为这种拓扑关系在监测的过程中是不变的,在监测的开始,通过人工或自动的方法告知光通路路由计算软件。

　　本方法的最大缺点来自于它的间接性。节点中开关部件可能会报告错误的状态信息,路由状态的计算软件可能发生故障,开关间的拓扑连接关系可能会因各种原因发生变动。这些都可能导致路由状态监测发生错误。

　　(2)　节点内的标记、监测和去标记法

　　此类方法的基本思想是在节点的入口处给进入节点的各光通道打上标记;在节点内设定的监测点对标记进行提取以实现监测功能;在节点的出口将标记去除,以免影响其他节点和光信号的传输。有了唯一的标记,各种监测功能自然就能完成。不同方法的区别在于标记的不同。　　

　　与间接法相比,本方法直接监测节点的路由状态,避免了间接法的许多问题。由于本类方法局限于节点内部,标记加载的影响严格地限制在节点内,带来的好处有:首先,标记可以在不同的节点重复使用,节省了标记资源;其次,由于标记的影响局限于节点内,具有此功能的节点和不具有此功能的节点可以在同一个网络内共存,有利于网络的平滑升级。　　

　　节点采用通常的解复用/光开关/复用结构。在节点入口处有掺铒光纤放大器(EDFA)用来补偿传输损耗和增益均衡;解复用器和复用器采用阵列波导光栅(AWG)。从本质上讲,AWG是多光束干涉器件,它有一个自由光谱区(FSR)。本方法中,AWG的FSR要求小于EDFA的可用增益谱宽的1/2。由于AWG的周期性,波长与光通道的波长λi相差1个自由光谱区的ASE(amplifiedspontaneousemission)噪声(λi+FSR)在OXC节点中所经过的光路与光通道λi所经过的光路是一要的,不妨将其称为伴随通道。在伴随通道上打上标记并对其进行监测,就实现了对光通道λi的监测。

　　标记的加载是通过OXC入口端的EDFA来进行的。EDFA本身具有环型腔结构,它导致EDFA产生激射和增益钳制。环形腔中有1个法珀腔(F-P)滤波器。滤波器以一定的频率fk进行扫描(kHz的水平)。滤波器的扫描导致了激射波长的扫描,由于AWG的分波特性,在解复用的出口端就实现了伴随通道的周期性幅度调制,这就在伴随通道上打上了标记。不同的输入光纤端口,F-P滤波器的扫描频率是不同的,这意味着不同的标记。　　　　标记的监测就相对简单,在OXC的输出端用光纤光栅(FBG)将伴随通道滤出来就可以了。在FBG后还要加上宽带光滤波器,使带有信息的光通道通过,而阻断伴随通道,这实现了标记的去除。

　　(3) 全网范围的标记、监测法　　

　　此类技术的基本思想是给光通道打上1个唯一的标记,在网络的各监测点根据这一标记来确定光通路的路由状态。在局限于节点内的监测技术中,标记是某个特定的频率,这显然导致了标记资源的匮乏,在全网范围的标记法中就不能采用此类技术。现在,一般的做法是采用编码方法,用不同的编码来标记不同的光通路。此类技术的难点在如何将编码标记打在光通路上,如何在途中提取标记。根据标记加载方法的不同,可以分为电域标记法、副载波标记法和pilottone法。

　　电域标记法：该方法与以前的通信网做法类似,利用OTN提供的网管开销字节,在电域进行光通路的标记加载。其代表技术就是数字包封(digitalwrapper)。从技术角度讲,用此方法进行标记的加载和提取都不是什么困难的事,问题在标准化上。国际电信联盟(ITU)已经准备采用数字包封作为OTN的标准。因此,基于数字包封的光通道标记很可能成为首先应用的全网标记技术。实际上,数字包封提供了有充足带宽的网管开销通道,标记加载只是其中的一项功能。本方法的最大优点是其可行性,也因为这样,ITU才会考虑其标准化问题。

　　副载波标记法

　　此方法的基本原理是将标记用副载波的方式与信息通道一起复用起来进行传输。一般情况下,副载波提供的是1个相对大容量的监控信道(Mb/s以上),标记加载只是其中的一部分。为了使标记不影响信息通道的传输、解调,标记的载波频率要高于信息通道所载信息的上界频。文献[5]给出的例子是3.5GHz的载波频率,10Mb/s的ASK调制方式,信息通道是1.25Gb/s的伪随机码流。

　　本方法的一大优点是它能够提供相当宽的监控信道容量,可以不仅仅用于标记加载。就标记加载而言,大容量意味着标记的检测速度可以提高、可以采用冗余编码技术来提高标记的可靠性,允许更长的标记来扩充标记资源;另一方面,本方法在光域对信号进行处理,保留了网络的全光性;第3,本方法的标记天然地与信息通道捆绑在一起。但是本方法要求在信息频谱的更高端进行副载波复用,系统会变得很复杂,其成本也是相当高的;而且这也限制了信息通道码率的提高。

　　pilottone加载标记法

　　它的基本原理是在载荷信息幅度调制的基础上,加上1个浅调制深度的低频幅度调制。在PDH时代就有这种技术,那时叫调顶技术。这也是监控信道加载技术,不仅可以用来进行标记加载,也可以有其他用途。由于它处在低频端,监控信道的容量就不会很高,通常在kb/s的水平。本方法依然保持了副载波方法的全光性和标记、信息的天然捆绑性。与副载波方法比,此方法的监控信道加在信息通道的低频端,由此降低了系统的复杂度和成本,提高了系统的可靠性;另一方面,它也避免了副载波方法对信息码率的限制。虽然本方法只能提供kb/s的监控信道容量,这对于复杂的网管开销可能是不够的,但如果只是用来标记光通道路由状态的话,还是绰绰有余的。

　　但是,由于pilottone是在信息通道的频带内,这不可避免地会发生信息通道对pilottone的干扰。一般的方法是将pilottone的频率定得足够低(<100kHz),原因是信息码率通常是Gb/s水平的,由于扰码系统的作用,其低频分量可以忽略。然而,pilottone的频率太低也是有害的。因为在WDM+EDFA系统中,由于EDFA的非线性作用,不同信息通道间的pilottone信号会产生串扰。　　

3硬件光交叉技术

　　智能光网络的硬件光交叉，采用新技术实现全光OXC是一种方向。如朗讯公司的Lamb-daRouter，该波长路由器基于贝尔实验室的微机械专利技术，使用256个精微的光反射镜对光信号进行路由选配，而无须像现在这样先将光信号转换为电信号。它能够在点到点连接的两个节点间迅速建立一条虚光通路，大大节约了时间，器256个信道支持SONET/SDH标准，每个接口速率可达40Gbit/s，并提供网络恢复功能，支持基于Mesh的光网络，能够与ATM交换机合IP路由器互联。波长路由器被认为是波长颗粒度合IP网智能的结合。同时，采用光－电－光的手段来实现大容量的光波长交叉OXC也是一种手段。如思科的S15900系统，支持256个OC－48接口，交换矩阵容量为640Gbit/s，并可以无阻塞地升级到160Tbit/s，该系统能支持1＋1的倒换（与通道保护法类似，用双发选收的机制实现保护）。Mesh网中端到端的波长路由恢复时间也在50ms以内。

四．结论

　　智能光网络技术是构建下一代通信网络中的核心技术之一，其创新的网络体系结构将对通信网络技术带来深远的积极影响，而其中的关键技术则是构建智能光网络技术和综合反映智能光网络优越之处的基础和关键，本文讨论了智能光网络中的若干关键技术，也分析出各个关键技术的特点，有优势也存在不足，如何进一步完善智能光网络中的这些关键技术，发掘更为突出的相关技术是今后发展智能光网络的研究重点和突破之处。

五．参考文献：

[1] 孙咏梅赵继军纪越峰，“下一代光网络－自动交换光网络”电信技术，2002.2

[2]ITU-T Draft Recommendation G.8070.Requirements for automatic switched transport networks(ASTN),2001

[3]ITU-T Draft Recommendation G.7713.1.Distributed call and connection management(DCM)based on PNNI,2002

[4]S Okamoto,M Koga,HSuzuki,etal. Robust photonic transport network implementation with optical cross-connect systems[J].IEEE Communications Maga-zine,2000,38(3):94-103.

[5]G R Hill,P J Chidgey,F Kaufhold,etal.A transport network layer based on optical network elements[J].Journal of Lightwave Technology,1993,11(5/6):667-679.

[6]A Bisson,L Noirie,A Jourdan,etal.Analysis of evolution of over-modulated supervisory data in a cascade of all-optical wavelength converters [A]. OFC 2000[C]. Baltimore:OSA IEEE, 2000, 53-55.

摘自　光纤新闻网

上一篇：悄然兴起的无线光通信

下一篇：基于ASON重叠网络模型的智能光网络路由体系结构的研究