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几种光传送网技术的比较
2008/6/10
   摘要:随着业务需求特别是宽带业务的增长,人们对高容量系统,特别是光传送网技术进行了大量的研究。
    目前研究的内容主要涉及到波分复用光网络、光时分复用技术和光码分复用技和波分复用技术已经在网络中广泛采用,是目前唯一成熟且付诸实用的超大容量先传输系统;光时分复用的研究近几年取得了较大的进展,是未来极具潜力的技术,但远不如波分复用成熟;光码分复用可大大提高光纤的利用率,降低网络成本,简化网络管理,具有较高的网络安全性,但目前存在一些尚待解决的问题。
主题词:光传送网  大容量系统  波分复用  时分复用  码分多址
   近几年,业务需求的增长,特别是宽带业务的增长,促使人们对高容量系统和网络进行了大量的研究。有关预测表明,20年后国家骨干传送网的容量将是现在的100倍。SDH的传输技术和ATM交换技术将可满足近期网络的需要,但从长远看,基于电子技术的网络的复杂性和成本将大大增加,因此在未来的网络中光组网的作用将日益重要。目前,光传送网中可采用的技术主要有光密集波分复用(DWDM)、光时分复用(OTDM)和光·码分复用(CDMA)等。波分复用(WDM)光网络
   WDM是一项极具潜力的技术,它可满足未来用户对高容量带宽的需求。根据所支持的业务量类型,WDM光网络又可分为光路交换的光网络和分组交换的光网络。
    1.光路交换的WDM光网络    在光路交换的光网络中,通过波长路由器在接人节点间建立光通路,业务量经由光通路传送。目前,日本、美国及欧洲的一些发达国家都已建立了采用光路交换技术的WDM试验网,如London Fibre Network,欧洲RACE计划的多波长传送网(MWTN)等。
    光路交换的WDM网有两种主要的拓扑结构,一是广播式星型光网络,另一是波长选路的光网络。
    广播式的星型网络是在网络的.发送侧的每一端口提供一个单独的光频率,在网络的中心采用光的星型耦合器将所有的传输信号合并,然后再将这些广播式的信号混合后送入所有接收侧的端口中。通常在接收端采用可调谐的接收设备,以便能够动态接入所需波长。
    广播式星型网的优点是它能够对不同调制格式的信号“透明”,信号的格式由不同节点间的发送设备和接收设备来决定,而光选路只经广播方式简单完成,因此,不同速率和不同格式的信号可同时在一个网络中共存。
    广播式星型网络的缺点主要是费用高、功率浪费和网络节点的最大数受限于可利用的波长数目等。    一般来说,星型网络主要适用于对本地和市域计算机网进行互连,而不适合在大规模的干线网上采用。
    波长选路的光网络是指每一光通道分配一个单一的波长,由于在实际中可获波长数有限,同一波长只能用在不同光纤的路由中,波长争用问题只能利用通路以及相应的传送资源的合理分配来解决。目前,波长选路的交叉连接还不能进行网络的完全重组,只能在输出和输入复用器间建立连接,使输出复用器的人口保持同一波长,这对于常出现的业务转换并不十分灵活。
    为了提高网络的灵活性,波长选路的光网络将在选路设备中使用波长转换器来进行网络动态重组,它可以最大限度地再利用有限的可获通道数。然而,光的波长转换器还没有完全研制成功,因此目前的波长转换还采用光一电转换和再生装置。
    在实际中,很多光路交换的WDM网络的设计,将广播式的星型网络和波长选路的光网络结合使用,以通过波长再利用来增加网络的可扩展度。广播式的星型网络通常用于本地网中,波长选路的网络比较适合用于广域网中。
    2.分组交换的WDM光网络
    分组业务具有很大的突发性,如果用光路交换的方式处理将会造成资源的浪费。在这种情况下,采用光分组交换将是最为理想的选择,它将大大提高链路的利用率。在分组交换网络里,每个分组都必须包含自己的选路信息,通常是放在信头中。交换机根据信头信息发送信号,而其它的信息如净荷则不需由交换机处理。
    光交换机通常是分布存储式的交换机。光的分组交换一般有两种方法。一种是比特序列分组交换(BSPS);另一种是并行比特分组交换(BPPS)。
    BSPS由电分组交换直接演化而来。二进制的比特序列分组交换是最简单的分组交换方式。对于一个结定波长波道的分组交换,信头采用二进制比特顺序编码,通常使用开关信号。如果将这些二进制的比特序列分组交换信道进行波分复用,可以增加传输带宽,因为多个分组信号可以同时在不同的波道上传送。不过,这些通道信号必须在进入交换机之前解复用以便进行选路,然后在交换机输出端再复用。
    BPPS可以采用两种编码技术来实现,一是副载波复用,另一是多波长的BPPS。在这两种情况中,并行比特分组交换的编码技术采用同一光纤中的不同波道来传送信头和负载信息,可保证负载和信头并行传送,因此可增加网络的吞吐量。多波长的分组交换比较适合于光网络。首先,它可采用简单的无源光滤波器从分组信号中提取信头;其次,在交换机内对信头进行处理,使得分组路由对负载是透明的。第三,由于每波长使用单独的光源,信头和负载光源是分开的,因此没有功率损失。
    目前,由于一些技术限制,光分组交换一时还难于实现。根据现有的技术条件,光分组交换所需的光存储器、信头识别和处理装置还不可能在光域内完成。可调谐光源的反应时间为毫秒级,还不能满足分组交换的需求。
    光时分复用(OTDM)技术
    OTDM技术是一种超高速传输技术(可达100Gbit/s),它使用极窄脉冲产生较大带宽,可以更加有效地利用光纤频谱。通过OTDM技术,可将光支路数据流直接复用进光域,产生极高比特率,并且不只提高了点到点系统的容量,而是可提供多址接入到光纤媒质。但是OTDM的实现方法与WDM完全不同。
     1.OTDM的概念
     OTDM使用一个单一波长来支持40Gbit/s以上的速率。图 1是OTDM的原理图。一个合适的光源(如锁模激光器),产生一系列极窄的归零光脉冲,并被分成N个数据流。然后这N个数据流中的每路信号经由BGbit/s(如STM-n)的支路电信号分别调制,延迟一个时钟周期,再经复用后产生总的数据速率为(N×B)Gbt/s。目前研究表明,总的速率可高达200Gbit/s或更高。对于运行在如此高数据速率下的系统来说,光纤色散的影响是一个非常重要的问题,一般使用两种方法来解决:第一种是使用色散管理(通过使用色散补偿光纤)使得总的色散接近千零;第二种方法是使用孤子传输,但必须仔细考虑信号功率和脉冲波形,使得与线性色散有关的影响通过采用与压缩有关的自相位调制来解决。因此, OYDM是支持长距离、高容量传输的较好的技术方案。
    2.OTDM系统及关控网元
    自90年代开始,美国、英国、日本等国家的一些研究机构对OTDM系统进行了广泛的研究,并取得了较大进展。OTDM高速光通信系统主要包括超短脉冲光源、光时分复用/解复用设备、光定时提取和同步、光接收以及传输光纤等几部分。
    (1)光源    光源需产生高重复率、占空比相当小的超窄光脉冲,脉宽越窄可以复用的路数越多,频宽也就越宽。能满足这些要求的光源主要有锁模环形激光器、锁模半导体激光器等。
    (2)光时分复用/解复用技术    OTDM传输系统的光时分复用技术比较容易实现,而光解复用技术实现起来难度较大,因此成为研究的重点。    OTDM对光解复用的要求是:快速稳定的无误码工作,控制功率低,偏振无关,定时抖动值小。目前采用的两种解复用技术包括光纤非线性光环路镜(N0LM)和FWM解复用器。
    (3)同步和时钟恢复    从OTDM系统中提取时钟信号是非常重要的。目前,时钟提取技术主要有光学诸振回路、注入锁模半导体激光器和锁相环路(PLL)等,现在较成熟的是锁相环路。
    为了保证具有分/插复用功能的光网络的实现,除了时钟提取还需要对帧和信道进行校准。在光传输网络中由于环境影响,也会产生科动和漂移,因此还需要进行系统调整和信道相位控制。
    3.OTDM系统的特点
   (1)解决WDM技术的限制    OTDM技术可解决WDM系统存在的一些限制,如自激的Raman散射和四波混频效应等。但目前所需的元件仍旧在实验室内,一些关键问题没有完全解决,如皮秒脉冲的产生和信号复用、解复用及同步的处理等,因此同WDM相比,OTDM是一个需要在更长时间内研究的技术。    另外,在许多OTDM超高速传输网络中,将使用非线性传输(光孤子)来解决色散的劣化影响,但目前人们虽然对孤子传输原理已经很了解,但还没有完全实现。
    (2)提高光谱带宽效率    OTDM系统将大大提高光谱带宽效率。我们可对WDM系统和OTDM系统传送一个给定容量的情况进行比较:一个40Gbit/s的OTDM传输系统的传输容量相当于16路×2.5Gbit/s WDM系统。如果采用一个2nm通道间隔的WDM系统,它将占有掺饵光放大器的全部带宽。相反OTDM信号将仅占1nm的波长空间,其余的可用来传送WDM信号或传统的TDM信号,大大提高了光谱带宽利用率。
    (3)可以与WDM技术相结合    由于WDM对长距离、大量波长数的限制,因此不太适于波长数需大量增加的情况。这时可由WDM构成子网,采用OTDM高速信道将WDM互连,如图2所示。在子网中使用WDM,可以增加网络的灵活性和可靠性,而OTDM则是实现高速干线传输的有利途径。在WDM/OTDM网络的界面接口点上,需要把N个不同波长的WDM信道的信息转换成一个波长、N个不同OTDM信道的系统。
    光码分多址(OCDMA)技术
    OCDMA技术不仅可以提高现有光纤的利用率,大大减少网路中的设备,简化网络管理,而且具有较高的安全性,因此近年来引起了人们的广泛关注。
    1.OCDMA的原理及特点
   (1)OCDMA的原理    OCDMA采用暂时的波形(称作光特征码)来编码和解码,不同的信息可共享一个时域、频域、空间域,它根据域值从通道的所有信号,中选取所需的信号,光解码器的输出是与输人信号和匹配的滤波器相关的。通常,为了保持较好的信噪比,特征码必须相互正交。
    OCDMA通常分为相干的CDMA和非相干的CDMA两类。前者采用相位移的光序列,一个相位移的双极性光脉冲序列代表一个二进制码;后者采用强度调制的码序,使用单极性码——又称为准正交编码。这两种方法的比较归纳于表1。    相干的CDMA与非相干的CDMA相比,最主要的优点在于它具有较高的信噪比。这主要是由于码间具有较好的正交性,可以产生较高的处理增益。相干的 OCDMA的主要缺点是技术上实现较困难,以及相位移光信号的利用率较低。
   (2)OCDMA系统的特点      * 每一用户分配一个单独的光条码,它可以通过光频谱来秘密传送信息,具有较高的安全性。      *OCDMA可以利用任何现有的光纤与 WDM技术结合使用。如在高速通道中使用WDM技术,而将OCDMA技术用于上下通路。
    *OCDMA可传送任何数字信号,包括SONET、ATM及DS-1和DS-3信号。它是一项协议独立的技术,可与现有的任何新老设备兼容。
    目前,限制OCDMA技术实现的关键问题包括:可获取的光编码数;光纤色散的影响和OCDMA的传输损失;不同波长的干扰码所产生的干扰测量噪音。
    2.OCDMA技术的发展
    目前对OCDMA的研究越来越多,人们正考虑研究采用 OCDMA/WDM混合的方法来解决光源中波长漂移的问题。目前,对OCDMA技术的研究主要还局限在实验室内,只有Commercial技术公司宣布推出CedeStream  OCDMA系统。
      Commercial推出的 CodeStream宽带光纤倒换转发器可充分利用光纤带宽容量,并允许多个光网络用户共用一个光纤对来传送和接收网络信息,这是第一个商用的OCDMA光网络解决方案。该系统可增加网络容量,简化网络管理,减少网络费用,提高网络的可靠性。
    Codestream系统采用独特的相位移一光子技术和光条码技术在一根光纤对上产生和识别上百个独立的、同时的通道。其基本结构由一个连接到大量发送器的光源组成,每个发送器通过光合波器将非对称信号编码,并调制到一个单个激光器上。根据应用情况,编码可以是固定的或可编程的。在网络的接收端,所有的OCDMA信道都广播式地面向每一接收器,但只有具有匹配码形的发射器和接收器才能进行连接。
    目前,该系统可传送128路OC-12信号,大约于1999年中期提供商用,每通道的价格约为2万~4万美元。
  几种光传送网技术的比较
    WDM技术已经在网络中广泛采用,是目前唯一成熟且付诸实用的超大容量光传输技术。WDM光传送网具有透明性、可重组性和网络可生存性,未来的WDM光网络将向着基于波长选路和波长交换的高度灵活的光网络方向发展,它将采用编程的光ADM、OXC等进行波长级处理,动态分配波长,并具有快速的网络恢复及重组能力,是未来传送网的主要发展方向,但需进一步克服光纤的非线性影响。OTDM是一种非常有效的复用方法,它可以提高单一波道的传输速率,充分利用可获光谱,消除WDM系统存在的一些限制(如四波混频效应和拉曼散射等)。
    OTDM技术近年来在研究领域取得了较大进展,是未来发展的一项极具潜力的技术,但它远不如WDM技术成熟,一些关键技术还有待解决。    OCDMA技术可大大提高光纤的利用率,降低网络成本,简化网络管理,具有较高的网络安全性,也是未来发展的一个极肯潜力的技术,只是目前技术尚未成熟。
    今后,随着技术的不断发展与成熟,WDM技术、OTDM、OCDMA技术将相互结合、补充,在未来超高速传送网中得到广泛应用。

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