全光通信与DWDM

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全光通信与DWDM
第一章　全光通信技术

　　20世纪末出现的因特网标志着人类社会进入到一个崭新的时代--信息化时代，在这个时代人们对信息的需求急剧增加，信息量象原子裂变一样呈爆炸式增长，传统的通信技术已经很难满足不断增长的通信容量的要求。于是一些新兴的通信技术就应运而生了，例如CDPD技术、CDMA2000技术、GPRS技术以及光通信技术，在这些通信技术中，光通信技术凭借其巨大潜在带宽容量的特点，成为支撑通信业务量增长最重要的通信技术之一。但在目前的光纤通信系统中，存在着较多的光-电、电-光变换过程，而这些转换过程存在着时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，很容易产生通信中的“信息瓶颈”现象。为了解决这一问题，充分发挥光纤通信的极宽频带、抗电磁干扰、保密性强、传输损耗低等优点，于是全光通信技术就“隆重登场”了。
　　一、什么是全光通信
　
　　首先要声明一点的是，全光通信技术也是一种光纤通信技术，该技术是针对普通光纤系统中存在着较多的电子转换设备而进行改进的技术，该技术确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。全光通信的实现，可以分为两个阶段来完成：首先是在点-点光纤传输系统中，整条线路中间不需要作任何光/电和电/光的转换，这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件速率难以提高的困难。这样的长距离传输完全靠光波沿光纤传播，称为发端与收端间点-点全光传输。那么整个光纤通信网任一用户地点应该可以设法做到与任一其它用户地点实现全光传输，这样就组成全光传送网；其次在完成上述用户间全程光传送网后，有不少的信号处理、储存、交换，以及多路复用/分接、进网/出网等功能都要由电子技术转变成光子技术完成，整个通信网将由光实现传输以外的许多重要功能，完成端到端的光传输、交换和处理等，这就形成了全光通信发展的第二阶段，将是更完整的全光通信。
　
　　全光通信网由全光内部部分和通用网络控制部分组成，内部全光网是透明的，能容纳多种业务格式，网络节点可以通过选择合适的波长进行透明的发送或从别的节点处接收。通过对波长路由的光交叉设备进行适当配置，透明光传输可以扩展到更大的距离。外部控制部分可实现网络的重构，使得波长和容量在整个网络内动态分配以满足通信量、业务和性能需求的变化，并提供一个生存性好、容错能力强的网络。
　
　　二、全光通信的实现技术
　
　　实现透明的、具有高度生存性的全光通信网是宽带通信网未来发展目标，而要实现这样的目标需要有先进的技术来支撑，下面就是实现准确、有效、可靠的全光通信应采用的技术：
　
　　1、光层开销处理技术：该技术是用信道开销等额外比特数据从外面包裹Och客户信号的一种数字包封技术，它能在光层具有管理光信道（Och）的OAM（操作、管理、维护）信息的能力和执行光信道性能监测的能力，该技术同时为光网络提供所有SONET/SDH网所具有的强大管理功能和高可靠性保证。
　
　　2、光监控技术：在全光通信系统中，必须对光放大器等器件进行监视和管理。一般技术采用额外波长监视技术，即在系统中再分插一个额外的信道传送监控信息。而光监控技术采用1510nm波长，并且对此监控信道提供ECC的保护路由，当光缆出现故障时，可继续通过数据通信网（DCN）传输监控信息。
　
　　3、信息再生技术：大家知道，信息在光纤通道中传输时，如果光纤损耗大和色散严重将会导致最后的通信质量很差，损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放大器来提高光信号功率。色散会导致光脉冲发生展宽，发生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响了通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。目前，对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。而最近，出现了全光信息再生技术，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。
4、动态路由和波长分配技术：给定一个网络的物理拓扑和一套需要在网络上建立的端到端光信道，而为每一个带宽请求决定路由和分配波长以建立光信道的问题也就是波长选路由和波长分配问题（RWA）。目前较成熟的技术有最短路径法、最少负荷法和交替固定选路法等。根据节点是否提供波长转换功能，光通路可以分为波长通道（WP）和虚波长通道（VWP）。WP可看作VMP的特例，当整个光路都采用同一波长时就称其为波长通道反之是虚波长通道。在波长通道网络中，由于给信号分配的波长通道是端到端的，每个通路与一个固定的波长关联，因而在动态路由和分配波长时一般必须获得整个网络的状态，因此其控制系统通常必须采用集中控制方式，即在掌握了整个网络所有波长复用段的占用情况后，才可能为新呼叫选一条合适的路由。这时网络动态路由和波长分配所需时间相对较长。而在虚波长通道网络中，波长是逐个链路进行分配的，因此可以进行分布式控制，这样可以降低光通路层选路的复杂性和选路所需的时间但却增加了节点操作的复杂性。由于波长选路所需的时间较长，近期提出了一种基于波长作为标记的多协议波长标记交换（MPLS）的方案，它将光交叉互联设备视为标记交换路由器进行网络控制和管理。在基于MPLS的光波长标记交换网络中的光路由器有两种：边界路由器和核心路由器。边界路由器用于与速率较低的网络进行业务接入，同时电子处理功能模块完成MPLS中较复杂的标记处理功能，而核心路由器利用光互联和波长变换技术实现波长标记交换和上下路等比较简单的光信号处理功能。它可以更灵活地管理和分配网络资源，并能较有效地实现业务管理及网络的保护、恢复。
　
　　5、光时分多址（OTDMA）技术：该技术是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每个光网络单元（ONU）在每帧内只按指定的时隙发送信号，然后利用全光时分复用方法在光功率分配器中合成一路光时分脉冲信号，再经全光放大器放大后送入光纤中传输。在交换局，利用全光时分分解复用。为了实现准确，可靠的光时分多址通信，避免各ONU向上游发送的码流在光功率分配器合路时可能发生碰撞，光交换局必须测定它与各ONU的距离，井在下行信号中规定光网络单元（ONU）的严格发送定时。
　
　　6、光突发数据交换技术：该技术是针对目前光信号处理技术尚未足够成熟而提出的，在这种技术中有两种光分组技术：包含路由信息的控制分组技术和承载业务的数据分组技术。控制分组技术中的控制信息要通过路由器的电子处理，而数据分组技术不需光电/电光转换和电子路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。
　
　　7、光波分多址（WDMA）技术：该技术是将多个不同波长且互不交叠的光载波分配给不同的光网络单元（ONU），用以实现上行信号的传输，即各ONU根据所分配的光载波对发送的信息脉冲进行调制，从而产生多路不同波长的光脉冲，然后利用波分复用方法经过合波器形成一路光脉冲信号来共享传输光纤并送入到光交换局。在WDMA系统中为了实现任何允许节点共享信道的多波长接入，必须建立一个防止或处理碰撞的协议，该协议包括固定分配协议、随机接入协议（包括预留机制、交换和碰撞预留技术）及仲裁规程和改装发送许可等。
　
　　8、光转发技术：在全光通信系统中，对光信号的波长、色散和功率等都有特殊的要求，为了满足ITU-T标准规范，必须采用光-电-光的光转发技术对输入的信号光进行规范，同时采用外调制技术克服长途传输系统中色散的影响。光纤传输系统所用的光转发模块主要有直接调制的光转发模块和外调制的光转发模块两种。外调制的光转发模块包括电吸收（EA）调制和LiNbO3调制等。在光纤传输系统中，选用那种光发模块要根据实际传输距离和光纤的色散情况而定。在全光通信系统中，可以采用多种调制类型的光转发模块，色散容限有1800/4000/7200/12800ps/nm等诸多选择，满足不同的传输距离的需求，为用户提供从1km至640km各种传输距离的最佳性能价格比解决方案，并且光转发单元发射部分的波长稳定度在0~60°C范围内小于±3GHz。
　
　　9、副载波多址（SCMA）技术：该技术的基本原理是将多路基带控制信号调制到不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。在ONU端进行二次解调，首先利用光探测器从光信号中得到多路射频信号，并从中选出该单元需要接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中恢复出基带控制信号。在控制信道上使用SCMA接入，不仅可降低网络成本，还可解决控制信道的竞争。

10、空分光交换技术：该技术的基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等，如耦合波导型交换元件钥酸钾，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。以铌酸钾为基片，在基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光束将发生能量交换。能量交换的强弱随复合系数。平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光束就在波导上完全交错，如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。
　
　　11、光放大技术：为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离，都要对信号进行电的“再生”。随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。于是一种新型的光放大技术就出现了，例如掺铒光纤放大器的实用化实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题，同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通讯领域上的一次革命。
　
　　12、时分光交换技术：该技术的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种技术下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。该技术组成的通信技术网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合型阵列开关）以进行相应的交换。
　
　　13、无源光网技术（PON）：无源光网技术多用于接入网部分。它以点对多点方式为光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）P这间提供光传输媒质，而这又必须使用多址接入技术。目前使用中的有时分多址接入（TDMA）、波分复用（WDM）、副载波多址接入（SCMA）3种方式。PON中使用的无源光器件有光纤光缆、光纤接头、光连接器、光分路器、波分复用器和光衰减器。拓扑结构可采用总线形、星形、树形等多种结构
   

第二讲DWDM与光纤技术的发展
第二讲DWDM与光纤技术的发展
　　目前，DWDM技术已成为通信网络带宽高速增长的最佳解决方案，今后无论是广域网、城域网还是接入网，都将以DWDM为传输平台，基于DWDM的光传送网将构成整个通信网的基础物理层，因此，光纤技术的发展与DWDM技术的应用与发展密切相关。 　　编者

　　DWDM对光纤性能的要求
　　DWDM是密集的多波长光信道复用技术，光纤的非线性效应是影响DWDM传输系统性能的主要因素。光纤的非线性效应主要与光功率密度、信道间隔和光纤的色散等因素密切相关：光功率密度越大、信道间隔越小，光纤的非线性效应就越严重；色散与各种非线性效应之间的关系比较复杂，其中四波混频随色散接近零而显著增加。随着DWDM技术的不断发展，光纤中传输的信道数越来越多，信道间距越来越小，传输功率越来越大，从而使光纤的非线性效应对DWDM传输系统性能的影响也越来越严重。克服非线性效应的主要方法是改进光纤的性能，如增加光纤的有效传光面积，以减小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频效应；减小光纤的色散斜率，以扩大DWDM系统的工作波长范围，增加波长间隔；同时，还应尽量减小光纤的偏振模色散，以及在减小四波混频效应的基础上尽量减小光纤工作波段上的色散，以适应单信道速率的不断提高。

　　适应DWDM的新型光纤的发展
　　目前广泛应用的G.652光纤虽然有利于克服光纤的非线性效应，但它在1550nm区的较大色散，不能满足信道速率高速化的要求；G.653光纤在1550nm区的零色散虽然能满足信道速率高速化的要求，但在DWDM应用中存在严重的四波混频效应。有鉴于此，1994年，国外公司先后推出了“True Wave”(真波)和“STM－LS”等第一代非零色散位移单模光纤，这种光纤在G.653光纤的基础上，优化了1550nm区色散值，使光纤的工作波段具有少量的色散，以有效地克服四波混频。ITU－T制定了该类光纤的G.655标准。后来，国内外大公司又纷纷推出了大有效面积G.655光纤和色散平坦型G.655光纤，这两种光纤属于第二代非零色散光纤，它比第一代能够更有效地克服非线性效应。最近，第三代的非零色散光纤又已推出，即色散平坦型的大有效面积G.655光纤，是适应DWDM应用最先进的光纤。

　　1997年，武汉邮电科学研究院在国内率先推出了G.655光纤，目前烽火通信科技已研制出最先进的色散平坦型大有效面积G.655光纤，并相继推出了适应于架空、管道和直埋的36芯、48芯和66芯的层绞式G.655光缆产品，大量应用于国内干线网络工程。烽火公司先进的光纤光缆技术配合即将推出的国内最先进的N×10Gbit/s DWDM光传输系统和光传送网络产品，将有力地推动我国通信市场的发展，在我国通信网络的建设中发挥重要作用。




第三讲DWDM技术走势
第三讲DWDM技术走势
　　DWDM关键技术都已成熟，Gb/s级系统得到广泛应用，Tb/s 级系统的商用也正在计划中。目前DWDM技术体现出如下发展趋势。首先是系统传输容量的持续增长，可通过提高通道速率、增加复用波长数量、扩宽应用波长范围等方案实现传输容量的扩大。　　编者
　　提高通道速率。
　　最先实用的DWDM系统多基于2.5Gb/s的通道速率，现在基于10Gb/s的多波长系统正在实用，基于40Gb/s速率的系统已进入实验阶段，技术日渐成熟。此外应用OTDM技术可将单通道速率提高至ETDM方式无法达到的高度，目前的实验系统已经使通道速率达到了160Gb/s。

　　增加复用波长数量。
　　8、16、32个波长的DWDM系统已经大范围使用， 100个波长的系统也走向商用。而实验室里的成绩尤为突出，已完成了1022个波长的复用试验。应用波长范围受限时，要增加复用波长数量，必须缩窄通道间隔。目前的DWDM实验中，通道间隔已达到25GHz。

　　扩宽应用波长范围。
　　除了充分利用目前使用的 "C波段"的传输能力外，DWDM系统应用的波长范围正在向"L波段"发展，甚至有人将L波段的长波长一侧延伸到1700nm。此外，对"S波段"的应用也在计划之中。当1385nm波长的OH－吸收峰被削减之后，S波段与1310nm窗口便连接起来。对于比较短距离的传输，应用波长范围将扩宽至1100nm～1700nm。

　　DWDM技术的另一个发展趋势是光再生中继器的开发。 受光信噪比恶化、光信号波形恶化等因素限制，DWDM信号经过数个光放段传输后必须再生一次，再生段距离不可能无限制地长。随着通道速率提高、复用波长数量增多，解波分复用后分别进行再生的电再生方式，设备庞杂、建设和运行成本高。开发光再生中继器不仅对传输系统十分必要，对提高光网络的透明性、实现全光传送网络也是不可缺少的。目前已有实验性光再生中继器，但其性能还不能与电再生中继器相提并论。如何实现对DWDM系统中的所有波长一起进行再生处理，仍在研究开发中。

　　DWDM技术已经开始向城域网发展，日趋价廉的DWDM产品及其软件对本地网的建设和改造颇具有吸引力。各大设备厂商自1999年开始研制用于城域网的DWDM系统，并声称已开发出城域DWDM产品；网络经营商也看好DWDM设备，Bell Atlantic和Bellsouth这些老牌电信运营商都在考察这项技术并进行试验。据Lucent公司预测北美城域DWDM市场将从1998年的2亿美元发展到2003年的10亿美元，大约占DWDM市场的23%。世界范围内城域网和局域网所应用的DWDM设备市场年增长率约为60%，到2005年将会达到34.2亿美元，而长途传输用DWDM设备将为30.4亿美元。

　　DWDM虽然已经广泛应用，但基本上处于利用DWDM终端与光放大器组成点对点传输线路的状态。随着光节点技术的进步，单纯点间传输的现状正在改变，开始引入OADM设备构成光环路，最终还要采用OXC构成可选择波长路由的格形光网络。如今，OADM已逐步投入商用，OXC也开始提供小规模的产品。