光网络技术发展分析

爱卫生

本文摘自《科技信息》2012年34期。【作者】 刘玉莹；【机构】 江西科技师范大学通信与电子学院；

【摘要】 随着IP、MPEG、3G等新业务对传输带宽的急剧增长,传输网的特点正在发生变化。本文从功能特点、网络结构方面对现代光网络进行了探讨,同时对其关键技术OXC进行描述。

【关键词】 OXC； 全光网； MEMS；

1.概述

随着IP、MPEG、3G持续发展，对传输带宽的需求急剧增长，传输网也从以承载传统话音业务为主向数据、新型多媒体业务转移。由于话音业务和数据、多媒体业务特性不同，对传输也有不同的要求。

目前的传送网络基本是以SDH和WDM两层构筑，光网络的控制和管理依然停留在SDH等电层。WDM对SDH仅提供简单的传输介质，业务的汇聚、调度都在SDH层完成，业务的保护和恢复也在SDH层实现。但随着新业务层出不穷，以及业务量的快速增长，SDH的弱势也逐渐显现。因为SDH是在电层面完成信息的交换和处理的，而纯电子技术所能达到的极限被认为是1Tbit/s，所以电子瓶颈限制是传输系统中极需解决的问题。目前研究人员已着手在光域实现交换，现代光网将集传输、交换、智能于一体，而不是目前的简单静态传输介质。

2.功能特点

现代光网络容量将继续增大，新技术应运而生。目前传输网商用高速率的系统基本以10Gbit/s为主，但随着技术发展和业务的需求，在实际应用中将出现大量40Gbit/s系统。传输容量的增长不仅表现在单个波长速率增长上，WDM所能承载的通路数也在不断上升。伴随容量的提升，WDM传输系统将面临许多问题，如光信噪比、色度色散和偏振模色散，以及非线性效应等，这需要许多业界先进的技术来解决这些问题，如采用SuperFEC、大功率器件提高信噪比、利用CS-RZ(Carrier-Suppressed RZ)编码技术提高色散容限，动态增益均衡、DCF、PMD补偿以及利用Raman放大技术克服非线性效应等。

现代光网络的另一显著特点是智能化。一方面，传统的网络连接是靠人工配置，这种原始方法费时费力，且易出错，难以适应现代网络和新业务拓展的需要。另一方面，虽然目前WDM的传输容量很大，但以IP为主的网络业务具有不确定性和不可预见性，而且IP业务还有突发性特点，这些因素对网络带宽的动态分配要求越来越迫切，因而要求网络具有良好的自适应性。网络自适应不仅指网络接口和容量的自适应，更重要的是网络连接的自适应能力。自动交换光网络包括网络资源、网络邻居的自动发现、拓扑结构的自动发现，智能的光路由以及信令算法，光通路管理(建立、撤除和恢复），基于网络业务属性的路径算法，实现故障的自动恢复，以及支持由客户端自发建立网络连接等。这些功能的最终目的是实现网络带宽的动态按需分配，增加网络的适应能力。目前传输网中基于MS-SPRing的网络恢复机制比较有限，而智能光网络可以为运营商提供不同种类的网络业务级别，对不同用户分别处理，实现光传输网络层次上的可区分业务。智能光网络将为传输网带来新生机。

庞大的交叉容量在现代光网络中将得到体现。目前的交叉设备一般是通过O/E/O(光/电/光)步骤来实现，在电层实现业务颗粒的交叉调度，但由于电子技术的限制，交叉矩阵容量较难突破512*512等效STM-1端口。而现代光网络可在纯光层实现业务的调度，做到真正全光网，设备交叉通过O/O/O(光/光/光）实现，交叉矩阵容量可达1000*1000等效STM-1以上的端口，且可做到业务的全透明传输。

3.网络结构

图1光网络结构图是基于光路交换的情况。最外的电层完成业务汇聚及主要的包路由功能;边缘交换位于电层和光层之间，完成业务汇聚和基本路由功能;而中间的WDM/电层转换是一个功能模块，同时具备上层，如IP层和WDM层一些功能和特性，用于桥接上层的业务和底层的传输层，既能实现电域处理，也可完成光域处理，可实现上层业务分组的汇聚、电/光信号转换、波长通道的分配、波长路由的设定以及波长转换等。从功能方面分析，整个网络要实现业务的传输，首先需完成数据速率适配和汇聚，调节到达的数据速率，并使高层数据流能够适应光层的传输要求。同时由于IP层有自己的地址规范，而WDM层也有自己的波长分配方案和路由算法，因而还需完成IP地址与光域地址的映射。数据速率适配后，就产生光数据帧，并定义帧结构与帧头，且完成光帧的寻址。进而实现光的分复用，最后通过光波长的分配或光波长的转换使光帧能够适应WDM传输网的传输。

光域部分完全在光层进行，实现全光网解决方案。整个传送网中的大部分交换流量是通过其中核心交换单元完成，而电域中的边缘交换单元只对很少量的分组头信息进行处理，这种把光交换传输与路由转发功能分开的方式，使各单元功能明确，整个网络层次清晰。各核心交换单元通过WDM光传输网互相连接，完成光域的信息交换。在光域，核心单元完成光包转发，并完成WDM链路的统计复用。

4.技术实现

从图1光网络结构图中可知，现代光网络中核心交换单元的硬件平台OXC是光网络的关键器件。目前在商用中的OXC大都是基于传统ASIC技术的电子交换，通过O/E/O的方式实现光交换。这类OXC的显著优点是可以处理比波长力粒度更小的带宽单元，比以全光交换技术构成的OXC更容易管理。但是对于目前和将来的网络中将大量出现的光技术，电子交换核心难以应付波长带宽的爆炸性增长。

如果摒弃O/E/O的转换，只在光域实现交换，则可不受电子瓶颈的约束。网络中实现全光交换的技术有很多种，如：光机械、微光机电技术(MEMS)、液晶技术、气泡技术、热光技术、全息技术、液体光栅和声光技术等等。对光开关一方面必须在插入损耗、串扰、消光比、开光速度、开关规模和开关尺寸等方面具有良好的性能，另一方面必须能够集成为大规模的开关阵列，以适应现代网络的要求。评价这些技术的参数主要有：交换矩阵规模;无阻塞;可扩展性;交换速度;损耗;功耗;长期可靠性;宽工作窗口；性能价格比等。表1列出了几类光开关的性能参数，通过这些性能参数分析，MEMS具有可集成性、功耗很小、串扰也很小（<S0dB)、损耗<5dB等优点，因而是目前最有前景的一项技术。MEMS光交换矩阵由一个微斜的微镜阵列构成，这些微镜可以是二维的或三维的。二维微镜阵列等效于cross-bar开关，是第一代的MEMS光交换矩阵。三维微镜阵列通常由一对组成，光线从输入端口射入后被微镜反射两次，到达期望的输出端口，每一块微镜的倾斜位置两轴可调，可以精确控制在千分之几度以内。

5.结论

目前传输网中光层虽然仅是静态的传输介质，但随着新技术的发展，特别是OXC硬件的实现，以及动态交换概念引入光域，将使现代光网络集传输、智能、交换于一体成为可能。

参考文献
[1]张劲松,陶智勇，韵湘.光波分复用技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.
[2]施穆策,托姆舒.下一代光网络[M].北京:清华大学出版社,2002.