（通信与信息系统专业论文）高速超长距离传输系统及新型光路交换网研究.pdf

j b 鏖交通盘堂谴堂缱迨塞 中文摘要 本文的大部分工作是在8 6 3 计划项目( w d m 超长距离光传输技术的研究与 实现，2 0 0 l a a l 2 2 0 1 2 ) 和国家自然基金重点项目( 全光网波长交换关键技术研 究，6 0 3 3 7 0 1 0 ；高速光通信系统中的偏振模色散补偿及相关技术与基础研究， 6 0 4 3 7 0 1 0 ) 的支持下完成，可以概括为两个部分。一是基于啁啾光纤布拉格光栅 ( c f b g ) 色散补偿的高速超长距离传输系统及相关技术研究，如c s r z 、r z 、d p s k 等新型码型在基于c f b g 补偿的系统中的传输性能的理论和实验研究：基于c f b g 补偿的电时分复用( e t d m ) 4 0 g b p s 系统的偏振模色散( p m d ) 效应的研究；以 及在超短光脉冲的脉冲压缩和基于c f b g 补偿的色散管理孤子( d m s ) 传输等方 面的数值研究。二是新型光路交换网络系统及相关技术研究，在导师提出的“新型 分布式波分纤分光路交换”的原创思想指导下，构建了具有多种演示功能的实验 网，并对实验网的波长分配、故障保护机制、具体实现多种功能的节点结构等方 面做了理论分析和实验研究。 总结全文，主要有如下工作和创新点： 在“新型分布式波分纤分光路交换”的思想指导下建设具有新型信令系统的试 验网；设计并构建了网络节点的具体结构( 包括信令系统、上下话路、故障 倒换、视频传输等功能) ；开发了一套控制、协调实验网节点系统多种功能的 应用软件。 在全部采用c f b g 补偿3 0 0 0 k m g 6 5 2 光纤的多通道传输平台上，首次使用 l o g b p sr z 和c s r z 码在无r a l i l a r l 放大器、无f e c 纠错、放大间距达1 0 0 公 里等条件下实现超长距离( 2 5 0 0 k m ) 低功率代价无误码传输：及c s r z 码在 约3 0 0 0 k m 处实现误码率b e r 1 0 母的传输；并得到在此平台中c s r z 优于r z 码、i 屹优于n r z 码的结果。 首次在国内应用4 x 1 0 g b p se t d m 实现基于宽带c f b g 色散补偿的大于5 0 0 k m g 6 5 2 光纤的4 0 g b p sn r z 传输系统，积累一小时的误码率7 3 x 1 0 4 2 ，达到国 际先进水平。在上述直传系统中采用快速扰偏( f p s ) + f e c 技术提高系统的 p m d 容限，进一步增加传输的距离。因无需将现有的1 0 g 误码仪更新为4 0 0 的误码仪，节省了大量经费。 首次在基于c f b g 色散补偿的系统中探讨沿链路长度方向的色散波动和功率 波动对系统性能的影响，结果表明在高速超长距离的传输中两种波动对不同 的码型影响程度不同，c s r z 比r z 具有更好的稳定性；并首次对基于c f b g 色散补偿的d m s 传输系统进行初步的探索研究，得出光栅的群时延纹波对 d m s 有严重影响。 中文摘要 首次在脉冲压缩的数值研究中根据超高斯脉冲在光纤中的压缩特性提出：上 下啁啾的互作用效果是整体上的一个平均效果，非单纯的上啁啾与非单纯的 下啁啾相互作用可以使光脉冲发生分裂，但总会有一个较强的碰撞压缩过程。 关键词：光路交换、超长距离传输、调制码型、电时分复用、啁啾光纤布拉格光 栅 分类号： i e 基窑煎鑫堂墟堂僮论塞 a b s t r a c t t h ep a p e ri n c l u d e st w os e c t i o n s t h ef i r s to n ei st h er e l a t e dt e c h n o l o g i e so fh i 曲 s p e e du l t r a - l o n gh a u l ( u l h ) s y s t e mb a s e do i lc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( c f b g ) s u c h a st h et r a n s m i s s i o no fa d v a n c e dm o d u l a t i o nf o r m a t ss u c ha sr z c s r za n dd p s ki n t h e1 0 g b p sc f b g s y s t e mt h ep m d c o n t r o lt e c h n o l o g i e si nt h e4 0 g b p sc f b g s y s t e m ， d m si nc f b g s y s t e m ，o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s e da n ds oo n t h eo t h e ri san e wo p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) s y s t e m ，n a m e d “an o v e ld i s t r i b u t e do p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g s y s t e mw i t hw d ma n df i b e r - d i v i s i o n ”w i t ht h et h o u g h to fa c a d e m i c i a nj i a no f c h i n e s es c i e n t i f i ca c a d e m y , ae x p e r i m e n t a ld e m os y s t e mw a sd e s i g n e d ，w h i c hu t i l i z e da s p e c i a ls i g n a l i n gs y s t e m d i f f e r e n to p e r a t i o n sw e r ei m p l e m e n t e di nt h i ss y s t e ma n di t w a sas e l f - h e a l i n go p t i c a ln e t w o r k s o ，t h ei n n o v a t i o n so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： u n d e rt h ei d e ao fa c a d e m i c i a nj i a n d e s i g n e da n dc o n s t r u c t e da ne x p e r i m e n t i o n s y s t e m ，a n dc o m p i l e da c o n t r o ls o f t w a r eu s e di ne v e r yn o d eo f t h es y s t e m ； t h er za n dc s r zc a l lb et r a n s m i t t e do v e r2 5 0 0 k mw i t hf r e ee l l o ri nal o wp o w e r p e n a l t y o n3 0 0 0 k m10 g b p ss y s t e m p l a t f o r mb a s e do nc f b gd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ，w i t h o u tf e ea n dr a n l a na m p l i f i e r ； t h e4 0 g b p s ( 1 0 g b p s + 4e t d m ) n r zc a nb et r a n s m i t t e do v e r5 0 0 k mi nc f b g d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns y s t e m ，w i t h o u tf e ca n d r a n l a na m p l i f i e r a n dt h e d i s t a n c ec a i lb ei m p r o v e dg r e a t l yi ft h ef a s tp o l a r i z a i o ns c r a m b l e ra n df e cw a r e u s e dt or e d u c et h ee f f e c to f p m d ； a n a l y z e dt h ee f f e c t i o no ff l u c t u a t i o no fd i s p e r s i o na n dp o w e ra l o n gt h e f i b e ri n c f b gs y s t e m ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tc s r zh a sab e t t e rs t a b i l i t y ； d i s c o v e r dt h a tt h ei n t e r a c t i o no fd i f f e r e n ts i g nc h i r pi sa l la v e r a g ee f f e c tb o t ha n u n - o n e f o l du p c h i r pa n da nu n - o n e f o l dd o w n c h i r pm a yb r e a kt h ep u l s e ，w h o e s i m p a c t i o nw i l le v e n t u a l l yc o m p r e s s e st h ep u l s e ； r e s e a r c ho nt h ed m si nat r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nc f b gt h er e s u l ti n d i c a t e s t l l a tt h ed e l a yr i p p l eo fc f b gh a v o ct h ed m st r a n s m i s s i o n k e y w o r d s - o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) ，u l t r a - l o n gh a u l ( u l h ) ，m o d u l a t i o n f o r m a t ，e l e c t r i c a lt i m e - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( e t d m ) ，c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( c f b g ) c l a s s n o ： 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师简水生院士的悉心指导下完成的，简先生严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，并时常鼓励我们在科学研 究的道路上要有百折不挠的精神、不断进取的恒心，要有报效祖国、振兴中华民 族的远大理想。简先生自己就是这样做的，是我们学习的榜样。而且简先生悉心 指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和 帮助。在此衷心感谢多年来简先生对我的关心和指导。 延风平、娄淑琴、陈根祥、李唐军、宁提纲、裴丽、江中澳、李艳涛等老师 对于我的科研工作、学习生活和论文等方面都给予了许多帮助，在此表示衷心的 感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，陈勇、谭中伟、刘艳、张峰、秦羲、王目光、 张建勇、吕博、卢丹、陈明、童治、郑凯、董小伟、李彬、陈婷、马丽娜等老师、 同学对我论文中的部分研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 还要特别感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 、业。 第一章绪论 一直以来，更大的传输容量，更远的传输距离和更好的传输效果就是光通信 系统所追求的目标。近年来，大量新技术的应用带来的传输距离和容量的快速增 加，使得光传输系统的发展甚至超过了由摩尔定律所定义的增长速度。尽管目前 信息产业的发展势头有所减缓，但随着信息全球化的进程以及新的数据业务的不 断涌现，发展超长距离，超大容量的光通信系统仍将是未来研究前沿的主题之一。 在光通信系统的容量不断提升的同时，现实网络中仍然使用的电交换逐渐成为高 速网络发展的瓶颈。犹如在高速路上行驶的车辆不得不通过轮渡过河，造成拥堵， 这必然降低高速路使用效率，解决的办法就是修建高效的立交桥。而光交换正是 现代通信网络急需的“立交桥”。 正是在光通信容量不断剧增、人们急切期待光交换时代的到来的背景下，世 界各地的通信研究者相继提出了光路交换网( o c s ) 、光分组交换网( o p s ) 、光 突发交换网( o b s ) 、智能光交换网( a s o n ) 等光交换理念。虽然这些光交换网实 现的难以程度不同，但都因各自特有的技术条件限制在近期很难实用化( 详情见 后文) 。针对这种情况，本所简水生院士提出了“新型分布式波分纤分光路交换 网”的新思想。本文即是在这个思想的指导下，结合8 6 3 计划项目( w d m 超长距 离光传输技术的研究与实现，2 0 0 1 a a l 2 2 0 1 2 ) 和国家自然基金重点项目( 全光 网波长交换关键技术研究，6 0 3 3 7 0 1 0 ；高速光通信系统中的偏振模色散补偿及 相关技术与基础研究，6 0 4 3 7 0 1 0 ) ，在高速超长距离传输实验中研究传输技术， 并应用于光网络的建设，构建了一个四节点全长1 2 0 0 k m 的环形实验网。全网涉及 2 0 多路信令信号波长通道，具有自愈、突发，视频等多种功能或业务。工作中结 合理论和实际情况进行分析研究，获得一些有益的结论，将在各章节中进行详细 阐述。本章先对光通信传输技术和网络技术的发展及其现实问题等作简略的回顾。 1 1 光通信技术的发展和当前遇到的问题 2 0 世纪上半叶的无线电报、电话彻底取代了古老的易被天气影响和人为误传 的传讯方式，似乎大规模的信息传递不会与“光”有太大的关系。激光器的出现 改变了人们的这种观念。 第一章绪论 上世纪6 0 年代激光器发明后，激光与微波和毫米波一样，都是相位较一致的 相干电磁波，人们自然会想到用激光代替微波来通信，但必须克服以下困难：1 ) 用低损耗的光波导取代同轴电缆i2 ) 研制适合上述光波导传输波段的激光器。即 使如此，人们还没有看到这会带来通信容量的急剧增加，只是寄希望于光波导的 低损耗能提高系统的可靠性，降低通信成本。到了7 0 年代，石英光纤低损耗化和 半导体激光器的发展，使上述的困难得以解决。石英光纤的损耗已经降到很低的 0 2 d b k m “( 得益于o h 根的清除技术的发展( 2 ) ) ，接近理论极限。光纤的损耗窗口 也从8 0 0 n m 移到1 3 0 0 n m ，最终移到1 5 5 0 n m 。在这个时期，i n g a h s p 半导体激光器 的波长范围达到1 2 0 0 n m - - 1 6 0 0 n m ，甚至研制出高性能的分布反馈型( d f b ) 激光器 ( 3 l o 有了这些技术基础，到了8 0 年代，人们开始进行真正的光纤通信系统的研究 开发：1 ) 在发送端用半导体激光器将电调制信号变成光的强弱变化；2 ) 把这种 有强弱变化的光信号用低损耗的石英光纤传输到接收端；3 ) 在接收端用光电二极 管重新把光的强弱信号转换为电信号。光纤通信的主要特征就是高速、宽带以及 基于低损耗的长距离传输。但此时的光纤通信系统的传输比特率还不到lg b it s 。 人们接着要解决的问题是如何提高光纤通信的容量和距离。 距离的延伸离不开中继器。如果中继采用光电光( o e o ) 的方式，无疑因为电 子技术的局限限制了比特率的提高，而且昂贵的电子设备也会大幅增加成本。如 果采用光中继( 0 0 0 ) 的方式，就需要性能很好的光放大器以补偿系统长距离传 输时光纤的功率损耗。9 0 年代，掺铒光纤放大器( e d f a ) 的应用使得0 0 0 中继成 为可能。e d f a 能直接放大中心在1 5 5 0 h m 附近的光信号。而且e d f a 不依赖于比特 率，放大带宽又宽( 不小于3 0 n m ) ，对以后的传输容量的扩展起到了重要作用( 如 单通道比特率的提高、w d m 技术的应用等不受光放大器限制) 1 4 - 7 ) 。 从9 0 年代中期以来，随着许多光通信技术的发展，通信的容量和距离得到空 前的发展。这些技术主要有波分复用技术( w d m ) 、掺铒光纤放大器( e d f a ) 、色散 管理技术、前向纠错( f e c ) 以及近期出现的拉曼光纤放大技术( r f a ) 、新型码型 调制技术以及光孤子传输技术等( 8 - 1 2 ) 。 北京交通大学博士学位论文 有这些高速率长距离传输技术的支撑，光通信网络也得到快速的普及和发展， 使电因特网逐渐转向 光因特网，传输容量得 到大幅提升。这种变化 主要出现在骨干链路 上，实际只是利用了光 纤具有大容量的“传 输”功能，在网络的节 点还得把光信号变为 表1 1 1 光纤通信的发展历程 2 0 “6 0 激光的发明 光载波频率：宽带大容量通信的可能 2 0 “7 0 半导体激光器、光纤技术的进步 2 0 “8 0 系统的应用 2 0 “9 0 光放大技术、w d m 技术 2 0 0 0 年以后光网络技术 电信号以实现网络的交换功能，因而形成电子瓶颈，大大限制了整个网络的传输 容量，也远没实现人们期望的每个家庭都能享用的大容量( 不小于1 g b i t s ) 通信 的接入。因而近年全光网络成为光纤通信领域的研究热点之一。所谓“全光网络”， 是指信号的传输、交换及上下路都在光域进行的网络。全光网络的接入网可以直 接通过光纤进入家庭( 光纤到户，f t t h ) ，以满足人们日益高涨的接入容量的需求。 当前的问题是怎样实现全光网络? 首先需要解决的技术问题是全光交换；其次是 降低高速光通信器件( 主要是激光器、光调制器、光分插复用器等) 的成本，直 到一般家庭可以接受的程度。这两项任务都异常艰巨。 1 。2 高速超长距离光传输系统概述 1 2 1 光纤通信传输系统发展趋势 图1 2 1 通信系统模型 通信系统一般包括信号采集、分析、变换、放大、发送、传输，接收、检测、 第一章绪论 反变换、加工处理以及复接和交换等过程。整个系统可以用图( 1 2 1 ) 的模型来 描述1 3 ) 。对于光纤通信系统而言，模型的相应部分具体是：高速射频基带数字信 号( 或s d h 数据) ；d f b 激光器及高速外调制器；各种类型的光纤；光电转换器； 终端设备，或者信号检测仪器( 如示波器、误码仪等) 。线性光纤系统的干扰源主 要来自于光放大器的a s e ，以及电域检测器的热噪声等。光通信技术的发展离不 开上述各部分的技术发展。 薯 昌 v 删 饰 籁 捌 赠 兰 o 再生距离( k m ) 图1 2 2 系统容量和再生距离的发展趋势 比特率( t d m ) 图1 2 3 系统扩容方式 4 g b w s 北京交通大学博士学位论文 总的而言，光传输系统的发展趋势是：节约投资成本和降低维护成本，具有 更强的组网功能。因而光纤通信系统问世以来，一直朝着两个目标发展：一是延 长中继( 再生) 的距离，二是提高系统容量，见图( 1 2 2 ) ( 3 ) 。也就是所谓的向超 高容量( u h c ) 和超长距离( u l h ) 两个方向发展。提高光纤通信系统容量常采用的两 种途径( 见图( 1 2 3 ) ) ：一是通过时分复用( t d m ) 提高单信道比特率；二是通 过波分复用( w d m ) 增加单纤信道数。t d m 有e t d m 和o t d m 方式；w d m 波 长通道数的增加也有减少信道间隔( d w d m ) 和扩展光纤的可用光谱宽度两种方 法。现今实用化的e t d m 已经发展到s d h 的s t m 6 4 ( 9 9 5 3 2 8 g b i t s ，俗称1 0 g 系统) ，而且更高速率的4 0 g b i t s 也在逐渐走向成熟。然而，e t d m 发展到4 0 g b i t s 后再往更高的速率发展就更加困难，因为其速率受限于集成电路的硅材料和镓砷 材料的电子和空穴的迁移率。而且高速率的电子器件成本很高。至于o t d m ，主 要受限于光纤的色度色散和偏振模色散，如果采用适当的光非线性技术并结合特 种光纤技术，可以使o t d m 用于更高的速率。 表1 2 1 对系统一陛能和传输距离限制的主要物理因素( 以1 0 g 系统为例) 传输长度 6 4 0 k m6 4 0 2 0 0 0 衄2 0 0 0 4 0 0 0 k m o s n r 劣较明显，较严重，严重， 化 需要均需要拉曼放大器、需要拉曼放大器、 衡f e c 等f e c 、均衡 色散效应较明显，较严重，严重， 需要色散补需要色散管理和均衡需要精细色散管理、特殊码 偿 型 非线性效较明显较严重，严重，需要优化色散管 应需要优化色散管理手段理、特种光纤、特殊码型 注：从此表可见，后文的基于c f b g 补偿g , 6 5 2 光纤的1 0 g 系统在无拉曼放大器、无f e c 、 未采用特种光纤等情况就能达到2 5 0 0 k m ，实属国际先进水平。 按业界流行的观点，长途系统可如下分类( 1 4 ) ：一是常规长距离传输( l o n g h a l l l ， l h ) ，电再生中继段长度在6 4 0 k m 以下的系统，二是亚超长距离传输( e x t e n d e d l o n g h a u l ，e l h ) ，指电中继段长度在6 4 0 k r n 至2 0 0 0 k m 以内；三是超长距离传输 第一章绪论 ( u l h ) ，指电中继段长度在2 0 0 0 k m 以上。 每一次传输容量和传输距离的大幅度提升，都与市场需求和关键技术的突破 紧密相关。回顾光传输系统的历史发展轨迹可以明显地看出，无电中继传输距离 的每一次较大规模的提升，总是基于新技术的采用和关键问题的解决而实现的， 同时又伴随着对传输距离限制的其它因素的突显。这些物理因素包括放大器自发 辐射噪声积累、色度色散、非线性效应和偏振模色散( p m d ) 等。在单信道1 0 g b i t s 的u l h d w d b l 光传输中，又以前三种物理效应最为明显( 见表( 1 2 1 ) ) ，而p m d 效 应主要在更高速率如4 0 g b i t s 的传输系统中才明显起作用。 1 2 2 高速超长距离传输的关键技术 为了应对上述技术挑战，增大传输容量和延长无电中继距离，科研人员开发 出了多种新技术，包括分布式拉曼放大器技术、前向纠错技术、新型编码调制技 术、非线性技术、新型光纤技术、色散管理技术、p m d 补偿技术、自适应均衡技 术、全光再生技术、光孤子传输技术等等。表( 1 2 2 ) 归纳了传输中遇到的问题 以及解决的相应技术14 1 。 表1 2 2 超长距离w d m 系统的关键技术问题及解决方法 目标主要问题 解决技术备注 f e c 等效于接收机优化 损耗及 采用低损耗光纤 降低光纤的损耗 o s n r 劣化分布拉曼放大和e d f a 降低在线放大器噪声指数 混合放大 增益平坦降低信道间的功率差异 新型光纤减少跨段的色散起伏 色散效应精细色散补偿优化跨段色散残余量 码型技术提高系统的色散容限 色散斜率补偿降低信道问的差异 码型技术提高抵抗非线性的能力 延长传 优化脉冲波形提高抵抗非线性的能力 输距离 非线性效应 拉曼放大 降低入纤功率 有效面积管理改变非线性有效长度 新型光纤 大有效面积、 6 北京交通大学博士学位论文 低非线性系数 孤子传输系统利用非线性 新型光纤降低p m d 系数 p m d 效应p m d 补偿补偿传输链路p m d 码型技术提高抗p m d 能力 电域补偿 扩大带宽：应用新带宽光放大器如l 波段放大器 现有光放大 宽带光放大器如拉曼放大器 增加系器带宽有限 统容量提高光谱效相邻信道偏振正交减少串扰 率：信道串残留边带( v s b )减少串扰 扰加重偏振光分复用( p d m ) 上表中列举的技术方案，有些已经发展得比较成熟，如色散管理技术、e d f a 放大技术等；有的刚刚发展起来并在不断提高，如码型调制技术、分布拉曼放大 技术以及新型光纤技术等；还有很多技术不够成熟，还不能广泛应用，如p m d 补 偿技术、光孤子传输技术等。尤其值得注意的是：码型技术在多个方面都得到了 应用，在工作中可以优先考虑。这是本文在传输技术方面研究的重点之一。 在大于4 0 g b p s 的高速传输系统中，p m d 效应已经是不可回避的障碍。目前p m d 补偿还没有比较成熟的技术方案。现阶段降低p m d 影响的主要途径有：1 ) 在收 发端解决p m d 问题，如采用新的调制方式或特殊码型的光信号，使信号脉冲不易 受p m d 的影响。如r z 码的脉宽越窄对p m d 的抑制能力越强。特点是成本低， 适合新近铺设的光纤线路。2 ) 采用光域或电域的p m d 补偿器。特点是成本高， 可用于早期铺设的光纤。3 ) 改进光纤制作工艺，进一步降低光纤的p m d ，见( 1 2 3 ) 表。4 ) 采用光孤子传输技术，因为在一定条件下的“孤子俘获”效应使光孤子几 乎不受p m d 的影响。更彻底的解决方法是研发低成本的p m f ( 保偏光纤) 以取代 普通光纤。不过近期还难实现，而且相应的光器件如光放大器等也要求保偏，使 系统的成本提高。所以本文传输技术方面的另一个研究重点是基于c f b g 色散补 偿系统的p m d 效应，并采用快速扰偏+ f e c 的技术抵抗p m d 的影响。 7 第一章绪论 表1 2 。3 在误码率小于1 0 _ 。的情况下的p m d 受限 p m d2 5 g b i v s1o g b i f f s 4 0 g b i v s ( p s k m l 佗) 3 o1 8 0 k m1 1 k m 1 k m 1 01 6 0 k m1 0 0 k m6 k m 0 5 ( 8 0 年代)6 4 0 0 k i n4 0 0 k i n 2 5 k m 0 1 ( 9 0 年代后) 1 6 0 0 0 0 k m1 0 0 0 0 k r n6 2 5 k m 1 3 高速通信网络概述 1 3 1i p 网络遇到的困难 目前有三大信息网络：电信网、广播电视网、计算机网( 因特网) 。未来的趋 势是三网走向融合，并由下一代网络( n g n ) 所取代。国际电信联盟i t u t 提出 了有关下一代网络n g n 的建议，但没有对n g n 给出确切的定义0 3 ) 。其方向之一是 改进i p 技术，升级现在的i p 网络，实现三网合一。 但i p 网络技术还存在争议。争议来源于i p 技术的缺陷：i p 协议无法提供端到 端的服务质量控制和安全机制；对实时业务支持不力；对移动接入的支持性差； 不具备开放的业务平台，对新业务的兼容性差。因此，在目前网络中，受信者不 能实时地、准确地知道发信者的地址码，这就给黑客入侵、病毒流行、黄色泛滥、 垃圾信息成山、网上赌博盛行；而且，在非常时期敌人对网络的攻击将使整个互 联网陷于瘫痪。显然，这不是一个信息安全的网络。这也是电子商务等信息化业 务不能在i n t e r n e t 网上得到迅速的发展的原因之一。还有，网络的实时性较差， 使得像异地手术等对实时性要求高的活动就无法进行( 除非使用专线) ，不能及 时有效的分享技术以抢救病人，是现在网络的一大遗憾。 i p 技术的这种缺陷是固有的，不可能完全被克服，因为i p 技术是在“边缘理 论”上建立起来的。边缘理论认为只有将相应的知识和帮助置于通信系统的边缘， 特定的应用功能才能完全和正确的实现；通信系统本身无法提供这样的应用功能。 得出这一结论的依据就是：网络是不可靠的。这个理论是在1 9 8 1 年，s a l t z e r 、r e e d 、 c l a r k 总结了之前大约1 0 年内相关的研究成果后，在发表的e n d t o - e n d 北京交通大学博士学位论文 a r g u m e n g t si ns y s t e md e s i g n ) ) 一文中提出的( 1 6 ) 。边缘理论在后来的 i n t e m e t 设计中被实现。这种设计思想决定了i n t e m e t 采用i p 这样的无链接分组交 换机制，采用路由机制和尽力服务准则处理业务数据。 边缘理论虽然在提供网络业务的灵活性、网络的通用性和开放性等占有优势， 但也存在严重的问题：网络的传输效率和资源利用效率比设计者的初衷要低得多， 大量应用要求的服务质量不能被满足，网络中的敏感数据得到的保护不足，系统 本身也很容易受到严重的攻击。c l a r k 和b l u m e n t h a l 在2 0 0 1 年总结了问题的原因 0 7 ) ：通信的参与者之间缺乏互相信任；个性化应用增长迅速；i n t e r n e t 商业模型演 变：第三方参与度的提高；用户终端的高度异构。因而，2 0 年前提出的边缘理论 已经不再适合下一代通信系统的设计。 1 3 2 全光通信网的特点和光交换的现状 网络通信技术的发展已经历两代，第一代全电网络，信号的传输通路完全通 过电子技术方式实现。它的容量在几十年前就已经不能满足要求。第二代传输网 络是用光纤部分取代电缆后形成的电光网络，这是目前广泛使用的网络。光纤通 信的高速和大容量等优越性能使人们认识到光纤通信取代传统的电子通信的必然 趋势。由于目前通信系统中的电子技术方式已经限制了光纤通信优势的发挥，出 现了所谓的“电子瓶颈”问题，因此很多人把全光网络作为第三代通信技术来研 究。 和i p 网络相比，人们更多期待的新一代网络是全光网络。因为全光网络有如 下优势1 8 ) ：具有很高的可靠性、安全性和存活性；具有好的扩展性，能适应业务 发展的需要，特别是对突发请求的需要；具有良好的透明性，能够适应任何类型、 任何格式和任何速率的信息；具有高速、高质量和无阻塞传送和交换性能；能实 现全业务服务；具有强的兼容性，能实现多种技术、多种网络、多种媒体以及多 种业务的融合：能实现全时、全方位的无缝服务，即任何人可以在任何时候、任 何地方、与任何对象进行任何方式的交互式通信；具有进行个性化服务的能力； 管理简单和维护方便：成本合理等等。 全光通信网络( 简称“全光网”，a o n ) 是指通信信号完全在光域进行传输和 9 第一章绪论 交换的网络。它主要由光纤链路、光节点和网络管理等部分组成。全光网相对于 传统的光纤传输网( o t n ) 的突出特点是光节点的全光处理没有“电子瓶颈”效应 的影响。全光网这种从源点到宿点的端到端的全光传输和交换还有以下特性1 9 - 2 0 ) ： 1 ) 透明性：全光网的节点进行全光交换、o a d m 和o x c 都不进行光电电光处理， 因此它的工作与光信号的内容无关，对于信息的调制方式、传输模式和传输速率 透明。因而互相独立的s d h 传输网、p d h 传输网、a t m 网络、i p 网络等都可以建立 在同一全光网络上，共享底层资源，并提供统一的检测和恢复管理能力，降低网 络运营成本。2 ) 存活性；全光网在保护能力、抗毁能力、自愈能力、快速恢复及 重构能力等方面性能优越。当发生链路故障、器件失效以及节点故障时，可以通 过光信道的重新配置和切换保护开关的运作，为发生故障的信道重新寻找路由， 使网络迅速自愈和恢复，因而具有很强的生存能力。3 ) 可扩展性：全光网具有分 层的拓扑结构，o a d m 和o x c 都采用模块化设计，在已有的网络结构上能方便地增 加网络的光信道复用数、路径数和节点数，实现网络的扩充。4 ) 兼容性：全光网 与传统网络兼容。 然而，要实现全光网还需要跨越重重技术障碍。从系统的角度看，支撑全光 通信的关键技术基本上可以分为光传输技术、光交换技术、光放大技术、和光处 理技术等几大类。相应的难点有全光再生( 3 r ) 、全光交换、宽带拉曼放大器以及 光缓存、光包头的提取和处理等。其中最核心的技术问题就是全光交换。光交换 技术是指不经过任何光电转换，在光域上直接将输入的光信号交换到不同的输出 端。 按照多粒度、多任务的透明传输要求，光交换可分为2 1 ) ：1 ) 光路交换( o c s ， o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 技术2 们，又称全光线路交换：在光子层面的最小交 换单元是一个波长通道上的业务流量。2 ) 光分组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 技术) ：以光分组( 包) 作为最小交换颗粒。3 ) 光突发交换( 2 3 - 2 4 ) ( o b s ， o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 技术：采用数据分组和控制分组独立传送，在时间和 空间信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发包作为最小的交换 单元。突发数据包是在入口边缘节点由多个具有相同特性的分组( 相同目的节点 地址或服务质量等) 汇聚而成，并在出口边缘节点完成解汇聚。4 ) 光多协议标记 分组交换( 2 5 3 2 ) ( o m p l s ，o p t i c a lm u l t i - - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技术：将 1 0 北京交通大学博士学位论文 多协议标记交换技术与光网络技术结合，由m p l s 控制平面运行标签分发机制，向 下游各节点发送标签，标签对应相应的波长，由各节点的控制平面进行光开关的 倒换控制，建立通道。 目前，因采取不同的光交换方案而形成的全光网络研究方案主要三种：光路 交换网络、光突发交换网络和光分组交换网络等。 光路交换( 2 6 - 2 7 ) ：在光路交换中，如何合理分配波长和通道，以便光网络路由最 优化，是路由波长分配( r o u t i n g w a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ) 的核心问题， 也是光路交换光网络设计中的一个关键技术。其评价指标通常包括连接的阻塞 概率、波长使用下限、光波长通道建立时间、波长转换器的最优使用( 数目、 位置等) 。光路交换的缺点是：波长路由是粗粒度的，以波长或波长组或光纤 为交换的粒度，带宽利用率低，不能实现统计复用，不适于像i p 这样的突发 业务。 光突发交换2 1 ) ：光突发交换是现在呼声较高的光交换之一。光突发交换的概念 来源于电域的突发交换。电突发交换早在2 0 世纪8 0 年代初期就已经出现，但 因为更优越的电分组交换的及时出现，使其没有普及应用。光突发交换具有以 下特点：1 ) 粒度适中：o b s 传输单元的大小介于光路交换和光分组交换之间； 2 ) 控制与数据信道分离；3 ) 单向预留：采用单向预留的方式分配 资源；4 ) 突发包的长度可变；5 ) 无需光缓存。但是光突发交换还有许多为未 解问题：如o b s 如何支持i p 等业务、如何把来至不同网络的数据适配迸o b s 网络与组装成突发包、如何最有效地解决突发包间的竞争、o b s 协议及具体实 施、o b s 网络节点的硬件实现等。 光分组交换( 2 8 - 3 1 ) ：光分组交换遇到的困难更巨，尤其是在核心光子器件领域， 如长时延和高速光缓存器、高速光交换矩阵、光分组头的光处理和同步、光时 钟提取与恢复以及光逻辑器件等。目前o p s 方案还不成熟。 此外，还有一个光网络方案是自动交换光网络( a s o n ) 。但a s o n 沿用了集中 交换的概念，将众多光纤的终端引向交换局，所需光开关组件非常庞大。庞大的 光开关阵列无论是制作工艺，还是电控制层的技术都是前所未有的难题。所以最 终a s o n 的复杂性将前所未有，价格也将是天文数字。 第一章绪论 由前文所述，无论是从i p 技术的固有缺陷。还是从现有光网络方案的现状分 析，都有提出一个更安全、易实现、实时性好的新型网络的必要。我们认为，光 交换将是n g n 的重要基石，关键是采用什么形式的光交换。 先看看光纤资源情况。光纤和光电子元器件的价格也在急剧下降，目前每公 里光纤的售价约1 2 0 元( 3 4 ) ，已远远低于双绞铜线的价格。一般通信电缆要耗用 大量的铜、铅或铝等有色金属等不可再生资源，随着能源的消耗其价格将持续走 高。而光纤本身是非金属，来源丰富，光纤大量取代电缆使用将为国家节约大量 有色金属。 目前全波光纤可利用的光谱宽度约为4 0 0 n m ( 3 6 ) 。若按每波长传输速率为2 5 g b p s ( 如此宽的带宽可以满足当前以及近期任何用户的需求) ，通道带宽取5 g h z ( 约0 0 4 n m ) ，则一根光纤至少可同时传输l 万路，这足够一个大型单位使用。 而且随着光纤技术的发展，光纤的低损耗窗口必将进一步拓展，加上利用新码型 提高带宽的利用率，可用的信道数还会增加。 此外，现在全球已铺设的线路上还存在大量的暗光纤还未加以利用3 孙。即使 在通信发达的美国，光纤的点亮率仅2 6 ( 3 舯，严重的浪费资源。要将这些暗光纤 充分利用的主要困难是需要大量的线路放大器，成本高，运营商不愿扩展这些光 纤的使用量。不过研制中的低成本的大功率包层泵浦放大器( 3 8 - 4 0 ) ，可以作为大功 率泵浦源，同时对光缆的多根光纤进行功率泵浦，即本所提出的一泵多纤技术， 保证每根光纤足够的泵浦功率。 如果把所有的光纤和带宽都用上，这个资源量是相当可观的。在这种情况下， 如果再去研究光的分组交换以提高每个光路的使用效率在近期是完全没有必要 的。实际上，如此廉价的、众多的光路为光路交换提供了发展的条件和空间。基 于此，对于下一代网络( n g n ) 的设计，笔者导师原创性地提出了“新型分布式波 分纤分的光路交换网”的思想( 4 1 - 4 3 ) ，即充分利用廉价的光纤及其宽阔的波长资源 和各种廉价的光电子器件以实现光路交换( 详情见后文) 。这种新型的光路交换 从结构上保证网络的安全和实时性，并且避免了传统全光网需要的近期难以实现 的设备，尽早让人们真真的享受到宽带“冲浪”。 北京交通大学博士学位论文 1 4 攻读博士学位期间主要的工作 本文在8 6 3 计划项目( w d m 超长距离光传输技术的研究与实现， 2 0 0 1 a a l 2 2 0 1 2 ) 和国家自然基金重点项目( 全光网波长交换关键技术研究， 6 0 3 3 7 0 1 0 ；高速光通信系统中的偏振模色散补偿及相关技术与基础研究， 6 0 4 3 7 0 1 0 ) 的支持和“新型分布式波分纤分光路交换网”理念的指导下完成，具 体而言主要有如下工作( 以参与的大致时间为序) ： 参与8 6 3 项目g w d m 超长距离光传输技术的研究与实现下的基于c f b g 色散补 偿的3 0 0 0 k mg 6 5 2 光纤的l o g b p s 传输平台的搭建和传输工作。此项目工程巨 大，几乎全所的老师同学都被动员参与。笔者主要参与的是后期的搭建和传输 工作。如用自编软件优化色散图，按色散图连接传输链路等。优化色散图以调 整不同补偿量的c f b g 和不同长度光纤段的位置，使任意距离上的残余色散偏 离零色散的程度尽可能的小，从而减少色散效应给系统带来的代价。传输链路 连接需要功率控制、信号劣化原因分析查找等等。经过全所人员的努力，终于 实现n r z 码在基于c f b g 色散补偿的3 0 0 0 k mg 6 5 2 光纤的l o g b p s 1 6w d m 传 输系统中利用f e c ( 前向纠错) 达到零误码率传输。此阶段积累了不少传输实 验经验。 提出并实现l o g b p sr z 、c s r z 在3 0 0 0 k m 平台上超长距离的传输( 无f e c ) 。这 是在3 0 0 0 k m 平台建设完成的基础上进行的工作。在实用化要求的低功率代价 ( 小于1 2 d b ) 限制下，能实现2 5 0 0 k m 的超长距离传输。在3 0 0 0 k m 这样超长 的传输平台上实验，首先遇到的问题是：任务的可行性。这需要首先解决，否 则费时、费物。3 0 0 0 k m 平台的c f b g 带宽是按n r z 码设计的，只有0 3 2 n m 。按 照常规的观点r z 码( 若占空比为5 0 ) 的带宽是其两倍，c s r z 码( 若占空比 为6 6 ) 也得约1 5 倍。但是通过理论分析，我们认为0 3 2 n m 的带宽传输r z 和c s r z 是可行的( 详情见后文) 。另外，众所周知，调制器啁啾对脉冲的质 量有严重影响，传统的半时钟调制r z 、c s r z 脉冲都采用双驱动l i n b 0 3m z 调 制器，啁啾很小( 啁啾系数a 约0 0 3 ) 。我们已有的l i n b 0 3m z 调制器虽然是 x 一切，但都是单驱动的，最小的啁啾系数q 约0 2 ，能否半时钟调制r z 、c s r z 脉冲? 通过实验研究发现单驱调制器0 2 的啁啾量会对r z 、c s r z 脉冲的消光 比、载波的抑制效果有一定的影响，但用现有的单驱调制器调制r z 、c s r z 脉 第一章绪论 冲是可行的。超长距离传输的实验结果证明了上面的推断。 全面参与具有四个节点的总长1 2 0 0 k m 的环形实验网的建设工作。此部分工作 主要是在导师指导下，根据新型交换网理念构建一个具有普通业务无阻塞、