光通信中的关键技术

光通信中的关键技术光纤通信技术的出现是通信史上的一场重要革命。 作为宽带传输解决方案的光纤通信从其生日起就受到特别重视，并保持着强劲的发展势头。 特别是从20世纪90年代中期到末期，无论在技术上还是相关产品上，光通信都迅速发展，在通信领域确立了不可替代的中心地位。现在，光通信技术以超出人们想象的速度发展。 预计过去10年间光传输速度将提高100倍，今后1O年间将提高100倍左右。 IP业务的持续指数增长给光通信的发展带来了新的机遇和挑战：另一方面，IP的巨大业务量和不对称刺激了波分复用(WDM )技术的应用和快速发展，而IP通信量和电路转换的差异也挑战了电路交换带来的SDH (同步数字序列)。 光通信本身也在深刻的变革中，特别是“光网络”的兴起和发展，可以在光域中复用、解复用、选择和交换，可以利用光纤的巨大频带资源来增加网络容量，实现各种业务的“透明”传输，因此光通信技术成为更引人注目的焦点本文简要介绍和展望光通信中的几项关键技术。一、多重技术1 .时分复用技术(TDM )复用技术是增加通信线路传输容量的好方法。 数字通信利用时分复用技术，数字组系列有PDH各组、SDH各组，由电路/分频器和组合/分频器(MUX/De-MUX )构成。 电气TDM目前的最高数字应用速度为10千兆位/s。 直接将这种最高数字速率的数字组调制到光纤上的光载波成为光纤传输的最高数字速率。 因为光纤本身有很大的潜在容量，所以光纤被限制在电的最高速度。 实际上，传输速度从10Gbit/s提高到20Gbit/s左右时，半导体技术和微电子技术的技术界限已经接近，即使开发更高速的TDM电子部件和布线，例如微真空光电子部件、原子级电子开关等技术，开发和生产成本也必然很高，传输因此，尽管TDM的实验室速度已经达到40Gbit/s，但在G.652光纤上实现长距离传输并不令人期待。 相反，如果采用基于每秒10千兆位的高速率WDM系统，则能在四个波长处实现每秒40千兆位的大容量。 这不仅能解决中长期的通信容量需求，而且没有实质的技术困难，也能适应21世纪的通信发展。2 .波分复用技术(WDM )1980年代后半，开始设想在国际上利用单根光纤来同时传输多个光载波，接受数字信号的调制。 如果这些光载波的波长彼此具有足够的间隔，则各电路的数字信号就可以不相互干扰地在一根光纤上传输，这是在光纤通信中使用的波分复用技术。 波分复用技术本质上为光的频分复用，但由于光载波便于用波长表现，所以大多被称为波分复用。 在一根光纤使用n路的WDM，在各电路有10Gbit/s的数字信号的情况下，光纤的传输容量成为nl0Gbit/s，打破电子瓶颈的传输速度的限制。 因此，复用技术是一种扩展的好方法。 随着波分复用技术的成熟和应用，光纤的巨大潜在带宽资源得到充分利用，光纤通信成为支撑通信传输网络的主流技术。 目前，光纤的单波长传输速度已经达到40Gbit/s，进一步提高单波长传输速度受半导体技术的限制。 然而，WDM技术作为光纤传输网络增长的主要技术地位不可动摇。光纤制造技术本身根据WDM系统的要求大幅度改善传输容量，另外激光管等光器件和合波/分波器等在结构和性能上有革新，因此光纤上的多路光载波的波长间隔减少，同时传输的光路数大幅度增加。 为了进一步增加在单根光纤上传输的光路数，1995年，国际上已经使用了高密度波分复用技术(DWDM )。 1998年，约90%的长途通信线路使用DWDM技术，允许单根光纤同时传输更多的光载波，从而进一步增加了光纤传输容量。 目前，商业DWDM系统可以用单根光纤传输的总容量为400千兆位/秒。 技术上DWDM系统技术在持续进步，光纤的传输容量有可能进一步增大。 因此，未来基干通信网的容量预计很快从千兆位/秒水平上升到千兆位/秒水平。3 .时分复用技术(OTDM )光时分复用技术是利用高速光开关将多路复用光信号多路复用到路上传输的技术。 利用OTDM技术，不仅能获得高速率带宽比，而且还克服了诸如掺铒光纤放大器(EDFA )的增益不平坦的特征、四波混合FWM )非线性效应等的因素限制，解决了多端口的竞争，进一步增强了全光网络的灵活性虽然OTDM具有以上优点，但是其关键技术(高重复率超短光脉冲源、时分复用技术、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分复用技术)复杂而难以实现，而且实现这些技术的光电子器件特别昂贵，因此其技术优势还很充分但是，随着光纤传输系统的扩展需求、工业制造技术的不断创新、光电子器件的制造水平的不断提高，光时分复用技术将得到巨大的发展和许多实用。4 .光码分多址技术(OCDMA )作为第三代和第四代移动通信的技术基础，码分多址技术(CDMA )已经对通信业务的发展作出了巨大贡献。 CDMA技术有很多优于其他技术的特点。 如果在增加系统容量方面具有显着的优势，则能够很好地解决移动通信系统中的抗噪声和多路径衰落的问题。 但是，因为卫星通信和移动通信中的带宽限制，CDMA技术的优点并未充分发挥。 光纤通信具有丰富的带宽资源，能很好地弥补这一缺点。 将CDMA技术应用于光纤系统，能够利用光纤的巨大带宽并充分发挥其技术本身的优点是CDMA技术发展的必然趋势。 20世纪80年代中期，海外专家研究了o-CDMA系统，近年来o-CDMA成为备受关注的热点技术。DWDM技术的发展为解决光纤容量扩展问题提供了解决方案，但与OCDMA相比. DWDM方式存在着很大的缺点增加了网络结构的成本。 对很多用户来说，现有的网络成本已经变得很高，而OCDMA技术却为网络的发展提供了新的方法。 如果没有传统SDH所需要的大量TDM中间步，则OCDMA不仅增加现有光纤设备的利用率，还可大幅减少将来建立的光纤的数量。 减少网络中的设备不仅能节省设备本身的成本，而且还能减少运营与设备相关联的其他建设项目、外围设备和支持系统所需要的费用，同时还能通过网络层简化网络管理。 但是，现在OCDMA的技术还不成熟。 影响OCDMA实用化的主要障碍是非相干光CDMA :首先，由于无极性符号的数量限制，符号间干涉也大，用户的数量限制，其次，光编解码器重，不实用等。二、交换技术1 .光分组交换技术光分组交换的概念与电分组交换的概念相似，但在光区域中的扩展，即交换粒度是高速传输的光分组单元。 光数据包的长度可以很短，但是交换设备必须具有处理最小数据包的能力，所以光数据包交换机要求节点的处理能力非常高。 虽然之前提出的全光交换要求在光学域中处理控制信号，但是光逻辑设备目前不实用，因此只能在实验室中演示。 因此，现在国际上通用的做法实际上脱离了实现初期的所谓分组的透明交换的原来的目的，采用光电混合的方法来实现光分组交换。 即，数据在时域中交换，控制信息在交换节点被转换为电信号后进行处理。2 .光突发交换技术(OBS )光突发交换的概念出现在1980年代初。 但是，当时无论是电话网还是数据网，在技术上都相当成熟，无需以突发单位处理声音和数据，所以光突发交换的概念当时没有像电路交换和分组交换那样重视和发展。 实际上，每一次线路交换交换粒度都包含很多语音突发，但每一个突发申请通话显然是浪费的资源。 在初始数据网络中，一个突发代表较大段数据，并且由于占用较少网络资源，可提高传送的成功率并将突发数据分割成多个分组后传送，且以突发为单位。 然而，随着技术的发展，传输速度的增加速度大大超过了处理速度的增加速度，仍须以旧的分组方式进行处理的情况下，网络处理设备长期处于过载状态，不利于网络性能的改善和优化。 因此，需要进一步改进和简化网络节点的处理。 光突发交换是提高处理粒度的好解决方法。 事先发送控制信息，来对每个节点进行曝光吗？ 在电变换、处理、资源预约之后，节点传送突发数据，数据能够始终保持在光区域内，同时消除了在分组交换中一个一个地处理分组首部的时间。 光突发交换节点有核心节点和边缘节点两种。 边缘节点负责重新组织数据的核心节点任务是完成突发数据的传输和交换，例如将接入网络中的用户分组数据封装到突发数据中或将其反向。 与光数据包交换不同，仅在光纤中传送控制数据包的波长进行受光就行吗？ 光电转换、传输突发数据的波长不需要光吗？ 光电转换。 另外，在光分组交换中入口光纤延迟线(FDL )的作用是缓存突发数据，可以省略。目前，通信网正在朝光互联网方向发展，且明显出现了两种趋势。 一是以IP为中心，数据服务在未来吗？ 8年内成为主导业务：第二是IP层下层光化、光传输、光交换成为主要发展方向。 目前，WDM不仅已成为各种网络升级扩展的优先方式而成熟，而且还存在很多关于光交换的争论。 一种意见基本上否定了光交换，认为光交换价格高，技术上也不可行，坚持IP高端路由器和WDM传输的网络发展模式：另一种意见承认光交换，但受IP分组的影响，主张未来的光交换只有光分组交换。 最近，确实简单实用的了解是利用高性能的高端路由器和成熟的WDM传输来以SDH分组(pos )、ATM或千兆以太网(ge )方式以数个波长传输信号以实现因特网升级但是，若波长的数量增加、信号传输速度变快，则处理各波长的分组，路由器的负担大幅度增加，也不能保证网络QoS (服务质量)。 幸运地，随着多协议标签交换技术(MPLS，多协议标签交换)的出现，现在的高端路由器能够很好地解决这两个问题，但是因为路由器以跳为单位进行处理，所以在解决的程度上没有限制。 因此，在光互联网上采用光交换技术应该是必然的发展方向。三、光网络技术光因特网也称为IP over WDM，简单来说，是在光层上直接运动的IP网络或光因特网。 随着IP数据服务的指数增长和WDM技术的成熟，如何利用WDM带来的超大型光纤带宽容量来传输数据服务已经成为全球研究的焦点。因为WDM光网络上的IP数据服务承载是目前最成熟的，并且基于最先进的网络传输技术构建，需要利用现有网络的各种资源(设备、网络方法、网络协议和信号格式等)，所以IP over action 但是，随着各种新技术的出现和设备和网络方式的更新，网络各阶层之间的很多冗馀功能被取消，多层协议栈崩溃而被简化。 但是，不仅仅是丢弃几层，还合理地分解并组合了ATM交换、SONET/SDH复用/解复用、IP层寻址等每层不同的功能。 使中间层的重要功能分别渗透到IP层和WDM光层，最后发展成IP over WDM。直接的IP over WDM方式省略了中间的ATM、SDH层。 其建立在单纯的光传输主干网络上，具有丰富的带宽管理和设施保护恢复能力，并且使用g位或t位路由交换技术和WDM光因特网技术来将IP分组直接传输到光网络上，通过恒定的适配封装， 网络层间的功能大幅减少，降低了网络管理的复杂性和网络运行的成本，提高传输效率，可以容易地进行不同网络间的相互连接和相互操作，实现了光层和业务层的有效整合。 因此，光互联网架构受到通信各界的关注，已成为未来IP网络和光网络互联的主流技术。 还应注意，尽管称为WDM上的IP，但IP并不在WDM网络上直接传输。 两者之间必然存在某种功能被简化了的适应层。 其用于适当地封装进入WDM光网络的IP数据且提供适当的硬件支持功能。 虽然还有很多问题需要解决，但是发展光互联网的方向是肯定的。四、全光通信网全光通信网的信号处理都在光区域内进行，网络内的信号信道总是保持光的形式，没有光吗？ 光电转换。 全光网网络终端和用户节点之间的信号路径总是保持光的形式。 也就是说，端到端的全光路，中途没有光吗？ 分组转换器不会难以增加电子设备在信息传输过程中处理信息的速度。 因此，可以关灯吗？ 电气转换的“电子瓶颈”的限制。 根据网络对光信号的透明性，可以完全透明(即，全光学域处理)，能够全面地利用光纤内的潜力，网络带宽几乎无限。 半透明的网络有限地利用光纤的巨大潜力，网络的透明性是否有可能被接收？ 电？ 虽然光转换和电子电路有限制，但是可以利用SDH技术和网络上建立的SDH设备等频域成熟的技术和资源。 对于半透明网络，全透明网络中的明显优点是带宽潜力几乎无限，因为所传输的信号不受限制，并且信号处理极小，所以网络最经济且可靠。 但是，现在实现全透明网有很多困难。 比如，直接制作和运营光和网络，还需要研究开发全光网络技术和相应的标准。 因此，考虑到实际情况，为了避免技术和运营上的困难，国际电车电信标准局(ITU-T )决定以光传输网(OTN，Optical Transport Network )的概念研究光网络技术，并制定相应的标准化提案。 OTN并不限定网络的透明度，其最终目标是全透明的全光网络。 但是，从半透明开始，能在网上允许光吗？ 电气转换。全光通信网具有比以往的通信网更大的通信容量，具有以往的通信网和现行的光通信系统所没有的以下优点： (