光网络技术与发展趋势

光网络技术与发展趋势

1 光网络的基本特点、结构与发展趋势

1.1 基本特点

现有网络由光传输系统和电子节点组成，光技术用于两个电子节点间的点对点传输，在每个电子节点中光信号都要转换成电信号由电子节点进行电处理，两个网络边缘节点之间的连接通常为多跳连接，这将会增大传输延迟，使电子节点的处理负担过重，限制网络节点的吞吐量。20世纪90年代以来，随着光纤通信技术的迅速发展，许多学者提出了“全光网络”的概念，其本意是信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换/选路，中间不经过任何光电转换，以达到全光透明性，实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。

全光网络由光传输系统和在光域内进行交换/选路的光节点组成，光传输系统的容量和光节点的处理能力非常大，电子处理通常在边缘网络进行，边缘网络中的节点或节点系统可采用光通道通过光网络进行直接连接，如图1所示。光节点不进行按信元或按数据包的电子处理，因而具有很大的吞吐量，可大大地降低传输延迟。不同类型的信号可以直接接入光网络。光网络具有光通道的保护能力，以保证网络传输的可靠性。为了提高传输效率，也可以简化或去掉SDH和ATM等中有关网络保护的功能，避免各个层次的功能重复。

由于光器件技术的局限性，目前全光网络的覆盖范围还很小，要扩大网络覆盖范围，必须要通过光电转换来消除光信号在传输过程中积累的损伤（色散、衰减、非线性效应等），进行网络维护、控制和管理。因此，目前所说的“光网络”是由高性能的光电转换设备连接众多的全光透明子网的集合，是ITU－T有关“光传送网”概念的通俗说法。ITU－T在G.872建议中定义光传送网为一组可为客户层信号提供主要在光域上进行传送、复用、选路、监控和生存性处理的功能实体，它能够支持各种上层技术，是适应公用通信网络演进的理想基础传送网络。最近提出的自动交换光网络也属于光传送网的范畴。

1.2 光网络的结构

光网络的基本结构类型有星形、总线形（含环形）和树形等3种，可组合成各种复杂的网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域/本地网和接入网。核心网倾向于采用网状结构，城域/本地网多采用环形结构，接入网将是环形和星形相结合的复合结构（如图2所示）。光网络可纵向分层为客户层、光通道层(OCH)、光复用段层(OMS)和光传送段层(OTS)等层。如图3所示，两个相邻层之间构成客户/服务层关系。

●客户层：由各种不同格式的客户信号（如SDH、PDH、ATM、IP等）

组成;

●光通道层：为透明传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光

通路联网功能，这一层也产生和插入有关光通道配置的开销，如波长

标记、端口连接性、载荷标志（速率、格式、线路码）以及波长保护

能力等，此层包含OXC和OADM相关功能;

●光复用段层：为多波长光信号提供联网功能，包括插入确保信号完

整性的各种段层开销，并提供复用段层的生存性，波长复用器和高效

交叉连接器属于此层;

●光传送段层: 为光信号在各种不同的光媒体（如G.652、G.653、G.655

光纤）上提供传输功能，光放大器所提供的功能属于此层。

1.3 光网络的演变与发展

从光技术的应用程度来看，目前属于光网络发展的初始阶段，光技术主要用于两个电子节点间的大容量点对点传输，主要的功能是传送和复用。全光传输距离约为600km （具体由单信道速率决定），更长的距离需要加电再生中继器。交换/选路、监控和生存性处理等联网功能基本上由电子技术实现。随着光技术的不断发展，全光传输距离将越来越长，交换/选路、监控和生存性处理等功能将逐渐由光子技术实现，通过采用先进的光器件逐步取代光电转换设备，不断扩大光透明子网的覆盖范围，最终实现全光通信网络的理想目标。

从复用方式来看，目前DWDM方式正在大量使用，光传输系统的容量急剧提高，但这些固定式的电路复用方式不太适合数据业务，随着网络中数据业务的比重越来越大，光网络将向基于光分组的统计复用方式发展。

从交换/选路方式来看，目前大量应用的是基于DXC的电交叉连接方式，但基于波长选路的光交换技术正进入实用，这种交换方式的引入将极大地提高网络的交换速度和容量。由于波长级的光交换是一种带宽粒度很大的电路交换方式，不太适合数据业务的发展，未来光网络将向光分组交换的方向发展。

从组网方式来看，光网络将沿着“点到点链环多环网状网”的方向发展，如图4所示。应用大量的SDH系统来满足日益增长的带宽需求必将使已敷设的光纤很快耗尽，因此，大容量的DWDM点对点系统将被大量引入，并将逐步引入OADM构成链形和环形光网络，进一步的发展将是采用灵活的可编程OADM甚至OXC将多个单环连成多环光网络。随着网络带宽需求的不断增加，环形网络的配置将限制网络基础设施的进一步扩展，光网络将向能够进行灵活有效配置的全光网状网发展。光网络灵活性将按“静态半动态动态”的方向发展。

从应用领域来看，光网络将沿着“干线网本地网城域网接入网用户驻地网”的次序逐步渗透。

2 光传送技术

大容量光传送技术是最先应用于光网络中的技术，技术的发展主要围绕以下几点展开：

（1）提高单波道速率，主要有ETDM和OTDM方式。ETDM应用最广泛，目前40Gb/s 的ETDM系统即将进入实用，更高速率的系统也处在研发之中，其中的关键技术是色散补偿和偏振模色散补偿。此外，受“电子瓶颈”的限制，纯粹的ETDM方式发展潜力已不太大，今后的发展将是“ETDM＋OTDM”方式。

（2）增加波道数量，主要采用WDM方式，通过增加可用带宽和减小波道间隔都可实现波道数量的增加。打通1310nm和1550nm窗口之间的氢氧根吸收峰以后，光纤在0.35dB以下的低损耗可用带宽可增加到50THz，非常丰富。由于一些主要光器件的损耗/增益与波长密切相关，因此，可用带宽的增加主要取决于光器件，尤其是光放大器。目前应用的光放大器主要是EDFA，增益带宽仅35nm左右。因此扩展光放大器的增益带宽是提高WDM信道数量和传输容量最有效的方法。扩展光放大器带宽的主要技术有以下几种：

①基于新材料带增益均衡光滤波器的EDFA；

②采用平行配置使用EDFA的两个增益波段；

③将局部增益平坦的EDFA与光纤拉曼放大器（FRA）结合使用；