■ 周剑琦
全光网 （AON）的概念是指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使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。在全光网络中，由于不需要电信号的处理，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，对信号的传输具有透明性。今后的高速宽带网络一定是全光网络加IP业务网的格局。国内外的电信设备供应商和IP设备供应商都在加紧研制开发系列化的光交换／光路由产品。本期“新公网”将试图解读全光网。
自从光纤被引入通信网以来，它已为通信的发展作出了重要的贡献。日益增加的新兴业务需要占用较多的带宽资源，通信网传输容量不断增加，高速宽带综合业务网络已成为本世纪通信网络的发展趋势。由于光纤具有巨大的带宽，作为优秀的传输媒质，光纤通信技术发展到了一个新的高度。一般而言，一根光纤可提供的理论传输带宽约为50THz。但是，目前串行电信号传输速率上限为40Gbps，即使用此速率在光纤上传输，也仅利用了光纤容量的千分之一。
同时，光的复用技术，如波分复用（WDM）、时分复用（TDM ）、空分复用（SDM）越来越受到人们的重视并被广泛使用，但在以这些技术为基础的现有通信网中，网络的各个节点要完成光/电、电/光的转换，受其中电子器件的特性制约，在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象。为了解决这一问题，人们提出了全光网 （AON）的概念，它是指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使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。在全光网络中，由于不需要电信号的处理，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，对信号的传输具有透明性。因此，全光网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，将成为下一代高速（超高速）宽带网络的首选。
全光网的特点
全光网可使通信网具备更强的可管理性、灵活性、透明性。和传统通信网和现行的光通信系统相比，它具有许多优点：
1. 全光网络能够提供巨大的带宽。因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量。
2. 全光网络具有传输透明性。因为采用光路交换，以波长来选择路由，因此对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议。
3. 全光网比铜线或无线组成的网络具有更高的处理速度和更低的误码率。全光网具有良好的兼容性，它不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数据网以及网络的升级。
4. 全光网络具备可扩展性，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备。
5. 全光网具备可重构性，可以根据通信容量的需求，动态地改变网络结构，可对光波长的连接进行恢复、建立、拆除等。
6. 全光网中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光/电/光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。
全光网络主要由核心网、城域网和接入网三层组成，三者的基本结构相类似，由DWDM系统、光放大器、OADM(光分插复用器)和OXC(光交叉连接设备)等设备组成。全光网络有星形网、总线网和树形网3种基本类型。
目前，关于全光网络的规范性结构尚未统一，但世界上有一些国家，如美国、德国、法国等已提出了自己的全光网络规划。从已提出的这些方案来看，它们的基本结构大体一致，可以分为光网络层和电网络层。光网络层（光链路相连的部分）采用了WDM技术，使一个光网络中能传送几个波长的光信号，并在网络各节点之间采用OXC，以实现多个光信号的交叉连接。光网络层通过光链路与宽带网络用户接口和局域网（LAN）相连。电网络层中的ADM为分插复用器，它能够把高速STM-N光信号直接分解成各种PDH支路信号，或作为STM-1信号的复用器，它的速率可选STM-1、STM-4或STM-16。DXC相当于自动数字配线架的数字交叉连接设备，它可以对各种端口速率（PDH或SDH）进行可控的连接和再连接，所谓交叉连接也是一种“交换功能”，电网络层中有各种电子交换，从程控交换（如PABX）、ATM交换（如视频、数据信号的交换）到未来的某种交换（如图像、多媒体信号的交换）均属于交叉连接的范畴。
全光网络中的关键技术
要在全光网中实现信号的透明性、可重构性传输，必须研究全光传输的关键技术。在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输和恢复等所有功能都以光的形式进行。目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指光信息流在传输和交换过程中以光的形式存在，用电路方法实现控制部分。全光网络的相关技术主要包括光交换/光路由（全光交换）、光交叉连接、全光中继和光分插复用等。
光交换/光路由属于全光网络中关键光节点技术，主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路，它所完成的最关键工作就是波长变换。由于实质上是对光的波长进行处理，所以更确切地说，光交换/光路由应该称之为波长交换/波长路由。全光网络的几大优点，如带宽优势、透明传送、降低接口成本等都是通过该技术体现的。从功能上划分，光交换/光路由、OXC、OADM是顺序包容的，即OADM是OXC的特例，而OXC是光交换/光路由的特例。由于OXC和光交换/光路由还在发展之中，目前对光交换/光路由的命名比较混乱。有的公司把现有的OADM、OXC都称为光交换系列（Optical Switching），有的又称之为光路由器（Optical Router），所以目前的光交换/光路由大多以OXC甚至OADM暂时充当。和电交换技术类似，光交换技术按交换方式可分为电路交换和包交换。光路交换又含有空分（SD）、时分（TD）、波分/频分（WD/FD）等方式；包交换则有ATM光交换等方式。
1. 光交叉连接（OXC）
OXC是全光网中的核心器件，它与光纤组成了一个全光网络。OXC交换的是全光信号，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而实现波长重用。当光纤中断或业务失效时，OXC能够自动完成故障隔离、重新选择路由和网络、重新配置等操作，使业务不中断，即它具有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能。OXC除了提供光路由选择外，还允许光信号插入或分离出电网络层，好像SDH中的DXC。
通常OXC有3种实现方式：光纤交叉连接、波长交叉连接和波长变换交叉连接。其中，光纤交叉连接以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行交叉连接， 容量大但不灵活。波长交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何光纤上，比如，波长λ1、λ2、λ3和λ4从输入端1号光纤输入，波长交叉连接可以将这4个波长选路到输出端口的1、2、3和4号光纤上去。现在也有人将这种波长交叉连接称为无源光路由器（Passive Router），它的波长可以通过空间分割实现重用。波长的选路路由由内部交叉矩阵决定，一个NXN的交叉矩阵可以同时建立N2条路由。波长变换交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用不同波长的任何光纤上，具有最高的灵活性。它和波长交叉连接的区别是可以进行波长转换。
目前，OXC技术存在的主要问题有三点。一是系统的完全透明性无法保证，这主要受制于全光波长转换技术尚未完全成熟。二是由于受光器件的制约，特别是大规模的光交叉矩阵开关的制约，系统的规模和灵活性不够理想。从理论上讲，OXC、OADM也可以像DXC和SDH ADM一样，实现不同速率等级上的任意交叉和上下，最起码可实现类似于SDH中的AU－4高阶全交叉。三是在网络管理方面，按照ITU－T光传送网的分层结构，光传送网的网元管理系统一般按光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）、光传送层（OTS）三层设计，具备ECC通信和4大管理功能，但具体细节还不够详细，很多内容有待进一步研究和规范。目前，ITU－T正在研究数字包封技术（Digital wrapper），并有可能形成标准，应引起重视。
2. 光分插复用（OADM）
OADM具有选择性，可以从传输设备中选择下路信号或上路信号，或仅仅通过某个波长信号，但不影响其他波长信道的传输。OADM在光域内实现了SDH中的分插复用器在时域内完成的功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号。它能提高网络的可靠性，降低节点成本，提高网络运行效率，是组建全光网必不可少的关键性设备。
3. 掺饵光纤放大器（EDFA）
在光纤通信中采用WDM技术能实现超大容量、超高速的光传输。而EDFA的商用可以使全光中继成为现实。EDFA是80年代末发展起来的一种新型光纤放大器，其增益特性与偏振无关，还具有对数据速率与格式透明传输等特点。它可以对波长在1530～1575mm的光信号同时放大，在1550mm波段，EDFA 的放大增益可达30～40dB。EDFA不但结构简单，与光纤耦合方便，而且连接损耗小。EDFA可用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中的光图像信号分配系统、空间光通信，以及用于研究非线性现象等。EDFA是目前光放大技术的主流，它能简化系统，降低传输成本，增加中继距离，提高光信号传输的透明性，是实现全光网的关键器件。
4. 全光网的管理、控制和运作
功能强大的网络管理系统也是光传送网络的重要组成部分，实用化的OADM和OXC设备需要具有能够控制波长组合以及处理故障的管理单元，以便在组网时实现光传送网的可靠性和灵活性。按国际电信联盟ITU－T已给出的光传送网分层管理结构的定义，光传送网的网元管理系统一般要求具备ECC通信信道和对设备具有配置管理、故障管理、安全管理和对设备性能进行监测的功能。
光交换/光路由的发展现状
90年代以来，世界各大电信厂商竞相研究和试制用于光传送网络节点的OXC，其中，部分设备已经过现场实验，并取得很大成功。构成OXC结构的方式很多，但其中的关键在于开发先进的光器件，其中包括光交换器件和光波长转换器件。可实现光交换的器件有很多种，在光开关方面有机械光开关、聚合物光开关和半导体光开关等; 在光波长转换方面有用AWG无源器件、波长可选择激光器的光－电－光转换器件以及利用4波混频效应的半导体激光放大器（SOA）; 实现光－光转换的全光波长转换器件等。OXC作为全光网络中的交换节点，研制开发OXC设备已成为通信领域的热点之一，美国、日本以及欧洲的少数著名公司已经完成了OXC传输设备的一些现场实验，在系统与网络间的兼容性、OXC设备的级联特性、系统的保护倒换能力、网络管理等方面取得了不少成功的经验。阿尔卡特研究中心在1000公里的无色散位移光纤上用WDM传送方式对无代价的OXC级联进行了实验，速率为2.5Gbps，实验中采用3个4×4的8信道OXC设备。本世纪初，美国世界通信公司建成了第一条OXC运行网络，该网络是美国3家公司联合进行的现场试验，此OXC网络为多模系统，可接收72个收/发往返信号，提供100ms的交换，插入损耗小于2.5dB。目前，我国全光通信技术研究也已达到世界一流水平。2001年9月22日由上海交通大学、上海市科委等单位联合开发的我国首家全光通信技术示范网—上海全光通信示范网正式投入应用。
今后的高速宽带网络一定是全光网络加IP业务网的格局。国内外的电信设备供应商和IP设备供应商都在加紧研制开发系列化的光交换／光路由产品。Monterey Networks公司的Monterey 20000 波长路由器可从初始的256×256波长端口扩展到160Tbit以上无阻塞波长端口，光波长承载2.5Gbps和10Gbps信号。Monterey 20000 波长路由器由一个中心交换子系统和多个分配输入／输出子系统组成。Cisco公司的ONS 15900波长路由器基本结构和Monterey 20000的结构相类似。中心交换子系统支持640Gbps的交换速率。每个NEBS机架中支持256个2.5Gbps或64个10Gbps速率的波长。上述产品都运用了波长路由协议（WaRP），端到端的恢复时间均为50毫秒。两种设备均支持1300nm和1550nm双窗口。国内一些学校和公司也正在从事OXC和OADM的研发工作，如清华大学、北京邮电大学、上海交通大学和烽火通信科技股份有限公司等。
摘自《计算机世界报 第31期 》
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