Tbit/s光网络的支撑技术
编者按：现代通信网中，先进的光纤通信技术以其高速、带宽的明显特征而为世人瞩目。目前，光网络已达到了７ Ｔｂｉｔ／ｓ的系统容量，随着光纤性能的不断优化，可以想象，未来光网络继续朝着Ｔｂｉｔ／ｓ速率乃至更高的速率发展已成必然。从系统角度来看，支撑Ｔｂｉｔ／ｓ光网络的关键技术又基本上可分为光纤技术、光器件技术、光节点技术和光联网技术四大类。本刊在第４期《光纤、光缆技术》专题中介绍了《Ｔｂｉｔ／ｓ光网络的支撑技术》的光纤技术和光器件技术；在本期《ＤＷＤＭ技术》专题中，接着给大家介绍《Ｔｂｉｔ／ｓ光网络的支撑技术》中的后半部分光节点技术和光联网技术。
一、光节点设备技术
光网络的节点技术是网络技术的核心，光节点的引入，可以实现信号在光域上进行交换和选择路由，使得在光域上联网成为可能。
１．光复用设备技术。光复用技术是增大光通信系统的通信容量的一种有效手段。目前研究开发的光复用技术有波分复用ＷＤＭ、光时分复用ＯＴＤＭ、光码分复用ＯＣＤＭ等，它们具有各自的特点和优势 应用环境也有所不同。其中ＷＤＭ技术现已有大规模商业应用，最高实验室记录已经达到７Ｔｂｉｔ／ｓ，ＯＴＤＭ＋ＷＤＭ技术也时有报道。
２．光分插复用设备（ＯＡＤＭ）技术。目前已有多种ＯＡＤＭ方案，但总的说来可以分为非重构型和可重构型两种。前者主要采用复用器／解复用器以及固定滤波器等无源光器件，在节点上／下固定波长，也就是说节点的路由选择是确定的，主要应用于城域网。后者采用光开关、可调谐滤波器等光器件，能动态控制ＯＡＤＭ节点上／下话路的波长，从而达到光网络动态重构能力，主要应用于骨干网。从９０年代提出光分插复用单元开始，到目前为止，人们提出了很多种ＯＡＤＭ的实现方案，这些方案很大程度上取决于新的光器件的开发和研制，这些器件的性能最终决定ＯＡＤＭ的主要性能参数。现有的ＯＡＤＭ方案归纳起来主要有如下几种基本形式：耦合单元＋滤波单元＋合波器；分波器＋空间交换单元＋合波器；基于声光可调谐滤波器（ＡＯＴＦ）；基于阵列波导光栅器（ＡＷＧ）等。具体的实现方案可能有所差别，但一般都是这几种基本方案的演化形式。
３．光交叉连接设备（ＯＸＣ）技术。ＯＸＣ的光交换单元可采用两种基本交换机制：空间交换和波长交换。实现空间交换可采用各种类型的光开关，它们在空间域上完成入端到出端的交换功能，其典型结构有基于空间光开关矩阵和波分复用／解复用器对的ＯＸＣ结构、基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的ＯＸＣ结构、基于分送耦合开关的ＯＸＣ结构、基于平行波长开关的ＯＸＣ结构等。实现波长交换可采用各种类型的波长变换器，它们将信号从一个波长上转换到另一个波长上，实现波长域上的交换，典型结构如基于阵列波导光栅复用器的多级波长交换ＯＸＣ结构、完全基于波长交换的ＯＸＣ结构等。另外，光交换单元中还广泛使用了波长选择器（如各种类型的可调谐光滤波器和解复用器）。目前已提出的ＯＸＣ结构有很多种，而且由于器件的相互可替代性，它们又可演化为更多种的结构。ＯＸＣ的难点之一是在光网络、光节点与业务接入层面上如何解决路由算法与控制问题。目前提出了一种称之为多协议波长标签交换ＭＰＬｍＳ技术，它是将ＭＰＬＳ业务量工程和ＯＸＣ相结合的一项新技术，主要研究基于多协议标签交换（ＭＰＬＳ）技术和动态波长分配／波长路由技术的新型网络体系结构及相关组网技术，解决标签的分配、绑定和交换以及与光包交换的波长路由虚通路标识（ＶＯＰＩ）的协调问题和分配算法，以及同期到达的去往同一目的地的数据包对资源的竞争等问题，在此基础上可实现基于ＭＰＬｍＳ技术的光路由器。另外考虑到用户的需求与目前的技术水平，现已提出了一种光纤－波长－分组（ＦＷＰ）的混合交换方式，即采用光纤的空分交换、波长的信道交换和分组的包交换的有机结合，以实现不同粒度的交换与选路。
４．光（分组）交换技术。所谓光交换是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换可分成光路光交换和分组光交换二种类型，前者可利用ＯＡＤＭ、ＯＸＣ等设备来实现，而后者对光部件的性能要求更高，由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。光分组交换系统所涉及的关键技术主要包括：光分组交换（ＯＰＳ）技术；光突发交换（ＯＢＳ）技术；光标记分组交换（ＯＭＰＬＳ）技术；光子时隙路由（ＰＳＲ）技术等。这些技术目前主要是在实验室内进行研究与功能实现。
二、光联网技术
光联网技术涉及面广，技术难度大，但其作为宽带信息网络的基石，已为世人瞩目。
１．光传送网分层结构。ＷＤＭ光传送网是用光波长作为最基本交换单元的交换技术，即客户信号是以波长为最基本单位来完成传送、复用、路由、和管理。 ＷＤＭ光传送网是随着 ＷＤＭ 技术的发展，在ＳＤＨ网络的基础上发展起来的，通过引入光节点，在原有的分层结构中引入了光层，它又可以细分成三个子层：从上到下依次为光信道层（ＯＣｈ）、光复用段层ＯＭＳ和光传输段层ＯＴＳ，相邻的层网络形成所谓的客户／服务者关系，每一层网络为相邻上一层网络提供传送服务，同时又使用相邻的下一层网络所提供的传送服务。这种分层结构为Ｔｂｉｔ／ｓＷＤＭ光联网提供了必要的统一规范与实施策略。
２．ＷＤＭ光网中的路由选择／波长分配。在ＷＤＭ光网的实现中，如何合理地规划网络波长资源并采用合理的路由算法，是决定网络资源利用效率的关键问题，ＷＤＭ光网的路由选择和波长分配（ＲＡＷ）是重要的应用基础性研究问题，它解决怎样通过ＯＸＣ或其它设备构成运载信号的光通道，并合理地分配通道所使用的波长，使有限资源能提供尽量大的通信容量。ＲＡＷ问题由两部分组成：其一是如何为每个源节点寻找到达目的节点的路径；其二是在这些路径上如何分配波长。ＲＡＷ问题可分为动态ＲＡＷ和静态ＲＡＷ。动态ＲＡＷ一般是考虑建立光连接的请求随机到达，静态ＲＡＷ则是考虑在进行路由和波长分配前已知所有的希望建立的光连接。另外根据ＯＸＣ节点是否提供波长转换功能，光通路可以分为波长通路（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｐａｔｈ）和虚波长通路（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｐａｔｈ）。
３．ＷＤＭ光网的结构设计。ＷＤＭ光网的结构设计包含两层含义：一是物理拓扑结构的设计，二是逻辑拓扑结构的设计。因此整个网络的设计问题就变成了对这两个不同层面的优化问题。在对这两层的优化过程中，必须考虑彼此之间的限制与支持。特别是逻辑拓扑结构的设计，既要考虑到下层ＷＤＭ光层特性与物理拓扑结构因素，也要考虑到上层所运载的业务特性因素。因此设计逻辑拓扑结构时，要考虑的已不再仅仅是业务流量情况，还包括对下涉及物理结构（波分复用技术所产生的波长数的限制，器件的限制等）和对上涉及网络所提供的性能指标（时延敏感，可靠性等）。另外设计逻辑拓扑结构还涉及到许多全网优化的指标，如节点交换能力的利用率、网络的最大拥塞率、平均传输时延、波长复用因子等。
４．光网络的生存性。网络生存性泛指网络遭受各种故障仍能维持可接受的业务质量的能力。光网具有极高的传输速率，同时其"模拟网络"的特性与ＳＤＨ"数字网络"的特性又有所不同，因此探索能在尽可能短的时间内为被中断的业务寻找新的传输路由和自愈方案是十分必要的。网络生存性策略包括保护与恢复技术、控制管理技术等，保护与恢复技术包括保护倒换、重选路由等自愈技术，涉及到通信系统的许多方面，相关参量包括恢复率、恢复时间、冗余度、开销及复杂度等。
５．光传送网的管理技术。由于光网中客户信号的传送、复用、选路、监测等处理功能都是在光域上进行，因此光网络的管理方式必须适应光层管理的特点和要求。如对光交叉连接（ＯＸＣ）和光分插复用（ＯＡＤＭ）设备的管理；自身的管理信息结构和开销方案；尤其是光网究竟需要哪些运行、管理和维护ＯＡＭ信息，以及这些信息如何传送，如何与现有的ＳＤＨ ／ＡＴＭ传送网管理进行协调与配合等。光网的管理既可以采取集中方式，也可以采取分布方式。分布式管理方案通常比集中式管理方案更为健壮，但从维持网络数据库的一致性和实现网络局部或全网的分布恢复的角度分析，分布式管理方案更加复杂。光网的管理协议（ＯＮＭＰ）主要解决自动拓扑发现和资源更新、带宽管理、分布式信令、光信道计算、光通路保护与恢复等，而管理的一些功能则可通过数字包封技术来解决。
６．业务的接入与适配。由于目前普遍采用了统一的ＴＣＰ／ＩＰ协议，因此在光网上能否接入以ＩＰ为基础的各种数据业务已成关键。从长远看，ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ，ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ都将最终发展为ＩＰ ｏｖｅｒ ＷＤＭ／Ｏｐｔｉｃａｌ，因此对于今后的长期应用来说，为了实现在光纤上直接传输ＩＰ数据包，最关键的问题之一是需要设计出一种合理的帧格式（物理层接口），即规范出一种新的、最佳的ＩＰ对光路的适配接口，但在目前情况下，考虑到多种因素，主要使用以下两种帧格式来实现两种不同的技术路线：ＳＤＨ帧格式（或简化）和千兆比以太网帧格式，即ＩＰ／ＳＤＨ／ＷＤＭ和ＩＰ／Ｅｔｈｅｒｎｅｔ／ＷＤＭ。另外目前已有一些研究机构提出了一些其他的优化解决方案与具体的实现方法。
以上分析了支撑Ｔｂｉｔ／ｓ 光网络的主要关键技术，虽然目前仍有一些关键技术问题有待解决，如Ｔｂｉｔ／ｓ光网络的设计、各种传输限制因素的克服、光网络的业务透明性、传输／交换／接入融合节点技术、智能光网络、主动光网络、层网络互操作性与管理等，但随着科技进步和研究人员的不懈努力以及强大的市场驱动力，这些关键技术定会得到突破。光通信技术对２１世纪来说，就象电对２０世纪那样重要"。在新的世纪，Ｔｂｉｔ／ｓ 光网络必将为宽带信息网络奠定优良的物理承载平台和坚实的基础，使信息高速公里通向千家万户。 (北京邮电大学 纪越峰)
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