WDM全光通信网技术及其发展

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摘 要 在IP业务的高速增长和WDM技术提供超大容量带宽资源的双重刺激下，传统光网络正在朝着适于传输IP业务的新一代光网络演进。本文描述了WDM光传送网的发展与现状，讨论了基于OXC和OADM的WDM光传送网技术，并对下一代光网络的发展进行了分析和展望。


　　关键词 波分复用 光交叉连接 光分插复用 光传送网



1 前言


　　随着通信技术的发展，新业务不断涌现，特别是IP业务的迅猛崛起，导致全球信息量呈级数增长，通信业务由传统单一的电话业务转向高速IP数据和多媒体为代表的宽带业务，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高的要求。


　　光纤的巨大潜在带宽和波分复用（WDM）技术的成熟应用，使光纤通信成为支撑通信传输网络的主流技术。目前单波长传输速率已达到40Gbit/s，进一步提高单波长传输速率将受到半导体技术的制约，因此，WDM技术是光纤传输网络增容的主要技术手段。目前的技术水平已达到160×40Gbit/s。


　　尽管光纤传输技术的发展这样迅速，但传统的通信网络无论从业务量设计、容量安排、组网方式，以及交换方式上来讲都已无法适应这一新的发展趋势，例如目前的超高速传输网络中，如果网络节点处仍采用原有的设备，以电信号处理信息的速度进行交换、分插复用和交叉连接，网络节点将变得庞大而复杂，并受到“电子瓶颈”的限制，这样超高速所带来的经济性将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵销。因此，开发新一代的可持续发展的网络已成为大家关注的焦点。各大企业都在设计未来网络的蓝图，诸如可持续发展的网络、一体化网和新的公用网等等，其基本思路都是相同的，即具有统一的通信协议和巨大的传输容量，能以最经济的成本灵活可靠持续地支撑一切已有和将有的业务和信号。目前从作为基础的传送网角度看，只有基于WDM光传送网才可能承担这样的重任。


2 WDM全光通信网优点


　　光纤通信的优势之一是其近30THz的巨大潜在带宽容量，而WDM技术的应用是目前提高光纤传送带宽的最有效方法。目前大多数宽带网的底层是点到点光纤链路，尽管WDM技术增加传输链路的带宽，但是光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中，如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵消。为了解决这一问题，提出了WDM光传送网的概念。


发展什么样的光网，其关键在于网络对光信号的透明程度。下面解析一些光网术语，它们分别代表了各自的研究思路。


　　•光网络或叫做光组网（Optical Networking)，这个术语只说明运用光的技术来组网，指的是一种技术手段、方法；


　　•全光网络(AON),它强调网络的全光特性，严格地说在此网内不应该有光/电转换，所有对信号的处理全在光域内进行；


　　•光传送网（OTN)，该术语表示以光技术来构成一种起传送功能的网络，它不限定网络的透明性，也不排除光/电转换。


　　全光网在原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。


　　从网络对光信号的透明性来说，能做到全透明（即全光域处理）当然很好，它可以全面而充分地利用光及光纤的潜力，网络的带宽几乎是无限的。而半透明的网络就只能有限地利用光及光纤的潜力，网络的透明性可能会受O/E/O转换及电子电路的限制，但它可以利用电域已成熟的技术和资源，例如：SDH技术和网络中大量已建的SDH设备。相对半透明网络来说，全透明网的明显好处有：带宽潜力几乎无限，对传送的信号无限制、对信号的处理极小，因此网络可做到最经济、可靠。但是，目前实现全透明网还有不少难处，例如直接在光域组网及运营，尚有不少全光组网技术及相应的标准需研究开发。所以，考虑到实际情况，为避免技术与运营上的困难，国际电联电信标准局（ITU－T）决定按光传送网（OTN）的概念来研究光网络技术及制订相应的标准化建议。OTN是据该网络的功能及主要特征来定名，它不限定网络的透明性，其最终目标是全透明的全光网络。但是，可以从半透明开始，即在网中允许光电转换。因此，大家讨论的光传送网将包含全光网。


　　WDM光传送网在未来的网络中提供了一个经济、大容量、高生存性和灵活性的传输基础设施，具有极诱人的前景。它的主要特点有：


　　•高容量：每个波长的速率可达40Gbit/s，单纤可传送160个以上波长，这是WDM技术特有的优点。


　　•波长路由：在WDM网络中，通过波长选择性器件实现路由选择，建立不同波长在各个节点之间的拓扑连接。


　　•透明性：透明性有多层含义，完全透明的传送网与信号的格式、速率无关；但考虑到各种物理限制、成本和管理等因素，要实现完全透明还比较困难，尤其是在大型网络中，因此，将透明性定义为光传送网可支撑尽可能多的客户层更合适。目前的SDH/SONET技术就具有一定的透明性，它可以支撑许多客户层，如通过PDH传输的话音、ATM、帧中继、IP等，只是其带宽有限，而且帧长固定为125ms，不适合许多新的业务。WDM光传送网将提供与SDH/SONET不同的新透明性，即传输波长与协议和速率无关，这是WDM光传送网的关键优点，它保证了光传送网可在光信道上传输任何协议(例如Fast/Gigabit Ethernet, ATM, SONET, FDDI, video)，也可传输各种比特率(例如155Mbit/s，622Mbit/s, 1.25Gbit/s，2.5Gbit/s或10Gbit/s)的信号。特定协议和比特率所需的专用传输接口不再需要，从而有可能去掉一些传送网子层，减少网络单元的数目和种类，这既可以减小网络提供商的设备投入和运行费用，又可以提高网络的灵活性。


　　•可重构性：WDM光传送网通过光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）技术可以实现光波长信道的动态重构功能，即根据传送网中业务流量的变化和需要动态地调整光路层中的波长资源和光纤路径资源分配，使网络资源得到最有效的利用；同时在发生器件失效、线路中断及节点故障时，可以通过波长信道的重新配置或保护倒换，为发生故障的信道重新寻找路由，使网络迅速实现自愈或恢复，保证上层业务不受影响。因此，WDM光传送网能够直接在光路层上提供很强的生存能力。


　　•兼容性：WDM光传送网要得到市场的认可，必须能够兼容原有传送网技术，与现有传送网相连并允许现有技术继续发挥作用，从而能够维护用户原来的投资。


3 WDM全光通信网发展现状


3.1 全光传送网的发展阶段


　　现在的WDM光传送网的发展与当年的SDH光传送网非常相似。SDH有TM、ADM、DXC等几种网元，网络拓扑经过了点到点、自愈环和基于DXC网状网的几个发展阶段。WDM光网络也与此类似，有背对背WDM终端、OADM、OXC等几种网元，在网络拓扑上也要经过点到点线性系统、WDM自愈环、基于OXC网状网和光分组网络的几个发展阶段，如表1所示。而与SDH网络相比，WDM光网络则容量更大，对业务更透明，保护速度更快。



表1 SDH网络与WDM光网络比较



　　　　　　　　　　　　　　　SDH网络　　　　　　　　　　　　　WDM光网络



网元组成　　　　　　　　　　TM、ADM、DXC　　　　　　　　　背对背WDM终端、OADM、OXC



　　　　　　　　　　第一阶段：点到点线性系统，　　　　　第一阶段：点到点线性系统，由复


　　　　　　　　　　由TM背对背方式实现电路上下　　　　　用器/解复用器背对背方式实现波长上下



　　　　　　　　　　第二阶段：SDH（通道或MSP）自愈　　　第二阶段：OADM（通道或线路）自愈环，


　　　　　　　　　　环，ADM实现自愈环的保护倒换　　　　　OADM实现自愈环的保护倒换


网络拓扑

演进方案　　　　　　第三阶段：基于DXC网状网，DXC　　　　第三阶段：基于OXC网状网，OXC实现波


　　　　　　　　　　实现VC-n交换和选路　　　　　　　　　长通道的选路和交换


　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第四阶段：光分组网络



　　WDM光传送网的演进由最初的线性点到点式传送结构，逐步转变为环型结构、网型结构。当前，OADM的应用日趋增多，特别是城域网和省网内，以OADM构成的WDM环网技术已成为一个发展热点。当业务需求超过2个4纤SDH 2.5Gbit/s自愈环的容量时，采用WDM环网相对于SDH环网的优越性就明显体现出来了，它可以节省光纤并提高容量。


3.2 现场试验情况


　　为了迎接实用化WDM光传送网时代的到来，发达国家和地区分别规划了全球/地区/国家等区域的WDM光传送网，其中包括Oxygen计划、欧洲光网规划、美国光互联网规划、加拿大光网规划等，并建立了许多试验平台和现场试验，以研究网络结构、网络管理、光纤传输、网络对新业务的适应性等关键技术。国内外先进的WDM全光通信网的现场试验情况如下：


（1） 美国的WDM光传送网现场试验项目


　　•国家透明光传送网NTON；


　　•多波长光传送网MONET（Multi-wavelength Optical Networking）。


（2） 欧洲ACTS计划WDM光传送网现场试验项目


　　•泛欧光传送网PHOTON和光通信网管理MOON；


　　•泛欧光传送网OPEN；


　　•光纤城域网（METON）；


　　•波长-捷变（agility）光波传送与接入网WOTAN。


（3） 日本NTT WDM光传送网现场试验


　　•社团光纤骨干网COBNET；


　　•ROMETEO城域网。


（4） 国内WDM光传送网进展


　　•国家“863”计划项目：全光实验系统；


　　•国家“863”计划重大项目：中国高速信息示范网CAINONET。


3.3 光分组网络的研究


　　面向未来IP业务的光网络研究已经成为各国和跨国研究计划的重点，如欧洲的ACTS计划、COST计划、美国的NGI计划和国防部高级研究计划局（DARPA）支撑的MIT、Stanford 、Princeton,、Michigan等多所著名大学的合作项目和加拿大的CA*net3国家光互联计划中都着眼于发展承载未来IP业务的光分组交换通信网络。日本和澳大利亚等国的科研机构和大学也正致力于光分组交换网络的研究。以建立光路连接的线路交换光联网技术相对成熟，点对点WDM传输系统的静态路由WDM光网络是目前商用光网络的主流。随着OXC和OADM等光交叉功能器件的成熟，快速建立端到端光路径的动态路由WDM光网络正走向商用。而光分组交换网络的研究则处于基础研究阶段。


　　光分组交换网络中的光数据分组主要分成两部分处理，其中光分组交换中的载荷部分采用不经过光电—电光处理的路由与转发，因此极大地提高了数据分组的转发速度和节点的吞吐量。载有地址和管理信息的光数据分组的信头需要同步、帧识别和地址识别等较复杂的光信号处理。由于目前光信号处理技术尚处于初步发展阶段，尚难实现非常复杂的光信号处理。因此研究者采用多种光分组信头处理方案，从而形成了不同的光分组交换组网技术，如光突发交换技术、光标记交换技术和全光时分多址技术。光突发交换网络中，光分组的信头处理是采用电子处理技术；光标记交换网络中，光标记写入、读取、删除和交换等简单的光信头处理功能采用光子技术，其它复杂的信头处理采用电子技术；而全光时分多址网络中，同步、地址识别和处理等复杂的功能均采用光子技术。另外，光分组交换网络技术的研究还包括两个层面的支撑技术，新型光电子器件的研究和光分组交换网络的动态行为的分析研究。


4 基于OXC和OADM的WDM光传送网


　　WDM光传送网的光路层主要由WDM传输系统和具有波长路由功能的节点（OXC或OADM）组成，它是在传统的WDM传输线上插入光网节点，用于实现光分插复用功能和/或光交叉连接功能。


　　通常，WDM光传送网的主要组成元素包括：光网节点和连接各光网节点的设备，其中，光节点包括光分插复用（OADM）节点（也称光上下路节点）和光交叉互连（OXC）节点；连接各光节点的设备主要包括：单模光纤、WDM复用/解复用器、光纤线路放大器、再生器（REG）等设备和器件。复用/解复用器和光纤线路放大器等设备和器件与传统的WDM传输系统的完全相同，这里就不作先容，下面分别先容OADM和OXC的逻辑功能及其基本结构。


4.1 OADM节点


　　OADM节点的功能是从WDM传输线中选择性地分下一个或多个波长光信号并插上一个或多个波长光信号，但不影响其它不相关波长信道的光信号传输。OADM实现的功能类似于电SDH分插复用器（ADM）在时域内实现的分插功能，但OADM工作在光波长域内，并且具有传输透明性，可以处理任何格式和速率的信号。就节点功能分类，OADM有两种类型：固定波长型和可变波长型。固定波长OADM只能分插一个或多个固定的波长信道，节点的路由是固定的。该类型OADM缺乏组网灵活性，但性能可靠、没有延时。可变波长OADM能动态地调节节点的分插波长信道，实现光网络的动态重构。该类型OADM通常采用光开关或可调谐光器件等构成OADM的核心——光分插复用单元，结构复杂，但可以使网络的波长资源得到良好的分配。


　　典型的OADM是由OADM单元、光复用/解复用器、光放大器等器件组成，具备单波长信道光功率均衡、光功率/光信噪比/误码率检测以及节点网元管理等功能。


　　OADM节点的关键部件OADM单元可以有多种实现方案，并且根据方案的不同，不一定需要光复用/解复用器件。通常，构成OADM的方案有：


•体光栅（Bulk Grating）OADM；


•Fabry-Perot OADM；


•光纤光栅OADM；


•平面波导InP OADM；


•平面波导硅沉积二氧化硅（Silica on Silicon）OADM；


•声光（Acousto-optical）OADM。


　　其中，Fabry-Perot OADM、光纤光栅OADM、平面波导硅沉积二氧化硅OADM和声光OADM不需要光复用/解复用器件。


OADM通常用于环状网结构，作为光传送网的节点，OADM的保护倒换功能非常重要，其保护倒换功能的实现依赖于OADM环路的拓扑结构。对单向自愈环，使用一个OADM和两个2(2光开关就可以实现自愈保护功能（在光纤被切断的情形下）。对双向自愈环，需要两个OADM和两个1(2光开关或电开关就能够实现保护倒换功能（在光纤被切断的情形下）。


4.2 OXC节点


　　目前有两种交换方案可以实现OXC：空间交换和波长交换。具体结构和实现方法有多种，如基于空间光开关阵列的OXC，基于递送与耦合开关(Delivering and Coupling Switch)的OXC，采用波长转换器件作为开关元件的OXC，等等。无论采用哪种结构和技术，从长远着想，OXC应当是模块化、可扩展、可升级的。譬如为预备未来的流量增长和变化，OXC应当在波长和光纤两个层次上都是模块化的，以便于通过增加光纤或波长来扩容和升级。此外，一些特殊的应用场合还要求OXC具有广播发送能力。


　　由于光通道的传输容量很大，一旦发生阻塞其影响将非常严重，因此OXC结构应当是无阻塞的。如果OXC没有波长转换功能，光通道在各光纤段中必须使用同样的波长。这样，为了建立一条波长通道，光路层必须找到一条路由，在这条路由的所有光纤中，有一个共同的波长是空闲的，这就叫波长通道(WP)；如果找不到这样一条路由，就会发生波长阻塞。例如当不同输入链路中同一波长的信号要连接到同一输出链路时，只支撑WP的OXC结构会发生阻塞，当然这种阻塞可以通过选路算法来解决。如果OXC具有波长转换功能，光通道在不同的光纤段中可以根据需要占用不同的波长，就可以提高波长的利用率，降低阻塞率。这就是所谓的虚波长通道(VWP)概念。完全无阻塞的OXC结构只有在支撑VWP时才能实现，这就要求有大规模的光开关阵列和波长转换器，但这些光子器件还未成熟，而且很昂贵，因此，近期内OXC只能基于WP，因而灵活性受到了一定的限制。


　　如果说OADM应用偏重于光通道配置以便组网，则OXC主要通过对物理网络的管理和波长的管理，实现网络的保护和恢复，提高光网络的生存性，同时也便于光通路的调度与管理。


　　OXC处于光网络分层结构中的第三层，主要用于骨干网中，其功能是在光域上对不同输入链路的波长信道进行交叉互连，即进行信道在空域和频域的交换，对应于电信网中的DXC。同样，波长信道在OXC节点内部的交换是以光的形态进行。相比于OADM节点，OXC功能更加强大，但结构也更加复杂、成本更高。它具有多个输入/输出光纤端口，WDM光信号通过光解复用器分成单波长信道，根据需要，由光开关矩阵进行单波长路由交叉连接，再通过光复用器把单波长信道合波成输出WDM光信号。


　　OXC在实验室中的实现有多种方式，如平面波导AWG式、热敏相移开关式、M-Z开关式及微型机械开关式等。实用化的OXC大都采用微型机械开关式，而且规模目前还不大，一般只做到32×32个光波道的交叉能力。


　　作为光传送网的核心节点，OXC应具备单波长信道光功率均衡、光功率/光信噪比/误码率检测以及节点网元管理等功能，还应具有节点严格无阻塞功能、有限广播或全广播功能、自愈保护倒换功能和波长转换功能。对光传送网而言，它必须具有如下主要功能。
　　•光路层的带宽管理：随着更多光纤和波长接入光网络节点，带宽管理就变得极为重要。OXC应能够在光纤和波长两个层次上提供这样的管理。例如可以动态重构光网络，提供光信道的交叉连接以及本地上下路功能，减轻电DXC设备的重构负担；可以代替背对背DWDM终端和人工光波导交叉连接盘；还可以动态调整各光纤中的流量分布，提高光纤的利用率。


　　•光网络的保护和恢复：在单芯光纤能够传输高达几十乃至上百路高速波长信道的今天，没有光路层的保护、恢复功能是不可想象的。OXC可以在光路层提供网络保护机制，例如在出现光纤断折情况时通过光开关可以将光信号倒换至备用光纤上，实现光复用段1+1保护。OXC还可以通过重新选择波长路由实现更复杂的网络恢复，处理包括节点故障在内的更广泛的网络故障。


4.3 网络保护与恢复


　　在光传送网中，自愈环结构是非常重要的一种典型结构，基于OADM的自愈环是解决光传送网生存性的最佳解决方案。应用OXC/OADM组网网络节点的WDM环状网，OADM应具备如下功能：网络保护倒换、波长信道分插复用和动态波长路由选择。


　　单向自愈环需要两根光纤，即一根工作纤和一根保护纤。它由一个中心节点和两个OADM构成的WDM单向自愈环，中心节点是一个OXC设备，用于不同WDM环状网的波长路由选择。光开关用于网络的保护倒换，保护路径通过分别在OADM的输入端和输出端配置2×2旁通或交叉光开关来实现。双向自愈环需要两根光纤（工作/保护纤）。它是由一个中心节点和两个OADM构成的WDM双向自愈环，中心节点是一个OXC设备，用于不同WDM环状网的波长路由选择。


　　在正常工作状态，每个网络节点能够根据需要分插波长信道和旁通其它波长信道。当工作纤被切断时，断点两侧的OADM实行保护倒换，通过保护纤形成新的环状网。当某个OADM失效时，其两侧的OADM实行保护倒换，通过保护纤形成新的环状网。


5 全光传送网的发展趋势


　　现阶段全光传送网的研究与试验主要是以WDM技术为核心，对波分复用的传输、交换和联网技术进行研究与试验。在传输方面，将掺饵光纤放大器（EDFA）用于波分复用传输系统，使大容量长距离全光传输成为可能。在交换技术方面，传统传送网的电路、分组交换也逐渐被空分、时分的光路交换方式替代。在联网技术方面，基于WDM的全光传送网与现有的SDH网已实现了很好的互联，IP over WDM技术也在积极地发展之中。这一切都为大家展现了WDM全光传送网的美好前景。


　　未来骨干网络将在网络带宽、可扩展性、生存性和运行成本等方面提出更高的要求，网络朝着宽带化发展，以保证低成本的高带宽传送；同时，网络也将朝着数据化（特别是IP）方向发展，使之逐渐成为未来所有业务的共载体。


　　宽带光网技术结合了波长路由光交换技术和波分复用光传输技术，在光域实现高速信息流的传输、交换、故障监测和恢复等功能，建立端到端的光通道，被誉为21世纪真正的高速信息公路。


　　根据21世纪信息通信业务的发展趋势，可以概要地看出下一代信息通信网的一些特征：


　　•以数据（IP）业务为中心，包括本身就是数据型的业务以及由非数据业务转换成数据形式的业务；


　　•数据业务呈指数形上升；


　　•网络应能经济有效地适应：由技术业务的多样化造成的业务信号的多样性，以及对带宽需求的难预测性。


　　结合基于WDM的光传送网的特点，下一代信息通信网的网络架构应由两部分组成：


　　•具超宽传送潜力、对信号透明的核心平台，即以WDM技术形成光网络；


　　•能适于多种业务的外层（边缘）网络，即能把各种用户的业务信号与核心平台连接起来的IP业务层。


　　根据下一代信息网络的特征和网络架构的特点，下一代信息网络的垂直结构由业务层、ATM层、ADM层和光传送层构成；而下一代信息网络的水平结构由核心网和边缘网组成。


　　根据“十五”规划，我国未来的电信网络结构将由DWDM光传送网构成核心网络，由SDH网、分组网和WDM环网构成省内/城域网，由多元化发展的宽带接入、综合业务接入等向用户延伸。“十五”规划还将探索我国实现3T网的可能性，投入了大量的资金（ “863”十五计划将投入150亿元用于信息领域的关键技术研究），力求实现技术突破，实现预期目标。对传输链路而言，最有希翼突破Tbit/s的传输容量（可能达到1.6Tbit/s）。对传送节点而言，也有希翼突破Tbit/s的节点容量，电传送节点可望达到1.28 Tbit/s，而光传送节点可望达到2.5～5Tbit/s。对业务节点而言，实现难度最大，将成为网络传输容量的瓶颈；但希翼仍在，需要有创新思路和创新技术。相信不远的将来我国骨干网将逐渐为以WDM光传送网技术为基础的基于互联网 业务的光网络所取代。