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光傳送網(wǎng)技術(shù)的比較
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隨著業(yè)務(wù)需求特別是寬帶業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，人們對(duì)高容量系統(tǒng)，特別是光傳送網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。目前研究的內(nèi)容主要涉及到波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)、光時(shí)分復(fù)用技術(shù)和光碼分復(fù)用技和波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用，是目前唯一成熟且付諸實(shí)用的超大容量先傳輸系統(tǒng)；光時(shí)分復(fù)用的研究近幾年取得了較大的進(jìn)展，是未來極具潛力的技術(shù)，但遠(yuǎn)不如波分復(fù)用成熟；光碼分復(fù)用可大大提高光纖的利用率，降低網(wǎng)絡(luò)成本，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理，具有較高的網(wǎng)絡(luò)安全性，但目前存在一些尚待解決的問題。
光傳送網(wǎng) 大容量系統(tǒng) 波分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用 碼分多址近幾年，業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，特別是寬帶業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，促使人們對(duì)高容量系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量的研究。有關(guān)預(yù)測(cè)表明，20年后國(guó)家骨干傳送網(wǎng)的容量將是現(xiàn)在的100倍。SDH的傳輸技術(shù)和ATM交換技術(shù)將可滿足近期網(wǎng)絡(luò)的需要，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，基于電子技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和成本將大大增加，因此在未來的網(wǎng)絡(luò)中光組網(wǎng)的作用將日益重要。目前，光傳送網(wǎng)中可采用的技術(shù)主要有光密集波分復(fù)用（DWDM）、光時(shí)分復(fù)用（OTDM）和光·碼分復(fù)用（CDMA）等。波分復(fù)用（WDM）光網(wǎng)絡(luò)WDM是一項(xiàng)極具潛力的技術(shù)，它可滿足未來用戶對(duì)高容量帶寬的需求。根據(jù)所支持的業(yè)務(wù)量類型，WDM光網(wǎng)絡(luò)又可分為光路交換的光網(wǎng)絡(luò)和分組交換的光網(wǎng)絡(luò)。
1．光路交換的WDM光網(wǎng)絡(luò)
在光路交換的光網(wǎng)絡(luò)中，通過波長(zhǎng)路由器在接人節(jié)點(diǎn)間建立光通路，業(yè)務(wù)量經(jīng)由光通路傳送。目前，日本、美國(guó)及歐洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家都已建立了采用光路交換技術(shù)的WDM試驗(yàn)網(wǎng)，如London Fibre Network,歐洲RACE計(jì)劃的多波長(zhǎng)傳送網(wǎng)（MWTN）等。
光路交換的WDM網(wǎng)有兩種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一是廣播式星型光網(wǎng)絡(luò)，另一是波長(zhǎng)選路的光網(wǎng)絡(luò)。
廣播式的星型網(wǎng)絡(luò)是在網(wǎng)絡(luò)的．發(fā)送側(cè)的每一端口提供一個(gè)單獨(dú)的光頻率，在網(wǎng)絡(luò)的中心采用光的星型耦合器將所有的傳輸信號(hào)合并，然后再將這些廣播式的信號(hào)混合后送入所有接收側(cè)的端口中。通常在接收端采用可調(diào)諧的接收設(shè)備，以便能夠動(dòng)態(tài)接入所需波長(zhǎng)。
廣播式星型網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是它能夠?qū)Σ煌{(diào)制格式的信號(hào)“透明”，信號(hào)的格式由不同節(jié)點(diǎn)間的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備來決定，而光選路只經(jīng)廣播方式簡(jiǎn)單完成，因此，不同速率和不同格式的信號(hào)可同時(shí)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中共存。
廣播式星型網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)主要是費(fèi)用高、功率浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)受限于可利用的波長(zhǎng)數(shù)目等。
一般來說，星型網(wǎng)絡(luò)主要適用于對(duì)本地和市域計(jì)算機(jī)網(wǎng)進(jìn)行互連，而不適合在大規(guī)模的干線網(wǎng)上采用。
波長(zhǎng)選路的光網(wǎng)絡(luò)是指每一光通道分配一個(gè)單一的波長(zhǎng)，由于在實(shí)際中可獲波長(zhǎng)數(shù)有限，同一波長(zhǎng)只能用在不同光纖的路由中，波長(zhǎng)爭(zhēng)用問題只能利用通路以及相應(yīng)的傳送資源的合理分配來解決。目前，波長(zhǎng)選路的交叉連接還不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的完全重組，只能在輸出和輸入復(fù)用器間建立連接，使輸出復(fù)用器的人口保持同一波長(zhǎng)，這對(duì)于常出現(xiàn)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換并不十分靈活。
為了提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性，波長(zhǎng)選路的光網(wǎng)絡(luò)將在選路設(shè)備中使用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重組，它可以最大限度地再利用有限的可獲通道數(shù)。然而，光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器還沒有完全研制成功，因此目前的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換還采用光一電轉(zhuǎn)換和再生裝置。在實(shí)際中，很多光路交換的WDM網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，將廣播式的星型網(wǎng)絡(luò)和波長(zhǎng)選路的光網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用，以通過波長(zhǎng)再利用來增加網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展度。廣播式的星型網(wǎng)絡(luò)通常用于本地網(wǎng)中，波長(zhǎng)選路的網(wǎng)絡(luò)比較適合用于廣域網(wǎng)中。
2．分組交換的WDM光網(wǎng)絡(luò)
分組業(yè)務(wù)具有很大的突發(fā)性，如果用光路交換的方式處理將會(huì)造成資源的浪費(fèi)。在這種情況下，采用光分組交換將是最為理想的選擇，它將大大提高鏈路的利用率。在分組交換網(wǎng)絡(luò)里，每個(gè)分組都必須包含自己的選路信息，通常是放在信頭中。交換機(jī)根據(jù)信頭信息發(fā)送信號(hào)，而其它的信息如凈荷則不需由交換機(jī)處理。
光交換機(jī)通常是分布存儲(chǔ)式的交換機(jī)。光的分組交換一般有兩種方法。一種是比特序列分組交換（BSPS）；另一種是并行比特分組交換（BPPS）。
BSPS由電分組交換直接演化而來。二進(jìn)制的比特序列分組交換是最簡(jiǎn)單的分組交換方式。對(duì)于一個(gè)結(jié)定波長(zhǎng)波道的分組交換，信頭采用二進(jìn)制比特順序編碼，通常使用開關(guān)信號(hào)。如果將這些二進(jìn)制的比特序列分組交換信道進(jìn)行波分復(fù)用，可以增加傳輸帶寬，因?yàn)槎鄠�(gè)分組信號(hào)可以同時(shí)在不同的波道上傳送。不過，這些通道信號(hào)必須在進(jìn)入交換機(jī)之前解復(fù)用以便進(jìn)行選路，然后在交換機(jī)輸出端再?gòu)?fù)用。BPPS可以采用兩種編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，一是副載波復(fù)用，另一是多波長(zhǎng)的BPPS。
在這兩種情況中，并行比特分組交換的編碼技術(shù)采用同一光纖中的不同波道來傳送信頭和負(fù)載信息，可保證負(fù)載和信頭并行傳送，因此可增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。多波長(zhǎng)的分組交換比較適合于光網(wǎng)絡(luò)。首先，它可采用簡(jiǎn)單的無源光濾波器從分組信號(hào)中提取信頭；其次，在交換機(jī)內(nèi)對(duì)信頭進(jìn)行處理，使得分組路由對(duì)負(fù)載是透明的。
第三，由于每波長(zhǎng)使用單獨(dú)的光源，信頭和負(fù)載光源是分開的，因此沒有功率損失。
目前，由于一些技術(shù)限制，光分組交換一時(shí)還難于實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，光分組交換所需的光存儲(chǔ)器、信頭識(shí)別和處理裝置還不可能在光域內(nèi)完成。可調(diào)諧光源的反應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，還不能滿足分組交換的需求。
光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)
OTDM技術(shù)是一種超高速傳輸技術(shù)（可達(dá)100Gbit/s），它使用極窄脈沖產(chǎn)生較大帶寬，可以更加有效地利用光纖頻譜。通過OTDM技術(shù)，可將光支路數(shù)據(jù)流直接復(fù)用進(jìn)光域，產(chǎn)生極高比特率，并且不只提高了點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)的容量，而是可提供多址接入到光纖媒質(zhì)。但是OTDM的實(shí)現(xiàn)方法與WDM完全不同。
1．OTDM的概念
OTDM使用一個(gè)單一波長(zhǎng)來支持40Gbit／s以上的速率。
一個(gè)合適的光源（如鎖模激光器），產(chǎn)生一系列極窄的歸零光脈沖，并被分成N個(gè)數(shù)據(jù)流。然后這N個(gè)數(shù)據(jù)流中的每路信號(hào)經(jīng)由BGbit／s（如STM－n）的支路電信號(hào)分別調(diào)制，延遲一個(gè)時(shí)鐘周期，再經(jīng)復(fù)用后產(chǎn)生總的數(shù)據(jù)速率為（N×B）Gbt／s。目前研究表明，總的速率可高達(dá)200Gbit／s或更高。對(duì)于運(yùn)行在如此高數(shù)據(jù)速率下的系統(tǒng)來說，光纖色散的影響是一個(gè)非常重要的問題，一般使用兩種方法來解決：第一種是使用色散管理（通過使用色散補(bǔ)償光纖）使得總的色散接近千零；第二種方法是使用孤子傳輸，但必須仔細(xì)考慮信號(hào)功率和脈沖波形，使得與線性色散有關(guān)的影響通過采用與壓縮有關(guān)的自相位調(diào)制來解決。因此， OYDM是支持長(zhǎng)距離、高容量傳輸?shù)妮^好的技術(shù)方案。
2．OTDM系統(tǒng)及關(guān)控網(wǎng)元
自90年代開始，美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家的一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)OTDM系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了較大進(jìn)展。OTDM高速光通信系統(tǒng)主要包括超短脈沖光源、光時(shí)分復(fù)用／解復(fù)用設(shè)備、光定時(shí)提取和同步、光接收以及傳輸光纖等幾部分。
（1）光源
光源需產(chǎn)生高重復(fù)率、占空比相當(dāng)小的超窄光脈沖，脈寬越窄可以復(fù)用的路數(shù)越多，頻寬也就越寬。能滿足這些要求的光源主要有鎖模環(huán)形激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器等。
（2）光時(shí)分復(fù)用／解復(fù)用技術(shù)
OTDM傳輸系統(tǒng)的光時(shí)分復(fù)用技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)，而光解復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來難度較大，因此成為研究的重點(diǎn)。
OTDM對(duì)光解復(fù)用的要求是：快速穩(wěn)定的無誤碼工作，控制功率低，偏振無關(guān)，定時(shí)抖動(dòng)值小。目前采用的兩種解復(fù)用技術(shù)包括光纖非線性光環(huán)路鏡（N0LM）和FWM解復(fù)用器。
（3）同步和時(shí)鐘恢復(fù)
從OTDM系統(tǒng)中提取時(shí)鐘信號(hào)是非常重要的。目前，時(shí)鐘提取技術(shù)主要有光學(xué)諸振回路、注入鎖模半導(dǎo)體激光器和鎖相環(huán)路（PLL）等，現(xiàn)在較成熟的是鎖相環(huán)路。
為了保證具有分／插復(fù)用功能的光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，除了時(shí)鐘提取還需要對(duì)幀和信道進(jìn)行校準(zhǔn)。在光傳輸網(wǎng)絡(luò)中由于環(huán)境影響，也會(huì)產(chǎn)生科動(dòng)和漂移，因此還需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整和信道相位控制。
3．OTDM系統(tǒng)的特點(diǎn)
（1）解決WDM技術(shù)的限制
OTDM技術(shù)可解決WDM系統(tǒng)存在的一些限制，如自激的Raman散射和四波混頻效應(yīng)等。但目前所需的元件仍舊在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，一些關(guān)鍵問題沒有完全解決，如皮秒脈沖的產(chǎn)生和信號(hào)復(fù)用、解復(fù)用及同步的處理等，因此同WDM相比，OTDM是一個(gè)需要在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)研究的技術(shù)。
另外，在許多OTDM超高速傳輸網(wǎng)絡(luò)中，將使用非線性傳輸（光孤子）來解決色散的劣化影響，但目前人們雖然對(duì)孤子傳輸原理已經(jīng)很了解，但還沒有完全實(shí)現(xiàn)。
（2）提高光譜帶寬效率
OTDM系統(tǒng)將大大提高光譜帶寬效率。我們可對(duì)WDM系統(tǒng)和OTDM系統(tǒng)傳送一個(gè)給定容量的情況進(jìn)行比較：一個(gè)40Gbit／s的OTDM傳輸系統(tǒng)的傳輸容量相當(dāng)于16路×2.5Gbit／s WDM系統(tǒng)。如果采用一個(gè)2nm通道間隔的WDM系統(tǒng)，它將占有摻餌光放大器的全部帶寬。相反OTDM信號(hào)將僅占1nm的波長(zhǎng)空間，其余的可用來傳送WDM信號(hào)或傳統(tǒng)的TDM信號(hào)，大大提高了光譜帶寬利用率。
（3）可以與WDM技術(shù)相結(jié)合
由于WDM對(duì)長(zhǎng)距離、大量波長(zhǎng)數(shù)的限制，因此不太適于波長(zhǎng)數(shù)需大量增加的情況。這時(shí)可由WDM構(gòu)成子網(wǎng)，采用OTDM高速信道將WDM互連，在子網(wǎng)中使用WDM，可以增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性，而OTDM則是實(shí)現(xiàn)高速干線傳輸?shù)挠欣緩�。在WDM／OTDM網(wǎng)絡(luò)的界面接口點(diǎn)上，需要把N個(gè)不同波長(zhǎng)的WDM信道的信息轉(zhuǎn)換成一個(gè)波長(zhǎng)、N個(gè)不同OTDM信道的系統(tǒng)。
光碼分多址（OCDMA）技術(shù)OCDMA技術(shù)不僅可以提高現(xiàn)有光纖的利用率，大大減少網(wǎng)路中的設(shè)備，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理，而且具有較高的安全性，因此近年來引起了人們的廣泛關(guān)注。
1．OCDMA的原理及特點(diǎn)
（1）OCDMA的原理
OCDMA采用暫時(shí)的波形（稱作光特征碼）來編碼和解碼，不同的信息可共享一個(gè)時(shí)域、頻域、空間域，它根據(jù)域值從通道的所有信號(hào)，中選取所需的信號(hào)，光解碼器的輸出是與輸人信號(hào)和匹配的濾波器相關(guān)的。通常，為了保持較好的信噪比，特征碼必須相互正交。
OCDMA通常分為相干的CDMA和非相干的CDMA兩類。前者采用相位移的光序列，一個(gè)相位移的雙極性光脈沖序列代表一個(gè)二進(jìn)制碼；后者采用強(qiáng)度調(diào)制的碼序，使用單極性碼——又稱為準(zhǔn)正交編碼。
相干的CDMA與非相干的CDMA相比，最主要的優(yōu)點(diǎn)在于它具有較高的信噪比。
這主要是由于碼間具有較好的正交性，可以產(chǎn)生較高的處理增益。相干的 OCDMA的主要缺點(diǎn)是技術(shù)上實(shí)現(xiàn)較困難，以及相位移光信號(hào)的利用率較低。
（2）OCDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)
* 每一用戶分配一個(gè)單獨(dú)的光條碼，它可以通過光頻譜來秘密傳送信息，具有較高的安全性。
*OCDMA可以利用任何現(xiàn)有的光纖與 WDM技術(shù)結(jié)合使用。如在高速通道中使用WDM技術(shù)，而將OCDMA技術(shù)用于上下通路。
*OCDMA可傳送任何數(shù)字信號(hào)，包括SONET、ATM及DS－1和DS－3信號(hào)。它是一項(xiàng)協(xié)議獨(dú)立的技術(shù)，可與現(xiàn)有的任何新老設(shè)備兼容。
目前，限制OCDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題包括：可獲取的光編碼數(shù)；光纖色散的影響和OCDMA的傳輸損失；不同波長(zhǎng)的干擾碼所產(chǎn)生的干擾測(cè)量噪音。
2．OCDMA技術(shù)的發(fā)展
目前對(duì)OCDMA的研究越來越多，人們正考慮研究采用 OCDMA／WDM混合的方法來解決光源中波長(zhǎng)漂移的問題。目前，對(duì)OCDMA技術(shù)的研究主要還局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，只有Commercial技術(shù)公司宣布推出CedeStream OCDMA系統(tǒng)。
Commercial推出的 CodeStream寬帶光纖倒換轉(zhuǎn)發(fā)器可充分利用光纖帶寬容量，并允許多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)用戶共用一個(gè)光纖對(duì)來傳送和接收網(wǎng)絡(luò)信息，這是第一個(gè)商用的OCDMA光網(wǎng)絡(luò)解決方案。該系統(tǒng)可增加網(wǎng)絡(luò)容量，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理，減少網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
Codestream系統(tǒng)采用獨(dú)特的相位移一光子技術(shù)和光條碼技術(shù)在一根光纖對(duì)上產(chǎn)生和識(shí)別上百個(gè)獨(dú)立的、同時(shí)的通道。其基本結(jié)構(gòu)由一個(gè)連接到大量發(fā)送器的光源組成，每個(gè)發(fā)送器通過光合波器將非對(duì)稱信號(hào)編碼，并調(diào)制到一個(gè)單個(gè)激光器上。根據(jù)應(yīng)用情況，編碼可以是固定的或可編程的。在網(wǎng)絡(luò)的接收端，所有的OCDMA信道都廣播式地面向每一接收器，但只有具有匹配碼形的發(fā)射器和接收器才能進(jìn)行連接。
目前，該系統(tǒng)可傳送128路OC－12信號(hào)，大約于1999年中期提供商用，每通道的價(jià)格約為2萬~4萬美元。
幾種光傳送網(wǎng)技術(shù)的比較WDM技術(shù)已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用，是目前唯一成熟且付諸實(shí)用的超大容量光傳輸技術(shù)。WDM光傳送網(wǎng)具有透明性、可重組性和網(wǎng)絡(luò)可生存性，未來的WDM光網(wǎng)絡(luò)將向著基于波長(zhǎng)選路和波長(zhǎng)交換的高度靈活的光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，它將采用編程的光ADM、OXC等進(jìn)行波長(zhǎng)級(jí)處理，動(dòng)態(tài)分配波長(zhǎng)，并具有快速的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)及重組能力，是未來傳送網(wǎng)的主要發(fā)展方向，但需進(jìn)一步克服光纖的非線性影響。OTDM是一種非常有效的復(fù)用方法，它可以提高單一波道的傳輸速率，充分利用可獲光譜，消除WDM系統(tǒng)存在的一些限制（如四波混頻效應(yīng)和拉曼散射等）。
OTDM技術(shù)近年來在研究領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展，是未來發(fā)展的一項(xiàng)極具潛力的技術(shù)，但它遠(yuǎn)不如WDM技術(shù)成熟，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待解決。
OCDMA技術(shù)可大大提高光纖的利用率，降低網(wǎng)絡(luò)成本，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理，具有較高的網(wǎng)絡(luò)安全性，也是未來發(fā)展的一個(gè)極肯潛力的技術(shù)，只是目前技術(shù)尚未成熟。
今后，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，WDM技術(shù)、OTDM、OCDMA技術(shù)將相互結(jié)合、補(bǔ)充，在未來超高速傳送網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。 |
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