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[摘要] 随着信息化社会的到来,通信技术也得到了日新月异的发展。在过去的几年中,人们对传输速率的要求越来越高,使用高速率数据传输的用户数量每年都在递增,而光通信技术在过去几年中也有了长足的发展,光纤通信凭借其传输高速率的数据,成为广域通信网的骨干网络,如今在广域通信网中绝大部分是通过光纤传输的。本文主要讨论在光通信中的主要技术以及未来光通信的几个发展趋势。
[关键词] 光通信 光接入 光交换 全光网 无线光通信
随着用户对接入带宽要求的日益增加以及三网融合后对数字高清信号的传送,对运营商接入侧及骨干核心传输有了更高的要求,而光通信在其中起了举足轻重的作用,光通信技术的发展决定了电信业的未来方向,近几年,不论在接入层以及核心层,光通信技术都有了长足的发展。
1.在接入层:
1.1无源光网络(PON)
无源光网络主要用于解决宽带最终用户接入终端局的问题,由于这种接入技术使得接入网的局端(OLT)与用户(ONU)之间只需光纤、光分路器等光无源器件,不需租用机房和配备电源,因此被称为无源光网络。无源光网络以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为热门技术。目前已经逐步商用化的无源光网络主要有TDM-PON(APON、EPON、GPON)和WDM-PON。
无论是核心网、传输网还是接入网,其发展的首要因素就是业务,是终端用户的需求。从业务发展现状来看,高带宽的消耗业务逐步涌现,带宽提速成为迫切需求,而PON以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为宽带接入的热点,它在提供业务组合的同时,实现了高可靠性和高性能,已经成为了下一代光接入网的发展方向。
1.2无线光通信技术
从光纤骨干网到用户之间的"最后一英里",如果铺设光缆,不仅花费大而且耗时;许多无线通信技术可以解决"最后一英里"的问题,但是这些技术需要向无线电管理委员会申请频率执照,不仅要使用户支付大量的频率占用费,而且申请也要花费数月的时间。 无线光通信因为无需频率申请,机型小方便架设,能够简单的解决最后一英里的问题,为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案。
无线光通信系统是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率,就可以进行通信。一个无线光通信系统包括三个基本部分:发射机、信道和接收机。在点对点传输的情况下,每一端都设有光发射机和光接收机,可以实现全双工的通信。系统所用的基本技术是光电转换。
2.在汇聚和核心层:
2.1复用技术
复用技术的主要目的是扩容,传统的扩容方法采用ETDM(电时分复用)方式,但由于现代通信网对传输容量要求的急剧提高,利用TDM方式已日益接近硅和砷化镓技术的极限,并且传输设备的价格也很高,光纤色散和极化模色散的影响也日益加重。因此人们正越来越多地把兴趣从电时分复用转移到光复用。光复用有3种技术,即光时分复用(OTDM)、光波分复用(OWDM)以及正处于研究阶段的光码分复用(OCDMA)。
1)WDM技术及OTDM技术
WDM技术是研究最多、发展最快、应用最为广泛的技术,经过数年的发展和应用,已趋于成熟,而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前,WDM系统的传输容量正以极快的速度向前发展,直接基于WDM传输的业务也越来越多。WDM技术正对光通信的发展起着重要的作用,其作为现代超大容量传输规模的复用技术的优越性将体现得越来越为明显。
OTDM指利用高速光开关把多路光信号复用到1路上传输,利用OTDM技术可以。获得较高的速率带宽比,可克服EDFA增益不平坦、4波混频(FWM)非线性效应等诸多因素限制,而且可解决复用端口的竞争,增加全光网络的灵活性。WDM和TDM的发展趋势为:两种技术相结合,实现超长距离Tb/s星级的传输;利用WDM现有特殊的优势,以及OTDM更具特点的组网方式,为未来的全光网络提供更为灵活的网络解决方案。
2)OCDMA技术
作为第3代和第4代移动通信的技术基础,CDMA已经对通信事业的发展作出了重大的贡献。CDMA技术具有许多优于其它技术的特点,如在提高系统的容量方面具有显著的优势,能够很好地解决移动通信系统之中的抗干扰和抗多径衰落的问题。但由于卫星通信和移动通信中的带宽限制,尚未充分发挥CDMA技术的优点。光纤通信具有丰富的带宽资源,能很好地弥补这个缺陷,将CDMA技术应用于光纤系统中能充分利用光纤的巨大带宽。CDMA技术与光纤通信的结合不仅能充分发挥其技术本身的优点,而且是CDMA技术发展的必然趋势。
2.2光交换技术
对全光交换网络,公认的最佳光交换方案是光突发模式交换(OBS)和光分组交换(OPS)。关于这两种交换模式,经过这几年的技术发展,都有了较成熟的技术方案。
光纤有着巨大的频带资源和优异的传输性能,是实现高速率、大容量传输的最理想的物理媒质。随着波分复用(WDM)技术的成熟,1根光纤中已经能够传输几百Gbit/s到上Tbit/S的数字信息。传输系统容量的快速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。通信网中交换系统的规模越来越大,运行速率越来越高,未来的大型交换系统将需要处理总量达几百、上千Tbit/s的信息。但是目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近了电子速率的极限。为了解决电子瓶颈限制问题,研究人员开始在交换系统中引入光子技术,实现光交换。
光交换的优点在于,光信号在通过光交换单元时,不需经过光电、电光转换,因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制,对比特速率和调制方式透明,可以大大提高交换单元的吞吐量。由于光逻辑器件的功能还很简单,不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能,因此目前的光交换单元还大多要由电信号来控制,即电控光交换。
2.3全光通信网
基于WDM技术的全光通信网络已经引起了人们的广泛关注,对全光传送网络的关键技术进行全面、深入的研究。这些关键技术包括:业务接入和综合技术(IP/DWDM,SDH/DWDM等);光分插复用技术;光交叉连接技术;光放大技术;全光的波长转换技术;传输限制因素的研究;波长路由与虚波长路由技术;基于OADM与OXC节点的光网络重构技术以及全光网络的管理技术等。所有这些都充分体现了器件及其相关技术均向着高速化(OTDM与WDM技术的结合)、集成化(光电集成、功能模块集成)、模块化与业务综合化的方向发展,以充分适应全光通信网络的高速、可扩展、业务透明以及高生存性的发展要求。
2.4IP承载技术
目前,IP业务爆炸性的增长给电信业带来了激烈的竞争,也为其提供了难得的机遇。据报道,传统语音业务量年增长率只有5%-10%,而以Internet为代表的数据业务年增长率达到30%-40%。
由于IP的爆炸性增长, IP Over WDM将得到飞速发展,下1代Internet或基于IP的多媒体通信骨干网必将是这种IP技术,是1个多协议光互联网。其中其核心骨干网将采用IP Over WDM技术,次骨干网及其边线则采用IP Over SDH/SONET和IP Over ATM技术。但由于IP Over WDM具有IP Over ATM和IP Over& SO-NET无可比拟的体系简单直接、网络设备少、网管复杂性小、额外开销低、延时小、传输效率最高等特点,IP OVER ATM和IP OVER SDH/SONET最终都将发展为IP Over WDM。
综上所述,以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心,并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点,在未来的一段时间里,人们将继续研究和建设各种先进的光网络,并在验证有关新概念和新方案的同时,对下一代光传送网的关键技术进行更全面、更深入地研究。
从技术发展趋势角度来看,WDM技术将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展。从应用角度看,光网络则朝着面向IP互联网、能融入更多业务、能进行灵活的资源配置和生存性更强的方向发展,尤其是为了与近期需求相适应,光通信技术在基本实现了超高速、长距离、大容量的传送功能的基础上,将朝着智能化的传送功能发展。
[关键词] 光通信 光接入 光交换 全光网 无线光通信
随着用户对接入带宽要求的日益增加以及三网融合后对数字高清信号的传送,对运营商接入侧及骨干核心传输有了更高的要求,而光通信在其中起了举足轻重的作用,光通信技术的发展决定了电信业的未来方向,近几年,不论在接入层以及核心层,光通信技术都有了长足的发展。
1.在接入层:
1.1无源光网络(PON)
无源光网络主要用于解决宽带最终用户接入终端局的问题,由于这种接入技术使得接入网的局端(OLT)与用户(ONU)之间只需光纤、光分路器等光无源器件,不需租用机房和配备电源,因此被称为无源光网络。无源光网络以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为热门技术。目前已经逐步商用化的无源光网络主要有TDM-PON(APON、EPON、GPON)和WDM-PON。
无论是核心网、传输网还是接入网,其发展的首要因素就是业务,是终端用户的需求。从业务发展现状来看,高带宽的消耗业务逐步涌现,带宽提速成为迫切需求,而PON以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为宽带接入的热点,它在提供业务组合的同时,实现了高可靠性和高性能,已经成为了下一代光接入网的发展方向。
1.2无线光通信技术
从光纤骨干网到用户之间的"最后一英里",如果铺设光缆,不仅花费大而且耗时;许多无线通信技术可以解决"最后一英里"的问题,但是这些技术需要向无线电管理委员会申请频率执照,不仅要使用户支付大量的频率占用费,而且申请也要花费数月的时间。 无线光通信因为无需频率申请,机型小方便架设,能够简单的解决最后一英里的问题,为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案。
无线光通信系统是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率,就可以进行通信。一个无线光通信系统包括三个基本部分:发射机、信道和接收机。在点对点传输的情况下,每一端都设有光发射机和光接收机,可以实现全双工的通信。系统所用的基本技术是光电转换。
2.在汇聚和核心层:
2.1复用技术
复用技术的主要目的是扩容,传统的扩容方法采用ETDM(电时分复用)方式,但由于现代通信网对传输容量要求的急剧提高,利用TDM方式已日益接近硅和砷化镓技术的极限,并且传输设备的价格也很高,光纤色散和极化模色散的影响也日益加重。因此人们正越来越多地把兴趣从电时分复用转移到光复用。光复用有3种技术,即光时分复用(OTDM)、光波分复用(OWDM)以及正处于研究阶段的光码分复用(OCDMA)。
1)WDM技术及OTDM技术
WDM技术是研究最多、发展最快、应用最为广泛的技术,经过数年的发展和应用,已趋于成熟,而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前,WDM系统的传输容量正以极快的速度向前发展,直接基于WDM传输的业务也越来越多。WDM技术正对光通信的发展起着重要的作用,其作为现代超大容量传输规模的复用技术的优越性将体现得越来越为明显。
OTDM指利用高速光开关把多路光信号复用到1路上传输,利用OTDM技术可以。获得较高的速率带宽比,可克服EDFA增益不平坦、4波混频(FWM)非线性效应等诸多因素限制,而且可解决复用端口的竞争,增加全光网络的灵活性。WDM和TDM的发展趋势为:两种技术相结合,实现超长距离Tb/s星级的传输;利用WDM现有特殊的优势,以及OTDM更具特点的组网方式,为未来的全光网络提供更为灵活的网络解决方案。
2)OCDMA技术
作为第3代和第4代移动通信的技术基础,CDMA已经对通信事业的发展作出了重大的贡献。CDMA技术具有许多优于其它技术的特点,如在提高系统的容量方面具有显著的优势,能够很好地解决移动通信系统之中的抗干扰和抗多径衰落的问题。但由于卫星通信和移动通信中的带宽限制,尚未充分发挥CDMA技术的优点。光纤通信具有丰富的带宽资源,能很好地弥补这个缺陷,将CDMA技术应用于光纤系统中能充分利用光纤的巨大带宽。CDMA技术与光纤通信的结合不仅能充分发挥其技术本身的优点,而且是CDMA技术发展的必然趋势。
2.2光交换技术
对全光交换网络,公认的最佳光交换方案是光突发模式交换(OBS)和光分组交换(OPS)。关于这两种交换模式,经过这几年的技术发展,都有了较成熟的技术方案。
光纤有着巨大的频带资源和优异的传输性能,是实现高速率、大容量传输的最理想的物理媒质。随着波分复用(WDM)技术的成熟,1根光纤中已经能够传输几百Gbit/s到上Tbit/S的数字信息。传输系统容量的快速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。通信网中交换系统的规模越来越大,运行速率越来越高,未来的大型交换系统将需要处理总量达几百、上千Tbit/s的信息。但是目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近了电子速率的极限。为了解决电子瓶颈限制问题,研究人员开始在交换系统中引入光子技术,实现光交换。
光交换的优点在于,光信号在通过光交换单元时,不需经过光电、电光转换,因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制,对比特速率和调制方式透明,可以大大提高交换单元的吞吐量。由于光逻辑器件的功能还很简单,不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能,因此目前的光交换单元还大多要由电信号来控制,即电控光交换。
2.3全光通信网
基于WDM技术的全光通信网络已经引起了人们的广泛关注,对全光传送网络的关键技术进行全面、深入的研究。这些关键技术包括:业务接入和综合技术(IP/DWDM,SDH/DWDM等);光分插复用技术;光交叉连接技术;光放大技术;全光的波长转换技术;传输限制因素的研究;波长路由与虚波长路由技术;基于OADM与OXC节点的光网络重构技术以及全光网络的管理技术等。所有这些都充分体现了器件及其相关技术均向着高速化(OTDM与WDM技术的结合)、集成化(光电集成、功能模块集成)、模块化与业务综合化的方向发展,以充分适应全光通信网络的高速、可扩展、业务透明以及高生存性的发展要求。
2.4IP承载技术
目前,IP业务爆炸性的增长给电信业带来了激烈的竞争,也为其提供了难得的机遇。据报道,传统语音业务量年增长率只有5%-10%,而以Internet为代表的数据业务年增长率达到30%-40%。
由于IP的爆炸性增长, IP Over WDM将得到飞速发展,下1代Internet或基于IP的多媒体通信骨干网必将是这种IP技术,是1个多协议光互联网。其中其核心骨干网将采用IP Over WDM技术,次骨干网及其边线则采用IP Over SDH/SONET和IP Over ATM技术。但由于IP Over WDM具有IP Over ATM和IP Over& SO-NET无可比拟的体系简单直接、网络设备少、网管复杂性小、额外开销低、延时小、传输效率最高等特点,IP OVER ATM和IP OVER SDH/SONET最终都将发展为IP Over WDM。
综上所述,以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心,并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点,在未来的一段时间里,人们将继续研究和建设各种先进的光网络,并在验证有关新概念和新方案的同时,对下一代光传送网的关键技术进行更全面、更深入地研究。
从技术发展趋势角度来看,WDM技术将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展。从应用角度看,光网络则朝着面向IP互联网、能融入更多业务、能进行灵活的资源配置和生存性更强的方向发展,尤其是为了与近期需求相适应,光通信技术在基本实现了超高速、长距离、大容量的传送功能的基础上,将朝着智能化的传送功能发展。