光纤通信技术

问题的提出如何解决电信号处理信息速率的限制？如何降低目前日益增加的传送网节点的复杂性？统一的支撑网络架构（对传送功能的要求）和高效的带宽集散能力（对交换功能的要求）代表了未来信息网络的主要特征。目前，只有光传送网（光联网）方案才可能承担这样的重任。为什么？3.7.3光传送网的分层结构3.7.4光传送网的节点技术3.7.1光传送网的引入3.7光传送网技术3.7.2光传送网的特点光纤拥有约30THz的巨大潜在带宽容量，光纤通信是未来电信骨干网最重要的传输技术。现阶段，以电时分复用为基础的单信道光同步数字传送系统（SDH），其商用化速率已达到40Gb/s，接近电子处理极限，仍不能满足通信带宽需求；20世纪90年代中后期，WDM商用系统传输容量已达到1.6Tb/s，试验系统则超过10Tb/s；传统WDM网络尽管可以有效解决超高速传输问题，但是节点间的信息交换仍然是纯电子式的；随着网络容量呈几何级数增长，节点规模将变得日益庞大和复杂。因此，提出了光传送网的概念。3.7.1光传送网的引入(1)1.WDM的技术优点•超大容量传输。充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，降低成本；•可同时传输多种不同类型的信号，实现多媒体信号的混合传输；•可实现单根光纤双向传输。•平滑扩容、升级，各信道透明传输。•适应未来全光网建设的要求。3.7.1光传送网的引入(2)2.光通信网络的发展和演变(1)电网络电网络采用电缆将网络节点互连在一起，网络节点采用电子交换节点，是上世纪80年代以前广泛使用的网络。(2)光电混合网光电混合网在网络节点之间用光纤取代了传统的电缆，实现了节点之间的全光化。这是目前广泛采用的通信网络。电网络光电混合网络电交换节点光纤电缆指信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生、光交叉连接(OXC)，光分叉复用(OADM）和交换／选路，中间不需经过光电、电光转换。全光网络不受检测器、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，可以大大提高整个网络的传输容量和交换节点的吞吐量。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。(3)全光网络AON(ALLOpticalNetwork)(4)光传送网（OTN）OpticalTransportNetwork光信号固有的模拟特性和光器件的水平，目前在光域内很难完成3R中继功能（即再定时、整形和放大），人们暂时放下了全光网的追求，转而用“光传送网”来代替.子网内全光透明，而在子网边界处采用O/E/O技术。全光网己被ITU-T定义为光传送网。光传送网是在现有的传送网中加入光层，提供光交叉连接和分插复用功能，提供有关客户层信号的传送、复用、选路、管理、监控和生存性功能。由于全光通信网在光域上进行交叉连接和分插复用，大大提高整个网络的传输容量和节点的吞吐容量。光传送网成为20世纪90年代中期以后光网络的研究热点。(1)IPoverWDM(InternetProtocoloverWavelengthDivisionMultiplexing)1998年，全球范围内的数据业务量已经超过传统的话音业务量。随着IP流量的迅猛发展和传送方式的成功，IP将成为未来传送网络业务的主要承载方式。WDM具有惊人的传送能力，成为构建下一代传送网络最有潜力的技术之一。因此，光网络和数据网络的融合成为必然的发展趋势。鉴于WDM技术能提供巨大的带宽，已经无可争议地成为骨干网络中最为主要的传输技术，因此，如何在WDM之上高效地承载IP业务就成为最热门的重点研究课题。3.光通信的另一重大变革：光网络与数据网的融合及光网络向智能化的发展。(2)IP在WDM上的适配技术①IPoverATM20世纪90年代中期，一些因特网业务提供商在他们的核心网络中引人IPoverATM的模式，以适应网络业务的爆炸性增长。IPoverATM的基本原理为：将IP数据包在ATM层封装为ATM信元，数据以ATM信元的形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址进行处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立VC。以后的数据包将在此VC上以直通方式传输而不再经过路由器的地址解析处理，从而有效地解决了IP路由器的“瓶颈”问题，提高了IP数据包的交换速度。IP和ATM的结合是面向连接的ATM与无连接IP的统一，也是选路与交换的优化组合，但其网络结构复杂，功能重复，开销损失达20%以上，网络扩展性也差。②IPoverSDH/SONETSDH/SONET是目前网络中应用最为广泛的传输技术，能够提供多种不同速率的复用和业务整合功能，具有强大的故障恢复和保护功能。IP与SDH/SONET的结合是将IP数据报通过PPP/LAPS/SDL/GFP等协议直接映射到SDH/SONET帧，去除了中间的ATM层，从而保留了Internet的无连接特征，简化了网络体系结构，提高了传输效率。IP与SDH/SONET的结合易于兼容不同技术体系和实现网间互联，是一种较现实、高效的IP传送方式，目前已在实际应用中获得较大的成功。Point-to-PointProtocol，GFP:GeneralizedFrameProtocolLAPS:LinkAccessProcedure-SDHSDL:SimpleDataLinkProtocol③IPoverGE(GigabitEthernet千兆以太网)以太网占据了全世界LAN的85%以上。1995年IEEE正式通过802.3u快速以太网标准，1998年802.3z千兆以太网标准，2002年6月，802.3ae10G标准的发布。由于以太网技术具有共享性、开放性，加上设计技术上的一些优势（如结构简单、算法简洁、良好的兼容性和平滑升级），以及传输速率的大幅提高，20世纪90年代以来，以太网得到了前所未有的大规模应用。使用新的以太网标准可用来把大容量的LAN扩展成为MAN，甚至可扩展成为WAN。路由器中的吉比特线路卡提供与SDH相当的容量，花费只是其六分之一左右。LAN:LocalAreaNetwork;MAN:MetropolitanAreaNetworkWAN:WideAreaNetwork路由器中的吉比特线路卡提供与SDH相当的容量，花费只是其六分之一左右。在这种情况下，还需要SDH吗？尤其是10G路由器已经出现，100G的路由器也已提上日程，SDH的装载容量已不能满足高速路由器的出口速率要求，显然直接给路由器适配波长进入WDM网络，不再进入SDH网络是可行的，这就出现了OTN的组网形式。④IPoverWDMIPoverATM以及IPoverSDH都是在已广泛应用的技术基础上提供对IP业务的传输，但它们的最初设计目标不是针对IP业务。ATM的目标是承载多业务、提高网络吞吐量和QOS保证；SDH的目标则主要是针对电路交换式业务提供高容量的传输；它们都不是很有效的IP到WDM的适配方式。如何将IP和WDM廉价的带宽很好地结合是我们关心的问题。目前普遍认为简化IP到WDM的适配过程是未来网络体系结构的发展趋势，在IP层和WDM光层之间只需要一个合适的适配层。(3)IPoverOTN是未来组网的主要形式随着宽带数据业务的大力驱动和OTN技术的日益成熟，采用OTN技术构建更为高效和可靠的传送网是OTN技术必然的发展结果。现有城域核心层及干线的SDH网络适合传送的主要为TDM业务，而目前迅猛增加的主要为具备统计特性的数据业务，因此在这些网络层面后续的网络建设不可能大规模新建SDH网络，但WDM网络的规模建设和扩容不可避免，IP业务可通过POS接口或者以太网接口直接上载到OTN。对于现有WDM系统新建或扩容的传送网络，在省去SDH网络层面以后，至少应支持基于G.709开销的维护管理功能和基于光层的保护倒换功能，也就是说，OTN网络替代了SDH网络相应的功能。WDM网络则应逐渐升级过渡到OTN网络，而基于OTN技术的组网则应逐渐占据传送网主导地位。4.光传送网的概念光传送网是一种以波分复用与光信道技术为核心的新型通信网络传送体系，它由光分叉复用、光交叉连接、光放大等网元设备组成，具有超大传送容量、对承载信号语义透明性及在光层面上实现保护和路由的功能，是光互联网络的基础结构。光传送网(OTN)是继PDH、SDH之后的新一代数字光传送技术体制，它能解决传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力、组网能力弱、保护能力弱等问题。OTN以多波长传送、大颗粒调度为基础，综合了SDH的优点及WDM的优点，可在光层及电层实现波长及子波长业务的交叉调度，并实现业务的接入、封装、映射、复用、级联、保护/恢复、管理及维护，形成一个以大颗粒宽带业务传送为特征的大容量传送网络。OTN是一种新型通信网络传送体系，不仅兼容采用标准的WDM传输系统，同时还支持灵活的光分插复用、光交叉连接等组网功能，提供了一种用于管理多波长、多光纤网络带宽资源的、经济有效的技术手段。目前，光传送网正在从电联网逐步向光联网演进。3.7.2光传送网的特点OTN是指为客户层信号提供光域处理的传送网络，主要功能包括传送、复用、选路、监视和生存性等。OTN处理的最基本的对象是光波长，客户层业务以光波长形式在光网络上复用、传输、放大，在光域上分插复用和交叉连接，为客户信号提供有效和可靠的传输。主要特点：(1)多种客户信号封装和透明传输基于ITU-TG.709的OTN帧结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输，如SDH、GE和10GE等。目前对于SDH和ATM可实现标准封装和透明传送，但对于不同速率以太网的支持有所差异。(2)大颗粒的带宽复用、交叉和配置OTN目前定义的电层带宽颗粒为光通道数据单元（ODUk，k=1,2,3），即ODU1(2.5Gb/s)、ODU2(10Gb/s)和ODU3(40Gb/s)，光层的带宽颗粒为波长，相对于SDH的VC-12/VC-4的调度颗粒，OTN复用、交叉和配置的颗粒明显要大很多，对高带宽数据客户业务的适配和传送效率显著提升。在OTN大容量交叉的基础上，通过引入ASON智能控制平面，可以提高光传送网的保护恢复能力，改善网络调度能力。(3)强大的开销和维护管理能力OTN提供了和SDH类似的开销管理能力，OTN光通道(OCh)层的OTN帧结构大大增强了该层的数字监视能力。另外OTN还提供6层嵌套串联连接监视（TCM）功能，这样使得OTN组网时，采取端到端和多个分段同时进行性能监视的方式成为可能。OTUk层的段监测字节（SM）可以对电再生段进行性能和故障监测；ODUk层的通道监测字节（PM）可以对端到端的波长通道进行性能和故障监测。(4)增强了组网和保护能力通过OTN帧结构、ODUk交叉和多维度可重构光分插复用器（ROADM）的引入，大大增强了光传送网的组网能力，改变了基于SDHVC-12/VC-4调度带宽和WDM点到点提供大容量传送带宽的现状。前向纠错（FEC）技术的采用，显著增加了光层传输的距离。另外，OTN将提供更为灵活的基于电层和光层的业务保护功能，如基于ODUk层的光子网连接保护（SNCP）和共享环网保护、基于光层的光通道或复用段保护等，但目前共享环网技术尚未标准化。3.7.3光传送网的分层结构WDM光传送网是用光波长作为最基本交换单元的交换技术，来替换传统交换节点中以时隙为交换单位的时隙交换技术，客户信号以波长为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光层。两者的不同如图所示。WDM光传送网是在传统的SDH网络中引入光层，光层负责传送电层适配到物理媒质层的信息。它可以细分为三个子层：从上到下依次为•光信道层(OCh)网络•光复用段层(OMS)网络•光传输段层(OTS)网络。相邻的层网络形成客户/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