全光网络：OTN与超长距离传输

2019-11-04 22:46:11

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供稿：网友

　　全光通信是光纤通信技术发展的方向，随着光纤通信的发展和应用，人们发现全光通信的梦想通过努力是可以实现的。本文从全光网的概念和OTN的概念出发，介绍超长距离传输技术的最新进展，探讨超长距离传输与OTN和全光网的关系。
　　
　　1.全光网的理想和OTN的概念
　　(1) 全光网的理想
　　
　　所谓全光网(AON：All-Optical Network)是指光信息流在网络中进行传输与交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光/电、电/光转换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中全部在光域内完成，网络中包括了光传输、光放大、光再生、光交换、光存储、光信息处理、光信号多路复接/分插、进网/出网等许多先进的全光技术。
　　
　　全光网可分为全光内部部分和外部网络控制治理部分。内部全光网是透明的，能容纳多种业务格式，通过光交换与选路技术，网络节点可以透明地发送或从别的节点接收信息。外部控制治理部分可实现网络的重构，使得波长和容量在整个网络内动态分配以满足通信量、业务和性能需求的变化，并提供一个生存性好、容错能力强的网络。
　　
　　从逻辑上来看，全光网络由光传输线路和在光域内进行交换/选路的光节点组成。光传输线路的容量和光节点的处理能力非常强，电子处理通常在边缘网络进行，边缘网络中的节点或节点系统可通过光通道与光网络直接连接。光节点不进行按信元或按数据包的电子处理，因而具有很大的吞吐量，可大大地降低传输延迟。不同类型的信号可以直接接入光网络。光网络具有光通道的保护能力，以保证网络传输的可靠性。
　　
　　（2）OTN的概念
　　
　　全光网为人们勾画出了信息传送的美好蓝图，但人们逐渐发现全光的处理非常困难。首先是放大、整形、存储时钟提取、波长变换等在电域很轻易实现的功能在光域实现却十分困难，有些虽然经过复杂的技术可以实现，但效果并不理想，且成本高昂。如波长变换，在电域利用光/电/光变换(O/E/O)很轻易实现，但全光的波长变换技术仍不够成熟。从性能上来说，消光比也不十分理想，可变换的波长范围也有限，不可能像电域那样在一个极宽的范围内进行变换。另外全光网的治理和维护信息处理也是一个重要问题，无法在光域上增加开销对信号进行监视，目前，治理和维护还必须依靠电信号进行。因此全光网的实现碰到了很多障碍，不能组成全球性/全国性的大网以实现全网内的波长调度和传输，而仅能组成一个有限区域的子网，在子网内实现透明传输和处理。子网之间的互连通过3R电再生处理。子网的大小可以改变，随着全光技术的发展，子网可以逐步扩大。
　　
　　在这一背景下，ITU-T于1998年提出光传送网(OTN)的概念取代过去全光网的概念。OTN是据网络功能与主要特征定名，虽然它的最终目的是透明的全光网络，但它不限定网络的透明性，可从“半透明”开始，即在网中答应有光电变换，这就解决了全光网络透明部分应该占多少的争议。因此，可以说OTN是电网络与全光网折衷的产物，是向全光网发展过程中的过渡产物。
　　
　　（3）OTN简介
　　
　　OTN概念的一个重要出发点是子网内的全光透明性，而在子网边界处采用O/E/O技术(这与目前WDM系统有着很大的区别，单纯的WDM系统只采用线路传输技术，不涉及组网技术)。OTN在光域内可以实现业务信号的传送、复用、路由选择、监控，并保证其性能指标和生存性。OTN按照信号的波长来进行信号处理，因此，它对子网内传送的信号的传输速率、数据格式及调制方式完全透明，这意味着光传送网不仅可以透明传送今天已经广泛使用的SDH、ip、以太网、帧中继(FR)和ATM等客户信号，而且也完全可以透明传送今后使用的新的数字业务信号。于是ITU-T开始提出一系列的建议，以覆盖光传送网的各个方面。由于OTN是作为网络技术来开发的，许多SDH传送网的功能和体系原理都可以仿效，包括帧结构、功能模型、网络治理、信息模型、性能要求、物理层接口等系列建议。应该说2000年之前，OTN的标准化基本采用了与SDH相同的思路，以G.872光网络分层结构为基础，分别从网络节点接口（G.709）、物理层接口（G.959.1）、网络抖动性能（G.8251）等几方面定义了OTN。
　　
　　2000年以后，由于自动交换传送网络(ASTN)和自动交换光网络(ASON)概念的出现，OTN的标准化发生了重大变化，主要是增加了许多智能控制的内容，利用独立的控制平面来实施动态配置连接治理。相应地对G.872也作了比较大的修正，但涉及物理层的部分基本没有变化，例如物理层接口、光网络性能和安全要求、功能模型等。涉及G.709光网络节点接口帧结构的部分也没有变化，变化大的部分主要是分层结构、网络治理。
　　
　　OTN综合了SONET/SDH的优点和DWDM的带宽可扩展性，并且还将SONET/SDH的OAM&P功能移植到DWDM光网络。
　　
　　OTN采用的主要要害技术是光交叉连接技术、DWDM传输技术、光域内的性能监测和故障治理技术。由于OTN采用了光交叉连接技术，因此，光传送网具有极强的重新配置及保护、恢复能力。光传送网可以进行波长级、波长组级和光纤级灵活重组，非凡是在波长级可以提供端到端的波长业务。以光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）为主的节点技术已经趋于成熟。目前，虽然OTN还缺乏光域内完整和足够的性能监测手段和故障治理能力，但光的3R再生技术正在取得进展。
　　
　　2．超长距离传输与OTN
　　（1）超长距离传输及其要害技术
　　
　　光纤通信问世以来，一直向着两个目标不断发展。一是延长中继距离，二是提高传输速率。光纤的吸收和散射导致光信号的衰减，光纤的色散将使光脉冲发生畸变，导致误码率增高，信号传输质量降低，限制了通信距离。为了满足长距离传输的需要，必须在光纤线路上加入中继器，以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形。传统的中继器是采用光—电—光的工作方式，电信号的响应速度有限，中继站的电子设备便成了高速传输的“瓶颈”。过去十年中，掺铒光纤放大器（EDFA）的应用大大增加了无电中继的传输距离；密集波分复用（DWDM）技术已成功地应用于光通信系统，极大地增加了光纤中可传输信息的容量，降低了系统的成本。光纤通信技术正向着超高速、大容量的方向发展，并且逐步向全光网络演进。但随着波分复用信道数的增加，单通道速率的提高，光纤的非线性效应成为限制系统性能的主要因素，长距离传输必须克服色散和非线性效应的影响。
　　
　　下一代实现超长距离传输的要害技术主要包括编码调制技术、光放大器技术、色散补偿技术、动态均衡技术、前向纠错技术、孤子技术、可配置OADM技术等。
　　
　　新型的编码方式主要有：RZ码、CS-RZ码、Super NRZ码等。RZ码的优点是平均功率低，对非线性容限能力有了提高，相对于NRZ码，接收端的OSNR可以提高1～2dB。且随着调制技术的成熟，成本不会增加很多。
　　
　　目前比较引人注目的喇曼光纤放大器(RFA)，利用了光纤中的SRS（受激喇曼散射）效应，使信号与一个强泵浦波同时传输，并且其频率差位于泵浦波的喇曼增益谱宽之内，此信号可被光纤放大。喇曼放大器的一个特点是有很宽的带宽，可以在任何波优点提供增益，只要能得到所需的泵浦波长，并且增益介质是光纤，可以制成分立式或分布式的放大器，另外一个显著优点是噪声低，可以满足在小信号放大时对OSNR的要求。
　　
　　在10G以上的高速系统中，必须考虑色散补偿问题。最常用的色散补偿的方法是使用色散补偿光纤(DCF)，它在1550nm波段有很大的负色散，可以补偿常规光纤的色散。但DCF的色散斜率与常规光纤不能完全匹配，导致不能在多个波长上同时精确地补偿色散效应，有残余的色散，尤其对于G.655光纤，色散斜率的补偿比较困难。
　　
　　对于高速率长距离系统，除了在光域上提高OSNR，还可以在电域上进行编码纠错。目前比较流行的办法是采用前向纠错FEC，能在接收端光信噪比OSNR较低的情况下依然获得较佳的误码性能指标。新版G.707建议中利用SDH的段开销SOH中空余字节P1、Q1以BCH-3码方式增加了FEC选项，应用到高速SDH系统上预期可获得2dB的误码性能改善。如希望得到更多的改善，则可使用带外FEC，例如super FEC和enhanced FEC，最高可以获得8dB误码性能改善。
　　
　　OADM是新一代超长距离DWDM系统中的重要器件，已研制出的OADM有波分复用器和解复用器的组合型、Mach-Zehnder结构中的光纤光栅型、将光波导、Mach-Zehnder结构及干涉滤光片集成在一起的平面集成型，它们都以固定波长工作。现在国内的绝大部分厂家的OADM都是采用介质薄膜干涉滤波器作为合/分波器，采用并行结构，固定地上下某几个波长。国外的全波可配置的OADM也正在开发之中，并且取得了很大的进展。2004年2月28日，由烽火通信科技股份有限公司承担的国家863计划“WDM超长距离光传输技术研究与实现”项目成功通过了863项目验收委员会的验收，全部测试项目均达到或优于指标要求。此举代表着中国通信领域的一项重大技术获得突破和创新，其商用前景广阔。
　　
　　（2）无电中继传输距离决定OTN透明子网大小
　　
　　基于ITU-T G.872和G.709的光传送网是下一代的骨干传送网，所有的客户信号都能在光传送网中传输。这种将客户信号进行打包处理以便在OTN中传输的技术称为数字包封技术，经过数字包封处理后的客户信号仍然是电信号，需要将其加载到某一或某些波长上，以实现光域内的传送、复用、路由选择、监控，并保证其性能指标和生存性。
　　
　　那么以波长携带的信号能传输多远呢？这取决于光信号的无电中继传输距离。无电中继传输距离越长，透明子网覆盖范围就越大；反之，无电中继传输距离短，透明子网覆盖范围就小。因此可以说无电中继传输距离的长短决定了OTN透明子网的覆盖范围。
　　
　　目前的OTN实际上由若干OTN子网或称为光学岛构成，因此光信号要继续传送或建立更大范围内的网络，就必须进行3R（Reamplifying、Reshaping、Retiming，即放大、整形

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