追光而建的信息网络—光网络中的若干关键技术综述（一）

sanasnoz

上期文章中，我们提及：以光纤（或光缆）为信息传输物理媒介的高速光纤通信系统，承载了全球90%以上的数据业务，成为信息社会的“主动脉系统”；但是，仅仅有一个或几个光纤通信系统还远远不够，只有将无数异构非同速的上述系统在全球连接起来，才能进行覆盖全世界用户的大数据传输、交换和接入。
为什么要发展光网络呢？主要原因有两个：一是因为光速是目前宇宙中的极限速度，而信息技术发展的一个关键目标就是追求高速率，那么光波作为有很多应用优势的高速载波是最佳选择；二是因为制备光纤的原材料极其丰富且成本低廉，这将降低单比特信息传输、交换和接入的成本。当然，还有其他一些原因，不再赘述，大家可以参看往期发布的相关文章。
通常意义上的电信级光网络的如下图所示，主要涵盖接入层、汇聚层和核心层，具体各层的细节不再阐述，还是请大家参看往期发布的相关文章；只说明一下各层的主要作用：接入层主要面向用户侧的信息汇聚终端，包含各类架设在电信机房或移动基站中的复用及解复用设备及线缆等；汇聚层主要在城域网中实现分组信息的高速传输和宽带交换；核心层往往会涉及更高速率、更长距离、更大容量的区域级互联互通多类网络。



图1. 电信级光网络
需要特别强调两点：1、不可以将光网络片面理解为信息传输网络，实际上，它还有更重要的交换（也称交叉连接）和接入（也称面向用户端通信）功能；2、目前，业界指的的光网络通常还是指光纤通信网络，因为光纤依然在近期甚至未来很长一段时间内还是不可或缺的高速信息传输媒介；而其他异构光网络（例如自由空间光网络、室内可见光网络、紫外或红外光网络等），尽管存在一些短期内克服不了的技术瓶颈，或是有成本造价或是有接口对接等问题，建成后要实现真正民用的大数据通信尚需特别设计或定制，依然是业界研究的热点或焦点，但未来也极有可能将与电信级光网络融合演进。
因为光网络涉及的关键技术非常之多，一篇文章之内无法逐一阐明，本期笔者想跟读者讲述以下若干问题，供大家阅读、交流并思考~
一、从光网络的发展历史来看，光网络通常可以分为几代？每一代光网络的特点是什么？
从光网络的发展历史来看，光网络可以分为三代：
（1）第一代光网络以SDH/SONET（Synchronous Digital Hierarchy/Synchronous Optical Network）为代表，如下图所示，它在历史上第一次实现了全球统一的光网络互联技术，规范了光接口，而且定义了对光信号质量的监控、故障定位和配置等重要网络管理功能。SDH/SONET采用光传输系统和电子节点的组合，光技术用于实现大容量的信息传输，光信号在电子节点中转换为电信号，在电层上实现交换、选路和其他智能；但是它在互联技术上并没有实现统一，网络的性能依然没有改善。



图2. SDH网络
（2）第二代光网络被认为是以ITU-T提出的光传送网（OTN，Optical Transport Network）。OTN是以波分复用（WDM）技术为基础在光层组织网络的传送网，它是通过增加交换、选路和其他智能等功能而在光层上实现的，解决了传统的WDM光网络无波长/子波业务调度能力，以及组网能力弱和保护能力弱等问题，如下图所示。



图3. OTN
（3）第三代光网络被认为是全光网，它是指网络端到端用户节点之间数据传输交换的整个过程都是在光域内进行的，其间并没有光/电信号的转换，如下图所示。对于光信号网络是完全透明的，从而可充分利用光纤的潜力，进而提高网络的传输性能。然而全光交换技术和全光交叉技术的不成熟，以及全光组网技术未标准化，使得全光网的研究成为目前的一个研究热点。



图4. 全光网
二、光网络主要由哪几部分组成？每部分的工作原理是什么？
光网络是由用户终端设备、传输设备、交换设备等硬件系统以及相应的信令系统、协议、标准、资费制度与质量标准等软件系统构成。
（1）用户终端设备是以用户线路为传输信道的终端设备，也称为终端节点。
（2）传输设备是为用户终端和业务网提供传输服务的电信终端，主要包括光收信机和发信机设备，PDH准同步数字系列中的PCM复接设备，SDH同步数字系列中的终端复用器等各种复用设备。
（3）交换设备用于对用户群内各用户终端按需求提供相应的临时传输信道的连接，并控制传输信号的流量和流向，以达到共用电信设备、提高设备利用率的目的。
（4）信令系统是光纤通信网络的神经系统。信令系统可使网络作为一个整体而正常运行，有效地完成任何用户之间的通信。信令网关汇聚设备如下图所示。



图5. 信令网关汇聚设备
（5）协议是光纤通信网中用户与用户及用户与网络资源之间完成通信或服务所必须遵循的原则和约定的共同“语言”。
（6）标准是由权威机构所制定的规范。
三、WDM的基本原理是什么，具有哪些应用优势？实际应用中WDM系统的基本结构是怎样的。
WDM的基本原理：在发送端采用复用器（合波器）将不同波长的光信号进行合并，在接收端利用解复用器（分波器）将合并的光信号分开并送入不同的终端，如下图所示。采用WDM技术后，原来只能采用一个光波长作为载波的单一光信道可变为多个不同波长的光信道同时在光纤中传输，从而扩大了光纤通信系统的传输容量。



图6. WDM
WDM系统具有如下优点：
（1）超大容量传输。WDM系统可充分利用光纤的巨大带宽资源（低损耗波段），使一根光纤的传输容量比单波长传输时的增加几倍至几十倍，可达到300 Gb/s~400 Gb/s，从而降低了成本，具有很大的应用价值，在很大程度上解决了传输带宽问题。
（2）传输多种不同类型信号。WDM系统各复用通路使用的各信号波长彼此相互独立，因而可以传输特性完全不同的业务信号，完成各种通信业务的合成与分解，包括数字信号和模拟信号，以及准同步数字序列信号和同步数字序列信号，实现多媒体信号(语音、数据和图像等)的传输。
（3）多种网络应用形式。根据不同的需求，WDM技术可有很多种应用形式，如长途干线网络、广播式分配网络以及多路多址局域网络应用等。
（4）扩充网络容量，减少投资。对已建的光纤通信系统扩容较方便，只要原系统的功率富余度较大，进一步增容不用敷设更多的光纤线路，也无须使用高速率的网络部分，只要更换光端机就可实现网络容量的扩充。
（5）组网灵活可靠。在网络节点使用光分插复用器（OADM）可直接上/下路光波长信号，或使用光交叉连接设备（OXC）对光波长直接进行交叉连接，组成具有高灵活性、高可靠性和高生存性的全光网络。
（6）实用高效，性能优良。掺铒光纤放大器（EDFA）技术在特定的频带内，无须进行光/电转换就可直接放大光信号，为高密度波分复用传输系统的应用提供了最佳扩展空间。
（7）业务透明。波分复用通道对数据格式是透明的，与信号传输速率及电调制方式无关,可通过增加一个附加波长引入新业务或新容量，如IP over WDM技术。
（8）降低器件的超高速要求。随着信息传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，因此使用WDM技术既可降低对一些器件在性能上的要求，又可实现大容量信息的传输。
实际应用中WDM系统的基本结构如下图所示。



图7. WDM系统基本结构
四、SDH在实际应用中的具体特点是什么？怎么理解SDH的信号等级和其中的STM-N帧结构呢？
SDH之所以能够快速发展是与它自身的特点分不开的，其具体特点如下：
（1）SDH传输系统在国际上有统一的帧结构、数字传输标准速率和标准的光路接口，可使网管系统互通，因此有很好的横向兼容性。
（2）SDH接入系统的不同等级的码流在帧结构净负荷区内的排列非常有规律，而净负荷与网络是同步的，它利用软件能将高速信号一次直接分插得出低速支路信号，实现了一次复用的特性，克服了PDH准同步复用方式对全部高速信号进行逐级分解后再生复用的过程，大大简化了DXC，减少了“背靠背”的接口复用设备，改善了网络业务传送的透明性。
（3）由于采用了较先进的分插复用器(ADM)和数字交叉连接(DXC)，因此网络的自愈功能和重组功能就显得非常强大，具有较强的生存率。
（4）SDH有多种网络拓扑结构，它所组成的网络非常灵活，能增强网监、运行管理和自动配置功能，优化了网络性能，同时也使网络灵活、安全和可靠的运行，使网络的功能非常齐全且多样化。
（5）SDH具有传输和交换的性能，它的系列设备的构成能通过功能块的自由组合来实现不同层次和各种拓扑结构的网络，使用起来十分灵活。
（6）SDH并不专属于某种传输介质，它可用于双绞线和同轴电缆，但SDH用于传输高数据率时则需用光纤。这一特点表明，SDH既可用作干线通道，又可作支线通道。
（7）从OSI模型（如下图所示）来看，SDH属于其最底层的物理层，并未对其高层有严格的限制，便于在SDH上采用各种网络技术，支持ATM或IP传输。



图8. OSI模型
（8）SDH是严格同步的，从而保证了整个网络的稳定性和可靠性，误码率较低，且便于复用和调整。
（9）标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现横向兼容，降低了联网成本。
SDH的信号等级如下图所示。



图9. SDH的信号等级
STM-N帧结构如下图所示。



图10. STM-N帧结构
以上内容供大家平时学习研究和实践应用时参考，本来还有许多要讲的，例如“光网络如何对接无线网络”等等，留待以后有机会再与大家分享所思所得，兼虑时间有限，晚上写作又有点犯困，谢谢大家理解，今后继续….