新一代光網絡技術及應用淺析
訊石光通訊網
2008/1/4 9:26:15
摘要 隨著多類業(yè)務驅動和技術快速發(fā)展，光網絡新技術層出不窮。本文從光網絡的3個功能平面、光子網格、光量子通信等方面分析探討了新一代光通信技術的特點、應用范疇等，同時也簡要分析了新技術的引入策略和發(fā)展趨勢。
1、引言
隨著以IP為主流的數據業(yè)務量的繼續(xù)爆長、安全可靠性要求的提高以及TDM語音業(yè)務量的逐漸萎縮，現有的傳送網絡技術呈現出一些明顯的不足，典型的如傳統(tǒng)的電域寬帶技術已不能滿足大帶寬（如單用戶百兆量級）業(yè)務量的接入、傳統(tǒng)SDH技術已不能滿足大顆粒業(yè)務（1Gbit/s及其以上量級）的交換要求、MSTP技術已不能完全滿足面向連接的電信級以太網的傳送要求、而傳統(tǒng)的WDM技術無法實現光層信號的監(jiān)控和管理等。另外，隨著光網絡技術的日益完善，如何拓展光網絡的應用范疇也是目前業(yè)界討論的熱點問題，如光子網格技術，同時如何采用新機理，如量子力學等實現更高容量的未來光通信技術，也是科學家們努力研究企圖取得突破性進展的研究領域。因此，本文主要從光網絡基本功能結構出發(fā)，分別從傳送平面、控制平面、管理平面3個層面，以及網格應用新技術、量子通信技術等方面逐步探討新一代光網絡技術及其應用策略和發(fā)展趨勢。
2、光網絡新技術分析
2.1 光網絡基本功能結構
光網絡從橫向區(qū)域分割來看，可分為光接入網、城域網和骨干網三個不同的網絡類型；從網絡功能構成來劃分，可分為傳送平面、控制平面（可選）和管理平面3個不同的功能類型（見圖1）。
圖1 光網絡基本功能結構
傳送平面主要實現光網絡物理層信號的封裝/解封裝、傳輸、交叉（交換）和基于傳送平面的保護/恢復功能；控制平面主要實現光網絡的智能特性，如資源自動發(fā)現、路由計算和選擇、信令控制和基于控制平面的保護/恢復功能等；管理平面主要實現傳送平面和控制平面相關資源的管理功能。
2.2 傳送平面新技術
?。?）光傳送網技術
OTN技術主要側重于骨干/城域核心領域應用，其主要涉及到以下一些關鍵技術：
●OTN節(jié)點類型
根據OTN交叉技術實現機制的差異，OTN節(jié)點類型目前主要可分為兩類，即基于電交叉的OTN節(jié)點設備（光傳送體系（OTH）設備）和基于光交叉的OTN節(jié)點設備（可重構光分插復用（ROADM）設備）。
OTH設備的基本特點是采用以光通路數據單元（ODU-k）的交叉顆粒、支持多種基于電層的保護恢復功能、交叉容量較大等，在功能特征上和SDH設備基本類似，但增加了SDH設備所不具備的功能，即其涵蓋范圍可以包含底層的WDM技術。在具體技術實現上，OTH設備一般有兩種形態(tài)，一種是OTH和WDM分開設計，一種是OTH設計中已涵蓋了WDM部分。
ROADM設備的基本特點是采用以光波長為交叉顆粒，支持多種基于光層的保護恢復功能、交叉容量大等。雖然ROADM設備組網時減少了OEO轉換，降低了一定的設備成本，但由于光信號此時是模擬傳輸，很容易受到多種物理效應的傳輸距離限制，如（殘余）色散、非線性效應、光信噪比（OSNR）等，尤其是動態(tài)調整波長路徑的情形。在具體技術實現上，目前的ROADM設備一般有三種形態(tài)，即波長阻斷器（WB）、平面波導（PLC）和波長選擇交換（WSS），國內外大部分傳輸設備廠家可以提供不同光方向（維度）的ROADM產品。
●高速長距離大容量傳輸技術
目前，與網絡應用（如傳輸40GE/100GE）關系密切的新型高速傳輸技術主要為40Gbit/s和100Gbit/s，主要涉及的技術包括編碼調制技術、色散補償技術、非線性抑制技術及OSNR保證措施等。
長距離的支撐技術主要有新型調制編碼技術、多種增強型的前向糾錯（FEC）技術、采用電均衡功能的接收機、喇曼放大技術、動態(tài)增益均衡和功率調整技術等。
大容量可體現在時分復用、頻（波）分復用、碼分復用和偏振復用等多個方面。
●光子集成技術
光子集成技術和目前普遍應用的WDM技術有所差異，主要體現在光電器件的集成度上。常規(guī)的WDM技術每個光波長轉換單元（OTU）是各自獨立進行設計的，而采用光子集成技術的OTU是集成在單個芯片上進行設計的，可實現設備集成度顯著提高。
?。?）電分組傳送技術
電分組傳送技術目前主要側重于城域網接入與匯聚層面應用。根據基于已有技術演化的不同路徑，目前電分組傳送技術主要分為兩種，即T-MPLS和PBB-TE（PBT）。
●T-MPLS主要特征
T-MPLS基于MPLS發(fā)展而來，其功能可簡單描述為MPLS中增加OAM功能，同時簡化涉及三層IP的相關功能。和MPLS相比，T-MPLS支持面向連接的雙向標簽交換路徑（LSP），不支持倒數第二跳彈出（PHP），LSP聚合，等價多路徑（ECMP）等MPLS的典型功能。從2005年底開始，ITU-T已經開始了T-MPLS/IETF相關規(guī)范，截止到目前，已經通過了多項建議，如涉及到結構和定義，接口和OAM，特定功能（保護恢復等）和管理等。
●PBT主要特征
PBT基于傳統(tǒng)以太網技術發(fā)展而言，是PBB的子集，其功能可簡單描述為PBB增加TE功能。和PBB相比，PBT支持面向連接的雙向連接隧道（VLAN+MAC），但不支持傳統(tǒng)以太網的MAC地址學習、地址廣播和生成數（STP）等典型功能。目前，IEEE對于PBT正在進一步規(guī)范，尚處于草案階段，而ITU-T近期也啟動了G.PBT的規(guī)范工作。
●T-MPLS和PBT共有特征
T-MPLS和PBT雖然基于的技術實現差異很大，但兩者都是為了實現電信級以太網的傳送而實現的，因此兩者在一些關鍵功能上都體現出一致性，主要表現為：兩者建立的都是面向連接的雙向分組隧道；兩者都提供端到端的OAM功能；兩者都提供保護功能；兩者目前都采用網管靜態(tài)配置來實現，未來可發(fā)展為動態(tài)智能指派來實現（增加控制平面）；底層傳輸技術不加限制，可以為已知技術中的任何技術，如以太網技術，PDH/SDH，WDM和OTN等技術。
?。?）光接入技術
根據目前光接入技術實現的差異，光接入技術主要分為基于樹型拓撲的APON/BPON，GPON和EPON技術，以及基于星型拓撲的以太網接入技術等。
APON/BPON和GPON技術主要基于ATM技術來實現，主要由ITU-T/FSAN來規(guī)范（G.983.x系列/G.984.x系列），EPON技術主要基于以太網技術來實現，主要由IEEE來規(guī)范（802.3ah）。這幾種PON技術的差異主要體現在分光比，傳輸距離，上下行速率，QoS及維護管理和業(yè)務支持能力等方面。一般而言，GPON的多業(yè)務支持能力優(yōu)于EPON，但EPON實現起來相對簡單一些，在具體應用選擇時，兩者根據需求適當選擇，并沒有簡單化的顯著優(yōu)劣差異。
基于星型拓撲接入技術是基于傳統(tǒng)以太網的接入技術，適合于光纖資源非常豐富或者單用戶帶寬需求非常大的地區(qū)（單纖只能連接單個用戶），應用范圍相對狹小，不是主流的光接入技術。
?。?）光交換技術
光交換是光網絡的典型屬性，也是代表光網絡技術發(fā)展水平的關鍵技術。目前，從交換顆粒和實現特征來區(qū)分，主要分為光路（波長）交換（OCS）、光分組交換（OPS）和光突發(fā)交換（OBS）。
OCS主要以波長為交換單位，業(yè)務交換顆粒最大，實現最簡單，但統(tǒng)計復用特性/帶寬利用率最差；OPS主要以分組為交換單位，業(yè)務交換顆粒最小，實現非常復雜，但統(tǒng)計復用特性/帶寬利用率最好；OBS主要結合OCS和OPS的特點，業(yè)務交換顆粒中等（突發(fā)分組），實現難度中等，統(tǒng)計復用特性/帶寬利用率也是中等。
由于OBS屬于電控光交換技術，實現相對容易，而且?guī)捓寐瘦^高，因此在未來幾年的光交換技術研究中，OBS技術依然是主要表現者。
2.3 控制平面新技術
目前，基于控制平面的新技術主要體現在以下方面：
?。?）增加多粒度的智能控制：在已有的控制平面技術中，主要智能控制的業(yè)務帶寬顆粒為VC-4/VC-12，但隨著光網絡技術的不斷發(fā)展，基于波長、子波長和分組等粒度的智能控制將是控制平面發(fā)展的方向。
（2）多層多域網絡控制的完善：在已有的控制平面中，主要的路由、信令等技術則重于域內實現，而域間的實現則處于初步規(guī)范階段，即ENNI 2.0（信令）和ENNI-OSPF 1.0（路由）；在控制平面的域間和層間新技術發(fā)展上，主要體現為多層多域的統(tǒng)一控制和端到端跨層跨域的自動配置等技術。
（3）IP網絡與智能光網絡的互通：光網絡的智能性主要是為客戶業(yè)務提供靈活可靠自動的帶寬指派，因此光網絡的智能性必然涉及到和主要客戶IP網絡的智能性互通問題。根據目前的研究結果，IP網絡和光網絡的智能互通主要基于3種模式，即對等模式、重疊模式和邊界模式。
2.4 管理平面新技術
管理平面新技術主要體現在多種傳送技術（如SDH/MSTP/WDM/OTN/PTN等）的統(tǒng)一管理、控制平面的完善管理以及網絡管理輔助系統(tǒng)如規(guī)劃優(yōu)化工具等的引入、面向運營商客戶的增值系統(tǒng)的開發(fā)、跨專業(yè)領域的網絡性能的管理和監(jiān)控等方面的技術。
2.5 網格應用新技術
隨著光網絡技術和網格技術的共同發(fā)展，光子網格技術應用而生。與傳統(tǒng)網格技術有顯著差異的是，光網絡已經作為網格資源加入到網格結構中，因此光子網絡可以簡單描述為擴展化的網格。
光子網格目前有兩種基本模型，即重疊模型和集成模型。重疊模型的特點是傳統(tǒng)網格和智能光網絡中間采用標準的接口進行互通（如UNI），可理解為一種簡單的光子網格架構；而集成模型的特點是傳統(tǒng)網格和智能光網絡集成在一起，光網絡直接作為網格資源由網格中間件（已復雜化的中間件）進行統(tǒng)一控制和管理。目前，國外大學和研究機構對于光子網格研究較多（主要交換技術基于光波長交換和光突發(fā)交換），建立了一些試驗網絡，而國內尚處于起步階段。
2.6 光量子通信技術
量子通信技術主要基于量子力學的基本原理進行通信，如量子態(tài)的疊加性、量子相干性、量子糾纏性和量子不可克隆原理（測不準原理）等，是量子信息技術中的一個研究分支，與傳統(tǒng)的光通信技術有著本質的差異，其儲存和傳輸容量是現有技術無法比擬的。
如果量子通信技術中采用的量子比特為光子的偏振態(tài)，那么量子通信可稱為光量子通信，目前研究的通信方式主要為隱形傳態(tài)過程（1993年提出），即光量子通信時光子本身并沒有傳送，而傳送的僅僅是光子攜帶的信息。目前，大部分研究仍處于最初的實驗室研究階段，最新的研究成果是產生光子糾纏對并讓其中一個光子在光纖中傳輸了144km。目前，學術界正在致力于研究量子通信網絡的關鍵技術，如高亮度糾纏源、糾纏操作和純化、量子中繼和量子處理器等。
3、光網絡新技術應用策略
鑒于光網絡新技術的特殊性和新穎性，本文認為至少需要從以下幾個方面考慮新技術的引入與應用。
?。?）考慮新一代技術的成熟程度
新技術的引入需要考慮其在近期內是否成熟。一個典型的例子是光分組交換技術，雖然其具有其他光交換技術所不具備的交換優(yōu)勢，但由于近期內關鍵技術限制無法實現，因此在具體的近期應用則可以不予考慮此類技術。
?。?）重視新一代技術的適用范疇
每種新技術都有其合理的適用范疇，以適應客戶業(yè)務的合理傳送。因此，在具體引入新一代光網絡技術時，需要側重所選用技術的適用范圍，譬如選擇骨干/城域核心網新技術，則重點考慮OTN技術。
?。?）考察新一代技術的向前兼容性
基于現有網絡架構所采用的技術，采用新一代技術以后是否可實現比較平滑的技術過渡，這也是需要一個深入思考和分析的問題。
?。?）強調新一代技術的可擴展性
每種技術都有其相應的從應用到大規(guī)模應用、再到逐漸淘汰的生命歷程，因此在具體選擇新一代光網絡技術時，盡可能考慮新一代技術在可預見的應用周期內的可擴展性。
總之，在選擇光網絡新技術應用時，需要考慮新技術的成熟度、應用范疇、向前兼容性和未來可擴展性等方面。
4、光網絡新技術發(fā)展趨勢
從傳送平面的發(fā)展趨勢來看，OTN技術需逐步增強完善多業(yè)務適配、保護/恢復功能和光層開銷；電分組傳輸技術則需完善相關規(guī)范，并逐步引入動態(tài)自動配置功能；而光接入技術中，則需增加接入速率和容量，增強管理等，如10G PON，WDM-PON等。
從控制平面方面來看，隨著光網絡智能性的不斷完善和發(fā)展，實現光接入、城域網和骨干網等多粒度、多層多域的智能和統(tǒng)一控制將是光網絡智能特性的發(fā)展趨勢。
從管理平面方面來看，多種傳送平面技術的統(tǒng)一管理和控制、控制平面的全面管理以及管理平面輔助功能的增強將是其發(fā)展趨勢。
對于光子網格而言，隨著大數據量科學計算需求（如宇宙問題、環(huán)境問題、醫(yī)療問題和地質問題等）的持續(xù)發(fā)展和光網絡技術的逐步發(fā)展，光子網格技術將逐步成熟并得到實際應用。
對于光量子通信而言，由于其與傳統(tǒng)光通信技術差異顯著，目前仍處于最初的研究階段，但其依然是目前可預見的最有前途的未來通信技術之一。因此，光量子通信依然是光通信技術領域需繼續(xù)深入研究的技術。
5、結束語
本文主要從光網絡的3個功能平面（即傳送平面、控制平面和管理平面）、光子網格以及光量子通信等方面分析探討了新一代光通信技術的特點、應用范疇、引入策略和發(fā)展趨勢等方面的內容?？偟膩砜矗鄻I(yè)務多粒度可靠傳送、寬帶接入、高速率大容量長距離傳輸、全網統(tǒng)一智能控制和管理將是新一代光網絡技術的關鍵特點和發(fā)展趨勢，而光子網格應用范疇的擴展和光量子通信的引入，則從另外一個側面凸現出新一代光網絡技術未來發(fā)展的巨大潛能。
新聞來源：電信網技術