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OTN与超长距离传输

发布时间:2019-05-25 20:31 来源:未知 编辑:admin

  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。

  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管理部分。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。外部控制管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。

  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容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)很容易实现,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。另外全光网的管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,管理和维护还必须依靠电信号进行。因此全光网的实现遇到了很多障碍,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,即在网中允许有光电变换,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。

  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、网络管理、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管理。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、网络管理。

  OTN采用的主要关键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管理技术。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,特别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管理能力,但光的3R再生技术正在取得进展。

  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。

  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,可以在任何波长处提供增益,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。

  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、定时)电再生处理。因此OTN信号的传输实际上是由若干个3R再生段级联而成,如图1所示。OTN仅在有限区域的子网内进行透明传输和处理,子网的大小可以改变,随着无电中继传输距离的延长,子网可以扩大。

  超长距离(ULH:Ultra Long Haul)传输是指无电中继传输距离超过2000km的传输,它适用于长距离骨干网及大跨距传输链路的建设。在长距离骨干网建设中,ULH传输可减少电中继站的数量、功耗、机房面积等,具有初期投资少、长期运营成本低的优势。在组网上,ULH系统与OADM结合可组成点对点传输链路、DWDM/OTN环网,与交换节点结合则可组成格状网。ULH传输技术也可延长单跨距传输的距离,从而实现大跨距传输。正是由于超长距离传输技术的上述优势,它已成为国内外各设备制造商着力开发的重点。现在国外基于40Gb/s的DWDM系统无电中继传输距离的实验室水平已达10000km。

  DWDM传输技术的好处是实现了超大容量的传输,使光传送网具有极强的可扩充性,可以根据业务发展情况,不断地进行网络扩容。更重要的是,近几年数据业务急剧增加,而数据通信的平均传输距离在1500km左右,这就要求系统有更长的无电中继传输距离,而超长距离传输技术的进步显著地扩大了无电中继传输距离,扩大了OTN子网的范围,有利于建立更大的OTN网络,甚至是多个OTN域直接通过全光互联,为全光网的实现打下了良好的物理基础(如图2所示的2个OTN域通过OTN IrDI互联)。

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