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全光网络设备与技术

2/14/2005来源:光纤通信人气:8886

深圳飞通光电子技术有限公司市场部 刘 铮
   当前,世界范围的光纤通信和光电子产业已经进入了一个转折时期,基于先进光器件和光信号处理技术的全光通信网络技术与设备将彻底改变整个有线通信网的面貌。在这种大转折面前,传统的通信企业和新兴的通信企业,无论是设备制造商、器件制造商还是电信运营商都面临着巨大的机遇与挑战。
在未来光网络中,网络是可以动态调整的,可以根据客户端需求设置波长;未来的网络不再是环型的,而是网状的,从而大大降低设置连接的复杂度;密集波分复用(DWDM)将从本地网开始得到应用,甚至接入网中都会应用;未来的网络是基于IP的,是三网合一的。
1 全光网络技术
  这里只介绍每一种技术的基本概念。
(1) DWDM/FDM技术
  DWDM技术的发展与成熟是推动全光通信网络发展的最重要因素。正是由于几十个甚至上百个波长可以在一根光纤里同时传输,基于波长的光交换才成为可能,传统的电交换体制才第一次有可能丧失统治地位。也正是由于波分复用技术,不同体制的信号如语音、数据、视频才有可能在一起传输。相对于DWDM技术,频分复用(FDM)技术有成熟的光纤副载波复用技术为依托,可以更经济有效地实现。
(2) 高速器件技术
  DWDM技术可以提供的波长数并不是可以无限增长的,提高单路传输的速率同样是扩大系统通信容量的主要手段。目前,10 Gbit/s速率的光纤已经在骨干光通信网络中取得统治地位,对于40 Gbit/s器件的研究已经进入商业实验阶段。原来普遍认为,由于硅基电子电路的限制,40 Gbit/s将成为单路传输的上限。但最近美国有公司宣布利用超导技术可以突破这一限制。与高速器件相关的技术主要是高速光发射与接收器件、外调制器技术以及相配套的芯片技术。
(3) 可调光器件技术
  可调光器件主要包括可调激光器、可调滤波器和可调衰减器等。这其中最主要的是可调激光器,这种器件可以部分替代光交换器件,从而降低全光网络的成本。
(4) 长途传输技术
  光通信的长途传输一靠克服损耗,二靠克服色散。前者以前通过EDFA,现在可以通过拉曼放大器实现分布放大。后者一直没有找到太好的解决办法,光孤子曾经被认为是理想方案,但直到最近才有一家法国公司将其变为现实。人们还发明了很多色散补偿的方法,与拉曼分布放大技术结合,可以根本解决色散问题。除此之外人们还利用数字信号处理技术,如FEC来提高链路损耗。前向纠错编码FEC的基本思路是通过一种特殊的编码方式对输入的SDH信号序列进行编码,得出特征码比特串,将这些特征码与SDH信号一起传送,在接收端对收到的信号按照同样的编码方式重新计算特征码,并与收到的源端特征比特串相比较,进行检错与纠错。采用FEC的好处是可显著改善传输误码的特性,增加传输距离,同时还可预报传输网性能的恶化情况。
(5) 光交叉连接器件技术
  光交叉连接器件是全光网络的核心器件。实现这种器件的技术包括MEMS、液晶、喷墨技术和全息技术等。
(6) 下一代交换技术
  下一代交换技术包括动态路由和波长分配技术、光标记分组技术和光突发数据交换技术。
动态路由和波长分配技术指给定一个物理拓扑,为每一个带宽请求决定路由和分配波长以建立光信道。目前较成熟的技术有最短路径法、最少负荷法和交替固定选路法等。
光标记分组技术类似于IETF的多协议标签交换技术MPLS,这是一种基于波长的利用光交换机来实现的技术。
  光突发数据交换技术是一种基于光突发路由器的将控制信息和业务数据分开传送和交换的分组交换技术,实现相对成本较低,非常适合于局域网应用。
2 全光网络设备
2.1 骨干光网络设备
  由于DWDM技术的巨大成功,骨干网成为全光网络技术最早应用的地方。利用全光网络技术有助于骨干网络设备提高传输容量,延伸传输距离,降低传输成本。骨干光网络设备的供应商主要包括北电、朗讯、Ciena、阿尔卡特、思科、Ericsson、NEC、Fujitsu、Hi tachi、Sycamore、Corvis和Photonex公司等。
(1) 典型产品:北电的全光网络系统
  北电的ULTRA系统是可以实现4 000 km无电中继的超长距离10 Gbit/s光子网络。系统主要由三部分构成:第一是提供高速因特网接口的光网关;第二是提供光上下话路和波长管理的光终端;第三是光放大器系统。
(2) 典型技术:Corvis的光交换技术
  Corvis光网络设备的核心技术是来自Ioion公司的基于MEMS的光交叉连接器件和可调激光器。前者不像Caliant、Xeros等MEMS公司的大型交换矩阵,而是一种可以集成在电路板上的1×4小型器件。可调激光器的输出功率可以达到20 mW,调节范围是40 nm。
2.2 接入网光网络设备
  接入网光网络技术分DWDM技术和PON技术两种。接入网光网络设备供应商包括基于DWDM技术的,如ADVA公司和思科公司(Qeyton产品),也包括基于PON技术的,如阿尔卡特、Fujitsu、朗讯、NEC和Terawave公司。根据JDS UNIPHASE公司的看法,在接入网中引入DWDM并非成本高不可及。对于PON技术不再是传统的APON技术(ATM PON),而将是以EPON(以太网PON)技术成为主流。
2.3 城域网光网络设备
  城域光网络越来越成为通信网发展中的重点,降低成本和如何解决升级的问题是城市光网络发展中的主要问题。城市光网络产品主要供货商包括基于SONET平台的Alidian网络公司、Astral Point通信公司、Cyras、ONI、Cratos和思科公司(ONS15454)。基于DWDM城市光网络厂商有Erission、马可尼、北电、思科(Pirelli产品,Qeyton产品)、Avici、Juniper、Pluris、Ex treme公司和Sorrento网络公司(1997年第一家推出DWDM城域网产品)。基于FDM的城市光网络厂商有Kestrel、Centerpoint公司等。
(1) SONET城域网光网络产品
  Cyras公司的城域光网络平台K2针对运营商日益增长的对降低成本增加带宽的追求,提供了与现有网络良好的兼容性、空前的带宽优化能力、可靠性和服务的灵活性以及优良的性价比。
K2是数据优化的支持WDM的SONET平台,可以替代传统的单独数字交叉连接、SONET上下话路、ATM交换和帧中继以及数字用户线接入复用等设备。
K2产品的核心在于ASIC芯片和Yeti架构。这种架构具有目前工业界最高的交叉连接密度,背板速率达到480 Gbit/s。Yeti架构还支持从DS-1到OC192的各种速率接口。
K2为TDM、ATM、FR、IP与LAN信号提供不同的通道,通过任意的串联,通道带宽可以根据需要分配。
K2支持线型、星型、环型和网状拓扑,可以提供任何拓扑、任何速率、任何协议和任何保护机制。
(2) DWDM城域光网络产品
  Metro-Optix CityStreamTM光网络产品主要由支持基于TDM业务以及IP、FR和ATM业务的多层带宽管理器构成。CityStreamTM产品为运营商实现从现有网络无缝过渡到未来网络的解决方案。 
来自瑞典的新兴公司Lumnetis宣称利用可调激光器、可调滤波器和MEMS光交换器件构成新一代城域网络产品。Netrake公司宣称可以通过监视和管理整个网络上的信息流使运营商在同一网络上实现不同业务到不同客户。换句话说就是在上网高峰时段也可以保证IP电话业务。不同于以往基于包来处理数据,Netrake的设备为每一种包开发了一种算法,从而减少了处理器的处理时间。
(3) FDM城市光网络产品
  Kestrel 的TalonMXTM城域网光传输系统可以以其他设备一半的成本来传输10 Gbit/s信号。Kestrel 公司的专利技术使光纤利用率得到提高,传输与速率和协议无关,上下话路灵活,可以提供SONET级的网管,同时与现有系统最大程度的兼容。该产品基于Kestrel公司的FDM频分复用技术,支持包括点对点、线型、环型等多种网络拓扑。该产品包括1个低速机架和2个高速机架。高速机架包含光FDM电路。低速机架的功能包括系统控制,交叉连接和拥有32个IO槽的接口电路。
2.4 光分组交换机
  同大部分厂家采用IP路由加光核心设备的做法不同,一些厂商正在开发彻底的光分组交换设备。这些厂商包括Village公司、Caspian 网络公司、 Chiaro 网络公司、Excelight 通信公司、Laurel 网络公司和Luxcore Tropic 网络公司。他们的设备可以直接将IP信号转换成光信号。以Village公司设备为例,它拥有DWDM接口和电核心,这之间是IP包处理器。IETF正在制定这方面的标准,但显然有些落后。Caspian公司也宣布开发了一种因特网新交换机。但似乎他们使用了与Village、Chiaro不同的技术。据说是采用更灵敏的信令来加速流量处理,而不是用全光交换技术。实际上Chiaro的最近的竞争对手是Synchordia,他们利用MEMS镜面、可调激光器和包处理器芯片开发了一种类似的设备。 
2.5 边缘产品
  这部分产品一般分两种,多业务平台位于运营商的POPpoint of presence或者用户的大楼下,为用户提供综合的电信服务,同时利用DWDM技术降低成本。另一种叫怪物交换机Monster switch,位于运营商的中心局CO,在骨干光网和ATM/IP网络间实现转化。边缘光网络产品具有极大的市场空间,成为最多厂商角逐的领域。在发展中边缘光网络产品面临的主要问题是如何远程快速提供业务、如何计费等。根据Atoga公司的经验,集成TDM和IP技术,可以提供传统语音业务的边缘多业务平台将有助于运营商快速收回成本。边缘光网络产品的主要供应商包括基于SONET的Alidian网络公司、Appian通信公司、Astral Point通信公司、朗讯公司(Chromatis产品)、思科公司Cerent产品 、Ciena公司(Cyras产品)、ECI通信公司、Geyser网络公司、Mayan公司、Redback公司和Sycamore公司(Sirocco产品)。基于ATM的多业务平台供应商有Atmosphere网络公司、ADC通信公司、Ciena公司、Fujitsu公司、朗讯公司(IGbit/snitus产品)和北电。提供怪物交换机的厂商有Tenor公司、Ellacoya公司和Gotham公司等。这类产品技术的难点大概是如何统一ATM、IP和TDM等不同的协议达到带宽的灵活分配。我们认为实现综合的手段既可以是基于协议的整合,也可以是简单的空间叠加。对于国内厂商后者应该有借鉴意义。
  Mayan公司的基于SONET的多业务平台提供了T1、T3、10/100 Mbit/s以太网,OC-1、OC-3、M10复接器和M13复接器模块等接口,此外还计划支持帧中继和IP路由。T1和T3模块具有端口密度大、业务提供灵活的特点,可以支持分组的业务和TDM的业务。配合数字交叉连接模块M10和M13还可以实现DS0、DS1、DS3等的交换。网络边缘的交叉连接为汇聚的语音和数据业务实现了SONET的优化,通过DS0级的整理,不用的时隙不会映射到SONET帧中,从而降低了成本。专利的“任何协议到任何端口”技术帮助独立地提供TDM、帧中继、ATM或IP业务。10/100 Mbit/s以太网模块提供了带宽效率和协议的灵活性,使整个平台成为很好的SONET上的以太网解决方案。对于IP业务,ML-PPP协议协助实现了动态带宽分配,分布的交换智能提供了完整的IP路由,避免了外部边缘路由器的使用。
  Gotham Networks公司的主要产品方向是边缘交换机/路由器。该公司计划利用自己的边缘交换机/路由器产品通过整合业务流量到骨干光网络来减少运营商使用设备的数量。他们宣称该种设备将极大地方便新业务的提供。在市场定位上,Gotham计划通过采用在单个芯片上提供多种功能的网络处理器来提供低价的产品。这种产品将使用MPLS技术来整合IP、ATM、帧中继等各种信号。该设备将使运营商在不同的中心局以一种虚拟的方式操作带宽。
2.6 芯片解决方案
  光网络设备依然离不开电ASIC芯片。在此领域主要的供应商包括PMC、Vitesse、Entridia、Allayer、Galieo、Velio和AGere等公司。
典型产品:Galileo 技术公司的IP交换机芯片
GT-48411A 和GT-48421是Galileo公司3/4/5层交换处理芯片系列产品的两种,为高性能交换路由器和LAN/MAN设备厂商提供OEM解决方案。这些芯片具有先进的流量分类和带宽预留功能,同GT-48540 PoS/ATM 交换处理芯片配合将可以发展新的LAN/MAN/ETTS(以太网到用户)系统。GT-48411A提供8个10/100 Mbit/s接口,GT-48421提供一个10/100/1000 Mbit/s接口。
Velio 实现突破的核心技术在于将输入输出功能和交换功能整合到单个芯片上。大约150万个CMOS门和1 000个管脚集成在1.25英寸见方的芯片上。他们的产品主要是:10 Gbit/s、1 Gbit/s串并转换器,能够同时处理3 456个STS-1信号的SONET/SDH整理器,大端口数的交换芯片。同PMC与VITESSE公司产品相比,Velio的芯片具有更强的集成性,一片Velio芯片相当于14个交换芯片和18个串并转换器。 
3 应用范例
  2000年7月,Williams通信公司利用Corvis的全光网络设备成功完成创纪录的陆地全光网络通信系统。该系统以2.5 Gbit/s速率传送数据,无电中继距离达到3 200 km。Broadwing Austin TS也宣布利用CorvisColumbia Maryland全光网络设备完成10 Gbit/s信号无电中继传输4 000 km的现场试验,在全光网络发展过程中立起了新的里程碑。2000年8月,美国Neon通信公司宣布向ISP等用户提供波长管理服务。将来运营商只需租用某一波长,不再需要租用整根光纤。Neon公司的这套系统采用2.5 Gbit/s速率,在两点间使用双路径,切换将在15 ms内完成,同时价格上比普通SONET系统有更大的优势,在可靠性上却没有降低。