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未来全光网中OTDM技术不容忽视

2/14/2005来源:光纤通信人气:8438

北京邮电大学光通信中心 吕雅利 林金桐
  1 引言
发展迅速的各种新型电信业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。面对速率的挑战,通信网的两大主要组成部分——传输和交换,都在不断地发展和革新。大容量传输的需求促使光纤通信的发展速度不仅超过了由摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度,而且也超过了数据业务的增长速度,成为近几年来发展速度最快的技术1。
  传输系统容量的快速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。通信网中交换系统的规模越来越大,运行速率越来越高,未来的大型交换系统将需要处理总量达几百Tbit/s的信息。面对日益增长的对网络速率的要求,传统的基于电子信号处理技术的网络已逐渐显得难以应付,而基于全光信号处理技术的采用全光交换和全光路由选择的全光网络将是未来网络的发展趋势。但由于传输技术的不同导致了组网体制的不同,所以在未来的全光网中光交换技术是采用基于WDM的电路交换组网还是采用基于OTDM的时隙交换来组网是目前的研究热点之一。OTDM技术被认为是一个长远的网络技术,它的一些特点使之作为未来的全光网络技术方案更具吸引力。本文在详细介绍OTDM及其全光网技术的基础上,论述了OTDM在许多方面具有不可比拟的优势,进一步说明未来全光网的发展需要使高速OTDM干线和WDM网络相互结合,扬长避短,以建设高速、大容量、性能价格比合理的全光网络。
  2 OTDM基本原理
  OTDM是一种利用时隙传送信息的技术,具体如图1所示。在发送端,超短脉冲源每发送一个脉冲就对应产生一个时隙,每个时隙到达图1中所示的A点后经过N个不同的路径,也就是经过距离不同的光纤时延线后依次从B点输出,精确控制光纤时延线的长度便得到N个相等的时隙组成的一帧,如此循环下去,就使得许多相同的帧传输下去,这一过程被称为复用过程。事实上,从A端到B端就是一个并行转换成串行的过程。在传输过程中由于损耗需要加掺铒光纤放大器(EDFA)以补充损失的功率。帧信息流到达接收端后经过与复用过程相反的解复用过程将不同的时隙分配给指定的用户,这又是一个将串行转换成并行的过程。整个传输过程中需要保持时钟同步使发送端和接收端的时隙准确一一对应。目前,电时分复用(TDM)技术已经非常成熟了,也为人们所熟知。OTDM的结构与TDM类似,所不同的是,TDM的复用和解复用是在电域内进行,OTDM的复用和解复用都是在光域内完成,从而克服了TDM存在的“电子瓶颈”问题。“电子瓶颈”来源于数字集成电路的限制、E/O和O/E转换中由于驱动激光器或调制器的高功率和低噪声线性放大器的速度限制以及激光器和调制器调制带宽的限制。在OTDM中,采用单一光波长传输,它的关键技术包括:
· 高重复率超短光脉冲源;
· 超短光脉冲传输技术;
· 时钟提取技术;
· 光时分解复用技术;
· 全光中继再生技术。
  目前高速光开关技术是上述这些OTDM信号处理功能的基础,时分解复用器本质上就是高速的“与"门开关,而电开关采用的是“异或"门开关,从这一点上来说,高速光开关比电开关更简单一些。其他的各项OTDM信号处理大多采用高速光开关与其他技术相结合。因此,时分复用光开关技术是OTDM系统与网络的核心技术之一,它是确保时分复用信号解复用与节点处理的关键。近年来采用Electroabsorption Modulators(EAM)作为光开关引起人们的广泛关注,因为这种器件体积小易于集成、消光比>20dB并且调制技术比较成熟。
  3 OTDM全光网技术
  1988年,贝尔实验室建成了第一个OTDM点到点传输实验系统,当时的速率为4×4 Gbit/s。1998年NTT采用400 fs光脉冲源实现了最高速率为640 Gbit/s(16×40 Gbit/s)的40 km OTDM传输系统。一年后,NTT又将OTDM和WDM结合起来,实现了速率为3 Tbit/s的40 km OTDM传输系统。目前,80 Gbit/s的OTDM系统产品已经商业化。
  OTDM技术并不是仅仅用来提高光纤的传输容量,它们更广泛的应用前景是作为网络技术用来组建“全光网络"。所谓“全光网",即数据从源节点到目的节点的传输过程以及信号在网络中的处理(包括交换和路由选取)始终在光域内进行,这样就避免了在所经过的各个节点上的光/电和电/光转换,即“电子瓶颈",极大地提高了网络的容量和吞吐量。同时由于信息在传送过程中始终保持光信号形式,因此全光网具有极强的抗电磁干扰性能,在强电磁环境中的生存性得到极大提高,这是全光网的另一个技术优势。
从技术角度来讲,全光网可分为两大类:采用波分复用技术的WDM全光网和采用光时分复用技术的OTDM全光网。两种全光网均可实现对数据格式和协议的透明传输,并具有良好的可扩展性和重构性。WDM全光网采用波长路由机制,通过集中统一的网络管理系统为用户提供源节点到目的节点的波长分配,在交换节点处通过波长识别达到路由选择的功能。而OTDM全光网采用单一波长,通过时隙分配实现路由选择,同时OTDM全光网并不排除使用多波长复用的时隙路由分配技术。
  近年来由于波分复用WDM(wavelength-division multiplexing)技术能用相对简单的技术充分挖掘光纤的可用带宽,且成本比较低廉,因此得到了迅猛的发展。在WDM中,采用多波长传输,WDM通过把不同波长的许多信道复用到一根光纤上传输。表面上看只要信号的光谱是分离的,就不会有串扰现象,事实并非总是如此2。为控制系统误码率,每个信道总需要适当的功率由于光纤中的总功率是各个信道功率之和,总功率就会变得很高。这样就会导致非线性现象的产生及恶化。非线性现象是传输距离和功率的函数,它限制了传输一定距离的最大波长数。WDM中的非线性现象主要有:受激喇曼散射SRS、受激布里渊散射SBS、四波混频FWM和交叉相位调制XPM,其中以SRS和FWM对WDM系统的容量限制最为严重。采用WDM技术的全光网本质上是一种模拟系统,因此与模拟系统有关的串扰和非线性问题是不可避免的,具体表现在以下几个方面:
· 光放大器(EDFA)的增益平坦问题;
· 非理想的滤波器和交换开关导致的交叉串扰问题;
· 多波长在同一光纤中传输时的四波混频和非线性问题;
· 多波长的色散管理问题;
· 光源频率稳定性问题。
  相反,与WDM全光网相比,OTDM全光网具有其独特的优势,被认为是最终的网络解决方案。首先,OTDM全光网采用单一波长,无须考虑链路中光放大器的增益平坦问题,不存在由四波混频等非线性效应造成的串扰问题,链路的色散管理方式简单;而且OTDM光网中采用全光数字信息处理技术,不仅可克服“电子瓶颈"限制,提高网络容量,还可实现对网络信息码流的全光再生,有效地降低了信号噪声和串扰积累问题,真正地在全光概念上实现光信号的透明传输;同时OTDM全光网能够对高端用户提供多种QoS水平的综合业务(包括分组业务)服务,可灵活地提供突发业务接入,真正实现按需分配带宽;最后OTDM全光网通过时隙分配实现路由选择,可实现对数据格式和协议的透明传输,具有良好的可扩展性和重构性。其优点集中表现为:
· 单一波长,无须考虑光放大增益平坦问题;
· 无非线性和四波混频效应的串扰问题;
· 网络节点仅工作于本地电速率;
· 简便的EDFA和色散管理;
· 可以灵活地提供突发业务接入。
  4 OTDM全光网技术现状
  OTDM全光网可提供比传统网络大得多的速率,一般可支持单信道>100 Gbit/s的网络传输速率,并且网络容量以每10年增长10倍的速度继续增长着,因此OTDM全光网为带宽容量的进一步升级提供了又一种技术选择,可望在网络多媒体、虚拟现实技术及超级计算机互联等领域内获得广泛应用,具有巨大的应用前景。
  实现OTDM优越的组网优势已经为各国研究人员所注意。因此自90年代中期开始,国外许多著名研究机构(如英国的BT实验室,美国的AT&T、MIT、Princeton大学、Michigan大学,澳大利亚的Melbourne大学等)都对OTDM光网络及其关键技术进行了广泛的研究并取得许多技术突破。在欧洲,许多国家致力于OTDM全光网的研究,并将OTDM全光网作为骨干网络的最终解决方案。许多计划(如ACTS、RACE)都包含了OTDM全光网的内容。
  BT实验室的研究员David Cotter指出,WDM网络现在遇到的问题如同在TDM(电信号时分复用)技术出现之前,基于同轴传输技术的FDM(电信号频分复用)遇到的问题一样,这些问题需要OTDM技术来解决。BT实验室早在1997年就报道了有关实现40 Gbit/s的OTDM局域网的实验研究,包括关键技术研究和系统的建立,实现了多台计算机之间的2.5 Gbit/s速率的高速互连平台。在美国,MIT Lincoln实验室、Princeton等大学和研究机构也正在从事OT DM全光网的研究。
  第一个OTDM网络实验由英国电信于1994年完成3。该网络由3个节点组成,每个节点的分插复用器(ADM)采用的是光电开关,很快,网络实验扩展到690个节点4。从目前的研究来看,OTDM网络主要有4种,分别是:OTDM广域网;基于光TDMA的高速OT DM局域网(Optical-TDMA LAN);基于时隙复用(Slotted-TDM)的高速OTDM本地环路(HLAN);自选路由的OTDM分组交换网。
  从目前的研究情况看,OTDM存在3个研究发展方向:一个发展方向是研究更高速率的系统,并和WDM相结合,NTT一直在做这方面的工作,其OTDM实验系统的最高速率从100、200、400直到640 Gbit/s,NTT报道的3 Tbit/s的OTDM和WDM相结合的实验系统是目前国际上最高速率的光通信系统;第二个发展方向是OTDM实用化技术和比特间插的OTDM网络技术,欧洲一直在从事40 Gbit/s的OTDM系统和网络方面的研究工作,其中一些关键器件已接近实用,如锁模半导体激光器、光电型和全光型分插复用器等,而且在40 Gbit/s的OTDM信号的传输方面也进行了许多现场实验,取得了很大进展;第三个方向是OTDM全光分组网络,和电的分组交换网络将代替电的电路交换网络一样,光的分组交换网络将是全光网络的一个发展方向,主要是美国在这方面做了大量的研究,英国电信目前也在进行这方面的研究。
  5 结论
  目前,IP over WDM成了研究的热点。我们认为,如果OTDM分组网络技术成熟,IP over OTDM比IP over WDM更具优越性,因为对于WDM网络,数据流处在多个波长上,存在波长变换的问题,而对于IP over OTDM,数据流只处于一个波长上,可以在光域中对IP数据包直接进行处理。所以可以预测,随着全光处理技术和光逻辑技术的成熟,OTDM全光分组网络最终将会成为是电信网的主流技术。因此,未来全光网的建设中,OTDM应占有非常重要的地位。