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全光网技术

       全光网(AON)是指信号在交换和传输过程中始终以光的形式存在,只有当进、出网络时需要进行电光和光电转换处理。全光网节点利用光波信号携带信息并实现动态传送与组网等功能。可显著提高网络的宽带互联能力和路由交换效率.增强通信系统的灵活性、扩展性和可靠性,保障未来网络融合应用。
全光网
1. 波长路由光网络
       由于EDFA和WDM等技术的成熟和大规模应用,使得无电中继的长距离光纤传输得到飞速发展,以波长路由为核心的全光网技术成为重要解决方案。到目前为止,波长路由光网络的发展经历了两个阶段。第一个发展阶段是以小规模静态波长连接为特征的固定波长路由全光交换,在这种架构下波长路由取决于光纤物理端口的连接关系,一旦预置无法在线更改;第二个发展阶段是以大容量端到端波长交换为特征的可重构波长路由全光交换,其使能技术包括可重构光分插复用、光交叉连接技术等,可在线实现波长级业务的动态调度。
       波长路由光网络的透明性、可扩展性、可重构性等优势主要依靠节点结构来实现,可以实现信号在光域上交换和选择路由,使得光层联网成为可能。全光网节点主要可分为:常规光分插复用器(OADM)、光交叉连接器(OXC)和可重构光分插复用器(ROADM)。
(1)常规光分插复用器
       光分插复用器的基本功能是从传输设备中有选择性地下路、上路,或仅仅直接通过某个波长信号,同时不影响其他波长信道的传输。也就是说,OADM在光域内实现传统的电SDH分插复用在时域内完成的功能,而且具有透明性,可以处理任何格式和速率的信号。
       光分插复用器(OADM)是全光网的重要网元之一,OADM的物理实现方案可以是多种多样的,根据节点结构所釆用的光子器件组合方式,目前已提出了多种可行的常规OADM节点方案。下面仅以“分波器十光交换矩阵+合波器”的结构为例说明OADM的实现机理(见图9.46)。
光分插复用器结构
图46   “分波器+空间交换单元+合波器”的OADM结构
        “分波器+空间交换单元+合波器”的OADM结构方案采用分波/合波器,OADM的直通与上下的切换由空间交换单元来实现。分波器可以是普通的解复用器,如多层介质膜式或者阵列波导光栅(AWG)型解复用器等,空间交换单元一般采用光开关或光开关阵列.合波器可以采用耦合器或复用器。这种结构的支路与群路间的串扰由光开关决定,波长间串扰由分波合波器决定。图9.46(a)和(b)是对这种方案的具体实现。图9.46(a)中的功率调节的作用是均衡各WDM信道的功率值,使其平衡和统一。图46(b)所示结构由于采用了光转发器(Transponder),从而上路光信号可以任意插入需要的波长信道。该方案的优点在于结构简单,对上下话路的控制比较方便。开关的使用使OADM获得调谐能力的同时,也带来时延和插入损耗问题。目前,机械式光开关的响应速度在毫秒量级,饨酸锂(LiNbOa)开关的响应时间在纳秒量级,但它的插入损耗比机械光开关大得多。
(2) 光交叉连接器
       光交叉连接器(OXC)的功能与SDH中的数字交叉连接设备(SDXC)类似,不同点是在光域网上直接实现高速光信号的路由选择、网络恢复等,无须进行光/电/光转换和电处理。它是全光网的另外一种重要网元类型。
       OXC的光交换单元可釆用两种基本交换机制,即空间交换和波长交换。实现空间交换可采用各种类型的光开关,它们在空间域上完成入端到出端的交换功能,典型结构如基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构、基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构、基于分送耦合开关的OXC结构、基于平行波长开关的OXC结构等。实现波长交换可采用各种类型的波长变换器,它们将信号从一个波长上转换到另一个波长上,实现波长域上的交换,典型结构如基于阵列波导光栅复用器的多级波长交换OXC结构、完全基于波长交换的OXC结构等。另外,光交换单元中还广泛使用了波长选择器(如各种类型的可调谐光滤波器和解复用器)。图47给出了基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构。OXC的难点之一是在光网络、光节点与业务接入层面上如何解决路由算法与控制问题。
 基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构
图47    基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构
(3) 可重构光分插复用器
       如前所述,光分插复用器通过在光层实时调度波长路由,实现了波长路径的动态重构,
       在很大程度上提高了波分网络的灵活性。常规OADM实现简单,能够满足小规模波长路由节点的灵活调度需求,但是由于其模块集成度低,结构可扩展性差,难以适应波长数量众多、光层连接关系复杂的情况。因此,可重构光分插复用器(ROADM)成为新一代的光分插复用设备方案。实现ROADM有多种方案,下面以基于波长选择开关(WSS)的ROADM为例说明其基本结构。
        波长选择开关(WSS:WavelengthSelectiveSwitch)是近期发展极为迅速的ROADM子系统技术,主要是由于其频带宽、低色散和基于端口的波长定义等特性.并可以扩展成任意方向、任意端口任意波长上下的更为灵活ROADM。如图9.48所示,基于WSS的ROADM的结构包括上路和下路两个部分,由于这两部分都含有穿通控制部分,两者均能完成对穿通波长的控制,还可完成对上路波长信号进行管理,以及完成本地业务的下路。
基于WSS方案的两方向ROADM(可扩展多方向)
图48   基于WSS方案的两方向ROADM(可扩展至多方向)
       若要实现方向无关性、端口无关性波长上下功能,可将基于WSS的多方向ROADM每个线路方向的WSS和一个或若干个本地上下方向所对应的WSS进行互连,再通过其他WSS或耦合器完成波长复用解复用。
ROADM设备应支持以下几个与波长通道连接相关的功能:
      • 应正确并唯一地标识各线路方向上的波长通道;
      • 应监视和确认各线路方向的波长在本ROADM节点被正确地调度/连接;
      • 应能发现波长阻断和冲突的节点;
      • 应发现已配置波长经过的各个中间网络节点(即波长通道发现);
      • 在波长通道重构出现问题后,应能够准确快速地定位故障点。