光城域网的关键联网技术和新型器件技术

祝曙光　徐安士

1 问题和挑战

着用户对新业务和高带宽需求的不断增加，光城域网作为用户和骨干网联接的“瓶颈”问题显得日益突出。下面列举的对未来光城域网的要求，既反映了现行光城域网存在的问题，又是对这些问题提出的挑战。

1.1 灵活性要求

为了满足用户接入的多样性需求，未来光城域网应能为用户提供各种接入业务，这包括帧中继、DDN、IP、GE、ATM和SDH等在内的多种业务。而且，不同客户对通信容量的要求有所不同，因而要求光城域网能为他们规划、指配“不同粒度”的带宽。 同时，由于不同客户对通信服务质量(QoS)的要求不一样，这也要求光城域网能为特定用户提供特定的QoS。

1.2 可靠性要求

由于用户对城域网可靠性的要求越来越高，未来的城域网建设不仅要将这种可靠性要求体现在组网设备上，同时还要将其体现在故障恢复、组网技术、安全策略、路由选择以及拥塞控制等方面。

1.3 扩展性要求

随着光城域网领域中新技术的不断涌现，为了在采用新技术的同时保护现有的投资，未来的光城域网应具有很好的扩展能力，即其能在已有设备基础上随着技术的发展而平滑升级。与此同时，还能保持新旧业务的兼容性。

1.4 经济性要求

为了在激烈的市场竞争中生存，各城域网运营商都希望既能满足用户需求又能实现经济建网的目标，这无论对联网层，还是对传输器件层都提出了很高的要求。尤其随着光骨干网中的一些技术下行至光城域网，能否获得性价比合适的光器件几乎可以决定相应技术能否下行成功。

1.5 分布式要求

目前，光城域网存储转发信息的方式过分集中，这对于提高传输效率、均衡网络负载、保证时敏业务的QoS和增强网络的鲁棒性尤为不利，因而必然要求未来的光城域网采用“分布式”的处理方法，即在未来光城域网的各关键点均配置相应的服务器或内容高速缓存器来完成信息的相关处理。

1.6 自主式要求

近来的发展趋势表明，随着“文件对等共享(peer－to－peer file－sharing)”[1]等新业务的出现，局限于光城域网内部的业务量将会大幅增加，而现在的光城域网，其很大程度上仅仅充当了接入网与骨干网之间的桥梁，因而需要将其改造成能独立、高效处理城域网内部业务的“自主式(self－sustained)”光城域网[1]。

面对上述的种种问题和挑战，近来的光城域网技术，无论是上层的光联网技术、还是底层的光器件技术，均取得了一些有益的进展。本文接下来将在关键联网技术和新型光器件技术的介绍中来阐述这些进展。

2 关键联网技术

2.1 光层重构技术

光城域网中 ，一个具有重构能力的光层应允许在一个节点“上/下(add/drop)”任一波分复用信道，以便支持城域网中信道指配、波长业务和自愈恢复功能的实现。由此可见，光层的可重构性是光城域网所应具备的一个十分重要的技术指标。

光城域网中，其光层所具有的可重构能力，除了取决于管理WDM层的“控制平面” 的功能外，还主要取决于光节点中的光分插复用(OADM)和光交叉连接(OXC)这两大关键技术。目前， OADM及OXC设备的研发在国内外均备受关注，并已取得重大进展[2－4]。为了支持光层的“可重构性”， OADM设备和OXC设备必须具备“动态可编程”功能。而经济实用且动态可编程OADM和OXC的实现，在器件技术方面，相当程度上依赖于“快速、高集成光开关技术” 和“宽调谐范围的激光器技术”的进展。

目前，光开关领域研究的主流技术之一是微电子机械开关(MEMS)技术。美国Agere公司在2001年OFC会议上展示了其研发的快速、高集成度的MEMS型光开关，它是一个通道数为64×64的三维反射镜型光开关(有别于传统的二维MEMS光开关)，切换时延为10 ms，并且具有较理想的插入损耗和串扰指标。美国另一家公司Lucent则已将性能优越的大型MEMS光开关用在了该公司研制的多业务节点产品之上。显然，光开关的这种发展趋势极有利于开发出光城域网中具有优良性价比、可灵活重构的OXC设备。由于宽调谐范围的激光器能在相当大的频谱范围内调谐发射所需的波长，故而可将其作为OADM中波长转发器 (transponder)或OXC中OTU所需的可调光源，从而达到支持OADM和OXC实现灵活、快速、经济的动态重构目的。

总之，光城域网中光层的可重构性既依赖于“硬件”，也依赖于“软件(控制平面)”，如何更有机地将二者结合起来为光层提供可重构能力，仍在研究和探讨中。

2.2 光层生存技术[5,6]

所谓网络的生存性是指网络抵御故障和从故障中恢复正常的能力。在现行的光城域网中，光层以上的其它各层(如IP层、ATM层和SDH/SONET层)均有一套保障网络生存性的机制。然而，实际运行时，除了SDH/SONET层可独自为网络提供全面的生存性保障外， IP层和ATM层则很可能还要依赖光层的保护机制来协助完成网络生存性的保障。而且，针对某些特定故障(如光纤断裂等)，光层的保护比起其它层的保护要有效得多，另外，光层保护机制的引入还可大大增强网络的鲁棒性，降低网络成本。由于上述原因，目前有关城域网光层生存性技术的研究已引起了广泛的关注，并取得了相当的进展。

作为WDM城域网的一种基本拓扑结构的光纤环，具有很多有利于加载各种保护机制的特点，而且，由于可采取1＋1、1:1和1:N等多种具体的保护方案，光纤环的自愈功能相当强，能较好地保障网络光层的生存性。基于环中信号传输的方向，光层自愈环可分为单向环和双向环。相比于SDH/SONET自愈环，光层自愈环的业务恢复手段更多，它既可以选择保护通道，同时也可以选择保护线路来恢复受损的业务，至于实际采用何种方式，要依具体的情况而定。值得注意的是，光层的保护机制有可能和上层(如SDH/SONET)的保护机制相互重复和冲突，在具体设计光层的保护机制时要避免这样的情形。

从上面的探讨可以看出，现在基本上是通过预先设定的(predesigned)保护机制来保障光层的生存性。但一个很自然想到的问题是，能否采用动态恢复(DR，Dynamic Restoration)技术来达到同样的目的？因为，如果能采用的话，则能大大提高网络资源的利用率，降低用于保护机制的开销。故此，如何设计出能快速提供各种保障功能的光层动态恢复机制，将是一个非常值得研究的课题。

2.3 内容分布式存储技术[1]

在传统的客户/服务器模式下，用户很多时候要跨越整个网络来从服务器获得数据，这无疑会招致延时和所谓的ISP backbone transit－tariffs。最近，为了解决这些问题，一种所谓的“内容分布式存储”技术应运而生。该方法的主要思想是：通过在ISP POP处设置高速缓存器(cache)来达到缩短用户与访问内容间距离的目的，并利用“内容分布式网络(content distribution network)”来保持cache中内容的同步更新。

将来， 为了更好地均衡负载和保证时延以利于综合业务的传输，完全可考虑采取在城域网内多处添置cache的办法来进一步将“内容”推向用户端。当然，这些cache之间的相互通信则需要有城域网的“智能WDM层”来支持实现。

2.4 IP over WDM技术

随着数据业务量呈指数级的增长，为了提高网络资源的利用效率，未来光城域网应依据 “适应IP业务的突发性”这一原则来设计。在这一背景下，有关IP包在光城域网中的传输问题引起了广泛的研究和探讨。“IP over WDM”作为其中的一种解决方式，已成为一种趋势。尽管目前还不太成熟，但从长远来看，不失为一种极具魅力的方式。事实上，国内外已在此领域取得了许多令人鼓舞的成果。

美国Stanford OCRL研究小组利用其现有的IP over WDM城域网试验床HORNET[1,7]，通过使用快速可调激光器，可直接将定长IP包依次加载到任一波长上来完成节点间无中介(如SONET)的数据传输。具体来说，HORNET定义了一种接入节点(AP，Access Point)结构，在每一AP处下路一固定波长信道，通过一种MAC协议(如CSMA/CA)，在快速可调激光器的协助下，将IP包调制到目标波长上，以完成节点间无中介的数据传输。这其中的每一个AP可通过“嵌入式时钟发送技术”来恢复“位时钟”。至于针对变长IP包的CSMA/CA协议和无中介传输的生存性问题，仍有待解决。

在中国，为了支持“IP over WDM”这种业务传输方式，北京大学的研究人员提出并设计了一种“IP波长路由器”，该器件结合了IP路由器和OXC设备的特点，可将大流量基于IP且非相邻节点下路的业务赋予一个波长，直接传输到目标节点。因此，它不仅能缩短传输时间，而且可大大减轻传统节点的信息流量处理负担。同时，这种技术既适用于骨干网，也一样适用于城域网[7]。

2.5 服务质量(QoS )技术

在光城域网中，由于ISP是按提供给客户的“应用层服务质量”等级来收取相应费用的。因此，对光城域网具有应用层QoS保证能力的要求尤为迫切。然而，应用层服务质量保证是建立在“IP层服务质量(IP－QoS)”保证和“波分复用层服务质量(WDM－layer－QoS)”保证之上的，而且只有通过IP层QoS机制和WDM层QoS机制之间的相互沟通与协调，才真正谈得上应用层服务质量的保证。

IP－QoS[9]是目前很活跃的一个研究领域，迄今为止，国际上主要提出了两套有关IP－ QoS 的体系结构，即集成业务 (IntServ) 体系结构和区分业务 (DiffServ) 体系结构。二者各有优缺点和不同的适用场合，前者扩展性较差但能提供较可靠的QoS保证，适用于光城域网中的接入场合(如企业网的边缘等)；后者较灵活但QoS保证能力值得考虑，适用的场合较广泛。总之，IP－QoS的保证还存在着许多亟待解决的问题， 如“流量工程”、“DiffServ中QoS的保证”及“基于受限的路由”等等。需时刻关注的是要避免以牺牲IP网的特点(如开放、简洁和灵活)来换取IP－QoS 的实现，否则将得不偿失。

至于WDM层QoS的保证能力，光城域网目前能做到为愿意支付相应费用的公司用户提供“WDM层粗略QoS (coarse QoS at the WDM layer)”的保证，比如对误码率(BER)指标的保证等，当然，WDM光层上QoS的实现仍需假以时日。

3 新型光器件技术

尽管现在的光城域网在联网层和传输器件层均已开始逐渐应用骨干网的一些技术，但城域光网绝不是小型化的骨干光网，它有着不同于后者的显著特点：如直调光源、较少的复用波长数、较低的传输码率和较短的传输距离等等，这些特点使得光城域网可以降低其自身对传输器件性能的要求，从而使得未来光城域网具备了经济建网的可能性。面对光城域网中出现的种种问题和挑战，近来的光器件领域已出现了一系列的新技术和新产品。

3.1 新型放大器技术[10]

喇曼放大器和掺铒光纤放大器的应用，成功地降低了广域DWDM网的传输成本，但面对光通道数量较少、光纤长度较短的城域网，运用这些光放大器并不能达到同样的目的。与骨干网相比，城域网对器件性能的要求要宽松得多，而这也正是开发城域网光放大器的基础。目前为城域网研发的新型放大器大致有3种：掺铒波导放大器(EDWA)、连续型喇曼放大器和分布式放大器(DOFA)。

(1)掺铒波导放大器

掺铒波导放大器是一种低增益放大器，它是由EDFA技术结合集成光电路技术而设计成的。通过将一个较小的波导和自由空间光器件集成到一个小型封装内来达到器件紧凑、经济的目的。与EDFA相比，掺铒波导放大器在尺寸、增益和成本上都有所下降。而且，它还可充分利用城域网已铺设的现有光纤资源。

(2)连续型喇曼放大器

连续型喇曼放大器将泵浦激光器安置在光纤链路的起始端，并沿着光纤链路利用喇曼效应沿路提供增益。该技术允许在光纤链路上均匀地安装低增益的喇曼放大器，且无需在每一放大级上安装泵浦激光器，因而大大降低了系统成本。当然，这种放大器的缺点在于其需要使用连续掺铒的光纤，故而无法利用现有的光纤资源。

(3)分布式光纤放大器

分布式光纤放大器使用一个泵浦激光器将增益分布在光纤环中的不同点上。其具体方法是在传输光纤中的各点分别加入一小段掺铒光纤来获得分布式增益。尽管在增益产生的机理方面，分布式光纤放大器与EDFA类似，但前者利用一个集中式泵浦激光源为整个光纤环提供多个放大级，从而降低了成本。分布式光纤放大器还可避免由高增益光纤放大器所带来的非线性失真。另外其无源特点也能增加器件的可靠性，降低维护成本。

在上述3种新型城域放大器技术中，掺铒波导放大器和分布式放大器的实用化前景最为看好，但后者是基于成熟的技术而设计开发的，因而它将很可能成为城域放大领域中的主流产品。

3.2 新一代城域光纤技术

(1)城域抑制啁啾光纤

在光城域网中，由于光源大都采用直接调制技术，从而会引起激光频率啁啾。若采用新的光纤技术，则可通过光纤来抑制频率啁啾对信号传输的影响。如美国康宁公司研制了名为“MetroCor fiber”的具有抑制啁啾影响的光纤[1]。该光纤具有负的色散指标特性[3]，它与城域网中常见的廉价光发射源配套使用的效果要比普通单模光纤好得多[11]。无疑，该种光纤的成功实用化，对于提高城域网中信道的传输质量具有重要的意义。

(2)城域全波光纤

与光骨干网相比，光城域网面临的业务环境复杂多变、传输的距离短(一般100 km以内)。前一特点要求光城域网有很强的业务疏导和带宽管理能力，后一特点则意味着光城域网在一般情况下可无需使用损耗和色散补偿器件。因此，在这种背景下，如何更为经济有效地实现光城域网中的业务上下路始终是倍受关注的重大问题。

城域全波光纤的出现可很好地解决这一问题。该类光纤通过采用新型工艺去掉1 385 nm附近的水吸收峰，贯通光纤的各低损耗窗口，从而大大扩展光纤可用频谱(可增加约100 nm)。立足于全波光纤，即便在复用间隔较宽的光城域网中也可利用DWDM技术获得上百个复用波长，而且，不同传输窗口波长的色散指标不一样。基于此，既需要又可能将不同速率的业务分配给不同的波长(高速业务分配给低色散波长，低速业务分配给高色散波长)，进而在光层上完成业务的路由和上下路。

城域全波光纤在保证传输容量和质量的同时，还有能力承诺较宽的波分复用间隔，这样一来，便可降低对光城域网中各光器件(如激光源、复用/解复用器等)波长精度和稳定度的要求，达到减少系统成本的目的。因此，城域全波光纤无疑将在未来的光城域网中占据极大的市场份额，对其作进一步的研究和开发具有极为重要的意义。

3.3 新型可调谐光器件技术[1]

(1)可调谐激光器

近来，有两类可调谐激光器的研发进展较好，一类是可调谐确定比特率(DBR)激光器。该激光器性能很好且价格便宜，唯一不足的是其缺乏“热插拔功能”。不同的DBR激光器有着不同的温度响应特性，而且，对于同一组输出波长也会有不同的调谐电流，因此，若要解决DBR激光器的“热插拔”问题， 接口技术很重要。

另一类是基于“分布反馈半导体激光器(DFBLD)”集成阵列的可调谐激光器，该类激光器集成有半导体光放大(SOA)和电吸收(EA)两部分功能。其在未来光城域网中将是十分有用的器件。

(2)可调谐滤波器

可调谐滤波器对于将来光城域网的可重构和可恢复具有深远的意义，比如，将其用于未来的OADM结构中，便可得到能充分支持网络重构特性的“可调谐光下路器”。尽管新近研发的可调谐滤波器的调谐速度还较慢(一般在毫秒或微秒量级)，但鉴于其拥有的特殊价值，相信随着技术的进步，性能优越的可调谐滤波器不久将会问世。

3.4 波段滤波技术

在光城域网中，为了减少再生和/或交换的代价，经常使用多个滤波器来直通不在当前节点下路的各信道，这样会导致光纤中不同信号的来源和功率不一致，给功率和放大器(如果有的话)的管理带来困难，同时也会增加插入损耗，加剧信号畸变。

为了解决上述矛盾，近来的一种重要新技术[12]利用了所谓的“波段滤波器(band filters)”来取代 “单信道滤波器”，前者一次便可完成两点间多个(典型为3～4个)波长信道的传输，这样一来便可显著地减少主光纤上的滤波器数量，从而降低和减小滤波器级联所带来的插入损耗与信号畸变，同时还可在不干扰段外信道的条件下启用新的段内信道。

4 结束语

最后值得一提的是，为了解决城域网的“瓶颈”问题，近来的城域网不但在联网层和物理器件层推出了许多适应自身特点的新技术、新产品，而且也加大了引进骨干网技术的步伐和力度，这一点在城域DWDM设备的开发上体现得尤为明显。比如，小型、经济的城域DWDM设备就是在充分借鉴骨干DWDM设备的基础上，结合城域网的特点而开发出来的。另外，城域DWDM设备开发领域也已出现了将其它设备与DWDM设备相互“集成”[13]的趋势。在由具有多重保护机制、多种业务接口、大容量处理能力和智能化处理业务功能的集成设备构成的网络中，可通过“point and click"式的网管接口，简便迅捷地完成“端到端”的业务指配，可极大地改善传统SONET/SDH体系的业务指配方式。

总之，最终用户的需求会成为推动当前和未来光城域网发展和变化的动力，如果能将以IP over DWDM等为代表的全新技术与DWDM城域网进行有机整合，明天的城域网则无疑能以“全光＋IP”这一富于魅力的方式为用户提供全方位的服务。□

参考文献

1 Kazovsky L G, Shrikhande K, White Rogge I M ,et al. Optical Metropolitan Area Networks. OFC 2001 Technical Digest, Paper WU1, Anaheim California, March 2001

2 Leuthold J, Ryf R, Chandrasekhar S, et al. All－Optical Nonblocking Terabit/s Cross－Connect Based on Low Power All－Optical Wavelength Converter and MEMS Switch Fabric. OFC 2001 Technical Digest, Paper PD16, Anaheim California, March 2001

3 Tomkos Ioannis, Hesse Robert, Friedman Clint, et al.Transport Performance of a Transparent WDM Regional Area Ring Network Utilizing Optimized Components/Fiber. OFC 2001 Technical Digest, PaperPD35, Anaheim California, March 2001

4 Rhee J K, Li M J, Iydroose P, et al. A Novel 240Gbps Channel Dedicated Optical Protection Ring Network Using Wavelength Selective Switches. OFC 2001 Technical Digest, Paper PD38, Anaheim California, March 2001

5 Gerstel Ornan, Ramaswami Rajiv. Optical Layer Survivability: A Services Perspective. IEEE Commun Mag, March 2000: 104－113

6 Zhou Dongyun, Subramaniam Suresh. Survivability in Optical Networks. IEEE Network, Nov/Dec 2000:16－23

7 王勇. 结合IP的新型WDM光网络研究. 北京大学博士论文, 2001

8 Gemelos S M, Shrikhande K, White I M,et al.HORNET: A Packet over WDM MAN. CNIT99, 1999

9 王重. IP QoS的体系结构和实现机制. CTI论坛, 2001,2

10 Mustafa A G, Abushagur, Bill McNeill. Building Optical Metro－access Networks. Lightwave, 2001,3

11 Wang C, Roudas I, Tomkos I, et al. ECOC00, September 2000(1): 97－98

12 Gerstel O, RamaswamiR, Wang W K. MakingUse of a Two－Stage Multiplexing Scheme in a WDM Network. Technical Digest of OFC2000, March 2000(3): 44－46

13 Pierre A Humblet. The Direction of Optical Technology in the Metro Area. Technical Digest of OFC2001, paper WBB1, Anaheim California, March 2001

(收稿日期：2001－10－08)

作者简介

祝曙光，1993年7月获国防科技大学计算机系软件专业学士学位，2000年7月获中国人民解放军炮兵学院计算机应用专业硕士学位，现为北京大学电子学系区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室在读博士研究生。感兴趣的研究领域为光城域网、光分组交换和光纤陀螺。

徐安士，北京大学教授，博士生导师。现为北京大学电子学系副主任、北京大学电子学系系学位委员会副主任、北京大学和上海交通大学合作组成的区域光纤通信网及新型光纤通信系统国家重点实验室副主任、中国电子学会高级会员、欧美同学会美国分会理事及副秘书长、美国光学学会(OSA)会员、中国信息与电子学科教育委员会理事、第4届中国光学学会光电技术专业委员会委员、教育部高等学校电子信息与电气学科教学指导委员会副主任委员等。因建立全国第一套“深圳－广州2.488 Gbit/s，154 km无中继波分复用光纤通信系统”获国家科技进步3等奖(排名第一)，国家教委科技进步2等奖。因博士生毕业论文入选首届全国优秀百篇博士学位论文获优秀博士学位论文指导(副)奖。享受国务院特殊津贴。主要研究方向为光纤波分复用通信系统、光通信网络、光器件等。