光正交频分复用技术及其应用(3)

[编者按]

正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制技术，用来解决各种无线和有线通信系统中因信道色散引起的符号间干扰问题。近年来的研究表明OFDM在光纤通信方面也极有前途，可以用于超大容量的长距离光纤传输、可变带宽光交换和100 Gbit/s高速光接入。本讲座分3期对该技术进行介绍：第1期讲述光正交频分复用的发展历史、基本原理和在光传输方面的应用；第2期讲述基于光正交频分复用的高速光接入；本期讲述利用光正交频分复用实现的可变带宽光交换。

7 基于OFDM的可变带宽光交换技术
    近年来随着移动办公、三维视频、云计算、远程医疗等多种新型业务的发展，其带宽需求也变得灵活多样，迫切需要增强光网络的动态带宽管理功能。高速的100 Gbit/s端到端的信号传输要求网络能够提供更大的、非标准的带宽支持[1]。

    波长路由光网络基于波分复用(WDM)互联实现端到端的全光连接，波长通道是信号传输与带宽调度的基本单位。这种波分复用网络在带宽分配与性能管理上采用“一刀切”的模式，即通道间隔、信号速率与格式等参数都是固定不变的。这一模式导致网络灵活性不高、带宽浪费严重、功耗效率低下，已不能适应未来大容量、高速率、可扩展的光层传送要求。具体表现如下。

    (1) 建立波长通道时，不能灵活地根据用户容量的实际要求分配可用带宽资源，造成波长整体利用率下降。按照WDM标准只有位于规定栅格位置的波长可以分配给用户，而均匀的波长间隔则直接决定了通道可用带宽大小，与用户容量和数据速率无关。

    目前的波长路由全光网在建立波长通道时已分配了固定的光路带宽，必然存在超量配置现象，如果节点之间的流量低于波长可用容量将可能会导致带宽浪费。例如：10 Gbit/s和40 Gbit/s的不同数据速率同样采用50 GHz的标准通道间隔，显然传输10 Gbit/s信号时通道的带宽没有得到充分利用。

    (2) 波长通道一旦建立，其光层可用带宽是不能动态调整的，因此难以适应业务和网络性能灵活变化的需要。由于当前波长通道光发射/接收机的工作速率以及中间转发节点的交叉带宽间隔都是固定的，不能及时响应用户数量的变化，按需增加或减少波长通道占据的带宽，提高光纤利用率。

    同时，固定通道带宽限制对全光组网的生存性也会带来不利影响，一条失效光路只有在迂回路由带宽相等或超出原始带宽的条件下才能得到恢复。

    (3) 由于光纤损伤影响，不同速率、格式的全光信号具有不同传输性能，物理属性固定配置的波长通道无法满足光路重构引起的传输质量动态可变要求。例如：全光交换造成端到端波长通道的路径变化，使得交换前后传输距离增加或缩短，接收端的信号质量也会相应发生改变。传统的波长通道由于光层物理属性固定配置，无法自动适应这一变化，需要引入针对信号速率、格式等的动态调整能力，以最大程度地匹配光路传输条件，优化通道性能。

    (4) 随着光传输技术和新型的光交换器件的发展，基于正交频分复用(OFDM)的可变带宽光交换技术得到了越来越广泛的关注。与传统的采用固定栅格的、以波长为最小交换粒度的WDM系统相比，可变带宽光交换技术中引入了子载波的概念，实现了更小颗粒度的交换，同时对于大数据容量的链路，多个子波带能够通过汇聚的方式实现超级通道，实现大容量高速数据的传输和交换。由于各个子载波的正交性，相邻两个OFDM链路通道只需要很小的甚至不需要保护带宽就能够将两个链路通道分开进行相干解调，因此基于OFDM的弹性光网络可以实现无栅格的、灵活的光谱分配。通过组网的方法，能够实现高效的频谱利用率、较为灵活的带宽分配机制，并且可以降低链路阻塞率。

7.1 交换基本原理
    OFDM可变带宽交换的基本原理是利用OFDM多载波传输技术和波长选择性开关(WSS)技术实现可变带宽交换[2]。OFDM是一种多载波数字调制技术，数据经编码后调制在很多正交的子载波上，正交子载波同时传送多路高速信号。如图1所示，传统的频分复用(FDM)理论上将通信带宽分成几个子信道，各个信道之间有很大的保护频以降低干扰；而OFDM则利用正交频带复用(OBM)机制，它的各个通道之间只需要很小甚至不需要保护间隔就能在接收端将各个通道分开，从而有效利用带宽，大大提高了频谱效率。另外，OFDM技术可以通过改变调制格式和子载波，动态地分配在子信道上的数据，并可根据客户的需要来实现动态的带宽分配，从而实现最大的数据吞吐量。OFDM可变带宽交换中应用的一个关键器件是WSS。WSS器件采用了硅基液晶(LCoS)技术[3]，可以对波长进行动态配置，对输入的宽带信号频谱进行任意切割，并分别送到各个不同的输出端口中。

    利用OFDM和WSS技术，我们能够对高速数据进行带宽分割,分成多个低速数据通道；反过来，我们也可以将多个低速信号汇聚成高速的超级通道，以此可以实现大容量数据的传输。

7.2 网络结构和节点模型
    可变带宽光交换中网络结构如图2所示，边缘节点由带宽可变的收发器构成，中心节点是带宽可变的波长交叉连接器(WXC)。为了能够获得高的频谱效率，发射机根据客户端要求产生合适大小的信号带宽，并最小化相邻各个信道之间的保护间隔，同时网络中的每个WXC为各个光路提供合适带宽的端到端光路由，因此整个系统的频谱利用率很高。利用OFDM的高频谱效率特点和WSS器件的可编程调节带宽和中心波长的特点，相较于传统的固定带宽的WDM网络，基于OFDM的可变带宽网络的频谱效率更高。

    在可变带宽交换中，节点完成将各个输入信号路由到各个指定输出端口的功能。可变带宽交换中网络节点模型如图3(a)所示，从各个方向来的、频谱连续的输入信号经过带宽可变的WSS，然后WSS实现对连续频谱信号的任意切割；通过配置WSS，各个输出端口输出不同频段的信号频谱；不同方向来的各个输出频谱通过耦合器合束，再发射出去，传输到下一个交换节点。

    在节点结构中，本地的客户端信号通过本地的带宽可变收发器生成，经过带宽可变的WSS进行上路；同理，下路的信号也可以通过带宽可变的WSS进行下路，从而完成本地节点的上下路功能。与传统的固定栅格的WDM节点结构不一样，在可变带宽交换节点结构中，信号的频谱可以是连续的也可以是非连续的，在节点中不需要将各个信号波长分开，再进行各个信号波长的合路，从而大大简化了节点结构。在这种节点结构中，WSS完成了信号的解复用功能，耦合器完成信号复用功能。节点结构中WSS实现的功能如图3(b)所示，输入连续或非连续谱的信号，通过配置WSS，可以将输入的信号进行任意的频谱裁剪，并路由到各个输出端口中，从而实现带宽可变的交换。

7.3 关键器件
    WSS是可变带宽交换中应用的关键器件，现在主流的技术是微机电系统(MEMS)技术和LCoS技术。MEMS技术主要是通过将输入信号光谱进行空间分离，从而可以利用大规模的微镜片反射矩阵来实现光谱的交换功能。

    LCoS技术主要是基于空间相位调制技术，通过调节各液晶像素的控制电压，实现对输入光谱的波前调节，从而控制液晶上各个像素点反射光的输出端口，实现带宽可变交换的功能。

    基于LCoS的WSS基本实现原理如图4所示。首先信号光从输入光纤端口输入，通过偏振分离镜，物理上将输入信号光调节成S偏振态以提高衍射效率；经过反射镜后，信号光输入到普通的衍射光栅中，衍射光栅将各个信号光谱分开；再通过成像准直镜，经过成像镜后到达硅基液晶，再经过衍射的光谱分散到各个液晶像素点上；然后通过调节每个像素点的电压，控制每个液晶点的波前，从而控制各个像素点反射光的输出端口。同时通过控制液晶的折射率，我们可以进行各个波长的反射率控制，从而能够实现对连续信号光谱的功率均衡。

7.4 研究现状
    美国贝尔实验室尝试过在OFDM超级通道上实现的可重构光分插复用设备(ROADM)功能的实验 [4]。如图5所示，ROADM基本原理是通过带通和带阻子波带的形式在OFDM超级通道上对子波带进行上下路。连续的正交波带的OFDM超级通道上，子波带数为30，波带间距为7 GHz，并采用8 QAM调制格式。进行上路功能演示时，首先用一个35 GHz的带阻滤波器将直通信号进行带阻滤波，从而产生21 GHz的空隙带宽，然后通过耦合器，将需要上路的带宽为21 GHz的3个子波带OFDM信号耦合上路，实现上路功能；在进行下路的时候，只需要用一个带通滤波器将需要下路的波带带通滤波即可，从而实现下路操作。

    日本NTT公司是可变带宽全光交换技术研究的代表性单位。NTT曾提出验证一种高频谱效率的弹性光网络结构，其单通道速率可以从40 Gbit/s 转变到400 Gbit/s [5]。图6是其实验方案，主要由带宽可变的收发器和带宽可变的WXC构成。首先是连续波带的OFDM信号产生：其中子波带数为44，子波带间距为10 GHz，采用差分相移键控(DPSK)调制；每个子波带速率为10 Gbit/s，并通过WSS将信号分配到WXC各个输入端口，模拟从不同方向来的信号；WXC主要由分束器和WSS构成，信号通过WXC交换后进行50 km传输到达下一个WXC，进行数据交换后，再进行接收。通过配置WXC的相关交换节点，实验验证了链路d 中单通道速率从40 Gbit/s 达到400 Gbit/s的一系列变化。 

    NTT还曾通过实验验证了在可变带宽交换网络中的光路汇聚功能，通过光路汇聚，多个低速率的OFDM光路汇聚成频谱连续的1 Tbit/s 超级波长通道[6]；2009年，NTT验证了一种带宽可变的全光的OFDM收发器结构，如图7所示[7]。

    在该实验中，我们可以通过调节10 GHz和5 GHz两个射频信号源的幅度并调节马赫-曾德尔调制器(MZM)的偏置电压控制多载波信号的产生；通过调节偏置电压和射频源幅度分别产生1个，2个，3个和5个光载波；并通过控制四相相对相移键控(DQPSK)/DPSK发射机的输入信号端口实现DQPSK/DPSK信号的变化调制，实现带宽可变OFDM发射机。该发射机实现107 Gbit/s (5 × 21.4 Gbit/s DQPSK)、 42.8 Gbit/s (2× 21.4 Gbit/s DQPSK)、 32.1 Gbit/s (21.4 Gbit/s DQPSK 和 10.7 Gbit/s DPSK)和 10.7 Gbit/s的可变速率发送。

7.5 挑战和展望
    可变带宽交换有很多的优点，主要体现在其可扩展性和可压缩性上。它能够提供亚波长、超级波长和复合速率数据传输，通过时间上动态的带宽分配、高效节能的网络操作以及高生存性的恢复机制，为客户提供高效的服务。

    时间上的动态带宽分配主要体现在：在网络中可以根据不同时间段及不同链路的带宽需求实现动态带宽分配；高效节能的网络操作体现在：可以根据业务数据流量关闭某些数据通道，降低发射机带宽，与此同时放大器的消耗功率也会下降；高生存性的恢复机制体现在：在链路中可以采用带宽压缩的机制进行网络保护功能，比如当某些光纤链路失效时，可以采用高阶调制格式进行带宽压缩，“挤出”空闲频段对光路进行重路由，利用这种方法来恢复已经失效的链路。

    在可变带宽交换中，为了实现灵活的无栅格带宽分配，弹性光网络的实现需要一些关键的光器件，其中包括精确可调的激光器以及中心波长和带宽都可调的波长选择开关。但是在实际系统中，波长选择开关有固定的最小带宽和步进中心波长，不能完全做到无栅格，同时精确快速可调谐的窄线宽激光器价格昂贵，大大增加了网络成本。

    相较于传统的WDM网络，基于子载波的弹性光网络的频谱分配和路由算法难度大大增加，增加了网络控管复杂度。同时基于子载波的OFDM系统不易与现有的系统兼容，很难做到平滑升级。

    目前，弹性光网络与全光交换在拥有很多优势的同时也面临着诸多技术挑战，例如：

    (1)网络级：需要发展灵活的频谱分配算法与网络控制和管理机制。弹性光网络中带宽需要以频隙为单位进行分配，另外路由与波长分配（RWA）问题也增加了频谱的连续性限制。

    (2)节点级：新型的光交换和滤波器件，适用于带宽可变的、具有较高光纤非线性容忍度的调制格式，以及频率间隔和梳齿数量均可调的光梳产生技术。

8 结束语
    光正交频分复用在大容量光纤传输、高速接入和可变带宽交换等方面都已表现出很好的潜力。OFDM的基本原理虽然在几十年前就已创立，但在近十几年才得以应用到光纤通信中。

    OFDM在光纤传输方面的价值主要体现在其良好的抗色散和偏振模色散能力以及高谱效率。OFDM结合相干光检测和先进多进制调制等技术，可以实现超大容量长距离光纤传输。在光纤接入方面，OFDM与PON技术结合，较易实现40 Gbit/s及其以上的接入带宽；OFDM多子载波调制的特点可实现正交频分多址接入，还可以对系统带宽进行动态分配；利用循环前缀技术，OFDM-PON能够很好地抵抗光纤色散、偏振模色散、符号间串扰，同时也可以降低系统对包延迟的敏感性；更为重要的是，OFDM信号的产生与解调可由强大的数字信号处理(DSP)技术来实现，有望极大地降低接入成本。在光网络方面，基于OFDM技术，可以实现带宽可变（从亚波长到超级波长）的弹性光网络，更加灵活地适应不同业务的需求。当然，光OFDM的未来应用有赖于高速DSP芯片技术的日趋完善和成熟。 （续完）

9 参考文献

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[2] BAXTER G, FRISKEN S. ABAKOUMOV D,et al. Highly Programmable Wavelength Selective Switch Based on Liquid Crystal on Silicon Switching Elements[C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’06), Mar 5-10, 2006, Anaheim, CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2006: OTuF2.
[3] DISCHLER R, BUCHALI F, KLEKAMP A. Demonstration of Bit Rate Variable ROADM Functionality on an Optical OFDM Superchannel[C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/ National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’10),Mar 21-25, 2010,San Diego,CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2010: OTuM7.
[4] JINNO M, TAKARA H, KOZICKI B, et al. Demonstration of Novel Spectrum-Efficient Elastic Optical Path Network with Per-Channel Variable Capacity of 40 Gb/s to over 400 Gb/s[C]// Proceedings of the 34th European Conference on Optical Communication(ECOC’08),Sep 21-25,2008, Brussels, Belgien. Piscataway, NJ, USA: IEEE,2008: Th.3.F.6.
[5] KOZICKI B,TAKARA H. TSUKISHIMA Y, et al., Optical Path Aggregation for 1 Tb/s Transmission in Spectrum-Sliced Elastic Optical Path Network[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2010,22(17):1315-1317.
[6] YONENAGA K,INUZUKA F, YAMAMOTO S, et al. Bit-Rate-Flexible All-Optical OFDM Transceiver Using Variable Multi-Carrier Source and DQPSK/DPSK Mixed Multiplexing[C]// Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’09),Mar 24-26, 2009,San Diego,CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2009: OWM1.
[7] Yonenaga k, Inuzuka F,Yamamoto S,et al, Bit-Rate-Flexible All-Optical OFDM Transceiver Using Variable Multi-Carrier Source and DQPSK/DPSK Mixed Multiplexing[C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC’ 09),Mar 24-26, 2009,San Diego,CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2009:OWM1.
 
收稿日期：2011-10-15