ASON技术浅论

ASON技术浅论 Research of ASON Technology 摘要：在市场和网络建设的驱动下, 自动交换光网络ASON作为一种断型的智能光传送网, 得到了迅速的发展。本文首先介绍了ASON的概念、总体结构及其构件, 重点介绍中涉及到的关健技术, 包含传送平面、控制平面和管理平面、网管和组网技术等。接着讨论了ASON的网络生存性，最后介绍了ASON的技术现状和发展远景。 关键词：ASON；控制平面；传送平面；管理平面；网络生存性 Abstract：Automatically switched optical network, as a fault-based ASON intelligent optical transmission network, has been rapid development. ASON This paper introduces the concept of the overall structure and its components, focusing on the key technology involved, including the transport plane, control plane and management plane, network management and networking technology. Followed by a discussion of the ASON network survivability, Finally, the ASON Status and development prospects of the technology. Keywords:Control plane; transport plane; management plane; network survivability 引言 自动交换光网络（ASON）指的是在ASON信令网控制之下完成光传送网内光通道连接自动交换功能的新型网络, 对网络资源是按需自动分配, 它已被认为是具有自动交换功能的新一代的光网络, 代表未来网络技术的发展方向。 近年来, 以因特网业务为主的数据业务飞速增长, 因特网业务的激增导致对电信网扩容的迫切需求, 而且由于IP业务量本身的突发性、自相似性和非对称性, 对网络带宽动态分配的要求也越来越迫切。因此, 基于光传送网OTN为基础的自动交换光网络ASON被提出, 并得到各大电信设备商、大学、研究机构的跟进和研究。 1 ASON的基本概念和结构 1.1 ASON的概念 ASON（Automatically Switched Optical Network）的概念是国际电联在2000年3月提出的，基本设想是在光传送网中引入控制平面，以实现网络资源的按需分配从而实现光网络的智能化。 使未来的光传送网能发展为向任何地点和任何用户提供连接的网，成为一个由成千上万个交换接点和千万个终端构成的网络，并且是一个智能化的全自动交换的光网络。 1.2 ASON光网络的特点和组成 ASON是指一种具有灵活性、高可扩展性的能直接在光层上按需提供服务的光网络。传输设备是ASON的基本传输载体，通常提供线性或环型组网结构。光交叉连接设备OXC为ASON的核心硬件设备，为其提供交换平台。光交叉连接设备的引入，使组网拓扑从环型、线性结构演进成高效的网状拓扑，从而可为寻找最优化的光路由或在网络发生故障时快速寻找保护路由提供可能，同时也便于在全网共享备用资源。ASON自身的伸缩性与网络软件的结合可提供全网的伸缩性，各种直接向用户提供的特色服务都要通过交换平台实施。按照ITU-TG.8080建议，ASON分为传送平面、控制平面和管理平面。 此前，光传送网只有传送平面和管理平面，没有分布式智能化的控制平面，因此，ASON概念的提出，使传输、交换和数据网络结合在一起，实现了真正意义的路由设置、端到端业务调度和网络自动恢复，它是光传送网的一次具有里程碑的重大突破。传送平面包括提供子网络连接（SNC）的网元（NE），它具有各种粒度的交换和疏导结构，如光纤交叉连接，波带和波长交叉连接；具有各种速率和多业务的物理接口，如SDH（STM-N），以太网接口，ATM接口以及其他特殊接口等；具有与控制平面交互的连接控制接口（CCI）。 1.3 ASON的层次结构 ASON网络设计的目的是为了实现大范围全局性整体网络。因此, ASON网络在结构上采用了层次性的可划分为多个自治域的概念性结构。这种结构可以允许设计者根据多种具体条件限制和策略要求来构建一个ASON网络。在不同自治域之间的互作用是通过标准抽象接口来完成的, 而把一个抽象接口映射到具体协议中就可以实现物理接口, 并且多个抽象接口可以同时复用在一个物理接口上。 通过引入自治域的概念, 使ASON网络具备了良好的规模性和可扩展性, 这保证了将来ASON网络平稳升级。通过标准接口的引入, 使多厂商设备的互联互通成为可能。因此, 标准的接口就成为ASON网络中一个非常关键的方面。另外通过E-NNI,I-NNI的引入, 使得ASON具备良好的层次性结构通过E-NNI的接口来传递网络消息, 可以满足不同自治域之间的消息互通的要求通过对外引入I-NNI, 就能屏蔽了网络内部的具体消息, 保证了网络安全性需求, 而标准的UNI接口的引入, 使得用户具备统一的网络接入方式。 1.4 ASON的功能结构 在此结构中, 传统的光传送网管理体系被基于管理平面、控制平面和信令网络的新型多层面管理结构所替代其总体结构由传送平面TP、控制平面CP、管理平面MP组成。 传送平面负责业务的传送, 但这时传送层的动作却是在管理平面和控制平面的作用之下进行的管理平面在结构中是作为高层管理者的作用出现的, 在管理平面中存在着三个管理器, 分别是控制平面管理器、传送平面管理器和资源管理器, 这三个管理器是实现管理平面同其它平面之间实现管理功能的代理控制平面是通过信令的交互完成对用户平面的控制。用户平面用于转发和传递用户数据。这就构成了一个集成化管理与分布式智能相结合、面向运营者(管理平面)的维护管理需求与面向客户层控制平面的动态服务需求相结合的综合化光网络管理方案。ASON的结构图如图1-1所示。 图1-1 ASON结构图 ASON由请求代理（RA）、光连接控制器（OCC）、管理域（AD）和接口这4类基本网络结构元件构成。其中RA通过OCC协商请求接入TP内的资源；OCC的逻辑功能是负责完成连接请求的接受、发现、选路和连接；管理域所包含的实体不仅包含在管理域, 而且也分布在传送平面和管理平面；接口主要完成各网络平面和功能实体之间的连接。 1.4 ASON控制平面的功能元件 ASON是具有动态连接能力的光传输网络, 其关键之处就在于相对于现有的传输网络, ASON增加了一个控制平面。控制平面由资源发现、状态信息传播、信道选择和信道管理等功能模块以及传送信令信息和其他控制信息的信令网络组成。功能模块通过ASON信令系统协同工作形成一个完整的ASON控制平面。如图1-2所示。它是一个具有可靠性、可扩展和高效率特点的控制应能支持不同的业务需求和不同厂商的功能元件应能将技术相关方面和技术无关方面分离开来, 以支持不同的传送网络技术并可根据设备制造商和业务提供商决定的元件安全和策略控制将CP功能置于不同的元件之中, 以使控制面适应不同的网络环境。 图1-2 ASON控制平面简图 为了实现上述要求, 需要有一系列的功能元件来支持。控制平面内的功能元件有连接控制功能、路由表功能、路由表更新功能、连接许可控制功能、链路资源管理功能、连接点状态、策略代理和协议控制器功能。 2 ASON的关键技术 ASON由智能化的光网络节点所构建的光传送网以及对光传送网进行控制管理的光信令控制网络构成, 即所谓的硬光技术和软光技术。硬光技术指物理层的光技术和硬件设备软光技术指控制光通道的建立、删除、查询等操作和提供服务所需的软件, 即智能化。 2.1 传送平面的技术 传送平面由作为交换实体的传送网网元（NE）组成, 主要完成连接建立删除、交换选路和传送等功能, 为用户提供从一个端点到另一个端点的双向或单向信息传送, 同时, 还要传送一些控制和网络管理信息。ASON传送平面具备了高度的智能, 这些智能主要通过智能化的网元光节点来体现。 ASON的总体需求框架标准G.8080明确指出节点应具有多粒度交叉、多业务接入的能力, 实际上应是一种具有疏导交叉功能的节点。如果把智能光网络看成是可运营的网络, 那么必须能够灵活地为用户提供业务服务。因此在未来相当长的一段时间内, ASON节点不可能是全光的（以波长为粒度提供给用户实在是太大了）, 业务接入、汇聚最好由电的交叉连接来完成（业务汇聚层）。对于ASON的传送平面的核心交换结构, 全光方式和光电光方式各有其优缺点。 （1）全光方式 全光方式的优点是对业务透明, 不需要进行大量的光电、电光转换。光节点具有容量大, 结构简单, 透明性好, 易于实现, 成本低的优点。但它本身只能完成波长以上级的交换, 全光结构要想具有疏导的能力, 必须增加对子波长进行处理的能力, 即核心交叉在光域完成, 同时增加电层的交叉以完成子波长的处理。 （2）光电光方式 光电光方式具有交叉颗粒度小, 电性能监测完备以及强大的业务汇聚能力等特点。但它对信号格式不透明, 在多业务情况下, 必须有统一的承载层。对于光电光结构, 大量的实现方案是走高速背板互连。电交叉卡受单板尺寸, 单个芯片交叉容量以及高速接口数量的限制, 比较先进 的单板可以实现160Gb/s的交叉连接, 容量扩展采用3级Clos矩阵。 2.2 管理平面的技术 管理平面对控制平面和传送平面进行管理, 在提供对光传送网及网元设备的管理的同时, 实现网络操作系统与网元之间更加高效的通信功能。管理平面的主要功能是建立、确认和监视光通道, 并在需要时对其进行保护和恢复。由于ASON在传统光网络的基础上新增了一个功能强大的控制平面, 这给智能光网络的管理带来了新的需求。 网管系统对控制平面的管理需求主要分为以下几个方面: （1）网管系统对控制平面初始网络资源的配置, 包括配置控制模式和传输资源的绑定模式（如控制代理和传送网元的关系）。 （2）网管系统对控制平面的控制模块的初始参数配置, 包括控制模块路由功能的命名和地址参数的配置、信令控制模式和初始参数的配置、资源管理模块初始网络资源参数的配置、用户网络接口和网络节点接口的参数配置。 （3）三种连接的管理过程中控制平面和管理平面之间的信息交互, 包括软永久连接SPC建立过程中管理平面和控制平面之间的信息交互, 交换连接SC建立完成以后控制平面对管理平面的信息上报过程, 控制平面和管理平面协同完成对SC以及SPC的管理过程。 （4）控制平面本身的性能和故障管理, 使用定期上报的机制, 如果规定时间内没有收到控制平面的上报信息, 就认为控制节点或者节点内部的控制模块发生了故障。 （5）实现对支撑控制平面的数据通信网络（DCN）的管理和对控制通道的管理和维护。 传送平面的管理与传统的光网络管理的内容类似, 主要完成传送网络资源的配置管理、性能管理、以及故障管理等内容。 对传送网络单元的管理主要包括以下的操作： （1）初始传送网络资源的配置, 如配置网络拓扑、各种传送网元的性能参数等； （2）配置、删除、调整一条永久连接； （3）传送网络资源的性能监测和故障管理。 2.3 控制平面的技术 ASON控制平面主要实现两类功能基本功能和核心功能。其中基本功能包括路由功能、信令功能、链路管理功能和单元接口技术等, 而核心功能则包括网络连接控制、网络生存性、新型业务等。 ASON的控制平面的关键技术很多, 包括信令、路由和呼叫、连接的控制, 网络的生存性, 接口技术等。本文主要论述分布式呼叫和连接的管理（DCM）, 接口技术。 2.3.1 分布式呼叫和连接的管理 呼叫和连接是由ASON提出的, 呼叫是在终点与提供接入网络服务节点之间的协商。除了传输呼叫管理请求, 呼叫并不涉及传翰节点, 呼叫可以独立连接而建立、维护。连接需要数据链路上的节点维持状态, 承担数据的传输。 对于呼叫和连接控制的关系, 在G.8080中提到在一个呼叫中可以包含多个连接, 或存在多方呼叫的情况。在这两种情况下, 需要多个连接之间或多方之间的协调。实际上在G.7713建议中, 只考虑了一个呼叫中只包含一个连接, 一个呼叫仅有一个呼叫方和一个被呼叫方的情况。实践中一个呼叫包含多个连接, 一个呼叫涉及到多方的情况是存在的。G.7713.3中也提到一个呼叫包含多个连接的情况。 呼叫和连接控制可以分离, 也可以合并。在G.8080中规范了呼叫和连接控制之间的三种共存方式： （1）实现呼叫、连接的协议中, 通过参数的不同分离出呼叫控制信息； （2）分离呼叫控制和连接控制的状态机, 但呼叫控制和连接控制的信令信息在同一个实现呼叫、连接的协议中。 （3）呼叫控制和连接控制采用不同的信令协议, 以分离呼叫控制和连接控制的信息和状态机。 在具体实现DCM的功能时, 可以选择不同的信令协议。G.7713规定的PNNI, G.7713.2规定的RSCP-TE,G.7713.3规定的CR-LDP。 2.3.2 接口技术 控制面中的功能块之间的通信是通过标准的接口信令方式实现的。这些接口代表了控制面实体间的逻辑关系并且由跨越这些实体间的信息流来规定。因此可以说, ASON的具体实施的关键是对接口的定义和具体接口之间的协议方案。这些接口可以灵活地支持不同的网络模型和网络连接。具体包括： （1）用户网络接口UNI UNI是用户与网络间的接口, 是不同域、不同层面之间的信令接口。通常在这个接口传递的信息包括呼叫控制、资源发现、连接控制和连接选择。UNI不支持选路功能, 其所完成的主要任务包括连接的建立、连接的拆除、状态信息交换、自动发现和实现用户业务传送。 （2）外部网络节点接口E-NNI E-NNI是属于不同管理域且无托管关系的控制面实体之间的双向信令接口。E-NNI接口信令将屏蔽网络内部的拓扑等信息, 它支持选路功能。通过这个接口信令, ASON可以被划分为几个子网管理域, E-NNI可以实现这几个域间的端到端的连接控制。 （3）内部网络节点接口I-NNI I-NNI是属于同一管理域或多个具有托管关系的管理域的控制面实体之间的双向信令接口。该接口需要重点规范的是信令与选路, 它将提供网络内部的拓扑等信息, 其所传递的信息将被用来进行选路和确定路由。通过这个接口信令ASON可以实现域内的端到端的连接控制。 （4）控制连接接口CCI 控制连接接口（CCI）工作在控制平面和传送平面之间。一般情况下, 这是一个私有接口。接口必须支持两个基本功能：从控制平面接收命令, 翻译以后下发到传送平面, 对传送平面的光开关、功率均衡等实体进行控制；搜集传送平面实体当前状态, 包括开关状态、告警等信息, 翻译以后发送到控制平面, 即主动上报和支持查询的功能。 3 网络生存性 网络生存性是指网络在经受各种故障时能够维持可接受的业务传送质量的能力。当任何故障发生之后，网络应能够采取措施尽快地恢复受影响业务的可靠传送，以减少因故障而造成的社会影响和经济损失，使网络维持一个可以接受的业务传送水平。 ASON网络控制平面的引入为高效快速的网络生存性提供了良好的条件，给网络生存性研究提出了新的要求。智能光网络的重要特点是能够实现网络资源的动态分配，智能化的连接管理，快速高效的网络生存性策略，更重要的是能够承受网络故障并且提供很强的生存性。因此生存性研究是智能光网络研究的重要组成部分，并且会涉及到网络的多个方面，符合技术发展的趋势，对不远的将来有重要的应用前景。 3.1 ASON网络生存性技术 与其他网络相比，ASON引入了新的控制平面，具有了更多的控制智能。ASON控制平面智能性的一个重要体现就是具备快速的故障恢复能力，能够提供多种生存性方式。 ASON中的生存性机制具有智能化、多样化的特点。智能化主要体现在控制平面的引入，在于具有智能控制功能的通用多协议标签交换(GMPLS)协议族的引用，特别是它对于保护、恢复机制在信令、路由和资源管理等方面的支持；而多样化体现在ASON格状网络结构对于多种保护、恢复方式的支持，适合于多种生存性机制的实现。 ASON的体系结构设计了一个基于GMPLS协议集的控制平面，而GMPLS协议通过扩展，增加了与恢复相关的信令和路由等级制来实现ASON生存性的要求。同时，ASON的生存性机制也引入了一些特有的约束： （1）备用路由和主路由必须在物理上相分离，可以是完全不相交的路径或仅仅绕过了故障链路。更完整的物理分离概念可由GMPLS中的逻辑属性，如共享风险链路组(SRLG)来进行描述； （2）在光域中的连接由其通道上各节点的交叉连接倒换来实现，这意味着无法建立零带宽的备用通道，这对于有限的网络带宽资源的分配将是一个极大的挑战。格状网拓扑中为了实现恢复资源的共享，选路时必须考虑各链路的空闲容量、共享相同恢复通道的主通道组以及它们所有可能产生的故障等信息： （3）ASON中控制信道和数据信道物理上分离，这样得它的生存性机制必须单独的考虑控制平面的故障恢复机制和相应的信令支持； （4）GMPLS控制平面应具有相应的竞争解决策略，以避免在故障恢复时产生的资源冲突。 其他约束条件还包括节点／标签交换路径(LSP)的包含／排除、传输时延以及波长连续性限制等。 在ASON网络规划阶段，为了缩小故障的影响范围，对网络中能够引起故障的各种风险进行分析，在路由的过程中，使业务的工作路径和保护路径尽量不经过同一风险影响的线路。在大多数情况下采用完全风险分离方式进行路由规划，在提高网络的生存性的同时，不可避免地降低了连接路由成功率和链路资源使用率。 3.2 ASON生存性的技术优势 ASON的最大特点就是引入了控制平面CP，将一些原来由网管实现的控制功能从管理平面上转移到了控制平面上，并从网管的集中控制逐步发展为智能化节点的分布控制。正是这一点，使得ASON中的保护恢复比传统的SDH保护恢复更加快速灵活。 在传统的SDH网络中，保护方式主要有MSP环保护、MSPl+(1：1)保护和SNCP保护，MSP保护只能进行基于复用段的保护，SNCP保护只能基于双发选收机制，而ASON中引入控制平面和信令后，可以通过软件支持各种颗粒度的专用或共享保护，增加了保护类型的选择，提供更多的业务等级。 在传统的SDH网络中，各种保护的配置完全由网管负责下发指令预先设置交叉连接和各项参数，而在ASON中，保护连接的配置由节点负责，当节点接到呼叫建立工作连接时便可以根据要求同时建立起保护连接，并设置参数而不需要通过网管下发指令，实现了业务的动态提供。 在传统的SDH网络中，虽然很早就定义了恢复概念并利用DXC设备予以实现，但是由于通过网管进行集中控制而导致恢复速度一直不够理想，所以未能真正体现出网状网恢复的优势，实用性差；而在ASON中，智能化节点上实现了分布式的恢复机制，备用连接的创建完全可以在控制平面上由源节点发起然后利用信令完成建立过程，并设置恢复参数，大大提高了恢复速度，增强了实用性。 总的来说ASON中的保护恢复是动态建立的，在灵活性上有了较大的提高，特别是增强了网状网恢复的实用性，使其优势得到体现，在减少冗余资源的同时获得理想的恢复速度，而且，根据ASON中提供的众多保护恢复类型，运营商可以划分更多的业务等级提供给不同的用户，从而增加运营收入。 3.3 ASON网络的生存性评价体系 综合以上的智能光网络生存性定义的分析，可以得出生存性的评价体系。网络生存性的优劣并不是说当发生网络故障时，能够100％的实现保护恢复就是最好的决策，而要综合考察冗余度与恢复性能的权重，从网络的这整体效益出发，判断生存性策略的优劣。因此在评价智能光网络的生存性时，应从以下几个方面综合考虑： （1）需要的空闲容量 （2）光纤数量 （3）恢复时间 （4）软件实现复杂性 （5）对重要失效的保护性能 （6）运行维护的复杂性。 4 ASON组网方案 考虑与实际已经存在的DWDM，SDH网络融合，ASON组网方案有两种： （1）ASON+DWDM组网方案 利用DWDM系统的大容量和长途传输能力以及ASON节点的宽带容量和灵活调度能力，可以组建一个功能强大的网络。在这样的网络中，尤其在骨干和汇聚层网络，ASON节点可以完成传统SDH设备所能完成的所有功能，并提供更大的节点宽带容量，更灵活和更快捷的电路调度能力，同时网络的建设和运营费用也比较低。ASON节点所能提供的单节点交叉容量可以大大缓解网络中节点的“瓶颈”问题。烽火通信已经在河北移动城域网传输系统中采用了ASON+DWDM的组网方案。 （2）ASON和SDH混合组网方案 ASON可以基于G.803规范的SDH传送网实现，也可以基于G.872规范的光传送网实现，因此，ASON可与现有SDH传送网络混合组网。 ASON与现有电信网络的融合是一个渐进的过程，先在现有的SDH网络形成一个个ASON,然后逐步形成整个的ASON。这一发展过程与PDH向SDH设备的过渡非常相似。在辽宁阜新网通本地网工程中烽火通信FonsWeaver 780B设备为阜新网通构建核心 网络可由MSTP网络升级至ASON网络 ,可由10G环升到40G环。 5 ASON的发展现状和应用 5.1 40Gbit/s速率的光接口 随着各种新兴电信业务的出现，特别是数据业务对网络带宽的占用量越来越大，我们在使网络变得智能化的同时，也要考虑网络宽带化的问题。对于应用于骨干层网络ASON节点设备来说，能够提供40Gbit/s的更大速率光接口就显得非常有必要了。另一方面，各种高端路由器和交换机的接口速率达到了10Gbit/s，这种大容量高端路由器和交换机的出现也大大推动了40G光接口在ASON节点设备中的应用。烽火通信作为国内主要的光通信设备供应商之一，已经在40G商用传 输 系 统 方面 取 得了 重 大 突 破， 承 担的 国 家“十五”科技攻 关 计 划 项 目“40Gbit/sSDH光纤通信设备与系统”已经顺利通过信息产业部验收专家委员会的验收。该项目通过采用精确色散补偿、拉曼化掺饵光纤放大器等技术，成功地实现了40Gbit/s光传输系统在G.652和G.655光纤上的560km无电再生无误码传输，解决了该系统在色散、非线性等方面的关键难题。目前烽火通信FonsWeaver系列ASON产品已经全面支持40Gbit/s高速率光接口。 5.2 基于BitSlice技术的多播严格无阻塞交叉矩阵 交叉矩阵是ASON节点设备传送平面的核心部分，ASON设备和传统的SDH/MSTP设备相比，除了增加控制平面外，在传送平面硬件方面也有部分改进。例如交叉容量的提升和交叉矩阵的多播严格无阻塞特性。为什么ASON节点设备需要多播严格无阻塞、大交叉能力的交叉矩阵呢？主要是以下三方面的原因：首先，ASON是基于格状网络构建的，相对于以往的环网结构来说，ASON节点设备上要提供更多的光接口，要有更强的业务调度和疏导能力。其次，采用多播严格无阻塞的交叉矩阵对于ASON网络的恢复时间性能有显著提高。与之相比，传统的3级CLOS矩阵方式具有重构无阻塞特性，在网络发生故障时，ASON节点设备的交叉连接要进行内部路由搜索，延长了全网恢复时间。最后，采用多播严格无阻塞矩阵可以更好地支持ASON网络中的广播业务。若采用重构无阻塞交叉矩阵，在广播业务达到25％以上时，会显示出阻塞特性。目前烽火通信FonsWeaver系列ASON产品已经全面支持基于BitSlice技术的多播严格无阻塞交叉矩阵,其最大交叉能力达到1280G。 6 ASON技术的发展趋势 （1）在光传输网完全采用WDM传输技术的基础上，首先在长途节点使用OEO交换技术的OXC设备，采用ASON的信令、路由协议和NNI接口，在域内实现ASON的功能； （2）在城域网范围内，采用具有UNI接口的多业务传输平台（MSTP）或OXC设备，以便使MSTP或OXC设备可以通过UNI接口，实现端对端智能管理； （3）在全网内，全面采用ASON的信令、路由协议、NNI接口和功能； （4）不同运营商的ASON，使用NNI或UNI接口互通。 7 结束语 总之, ASON是一种实现未来光网络智能化升级的有效方案。它的出现, 深刻改变光传送网的体系结构和功能。 对于ASON网络的发展，其标准化进程的加快，将实现不同厂商设备的互通和互操作，同时网络结构从环网向网状网演进，着重了网状网物理平台的建设及系统资源的完善和优化，随着ASON技术的逐步成熟，未来几年将进入实用化阶段。ASON利用单一的控制平面，可以实现跨厂商、跨运营商管理域OTN/SDH传送平面的统一控制，完成端到端的电路建立、保护和恢复，解决了端到端配置、保护和恢复、电路SLA等问题。 可以相信，ASON网络体系将为网络运营商和服务商带来新的业务增长点，创造巨大的市场机遇与经济效益。随着光交换技术、控制平面技术的发展与成熟， ASON必将在未来的传送网中发挥更大的作用。 参考文献 [1]吴彦文，郑大力，仲肇伟，光网络的生存性技术【M】.北京：北京大学出版社，2002年.PIO～P14 [2]John Strand，Optical Network Architecture Evolution，Ch3 of Optical Fiber [3]Telecommunications，Volume IV B【M】，Elsevier Science(usA)．2002，P57—153 [4]张杰等，自动交换光网ASON【M】，北京：人民邮电出版社，2004年2月 [5]张军生,《自动交换光网络的信令技术的研究》，电信科学技术研究院硕士毕业论文, 2004

2022年通信系统与光电子关键期刊论文评述（五）

2022年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括： 无源光网络、光电探测器、可见光成像通信、强度调制/直接检测、光纤无线通信、带内全双工通信等，笔者将逐一评析。

评述作者包含邵宇丰，王安蓉，于妮，田青，伊林芳，杨骐铭，刘栓凡，李彦霖，袁杰，李冲，左仁杰，陈鹏。

1、 无源光网络

华为技术公司德国中心的Ricardo Rosales等研究人员设计了一种新型50G无源光网络（PON）下行传输链路，并在光纤线路终端（OLT）融合了电吸收调制激光器和半导体光放大器（EML+SOA），实现了6dB消光比、55dB/0.1nm的光信噪比（OSNR）和13dBm的输出功率，如图1所示。他们在发射端采用位模式发生器（BPG）生成了非归零码（NRZ）信号，并经EML控制调制速率和输出功率，通过SOA实现增益放大并利用非线性特性来降低啁啾影响提高信号的传输距离，还利用无源光隔离器（OL）对实现回波反射隔离以提高传输效率。在接收端，他们采用均衡技术（EQ）补偿具有增益饱和效应的SOA来降低光通道代价（OPP）。研究结果表明，在硬判决低密度奇偶校验前向纠错误码率为10-2的阈值下，采用离线数字信号处理（DSP）时背对背和经过20公里、30公里传输后接收机灵敏度分别为-26.0、-25.0和-24.0dBm[1]。毫无疑问，单片集成EML+SOA的新方案有望在未来高速无源光接入网中发挥实际作用。

图1 50G-PON中的下行传输链路

2、 光电探测器

美国惠普实验室Yuan Yuan等研究人员设计了一种波导集成型硅锗雪崩光电探测器（Si-Ge APD），如图2所示。研究人员在非理想状态下研究了32Gb/s NRZ信号在系统中存在散粒噪声、相对强度噪声（RIN）、自发辐射噪声（ASE）时不同光信噪比（OSNR）下的接受机灵敏度。研究结果表明，在高OSNR区域（OSNR>36dB），Si-Ge APD中的散粒噪声和RIN噪声使得误码率（BER）与OSNR呈现出弱相关性；在低OSNR区域（OSNR<36dB），ASE噪声使得BER随OSNR的减小而迅速增大[2]。因此，该类器件的设计及其研究结果将为未来高密度互联网通信系统的应用提供技术参考。

图2 波导集成型硅锗雪崩光电探测器的实验测试系统

3、 可见光成像通信

湖南大学Jing He等研究人员采用人工智能神经网络（ANN）技术设计了一4阶脉宽调制可见光成像通信（4-PWM OCC）系统，一定程度上克服了因曝光时间重叠引起的码间干扰（ISI）效应，如图3所示。研究人员采用逻辑回归（LR）、向量机（SVM）支持及ANN调制方式，在不同符号分辨率、光照强度和数据速率条件下研究系统误码率（BER）性能。实验结果表明，当数据速率为15.84kb/s、符号分辨率为6像素/符号及照度为2440lux时，BER值为1.78×10-5[3]。综上所述，上述技术在可见光室内通信领域具有一定的应用价值。

图3 4-PAM OCC系统实验

4、 强度调制/直接检测系统

加拿大麦吉尔大学Essam Berikaa等研究人员在带宽受限的强度调制/直接检测（IM-DD）系统中设计了一种无乘法数字信号处理方法，即通过时间交织方式接收到的符号和扭曲二维（2D）星座来降低噪声相关性，如图4所示。研究人员结合线性前馈均衡器和Volterra非线性均衡器的作用，对所设计的2D星座畸变进行了分析[4]。研究结果表明，针对135Gbaud PAM4和110Gbaud PAM6信号进行2D星座畸变处理，能使误码率降低40%；如果使用47GHz硅光子（SiP）调制器、采用线性均衡和2D失真，在O波段超过2km的标准单模光纤（SSMF）上传输PAM4和PAM6信号时，净负荷速率为250Gbps/λ，误码率为3.8×10-3。

图4 带宽受限的IM-DD系统

5、光纤无线通信

巴西伯南布哥大学的Luiz A. M. Pereira等研究人员设计了在光纤无线通信（RoF）系统中采用机器学习（ML）实施预失真和后失真的应用方案，即采用多层感知器（MLP）的人工神经网络（ANN）线性化正交频分复用（OFDM）信号的方案，如图5所示。研究结果表明，预失真和后失真在均方根误差矢量幅度（EVMRMS），归一化均方误差（NMSE）和邻道泄漏功率比（ACLR）测试指标上都体现出较高的优越性；该系统中，由于EVMRMS被控制在低于3%的水平，在输入功率为23dBm时NMSE和ACLR分别低于30dB和35dB[5]。不难发现：该线性化方案允许在不产生显著信号失真的情况下提升射频发射功率，有利于在空白电视信号频段（TVWS）与传统RoF系统应用融合，还能支持移动通信运营商在不同偏远地区提升动态分配射频功率的灵活性。

图5 线性化正交频分复用（OFDM）信号的光纤无线通信系统

6、带内全双工通信

华东师范大学的Moxuan Han等研究人员采用马赫曾德尔调制器（MZM ）和递推最小二乘（RLS）算法，设计了数字辅助光子模拟宽带射频多径自干扰抵消（SIC）和下变频方案（如图6所示），用于带内全双工通信。该方案使用两个参考信号实现多径模拟SIC（包含直通自干扰（SI）参考信号和弱反射路径SI信号的参考信号），在一定程度上克服了在直通SI信号远大于反射路径SI信号时，数模转换器（DAC）的动态范围（DR）有限导致SIC性能较差的问题[6]。研究结果表明，当多径SI信号载波频率为10GHz时在0.5和1Gbaud速率下SI实现了约26.7和26.1dB的对消深度；当直通SI信号和次弱多径SI信号的功率更接近时，对消深度分别为24.7dB和20.8dB。

图6 数字辅助模拟SIC方案及下变频系统

参考文献

[1] R. Rosales, I. N. Cano, D. Nesset, R. Brenot and G. Talli, "50G-PON Downstream Link up to 40 km With a 1342 nm Integrated EML+SOA," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 6, pp. 306-308, 15 March15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3152608.

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