光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新進(jìn)展：展望數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈磥?lái)

幾十年來(lái)，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。光纖由于其高帶寬和低衰減的特性，正成為電信基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。研究人員研究了大量光纖電纜技術(shù)、尖端硬件和可編程性，將傳輸提高到千兆比特甚至更高，以滿足電信業(yè)務(wù)中不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。

光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新發(fā)展

30多年前，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓馔ㄐ?OC，Optical Communication)首次被證明。它使用兩種基本技術(shù)：無(wú)線自由空間光通信(FSO，F(xiàn)ree Space Optical) 傳輸和使用物理線路的光纖技術(shù)。在距離、帶寬、速度、可靠性和支持其使用的其他改進(jìn)方面，光纖技術(shù)隨著時(shí)間的推移取得了顯著進(jìn)步。

為了滿足不斷增長(zhǎng)的對(duì)更高容量、更低能耗和系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本的需求，以賦予光學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用和新興技術(shù)，來(lái)自世界各地的研究人員和來(lái)自電子、通信、光子學(xué)和信號(hào)處理等不同領(lǐng)域的不同專業(yè)知識(shí)，共同做出了貢獻(xiàn)。

1. 彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）

彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，旨在滿足對(duì)光網(wǎng)絡(luò)資源分配靈活性日益增長(zhǎng)的需求。它支持靈活的帶寬分配，以支持不同的傳輸系統(tǒng)，例如編碼率、轉(zhuǎn)發(fā)器類型、調(diào)制方式和正交頻分復(fù)用。然而，這種靈活性對(duì)資源分配提出了挑戰(zhàn)，包括網(wǎng)絡(luò)重新優(yōu)化、頻譜碎片化和放大器功率設(shè)置方面的困難。因此，在硬件層面緊密集成控制元件（控制器和編排器）和光學(xué)監(jiān)視器以確保高效和有效的操作是至關(guān)重要的。

圖片來(lái)源：ieeeexplore.ieee.org– 彈性光網(wǎng)絡(luò)

2、大容量、高速度的OC超級(jí)通道

超級(jí)通道新技術(shù)是一種可行的替代方案，可實(shí)現(xiàn)極快、長(zhǎng)距離、頻譜效率高且性能可靠的大數(shù)據(jù)容量鏈路。它使用雙極化正交相移鍵控，使用多個(gè)子載波 (DP-QPSK) 在單個(gè)信道上傳輸數(shù)據(jù)。在單個(gè)通道上，這些特殊的調(diào)制方式可以以超過(guò)100 Gbps的速度傳輸數(shù)據(jù)。然而，它們?cè)谥С值逆溌窋?shù)量上受到限制并且存在多徑衰落、非線性損耗、相位失真損耗等問(wèn)題。接收器端的相干檢測(cè)和數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 用于減少這些限制以獲得更好的性能。

圖片來(lái)源：best-metatrader-indicators.com– OC 超級(jí)通道系統(tǒng)

3. 物理OC安全的網(wǎng)絡(luò)編碼（NC）

在光網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)編碼 (NC，Network Coding) 用于防止鏈路故障、提高多播的頻譜效率并保護(hù)私人連接免受窺探。在它們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，私有信號(hào)與通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的其他信號(hào)進(jìn)行XORed。在源節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)，信號(hào)被合并。

由于竊聽(tīng)者會(huì)從多個(gè)連接中獲取各種信號(hào)，使得機(jī)密信號(hào)的解密變得更加困難，因此通過(guò)NC合并信號(hào)可以增強(qiáng)機(jī)密連接的安全性。研究表明，NC以最小的頻譜利用率為私人通信提供了一個(gè)徹底的安全信封。

圖片來(lái)源：researchgate.net– 基于蝴蝶拓?fù)涞?XOR 網(wǎng)絡(luò)編碼

用于實(shí)現(xiàn)OC能力的技術(shù)

隨著對(duì)用于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)某笕萘亢透咚偻ǖ赖男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，對(duì)快速解決方案的需求也在不斷擴(kuò)大。為了解決傳輸需求和安全問(wèn)題，利用光纖技術(shù)和自由空間無(wú)線信道的廣泛解決方案已經(jīng)取得成功。

1. OAM復(fù)用用于高容量安全光通信

軌道角動(dòng)量 (OAM，orbital angular momentum) 使用 OAM 光束的正交性來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的解復(fù)用。數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用經(jīng)常采用自由空間通信網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)采用射頻 (RF) 或光波進(jìn)行通信。通過(guò)同時(shí)復(fù)用和傳輸大量獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，可以提高通信系統(tǒng)的容量。

這是通過(guò)利用時(shí)間、波長(zhǎng)和偏振等電磁 (EM，electromagnetic) 波特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。多個(gè)數(shù)據(jù)流的有效復(fù)用和解復(fù)用是可能的。

對(duì)超高帶寬的需求不斷增長(zhǎng)；因此，正在開(kāi)發(fā)新型數(shù)據(jù)通道多路復(fù)用以滿足該需求。通過(guò)結(jié)合OAM多路復(fù)用和極化，我們可以獲得非常高的 xTpbs 速度通信。

圖片來(lái)源：researchgate.net– 使用 OAM 多路復(fù)用的太赫茲通信鏈路

2. 基于混沌的安全、高速、帶寬超頻

在安全的OC中，混沌系統(tǒng)提供物理層安全性?；煦巛d波（chaotic carrier）的帶寬決定了在基于混沌的安全通信中可以傳輸多少數(shù)據(jù)。混沌載波可以承受更高的傳輸速率，其帶寬更寬。

已經(jīng)提出了各種方法來(lái)增加混沌的帶寬，包括互注入、光注入、外差耦合、光纖傳播、并聯(lián)耦合環(huán)形諧振器的反饋以及微球諧振器的自相位調(diào)制反饋。

圖片來(lái)源：researchgate.net——基于混沌的兩級(jí)安全系統(tǒng)

3. 用于光通信物理層安全的強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)

由于使用了Y-00量子噪聲隨機(jī)流密碼，攻擊者無(wú)法攔截發(fā)送的加密文本。該技術(shù)將物理隨機(jī)性與數(shù)學(xué)多級(jí)信令加密相結(jié)合，可提供出色的性能和可靠的安全性。極高階調(diào)制、量子噪聲和加性噪聲都被使用。因?yàn)楣粽叱晒Σ鲁黾用軘?shù)據(jù)的可能性非常小，所以建立了高度保密。

圖片來(lái)源：researchgate.net– 高階調(diào)制信號(hào)

4. 面向5G和物聯(lián)網(wǎng)的OWC技術(shù)

預(yù)計(jì)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的平均傳輸速率為1Gbps，峰值速率為10Gbps。OWC（Optical Wireless Communication）的獨(dú)特品質(zhì)——寬頻譜、高數(shù)據(jù)速率、低延遲、高安全性、低成本和低能耗——似乎可以滿足指定的要求。OWC包括光學(xué)相機(jī)通信 (OCC)、自由空間光學(xué)、光保真 (LiFi)、可見(jiàn)光通信 (VLC) 和 (FSO)。其解決方案可通過(guò)傳感、監(jiān)控和資源共享為全面的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接做出貢獻(xiàn)，同時(shí)滿足 5G 和物聯(lián)網(wǎng)的高安全性要求。

此外，黑客設(shè)備無(wú)法檢測(cè)到外部網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)部光信號(hào)，信息可以以非常安全的方式傳輸。

5.光學(xué)相機(jī)通信（OCC）

光學(xué)相機(jī)通信 (OCC) 是一種光學(xué)通信方法，允許在光學(xué)域中使用大量不受限制的帶寬，其光譜位于微波和 X 射線波長(zhǎng)之間。目前可以使用帶有攝像頭和LED閃光燈的智能設(shè)備。這提供了光學(xué)無(wú)線通信 (OWC) 的實(shí)際實(shí)現(xiàn)，使用相機(jī)作為接收模塊和 LED 投影儀在可見(jiàn)光譜 (VLC) 中傳輸。

圖片來(lái)源：researchgate.net– 光學(xué)相機(jī)通信系統(tǒng)架構(gòu)

電信中的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

光纖技術(shù)用于通信，因?yàn)樗峁┑膸捒梢詽M足大企業(yè)、云運(yùn)營(yíng)商和互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商的需求。它們提高了網(wǎng)絡(luò)容量、效率和靈活性，支持按需服務(wù)部署和配置。電信部門可以為每個(gè)用戶端提供高達(dá) Gbps 甚至更多的服務(wù)，因?yàn)樗軌蛟诠饫w技術(shù)中提供更大的波長(zhǎng)容量和每根光纖的波長(zhǎng)。

自2020年及以后，移動(dòng)流量急劇增加，緊密協(xié)調(diào)對(duì)于有效使用頻譜至關(guān)重要。隨著LTE向VoLTE和5G的LTE-Advanced演進(jìn)，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)將需要提供更大容量和更低時(shí)延的服務(wù)。在占地面積至關(guān)重要的大都市和密集城市地區(qū)，運(yùn)營(yíng)商在滿足這些要求方面遇到了最大的困難。因此，需要具有高頻譜效率的創(chuàng)新替代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

目前，對(duì)使用DSL應(yīng)用的兩條銅線上的電話呼叫、點(diǎn)播視頻服務(wù)和基于云的服務(wù)的需求迫使全球所有客戶服務(wù)提供商升級(jí)其帶寬容量。為向最終用戶提供的所有服務(wù)保持較低的總體擁有成本 (TCO) 需要一個(gè)統(tǒng)一的城域融合網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)和管理系統(tǒng)。這可以通過(guò)回程網(wǎng)絡(luò)的低衰減和超帶寬能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。服務(wù)提供商可以通過(guò)允許同時(shí)使用所有授權(quán)服務(wù)來(lái)有效地提供這些服務(wù)，確保它們不會(huì)被中斷或干擾。

要通過(guò)融合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、ADSL 或異步數(shù)字用戶線提供多媒體服務(wù)，必須具有可擴(kuò)展性、可靠性和高性能。為了對(duì)數(shù)字世界做出重大貢獻(xiàn)，通信服務(wù)提供商必須有效地結(jié)合現(xiàn)有和新興技術(shù)，將其更新為單一的光分組網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論

光網(wǎng)絡(luò)已成為能夠快速滿足巨大數(shù)據(jù)需求的唯一傳輸方式。由于各種技術(shù)、增強(qiáng)的硬件、可編程電路和軟件開(kāi)發(fā)，光網(wǎng)絡(luò)在容量、速度、可擴(kuò)展性和安全性方面得到了改進(jìn)。

然而，對(duì)高速通信的需求正在增長(zhǎng)，這促使學(xué)術(shù)界研究滿足流量需求的其他選擇。根據(jù)價(jià)格、需求和資源可用性利用各種光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能是有利的?？梢酝ㄟ^(guò)以商業(yè)上可行的價(jià)格進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高速DSP來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)容量。

能夠處理流量增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及其廣泛部署導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)組件增加，使網(wǎng)絡(luò)管理更加困難。單靠技術(shù)進(jìn)步不足以使即將出現(xiàn)的新技術(shù)實(shí)用化；還需要改進(jìn)管理和控制。

光纖電纜技術(shù)目前處于發(fā)展和擴(kuò)展的早期階段。我們預(yù)計(jì)它會(huì)迅速擴(kuò)展并應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域，極大地提高我們?nèi)粘Ｉ畹氖孢m度、安全性和自動(dòng)化程度。

常見(jiàn)問(wèn)題

1、什么是光網(wǎng)絡(luò)？

光纖技術(shù)中的光網(wǎng)絡(luò)使用光以光速通過(guò)光纖電纜發(fā)送數(shù)據(jù)，非常適合低延遲長(zhǎng)距離的連接。

光網(wǎng)絡(luò)的光纜由包裹在玻璃包層中的芯組成，玻璃包層將光捕獲在電纜內(nèi)部。如果沒(méi)有光纖網(wǎng)絡(luò)，與遙遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)中心或其他數(shù)據(jù)源的連接不會(huì)像現(xiàn)在這樣快。互聯(lián)網(wǎng)的全球覆蓋取決于光纖網(wǎng)絡(luò)，以保證美國(guó)的用戶可以在物理允許的情況下盡快連接到日本的服務(wù)器。

大型數(shù)據(jù)中心也通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)連接。然而，本文更多地關(guān)注支持長(zhǎng)途連接的技術(shù)。

2、什么是OTN？

OTN 即光傳輸網(wǎng)絡(luò)，是通信行業(yè)中使用的一種光纖技術(shù)，作為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于在整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)中將各種服務(wù)切換和多路復(fù)用到高容量波長(zhǎng)上。它在許多ITU建議中都有定義，包括 G.709 和 G.798。為了提高彈性、簡(jiǎn)化運(yùn)營(yíng)、改進(jìn)服務(wù)水平協(xié)議 (SLA)、通過(guò)前向糾錯(cuò) (FEC) 擴(kuò)大覆蓋范圍、有效地最大化波長(zhǎng)填充并確保端到端服務(wù)交付，如今的網(wǎng)絡(luò)提供商依賴于支持OTN的技術(shù)在他們的光網(wǎng)絡(luò)中。

由于OTN將每個(gè)客戶端/服務(wù)透明地包裝到一個(gè)容器中以在光網(wǎng)絡(luò)中傳輸，同時(shí)保留客戶端的本地結(jié)構(gòu)、時(shí)序信息和管理信息，因此它有時(shí)被稱為“數(shù)字包封 ”。

3、OTN給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)哪些好處？

如今，光纖技術(shù) OTN 提供的巨大優(yōu)勢(shì)為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括使用前向糾錯(cuò) (FEC) 提高性能、簡(jiǎn)化操作、更快地啟動(dòng)服務(wù)、最大化效率和差異化服務(wù)。因此，運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)在可編程光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施中利用下一代技術(shù)來(lái)快速適應(yīng)當(dāng)今不穩(wěn)定的帶寬需求。

FEC 糾正和檢測(cè)光鏈路中的故障，大大增強(qiáng)了對(duì)大容量傳輸中遇到的網(wǎng)絡(luò)損傷的容忍度。使用 FEC 顯著提高給定誤碼率 (BER) 和信號(hào)功率的系統(tǒng)余量，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)跨度。

通過(guò)能夠跳過(guò)放大器站點(diǎn)，它允許供應(yīng)商增加光中繼器之間的距離，從而降低資本和運(yùn)營(yíng)成本。它還簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4、什么是波分復(fù)用？

通過(guò)使用多種激光波長(zhǎng)或“顏色”，波分復(fù)用或WDM是一種用于光纖通信的技術(shù)，可將多個(gè)光載波信號(hào)復(fù)用到單根光纖上。此過(guò)程也稱為波分雙工，允許通過(guò)單根光纖和容量倍增進(jìn)行雙向通信。

WDM系統(tǒng)深受電信公司的喜愛(ài)，因?yàn)樗鼈兪顾麄兡軌蛟诓辉黾宇~外光纖的情況下增加網(wǎng)絡(luò)容量。通過(guò)使用WDM和光放大器，他們可以在無(wú)需重新設(shè)計(jì)骨干網(wǎng)的情況下在其光基礎(chǔ)設(shè)施中承受幾代技術(shù)發(fā)展?？梢陨?jí)每一端的多路復(fù)用器和多路分解器以增加給定鏈路的容量。

本文作者：Nitin Abbey via STL

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