幾十年來，光網(wǎng)絡技術得到了迅速發(fā)展。光纖由于其高帶寬和低衰減的特性，正成為電信基礎設施的關鍵組成部分。研究人員研究了大量光纖電纜技術、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)務中不斷增長的數(shù)據(jù)需求。

光網(wǎng)絡技術的最新發(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：無線自由空間光通信(FSO，F(xiàn)ree Space Optical) 傳輸和使用物理線路的光纖技術。在距離、帶寬、速度、可靠性和支持其使用的其他改進方面，光纖技術隨著時間的推移取得了顯著進步。

為了滿足不斷增長的對更高容量、更低能耗和系統(tǒng)設計成本的需求，以賦予光學領域的新應用和新興技術，來自世界各地的研究人員和來自電子、通信、光子學和信號處理等不同領域的不同專業(yè)知識，共同做出了貢獻。

1. 彈性光網(wǎng)絡（EON）

彈性光網(wǎng)絡（EON）是一種網(wǎng)絡架構，旨在滿足對光網(wǎng)絡資源分配靈活性日益增長的需求。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用。然而，這種靈活性對資源分配提出了挑戰(zhàn)，包括網(wǎng)絡重新優(yōu)化、頻譜碎片化和放大器功率設置方面的困難。因此，在硬件層面緊密集成控制元件（控制器和編排器）和光學監(jiān)視器以確保高效和有效的操作是至關重要的。

圖片來源：ieeeexplore.ieee.org– 彈性光網(wǎng)絡

2、大容量、高速度的OC超級通道

超級通道新技術是一種可行的替代方案，可實現(xiàn)極快、長距離、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，使用多個子載波 (DP-QPSK) 在單個信道上傳輸數(shù)據(jù)。在單個通道上，這些特殊的調(diào)制方式可以以超過100 Gbps的速度傳輸數(shù)據(jù)。然而，它們在支持的鏈路數(shù)量上受到限制并且存在多徑衰落、非線性損耗、相位失真損耗等問題。接收器端的相干檢測和數(shù)字信號處理 (DSP) 用于減少這些限制以獲得更好的性能。

圖片來源：best-metatrader-indicators.com– OC 超級通道系統(tǒng)

3. 物理OC安全的網(wǎng)絡編碼（NC）

在光網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡編碼 (NC，Network Coding) 用于防止鏈路故障、提高多播的頻譜效率并保護私人連接免受窺探。在它們通過網(wǎng)絡的過程中，私有信號與通過各個節(jié)點發(fā)送的其他信號進行XORed。在源節(jié)點或中間節(jié)點，信號被合并。

由于竊聽者會從多個連接中獲取各種信號，使得機密信號的解密變得更加困難，因此通過NC合并信號可以增強機密連接的安全性。研究表明，NC以最小的頻譜利用率為私人通信提供了一個徹底的安全信封。

圖片來源：researchgate.net– 基于蝴蝶拓撲的 XOR 網(wǎng)絡編碼

用于實現(xiàn)OC能力的技術

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

1. OAM復用用于高容量安全光通信

軌道角動量 (OAM，orbital angular momentum) 使用 OAM 光束的正交性來實現(xiàn)有效的解復用。數(shù)據(jù)傳輸應用經(jīng)常采用自由空間通信網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡采用射頻 (RF) 或光波進行通信。通過同時復用和傳輸大量獨立的數(shù)據(jù)流，可以提高通信系統(tǒng)的容量。

這是通過利用時間、波長和偏振等電磁 (EM，electromagnetic) 波特性來實現(xiàn)的。多個數(shù)據(jù)流的有效復用和解復用是可能的。

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

圖片來源：researchgate.net– 使用 OAM 多路復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)?；煦巛d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。

圖片來源：researchgate.net——基于混沌的兩級安全系統(tǒng)

3. 用于光通信物理層安全的強度調(diào)制信號

由于使用了Y-00量子噪聲隨機流密碼，攻擊者無法攔截發(fā)送的加密文本。該技術將物理隨機性與數(shù)學多級信令加密相結(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。因為攻擊者成功猜出加密數(shù)據(jù)的可能性非常小，所以建立了高度保密。

圖片來源：researchgate.net– 高階調(diào)制信號

4. 面向5G和物聯(lián)網(wǎng)的OWC技術

預計5G移動通信系統(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包括光學相機通信 (OCC)、自由空間光學、光保真 (LiFi)、可見光通信 (VLC) 和 (FSO)。其解決方案可通過傳感、監(jiān)控和資源共享為全面的物聯(lián)網(wǎng)設備連接做出貢獻，同時滿足 5G 和物聯(lián)網(wǎng)的高安全性要求。

此外，黑客設備無法檢測到外部網(wǎng)絡上的內(nèi)部光信號，信息可以以非常安全的方式傳輸。

5.光學相機通信（OCC）

光學相機通信 (OCC) 是一種光學通信方法，允許在光學域中使用大量不受限制的帶寬，其光譜位于微波和 X 射線波長之間。目前可以使用帶有攝像頭和LED閃光燈的智能設備。這提供了光學無線通信 (OWC) 的實際實現(xiàn)，使用相機作為接收模塊和 LED 投影儀在可見光譜 (VLC) 中傳輸。

圖片來源：researchgate.net– 光學相機通信系統(tǒng)架構

電信中的光網(wǎng)絡技術

光纖技術用于通信，因為它提供的帶寬可以滿足大企業(yè)、云運營商和互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商的需求。它們提高了網(wǎng)絡容量、效率和靈活性，支持按需服務部署和配置。電信部門可以為每個用戶端提供高達 Gbps 甚至更多的服務，因為它能夠在光纖技術中提供更大的波長容量和每根光纖的波長。

自2020年及以后，移動流量急劇增加，緊密協(xié)調(diào)對于有效使用頻譜至關重要。隨著LTE向VoLTE和5G的LTE-Advanced演進，運營商網(wǎng)絡將需要提供更大容量和更低時延的服務。在占地面積至關重要的大都市和密集城市地區(qū)，運營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)絡技術。

目前，對使用DSL應用的兩條銅線上的電話呼叫、點播視頻服務和基于云的服務的需求迫使全球所有客戶服務提供商升級其帶寬容量。為向最終用戶提供的所有服務保持較低的總體擁有成本 (TCO) 需要一個統(tǒng)一的城域融合網(wǎng)絡計費和管理系統(tǒng)。這可以通過回程網(wǎng)絡的低衰減和超帶寬能力來實現(xiàn)。服務提供商可以通過允許同時使用所有授權服務來有效地提供這些服務，確保它們不會被中斷或干擾。

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

結(jié)論

光網(wǎng)絡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、增強的硬件、可編程電路和軟件開發(fā)，光網(wǎng)絡在容量、速度、可擴展性和安全性方面得到了改進。

然而，對高速通信的需求正在增長，這促使學術界研究滿足流量需求的其他選擇。根據(jù)價格、需求和資源可用性利用各種光網(wǎng)絡技術可能是有利的?？梢酝ㄟ^以商業(yè)上可行的價格進一步開發(fā)高速DSP來增加網(wǎng)絡容量。

能夠處理流量增長的網(wǎng)絡的發(fā)展及其廣泛部署導致網(wǎng)絡組件增加，使網(wǎng)絡管理更加困難。單靠技術進步不足以使即將出現(xiàn)的新技術實用化；還需要改進管理和控制。

光纖電纜技術目前處于發(fā)展和擴展的早期階段。我們預計它會迅速擴展并應用于廣泛的領域，極大地提高我們?nèi)粘Ｉ畹氖孢m度、安全性和自動化程度。

常見問題

1、什么是光網(wǎng)絡？

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

光網(wǎng)絡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。如果沒有光纖網(wǎng)絡，與遙遠的數(shù)據(jù)中心或其他數(shù)據(jù)源的連接不會像現(xiàn)在這樣快?；ヂ?lián)網(wǎng)的全球覆蓋取決于光纖網(wǎng)絡，以保證美國的用戶可以在物理允許的情況下盡快連接到日本的服務器。

大型數(shù)據(jù)中心也通過光纖網(wǎng)絡連接。然而，本文更多地關注支持長途連接的技術。

2、什么是OTN？

OTN 即光傳輸網(wǎng)絡，是通信行業(yè)中使用的一種光纖技術，作為標準協(xié)議，用于在整個光網(wǎng)絡中將各種服務切換和多路復用到高容量波長上。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、簡化運營、改進服務水平協(xié)議 (SLA)、通過前向糾錯 (FEC) 擴大覆蓋范圍、有效地最大化波長填充并確保端到端服務交付，如今的網(wǎng)絡提供商依賴于支持OTN的技術在他們的光網(wǎng)絡中。

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

3、OTN給運營商帶來哪些好處？

如今，光纖技術 OTN 提供的巨大優(yōu)勢為運營商帶來了競爭優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括使用前向糾錯 (FEC) 提高性能、簡化操作、更快地啟動服務、最大化效率和差異化服務。因此，運營商可以通過在可編程光學基礎設施中利用下一代技術來快速適應當今不穩(wěn)定的帶寬需求。

FEC 糾正和檢測光鏈路中的故障，大大增強了對大容量傳輸中遇到的網(wǎng)絡損傷的容忍度。使用 FEC 顯著提高給定誤碼率 (BER) 和信號功率的系統(tǒng)余量，可以實現(xiàn)更長的網(wǎng)絡跨度。

通過能夠跳過放大器站點，它允許供應商增加光中繼器之間的距離，從而降低資本和運營成本。它還簡化了網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構。

4、什么是波分復用？

通過使用多種激光波長或“顏色”，波分復用或WDM是一種用于光纖通信的技術，可將多個光載波信號復用到單根光纖上。此過程也稱為波分雙工，允許通過單根光纖和容量倍增進行雙向通信。

WDM系統(tǒng)深受電信公司的喜愛，因為它們使他們能夠在不增加額外光纖的情況下增加網(wǎng)絡容量。通過使用WDM和光放大器，他們可以在無需重新設計骨干網(wǎng)的情況下在其光基礎設施中承受幾代技術發(fā)展?？梢陨壝恳欢说亩嗦窂陀闷骱投嗦贩纸馄饕栽黾咏o定鏈路的容量。

本文作者：Nitin Abbey via STL

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