光正交頻分復(fù)用技術(shù)及其應(yīng)用(3)

編者按：正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，用來解決各種無線和有線信系統(tǒng)中因信道色散引起的符號間干擾問題。近年來的研究表明OFDM在光纖通信方面也極有前途，可以用于超大容量的長距離光纖傳輸?？勺儙捁饨粨Q和100Gbit／s高速光接入。本講座分3期對該技術(shù)進行介紹；第1期講述光正交頻分復(fù)用的發(fā)展歷史：基本原理和在光傳輸方面的應(yīng)用；第2期講述基于光正交頻分復(fù)用的商速光接入；本期講述利用光正交頻分復(fù)用實現(xiàn)的可變帶寬光交換。

7、基于OFDM的可變帶寬光交換技術(shù)

近年來隨著移動辦公、三維視頻、云計算、遠程醫(yī)療等多種新型業(yè)務(wù)的發(fā)展，其帶寬需求也變得靈活多樣。迫切需要增強光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)帶寬管理功能。高速的100Gbit／s端到端的信號傳輸要求網(wǎng)絡(luò)能夠提供更大的、非標準的帶寬支持。

波長路由光網(wǎng)絡(luò)基于波分復(fù)用(WDM)互聯(lián)實現(xiàn)端到端的全光連接，波長通道是信號傳輸與帶寬調(diào)度的基本單位。這種波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)在帶寬分配與性能管理上采用“一刀切”的模式，即通道間隔、信號速率與格式等參數(shù)都是固定不變的。這一模式導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)靈活性不高、帶寬浪費嚴重、功耗效率低下，已不能適應(yīng)未來大容量、高速率、可擴展的光層傳送要求。具體表現(xiàn)如下。

(1)建立波長通道時，不能靈活地根據(jù)用戶容量的實際要求分配可用帶寬資源，造成波長整體利用率下降。按照WDM標準只有位于規(guī)定柵格位置的波長可以分配給用戶，而均勻的波長間隔則直接決定了通道可用帶寬大小，與用戶容量和數(shù)據(jù)速率無關(guān)。

目前的波長路由全光網(wǎng)在建立波長通道時已分配了固定的光路帶寬，必然存在超量配置現(xiàn)象，如果節(jié)點之間的流量低于波長可用容量將可能會導(dǎo)致帶寬浪費。例如：10 Gbit／s和40Gbids的不同數(shù)據(jù)速率同樣采用50 GHz的標準通道間隔，顯然傳輸10 Gbit/s信號時通道的帶寬沒有得到充分利用。

(2)波長通道一旦建立，其光層可用帶寬是不能動態(tài)調(diào)整的，因此難以適應(yīng)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)性能靈活變化的需要。由于當前波長通道光發(fā)射／接收機的工作速率以及中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的交叉帶寬間隔都是固定的，不能及時響應(yīng)用戶數(shù)量的變化，按需增加或減少波長通道占據(jù)的帶寬，提高光纖利用率。

同時，固定通道帶寬限制對全光組網(wǎng)的生存性也會帶來不利影響，一條失效光路只有在迂回路由帶寬相等或超出原始帶寬的條件下才能得到恢復(fù)。

(3)由于光纖損傷影響，不同速率、格式的全光信號具有不同傳輸性能，物理屬性固定配置的波長通道無法滿足光路重構(gòu)引起的傳輸質(zhì)量動態(tài)可變要求。例如：全光交換造成端到端波長通道的路徑變化，使得交換前后傳輸距離增加或縮短，接收端的信號質(zhì)量也會相應(yīng)發(fā)生改變。傳統(tǒng)的波長通道由于光層物理屬性固定配置，無法自動適應(yīng)這一變化，需要引入針對信號速率、格式等的動態(tài)調(diào)整能力，以最大程度地匹配光路傳輸條件，優(yōu)化通道性能。

(4)隨著光傳輸技術(shù)和新型的光交換器件的發(fā)展，基于正交頻分復(fù)用(OFDM)的可變帶寬光交換技術(shù)得到了越來越廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的采用固定柵格的、以波長為最小交換粒度的WDM系統(tǒng)相比，可變帶寬光交換技術(shù)中引入了子載波的概念。實現(xiàn)了更小顆粒度的交換，同時對于大數(shù)據(jù)容量的鏈路，多個子波帶能夠通過匯聚的方式實現(xiàn)超級通道，實現(xiàn)大容量高速數(shù)據(jù)的傳輸和交換。由于各個子載波的正交性，相鄰兩個OFDM鏈路通道只需要很小的甚至不需要保護帶寬就能夠?qū)蓚€鏈路通道分開進行相干解調(diào)，因此基于0FDM的彈性光網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)無柵格的、靈活的光譜分配。通過組網(wǎng)的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的頻譜利用率、較為靈活的帶寬分配機制，并且可以降低鏈路阻塞率。

7.1 交換基本原理

OFDM可變帶寬交換的基本原理是利用OFDM多載波傳輸技術(shù)和波長選擇性開關(guān)(WSS)技術(shù)實現(xiàn)可變帶寬交換。OFDM是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后調(diào)制在很多正交的子載波上，正交子載波同時傳送多路高速信號。如圖1所示，傳統(tǒng)的頻分復(fù)用(FDM)理論上將通信帶寬分成幾個子信道，各個信道之間有很大的保護頻以降低干擾；而OFDM則利用正交頻帶復(fù)用(OBM)機制，它的各個通道之間只需要很小甚至不需要保護間隔就能在接收端將各個通道分開，從而有效利用帶寬，大大提高了頻譜效率。另外，OFDM技術(shù)可以通過改變調(diào)制格式和子載波，動態(tài)地分配在子信道上的數(shù)據(jù)，并可根據(jù)客戶的需要來實現(xiàn)動態(tài)的帶寬分配，從而實現(xiàn)最大的數(shù)據(jù)吞吐量。OFDM可變帶寬交換中應(yīng)用的一個關(guān)鍵器件是WSS。WSS器件采用了硅基液晶(LCOS)技術(shù)，可以對波長進行動態(tài)配置，對輸入的寬帶信號頻譜進行任意切割，并分別送到各個不同的輸出端口中。

利用OFDM和WSS技術(shù)，我們能夠?qū)Ω咚贁?shù)據(jù)進行帶寬分割，分成多個低速數(shù)據(jù)通道；反過來，我們也可以將多個低速信號匯聚成高速的超級通道，以此可以實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的傳輸。

7.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點模型

可變帶寬光交換中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，邊緣節(jié)點由帶寬可變的收發(fā)器構(gòu)成，中心節(jié)點是帶寬可變的波長交叉連接器(WXC)。為了能夠獲得高的頻譜效率，發(fā)射機根據(jù)客戶端要求產(chǎn)生合適大小的信號帶寬，并最小化相鄰各個信道之間的保護間隔，同時網(wǎng)絡(luò)中的每個WXC為各個光路提供合適帶寬的端到端光路由，因此整個系統(tǒng)的頻譜利用率很高。利用OFDM的高頻譜效率特點和WSS器件的可編程調(diào)節(jié)帶寬和中心波長的特點，相較于傳統(tǒng)的固定帶寬的WDM網(wǎng)絡(luò)，基于OFDM的可變帶寬網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率更高。

在可變帶寬交換中，節(jié)點完成將各個輸入信號路由到各個指定輸出端口的功能?？勺儙捊粨Q中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型如圖3(a)所示，從各個方向來的、頻譜連續(xù)的輸入信號經(jīng)過帶寬可變的WSS，然后WSS實現(xiàn)對連續(xù)頻譜信號的任意切割；通過配置WSS，各個輸出端口輸出不同頻段的信號頻譜；不同方向來的各個輸出頻譜通過耦合器合束，再發(fā)射出去，傳輸?shù)较乱粋€交換節(jié)點。

在節(jié)點結(jié)構(gòu)中，本地的客戶端信號通過本地的帶寬可變收發(fā)器生成，經(jīng)過帶寬可變的WSS進行上路；同理，下路的信號也可以通過帶寬可變的WSS進行下路，從而完成本地節(jié)點的上下路功能。與傳統(tǒng)的固定柵格的WDM節(jié)點結(jié)構(gòu)不一樣，在可變帶寬交換節(jié)點結(jié)構(gòu)中，信號的頻譜可以是連續(xù)的也可以是非連續(xù)的，在節(jié)點中不需要將各個信號波長分開，再進行各個信號波長的合路，從而大大簡化了節(jié)點結(jié)構(gòu)。在這種節(jié)點結(jié)構(gòu)中，WSS完成了信號的解復(fù)用功能，耦合器完成信號復(fù)用功能。節(jié)點結(jié)構(gòu)中WSS實現(xiàn)的功能如圖3(b)所示，輸入連續(xù)或非連續(xù)譜的信號，通過配置WSS，可以將輸入的信號進行任意的頻譜裁剪，并路由到各個輸出端口中，從而實現(xiàn)帶寬可變的交換。

7.3 關(guān)鍵器件

WSS是可變帶寬交換中應(yīng)用的關(guān)鍵器件，現(xiàn)在主流的技術(shù)是微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和LCOS技術(shù)。MEMS技術(shù)主要是通過將輸入信號光譜進行空間分離，從而可以利用大規(guī)模的微鏡片反射矩陣來實現(xiàn)光譜的交換功能。

LCOS技術(shù)主要是基于空間相位調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)各液晶像素的控制電壓，實現(xiàn)對輸入光譜的波前調(diào)節(jié)，從而控制液晶上各個像素點反射光的輸出端口，實現(xiàn)帶寬可變交換的功能。

基于LCoS的WSS基本實現(xiàn)原理如圖4所示。首先信號光從輸入光纖端口輸入，通過偏振分離鏡，物理上將輸入信號光調(diào)節(jié)成s偏振態(tài)以提高衍射效率；經(jīng)過反射鏡后，信號光輸入到普通的衍射光柵中，衍射光柵將各個信號光譜分開；再通過成像準直鏡，經(jīng)過成像鏡后到達硅基液晶，再經(jīng)過衍射的光譜分散到各個液晶像素點上；然后通過調(diào)節(jié)每個像素點的電壓，控制每個液晶點的波前，從而控制各個像素點反射光的輸出端口。同時通過控制液晶的折射率，我們可以進行各個波長的反射率控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對連續(xù)信號光譜的功率均衡。

7.4 研究現(xiàn)狀

美國貝爾實驗室嘗試過在OFDM超級通道上實現(xiàn)的可重構(gòu)光分插復(fù)用設(shè)備(ROADM)功能的實驗。如圖5所示，ROADM基本原理是通過帶通和帶阻子波帶的形式在0FDM超級通道上對子波帶進行上下路。連續(xù)的正交波帶的0FDM超級通道上，子波帶數(shù)為30，波帶間距為7 GHz，并采用8QAM調(diào)制格式。進行上路功能演示時，首先用一個35GHz的帶阻濾波器將直通信號進行帶阻濾波，從而產(chǎn)生21 GHz的空隙帶寬，然后通過耦合器，將需要上路的帶寬為2I GHz的3個子波帶OFDM信號耦合上路，實現(xiàn)上路功能；在進行下路的時候，只需要用一個帶通濾波器將需要下路的波帶帶通濾波即可，從而實現(xiàn)下路操作。

日本NTT公司是可變帶寬全光交換技術(shù)研究的代表性單位。NTT曾提出驗證一種高頻譜效率的彈性光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其單通道速率可以從40 Gbit/s轉(zhuǎn)變到400Gbit/s。圖6是其實驗方案，主要由帶寬可變的收發(fā)器和帶寬可變的WXC構(gòu)成。首先是連續(xù)波帶的OFDM信號產(chǎn)生：其中子波帶數(shù)為44，子波帶間距為10 GHz，采用差分相移鍵控(DPsK)調(diào)制；每個子波帶速率為10 Gbit/s，并通過WSS將信號分配到WXC各個輸入端口，模擬從不同方向來的信號；WXC主要由分束器和WSS構(gòu)成，信號通過WXC交換后進行50 km傳輸?shù)竭_下一個WXC，進行數(shù)據(jù)交換后，再進行接收。通過配置WXC的相關(guān)交換節(jié)點，實驗驗證了鏈路d中單通道速率從40 Gbiffs達到400 Gbit／s的一系列變化。

NTT還曾通過實驗驗證了在可變帶寬交換網(wǎng)絡(luò)中的光路匯聚功能，通過光路匯聚，多個低速率的OFDM光路匯聚成頻譜連續(xù)的1Tbit／s超級波長通道；2009年，NTT驗證了一種帶寬可變的全光的OFDM收發(fā)器結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

在該實驗中，我們可以通過調(diào)節(jié)IOGHz和5GHz兩個射頻信號源的幅度并調(diào)節(jié)馬赫一曾德爾調(diào)制器(MZM)的偏置電壓控制多載波信號的產(chǎn)生；通過調(diào)節(jié)偏置電壓和射頻源幅度分別產(chǎn)生1個，2個，3個和5個光載波；并通過控制四相相對相移鍵控(DQPSK)／DPSK發(fā)射機的輸入信號端口實現(xiàn)DQPSK／DPSK信號的變化調(diào)制，實現(xiàn)帶寬可變OFDM發(fā)射機。該發(fā)射機實現(xiàn)107 Gbil／s(5×21.4 Gbil／sDQPSK)、42.8 Gbit／s(2×21.4 Gbit／sDQPSK)、32.1 Gbit／s (21.4 Gbit／s DQPSK和10.7 Gbit／s DPSK)和10.7 Gbit／s的可變速率發(fā)送。

7.5 挑戰(zhàn)和展望

可變帶寬交換有很多的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在其可擴展性和可壓縮性上。它能夠提供亞波長、超級波長和復(fù)合速率數(shù)據(jù)傳輸，通過時間上動態(tài)的帶寬分配、高效節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)操作以及高生存性的恢復(fù)機制，為客戶提供高效的服務(wù)。

時間上的動態(tài)帶寬分配主要體現(xiàn)在：在網(wǎng)絡(luò)中可以根據(jù)不同時間段及不同鏈路的帶寬需求實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配；高效節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)操作體現(xiàn)在：可以根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量關(guān)閉某些數(shù)據(jù)通道，降低發(fā)射機帶寬，與此同時放大器的消耗功率也會下降；高生存性的恢復(fù)機制體現(xiàn)在：在鏈路中可以采用帶寬壓縮的機制進行網(wǎng)絡(luò)保護功能，比如當某些光纖鏈路失效時，可以采用高階調(diào)制格式進行帶寬壓縮，“擠出”空閑頻段對光路進行重路由，利用這種方法來恢復(fù)已經(jīng)失效的鏈路。

在可變帶寬交換中，為了實現(xiàn)靈活的無柵格帶寬分配，彈性光網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要一些關(guān)鍵的光器件，其中包括精確可調(diào)的激光器以及中心波長和帶寬都可調(diào)的波長選擇開關(guān)。但是在實際系統(tǒng)中，波長選擇開關(guān)有固定的最小帶寬和步進中心波長，不能完全做到無柵格，同時精確快速可調(diào)諧的窄線寬激光器價格昂貴，大大增加了網(wǎng)絡(luò)成本。

相較于傳統(tǒng)的WDM網(wǎng)絡(luò)，基于子載波的彈性光網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配和路由算法難度大大增加，增加了網(wǎng)絡(luò)控管復(fù)雜度。同時基于子載波的OFDM系統(tǒng)不易與現(xiàn)有的系統(tǒng)兼容，很難做到平滑升級。

目前，彈性光網(wǎng)絡(luò)與全光交換在擁有很多優(yōu)勢的同時也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，例如：

(1)網(wǎng)絡(luò)級：需要發(fā)展靈活的頻譜分配算法與網(wǎng)絡(luò)控制和管理機制。彈性光網(wǎng)絡(luò)中帶寬需要以頻隙為單位進行分配，另外路由與波長分配(RWA)問題也增加了頻譜的連續(xù)性限制。

(2)節(jié)點級：新型的光交換和濾波器件，適用于帶寬可變的、具有較高光纖非線性容忍度的調(diào)制格式，以及頻率間隔和梳齒數(shù)量均可調(diào)的光梳產(chǎn)生技術(shù)。

8、結(jié)束語

光正交頻分復(fù)用在大容量光纖傳輸、高速接入和可變帶寬交換等方面都已表現(xiàn)出很好的潛力。OFDM的基本原理雖然在幾十年前就已創(chuàng)立，但在近十幾年才得以應(yīng)用到光纖通信中。

OFDM在光纖傳輸方面的價值主要體現(xiàn)在其良好的抗色散和偏振模色散能力以及高譜效率。OFDM結(jié)合相干光檢測和先進多進制調(diào)制等技術(shù)，可以實現(xiàn)超大容量長距離光纖傳輸。在光纖接人方面，OFDM與PON技術(shù)結(jié)合，較易實現(xiàn)40Gbit／s及其以上的接入帶寬；OFDM多子載波調(diào)制的特點可實現(xiàn)正交頻分多址接入，還可以對系統(tǒng)帶寬進行動態(tài)分配；利用循環(huán)前綴技術(shù)，OFDM－PON能夠很好地抵抗光纖色散、偏振模色散、符號間串擾，同時也可以降低系統(tǒng)對包延遲的敏感性；更為重要的是，OFDM信號的產(chǎn)生與解調(diào)可由強大的數(shù)字信號處理(DsP)技術(shù)來實現(xiàn)，有望極大地降低接人成本。在光網(wǎng)絡(luò)方面，基于OFDM技術(shù)，可以實現(xiàn)帶寬可變(從亞波長到超級波長)的彈性光網(wǎng)絡(luò)，更加靈活地適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的需求。當然，光OFDM的未來應(yīng)用有賴于高速DSP芯片技術(shù)的日趨完善和成熟。(續(xù)完)