光网络技术的最新进展：展望数据传输的未来

几十年来，光网络技术得到了迅速发展。光纤由于其高带宽和低衰减的特性，正成为电信基础设施的关键组成部分。研究人员研究了大量光纤电缆技术、尖端硬件和可编程性，将传输提高到千兆比特甚至更高，以满足电信业务中不断增长的数据需求。

光网络技术的最新发展

30多年前，用于数据传输的光通信(OC，Optical Communication)首次被证明。它使用两种基本技术：无线自由空间光通信(FSO，Free Space Optical) 传输和使用物理线路的光纤技术。在距离、带宽、速度、可靠性和支持其使用的其他改进方面，光纤技术随着时间的推移取得了显着进步。

为了满足不断增长的对更高容量、更低能耗和系统设计成本的需求，以赋予光学领域的新应用和新兴技术，来自世界各地的研究人员和来自电子、通信、光子学和信号处理等不同领域的不同专业知识，共同做出了贡献。

1. 弹性光网络（EON）

弹性光网络（EON）是一种网络架构，旨在满足对光网络资源分配灵活性日益增长的需求。它支持灵活的带宽分配，以支持不同的传输系统，例如编码率、转发器类型、调制方式和正交频分复用。然而，这种灵活性对资源分配提出了挑战，包括网络重新优化、频谱碎片化和放大器功率设置方面的困难。因此，在硬件层面紧密集成控制元件（控制器和编排器）和光学监视器以确保高效和有效的操作是至关重要的。

图片来源：ieeeexplore.ieee.org– 弹性光网络

2、大容量、高速度的OC超级通道

超级通道新技术是一种可行的替代方案，可实现极快、长距离、频谱效率高且性能可靠的大数据容量链路。它使用双极化正交相移键控，使用多个子载波 (DP-QPSK) 在单个信道上传输数据。在单个通道上，这些特殊的调制方式可以以超过100 Gbps的速度传输数据。然而，它们在支持的链路数量上受到限制并且存在多径衰落、非线性损耗、相位失真损耗等问题。接收器端的相干检测和数字信号处理 (DSP) 用于减少这些限制以获得更好的性能。

图片来源：best-metatrader-indicators.com– OC 超级通道系统

3. 物理OC安全的网络编码（NC）

在光网络中，网络编码 (NC，Network Coding) 用于防止链路故障、提高多播的频谱效率并保护私人连接免受窥探。在它们通过网络的过程中，私有信号与通过各个节点发送的其他信号进行XORed。在源节点或中间节点，信号被合并。

由于窃听者会从多个连接中获取各种信号，使得机密信号的解密变得更加困难，因此通过NC合并信号可以增强机密连接的安全性。研究表明，NC以最小的频谱利用率为私人通信提供了一个彻底的安全信封。

图片来源：researchgate.net– 基于蝴蝶拓扑的 XOR 网络编码

用于实现OC能力的技术

随着对用于大量数据传输的超大容量和高速通道的需求不断增长，对快速解决方案的需求也在不断扩大。为了解决传输需求和安全问题，利用光纤技术和自由空间无线信道的广泛解决方案已经取得成功。

1. OAM复用用于高容量安全光通信

轨道角动量 (OAM，orbital angular momentum) 使用 OAM 光束的正交性来实现有效的解复用。数据传输应用经常采用自由空间通信网络，这些网络采用射频 (RF) 或光波进行通信。通过同时复用和传输大量独立的数据流，可以提高通信系统的容量。

这是通过利用时间、波长和偏振等电磁 (EM，electromagnetic) 波特性来实现的。多个数据流的有效复用和解复用是可能的。

对超高带宽的需求不断增长；因此，正在开发新型数据通道多路复用以满足该需求。通过结合OAM多路复用和极化，我们可以获得非常高的 xTpbs 速度通信。

图片来源：researchgate.net– 使用 OAM 多路复用的太赫兹通信链路

2. 基于混沌的安全、高速、带宽超频

在安全的OC中，混沌系统提供物理层安全性。混沌载波（chaotic carrier）的带宽决定了在基于混沌的安全通信中可以传输多少数据。混沌载波可以承受更高的传输速率，其带宽更宽。

已经提出了各种方法来增加混沌的带宽，包括互注入、光注入、外差耦合、光纤传播、并联耦合环形谐振器的反馈以及微球谐振器的自相位调制反馈。

图片来源：researchgate.net——基于混沌的两级安全系统

3. 用于光通信物理层安全的强度调制信号

由于使用了Y-00量子噪声随机流密码，攻击者无法拦截发送的加密文本。该技术将物理随机性与数学多级信令加密相结合，可提供出色的性能和可靠的安全性。极高阶调制、量子噪声和加性噪声都被使用。因为攻击者成功猜出加密数据的可能性非常小，所以建立了高度保密。

图片来源：researchgate.net– 高阶调制信号

4. 面向5G和物联网的OWC技术

预计5G移动通信系统的平均传输速率为1Gbps，峰值速率为10Gbps。OWC（Optical Wireless Communication）的独特品质——宽频谱、高数据速率、低延迟、高安全性、低成本和低能耗——似乎可以满足指定的要求。OWC包括光学相机通信 (OCC)、自由空间光学、光保真 (LiFi)、可见光通信 (VLC) 和 (FSO)。其解决方案可通过传感、监控和资源共享为全面的物联网设备连接做出贡献，同时满足 5G 和物联网的高安全性要求。

此外，黑客设备无法检测到外部网络上的内部光信号，信息可以以非常安全的方式传输。

5.光学相机通信（OCC）

光学相机通信 (OCC) 是一种光学通信方法，允许在光学域中使用大量不受限制的带宽，其光谱位于微波和 X 射线波长之间。目前可以使用带有摄像头和LED闪光灯的智能设备。这提供了光学无线通信 (OWC) 的实际实现，使用相机作为接收模块和 LED 投影仪在可见光谱 (VLC) 中传输。

图片来源：researchgate.net– 光学相机通信系统架构

电信中的光网络技术

光纤技术用于通信，因为它提供的带宽可以满足大企业、云运营商和互联网内容提供商的需求。它们提高了网络容量、效率和灵活性，支持按需服务部署和配置。电信部门可以为每个用户端提供高达 Gbps 甚至更多的服务，因为它能够在光纤技术中提供更大的波长容量和每根光纤的波长。

自2020年及以后，移动流量急剧增加，紧密协调对于有效使用频谱至关重要。随着LTE向VoLTE和5G的LTE-Advanced演进，运营商网络将需要提供更大容量和更低时延的服务。在占地面积至关重要的大都市和密集城市地区，运营商在满足这些要求方面遇到了最大的困难。因此，需要具有高频谱效率的创新替代光网络技术。

目前，对使用DSL应用的两条铜线上的电话呼叫、点播视频服务和基于云的服务的需求迫使全球所有客户服务提供商升级其带宽容量。为向最终用户提供的所有服务保持较低的总体拥有成本 (TCO) 需要一个统一的城域融合网络计费和管理系统。这可以通过回程网络的低衰减和超带宽能力来实现。服务提供商可以通过允许同时使用所有授权服务来有效地提供这些服务，确保它们不会被中断或干扰。

要通过融合网络拓扑、ADSL 或异步数字用户线提供多媒体服务，必须具有可扩展性、可靠性和高性能。为了对数字世界做出重大贡献，通信服务提供商必须有效地结合现有和新兴技术，将其更新为单一的光分组网络。

结论

光网络已成为能够快速满足巨大数据需求的唯一传输方式。由于各种技术、增强的硬件、可编程电路和软件开发，光网络在容量、速度、可扩展性和安全性方面得到了改进。

然而，对高速通信的需求正在增长，这促使学术界研究满足流量需求的其他选择。根据价格、需求和资源可用性利用各种光网络技术可能是有利的。可以通过以商业上可行的价格进一步开发高速DSP来增加网络容量。

能够处理流量增长的网络的发展及其广泛部署导致网络组件增加，使网络管理更加困难。单靠技术进步不足以使即将出现的新技术实用化；还需要改进管理和控制。

光纤电缆技术目前处于发展和扩展的早期阶段。我们预计它会迅速扩展并应用于广泛的领域，极大地提高我们日常生活的舒适度、安全性和自动化程度。

常见问题

1、什么是光网络？

光纤技术中的光网络使用光以光速通过光纤电缆发送数据，非常适合低延迟长距离的连接。

光网络的光缆由包裹在玻璃包层中的芯组成，玻璃包层将光捕获在电缆内部。如果没有光纤网络，与遥远的数据中心或其他数据源的连接不会像现在这样快。互联网的全球覆盖取决于光纤网络，以保证美国的用户可以在物理允许的情况下尽快连接到日本的服务器。

大型数据中心也通过光纤网络连接。然而，本文更多地关注支持长途连接的技术。

2、什么是OTN？

OTN 即光传输网络，是通信行业中使用的一种光纤技术，作为标准协议，用于在整个光网络中将各种服务切换和多路复用到高容量波长上。它在许多ITU建议中都有定义，包括 G.709 和 G.798。为了提高弹性、简化运营、改进服务水平协议 (SLA)、通过前向纠错 (FEC) 扩大覆盖范围、有效地最大化波长填充并确保端到端服务交付，如今的网络提供商依赖于支持OTN的技术在他们的光网络中。

由于OTN将每个客户端/服务透明地包装到一个容器中以在光网络中传输，同时保留客户端的本地结构、时序信息和管理信息，因此它有时被称为“数字包封 ”。

3、OTN给运营商带来哪些好处？

如今，光纤技术 OTN 提供的巨大优势为运营商带来了竞争优势。这些优势包括使用前向纠错 (FEC) 提高性能、简化操作、更快地启动服务、最大化效率和差异化服务。因此，运营商可以通过在可编程光学基础设施中利用下一代技术来快速适应当今不稳定的带宽需求。

FEC 纠正和检测光链路中的故障，大大增强了对大容量传输中遇到的网络损伤的容忍度。使用 FEC 显着提高给定误码率 (BER) 和信号功率的系统余量，可以实现更长的网络跨度。

通过能够跳过放大器站点，它允许供应商增加光中继器之间的距离，从而降低资本和运营成本。它还简化了网络的拓扑结构。

4、什么是波分复用？

通过使用多种激光波长或“颜色”，波分复用或WDM是一种用于光纤通信的技术，可将多个光载波信号复用到单根光纤上。此过程也称为波分双工，允许通过单根光纤和容量倍增进行双向通信。

WDM系统深受电信公司的喜爱，因为它们使他们能够在不增加额外光纤的情况下增加网络容量。通过使用WDM和光放大器，他们可以在无需重新设计骨干网的情况下在其光基础设施中承受几代技术发展。可以升级每一端的多路复用器和多路分解器以增加给定链路的容量。

本文作者：Nitin Abbey via STL

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