光通信技术发展的新趋势

张宏磊（山东项目部）转载

    当前，光通信技术正以超乎人们想象的速度发展。过去的10年里，光传输速率提高了100倍，预计在未来10年里还将提高100倍左右。而目前IP 业务持续的指数式增长对光通信的发展带来了新的机遇和挑战，一方面IP巨大的业务量和不对称性刺激了WDM（波分复用）技术的应用和迅猛发展，另一方面IP业务与电路交换的差异也对基于电路交换的SDH（同步数字体系）提出了挑战。光通信本身也正处在深刻的变革之中，特别是“光网络”的兴起和发展，在光域上可进行复用、解复用、选路和交换，可以充分利用光纤的巨大带宽资源，增加网络容量，实现各种业务的“透明”传输，而“光网络”和IP 的结合——光因特网更是成了人们关注的焦点。本文试图从光纤、WDM、SDH、IP over X等几方面探讨光通信技术的发展趋势。

    1　光纤技术的新发展

    除过去的G.652 、G.653 和G.655 光纤外，最近朗讯又推出了新型的全波光纤（All-wave Fiber），这种光纤消除了常规光纤在1385nm 附近由于OH根离子吸收造成的损耗峰，使1310～1600 nm都趋于平坦。而过去的光纤，在1350 ～1450 nm的损耗较大，达 2dB左右，不能用来传送光信号，这是由于在光纤的制造过程中固有的不纯洁性造成的。而全波光纤在制造过程中，基本消除了玻璃中的水分，损耗主要是由玻璃本身散射特性引起的，从而使1 385 nm 窗口衰耗大大降低，只有0.3dB左右。另外1385 nm 窗口的色散也较小，只是1 550 nm 色散值的一半，所以全波光纤可以利用的波长增加了100 nm 左右，使可利用的波长增加了125个（100 GHz间隔）。这在不采用光放大器的城域网中有很大用处，可以传送数以百计的波长，每个波长承载不同的业务。

    另外，康宁和朗讯还分别推出了LEAF和RS-True wave光纤。 LEAF光纤大大增加了光纤的模场直径，光纤有效面积从 55 μm2增加到72μm2，在相同的入纤功率时，减小了光纤的非线性效应。但是LEAF光纤的色散斜率为 0.1 ps/（nm2.3km），当我们试图将工作波长范围从普通的C 波段（1530 ～ 1565nm） 扩展到L波段（1565～1625nm） 时，有可能给处于高端的通道带来较大的色散，必须采用较复杂的色散补偿措施。RS-True wave 最大的优点是色散斜率小，仅为0.045 ps/（nm2.km）， 大大低于LEAF的色散斜率，可以采用一个色散补偿模块对整个频带进行补偿。另外朗讯还推出了专为海缆应用的True-wave XL 光纤，该光纤在1550～1560 nm区域有一定的色散值，以避免FWM（4波混频） 现象，而且该色散值为负值，可消除调制不稳定性（MI）效应的积累，同时具有较大的有效面积，可减少非线性影响，提高入纤功率。

    2　WDM系统继续向高速率发展

    WDM 系统继续向高速率发展，许多厂家的40×2.5 Gbit/s产品已经商用化。现在Lucent、Ciena、Alcatel等厂家已推出了商用化产品，Pireli和马可尼也都推出了32×2.5 Gbit/s的产品。另外，随着新光纤的敷设，基于10 Gbit/s的WDM 将逐渐成为产品的主流。其中北电已经推出了32×10Gbit/s的商用化产品并投入应用，这是目前商用化速率最高的系统。

    10 Gbit/s的WDM 系统相对于2.5Gbit/s×N 系统要复杂得多。首先是非线性的影响，特别是自相位调制（SPM），在同样的功率和色散情况下，10 Gbit/s的SPM 效应要比2.5 Gbit/s大得多，因此入纤功率必须严格控制，而入纤功率的限制又局限了系统的传输距离。从10Gbit/s 的色散受限距离看，目前的水平在360 km 左右，比2.5 Gbit/s 的色散受限距离要小。另外，在基于10Gbit/s 的WDM 系统中，大多数公司都采用前向纠错技术 （FEC），有的采用带内纠错，有的采用带外纠错。Alcatel宣称：采用带外FEC技术，虽然使开销增加了7％ ，但可以使OSNR （光信噪比）提高8～9 dB，2.5Gbit/s 的WDM 系统可以直接升级到10 Gbit/s WDM 系统。

    从目前的商用化的水平来看，虽然40波和80波的系统相继投入使用，但是干线系统的传输很难突破 100个波长。这是由于随着通道数的增加，在总功率一定的情况下，每路的功率随之下降，使EDFA 之间的中继距离缩短。现在有人主张突破激光器的 3A 合路功率不超过 ＋17 dBm 的规定，提高到＋20 dBm 或更高，但这会给维护人员的操作带来一些问题，特别是要保持光接头的清洁，否则会烧坏光连接器。超过100波长的系统将主要应用在城域网中，它们对中继距离的要求较低。　　

    值得注意的是许多公司开展了TDM 40 Gbit/s 的研究，朗讯和北电宣称将在一二年内推出产品，但考虑到光纤的偏振模色散和非线性效应，TDM 40 Gbit/s在光纤上传输距离将很近，主要在城域网上应用。

    3　光网络将成为不透明网

    关于光网络是否透明的争论已经划上了句号。未来的光网络将是许多在本地内透明的“子网”构成的，而整个光网络将是“Opaque”，即不透明网。在每一个子网内部，信号格式是透明的，各子网通过网关相连。

    整个核心网将继续向光网络演化，基于WDM 技术的光网络成为核心网。而该核心网却是不透明的，必须引入光电变换过程，完成 3R（定时、再生、整形） 功能，去除ASE噪声积累和色散的影响，另外可以完成波长转换，以更有效和灵活地建立波长路由。另外还要完成光通路某些开销的处理，特别是与OAM（操作维护管理） 相关的功能 。

    4　SDH系统越来越推向边缘网　　

    对SDH 的发展前景，人们存在着不同的看法。一种观点认为：随着 IP的迅速发展，在可预见的将来，IP 业务将超过话音业务，成为主要业务。而SDH 是基于话音传输的体制，虽然SDH 的基础的帧结构还在，但是它的支路信号接口将会被淘汰，如 155 Mbit/s、2 Mbit/s 接口。将来的路由器直接承载 2.5 Gbit/s和10Gbit/s SDH 成帧信号，即VC-4-16C 或VC-4-64C 级联信号。IP 信号直接映射入VC-4-16C 的虚容器，然后再加上SDH 段开销，成为标准的SDH 信号。现在许多公司的SDH 系统都支持VC-4-16C 功能，有些厂家的IP over SDH 产品就是采用IP 直接复用到VC-4-16C的结构，某些厂家的DXC 产品也开始支持级联VC-4-NC的交叉连接。　　

    另一种观点认为，SDH 支路信号接口不会被淘汰，但带支路接口的SDH 设备将会被越来越推向“边缘” （Edge Network ），即中继网和接入网。核心网将被基于WDM 的光网络所代替，SDH技术将更多地在中继网和接入网中应用。一方面是由于电路交换将在很长一段时间仍处于主导地位，另一方面是由于接入网内速率较低，一般不会有2.5 Gbit/s 或10 Gbit/s 这样的高速率，SDH 设备承载的信号速率较低，利用DXC 设备，可以以较小的颗粒进行交换和分配。　　

    那种认为SDH 将很快被淘汰的看法过于偏激，因为有关IP 直接映射到光层的协议尚待研究，现在的所谓IP 直接在WDM上传输多数仍采用SDH 帧结构。但是，在ITU-T SG15，人们正积极研究绕过 SDH 层，直接把IP 映射到光层的办法。即使最终独立的SDH 层可能会消失，但其基本功能将会融合到WDM 层中去。

    5　OADM环逐步成为热点

    WDM 点到点的线性系统已经得到了广泛应用，应用OADM（光分插复用器） 可以灵活地管理带宽，目前采用OADM 的组环技术已经有了实际的应用，如在Ciena 和Pireli 的16 和32 波的点到点线路系统中，已实际采用了OADM 。但是过去的OADM 基本上是固定波长上下的，而且数目较少。以Pireli 为例，32波中只有4 路是可以上下的。现在的线路系统中，可以上下的波长数越来越多，灵活性也越来越大。特别是在OADM 中采用了AOTF （声光滤波器），可以同时上下WDM 系统的任一个波长。

    在省网和大城市里，采用OADM组环将是一个热点，特别是2纤环和4纤环。当业务需求超过2个4 纤SDH 2.5 Gbit/s自愈环的容量时，采用 WDM 环就可显示出优越性，可以节省光纤并提高容量。目前的WDM 环主要有两种，一种是 2纤单向线路保护环，一根光纤用来承载业务，另一根光纤用来作保护，在光缆被切断时，光缆切断的临近两个节点 执行倒换指令，完成环回，其中Ciena 在日本开通的 24波OADM环，就是单向线路保护环。在2纤双向保护环中，两根光纤都用来传送业务，一根绕着顺时针方向，一根是逆时针方向。每根光纤的一半波长用来传送业务，另一半波长用来保护另一根光纤的业务，这类似于SDH 系统里的共享复用段保护环，现在许多公司都在开发这方面的产品，大约18个月内就可以商用化。

    从国外运营公司的应用来看，对于OADM 环，除在光路上实行了1：1 的保护外，在承载信号层，即SDH 层还实施1：N 保护，即在SDH 层和WDM 层上都有保护措施。光路保护主要是应付光纤切断等特殊情况，而1燊N 的SDH 系统则可以应付因光器件老化或单个系统劣化带来的故障。OXC的发展并不像过去预计的那样乐观，估计128×128 的交叉连接在2001年才能商用化。目前，如何在缺乏OXC的情况下进行光网络的保护，是一个急待解决的问题。采用OADM 组环固然可以解决城域网和省网问题，但对整个骨干网，特别是网状网，目前尚没有行之有效的办法。点到点线路主要有两种保护方式：一种是基于单个波长通路的保护，即在SDH 层的保护，采用SDH 的ADM 设备，对波长通路进行1＋1或1燊N的保护。另一种是基于光复用段层上的保护，在光路上同时对合路信号进行保护， 这种保护也称光复用段保护（OMSP），光复用段保护可以采取1燊1或1燊N 的格式，但需要不同的光缆路由，实施起来比较困难，实际应用并不多。在 OXC 正式推出之前，许多厂商采用电的DXC 进行保护，在波分复用系统容量不太大时，DXC 的容量尚能满足要求，但随着波分复用系统速率的提高，DXC 的端口数可能无法满足要求。

    6　IP over X 继续争论

    IP是网络层协议，SDH、WDM是物理层传送技术，在两层之间需要一个数据链路层，数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络层所需要的信号，目前最流行的IP传送技术有三种，即IP over ATM，IP over SDH 或 IP over WDM。IP与ATM的结合是面向连接的ATM与无连接IP的统一，也是选路与交换的优化组合，但其网络结构复杂， 开销损失达25％以上。IP与SDH的结合则是将IP分组通过点到点协议直接映射到SDH帧，省掉了中间的ATM层，从而保留了因特网的无连接特征，简化了网络结构，提高了传输效率， 但无优先级业务质量。IP over WDM的优势在于其巨大的带宽潜力，可以满足IP 业务巨大的带宽要求，并解决IP业务的不对称性问题。WDM 系统的业务透明性可以兼容不同协议的业务，实现业务会聚。依靠WDM的高带宽和简单的优先级方案，还可以基本解决人们所关心的服务质量（QoS）问题，据统计，当网络利用率低于70％时，队列很短或根本不存在排队，只需简单的优先级方案，将高质量实时业务放在队列前面即可保证QoS。

    到现在为止，关于这3种技术的讨论仍十分激烈。但是越来越多的人们认识到：IP over WDM 和IP over SDH 将成为大型IP高速骨干网的主要技术，以疏导高速率数据流；而IP over ATM则适用于多业务环境以及服务质量要求较高的IP业务，主要适用于网络边缘多业务的汇集，特别是在多业务接入的接入网和中继网。目前，许多北美公司在采用IP over WDM（SDH）建设国家骨干IP网的同时，也开始建设可以综合接入各种业务的IP over ATM 网络。

    IP over SDH 和IP over WDM 的区别在于承载业务量的大小和适应不对称业务的灵活性上。IP over SDH 传送的颗粒“小”，更适合我国当前的需要，技术上比较成熟，而且标准化程度高。而IP over WDM 则与“光网络”相结合，适用于“透明”城域网内IP的互联或未来大型IP骨干网的核心汇接。从发展来看，IP over WDM 无疑代表着网络发展的方向，它将“光网络”的发展和IP相结合，可以充分利用“光网络”的“透明传输”优越性和光纤的巨大带宽，但是目前它的颗粒“太大”，没有低于2.5 Gbit/s 的接口，但随着低速WDM 接口的出现，它在城域网上应用会越来越多。但是现在厂家所声称采用的“IP over WDM”，实际上都是采用SDH 帧结构，即先把IP 帧结构映射入SDH 的虚容器VC-4-16C，加上段开销，形成SDH 标准成帧信号后再进行波长复用，本质上是一种“IP over SDH” 。现在ITU-T SG15和光互联网络论坛（OIF）正在研究一种新的帧结构，跳过SDH 层，把IP 信号帧直接映射入光通道，加上光通道开销进行传送，目前还只处于前期研究阶段。

    7　海缆系统发展迅速

    OXYGEN 是一个庞大的海缆计划，该计划由Alcatel 、NTT 、Lucent 等10多家公司赞助，总长度为 168 000 km ，它连接亚洲、欧洲、美洲和其它地区，经由78个国家和99个登陆站，设立3 个网络管理中心，耗资达100亿美元。该网络1999年开始建设，预计2003年完成，建成后将把全世界的IP 业务连接起来，在该网络传送的将是承载IP、ATM 的SDH 信号。

    OXYGEN 是一个具有保护恢复能力的网络，而不仅仅是许多点到点线路系统的组合。该网络建成后，不是靠固定电路，而是根据链路的状态灵活地进行选路，以提供“Bandwidth on Demand ”（按需带宽）的服务，而且资费也将与距离和目的地无关，以传送多媒体业务和图像节目为主。该计划的线路容量非常大，对于低于350 km的无中继海缆系统，将采用10 Gbit/s×16 ＝160 Gbit/s，同时在12对光纤上开通，容量达到1920 Gbit/s 。在超过 350 km的海缆上，将采用10 Gbit/s×32 ＝320 Gbit/s 的系统，并且同时开通4对光纤，也就是说，线路的速率将达到320 Gbit/s×4 ＝1 280 Gbit/s ，比现在的海缆传输速率（20 Gbit/s）提高64倍，这将大大缓解洲际间的通信带宽紧张状况。从过去的技术发展来看，海缆系统一般总是最先采用新技术，如2.5 Gbit/sWDM 技术就是最早在海缆系统中应用的，现在它又首先采用了新型光纤和10 Gbit/s 的WDM 系统。

    8　WDM低速接口将大量出现

    从过去的应用来看，WDM 系统只用于2.5 Gbit/s 以上的高速率系统。随着业务和信号格式的多样化，在一个城域网内，有可能形成透明的“全光网络”。另外WDM 技术的飞速发展使我们可利用的波长数目大量增加，使我们有可能对每种业务采用一个波长传输，特别是在接入网中，采用WDM 低速接口可以很容易地区分每一个用户，而且WDM 本身的业务透明，允许用户根据自己的需要选择业务类型和速率。　　WDM 低速接口应用的广泛与否，将取决于光电器件的价格因素。从现在的发展来看，集成的多波长激光器和波分复用器的价格下降很快，新型光纤又增加了波长的复用数目，WDM 低速接口的系统有可能在价格上低于高速率TDM 价格，并且WDM 系统提供的 灵活性是TDM 系统所无法比拟的。

    9 结束语

    当前，光通信技术正以人们难以想象的速度向前发展，IP 业务的爆炸式增长给光通信的发展提供了新的机遇和挑战，如何在新形势下建设我们国家的“光网络”和SDH 网络，都是值得仔细深入研究的问题。