面向未来的光通信技术

恋々风

一、下一代SDH设备 ―― SDH多业务节点
    由于WDM的出现和发展，SDH的作用和角色有了很大的转变，除了在核心网继续作为承载技术外，SDH的角色正开始向网络边缘转移。鉴于网络边缘复杂的客户层信号特点，SDH必须从纯传送网转变为传送网和业务网一体化的多业务平台，即融合的多业务节点。其出发点是充分利用大家所熟悉和信任的SDH技术，特别是其保护恢复能力和确保的延时性能，加以改造以适应多业务应用，支撑层2乃至层3的数据智能化。其基本思路是将多种不同业务通过VC级联等方式映射进不同的SDH时隙，SDH设备与层2乃至层3和层4分组设备在物理上集成一个实体，即将传送节点与各种业务节点融合在一起，构成业务层和传送层一体化的下一代SDH节点，这称为融合的网络节点或多业务节点，主要定位于网络边缘。
    SDH多业务平台的出现不仅减少了大量独立的业务节点和传送节点设备，简化了节点结构，而且降低了设备成本，减少了机架数、机房占地、功耗以及架间互连，简化了电路指配，加快了业务提供速度，改进了网络扩展性，节省了运营维护和培训成本。同时该平台还可以提供诸如虚拟专网(VPN)或视频广播等新的增值业务，特别是集成了IP选路、以太网、帧中继或ATM后，可以通过统计复用和超额订购业务来提高TDM通路的带宽利用率和减少局端设备的端口数，使现有SDH基础设施最佳化。最后，SDH多业务节点还可以方便地完成协议终结和转换功能，使运营商可以在网络边缘提供多种不同业务，同时将这些业务的协议转换成其特有的骨干网协议。

    二、VSR的出现和发展
    除了核心网和网络边缘的应用以外，目前网络市场上带宽需求和技术进步都已显示有必要把 SDH技术带入接入网乃至用户驻地网领域，使SDH的接口更加靠近用户。近来开发成功的甚短距离SDH技术(VSR)就是这一应用趋势的具体体现，它正成为新的热点技术。开发这种技术的目的是采用最经济的光技术在短距离通信上占据市场，其技术关键是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，这是一种从垂直放置的谐振腔的上表面发射光的激光器。从工作原理看，VCSEL与普通激光器没有什么不同，但是将谐振腔旋转900却产生了一种完全不同的激光器，其主要特点是圆形窄波束，设计简单，耦合效率高，尺寸小，电光转换效率高，还不需要温控，功耗小，可以在同一器件上制造2至16个VCSEL阵列，因此可以制造出低成本高速率发射机。
    然而，由于输出功率还不够大以及材料特性的原因，目前商用产品主要适用于850nm短波长区，还不能用于1300nm和1550nm波长区。这两个缺点决定了VCSEL目前还不适用于长距离通信系统，而对于成本要求很严的短距离应用场合，例如光通路和存储域网络(SAN)、以太网、SDH/SONET很短距离范围(VSR)传输链路和局内链路（局内交换机、路由器和集线器之间）乃至设备内部链路等应用场合，VCSEL将是一种最价廉物美的激光器。目前10Gbit/s的VSR在发端采用121.25Gbit/s的VCSEL阵列（10路信号，2路空闲），在收端采用12路PIN阵列，链路设计距离最大300m，其成本只有10Gbit/s以太网的25%，即便在未来3年左右仍然比10Gbit/s以太网便宜，具有很强的竞争力，显示了SDH在短距离传输系统中的重要应用前景。

    三、向40Gbit/s系统的发展和主要挑战
    目前10Gbit/s系统已开始大批量装备网络，不少电信企业实验室已开发出40Gbit/s的系统。从网络应用看，带10Gbit/s接口的路由器已经问世，随着这些路由器的大量应用，为了提高核心网的效率和功能，希翼单波长内能处理多个数字连接，因此核心网的单波长速率向40Gbit/s方向演进是合乎逻辑的。
    然而，单路波长的传输速率会受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子和空穴的迁移率，其次还受限于传输媒质的色散和极化模色散，另外还得考虑所开发系统的性能价格比是否合算。目前看来，材料问题已不是主要限制，特别是具有较高电子和空穴迁移率的铟磷材料已经在40Gbit/s以上速率显示了出色的性能和尺寸小功耗低的特点，但后两项限制成为这一速率的实用化瓶颈。
    从实际应用看，对于40Gbit/s传输系统，尚无直接调制的光源可用，必须用外调制器。能具备足够输出电压驱动外调制器的驱动集成电路也不成熟，适用于10Gbit/s及以下速率的NRZ调制方式能否有效可靠地工作于40Gbit/s还没有定论，是否应转向普通RZ调制方式、载频抑制的RZ调制方式(CS-RZ)、光孤子调制方式以及伪线性RZ调制方式还是双二进制甚至其他调制方式都还在探索过程之中。这些在近期都不会有结论。总之，40Gbit/s系统的真正成熟和规模商用还需要1至2年左右的时间。特别是交换机和路由器的40Gbit/s接口的难度更大，需要复杂的处理能力，预计其商用化时间比传输系统还要晚1年左右。

    四、向超大容量超长距离波分复用系统的发展
    由于近几年在技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统的发展十分迅猛。目前1.6Tbit/s WDM系统已经开始大量商用。日本NEC和法国阿尔卡特企业则分别实现了总容量为10.9Tbit/s(273x40Gbit/s)和总容量为 10.2Tbit/s(256x40Gbit/s)的传输容量最新世界记录。
    WDM系统除了波长数和传输总容量不断突破以外，为了尽量减少电再生点的数量以及随着光层联网能力的引入，全光传输距离也在大幅度扩展，从目前的600km左右扩展到3000km以上，主要使用技术有分布式喇曼放大器，超强前向纠错技术（FEC），色散管理技术以及严格的光均衡技术等。采用超长传输的主要优点是降低系统初始投资，距离越长效果越明显，同时也减少了机房占地和运行成本。
    从技术上看，在5年左右的时间，实用化的最大传输链路容量有可能达到5-10Tbit/s乃至20Tbit/s,甚至一些研究结果报导单波长容量达到100Tbit/s也是可能的。简言之，网络容量将不会受限于传输链路，而焦点将集中在网络节点上。近年来超大容量密集波分复用系统的发展不仅彻底发掘了无穷无尽的光传输链路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。

    五、喇曼放大器已成为下一代光系统的关键使能技术
    在向下一代的超大容量超长距离波分复用系统的发展过程中，为了达到希翼的性能和传输距离，喇曼放大器成为关键技术之一。与传统EDFA相比，喇曼放大器有下述重要特点：低噪声，设计简单，无须特别的传输媒质，直接利用信号光纤传输媒质作为信号放大用。利用仔细地配置几个不同波长的泵浦源，结合其喇曼放大效应后可以获得很宽的增益带宽，其范围可以达数百纳米，是目前具有最宽增益带宽的光放大器，由于喇曼增益使高速率下光传输的距离可以延伸，使得高速大容量WDM系统的总成本较低。由于喇曼增益使高速率下光信号功率的要求也可以减低，使系统的非线性影响可以减小。喇曼放大器的出现和发展使超大容量超长距离波分复用系统的发展获得了强大的驱动力，其本身也将获得迅速的发展和市场份额。
    随着WDM系统工作波段范围的继续扩展，喇曼放大器也在继续向更高宽带的方向发展，实现宽带喇曼放大器面临的问题主要是，由于泵浦源之间的相互作用和增强的自发辐射作用使短波长光信号的光信噪比较差，此外泵浦源之间的FWM作用会导致生成新的频率分量。通过泵浦光的调节可以有效地展宽展平增益光谱。目前有人采用5个泵浦源及相关技术已经实现110nm的宽谱工作。喇曼放大器的出现和发展使超大容量、超长距离波分复用系统的发展获得了强大的驱动力。

    六、城域网WDM技术需要继续改进性价比
    随着技术的进步和业务的发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。当然，这种扩展需要针对城域网的特定环境进行改造。适用于城域网领域的WDM系统称为城域网WDM系统，其主要特点和要求可以归结如下：首先，低成本是城域网WDM系统最重要的特点，特别是按每波长计其成本必须明显低于长途网用的WDM系统。幸运的是由于城域网范围传输距离通常不超过100km,因而长途网必须用的外调制器和光放大器可以不一定使用。由于可能省掉光放大器，波长数的增加和扩展不再受光放大器频带的限制，可以容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降，也降低了整个系统的成本。
    应用城域网WDM系统容许网络运营者提供透明的以波长为基础的业务。这样用户可以灵活地传送任何格式的信号而不必受限于SDH的结构和格式。特别是对于应用在城域网边缘的系统，直接与用户接口，需要能灵活快速地支撑各种速率和信号格式的业务，因而要求其光接口可以自动接收和适应从10Mbit/s 到2.5Gbit/s范围的所有信号，包括SDH、ATM、IP、ESCON、 FDDI、千兆比以太网以及光纤通路等。而对于应用在城域网核心的系统，则将来有可能还会要求支撑10Gbit/s的SDH信号和10Gbit/s的以太网信号。
    为了进一步降低城域网WDM系统的成本，有人提出了粗波分复用(CWDM)系统的概念，即通路间隔很大的波分复用系统。这种系统工作波长范围可从1280nm至1625nm, 波长数约8到16个，间隔达20nm之宽，因此对激光器的要求降低。无论是输出功率要求，还是对温度的敏感度要求和对色散容忍度的要求，乃至对封装的要求都远低于DWDM激光器，使系统成本有望再次下降。总的来看，由于性价比不够理想，城域网WDM系统的发展不如尽人意，与预测相差甚远。预计还需要有新的突破才有可能获得大规模应用。

    七、从点到点WDM走向光联网
    普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带宽，需要有灵活的节点才能实现高效的灵活组网能力。然而现有的电DXC系统十分复杂，其节点容量大约为每2-3年翻一番，显然无法跟上网络传输链路容量每9个月翻一番的增长速度。于是业界的注意力开始转向光节点，即光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)，靠光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题，其带宽颗粒从VC-4增加到一个波长，同样1000个端口的单个节点容量可以从160Gbit/s增加到10Tbit/s乃至40Tbit/s。
    OXC的研究工作已进行了很多年，但目前仍处于现场试验和小规模试用阶段。主要问题之一是尚未有性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的光交换矩阵，其核心是光开关。近来，一种称为微电子机械开关(MEMS)的新型光开关已显示出极大的发展前途，这种机电一体化的开关器件结合了机械光开关和固体波导开关的特点，结构紧凑、集成度高、性能优良、矩阵规模大、便于批量生产，正成为实用化大型OXC的主选开关技术之一。
    光传送联网的一个最新发展趋势是引入自动波长配置功能，即所谓自动交换光网络（ASON），使光联网从静态光联网走向自动交换光网络。它所带来的主要好处有：允许将网络资源动态地分配给路由，具有可扩展的信令能力集，快速的业务提供和拓展，光层的快速业务恢复能力，此外，还可以引入新的业务类型，诸如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、动态路由分配、光层虚拟专用网(VPN)等，使传统的传送网向业务网方向演进。按照Frost & Sullivan企业最近的预测，尽管全球电信设备市场总体呈低迷状态，但全球OXC的市场将仍然从2001年的3.36亿美金增加到2006年的60亿美金。

    八、IP层与光传送层的融合
    宏观地看，未来整个网络可以粗分为两部分，即光传送网和业务网。光传送网由光交换机和WDM传输链路组成，负责高容量业务量的可靠传输并提供波长级流量工程网络接口给业务平台。业务平台包括路由器、ATM交换机和ADM(已从传送层转移到业务层)。业务层完全依靠光传送层提供波长通路来与对等层节点或网元实现连接。
    在网络向两层结构的演进过程中，最初在核心IP层，没有流量工程时通常IP流按照最短路径走，会导致重负荷链路产生瓶颈。利用MPLS和流量工程可以保证网络负荷均衡，使路由器间链路的使用最佳化。再进一步则可能需要有一种统一的跨层资源控制方法来完成两层网络的有机结合，即将MPLS扩展到光传送层包括光连接在内。所谓多协议波长标记交换(MPLmS)就是一种将MPLS流量控制平面技术与光交换技术相结合的新思路，将标记交换的概念扩展至包括波长选路和交换的光通道，让业务流来控制连接。与LSR的交换标记对应，光交换机的标记是波长。
    这种方法可以使业务层上的路由器、ATM交换机或ADM动态地要求传送网提供所需的波长，实现统一的网络控制和快速业务供给，使网络的资源（包括波长、SDH通道和路由器的端口等）得到最佳利用，简化了IP层与光传送层的融合以及跨层的网络管理，降低了网络运行和业务拓展成本，有利于大规模网络敷设。IP层与光传送层的融合正展现了前所未有的前景。各种国际标准组织都在全力开发相关的标准，ITU重在规范整个体系结构，而IETF重在具体的信令和选路协议规范，提出了通用的多协议标记交换(GMPLS)概念，又称多协议波长交换，旨在对目前比较成熟的信令和选路协议进行修改的基础上，使之不仅支撑分组交换，而且还支撑时分交换、波分交换和空分交换。
   IP层与光传送层的融合由于技术背景的不同所导致的融合思路也不尽相同。目前主要有两种基本网络演进结构，即重迭模型和集成模型。尽管两者都是以IP为中心的控制结构，都将应用简化的MPLS信令和基于下一代光网状网结构，但在管理应用上有很大的不同，基本反映了计算机界和电信界的不同思路。在某些场合下，有可能将上述两者结合在一起，形成所谓的混合方式。

    九、光以太网的发展与主要挑战
    光以太网是一种光纤上运行的以太网技术。对于历史上的企事业用户而言， 以太网技术一直是最流行的方法，全球已有超过6亿个以太网交换端口，目前已成为仅次于供电插口的第二大住宅和办公室公用设施接口。据美国Poineer Consulting企业最近预测，各类以太网的市场将从2000年的173亿美金增加到2005年的440亿美金，年增长率为20%。采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验常识，目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的，它具有初始成本和运营成本均较低、扩展性好、容易安装开通以及高可靠性等优点。容量分为10/100/1000Mbit/s三级，可按需按1Mbit/s乃至细到128kbit/s的带宽颗粒逐步提供所需的带宽，用户真正实现按需付费。10Gbit/s以太网系统也即将问世，也就是说，容量可以从10Mbit/s一直扩展到10Gbit/s而不会影响诸如层3选路和层4到层7智能，包括QoS、CoS、高速缓存、服务器负荷均衡、安全和基于策略的联网能力等。特别是1Gbit/s和10Gbit/s以太网技术直接与光技术结合后，由于省掉了中间的ATM层和SDH层，可以使总的投资成本减少30%，总的所有权成本降低40%。
    然而，由于计费、质量、寻址、管理、安全以及私有性等多种因素, 以太网作为公用电信网接入方式尚需进一步改进。主要问题是目前以太网还没有机制保证端到端性能，无法提供实时业务所需要的QoS和多用户共享节点以及网络所必须的计费统计能力。其次，以太网不能提供电信级公用电信网所必须的硬件和App可靠性，特别是由于以太网交换机的光口不具备内置的故障定位和性能监视能力，使以太网中发生的故障更难以诊断和修复。进而，以太网原来根本没有网内安全机制，而一旦用于公网，要求就完全不同了。还有，以太网没有内置保护功能，主要靠路由器来实施保护，需要大约1秒的时间才能使数据流重新定向，使以太网无法传送电信级的语音数据流。第三，以太网最适合高密集用户区应用，其低成本通常是在用户实装率至少超过30%时才有意义，而目前我国多数新敷设地区的用户实装率不到5%，其成本远高于ADSL技术。最后，新出现的10Gbit/s以太网的广域网接口在开销内容和抖动指标方面与STM-64还不兼容，需要转接设备，很不方便。因此，以太网目前主要适用于节点数不多的局域网环境。只有全面妥善地解决了上述主要问题后，传统以太网才能顺利地应用于公用电信网的环境。
    简言之，源于企事业用户驻地网的以太网正在以其原来的形式或修改的形式积极地向其他领域渗透，诸如公用电信网接入网领域、城域网领域乃至广域网领域。从长远看，以太网以其高带宽、低成本、易安装、易维护、可扩展、标准化和广泛的商用软硬件支撑特点有可能最终成为压倒一切的层2技术。

    十、以太网与无源光网络的结合 ―― EPON
    无源光网络PON是一种很有吸引力的纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷影片响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。而另一方面，如前所述，以太网作为一种第2层技术有着一系列应用优势和很大的发展潜力。那么能否将作为接入网物理层的最佳协议无源光网络与未来最有发展潜力的链路层协议以太网结合在一起呢 ？有，这就是EPON(以太网PON)。
    EPON的基本做法是在G.983的基础上，设法保留APON(ATM PON)的精华部分――物理层PON，而以以太网代替ATM作为数据链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体。这一思想已经在以太网界获得到了积极响应。 2000年11月，在IEEE 802.3的旗帜下，通过成立第一英里以太网(EFM)研究组的方式开始了EPON的标准化工作，69个企业计划要介入这一领域的工作，其工作重点将放在EPON的MAC协议上，其余将主要参照FSAN和ITU-T G.983建议，从而希翼以最快速度完成有关EPON的标准并投入商用。
    从上述涉及光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看，光纤通信的发展涉及的范围、技术、影响力和影响面已远远超越其本身，势必对整个电信网和信息业产生深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定了电信网和信息业的未来大格局，也将对21世纪的社会经济发展产生巨
大影响。