光通信技术发展的新趋势

光通信技术发展的新趋势 
张成良　韦乐平

摘要　当前，电信网正处于深刻的变革之中，IP的出现对传输网带来了巨大的冲击。 本文介绍了WDM、SDH、IP over X 等光通信技术的最新进展及存在的问题。
关键词　同步数字体系　波分复用　光分插复用器 
The New Developing Trend of Optical Communication Technology

Zhang Chengliang Wei Leping
（Research Institute of Telecommunication Transmission，Beijing100045）

Abstract Telecommunication networks are under the great changes，with the introduction of IP，there are great impact on transport network。In this paper，we introduce the newly development on WDM optical networking，SDH network，IP over X and some related problems。
Key words SDH，WDM，OAKM

　　当前，光通信技术正以超乎人们想象的速度发展，在过去的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1 385 nm 附近由于OH 根离子吸收造成的损耗峰，使1 310～1 600 nm都趋于平坦。而过去的光纤，在1 350 ～1 450 nm的损耗较大，达 2 dB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0.3 dB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72 μm2，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（1 530 ～ 1 565 nm） 扩展到L波段（1 565 ～ 1 625 nm） 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1 550～1 560 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。　　考虑到10 Gbit/s WDM 系统在国家干线光缆网上应用的必然性，我国发达地区的新建省际骨干网应全面转向新一代G.655 光纤，但究竟采用RS-True wave 还是LEAF 尚需要仔细研究。

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32×10 Gbit/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2.5 Gbit/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10 Gbit/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10 Gbit/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，2.5 Gbit/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 。
　　如图1所示，OLS （光线路系统）是独立的WDM 系统，有波长变换和3R功能，可看作是一个透明的子网。整个核心网，是由这些透明的子网级联构成的“不透明网”。而在城域网内，由于距离较近，可以实现多业务的“透明”光网络。在接入网中，采用的也是“WDM Ring”的光接入，这是光网络的发展方向。

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10 Gbit/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/s WDM 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。 

作者单位：电信传输研究所　北京100045 

本文摘自《电信科学》