下一代光通信技术的发展

bragg · 发表于 2003-9-26 23:07:00

２０００年以来，由于网络泡末的破灭使包括电信业在内的整个信息业都陷入了空前的困境，光通信也不能幸免。针对上述新形势，电信公司开始收缩战线，调整网络基础设施的建设速度。然而，有一点不应怀疑和动摇，即电信公司所面临的向下一代网的战略转型趋势是不可逆转的，那是由外部竞争环境需要、业务发展驱动和内部技术发展规律所共同决定的。当前的困境只是在一定程度上放慢了这一转向的速度，而绝不会也不可能扭转这一发展大趋势。下面仅对光通信领域的最新发展作一简要介绍和展望。

ＳＤＨ走向网络边缘——融合的多业务节点

　　ＳＤＨ是当前电信网的主要传送体制，然而，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的作用已经降低为ＷＤＭ层的客户层，其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，支持２层乃至３层的数据智能。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? 而ＳＤＨ设备与２层乃至３层分组设备在物理上集成为一个实体。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? 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、功耗和架间互连，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，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，使运营者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。随着网络中数据业务份量的加重，ＳＤＨ多业务平台也正逐渐从简单的支持数据业务的固定封装和透传的方式向更有效地支持数据业务的新一代系统演进和发展。有些设备还具备自动选路和指配功能，利用ＯＳＰＦ选路协议可以与路由器或光交换机构成一体化网络，实现通道的自动指配等高智能功能。

　　总的看，ＳＤＨ多业务平台最适合作为网络边缘的融合节点支持混合型业务量，特别是以ＴＤＭ业务量为主的混合型业务量。不仅适合缺乏网络基础设施的新运营者，应用场合于局间或ＰＯＰ间，乃至大企事业用户驻地，而且即便对于已敷设了大量ＳＤＨ网的运营公司，以ＳＤＨ为基础的多业务平台可以更有效地支持分组数据业务，有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。

向４０Ｇ系统的发展和主要挑战

　　目前１０Ｇ系统已大批量装备网络，不少公司实验室已开发出４０Ｇ的系统。从网络应用看，带１０Ｇ接口的路由器已经问世，而且路由器间的突发性ＩＰ业务量还在迅速增长。为了提高核心网的效率和功能，希望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４０Ｇ乃至更高速率的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，其次受限于传输媒质的色散和极化模色散，最后还受限于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４０Ｇ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及以下速率的不归零（ＮＲＺ）调制方式能否有效可靠地工作于４０Ｇｂｉｔ／ｓ还没有定论，是否应转向普通归零（ＲＺ）调制方式、载频抑制的ＲＺ调制方式?ＣＳ－ＲＺ?、光孤子调制方式、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。最后，除了技术因素外，经济上是否可行也是必须考虑的因素，只有成本降到目前价格的１／３以内才有可能获得大规模应用。总之，４０Ｇ系统的真正成熟和规模商用还需要２年左右的时间。特别是交换机和路由器的４０Ｇ接口的难度更大，与传输系统的复用器不同，４０Ｇ数据设备接口需复杂的处理能力，包括在４０Ｇ速率实现包基础的业务量整形、过滤和优先，涉及很多元件，包括成帧器、网络处理器、流量工程实现芯片和高速Ｉ／Ｏ芯片等，预计其商用化时间比传输系统还晚一年。

向超大容量超长距离波分复用系统的发展

　　由于技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅猛。目前１．６Ｔｂｉｔ／ｓＷＤＭ系统已经开始大量商用。日本ＮＥＣ和法国阿尔卡特公司分别在１００公里距离上实现了总容量为１０．９Ｔｂｉｔ／ｓ?２７３×４０Ｇｂｉｔ／ｓ?和总容量为１０．２Ｔｂｉｔ／ｓ?２５６×４０Ｇｂｉｔ／ｓ?的传输容量最新世界记录?其中前者实现了２７３个通路，每通路速率为４０Ｇｂｉｔ／ｓ，间隔５０ＧＨｚ，覆盖Ｓ、Ｃ和Ｌ波段。而后者实现了２５６个通路，利用锗硅技术实现每通路速率４２．７Ｇｂｉｔ／ｓ，其中ＦＥＣ开销７％，结合采用了交替间插的７５ＧＨｚ和５０ＧＨｚ通路间隔、残留边带过滤和极化复用技术，有效减少了路际干扰，频谱效率高达１．２８ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ，系统工作范围覆盖Ｃ和Ｌ波段。

　　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?主要的使能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年左右的时间内，实用化的最大传输链路容量有可能达到５～１０Ｔｂｉｔ／ｓ乃至２０Ｔｂｉｔ／ｓ?甚至有报道称单波长容量达到１００Ｔｂｉｔ／ｓ是可能的。简言之，网络容量将不会受限于传输链路，焦点将集中在网络节点上。

城域网ＷＤＭ技术需要继续改进性价比

　　城域网ＷＤＭ系统主要特点和要求可以归纳如下：首先是低成本，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在城域网中不一定使用。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，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持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，千兆比以太网和光纤通路等。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持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。这种系统的典型波长数为８到１６个，波长通路间隔达２０ｎｍ之宽，因此对激光器的要求大大降低，甚至可以在制造ＤＶＤ光驱用激光器的生产线上制造出来，因此其成本大为降低。此外，由于ＣＷＤＭ系统对激光器的波长精度要求很低，无须致冷器和波长缩定器，不仅功耗低，尺寸小，而且其封装可以用简单的同轴结构，比传统碟型封装成本低?激光器模块的总成本可以减少三分之二。

　　总的看，ＣＷＤＭ系统无论是激光器输出功率、温度的敏感度、色散容忍度的要求，还是对封装的要求都远低于ＤＷＤＭ激光器，再加上对滤波器的要求降低，使系统成本有望明显下降。特别是近来ＩＴＵ－Ｔ对波长的安排有了统一规范，将有效促进ＣＷＤＭ系统的发展。

　　总的看，由于性价比不够理想，城域网ＷＤＭ系统的发展不尽人意，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。

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，其节点容量大约是每２～３年翻番，显然无法跟上网络传输链路容量每１２个月翻番的增长速度。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?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了巨大的发展前途，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。美国朗讯公司采用三维ＭＥＭＳ矩阵技术实现了２５６×２５６的全光交叉连接器，称为波长路由器，可节约２５％的运行费用和９９％的能耗。

　　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，所带来的主要好处有：允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了业务层升级扩容时间，明显增加业务层节点的业务量负荷；具有可扩展的信令能力集；快速的业务提供和拓展；降低维护管理运营费用；光层的快速业务恢复能力；减少了用于新技术配置管理的运行支持系统软件的需要，只需维护一个动态数据库，也减少了人工出错机会；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、光层虚拟专用网等，使传统的传送网向业务网方向演进。

　　按照Ｆｒｏｓｔ＆Ｓｕｌｌｉｖａｎ公司最近的预测，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３．３６亿美元增加到２００６年的６０亿美元，智能光网络将成为未来几年光通信发展的重要方向和市场机遇。

　　作为网络敷设实例，美国ＡＴ＆Ｔ公司已经率先在全国范围内敷设了连接约１００个城市的智能光网络，由约１００台智能光交换机和８００多台ＳＯＮＥＴ多业务平台构成。新网络不仅减少了成本和配置出错机会，使运作流畅，增加了容量，也简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路配置时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务,恢复时间为数百毫秒。

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?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，使之不仅支持分组交换，而且还支持时分交换、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。对于多数传统的全业务运营者，可能采用重迭模型是目前最现实的选择。而对于仅提供ＩＰ业务并拥有自己的ＩＰ网和光传送网的运营者，则采用集成模型是一种直接了当的选择，可以明显地得益于集成ＧＭＰＬＳ的简洁性。从长远看，特别是ＩＰ成为网络绝对主导的业务，其他业务都可以由ＩＰ携带后，则集成模型将成为统一的最佳选择。

光以太网的发展与主要挑战

　　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ＰｏｉｎｅｅｒＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇ公司最近预测，各类以太网的市场将从２０００年的１７３亿美元增加到２００５年的４４０亿美元，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知识、目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的、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。容量分为１０／１００／１０００Ｍ三级，可按需以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，１０Ｇ以太网系统也即将问世。也就是说，容量可以从１０Ｍ一直扩展到１０Ｇ而不会影响诸如３层选路和４层到７层智能，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１Ｇ和１０Ｇ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％，而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软件可靠性，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，情况就完全不同了。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。再有，以太网最适合高密集用户区应用，然而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１０％，其成本远高于ＡＤＳＬ技术。最后，新出现的１０Ｇ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持特点有可能最终成为压倒一切的２层技术。

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电影响，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，这就是以太网ＰＯＮ（ＥＰＯＮ)。

　　ＥＰＯＮ的基本做法是在Ｇ．９８３的基础上，设法保留ＡＰＯＮ?ＡＴＭＰＯＮ?的精华部分——物理层ＰＯＮ，而用以太网代替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ＩＥＥＥ８０２．３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个公司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－ＴＧ．９８３建议，从而希望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。

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