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世纪之交的光通信技术韦乐平
摘 要 从光纤通信的几个方面论述了光通信技术的现状及发展趋势，预示了光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。
关键词 光通信
SDH TDM WDM 光纤
——近几年来，随着技术的进步、电信管制体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，特别是IP的爆炸式发展所带来的对带宽的巨大需求，光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面，其发展速度不仅超过了由摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度，而且也超过了数据业务的增长速度，成为近几年来发展速度最快的技术。
——1 SDH的发展与历史命运
——SDH是一种完整严密的传送网技术体制。这种技术体制一诞生就获得了广泛的支持，目前已成为各国核心网的主要传送技术。我国从1995年就在干线网上开始全面转向SDH体制，目前己建成世界第一大SDH网络。
——除了核心网的应用以外，目前的市场、带宽需求和技术都已显示有必要把SDH技术带入接入网领域，使SDH的功能和接口尽可能靠近用户。SDH的固有灵活性使网络运营者可以更快更有效地提供用户所需的业务需求以及组网需要，特别是对于发展极其迅速的蜂窝通信系统采用SDH系统尤其适合。它可以迅速灵活地提供所需的2Mb／s透明通道。近来，接入网领域传输体制也开始呈现向SDH的汇聚趋势。
——另一方面必须看到，随着数据业务逐渐成为全网的主要业务，传统的电路交换网将逐渐向分组网特别是IP网演进。作为支持电路交换方式的SDH TDM结构将越来越不适应未来业务的发展，独立的SDH设备的长远命运正受到严重的挑战。然而这种挑战在中国这样的环境下将是战略性的，SDH在中近期仍将继续发展，主要理由如下：
————考虑我国的电路交换网在5年左右的时间内仍将继续发展；
————SDH本身高低端的发展潜力（高于40Gb／s，低于155Mb／s）；
————未来的超大容量的核心光传送网需要更多的SDH接入设备；
————近期仍然是可靠性和生存性最高的传送网技术；
————SDH的级联功能增强了支持ATM/IP的能力；
————SDH正在融合路由功能，支持以大同透明传输。
——随着数据业务逐渐成为网上的主导业务，SDH的长期市场将逐渐缩小，并将逐渐退出核心骨干网，转移到网络边缘，独立的SDH设备将减少，其功能将逐渐融合到OTN中去。
——2 向超高速TDM系统发展
——从过去20多年的电信发展史看，光纤通信发展始终在按照电的时分复用（TDM）方式进行，目前商用系统的速率已从45Mb／s增加到10Gb／s，其速率在20年时间里增加了200多倍。目前10Gb／
s系统已开始大批量装备网络，全球已敷设了5000多网元。不少电信公司实验室已开发出40Gb／s的系统，预计在2001年实用化。160Gb／s速率ETDM和640Gb／s速率OTDM的传输试验也已获成功，前者已经在新一代的低色散斜率真波光纤上传了200km，但离实用化尚有很长距离。
——总的看，单路波长的传输速率是有上限的，主要受限于集成电路硅材料和镰砷材料的电子迁移率：其次还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，是否有商用经济价值。因而唯一现实的进一步扩容出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用方式已进入大规模商用阶段。
——3 向超大容量超长距离WDM系统发展
——如前所述，采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的全部可用带宽资源仅仅利用了不到1%，99%的资源尚待发掘。如果采用WDM技术，则可望大幅度提高系统传输容量并带来一系列其他好处。目前北电等公司的320Gb／s（32×10Gb／s）WDM系统已开始批量装备网络，北电等公司的1．6Tb／s（160×10Gb／s）WDM系统也已经试验成功；朗讯公司则采用80nm谱宽的光放大器创造了波长数达1022波的世界纪录；西门子公司则在实验室完成了3．2Tb/s（80×4OGb／s）传输40km的试验，创造了传输总容量最高的新的世界纪录，揭示了WDM技术的巨大发展潜力。
——WDM系统除了波长数和传输总容量不断突破以外，全光传输距离（即元电中继传输距离）也在大幅度扩展。不久前美国Corvis公司在芝加哥到西雅图的3200km的路由上成功地实现了160× 2.5Gb／s信号的传输，创造了波长数量多，无电再生传输距离最长的现场传输世界纪录，而且正在将单路传输速率提高到10Gb／s。按照这一新传输架构，可以将美国东西海岸的再生点减少90％，运行成本减少70％，而带宽配置时间减少95%，大大降低了网络总成本。近来，美国Qtera公司宣布其最新产品ULTRA系统可以将10Gb／s为基础的WDM系统的全光传输距离进一步提高到4000km之远。
——简言之，近年来超大容量密集波分复用系统的发展不仅发掘了无穷无尽的光传输容量，而且也成为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。
——4 传送节点的发展——融台的多业务节点
——除了光传输链路的发展，光传送节点的发展也呈现了新的发展趋势，即融合的多业务节点，已有人将传送节点与各种业务节点融合在一起，构成具有更大融合程度。业务层和传送层一体化的下一代网络节点，称为全融合的网络节点或多业务节点。例如可以将ATM交换机、IP边缘路由器。数字环路载波系统、分插复用器（ADM）。数字交叉连接器（DXC）节点。WDM设备乃至最终将光分插复用器／光交叉连接器（OADM／OXC）光传送节点结合在一个物理实体，统一控制和管理，减少了大量独立的业务节点和传送节点设备，大大简化了节点结构和减少了设备安装开通时间和业务提供时间，降低了节点设备和网络的成本，节省了大量机房空间和连接电缆以及设备功耗。下面分别以Cerent 454和ECI的XDM为例进行说明。
——Cerent454是一种集ADM，DXC，ATM，IP和WDM五位一体的新型节点设备，其机框容量为240Gb／s，传送接口可以为155Mb／s、622Mb／s、2．4Gb／s直至10Gb／s的SDH或WDM接口，还支持10／100／1000Mb／s以太网接口。内部有一个3／3／l的交叉连接矩阵，可以互联多个自愈环，还能支持以太网／IP交换、
ATM交换乃至视频编解码器，用一个多业务节点设备代替了多个独立的业务节点设备和传送节点设备，可以大大降低节点成本。
——ECI的XDM也是一种按类似思路设计的新型节点设备，主要区别是可以处理VCI2，VC2，VC3和VC4以及级联的VC4，即处理的带宽颗粒更小。预计用一个节点代替多个独立的传送节点，可减少70％网络成本、80%的机房空间、70％的设备功耗以及大量连接电缆和配线架，维护运行成本低，可用性高（6个9），代表了传送网节点设备的新发展方向。
——5 城域网WDM技术的发展
——随着技术的进展和业务的发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展，当然，这种扩展不是直接了当的，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必使用，从而降低了整个系统的成本和设计复杂性。
——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下必受限于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10Mb／s到2.5Gb／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，将来有可能还会要求支持10Gb／s的SDH信号和10Gb／s的以太网信号。
——总之，城域网WDM系统是一种十分灵活通用的新型WDM系统，已有不少产品问世，各具特色，这里就不再一一详述了。
——6 实现光传送联网
——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，其系统开发和改进的速度要慢于半导体芯片性能改进的摩尔定律，从发展看是无法跟上网络传输链路容量每9个月翻番的增长速度的。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，即能直接在光路上对不同波长的信号实现上下和交叉连接功能。
——目前具有固定波长上下的OADM已经商用，具有软件可配置的OANM也即将商用，而OXC尚处于试验阶段，主要问题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。目前看来，微电机开关（MEMS）最有前途。美国朗讯公司采用MEMS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。美国Xros公司利用两个相对放置的各有1152个微型镜面的阵列实现了1152×1152的大型OXC，容量上和端口上都有重大突破，其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个量级。
——综上所述，光传送联网已经成为继SDH电联网以后的又一次新的光通信发展高潮。其初步标准化工作已基本完成，市场正开始启动。建设一个最大透明的、高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络不仅可以为未来的国家信息基础设施奠定一个坚实的物理基础，而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的战略意义。
——7 新一代的光纤
——7．1 新一代的非零色散光纤
——面对超高速超大容量超长传输距离的发展形势，传统的G.652光纤已暴露出力不从心的态势，开发新一代的干线光纤已成为历史的必然。一种非零色散光纤，称之为G.655光纤应运而生。基本设计思想是在1550nm窗口工作波长区具有合理的较低的色散，足以支持10Gb／s的长距离传输而元需色散补偿，从而节省了色散补偿器及其附加光放大器的成本：同时，其色散值又保持非零特性，具有一起码的最小数值，足以压制非线性影响，适宜开通具有足够多波长的WDM系统，同时满足TDM和WDM两种发展方向的需要。初步研究结果表明，对于以10Gb／s为基础的WDM系统，尽管G.655光缆的初始成本是G.652光缆的1．5～2倍，但由于色散补偿成本远低于G.652光纤，因而采用G.655光缆的系统总成本大约可以比采用G.652光缆的系统总成本低30%～50%。目前北美新敷设干线光缆已放弃G.652光纤和G.653光纤，全部转向G.655光纤。而且第二代的G.655光纤——大有效面积的光纤和小色散斜率光纤也已经大规模应用，前者具有较大的有效面积，可以更有效地克服光纤非线性的影响；后者具有更合理的色散规范值，简化了色散补偿，更适合于L波段的应用。两者均适合于以10Gb／s为基础的高密集波分复用系统，代表了干线光纤的最新发展方向。在这种形势下。我国高业务量地区的新建光缆路由也应不失时机地停止建设G.652光纤，跨过第一代G.655光纤，直接转向第二代G.655光纤。
——7.2 全波光纤
——与长途网相比，城域网面临更加复杂多变的业务环境，要直接支持大用户，因而需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。但其传输距离却短得多。因而很少应用光纤放大器，光纤色散也不是问题。显然，在这样的应用环境下，怎样才能最经济有效地使业务量上下光纤成为至关重要的网络设计因素。采用高密集波分复用技术将是一项很有前途的解决方案。此时，可以将各种不同速率的业务量分配给不同的波长，在光路上进行业务量的选路和分插。在这类应用中，开发具有尽可能宽的可用波段的光纤成为关键。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，因而若能设法消除这一水峰，则光纤的可用频谱可望大大扩展。全波光纤就是在这种形势下诞生的。
——全波光纤采用了一种全新的生产工艺，几乎可以完全消除由水峰引起的衰减。除了没有水峰以外，全波光纤与普通的标准G.652匹配包层光纤一样。然而，由于没有了水峰，光纤可以开放第5个低损窗口，从而带来一系列好处。最重要的是可用波长范围增加了100nm，可复用的波长数大大增加。当可用波长范围大大扩展后，容许使用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。可以预见，未来城域网的新敷光纤将会逐渐转向这种具有更长技术寿命的新型光纤，我国也应抓紧时机进行开发和试验。
——8 IP over SDH与IP over WDM
——以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持IP业务已成为所有技术能否有长远技术寿命的标志。
——目前，ATM和SDH均能支持IP，分别称为IP over ATM和IP over SDH，两者各有千秋。IP over ATM利用ATM的速度快、容量颗粒细、多业务支持能力的优点以及IP的简单、灵活、易扩充和统一性的特点，可以达到优势互补的目的，不足之处是网络体系结构复杂。传输效率低。开销损失大。而SDH与IP的结合（IP over SDH）恰好能弥补上述IP over ATM的弱点。其基本思路是将IP数据报通过点到点协议（PPP）或LAPS直接映射到SDH帧，省掉了中间复杂的ATM层。
——IP over SDH在本质上保留了因特网作为IP网的无连接特征，形成统一的平面网，简化了网络体系结构，提高了传输效率，降低了成本，易于实现IP组播和兼容不同技术体系实现网间互联。最主要的优点是可以省掉ATM方式所不可缺少的信头开销、封装和分段组装功能，使通透量增加25％左右，这对于成本很高的广域网而言是十分珍贵的。缺点是网络容量和拥塞控制能力差，大规模网络路由表大复杂，只有业务分级，尚无优先级业务质量，对高质量业务难以确保质量，尚不适于多业务平台，是以运载IP业务为主的网络的理想方案，特别是容量较大时其性能价格比明显优于IP over ATM。采用这种技术的关键是千兆比和太比特路由器，这方面已有重要突破性进展，例如美国JunPer和Cisco推出的千兆比路由器，Avici，Nexabit和Pluris等推出的太比特路由器的性能已全面突破传统路由器的性能限制。特别是进一步采用多协议标记交换（MPLS）后，其性能将得到进一步加强，而应用范围也将进一步扩大。简言之，随着千兆比和太比特路由器的成熟和IP业务的大发展，IP over SDH将会获得越来越广泛的应用。
——从长远看，当IP业务量逐渐增加，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单的统一的IP网结构（IP over WDM），省掉了中间的ATM层与SDH层，减化了层次，减少了网络设备；减少了功能重叠，简化了设备，减轻了网管复杂性，特别是网络配置的复杂性；额外开销最低，传输效率最高；下一步可以采用不同波长来承载不同的协议与业务从而代替了ATM业务汇集平台。总的看，由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备，简化了网管，又采用了波分复用节省了大量光纤和再生器，其总成本可望比传统电路交换网降低1～2个量级！
——综上所述，现实世界是多样性的，网络解决方案也不会是单一的，具体技术的选用还与具体电信运营者的背景有关。3种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看，IP over WDM将是最具长远生命力的技术。特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。
——9 结束语
——从上述涉及光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看，完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广，技术更新更难，影响力和影响面也更宽，势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。
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