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中国电信韦乐平:光通信技术的发展趋势
 
慧聪网   2005年7月29日10时4分   信息来源:韦乐平《电信工程技术与标准化》    

    作者:韦乐平, 中国电信集团公司总工程师兼北京研究院院长,国家“863”计划信息技术领域第一届专家委员会委员,中国通信学会信息通信网络委员会主任和光通信委员会副主任。

    摘要 本文对光通信技术的发展趋势作了简要介绍和论述并对面临的技术挑战也作了简要评述。

    关键词 光纤通信 WDM APON SDH

  2000年以来,世界电信业陷入了空前的困境,电路过剩,股价暴跌,大批电信公司倒闭,仅北美的2000家电信公司中就有1900家倒闭。 针对上述形势,电信公司大幅度削减基础设施建设投资,调整网络建设速度。然而,有一点值得欣慰的是电信的内在需求没有根本改变,人们没有少打电话,也没有少上网,对新业务新应用的需求也依然存在,电信业务市场仍然继续成长,当前的困境只是在一定程度上放慢了发展的速度,绝不会也不可能停止电信技术和业务的发展趋势。下面仅对光通信领域的最新发展趋势作一简要介绍和评述。

  1 SDH走向网络边缘并向融合的多业务平台转型

  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,支持层2乃至层3的数据智能, 而SDH设备与层2乃至层3分组设备在物理上集成为一个实体,构成业务层和传送层一体化的SDH节点, 称为融合的多业务节点或多业务平台,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,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。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。

  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加灵活有效支持数据业务的下一代SDH系统演进和发展。最新的发展是支持集成通用组帧程序(GFP),链路容量调节方案(LCAS)和自动交换光网络(ASON)标准。

  GFP是一种可以透明地将各种数据信号封装进现有网络的通用标准信号适配映射技术,简单灵活,开销低,效率高,有利于多厂家设备互联互通,能够对用户数据实施统计复用,还有QoS机制。此外,利用简化任意字节块每次的处理过程,GFP降低了对数据链路映射和去映射过程的处理要求。利用现代光通信的低误码特性,GFP进一步降低了接收机实施复杂性,设备尺寸和成本,使GFP特别适合于高速传输链路应用,例如点到点SDH链路,OTN中的波长通路以及暗光纤应用。

  LCAS定义了一种可以平滑地改变传送网中虚级联信号带宽的方法,以自动适应有效业务带宽,信令传输由普通的SDH网元和网管系统完成。采用LCAS的最大优点在于有效净负荷可以自动映射到可用的VC上,这意味着带宽的调整是连续的,不仅提高了带宽指配速度,对业务无损伤,而且当系统出现故障时,可以动态调整系统带宽,无须人工介入,还可以在保证服务质量的前提下明显提高网络利用率。

  ASON是智能光网络的控制平面技术,可以动态地实施光层连接建立和管理,使网络具有自动选路和指配功能。若下一代的SDH多业务平台能将上述VC级联,GFP,LCAS和ASON几种标准功能集成在一起,再配合核心智能光网络的自动选路和指配功能,则不仅能大大增强自身灵活有效支持数据业务的能力,而且可以将核心智能光网络的智能扩展到网络边缘,增强整个网络的智能范围和效率。

2 40Gbit/s系统的发展,挑战和应用

  目前10Gbit/s系统已大批量装备网络,不少电信公司实验室已开发出40Gbit/s的系统。从网络应用看,带10Gbit/s接口的路由器已经开始应用,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40Gbit/s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。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,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,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;沿用多年的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),差分相移键控RZ码(RZ-DPSK)调制方式,光孤子(Soliton)调制方式,伪线性RZ调制方式,啁啾的RZ(CRZ), 全谱RZ(FSRZ), 双二进制,还是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,从历史经验看,只有成本降到2.5倍以内才有可能获得规模应用。理论上,40Gbit/s系统应用的理想场合仍然是长途网,因为长途网需要最大的容量和最低的比特传送成本。然而,由于前几年的过度建设,网络的这一部分目前并不需要大规模扩容,即便需要扩容,靠增加10Gbit/s波长既方便又经济。因而,40Gbit/s系统的应用可能还会继续推迟,首先可能由短距离互连应用开始,包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互连。在这样的距离内,无须色散补偿,光放大器和外调制器,40Gbit/s系统具有最低的单位比特成本。下一步的应用有可能是城域网领域或长途网领域。

  3 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,这几年波分复用系统发展十分迅猛。目前1.6Tbit/s WDM系统已经大量商用。日本NEC和法国阿尔卡特公司分别在100km距离上实现了总容量为 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,其中前者实现了273个通路,每通路40Gbit/s速率,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75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,降低初始成本和运营成本,改进可靠性以及应付IP业务越来越长的落地距离,全光传输距离也在大幅度扩展,从目前的600km左右扩展到2000km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,严格的光均衡技术以及高效的调制格式等。

  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,甚至有研究结果报导单波长容量达到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。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业务快速发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。

4 城域CWDM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,适用于城域网领域的WDM系统称为城域WDM系统。低成本是城域WDM系统最重要的特点。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,降低了整个系统的成本。

  尽管城域WDM系统的成本已明显低于长途网WDM系统,但目前绝对成本仍然较高,特别是传输距离较长时光纤放大器有时不能省掉,因此需要开发低成本光纤放大器。其次,当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少,WDM多业务平台主要适用于核心层,特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。

  为了进一步降低城域WDM多业务平台的成本,出现了粗波分复用(CWDM)的概念。这种系统的典型波长组合有三种,即4、8和16个,波长通路间隔达20nm之宽,允许波长漂移±6.5nm, 大大降低了对激光器的要求,其成本可以大大降低。此外,由于CWDM系统对激光器的波长精度要求很低,无须致冷器和波长锁定器,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。从滤波器角度看,以典型的100GHz间隔的介质薄膜滤波器为例,需要150层镀膜,而20nm间隔的CWDM滤波器只需要50层镀膜即可,其成品率和成本都可以获得有效改进,预计成本可以至少降低一半。

  简言之,CWDM系统无论是激光器输出功率要求,还是对温度的敏感度要求以及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,再加上滤波器要求的降低,使系统成本有望大幅度下降。特别由于8波长CWDM 系统的光谱安排避开了1385nm附近的OH吸收峰,可以适用于任意一类光纤,将会首先获得应用。

  从业务应用上看,CWDM收发器已经应用于Gbit/s接口转换器(GBIC)和小型可插拔器件(SFP), 可以直接插入到Gbit/s以太网交换机和光纤通路交换机中,其体积、功耗和成本均远小于对应的DWDM器件。

  5 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年翻番,显然无法跟上网络传输链路容量的增长速度。进一步扩容的希望转向光节点,即光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)。

  从实现技术上看,OXC可以划分为两大类,即采用电交叉矩阵的OXC(有时简称OEO方式或电OXC)和采用纯光交叉矩阵的OXC(有时简称OOO方式或光OXC)。前者可以比较容易地实现信号质量监控和消除传输损伤,网管比较成熟,容量不很大时成本较低,与现有线路技术兼容,更重要的是可以对小于整个波长的带宽进行处理和调配,符合近期市场的容量需要。然而其扩容主要是通过持续的半导体芯片密度和性能的改进来实现的,改进的速度无法跟上网络传输链路容量的增长速度。

  另一方面,采用光交叉矩阵的OXC省去了光电转换环节,不仅节约了大量光电转换接口,而且由于消除了带宽瓶颈,容量可望大幅度扩展,随之带来的透明性还可以使其支持各种客户层信号,功耗较小,具有更长远的技术寿命。但是,这类设备可以交换的带宽粒度至少是整个波长,不经济。其次,为了引入全光交换机,可能必须更新改造已有线路系统。第三,在光域实现性能监视很困难。第四,与全光交换机相连的线路是由一系列均衡过的光放大器构成的,试图在均衡好的网状网中快速动态地实施波长选路很困难,但在电层上实现就很容易。最后,由于色散非线性损伤问题,使全光网的覆盖范围受限。

  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商用阶段。主要问题之一是尚未有性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的光交换开关矩阵。目前业界普遍看好微电子机械开关(MEMS),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,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、分级的带宽业务、动态波长分配租用业务、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3.36亿美圆增加到2006年的60亿美圆,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。

6 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。历史上,对于企事业用户,以太网技术一直是最流行的方法,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。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10/100/1000Mbit/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%,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和多用户共享节点和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,需要至少大约1s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。随着技术的进步和网络中IP业务量越来越多,以太网在城域网中的应用也会越来越多。

  7 无源宽带光接入网技术的发展

  无源宽带光接入网技术是光通信界在过去25年间追求的理想目标,在历史上曾经几起几落。近来,由于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的技术突破,使人们重新唤起了对FTTx,特别是FTTH的兴趣。然而,实现无源宽带光接入网是一项涉及方方面面的工作,不是单项技术的突破就够的。

  首先是系统技术,无源宽带光网络一直是一种最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,消除了带宽瓶颈,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。然而,其二层技术用什么?并无明确结论。前些年采用ATM的APON曾经看好,终因成本太高而没有发展起来,最近在北美再度受到几个地方贝尔公司的青睐。近来,由于以太网作为一种二层技术有着一系列应用优势和很大的发展潜力。一种试图将物理层的无源光网络与未来最有发展潜力的二层以太网结合在一起的思路产生了一种新技术-EPON(以太网PON,ITU称为GPON)。EPON的基本作法是在G.983的基础上,设法保留物理层PON,而以以太网代替ATM作为二层协议,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。无论是APON还是EPON都是无源宽带技术,都具有明显的技术和带宽优势,但系统成本将始终成为发展的瓶颈,不妥善解决这个问题,无源宽带光接入网技术仍将是阳春白雪的高端解决方案。

  除了系统技术外,无源宽带光接入网还涉及光有源和无源器件,光缆技术,接续技术,敷设施工技术,测试技术,网络管理技术等方方面面的突破,任意一个环节的技术,成本和操作上的瓶颈都可能限制无源宽带光接入网的大规模发展。因此,对于FTTx,特别是FTTH还需要有大量的基础性和开发性工作要作。

8 光纤技术的新发展

  构筑拥有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。光缆的寿命高达20年,一次敷设后很难再动,因此光纤参数的设计必须要有前瞻性,充分考虑设备和系统技术的发展趋势。下一代电信网需要支持更大容量更长距离和更宽频谱范围的传输,目前这一代G.652光纤的性能已难以满足这一要求,因而开发敷设下一代光纤已成为历史的必然。

  在干线网上光纤必须能有效支持未来超高速超大容量和超长距离的传输,为此ITU开发了一种G.655.A光纤并获得大量应用。然而,随着速率提高到40Gbit/s以及超长传输距离的实施,特别是复用波长数的继续增加,G.655.A光纤参数的继续优化成为必要,其改进方向主要集中在以下几个方面:色散值需要继续适当增加以保证足以压制FWM影响,实现更窄的波长间隔;色散斜率需要进一步降低以保证S波段低端和L波段高端的色散差不至于过大;光纤相对色散斜率需要继续减小,以便简化色散斜率补偿,改进补偿效率,减低系统成本;光纤有效面积需要最佳化从而兼顾非线性损伤和喇曼增益;零色散点需要继续向短波长方向移动避开S波段以保证S波段以及C波段和L波段的正常工作;PMD值需要继续降低以适应40Gbit/s速率传输和超长距离传输的要求。

  为此,ITU-T开发了一种G.655.B/C光纤(后者的极化模色散更严格),其参数基本符合上述要求,大多数光纤厂家在下一代光纤设计中也都在朝这一方向努力,已有一系列光纤产品问世,其中特锐Ultra光纤是典型代表。

  在城域网领域,为了能进一步扩大有效光谱范围,降低系统造价,消除1385nm的OH吸收峰是关键。为此,ITU开发了一种低水峰光纤,命名为G.652.C/D光纤(其中G.652.D具有更严格的极化模色散要求)。美国OFS公司的全波光纤是最早商用化的G.652.D光纤。这种光纤采用了一种新的生产工艺,几乎可以完全消除内部的氢氧根离子,从而比较彻底地消除由之引起的附加水峰衰减,在1385nm处的衰减可低达0.31dB/km。

  由于没有了水峰,光纤可以开放E波段低损传输窗口,从而带来一系列以下好处:可用波长范围增加100nm,可复用的波长数大大增加;上述波长范围内,光纤的色散仅为1550nm波长区的一半,约7ps/nm·km,容易实现高比特率长距离传输;可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输,改进网络管理;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。

  鉴于技术的不断进步和成本的不断降低,特别是G.652C/D的成本已经十分接近传统的G.652.A光纤(差价在10%之内),在城域网范围的新敷光纤开始转向性价比更好,具有更长技术寿命的G.652C/D光纤的时机已经成熟。

  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,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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