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(电信传输研究所 北京 100045)摘要当前 ,电信网正处于深刻的变革之中 , I P 的出现对传输网带来了巨大的冲击 。本文介绍了 WD M 、SD H 、I P o ve rX 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 I P 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 I P 巨大的业务 量和不对称性刺激了 WD M ( 波分复用) 技术的应用和迅猛发 展 ,另一方面 I P 业务与电路交换的差异也对基于电路交换的 SD H ( 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 I P 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 、WD M 、SD H 、I P o ve r X 等几方面探讨光通信技 术的发展趋势 。业务 。另外 ,康宁和朗讯还分别推出了 L EA F 和 RS2Tr ue wave 光纤 。L EA F 光纤大大增加了光纤的模场直径 ,光纤有效面积 从 55 m2 增加到 72 m2 ,在相同的入纤功率时 ,减小了光纤 的非线性效应 。但是 L EA F 光纤的色散斜率为 0. 1 p s/ ( n m2k m) ,当我们试图将工作波长范围从普通的 C 波段 ( 1 530 1 565 n m ) 扩展到 L 波段 ( 1 565 1 625 n m ) 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 。R S2Tr ue wave 最大的优点是色散斜率小 ,仅为 0.045 p s/ ( n m2 k m), 大大低于 L EA F 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 Tr ue2wave XL 光纤 , 该光纤在 1 5501560 n m 区域有一定的色散值 ,以避免 F WM ( 4 波混频) 现象 , 而且该色散值为负值 ,可消除调制不稳定性( M I) 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 。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 ( All2wave Fi be r ) , 这种光纤消除了 常规光纤在 1 385 n m 附近由于 O H 根离子吸收造成的损耗 峰 , 使 1 310 1 600 n m 都趋于平坦 。而过去的光纤 , 在 1350 1 450 n m 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 n m 窗 口衰耗大大降低 ,只有 0 . 3 dB 左右 。另外 1385 n m 窗口的色 散也较小 ,只是 1 550 n m 色散值的一半 ,所以全波光纤可以 利用的波长增加了 100 n m 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1 电信科学1999 年第 6 期的 ,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 WD M 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 A S E 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考虑到 10 Gbit / s WD M 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 R S2Tr ue wave 还是 L EA F 尚需要 仔细研究。WD M 系统继续向高速率发展WD M 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 L uce nt 、Cie na 、Alcat el 等厂家已推出了 商用化产品 , Pi reli 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 WD M 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 WD M 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 S PM 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 k m 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 WD M 系统中 , 大多数公司都采用前向纠 错技术 ( F EC) ,有的采用带内纠错 ,有的采用带外纠错。Alcat el 宣称 : 采用带外 F EC 技术 , 虽然使开销增加了 7 % , 但可以使2图 1 未来的光网络结构长路由。另外还要完成光通路某些开销的处理 ,特别是与 OA M(操作维护管理) 相关的功能 。如图 1 所示 , OL S (光线路系统) 是独立的 WD M 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 ,O SN R (光信噪比) 提高 8 9Gbit / s 的 WD M 系dB ,2. 5统可以直接升级到 10WD M 系统。Gbit / s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 ED FA 之间的中继距离缩短。现在有人主张突破激采用的也是“WD MRi ng”的光接入 (图中采用 8 波长只是示意) ,这是光网络的发展方向。4 SD H 系统越来越推向边缘网对 SD H 的发展前景 ,人们存在着不同的看法。一种观点认 为 : 随着 I P 的迅速发展 , 在可预见的将来 , I P 业务将超过话音 业务 , 成为主要业务。而 SD H 是基于话音传输的体制 , 虽然 SD H 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 M bit / s 、2 M bit / s 接口。将来的路由器直接承载 2.5 Gbit / s 和 10 Gbit / s SD H 成帧信号 , 即 V C24216C 或 V C24264C 级联信号。I P 信号直接映射入 V C24216C 的虚容器 , 然后再加上 SD H 段开销 , 成为标准的 SD H 信号。现在许多公 司的 SD H 系统都支持 V C24216C 功能 , 有些厂家的 I P o ve r SD H 产品就是采用 I P 直接复用到 V C24216C 的结构 , 某些厂 家的 D XC 产品也开始支持级联 V C242 N C 的交叉连接。另一种观点认为 , SD H 支路信号接口不会被淘汰 ,但带支光器的 3A 合路功率不超过 + 17dB m 的规定 , 提高到 + 20dB m 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 TD MGbit / s 的研40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 , TD M40Gbit / 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 “Op aque”, 即不透明网。在每一个子网内部 , 信号格式是透明2 电信科学1999 年第 6 期光器件老化或单个系统劣化带来的故障.O XC 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 O XC 的 情况下进行光网络的保护 , 是一个急待解决的问题 . 采用 OAD M 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 SD H 层的保护 ,采用 SD H 的 AD M 设备 ,对波长通路进行 1 + 1 或 1 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 (O M SP) ,光复用段保护可以采取 1 1 或 1 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O XC正式推出之前 ,许多厂商采用电的 D XC 进行保护 , 在波分复用系统容量不太大时 ,D XC的容量尚能满足要求 ,但随 着波分复用系统速率的提高 ,D XC的端口数可能无法满足要求.路接口的 SD H 设备将会被越来越推向“边缘”( Edge Net wo r k) ,即中继网和接入网. 核心网将被基于 WD M 的光网络所代替 , SD H 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 , SD H 设备承载的信号速率较低 ,利用 D XC 设备 ,可以 以较小的颗粒进行交换和分配.那种认为 SD H 将很快被淘汰的看法过于偏激 ,因为有关 I P 直接映射到光层的协议尚待研究 , 现在的所谓 I P 直接在 WD M 上传输多数仍采用 SD H 帧结构. 但是 ,在 I TU2T S G15 , 人们正积极研究绕过SD H 层 ,直接把 I P 映射到光层的办法. 即 使最终独立的 SD H 层可能会消失 ,但其基本功能将会融合到 WD M 层中去.OAD M 环逐步成为热点5WD M 点到点的线性系统已经得到了广泛应用 , 应用OAD M ( 光 分 插 复 用 器) 可 以 灵 活 地 管 理 带 宽 , 目 前 采 用 OAD M 的组环技术已经有了实际的应用 ,如在 Cie na 和 Pi reli 的 16 和 32 波的点到点线路系统中 ,已实际采用了 OAD M . 但 是过去的 OAD M 基本上是固定波长上下的 ,而且数目较少. 以 Pi reli 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 OAD M 中采用了 AO T F (声光滤波器) ,可以同时上下 WD M 系 统的任一个波长.在省网和大城市里 ,采用 OAD M 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 SD H 2. 5 Gbit / s 自愈环的容量时 ,采用WD M 环就可显示出优越性 ,可以节省光 纤并提高容量. 目前的 WD M 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 Cie na 在日本开通的24 波 OAD M 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 SD H 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 OAD M 环 ,除在光路上 实行了 1 1的保护外 ,在承载信号层 ,即 SD H 层还实施 1 : N 保 护 ,即在 SD H 层和 WD M 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 N 的 SD H 系统则可以应付因IP over X继续争论I P 是网络层协议 ,SD H 、WD M 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 I P 传送技术有 三种 ,即 I P o ve r A TM , I P o ve r SD H 或 I P o ve r WD M .I P 与 A TM 的结合是面向连接的 A TM 与无连接 I P 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. I P 与 SD H 的结合则是将 I P 分组通过点到点协 议直接映射到 SD H 帧 ,省掉了中间的 A TM 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. I P o ve r WD M 的优势在于其巨大的带宽潜力 , 可以满足 I P 业务巨大的带宽要求 ,并解决 I P 业务的不对称性 问题. WD M 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 WD M 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( Qo S) 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 Qo S.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 : I P o ve r WD M 和 I P o ve r SD H 将成为大型 I P 高速骨干网的主要技术 ,以疏导高速率数据流 ; 而 I P o ve r A TM 则适用于多业务环境以及服务质量要求较高的 I P 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 I P o ve r WD M( SD H) 建设国家骨干 I P 网的同时 ,也开始建设可以综合接入63 电信科学1999 年第 6 期无关 ,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 k m 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 k m 的海缆上 ,将采用 10Gbit / 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 WD M 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 WD M 系 统.各种业务的 I P o ve r A TM 网络.I P o ve r SD H 和 I P o ve r WD M 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. I P o ve r SD H 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 I P o ve r WD M 则与“光网络”相结合 ,适用于“透明”城 域网内 I P 的互联或未来大型 I P 骨干网的核心汇接. 从发展来看 , I P o ve r WD M 无疑代表着网络发展的方向 ,它将“光网络” 的发展和 I P 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 WD M 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“I P o ve r WD M ”,实际上都是 采用 SD H 帧结构 , 即先把 I P 帧结构映射入 SD H 的虚容器 V C24216C ,加上段开销 ,形成 SD H 标准成帧信号后再进行波长 复用 ,本质上是一种“I P o ve r SD H”. 现在 I TU2T S G15 和光互 联网络论坛 (O I F) 正在研究一种新的帧结构 ,跳过 SD H 层 ,把 I P 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.8 WD M 低速接口将大量出现从过去的应用来看 ,WD M 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WD M 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 WD M 低速接口可以很容易地 区分每一个用户 ,而且 WD M 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.WD M 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 , WD M 低速 接口的系统有可能在价格上低于高速率 TD M 价格 ,并且 WD M 系统提供的灵活性是 TD M 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 , I P业 的爆炸式增长给光通信的发展提供了新的机遇和挑战 ,如何在形 势下建设我们国家的“光网络”和 SD H网络 ,都是值得仔细入研 究的问题.7 海缆系统发展迅速O X YGEN 是一个庞大的海缆计划 , 该计划由 Alcat el 、N T T 、L uce nt 等 10 多家公司赞助 ,总长度为 168