光通信技術(shù)發(fā)展的新趨勢 
張成良　韋樂平

摘要　當(dāng)前，電信網(wǎng)正處于深刻的變革之中，IP的出現(xiàn)對傳輸網(wǎng)帶來了巨大的沖擊。 本文介紹了WDM、SDH、IP over X 等光通信技術(shù)的最新進展及存在的問題。
關(guān)鍵詞　同步數(shù)字體系　波分復(fù)用　光分插復(fù)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

　　當(dāng)前，光通信技術(shù)正以超乎人們想象的速度發(fā)展，在過去的10年里，光傳輸速率提高了100倍，預(yù)計在未來10年里還將提高100倍左右。而目前IP 業(yè)務(wù)持續(xù)的指數(shù)式增長，對光通信的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，一方面 IP 巨大的業(yè)務(wù)量和不對稱性刺激了WDM （波分復(fù)用）技術(shù)的應(yīng)用和迅猛發(fā)展，另一方面IP 業(yè)務(wù)與電路交換的差異也對基于電路交換的SDH（同步數(shù)字體系） 提出了挑戰(zhàn)。光通信本身也正處在深刻的變革之中，特別是“光網(wǎng)絡(luò)”的興起和發(fā)展，在光域上可進行復(fù)用、解復(fù)用、選路和交換，可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，增加網(wǎng)絡(luò)容量，實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的“透明”傳輸，而“光網(wǎng)絡(luò)”和IP 的結(jié)合——光因特網(wǎng)更是成了人們關(guān)注的焦點。本文試圖從光纖、WDM 、SDH 、IP over X 等幾方面探討光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1　光纖技術(shù)的新發(fā)展
　　除過去的G.652 、G.653 和G.655 光纖外，最近朗訊又推出了新型的全波光纖（All-wave Fiber） ， 這種光纖消除了常規(guī)光纖在1 385 nm 附近由于OH 根離子吸收造成的損耗峰，使1 310～1 600 nm都趨于平坦。而過去的光纖，在1 350 ～1 450 nm的損耗較大，達 2 dB左右，不能用來傳送光信號，這是由于在光纖的制造過程中固有的不純潔性造成的。而全波光纖在制造過程中，基本消除了玻璃中的水分，損耗主要是由玻璃本身散射特性引起的，從而使1 385 nm 窗口衰耗大大降低，只有0.3 dB左右。另外1385 nm 窗口的色散也較小，只是1 550 nm 色散值的一半，所以全波光纖可以利用的波長增加了100 nm 左右，使可利用的波長增加了125個（100 GHz間隔）。這在不采用光放大器的城域網(wǎng)中有很大用處，可以傳送數(shù)以百計的波長，每個波長承載不同的業(yè)務(wù)。
　　另外，康寧和朗訊還分別推出了LEAF 和RS-True wave 光纖。 LEAF 光纖大大增加了光纖的模場直徑，光纖有效面積從 55 μm2增加到72 μm2，在相同的入纖功率時，減小了光纖的非線性效應(yīng)。但是LEAF光纖的色散斜率為 0.1 ps/（nm2 .3km），當(dāng)我們試圖將工作波長范圍從普通的C 波段（1 530 ～ 1 565 nm） 擴展到L波段（1 565 ～ 1 625 nm） 時，有可能給處于高端的通道帶來較大的色散，必須采用較復(fù)雜的色散補償措施。RS-True wave 最大的優(yōu)點是色散斜率小，僅為 0.045 ps/（nm2. km） ， 大大低于LEAF的色散斜率，可以采用一個色散補償模塊對整個頻帶進行補償。另外朗訊還推出了專為海纜應(yīng)用的True-wave XL 光纖，該光纖在1 550～1 560 nm區(qū)域有一定的色散值，以避免FWM（4波混頻） 現(xiàn)象，而且該色散值為負值，可消除調(diào)制不穩(wěn)定性（MI）效應(yīng)的積累，同時具有較大的有效面積，可減少非線性影響，提高入纖功率�！　】紤]到10 Gbit/s WDM 系統(tǒng)在國家干線光纜網(wǎng)上應(yīng)用的必然性，我國發(fā)達地區(qū)的新建省際骨干網(wǎng)應(yīng)全面轉(zhuǎn)向新一代G.655 光纖，但究竟采用RS-True wave 還是LEAF 尚需要仔細研究。

2　WDM系統(tǒng)繼續(xù)向高速率發(fā)展
　　WDM 系統(tǒng)繼續(xù)向高速率發(fā)展，許多廠家的40×2.5 Gbit/s產(chǎn)品已經(jīng)商用化。現(xiàn)在Lucent、Ciena、Alcatel 等廠家已推出了商用化產(chǎn)品，Pireli 和馬可尼也都推出了32×2.5 Gbit/s 的產(chǎn)品。另外，隨著新光纖的敷設(shè)，基于10 Gbit/s 的WDM 將逐漸成為產(chǎn)品的主流。其中北電已經(jīng)推出了32×10 Gbit/s 的商用化產(chǎn)品并投入應(yīng)用，這是目前商用化速率最高的系統(tǒng)。
　　10 Gbit/s的WDM 系統(tǒng)相對于2.5 Gbit/s×N 系統(tǒng)要復(fù)雜得多。首先是非線性的影響，特別是自相位調(diào)制（SPM ），在同樣的功率和色散情況下，10 Gbit/s 的SPM 效應(yīng)要比2.5 Gbit/s 大得多，因此入纖功率必須嚴(yán)格控制，而入纖功率的限制又局限了系統(tǒng)的傳輸距離。從10 Gbit/s 的色散受限距離看，目前的水平在360 km 左右，比2.5 Gbit/s 的色散受限距離要小。另外，在基于10 Gbit/s 的WDM 系統(tǒng)中，大多數(shù)公司都采用前向糾錯技術(shù) （FEC），有的采用帶內(nèi)糾錯，有的采用帶外糾錯。Alcatel宣稱：采用帶外FEC技術(shù)，雖然使開銷增加了7％ ，但可以使OSNR （光信噪比）提高8 ～ 9 dB，2.5 Gbit/s 的WDM 系統(tǒng)可以直接升級到10 Gbit/s WDM 系統(tǒng)。
　　從目前的商用化的水平來看，雖然40波和80波的系統(tǒng)相繼投入使用，但是干線系統(tǒng)的傳輸很難突破 100個波長。這是由于隨著通道數(shù)的增加，在總功率一定的情況下，每路的功率隨之下降，使EDFA 之間的中繼距離縮短。現(xiàn)在有人主張突破激光器的 3A 合路功率不超過 ＋17 dBm 的規(guī)定，提高到＋20 dBm 或更高，但這會給維護人員的操作帶來一些問題，特別是要保持光接頭的清潔，否則會燒壞光連接器。超過100波長的系統(tǒng)將主要應(yīng)用在城域網(wǎng)中，它們對中繼距離的要求較低。
　　值得注意的是許多公司開展了TDM 40 Gbit/s 的研究，朗訊和北電宣稱將在一二年內(nèi)推出產(chǎn)品，但考慮到光纖的偏振模色散和非線性效應(yīng)，TDM 40 Gbit/s在光纖上傳輸距離將很近，主要在城域網(wǎng)上應(yīng)用。

3　光網(wǎng)絡(luò)將成為不透明網(wǎng)
　　關(guān)于光網(wǎng)絡(luò)是否透明的爭論已經(jīng)劃上了句號。未來的光網(wǎng)絡(luò)將是許多在本地內(nèi)透明的“子網(wǎng)”構(gòu)成的，而整個光網(wǎng)絡(luò)將是“Opaque”，即不透明網(wǎng)。在每一個子網(wǎng)內(nèi)部，信號格式是透明的，各子網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)相連。
　　整個核心網(wǎng)將繼續(xù)向光網(wǎng)絡(luò)演化，基于WDM 技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)成為核心網(wǎng)。而該核心網(wǎng)卻是不透明的，必須引入光電變換過程，完成 3R（定時、再生、整形） 功能，去除ASE噪聲積累和色散的影響，另外可以完成波長轉(zhuǎn)換，以更有效和靈活地建立波長路由。另外還要完成光通路某些開銷的處理，特別是與OAM（操作維護管理） 相關(guān)的功能 。
　　如圖1所示，OLS （光線路系統(tǒng)）是獨立的WDM 系統(tǒng)，有波長變換和3R功能，可看作是一個透明的子網(wǎng)。整個核心網(wǎng)，是由這些透明的子網(wǎng)級聯(lián)構(gòu)成的“不透明網(wǎng)”。而在城域網(wǎng)內(nèi)，由于距離較近，可以實現(xiàn)多業(yè)務(wù)的“透明”光網(wǎng)絡(luò)。在接入網(wǎng)中，采用的也是“WDM Ring”的光接入，這是光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

4　SDH系統(tǒng)越來越推向邊緣網(wǎng)
　　對SDH 的發(fā)展前景，人們存在著不同的看法。一種觀點認為：隨著 IP的迅速發(fā)展，在可預(yù)見的將來，IP 業(yè)務(wù)將超過話音業(yè)務(wù)，成為主要業(yè)務(wù)。而SDH 是基于話音傳輸?shù)捏w制，雖然SDH 的基礎(chǔ)的幀結(jié)構(gòu)還在，但是它的支路信號接口將會被淘汰，如 155 Mbit/s、2 Mbit/s 接口。將來的路由器直接承載 2.5 Gbit/s和10 Gbit/s SDH 成幀信號，即VC-4-16C 或VC-4-64C 級聯(lián)信號。IP 信號直接映射入VC-4-16C 的虛容器，然后再加上SDH 段開銷，成為標(biāo)準(zhǔn)的SDH 信號�，F(xiàn)在許多公司的SDH 系統(tǒng)都支持VC-4-16C 功能，有些廠家的IP over SDH 產(chǎn)品就是采用IP 直接復(fù)用到VC-4-16C的結(jié)構(gòu)，某些廠家的DXC 產(chǎn)品也開始支持級聯(lián)VC-4-NC的交叉連接。
　　另一種觀點認為，SDH 支路信號接口不會被淘汰，但帶支路接口的SDH 設(shè)備將會被越來越推向“邊緣” （Edge Network ），即中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)。核心網(wǎng)將被基于WDM 的光網(wǎng)絡(luò)所代替，SDH技術(shù)將更多地在中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)中應(yīng)用。一方面是由于電路交換將在很長一段時間仍處于主導(dǎo)地位，另一方面是由于接入網(wǎng)內(nèi)速率較低，一般不會有2.5 Gbit/s 或10 Gbit/s 這樣的高速率，SDH 設(shè)備承載的信號速率較低，利用DXC 設(shè)備，可以以較小的顆粒進行交換和分配。
　　那種認為SDH 將很快被淘汰的看法過于偏激，因為有關(guān)IP 直接映射到光層的協(xié)議尚待研究，現(xiàn)在的所謂IP 直接在WDM上傳輸多數(shù)仍采用SDH 幀結(jié)構(gòu)。但是，在ITU-T SG15，人們正積極研究繞過 SDH 層，直接把IP 映射到光層的辦法。即使最終獨立的SDH 層可能會消失，但其基本功能將會融合到WDM 層中去。 

5　OADM環(huán)逐步成為熱點
　　WDM 點到點的線性系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用OADM（光分插復(fù)用器） 可以靈活地管理帶寬，目前采用OADM 的組環(huán)技術(shù)已經(jīng)有了實際的應(yīng)用，如在Ciena 和Pireli 的16 和32 波的點到點線路系統(tǒng)中，已實際采用了OADM 。但是過去的OADM 基本上是固定波長上下的，而且數(shù)目較少。以Pireli 為例，32波中只有4 路是可以上下的。現(xiàn)在的線路系統(tǒng)中，可以上下的波長數(shù)越來越多，靈活性也越來越大。特別是在OADM 中采用了AOTF （聲光濾波器），可以同時上下WDM 系統(tǒng)的任一個波長。
　　在省網(wǎng)和大城市里，采用OADM組環(huán)將是一個熱點，特別是2纖環(huán)和4纖環(huán)。當(dāng)業(yè)務(wù)需求超過2個4 纖SDH 2.5 Gbit/s自愈環(huán)的容量時，采用 WDM 環(huán)就可顯示出優(yōu)越性，可以節(jié)省光纖并提高容量。目前的WDM 環(huán)主要有兩種，一種是 2纖單向線路保護環(huán)，一根光纖用來承載業(yè)務(wù)，另一根光纖用來作保護，在光纜被切斷時，光纜切斷的臨近兩個節(jié)點 執(zhí)行倒換指令，完成環(huán)回，其中Ciena 在日本開通的 24波OADM 環(huán)，就是單向線路保護環(huán)。在2纖雙向保護環(huán)中，兩根光纖都用來傳送業(yè)務(wù)，一根繞著順時針方向，一根是逆時針方向。每根光纖的一半波長用來傳送業(yè)務(wù)，另一半波長用來保護另一根光纖的業(yè)務(wù)，這類似于SDH 系統(tǒng)里的共享復(fù)用段保護環(huán)，現(xiàn)在許多公司都在開發(fā)這方面的產(chǎn)品，大約18個月內(nèi)就可以商用化。
　　從國外運營公司的應(yīng)用來看，對于OADM 環(huán)，除在光路上實行了1：1 的保護外，在承載信號層，即SDH 層還實施1：N 保護，即在SDH 層和WDM 層上都有保護措施。光路保護主要是應(yīng)付光纖切斷等特殊情況，而1燊N 的SDH 系統(tǒng)則可以應(yīng)付因光器件老化或單個系統(tǒng)劣化帶來的故障。
　　OXC的發(fā)展并不像過去預(yù)計的那樣樂觀，估計128×128 的交叉連接在2001年才能商用化。目前，如何在缺乏OXC的情況下進行光網(wǎng)絡(luò)的保護，是一個急待解決的問題。采用OADM 組環(huán)固然可以解決城域網(wǎng)和省網(wǎng)問題，但對整個骨干網(wǎng)，特別是網(wǎng)狀網(wǎng)，目前尚沒有行之有效的辦法。點到點線路主要有兩種保護方式：一種是基于單個波長通路的保護，即在SDH 層的保護，采用SDH 的ADM 設(shè)備，對波長通路進行1＋1或1燊N的保護。另一種是基于光復(fù)用段層上的保護，在光路上同時對合路信號進行保護， 這種保護也稱光復(fù)用段保護（OMSP），光復(fù)用段保護可以采取1燊1或1燊N 的格式，但需要不同的光纜路由，實施起來比較困難，實際應(yīng)用并不多。
　　在 OXC 正式推出之前，許多廠商采用電的DXC 進行保護，在波分復(fù)用系統(tǒng)容量不太大時，DXC 的容量尚能滿足要求，但隨著波分復(fù)用系統(tǒng)速率的提高，DXC 的端口數(shù)可能無法滿足要求。

6　IP over X 繼續(xù)爭論
　　IP是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，SDH、WDM是物理層傳送技術(shù)，在兩層之間需要一個數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)把物理層提供的信號轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)層所需要的信號，目前最流行的IP傳送技術(shù)有三種，即IP over ATM，IP over SDH 或 IP over WDM。
　　IP與ATM的結(jié)合是面向連接的ATM與無連接IP的統(tǒng)一，也是選路與交換的優(yōu)化組合，但其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 開銷損失達25％以上。IP與SDH的結(jié)合則是將IP分組通過點到點協(xié)議直接映射到SDH幀，省掉了中間的ATM層，從而保留了因特網(wǎng)的無連接特征，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了傳輸效率， 但無優(yōu)先級業(yè)務(wù)質(zhì)量。IP over WDM的優(yōu)勢在于其巨大的帶寬潛力，可以滿足IP 業(yè)務(wù)巨大的帶寬要求，并解決IP業(yè)務(wù)的不對稱性問題。WDM 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)透明性可以兼容不同協(xié)議的業(yè)務(wù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)會聚。依靠WDM的高帶寬和簡單的優(yōu)先級方案，還可以基本解決人們所關(guān)心的服務(wù)質(zhì)量（QoS）問題，據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)利用率低于70％時，隊列很短或根本不存在排隊，只需簡單的優(yōu)先級方案，將高質(zhì)量實時業(yè)務(wù)放在隊列前面即可保證QoS。
　　到現(xiàn)在為止，關(guān)于這3種技術(shù)的討論仍十分激烈。但是越來越多的人們認識到：IP over WDM 和IP over SDH 將成為大型IP高速骨干網(wǎng)的主要技術(shù)，以疏導(dǎo)高速率數(shù)據(jù)流；而IP over ATM則適用于多業(yè)務(wù)環(huán)境以及服務(wù)質(zhì)量要求較高的IP業(yè)務(wù)，主要適用于網(wǎng)絡(luò)邊緣多業(yè)務(wù)的匯集，特別是在多業(yè)務(wù)接入的接入網(wǎng)和中繼網(wǎng)。目前，許多北美公司在采用IP over WDM（SDH）建設(shè)國家骨干IP網(wǎng)的同時，也開始建設(shè)可以綜合接入各種業(yè)務(wù)的IP over ATM 網(wǎng)絡(luò)。
　　IP over SDH 和IP over WDM 的區(qū)別在于承載業(yè)務(wù)量的大小和適應(yīng)不對稱業(yè)務(wù)的靈活性上。IP over SDH 傳送的顆粒“小”，更適合我國當(dāng)前的需要，技術(shù)上比較成熟，而且標(biāo)準(zhǔn)化程度高。而IP over WDM 則與“光網(wǎng)絡(luò)”相結(jié)合，適用于“透明”城域網(wǎng)內(nèi)IP的互聯(lián)或未來大型IP骨干網(wǎng)的核心匯接。從發(fā)展來看，IP over WDM 無疑代表著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，它將“光網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展和IP相結(jié)合，可以充分利用“光網(wǎng)絡(luò)”的“透明傳輸”優(yōu)越性和光纖的巨大帶寬，但是目前它的顆�！疤�大”，沒有低于2.5 Gbit/s 的接口，但隨著低速WDM 接口的出現(xiàn)，它在城域網(wǎng)上應(yīng)用會越來越多。
　　但是現(xiàn)在廠家所聲稱采用的“IP over WDM”，實際上都是采用SDH 幀結(jié)構(gòu)，即先把IP 幀結(jié)構(gòu)映射入SDH 的虛容器VC-4-16C，加上段開銷，形成SDH 標(biāo)準(zhǔn)成幀信號后再進行波長復(fù)用，本質(zhì)上是一種“IP over SDH” 。現(xiàn)在ITU-T SG15和光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇（OIF）正在研究一種新的幀結(jié)構(gòu)，跳過SDH 層，把IP 信號幀直接映射入光通道，加上光通道開銷進行傳送，目前還只處于前期研究階段。 

7　海纜系統(tǒng)發(fā)展迅速
　　OXYGEN 是一個龐大的海纜計劃，該計劃由Alcatel 、NTT 、Lucent 等10多家公司贊助，總長度為 168 000 km ，它連接亞洲、歐洲、美洲和其它地區(qū)，經(jīng)由78 個國家和99個登陸站，設(shè)立3 個網(wǎng)絡(luò)管理中心，耗資達100億美元。該網(wǎng)絡(luò)1999年開始建設(shè)，預(yù)計2003年完成，建成后將把全世界的IP 業(yè)務(wù)連接起來，在該網(wǎng)絡(luò)傳送的將是承載IP、ATM 的SDH 信號。
　　OXYGEN 是一個具有保護恢復(fù)能力的網(wǎng)絡(luò)，而不僅僅是許多點到點線路系統(tǒng)的組合。該網(wǎng)絡(luò)建成后，不是靠固定電路，而是根據(jù)鏈路的狀態(tài)靈活地進行選路，以提供“Bandwidth on Demand ”（按需帶寬）的服務(wù)，而且資費也將與距離和目的地?zé)o關(guān)，以傳送多媒體業(yè)務(wù)和圖像節(jié)目為主。
　　該計劃的線路容量非常大，對于低于350 km的無中繼海纜系統(tǒng)，將采用10 Gbit/s×16 ＝160 Gbit/s，同時在12對光纖上開通，容量達到1920 Gbit/s 。在超過 350 km的海纜上，將采用10 Gbit/s×32 ＝320 Gbit/s 的系統(tǒng)，并且同時開通4對光纖，也就是說，線路的速率將達到320 Gbit/s×4 ＝1 280 Gbit/s ，比現(xiàn)在的海纜傳輸速率（20 Gbit/s）提高64倍，這將大大緩解洲際間的通信帶寬緊張狀況。從過去的技術(shù)發(fā)展來看，海纜系統(tǒng)一般總是最先采用新技術(shù)，如2.5 Gbit/s WDM 技術(shù)就是最早在海纜系統(tǒng)中應(yīng)用的，現(xiàn)在它又首先采用了新型光纖和10 Gbit/s 的WDM 系統(tǒng)。 

8　WDM低速接口將大量出現(xiàn)
　　從過去的應(yīng)用來看，WDM 系統(tǒng)只用于2.5 Gbit/s 以上的高速率系統(tǒng)。隨著業(yè)務(wù)和信號格式的多樣化，在一個城域網(wǎng)內(nèi)，有可能形成透明的“全光網(wǎng)絡(luò)”。另外 WDM 技術(shù)的飛速發(fā)展使我們可利用的波長數(shù)目大量增加，使我們有可能對每種業(yè)務(wù)采用一個波長傳輸，特別是在接入網(wǎng)中，采用WDM 低速接口可以很容易地區(qū)分每一個用戶，而且WDM 本身的業(yè)務(wù)透明，允許用戶根據(jù)自己的需要選擇業(yè)務(wù)類型和速率�！　�WDM 低速接口應(yīng)用的廣泛與否，將取決于光電器件的價格因素。從現(xiàn)在的發(fā)展來看，集成的多波長激光器和波分復(fù)用器的價格下降很快，新型光纖又增加了波長的復(fù)用數(shù)目，WDM 低速接口的系統(tǒng)有可能在價格上低于高速率TDM 價格，并且WDM 系統(tǒng)提供的 靈活性是TDM 系統(tǒng)所無法比擬的。 

9　結(jié)束語
　　當(dāng)前，光通信技術(shù)正以人們難以想象的速度向前發(fā)展，IP 業(yè)務(wù)的爆炸式增長給光通信的發(fā)展提供了新的機遇和挑戰(zhàn)，如何在新形勢下建設(shè)我們國家的“光網(wǎng)絡(luò)”和SDH 網(wǎng)絡(luò)，都是值得仔細深入研究的問題。 

作者單位：電信傳輸研究所　北京100045 

本文摘自《電信科學(xué)》