Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: ( 15 )光通信技术发展的新趋势
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 10 13:57:51 2003) , 转信

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，IP的出现对传输网带来了巨
大的冲击。本文介绍了WDM、SDH、IP over X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IP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IP巨
大的业务量和不对称性刺激了WDM（彼分复用）技术的应用和迅猛发展，另一
方面IP业务与电路交换的差异也对基于电路交换的SDH（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IP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、WDM、
SDH、IP over X等几方面探讨光通信技术的发展趋势。
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（All-wave Fiber），这种光纤消除了常规光纤在1385 nm附近由于OH根离
子吸收造成的损耗峰，使1310～1600 nm都趋于平坦。而过去的光纤，在135
0～1450 nm的损耗较大，达2dB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1385 nm窗
口衰耗大大降低，只有0.3 dB左右。另外1385 nm窗口的色散也较小，只是1
550 nm色散值的一半，所以全波光纤可以利用的波长增加了100 nm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业务。
——另外，康宁和朗讯还分别推出了LEAF和RS-True wave光纤。LEAF光纤大
大增加了光纤的模场直径，光纤有效面积从55μm2增加到72μm2，在相同的
入纤功率时，减小了光纤的非线性效应。但是LEAF光纤的色散斜率为0．1ps
／（nm2●km），当我们试图将工作波长范围从普通的C波段（1 530～1 565
nm）扩展到L波段（1 565～1625 nm）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。RS-True wave最大的优点是色
散斜率小，仅为0．045 ps／（nm2●km），大大低于LEAF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True-wave XL光纤，该光纤在1550～1560 nm区域有一定的色散值，以避
免FWM（4波混频）现象，而且该色散值为负值，可消除调制不稳定性（MI）
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
。
。
——考虑到10 Gbit／s WDM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RS-True
wave还是LEAF尚需要仔细研究。
2 WDM系统继续向高速率发展
——WDM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
比。现在Lucent、Ciena、Alcaiel等厂家已推出了商用化产品，Pireli和马
可尼也都推出了32×2.5Gbit／s的产品。另外，随着新光纤的敷设，基于10
Gbit／s的WDM将逐渐成为产品的主流，其中北电已经推出了32×10Gbit／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。
——10Gbit／s的WDM系统相对于2．5Gbit×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 Git／
s的SPM效应要比2．5Gbit／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 km左右，比2．5 Gbit／s的色散受限距离要小。另外，在基于
10bit／s的WDM系统中，大多数公司都采用前向纠错技术（FFC），有的采用
带内纠错，有的采用带外纠错。Alcatel宣称：采用带外FEC技术，虽然使开
销增加了7％，但可以使0SNR（光信噪比）提高8～9dB，2.5Gbit／s的WDM系
统可以直接升级到10Gbit／s WDM系统。
——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EDFA之间的中继距离缩短。现在
有人主张突破激光器的3A合路功率下超过+17dBm的规定，提高到+20 dBm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TDM 40 Gbit／s的研究，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，TDM 40
Gbit／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“Opaque”，即不透明网
。在每一个子网内部，信号格式是透明的，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WDM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ASE噪声积累和色散的影响，另外可以完成波长转换，以更有
效和灵活地建立波长路由。另外还要完成光通路某些开销的处理，特别是与
OAM（操作维护管理）相关的功能。
——如图1所示，OLS（光线路系统）是独立的WDM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，采用的也是“WDM Ring”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 SDH系统越来越推向边缘网
——对SDH的发展前景，人们存在着不同的看法。一种观点认为：随着IP的迅
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TDM 40 Gbit／s的研究，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，TDM 40
Gbit／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“Opaque”，即不透明网
。在每一个子网内部，信号格式是透明的，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WDM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ASE噪声积累和色散的影响，另外可以完成波长转换，以更有
效和灵活地建立波长路由。另外还要完成光通路某些开销的处理，特别是与
OAM（操作维护管理）相关的功能。
——如图1所示，OLS（光线路系统）是独立的WDM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，采用的也是“WDM Ring”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 SDH系统越来越推向边缘网
——对SDH的发展前景，人们存在着不同的看法。一种观点认为：随着IP的迅
速发展，在可预见的将来，IP业务将超过话音业务，成为主要业务。而SDH是
基于话音传输的体制，虽然SDH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155Mbit／s、2Mbit／s接口。将来的路由器直接承载2．5Gb
it／s和10Gbit／s SDH成帧信号，即VC-4-16C或VC-4-6C级联信号。IP信号直
接映射入VC-4-16C的虚容器，然后再加上SDH段开销，成为标准的SDH信号。
现在许多公司的SDH系统都支持VC-4-16C功能，有些厂家的IP over SDH产品
就是采用IP直接复用到VC-4-16C的结构，某些厂家的DXC产品也开始支持级联
VC-4-NC的交叉连接。
——另一种观点认为，SDH支路信号接口不会被淘汰，但带支路接口的SDH设
备将会被越来越推向“边缘”（Edge Network），即中继网和接入网。核心
网将被基于WDM的光网络所代替，SDH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2．5Gbit／s或10 Gbit／s这样的高速率，
SDH设备承载的信号速率较低，利用DXC设备，可以以较小的颗粒进行交换和
分配。
——那种认为SDH将很快被淘汰的看法过于偏激，因为有关IP直接映射到光层
的协议尚待研究，现在的所谓IP直接在WDM上传输多数仍采用SDH帧结构。但
是，在ITU-T SGI5，人们正积极研究绕过SDH层，直接把IP映射到光层的办法
。即使最终独立的SDH层可能会消失，但其基本功能将会融合到WDM层中去。
5 OADM环逐步成为热点
——WDM点到点的线性系统已经得到了广泛应用，应用0ADM（光分插复用器）
可以灵活地管理带宽，目前采用0ADM的组环技术已经有了实际的应用，如在
Ciena和Pireli的16和32波的点到点线路系统中，已实际采用了OADM。但是过
去的OADM基本上是固定波长上下的，而且数目较少。以Pireli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0ADM中采用了AOTF（声光滤波器），可以同时上
下WDM系统的任一个波长。
——在省网和大城市里，采用OADM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SDH 2．5Gbit／s自愈环的容量时，采用WDM环就可
显示出优越性，可以节省光纤并提高容量。目前的WDM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，完成环口，其中Cien
a在日本开通的24波OADM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SDH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OADM环，除在光路上实行了1∶1的保
护外，在承载信号层，即SDH层还实施1：N保护，即在SDH层和WDM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SDH系统则可以
应付因光器件老化或单个系统劣化带来的故障。
——OXC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200
1年才能商用化。目前，如何在缺乏OXC的情况下进行光网络的保护，是一个
急待解决的问题。采用OADM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SDH层的保护，采用SDH
的ADM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（
0MSP），光复用段保护可以采取1：1或l：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OXC正式推出之前，许多厂商采用电的DXC进行保护，在波分复用系统
容量不太大时，DXC的容量尚能满足要求，但随着波分复用系统速率的提高，
XC的端口数可能无法满足要求。
6 IP over X继续争论
——IP是网络层协议，SDH、WDM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IP传送技术有三种，即IP over ATM，IP over SDH或IP ove
r WDM。
——IP与ATM的结合是面向连接的ATM与无连接IP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。IP与SDH的结合则是将
IP分组通过点到点协议直接映射到SDH帧，省掉了中间的ATM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。IP over WDM的优势在于其巨大的带宽潜力，可以满足IP业务巨大的带
宽要求，并解决IP业务的不对称性问题。WDM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WDM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（QoS）问题，据统计，当网络利用率低于7
0％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QoS。
——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：IP over WDM和IP over SDH将成为大型IP高速骨干网的主要技术，以
疏导高速率数据流；而IP over ATM则适用于多业务环境以及服务质量要求较
高的IP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
入口和中继网，目前，许多北美公司在采用IP over WDM（SDH）建设国家骨
干IP网的同时，也开始建设可以综合接入各种业务的IP over ATM网络。
——IP over SDH和IP over WDM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。IP over SDH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IP 0ver WDM则与“光网络”相结合
，适用于“透明”城域网内IP的互联或未来大型IP骨干网的核心汇接。从发
展来看，IP over WDM无疑代表着网络发展的方向，它将“光网络”的发展和
IP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“在大”，没有低于2．5Gbit／s的接口。但随着低速
WDM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“IP over WDM”，实际上都是采用SDH帧结
构，即先把IP帧结构映射入SDH的虚容器VC-4-16C，加上段开销，形成SDH标
准成帧信号后再进行波长复用，本质上是一种“IP over SDH”。现在ITU-T
SG15和光互联网络论坛（OIF）正在研究一种新的帧结构，跳过SDH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。
7 海缆系统发展迅速
——0XYGEN是一个庞大的海缆计划，该计划由Alcatel、NTT、Lucent等10多
家公司赞助，总长度为168000km，它连接亚洲、欧洲、美洲和其它地区，经
由78个国家和99个登陆站，设立3个网络管理中心，耗资达100亿美元。该网
络1999年开始建设，预计2003年完成，建成后将把全世界的IP业务连接起来
，在该网络传送的将是承载IP、ATM的SDH信号。
——OXYGEN是一个具有保护恢复能力的网络，而不仅仅是许多点到点线路系
统的组合。该网络建成后，不是靠固定电路，而是根据链路的状态灵活地进
行选路，以提供“Bandwidth onDemand”（按需带宽）的服务，而且资费也
将与距离和目的地无关，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350km的无中继海缆系统，将采用1
0Gbit／s×16=160Gbit／s，同时在12对光纤上开通，容量达到1920Gbit／s
。在超过350 km的海缆上，将采用10Gbit／s×32=320Gbit／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320Gbit／s×4=1280Gbit／
s，比现在的海缆传输速率（20Gbit／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2.5Gbit／s WDM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10Gbit／s的WDM系统。
8 WDM低速接口将大量出现
——从过去的应用来看，WDM系统只用于2.5Gbit／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WDM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
7 海缆系统发展迅速
——0XYGEN是一个庞大的海缆计划，该计划由Alcatel、NTT、Lucent等10多
家公司赞助，总长度为168000km，它连接亚洲、欧洲、美洲和其它地区，经
由78个国家和99个登陆站，设立3个网络管理中心，耗资达100亿美元。该网
络1999年开始建设，预计2003年完成，建成后将把全世界的IP业务连接起来
，在该网络传送的将是承载IP、ATM的SDH信号。
——OXYGEN是一个具有保护恢复能力的网络，而不仅仅是许多点到点线路系
统的组合。该网络建成后，不是靠固定电路，而是根据链路的状态灵活地进
行选路，以提供“Bandwidth onDemand”（按需带宽）的服务，而且资费也
将与距离和目的地无关，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350km的无中继海缆系统，将采用1
0Gbit／s×16=160Gbit／s，同时在12对光纤上开通，容量达到1920Gbit／s
。在超过350 km的海缆上，将采用10Gbit／s×32=320Gbit／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320Gbit／s×4=1280Gbit／
s，比现在的海缆传输速率（20Gbit／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2.5Gbit／s WDM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10Gbit／s的WDM系统。
8 WDM低速接口将大量出现
——从过去的应用来看，WDM系统只用于2.5Gbit／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WDM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
的另一根出口光纤上，在这一层的交换中，一根光纤中所有的波长信号都交换到另外一
根光纤中。与OMS不同的是，OCH层光交换处理独立的波长，信号首先经过波长解复用器
分离后，进行选路，再经过波长复用将信号传输到目的地。
　　光交叉连接的两个基本应用包括物理网络的管理和波长管理。物理网络的管理主要
是指故障路由的恢复和灵活的选路。它是OMS层光交换的一种应用，具有光信号自动被不
同的光纤保护和控制网络中业务负载平衡的能力。物理网管特别适用于网状网的结构，
因为在网状网中有多种可用的通路选择，并且可以设计保护方案来优化网络的利用率。
另外，它也适用于环网络和环网互联，用以保证电信运营者使用简单的终端设备在环网
中进行线性的信号传输。现在对这种物理网管应用已经进行了一些现场实验，如MCI公司
在达拉斯的网络上使用日立公司OXC设备进行的实验。
　　波长管理是光交叉连接的第二个主要应用。DWDM系统产生的各种不同的波长对电信
运营者来说有好处，但也面临挑战。好处是运营者不但可以利用这些波长传送自己的业
务，而且可以将多余容量销售或租借给其它业务提供者，由他们再将容量转售给终端用
户。挑战是指增加了技术的复杂程度，运营者必须管理一根光纤中40个以上的波长。波
长管理主要就是进行波长选路。一个理想的波长选路的光交叉连接包括：波长交换、波
长转换、波长复用和解复用、波长信号的监测。
　　虽然成本昂贵，但抛开价格因素，目前将OCH层交换、波长收发器和波分复用结合起
来已经可以实现波长选路。WDM先将多波长信号解复用成独立的波长，然后通过OCH层交
叉连接独立交换，最后由波长收发器转换到其它波长。另外，指配和疏导功能也是光交
叉连接的应用之一。为建立新业务而重组网络、改变业务模式、增加业务量都可以在OC
H层通过相关网元管理系统来实现。
　　现有的DWDM系统已经可以复用速率为2.5Gbps或10Gbps的波长，容量非常大。目前光
交叉连接设备已经有商用产品问世，但是相对来说容量较小、功能有限、成本较高。下
一代的OXC包括波长转换和交换，换句话说：它接收来自某一端口的某一波长光信号，在
将信号输出到其它出口光纤前，在传输过程中改变信号的波长。今后5年，OXC将追求更
快的交换速度，并且主要应用于WDM系统，其原因之一是WDM可以实现协议独立。现在大
部分实验室的波长转换模型只是协议独立而不是波长独立。从现有的情况分析，OXC的发
展主要呈以下特点。
　　首先进入长途网。这主要是因为：DWDM在长途网中的应用趋于广泛，在光域进行动
态波长选路非常有实用价值；长途网中使用的速率相当高，一般为2.5Gbps或10Gbps，而
城域网和短距离网络中使用的实际速率一般仅为45Mbps、2Mbps，甚至64kbps，如此大的
差距使得短期内无法在城域网应用光交叉连接。当然，随着DWDM系统应用于城域网，光
交叉连接将在短距离网络和局间中继线应用中找到立足点。由于WDM技术还没有在企业网
和计算机网络中应用，OXC在局域网中尚没有应用前景。
　　OXC与OADM趋于融合。光交叉连接是光交换的开始，只具有有限的光交换功能，而光
分插复用器是一种小型化的OXC设备，它可以在中间位置接入光信道，能够上下一定数量
的波长。在电领域，很多厂商研制出的分插复用设备和交叉连接设备非常相似。在光领
域，光交叉连接器件的发展也会出现类似的趋势。当OXC具有了波长选择的功能之后，就
与OADM非常相似。这就是说，随着技术的进一步发展，OXC和OADM器件将趋向于融合，未
来的OXC和OADM的功能将集成在一个设备中完成。来自任何光纤的任何波长，可以转换成
其他任何波长输出到任一出口光纤上。但这方面的工作要取得突破性进展，估计还需5～
10年的时间。 《人民邮电报》



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※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.86]