世纪之交的光通信技术

2019-11-03 18:06:59

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世纪之交的光通信技术<1>（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。1SDH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，目前已建成世界第一大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，支持以大网透明传输。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向越高速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40G／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镓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向超大容合起长距离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320G／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（16×10Gb／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（80×40G／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（即无电中继传输距离）也在大幅度扩展。不久前美国Crovis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IP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——融合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。 Cerent 454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以大网接口。内部有一个3／3／1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VC12，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不必受限于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键路容量每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OADM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，容量上和瑞口上都有重大突破，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。

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