浅谈中国光通信技术的现状及其发展趋势

2019-11-03 18:25:05

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

毛谦张继军武汉邮电科学研究院

　　由于光纤媒质所具有的传输带宽大、传输损耗低，抗干扰能力强等特点，使光通信技术始终在通信基础网络建设中占据着主导地位，并承载着通信网络中80％以上的信息流量。进入21世纪以来，虽然全球电信业经历T高速增长，下滑，缓慢复苏等各个阶段，但光通信技术的发展始终日新月异。行业的复苏预示着应用需求的增长，在世界经济形式好转、电信业开始逐步复苏的今天，了解光通信技术发展的现状和趋势，对我们作好下一阶段电信建设的规划和设想具有一定的参考价值。

一、多业务传送平台（MSTP）

　　随着电信运营市场竞争的加剧，网络的建设者们越来越关注在已有的网络中开发新的、符合市场需求的应用和服务，这使网络需要承载的业务类型大幅增加。如何在单一的基础网络中实现多类型业务的有效承载，成为人们越来越关注的问题，并由此产生出一个新的技术术语——多业务传送平台（MSTP）。多业务传输平台的实现方案较多，主要包括基于传输系统的多业务传送平台（如基于SDH、DWDM等）和基于分组的多业务传送平台（如基于ip、RPR和MSR等）。在当前实际的网络建设中，前者中应用最普遍的是基于SDH的多业务传送平台，而后者所包含的各项技术均仍处于不断发展完善之中。

1.基于SDH的MSTP

　　基于SDH的MSTP的基本思想是在传统的SDH传输平台上，集成2层以太网、ATM等处理能力，将SDH对实时业务的有效承载和网络2层（如以太网、ATM等），甚至3层技术所具有的数据业务处理能力有机结合起来，以增强传送节点对多类型业务的综合承载能力。在当前实际的设备开发和应用中，如何有效承载以太网业务是关注的重点。

　　基于MSTP承载以太网业务的技术发展经历了业务透传承载和2层交换承载两个阶段。为了提高基于MSTP的以太网的组网应用能力及业务性能，人们已经在此类节点设备中引入了大量新技术，如VC级联与虚级联，链路容量调整方案（LCAS），GFP/LAPS/PPP等标准封装协议，基于以太网的CoS分类、排队和调度、流量控制等机制，802.1q VLAN和802.1 ad运营商桥接（VLAN堆叠）技术等。

　　随着应用的不断深入，人们发现仅仅引入上述技术还不足以有效满足客户层（包括用户）的要求。为此，当前新的研究重点又发展到考虑如何将RPR和MPLS等技术内嵌入MSTP中。

　　通过内嵌RPR的MSTP承载以太网业务时具有如下特点：简化了环路内的分组处理过程、提高了环网带宽的利用效率、支持快速的保护倒换机制、具有带宽公平机制和业务分类处理能力、支持拓扑自动发现，以及可支持广播和组播业务。RPR也存在一些问题，如缺乏细粒度的基于单个用户的QoS保证机制，仅支持环型拓扑、难以提供端到端的用户流量的标识和控制等。

　　通过内嵌MPLS的MSTP承载以太网业务时具有如下特点：能够实现端到端的用户标识和流量控制，具有合理的带宽动态分配机制和端到端的QoS保证能力；通过使用MPLS标记，允许不同用户使用同样的VLAN ID，从根本上解决了传统方案的VLAN地址空间的限制问题，由于采用标签机制，MPLS的路由计算可以基于以太网拓扑，因此减少了路由设备的数量和复杂度，优化了以太网数据在MSTP中的传输效率。另外，能够提供2层的VPN服务也是内嵌MPLS的MSTP所具有的一大特色，目前业界正在积极研究如何在MSTP中实现2层Martini MPLS VPN的问题。但是，为了充分发挥MPLS所具有的上述优势（例如实现MPLS VPN业务，并通过支持VPN成员的自动发现及动态配置以提高VPN业务的可用性），需要采用一定的信令和路由协议，实现相对复杂。

　　显然，针对不同的网络应用环境和以太网业务的流量模式，内嵌MPLS与内嵌RPR的MSTP各有优缺点，很难、也没有必要一比高低。综合两种技术共同实现对以太网业务的处理也是一种可以考虑的方法，此时，采用MPLS和RPR技术分别针对用户流量和节点管道实施控制，并将2个不同阶段的流量控制过程适当地关联，能够进一步提高MSTP处理以太网业务的能力。

2.基子分组技术的MSPP和多业务环

　　基于分组技术的多业务传送平台也是一类重要的MSTP解决方案，又有人称之为MSPP，主要包括基于IP、RPR、MSR等的MSTP方案。基于分组技术的MSTP简化了协议层次，降低了解决方案的成本，但同时也带来了实现多业务（特别是对QoS敏感的实时业务）承载时QoS难以得到有效保证的问题。因此，该方案演进的主要目标是如何有效地解决QoS保证问题。

　　MSR是武汉邮电科学研究院代表中国政府于2002年2月向ITU-T SG17提出建议，于2003年10月正式批准为国际标准（X.87/Y.1324）。MSR是一种新型的光城域网组网和应用模式。它工作在RPR MAC层之上，因而继承了RPR的诸多特性。另外，MSR通过采用client PDU的方式对RPR帧格式作了重大改进、全新地定义了XP（X.87协议）帧，并引入支路（业务）概念来实现传输与交换的一体化以及语音、数据和视频业务的融合。它的主要特性是在数据链路层将不同的业务流量（通过Ethernet承载）、语音（通过G.702 PDH、采用TCE（TDM电路仿真）over MSR等方式承载）和视频（通过DVB等承载），不同的网络支路形态，不同类型的数据流量（业务数据流量、网管数据NM流量和信令CS流量）有机地聚合在一起，实现各类数据和业务的低层集合与统一封装。除上述特点外，MSR还支持一些新的功能：支持基于业务或支路的50ms的1+1，1∶1和1∶N保护或备份；基于业务或支路的组播以及基于节点的组播和广播，基于业务或支路的对称与非对称带宽限制等。

　　MSR真正广泛应用于电信网络建设还需要一个过程，但它的国际标准化将对我国城域网建设产生较好的引导作用，并在一定程度上推动中国和世界的城域网体制向更高的目标发展。

二、智能化的光传输网络与ASON

　　多年来，智能化的光传输技术一直为业内人士所关注，人们希望通过构建智能化的光传输网络来解决现有传输网络存在的两个方面的问题；j传统网络难以适应网上快速增长的数据业务所具有的不可预见性，实现网络带宽的动态分配；k传统光传输网主要依靠人工配置网络连接，耗时费力且难以适应现代网络拓展新业务的需要。ASON正是在这一需求的牵引下产生的。和传统的光网络技术相比，ASON的优点均来源于它所具有的智能，具体来说是来源于“自动交换”。

　　无论是技术本身还是对于实际网络应用，ASON所带来的先进性都是令人惊喜的：通过流量工程，允许将网络资源动态地分配给路由；采用了专门的控制平面协议，而不是通过只有少量原语集的网管协议实现网络控制，具有可扩展的信令能力集，支持多厂家环境下的连接控制；具有快速的业务提供和拓展能力，具有快速业务恢复能力，使网络在出现问题时仍能够维持一定水平的服务；便于引入诸如按需带宽业务、波长批发、波长出租、动态路由分配、L1 VPN等新的业务类型，使传统的传送网向业务网方向演进，可以提供各种不同QoS等级的区分服务，例如可以结合不同层面上的不同保护级别提供不同等级的服务。

　　智能光网络是网络发展的必然趋势，但它在网络中的应用将是一个逐步演进的过程。在这一演进过程中，需要考虑到以下因素的影响：设备的兼容性和网络建设的经济性（包括建设成本、运营与维护、收益），业务的平滑过渡和新业务的引入，组网模式，节点技术的成熟情况，信令、路由和接口协议的标准化进展等。

　　目前，能够部分支持ASON智能的光节点，已经开始逐步应用于电信网络。从实际进展情况看，ASON大规模应用于网络各层面还需要一定时间，它将首先在长途骨干网和城域骨干网中得到应用，进而逐步向网络边缘渗透。考虑到引入独立控制平面所带来的网络建设成本，具有完整ASON智能的网络节点可能不会大量部署在网络边缘（如网络接入层）。在网络边缘的一个可能的选择是：由SDH ECC提供ASON控制平面所需的传输带宽，如需要还应进一步对ASON智能进行适当的裁减以降低资源占用，最终实现具有高性价比的智能光传输节点。

三、更高的传送容量和更长的传输距离

　　近两年来，能够普遍应用的基于单波道的最高传输容量一直停留在SDH 10Gb/s。40Gb/s的应用需求仍然存在，但它在节点技术、网络应用和系统的性能价格比等方面存在的问题仍然没有很好地得到解决。另外，由于存在具有部分可替代性的解决方案（如DWDM），这也在一定程度上进一步影响了40Gb/s SDH系统走向商用的步伐。

　　从2001年至今，基于DWDM技术提高光传送容量的最高水平基本保持在10Tb/s。OFC 2001和OFC 2002报导的有关光纤传输系统最高传输容量的记录已经达到了10Tb/s。OFC 2003报导的研究成果最高仅为6.4Tb/s。另外，从国内未来2-3年干线网络容量需求的增长趋势分析，实际大量商用的DWDM系统的最大传送容量基本保持在1.6Tb/s水平。

　　和具有更高的传输容量一样，具有更长的传输距离同样是光通信技术不断前进的方向之一。有关这一方面的技术与应用研究已经达到了一个较高的水平：OFC2002就已经有实现Tb/s级容量传输11000km的报导。OFC-2003报导的最长传输距离也是11 000km，传输容量为3.73Tb/s。另外，OFC-2003报导的最高传输速率6.4Tb／s系统的传输距离长达3200km。近年来，国内相关部门非常重视超长距离（ULH）光传输技术的研究工作，并将其列入国家863计划。2004年初武汉邮电科学研究院承担的“863”ULH项目顺利通过了863专家组的验收。此项目是在该院已投入商用的1.6Tb/s DWDM系统的平台上，实现了在3000多公里实际G.652/655光纤上的ULH传输，其中某些关键技术已经应用于国内一级干线工程。

四、城域WDM技术的发展及CWDM

　　随着城域网内传输带宽需求的不断增长，WDM系统越来越多地应用于城域传输网络。和长途光网络相比，城域光网络具有传输距离较短、拓扑灵活，以及接入业务类型丰富等特点。因此，应用于城域环境的WDM系统，在具有大容量特点的同时，还具有组网灵活、易扩展、低成本和易管理等优点。城域WDM系统包括城域DWDM和CWDM。

　　应用环境的不同，使城域WDM系统的设备配置及技术发展出现了一系列新的特点。由于城域网内的传输距离一般在100公里以下，因而相应WDM系统通常无须使用光放大器，对光收发模块的要求也明显降低。由于可能省掉光放大器，WDM系统波长数目的增加将不再受到光放大器有效增益带宽（增益平坦）的限制，可以允许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度相对较低的光收、发模块和合、分波器件，进一步降低系统成本。当系统的波长间隔扩大到一定程度（如大于2nm）时，就是CWDM。

　　CWDM也是城域光网络中值得关注的一项技术。和城域DWDM主要应用于城域骨干网络不同，CWDM更多应用于城域网络的边缘。CWDM对器件的要求比DWDM低得多。以分波器为例，DWDM系统中使用的100GHz（0.8nm）滤波器一般大约有150层，而CWDM系统中使用的2500GHz（20nm）滤波器只需50层，其成本比DWDM滤波器的成本少50％，而且预计在未来的2到3年内，实现自动化生产后的成本可望再降低1/3。

五、宽带无源光网络的技术发展

　　无源光网络（PON）技术是为了支持点到多点应用而发展起来的光接入技术。由于采用光纤作为传输媒质，并使用无源光分配网，PON避免了外部设备的电磁干扰和环境影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节约了维护成本。窄带PON几乎没有怎么实际应用就被宽带PON（BPON）取代了，BPON目前出现了APON、EPON和GPON这3种技术。

　　APON（ATM PON）是FSAN（全业务接入网）于20世纪90年代中期开发完成，并随后确定为ITU标准（G.983）。由于存在复杂性高和数据传输效率低等问题，因此虽然APON的技术相对成熟，除了在日本有规模应用外，始终没有得到广泛的应用。

　　EPON（Ethernet PON）是IEEE组织“以太网最后一公里（EFM）”研究组于2000年11月通过的标准。以太网作为最流行的企事业用户接人手段，具有建设成本、运营成本较低，可扩展性好，安装维护容易等特点，具有很大的发展潜力。因此，人们对于通过将以太网和PON这两种技术结合以最终实现FTTH寄予了很大的期望。

　　GPON是FSAN组织于2001年开始起草的传输速率超过1Gb/s的PON标准。2003年1月，两个有关GPON的标准（G.984.1和G.984.2）在ITU得到通过。GPON技术产生的一个基本出发点是：不同的服务需求对应不同的系统容量。GPON的帧结构不基于任何指定类型的格式，而是基于各种用户信号原有的格式进行封装。因此，它不但能够提供高速的比特率，而且可以支持各种接人业务，特别是能够非常有效地支持原有格式的数据流量和TDM业务。

　　和GPON相比，EPON最大的问题是其承载业务的总体效率不高。由于采用8B/10B编码作为线路编码，这本身就引入了20％的带宽损失，再加上EPON适配业务的带宽利用率只有60-70％，从而使它的总体效率只有50％左右。而GPON具有高比特速率（最高2.4Gb/s）、传输时不改变原有信号格式（即透明传输）、很高的传输效率（94％），以及能够支持多种业务（TDM和数据）等优点，因此该项技术一经提出即备受关注。

　　GPON和EPON这两种方案都不乏各自的支持者，究竟谁能够在未来的应用中占据主导地位尚难下定论。另外，虽然BPON技术无可争议的仍将是未来宽带接入技术的发展方向，但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看，它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标仍会有一个较长的发展过程。

六、走进电信基础网络的城域光以太网技术

　　光以太网技术是构建光城域网的主流技术之一，它将以太网的优越性扩展到了城域网范围，具有很好的扩展性，可以非常方便地扩展用户的数量。进一步提高光以太网的可运营、可管理能力，一直是该技术的主要发展方向。在这一需求的牵引下，城域光以太网正在从过去简单的Ethernet over fiber、Ethernet over DWDM向Ethernet over RPR，甚至Ethernet over SDH/SONET发展。

　　为了提高以太网的可运营、可管理能力，人们试图通过附加各种技术对传统以太网进行改造，以提高其智能化程度，具体包括：利用MPLSoE、带宽控制等技术实现对以太网的控制和分等级的QoS，利用VLAN、策略路由、Web认证等技术增强以太网的安全性和可管理性；利用AAA等技术实现对以太网接人用户的计费和行为审计；将CDN技术、L4-L7交换技术应用于以太网交换设备中，提供面向用户的个性化网络服务。需要注意的是，在通过附加新的技术对以太网进行改造时，必须尽量保持以太网的简捷性，降低节点成本，简化配置，否则会失去以太网的传统优势，得不偿失。

　　从2001年起，ITU-T围绕EOT（Ethernet over Transport）技术开展了一系列研究工作。到目前为止，已经完成了包括以太网层网络体系结构（G.8010）、以太网业务框架（G.8011/Y.1307）、以太网专线业务（G.8011.1/Y.1307.1）、以太网接口和传送网承载以太网的NNI接口（G.8012）、以太网传送网设备功能块特性（G.8021/Y.1341）等标准，其他一些标准则仍处于讨论过程中，如以太网业务复用（G.esm）、以太网OAM机制（Y.17ethoam）等。与此同时，从2004年开始，ITU-T有关MOT（MPLS over Transport）方面的一系列标准化工作也已经全面展开。另外，城域以太网论坛（MEF）和IEEE也加快了有关以太网技术的标准化工作。标准化程度的不断深入必将极大地推动光以太网技术的应用和推广。

七、结束语

　　21世纪以来，光通信技术取得了长足的进步，在上文中我们主要讨论了光通信节点技术及其应用的现状和发展趋势，但这些进步的取得，是包括光传输媒质、光电器件、光通信系统，以及网络应用等多方面技术共同进步的结果。随着光通信技术进一步发展，必将对21世纪通信行业的进步，乃至整个社会经济的发展产生巨大影响。

　　毛谦 1964年毕业于武汉邮电学院，1982年于武汉邮电科学研究院获工学硕士学位。现任武汉邮电科学研究院副院长，总工程师、教授级高级工程师，烽火科技学院院长：兼任信息产业部通信产品质量监督检验中心主任，总工程师；国际电联ITU-T SG15中国专家组成员；信息产业部邮电科技委委员；中国通信学会会士：光通信委员会主任委员；中国通信标准化协会传送网与接入网技术工作委员会副主席。

　　张继军 1995年毕业子北京邮电大学，硕士，现任烽火通信科技股份有限公司科技与合作部副总经理，主要从事光通信产品规划与总体研究工作。

摘自　中国电信建设

上一篇：千兆比无源光网—GPON

下一篇：光通信技术的现状与发展趋势