光纤通信系统技术的发展与展望

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1、引言
世纪之初，由于网络泡沫、光纤泡沫和3G泡沫的破灭使世界电信业陷入了空前的困境，光纤通信首当其冲。幸运的是，电信的内在需求没有根本改变，人们没有少打电话，也没有少上网，短信业务如火如荼，网络电视(IPTV)业务蓄势待发，电信业务市场仍然继续成长，世界网络带宽需求的年增长率依然高达50%-100%，而我国在过去几年里的干线业务量和带宽需求的年增长率超过200%。然而，泡沫引起的困境只是放慢了发展的速度，绝不会也不可能停止电信技术和业务的发展进程，电信业经过几年的调整后正开始步入正常的理性发展轨道。下面仅对光纤通信系统技术的发展趋势作简要总结和展望。
2、SDH向下一代融合的低成本多业务平台转型
SDH依然是电信网的主导传送体制。然而，由于WDM的出现和发展，SDH的作用和角色有了很大转变。在长途干线网上，SDH的作用已经降低为WDM层的客户层，其角色正开始向网络边缘转移。鉴于网络边缘复杂的客户层信号特点，SDH必须从纯传送网转变为传送网和业务网一体化的多业务平台，即融合的多业务节点。其出发点是充分利用大家所信任的SDH技术，特别是其保护恢复能力和确保的延时性能，加以改造以适应多业务应用，支持层2乃至层3的数据智能，构成业务层和传送层一体化的多业务传送平台(MSTP)。
近几年，随着网络中数据业务份量的持续加重，SDH多业务平台正逐渐从简单地支持数据业务的固定封装和透传的方式向更加灵活有效支持数据业务的下一代SDH系统演进和发展。最新的发展是支持集成通用组帧程序(GFP)、链路容量调节方案(LCAS)和自动交换光网络(ASON)标准。
GFP是一种可以透明地将各种数据信号封装进现有网络的通用标准信号适配映射技术，简单灵活，开销低，效率高，有利于多厂家设备互联互通，能够对用户数据实施统计复用，还有QoS机制。此外，利用简化任意字节块每次的处理过程，GFP降低了对数据链路映射和去映射过程的处理要求。利用现代光通信的低误码特性，GFP还进一步降低了接收机实施复杂性、设备尺寸和成本，使GFP特别适合于高速传输链路应用，例如点到点SDH链路、OTN中的波长通路以及暗光纤应用。
LCAS则定义了一种可以平滑地改变传送网中虚级联信号带宽的方法，以自动适应有效业务带宽，信令传输由普通的SDH网元和网管系统完成。采用LCAS的最大优点在于有效净负荷可以自动映射到可用的VC上，这意味着带宽的调整是连续的，不仅提高了带宽指配速度，对业务无损伤，而且当系统出现故障时，可以动态调整系统带宽，无须人工介入，还可以在保证服务质量的前提下明显提高网络利用率。
ASON可以动态地实施连接建立和管理，使网络具有自动选路和指配功能。若下一代的SDH多业务平台能将上述VC级联，GFP，LCAS和ASON几种标准功能集成在一起，再配合核心智能光网络的自动选路和指配功能，则不仅能大大增强自身灵活有效支持数据业务的能力，而且可以将核心智能光网络的智能扩展到网络边缘，增强网络的智能范围和效率。
最后，由于在城域网领域正面临光以太网的竞争压力，迫使MSTP在降低设备成本和提高业务提供灵活性上继续改进。重要的趋势之一是结合MPLS，使MSTP和MPLS能互相依托共同向网络边缘扩展，从而可以充分利用MPLS灵活跨域支持数据联网的一系列优点。3、光以太网的挑战与新发展
光以太网是一类光纤上运行的新型以太网技术，源于局域网。从结构上看，以太网是一种端到端的解决方案，在网络各个部分统一处理二层交换、流量工程和业务配置，省去了网络边界处的格式变换。其次，以太网的扩展性很好，在网络边缘通过改变流量策略参数即可迅速按需以1Mbit/s的带宽颗粒逐步提供所需的带宽，从10Mbit/s，100Mbit/s，1Gbit/s直至10Gbit/s。从管理上看，由于同样的系统可以应用在网络各个层面上，因此网络管理可以大大简化，新业务可以拓展得更快。
总的看，以太网多业务平台最适合IP/以太网业务量占绝对主导的网络应用场合，也可以在IP/以太网业务量足够大的中小城市作为独立的IP城域网应用，还可以在IP/以太网业务量很大的大中城市作为IP城域网的汇聚和接入层应用，核心则为高端路由器。一些改进的新型光以太网正在逐渐应用于城域网多业务平台。
然而，历史上以太网源于局域网，不必考虑QoS问题，当试图扩展应用到公用电信网时需要提供随用户而异的QoS和服务等级合同(SLA)机制，目前传统以太网还没有可靠的机制能保证端到端的抖动和延时性能，难以提供实时业务所需要的全网范围的标准QoS指配能力和多用户共享节点和网络所必须的计费统计能力。其次，以太网原来是为局域网用户内部应用设计的，缺乏安全机制保证，当扩展到MAN和WAN以后，需要开发新的更可靠的安全机制。第三，源于局域网环境的以太网的OAM&amp能力很弱。在公用电信网中，必须有效地运行和维护大规模的地理分散的网络，需要有很强的OAM&amp能力和网络级的管理能力和视野乃至商务赢利模式。第四，传统以太网交换机的光口是以点到点方式直接相连的，省掉了传输设备，不具备内置的强大故障定位能力和完备的性能监视能力，使以太网中发生的故障难以诊断和修复，特别是复杂的大网很难办。传统以太网主要靠生成树(STP)或快速生成树(RSTP)实施保护，需要至少数秒的时间才能收敛，难以传送电信级的语音数据业务。第五，以太网中光纤线路成本随网络规模的扩大和节点数的增加而迅速增长，其网络成本对于复杂的大型电信级网络是否合算还是个未知数。总之，只有妥善地解决了上述主要问题后，以太网才能作为真正的多业务平台应用于大型公用电信网环境，提供电信级的各类业务。
近来，光以太网的发展很快，一些最新的技术解决方案已经解决或部分解决了某些上述问题，对传统以太网技术进行了较大的改进，已能提供多种业务，具有一定的QoS能力和网管能力，具备较高的生存性，不少技术已能提供50ms的快速保护倒换时间，有些技术还采用了数字包封器，利用前向纠错(FEC)和同步技术来改进系统性能，延伸传输距离。简言之，一些新型光以太网技术正逐渐具备公用电信网所要求的必备功能和性能。除了大家比较熟悉的传统以太网技术的扩展和增强技术，例如QinQ(SVLAN)外，各种标准化组织和厂家开发了很多新型光以太网技术及其质量改进和保证标准，诸如弹性分组环(RPR)，多业务环(MSR)，MACinMAC封装，虚拟专用局域网业务(VPLS)等，各有特点。下面简要介绍MACinMAC封装和VPLS这两种最典型的新型光以太网技术。
所谓MacinMac封装是将用户的以太网数据帧再封装一个运营商的以太网帧头，形成两个Mac地址。其中，用户的Mac地址存储在运营商的以太网帧中，核心网并不知道用户的Mac地址，只根据运营商的Mac地址来转发流量。可见，MacinMac封装方式完全屏蔽了用户侧的信息(包括MAC地址、用户VLAN和生成树)，隔离了核心网，减轻了用户Mac地址对核心网转发表的压力；提高了网络扩展性，改进了网络安全性，增强了业务扩展性。其次，由于MacinMac采用二层封装技术，无需复杂的信令机制，设备成本、建网成本和运维成本均较低。最后，采用MacinMac封装方式，对下可以接入VLAN或SVLAN，对上可以与VPLS或其它VPN业务互通，具有很强的灵活性。VPLS则是在点到点MPLS基础上进一步发展而成的多点互联的二层VPN技术。从用户角度，仿佛所有站点都连至一个专有LAN。从业务提供商角度，可以重新利用IP/MPLS基础设施来提供多种业务。这种技术基于MPLS，独立于具体物理拓扑，可以利用MPLS的流量工程实现资源配置的最佳化；VPLS利用FRR代替以太网的STP和RSTP保护，可以实现50ms的保护倒换；VPLS还支持2/3/4层可扩展的访问控制列表(ACL)能力和每用户的ACL控制，提供了较安全的控制和策略机制；VPLS具有良好的二层汇聚能力，支持的用户数量突破了传统以太网的4096个VLANID的限制；VPLS提供层次化的VPLS(H-VPLS)，改进了扩展性；VPLS能够区分并保证每用户中的不同业务流量，网络业务配置简单，业务提供快；VPLS还具有清晰的业务提供者和用户驻地网之间的界限，便于管理。当然上述特点的获取不是免费的，由于VPLS使用三层协议建立信令，设备成本高，运维复杂，部分抵消了以太网的低成本优势。
可以预计，随着网络中IP/以太网业务量的日益增加以及基于以太网技术的新型解决方案的不断出现，光以太网多业务平台在城域网中展、挑战及应用
目前，10Gbit/s系统已大批量装备网络，不少电信公司已开始进行40Gbit/s系统的现场试验。从网络应用看，带10Gbit/s接口的路由器已经大量应用，带40Gbit/s接口的路由器也已经问世。为了提高核心网的效率和功能，核心网的单波长速率向40Gbit/s发展是合乎逻辑的。总的看，采用40Gbit/s传输的主要优势有：
(1)可以更有效地使用传输频带，频谱效率较高；
(2)如果40Gbit/s的成本降到10Gbit/s实际成本的2.5倍以下时，就达到了合理应用点，就有条件实现规模商用，降低传输成本；
(3)由于只用一个网元代替了四个网元，减少了OAM的成本、复杂性以及备件的数量；
(4)提高了核心网的效率和功能。
然而，单路波长的传输速率会受限于集成电路材料的电子和空穴的迁移率；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。目前看来，材料问题已不是主要限制，但后两项限制成为这一速率的实用化瓶颈。
从实际应用看，对于40Gbit/s传输系统，必须用外调制器；能具备足够输出电压驱动外调制器的驱动集成电路还不够成熟；沿用多年的NRZ调制方式能否有效可靠地工作于40Gbit/s还没有把握，起码长途传输是很困难的，必须转向性能更好的普通归零(RZ)码乃至调制效率更高的其他调制方式，例如载频抑制的RZ(CS-RZ)码，差分相移键控RZ(DPSK-RZ)码，啁啾的RZ(CRZ)码，超级CRZ(SuperCRZ)码，双二进制码(D-RZ)，伪线性RZ码，光孤子(Soliton)调制方式等。
除了技术因素外，经济上是否可行是必须考虑的关键因素，从历史经验看，只有成本降到2.5倍以内才有可能获得规模应用。
理论上，40Gbit/s系统应用的理想场合仍然是长途网，因为长途网需要最大的容量和最低的比特传送成本。然而，由于前几年的大规模建设，尽管目前我国干线网络的波道利用率已经超过70%，但是光纤利用率不到30%，SDH电路利用率不到50%，因而只需要波分复用层面上扩容即可，光缆网的总体容量依然有余，并不需要立即全面升级到40Gbit/s速率。另一个需要认真考虑的因素是光缆的极化模色散特性。如果说我国光缆网的极化模色散特性除了少数路由外在支持10Gbit/s传输方面还基本可行的话，那么当速率提高到40Gbit/s后，由于PMD受限的传输距离将随传输速率的平方关系成反比例而减少，传输距离将减少16倍，而且二阶极化模色散的影响变大。我国光缆网的极化模色散特性究竟能否有效支持40Gbit/s的长距离传输，还需要先进行大规模的实地测试后才能搞清。然而，对于短距离传输，无须色散补偿、光放大器和外调制器，40Gbit/s系统具有最低的单位比特成本，上述问题不是障碍。40Gbit/s的应用完全可以由短距离互联应用开始，包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互联，乃至扩展至城域网范围和短距离长途应用。
5、超长距离波分复用系统的发展
由于技术上的重大突破和市场的驱动，这几年波分复用系统发展十分迅猛。目前，1.6Tbit/sWDM系统已经大量商用。WDM系统为了尽量减少电再生点的数量，降低初始成本和运营成本，改进可靠性以及应付IP业务越来越长的落地终结距离，全光传输距离也在大幅度扩展，从目前的600km左右扩展到2000km以上，主要的使用技术有分布式喇曼放大器、超强前向纠错技术(FEC)、色散管理技术、严格的光均衡技术以及高效的调制格式等。总的看，敷设超长距离(ULH)波分复用系统的主要好处有：
(1)由于大量电再生中继器的消除，减低了系统成本和信号延时，简化了高速电路的指配，加快了业务提供速度；
(2)由于业务量的疏导在核心网边缘处实现，核心网可以确保有最大带宽效率；
(3)由于大量电再生中继器的消除，降低了网络的维护运营成本；
(4)由于进一步改进了网络透明性，降低了网络升级的成本并简化了网络结构，便于下一步向光网状网演进。
目前，ULH在技术上已经完全成熟，实际网络应用也已有一些，但是世界上需要这样长距离传输电路的国家或区域太少，导致应用规模不大，设备成本无法利用规模生产的优势，网络总成本似乎并不那么便宜，也在一定程度上影响了其应用。
6、城域CWDM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。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一定使用，波长数的增加和扩展不再受光放大器频带的限制，容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件成本大幅度下降，降低了整个系统的成本。
尽管城域WDM系统的成本已明显低于长途网WDM系统，但目前绝对成本仍然较高，特别是传输距离较长时光纤放大器有时不能省掉，因此需要开发低成本光纤放大器。其次，当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少，WDM多业务平台主要适用于核心层，特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。
为了进一步降低城域WDM多业务平台的成本，出现了粗波分复用(CWDM)系统的概念。这种系统的典型波长组合有三种，即4、8和16个，波长通路间隔达20nm，允许波长漂移±6.5nm，大大降低了对激光器的要求，其成本可以大大降低。此外，由于CWDM系统对激光器的波长精度要求很低，无须致冷器和波长锁定器，不仅功耗低，尺寸小，而且其封装可以用简单的同轴结构，比传统碟型封装成本低，激光器模块的总成本可以减少2/3。从滤波器角度看，以典型的100GHz间隔的介质薄膜滤波器为例，需要150层镀膜，而20nm间隔的CWDM滤波器只需要50层镀膜即可，其成品率和成本都可以获得有效改进，预计成本可以至少降低一半。简言之，CWDM系统无论是激光器输出功率要求，还是对温度的敏感度要求以及对色散容忍度的要求，乃至对封装的要求都远低于DWDM激光器，再加上滤波器要求的降低，使系统成本有望大幅度下降。特别由于8波长CWDM系统的光谱安排避开了1385nm附近的OH吸收峰，可以适用于任意一类光纤，将会首先获得应用。
从业务应用上看，CWDM收发器已经应用于Gbit/s接口转换器(GBIC)和小型可插拔器件(SFP)，可以直接插入到Gbit/s以太网交换机和光纤通路交换机中，其体积、功耗和成本均远小于对应的DWDM器件。显然，从业务需求和成本考虑出发，CWDM应该在我国城域网具有良好的发展前景。
7、从点到点WDM传输走向自动交换光网络
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，其节点容量无法跟上网络传输链路容量的增长速度。进一步扩容的希望转向光节点，即光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)。
从实现技术上看，OXC可以划分为两大类，即采用电交叉矩阵的OXC(有时简称OEO方式或电OXC)和采用纯光交叉矩阵的OXC(有时简称OOO方式或全光OXC)。前者可以比较容易地实现信号质量监控和消除传输损伤，网管比较成熟，容量不很大时成本较低，与现有线路技术兼容，更重要的是可以对小于整个波长的带宽进行处理和调配，符合近期市场的容量需要。然而其扩容依然主要通过持续的半导体芯片密度和性能的改进来实现的，改进的速度还是无法跟上网络传输链路容量的增长速度。
另一方面，采用光交叉矩阵的OXC省去了光电转换环节，不仅节约了大量光电转换接口，而且由于消除了带宽瓶颈，容量可望大幅度扩展，随之带来的透明性还可以使其支持各种客户层信号，功耗较小，具有更长远的技术寿命。但是，这类设备可以交换的带宽颗粒至少是整个波长，不经济。其次，为了引入全光交换机，可能必须更新改造已有线路系统。第三，在光域实现性能监视很困难。第四，与全光交换机相连的线路是由一系列均衡过的光放大器构成的，试图在均衡好的网状网中快速动态实施波长选路很困难。最后，由于色散非线性损伤问题，使全光网的覆盖范围受限。凡此种种，尤其是网络必须灵活调度的容量需求不足，导致全光OXC的发展受阻，在世界上仅有极少的应用案例。相信随着网络容量的持续发展，网络业务质量要求的不断提升，全光OXC的应用将会在未来几年中逐步提到日程上来考虑的。
随着网络业务量向动态的IP业务量的继续汇聚，一个灵活动态的光网络是不可或缺的，最新发展趋势是引入自动交换光网络(ASON)，使光联网从静态光联网走向动态交换光网络，所带来的主要好处有：
(1)允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了业务层扩容时间；
(2)快速的业务提供和拓展；
(3)降低网络初始建设成本和运行维护成本；
(4)光层的快速业务恢复能力；
(5)减少了运行支持系统软件的需要，减少了人工出错机会；(6)可以引入新的波长业务，诸如按需带宽业务(BOD)、波长批发、波长出租、分级的带宽业务、动态波长分配租用业务、动态路由分配、光层虚拟专用网(OVPN)等。
鉴于上述优点的吸引，AT&T，BT和NTT等世界顶级电信运营商已经成功地在网络中引入OXC和ASON。其中AT&T已经实现了简化网络结构，提高带宽利用率，降低初始成本50%以及简化规划、指配和维护，降低运行成本60%的双重目的。
由于ASON涉及网络信令和选路，因此统一标准十分重要。从理论上看，目前涉及该领域的三个标准组织(ITU，IETF，OIF)的工作领域没有直接冲突。但实际上，由于技术、文化和政治上的差异，常常导致具体技术问题和选择上的冲突，还需要时间来协调。
总体上看，就传送面看，OEO硬件交换平台已经完全成熟商用，大规模OOO交换平台的可靠性还有待实际考验，带宽颗粒大，容量需求也不足。从控制面看，标准已趋向基本成熟。UNI1.0完全成熟，已实现多厂家互通，UNI2.0的通用部分和RSVP信令部分计划在2006年初完成；I-NII无需标准化；E-NNI1.0版本目标是实现同一运营商内多厂家环境的组网，目前比较成熟的是信令部分，路由部分即将完成，自动发现部分更晚一些。从管理面看，由于控制面的引入，ASON的网管功能弱化，部分功能移交给控制面完成，有利于多厂家网管互通，估计不会成为制约ASON应用的主要因素。
我国过去十几年来，光纤通信的发展一直是以点到点的链路容量的扩展为主线的。近几年来，随着高度动态的IP业务量的持续高速发展和专线业务的稳步发展，以及网络容量的相对宽余和竞争的加剧，传送网向动态联网的ASON的发展已经提到日程上来，建设一个大容量的高度灵活、动态、可靠的传送网已经成为我国传送网转型的关键和下一步发展的重点。
8、FTTH技术的发展和展望
从FTTH技术选择的角度，有点到点有源以太网和点到多点无源光网络两类。前者的主要优点是专用接入，带宽有保证；局端设备简单便宜；传输距离长；成本随用户数的实际增长而线性增加，可预测，投资风险低，设备端口利用率较高，因而在低密度用户分散地区成本较低。缺点是两端设备和光纤设施专用，用户不能共享，不太适合高密集用户区域。另外，有源以太网要求多点供电和备用电源，增加了供电和网管的复杂性。第三，有源以太网并没有一个单一的标准，而是利用多个相关标准，从而产生多种不兼容的解决方案。
另一方面，无源光网络是纯介质网络，避免了电磁干扰和雷电影响，减少了故障率，消除了带宽瓶颈，提高了系统可靠性，节省了维护成本。其次，无源光网络的透明性好，带宽宽，可适用于任何制式和速率的信号，能比较经济地支持三重业务功能(Triple-play)。第三，由于其局端设备和光纤由用户共享，因而光纤线路长度和收发设备数量较少，相应成本较低，且每用户成本随着用户数量的增加而迅速下降，因而最适合于那些用户区域较分散，而每一区域用户又相对集中的小面积密集用户地区，尤其是新建区域。最后，无源光网络的标准化程度好。在宽带无源光网络中，二层技术用什么?并无明确结论。前些年采用ATM的APON曾经看好，终因成本太高、业务提供能力有限、数据传送速率和效率不高以及ATM的衰落而黯淡。随着IP的崛起和发展，有人提出了EPON的概念，即在与APON类似的结构和G.983的基础上，设法保留其物理层PON，而以以太网代替ATM作为链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体——EPON。这种技术的主要特点有：消除了ATM和SDH层，降低了初始成本和运行成本；可以大量采用以太网技术成熟的芯片，实现较简单，成本低；提供了多层安全机制，诸如VLAN、闭合用户群和支持VPN等。
2001年，在IEEE积极制定EPON标准的同时，FSAN组织开始制定千兆以太网无源光网络(GPON)。随后，ITU-T也介入了这一新标准的制定工作并于2003年通过两个有关GPON的新的标准G.984.1和G.984.2。
按照这一最新标准的规定，GPON可以提供2.488Gbit/s的下行速率和多种标准上行速率，传输距离至少达20km，分路比可以为1：16，1：32，1：64乃至1：128，即在速率、速率灵活性、传输距离和分路比方面比EPON有优势。其次，GPON采用了两种适配方式，除了传统的ATM外，还采用了一个标准通用组帧程序GFP，可以透明高效地将各种数据信号封装进现有SDH网络，适应任何信号格式和任何传输制式，封装效率高、业务灵活。
第三，由于GPON传输汇聚层本质上是同步的，可以直接高质量地灵活地支持实时的TDM话音业务。而EPON在承载TDM业务方面没有具体规定，导致厂家可以采用不同方法来承载，互操作性较差，性能难以确保。第四，GPON在网管方面具有丰富的功能，比EPON考虑周到。不过，EPON在网管功能上比普通以太网有了明显改进。
总的看，GPON是一种运营商驱动的标准，具有更周到的运营利益考虑，速率更高，速率灵活性更大；具有通用的映射格式，可适应任何新老业务；具有丰富的OAM&amp功能；对各种业务均有很高的传输效率，即便对于TDM业务也能灵活高效地传送。可以帮助运营商完成从传统TDM语音电路向全IP网络的平滑过渡，将可能成为最终的解决方案。
除了系统技术外，FTTH技术还涉及光有源和无源器件、光缆技术、接续技术、敷设施工技术、测试技术、网络管理技术等方方面面的突破，任意一个环节的技术，成本和操作上的瓶颈都可能限制FTTH的大规模发展。因此，对于FTTx，特别是FTTH还需要有大量的基础性和开发性工作要做。从最近的发展看，尽管FTTH的设备价格已有大幅下降，但对于TriplePlay业务，EPON价格依然高居300美元/户左右，是ADSL的很多倍。在可以预见的未来，各种宽带业务对带宽的总需求还不超过20Mbit/s，经营视频业务的政策风险和市场风险依然很大，因而我国尚不具备FTTH大规模商用的条件，目前主要处于现场试验和试商用阶段。随着2008年奥运会和2010年世界博览会的临近，FTTH在我国的实际应用正日益趋近，FTTH的理想已经不再是遥不可及的远景，但是足够的耐性和全面扎实的准备不仅是不可或缺的，也是通向成功的唯一道路。