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          光纖通信技術的發展趨勢

          發布日期:2014-07-25

          [摘要]對光纖通信技術領域的主要發展熱點作一簡述與展望,主要有超高速傳輸系統、
          超大容量波分復用系統、光聯網技術、新一代的光纖、IP over SDH與IP over
          Optical以及光接入網。
          關鍵詞:光纖 超高速傳輸 超大容量波分復用 光聯網
              光纖通信的誕生與發展是電信史上的一次重要革命。近幾年來,隨著技術的進步,
          電信管理體制的改革以及電信市場的逐步全面開放,光纖通信的發展又一次呈現了蓬
          勃發展的新局面,本文旨在對光纖通信領域的主要發展熱點作一簡述與展望。
          1 向超高速系統的發展
               從過去2O多年的電信發展史看,網絡容量的需求和傳輸速率的提高一直是一對主
          要矛盾。傳統光纖通信的發展始終按照電的時分復用(TDM)方式進行,每當傳輸速率
          提高4倍,傳輸每比特的成本大約下降30%~40%;因而高比特率系統的經濟效益大致
          按指數規律增長,這就是為什么光纖通信系統的傳輸速率在過去20多年來一直在持續
          增加的根本原因。目前商用系統已從45Mbps增加到10Gbps,其速率在20年時間里增加了
          20O0倍,比同期微電子技術的集成度增加速度還快得多。高速系統的出現不僅增加了業
          務傳輸容量,而且也為各種各樣的新業務,特別是寬帶業務和多媒體提供了實現的可能。
          目前10Gbps系統已開始大批量裝備網絡,全世界安裝的終端和中繼器已超過5000個,主
          要在北美,在歐洲、日本和澳大利亞也已開始大量應用。我國也將在近期開始現場試驗。
          需要注意的是,10Gbps系統對于光纜極化模色散比較敏感,而已經敷設的光纜并不
          一定都能滿足開通和使用10Gbps系統的要求,需要實際測試,驗證合格后才能安裝開通。
          在理論上,上述基于時分復用的高速系統的速率還有望進一步提高,例如在實驗室
          傳輸速率已能達到4OGbps,采用色度色散和極化模色散補償以及偽三進制(即雙二進制)
          編碼后已能傳輸100km。然而,采用電的時分復用來提高傳輸容量的作法已經接近硅和鎵
          砷技術的極限,沒有太多潛力可挖了,此外,電的40Gbps系統在性能價格比及在實用中
          是否能成功還是個未知因素,因而更現實的出路是轉向光的復用方式。光復用方式有很
          多種,但目前只有波分復用(WDM)方式進入大規模商用階段,而其它方式尚處于試驗
          研究階段。
          2 向超大容量WDM系統的演進光纖接入|光纖傳輸
          如前所述,采用電的時分復用系統的擴容潛力已盡,然而光纖的200nm可用帶寬資
          源僅僅利用了不到1%,99%的資源尚待發掘。如果將多個發送波長適當錯開的光源信
          號同時在一極光纖上傳送,則可大大增加光纖的信息傳輸容量,這就是波分復用(WDM)
          的基本思路。采用波分復用系統的主要好處是:(1)可以充分利用光纖的巨大帶寬資
          源,使容量可以迅速擴大幾倍至上百倍;(2)在大容量長途傳輸時可以節約大量光纖
          和再生器,從而大大降低了傳輸成本;(3)與信號速率及電調制方式無關,是引入寬
          帶新業務的方便手段;(4)利用WDM網絡實現網絡交換和恢復可望實現未來透明的、具
          有高度生存性的光聯網。
          鑒于上述應用的巨大好處及近幾年來技術上的重大突破和市場的驅動,波分復用系
          統發展十分迅速。如果認為1995年是起飛年的話,其全球銷售額僅僅為1億美元,而2000
          年預計可超過40億美元,2005年可達120億美元,發展趨勢之快令人驚訝。目前全球實
          際敷設的WDM系統已超過3000個,而實用化系統的**容量已達320Gbps(2*16*10Gbps),
          美國朗訊公司已宣布將推出80個波長的WDM系統,其總容量可達200Gbps(80*2.5Gbps)
          或400Gbps(40*10Gbps)。實驗室的**水平則已達到2.6Tbps(13*20Gbps)。預計不
          久實用化系統的容量即可達到1Tbps的水平。可以認為近2年來超大容量密集波分復用系
          統的發展是光纖通信發展史上的又一里程碑。不僅徹底開發了無窮無盡的光傳輸鍵路的
          容量,而且也成為IP業務爆炸式發展的催化劑和下一代光傳送網靈活光節點的基礎。
          3 實現光聯網——戰略大方向
          上述實用化的波分復用系統技術盡管具有巨大的傳輸容量,但基本上是以點到點通
          信為基礎的系統,其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實現類似SDH在電
          路上的分插功能和交叉連接功能的話,無疑將增加新一層的威力。根據這一基本思路,
          光的分插復用器(OADM)和光的交叉連接設備(OXC)均已在實驗室研制成功,前者已
          投入商用。
          實現光聯網的基本目的是:(1)實現超大容量光網絡;(2)實現網絡擴展性,允
          許網絡的節點數和業務量的不斷增長;(3)實現網絡可重構性,達到靈活重組網絡的
          目的;(4)實現網絡的透明性,允許互連任何系統和不同制式的信號;(5)實現快速
          網絡恢復,恢復時間可達100ms。
          鑒于光聯網具有上述潛在的巨大優勢,發達國家投入了大量的人力、物力和財力進
          行預研,特別是美國國防部預研局(DARPA)資助了一系列光聯網項目,如以Be11core
          為主開發的“光網技術合作計劃(ONTC)”,以朗訊公司為主開發的“全光通信網”預
          研計劃”,“多波長光網絡(MONET)”和“國家透明光網絡(NTON)”等。在歐洲和
          日本,也分別有類似的光聯網項目在進行。光纖接入|光纖傳輸
          綜上所述光聯網已經成為繼SDH電聯網以后的又一新的光通信發展高潮。其標準化
          工作將于2000年基本完成,其設備的商用化時間也大約在2000年左右。建設一個**透
          明的。高度靈活的和超大容量的國家骨干光網絡不僅可以為未來的國家信息基礎設施(
          NII) 奠定一個堅實的物理基礎,而且也對我國下一世紀的信息產業和國民經濟的騰飛
          以及國家的安全有極其重要的戰略意義。
          4 新一代的光纖
          近幾年來隨著IP業務量的爆炸式增長,電信網正開始向下一代可持續發展的方向發
          展,而構筑具有巨大傳輸容量的光纖基礎設施是下一代網絡的物理基礎。傳統的G.652
          單模光纖在適應上述超高速長距離傳送網絡的發展需要方面已暴露出力不從心的態勢,
          開發新型光纖已成為開發下一代網絡基礎設施的重要組成部分。目前,為了適應干線
          網和城域網的不同發展需要,已出現了兩種不同的新型光纖,即非
          零色散光纖(G.655光纖)和無水吸收峰光纖(全波光纖)。
          4.1 新一代的非零色散光纖 非零色散光纖(G.655光纖)的基本設計思想是在1550
          窗口工作波長區具有合理的較低色散,足以支持10Gbps的長距離傳輸而無需色散補償,
          從而節省了色散補償器及其附加光放大器的成本;同時,其色散值又保持非零特性,
          具有一起碼的*小數值(如2ps/(nm.km)以上),足以壓制四波混合和交叉相位調
          制等非線性影響,適宜開通具有足夠多波長的DWDM系統,同時滿足TDM和DWDM兩種發展
          方向的需要。為了達到上述目的,可以將零色散點移向短波長側(通常1510~1520nm
          范圍)或長波長側(157nm附近),使之在1550nm附近的工作波長區呈現一定大小的色
          散值以滿足上述要求。典型G.655光纖在1550nm波長區的色散值為G.652光纖的1/6~
          1/7,因此色散補償距離也大致為G.652光纖的6~7倍,色散補償成本(包括光放大器,
          色散補償器和安裝調試)遠低于G.652光纖。
          4.2 全波光纖 與長途網相比,城域網面臨更加復雜多變的業務環境,要直接支持大
          用戶,因而需要頻繁的業務量疏導和帶寬管理能力。但其傳輸距離卻很短,通常只有
          50~80km,因而很少應用光纖放大器,光纖色散也不是問題。顯然,在這樣的應用環
          境下,怎樣才能*經濟有效地使業務量上下光纖成為網絡設計至關重要的因素。采用
          具有數百個復用波長的高密集波分復用技術將是一項很有前途的解決方案。此時,可
          以將各種不同速率的業務量分配給不同的波長,在光路上進行業務量的選路和分插。
          在這類應用中,開發具有盡可能寬的可用波段的光纖成為關鍵。目前影響可用波段的
          主要因素是1385nm附近的水吸收峰,因而若能設法消除這一水峰,則光纖的可用頻譜
          可望大大擴展。全波光纖就是在這種形勢下誕生的。
          全波光纖采用了一種全新的生產工藝,幾乎可以完全消除由水峰引起的衰減。除
          了沒有水峰以外,全波光纖與普通的標準G.652匹配包層光纖一樣。然而,由于沒有了
          水峰,光纖可以開放第5個低損窗口,從而帶來一系列好處:
          (1)可用波長范圍增加100nm,使光纖的全部可用波長范圍從大約200nm增加到
          300nm,可復用的波長數大大增加;
          (2)由于上述波長范圍內,光纖的色散僅為155Onm波長區的一半,因而,容易實
          現高比特率長距離傳輸;
          (3)可以分配不同的業務給*適合這種業務的波長傳輸,改進網絡管理;
          (4)當可用波長范圍大大擴展后,允許使用波長間隔較寬、波長精度和穩定度要
          求較低的光源、合波器、分波器和其它元件,使元器件特別是無源器件的成本大幅度
          下降,這就降低了整個系統的成本。
          5 IP over SDH與IP over Optical
          以IP業務為主的數據業務是當前世界信息業發展的主要推動力,因而能否有效地
          支持IP業務已成為新技術能否有長遠技術壽命的標志。
          目前,ATM和SDH均能支持IP,分別稱為IP over ATM和IP over SDH兩者各有千秋。
          IP over ATM利用ATM的速度快、顆粒細、多業務支持能力的優點以及IP的簡單、靈活、
          易擴充和統一性的特點,可以達到優勢互補的目的,不足之處是網絡體系結構復雜、
          傳輸效率低、開銷損失大(達25%~30%)。而SDH與IP的結合恰好能彌補上述IP over
          ATM的弱點。其基本思路是將IP數據包通過點到點協議(PPP)直接映射到SDH幀,省
          掉了中間復雜的ATM層。具體作法是先把IP數據包封裝進PPP分組,然后利用HDLC組幀,
          再將字節同步映射進SDH的VC包封中,**再加上相應SDH開銷置入STM-N幀中即可。
          IP over SDH在本質上保留了因特網作為IP網的無連接特征,形成統一的平面網,
          簡化了網絡體系結構,提高了傳輸效率,降低了成本,易于IP組插和兼容的不同技術
          體系實現網間互聯。*主要優點是可以省掉ATM方式所不可缺少的信頭開銷和IP over
          ATM封裝和分段組裝功能,使通透量增加25%~30%,這對于成本很高的廣域網而言
          是十分珍貴的。缺點是網絡容量和擁塞控制能力差,大規模網絡路由表太復雜,只有
          業務分級,尚無優先級業務質量,對高質量業務難以確保質量,尚不適于多業務平臺,
          是以運載IP業務為主的網絡理想方案。隨著千兆比高速路由器的商用化,其發展勢頭
          很強。采用這種技術的關鍵是千兆比高速路由器,這方面近來已有突破性進展,如美
          國Cisco公司推出的12000系列千兆比特交換路由器(GSR),可在千兆比特速率上實
          現因特網業務選路,并具有5~60Gbps的多帶寬交換能力,提供靈活的擁塞管理、組
          播和QOS功能,其骨干網速率可以高達2.5Gbps,將來能升級至10Gbps。這類新型高速
          路由器的端口密度和端口費用已可與ATM相比,轉發分組延時也已降至幾十微秒量級,
          不再是問題。總之,隨著千兆比特高速路由器的成熟和IP業務的大發展,IP over
          SDH將會得到越來越廣泛的應用。光纖接入|光纖傳輸
          但從長遠看,當IP業務量逐漸增加,需要高于2.4Gbps的鏈路容量時,則有可能
          *終會省掉中間的SDH層,IP直接在光路上跑,形成十分簡單統一的IP網結構(IP over
          Optical)。顯然,這是一種*簡單直接的體系結構,省掉了中間ATM層與SDH層,減
          化了層次,減少了網絡設備;減少了功能重疊,簡化了設備,減輕了網管復雜性,特
          別是網絡配置的復雜性;額外的開銷**,傳輸效率**;通過業務量工程設計,可
          以與IP的不對稱業務量特性相匹配;還可利用光纖環路的保護光纖吸收突發業務,盡
          量避免緩存,減少延時;由于省掉了昂貴的ATM交換機和大量普通SDH復用設備,簡化
          了網管,又采用了波分復用技術,其總成本可望比傳統電路交換網降低一至二個量級!
          綜上所述,現實世界是多樣性的,網絡解決方案也不會是單一的,具體技術的選
          用還與具體電信運營者的背景有關。三種IP傳送技術都將在電信網發展的不同時期和
          網絡的不同部分發揮自己應有的歷史作用。但從面向未來的視角看,IP over Optical
          將是**長遠生命力的技術。特別是隨著IP業務逐漸成為網絡的主導業務后,這種對
          IP業務*理想的傳送技術將會成為未來網絡特別是骨干網的主導傳送技術。在相當長
          的時期,IP over ATM,IP overSDH和IP over Optical將會共存互補,各有其*佳應
          用場合和領域。
          6 解決全網瓶頸的手段——光接入網
          過去幾年間,網絡的核心部分發生了翻天覆地的變化,無論是交換,還是傳輸都
          已更新了好幾代。不久,網絡的這一部分將成為全數字化的、軟件主宰和控制的、高
          度集成和智能化的網絡。而另一方面,現存的接入網仍然是被雙絞線銅線主宰的(90%
          以上)、原始落后的模擬系統。兩者在技術上的巨大反差說明接入網已確實成為制約
          全網進一步發展的瓶頸。目前盡管出現了一系列解決這一瓶頸問題的技術手段,如雙
          絞線上的xDSL系統,同軸電纜上的HFC系統,寬帶無線接入系統,但都只能算是一些
          過渡性解決方案,**能夠根本上徹底解決這一瓶頸問題的長遠技術手段是光接入網。
          接入網中采用光接入網的主要目的是:減少維護管理費用和故障率;開發新設備,
          增加新收入;配合本地網絡結構的調整,減少節點,擴大覆蓋;充分利用光纖化所帶
          來的一系列好處;建設透明光網絡,迎接多媒體時代。 所謂光接入網從廣義上可
          以包括光數字環路載波系統(ODLC)和無源光網絡(PON)兩類。數字環路載波系統
          DLC不是一種新技術,但結合了開放接口VS.1/V5.2,并在光纖上傳輸綜合的DLC(ID
          LC),顯示了很大的生命力,以美國為例,目前的1.3億用戶線中,DLC/IDLC已占據
          3600萬線,其中IDLC占2700萬線。特別是新增用戶線中50%為IDLC,每年約500萬線。
          至于無源光網絡技術主要是在德國和日本受到重視。德國在1996年底前共敷設了約230
          萬線光接入網系統,其中PON約占100萬線。日本更是把PON作為其網絡光纖化的主要技
          術,堅持不懈攻關十多年,采取一系列技術和工藝措施,將無源光網絡成本降至與銅
          纜絞線成本相當的水平,并已在1998年全面啟動光接入網建設,將于2010年達到6000
          萬線,基本普及光纖通信網,以此作為振興21世紀經濟的對策。近來又計劃再爭取提
          前到2005年實現光纖通信網。光纖接入|光纖傳輸
          在無源光網絡的發展進程中,近來又出現了一種以ATM為基礎的寬帶無源光網絡
          (APON),這種技術將ATM和PON的優勢相互結合,傳輸速率可達622/155Mbps,可以
          提供一個經濟**的多媒體業務傳送平臺并有效地利用網絡資源,代表了多媒體時代
          接入網發展的一個重要戰略方向。目前國際電聯已經基本完成了標準化工作,預計
          1999年就會有商用設備問世。可以相信,在未來的無源光網絡技術中,APON將會占據
          越來越大的份額,成為面向21世紀的寬帶投入技術的主要發展方向。
          7 結束語
          從上述涉及光纖通信的幾個方面的發展現狀與趨勢來看,完全有理由認為光纖通
          信進入了又一次蓬勃發展的新高潮。而這一次發展高潮涉及的范圍更廣,技術更新更
          難,影響力和影響面也更寬,勢必對整個電信網和信息業產生更加深遠的影響。它的
          演變和發展結果將在很大程度上決定電信網和信息業的未來大格局,也將對下一世紀
          的社會經濟發展產生巨大影響。

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