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添加時(shí)間：2017-05-20 15:50:34
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摘要:對光纖通信技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展熱點(diǎn)作一簡述與展望，主要有超高速傳輸系統(tǒng)、超大容量波分復(fù)用系統(tǒng)、光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、新一代的光纖、IP over SDH與IP overOptical以及光接入網(wǎng)。
關(guān)鍵詞：光纖 超高速傳輸 超大容量波分復(fù)用 光聯(lián)網(wǎng)
光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命。近幾年來，隨著技術(shù)的進(jìn)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(fā)展又一次呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的新局面，本文旨在對光纖通信領(lǐng)域的主要發(fā)展熱點(diǎn)作一簡述與展望。
1 向超高速系統(tǒng)的發(fā)展
從過去20多年的電信發(fā)展史看，網(wǎng)絡(luò)容量的需求和傳輸速率的提高一直是一對主要矛盾。傳統(tǒng)光纖通信的發(fā)展始終按照電的時(shí)分復(fù)用（TDM）方式進(jìn)行，每當(dāng)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(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益大致按指數(shù)規(guī)律增長，這就是為什么光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率在過去20多年來一直在持續(xù)增加的根本原因。目前商用系統(tǒng)已從45Mbps增加到10Gbps，其速率在20年時(shí)間里增加了20O0倍，比同期微電子技術(shù)的集成度增加速度還快得多。高速系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅增加了業(yè)務(wù)傳輸容量，而且也為各種各樣的新業(yè)務(wù)，特別是寬帶業(yè)務(wù)和多媒體提供了實(shí)現(xiàn)的可能。目前10Gbps系統(tǒng)已開始大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，全世界安裝的終端和中繼器已超過5000個(gè)，主要在北美，在歐洲、日本和澳大利亞也已開始大量應(yīng)用。我國也將在近期開始現(xiàn)場試驗(yàn)。
需要注意的是，10Gbps系統(tǒng)對于光纜極化模色散比較敏感，而已經(jīng)敷設(shè)的光纜并不一定都能滿足開通和使用10Gbps系統(tǒng)的要求，需要實(shí)際測試，驗(yàn)證合格后才能安裝開通。
在理論上，上述基于時(shí)分復(fù)用的高速系統(tǒng)的速率還有望進(jìn)一步提高，例如在實(shí)驗(yàn)室傳輸速率已能達(dá)到4OGbps，采用色度色散和極化模色散補(bǔ)償以及偽三進(jìn)制（即雙二進(jìn)制）編碼后已能傳輸100km。然而，采用電的時(shí)分復(fù)用來提高傳輸容量的作法已經(jīng)接近硅和鎵砷技術(shù)的極限，沒有太多潛力可挖了，此外，電的40Gbps系統(tǒng)在性能價(jià)格比及在實(shí)用中是否能成功還是個(gè)未知因素，因而更現(xiàn)實(shí)的出路是轉(zhuǎn)向光的復(fù)用方式。光復(fù)用方式有很多種，但目前只有波分復(fù)用（WDM）方式進(jìn)入大規(guī)模商用階段，而其它方式尚處于試驗(yàn)研究階段。
2 向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)
如前所述，采用電的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的擴(kuò)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(fā)掘。如果將多個(gè)發(fā)送波長適當(dāng)錯(cuò)開的光源信號同時(shí)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(fù)用（WDM）的基本思路。采用波分復(fù)用系統(tǒng)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(kuò)大幾倍至上百倍；（2）在大容量長途傳輸時(shí)可以節(jié)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(diào)制方式無關(guān)，是引入寬帶新業(yè)務(wù)的方便手段；（4）利用WDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)可望實(shí)現(xiàn)未來透明的、具有高度生存性的光聯(lián)網(wǎng)。
鑒于上述應(yīng)用的巨大好處及近幾年來技術(shù)上的重大突破和市場的驅(qū)動(dòng)，波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。如果認(rèn)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(yù)計(jì)可超過40億美元，2005年可達(dá)120億美元，發(fā)展趨勢之快令人驚訝。目前全球?qū)嶋H敷設(shè)的WDM系統(tǒng)已超過3000個(gè)，而實(shí)用化系統(tǒng)的最大容量已達(dá)320Gbps（2*16*10Gbps），美國朗訊公司已宣布將推出80個(gè)波長的WDM系統(tǒng)，其總?cè)萘靠蛇_(dá)200Gbps（80*2.5Gbps）或400Gbps（40*10Gbps）。實(shí)驗(yàn)室的最高水平則已達(dá)到2.6Tbps（13*20Gbps）。預(yù)計(jì)不久實(shí)用化系統(tǒng)的容量即可達(dá)到1Tbps的水平?？梢哉J(rèn)為近2年來超大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展是光纖通信發(fā)展史上的又一里程碑。不僅徹底開發(fā)了無窮無盡的光傳輸鍵路的容量，而且也成為IP業(yè)務(wù)爆炸式發(fā)展的催化劑和下一代光傳送網(wǎng)靈活光節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)。
3 實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)——戰(zhàn)略大方向
上述實(shí)用化的波分復(fù)用系統(tǒng)技術(shù)盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點(diǎn)到點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實(shí)現(xiàn)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(jù)這一基本思路，光的分插復(fù)用器（OADM）和光的交叉連接設(shè)備（OXC）均已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，前者已投入商用。
實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)的基本目的是：（1）實(shí)現(xiàn)超大容量光網(wǎng)絡(luò)；（2）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性，允許網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和業(yè)務(wù)量的不斷增長；（3）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)性，達(dá)到靈活重組網(wǎng)絡(luò)的目的；（4）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的透明性，允許互連任何系統(tǒng)和不同制式的信號；（5）實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間可達(dá)100ms。
鑒于光聯(lián)網(wǎng)具有上述潛在的巨大優(yōu)勢，發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行預(yù)研，特別是美國國防部預(yù)研局（DARPA）資助了一系列光聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，如以Be11core為主開發(fā)的“光網(wǎng)技術(shù)合作計(jì)劃（ONTC）”，以朗訊公司為主開發(fā)的“全光通信網(wǎng)”預(yù)研計(jì)劃”，“多波長光網(wǎng)絡(luò)（MONET）”和“國家透明光網(wǎng)絡(luò)（NTON）”等。在歐洲和日本，也分別有類似的光聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目在進(jìn)行。
綜上所述光聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為繼SDH電聯(lián)網(wǎng)以后的又一新的光通信發(fā)展高潮。其標(biāo)準(zhǔn)化工作將于2000年基本完成，其設(shè)備的商用化時(shí)間也大約在2000年左右。建設(shè)一個(gè)最大透明的。高度靈活的和超大容量的國家骨干光網(wǎng)絡(luò)不僅可以為未來的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NII) 奠定一個(gè)堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，而且也對我國下一世紀(jì)的信息產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的騰飛以及國家的安全有極其重要的戰(zhàn)略意義。
4 新一代的光纖
近幾年來隨著IP業(yè)務(wù)量的爆炸式增長，電信網(wǎng)正開始向下一代可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展，而構(gòu)筑具有巨大傳輸容量的光纖基礎(chǔ)設(shè)施是下一代網(wǎng)絡(luò)的物理基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)上述超高速長距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢，開發(fā)新型光纖已成為開發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。目前，為了適應(yīng)干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要，已出現(xiàn)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(shè)計(jì)思想是在1550窗口工作波長區(qū)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(bǔ)償，從而節(jié)省了色散補(bǔ)償器及其附加光放大器的成本；同時(shí)，其色散值又保持非零特性，具有一起碼的最小數(shù)值（如2ps／（nm.km）以上），足以壓制四波混合和交叉相位調(diào)制等非線性影響，適宜開通具有足夠多波長的DWDM系統(tǒng)，同時(shí)滿足TDM和DWDM兩種發(fā)展方向的需要。為了達(dá)到上述目的，可以將零色散點(diǎn)移向短波長側(cè)（通常1510～1520nm范圍）或長波長側(cè)（157nm附近），使之在1550nm附近的工作波長區(qū)呈現(xiàn)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(qū)的色散值為G.652光纖的1／6～1／7，因此色散補(bǔ)償距離也大致為G.652光纖的6～7倍，色散補(bǔ)償成本（包括光放大器，色散補(bǔ)償器和安裝調(diào)試）遠(yuǎn)低于G.652光纖。
4.2 全波光纖 與長途網(wǎng)相比，城域網(wǎng)面臨更加復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)環(huán)境，要直接支持大用戶，因而需要頻繁的業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)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(yīng)用光纖放大器，光纖色散也不是問題。顯然，在這樣的應(yīng)用環(huán)境下，怎樣才能最經(jīng)濟(jì)有效地使業(yè)務(wù)量上下光纖成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的因素。采用具有數(shù)百個(gè)復(fù)用波長的高密集波分復(fù)用技術(shù)將是一項(xiàng)很有前途的解決方案。此時(shí)，可以將各種不同速率的業(yè)務(wù)量分配給不同的波長，在光路上進(jìn)行業(yè)務(wù)量的選路和分插。在這類應(yīng)用中，開發(fā)具有盡可能寬的可用波段的光纖成為關(guān)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(shè)法消除這一水峰，則光纖的可用頻譜可望大大擴(kuò)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(fù)用的波長數(shù)大大增加；
（2）由于上述波長范圍內(nèi)，光纖的色散僅為155Onm波長區(qū)的一半，因而，容易實(shí)現(xiàn)高比特率長距離傳輸；
（3）可以分配不同的業(yè)務(wù)給最適合這種業(yè)務(wù)的波長傳輸，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)管理；
（4）當(dāng)可用波長范圍大大擴(kuò)展后，允許使用波長間隔較寬、波長精度和穩(wěn)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(gè)系統(tǒng)的成本。
5 IP over SDH與IP over Optical
以IP業(yè)務(wù)為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是當(dāng)前世界信息業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)力，因而能否有效地支持IP業(yè)務(wù)已成為新技術(shù)能否有長遠(yuǎn)技術(shù)壽命的標(biāo)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(xì)、多業(yè)務(wù)支持能力的優(yōu)點(diǎn)以及IP的簡單、靈活、易擴(kuò)充和統(tǒng)一性的特點(diǎn)，可以達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的目的，不足之處是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸效率低、開銷損失大（達(dá)25％～30%）。而SDH與IP的結(jié)合恰好能彌補(bǔ)上述IP over ATM的弱點(diǎn)。其基本思路是將IP數(shù)據(jù)包通過點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議（PPP）直接映射到SDH幀，省掉了中間復(fù)雜的ATM層。具體作法是先把IP數(shù)據(jù)包封裝進(jìn)PPP分組，然后利用HDLC組幀，再將字節(jié)同步映射進(jìn)SDH的VC包封中，最后再加上相應(yīng)SDH開銷置入STM－N幀中即可。
IP over SDH在本質(zhì)上保留了因特網(wǎng)作為IP網(wǎng)的無連接特征，形成統(tǒng)一的平面網(wǎng)，簡化了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，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(shù)體系實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間互聯(lián)。最主要優(yōu)點(diǎn)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(wǎng)而言是十分珍貴的。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)容量和擁塞控制能力差，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)路由表太復(fù)雜，只有業(yè)務(wù)分級，尚無優(yōu)先級業(yè)務(wù)質(zhì)量，對高質(zhì)量業(yè)務(wù)難以確保質(zhì)量，尚不適于多業(yè)務(wù)平臺(tái)，是以運(yùn)載IP業(yè)務(wù)為主的網(wǎng)絡(luò)理想方案。隨著千兆比高速路由器的商用化，其發(fā)展勢頭很強(qiáng)。采用這種技術(shù)的關(guān)鍵是千兆比高速路由器，這方面近來已有突破性進(jìn)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(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)業(yè)務(wù)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(wǎng)速率可以高達(dá)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(fèi)用已可與ATM相比，轉(zhuǎn)發(fā)分組延時(shí)也已降至幾十微秒量級，不再是問題?？傊?，隨著千兆比特高速路由器的成熟和IP業(yè)務(wù)的大發(fā)展，IP over SDH將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
但從長遠(yuǎn)看，當(dāng)IP業(yè)務(wù)量逐漸增加，需要高于2.4Gbps的鏈路容量時(shí)，則有可能最終會(huì)省掉中間的SDH層，IP直接在光路上跑，形成十分簡單統(tǒng)一的IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)（IP over Optical）。顯然，這是一種最簡單直接的體系結(jié)構(gòu)，省掉了中間ATM層與SDH層，減化了層次，減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；減少了功能重疊，簡化了設(shè)備，減輕了網(wǎng)管復(fù)雜性，特別是網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜性；額外的開銷最低，傳輸效率最高；通過業(yè)務(wù)量工程設(shè)計(jì)，可以與IP的不對稱業(yè)務(wù)量特性相匹配；還可利用光纖環(huán)路的保護(hù)光纖吸收突發(fā)業(yè)務(wù)，盡量避免緩存，減少延時(shí)；由于省掉了昂貴的ATM交換機(jī)和大量普通SDH復(fù)用設(shè)備，簡化了網(wǎng)管，又采用了波分復(fù)用技術(shù)，其總成本可望比傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)降低一至二個(gè)量級!
綜上所述，現(xiàn)實(shí)世界是多樣性的，網(wǎng)絡(luò)解決方案也不會(huì)是單一的，具體技術(shù)的選用還與具體電信運(yùn)營者的背景有關(guān)。三種IP傳送技術(shù)都將在電信網(wǎng)發(fā)展的不同時(shí)期和網(wǎng)絡(luò)的不同部分發(fā)揮自己應(yīng)有的歷史作用。但從面向未來的視角看，IP over Optical將是最具長遠(yuǎn)生命力的技術(shù)。特別是隨著IP業(yè)務(wù)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)業(yè)務(wù)后，這種對IP業(yè)務(wù)最理想的傳送技術(shù)將會(huì)成為未來網(wǎng)絡(luò)特別是骨干網(wǎng)的主導(dǎo)傳送技術(shù)。在相當(dāng)長的時(shí)期，IP over ATM，IP overSDH和IP over Optical將會(huì)共存互補(bǔ)，各有其最佳應(yīng)用場合和領(lǐng)域。
6 解決全網(wǎng)瓶頸的手段——光接入網(wǎng)
過去幾年間，網(wǎng)絡(luò)的核心部分發(fā)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(wǎng)絡(luò)的這一部分將成為全數(shù)字化的、軟件主宰和控制的、高度集成和智能化的網(wǎng)絡(luò)。而另一方面，現(xiàn)存的接入網(wǎng)仍然是被雙絞線銅線主宰的（90％以上）、原始落后的模擬系統(tǒng)。兩者在技術(shù)上的巨大反差說明接入網(wǎng)已確實(shí)成為制約全網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。目前盡管出現(xiàn)了一系列解決這一瓶頸問題的技術(shù)手段，如雙絞線上的xDSL系統(tǒng)，同軸電纜上的HFC系統(tǒng)，寬帶無線接入系統(tǒng)，但都只能算是一些過渡性解決方案，唯一能夠根本上徹底解決這一瓶頸問題的長遠(yuǎn)技術(shù)手段是光接入網(wǎng)。
接入網(wǎng)中采用光接入網(wǎng)的主要目的是：減少維護(hù)管理費(fèi)用和故障率；開發(fā)新設(shè)備，增加新收入；配合本地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大覆蓋；充分利用光纖化所帶來的一系列好處；建設(shè)透明光網(wǎng)絡(luò)，迎接多媒體時(shí)代。 所謂光接入網(wǎng)從廣義上可以包括光數(shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)（ODLC）和無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）兩類。數(shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)DLC不是一種新技術(shù)，但結(jié)合了開放接口VS.1／V5.2，并在光纖上傳輸綜合的DLC（IDLC），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(jù)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是在德國和日本受到重視。德國在1996年底前共敷設(shè)了約230萬線光接入網(wǎng)系統(tǒng)，其中PON約占100萬線。日本更是把PON作為其網(wǎng)絡(luò)光纖化的主要技術(shù)，堅(jiān)持不懈攻關(guān)十多年，采取一系列技術(shù)和工藝措施，將無源光網(wǎng)絡(luò)成本降至與銅纜絞線成本相當(dāng)?shù)乃?，并已?998年全面啟動(dòng)光接入網(wǎng)建設(shè)，將于2010年達(dá)到6000萬線，基本普及光纖通信網(wǎng)，以此作為振興21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的對策。近來又計(jì)劃再爭取提前到2005年實(shí)現(xiàn)光纖通信網(wǎng)。
在無源光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)程中，近來又出現(xiàn)了一種以ATM為基礎(chǔ)的寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)（APON），這種技術(shù)將ATM和PON的優(yōu)勢相互結(jié)合，傳輸速率可達(dá)622／155Mbps，可以提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的多媒體業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)并有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，代表了多媒體時(shí)代接入網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要戰(zhàn)略方向。目前國際電聯(lián)已經(jīng)基本完成了標(biāo)準(zhǔn)化工作，預(yù)計(jì)1999年就會(huì)有商用設(shè)備問世?？梢韵嘈?，在未來的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，APON將會(huì)占據(jù)越來越大的份額，成為面向21世紀(jì)的寬帶投入技術(shù)的主要發(fā)展方向。
7 結(jié)束語
從上述涉及光纖通信的幾個(gè)方面的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢來看，完全有理由認(rèn)為光纖通信進(jìn)入了又一次蓬勃發(fā)展的新高潮。而這一次發(fā)展高潮涉及的范圍更廣，技術(shù)更新更難，影響力和影響面也更寬，勢必對整個(gè)電信網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。它的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來大格局，也將對下一世紀(jì)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。
