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光纤通信技术的发展与展望 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2007-01-19

— 本帖被 cyqdesign 从光电技术移动到本区(2007-06-26) —

摘要　对光纤通信技术的若干热点领域的最新发展趋势做了简要总结和展望。主要提出了以下论点：电信级光以太网技术已经逐渐具备公用电信网所要求的必备功能和性能，成为未来城域网的重要发展方向；40 Gbit/s系统技术已趋成熟。但是大规模应用还需时日；粗波分系统在我国城域网具有良好的发展前景；下一代ROADM的应用正向城域网领域扩展；点到点WDM传输将走向动态联网；EPON和GPON将主导FTTH技术。但大规模应用还需要解决成本、配套技术和应用问题。

　　经历了光纤泡沫和多年沉寂的光通信在2006年上半年呈现出良好的发展势头。移动业务持续增长、短信业务如火如荼、对等通信（P2P）业务蓬勃发展、IP电视（IPTV）业务蓄势待发，使得带宽需求持续增长。世界网络带宽需求年增长率依然高达50%～100%，而我国过去几年的干线业务量和带宽需求年增长率超过200%。这些业务层面上的发展态势不但对电信网的基础——光通信提出了新的容量需求，而且在功能和性能方面也提出了新的需求。

1、电信级光以太网的新发展

　　近来，电信级以太网发展很快，一些最新的技术解决方案已经具有硬QoS和电信级网管的能力，能够提供50 ms的保护倒换时间等。除了传统以太网的扩展和增强技术，例如Q in Q及其增强技术——以太网环保护（Ethernet Ring Protocol ERP）技术外，各标准化组织和厂商开发了很多新型的城域网技术，诸如RPR（Resilient Packet Ring，弹性分组环）、MSR（Multiple Services Ring，多业务环）、MAC in MAC封装、PBT（Provider Backbone Transport，网络提供商骨干传送）技术、VPLS（Virtual Private LAN Service，虚拟专用局域网业务）等。下面简要介绍MAC in MAC封装、PBT和VPLS三种主流的城域以太网技术。

　　1.1　MAC in MAC封装技术

　　MAC in MAC封装技术基于IEEE 802.1ah标准，它的基本思路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。这样做可以带来以下好处：

　　（1）可以完全屏蔽用户侧的信息，从而隔离核心网和减轻用户MAC地址对核心网转发表的压力，解决网络安全问题。

　　（2）具有清晰的层次化结构。在运营商域的MAC帧头具有24 bit业务标签，理论上可以支持1 600万用户，从根本上解决网络扩展性和业务扩展性问题。

　　（3）运营网与用户网隔离，规避了用户网中可能发生的广播风暴和潜在的转发环路问题，使网络具有健壮性。

　　（4）运营商无需担心运营网的VLAN和MAC地址与用户网冲突，简化了网络的规划与运营。

　　（5）MAC in MAC采用二层封装技术，无需复杂的信令机制。

　　（6）运营网的以太网交换机只需学习自己的MAC地址，从而减少了存储和处理的需求，使设备、建网和运维等成本降低。

　　1.2　PBT技术

　　在MAC in MAC封装的基础上，只需少量改动，关掉某些以太网功能，利用现有以太网硬件就可以提供新的转发功能，将无连接的以太网改造为面向连接的二层隧道技术，提供具有硬QoS和电信级性能的专用以太网链路，这就是所谓的PBT技术。PBT技术的主要特点如下：

　　（1）扩展性好。关掉MAC学习功能，可以消除导致MAC泛洪和限制网络规模的广播功能。此外，PBT采用VID+MAC地址作为全球惟一地址和基于目的地地址的转发，VID不再表示传统的无环路域，而是用来识别某些特定通道，不具有全球惟一性，从而消除了业务扩展性限制，使网络具有几乎无限的隧道数目（260）。
（2）具有硬QoS、带宽预留和50 ms保护倒换时间能力。转发信息不再依靠传统的泛洪和学习，而是由网管/控制平面直接提供，从而可以为网络提供确知的通道，保证在各种情况下网络的行为都是可预见的，无需超额指配网络容量就能提供硬QoS，实现带宽预留和50 ms保护倒换时间。

　　（3）业务提供灵活。作为二层隧道技术，PBT可以与现有WAN技术互通，不仅能支持各种以太网业务，还能支持各种基于MPLS的业务，包括二层的VPLS和虚拟伪线业务以及三层的IPVPN业务等，具有相当的业务灵活性。

　　（4）具备电信级网管功能。PBT采用了大量IEEE和ITU定义的网管功能，并将这些功能从物理层或重叠的网络层移植到数据链路层，使其能基本达到类似SDH的电信级网管功能。

　　简而言之，PBT技术结合了以太网和MPLS的优点，为城域网提供了一种新的、扁平化的、低成本的融合架构。但是，PBT存在N2问题，需要大量连接，从而增加了管理难度；此外，自动隧道建立能力还有待开发。

　　1.3　VPLS技术

　　VPLS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，将广域网的MPLS扩展到以太网的接入层。从用户角度来看，仿佛所有节点都连至一个专有LAN；从业务提供者角度来看，可以重新利用IP/MPLS基础设施来提供多种业务。

　　VPLS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最佳化；VPLS利用FRR（Forword Resource Reservation，前向资源预留）可以实现50 ms保护倒换时间。VPLS支持2/3/4层可扩展的ACL（Access Control Lists，访问控制列表）能力和每用户的ACL控制，能够提供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4 096个VLAN用户的限制。VPLS提供分层的VPLS（HVPLS），进一步改进了扩展性，用户数可扩展到百万级。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具有清晰的运营网和用户网间的界限，便于管理。总的来说，VPLS在QoS和流量工程方面比MAC in MAC更好，非常适合网络边缘层的应用。

　　但是，VPLS采用复杂的三层协议建立信令，设备成本相对较高。其次，VPLS协议栈层次多，运行比较复杂，对于超大型城域网的管理和运行成本较高。不过，对于IPTV等新型业务需求较为强劲的大型城域网而言，VPLS依然是一个有前瞻性的技术选择，特别是核心网部分。

　　可以预见，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，电信级以太网多业务平台在城域网中的应用将会越来越多，成为面向未来的主流技术。

2、40 Gbit/s传输系统的发展、挑战与应用

　　目前，10 Gbit/s传输系统已大批量装备网络，许多电信公司开始进行40 Gbit/s传输系统的现场试验和试商用。为了提高核心网的效率和功能，核心网的单波长速率向40 Gbit/s发展是合乎逻辑的。

　　从实际应用来看，40 Gbit/s传输系统必须采用外调制器，目前具备足够输出电压能够驱动外调制器的驱动集成电路还不成熟；沿用多年的NRZ调制方式能否有效、可靠地工作于40 Gbit/s系统还不确定，可能需要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。

　　除了技术因素外，经济上是否可行也是必须考虑的关键因素。经验表明，只有成本降到2.5倍以内才有可能获得规模应用。理论上，40 Gbit/s传输系统理想的应用场合是长途网。
但是，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%，因此只需要在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40 Gbit/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10 Gbit/s传输方面还基本可行的话，那么当速率提高到40 Gbit/s时能否有效支持长距离传输，还需要进行大规模的实地测试后才清楚。不过，对于短距离传输，无须色散补偿、光放大器和外调制器，40 Gbit/s传输系统具有很低的单位比特成本，上述问题不是障碍。因此，40 Gbit/s传输系统完全可以由短距离互连应用开始，包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互连，乃至扩展至城域网范围和短距离长途应用。

3、CWDM技术的发展与应用

　　随着技术和业务的发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。尽管城域WDM系统的建设成本明显低于长途网WDM系统，但是目前的绝对成本仍然较高，特别是需要使用光纤放大器的长距离应用成本较高。此外，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CWDM（Coarse Wave Division Multiplexer，粗波分复用）系统。这种系统的典型波长组合有4、8和16三种，波长通路间隔达20 nm，允许波长漂移±6.5 nm，大大降低了对激光器的要求，成本也大为降低。此外，由于CWDM系统对激光器的波长精度要求较低，无需制冷器和波长锁定器，不仅功耗低、尺寸小，而且封装可以采用简单的同轴结构，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，典型的100 GHz间隔的介质薄膜滤波器需要150层镀膜，而20 nm间隔的CWDM滤波器只需要50层镀膜，其成品率和成本都可以获得有效改善。

　　综上所述，CWDM系统无论是对激光器输出功率、温度的敏感度、色散容忍度、封装的要求，都远低于DWDM激光器，再加上对滤波器要求的降低，成本有望大幅度下降。8波长CWDM系统的光谱安排由于避开了1 385 nm附近的OH吸收峰，适用于任意一类光纤，因此将会首先获得应用。

　　从业务应用上看，CWDM收容器已经应用于吉比特接口转换器（GBIC）和小型可插拨器件（SFP），可以直接插入吉比特以太网变换机和光纤通路交换机中，其体积、功耗和成本远小于对应的DWDM器件。显然，从业务需求和成本考虑出发，CWDM在我国城域网具有良好的发展前景。

4、下一代ROADM的发展与应用

　　可重构光分插复用器（R0ADM）并不是一个新概念，最简单的形式就是在WDW环结构上能够远程控制分插所需上下路波长的二维ROADM。ROADM通常应用在长途网领域，目前正向城域网领域扩展。

　　从技术角度看，目前主要有三种实现技术。第一代采用微电子机械系统（MEMS）的波长选择开关式ROADM，具有较宽的通带和较低的色散，但是插入损耗和极化依赖损耗较大、传输距离受限、相对成本较高、密度较低、不支持网状网。第二代采用液晶的波长阻塞器式ROADM，具有较宽的通带，可以支持较高的通路数（128/64路）和较窄的通路间隔（50/1 00 GHz），但是元件数多、阻塞器成本较高。第三代采用平面波导电路的ROADM，是全集成解决方案，损耗低、成本低、密度高，适于大规模生产，最适合二维ROADM，可以升级到网状。
设备的实现方法有多种，采用电处理和光处理混合方式是一种较理想的、演进的、低成本实现方案。它可以提供任意波长或子波长级的流量疏导能力，允许运营商在网络中对于任意速率的任意业务实施路由。这种灵活性简化了网络规划，使建网初期成本很低，随着流量的增加再逐步增加带宽和波长。

　　随着城域网流量的不断攀升和日益动态化，具有灵活动态联网功能的ROADM的应用前景将变得更加明朗。

5、从点到点传输走向动态传送联网

　　普通的点到点波分复用系统尽管有巨大的传输容量，但只提供原始的传输带宽，需要灵活的节点才能实现高效的灵活组网能力。现有的电DXC系统十分复杂，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（简称OEO方式）和采用纯光交叉矩阵的OXC（简称OOO方式）。

　　采用电交叉矩阵的OXC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，容量不是很大时成本较低，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。然而，其扩容依然主要依靠半导体芯片密度和性能的改进来实现，改进速度还是无法跟上网络传输链路容量的增长速度。

　　采用纯光交叉矩阵的OXC省去了光电转换环节，不仅节约了大量光电转换接口，还消除了带宽瓶颈，容量可望大幅度扩展，随之带来的透明性可以使它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；为了引入全光交换机，可能必须更新改造已有线路系统；在光域实现性能监视很困难；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；色散非线性损伤问题造成全光网的覆盖范围受限。种种原因导致全光OXC的发展受阻，全球目前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。

　　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）。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，标准已趋于基本成熟。UNI 1.0完全成熟，已实现多厂商设备互通，UNI 2.0的通用部分和RSVP信令部分在2006年完成；I-NII无需标准化；E-NNI 1.0的目标是实现同一运营商内多厂商环境的组网，目前比较成熟的是信令部分，路由部分即将完成。实际测试表明，E-NNI已经可以实现跨厂商设备的传送面电路配置，但是还无法实现跨厂商设备的控制面保护恢复。总的来说，单域控制面已经比较成熟，各厂商设备基本具备邻居自动发现、网络拓扑自动发现和动态更新等功能。从管理面看，控制面的引入使ASON网管功能弱化，部分功能移交给控制面完成，有利于多厂商网管设备的互通，估计不会成为制约ASON应用的主要因素。目前，管理面主要是SC的管理功能不完善，多数厂商设备尚不能提供SC业务的计费信息；另外，对于跨域的管理功能还比较弱。

　　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、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。
6、宽带无源光网络技术的新发展

　　在宽带无源光网络中，二层技术用什么并无明确定论。前些年APON曾经被看好，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，出现了EPON的概念，用以太网代替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已经成为当前的主流PON技术。

　　近来，符合ITU-T建议G.984.1和G.984.2的GPON（Gigabit Passive Optical Network，吉比特无源光网络）技术开始引起人们的关注。GPON可以提供2.488 Gbit/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的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。再者，GPON传输汇聚层本质上是同步的，可以直接高质量、灵活地支持实时的TDM语音业务；而EPON在承载TDM业务方面没有具体规定，导致厂商可以采用不同方法来承载，互操作性较差，性能难以确保。最后，GPON在网管方面具有丰富的功能，比EPON考虑周到。

　　总的来看，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，适应于任何新老业务；具有丰富的OAM&P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网络平滑过渡，有可能成为最终的解决方案。

　　除了系统技术外，FTTH（光纤到户）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，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。从近期的发展情况来看，尽管FTTH的设备价格已有大幅下降，但依然高达200美元/户左右。在可以预见的未来，各种业务对带宽的总需求还不超过20～30 Mbit/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。但是对于新建的高档住宅、小型商务办公楼等区域和老电缆替换区域，则完全可以规模商用了。随着人们对宽带视频业务需求的持续增长和IPTV的发展，FTTH在我国的实际应用正日益趋近，但是足够的耐性和全面扎实的准备不仅是不可或缺的，也是通向成功的惟一道路。

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