光纖通信技術(shù)的發(fā)展與展望

韋樂平

摘要：對光纖通信技術(shù)的若干熱點領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢做了簡要總結(jié)和展望。主要提出了以下論點：電信級光以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐漸具備公用電信網(wǎng)所要求的必備功能和性能，成為未來城域網(wǎng)的重要發(fā)展方向；40 Gbit/s系統(tǒng)技術(shù)已趨成熟。但是大規(guī)模應用還需時日；粗波分系統(tǒng)在我國城域網(wǎng)具有良好的發(fā)展前景；下一代ROADM的應用正向城域網(wǎng)領(lǐng)域擴展；點到點WDM傳輸將走向動態(tài)聯(lián)網(wǎng)；EPON和GPON將主導FTTH技術(shù)。但大規(guī)模應用還需要解決成本、配套技術(shù)和應用問題。

經(jīng)歷了光纖泡沫和多年沉寂的光通信在2006年上半年呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。移動業(yè)務持續(xù)增長、短信業(yè)務如火如荼、對等通信（P2P）業(yè)務蓬勃發(fā)展、IP電視（IPTV）業(yè)務蓄勢待發(fā)，使得帶寬需求持續(xù)增長。世界網(wǎng)絡(luò)帶寬需求年增長率依然高達50%～100%，而我國過去幾年的干線業(yè)務量和帶寬需求年增長率超過200%。這些業(yè)務層面上的發(fā)展態(tài)勢不但對電信網(wǎng)的基礎(chǔ)——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、電信級光以太網(wǎng)的新發(fā)展
近來，電信級以太網(wǎng)發(fā)展很快，一些最新的技術(shù)解決方案已經(jīng)具有硬QoS和電信級網(wǎng)管的能力，能夠提供50 ms的保護倒換時間等。除了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的擴展和增強技術(shù)，例如Q in Q及其增強技術(shù)——以太網(wǎng)環(huán)保護（Ethernet Ring Protocol ERP）技術(shù)外，各標準化組織和廠商開發(fā)了很多新型的城域網(wǎng)技術(shù)，諸如RPR（Resilient Packet Ring，彈性分組環(huán)）、MSR（Multiple Services Ring，多業(yè)務環(huán)）、MAC in MAC封裝、PBT（Provider Backbone Transport，網(wǎng)絡(luò)提供商骨干傳送）技術(shù)、VPLS（Virtual Private LAN Service，虛擬專用局域網(wǎng)業(yè)務）等。下面簡要介紹MAC in MAC封裝、PBT和VPLS三種主流的城域以太網(wǎng)技術(shù)。

1.1　MAC in MAC封裝技術(shù)
MAC in MAC封裝技術(shù)基于IEEE 802.1ah標準，它的基本思路是將用戶的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀再封裝一個運營商的以太網(wǎng)幀頭，形成兩個MAC地址。這樣做可以帶來以下好處：

（1）可以完全屏蔽用戶側(cè)的信息，從而隔離核心網(wǎng)和減輕用戶MAC地址對核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)表的壓力，解決網(wǎng)絡(luò)安全問題。
（2）具有清晰的層次化結(jié)構(gòu)。在運營商域的MAC幀頭具有24 bit業(yè)務標簽，理論上可以支持1 600萬用戶，從根本上解決網(wǎng)絡(luò)擴展性和業(yè)務擴展性問題。
（3）運營網(wǎng)與用戶網(wǎng)隔離，規(guī)避了用戶網(wǎng)中可能發(fā)生的廣播風暴和潛在的轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路問題，使網(wǎng)絡(luò)具有健壯性。
（4）運營商無需擔心運營網(wǎng)的VLAN和MAC地址與用戶網(wǎng)沖突，簡化了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與運營。
（5）MAC in MAC采用二層封裝技術(shù)，無需復雜的信令機制。
（6）運營網(wǎng)的以太網(wǎng)交換機只需學習自己的MAC地址，從而減少了存儲和處理的需求，使設(shè)備、建網(wǎng)和運維等成本降低。

1.2　PBT技術(shù)
在MAC in MAC封裝的基礎(chǔ)上，只需少量改動，關(guān)掉某些以太網(wǎng)功能，利用現(xiàn)有以太網(wǎng)硬件就可以提供新的轉(zhuǎn)發(fā)功能，將無連接的以太網(wǎng)改造為面向連接的二層隧道技術(shù)，提供具有硬QoS和電信級性能的專用以太網(wǎng)鏈路，這就是所謂的PBT技術(shù)。PBT技術(shù)的主要特點如下：
（1）擴展性好。關(guān)掉MAC學習功能，可以消除導致MAC泛洪和限制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的廣播功能。此外，PBT采用VID+MAC地址作為全球惟一地址和基于目的地地址的轉(zhuǎn)發(fā)，VID不再表示傳統(tǒng)的無環(huán)路域，而是用來識別某些特定通道，不具有全球惟一性，從而消除了業(yè)務擴展性限制，使網(wǎng)絡(luò)具有幾乎無限的隧道數(shù)目（260）。
（2）具有硬QoS、帶寬預留和50 ms保護倒換時間能力。轉(zhuǎn)發(fā)信息不再依靠傳統(tǒng)的泛洪和學習，而是由網(wǎng)管/控制平面直接提供，從而可以為網(wǎng)絡(luò)提供確知的通道，保證在各種情況下網(wǎng)絡(luò)的行為都是可預見的，無需超額指配網(wǎng)絡(luò)容量就能提供硬QoS，實現(xiàn)帶寬預留和50 ms保護倒換時間。
（3）業(yè)務提供靈活。作為二層隧道技術(shù)，PBT可以與現(xiàn)有WAN技術(shù)互通，不僅能支持各種以太網(wǎng)業(yè)務，還能支持各種基于MPLS的業(yè)務，包括二層的VPLS和虛擬偽線業(yè)務以及三層的IP VPN業(yè)務等，具有相當?shù)臉I(yè)務靈活性。
（4）具備電信級網(wǎng)管功能。PBT采用了大量IEEE和ITU定義的網(wǎng)管功能，并將這些功能從物理層或重疊的網(wǎng)絡(luò)層移植到數(shù)據(jù)鏈路層，使其能基本達到類似SDH的電信級網(wǎng)管功能。

簡而言之，PBT技術(shù)結(jié)合了以太網(wǎng)和MPLS的優(yōu)點，為城域網(wǎng)提供了一種新的、扁平化的、低成本的融合架構(gòu)。但是，PBT存在N2問題，需要大量連接，從而增加了管理難度；此外，自動隧道建立能力還有待開發(fā)。

1.3　VPLS技術(shù)
VPLS是在點到點MPLS基礎(chǔ)上進一步發(fā)展而成的多點互聯(lián)的二層VPN技術(shù)，將廣域網(wǎng)的MPLS擴展到以太網(wǎng)的接入層。從用戶角度來看，仿佛所有節(jié)點都連至一個專有LAN；從業(yè)務提供者角度來看，可以重新利用IP/MPLS基礎(chǔ)設(shè)施來提供多種業(yè)務。

VPLS基于MPLS，獨立于具體物理拓撲，可以利用MPLS的流量工程實現(xiàn)資源配置最佳化；VPLS利用FRR（Forword Resource Reservation，前向資源預留）可以實現(xiàn)50 ms保護倒換時間。VPLS支持2/3/4層可擴展的ACL（Access Control Lists，訪問控制列表）能力和每用戶的ACL控制，能夠提供較安全的控制和策略機制。VPLS具有良好的二層匯聚能力，支持的用戶數(shù)量突破了傳統(tǒng)以太網(wǎng)4 096個VLAN用戶的限制。VPLS提供分層的VPLS（HVPLS），進一步改進了擴展性，用戶數(shù)可擴展到百萬級。VPLS能夠區(qū)分并保證每用戶中的不同業(yè)務流量，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務配置簡單，業(yè)務提供快。VPLS具有清晰的運營網(wǎng)和用戶網(wǎng)間的界限，便于管理�？偟膩碚f，VPLS在QoS和流量工程方面比MAC in MAC更好，非常適合網(wǎng)絡(luò)邊緣層的應用。

但是，VPLS采用復雜的三層協(xié)議建立信令，設(shè)備成本相對較高。其次，VPLS協(xié)議棧層次多，運行比較復雜，對于超大型城域網(wǎng)的管理和運行成本較高。不過，對于IPTV等新型業(yè)務需求較為強勁的大型城域網(wǎng)而言，VPLS依然是一個有前瞻性的技術(shù)選擇，特別是核心網(wǎng)部分。

可以預見，隨著網(wǎng)絡(luò)中IP/以太網(wǎng)業(yè)務量的日益增加以及基于以太網(wǎng)技術(shù)的新型解決方案的不斷出現(xiàn)，電信級以太網(wǎng)多業(yè)務平臺在城域網(wǎng)中的應用將會越來越多，成為面向未來的主流技術(shù)。

2、40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的發(fā)展、挑戰(zhàn)與應用
目前，10 Gbit/s傳輸系統(tǒng)已大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，許多電信公司開始進行40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗和試商用。為了提高核心網(wǎng)的效率和功能，核心網(wǎng)的單波長速率向40 Gbit/s發(fā)展是合乎邏輯的。

從實際應用來看，40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器，目前具備足夠輸出電壓能夠驅(qū)動外調(diào)制器的驅(qū)動集成電路還不成熟；沿用多年的NRZ調(diào)制方式能否有效、可靠地工作于40 Gbit/s系統(tǒng)還不確定，可能需要轉(zhuǎn)向性能更好的普通歸零（RZ）碼乃至調(diào)制效率更高的其他調(diào)制方式。

除了技術(shù)因素外，經(jīng)濟上是否可行也是必須考慮的關(guān)鍵因素。經(jīng)驗表明，只有成本降到2.5倍以內(nèi)才有可能獲得規(guī)模應用。理論上，40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)理想的應用場合是長途網(wǎng)。但是，由于前幾年的大規(guī)模建設(shè)，盡管目前我國干線網(wǎng)絡(luò)的波道利用率已經(jīng)超過70%，但是光纖利用率不到30%，SDH電路利用率不到50%，因此只需要在波分復用層面上擴容即可，光纜網(wǎng)的總體容量依然有余，并不需要立即全面升級到40 Gbit/s速率。另一個需要認真考慮的因素是光纜的極化模色散特性。如果說我國光纜網(wǎng)的極化模色散特性除了少數(shù)路由外在支持10 Gbit/s傳輸方面還基本可行的話，那么當速率提高到40 Gbit/s時能否有效支持長距離傳輸，還需要進行大規(guī)模的實地測試后才清楚。不過，對于短距離傳輸，無須色散補償、光放大器和外調(diào)制器，40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)具有很低的單位比特成本，上述問題不是障礙。因此，40 Gbit/s傳輸系統(tǒng)完全可以由短距離互連應用開始，包括端局內(nèi)路由器、交換機和傳輸設(shè)備間的互連，乃至擴展至城域網(wǎng)范圍和短距離長途應用。

3、CWDM技術(shù)的發(fā)展與應用
隨著技術(shù)和業(yè)務的發(fā)展，WDM技術(shù)正從長途傳輸領(lǐng)域向城域網(wǎng)領(lǐng)域擴展。盡管城域WDM系統(tǒng)的建設(shè)成本明顯低于長途網(wǎng)WDM系統(tǒng)，但是目前的絕對成本仍然較高，特別是需要使用光纖放大器的長距離應用成本較高。此外，當前在網(wǎng)絡(luò)邊緣需要整個波長帶寬的用戶和應用畢竟很少，WDM多業(yè)務平臺主要適用于核心層，特別是擴容需求較大、距離較長的應用場合。

為了進一步降低城域WDM多業(yè)務平臺的成本，出現(xiàn)了CWDM（Coarse Wave Division Multiplexer，粗波分復用）系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的典型波長組合有4、8和16三種，波長通路間隔達20 nm，允許波長漂移±6.5 nm，大大降低了對激光器的要求，成本也大為降低。此外，由于CWDM系統(tǒng)對激光器的波長精度要求較低，無需制冷器和波長鎖定器，不僅功耗低、尺寸小，而且封裝可以采用簡單的同軸結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)碟型封裝成本低，激光器模塊的總成本可以減少2/3。從濾波器角度看，典型的100 GHz間隔的介質(zhì)薄膜濾波器需要150層鍍膜，而20 nm間隔的CWDM濾波器只需要50層鍍膜，其成品率和成本都可以獲得有效改善。

綜上所述，CWDM系統(tǒng)無論是對激光器輸出功率、溫度的敏感度、色散容忍度、封裝的要求，都遠低于DWDM激光器，再加上對濾波器要求的降低，成本有望大幅度下降。8波長CWDM系統(tǒng)的光譜安排由于避開了1 385 nm附近的OH吸收峰，適用于任意一類光纖，因此將會首先獲得應用。

從業(yè)務應用上看，CWDM收容器已經(jīng)應用于吉比特接口轉(zhuǎn)換器（GBIC）和小型可插撥器件（SFP），可以直接插入吉比特以太網(wǎng)變換機和光纖通路交換機中，其體積、功耗和成本遠小于對應的DWDM器件。顯然，從業(yè)務需求和成本考慮出發(fā)，CWDM在我國城域網(wǎng)具有良好的發(fā)展前景。

4、下一代ROADM的發(fā)展與應用
可重構(gòu)光分插復用器（R0ADM）并不是一個新概念，最簡單的形式就是在WDW環(huán)結(jié)構(gòu)上能夠遠程控制分插所需上下路波長的二維ROADM。ROADM通常應用在長途網(wǎng)領(lǐng)域，目前正向城域網(wǎng)領(lǐng)域擴展。

從技術(shù)角度看，目前主要有三種實現(xiàn)技術(shù)。第一代采用微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的波長選擇開關(guān)式ROADM，具有較寬的通帶和較低的色散，但是插入損耗和極化依賴損耗較大、傳輸距離受限、相對成本較高、密度較低、不支持網(wǎng)狀網(wǎng)。第二代采用液晶的波長阻塞器式ROADM，具有較寬的通帶，可以支持較高的通路數(shù)（128/64路）和較窄的通路間隔（50/1 00 GHz），但是元件數(shù)多、阻塞器成本較高。第三代采用平面波導電路的ROADM，是全集成解決方案，損耗低、成本低、密度高，適于大規(guī)模生產(chǎn)，最適合二維ROADM，可以升級到網(wǎng)狀。

設(shè)備的實現(xiàn)方法有多種，采用電處理和光處理混合方式是一種較理想的、演進的、低成本實現(xiàn)方案。它可以提供任意波長或子波長級的流量疏導能力，允許運營商在網(wǎng)絡(luò)中對于任意速率的任意業(yè)務實施路由。這種靈活性簡化了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，使建網(wǎng)初期成本很低，隨著流量的增加再逐步增加帶寬和波長。

隨著城域網(wǎng)流量的不斷攀升和日益動態(tài)化，具有靈活動態(tài)聯(lián)網(wǎng)功能的ROADM的應用前景將變得更加明朗。

5、從點到點傳輸走向動態(tài)傳送聯(lián)網(wǎng)
普通的點到點波分復用系統(tǒng)盡管有巨大的傳輸容量，但只提供原始的傳輸帶寬，需要靈活的節(jié)點才能實現(xiàn)高效的靈活組網(wǎng)能力。現(xiàn)有的電DXC系統(tǒng)十分復雜，節(jié)點容量無法跟上網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路容量的增長速度，進一步擴容的希望轉(zhuǎn)向光節(jié)點，即光分插復用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）。

從實現(xiàn)技術(shù)上看，OXC可以劃分為兩大類，即采用電交叉矩陣的OXC（簡稱OEO方式）和采用純光交叉矩陣的OXC（簡稱OOO方式）。

采用電交叉矩陣的OXC可以比較容易地實現(xiàn)信號質(zhì)量監(jiān)控和消除傳輸損傷，網(wǎng)管比較成熟，容量不是很大時成本較低，與現(xiàn)有線路技術(shù)兼容，更重要的是可以對小于整個波長的帶寬進行處理和調(diào)配。然而，其擴容依然主要依靠半導體芯片密度和性能的改進來實現(xiàn)，改進速度還是無法跟上網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路容量的增長速度。

采用純光交叉矩陣的OXC省去了光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，不僅節(jié)約了大量光電轉(zhuǎn)換接口，還消除了帶寬瓶頸，容量可望大幅度擴展，隨之帶來的透明性可以使它支持各種客戶層信號，功耗較小，具有更長遠的技術(shù)壽命。但是，這類設(shè)備可以交換的帶寬顆粒至少是整個波長，不經(jīng)濟；為了引入全光交換機，可能必須更新改造已有線路系統(tǒng)；在光域?qū)崿F(xiàn)性能監(jiān)視很困難；與全光交換機相連的線路是由一系列均衡過的光放大器構(gòu)成的，試圖在均衡好的網(wǎng)狀網(wǎng)中快速動態(tài)實施波長選路很困難；色散非線性損傷問題造成全光網(wǎng)的覆蓋范圍受限。種種原因?qū)е氯�光OXC的發(fā)展受阻，全球目前僅有極少的應用案例。相信隨著網(wǎng)絡(luò)容量的持續(xù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務質(zhì)量要求的不斷提升，全光OXC的應用將會在未來幾年中逐步提到日程。

隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務量向動態(tài)的IP業(yè)務量的繼續(xù)匯聚，一個靈活動態(tài)的光網(wǎng)絡(luò)是不可或缺的。最新發(fā)展趨勢是引入自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）。就傳送面看，OEO硬件交換平臺已經(jīng)完全成熟商用，大規(guī)模OOO交換平臺的可靠性還有待實際考驗，帶寬顆粒大，容量需求也不足。從控制面看，標準已趨于基本成熟。UNI 1.0完全成熟，已實現(xiàn)多廠商設(shè)備互通，UNI 2.0的通用部分和RSVP信令部分在2006年完成；I-NII無需標準化；E-NNI 1.0的目標是實現(xiàn)同一運營商內(nèi)多廠商環(huán)境的組網(wǎng)，目前比較成熟的是信令部分，路由部分即將完成。實際測試表明，E-NNI已經(jīng)可以實現(xiàn)跨廠商設(shè)備的傳送面電路配置，但是還無法實現(xiàn)跨廠商設(shè)備的控制面保護恢復�？偟膩碚f，單域控制面已經(jīng)比較成熟，各廠商設(shè)備基本具備鄰居自動發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)拓撲自動發(fā)現(xiàn)和動態(tài)更新等功能。從管理面看，控制面的引入使ASON網(wǎng)管功能弱化，部分功能移交給控制面完成，有利于多廠商網(wǎng)管設(shè)備的互通，估計不會成為制約ASON應用的主要因素。目前，管理面主要是SC的管理功能不完善，多數(shù)廠商設(shè)備尚不能提供SC業(yè)務的計費信息；另外，對于跨域的管理功能還比較弱。

我國過去十幾年來光纖通信的發(fā)展一直是以點到點的鏈路容量的擴展為主線的。近幾年來，隨著高度動態(tài)的IP業(yè)務量的持續(xù)高速發(fā)展、專線業(yè)務的穩(wěn)步發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)容量的相對寬余和競爭的加劇，傳送網(wǎng)向動態(tài)聯(lián)網(wǎng)的ASON發(fā)展已經(jīng)提到日程上來，建設(shè)一個大容量的高度靈活、動態(tài)、可靠的傳送網(wǎng)已經(jīng)成為我國傳送網(wǎng)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵和下一步發(fā)展的重點。

6、寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新發(fā)展
在寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)中，二層技術(shù)用什么并無明確定論。前些年APON曾經(jīng)被看好，終因成本太高、業(yè)務提供能力有限、數(shù)據(jù)傳送速率和效率不高以及ATM的衰落而黯淡。隨著IP的崛起和發(fā)展，出現(xiàn)了EPON的概念，用以太網(wǎng)代替ATM作為鏈路層協(xié)議，構(gòu)成一個可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業(yè)務能力的新的結(jié)合體。EPON已經(jīng)成為當前的主流PON技術(shù)。

近來，符合ITU-T建議G.984.1和G.984.2的GPON（Gigabit Passive Optical Network，吉比特無源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)開始引起人們的關(guān)注。GPON可以提供2.488 Gbit/s的下行速率和多種標準上行速率，傳輸距離至少達20km，分路比可以為1:16、1:32、1:64乃至1:128，即在速率、速率靈活性、傳輸距離和分路比方面比EPON有優(yōu)勢。其次，GPON采用了兩種適配方式，除了傳統(tǒng)的ATM外，還采用了一個標準通用組幀程序（GFP），可以透明、高效地將各種數(shù)據(jù)信號封裝進現(xiàn)有的SDH網(wǎng)絡(luò)，適應任何信號格式和任何傳輸制式，封裝效率高、業(yè)務靈活。再者，GPON傳輸匯聚層本質(zhì)上是同步的，可以直接高質(zhì)量、靈活地支持實時的TDM語音業(yè)務；而EPON在承載TDM業(yè)務方面沒有具體規(guī)定，導致廠商可以采用不同方法來承載，互操作性較差，性能難以確保。最后，GPON在網(wǎng)管方面具有豐富的功能，比EPON考慮周到。

總的來看，GPON是一種運營商驅(qū)動的標準，具有更周到的運營利益考慮，速率更高、速率靈活性更大；具有通用的映射格式，適應于任何新老業(yè)務；具有豐富的OAM&P功能；對各種業(yè)務均有很高的傳輸效率，即便對于TDM業(yè)務也能靈活高效地傳送；可以幫助運營商完成從傳統(tǒng)TDM語音電路向全IP網(wǎng)絡(luò)平滑過渡，有可能成為最終的解決方案。

除了系統(tǒng)技術(shù)外，F(xiàn)TTH（光纖到戶）技術(shù)還涉及光有源和無源器件、光纜技術(shù)、接續(xù)技術(shù)、敷設(shè)施工技術(shù)、測試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等，任意一個環(huán)節(jié)的技術(shù)、成本和操作上的瓶頸都可能限制FTTH的大規(guī)模發(fā)展。因此，對于FTTx，特別是FTTH還需要有大量的基礎(chǔ)性和開發(fā)性工作要做。從近期的發(fā)展情況來看，盡管FTTH的設(shè)備價格已有大幅下降，但依然高達200美元/戶左右。在可以預見的未來，各種業(yè)務對帶寬的總需求還不超過20～30 Mbit/s，經(jīng)營視頻業(yè)務的政策風險和市場風險依然很大，因而我國尚不具備FTTH大規(guī)模商用的條件，目前主要處于現(xiàn)場試驗和試商用階段。但是對于新建的高檔住宅、小型商務辦公樓等區(qū)域和老電纜替換區(qū)域，則完全可以規(guī)模商用了。隨著人們對寬帶視頻業(yè)務需求的持續(xù)增長和IPTV的發(fā)展，F(xiàn)TTH在我國的實際應用正日益趨近，但是足夠的耐性和全面扎實的準備不僅是不可或缺的，也是通向成功的惟一道路。