寬帶業(yè)務與通信網(wǎng)光纖化演化對帶寬和容量的要求
2015/6/20 13:42:49 點擊：
摘要：隨著寬帶多媒體業(yè)務的發(fā)展，對通信網(wǎng)的要求越來越高，主要體現(xiàn)在各種業(yè)務對帶寬和容量的要求，實質在于以更少的價格提供更高帶寬的服務。
基于業(yè)務的驅動，通信網(wǎng)正在不斷演化。但是從根本上解決帶寬的辦法只有光纖和光通信技術。正在日益成熟的光通信技術為通信網(wǎng)的光纖化演化提供了條件。在繼SDH和PDH光傳送技術在骨干網(wǎng)中被廣泛采用之后，新的光通信技術如波分復用（WDM），無源光網(wǎng)絡（PO）以及光聯(lián)網(wǎng)（AON）等技術為通信網(wǎng)進一步的演化提供了有效的途徑。
一、引言
近年來迅速發(fā)展的寬帶多媒體業(yè)務，如交互式業(yè)務，廣播式業(yè)務以及其他業(yè)務，其寬帶，高速，多種媒體綜合的特性對通信網(wǎng)提出更高要求，主要體現(xiàn)在大容量，高速，協(xié)議透明，通路高可靠性，操作和管理簡單等方面。在這些業(yè)務的驅動下，以及電信業(yè)務的普及，電信網(wǎng)的演化正在迅速進行，本要方向是寬帶化，智能化，個人化和綜合化等。特別是INTERNET的發(fā)展使得通信網(wǎng)的寬帶化演化更加急迫。為此各電信運營者加速了電信網(wǎng)的建設和演化，以便適應寬帶業(yè)務對帶寬和容量的要求。從根本上來說，網(wǎng)絡的演化是為了給用戶以更少更便宜的價格提供更豐富更高速的業(yè)務。這個問題只有光纖和光通信技術才能從根本上解決，其他方式的途徑只能是過渡性的。同時對性能的要求使得電信網(wǎng)已經(jīng)沿著采用最少的光電轉換接口和盡量采用端對端光連接的模式進行演化，最終可能發(fā)展成全光通信網(wǎng)。因此通信網(wǎng)的光纖化演化是一個大趨勢，對于骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)都十分重要。
實際上光纖和光通信技術在通信網(wǎng)的應用已經(jīng)十分廣泛，不僅在骨干傳輸網(wǎng)中普遍采用，而且在接入網(wǎng)中已有應用。但是這種用于主要是利用光纖的傳輸優(yōu)勢，隨著通信技術和通信網(wǎng)的發(fā)展以及光通信新技術的發(fā)展，光通信技術以及不僅僅是傳輸問題，而是一個新的概念和網(wǎng)絡。也就是說，光纖通信在通信網(wǎng)的演化中不僅僅是單獨的點到點的光鏈路或利用新技術擴容，而是一個新的概念：全光網(wǎng)或光傳送網(wǎng)。當然從現(xiàn)有通信網(wǎng)演化到光聯(lián)網(wǎng)需要時間和技術等方面的積累，但是采用新的光通信技術逐步演化到光傳送網(wǎng)是國內(nèi)外專家的一致看法。本文討論寬帶業(yè)務對通信網(wǎng)光纖化演化的要求，光通信新技術，通信網(wǎng)光纖化演化的過程以及波分復用和光傳送網(wǎng)技術的協(xié)議。
二、與骨干網(wǎng)相關的光通信新技術
雖然SDH和PDH等傳輸普遍利用光纖，光電器件在傳輸中廣泛使用，但是實際利用的光纖資源十分少。以目前 SDH使用的 2.5Gb／S傳輸為例，所使用的光纖帶寬只占光纖帶寬（約3OTHZ）的O．O08 ％。雖然使用電時分復用可進一步提高傳輸容量，但是由于電子技術的限制，當1OG的SDH信號在傳輸時會有各種問題出現(xiàn)如色散，串擾以及電子器件的使用頻率極限等。
與此同時，新的業(yè)務對通信網(wǎng)容量和帶寬的要求日益增長。在技術能力與業(yè)務要求相矛盾的情況下，解決這一問題的根本出路在于利用光通信新技術。利用帶寬資源的最有效方法之一是復用技術，電時分復用在通信網(wǎng)中普遍使用，另外的復用手段是波分復用和頻分復用以及碼分復用等。近年來光通信技術的迅速發(fā)展使得利用波分復用技術（WDM）成為解決通信網(wǎng)帶寬和容量的主要措施，世界范圍內(nèi)各電信運營者利用WDM技術進行點對點擴容以及利用WDM技術進行光聯(lián)網(wǎng)的建設。與此同時摻雜光纖放大器（EDFA）技術的發(fā)展為解決復雜而昂貴的電中繼問題以及光信號的傳輸距離提供了方便。因此 WDM＋ EDFA技術實際上成為通信網(wǎng)光纖化的演化和通信網(wǎng)擴充容量帶寬的增大最方便的手段之一，其商用化在這幾年里已經(jīng)得到迅速的發(fā)展。
1．WDM技術和系統(tǒng)
典型的利用光纖傳輸信號的系統(tǒng)不僅受到電子瓶頸的限制而且還受到兩個因素的限制，色散和損耗。光纖色散對信號的限制主要是光信號的展寬，當光信號隨著傳輸?shù)木嚯x增大不斷展寬，當?shù)揭欢ǔ潭葧r，信號將無法識別。一般來說光信號的傳輸距離與光纖色散和傳輸速率的乘積成正比。對于特定色散的光纖，其傳輸距離和傳輸速率是一對矛盾統(tǒng)一體。因此色散限制了高容量的傳輸距離。另外信號在傳輸過程中的損耗也對信號的傳輸距離有限制。因此一般采用3R電中繼，也就是光電轉換，電光轉換，使得信號再生，恢復信號質量。通過電中繼解決色散和損耗的限制，但高速傳輸信號受到的電子瓶頸的限制是無法克服的。
為了解決高速大容量信號的傳輸，可采用的技術有空分復用，時分復用，波分復用，頻分復用和碼分復用等手段。目前電時分復用技術已得到廣泛使用，空分復用技術效率低沒有優(yōu)勢。光波分復用和頻分復用技術本質上是一樣的，差別在于頻分復用的信道間隔更窄，需要更高性能的器件，但傳送容量更大。碼分復用的優(yōu)勢是十分明顯的。發(fā)展的方向可能是多種復用技術的混合使用。目前在骨干網(wǎng)中波分復用技術和系統(tǒng)已經(jīng)成熟并已逐步商用。
寬帶波分復用技術在以前的通信網(wǎng)中已被利用，一般采用155Onm和131Onm兩個窗口來傳送兩路信號，例如上行信號和下行信號。但是目前所指WDM技術主要指密集波分復用技術，即在一定的波段上傳送多個信道的信號。例如目前利用WDM進行括容的WDM技術是在1550nm窗口附近傳送4,8,16,32,64等多路信道信號。也就是說WDM技術是在一芯光纖內(nèi)傳送多個波長信道，每個光信道的傳輸容量可以與單個傳輸系統(tǒng)的容量一樣大，應此總的傳輸容量就成倍增加，可以實現(xiàn)Tb／S的傳輸。
由于取電中繼的費用比較高，并且?guī)砹恕盗须娮悠款i。因此研究人員通過多年的努力研制成功光纖放大器，通常使用的是EDFA。EDFA在155Onm附近的光放大增益范圍達65nm左右，并且有較好的增益平坦度，可以對多個155Onm窗口附近的信道同時放大，使得中繼的費用下降，并且使得光信號的傳輸距離可以延伸到色散容許的范圍內(nèi)。
在WDM和DEFA技術成熟后，首先用來點對點傳輸，一般WDM點對點系統(tǒng)也是目前商用最廣泛的系統(tǒng)之一如圖1所示。圖示系統(tǒng)為8信道單向WDM系統(tǒng)，兩端分別有8個光端機，有對多個信道光復用的合波器和解復用的分波器，有用作功率放大的EDFA和前置放大的EDFA。實際系統(tǒng)一般是雙向的，但是端機是公用的。同時根據(jù)傳輸距離的長短決定是否采用線路放大EDFA。系統(tǒng)的波長轉換器根據(jù)各個系統(tǒng)的特點集成在TM或光復用器中，有些系統(tǒng)甚至不含波長轉換器，但如果考慮到以后利用WDM技術和系統(tǒng)進行組建光傳送網(wǎng)，波長資源是有限的，因此網(wǎng)絡節(jié)點處需要波長轉換。為了實現(xiàn)WDM的光聯(lián)網(wǎng)，需要基于WDM技術的光分插復用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）等設備和系統(tǒng)，以及光聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議等。本文將在后面討論這方面的問題。
2．WDM目前和將來在網(wǎng)絡中的應用
(1) 在長途干線和本地網(wǎng)中的全面應用
WDM系統(tǒng)在長途干線系統(tǒng)中已經(jīng)大量使用，目前網(wǎng)絡運營者正在討論WDM在本地網(wǎng)中的應用。由于本地網(wǎng)傳輸距離相對要近，使得WDM技術的光中繼優(yōu)勢消失。但是隨著用戶對帶寬追求，特別是城市大用戶希望組建自己大容量、高速率的專用網(wǎng)（VPN）時，以前鋪設的光纜可能會短缺。而鋪設新的光纖光纜的工程費用將越來越大，這將可能導致WDM系統(tǒng)在本地網(wǎng)中逐步被利用�？梢韵胂蟠蟪鞘泻鸵恍┕饫w光纜緊缺的地區(qū)將會首先采用WDM，隨著WDM設
備成本的下降，長途干線和本地網(wǎng)全面采用WDM系統(tǒng)組建光傳送網(wǎng)是一些專家的看法。最近利用波分復用技術為接入網(wǎng)提供多用戶服務的技術也在討論之中。
（2）支持全業(yè)務傳送網(wǎng)簡化網(wǎng)絡結構和層次
目前基本的傳送網(wǎng)是SDH網(wǎng)絡，話音業(yè)務直接通過SDH網(wǎng)絡傳送。但數(shù)據(jù)業(yè)務則通過TCP／
IP網(wǎng)絡傳送，而TCP／IP通過ATM網(wǎng)絡傳送或路由器轉發(fā)至SDH網(wǎng)，ATM業(yè)務通過SDH網(wǎng)絡傳送。因此IP格式的數(shù)據(jù)的傳送需要打包成ATM信元形式，ATM信元進一步通過SDH傳送�；蛘逫P通過路由器轉換成SDH格式傳送。這樣數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層層疊加，十分復雜。隨著WDM技術的成熟，特別是WDM技術所具有的傳送格式和速率透明的特性，為簡化網(wǎng)絡結構、簡單組建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)提供的可能。WDM系統(tǒng)實現(xiàn)傳送格式和速率透明的關鍵是發(fā)送OTU和接收OTU能夠自適應傳送格式和速率，這時OTU沒有3R功能，但具有廣泛的應用前景。實際上CIENA、LUCENT等已經(jīng)生產(chǎn)出具有傳送格式和比特率透明的OTU，使得WDM傳送數(shù)據(jù)信息成為可能。最近一些WDM設備生產(chǎn)廠家和IP設備生產(chǎn)廠家為有些運營者提供了支持全業(yè)務的實驗網(wǎng)�？梢哉f利用 WDM系統(tǒng)的這一特性組建 IP OverWDM和 ATM Over WDM以及其他直接通過 WDM傳送信息的技術和系統(tǒng)是WDM技術和系統(tǒng)的另一個十分重要的發(fā)展趨勢，將簡化網(wǎng)絡結構、降低網(wǎng)絡建設成本，形成支持全業(yè)務傳送網(wǎng)。有關利用WDM支持IP over X方面的接口和規(guī)范，ITU一T 和光網(wǎng)絡互聯(lián)論壇正在研究之中。
3．WDM應用相關問題
雖然 WDM技術特別是點對點 WDM＋ EDFA技術和系統(tǒng)已經(jīng)成熟且商用，但是WDM系統(tǒng)向上兼容（將來進行WDM聯(lián)網(wǎng)以及向光傳送網(wǎng)過渡）和向下兼容（在SDH網(wǎng)和光纜線路中利用WDM擴容）的問題并未解決，而且相關標準和建議并未完善。這些問題給具體應用帶來了困難。現(xiàn)階段利用WDM技術所面臨的問題可歸納如下：
（1）WDM應用光纖類型的確定。根據(jù)光纖的色散和損耗參數(shù)，光纖一般可分為常規(guī)光纖
（G652光纖），色散位移光纖（G653光纖和G655光纖），色散補償光纖。常規(guī)光纖是使用最廣泛的光纖，WDM系統(tǒng)也可以使用，如 2.5XN的信號光放大器，無需色散補償可傳輸6O0公里。但由于在1550urn窗口的色散系數(shù)太高，限制了傳輸距離和單信道容量，因此無色散補償時傳送 1OGXN信號的距離為明公里，要傳送更長距離時需要色散補償。G653光纖是色散位移光纖，155Onm窗口是零色散，非線性效應的相位匹配條件十分易滿足，因此不適合WDM系統(tǒng)。但通過適當選擇信道和控制光功率也可傳送WDM信號。G655光纖也屬色散位移光纖，在1550urn的色散較小但并不為零。這樣對于WDM系統(tǒng)既可避免非線性串擾，也從一定程度上解決了色散限制的傳輸距離和傳輸容量問題。例如 1OGxN少許的色散補償可傳輸480公里。色散補償光纖主要為了補償其他光纖的色散，一般不獨立使用。
（2）WDM信道的選定。對于獨立的點對點WDM系統(tǒng)信道的選擇除了非線性效應和信道隔離度的限制外，可以靈活的選擇信道。實際上并沒有獨立的點對點系統(tǒng)，最終WDM系統(tǒng)要聯(lián)網(wǎng)（和SDH聯(lián)網(wǎng)，WDM聯(lián)網(wǎng)，光傳送網(wǎng)），因此要互通互聯(lián)必須要有統(tǒng)一的信道。另外，信道是資源，將來可用的信道資源在建立全球通信平臺時將會十分有限，因此信道資源的選擇和規(guī)劃將十分重要。ITU一T 定義了以193.1TGHZ為中心的以1OOGHz為最小信道間隔的標稱信道波長。這些信道范圍覆蓋1528．77nM-1560.61nm，具體系統(tǒng)可根據(jù)國家和地方的規(guī)劃進行選擇信道。
（3）WDM非線性串擾。非線性串擾是WDM技術應用的主要限制。當滿足相位匹配和光功率達到一定量級時，非線性串擾會發(fā)生。非線性串猶有四波混頻，自相位調(diào)制和非線性散射等種類。一般通過選擇光纖和信道以及控制光功率可減少非線性串擾。
（4）WDM組網(wǎng)及保護。目前WDM技術應用的最重要且沒有有效解決手段的問題是WDM組網(wǎng)和保護問題。點對點的WDM島存在于SDH網(wǎng)中是暫時的過渡性的，為了徹底解決傳送容量，利用WD-M系統(tǒng)組網(wǎng)是必然的。同時，為大容量的WDM系統(tǒng)提供保護的意義是十分明顯的。因此是和SDH結合進行組網(wǎng)并提供SDH層的保護，還是利用光分插復用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）進行組網(wǎng)并提供光路層的保護，是十分難以選擇和解決的，并且技術都存在著困難。
（5）G957和G692接口的差別。由于G957和G692信號的光信噪比與電信噪比的關系不同，相同的光信噪比，G957的電信噪比高于G692的電信噪比。從而造成接口有可能失配。
4．向光傳送網(wǎng)的過渡
目前主要商用的WDM系統(tǒng)主要是點對點WDM＋EDFA系統(tǒng)，這樣點對點的 WDM系統(tǒng)在整個通信網(wǎng)中會造成利用電子技術進行交換和分插復用的節(jié)點成為瓶頸。為了進一步利用光通信技術的優(yōu)點，克服光電接口轉換和復用段終結電處理的瓶頸，利用WDM技術進行聯(lián)網(wǎng)進一步演化到光傳送網(wǎng)或全光網(wǎng)被認為是通信網(wǎng)發(fā)展的方向。因此利用WDM進行建設高速大容量通信網(wǎng)時，要考慮到將來向光傳送網(wǎng)的過渡，并且需要逐步引入OADM和OXC進行WDM區(qū)域組網(wǎng)，在組網(wǎng)時要對信道和光纖類型作合理且有預見性的規(guī)劃，以便將來進行全國和全球光聯(lián)網(wǎng)。由于光傳送網(wǎng)不僅涉及到光電器件和光通信系統(tǒng)，而且為了全球光網(wǎng)絡的互聯(lián)和互通需要相關的協(xié)議。所以這個過渡過程可能需要較長時間。
三、光通信新技術與接入網(wǎng)建設
目前業(yè)務需求的寬帶化、數(shù)字化和綜合化與落后的接入手段之間的矛盾已經(jīng)成為電信網(wǎng)建設中的主要矛盾之一。因此開展新一代用戶接入網(wǎng)的建設已是刻不容緩，是電信業(yè)發(fā)展的必然要求，是電信市場競爭的需要。同時建設新一代接入網(wǎng)是優(yōu)化網(wǎng)絡結構、電信網(wǎng)演化的必然途徑。新一代的接入網(wǎng)最終的方向是光纖到家（FTTH），但由于目前成本較高、接入技術的多種化，普遍開展FTTH的建設為時尚早。目前開展接入網(wǎng)的建設的關鍵是盡量實現(xiàn)接入網(wǎng)的光纖化，即使得光纖盡可能靠近用戶�？梢哉f接入網(wǎng)的建設關鍵是光纖化演化和光通信技術的使用。
但是在下一階段的接入網(wǎng)的建設中，具體為寬帶綜合業(yè)務用戶提供接入的系統(tǒng)和技術將是
最重要的。無源光網(wǎng)絡（PON）以及支持ATM的寬帶光網(wǎng)絡（APON）技術和系統(tǒng)被認為是寬帶綜合業(yè)務接入和實現(xiàn)光纖到家（FTTH）的理想技術之一，同時也適合為重要用戶群提供光纖到大樓和辦公室。
目前利用寬帶無源光網(wǎng)絡（APON）進行接入網(wǎng)組網(wǎng)的方案和實際應用并不多，窄帶PON的
應用比較廣泛。歐洲電信聯(lián)盟在BONAPARTE計劃中利用BAF系統(tǒng)和ATM核心網(wǎng)組成全光網(wǎng)絡，其中將BAF系統(tǒng)的OLT與ATM交換機相連，ATM核心網(wǎng)連接不同的BAF系統(tǒng)。這樣的網(wǎng)絡提供了遠程教學和遠程醫(yī)療等寬帶多媒體業(yè)務，顯示了全光網(wǎng)絡、特別是無源光網(wǎng)絡應用于接入網(wǎng)的一種模式。具體而言，利用無源光網(wǎng)絡進行接入網(wǎng)組網(wǎng)要利用SDH、ATM和PON或APON技術，在主干層利用ATM和SDH技術提供傳輸，PON或APON系統(tǒng)接入定位于分配層或引入層，通過主干節(jié)點的ADM連接到主干。對于用戶密度大和安全性高的地區(qū)，在分配層利用SDH和ATM技術，分配層節(jié)點連接PON或APON系統(tǒng)。當然具體要根據(jù)實際情況而定。實際上PON和APON系統(tǒng)也可直接位于主干層。由于窄帶PON系統(tǒng)并不支持寬帶業(yè)務，而APON系統(tǒng)支持窄帶業(yè)務，在具體應用中建議采用APON系統(tǒng)。實際上PON系統(tǒng)與APON系統(tǒng)相比，唯一的優(yōu)勢在于接水用戶多。但是APON系統(tǒng)正在向SuperPON系統(tǒng)發(fā)展，SUperPON的OLT可分2OOO路以上，覆蓋距離100公里，采用光中繼取代局所，可以說是未來接入網(wǎng)的必然選擇。因此在利于無源光網(wǎng)絡組網(wǎng)時盡量采用APON系統(tǒng)。但目前SDH、ATM和APON系統(tǒng)設備成本較高，APON技術正在發(fā)展之中，因此上述組網(wǎng)方案可以考慮在寬帶業(yè)務發(fā)展較快和用戶需求較急迫的地區(qū)實施。其中對于一些重點用戶如銀行、政府機關等采用APON技術提供接入是比較理想和可行的。
四、結束語
骨干網(wǎng)中的WDM技術的應用和光纖接入網(wǎng)的建設是通信網(wǎng)光纖化演化的主要的體現(xiàn)，隨著光通信技術的發(fā)展和全球聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的成熟，未來信息高速公路必然是依賴于光纖和光通信技術構建的物理平臺。
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