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宽带业务与通信网光纤化演化 (阅读次数:)
 
摘要:随着宽带多媒体业务的发展,对通信网的要求越来越高,主要体现在各种业务对带宽和容量的要求,实质在于以更少的价格提供更高带宽的服务。  
                   
         基于业务的驱动,通信网正在不断演化。但是从根本上解决带宽的办法只有光纤和光通信技术。正在日益成熟的光通信技术为通信网的光纤化演化提供了条件。在继SDH和PDH光传送技术在骨干网中被广泛采用之后,新的光通信技术如波分复用(WDM),无源光网络(PO)以及光联网(AON)等技术为通信网进一步的演化提供了有效的途径。
    一、引言
    近年来迅速发展的宽带多媒体业务,如交互式业务,广播式业务以及其他业务,其宽带,高速,多种媒体综合的特性对通信网提出更高要求,主要体现在大容量,高速,协议透明,通路高可靠性,操作和管理简单等方面。在这些业务的驱动下,以及电信业务的普及,电信网的演化正在迅速进行,本要方向是宽带化,智能化,个人化和综合化等。特别是INTERNET的发展使得通信网的宽带化演化更加急迫。为此各电信运营者加速了电信网的建设和演化,以便适应宽带业务对带宽和容量的要求。从根本上来说,网络的演化是为了给用户以更少更便宜的价格提供更丰富更高速的业务。这个问题只有光纤和光通信技术才能从根本上解决,其他方式的途径只能是过渡性的。同时对性能的要求使得电信网已经沿着采用最少的光电转换接口和尽量采用端对端光连接的模式进行演化,最终可能发展成全光通信网。因此通信网的光纤化演化是一个大趋势,对于骨干网和接入网都十分重要。
    实际上光纤和光通信技术在通信网的应用已经十分广泛,不仅在骨干传输网中普遍采用,而且在接入网中已有应用。但是这种用于主要是利用光纤的传输优势,随着通信技术和通信网的发展以及光通信新技术的发展,光通信技术以及不仅仅是传输问题,而是一个新的概念和网络。也就是说,光纤通信在通信网的演化中不仅仅是单独的点到点的光链路或利用新技术扩容,而是一个新的概念:全光网或光传送网。当然从现有通信网演化到光联网需要时间和技术等方面的积累,但是采用新的光通信技术逐步演化到光传送网是国内外专家的一致看法。本文讨论宽带业务对通信网光纤化演化的要求,光通信新技术,通信网光纤化演化的过程以及波分复用和光传送网技术的协议。
    二、与骨干网相关的光通信新技术
虽然SDH和PDH等传输普遍利用光纤,光电器件在传输中广泛使用,但是实际利用的光纤资源十分少。以目前 SDH使用的 2.5Gb/S传输为例,所使用的光纤带宽只占光纤带宽(约3OTHZ)的O.O08 %。虽然使用电时分复用可进一步提高传输容量,但是由于电子技术的限制,当1OG的SDH信号在传输时会有各种问题出现如色散,串扰以及电子器件的使用频率极限等。
    与此同时,新的业务对通信网容量和带宽的要求日益增长。在技术能力与业务要求相矛盾的情况下,解决这一问题的根本出路在于利用光通信新技术。利用带宽资源的最有效方法之一是复用技术,电时分复用在通信网中普遍使用,另外的复用手段是波分复用和频分复用以及码分复用等。近年来光通信技术的迅速发展使得利用波分复用技术(WDM)成为解决通信网带宽和容量的主要措施,世界范围内各电信运营者利用WDM技术进行点对点扩容以及利用WDM技术进行光联网的建设。与此同时掺杂光纤放大器(EDFA)技术的发展为解决复杂而昂贵的电中继问题以及光信号的传输距离提供了方便。因此 WDM+ EDFA技术实际上成为通信网光纤化的演化和通信网扩充容量带宽的增大最方便的手段之一,其商用化在这几年里已经得到迅速的发展。
1.WDM技术和系统
    典型的利用光纤传输信号的系统不仅受到电子瓶颈的限制而且还受到两个因素的限制,色散和损耗。光纤色散对信号的限制主要是光信号的展宽,当光信号随着传输的距离增大不断展宽,当到一定程度时,信号将无法识别。一般来说光信号的传输距离与光纤色散和传输速率的乘积成正比。对于特定色散的光纤,其传输距离和传输速率是一对矛盾统一体。因此色散限制了高容量的传输距离。另外信号在传输过程中的损耗也对信号的传输距离有限制。因此一般采用3R电中继,也就是光电转换,电光转换,使得信号再生,恢复信号质量。通过电中继解决色散和损耗的限制,但高速传输信号受到的电子瓶颈的限制是无法克服的。
    为了解决高速大容量信号的传输,可采用的技术有空分复用,时分复用,波分复用,频分复用和码分复用等手段。目前电时分复用技术已得到广泛使用,空分复用技术效率低没有优势。光波分复用和频分复用技术本质上是一样的,差别在于频分复用的信道间隔更窄,需要更高性能的器件,但传送容量更大。码分复用的优势是十分明显的。发展的方向可能是多种复用技术的混合使用。目前在骨干网中波分复用技术和系统已经成熟并已逐步商用。
    宽带波分复用技术在以前的通信网中已被利用,一般采用155Onm和131Onm两个窗口来传送两路信号,例如上行信号和下行信号。但是目前所指WDM技术主要指密集波分复用技术,即在一定的波段上传送多个信道的信号。例如目前利用WDM进行括容的WDM技术是在1550nm窗口附近传送4,8,16,32,64等多路信道信号。也就是说WDM技术是在一芯光纤内传送多个波长信道,每个光信道的传输容量可以与单个传输系统的容量一样大,应此总的传输容量就成倍增加,可以实现Tb/S的传输。
    由于取电中继的费用比较高,并且带来了~系列电子瓶颈。因此研究人员通过多年的努力研制成功光纤放大器,通常使用的是EDFA。EDFA在155Onm附近的光放大增益范围达65nm左右,并且有较好的增益平坦度,可以对多个155Onm窗口附近的信道同时放大,使得中继的费用下降,并且使得光信号的传输距离可以延伸到色散容许的范围内。
    在WDM和DEFA技术成熟后,首先用来点对点传输,一般WDM点对点系统也是目前商用最广泛的系统之一如图1所示。图示系统为8信道单向WDM系统,两端分别有8个光端机,有对多个信道光复用的合波器和解复用的分波器,有用作功率放大的EDFA和前置放大的EDFA。实际系统一般是双向的,但是端机是公用的。同时根据传输距离的长短决定是否采用线路放大EDFA。系统的波长转换器根据各个系统的特点集成在TM或光复用器中,有些系统甚至不含波长转换器,但如果考虑到以后利用WDM技术和系统进行组建光传送网,波长资源是有限的,因此网络节点处需要波长转换。为了实现WDM的光联网,需要基于WDM技术的光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)等设备和系统,以及光联网的协议等。本文将在后面讨论这方面的问题。
    2.WDM目前和将来在网络中的应用
    (1) 在长途干线和本地网中的全面应用
    WDM系统在长途干线系统中已经大量使用,目前网络运营者正在讨论WDM在本地网中的应用。由于本地网传输距离相对要近,使得WDM技术的光中继优势消失。但是随着用户对带宽追求,特别是城市大用户希望组建自己大容量、高速率的专用网(VPN)时,以前铺设的光缆可能会短缺。而铺设新的光纤光缆的工程费用将越来越大,这将可能导致WDM系统在本地网中逐步被利用。可以想象大城市和一些光纤光缆紧缺的地区将会首先采用WDM,随着WDM设
备成本的下降,长途干线和本地网全面采用WDM系统组建光传送网是一些专家的看法。最近利用波分复用技术为接入网提供多用户服务的技术也在讨论之中。
    (2)支持全业务传送网简化网络结构和层次
    目前基本的传送网是SDH网络,话音业务直接通过SDH网络传送。但数据业务则通过TCP/
IP网络传送,而TCP/IP通过ATM网络传送或路由器转发至SDH网,ATM业务通过SDH网络传送。因此IP格式的数据的传送需要打包成ATM信元形式,ATM信元进一步通过SDH传送。或者IP通过路由器转换成SDH格式传送。这样数据网络层层叠加,十分复杂。随着WDM技术的成熟,特别是WDM技术所具有的传送格式和速率透明的特性,为简化网络结构、简单组建数据通信网提供的可能。WDM系统实现传送格式和速率透明的关键是发送OTU和接收OTU能够自适应传送格式和速率,这时OTU没有3R功能,但具有广泛的应用前景。实际上CIENA、LUCENT等已经生产出具有传送格式和比特率透明的OTU,使得WDM传送数据信息成为可能。最近一些WDM设备生产厂家和IP设备生产厂家为有些运营者提供了支持全业务的实验网。可以说利用 WDM系统的这一特性组建 IP OverWDM和 ATM Over WDM以及其他直接通过 WDM传送信息的技术和系统是WDM技术和系统的另一个十分重要的发展趋势,将简化网络结构、降低网络建设成本,形成支持全业务传送网。有关利用WDM支持IP over X方面的接口和规范,ITU一T 和光网络互联论坛正在研究之中。
    3.WDM应用相关问题
    虽然 WDM技术特别是点对点 WDM+ EDFA技术和系统已经成熟且商用,但是WDM系统向上兼容(将来进行WDM联网以及向光传送网过渡)和向下兼容(在SDH网和光缆线路中利用WDM扩容)的问题并未解决,而且相关标准和建议并未完善。这些问题给具体应用带来了困难。现阶段利用WDM技术所面临的问题可归纳如下:
    (1)WDM应用光纤类型的确定。根据光纤的色散和损耗参数,光纤一般可分为常规光纤
(G652光纤),色散位移光纤(G653光纤和G655光纤),色散补偿光纤。常规光纤是使用最广泛的光纤,WDM系统也可以使用,如 2.5XN的信号光放大器,无需色散补偿可传输6O0公里。但由于在1550urn窗口的色散系数太高,限制了传输距离和单信道容量,因此无色散补偿时传送 1OGXN信号的距离为明公里,要传送更长距离时需要色散补偿。G653光纤是色散位移光纤,155Onm窗口是零色散,非线性效应的相位匹配条件十分易满足,因此不适合WDM系统。但通过适当选择信道和控制光功率也可传送WDM信号。G655光纤也属色散位移光纤,在1550urn的色散较小但并不为零。这样对于WDM系统既可避免非线性串扰,也从一定程度上解决了色散限制的传输距离和传输容量问题。例如 1OGxN少许的色散补偿可传输480公里。色散补偿光纤主要为了补偿其他光纤的色散,一般不独立使用。
    (2)WDM信道的选定。对于独立的点对点WDM系统信道的选择除了非线性效应和信道隔离度的限制外,可以灵活的选择信道。实际上并没有独立的点对点系统,最终WDM系统要联网(和SDH联网,WDM联网,光传送网),因此要互通互联必须要有统一的信道。另外,信道是资源,将来可用的信道资源在建立全球通信平台时将会十分有限,因此信道资源的选择和规划将十分重要。ITU一T 定义了以193.1TGHZ为中心的以1OOGHz为最小信道间隔的标称信道波长。这些信道范围覆盖1528.77nM-1560.61nm,具体系统可根据国家和地方的规划进行选择信道。
    (3)WDM非线性串扰。非线性串扰是WDM技术应用的主要限制。当满足相位匹配和光功率达到一定量级时,非线性串扰会发生。非线性串犹有四波混频,自相位调制和非线性散射等种类。一般通过选择光纤和信道以及控制光功率可减少非线性串扰。
    (4)WDM组网及保护。目前WDM技术应用的最重要且没有有效解决手段的问题是WDM组网和保护问题。点对点的WDM岛存在于SDH网中是暂时的过渡性的,为了彻底解决传送容量,利用WD-M系统组网是必然的。同时,为大容量的WDM系统提供保护的意义是十分明显的。因此是和SDH结合进行组网并提供SDH层的保护,还是利用光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)进行组网并提供光路层的保护,是十分难以选择和解决的,并且技术都存在着困难。
    (5)G957和G692接口的差别。由于G957和G692信号的光信噪比与电信噪比的关系不同,相同的光信噪比,G957的电信噪比高于G692的电信噪比。从而造成接口有可能失配。
    4.向光传送网的过渡
    目前主要商用的WDM系统主要是点对点WDM+EDFA系统,这样点对点的 WDM系统在整个通信网中会造成利用电子技术进行交换和分插复用的节点成为瓶颈。为了进一步利用光通信技术的优点,克服光电接口转换和复用段终结电处理的瓶颈,利用WDM技术进行联网进一步演化到光传送网或全光网被认为是通信网发展的方向。因此利用WDM进行建设高速大容量通信网时,要考虑到将来向光传送网的过渡,并且需要逐步引入OADM和OXC进行WDM区域组网,在组网时要对信道和光纤类型作合理且有预见性的规划,以便将来进行全国和全球光联网。由于光传送网不仅涉及到光电器件和光通信系统,而且为了全球光网络的互联和互通需要相关的协议。所以这个过渡过程可能需要较长时间。
    三、光通信新技术与接入网建设
    目前业务需求的宽带化、数字化和综合化与落后的接入手段之间的矛盾已经成为电信网建设中的主要矛盾之一。因此开展新一代用户接入网的建设已是刻不容缓,是电信业发展的必然要求,是电信市场竞争的需要。同时建设新一代接入网是优化网络结构、电信网演化的必然途径。新一代的接入网最终的方向是光纤到家(FTTH),但由于目前成本较高、接入技术的多种化,普遍开展FTTH的建设为时尚早。目前开展接入网的建设的关键是尽量实现接入网的光纤化,即使得光纤尽可能靠近用户。可以说接入网的建设关键是光纤化演化和光通信技术的使用。
    但是在下一阶段的接入网的建设中,具体为宽带综合业务用户提供接入的系统和技术将是
最重要的。无源光网络(PON)以及支持ATM的宽带光网络(APON)技术和系统被认为是宽带综合业务接入和实现光纤到家(FTTH)的理想技术之一,同时也适合为重要用户群提供光纤到大楼和办公室。
    目前利用宽带无源光网络(APON)进行接入网组网的方案和实际应用并不多,窄带PON的
应用比较广泛。欧洲电信联盟在BONAPARTE计划中利用BAF系统和ATM核心网组成全光网络,其中将BAF系统的OLT与ATM交换机相连,ATM核心网连接不同的BAF系统。这样的网络提供了远程教学和远程医疗等宽带多媒体业务,显示了全光网络、特别是无源光网络应用于接入网的一种模式。具体而言,利用无源光网络进行接入网组网要利用SDH、ATM和PON或APON技术,在主干层利用ATM和SDH技术提供传输,PON或APON系统接入定位于分配层或引入层,通过主干节点的ADM连接到主干。对于用户密度大和安全性高的地区,在分配层利用SDH和ATM技术,分配层节点连接PON或APON系统。当然具体要根据实际情况而定。实际上PON和APON系统也可直接位于主干层。由于窄带PON系统并不支持宽带业务,而APON系统支持窄带业务,在具体应用中建议采用APON系统。实际上PON系统与APON系统相比,唯一的优势在于接水用户多。但是APON系统正在向SuperPON系统发展,SUperPON的OLT可分2OOO路以上,覆盖距离100公里,采用光中继取代局所,可以说是未来接入网的必然选择。因此在利于无源光网络组网时尽量采用APON系统。但目前SDH、ATM和APON系统设备成本较高,APON技术正在发展之中,因此上述组网方案可以考虑在宽带业务发展较快和用户需求较急迫的地区实施。其中对于一些重点用户如银行、政府机关等采用APON技术提供接入是比较理想和可行的。
    四、结束语
    骨干网中的WDM技术的应用和光纤接入网的建设是通信网光纤化演化的主要的体现,随着光通信技术的发展和全球联网协议的成熟,未来信息高速公路必然是依赖于光纤和光通信技术构建的物理平台。
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