摘要:描述了光网络世界多姿多彩的局面，分别阐述了光网络家族各系列的核心技术，讨论了光网络产品对IP业务的适应，并提出了融合节点和智能光网络技术。
　　关键词:同步数字系列SDH、基于SDH的数字交叉连接设备S-DXC、密集波分复用DWDM、光分插复用器OADM、光交叉连接器OXC、波长路由器Wavelength Router、波长转换Wavelength Conversion、掺铒光纤放大器EDFA、拉曼放大器RFA、光信噪比OSNR、光传送网OTN、数字包封Digital Wrapper、多协议标记交换MPLS、多协议波长交换MPLmS、基于SDH的链路接入协议LAPS、简化数据链路协议SDL、连续级联Contiguous Concatenation、虚级联Virtual Concatenation、电时分复用ETDM、光时分复用OTDM、光孤子O-Soliton

　　一、多姿多彩的光网络世界
　　作为电信网的基础设施,光传输网得到了长足的发展。从光纤线路上来看,传送的都是光信号,但从尾纤进入到具体的设备或系统后,有些系统需要进行光电转换处理,有些则是直接进行光信号处理。对于大型系统来说,全光的处理难以实现(至少控制或管理信号不可能),所以目前的光传输系统可以分为“以电信号处理为主”的系统和以“以光信号处理为主”的系统。
　　目前,比较成熟的光传输技术主要是“以电信号处理为主”的SDH和S-DXC系统,代表电时分复用ETDM制式；同时还有“以光信号处理为主”的密集波分复用系统,代表着DWDM制式。受网络业务的驱使,SDH继续向高比特率发展,而DWDM继续向超密集波长数演进。
　　现在的电信业务主要由SDH和S-DXC来承载,而DWDM主要用来组建点对点(Point-to-point)的透明传输通道,这种方式存在着调度迟缓、效率不高的缺点。如果“以光信号任意处理为主”的OADM、OXC或波长路由器(Wavelength Router,简称WR)等技术成熟的话,一个崭新的“光传送网”OTN会逐渐搭建起来,届时,大部分电信业务会交付给OTN来承载。立足于未来,我们迫切地把光传输家族改称光网络家族。
　　中兴通讯最近提出一种分类方法,就是把光网络产品分为单波长解决方案SWS(Single Wavelength Solution)、多波长解决方案MWS(Multiple Wavelength Solution)和自由波长解决方案FWS(Free Wavelength Solution)。SWS的代表还是SDH和S-DXC,MWS的代表就是基于点对点组网的DWDM,而FWS的代表就是逐步商用化的“以光信号任意处理为主”的OADM、OXC和WR。
　　不可忽视的是,属于SWS系列的光时分复用OTDM技术、光孤子O-Soliton技术甚至光码分复用OCDM技术,同样有希望成为光网络家族的成员,只是这些技术还没有走出实验室。有专家预测：采用OTDM实现的4×40 Gb/s系统将会先于ETDM的 160 Gb/s率先投入商用。
　　二、单波长解决方案(SWS)
　　1．SDH技术的演进
　　目前,世界范围内的SDH 2.5Gb/s及以下系统相对成熟；10Gb/s系统正在规模商用、方兴未艾；40Gb/s系统曙光在前,已正式进入ITU-T建议；160Gb/s系统看来也并非“天方夜谭”。
　　(1)微电子技术的突破
　　绝大多数SDH厂商都同时致力于微电子技术的研究和实用,支路映射、低阶复用、开销处理等技术较为成熟,但交叉连接、高阶复用等技术面临考验,相应的ASIC推出相对缓慢,而这也正是产品竞争的焦点所在。目前,商用的SDH 10Gb/s ADM在VC-4级别的交叉能力达768×768,下一步就会突破1024×1024。对于S-DXC系统来说,通过Clos技术可以顺利地扩展交叉矩阵,再利用强大的网管系统控制就能实现超强、灵活的的交叉连接功能。对于40Gb/s系统来说,磷化铟InP材料和高电子活动度晶体管HEMT的发展将使之走出实验室,进而让ETDM技术再一次发扬光大,并让“电子瓶颈”之说暂时变成“危言耸听”。
　　(2)光信噪比OSNR问题
　　对于2.5Gb/s速率以上的SDH系统,目前比较流行的办法是采用前向纠错FEC,能在接收端光信噪比OSNR较低的情况下依然获得较佳的误码性能指标。新版G.707建议中利用 SDH的段开销 SOH中空余字节P1、Q1以BCH－3码方式增加了FEC选项,应用到高速SDH系统上预期可获得 2dB的误码性能改善。如希望得到更多的改善,则可使用带外FEC,这种措施来源于海缆系统。现在不少公司开发的SDH系统都采用了带外FEC,有些甚至宣称在10Gb/s系统上能改善8dB。但到目前为止ITU-T尚未确定何种纠错码适用于陆上系统的带外FEC,各厂家都是按照自己的方式进行ASIC和系统设计,在互通方面存在着极　　对 40Gbit/s系统还可以考虑利用拉曼技术来提高 OSNR,即在 EDFA输入端之前加入l450nm波长的拉曼泵,对靠近 EDFA输入端的上游区段光纤上的光信号进行放大,在 1550nm窗口有望获得 23dB的拉曼峰值增益。
　　(3)色散补偿问题
　　10 Gb/s以上ETDM系统走向实用还需解决色散补偿问题,G.655光纤相对G.652光纤所需的色散补偿量可以较少,采用色散补偿光纤DCF是比较成熟的补偿方法,但引入的损耗需放大器额外的增益来补偿。对40Gb/s系统而言,不仅要补偿色散,还要补偿色散斜率。针对这一应用,与常规光纤相比具有负色散及相反斜率的反色散光纤应运而生。光纤光栅补偿是一种有潜力的应用,但目前急需解决的是温度稳定性和宽波长范围问题。
　　在单模光纤中传播的光波,实际上包含两个电磁场方向,是互相垂直的偏振模。由于光纤制造过程产生的纤芯的椭圆度、非对称机械热应力以及外部弯曲或扭曲影响,这两个偏振模以不同的速度传播,群延时不同,导致光信号失真或脉冲展宽,即传输的速率和距离受到限制,这就是所谓的偏振模色散PMD。对信号来讲,因为PMD值很小,对速率为2.5Gb/s的光信号,影响不大,但对10Gb/s速率及以上的光信号影响较大。对于光纤来说,由于G.653和G.655光纤的剖面设计比较复杂,折射率差大,易受外界因素影响,其PMD比G.652光纤要略差。总体说来,因PMD产生的随机性和不确定性,需要自适应补偿,现在也有厂家宣称研制出相应的PMD补偿器。
　　(4)网络保护问题
　　a．常规保护方式
　　SDH经典的保护倒换已得到普遍认同。类型包括二纤环/四纤环、单向环/双向环、通道环/复用段环,还有子网连接保护SNCP的多种组合。对一般复用段环网来说,保护倒换时间可以控制在50ms以内,但对几千公里超长距离、上下业务节点数较多的环网来说,一些先进的SDH系统通过快速电开关桥接、快速时隙交换Fast-TSI以及高效APS协议/算法处理等,可以保证最终倒换恢复时间低于100ms。
　　对于跨环业务保护,G.842中典型的双节点互联DNI方式值得推荐。但是,如果跨环的业务量太大,DNI也力不从心,这时需要DXC来实现业务的转接和保护。DNI中需要关注的问题包括错连阻错、拖延时间Hold-off Time以及等待恢复时间WTR能通过网管设置等。
　　 b. 逻辑子网保护
　　传统意义上的子网是以“物理拓扑”为基础来分割网络,可以称作“物理子网”,而逻辑子网则是以“逻辑拓扑”为基础来分割网络、以电路层的业务和功能特征为依据来对通道层和段层进行水平分割后形成的子网。SDH逻辑子网由若干较低等级的SDH逻辑子网、通道、段开销和链路组成。单个通道或段开销可以组成最小的SDH逻辑子网。SDH逻辑子网的分割遵循以下原则：
　　● 以电路层的业务功能特征作为分割依据,以保证电路层的业务完整性；
　　● 逻辑子网的网络结构应尽量简单,同时必须符合网络拓扑的基本类型；
　　● 段开销、高阶通道和低阶通道都是逻辑子网分割的基本元件,推荐以高阶通道作为分割的基本元件,以减少逻辑子网包含的元件数；
　　● 从网络管理和保护角度出发,把相同业务功能的基本元件应该尽量分配在同一个逻辑子网内,以避免网络分割过于零碎。
　　采用逻辑子网的方法可以很容易实现保护功能,比如,那些包含段开销的逻辑子网可以利用成熟的APS协议对业务实行共享保护,而那些不包含段开销的逻辑子网可以实行通道保护,同时,不同逻辑子网之间还可以进一步提供子网连接保护SNCP。
　　(5)同步定时问题
　　按照一些新兴网络运营商的要求,SDH网络不但是同步网的使用者,而且可能是同步网的承载者。在SDH网络中,被承载的定时信号不能和其它业务信号等同处理,因为SDH的指针调整机制可能会导致某种程度的抖动(Jitter),也就是会带来传输损伤,从而影响定时精度。所以定时信号需要透明地、不受损伤地从源站点到达目的站点。
　　目前多数SDH厂商利用SSM机制,通过软件设置S1字节的不同状态来表示定时优先级和定时可用性,一定程度上可以保证定时路由的优化和可重构性,以及防止定时环路(两站点互相抽取定时)这种最坏的情况。
　　二、更加前沿的单波长技术
　　OTDM与ETDM有着本质的区别,后者是电信号的时分复用,前者是光信号的时分复用。OTDM的关键技术包括高精度光源、光定时提取、光复用(比如利用高速光开关)技术、光解复用(利用非线性,比如四波混频FWM来实现)技术等,会崭露头角。
　　在光纤的反常色散区,由于光纤色散和非线性效应的相互作用,一定峰值功率和形状的光脉冲在传输过程中可以保持形状和宽度不变,如果光纤没有损耗,则可以传送无限远,此类光脉冲称为光孤子。光孤子几乎不受偏振模色散PMD的影响,实用会稍晚一些,但目前光孤子和OTDM的关键实现都用到了非线性技术,线路编码均采用RZ方式,商用化的一大要点还需解决和线性领域NRZ编码方式转换的问题。不管怎样,这两种技术给单波长系列和整个光网络家族带来了新的发展动力。
　　三、多波长解决方案(MWS):DWDM技术的演进
　　因为ETDM技术的发展受限,DWDM技术得到了迅猛的发展,32×10Gb/s系统已开始大批量装备网络。除了提高基本速率外,DWDM系统扩容的主要办法是增加复用波长数,包括两种途径：更窄的波长间隔和开发更多的频带。
　　1．更窄的波长间隔
　　目前从商用化的角度看来,波长间隔如果从100GHz压缩为 50GHz,在掺铒光纤放大器 EDFA的增益带宽 35nm内可安排的波长数则可从40增至80。如果波长间隔达10GHz,在80nm谱宽内甚至可以实现了上千波长数,但波长间隔太窄将导致对光源波长稳定性及滤波器带宽提出相当严格的要求。
　　2．开发更多的频带空间
　　除了常规的C带,目前工作于 L带的 EDFA已可商用。关于 S带的研究也已经开始,鉴于拉曼放大器的成熟性及高成本,S波段目前尚不能商用。另外目前的G.655光纤如果工作在 S带,则零色散波长要向短波长方向移动,否则这三带将是负色散,这样一来,C带和 L带对应的色散将加大,需要增加色散补偿量。
　　3．超长传输距离
　　目前DWDM选用几种典型的EDFA来实现不同的光跨距Span,利用多个Span组合可实现多种光复用段距离,但光复用段距离还受限于色散容限(可以通过不同的光源调制技术来解决,比如电吸收EA调制、LiNbO3调制、Ⅲ－Ⅴ族调制等),同时不同波长通道的增益需要均衡,还有就是必须抑制非线性。最后,可利用多个光复用段级联可以实现超长光传输段距离,这里,3R功能(信号的再生、再整形、再定时)就显得非常重要。
　　EDFA的可用带宽约为 84nm,而受激拉曼放大器具有更宽的带宽,其原理是在常规光纤中直接利用光泵浦,利用非线性将信号光放大。采用拉曼放大器的一个优点是：因为放大是沿光纤分布而不是集中作用,因而发送的光功率可以比较小,以降低四波混频FWM的干扰。
　　多种业务接入
　　DWDM可以通过自适应的OTU(Self-adaptive Optical Transponder Unit)灵活接入多种速率的业务,从100Mb/s的快速以太网FE、千兆以太网GE、FDDI、ESCON、FICON、HPPI、光纤通道(Fiber Channel)到2.5Gb/s SDH再到10Gb/s SDH等,尤其在城域网的应用中,这种多业务接入的需求就十分突出。
　　2.自由波长解决方案(FWS)：OTN的核心技术
　　2.1概述
　　如果OADM、OXC(波长路由器)规模商用化,那么光自愈环甚至具有可生存性的光传送网络OTN就可以顺利搭建,逐步取代目前由SDH、S-DXC搭建的电层物理网络,而让SDH退居为客户层信号。
　　2.2 OADM和OXC技术
　　OADM可用于链型网络的中间或环型网络上,对OADM而言,固定上下波长是最低要求,而动态、可重构上下波长也成为对OADM的必备功能要求。
　　如果要组建格型网络或网状网络,OXC必不可少。对OXC而言,具备波长转换(Wavelength Conversion)功能(目前还实现不了全光转换)、链路模块性、稳定可靠的光交换矩阵和较高的性价比等是其重要特征。OXC的核心是光开关,近来,微电子机械开关MEMS技术显示出良好的发展前景,正成为实用化大型OXC的主要开关技术之一。
　　 2.3波长路由器技术
　　波长路由器和OXC没有本质的区别,一般说来,当OXC能够实现动态波长选路功能时就可称为波长路由器。或者说,在进行波长选路时,波长路由器是动态的,而OXC是静态或半固定的。动态波长路由的核心问题之一是,在不使用全光波长变换模块时,如何实现自适应波长和路由的动态分配问题,解决途径是确定优化判据、波长和路由的分配算法,也包括针对故障恢复路由的、性价比较高的自愈算法；核心问题之二是在有全光波长变换模块时,如何利用此类模块降低波长堵塞概率,相应的算法研究包括系统性能和OTN拓扑结构、网络尺寸的内在关系。除此之外,要真正实现自适应的路由和波长分配,必须考虑在业务流量限制下的选路问题,理想的情况是：OTN节点实时监测光信道上的业务流量,根据使用情况按照相应算法增加、减少光信道数量和提高、降低光信道数据速率。
　　2.4同频串扰问题
　　在点对点DWDM网络中,不同波长间的异频串扰问题普遍存在,需要波长选择器件(比如光解复用器)优良的隔离度指标来解决这个问题；而在光网络OTN中,当不同输入链路中同一波长(频率)的信号被送入同一OXC,根据需要通过相应的光开关完成光交叉连接,由于器件性能的不完善,单个信道的信号经过交叉连接后会包含其它信道的串扰。当这些信道重新经过光复用器重新组合到一起时,异频串扰就会转化为同频串扰,它可以是不同链路中相同波长间的串扰或同一信号与自身的串扰。当光通道经过多个OXC时,由于每个OXC中波长选择器件的作用(比如隔离度),异频串扰不会随着节点数的增加而积累,而同频串扰和信号在同一个波长信道内,不受波长选择器件的影响,将随着节点数的增加而下断积累。因此同频串扰问题需大力重视。
　　2.5 OTN的监控技术
　　对于OTN来说,需要分别在电通道层、电复用段层、电再生段层、光通道层、光复用段层与光传输段层等进行监控,以便实时检测各层性能,也有利于协调各层的保护倒换措施。
　　对于光通道层OCH,现在比较看好的监控信道采用数字包封(Digital Wrapper,简称DW)方式传送,即以电时分复用ETDM方式在光通道信号净负荷基础上增加足够的开销比特,构成一个“数字包封帧”,该帧的开销可提供网管消息通道、勤务通信通道、保护倒换通道,还可以提供带外 FEC能力。其特点如下：
　　●任何电层客户信号比如SDH、GE、IP、FDDI、PDH、ATM等要映射到光通道OCH中,建议都先经过数字包封这一关；
　　 ●客户层信号在OCH净负荷中是浮动的,并且不受OCH容器格式限制,而仅仅是在3R(再整形、再生、再定时)带宽内的固定比特率信号；
　　●不需要指针指示客户层信号在包封帧结构中的具体位置；
　　●提供10Gb/s或以上信号的带外前向纠错编码FEC功能,对光信噪比OSNR的良好改善；
　　●能够迅速接纳和处理新出现的客户层信号,比如即将商用化的10Gb/s以太网信号；
　　2.5 OTN的保护技术
　　DWDM/OTN可以依赖SDH层实现保护,也可以自身实现光通道保护或二纤单向光复用段保护、和二纤双向光复用段保护甚至光子网连接保护OSNCP。与SDH不同的是,依靠光开关而不是电开关来实现倒换桥接,目前,机械光开关的响应时间在毫秒级,而LiNbO3光开关的响应时间在微秒级,再加上光复用段保护OMSP的APS(可利用数字包封DW帧结构中类似于K1、K2的字节)处理时间,可以推算自愈保护恢复时间在毫秒量级。
　　虽然SDH环与DWDM/OTN光环有很多类似之处,但需要指出的是,在组环时必须保证任一正常路径与其对应的保护路径都能满足光功率预算(Power Budget)及色散管理的要求,必要时还需 PMD补偿及非线性控制(Non-linearity Control)。另外,如要实现光复用段共享环,没有波长转换功能是很难完成的,因为选路时的波长冲突难以避免。
　　3.光网络系统如何有效地适应IP业务
　　3.1 SDH的缺陷
　　对于固定比特率业务,比如传统话音业务,SDH可以轻易将之适配到对应的固定容量通道中,但对于可变比特率VBR业务和任意速率(如非2Mb/s的整数倍)的新业务,SDH系统则显得不够灵活,所以SDH需要对自身进行改造。
　　3.2 IP Over SDH剖析
　　IP Over SDH的方式和要点包括:
　　(1) 将IP数据包通过点到点协议PPP转换成HDLC帧结构映射到SDH的虚容器VC中,这种方式简称 POS,比较成熟,适于多协议环境,但 PPP并不是专为SDH运载而设计的,POS效率还不理想;
　　(2)将IP数据包转换成LAPS帧结构映射到SDH虚容器VC中,这是中国人自己提出的IP over SDH提案,已被正式批准作为国际电联标准,其标准号为X.85/Y.1321 IP over SDH。LAPS在HDLC净荷中省去填充字节 PAD,因而对于短数据包,LAPS比 PPP效率要高。另外LAPS将扰码作为强制要求而不象 PPP那样是可选功能。
　　(3)因为基于HDLC的数据链路层实现很难把速率扩展到2.5Gb/s以上,为了解决这个问题,将IP数据包通过简化数据链路协议SDL的方式映射到SDH虚容器VC中,目前看来,效率很高；
　　IP Over SDH相对IP Over ATM而言,省掉了大量开销,具备较高的传送效率,但其缺点是流量和拥塞控制能力较弱,能保证业务分级CoS,但不能完全保证QoS；适合纯IP数据业务传送,但不适合话音、图像和多业务平台。现阶段,G比特和T比特路由器的硬件、软件性能已大幅度提升,吞吐量Throughput大,转发延时指标过硬,并行CPU处理技术保证了较短的响应时间和较高的处理效率。如果MPLS大规模应用的话,更是让高速路由器如虎添翼,QoS最终不是问题。
　　3.3 SDH的级联技术
　　前面提到,SDH从诞生的一开始,应该是最适合TDM业务传送,比如PDH等,然而对IP/Ethernet和ATM业务则显得力不从心。目前解决的措施是在芯片和系统级提供连续级联(Contiguous Concatenation)或虚级联(Virtual Concatenation)功能。以千兆以太网GE为例,“Ethernet Over SDH”过程描述如下：
　　GE接口将N个VC-4捆绑在一起形成一个整体VC-4-N,在VC-4-N所支持的净负荷C-4-N中建立一个LAPS(或SDL)链路在SDH网中传送,此为VC-4级联,能在单个VC-4-N内携带N个VC-4净负荷。当N个VC-4连续排列时为连续级联,通常以VC-4-N中第一个VC-4的POH作为级联后整体的的POH.,其缺点是N个VC-4必须地址相邻,带宽分配不灵活。
　　虚级联方式无需VC-4相邻,仅需通道终端设备提供级联功能即可,这种方式需要通道业务起始端和终止端各增加一套处理设备,接收端需引入一个缓存器以增加额外时延。
　　3.4 IP over DWDM剖析
　　IP Over DWDM取消了ATM和SDH两层,映射结构更简单、效率更高,通常采用的方式可以是SDH、PPP/HDLC,也可以是SDL,还可以是GE。分别对应的形式包括：IP→SDH→光通道→(OCH)、IP→GE MAC→GE PHY-光通道(OCH)、IP→PPP→HDLC→光通道(OCH)以及IP→SDL→光通道(OCH)。
　　采用SDH帧格式的优点前面已有论述,但SDH在传送数据业务时有很多不必要的开销,造成带宽浪费,而且将IP包装入SDH帧,需要增加拆装设备SAR,既浪费资源又浪费成本。
　　采用千兆比以太网GE帧格式应该是一种经济有效的方法。首先,以太网帧格式与IP数据包是一致的,各种层次的网络使用统一的以太网帧格式可以实现无缝连接。但以太网帧毕竟不是针对长距离而设计的,其 MAC层协议在长距离应用尚待考验,况且以太网帧较少考虑维护管理功能,网络的生存性、健壮性有待商榷。
　　从长远的目光看,IP Over DWDM应该采用一种新的帧结构,既面向数据业务进行优化,提供较高的传输效率,又有足够的开销用于网络的性能监测和维护管理,以确保网络的安全性和健壮性。目前正在酝酿的10Gb/s以太网标准,其目标就是试图解决这一问题。除了上述适配协议外, ITU－T正在研究开发新的 IP over DWDM适配层标准。
　　3.5 融合传送节点和智能光网络技术
　　前面提到,SDH的ETDM属性使其对于可变速率业务不太灵活,所以SDH必须在VC级额外增加级联功能,或是在设备内部把颗粒细化,比如,从目前的最低VC11、VC12级别细化到ATM Cell级或IP Packet级,这样,为了适应IP或ATM业务的“畅通无阻”,一定程度上要求SDH设备内部提供信元交换和IP包交换、包转发的能力。这样,SDH就不是单纯意义上的SDH了,而成了“带宽优化器”或者“融合节点”。
　　不远的将来融合传送节点技术展望：在大容量高端设备上将TDM、DWDM甚至IP(结合MPLS)核心路由交换等制式融合,让DWDM提供透明的、大容量的光传输通道,而让真正的业务汇接、保护和疏通主要集中在TDM制式为主的电层,比如在SDH和S-DXC层,让IP业务层和传输层在设备级融合的目的,主要是方便吞吐量管理、业务调度、统一网管、减少机房面积和减低整体成本。这种融合节点也许会为目前以电为主的网络向光网络OTN平滑演进提供一种解决措施。
　　未来较高境界的融合传送节点技术,即智能光网络技术,展望如下：通过新型的MPLmS技术实现IP与DWDM/OTN两个层面的融合,让电层的IP高速路由器和光层的OXC、WR等实现物理设备级的融合,实现灵活的带宽分配、优化、管理以及自动波长路由功能。基本要求包括：有合适的帧格式将IP包直接映射到波长；有合适的信令、协议使路由器等可以按需控制光层波长,获取所需带宽等。
　　四、结束语
　　展望未来光网络,单波长系列SWS、多波长系列MWS以及FWS系列在较长的一段时间内都会并行发展,各自突破,随着市场和运营领域的不断检验和取舍,有些系列会逐渐占据上风,领导潮流,而有些系列会渐渐淡出竞争的圈子,甚至被取代。不管未来技术多么复杂,但是网络层次会越来越简洁和清晰,运营商和制造商会携手并进,共同制造“双赢”的局面。值得欣慰的是, 通过几年艰苦卓绝的努力,包括中兴通讯在内的一批民族电信厂商已经具备了同步世界的光网络发展理念,在技术、产品和市场上也积累了雄厚的实力,无疑会为全世界运营商的基础网络建设做出有力的贡献,同时在全球范围内的光网络产品及市场竞争中取得一席之地。