光傳送網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭養(yǎng)雄

【摘要】在全業(yè)務(wù)運(yùn)營時代，電信運(yùn)營商都將轉(zhuǎn)型成為ICT綜合服務(wù)提供商。業(yè)務(wù)的豐富性帶來對帶寬的更高需求，直接反映為對傳送網(wǎng)能力和性能的要求。光傳送網(wǎng)技術(shù)由于能夠滿足各種新型業(yè)務(wù)需求，成為傳送網(wǎng)發(fā)展的主要方向。

【關(guān)鍵詞】光傳送網(wǎng)技術(shù)；發(fā)展趨勢

【Abstract】 In the era of full-service operation， telecom operators will transform into ICT integrated service providers. The richness of the business brings a higher demand for bandwidth， which is directly reflected in the requirements for network capabilities and performance. The technology of optical transmission network is the main direction of the development of transmission network due to its ability to meet various new business needs.

【Key words】Optical transmission network technology；The development trend

1 光通信的發(fā)展階段

傳統(tǒng)的光纖傳輸技術(shù)，經(jīng)歷了準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）、同步數(shù)字體系（SDH），和波分復(fù)用（WDM）三個階段，如圖1下所示。

2. 常見的光傳輸技術(shù)

2.1 DWDM。

2.1.1 概述。

DWDM技術(shù)是指相鄰波長間隔較小的WDM技術(shù)，工作波長位于1550nm窗口。可以在一個光纖上承載8～160個波長。主要應(yīng)用于長距離傳輸系統(tǒng)（DWDM系統(tǒng)示意圖見圖2）。

2.1.2 技術(shù)特點。

2.1.2.1 充分利用光纖的帶寬資源，傳輸容量巨大。

DWDM系統(tǒng)中的各波長相互獨立，可透明傳輸不同的業(yè)務(wù)，如SDH、GE、ATM等信號，實現(xiàn)多種信號的混合傳輸。如圖所示，多個光信號通過采用不同的波長復(fù)用到一根光纖中傳輸，每個波長上承載不同信號，在一根光纖中傳輸，大大提高了光纖容量，極大的節(jié)約了光纖資源，降低線路建設(shè)成本（DWDM傳輸容量巨大見圖3）。

2.1.2.2 超長的傳輸距離。

利用摻鉺光纖放大器（EDFA）等多種超長距傳輸技術(shù)，可以對DWDM系統(tǒng)中的各通路信號同時放大，實現(xiàn)系統(tǒng)的長距傳輸（DWDM的超長距傳輸見圖4）。

2.1.2.3 平滑升級擴(kuò)容。

由于DWDM系統(tǒng)中的每個波長通道透明傳輸數(shù)據(jù)，不對通道數(shù)據(jù)進(jìn)行任何處理，擴(kuò)容時只需增加復(fù)用光波長通路數(shù)即可。

2.2 MSTP技術(shù)。

2.2.1 概述。

MSTP（基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺）指基于SDH 平臺同時實現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務(wù)節(jié)點。多生成樹（MST）使用修正的快速生成樹（RSTP）協(xié)議，叫做多生成樹協(xié)議（MSTP）（MSTP系統(tǒng)接口見圖5）。

2.2.2 技術(shù)特點。

（1）業(yè)務(wù)的帶寬靈活配置，提供10/100/1000Mbit/s系列接口，通過VC的捆綁可以滿足各種用戶的需求；

（2）可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，工作在端口組方式和VLAN方式，其中VLAN方式可以分為接入模式和干線模式：

（3）可以工作在全雙工、半雙工和自適應(yīng)模式下，具備MAC地址自學(xué)習(xí)功能；

（4）QoS就是規(guī)定各端口在共享同一帶寬時的優(yōu)先級及所占用帶寬的額度。

（5）對每個客戶獨立運(yùn)行生成樹協(xié)議。

（6）用戶帶寬固定，帶寬彈性不足，利用率低。

2.3 SDR技術(shù)。

軟件無線電（Software Defined Radio，簡稱SDR）是一種通過硬件作為無線通信的基本平臺，通過軟件實現(xiàn)把盡可能多的無線通信及個人通信功能的現(xiàn)代通信技術(shù)。一個典型的軟件無線電平臺由以下硬件組成：射頻、中頻、基帶、信源和信令等。軟件方面有可編程力強(qiáng)的DSP器件，靈活的通信軟件對工作頻率、系統(tǒng)帶寬、調(diào)制方式、信源編碼等進(jìn)行編程控制等應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件。

2.4 OTN技術(shù)。

（1）概述。

OTN是以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)、在光層組織網(wǎng)絡(luò)的傳送網(wǎng)。解決了傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡(luò)無波長/子波長業(yè)務(wù)調(diào)度能力差、組網(wǎng)能力弱、保護(hù)能力弱等問題。OTN跨越了傳統(tǒng)電域（數(shù)字傳送）和光域（模擬傳送），處理的基本對象是波長級業(yè)務(wù)，由于結(jié)合了光域和電域處理的優(yōu)勢，OTN可以提供巨大的傳送容量、完全透明的端到端波長/子波長連接以及電信級的保護(hù)，是傳送寬帶大顆粒業(yè)務(wù)的最優(yōu)技術(shù)（OTN分層結(jié)構(gòu)圖見圖6）。

（2）OTN技術(shù)特點。

OTN的主要優(yōu)點是完全向后兼容，它可以建立在現(xiàn)有的SONET/SDH管理功能基礎(chǔ)上，不僅提供了存在的通信協(xié)議的完全透明，而且還為WDM提供端到端的連接和組網(wǎng)能力，它為ROADM提供光層互聯(lián)的規(guī)范，并補(bǔ)充了子波長匯聚和疏導(dǎo)能力。

2.5 OTN概念涵蓋了光層和電層兩層網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)繼承了SDH和WDM的雙重優(yōu)勢，關(guān)鍵技術(shù)特征體現(xiàn)為：

（1）多種客戶信號封裝和透明傳輸。

基于ITU-TG.709的OTN幀結(jié)構(gòu)可以支持多種客戶信號的映射和透明傳輸，如SDH、ATM、以太網(wǎng)等。對于SDH和ATM可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)封裝和透明傳送，但對于不同速率以太網(wǎng)的支持有所差異。ITU-TG.sup43為10GE業(yè)務(wù)實現(xiàn)不同程度的透明傳輸提供了補(bǔ)充建議。endprint

（2）大顆粒的帶寬復(fù)用、交叉和配置。

OTN定義的電層帶寬顆粒為光通路數(shù)據(jù)單元（O-DUk，k=0，1，2，3），即ODUO（GE，1000M/S）ODU1（2.5Gb/s）、ODU2（10Gb/s）和 ODU3（40Gb/s），光層的帶寬顆粒為波長，相對于SDH的VC-12/VC-4的調(diào)度顆粒，OTN復(fù)用、交叉和配置的顆粒明顯要大很多，能夠顯著提升高帶寬數(shù)據(jù)客戶業(yè)務(wù)的適配能力和傳送效率。

（3）強(qiáng)大的開銷和維護(hù)管理能力。

OTN提供了和SDH類似的開銷管理能力，OTN光通路（OCh）層的OTN幀結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了該層的數(shù)字監(jiān)視能力。另外OTN還提供6層嵌套串聯(lián)連接監(jiān)視（TCM）功能，這樣使得OTN組網(wǎng)時，采取端到端和多個分段同時進(jìn)行性能監(jiān)視的方式成為可能。為跨運(yùn)營商傳輸提供了合適的管理手段。

（4）增強(qiáng)了組網(wǎng)和保護(hù)能力。

通過OTN幀結(jié)構(gòu)、ODUk交叉和多維度可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）的引入，大大增強(qiáng)了光傳送網(wǎng)的組網(wǎng)能力，改變了基于SDHVC- 12/VC-4調(diào)度帶寬和WDM點到點提供大容量傳送帶寬的現(xiàn)狀。前向糾錯（FEC）技術(shù)的采用，顯著增加了光層傳輸?shù)木嚯x。另外，OTN將提供更為靈活的基于電層和光層的業(yè)務(wù)保護(hù)功能，如基于ODUk層的光子網(wǎng)連接保護(hù)（SNCP）和共享環(huán)網(wǎng)保護(hù)、基于光層的光通道或復(fù)用段保護(hù)等。

3. 100G OTN關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PM-QPSK高級調(diào)制。

（1）OSNR性能改善。

具有相干檢測功能的PM-QPSK比二進(jìn)制（OOK）大約改善了6dB的光信噪比靈敏度。100Gbit/s的容量是10Gbit/s的10倍，所以100G調(diào)制方案需要提供比10GOOK碼型高10dB的性能。相干檢測的關(guān)鍵優(yōu)勢在于光波相位信息可以傳遞到數(shù)字領(lǐng)域，因而可以利用強(qiáng)大的電子色散補(bǔ)償（EDC）能力，以非常低的代價清理信號失真。因此，通過使用100GPM-QPSK與EDC，相干檢測的技術(shù)可以獲得6dB的改善（與直接檢測OOK相比）；利用高編碼增益FEC可得2～3dB的改善；由于減少CD和PMD的傳輸代價，再有1～2dB的改善。這樣，總改善能達(dá)到9～11dB，使得100GPM-QPSK接近10GOOK系統(tǒng)光信噪比的靈敏度。這就意味著，100G系統(tǒng)在應(yīng)用上可以達(dá)到目前的10G系統(tǒng)的傳輸距離。

（2）相位調(diào)制。

利用QPSK技術(shù)可以使光載波攜帶的信息量增大1倍，與偏振復(fù)用的結(jié)合使得100G信號波特率降低到約25Gbaud/s，因此能夠應(yīng)用在50GHz間隔的OTN系統(tǒng)中，同時也降低了信號對光纖非線性容忍度的要求（QPSK調(diào)制原理圖見圖7）。

3.2 相干接收和數(shù)字信號處理DSP技術(shù)。

（1）相干接收技術(shù)主要解決了對光信號的電場的檢測問題。光信號對業(yè)務(wù)信息是以電場的形式承載的，在光信號的傳輸過程中，其電場特性會受到光纖色散、光纖PMD、光纖非線性效應(yīng)以及濾波效應(yīng)等因素的影響而趨于劣化。常規(guī)的直接檢測方式只能探測光信號電場的模平方包絡(luò)（即光強(qiáng)），因此無法分解出上述劣化效應(yīng)的影響并給予消除。而相干接收技術(shù)可得到PDM-QPSK信號的所有信息，包括每個偏振方向上的電場的實部和虛部的強(qiáng)弱和相互的相位信息，為傳輸中各項劣化效應(yīng)的分解和補(bǔ)償提供了可能。而ADC則在不損失信息的前提下將檢測出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并由DSP芯片完成時鐘恢復(fù)、載波恢復(fù)、色散補(bǔ)償、PMD補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵處理。

（2）在100G PDM QPSK傳輸中，主要就是利用光數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復(fù)用和通道線性損傷（CD、PMD）補(bǔ)償，即通過數(shù)字化算法，在電域進(jìn)行色度色散補(bǔ)償以及偏振態(tài)色散補(bǔ)償，以此減少和消除對光色散補(bǔ)償器和低PMD光纖的依賴（相干接收DSP原理圖見圖8）。

3.3 軟判決SD/硬判決HD技術(shù)。

在100G相干電處理技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化力量的驅(qū)使下，并借助高速IC技術(shù)的發(fā)展，目前引進(jìn)了基于軟判決（SD）的第三代FEC編碼技術(shù)。軟硬判決的區(qū)別在于其對信號量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對信號量化的比特數(shù)為1位，其判決非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個比特位對信號進(jìn)行量化，采用“00”、“01”、“10”、“11”判決，通過Viterbi等估計算法提高判決的準(zhǔn)確率，大大提升了100G系統(tǒng)的傳輸能力。

4. 100G OTN組網(wǎng)思路

4.1 隨著100G時代即將到來，面對現(xiàn)網(wǎng)各類速率的業(yè)務(wù)情況，建設(shè)100G波分系統(tǒng)有兩種方式：一是新建純100G系統(tǒng)，采用支線路分離方式解決多業(yè)務(wù)傳送；二是將現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)平滑升級至100G波分系統(tǒng)。

（1）新建純100G波分系統(tǒng)，采用支線路分離方式解決多業(yè)務(wù)傳送

考慮到100G新技術(shù)帶來的優(yōu)異的傳輸性能，純100G波分系統(tǒng)的設(shè)計變得相當(dāng)“簡單”，色度色散和PMD限制幾乎可以不予考慮，系統(tǒng)的設(shè)計主要勞力OSNR的限制，這個有別于10G、40G波分系統(tǒng)設(shè)計時的線路色散補(bǔ)償。當(dāng)光纜條件具備，且屬于長距離傳輸?shù)膱鼍埃谟?00G業(yè)務(wù)的情況下，優(yōu)選新建純100G波分系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^OTN電交叉采用支線路分離方式解決10G、40G業(yè)務(wù)，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)同平臺的高效傳送。

（2）將現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)平滑升級至100G波分系統(tǒng)。

4.2 當(dāng)光纜纖芯緊張且現(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)利用率不高時，可考慮將現(xiàn)有10G/40G波分系統(tǒng)平滑升級至100G波分系統(tǒng)，以解決新增的100G業(yè)務(wù)。100G和現(xiàn)網(wǎng)兼容混傳需要考慮評估系統(tǒng)的OSNR容限、CD/PMD容限和非線性影響?；靷鲌鼍爸饕幸韵聝煞N：

（1）第一，相干100G（PDM-QPSK）和非相干10G/40G既有系統(tǒng)混傳?，F(xiàn)有10G、40G波分系統(tǒng)均采用線路的DCM模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的色度色散補(bǔ)償。實驗室測試表明，DCM模塊對相干的100G系統(tǒng)額外的OSNR上的代價很?。ú桓哂?.5dB），影響較小。只需系統(tǒng)OSNR參數(shù)能同時滿足100G和10G/40G的設(shè)計要求，即可實現(xiàn)兼容混傳。需要說明的是由于10G波分均采用OOK的調(diào)制方式，對采用PDM-QPSK編碼調(diào)制的100G系統(tǒng)混傳代價相對較大，10G和100G混傳時設(shè)置一定數(shù)量的隔離波道。endprint

（2）第二，相干100G和相干40G系統(tǒng)的混傳。對于40G相干系統(tǒng)，目前業(yè)界有兩種主流編碼技術(shù)，一種采用2相位調(diào)制PDM-BPSK，碼速率為21.5Gbps，入纖功率和100G相干接近，是最容易平滑混傳的解決方案；另一種40G相干采用4相位調(diào)制PDM-QPSK，碼速率為11.25Gbps，抗非線性較弱，入纖功率較低，和100G相干兼容混傳代價較大，在此場景下混傳時需要慎重設(shè)計，也需要設(shè)置一定數(shù)量的隔離波道。

5. 光傳輸技術(shù)展望

未來的全光網(wǎng)將在源節(jié)點至目的節(jié)點之間的信號傳輸與交換過程全部采用光波技術(shù)，以光交換技術(shù)和波分復(fù)用傳輸技術(shù)（WDM）為核心基礎(chǔ)。光交叉連接器（OXC）與可重構(gòu)的光分插復(fù)用器（ROADM）是全光網(wǎng)中最重要的網(wǎng)絡(luò)器件，而光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)和光碼分多址（OCDMA）技術(shù)是全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。展望未來的全光網(wǎng)絡(luò)，以WDM技術(shù)為主導(dǎo)、結(jié)合OTDM和OCDMA技術(shù)，將成為全光網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)架。

6. 結(jié)束語

當(dāng)前云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推出帶來了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層的深層次變革，傳送網(wǎng)絡(luò)的海量帶寬的數(shù)據(jù)傳送需求日趨增長。100G以上傳送網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模商用的時代已經(jīng)來臨，基于顯著的技術(shù)優(yōu)勢以及強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)能力，100G以上的傳送技術(shù)將登上更大的舞臺，在傳輸網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位。以O(shè)TN為代表的新一代光傳輸技術(shù)已取代DWDM和MSTP的地位，成為光傳送的主流技術(shù)。它們的融合發(fā)展順應(yīng)了業(yè)務(wù)IP化和網(wǎng)絡(luò)扁平化、融合化的趨勢，適應(yīng)未來電信網(wǎng)發(fā)展方向，將在下一代的光傳送網(wǎng)中發(fā)揮中流砥柱的作用。

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[文章編號]1619-2737（2017）07-20-679endprint