下一代光网络浅析

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下一代光网络浅析





　　一、引言
　　光网络作为整个电信网络的基础网络之一，发展较快，从最初的PDH网络到目前广泛应用的SDH和WDM网络，在20年左右的时间里经历了几个阶段的飞跃发展，目前的商用技术非常成熟(OTN网络由于没有商用，故不多加讨论)。但随着网络规模的不断扩大和市场竞争的逐渐增加，这些传统光网络的弊端日益凸现如业务配置完全手工实现，对于占据主要业务量的数据业务的带宽分配不灵活和传送效率低等，这样将带来新业务开通周期较长和传输带宽浪费严重等缺点，严重影响运营商的市场竞争力和盈利指数。另外，随着光通信网络技术研发的不断进展，各种提高光网络性价比的技术不断出现或应用，如高速40Gbit/s技术、低噪声的喇曼放大器和高增益的FEC纠错技术等。因此，如何克服传统光网络已有的缺陷并充分利用各种能提高光网络性价比的新型技术来降低网络整体成本，则是下一代光网络最关心的问题所在。其实，下一代光网络的概念很难确切定义，在此仅指具备智能性并采用多种新型光网络技术的光网络为“下一代光网络”。本文主要就光网络的智能、光纤传输带宽的利用、超长传送距离和对于数据业务的传送效率等方面探讨下一代光网络的一些主要特点。
　　二、光网络的智能化
　　传统的光网络的业务配置一般都是依赖人工的方式进行，不但耗时费力，而且极容易出错，不能满足市场激烈竞争的需要。另外，随着数据业务的急剧增长，数据业务对于光网络传送带宽提出了动态分配的要求，以便充分地利用传送带宽。因此，一种新型的具有智能性的光网络模型——自动交换光网络(ASON)应运而生。不同于传统光网络，ASON的组成增加了一个新的层面——控制平面，并相应地在控制平面中引入了路由、信令和链路管理等机制，以实现连接自动管理。在光网络中，引入ASON有很多好处，主要体现在可实现业务快速提供和扩展、网络资源的动态优化、业务光层的快速恢复和提供新型的业务类型如按需分配带宽、波长业务服务和光虚拟专网(OVPN)等方面。
　　国际上目前有三个组织，即ITU-T，IETF和OIF进行相关的ASON的标准化工作，并已经取得了相当进展。三个组织对于ASON关注的侧重点有所不同，ITU-T主要侧重网络体系结构、网络性能和设备功能要求以及物理层规范等，已经完成了一系列标准(支撑的是重叠模型)。IETF则重在规范具体协议和信令，正在利用现有信令协议的扩展和修改来开发ASON控制平面(起初仅支撑对等模型，后来也支撑重叠模型)。0IF则从ASON控制平面的结构原理和要求开始，主要规范UNI和NNI，目前已经完成UNI l.0版本并演示了多厂家的互操作性，正在开发UNI 2.0版本。
　　下一代光网络必须具备智能性，这是大家的共识所在。但下一代网络中引入ASON以后，除了具备多种优点的同时，会带来什么样的不足之处呢？据笔者拙见，首先需要考虑的问题是安全性问题。由于基本上所有的信令和路由协议都是基于IP网络的原有协议扩展而来，而且在具体使用时也是采用IP包来传送，这样IP技术潜在的不安全特性对于ASON网络的安全性威胁很大。因为电信网不同于因特网，一旦有人通过IP技术来恶意破坏成功，后果不堪设想。另外，ASON网络的稳定性也需要时间来考验。由于所有资源的路由分配都是动态来实现，当网络规模增大到一定程度时，网络的稳定性至关重要，因为很小的计算失误就可能造成网络连锁效应的大范围故障。再需要提及的就是，传统网络如何向ASON网络演进的问题。如果完全抛弃传统网络而新建ASON网络，而对于原来的投资则带来相当的浪费，但若为了利用传统网络而对于ASON网络加以各种构造附属条件，如设计代理和互通网关等，则依然要付出相当的再投资和存在多重网管问题。对于此问题，可谓仁者见仁，智者见智。目前，德国电信的做法是完全新建ASON网络，等所有业务逐渐割解到新型ASON网络后，则抛弃传统网络。他们的规划结果是，从长期的角度看，这样可以更节省投资。而对于我国的电信光网络，如何从传统网络向ASON网络演进，是目前值得探讨的问题。
　　三、光网络的宽带化
　　随着制造工艺的提高和市场的激烈竞争等因素的影响，光纤光缆本身的价格相对降低很多，但铺设光缆依然是成本很高的投资(主要是与城市建设的规划等方面有关)。因此，如何充分利用已有或者新规划铺设的光缆资源则是运营商增加收入和减少投资的有效手段之一。一般而言，充分利用光纤的传输带宽有三种方法，一种是采用WDM/DWDM技术，再一种是提高信道的比特速率，而最后一种就是结合前两种，即单信道采用高比特速率的WDM/DWDM技术，这是最常采用的技术，也是本文着重讨论的技术。
　　在目前的商用系统中，WDM/DWDM系统的单信道速率最高为10Gbit/s，而人们所希望的40Gbit/s技术迟迟没有得到商用，可商用的产品已有，如Lucent的LambdaUnit(SDH)和LambdaXtreme(WDM)，Marconi的MSH256(分插复用器ADM)和MSH-E(数字交叉连接设备OXC)，PhotonEx的PX-UItraTM，Fujitsu的FLASHWAVE 7300(WDM)，Simens的Surpass hiT 7070和Nortel的光交换机OPTera HDX等，这除了整个通信市场低迷的客观影响外，40Gbit/s技术的性价比(相对于10Gbit/s需要降低到2.5倍以下)一直没有大幅度降低也是主要原因之一。另外由于40Gbit/s技术要求更高的光信噪比(OSNR，相对10Gbit/s增加6dB)、更小的色散容限(包括色度色散和偏振模色散)等，因此40Gbit/s技术的应用需要解决这些相应的物理机制的传输限制问题。根据目前已有或正在研究的技术，这些限制可逐一解决。如对于OSNR而言，新型的喇曼放大器可以提供较高的OSNR，而基于光纤光栅的动态色散补偿为CD的补偿提供较好的方案。另外，PMD对于新型光纤而言已不是主要问题(对于20世纪90年代中期以前铺设的光缆而言，PMD依然是主要限制因素之一)，因此40Gbit/s技术应用的限制条件越来越少。
　　由于新技术的应用需要考虑多方面的因素，如总体成本、未来可扩展性、业务需求等。随着数据业务的爆炸式增长和10Gbit/s路由器接口的不断应用的驱动和40Gbit/s相关技术的不断完善和提高，下一代光网络中采用40Gbit/s技术是顺理成章的事情。

　　四、光网络传送距离的超长化
　　随着光网络规模的逐渐扩展，如何实现低成本的超长距离传输(大于2000km)也是下一代光网络需要着重考虑的问题之一，而且这也与ASON网络的动态选路问题和成本问题有关。
　　掺饵光纤放大器(EDFA)的广泛应用为光网络较低成本的大范围覆盖起了很重要的作用。但由于EDFA自身产生的噪声较高，光信号传输几个放大器跨段后需要进行电再生才能继续往前传送。由于电再生的成本较高，因此人们一直在研究如何采用新技术可增加无电再生的传送距离，以降低系统整体成本。从具体实现方法上，一般在两个领域中进行研究，一个是在电域，即采用前向纠错(FEC)技术；另外一个是在光域，即采用低噪声放大器技术(也即分布式喇曼放大器)，或者采用两者结合的方法来实现无电中继距离的延伸。
　　FEC是一种比较成熟的技术，目前在多个通信领域应用，主要在电子域采用编码纠错的方式来延伸传送距离。根据所采用的FEC传送方式(带内和带外)和编码方式的不同，系统增益也有所不同，一般在3～9dB左右。而喇曼放大器技术主要采用其低噪声特性和宽放大带宽能力。由于信号放大是在光纤链路传输过程中逐步进行的，因此相应导致信号的其它非线性效应也较小。目前，分布喇曼放大器的技术也比较成熟，一般与高增益的EDFA组合使用(因为喇曼放大器虽然噪声小，但相对增益也小)。
　　对于WDM/DWDM系统而言，目前新型的码型调制技术(如CS-RZ，DPSK-RZ/NRZ等)和动态的增益均衡等功能也为系统的长距离传输提供了有利条件。另外，随着电再生技术的不断发展，如果电再生的成本低于或者可与光放大器的成本相比拟时，采用电再生实现超长距离的传送也不失为一种较好的选择方案。
　　随着各种超长传送技术的不断成熟和完善，在下一代光网络中采用超长传送依然是降低网络整体成本的有效方案之一，也是下一代光网络的主要特点之一。
　　五、光网络数据业务传送效率的高效化
　　随着数据业务的爆炸式增长，如何充分利用光网络能传送带宽也是下一代光网络需要考虑的重要因素之一。这不但涉及到固定网络，也涉及到以数据业务为主的第三代移动通信(3G)网络的业务接入与传送问题。虽然，光纤的传输带宽很宽，但若不能有效地进行利用，尤其是对于数据业务，则带宽不足问题依然凸现。由于数据业务(尤其是IP业务的不确定性和动态带宽需求性)对于传统的固定时隙带宽分配方式提出了挑战，目前已经提出了多种新型技术来适应这种发展需求，如通用成帧过程(GFP)、链路容量调整机制(LCAS)、虚级联(VC技术和基于数据业务为主的弹性分组环(RPR)技术等，而目前具备这些技术的网络节点设备一般称之为多业务传送平台(MSTP)节点设备。
　　GFP的统一封装为网络的互通提供了有利的前提条件，而VC和LCAS则为更充分地动态利用带宽和保证业务质量提供了技术途径，如可利用LCAS的多径传送能力可为一条路径失效的情况下实现业务保护，利用LCAS的动态增减业务颗粒的能力实现业务的在线动态增删而不影响其它业务等。另外，RPR技术的提出也为光网络支撑数据业务的传送提供了较好的备选方案。
　　数据业务的驱动是光网络技术发生革新的主要动力。随着数据业务，尤其是IP业务的持续高速发展，具备高效的数据业务传送能力则是下一代光网络不可不提的主要特点之一。
　　六、结束语
　　总之，下一代光网络具有智能性、宽带性、长距离传送性和数据业务传送高效性等多方面的特点，具体表现为采用了多种传送新技术，如40Gbit/s，FEC，分布式喇曼放大器GFP，VC，LCAS等自动交换光网络。但需要注意的是，和其它事物一样，光网络的发展是循序渐进的过程，只能是逐步的量变，最终过渡到最后的质变，即局部采用下一代网络模型，然后逐渐过渡到全部网络采用下一代网络模型的过程。具体这种过程该怎么演化，即独立组建下一代光网络，逐渐扩展规模和割解业务，还是在传统网络中直接逐步引入下一代网络，则是需要根据实际网络规模和多种性能因子综合分析比较的问题，不能断然得出结论。不过，虽然传统的光网络有着诸多不足，但在近几年内，传统的SDH/WDM网络依然是光网络中的主力军之一。相信随着时间的推移，最终将逐渐被下一代光网络所替代。