40G光网络的需要、发展及采用

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光波中文，编辑：Tom Hausken 译者：叶小华

　　上世纪60年代末协和飞机的问世开辟了航空飞行的新纪元。超音速飞机在速度及动力方面超越了原有飞机，本应成为未来的飞行技术。但最后事实并未如愿，协和飞机的销售状况并不理想，其他小型飞机反而销售良好。今天的电信领域遇到了类似的问题：40G技术是否会成为下一个协和飞机？
    正如拥戴者所说的，40G技术的巨大优势有：体积只有同等传输容量的10G系统的一半，功耗更低（减少了20%～40%），维护更容易（因为波长数减少了75%）。但是这些优势必须能够降低系统总成本，否则运营商也不会考虑。
    除上述优越性之外，还有一些采用40G系统的动力，首先就是路由器接口。已证实在IP路由器中高速率数据流比多路低速率数据流的传输效率高得多。路由器供应商已经推出了有40G接口的系统。
现有系统的扩展和升级是40G技术的又一推动力，还有其他潜在的市场，包括用于测试设备及海底传输的收发机。虽然下一代网络设备无疑会与40G技术兼容，但未来几年究竟需要多少40G高速率设备呢？
流量如何增长是影响40G需求的一个重要因素。按最近的流量增速来看，即使采用较为保守的估计，用不了几年，空闲信道就会用完。那时，运营商将不会再采用10G设备，因此最迟不超过2006或07年，40G的上马将不可避免。
    另一方面，若流量增速减缓，运营商或许还会继续使用10G，将极大影响对新系统的需求。Strategies Unlimited的市场研究人员预测2008年底长途链路的增速将减缓，但整体网络容量还将稳步增长（图1）。



虽然还有更激进的预测，但即使按这个预测，08年网络容量需求显然也比现在的容量大得多，这意味对40G系统的需求很旺盛。



图2是Strategies Unlimited根据流量增长的预测数据对2.5G、10G和40G长途收发机的销售情况的预测结果。尽管现在所有新系统都是10G的，但2.5G设备的销售依然强劲。未来几年10G销售全面增长时，40G设备的销量才开始逐步增大。还是一样，所有一切都取决于网络流量需求的发展。
    影响40G技术应用的因素还有其实施的难易程度，这项技术当然还有不少难题。对于刚起步的运营商来说，虽然采用了高速率的系统，但其上传输的业务信号还很少，使得光信噪比下降，导致40G长途链路的成本高于等效10G链路。
    将10G升级为40G后，色散提高了16倍，偏振模色散也上升了2～4倍，但符合要求的40G器件还无法量产。此外还有一些隐形成本，比如为新系统培训技术员、更新操作系统、验证光纤和更昂贵的测试设备等。
另一个障碍是电子器件：无论是磷化铟还是硅锗（SiGe）器件仍非常昂贵。CMOS的极限速率也可以达到40G，但可能还不如采用SiGe，因为CMOS需要用到昂贵的先进的蚀刻技术。此外，电子设备的主要成本来自测试，因此CMOS在高速率时没有优势。
    最后，不管设备商如何鼓动，运营40G网络都不会是小事一桩。其难度类似于维持高性能赛车的最佳状态或协和飞机的运营。
尽管存在这些困难，仍有不少企业最近发布和展示了许多产品。随着拉曼放大技术、前向纠错、色散补偿技术和先进编码调制技术（例如载频抑制归零码（CS-RZ）、双二进制编码、差分相移键控编码等）的发展，设备商已经能提供40G速率的实用系统了。同时也验证了在标准单模光纤上传输40G信号的可行性，尽管所用的光纤是98年后敷设的而不是最老的光纤。
  
长途与短途
    40G将用于网络何处呢？一方面，距离越短，应用40G技术越容易。大多数路由器之间的连接在同一中心局内，距离小于2km，适合采用40G设备。另一方面，最高速的链路通常用在长途（大于80km）网络中，长途网络中汇聚的流量足够大，能够承受40G设备的成本。
然而，长途市场增长依然缓慢，设备商正考虑将城域网作为第三个选择。在城域网中，路由器之间的连接和现有系统的扩展对40G设备还有一定的需求，而且没有长途连接那么复杂。
    中心局以及稍长距离的传输系统将会使用短距离（SR）收发机，用它们将传输设备和路由器连接起来。因此SR收发机的供应商不管怎样都可能有订单，但长距离传输设备供应商则需要城域网或长途业务才能生存。
    通常认为，40G系统的每信道价格应该比10G低3倍才有竞争力。但事实并非如此。首先，从过去的经验看10G设备的价格在一段时间内是2.5G的4倍甚至10倍，仍然能卖出去。其次，还要取决40G信道如何使用。若系统扩展且不用敷设新光纤的话，或许值得考虑，但对于超长距离传输而言则可能无法盈利。
    看看SR收发机的情况，40G产品的数量还很少，现在的售价在3万美金左右。为使产品有竞争力，系统设备商要求收发器的价格下降到8千～1万美金附近。这个价格仍然远高于10G产品，大批量采购时，10G SR收发机的价格为500美金左右。预计随着价格的下降，40G产品所需价格将在2007年左右达到用户的希望值，那时销售量将大增。
一旦40G在网络中立足后，光传输将如何变化？近20年来，网络中的传输速率平均每年增长26％。相当于每3年传输速度翻倍，或者说6年内从10G/s上升到40G/s。有人已经预测从40G上升到160G也将按同样的趋势增长。
    而最新的传输速率增长趋势可能遵循更传统的S曲线。在此情形中每年增速约为19％，或者说每4年翻倍。考虑这种情况，下一个合理的步骤是升级到80G，这是因为80G还可以照样使用现在常用的电子器件，而且还能用100GHz滤波器。
  
速率剧增
    去年9月的ECOC会议有几个演讲提到了160G创新技术。去年7月，日本冲电气企业展示了用OTDM传输640km的160G链路。去年甚至有文章讨论640G单波长传输。但是大家不能无限地提高速率，因为总是要考虑成本。
    首先，光在光纤中传输时由于非线性对信号的影响，传输速率存在物理极限。因为每个比特至少需要一个光子，6Tb/s可能就是理论极限了。而且速率越高，传输距离越短。这意味着其经济合理性也有极限。
柏林技术大学的研究人员在2003年模拟了160G传输的三种方案：16×10G、4×40G以及160G单信道。从网络管理角度看，单信道160G传输方式显然最好，但采用多个10G信道则可以获得最好的网络粒度和最小的器件总体成本。因此，即使单信道160G传输可行的话，也是遥远的未来的事情了。
    关键是，最好的系统是由运营商的需要决定的，而不是它有多高的传输速率。运营商并不一定非要最高的速率不可。例如采用WDM技术，运营商就可以有更多的选择。同样，采用OTDM的160G传输也只是另一种光复用，类似于“将4个25分硬币换成一块钱”。如果40G或160G方案还不是运营商的明确选择，则其市场也将受限更多，由此价格也难以下降。
  
现在的情况
    回到现在，厂商们正在缓慢而稳定地推进40G技术，需求也开始出现了。Strategies Unlimited预测今年40G系统和路由器会有一些应用。如果发展顺利，产品销售可能在2007～08年开始高速增长。
如果情况不像预计那样，40G也许会像协和飞机的命运一样。更小更多粒度的系统将是主流，而更大、更快的系统反而不能取代它们。毕竟，如果乘客都坐不满何必要买更快的飞机呢？但更可能的情况是，40G将成为最后的串行电调制速率，而80G和160G会成为协和飞机。
    大家还需继续观察流量的增长。只要流量持续增长，即使年增速远低于人们的预期，也有利于40G的发展。至关重要的是运营商如何看待此事，以及他们采用更高速率的愿望有多迫切。运营商们当然希翼新设备能兼容40G，如果他们有这样的设备，他们就有机会使用它们。另一方面，整个通信行业已经迷失在更快才能更好的假设中了。


长途传输流量的增长情况，图中显示的是估算的10G等效链路数（2.5G、10G和40G都折算为10G）的估算情况，单位为2002年的百分比。
  

2.5G、10G和40G长途收发机的销售量，单位为2003年的百分比。40G的数值包括短距离收发机。