韋樂(lè)平：縱論光通信發(fā)展趨勢(shì) 40G網(wǎng)絡(luò)有優(yōu)勢(shì)

    在全球通信市場(chǎng)增長(zhǎng)放緩的情形下，中國(guó)及亞太地區(qū)仍然保持了較高的發(fā)展速度。特別是在中國(guó)的光通信市場(chǎng)上，電信運(yùn)營(yíng)商持久不衰的投資熱情為制造商創(chuàng)造了巨大的商機(jī)，這也使得幾乎所有國(guó)際知名通信廠商都將目光更多地投向了中國(guó)市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)光通信市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率是國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率的2～3倍，而且在入世、承辦奧運(yùn)會(huì)等有利因素地促進(jìn)下，預(yù)計(jì)這種增長(zhǎng)勢(shì)頭在未來(lái)幾年內(nèi)不會(huì)明顯衰減。

　　然而電信業(yè)的發(fā)展并不永遠(yuǎn)是“春光明媚”，許多技術(shù)難題和發(fā)展方向?qū)⒃诤艽蟪潭壬蠜Q定電信業(yè) 未來(lái)的投資方向和發(fā)展步伐。

　　光通信技術(shù)的亮點(diǎn)

　　光通信發(fā)展的趨勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

　　第一，光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正在為適應(yīng)業(yè)務(wù)量的數(shù)據(jù)化趨勢(shì)而調(diào)整，中間層正在逐步淡出或者薄化，即消失或越來(lái)越薄。比如說(shuō)ATM將要逐步淡出，但是SDH還將會(huì)長(zhǎng)久存在，只是變得越來(lái)越薄而已。

　　第二，傳輸電路容量繼續(xù)按照光纖定理前進(jìn)，事實(shí)上，傳輸成本在過(guò)去的幾年里已經(jīng)下降了幾十倍，這個(gè)趨勢(shì)還在繼續(xù)，不僅涉及CAPEX，而且還包括OPEX，這是一個(gè)大趨勢(shì)。目前，運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的重點(diǎn)是不僅要降低投資成本，而且要降低運(yùn)營(yíng)成本，也就是說(shuō)光通信已經(jīng)不僅作為比特流傳輸，而且在運(yùn)營(yíng)上也要有充分的靈活性和高效性，能夠把運(yùn)營(yíng)成本降下來(lái)。前幾年，人們的努力方向就是把容量做大，把比特成本降低，而現(xiàn)在的系統(tǒng)設(shè)計(jì)則要求不僅是比特成本要降低，而且運(yùn)營(yíng)成本也要降低，即將總的投資回報(bào)期提前。目前，全球電信運(yùn)營(yíng)商在整個(gè)資本市場(chǎng)上都遇到了很大困難，惟一能做的兩件事情是：第一是降低成本，第二是增加收入。增加收入并不容易，但是降低成本是可以做到的，也是最現(xiàn)實(shí)的，能夠看得到的。企業(yè)在增加收入方面想出了各種各樣的辦法，但是畢竟都不實(shí)在，而降低成本是可以實(shí)實(shí)在在做到的，無(wú)論是從軟件還是從硬件上。

　　第三，組網(wǎng)的方式開(kāi)始從點(diǎn)到點(diǎn)和環(huán)網(wǎng)向網(wǎng)狀網(wǎng)的方向演進(jìn)，從而改進(jìn)了組網(wǎng)的效率和靈活性。過(guò)去光通信大多數(shù)都是點(diǎn)到點(diǎn)，或者是環(huán)網(wǎng)，但從發(fā)展的眼光來(lái)看，由于IP的出現(xiàn)和發(fā)展，要求任意點(diǎn)到任意點(diǎn)的通信，因此網(wǎng)狀網(wǎng)成為更加有效的組網(wǎng)方式，并將會(huì)獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。

　　第四，光聯(lián)網(wǎng)從靜態(tài)方式向智能化的動(dòng)態(tài)聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)展，改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的響應(yīng)、生存性和提供實(shí)時(shí)新業(yè)務(wù)的可能性。人們已經(jīng)不再滿足于靜態(tài)的聯(lián)網(wǎng)方式，而是希望采用動(dòng)態(tài)的聯(lián)網(wǎng)方式，能夠以更快的速度實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

　　第五，傳送網(wǎng)正逐漸向業(yè)務(wù)網(wǎng)的方向演進(jìn)。光靠賣(mài)連接已經(jīng)沒(méi)有幾年飯可吃了，而且這種方式的成本和利潤(rùn)越來(lái)越低，惟一的辦法是把傳送網(wǎng)從純粹的連接提供者變成各種業(yè)務(wù)的提供者，這就要求我們下功夫?qū)ふ彝黄瓶?，而?dòng)態(tài)指配和光交換是關(guān)鍵，當(dāng)然還有一些其他的措施。

　　第六，從網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，形成了兩大不同的發(fā)展方向：一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)核心，一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)邊緣。核心網(wǎng)逐漸趨向于傳送層和業(yè)務(wù)層獨(dú)立發(fā)展，不太可能把它們?nèi)诤显谝黄穑驗(yàn)檫@里面技術(shù)差異、功能要求差異太大了;網(wǎng)絡(luò)的邊緣層則是向傳輸和業(yè)務(wù)融合的多業(yè)務(wù)平臺(tái)發(fā)展，即趨向于融合?，F(xiàn)在已有多種技術(shù)選擇方案，在多數(shù)情況下，SDH多業(yè)務(wù)平臺(tái)可能是近期最現(xiàn)實(shí)合理的主要技術(shù)方案選擇。

　　40G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

　　下一代光通信的發(fā)展趨勢(shì)離不開(kāi)容量，因?yàn)楣馔ㄐ诺睦媳揪驮谌萘?。容量演進(jìn)的發(fā)展方向一是時(shí)分復(fù)用方式，另一個(gè)是波分復(fù)用方式。時(shí)分復(fù)用方式即將達(dá)40Gb/s,再發(fā)展不是不可能，但從經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合的意義來(lái)講是不值得的。這樣只有往波分復(fù)用方向發(fā)展。

　　10G從1996年第一次問(wèn)世以來(lái)到今天為止已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模的鋪設(shè)，在中國(guó)鋪設(shè)的量也相當(dāng)大，中國(guó)電信三個(gè)大環(huán)網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)通，隨后聯(lián)通、鐵通的大環(huán)也都開(kāi)通。下一步符合邏輯的想法是發(fā)展40G。那么采用40G有什么優(yōu)勢(shì)呢?

　　第一，可以比較有效地使用傳輸頻帶，頻譜效率比較高。

　　第二，減少了設(shè)備的成本，如果40G的成本能降到10G實(shí)際成本的3倍以下時(shí)，就達(dá)到了合理應(yīng)用的程度;如果能夠降到這一點(diǎn)的話，就可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用;如果降不到這點(diǎn)，就很難應(yīng)用。今天看來(lái)還沒(méi)有達(dá)到這一步。有的廠家宣布已經(jīng)可以達(dá)到4倍于10G的成本，但是我們還沒(méi)有看到它的實(shí)際應(yīng)用，多數(shù)情況下成本可能達(dá)到七八倍左右。

　　第三，減少了OAM的成本、復(fù)雜性以及備件的數(shù)量。這是很明顯的，因?yàn)樗挥靡粋€(gè)網(wǎng)元代替了四個(gè)網(wǎng)元，自然簡(jiǎn)單了很多。

　　第四，每比特的成本比其他的城域網(wǎng)的方案更加經(jīng)濟(jì)。

　　第五，通常單波長(zhǎng)可以處理多個(gè)數(shù)據(jù)連接，核心網(wǎng)的功能將會(huì)大大地增強(qiáng)。因此，隨著路由器有了10G的端口，核心傳送網(wǎng)理應(yīng)轉(zhuǎn)向40G。也就是說(shuō)傳送網(wǎng)應(yīng)該比路由器接口速率高四倍，這樣組網(wǎng)效率較高。目前中國(guó)電信已經(jīng)開(kāi)始在路由器上裝備10G接口，在上海到杭州的Cisco路由器上已經(jīng)采用了10G接口，不久別的地方也會(huì)慢慢跟上來(lái)?？赡苡貌涣藥啄辏蠖鄶?shù)骨干路由器的端口都是10G了，在這樣的前提下就會(huì)迫使傳輸設(shè)備走向40G。

　　40G傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

　　一，色度色散補(bǔ)償和極化模PMD補(bǔ)償技術(shù)。從理論上看，色度色散代價(jià)和極化模色散代價(jià)都隨比特率的平方關(guān)系增長(zhǎng)，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，做起來(lái)很困難。 第二，光信噪比的要求較難滿足。因?yàn)檎w上說(shuō)，它比10G要求提高了6dB，差不多要求32dB的光信噪比。這么高的光信噪比如果沒(méi)有喇曼放大器，則是很難做到的。

　　第三，調(diào)制格式的選擇。40G調(diào)制是一個(gè)很大的難題，有那么多選擇，如NRZ碼、差分相移鍵控RZ碼(RZ-DPSK)調(diào)制方式、光孤子(Soliton)調(diào)制方式、偽線性RZ調(diào)制方式、啁啾的RZ(CRZ)、全譜RZ(FSRZ)、雙二進(jìn)制，究竟哪一種好呢?目前還沒(méi)有結(jié)論?？磥?lái)，短距離傳輸采用傳統(tǒng)的NRZ，而長(zhǎng)距離傳輸DPSK最有希望。這種調(diào)制方式的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間，比普通RZ碼的頻譜效率高，可以改進(jìn)色散容限、非線性容限和PMD容限，傳輸距離比普通RZ碼長(zhǎng)。這種調(diào)制方式的光信噪比可以比NRZ改進(jìn)約3dB，有些情況下可能高達(dá)6dB,是一種能有效擴(kuò)展傳輸距離和適合40Gb/s速率的調(diào)制新技術(shù)。

　　第四，超級(jí)FEC。其實(shí)這是一個(gè)非常古老的技術(shù)。1984年，筆者在加拿大學(xué)習(xí)的時(shí)候，筆者的一個(gè)同學(xué)所做的論文就是FEC。從1984年到現(xiàn)在，已經(jīng)過(guò)了18年了，它才開(kāi)始形成大規(guī)模的應(yīng)用。這個(gè)技術(shù)的發(fā)展是很有意思的，在當(dāng)時(shí)的條件下，電信采用的是多模系統(tǒng)，但后來(lái)轉(zhuǎn)成單模，因而就不需要FEC了。但是隨著光速率達(dá)到40G，提高光信噪比的難度越來(lái)越大，成本和代價(jià)也越來(lái)越高，F(xiàn)EC就成為一個(gè)非常關(guān)鍵的實(shí)用技術(shù)。特別是對(duì)于40Gb/s速率，采用帶外FEC已經(jīng)成為關(guān)鍵的使能技術(shù)之一，不僅可以使傳輸距離達(dá)到實(shí)用化要求，而且在一些短距離傳輸系統(tǒng)上，可以避免實(shí)施昂貴復(fù)雜的有源PMD補(bǔ)償。

　　第五，封裝技術(shù)。在40G速率下封裝技術(shù)也成為一個(gè)難點(diǎn)。光纖耦合容差僅0.2mm，所以在范圍很寬的溫度下能夠繼續(xù)維持穩(wěn)定工作并不是一件簡(jiǎn)單的事。

　　第六，交換機(jī)和路由器的接口難度更大，需要非常復(fù)雜的處理能力，包括在40Gb/s速率下實(shí)現(xiàn)包基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)量整形、過(guò)濾和優(yōu)先。它涉及很多元件，包括成幀器、網(wǎng)絡(luò)處理器、流量工程實(shí)現(xiàn)芯片和高速I(mǎi)/O芯片等。預(yù)計(jì)其商用化時(shí)間比傳輸系統(tǒng)還晚一年。

　　40G傳輸網(wǎng)絡(luò)的材料

　　40G的材料也是一個(gè)問(wèn)題。過(guò)去我們習(xí)慣用硅鍺和鎵砷，到了40G時(shí)代可能這兩種材料的性能已經(jīng)不能滿足要求了，在很多場(chǎng)合下可能需要采用InP(銦磷)材料了。InP屬于半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族成員，這種材料比硅鍺的電壓低，比鎵砷的功耗低，尺寸非常小，可以小于1mm2，電光效應(yīng)比其他材料都強(qiáng)，而且可以用來(lái)構(gòu)成各種有源和無(wú)源的集成器件，還可以作為半導(dǎo)體應(yīng)用在超高速電子電路，包括40GB/s速率的驅(qū)動(dòng)電路等上。在這樣的超高速度下其性能優(yōu)于硅鍺和鎵砷材料?？磥?lái)InP材料將是40G的首選材料。

　　當(dāng)然它的缺點(diǎn)是制作比較困難，不像硅鍺和鎵砷材料那樣成熟，特別是由于芯片尺寸太小，使得與光纖的耦合變得困難，而且插損大。為了克服這一困難，可以采用錐形結(jié)構(gòu)作耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)InP芯片模斑尺寸與光纖端面的匹配。

　　總之，由于上述種種技術(shù)難點(diǎn)以及電信市場(chǎng)的低迷，40G系統(tǒng)的規(guī)模商用化時(shí)間還需要兩年左右的時(shí)間，但其終將到來(lái)卻是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

　　下一代干線光纖的閃光點(diǎn)

　　光纖作為傳輸媒質(zhì)，為光傳輸提供了巨大而廉價(jià)的可用帶寬，在光傳送網(wǎng)的發(fā)展中起著重要作用。特別是光纜的壽命高達(dá)20年，一次敷設(shè)后就很難再動(dòng)，因此光纖參數(shù)的設(shè)計(jì)必須要有前瞻性，充分考慮設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。下一代電信網(wǎng)需要支持更大容量、更長(zhǎng)距離和更寬頻譜范圍的傳輸，因而開(kāi)發(fā)敷設(shè)下一代光纖已成為歷史的必然。

　　1993至1995年分別出現(xiàn)了以真波光纖和leaf光纖為代表的G.655光纖，并獲得了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。包括筆者在內(nèi)的多數(shù)人在一段時(shí)間內(nèi)認(rèn)為似乎光纖的研究已經(jīng)到頭了，現(xiàn)在看起來(lái)并不是這樣。隨著速率提高到40GB/s以及超長(zhǎng)傳輸距離的實(shí)施，特別是復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)的繼續(xù)增加，傳統(tǒng)G.655光纖的弱點(diǎn)已經(jīng)開(kāi)始顯露。例如低色散斜率光纖的零色散點(diǎn)仍然太高，接近S波段的低端，不利于開(kāi)放S波段;而大有效面積光纖的高色散斜率和相對(duì)色散斜率、高零色散點(diǎn)和過(guò)大的有效面積對(duì)超高速超大容量系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展更加不利。因此為了適應(yīng)下一代光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要，光纖參數(shù)的繼續(xù)優(yōu)化十分必要。目前在干線光纖上有這樣幾個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)：

　　第一，色散斜率需要進(jìn)一步降低，以保證低端和高端的色散差不至于過(guò)大。筆者一直認(rèn)為色散斜率一定要小，因?yàn)檫^(guò)去只顧C(jī)波段，斜率高一點(diǎn)兒無(wú)所謂?，F(xiàn)在要擴(kuò)展到L波段乃至S波段，這個(gè)問(wèn)題就嚴(yán)重了，這方面對(duì)大有效面積光纖很不利，其色散斜率高達(dá)0.085ps/(nm2·km)。

　　第二，色散值需要繼續(xù)適當(dāng)增加，以保證足以壓制FWM影響,實(shí)現(xiàn)更窄的波長(zhǎng)間隔。最早的時(shí)候G.652光纖的色散值為17ps/(nm·km)，大家認(rèn)為太大，需要減少，后來(lái)出現(xiàn)了G.655光纖。但開(kāi)始走向另一極端，起初有些光纖的色散值僅1 ps/(nm·km)、2ps/(nm·km)，后來(lái)增加到4ps/(nm·km)，目前看來(lái)都不夠，現(xiàn)在是160個(gè)波長(zhǎng)，如果到了300個(gè)乃至1000個(gè)波長(zhǎng)時(shí)怎么辦?所以色散值一定要足夠大，但又不能回到原來(lái)G.652的值，所以筆者看6～8 ps/(nm·km)是比較合適的，已足以壓抑四波混頻的影響，可以適應(yīng)越來(lái)越多的波長(zhǎng)通路數(shù)需求。

　　第三，光纖的相對(duì)色散斜率需要繼續(xù)減小，以便簡(jiǎn)化色散斜率補(bǔ)償，改進(jìn)補(bǔ)償效率，降低系統(tǒng)成本。這方面大有效面積光纖的弱點(diǎn)很明顯，很難補(bǔ)償。

　　第四，光纖有效面積需要最佳化，從而兼顧非線性損傷和喇曼增益。前幾年多數(shù)人認(rèn)為大有效面積是好事，而筆者始終認(rèn)為有效面積要適度，低色散斜率更重要?，F(xiàn)在由于喇曼放大器的出現(xiàn)和發(fā)展，大有效面積光纖的喇曼增益低的弱點(diǎn)更加明顯，業(yè)界已經(jīng)將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向低色散斜率，而有效面積趨向比較適中的55～65mm2;

　　第五，零色散點(diǎn)需要繼續(xù)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)(如1400nm附近)，避開(kāi)S波段，以保證S波段以及C波段和L波段的正常工作。這方面不僅傳統(tǒng)低色散斜率光纖和大有效面積光纖的零色散點(diǎn)均太高，即便是特銳Ultra光纖也太高。

　　上述五個(gè)主要發(fā)展方向已經(jīng)導(dǎo)致ITU-T開(kāi)發(fā)新一代的G.655.B光纖標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)有特銳Ultra光纖、真波Reach光纖和PureGuide光纖問(wèn)世，其他廠家也都在努力研制這類(lèi)新一代的干線光纖?？梢韵嘈?，這種新一代的光纖將逐漸成為未來(lái)的主導(dǎo)干線光纖。