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标题: 光网络技术发展与展望(韦乐平) [打印本页]

作者: vguangxian 时间: 2021-2-21 13:33
标题: 光网络技术发展与展望(韦乐平)
经历了光纤泡沫和多年沉寂的光通信开始呈现良好的发展势头。以对等通信(P2P)业务为代表的互联网业务蓬勃发展，移动业务持续高速增长，IPTV业务蓄势待发，世界网络带宽需求的年增长率依然高达50%～100%。这些业务层面上的发展对电信网的基础——光网络提出了新的容量、功能和性能上的需求。下面仅对光网络领域的若干热点技术发展趋势作简要总结和展望。
1、40 Gbit/s系统的发展和应用
40 Gbit/s系统主要具有如下优势：可以更有效地使用传输频带，频谱效率较高;当40 Gbit/s系统的成本降到10 Gbit/s系统成本的2.5倍以下时，便可以实现大规模商用，从而降低传输成本;1个网元代替4个网元，可以减少OAM成本、复杂性以及备件数量;可以有效减少IP链路数量，提高节点的扩展性，改进核心网的效率和功能。
近年来，以P2P为代表新的互联网应用的普及导致IP流量持续快速增加，以10 Gbit/s为基础的现有长途WDM网络已经呈现出“力不从心”的状态，部分段落80×10 Gbit/s容量已经用完，对40 Gbit/s WDM系统的需求与日俱增，其应用已经被提到日程上来。
除市场需求因素外，影响40 Gbit/s系统应用的主要因素是技术、价格和光缆线路的PMD(极化模色散)性能。首先，从技术方面来看，40 Gbit/s系统经过多年的发展，在技术上有了长足的进步。可以应用于不同场景的多种调制技术(如DQPSK、DP-QPSK、DRZ、DPSK、ODB等)已经商用或接近商用，各种适用于40 Gbit/s的有源和无源器件大量问世使成本快速下降，并且各种器件的功率平坦度、非线性、色度色散、极化模色散性能明显改进，从而使系统设计的功率余度要求可以适度放宽。特别是DQPSK、DP-QPSK调制技术、电子色散补偿和超级带外FEC编码等一系列新技术的突破和成熟为长途应用的性价比改进提供了坚实的基础。DP-QPSK的色度色散容限已经达到50000 ps/nm，PMD容限已经达到25 ps，具备了十分良好和宽松的实际网络应用基础。各种超级带外FEC编码的净增益已经达到10 dB左右，为实际系统的设计提供了足够的功率预算。其次，从成本方面来看，各种器件技术的性能改进和量产的加大，整个系统的成本已经降到10 Gbit/s系统的3.5～4.5倍，尽管离规模应用的2.5倍门限值还有差距，但是已经处于可以启动阶段。最后，从光缆的PMD特性来看，当速率提高到40 Gbit/s后，PMD受限将导致传输距离随传输速率的平方关系成反比例减少，传输距离将减少到1/16，且二阶PMD的影响变大。我国光缆网的PMD特性究竟能否有效支持40 Gbit/s的长距离传输，需要进行大规模的实地测试后才知道。近来在中国电信进行的实际研究结果表明，我国京广线以东地区敷设的多数光缆的PMD性能基本能够满足40 Gbit/s的传输要求，即便少数光缆性能不好，也可以通过跳纤的方式来满足40 Gbit/s的传输要求，因此光缆的PMD特性也不再是主要的应用障碍。可见，无论是市场需求，还是技术、成本、光缆PMD都证明，以40 Gbit/s为基础的WDM系统的应用已经迫在眉睫。然而，在具体应用上还存在彩光口和白光口之争，虽然目前没有定论，但从国内外主导运营商的实践和观点看，认为40 Gbit/s彩光口主要适用于城域网领域且已经成熟可用，而40 Gbit/s白光口主要适用于长途网领域，目前已经趋近成熟。此外，关于100 Gbit/s以太网近期报导非常多。美国贝尔实验室创造了100 Gbit/s以太网传输2000 km的实验室世界记录，其采用50 GHz间隔、DQPSK调制格式，主要用于数据中心间的通信连接。然而，100 Gbit/s以太网真正进入规模化商用还需要解决很多技术问题，需要走很长一段路程。
  2、从点到点传输走向动态传送联网
   普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带宽，需要有灵活的节点才能实现高效的灵活组网能力。随着网络业务向动态的IP业务的继续汇聚，一个灵活、动态的光网络是不可或缺的，最新发展趋势是引入自动交换光网络(ASON)，使光联网从静态光联网走向动态交换光网络。这样带来的主要好处有：简化网络和节点结构，优化网络资源配置，提高带宽利用率，降低建网初始成本;实现规划、业务指配和维护的自动化，从而降低运维成本，并且可以解决实时、准确维护传输网资源难题，避免资源搁浅;具备网络和业务的快速保护恢复能力，使网络在出问题时仍能维持一定水准的业务;具有快速业务提供和拓展能力，便于引入新的业务类型，诸如按需带宽业务(BoD)、分级的差异化带宽业务、波长出租、光虚拟专用网(OVPN)等，使传统的传送网向业务网方向演进。受上述优点的吸引，AT&T、BT、NTT、Vodafone和Verizon等电信运营商已经成功地在网络中引入ASON。其中AT&T已经在全网部署了200多个节点，计划扩展到300个节点。ASON的一个重要发展和应用趋势是引入多种数据业务接口(VoIP、VoD、互联网等)，提供以太网功能，演变成为所谓的多业务汇聚节点。英国电信的ASON定位就是这样的。然而，从更长远的视角看，随着IP业务量的持续大幅度攀升，目前基于光/电/光变换的光交叉设备将不能满足发展的需要，全光交叉设备将可能在未来5～15年逐渐成为干线网上的核心节点设备。全光节点可以彻底消除光/电/光设备产生的带宽瓶颈，保证网络容量的持续扩展性;省去昂贵的光电转换设备，大幅度降低建网和运营维护成本;可以实现网络对客户层信号的透明性，支持不同格式或协议的信号;可以避免光电转换环节及复杂的时隙指配过程，加快高速电路的指配和业务供给速度;以实现在波长级灵活组网的目的;可以实现快速网络恢复，改进网络的生存性和质量;可以避免单纯IP层联网所带来的低效率，提高网络资源的利用率，提供灵活、高效的组网能力和对物理层大故障的快速恢复能力。随着网络业务量的迅速增长和网络规模的持续扩展，从电联网逐渐走向光联网将是历史的必然，电联网将逐步撤退到网络的边缘和接入部分。
   总体上看，首先看传送面，光/电/光硬件交换平台已经完全成熟商用，大规模全光交换平台的可靠性还有待实践考验，带宽颗粒大，容量需求还不足。其次看控制面，标准已经基本成熟。实际测试表明，E-NNI已经可以实现跨厂商设备的传送面电路配置，但是还无法实现跨厂商设备的控制面保护恢复。简言之，单域控制面已经比较成熟，各厂商设备基本具备邻居自动发现、网络拓扑自动发现和动态更新等主要功能。最后看管理面，控制面的引入使ASON的网管功能弱化，部分功能移交给控制面完成，有利于多厂商网管互通，估计不会成为制约ASON应用的主要因素。目前，管理面主要是SC的管理功能不完善，多数厂商设备尚不能提供SC业务的计费信息。另外，跨域的管理功能还比较弱。
   3、下一代ROADM的发展和应用可重构光分插复用器(ROADM)并不是一个新概念，最简单的形式就是在WDM环结构上能够远程控制分插所需上下路波长的二维ROADM。近来，互联网流量的持续高速增长，特别是P2P和视频流量的快速增长，对网络的容量和组网灵活性提出了很高的要求，再加上技术的不断进步和成本的不断下降，这种可以动态实现任意波长上下路的灵活组网设备ROADM开始受到业界的关注，并在北美地区率先得到应用。
   ROADM的主要优点如下
●消除电设备产生的带宽瓶颈。从目前的传送网来看，无论节点还是链路的容量增长速度均无法赶上IP业务量的增长速度，而纯光的ROADM可以保证网络容量的持续扩展性。
●实现对客户层信号的透明性。取消网络中的光电转换设备后，可以透明地支持任意速率、格式或协议的客户层信号，包括基于以太网、SDH和OTN的40 Gbit/s以信号和未来的100 Gbit/s信号。对于当前面临的未来发展不确定的复杂形势，这种透明性有利于维持基础设施的长期稳定性。
●简化和加快高速电路的指配和业务提供速度。减少了光电转换环节，可以远程实现任意波长的灵活、动态上下路，从而减少电路配置时间，加快业务提供速度，降低人工操作的失误概率，有效地改进业务量疏导。
●降低建网和运营维护成本。通过简化网络的层次和结构，减少网元数和昂贵且耗电的光电转换设备数，从而简化网络的管理和规划，这样既可以降低建网费用，又能够大幅度减少网络维护运行、扩容升级、地产和电源成本。
●便于向网状网演进。从点到点WDM系统向网状网演进是光网络拓扑变化的必然趋势。然而，这一演进不是一蹴而就的，需要具备包括物理基础设施在内多方面的条件。初期，可以利用ROADM实现点到点WDM系统向环型网的演进。这是相对简单的一步，却能提供包括光层保护能力在内的一系列好处，同时为下一步向网状网的平滑演进奠定较好的基础。 ROADM的实现技术很多，大致可以分为3代。第一代采用波长阻塞(WB)技术，具有较宽的通带，可以支持较高的通路数和较窄的通路间隔，但是元件数多、成本较高，应用日渐减少。第二代采用平面光波导电路(PLC)技术，是全集成解决方案，具有损耗低、成本低、密度高、适合大规模生产的特点，适用于二维ROADM，可以升级到网状。第三代基于多端口波长选择开关(WSS)技术，具有插入损耗低、体积小、成本低的特点，真正实现了波长可重构，具有较高的组网灵活性和经济性，其应用日益广泛，市场份额已经超过一半。
   ROADM通常应用在长途网领域，特别是存在大量需要上下路一定波长的节点场合，目前正向城域网领域扩展。随着网络流量的不断攀升和日益动态化，具有灵活、动态联网功能的ROADM的应用前景将变得更加明朗。但是任何一种网络技术的应用都需要仔细考虑现有网络的特点、对维护管理体制的适应性以及其他竞争性新技术的比较，才有可能获得最有效、合理的应用，这方面还需要有横向和纵向层面的深入分析。
   4、城域电信级以太网成为汇聚和接入层的重要发展方向
   核心网问题解决后，城域网正成为全网的带宽和业务提供瓶颈。解决此问题有多种技术手段，但从技术焦点看，多种技术解决方案争论的实质是核心网技术与用户驻地网技术阵营在城域网领域的竞争。一方面，代表核心网技术的SDH和路由器，或者说代表面向连接的TDM和路由MPLS技术在不断改进，增强数据支持能力，向网络边缘拓展，争夺二层交换机市场;另一方面，代表用户驻地网技术的以太网，或者说代表无连接技术的以太网也在不断改进和创新，增强电信级的性能和功能，向城域网扩展，压缩SDH和路由器的市场。现有解决方案没有一个可以满足目前所有的要求。但是可以预料到基本的趋势是：电信级以太网技术将大量侵蚀传统SDH和路由器在城域网接入汇聚层的市场，而MPLS技术将随着VPN和IPTV等新业务的开展向城域网边缘拓展，同时两者结合的解决方案将不断涌现，典型代表有虚拟专用局域网业务(VPLS)和传送MPLS(T-MPLS)。
   下面简要介绍PBB(网络提供商骨干桥)/PBT、VPLS和T-MPLS 3种主流的城域联网新技术。
   4.1 PBB/PBT技术 PBB技术的基本思路是将用户的以太网数据帧再封装一个运营商的以太网帧头，形成两个MAC地址。PBB的主要优点是：具有清晰的运营网和用户间的界限，可以屏蔽用户侧信息，实现二层信息的完全隔离，解决网络安全性问题;在体系架构上具有清晰的层次化结构，理论上可以支持1600万用户，从根本上解决网络扩展性和业务扩展性问题;规避了广播风暴和潜在的转发环路问题：无需担心VLAN和MAC地址与用户网冲突，简化了网络的规划与运营;采用二层封装技术，无需复杂的三层信令机制，设备功耗和成本较低;对下可以接入VLAN或SVLAN，对上可以与VPLS或其他VPN业务互通，具有很强的灵活性，非常适合接入汇聚层应用;无连接特性特别适合经济地支持无连接业务或功能，如多点对多点VPN(E-LAN)业务、IPTV的组播功能等。PBB的主要缺点是：依靠生成树协议进行保护，保护时间和性能都不符合电信级要求，不适用于大型网络;依然是无连接技术，OAM能力很弱;内部不支持流量工程。在PBB的基础上，关掉复杂的泛洪广播、生成树协议以及MAC地址学习功能，增强一些电信级OAM功能，即可将无连接的以太网改造为面向连接的隧道技术，提供具有类似SDH可靠性和管理能力的硬QoS和电信级性能的专用以太网链路，这就是所谓的PBT(网络提供商骨干传送)技术，又称PBB-TE。 PBT技术的显著特点是扩展性好。关掉MAC地址学习功能后，转发表通过管理或者控制平面产生，从而消除了导致MAC地址泛洪和限制网络规模的广播功能;同时，PBT技术采用网管/控制平面替代传统以太网的“泛洪和学习”方式来配置无环路MAC地址，提供转发表，这样每个VID仅具有本地意义，不再具有全局惟一性，从而消除了12 bit(4 096)的VID数限制引起的全局业务扩展性限制，使网络具有几乎无限的隧道数目(260)。此外，PBT技术还具有如下特点：转发信息由网管/控制平面直接提供，可以为网络提供预先确知的通道，容易实现带宽预留和50 ms的保护倒换时间;作为二层隧道技术，PBT具备多业务支持能力;屏蔽了用户的真实MAC，去掉了泛洪功能，安全性较好;用大量交换机替代路由器，消除了复杂的IGP和信令协议，城域组网和运营成本都大幅度下降;将大量IEEE和ITU定义的电信级网管功能从物理层或重叠的网络层移植到数据链路层，使其能基本达到类似SDH的电信级网管功能。然而，PBT存在N2问题，需要大量连接，管理难度加大;其次，PBT只能环型组网，灵活性受限;再次，PBT不具备公平性算法，不太适合宽带上网等流量大、突发较强的业务，容易存在设备间带宽不公平占用问题;最后，PBT和PBB多了一层封装，在硬件成本上必然要付出相应的代价。鉴于PBB和PBT可以共存于同样的端口和网络，如果将PBB和PBT结合应用，实现两者的优势互补或许是一种万全的解决方案。此时可以利用PBB的无连接特性支持无连接业务(如IPTV的组播功能和E-LAN业务等)，再利用PBT面向连接的特性支持点到点连接性业务，例如高速互联网接入(如点到点VPN(E-Line)、语音、VoD、带宽批发等业务)。
   4.2 VPLS技术 VPLS是在点到点MPLS基础上进一步发展而成的多点互联的二层VPN技术，将广域网的MPLS扩展到以太网的接入层。从用户角度看，仿佛所有站点都连至一个专有LAN;从业务提供者角度看，可以重新利用IP/MPLS基础设施来提供多种业务。VPLS基于MPLS，采用两层MPLS标签封装，独立于具体物理拓扑，且能支持任意的逻辑拓扑，具有较高的组网灵活性，还可以利用MPLS的流量工程实现资源配置的最佳化;VPLS利用快速重选路由(FRR)技术，可以实现50 ms的保护倒换时间;VPLS不仅屏蔽了用户的真实MAC，还支持2/3/4层可扩展的ACL(访问控制列表)能力和每用户的ACL控制，提供了较安全的控制和策略机制;VPLS提供分层的VPLS(HVPLS)，进一步改进了扩展性，使用户数可扩展到百万级;VPLS能够区分并保证每用户中的不同业务流量，网络业务配置简单，业务提供快。简言之，VPLS在服务质量和流量工程方面比MAC in MAC更好，很适合网络边缘层的应用。然而，VPLS在二层设备上采用复杂的三层协议建立信令，设备成本和网络成本相对较高;协议栈层次多，运行配置比较复杂，特别是对于数千个节点的大型城域网的管理运行成本较高;控制面与数据面没有分离，扩展性受限;采用双MPLS标签增加了协议开销，导致转发小包时效率不高。但是，对于IPTV等新型高级业务需求较为强劲的大型城域网而言，依然是一个有前瞻性的技术选择，特别是核心网部分。
   4.3 T-MPLS技术随着全网业务层面的快速分组化，作为业务承载层面的传送设备支持分组传送已经成为必备功能，而从传统的仅实现分组接口映射到内核的分组化转变是未来传送网发展的重要方向。为此，ITU-T在2006年2月提出了T-MPLS概念，形成了一种面向连接的分组传送标准技术。 T-MPLS由数据面、管理面和控制面3个平面组成，其物理承载层可以是SDH、OTN以及以太网，趋向以太网。T-MPLS在技术上采用与MPLS相同的标签帧结构、标签交换和转发机制，但是对MPLS进行了重要的简化和优化，以便适应经济的以太网技术的应用。首先，T-MPLS的数据平面完全规避了三层IP的复杂性，只有交换功能，没有路由功能，关闭了很多复杂的MPLS无连接功能，简化了数据平面，去掉了不必要的转发处理;其次，T-MPLS增加了电信级传送网层面所必须具备的一些基本功能，如保护倒换和OAM功能，特别是保留和发展了MPLS的OAM功能、保护倒换技术和智能控制面技术。 T-MPLS的主要优势是实现了基于真正分组交换内核的传送技术，而不是传统MSTP那样的分组接口映射而已;其次是采用现有面向连接的保护机制和面向传送的OAM工具，可以较好地融入到现有网络架构中;最后是采用MPLS层处理避免了三层路由的复杂性，降低了成本。预计T-MPLS的系列标准将在2008年后基本完成。可以预计，随着网络中IP/以太网业务量的快速增加以及基于以太网技术的新型解决方案的不断出现，电信级以太网多业务平台在城域网中的应用将会越来越多，最终将有可能成为主要技术承载平台。
   5、基于无源光网络的FTTx将逐渐成为宽带接入的主要方向基于PON(无源光网络)的FTTx具有如下特点：PON属于纯介质网络，可以避免电磁干扰和雷电影响，提高系统可靠性，减少故障率;透明性好，带宽较宽，适用于任何制式和速率的信号，可以消除带宽瓶颈;局端设备和光纤由用户共享，因而光纤线路长度和收发设备数量较少，相应成本较低，且每用户成本随着用户数量的增加迅速下降，最适合于用户区域较分散而每一区域用户又相对集中的小面积密集用户地区，尤其是新建区域;容量大，传输距离远，可以简化城域接入网的层次架构;标准化程度好。这些特点使PON技术日益受到运营商的青睐，正逐渐成为宽带接入网的主要发展方向。那么在PON中二层技术究竟用什么?目前无明确结论。当前主要有APON、EPON和GPON 3种可用技术。随着ATM的淡出，以ATM为基础的APON呈现自然消亡状态，这里不再考虑。EPON技术已成熟，能够满足绝大多数的应用需求，已经可以开始规模商用并在日韩等国得到大规模发展。然而，近来由运营商驱动的GPON迅速崛起，成为欧美主导运营商的技术选择，需要我们认真思考。首先，GPON可以提供2.488 Gbit/s的下行速率和多种标准上行速率，传输距离至少达20 km，分路比可以为1:16、1:32、1:64乃至1:128，即在速率、速率灵活性、传输距离和分路比方面比EPON有优势。其次，GPON采用两种适配方式，除传统的ATM外，还采用了一个标准通用组帧程序(GFP)，可以透明、高效地将各种数据信号封装进现有SDH网络，适应任何信号格式和传输制式，业务提供灵活。再者，GPON的传输汇聚层本质上是同步的，可以直接高质量、灵活地支持实时的TDM语音业务。而EPON在承载TDM业务方面没有具体规定，导致厂商可以采用不同方法来承载，互操作性较差，性能难以确保。最后，GPON在网管方面具有丰富的功能，比EPON考虑周到。
   简言之，EPON技术已成熟，能够满足绝大多数的应用需求，价格开始明显下降，已经可以开始规模商用。中国电信率先在国际上实现了EPON设备的芯片级和系统级互通，有力地推动了其设备的成熟。GPON比EPON具有更好的质量、管理和多业务能力(特别是支持传统TDM和SAN的能力)，速率高，性能好，整体组网成本较低，但是目前成熟度还不够，主要是互操作测试(IOT)还不理想，此外芯片缺乏、设备成本偏高，这些都影响了其规模应用，预计需要一年左右的时间才能进入大规模商用阶段。尽管两者各有支持者，但都有其生存和发展的理由，都能基本支持现有大多数业务。但从世界市场的角度看，潜在的规模经济和范围经济导致未来可能更有利于GPON的发展。显然，在当前EPON已经进入大规模发展的形势下做这种判断是有很大风险的，一种规避风险的可能对策就是开发和应用可以兼容两者的统一平台，让市场做出自己的选择，决定何时采用何种接口板。
   WDM-PON是下一代PON技术，具有一系列优势，研究工作十分活跃。但是在关键光器件没有本质性突破前，只能处于研究开发阶段，不过其潜在的优势已经吸引了业界的注意力。
   在网络实际部署策略上，依据我国网络的实际情况，近期，城市铜缆网改造区域主要采用FTTN+ADSL2+方式，城市新建区域可以优先采用FTTB+LAN/ADSL2+方式，商务区和高档住宅区可根据需求积极采用FTTO/FTTH，农村新建区主要采用FTTN+ADSL2+方式。中期，接入网应能提供超过20 Mbit/s下行带宽，远期接入网应能提供50～100 Mbit/s下行带宽，部署策略是：城市铜缆网改造区域适合采用FTTB+VDSL2方式，城市新建区域适合采用FTTB+LAN/VDSL2方式，商务区和高档住宅区积极采用FTTO/FTTH，农村新建区仍采用FTTN+ADSL2+方式。

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