光纤通信发展趋势综述

● 光纤通信的诞生与发展给电信网的面貌带来了巨大变化

● 随着技术的进步，电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，光纤通信的发展又一次呈现出蓬勃发展的新局面

●光纤通信的发展将对今后电信网和信息产业产生更加深远的影响

    光纤通信是电信史上的一次重要革命，在电信网中获得了大规模应用。光纤通信的廉价、优良的带宽特性使其成为电信网的主要传输手段。本文对光纤通信领域的８个不同方面进行综合评述和分析，旨在对光纤通信领域的现状和最新发展趋势作一全面总结。

１ 传输体制的全面转向

    传统的光纤通信是以准同步传输体制（ＰＤＨ）为基础的，随着网络日趋复杂和庞大，以及用户要求的日益提高，这种传输体制正暴露出一系列不可避免的内在缺点。于是，一种有机地结合高速大容量光纤传输技术和智能网元技术的新传输体制——光同步传送网应运而生，ＩＴＵ－Ｔ将之称为同步数字体系（ＳＤＨ）。

    这种ＳＤＨ传输体制有一整套完整严密的技术规范，它有全世界统一的网络节点接口，从而简化了信号的互通以及信号的传输、复用、交叉连接和交换过程；它有一套标准化的信息结构等级，安排有丰富的开销比特用于网络的管理和维护；它有统一的标准光接口，允许不同厂家设备在光路上互通；它大量采用软件进行网络配置和控制，使得新功能和新特性的增加比较方便。采用ＳＤＨ技术还可以构成具有高度可靠性的自愈环结构，这对金融、政府机构和国防安全方面的某些应用十分重要。

２ 向超高速系统发展

    由于高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，因而传统的光纤通信发展始终在按照电的时分复用（ＴＤＭ）方式扩容，目前商用系统的速率已达１０Ｇｂｉｔ／ｓ，其速率在２０年时间里增加了２ ０００倍。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体业务提供了实现的可能。目前１０Ｇｂｉｔ／ｓ系统已开始批量装备网络，全世界安装的终端已超过１ ０００个，主要在北美，欧洲、日本和澳大利亚也有少量试验和商用系统。

    在理论上，上述基于时分复用的高速系统的速率还有望进一步提高，例如在实验室传输速率已能达４０Ｇｂｉｔ／ｓ。然而，电的４０Ｇｂｉｔ／ｓ系统在性能价格比上以及在实用中是否能成功还是个未知因素，因而唯一现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用（ＷＤＭ）方式已进入大规模商用阶段，其他方式尚处于试验研究阶段。

３ 向超大容量波分复用 系统的演进

     如前所述，采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的巨大可用带宽资源仅仅利用了不到１％，９９％的资源尚待发掘。采用波分复用系统的主要好处是：

.可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍至上百倍；

.在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，从而大大降低传输成本；

.与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；

.利用ＷＤＭ实现网络交换和复用可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。

     鉴于应用上的巨大好处以及近几年来技术上的重大突破和市场驱动，波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际敷设的ＷＤＭ系统已超过２ ０００个，而实用化系统的最大容量已达１６０Ｇｂｉｔ／ｓ（１６×

１０Ｇｂｉｔ／ｓ）。美国朗讯公司宣布年底将推出８０个不同波长的ＷＤＭ系统，其总容量可达２００Ｇｂｉｔ／ｓ（８０×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ）或４００Ｇｂｉｔ／ｓ（４０×１０Ｇｂｉｔ／ｓ）。实验室的最高水平则已达到２．６Ｔｂｉｔ／ｓ（１３２×２０Ｇｂｉｔ／ｓ）。可以认为，近两年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一次划时代的里程碑。

４ 实现全光联网——战略大方向

    上述ＷＤＭ技术尽管具有巨大的传输容量，但基本是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似ＳＤＨ在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将是一次新的飞跃。根据这一基本思路，光的分插复用器（ＯＡＤＭ）和光的交叉连接设备（ＯＸＣ）均已在实验室研制成功，ＯＡＤＭ已开始商用。

实现光联网的基本目的是：

.实现超大容量光网络（一对光纤达８０Ｇｂｉｔ／ｓ～３２０Ｇｂｉｔ／ｓ）；

.实现网络扩展性，允许网络的节点数和业务量的不断增长；

.实现网络可重构性，达到灵活重组网络的目的；

.实现网络的透明性，允许互联不同系统和不同制式的信号；

.实现快速网络恢复，恢复时间可达１００ｍｓ。

    鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研，特别是美国国防部预研局资助了一系列光联网项目，诸如以Ｂｅｌｌｃｏｒｅ为主开发的光网技术合作计划（ＯＮＴＣ），以朗讯公司为主开发的全光通信网预研计划，多波长光网络（ＭＯＮＥＴ）和国家透明光网络（ＮＴＯＮ）等等。在欧洲和日本，也分别有类似的光联网项目在进行。列出了世界上几个比较典型的全光联网项目的概况。

    综上所述，全光联网已经成为继ＳＤＨ电联网以后的又一次新的光通信发展高潮，其标准化工作将于１９９９年基本完成，其设备的商用化时间也大约在２０００年左右。

５ 新一代的光纤

     自光纤通信诞生以来，作为传输媒质的光纤已经经历了几次重大变革。８０年代中期以前基本上是多模光纤的天下，此后，由于设计和工艺的改进，设计简单、损耗低、色散小、成本低的单模光纤逐渐成为主要的传输媒质，目前的公用电信领域几乎由单模光纤一统天下。然而，随着光纤网容量需求的迅速增长，传输速率已经增长到１０Ｇｂｉｔ／ｓ，波分复用技术也开始应用，无再生传输距离也随着光纤放大器的引入而迅速延长。面对这种超高速、超大容量、超长传输距离的新形势，传统的单模光纤（即Ｇ．６５２光纤）已暴露出力不从心的态势，出路有３条：

   （１）对于已敷设的Ｇ．６５２光纤可以采用各种新的色散调节技术来使网络的传输容量和传输距离进一步扩展。

   （２）新敷光纤采用色散移位光纤（称Ｇ．６５３光纤）。这种光纤使零色散点移到１ ５５０ｎｍ窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，使超高速、超长距离的传输成为可能。然而，随着光纤放大器和波分复用技术的引入，这种光纤暴露出严重的四波混合（ＦＷＭ）影响，即光纤的非线性会导致产生许多新的波长，产生串音干扰或很大的信号衰减，限制了波分复用技术的应用。

   （３）针对上述Ｇ．６５２光纤的弱点，近两年出现了一种新型的非零色散光纤，称之为Ｇ．６５５光纤。这是一种为下一代超大容量波分复用系统设计的新型光纤，基本的设计思路是使零色散点波长不会落在１ ５５０ｎｍ附近，而是向长波长方向或者向短波长方向偏移，有意地使１ ５５０ｎｍ附近呈现一定大小的色散。这样，一方面可能大大减轻四波混合的影响，保证８～１６个波长的波分复用传输，另一方面又适度控制１ ５５０ｎｍ附近的色散使之不会限制１０Ｇｂｉｔ／ｓ信号的传输距离，保证１０Ｇｂｉｔ／ｓ信号至少能传输３００ｋｍ以上。目前北美新敷设干线光缆已放弃Ｇ．６５２光纤和Ｇ．６５３光纤，全部转向Ｇ．６５５光纤。而且第２代的Ｇ．６５５光纤——大有效芯径的光纤也已经问世。６ ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ与ＩＰ ｏｖｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ

     以ＩＰ业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持ＩＰ业务已成为某项新技术能否有长远技术寿命的标志。

     目前，ＡＴＭ和ＳＤＨ均能支持ＩＰ，分别称为ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ和ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ，两者各有千秋。ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ利用ＡＴＭ的速度快、容量大、多业务支持能力强的优点以及ＩＰ的简单、灵活、易扩充和统一性的特点，可以达到优势互补的目的，不足之处是网络体系结构复杂、传输效率低、开销损失大（达２５％～３０％）。而ＳＤＨ与ＩＰ的结合能较好地弥补上述ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ的弱点。其基本思路是将ＩＰ数据通过点到点协议（ＰＰＰ）直接映射到ＳＤＨ帧，省掉了中间复杂的ＡＴＭ层。具体作法是先把ＩＰ数据报封装进ＰＰＰ分组，然后利用高速数据链路（ＨＤＬＣ）组帧，再将字节同步映射进ＳＤＨ的虚信道（ＶＣ）包封中，最后再加上相应ＳＤＨ开销置入ＳＴＭ－Ｎ帧中即可。

     ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ在本质上保留了因特网作为ＩＰ网的无连接特征，形成统一的平面网，简化了网络体系结构，提高了传输效率，降低了成本，易于实现ＩＰ组播和兼容不同技术体系，实现网间互联。最主要的优点是可以省掉ＡＴＭ方式所不可缺少的信头开销、ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ封装和分段组装功能，使通透量增加２５％～３０％，这对于成本很高的广域网而言是十分珍贵的。缺点是网络容量和拥塞控制能力差，大规模网络路由表太复杂，只有业务分级，无优先级业务质量，对高质量业务难以确保质量，不适于多业务平台，仅是以运载ＩＰ业务为主的网络的理想方案。但随着千兆比特高速路由器的商用化，其发展势头很强。例如美国Ｓｐｒｉｎｔ公司和ＧＴＥ公司已决定采用Ｃｉｓｃｏ的ＧＳＲ１２０００高速路由器作为节点建立ＩＰ骨干网。世界最大的ＩＳＤＮ业务供应商ＵＵＮｅｔ也宣布将在骨干网上采用ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ。采用这种技术的关键是千兆比特高速路由器，这方面近来已有重要突破性进展，例如美国Ｃｉｓｃｏ公司已于１９９７年９月推出１２０００系列千兆比特交换路由器（ＧＳＲ），可以在千兆比特率速率上实现因特网业务选路，还具有５Ｇｂｉｔ／ｓ～６０Ｇｂｉｔ／ｓ的多带宽交换能力，提供灵活的拥塞管理、组播和服务质量（ＱＯＳ）功能，其骨干网速率可以高达２．５Ｇｂｉｔ／ｓ。简言之，随着千兆比特高速路由器的成熟和ＩＰ业务的大发展，ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ将会获得越来越广泛的应用，其发展趋向值得密切注视。

从长远看，当ＩＰ业务量逐渐增加，则有可能最终省掉中间的ＳＤＨ层，ＩＰ直接在光路上跑，形成十分简单的统一的ＩＰ网结构——ＩＰ ｏｖｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ，其开销最低，传输效率最高，因而最适用于未来超大型ＩＰ骨干网的核心汇接。在相当长的时期，ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ、ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ和ＩＰ ｏｖｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ将会共存互补，各有其最佳应用场合和领域。

７ 海底光缆系统的新发展

     截至１９９７年，全球安装的海底光缆系统已超过４０多万路由公里，它已成为沟通全球间通信的桥梁，遍及全球的海底信息高速公路已经形成。

     预计在未来的几年内，海底光缆的建设速度仍将持续高速发展，据有关分析表明，从１９９８年到２００３年，平均每年建设的海底光缆系统将为６．５万路由公里～７．５万路由公里，其中１９９８年和１９９９年计划安装的海底光缆系统每年将超过１０万路由公里，几乎为１９９７年的２倍。

     基于战略作用和商业利益的考虑，美国ＣＴＲ公司提出了一个全球“Ｏｘｙｇｅｎ（氧气）”工程的计划。其主要目标是实现“全球信息超级高速公路”的梦想，建立面向全球商业应用的光纤超级互联网络，真正实现传统电话服务和互联网络服务的集成化。

    ＣＴＲ公司提出的设计建议如下：光缆连接到全球所有的大陆；在１７５个国家和地区建立２６５个登陆点；在３３个不同光环上建立自动恢复系统；光缆总长度约２７．５万公里；耗资约１４０亿美元；在２０００年到２００３年间分阶段实施。Ｏｘｙｇｅｎ计划网络每一分段的数据速率至少达１００Ｇｂｉｔ／ｓ，某些路由达到１ ０００Ｇｂｉｔ／ｓ。在中国的登陆点是上海、海口、天津、青岛、香港和澳门。其中，上海、青岛和天津属于北太平洋地区环。该环带宽为３２０Ｇｂｉｔ／ｓ。海口、澳门和香港属于南太平洋地区环，海口至澳门的带宽为３２０Ｇｂｉｔ／ｓ，澳门至香港带宽为９６０Ｇｂｉｔ／ｓ。

８ 解决全网“瓶颈”的  手段——光接入网

     过去几年间，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换，还是传输，都已更新了好几代。而另一方面，现存的接入网仍然是被双绞铜缆主宰（占９０％以上）的原始落后的模拟系统。两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全网进一步发展的“瓶颈”。目前尽管出现了一系列解决这一“瓶颈”问题的技术手段，诸如双绞线上的Ｘ数字用户环路（ＸＤＳＬ）系统、同轴电缆上的混合光纤／同轴电缆（ＨＦＣ）系统、宽带无线接入系统，但都只是一些过渡性解决方案，唯一能够根本上彻底解决这一“瓶颈”问题的长远技术手段是光接入网。

接入网中采用光接入网的主要目的是：

.减少维护管理费用和故障率；

.开发新设备，增加新收入；

.配合本地网络结构的调整，减少节点，扩大覆盖；

.充分利用光纤化所带来的一系列好处；

.建设透明光网络，迎接多媒体时

代。

     所谓光接入网，从广义上可以包括光数字用户环路系统（ＯＤＬＣ）和无源光网络（ＰＯＮ）两类。数字用户环路系统（ＤＬＣ）不是一种新技术，但结合了具有开放接口Ｖ５．１／Ｖ５．２，并在光纤上传输的综合数字用户环路（ＩＤＬＣ），则显示了很强的生命力。以美国为例，新增用户线中５０％为ＩＤＬＣ。至于无源光网络技术主要是在德国和日本受到重视。特别是日本把ＰＯＮ作为其网络光纤化的主要技术，现已将无源光网络成本降至与铜缆双绞线成本相当的水平，计划在１９９８年全面启动光接入网建设，于２０１０年达到６０００万线，基本普及光纤通信网，以此作为振兴２１世纪经济的对策。

      在无源光网络的发展进程中，近来又出现了一种以ＡＴＭ为基础的宽带无源光网络，这种技术将ＡＴＭ和ＰＯＮ的优势相互结合，传输速率有６２２Ｍｂｉｔ／ｓ及１５５Ｍｂｉｔ／ｓ，可以提供一个经济高效的多媒体业务传送平台，并能有效地利用网络资源，代表了多媒体时代接入网发展的一个重要战略方向。目前国际电联已经基本完成了这方面的标准化工作，而且不少厂家已经着手研制设备，预计１９９９年就会有商用设备问世。可以相信，在未来的无源光网络技术中，ＡＰＯＮ将会占据越来越大的份额，成为面向２１世纪的宽带接入技术的主要发展方向。

９ 结束语

     从上述涉及光纤通信的８个方面的发展现状与趋势来看，完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新阶段。而这一次发展涉及的范围更广，技术更新更难，影响力和影响面也更宽，势必对整个电信网和信息产业产生更加深远的影响，也将对下一世纪的社会经济发展产生巨大影响，值得密切注视研究。□

（收稿日期：１９９８－０５－０４）