光傳送網技術現狀及發展趨勢

郭養雄

【摘要】在全業務運營時代，電信運營商都將轉型成為ICT綜合服務提供商。業務的豐富性帶來對帶寬的更高需求，直接反映為對傳送網能力和性能的要求。光傳送網技術由于能夠滿足各種新型業務需求，成為傳送網發展的主要方向。

【關鍵詞】光傳送網技術；發展趨勢

【Abstract】 In the era of full-service operation， telecom operators will transform into ICT integrated service providers. The richness of the business brings a higher demand for bandwidth， which is directly reflected in the requirements for network capabilities and performance. The technology of optical transmission network is the main direction of the development of transmission network due to its ability to meet various new business needs.

【Key words】Optical transmission network technology；The development trend

1 光通信的發展階段

傳統的光纖傳輸技術，經歷了準同步數字體系（PDH）、同步數字體系（SDH），和波分復用（WDM）三個階段，如圖1下所示。

2. 常見的光傳輸技術

2.1 DWDM。

2.1.1 概述。

DWDM技術是指相鄰波長間隔較小的WDM技術，工作波長位于1550nm窗口?？梢栽谝粋€光纖上承載8～160個波長。主要應用于長距離傳輸系統（DWDM系統示意圖見圖2）。

2.1.2 技術特點。

2.1.2.1 充分利用光纖的帶寬資源，傳輸容量巨大。

DWDM系統中的各波長相互獨立，可透明傳輸不同的業務，如SDH、GE、ATM等信號，實現多種信號的混合傳輸。如圖所示，多個光信號通過采用不同的波長復用到一根光纖中傳輸，每個波長上承載不同信號，在一根光纖中傳輸，大大提高了光纖容量，極大的節約了光纖資源，降低線路建設成本（DWDM傳輸容量巨大見圖3）。

2.1.2.2 超長的傳輸距離。

利用摻鉺光纖放大器（EDFA）等多種超長距傳輸技術，可以對DWDM系統中的各通路信號同時放大，實現系統的長距傳輸（DWDM的超長距傳輸見圖4）。

2.1.2.3 平滑升級擴容。

由于DWDM系統中的每個波長通道透明傳輸數據，不對通道數據進行任何處理，擴容時只需增加復用光波長通路數即可。

2.2 MSTP技術。

2.2.1 概述。

MSTP（基于SDH的多業務傳送平臺）指基于SDH 平臺同時實現TDM、ATM、以太網等業務的接入、處理和傳送，提供統一網管的多業務節點。多生成樹（MST）使用修正的快速生成樹（RSTP）協議，叫做多生成樹協議（MSTP）（MSTP系統接口見圖5）。

2.2.2 技術特點。

（1）業務的帶寬靈活配置，提供10/100/1000Mbit/s系列接口，通過VC的捆綁可以滿足各種用戶的需求；

（2）可以根據業務的需要，工作在端口組方式和VLAN方式，其中VLAN方式可以分為接入模式和干線模式：

（3）可以工作在全雙工、半雙工和自適應模式下，具備MAC地址自學習功能；

（4）QoS就是規定各端口在共享同一帶寬時的優先級及所占用帶寬的額度。

（5）對每個客戶獨立運行生成樹協議。

（6）用戶帶寬固定，帶寬彈性不足，利用率低。

2.3 SDR技術。

軟件無線電（Software Defined Radio，簡稱SDR）是一種通過硬件作為無線通信的基本平臺，通過軟件實現把盡可能多的無線通信及個人通信功能的現代通信技術。一個典型的軟件無線電平臺由以下硬件組成：射頻、中頻、基帶、信源和信令等。軟件方面有可編程力強的DSP器件，靈活的通信軟件對工作頻率、系統帶寬、調制方式、信源編碼等進行編程控制等應用軟件和系統軟件。

2.4 OTN技術。

（1）概述。

OTN是以波分復用技術為基礎、在光層組織網絡的傳送網。解決了傳統WDM網絡無波長/子波長業務調度能力差、組網能力弱、保護能力弱等問題。OTN跨越了傳統電域（數字傳送）和光域（模擬傳送），處理的基本對象是波長級業務，由于結合了光域和電域處理的優勢，OTN可以提供巨大的傳送容量、完全透明的端到端波長/子波長連接以及電信級的保護，是傳送寬帶大顆粒業務的最優技術（OTN分層結構圖見圖6）。

（2）OTN技術特點。

OTN的主要優點是完全向后兼容，它可以建立在現有的SONET/SDH管理功能基礎上，不僅提供了存在的通信協議的完全透明，而且還為WDM提供端到端的連接和組網能力，它為ROADM提供光層互聯的規范，并補充了子波長匯聚和疏導能力。

2.5 OTN概念涵蓋了光層和電層兩層網絡，其技術繼承了SDH和WDM的雙重優勢，關鍵技術特征體現為：

（1）多種客戶信號封裝和透明傳輸。

基于ITU-TG.709的OTN幀結構可以支持多種客戶信號的映射和透明傳輸，如SDH、ATM、以太網等。對于SDH和ATM可實現標準封裝和透明傳送，但對于不同速率以太網的支持有所差異。ITU-TG.sup43為10GE業務實現不同程度的透明傳輸提供了補充建議。endprint

（2）大顆粒的帶寬復用、交叉和配置。

OTN定義的電層帶寬顆粒為光通路數據單元（O-DUk，k=0，1，2，3），即ODUO（GE，1000M/S）ODU1（2.5Gb/s）、ODU2（10Gb/s）和 ODU3（40Gb/s），光層的帶寬顆粒為波長，相對于SDH的VC-12/VC-4的調度顆粒，OTN復用、交叉和配置的顆粒明顯要大很多，能夠顯著提升高帶寬數據客戶業務的適配能力和傳送效率。

（3）強大的開銷和維護管理能力。

OTN提供了和SDH類似的開銷管理能力，OTN光通路（OCh）層的OTN幀結構大大增強了該層的數字監視能力。另外OTN還提供6層嵌套串聯連接監視（TCM）功能，這樣使得OTN組網時，采取端到端和多個分段同時進行性能監視的方式成為可能。為跨運營商傳輸提供了合適的管理手段。

（4）增強了組網和保護能力。

通過OTN幀結構、ODUk交叉和多維度可重構光分插復用器（ROADM）的引入，大大增強了光傳送網的組網能力，改變了基于SDHVC- 12/VC-4調度帶寬和WDM點到點提供大容量傳送帶寬的現狀。前向糾錯（FEC）技術的采用，顯著增加了光層傳輸的距離。另外，OTN將提供更為靈活的基于電層和光層的業務保護功能，如基于ODUk層的光子網連接保護（SNCP）和共享環網保護、基于光層的光通道或復用段保護等。

3. 100G OTN關鍵技術

3.1 PM-QPSK高級調制。

（1）OSNR性能改善。

具有相干檢測功能的PM-QPSK比二進制（OOK）大約改善了6dB的光信噪比靈敏度。100Gbit/s的容量是10Gbit/s的10倍，所以100G調制方案需要提供比10GOOK碼型高10dB的性能。相干檢測的關鍵優勢在于光波相位信息可以傳遞到數字領域，因而可以利用強大的電子色散補償（EDC）能力，以非常低的代價清理信號失真。因此，通過使用100GPM-QPSK與EDC，相干檢測的技術可以獲得6dB的改善（與直接檢測OOK相比）；利用高編碼增益FEC可得2～3dB的改善；由于減少CD和PMD的傳輸代價，再有1～2dB的改善。這樣，總改善能達到9～11dB，使得100GPM-QPSK接近10GOOK系統光信噪比的靈敏度。這就意味著，100G系統在應用上可以達到目前的10G系統的傳輸距離。

（2）相位調制。

利用QPSK技術可以使光載波攜帶的信息量增大1倍，與偏振復用的結合使得100G信號波特率降低到約25Gbaud/s，因此能夠應用在50GHz間隔的OTN系統中，同時也降低了信號對光纖非線性容忍度的要求（QPSK調制原理圖見圖7）。

3.2 相干接收和數字信號處理DSP技術。

（1）相干接收技術主要解決了對光信號的電場的檢測問題。光信號對業務信息是以電場的形式承載的，在光信號的傳輸過程中，其電場特性會受到光纖色散、光纖PMD、光纖非線性效應以及濾波效應等因素的影響而趨于劣化。常規的直接檢測方式只能探測光信號電場的模平方包絡（即光強），因此無法分解出上述劣化效應的影響并給予消除。而相干接收技術可得到PDM-QPSK信號的所有信息，包括每個偏振方向上的電場的實部和虛部的強弱和相互的相位信息，為傳輸中各項劣化效應的分解和補償提供了可能。而ADC則在不損失信息的前提下將檢測出的模擬信號轉化為數字信號，并由DSP芯片完成時鐘恢復、載波恢復、色散補償、PMD補償等關鍵處理。

（2）在100G PDM QPSK傳輸中，主要就是利用光數字信號處理技術（DSP）在電域實現偏振解復用和通道線性損傷（CD、PMD）補償，即通過數字化算法，在電域進行色度色散補償以及偏振態色散補償，以此減少和消除對光色散補償器和低PMD光纖的依賴（相干接收DSP原理圖見圖8）。

3.3 軟判決SD/硬判決HD技術。

在100G相干電處理技術的產業化力量的驅使下，并借助高速IC技術的發展，目前引進了基于軟判決（SD）的第三代FEC編碼技術。軟硬判決的區別在于其對信號量化所采用的比特位數。硬判決對信號量化的比特數為1位，其判決非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個比特位對信號進行量化，采用“00”、“01”、“10”、“11”判決，通過Viterbi等估計算法提高判決的準確率，大大提升了100G系統的傳輸能力。

4. 100G OTN組網思路

4.1 隨著100G時代即將到來，面對現網各類速率的業務情況，建設100G波分系統有兩種方式：一是新建純100G系統，采用支線路分離方式解決多業務傳送；二是將現有10G、40G波分系統平滑升級至100G波分系統。

（1）新建純100G波分系統，采用支線路分離方式解決多業務傳送

考慮到100G新技術帶來的優異的傳輸性能，純100G波分系統的設計變得相當“簡單”，色度色散和PMD限制幾乎可以不予考慮，系統的設計主要勞力OSNR的限制，這個有別于10G、40G波分系統設計時的線路色散補償。當光纜條件具備，且屬于長距離傳輸的場景，在有100G業務的情況下，優選新建純100G波分系統。可以通過OTN電交叉采用支線路分離方式解決10G、40G業務，實現多業務同平臺的高效傳送。

（2）將現有10G、40G波分系統平滑升級至100G波分系統。

4.2 當光纜纖芯緊張且現有10G、40G波分系統利用率不高時，可考慮將現有10G/40G波分系統平滑升級至100G波分系統，以解決新增的100G業務。100G和現網兼容混傳需要考慮評估系統的OSNR容限、CD/PMD容限和非線性影響?；靷鲌鼍爸饕幸韵聝煞N：

（1）第一，相干100G（PDM-QPSK）和非相干10G/40G既有系統混傳。現有10G、40G波分系統均采用線路的DCM模塊，實現系統的色度色散補償。實驗室測試表明，DCM模塊對相干的100G系統額外的OSNR上的代價很小（不高于0.5dB），影響較小。只需系統OSNR參數能同時滿足100G和10G/40G的設計要求，即可實現兼容混傳。需要說明的是由于10G波分均采用OOK的調制方式，對采用PDM-QPSK編碼調制的100G系統混傳代價相對較大，10G和100G混傳時設置一定數量的隔離波道。endprint

（2）第二，相干100G和相干40G系統的混傳。對于40G相干系統，目前業界有兩種主流編碼技術，一種采用2相位調制PDM-BPSK，碼速率為21.5Gbps，入纖功率和100G相干接近，是最容易平滑混傳的解決方案；另一種40G相干采用4相位調制PDM-QPSK，碼速率為11.25Gbps，抗非線性較弱，入纖功率較低，和100G相干兼容混傳代價較大，在此場景下混傳時需要慎重設計，也需要設置一定數量的隔離波道。

5. 光傳輸技術展望

未來的全光網將在源節點至目的節點之間的信號傳輸與交換過程全部采用光波技術，以光交換技術和波分復用傳輸技術（WDM）為核心基礎。光交叉連接器（OXC）與可重構的光分插復用器（ROADM）是全光網中最重要的網絡器件，而光時分復用（OTDM）技術和光碼分多址（OCDMA）技術是全光網絡的關鍵技術。展望未來的全光網絡，以WDM技術為主導、結合OTDM和OCDMA技術，將成為全光網絡的主要構架。

6. 結束語

當前云計算、物聯網、智慧城市、移動互聯網等技術的推出帶來了網絡業務層、應用層的深層次變革，傳送網絡的海量帶寬的數據傳送需求日趨增長。100G以上傳送網系統規模商用的時代已經來臨，基于顯著的技術優勢以及強大的產業能力，100G以上的傳送技術將登上更大的舞臺，在傳輸網絡中占據主導地位。以OTN為代表的新一代光傳輸技術已取代DWDM和MSTP的地位，成為光傳送的主流技術。它們的融合發展順應了業務IP化和網絡扁平化、融合化的趨勢，適應未來電信網發展方向，將在下一代的光傳送網中發揮中流砥柱的作用。

參考文獻

[1] 袁夕征，李倩，熊臣等?！?00G OTN技術分析及應用策略研究》[J].數字通信世界，2014，（10）：15～18.

[2] 王鵬?！?00GOTN大容量傳輸技術分析》[J].硅谷，2014，（19）：60～60，33.

[3] 郭大林?！?00G WDM傳輸系統的關鍵技術運用與分析》[J]. 信息通信，2015，（11）：264～265.

[4] 王立新。《關于光纖通信系統中光傳輸技術分析及維護的探討》[J]. 電子技術與軟件工程，2014，（13）：80.

[5] 張宇，廖圓月。 《關于100G系統傳輸關鍵技術的應用探討》[J]. 中國新通信，2014，（06）：80～81.

[文章編號]1619-2737（2017）07-20-679endprint