張 煦
(上海交通大學(xué)電子工程系200030)
摘要：首先介紹對未來光接入網(wǎng)的考慮。于是依次說明未來地區(qū)接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，接入結(jié)點(diǎn)利用波分多路技術(shù)后的連接功能，以及光纖雙環(huán)網(wǎng)的保護(hù)作用。最后簡述構(gòu)成這種光接入網(wǎng)所需的各種單元設(shè)備。
關(guān)鍵詞：通信網(wǎng) 接入網(wǎng) 波分多路 光纖通信
1考慮新型接入網(wǎng)的由來
20世紀(jì)90年代中期，Internet的興起確實(shí)是通信發(fā)展史的一個重大轉(zhuǎn)折，它在全世界引起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的激劇增長，通信用戶需用的數(shù)據(jù)傳輸速率迅速提高。相應(yīng)地，公用通信網(wǎng)必須大幅度地加大容量，并且應(yīng)該能夠方便地迅速擴(kuò)大升級和降低成本，以適應(yīng)數(shù)據(jù)為重心的業(yè)務(wù)量的急劇增長，從而滿足用戶要求并減輕用戶負(fù)擔(dān)。這也是信息時(shí)代來臨的一種必然趨勢，絕不能稍有忽視。
也是90年代中期起，光纖通信技術(shù)有明顯的大躍進(jìn)。波分多路WDM系統(tǒng)在光纖放大器EDFA的配合下，在骨干網(wǎng)長途線路單模光纖的1550nm波長窗口順利開展應(yīng)用。進(jìn)入新千年時(shí)，有些長途主干線路新設(shè)的地下光纜將各包含100根新型單模光纖，而每對光纖加裝密集的波分多路DWDM系統(tǒng)達(dá)到100路，每路傳送時(shí)分多路TDM的數(shù)字脈沖信號10Gb/s，使每對光纖能夠同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率達(dá)100×10Gb/s=1Tb/s。這就使通信網(wǎng)大幅度加大容量、迅速擴(kuò)大升級和明顯降低用戶負(fù)擔(dān)都有了可能。所以人們常常說，WDM/DWDM真好，它的實(shí)際使用將有力地推動通信網(wǎng)的迅速發(fā)展和滿足用戶需要。
在骨干通信網(wǎng)內(nèi)部，既然決定以數(shù)據(jù)為重心的分組網(wǎng)作為發(fā)展目標(biāo)，那么數(shù)據(jù)分組就應(yīng)該采用互聯(lián)網(wǎng)規(guī)約IP (Internet protocol)。通信網(wǎng)內(nèi)裝置大容量的電子式IP路由器，其數(shù)據(jù)速率在不久的將來也要升至Tb/s級的大容量。當(dāng)然，這樣的分組通信網(wǎng)(packet－based network)在最初發(fā)展的過渡時(shí)期，也應(yīng)妥慎考慮容納現(xiàn)已存在的同步數(shù)字系列SDH和異步轉(zhuǎn)移模式ATM，實(shí)行IP over SDH和IP over ATM。
為了讓用戶終端能夠通過接入網(wǎng)連至大容量的骨干網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)用戶所需的高速率數(shù)據(jù)通信，就應(yīng)在建設(shè)高速分組通信骨干網(wǎng)的同時(shí)，對整個通信網(wǎng)的另一大部分，即接入網(wǎng)(access network)想些新辦法和采取新措施，使城市用戶使用數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率從kb/s和Mb/s級上升至Gb/s，而仍符合用戶能夠承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)原則。這就引起人們想到，波分多路WDM技術(shù)引用至城市接入網(wǎng)的光纖線路，將是有效和有力的好辦法，而且容許長遠(yuǎn)逐步升級發(fā)展，一定有美好前途。
城市接入網(wǎng)是由各個交換局連至各地區(qū)用戶的線路組成的。最簡單的想法是光纖連至每一家FTTH，由光纖的潛在帶寬能力傳送對絞銅線無法傳送的高數(shù)據(jù)速率應(yīng)無問題，但其成本涉及每一住家用戶承擔(dān)過高費(fèi)用，不合乎經(jīng)濟(jì)原則。因此，簡單的FTTH不是理想的辦法。曾經(jīng)考慮光纖連至路邊FTTC和光纖與同軸混合HFC，以及無源光纖網(wǎng)PON等結(jié)構(gòu)和其它方法，暫時(shí)解決了一些問題，但還覺得不盡滿意。因此，通信網(wǎng)的科研工作者還在繼續(xù)考慮和試驗(yàn)更好的方案，以接近發(fā)展的需要和更符合經(jīng)濟(jì)原則。
2新型地區(qū)接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)
大家都知道，一個城市的通信網(wǎng)包含兩大組成部分，即骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)。骨干網(wǎng)是由城市內(nèi)多個適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)立的交換局CO或結(jié)點(diǎn)(node)組合而成的，各局之間互相連接的線路早已使用光纖光纜，并已加裝波分多路WDM系統(tǒng)。骨干網(wǎng)的每一結(jié)點(diǎn)內(nèi)部也在逐步改進(jìn)各種網(wǎng)絡(luò)單元，諸如從電的插分復(fù)接器ADM改為光的或波長的插分復(fù)接器OADM，從數(shù)字的交叉連接DXC改為光的或波長的交叉連接OXC等，向組建光網(wǎng)(Optical networking)過渡。它們充分利用WDM，已能提高通信業(yè)務(wù)容量和使用較高數(shù)據(jù)速率。
現(xiàn)在正考慮如何更好地設(shè)計(jì)城市各地區(qū)或每一交換局結(jié)點(diǎn)所轄地區(qū)的接入網(wǎng)，也是利用光纖和WDM技術(shù)。對于地區(qū)光接入網(wǎng)(Opticl regional access network)的結(jié)構(gòu)，可能考慮把它分為兩部分，暫稱饋送網(wǎng)(feeder network)和分配網(wǎng)(distribution network)。饋送網(wǎng)是由若干個接入結(jié)點(diǎn)(access node,AN)經(jīng)由光纖線路連成環(huán)形(ring)，光纖上裝有WDM系統(tǒng)。而許多分配網(wǎng)分別連至其主管的接入結(jié)點(diǎn)AN。分配網(wǎng)連接其周圍的若干個用戶，可以是環(huán)形(ring),也可以是樹形(tree)或總線(bus)。這樣，每一用戶經(jīng)過分配網(wǎng)連至饋送網(wǎng)的一個接入結(jié)點(diǎn)AN，然后由饋送網(wǎng)連至城市骨干網(wǎng)的交換局結(jié)點(diǎn)。
環(huán)形饋送網(wǎng)裝有WDM系統(tǒng)，其不同的接入結(jié)點(diǎn)AN間就利用不同的波長相互連接。例如有λ1、……、λ6等不同波長，AN1與AN3之間用波長λ1，AN2與AN6之間用波長λ5等。在典型的城市網(wǎng)中，每一地區(qū)接入網(wǎng)的饋送網(wǎng)有10~20個接入結(jié)點(diǎn)AN，而每一分配網(wǎng)有20~100個用戶。饋送網(wǎng)的WDM/DWDM可能有10~100路波長，每路傳送數(shù)據(jù)速率2.5Gb/s或10Gb/s。分配網(wǎng)是無源的，它們載荷各不同波長，既有饋送網(wǎng)的各路波長，也可能有分配網(wǎng)的波長。
3接入結(jié)點(diǎn)的連接功能
饋送網(wǎng)中每一接入結(jié)點(diǎn)AN的作用是確保分配網(wǎng)與饋送網(wǎng)之間能夠很好地經(jīng)過各路光波長流通各個IP數(shù)據(jù)分組信號。接入結(jié)點(diǎn)內(nèi)部既有電子的IP路由器，又有光的波長路由器和轉(zhuǎn)發(fā)器。接入結(jié)點(diǎn)的一種重要功能是按需要把光信號指向這兩種路由器的任一種。電子IP路由器收到某路光波長，就先把光的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為電的信號，于是對電的IP分組進(jìn)行處理，再轉(zhuǎn)換為光的數(shù)據(jù)信號繼續(xù)向前發(fā)送。IP路由器還可以把分配網(wǎng)傳來的幾路較低數(shù)據(jù)速率集合為饋送網(wǎng)的較高數(shù)據(jù)速率的一路。而光波長路由器與轉(zhuǎn)發(fā)器則是為接收的某一路波長光信號選尋路由，然后轉(zhuǎn)換為另一路波長光信號向前發(fā)送。另外，必要時(shí)，接入結(jié)點(diǎn)也可以完全旁通各個路由器，取得透明的光連接。
在接入結(jié)點(diǎn)內(nèi)，設(shè)置饋送的光插分復(fù)接器OADM和分配的光插分復(fù)接器OADM。饋送網(wǎng)中各個接入結(jié)點(diǎn)間流通的WDM多路波長可以組合為幾個波帶，每一波帶各有若干路波長，依次排列。饋送的OADM將是波帶的插分復(fù)接器。饋送網(wǎng)內(nèi)這個接入結(jié)點(diǎn)收到鄰近接入結(jié)點(diǎn)傳來的幾個波帶后，有些波帶就直接旁通至另一鄰近接入結(jié)點(diǎn)，有些波帶在這個接入結(jié)點(diǎn)分下(drop),而同樣波長的波帶則在這個接入結(jié)點(diǎn)插上(add),與旁通的波帶一同送往另一鄰近接入結(jié)點(diǎn)。隨著DWDM技術(shù)的迅速發(fā)展，每根光纖同時(shí)傳輸不同波長的路數(shù)在將來可能增加得越來越多，甚至加至幾十路或百余路，以致網(wǎng)上傳輸?shù)牟煌窋?shù)太多，造成處理困難。這就有必要考慮采用波帶(wavelength band)的辦法，按各路波長依次排列，把10路或20路組成一個波帶。這樣，網(wǎng)上傳輸?shù)牟煌◣Р粫啵幚肀容^便易。采用波帶辦法后，饋送網(wǎng)的光插分復(fù)接器將是波帶插分復(fù)接器OADM，可以用來分下幾個波帶，插上同樣數(shù)目的幾個波帶，其余波帶則是光信號直接旁通，傳輸是透明的。當(dāng)通信用戶數(shù)加多時(shí)，饋送網(wǎng)的波帶數(shù)可以加多，接入結(jié)點(diǎn)數(shù)可以相應(yīng)地加多，比直接利用波長路數(shù)易于處理。至于接入結(jié)點(diǎn)內(nèi)的分配插分復(fù)接器(distribution OADM)，仍按波長路數(shù)分下和插上，連接電子IP路由器和波長路由器，或者直接連接這接入結(jié)點(diǎn)內(nèi)的饋送插分復(fù)接器(feeder OADM)。
如前節(jié)所述，多個用戶利用了WDM媒介接入控制規(guī)約(MAC)，可以合用同一無源的分配網(wǎng)。到了饋送網(wǎng)的一個接入結(jié)點(diǎn)AN1，用戶的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過OADM中的路由器至另一OADM，輸出至另一個接入結(jié)點(diǎn)AN2，由它的OADM連往對方分配網(wǎng)的用戶，這是經(jīng)過波長λ1，也可以經(jīng)過另一個波長λ2，旁通AN2而連往又一個接入結(jié)點(diǎn)AN3。如用戶發(fā)出的是IP業(yè)務(wù)，則在AN1利用電子IP路由器，由它提供路由將IP分組數(shù)據(jù)送往對方用戶。如用戶發(fā)出大量數(shù)據(jù)流，也可以旁通電子IP路由器，讓光信號直接流向?qū)Ψ接脩簟；蛘撸脩艨梢岳霉獠ㄩL路由器和轉(zhuǎn)發(fā)器，借助不同路的波長和數(shù)據(jù)途徑。這樣，盡管IP路由器的容量有限，但WDM網(wǎng)能夠承擔(dān)遠(yuǎn)大的業(yè)務(wù)量，比電子IP路由器的業(yè)務(wù)量大得多。在WDM網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)中，饋送OADM可以利用發(fā)送機(jī)使分下和插上各路調(diào)諧至需要的波長。這種調(diào)諧發(fā)送機(jī)，在用戶終端設(shè)備、IP路由器輸出端和波長路由器轉(zhuǎn)發(fā)器輸出端都裝用。由快速控制通路和快速電子波長調(diào)諧，可使IP分組選尋路由很方便。相對地，OADM交換顯得較慢和繁復(fù)，因此，它只有在很大的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)移的情況才使用。
4光纖環(huán)網(wǎng)的保護(hù)作用
饋送網(wǎng)一般采用雙根光纖的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每根光纖各是單向傳輸，但其中第一根光纖截荷的業(yè)務(wù)流是順時(shí)針向傳輸(CW)，而第二根光纖載荷的業(yè)務(wù)流則是反時(shí)針向傳輸(CCW)。如波分多路系統(tǒng)WDM的各路波長分成兩個波帶，即A波帶和B波帶，則CW光纖傳送的正常業(yè)務(wù)流是A波帶，而CCW光纖傳送的正常業(yè)務(wù)流是B波帶。如果有一根光纖發(fā)生故障而切斷，經(jīng)檢測沒有光傳輸，那么這根光纖原來傳送的正常業(yè)務(wù)流立即轉(zhuǎn)換由另一根光纖接續(xù)承擔(dān)，在環(huán)內(nèi)進(jìn)行反向傳輸。這樣的保護(hù)轉(zhuǎn)換方式(protection switching)，每根光纖有傳送兩個波帶的能力，但在正常狀態(tài)，CW光纖傳送正常業(yè)務(wù)流是用A波帶，而B波帶留著用作保護(hù)波帶。CCW光纖則相反，正常用B波帶，保護(hù)用A波帶。當(dāng)保護(hù)波帶內(nèi)信號沿環(huán)傳輸一圈后，到達(dá)光纖切斷的位置，仍返回原來一根光纖。在保護(hù)狀態(tài)，接入結(jié)點(diǎn)中OADM分下的信號只是正常波帶經(jīng)過結(jié)點(diǎn)的信號，而不是保護(hù)波帶信號。可見，這樣的保護(hù)轉(zhuǎn)換方式對保護(hù)控制機(jī)構(gòu)和接入結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的簡化很有利。由于環(huán)網(wǎng)具有保護(hù)作用的優(yōu)點(diǎn)，城市接入網(wǎng)的分配網(wǎng)也有采用光纖雙環(huán)網(wǎng)的傾向。
5光纖網(wǎng)的單元設(shè)備
在這利用波分多路WDM系統(tǒng)組建的光纖接入網(wǎng)，一些關(guān)鍵性的光技術(shù)和光單元設(shè)備是重要的和必不可少的基礎(chǔ)。首先是低損耗和低色散的單模光纖，在工作波長1550nm窗口有100nm寬度，損耗為0.25dB/km，能傳輸長距離，并適合于加裝密集的DWDM系統(tǒng)。但據(jù)近年報(bào)道，傳統(tǒng)的單模光纖在制造時(shí)可能消除位于1380nm的OH-吸收峰，因而出現(xiàn)新的1350nm波長窗口，有很大的窗口足以容納密集的DWDM系統(tǒng)。雖這一波長窗口在目前還沒有制成光纖放大器，但在城市通信網(wǎng)每段光纖線路距離不長的情況應(yīng)能發(fā)揮作用。
對于1550nm波長窗口，光纖放大器EDFA已很成熟，既有C波段1530~1560nm，又有L波段1565~1605nm，都可提供放大使用。密集波分多路DWDM系統(tǒng)的各路波長間隔多數(shù)是0.8nm，也有更小的間隔0.4nm。每路波長傳送電的時(shí)分多路TDM信號10Gb/s，可使一根光纖同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信號的速率達(dá)1Tb/s。DWDM系統(tǒng)各路波長的光源將是分布反饋(DFB)的半導(dǎo)體激光器，它們可以在40nm范圍內(nèi)調(diào)諧至需要的波長。目前仍是一個波長一個激光器，還沒有能夠用光子集成(PIC)技術(shù)把多路波長的多個激光器集成在同一芯片上。DWDM濾波器是另一項(xiàng)重要的關(guān)鍵器件，目前已有可能把100路不同波長組合一起或分隔開來。WDM濾波器(filter)和合波器/分波器(multiplexer/demultiplexer)，甚至有些路由器(router)，可以利用光纖光柵(fiber grating)制成，也可利用介質(zhì)薄膜波導(dǎo)制成。在發(fā)送端，對激光器的高速信號調(diào)制是使用外部調(diào)制器，例如電子吸收式的，它能和激光器集成在同一芯片上。在接收端，光電檢測管PIN和雪崩管APD對數(shù)據(jù)信號速率10Gb/s響應(yīng)沒有問題，必要時(shí)可考慮使EDFA作為預(yù)放大器以提高接收靈敏度。
綜上所述，WDM/DWDM所需的各種單元設(shè)備都已具備齊全，但它們在WDM光通信網(wǎng)實(shí)際連成組合運(yùn)用時(shí)，可能使網(wǎng)內(nèi)光信號傳播性能引起損害，需要實(shí)地作精細(xì)測量和必要調(diào)整。
附記：在最近一時(shí)期，國際上對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)，包括骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)，正在積極開展研究，從專業(yè)期刊上經(jīng)常可以看到這類研究的文章。IEEE Communications Magazine 2000年1月號登載MIT林肯實(shí)驗(yàn)室Kuznetsov等多位專家聯(lián)合署名的文章：A NextGeneration Optical Regional Access network,敘述他們在研究新一代Internet基金項(xiàng)目的部分成果，特摘要介紹給國內(nèi)的通信科技工作者參考，也請讀者同志們指正。
