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組建光通信網(wǎng)的合理途徑
組建光通信網(wǎng)的合理途徑 張煦一、通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)重心轉(zhuǎn)移和容量擴(kuò)大
組建光網(wǎng)（Optical Networking）是當(dāng)今國際上通信領(lǐng)域中一個熱門的重大研究課題，對于陸地的固定通信網(wǎng)，除了光纖光纜及波分多路系統(tǒng)正在點(diǎn)一點(diǎn)傳輸線路上大量應(yīng)用并繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)以擴(kuò)大應(yīng)用效果外，通信研究人員也在考慮設(shè)計和試驗(yàn)在通信網(wǎng)核心內(nèi)部如何利用波分多路（WDM）技術(shù)使電傳送網(wǎng)進(jìn)化為光傳送網(wǎng)，認(rèn)為這是未來通信網(wǎng)必然的發(fā)展趨向。
自20世紀(jì)90年代起，國際互聯(lián)網(wǎng)Internet向全世界計算機(jī)用戶開放，促使數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)量爆炸性增長，給傳統(tǒng)電話通信網(wǎng)以巨大沖擊。今后的通信形勢是：盡管全世界的電話業(yè)務(wù)量仍是每年增長，但數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量的年增長率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電話業(yè)務(wù)量的增長率，因此在21世紀(jì)里數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)總量將很快趕上電話業(yè)務(wù)總量。換句話說，未來的通信網(wǎng)不再以電話業(yè)務(wù)為重心，而是以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為重心，宜于使用互聯(lián)網(wǎng)規(guī)約IP（Internet Protocol）。傳統(tǒng)電話通信網(wǎng)長期使用的電路交換方式，在未來通信網(wǎng)不再合適，應(yīng)該讓位給對數(shù)據(jù)通信有利的分組交換方式（packet switching）。當(dāng)然，未來的通信網(wǎng)仍應(yīng)保證電話業(yè)務(wù)暢通，而且IP-phone仍須達(dá)到傳統(tǒng)電話QoS的要求并保證數(shù)字圖視（video）通信業(yè)務(wù)暢通，以致能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)操作的多媒體通信。
與此同時，通信網(wǎng)的核心本身總是應(yīng)該具有足夠大的容量，有能力適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)量的數(shù)字速率總和，保證通信暢通，通信網(wǎng)容量就以它同時提供數(shù)字速率多少來表示。現(xiàn)在大家既然認(rèn)識到各種通信業(yè)務(wù)特別是數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量每年以很高的增長率快速增長，未來的通信網(wǎng)就應(yīng)該相應(yīng)地擴(kuò)大其容量。一方面，通信網(wǎng)絕對不停留于長期使用的公用交換電話網(wǎng)每年緩慢增長的容量，而是提供大得多、能夠經(jīng)常加大的容量。按數(shù)字速率計，現(xiàn)行的電通信網(wǎng)利用電的時分多路TDM技術(shù)，按照標(biāo)準(zhǔn)的同步數(shù)字群系列SDH，最高的數(shù)字速度限于最高一級數(shù)字群的速度，即10Gbit／s。在目前，該數(shù)字速度尚未能突破，這是受到電的TDM技術(shù)的限制，常稱“電子瓶頸”。最近，國際會議上個別研究單位稱他們利用電的TDM，能夠制成數(shù)字速度達(dá)40Gbit／s，但這是少數(shù)情況，目前還未能普遍推廣。
二、通信網(wǎng)從電的TDM發(fā)展至光的WDM
既然電的通信網(wǎng)在容量上受到電的TDM的限制，那么就應(yīng)考慮其它有效而實(shí)際可行的辦法。光纖通信的傳輸線路在加大容量方面取得了顯著的成功經(jīng)驗(yàn)，似乎可以為通信網(wǎng)提供有益的參考。在原來的光纖線路上，一根光纖只傳輸一路光載波，其載荷的數(shù)字信號由電的TDM供給，最高數(shù)字速率為10Gbit／s，而單模光纖在波長1550nm有很寬的窗口可供光信號傳輸，雖然一個光載波載荷信號的數(shù)字速率受到電的TDM限度不能提高，但如能讓一根光纖同時傳輸幾個光載波，則光纖的傳輸容量就可以成倍地加大，將光纖的潛在容量發(fā)掘利用。參照過去幾十年前通信線路的每對銅線利用頻分多路FDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路載波電話的成功經(jīng)驗(yàn)，考慮在光纖上采用波分多路WDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一根光纖同時傳輸多路光載波的辦法。如每一根光纖上裝用戶路WDM，每路傳輸電的TDM信號10Gbit／s，那么n路WDM就使一根光纖在一個方向同時傳輸n×l0Gbii／s，使數(shù)字速率比原來提高n倍，這種辦法不難取得成功，完全可以推廣應(yīng)用。最近國際會議上報道一根光纖在1550nm波長窗口同時傳輸密集波分多路DWDM的100路具有適當(dāng)波長間隔的光載波，導(dǎo)致同時傳輸?shù)臄?shù)字速率提高至100×l0Gbii／s=1Tbit／s （1×1012bit／s）。而且，還有可能繼續(xù)提高至幾個Tbit／s。這樣的DWDM系統(tǒng)用于光纖線路，配以在1550nm波長窗口提供光功率增益的寬帶光纖放大器W-EDFA，沿線路每隔100km設(shè)置一個放大器，就可使1Tbit／s數(shù)字速率的信號傳輸至1000km距離，實(shí)現(xiàn)大容量、長距離的信號傳輸。
誠然，這種1Tbit／s-1000km的大容量、長距離的通信系統(tǒng)真是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，大家都深切體會到光比電有更大的潛力為通信的發(fā)展提供幫助。傳統(tǒng)的電通信應(yīng)該引伸至光通信，尤其在考慮通信網(wǎng)擴(kuò)大容量的問題，不能停留于電，而應(yīng)著眼于光。依這樣的思路進(jìn)一步深入考慮光在通信網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用可能性。現(xiàn)在波分多路WDM技術(shù)結(jié)合光放大器EDFA的方式，不應(yīng)局限于光纖傳輸線路的應(yīng)用，而是要求放開思路，研究光的WDM技術(shù)能否引伸至通信網(wǎng)核心內(nèi)部，代替原來利用電的TDM技術(shù)所起的作用。過去的電通信網(wǎng)雖然利用大容量光纖傳輸線路，但通信網(wǎng)本身由電的TDM起作用，通信網(wǎng)容量的數(shù)字速率屬于Gbit／s級，最大是10Gbit／s�，F(xiàn)在利用光的WDM，有n路不同波長操縱各種網(wǎng)絡(luò)單元，則使通信網(wǎng)容量加大n倍。如用100路不同波長，則理論上應(yīng)能使通信網(wǎng)容量加大至Tbit／s級，比電的通信網(wǎng)容量Gbit／s級大一千倍。這就是說，電通信網(wǎng)受到TDM的限制，無法再擴(kuò)大容量，如改用光通信網(wǎng)，WDM可以使用很多路數(shù)，以致光通信網(wǎng)可以擴(kuò)大容量至很多倍。所以，隨著通信業(yè)務(wù)量的快速增長，要求通信網(wǎng)擴(kuò)大其容量，從電的通信網(wǎng)進(jìn)化為光的通信網(wǎng)。
順便提一下，上面說起電的TDM技術(shù)目前最高數(shù)字速率為10Gbit／s。曾有研究單位宣稱光的TDM技術(shù)可使16路電的TDM復(fù)合，使總的數(shù)字速率提高至16×10＝160bit／s，但這樣的技術(shù)有較大難度，目前沒有推廣使用。
三、網(wǎng)絡(luò)單元ADM、DXC過渡至OADM、0XC
每個通信網(wǎng)由若干種和若干個網(wǎng)絡(luò)單元分別組合而成。多路通信不論是電的時分多路TDM，或者是光的波分多路WDM，最基本的網(wǎng)絡(luò)單元有multiplexer和demultiplexer，一般地稱為復(fù)接器和分接器。它們在TDM結(jié)點(diǎn)與用戶接入線連接處，一般稱為合路器和分路器，而在結(jié)點(diǎn)內(nèi)部，則稱為合群器和分群器。對于電話通信，合路器是把30路數(shù)字電話合為一個基群，如30路經(jīng)過脈碼調(diào)制PCM得到的數(shù)字電話信號64kbit／s合為30路的基群，約2Mbit／s。而分路器的作用相反，它把基群2Mbit／s分為30路64kbit／s。合群器是把若干個低級群合為較高級的數(shù)字群。例如在準(zhǔn)同步數(shù)字群系列PDH，最低的合群器是把4個基群2Mbit／s合為二級群8Mbit／s。分群器則相反，把1個8Mbit／s群分為4個2Mbit／s群。在同步數(shù)字系列SDH，例如最高級的合群器是把4個2.5Gbit／s合為1個10Gbit／s，分群器則把1個10Gbit／s分為4個2．5Gbit／s。數(shù)字速率越高，則制成合群器和分群器的技術(shù)難度越大。類似地，在光的WDM復(fù)接器和分接器可以稱為合波器和分波器，前者把幾路不同的光波長合為一個波段，后者把一個光波段分為若干路光波長。
在每一網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，其他重要的網(wǎng)絡(luò)單元有ADM（add-drop multiplexer），簡單譯成插分復(fù)接器，實(shí)際上它是分群器與合群器的組合，或是分路器與合路器的組合。在結(jié)點(diǎn)內(nèi)部，某一高級數(shù)字群輸入分群器，分為若干個較低級數(shù)字群輸出，其中部分低級數(shù)字群就從這
分群器輸出分下（drop），由本結(jié)點(diǎn)使用，其余幾個輸出直通合群器的輸入，結(jié)點(diǎn)可以按需要把幾個與分下相同的低級群插上（add）合群器的輸入，與直通的低級群會合，成為新的高級數(shù)字群輸出。在電的通信網(wǎng)中，這些是“數(shù)字的ADM”。當(dāng)電通信網(wǎng)準(zhǔn)備過渡為光通信網(wǎng)時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)中的這些數(shù)字的ADM應(yīng)該全部換成“波長的ADM”或“光的ADM”。它將是分波器與合波器的組合。
在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)中，為了靈活調(diào)度的需要，都應(yīng)設(shè)置交叉連接系統(tǒng)XC（cross-connect）。在電通信網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)有“數(shù)字的交叉連接”DXC（digital XC）。當(dāng)電通信網(wǎng)過渡至光通信網(wǎng)時，每一網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)中數(shù)字交叉連接應(yīng)該相應(yīng)地?fù)Q成“波長的XC”或“光的XC”，原理與前相似。但因光網(wǎng)容量較大，交叉連接系統(tǒng)勢必更為復(fù)雜，并且需要更加靈活地運(yùn)用，所以O(shè)XC常常附設(shè)波長變換器，以便于實(shí)行交叉連接時按需要改換使用光波長�？偟膩碚f，光通信網(wǎng)不僅容量大，而且質(zhì)量高，光網(wǎng)結(jié)點(diǎn)中光的ADM（OADM）和光的XC（OXC）等網(wǎng)絡(luò)單元都必須具備完善的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能，那就完全能夠滿足大容量通信網(wǎng)運(yùn)行的需要。
四、IP與ATM、WDM的配合
未來的通信網(wǎng)既已肯定以數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)為重心，并普遍使用互聯(lián)網(wǎng)規(guī)約IP，那么網(wǎng)上信息業(yè)務(wù)宜一律使用IP，即所謂everything over IP。當(dāng)然，每種信息業(yè)務(wù)都用IP后，仍保證信息順利傳送，達(dá)到應(yīng)有的QoS要求。使如IP-phone，經(jīng)過初步改進(jìn)技術(shù)，確實(shí)具有良好質(zhì)量，雙向?qū)崟r通話的質(zhì)量能夠?yàn)橛脩羲邮埽�，在未來通信網(wǎng)中普遍使用IP是可行的。尤其是通信網(wǎng)中使用IP路由器（router），在技術(shù)上似乎沒有多大困難，IP的標(biāo)頭在國際上屢有新標(biāo)準(zhǔn)，不斷作出改進(jìn)。但是，通信網(wǎng)內(nèi)部還有重要的交換機(jī)迄今尚未完全做成對應(yīng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)、具有分組交換功能的簡便裝備。而在現(xiàn)行寬帶通信網(wǎng)中使用較多、技術(shù)上比較成熟的異步轉(zhuǎn)移模式ATM，其裝備受到國際上廣大通信廠商重視和改進(jìn)，在性能和服務(wù)上又普遍為廣大通信用戶所接受。雖然ATM不是專供數(shù)據(jù)通信分組交換的設(shè)施，但是它已在世界上推廣使用。因此得出權(quán)宜的結(jié)論：目前可以讓IP與ATM配合使用，稱為IP over ATM。當(dāng)然，這不是最理想的辦法，但在電通信網(wǎng)普遍存在的現(xiàn)階段，它不失為一種明智的過渡方案。
近年國際上積極試驗(yàn)的光通信網(wǎng)，已確定以波分多路WDM為基本，而不考慮利用ATM。如一切順利，可望于本世紀(jì)頭幾年就付諸實(shí)際應(yīng)用。到那時，如果光的分組交換機(jī)尚未研制成功，或者沒有找到解決光交換的其他辦法，那就有必要妥慎考慮像現(xiàn)在電通信網(wǎng)那樣采用權(quán)宜之計，選擇IP與WDM配合應(yīng)用的方案，即IP over WDM。這意味著，在過渡到光通信網(wǎng)的初期，很可能采用IP over WDM以順利過渡，也就是說，在發(fā)展未來的以分組數(shù)據(jù)通信為重心的新型通信網(wǎng)以及從電通信網(wǎng)過渡至光通信網(wǎng)的前進(jìn)道路上，很可能從IP over ATM過渡至IP over WDM，總的來說就是IP over everything。結(jié)合前節(jié)所述，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)需要everything over IP和IP over everything，互聯(lián)網(wǎng)規(guī)約IP十分重要。
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