光传送网技术现状及发展趋势

郭养雄

【摘要】在全业务运营时代，电信运营商都将转型成为ICT综合服务提供商。业务的丰富性带来对带宽的更高需求，直接反映为对传送网能力和性能的要求。光传送网技术由于能够满足各种新型业务需求，成为传送网发展的主要方向。

【关键词】光传送网技术；发展趋势

【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 光通信的发展阶段

传统的光纤传输技术，经历了准同步数字体系（PDH）、同步数字体系（SDH），和波分复用（WDM）三个阶段，如图1下所示。

2. 常见的光传输技术

2.1 DWDM。

2.1.1 概述。

DWDM技术是指相邻波长间隔较小的WDM技术，工作波长位于1550nm窗口。可以在一个光纤上承载8～160个波长。主要应用于长距离传输系统（DWDM系统示意图见图2）。

2.1.2 技术特点。

2.1.2.1 充分利用光纤的带宽资源，传输容量巨大。

DWDM系统中的各波长相互独立，可透明传输不同的业务，如SDH、GE、ATM等信号，实现多种信号的混合传输。如图所示，多个光信号通过采用不同的波长复用到一根光纤中传输，每个波长上承载不同信号，在一根光纤中传输，大大提高了光纤容量，极大的节约了光纤资源，降低线路建设成本（DWDM传输容量巨大见图3）。

2.1.2.2 超长的传输距离。

利用掺铒光纤放大器（EDFA）等多种超长距传输技术，可以对DWDM系统中的各通路信号同时放大，实现系统的长距传输（DWDM的超长距传输见图4）。

2.1.2.3 平滑升级扩容。

由于DWDM系统中的每个波长通道透明传输数据，不对通道数据进行任何处理，扩容时只需增加复用光波长通路数即可。

2.2 MSTP技术。

2.2.1 概述。

MSTP（基于SDH的多业务传送平台）指基于SDH 平台同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点。多生成树（MST）使用修正的快速生成树（RSTP）协议，叫做多生成树协议（MSTP）（MSTP系统接口见图5）。

2.2.2 技术特点。

（1）业务的带宽灵活配置，提供10/100/1000Mbit/s系列接口，通过VC的捆绑可以满足各种用户的需求；

（2）可以根据业务的需要，工作在端口组方式和VLAN方式，其中VLAN方式可以分为接入模式和干线模式：

（3）可以工作在全双工、半双工和自适应模式下，具备MAC地址自学习功能；

（4）QoS就是规定各端口在共享同一带宽时的优先级及所占用带宽的额度。

（5）对每个客户独立运行生成樹协议。

（6）用户带宽固定，带宽弹性不足，利用率低。

2.3 SDR技术。

软件无线电（Software Defined Radio，简称SDR）是一种通过硬件作为无线通信的基本平台，通过软件实现把尽可能多的无线通信及个人通信功能的现代通信技术。一个典型的软件无线电平台由以下硬件组成：射频、中频、基带、信源和信令等。软件方面有可编程力强的DSP器件，灵活的通信软件对工作频率、系统带宽、调制方式、信源编码等进行编程控制等应用软件和系统软件。

2.4 OTN技术。

（1）概述。

OTN是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网。解决了传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力差、组网能力弱、保护能力弱等问题。OTN跨越了传统电域（数字传送）和光域（模拟传送），处理的基本对象是波长级业务，由于结合了光域和电域处理的优势，OTN可以提供巨大的传送容量、完全透明的端到端波长/子波长连接以及电信级的保护，是传送宽带大颗粒业务的最优技术（OTN分层结构图见图6）。

（2）OTN技术特点。

OTN的主要优点是完全向后兼容，它可以建立在现有的SONET/SDH管理功能基础上，不仅提供了存在的通信协议的完全透明，而且还为WDM提供端到端的连接和组网能力，它为ROADM提供光层互联的规范，并补充了子波长汇聚和疏导能力。

2.5 OTN概念涵盖了光层和电层两层网络，其技术继承了SDH和WDM的双重优势，关键技术特征体现为：

（1）多种客户信号封装和透明传输。

基于ITU-TG.709的OTN帧结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输，如SDH、ATM、以太网等。对于SDH和ATM可实现标准封装和透明传送，但对于不同速率以太网的支持有所差异。ITU-TG.sup43为10GE业务实现不同程度的透明传输提供了补充建议。endprint

（2）大颗粒的带宽复用、交叉和配置。

OTN定义的电层带宽颗粒为光通路数据单元（O-DUk，k=0，1，2，3），即ODUO（GE，1000M/S）ODU1（2.5Gb/s）、ODU2（10Gb/s）和 ODU3（40Gb/s），光层的带宽颗粒为波长，相对于SDH的VC-12/VC-4的调度颗粒，OTN复用、交叉和配置的颗粒明显要大很多，能够显著提升高带宽数据客户业务的适配能力和传送效率。

（3）强大的开销和维护管理能力。

OTN提供了和SDH类似的开销管理能力，OTN光通路（OCh）层的OTN帧结构大大增强了该层的数字监视能力。另外OTN还提供6层嵌套串联连接监视（TCM）功能，这样使得OTN组网时，采取端到端和多个分段同时进行性能监视的方式成为可能。为跨运营商传输提供了合适的管理手段。

（4）增强了组网和保护能力。

通过OTN帧结构、ODUk交叉和多维度可重构光分插复用器（ROADM）的引入，大大增强了光传送网的组网能力，改变了基于SDHVC- 12/VC-4调度带宽和WDM点到点提供大容量传送带宽的现状。前向纠错（FEC）技术的采用，显著增加了光层传输的距离。另外，OTN将提供更为灵活的基于电层和光层的业务保护功能，如基于ODUk层的光子网连接保护（SNCP）和共享环网保护、基于光层的光通道或复用段保护等。

3. 100G OTN关键技术

3.1 PM-QPSK高级调制。

（1）OSNR性能改善。

具有相干检测功能的PM-QPSK比二进制（OOK）大约改善了6dB的光信噪比灵敏度。100Gbit/s的容量是10Gbit/s的10倍，所以100G调制方案需要提供比10GOOK码型高10dB的性能。相干检测的关键优势在于光波相位信息可以传递到数字领域，因而可以利用强大的电子色散补偿（EDC）能力，以非常低的代价清理信号失真。因此，通过使用100GPM-QPSK与EDC，相干检测的技术可以获得6dB的改善（与直接检测OOK相比）；利用高编码增益FEC可得2～3dB的改善；由于减少CD和PMD的传输代价，再有1～2dB的改善。这样，总改善能达到9～11dB，使得100GPM-QPSK接近10GOOK系统光信噪比的灵敏度。这就意味着，100G系统在应用上可以达到目前的10G系统的传输距离。

（2）相位调制。

利用QPSK技术可以使光载波携带的信息量增大1倍，与偏振复用的结合使得100G信号波特率降低到约25Gbaud/s，因此能够应用在50GHz间隔的OTN系统中，同时也降低了信号对光纤非线性容忍度的要求（QPSK调制原理图见图7）。

3.2 相干接收和数字信号处理DSP技术。

（1）相干接收技术主要解决了对光信号的电场的检测问题。光信号对业务信息是以电场的形式承载的，在光信号的传输过程中，其电场特性会受到光纤色散、光纤PMD、光纤非线性效应以及滤波效应等因素的影响而趋于劣化。常规的直接检测方式只能探测光信号电场的模平方包络（即光强），因此无法分解出上述劣化效应的影响并给予消除。而相干接收技术可得到PDM-QPSK信号的所有信息，包括每个偏振方向上的电场的实部和虚部的强弱和相互的相位信息，为传输中各项劣化效应的分解和补偿提供了可能。而ADC则在不损失信息的前提下将检测出的模拟信号转化为数字信号，并由DSP芯片完成时钟恢复、载波恢复、色散补偿、PMD补偿等关键处理。

（2）在100G PDM QPSK传输中，主要就是利用光数字信号处理技术（DSP）在电域实现偏振解复用和通道线性损伤（CD、PMD）补偿，即通过数字化算法，在电域进行色度色散补偿以及偏振态色散补偿，以此减少和消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖（相干接收DSP原理图见图8）。

3.3 软判决SD/硬判决HD技术。

在100G相干电处理技术的产业化力量的驱使下，并借助高速IC技术的发展，目前引进了基于软判决（SD）的第三代FEC编码技术。软硬判决的区别在于其对信号量化所采用的比特位数。硬判决对信号量化的比特数为1位，其判决非“0”即“1”，没有回旋余地。软判决则采用多个比特位對信号进行量化，采用“00”、“01”、“10”、“11”判决，通过Viterbi等估计算法提高判决的准确率，大大提升了100G系统的传输能力。

4. 100G OTN组网思路

4.1 随着100G时代即将到来，面对现网各类速率的业务情况，建设100G波分系统有两种方式：一是新建纯100G系统，采用支线路分离方式解决多业务传送；二是将现有10G、40G波分系统平滑升级至100G波分系统。

（1）新建纯100G波分系统，采用支线路分离方式解决多业务传送

考虑到100G新技术带来的优异的传输性能，纯100G波分系统的设计变得相当“简单”，色度色散和PMD限制几乎可以不予考虑，系统的设计主要劳力OSNR的限制，这个有别于10G、40G波分系统设计时的线路色散补偿。当光缆条件具备，且属于长距离传输的场景，在有100G业务的情况下，优选新建纯100G波分系统。可以通过OTN电交叉采用支线路分离方式解决10G、40G业务，实现多业务同平台的高效传送。

（2）将现有10G、40G波分系统平滑升级至100G波分系统。

4.2 当光缆纤芯紧张且现有10G、40G波分系统利用率不高时，可考虑将现有10G/40G波分系统平滑升级至100G波分系统，以解决新增的100G业务。100G和现网兼容混传需要考虑评估系统的OSNR容限、CD/PMD容限和非线性影响。混传场景主要有以下两种：

（1）第一，相干100G（PDM-QPSK）和非相干10G/40G既有系统混传。现有10G、40G波分系统均采用线路的DCM模块，实现系统的色度色散补偿。实验室测试表明，DCM模块对相干的100G系统额外的OSNR上的代价很小（不高于0.5dB），影响较小。只需系统OSNR参数能同时满足100G和10G/40G的设计要求，即可实现兼容混传。需要说明的是由于10G波分均采用OOK的调制方式，对采用PDM-QPSK编码调制的100G系统混传代价相对较大，10G和100G混传时设置一定数量的隔离波道。endprint

（2）第二，相干100G和相干40G系统的混传。对于40G相干系統，目前业界有两种主流编码技术，一种采用2相位调制PDM-BPSK，码速率为21.5Gbps，入纤功率和100G相干接近，是最容易平滑混传的解决方案；另一种40G相干采用4相位调制PDM-QPSK，码速率为11.25Gbps，抗非线性较弱，入纤功率较低，和100G相干兼容混传代价较大，在此场景下混传时需要慎重设计，也需要设置一定数量的隔离波道。

5. 光传输技术展望

未来的全光网将在源节点至目的节点之间的信号传输与交换过程全部采用光波技术，以光交换技术和波分复用传输技术（WDM）为核心基础。光交叉连接器（OXC）与可重构的光分插复用器（ROADM）是全光网中最重要的网络器件，而光时分复用（OTDM）技术和光码分多址（OCDMA）技术是全光网络的关键技术。展望未来的全光网络，以WDM技术为主导、结合OTDM和OCDMA技术，将成为全光网络的主要构架。

6. 结束语

当前云计算、物联网、智慧城市、移动互联网等技术的推出带来了网络业务层、应用层的深层次变革，传送网络的海量带宽的数据传送需求日趋增长。100G以上传送网系统规模商用的时代已经来临，基于显著的技术优势以及强大的产业能力，100G以上的传送技术将登上更大的舞台，在传输网络中占据主导地位。以OTN为代表的新一代光传输技术已取代DWDM和MSTP的地位，成为光传送的主流技术。它们的融合发展顺应了业务IP化和网络扁平化、融合化的趋势，适应未来电信网发展方向，将在下一代的光传送网中发挥中流砥柱的作用。

参考文献

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[文章编号]1619-2737（2017）07-20-679endprint