甚短距离（VSR）传输技术发展现状及其应用

2019-11-03 09:02:03

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供稿：网友

贺传峰戴居丰毛陆虹

天津大学电子信息工程学院光纤通信研究所

光电信息技术科学教育部重点实验室

　　摘要：甚短距离传输(VSR)是一种用于短距离(约300 m~600m)内进行数据传输的光传输技术。它主要应用于网络中的交换机、核心路由器(CR)、光交叉连接设备（OXC）、分插复用器(ADM)和波分复用(WDM)终端等不同层次设备之间的互连，具有构建方便、性能稳定和成本低等优点，是光通信技术发展的一个全新领域，逐渐成为国际通用的标准技术，成为全光网的一个重要组成部分。本文将对该技术的发展现状和应用前景做简单的介绍。

　　关键字：甚短距离传输；光互连；并行光通信技术　中图分类号：TN929.11

1 引言

　　甚短距离传输技术是2000年由美国《Telecommunications》杂志评选出的当年电信领域十大热门技术之一。所谓甚短距离是指在电信局内最大连接长度不超过600米（一般不超过300米）的范围，在这一通信距离内，所采用的光连接技术和电接口规范同传统的骨干网传输技术有很大的不同，是光通信技术发展的一个全新领域。在构建下一代高速、大容量全光通信网络中，由于光接口器件在网络系统中的应用数量巨大，甚短距离传输技术以其价格低和性能稳定的优势，吸引了众多光电子和网络设备制造商的注意，逐渐成为国际通用的标准技术，是全光网的一个重要组成部分。

　　根据AT&T公司统计表明，超过75%的局内互连设备的连接长度在100米之内[1]。甚短距离传输(VSR)就是面向这种目的的光互连技术。2000年末到2001年初，光学网际互联论坛(OIF，optical internetworking forum)相继通过了VSR的4个标准：VSR4-1.0、VSR4-2.0、VSR4-3.0和VSR4-4.0，并于2002年九月制订了VSR5标准，分别面向STM-64/OC-192 和STM-256/OC-768 的甚短距离传输，标准的推出都是为了降低短距离内光互连的成本，减小所用元器件的体积，并且能够与设备的电接口兼容，进而可以把发射和接收模块置于设备内部，相当于为设备增加了VSR的光接口。在2台具有VSR光接口的设备之间，只需要用具有标准插头的光缆就可以方便的实现互连[1]。

2 VSR并行传输系统在网络体系中的作用

　　过去的几年中在带宽需求上有着爆炸性的增长，带动了光互连产业的兴起。因此，在网络载体中将有大量的网络组件已经并将持续被采用。这些系统跨越了OSI通信协议架构的多个层，并且包括ip路由器，MPLS，ATM以及帧中继延迟开关和光交叉连接设备和传输平台比如波分复用系统。此外，典型的网络体系由接入网，城域网（MAN）和广域网（WAN）组成。用户通过接入网进入网络体系，在通过城域网到达相应的城域网中心局（CO），也叫做汇接点。每个汇接点和其它的汇接点之间的相互连接是通过核心的宽带的广域网来实现的。如图1所示，整个体系是由无数个开关和路由器集合而成的，这些开关和路由器再和主开关和路由器相连接，再经过DWDM系统和光交叉连接系统（OXC）。在这个体系里还包括多个宽带宽的链路，连接着主路由器和光传输设备。同时，大多数链路的距离在300m内，这是因为大多数设备都集中在同一个建筑内。但现有的同步光网络系统是按长距离骨干网传输设计的，采用的是比较昂贵的串行光发射和光接收设备。甚短距离并行光传输系统正是在这种情况下产生的,它仍采用SONET帧接口，并用相对低廉的并行光传输技术来取代昂贵的串行光传输，使网络服务商可以在大幅降低成本的同时，有效地解决客户在接入点(POP)内部传送OC-l92(10Gb/s)标准速率的需求。从图1中不难看出VSR在网络体系中的位置[1]。

3 VSR系统的原理和结构

　　目前在光互连网络中0C-192接口是一种比较成熟的接口，下面我们以面向STM-64/OC-192的具有代表性的VSR4-1.0规范为例，介绍VSR系统的原理和结构[2]。

　　VSR4-1.0采用并行光传输的技术，12路850nm的VCSEL激光器阵列作为光源，在每个传输方向上采用12芯多模光纤带，每路光纤中的信号传输速率达到1.25Gb/s，传输距离超过300米。图2所示为VSR-1双向接口的功能方块图。每个接口由三个主要的组件构成，转换器集成电路（Convert IC），用来完成信号的串并行转换。发射模块Tx由1×12的激光器列阵组成，实现12×1.25 Gb / s的电信号－光信号转换和光输出，接收模块Rx由1×12的探测器列阵组成，完成光信号的接收再还原成初始的电信号。发射模块和接收模块通过带状光纤（含12根光纤）相连接，接口部位采用MTP / MPO型连接器。

　　为了能够清楚的描述信号在整个系统中的转换和传输过程，我们对这几个主要组件和其它相关器件的工作原理分别进行描述。

　　转换器集成电路（Convert IC）:

　　如图3中所示的信号转换电路（发射部分），转换器的输入接口是10Gb/s低压差分信号（LVDS）接口。转换之前的数据总线的带宽为622MHz，码的格式为16bit，先按照0～7位、8～15位对其进行分解，分解后的8bit的单位字节置于缓冲器内；下一步进行8b/10b的编码，该编码简单实用，是目前光纤通信中最常用的一种编码，码由8bit译成10bit之后，附加的冗余编码组合可以用来识别更多的信息，增加数据中的高低电平变换（即“1”/“0”变换），帮助实现转换前后的时钟同步，此外还能有助于实现直流平衡，这是因为数据是用电压代表的，信道可能会长时间的停留在正或负的状态，这样信号通路上的交流耦合元件可能会产生直流充电，造成信号的失真。而通过8b/10b的编码，数据码中多余的码位可以用来平衡“1”和“0”的数量，从而避免了直流电荷的积累。编码之后是并行到串行的转换，这是因为经编码后输出的字节是并行的10个比特，而在每根光纤中的信号传输形式为单路的光脉冲，所以需要将并行比特分开后一个个地传输。数据串行化后的速率设定为1.244 Gb/ s±20 ppm，共有12路这样的信号。其中信道1－10用作传输数据信道。为了充分的利用余下的两个信道，同时也为了完善整个系统的功能，用信道11检测各数据信道的传输状态，信道12校验传输信息的准确性。这两个信道实际上起到了对系统自动保护的作用。经过上述一系列的信号处理过程之后，输出的帧信号送到发射模块输入端，然后再转换为光信号传输，从而完成了整个电信号到光信号的转换过程[3]。

　　图3中多路信号分离器的作用是将输入端工作时钟频率为622MHz的16路数据总线，经过16到10的帧复用后，转换为10路信号。在多路信号分离器中，先将16×622Mb/s的STM-4信号以字节为单位读入到帧寄存器中，再按照先入先出的顺序依次映射入1～10个信道中，帧n的第一个字节A11从信道1传输，后面的字节A12～A110依次映射进2～10信道，A111再回到信道1，依照这样的顺序，直到整个帧的映射完成，再进行第n＋1帧的操作，如图4所示：

　　保护信道的产生是对10个数据信道进行字节式异或逻辑（XOR）处理产生一个奇偶校验位，通过信道11传输。在接收端对1－10信道进行相同的异或逻辑处理，将计算得到的校验结果与接收到的校验值进行核对，如果一致表明信道传输正常；若出现差异，就说明相应的信道传输失败，于是可在接收端发出指令要求在信道11对丢失的数据进行恢复。

　　在VSR4-1.0协议中，采用循环冗余码校验法（CRC，Cyclic Redundancy Check）对第1～11路信道进行校验，并将校验结果由信道12传输，信道12也被称为错误检测信道（EDC）。CRC校验实际上是利用除法及余数的原理来进行错误检测的。在每个信道中以24个字节为单位定义成一个“虚拟数据块”，计算时虚拟数据块作为被除式，校验码（即除式）采用了CCITT CRC16多项式（X16+X12+X5+1），运算后将编码结果（16个比特）顺序放入第12路，共计22个字节，最后的23和24字节由前22个字节再次进行CRC编码生成，如图5所示。

　　由于在整个并行传输的过程中，每个信道到达接收模块的时延并不相同，从而产生斜移，因此在每个信道中增加了帧的定界符，可以用来在接收时重新定位——去斜移。每个信道的前三个A1字节均替换填充了特殊的经8B/10B转换的代码字节来形成一个帧的定界符，以便于接收时的信号识别和提取。第一个A1字节用K28.5代码字节代替，第二个A1字节为D3.1或者D21.2字节代替，第三个A1字节为K28.5。其中1～6路和7～12路采用不同的8B/10B编码替换，目的在于能够使接收端自动区分传输光纤带是否出现了对称交叉。如果出现对称交叉，接收端通过相应电路，自动调整使得输出的字节按正确的顺序排列。因此使用中可以不考虑光纤带中存在的对称交叉。这样经过8B/10B编码和帧定界符替换之后的12路信号如图6所示：

　　接收部分的信号转换电路与发射部分相近，只是信号的转换步骤要逆向进行，即接收模块将接收到的12×1.25 Gb/ s光信号转换成的电信号并输入到转换器，由于此时每路的电信号是单个比特的传送，先要经过串并行转换成10位字节，再经过8b/10b的编码转换成8位字节，根据每个信道中的定界符对数据重新排列组合，最终聚合成带宽622MHz， 16bit字节长度的数据总线。光发射和接收模块：

　　图7为一简单的光发射模块功能原理图，主要由LVDS电平输入装置（也可以是其它形式的差分信号）、1×12VCSEL列阵、驱动电路和控制电路组成，由转换器端输入的电信号先经过LVDS电平转换，得到的低压差分信号传送到驱动电路部分用来驱动VCSEL二极管发光，然后光发射模块将12路光信号射入由12根光纤组成的带状光纤中，从而完成整个光发射的功能。

　　光接收模块的功能如图8所示。光接收模块的主要组成包括光电探测器阵列、前置放大器、增益放大器、信号检测电路以及LVDS信号输出设备。光接收模块的工作流程与光发射模块相反，光信号从光纤阵列传输至光接收模块，经耦合器入射到光电探测器阵列的光敏面上。通过光电探测器阵列的识别和提取，转换成随时间变化的电信号，然后再通过前置放大器和增益放大器将微弱的电信号进行放大，其中的前置放大器主要起到减弱或防止电磁干扰和抑制噪声的作用，最后转换成LVDS电平输出。信号检测电路上附加的输出通道（SD1～SD12）表征着从信道1～12的光输入信号是否正在输入。当在ENSD端置低电平时，检测电路停止工作，被禁用的检测电路也将在输出端产生一个有效电平。

4 VSR技术的发展现状和应用前景

　　除了核心网和网络边缘的应用以外，目前的市场，带宽需求和技术都已显示出有必要把SDH技术带入接入网乃至用户驻地网领域，使SDH的接口更加靠近用户。近来开发成功的甚短距离传输技术(VSR)就是这一应用趋势的具体体现。开发这种技术的目的是为了采用最经济的光技术在短距离通信上占据市场，其技术关键是垂直腔面发射激光器(VCSEL) [4]。这是一种从垂直放置的谐振腔的上表面发射光的激光器，从工作原理看，VCSEL与普通激光器没有什么不同，只是将谐振腔旋转90度后产生的一种完全不同的激光器。其主要特点是采用圆形窄波束，耦合效率高，电光转换效率高，不需要温控，功耗小，设计简单，尺寸小，可以在同一器件上制造2~16个VCSEL阵列，因此可以用来制造出低成本、高速率的发射机。正因为采用了850nm的垂直腔面发射激光器（VCSEL），CMOS工艺的串并行转换器，与传统的技术相比，大大降低了成本，其成本只有10Gb／s收发器的25％，在未来3年左右仍然比10Gb／s收发器便宜，具有很强的竞争力。通过采用这个高性价比的互联方案，生产厂家也能够设计更多的可持续升级的网络体系，VSR4的体系结构还能为今后的40Gb/s甚至更高速率的局间互连奠定基础[5]。

　　从CISCO公司2000年底发布第一个产品，在不过3年的时间里，VSR技术已经成为现在通信领域的一个热门技术。由于这一技术主要面向实际市场应用，因此在国际标准公布的同时，相关产品很快推出。其光收发模块具有低功耗、小封装等特点。例如，廉价的10Gb/s并行VCSEL光收发模块迅速推向市场。EMCORE公司2002年的VSR

　　Transponder产品MTR8500/9500（如图9所示），符合OIF的VSR4-1.0，体积只有56mm×82mm×13.5mm。CoreOptic的2002年的VSR2000－3R2/3/5产品，符合ITU-T的VSR2000标准，速率为40Gb/s，串行传输。目前国内VSR的研究也在积极的展开，中科院半导体所与东南大学合作已成功开发出了10Gbit/s并行光传输VSR光模块[6][7]。相信在不久的将来，国内将开发出具有自主知识产权的VSR产品，势必将进一步推动VSR技术在中国的应用和普及。

　　并行光互连是目前VSR采用的主流技术——采用点对点的光纤带连接。不仅在承载SDH/SONET上使用了多模光纤带，多通道千兆以太网、多通道XAUI扩展接口，以及4通道、12通道的InfiniBand模块均趋向于采用并行光互连技术，每一通道的速率在1Gb/s到3.125Gb/s之间。随着VCSEL调制速率的充分挖掘，单通道速率将向5到10Gb/s发展，系统总带宽将超过120Gb/s。廉价的VCSEL收发器和多模光纤的组合是目前VSR技术的主要工作方式。这种组合可以胜任10Gb/s到40Gb/s的甚短距离传输需要。今后1310nm和1550nm窗口VCSEL技术的成熟不仅会对甚短距离传输带来实质性的变化，对于骨干网乃至整个光通信技术都会有重要的影响。

　　VSR4的几种标准都是面向短距离内的STM—64帧的互连需求提出的。广义的VSR应该包括任何短距离上的光互连，不必拘于10Gb/s的传输速率和某种特定的数据格式。任何已经成功的短距离传输的技术都可以在其中得到应用，只要满足距离和速率的要求，所要做的只是重新设计信号转换芯片或电路而已。因此在其他领域，如大型高速计算机之间的数据交换、光以太网和远程自动控制等也有其应用价值[8]。速率为10Gb/s 的OC-192链路系统是当前光网络技术的主流，由于光接口器件在网络系统中的应用数量巨大，并行VSR接口以其在成本上的绝对优势和相对稳定的性能吸引了众多光电子和网络设备制造商的注意。尽管三年内串行VSR光接口的价格有可能降到具有竞争性，但并行VSR光接口及传输系统作为第一代的VSR光设备将开创先河，作为一种很有前途的技术将得到更多厂商的认可，这些都将使VSR并行光传输系统在短期内获得相当程度的普及，未来具有重要的应用前景。

5 结论

　　VSR技术是随着人们对信息量需求的增大而出现的，特别是10Gb/s光传输的网络边缘化，促使VSR技术迅速发展。VSR技术自身众多的优点决定了这项技术在甚短距离传输、光互连应用方面独特的优势。随着国内对VSR技术关注和研究的升温，VSR技术的不断成熟和广泛的应用将迎来一个美好的明天。

参考文献：

1 Cisco White Paper.Very Short Reach OC-192/STM-64 Interface: Optimizing for Network Intra-POP Interconnections. P2.

2 OIF-VSR4-01.0，Very Short Reach(VSR)OC-192/STM-64IntcrfaceBased on Parallel Optics[S]．Optical Internetworking Forum，2000,18.

3 OIF-SFI4-01.0,SFI-4(OC-192 Serdes-Framer Interface) OIF-PLL-02.0—PRoposal for a common electrical interface between SONET framer and serializer／deserialize parts for OC-192 interfaces[S]．Optical Internetworking Forum，2000,26.

4 陈涛，曹明翠，罗志样. 基于VSR技术的路由器互连. 光电子·激光，2003，第14卷，第2期：157-159.

5 韦乐平. 光通信系统技术的发展与展望. 电信技术，2002，第6期：2-6.

6 申荣铉等. 10Gbit/s甚短距离（VSR）并行光传输系统. 高技术通讯，2003，第13卷，第4期：105-110.

7 王晓明等. 甚短距离光传输技术. 东南大学学报，2003，第33卷，第3期：257-260.

8 焦悦光，姚劲，周炳琨，张汉—. 甚短距离传输系统及其应用. 光电子·激光，2002，第13卷，第7期：759-762.

作者简介：贺传峰，男，1979年1月生，博士研究生，主要从事光纤通信系统的研究。

摘自　光纤新闻网

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