城域网与接入网发展新趋向

    钱宗珏，信息产业部主任高工。1952、1965年毕业于重庆大学电机系电信组和北京电视大学数学系，曾从事电缆研制与工程科技攻关。历任邮电部仪表研究所所长兼总工，邮电部科技司总工；参加主持引进“长飞”光缆厂，曾是国家通信科技攻关技术总负责人、国家通信“863”创始人之一；北京邮电大学特聘教授、博导。

    国际通信信息业遭受泡沫经济的冲击后，越过了寒冬，正在逐渐复苏。光纤通信曾经有过辉煌的时期，今后能否再创辉煌？答案应该是肯定的，这是因为通信信息业对全人类的影响与日俱增，人们对多业务的需求日益迫切，光通信高、新技术不断突破，光通信网络非凡是城域网和接入网还存在很大市场空间。

    在最新的光通信国际论坛上，城域/接入网技术发表论文的篇数正在迅速增加，这充分说明了在世界范围内城域网和接入网将有很大的发展。中国的巨大市场必将成为世界通信信息网络中最有开发潜力、在未来发挥作用最大和最有效益的一块“绿地”。我国的通信信息和光通信企业已经对此加以注重，相信在未来的发展中民族企业必将发挥主要的作用。

    城域网与接入网的概念

    在通信网络结构中ITU-T将干线网与本地中继网归为核心网，而另一类为接入网。分为核心网和接入网两大部分是因为干线网和本地中继网的主要功能都是传送，是要保质保量和高效地传送大量的信息流，它们的职责功能和服务对象都是一致的。可靠性和生存率是这类网络首要考虑的问题。在网络行政、监测、维护、治理等方面都必须成为整体。核心网就其性质而言是属于传送网（TransportorTransitNetwork）。接入网则不同，它除了按用户等级分类以一定的质量和可靠性来传送信息外，还必须面向广大用户和多类应用系统的众多不同的需求来进行服务。在多种业务服务的灵活性，用户驱动的适应性和计费治理的多样性等各种功能方面与单纯的传送网很不相同。它属于用户应用网(User application Network)。 核心网（包括干线网与本地中继网）一般业务量大，传送的通路多。因此对传送 的质量和可靠性要求高。因为一旦出现故障，其危害和造成的损失都是比较大的，因此在建设核心网时花费较大的建设维护费用也在所不惜。还因为核心网的基础设施包括系统设备数量比较少，而每一单元所承载的业务量大，因此按通路成本来分摊后其费用相对来说比较低。但接入网的基础设施则不同，其系统设备和每线承载的业务量小，而设备系统的数量相对来说要多得多，其建设费用将大大超过核心网建设所需费用。因此接入网系统设备除了要保证一定的质量和可靠性要求外，系统设备的造价和每户成本是建设、规划、设计时主要考虑的问题。

    接入网（accessNetwork，AN）按窄义来理解，是业务节点接口（ServiceNode Interface， SNI）和用户网络接口(User Network Interface， UNI)之间的一系列传送的实体所组成的为传送通信信息业务提供所需传送承载能力的实施系统。而广义的接入网(它包括驻地网在内)是指除核心网外的所有有线、无线、通信广播、移动通信等能传送语音、数据、视像等多种业务和需求服务的全业务接入网。 随着技术的发展，广义的全业务接入网将在未来通信信息网络中发挥巨大作用。

    在计算机网络中一般按广域网（WAN）、城域网（MAN）和局域网（LAN）来区分网络的地位的，城域网的名称因此而来。城域网原来的地位大致相当于电信网络中的本地中继网，而接入网实际包含了局域网，其功能和作用远大于局域网，因而也就出现了城域网和接入网。城域网与接入网的功能、作用虽不尽相同，但关系非常密切。在ip普及到各个领域的今天，城域网和接入网的性质正在发生演变，它们除继续保持传送功能外，还增加了控制和治理等多种功能。城域/接入网名称的出现说明两者已相互依存、互相融合，新型的网络即将问世。随着下一代网络(NGN)，下一代互联网(NGI)，IPv6， 软交换技术等通信信息网络新技术不断出现，下一代城域网、接入网也正迈向以多业务为目标和以IP和光为主导技术方向的新纪元。新技术的出现必然促进网络向前发展，城域/接入网新技术发展趋向如下：

    城域网（MAN）新技术的发展及其趋向

    随着时代的进步和业务需求的发展，近年来，城域网出现了不少新技术。

    1．弹性分组环（ResilientPacketRing，RPR）

    在城域网中人们首先推广应用了以SDH为基础的多业务传送平台MSTP（MultipleServicesTransportPlatform）。但SDH主要是面向低速、电路交换的话音业务的技术，而MSTP光纤城域网方案的网络带宽的利用率比较低，不能适应以IP为主体的信息流的需要。由光纤组成环形拓扑结构的弹性分组环（RPR）技术将是解决下一代城域网的新方案之一。RPR是一种基于数据的媒体访问控制（MAC）的技术。RPR采用了统计带宽复用技术、空间重用协议和带宽公平分配算法可以保证共享带宽的高利用率，可充分利用环网的资源，能实现快速的保护倒换和恢复，提供区分业务类型的保证等。它集成了环形拓扑结构快速恢复性能和以太网高效、简单和低成本等优点。RPR不仅能支持数据业务，也能支持话音和视频等实时性强的业务。它能嵌入MSTP并和MPLS、DWDM等技术结合在一起提供宽带多业务平台。RPR的缺点在于没有跨环标准，因而信息难于跨环传递，独立组大环的能力较差等。

    2．光突发交换（OpticalBurstSwitch，OBS）

    网络中突发（BURST）可以看作是由多个分组组成的超长分组，而这个超长分组的分组头为突发的控制分组BHP（BurstHeaderPacket）。在BHP中包含数据突发的有关信息，如偏移时间、突发长度、数据通道等。BHP与突发数据在物理通道上是分离的。在传输系统中，可以采用一个专门波长作为控制通道，用以传送BHP，而把其它波长作为数据通道。在OBS的信息的源节点处，由OBS节点将信息汇聚成数据突发包或光突发包，随后在OBS网络的光域中传输、交换并在宿节点处被还原成信息流。OBS系统统计复用带宽资源，网络资源利用率高，带宽分配的颗粒较细，业务接入比较灵活，是下一代城域网发展中很有前途的新技术。

    3．自动交换光网络（AutomaticSwitchingOpticalNetwork，ASON）

    1998年ITU-T提出了光传送网（OTN）的概念，2000年提出G.807（G.astn）自动交换光网络建议。2001年提出的G8080(G，ason)建议定义了自动交换光网络（ASON），至此，光通信网络已不再仅仅是传送网而包括了交换和控制功能。ASON引入了动态交换的概念和业务层与传送层之间协同工作的机制。ASON分为三个平面，即网络传送平面、控制平面和治理平面。其中传送平面是ASON的基础，它直接涉及业务信号的传输、分插和交换，主要包括接口适配、交叉连接（包括分插）等功能单元设置了控制代理和治理代理，以接受其他两个平面的控制和治理。控制平面是核心，它通过用于光层处理的开销通道、光层控制信令与治理信息对光网络进行有效的控制和治理，如边缘节点的带宽请求，网络拓扑、带宽资源、路由信息的传递，动态路由选择和波长分配，网络保护、恢复、重新配置以及对光设备和光通道进行监测等。它的实现技术主要包括接口技术、信令技术、路由技术、发现技术和网络恢复技术等。治理平面是保障，它实现对ASON节点设备及其组网的配置、治理和维护，主要包括两大部分。即对传送平面的治理，主要由配置、故障、性能、安全、计费等五大功能组成。另一大部分是对控制平面的治理，与传统的网管系统不同，通过NMI-A接口与控制平面交互作用，从而实现对控制平面的配置治理、故障治理、性能治理、策略治理、发现治理和连接治理。ITU-T提出了针对ASON架构的G.807、G.8080、G.7712、G.7713、G，7715等建议，IETF提出了适用于ASON控制平面的通用多协议标签交换（GMPLS）协议。ASON这种创新的体系结构代表了新一代光网络的重要发展趋势，它将首先在城域网中推广应用。

    接入网（AccessNetwork，AN）技术的新发展趋向

    随着用户的增多和IP及视象业务的迅速发展，传统的DSL技术发展空间将日益缩小，而未来的巨大市场必将由新技术来占领。美、日、韩和部分欧洲国家早已在为下一代接入网技术作积极预备。接入网的新技术包括：

    1．波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技术

    DWDM/CWDM将在城域/接入网中发挥越来越大的作用。如所周知，密集波分复用（DWDM）已经在干线网中普遍采用，它也将在城域网中发挥重要作用。具有业务透明、连接灵活、功耗低、体积小、价格低等一系列优点的稀疏波分复用（CWDM）将在城域/接入网，非凡是在未来的接入网中，发挥巨大的作用。ITU-T的G.694和G.695分别定义了CWDM技术的波长分配和光接口规范。CWDM波长间距为20nm，每个波长有13nm光谱波长容限，在整个O，E，S，C，L（1271nm～1611nm）光谱的带宽内，一般无需采用制冷的和高波长稳定度和高色散容限的高价激光器，不采用成本昂贵的密集波分复用器/ 解复用器。低价的激光器和粗分滤波器件，大大降低了成本。CWDW便于实现多业务通信，便于透明灵活组网，可承载SDH，ADSL，PON，HFC，LAN，IPv6，IPTV等多种业务，功耗小，维护费用低，易于扩容。虽然CWDM的波长数和传输距离有限，每根光纤一般可容纳16个波长，最远约可达100公里，但成本比DWDM低很多，因此在接入网中将有很大的发展空间。

    2．无源光网络（PassiveOpticalNetwork，PON）

    1988年，基于电话业务的TPON设想首先在英国被提出。1995年，由某些电信运营商组建的（FullServiceAccess Network，FSAN）国际研究组共同研究了全业务接入网技术。1997年，根据FSAN建议，ITU-T提出了以ATM为基础的，上下行速率均为155Mbps 的APON标准G.983.1。在2001年，有关规范又被修正为上行155Mbps和下行622Mbps的不对称传输系统和上、下行均为622Mbps的对称系统被称为Broadband PON即BPON。鉴于数据流量的剧增，APON和BPON所采用的物理层结构其速率己难以提高，而且它们在传送IP流量时效率很低，因此FSAN致力于推出一种速率大于Gbps的PON，并以采用通用组帧程序（Generic Framing Procedure，GRP）的方法来提高效率。GFP答应可变长度的帧与ATM单元混合组帧。2003年，在FSAN的建议基础上，ITU-T提出了有关Gigabit-capable PON（GPON）的G.984.1和G.984.2建议。GPON的上、下行速率提高到了2.5Gbps，效率也大为提高。在以太网基础上发展起来的EPON，是遵循IEE802.3工作组规范的无源光网络。IEEE802，3ah工作组还规范了Gbps速率以上（e. g. 10Gbps etc.）EPON。与电信运营商不同，他们认为保持IP以太网没有拘束、无所不在和低成本等优点，不过度规范其标准的作法，将使EPON更有发展前景。在未来的广播TV节目、IP多播技术、VOD、单线Karaoke、IP电话、DVD级多播及登录、电子旅游、电子游戏等充分普及后，究竟GPON还是EPON是赢家，现在还难以预料。WDM-PON采用波分复用与无源光网技术组合而成。它具有可采用不同波长作为上、下行通道并可综合利用GPON与EPON等技术组织多种业务的优点，因此受到了人们的青睐。随着成本的不断降低，在未来全业务光接入网的发展中WDM-PON将发挥巨大作用。

    3.垂直腔面发射激光器件（VerticalCavitySurfaceEmission Laser series， VCSELs）

    长波长单模的垂直腔面或边发射激光器件是近年来国际光接入网技术中的一颗“新星”。VCSELs与带状（Ribbon）光纤结合后将组成廉价和丰富多彩的光纤接入网，它将大大促进城域/接入网的发展。在850nm短波长多模VCSELs问世以后，人们一直在期待着它的出现。国际上，用MOCVD技术在磷化銦基底上生长的长波长单模1310nm和1550nm单片的InAlGaAs/InPVCSELs和在砷化镓上生长单片的InAlGaAsVCSELs己经研制成功，并即将进入批量生产阶段。日本等国正在为进一步降低系统成本而努力。最新进展是采用了单模光纤直接耦合10GbpsVCSEL-TOSA新技术。TOSA是发射部分光辅助装置的简称。低功耗、低损耗、低成本、高效无透镜的单模光纤耦合和优良的RF特性是TOSA研制的目标。降低激光二极管驱动IC（LDD）功耗也是重要环节之一。LDD与TOSA 将集成在一起以达到进一步降低成本的目的。VCSELs 的实用化将进一步促进国际FTTP、FTTH的发展进程。

    城域/接入网中的的光纤、光缆

    多年来光纤和器件制造业一直为扩展光纤可用波段而努力。由于红外、紫外吸收、瑞利散射和氢氧根的影响，光纤中的可用波长带宽是有限的。除用于短距离传输的短波长多模光纤外，单模光纤在800～1250nm之间约190THz是截止波长，1250nm以上至1700nm之间约50THz的波长带宽才是光通信系统的可用黄金波段。国际上已建设的长距离光通信系统大部分均采用了以1310nm波长为主的常规单模光纤G.652。由于光纤在1500nm处损耗低但色散大，为了有利于通信距离进一步增长，开发了零色散位于1550nm的低损耗色散位移光纤(DSF)G.653。为了克服“四波混频(FWM)”对密集波分复用光通信系统的影响，光纤制造业又研究开发了非零色散光纤(NZ-DF)G.655。在光纤中1530nm～1565nm通常被称为C波段，1565～1625nm为L波段，1460nm～1530nm为S波段。人们正在利用激光器件和光纤中的非线性来进一步挖掘、扩展光纤中的有用频段。一般说来，单模光纤原来1550nm处的可用波长带宽仅10nm，通过均衡达30nm，在掺铒光纤放大器(EDFA)、增益迁移掺铒光纤放大器(GS-EDFA)和拉曼放大等的共同作用下可以进行无缝隙放大，使光网络的可用波长带宽跨越C、L波段达到80nm以上。此外，光纤中的S波段可以由增益迁移掺铥光纤放大器(GS-TDFA)和分布式拉曼放大(Distributed Raman Amplification)来进行扩展。在充分利用C、L、S波段的波长带宽以后，密集波分复用数已达273个以上。在经过各种技术处理后，频谱效率已能做到小于0.4-bit/Hz，这是实现超大规模密集波分复用所必需的。为了进一步扩大C+L+S带宽的联合作用和降低四波混频（FWM）串音影响，国际光纤制造业还正在研制新的下一代的零色散低于S频段的中等色散光纤(Medium Dispersion Transmission Fiber)，其色散在5～11ps/nm?km之间，例如己研制成功True Wave REACH光纤，其色散为7.5ps/nm?km。人们称光纤中1260～1360nm为O波段，1360nm～1460nm为E波段。 由于光纤中最大的水分子峰，亦称“羟基”，约位于1380～1390nm波优点，在这一波段中光纤损耗很大，为了进一步扩展和利用光纤中的有用波段，国际上开发了“无水峰”光纤。此外，还正在用掺镨光纤放大器（PDFA）来充分发挥O波段的潜力。如前述，对城域/接入网而言，光纤光谱带宽中的O、E、S、C、L都是有用的，充分利用好这些波段需要业界共同的努力。为了光接入网的需要，国际上正在积极研制专为光纤到户（FTTH）设计的具有对弯曲不敏感和低接续损耗性能的低成本的接入网和用户光纤、光缆。日本、韩国和美国正在研制掺氟的塑料光纤。积极推动FTTH的日、韩、美等国已碰到实用化和可靠性等一系列的实际问题。国际光接入网正在稳步走向家庭。

    结语

    城域网和接入网在新的世纪里将会有很大的发展。非凡是光的城域/接入网高、新技术不断涌现。在最近的光通信国际论坛上，最后一公里（LastMile）已被改称为最先一公里（First Mile），他们的用意是明显的，全业务光接入网将成为光通信技术未来发展的前沿。我国光通信业已经具有一定基础，希望在未来的发展中，积极主动、开拓创新，为我国城域/接入网的发展作出贡献。

    作者：钱宗珏