光网的结构与演化

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1.光纤通信的发展
    为适应现代社会对信息的海量需求，光纤已经逐渐取代电缆成为最主要的通信媒介。在上个世纪的最后十年，随着美国"国家信息基础设施计划"（National Information Infrastructure, NII）的实施及其对全世界的带动，光缆得到大量敷设，骨干通信网已经完全实现光纤化，并留下大量的冗余容量，使得光纤通信行业的发展，在2000年达到高峰之后转入低谷，经历了大约三年的调整期之后，随着光纤接入网的发展，光纤通信开始复苏。光纤接入网的发展，以光纤到户（Fiber to the Home, FTTH）为主导，首先在日本得到迅猛发展，目前北美和欧洲的FTTH市场业已启动，发展态势良好，国内的FTTH市场还在酝酿之中，有望在未来的数年内发展起来。光纤接入网的发展，为用户提供了充足的通信带宽，促进了各种通信业务的发展，而通信业务的增长，特别是多媒体之类比较耗带宽资源的业务，反过来促进对骨干网容量的需求，带动骨干网进入新一轮发展。
    光纤通信的发展历史，至今已有三十多年，使光纤通信特别是密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM）光纤通信成为可能的关键要素有三个：低损耗的光纤、半导体激光器（Laser Diode, LD）和掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）。
    1966年，后来被誉为"光纤之父"的英籍华人高昆和他的同事Hockman，在论文《光频的电介质纤维表面波导》中首次提出利用玻璃纤维传导激光的概念，并且明确指出通过材料提纯光纤的损耗可以降到20dB/公里以下；1970年美国康宁公司的Maurer等人拉制出第一条损耗低于20dB/公里的光纤，当时的传输波长是633nm；至今1550nm波段的光纤损耗已降至0.2dB/公里以下，最近几年发展起来的全波光纤，消除了1383nm附近的OH－吸收峰，使光纤通信波段扩展到1260～1625nm，可容纳近千个波长信道。
    1962年美国通用电气公司的Hall和Fenner制造了第一台工作于超低温下的半导体激光器，另外三个小组几乎同时独立制造出了类似的半导体激光器；1970年前苏联Loffe物理技术研究所的Alferov和美国贝尔实验室的Hayashi各自独立研制成功第一台能够在室温下连续工作的半导体激光器[21-24]。前面提到的第一条低损耗光纤也是在这一年拉制成功，因此1970年被称为光纤通信的元年，而第一个商用的光纤通信系统于1977年由美国通用电话和电子设备公司与贝尔系统公司在芝加哥合作建成。
1987年，英国南安普敦大学的Payne等人发明EDFA，被视为光纤通信发展的另一个里程碑，EDFA具有增益高、噪声小、偏振不敏感、输出功率大、与传输速率无关及放大区域正好对应于光纤的最低衰耗窗口1550nm等特点，能够补偿光纤的衰耗，延长传输中继距离。单个波长信道的电子时分复用（Time Division Multiplexing，TDM），加上DWDM+EDFA技术，使单根光纤的通信容量达到太比特量级。

2.点到点传输系统
   目前的光纤通信还处于点到点传输阶段，如图1.1所示，DWDM信号在第一个节点被复用，经过一段光纤线路和数个光放大器，在第二个节点被解复用和接收。光放大器分为功率放大器、线路放大器和前置放大器，其中线路光放大器可以有多个，每个光放大器可延长无中继距离大约80公里。

图1.1 点到点传输的DWDM光纤通信系统

在点到点传输系统中，目标地址为其他节点的信号，需经第二个节点转发，转发信号也需要先用光探测器转换为电信号，解读其协议格式和地址信息，再用半导体激光器转换为光信号，进行转发。光－电－光转换的缺点是：
限制了通信速率，成为整个系统的带宽瓶颈；
通信网络中存在SDH、ATM、MSTP等各种协议格式的信息流，信息速率和调制方式也各不相同，光－电－光转换过程对协议格式和通信速率不透明，使得转换设备非常复杂；
大量复杂的高速电子设备使系统成本大大增加。
3.全光通信网结构
光纤通信的发展趋势是由点到点传输向动态、智能化的全光通信网发展，全光通信网的网络结构如图1.2所示，它由广域网（Long Haul Network）、城域网（Metro Network）和接入网（Access Network）三级组成，其中广域网为全互连的网格结构，节点采用N维光交叉互连设备（Optical Cross Connect, OXC）；城域网和接入网为双向光纤环网结构，节点分别采用二维可重构光分插复用器（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer, ROADM）和复用/解复用器；从接入网到终端用户的分配网络即光纤到户（Fiber to the Home, FTTH），采用光分路器（Splitter）实现。广域网与城域网之间通过一个二维ROADM节点连通，城域网与接入网之间通过一个四维OXC节点连通，分配网通过一个复用/解复用器与接入网的光纤环连通。此处ROADM和OXC的维数指的是用于节点之间互连的端口数，不包括本地上/下载端口，考虑光纤线路保护，两个节点之间往往采用一对光纤相对传输，仅算作一个互连端口。

图1.2 全光通信网结构

相对于点到点通信，全光通信网具有如下优点：投资成本低，因为省去了大量昂贵的高速电子设备；运营成本低，可靠性提高，因为网络元件大大减少；体积小，因为省去了光－电－光转换，设备复杂度下降；升级方便，因为采用光交换，与通信速率和协议格式无关。

4.全光通信网的演化

现代社会的通信业务呈现多样化，特别是数据业务和多媒体业务的发展，对带宽资源的需求大大增加，而且业务量的预测也越来越困难，采用ROADM和OXC的动态全光通信网，可以根据通信业务的发展灵活配置网络结构。在全光通信网中，发展最快的是城域网，其业务量持续增加，网络结构也在不断演化。

图1.3 城域网的演化

考虑到器件的级联特性，光信号能够无需再生而透明通过的节点数量是有限的，一般为16～24个，而城域网中的总节点数量往往达到100～150个，因此城域网一般被分成数个互联的环网，其中一个为核心环网，其他为分配环网。而一个新建的城域网，其初始节点数量一般只有20～50个，因此初始的城域网结构相对比较简单，但是需要为将来的升级扩容作好准备，如图1.3（a）所示。随着新用户的加入和业务量的增长，初始环网中的光放大器可以直接被网络节点设备取代，成为新的业务汇聚点，在核心环网的周围也可以增加新的分配环网，如图1.3（b）所示。随着用户数和业务量继续增长，节点数和分配环网数继续增加，城域网演化出更复杂的网络结构，如图1.3（c）和图1.3（d）所示。
由于城域网中演化出更多互联的分配环网，需要更多和更高维数的OXC和ROADM设备。2006年9月，专业咨询公司Heavy Reading发布ROADM设备市场研究报告，对前两年的市场额度进行统计，并对未来五年内的市场发展进行预测，如图1.4所示，预计2011年较2006年增长246%，市场总额将达到9.2亿美元。