張 煦
(上海交通大學電子工程系200030)
摘要：首先介紹對未來光接入網的考慮。于是依次說明未來地區接入網的結構，接入結點利用波分多路技術后的連接功能，以及光纖雙環網的保護作用。最后簡述構成這種光接入網所需的各種單元設備。
關鍵詞：通信網 接入網 波分多路 光纖通信
1考慮新型接入網的由來
20世紀90年代中期，Internet的興起確實是通信發展史的一個重大轉折，它在全世界引起數據業務量的激劇增長，通信用戶需用的數據傳輸速率迅速提高。相應地，公用通信網必須大幅度地加大容量，并且應該能夠方便地迅速擴大升級和降低成本，以適應數據為重心的業務量的急劇增長，從而滿足用戶要求并減輕用戶負擔。這也是信息時代來臨的一種必然趨勢，絕不能稍有忽視。
也是90年代中期起，光纖通信技術有明顯的大躍進。波分多路WDM系統在光纖放大器EDFA的配合下，在骨干網長途線路單模光纖的1550nm波長窗口順利開展應用。進入新千年時，有些長途主干線路新設的地下光纜將各包含100根新型單模光纖，而每對光纖加裝密集的波分多路DWDM系統達到100路，每路傳送時分多路TDM的數字脈沖信號10Gb/s，使每對光纖能夠同時傳輸的數據速率達100×10Gb/s=1Tb/s。這就使通信網大幅度加大容量、迅速擴大升級和明顯降低用戶負擔都有了可能。所以人們常常說，WDM/DWDM真好，它的實際使用將有力地推動通信網的迅速發展和滿足用戶需要。
在骨干通信網內部，既然決定以數據為重心的分組網作為發展目標，那么數據分組就應該采用互聯網規約IP (Internet protocol)。通信網內裝置大容量的電子式IP路由器，其數據速率在不久的將來也要升至Tb/s級的大容量。當然，這樣的分組通信網(packet－based network)在最初發展的過渡時期，也應妥慎考慮容納現已存在的同步數字系列SDH和異步轉移模式ATM，實行IP over SDH和IP over ATM。
為了讓用戶終端能夠通過接入網連至大容量的骨干網，以實現用戶所需的高速率數據通信，就應在建設高速分組通信骨干網的同時，對整個通信網的另一大部分，即接入網(access network)想些新辦法和采取新措施，使城市用戶使用數據通信業務的數據速率從kb/s和Mb/s級上升至Gb/s，而仍符合用戶能夠承擔的經濟原則。這就引起人們想到，波分多路WDM技術引用至城市接入網的光纖線路，將是有效和有力的好辦法，而且容許長遠逐步升級發展，一定有美好前途。
城市接入網是由各個交換局連至各地區用戶的線路組成的。最簡單的想法是光纖連至每一家FTTH，由光纖的潛在帶寬能力傳送對絞銅線無法傳送的高數據速率應無問題，但其成本涉及每一住家用戶承擔過高費用，不合乎經濟原則。因此，簡單的FTTH不是理想的辦法。曾經考慮光纖連至路邊FTTC和光纖與同軸混合HFC，以及無源光纖網PON等結構和其它方法，暫時解決了一些問題，但還覺得不盡滿意。因此，通信網的科研工作者還在繼續考慮和試驗更好的方案，以接近發展的需要和更符合經濟原則。
2新型地區接入網的結構
大家都知道，一個城市的通信網包含兩大組成部分，即骨干網和接入網。骨干網是由城市內多個適當地點設立的交換局CO或結點(node)組合而成的，各局之間互相連接的線路早已使用光纖光纜，并已加裝波分多路WDM系統。骨干網的每一結點內部也在逐步改進各種網絡單元，諸如從電的插分復接器ADM改為光的或波長的插分復接器OADM，從數字的交叉連接DXC改為光的或波長的交叉連接OXC等，向組建光網(Optical networking)過渡。它們充分利用WDM，已能提高通信業務容量和使用較高數據速率。
現在正考慮如何更好地設計城市各地區或每一交換局結點所轄地區的接入網，也是利用光纖和WDM技術。對于地區光接入網(Opticl regional access network)的結構，可能考慮把它分為兩部分，暫稱饋送網(feeder network)和分配網(distribution network)。饋送網是由若干個接入結點(access node,AN)經由光纖線路連成環形(ring)，光纖上裝有WDM系統。而許多分配網分別連至其主管的接入結點AN。分配網連接其周圍的若干個用戶，可以是環形(ring),也可以是樹形(tree)或總線(bus)。這樣，每一用戶經過分配網連至饋送網的一個接入結點AN，然后由饋送網連至城市骨干網的交換局結點。
環形饋送網裝有WDM系統，其不同的接入結點AN間就利用不同的波長相互連接。例如有λ1、……、λ6等不同波長，AN1與AN3之間用波長λ1，AN2與AN6之間用波長λ5等。在典型的城市網中，每一地區接入網的饋送網有10~20個接入結點AN，而每一分配網有20~100個用戶。饋送網的WDM/DWDM可能有10~100路波長，每路傳送數據速率2.5Gb/s或10Gb/s。分配網是無源的，它們載荷各不同波長，既有饋送網的各路波長，也可能有分配網的波長。
3接入結點的連接功能
饋送網中每一接入結點AN的作用是確保分配網與饋送網之間能夠很好地經過各路光波長流通各個IP數據分組信號。接入結點內部既有電子的IP路由器，又有光的波長路由器和轉發器。接入結點的一種重要功能是按需要把光信號指向這兩種路由器的任一種。電子IP路由器收到某路光波長，就先把光的數據信號轉換為電的信號，于是對電的IP分組進行處理，再轉換為光的數據信號繼續向前發送。IP路由器還可以把分配網傳來的幾路較低數據速率集合為饋送網的較高數據速率的一路。而光波長路由器與轉發器則是為接收的某一路波長光信號選尋路由，然后轉換為另一路波長光信號向前發送。另外，必要時，接入結點也可以完全旁通各個路由器，取得透明的光連接。
在接入結點內，設置饋送的光插分復接器OADM和分配的光插分復接器OADM。饋送網中各個接入結點間流通的WDM多路波長可以組合為幾個波帶，每一波帶各有若干路波長，依次排列。饋送的OADM將是波帶的插分復接器。饋送網內這個接入結點收到鄰近接入結點傳來的幾個波帶后，有些波帶就直接旁通至另一鄰近接入結點，有些波帶在這個接入結點分下(drop),而同樣波長的波帶則在這個接入結點插上(add),與旁通的波帶一同送往另一鄰近接入結點。隨著DWDM技術的迅速發展，每根光纖同時傳輸不同波長的路數在將來可能增加得越來越多，甚至加至幾十路或百余路，以致網上傳輸的不同路數太多，造成處理困難。這就有必要考慮采用波帶(wavelength band)的辦法，按各路波長依次排列，把10路或20路組成一個波帶。這樣，網上傳輸的不同波帶不會太多，處理比較便易。采用波帶辦法后，饋送網的光插分復接器將是波帶插分復接器OADM，可以用來分下幾個波帶，插上同樣數目的幾個波帶，其余波帶則是光信號直接旁通，傳輸是透明的。當通信用戶數加多時，饋送網的波帶數可以加多，接入結點數可以相應地加多，比直接利用波長路數易于處理。至于接入結點內的分配插分復接器(distribution OADM)，仍按波長路數分下和插上，連接電子IP路由器和波長路由器，或者直接連接這接入結點內的饋送插分復接器(feeder OADM)。
如前節所述，多個用戶利用了WDM媒介接入控制規約(MAC)，可以合用同一無源的分配網。到了饋送網的一個接入結點AN1，用戶的數據信號經過OADM中的路由器至另一OADM，輸出至另一個接入結點AN2，由它的OADM連往對方分配網的用戶，這是經過波長λ1，也可以經過另一個波長λ2，旁通AN2而連往又一個接入結點AN3。如用戶發出的是IP業務，則在AN1利用電子IP路由器，由它提供路由將IP分組數據送往對方用戶。如用戶發出大量數據流，也可以旁通電子IP路由器，讓光信號直接流向對方用戶。或者，用戶可以利用光波長路由器和轉發器，借助不同路的波長和數據途徑。這樣，盡管IP路由器的容量有限，但WDM網能夠承擔遠大的業務量，比電子IP路由器的業務量大得多。在WDM網的結點中，饋送OADM可以利用發送機使分下和插上各路調諧至需要的波長。這種調諧發送機，在用戶終端設備、IP路由器輸出端和波長路由器轉發器輸出端都裝用。由快速控制通路和快速電子波長調諧，可使IP分組選尋路由很方便。相對地，OADM交換顯得較慢和繁復，因此，它只有在很大的數據文件轉移的情況才使用。
4光纖環網的保護作用
饋送網一般采用雙根光纖的環形結構，每根光纖各是單向傳輸，但其中第一根光纖截荷的業務流是順時針向傳輸(CW)，而第二根光纖載荷的業務流則是反時針向傳輸(CCW)。如波分多路系統WDM的各路波長分成兩個波帶，即A波帶和B波帶，則CW光纖傳送的正常業務流是A波帶，而CCW光纖傳送的正常業務流是B波帶。如果有一根光纖發生故障而切斷，經檢測沒有光傳輸，那么這根光纖原來傳送的正常業務流立即轉換由另一根光纖接續承擔，在環內進行反向傳輸。這樣的保護轉換方式(protection switching)，每根光纖有傳送兩個波帶的能力，但在正常狀態，CW光纖傳送正常業務流是用A波帶，而B波帶留著用作保護波帶。CCW光纖則相反，正常用B波帶，保護用A波帶。當保護波帶內信號沿環傳輸一圈后，到達光纖切斷的位置，仍返回原來一根光纖。在保護狀態，接入結點中OADM分下的信號只是正常波帶經過結點的信號，而不是保護波帶信號。可見，這樣的保護轉換方式對保護控制機構和接入結點結構的簡化很有利。由于環網具有保護作用的優點，城市接入網的分配網也有采用光纖雙環網的傾向。
5光纖網的單元設備
在這利用波分多路WDM系統組建的光纖接入網，一些關鍵性的光技術和光單元設備是重要的和必不可少的基礎。首先是低損耗和低色散的單模光纖，在工作波長1550nm窗口有100nm寬度，損耗為0.25dB/km，能傳輸長距離，并適合于加裝密集的DWDM系統。但據近年報道，傳統的單模光纖在制造時可能消除位于1380nm的OH-吸收峰，因而出現新的1350nm波長窗口，有很大的窗口足以容納密集的DWDM系統。雖這一波長窗口在目前還沒有制成光纖放大器，但在城市通信網每段光纖線路距離不長的情況應能發揮作用。
對于1550nm波長窗口，光纖放大器EDFA已很成熟，既有C波段1530~1560nm，又有L波段1565~1605nm，都可提供放大使用。密集波分多路DWDM系統的各路波長間隔多數是0.8nm，也有更小的間隔0.4nm。每路波長傳送電的時分多路TDM信號10Gb/s，可使一根光纖同時傳輸數據信號的速率達1Tb/s。DWDM系統各路波長的光源將是分布反饋(DFB)的半導體激光器，它們可以在40nm范圍內調諧至需要的波長。目前仍是一個波長一個激光器，還沒有能夠用光子集成(PIC)技術把多路波長的多個激光器集成在同一芯片上。DWDM濾波器是另一項重要的關鍵器件，目前已有可能把100路不同波長組合一起或分隔開來。WDM濾波器(filter)和合波器/分波器(multiplexer/demultiplexer)，甚至有些路由器(router)，可以利用光纖光柵(fiber grating)制成，也可利用介質薄膜波導制成。在發送端，對激光器的高速信號調制是使用外部調制器，例如電子吸收式的，它能和激光器集成在同一芯片上。在接收端，光電檢測管PIN和雪崩管APD對數據信號速率10Gb/s響應沒有問題，必要時可考慮使EDFA作為預放大器以提高接收靈敏度。
綜上所述，WDM/DWDM所需的各種單元設備都已具備齊全，但它們在WDM光通信網實際連成組合運用時，可能使網內光信號傳播性能引起損害，需要實地作精細測量和必要調整。
附記：在最近一時期，國際上對高速數據傳輸的通信網，包括骨干網和接入網，正在積極開展研究，從專業期刊上經常可以看到這類研究的文章。IEEE Communications Magazine 2000年1月號登載MIT林肯實驗室Kuznetsov等多位專家聯合署名的文章：A NextGeneration Optical Regional Access network,敘述他們在研究新一代Internet基金項目的部分成果，特摘要介紹給國內的通信科技工作者參考，也請讀者同志們指正。
