光傳輸發(fā)展史

  ICC訊 利用光進(jìn)行信息傳輸?shù)姆绞娇梢哉f歷史悠久。遠(yuǎn)古時代的“烽火戲諸侯”就已讓人們體驗了通過光來傳遞信息的便捷。然而，這種原始的光通信方式比較落后，可靠性不強(qiáng)。社會信息傳遞的發(fā)展需要促進(jìn)了現(xiàn)代光通信的誕生。

  現(xiàn)代光通信的開端

  1880年，貝爾發(fā)明了第一個光電話系統(tǒng)，通話距離為213米。這標(biāo)志著現(xiàn)代光通信的開啟。那光電話是如何實現(xiàn)的呢?

  1.利用太陽光或弧光燈作為光源，將光束經(jīng)過透鏡后，聚焦于話筒的震動片上。2.隨著人的講話，震動片反射的光會產(chǎn)生強(qiáng)弱的變化，從而將語音信息承載在光波上。

  3.接收端通過拋物鏡把光信號聚焦到硅光電池上，將光電池電流變化轉(zhuǎn)化為聲音信號。

  4.聲音信號送到受話器，就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。

  由于光電話沒有可靠、高強(qiáng)度的光源，也沒有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)，導(dǎo)致光在大氣中傳輸損耗太大，遠(yuǎn)距離通信困難，在有遮擋物時甚至無法通信。

  為了解決光電話面臨的問題，科學(xué)家們堅持不懈地實驗研究。

  1966年，英籍華人高錕提出了光纖傳輸理論，但當(dāng)時光纖損耗高達(dá)3000 dB/km。

  1970年，石英光纖和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的研發(fā)，使得光纖損耗降低到20 dB/km，且激光強(qiáng)度高、可靠性強(qiáng)。

  1976年，光纖技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，使得損耗已減小至0.47 dB/km，這意味著傳輸媒質(zhì)的損耗問題已解決。

  解決了光纖和激光器的問題后，PDH技術(shù)推動光傳輸網(wǎng)進(jìn)入迅速發(fā)展的階段。

  PDH

  早在1972年，ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局)前身CCITT(國際電信咨詢機(jī)構(gòu))就提出了第一批PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy，準(zhǔn)同步數(shù)字體系)建議。PDH是傳輸網(wǎng)最初采用的傳送技術(shù)，但PDH沒有世界性的電接口和光接口標(biāo)準(zhǔn)，無法直接將低速信號分離或插入高速信號，這導(dǎo)致在高速信號中分離和插入低速業(yè)務(wù)的處理流程過于繁瑣，效率低下。

  在傳送業(yè)務(wù)時，PDH就像鐵路運(yùn)輸?shù)纳⒀b列車，貨物是雜亂堆在車廂內(nèi)的，若想把特定的貨物在某站點(diǎn)取下，需要把所有貨物先卸載下來，找到你所需要的貨物，再把剩下的貨物及需要在該站點(diǎn)新裝的貨物搬上列車，再運(yùn)走。這樣，每分離或插入一次貨物，就要翻箱倒柜的折騰一次!

  SDH

  1988年，國際電信組織通過了第一批SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系)建議。到1990年以后，SDH成為光纖通信的基本傳輸方式。

  SDH定義了規(guī)范的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決了PDH沒有標(biāo)準(zhǔn)接口的問題，使得低速SDH信號在高速SDH信號中的位置是有規(guī)律的，易查詢的，可直接在高速信號中分離/插入低速信號。

  在傳送業(yè)務(wù)時，SDH就像集裝箱列車，各種貨物貼上標(biāo)簽后裝入集裝箱。然后多個小箱裝入大箱，一級套一級，且每次裝箱前都會貼上能識別貨物的標(biāo)簽。這樣通過標(biāo)簽查詢就可以準(zhǔn)確的知道某一包貨物在哪個集裝箱的哪個箱子內(nèi)，能在列車上快速的找到目標(biāo)貨物，直接取出。再也不需要翻箱倒柜的折騰了，效率大大提高啦~

  MSTP

  21世紀(jì)初期，短信、彩信、電子商務(wù)、實時視頻等多種IP業(yè)務(wù)快速發(fā)展，促使基于SDH的MSTP(Multi-Service Transport Platform，多業(yè)務(wù)傳輸平臺)在2002年誕生了。PDH和SDH主要都是傳送語音業(yè)務(wù)，但MSTP就可以傳送圖像、視頻等更大容量的業(yè)務(wù)了。因為MSTP的實現(xiàn)基于“SDH+以太網(wǎng)+ATM”，其中ATM的全稱是Asynchronous Transfer Mode，即異步傳輸模式，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等的傳輸。

  MSTP傳送業(yè)務(wù)的方式，和SDH一樣，也是將各貨物打包貼上標(biāo)簽后，放入標(biāo)準(zhǔn)大小的集裝箱進(jìn)行傳輸。只是MSTP多了以太網(wǎng)和ATM接口，可以傳輸?shù)呢浳镱愋透嗬瞺

 WDM

  早在90年代，就有研究人員提出了WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用)的概念。而直到90年代后期甚至21世紀(jì)，WDM才被廣泛建設(shè)和使用。WDM解決了前面PDH、SDH和MSTP資源浪費(fèi)的問題。PDH/SDH/MSTP時代，一根光纖只有一個波長，不同業(yè)務(wù)之間時分復(fù)用，業(yè)務(wù)占用固定時間段，如果該時間段無業(yè)務(wù)，就浪費(fèi)了。相當(dāng)于一條高速公路只有一條車道，然后該車道按時間段租給貨運(yùn)公司使用，而不管該貨運(yùn)公司是否有貨物運(yùn)輸。那么當(dāng)貨運(yùn)公司沒有貨物運(yùn)輸時，就造成了資源浪費(fèi)。

  提倡環(huán)保，節(jié)約資源，WDM應(yīng)運(yùn)而生。WDM時代，一根光纖可傳輸多個波長，相當(dāng)于高速公路可以提供多條車道，整體帶寬或業(yè)務(wù)承載能力提升了。但其每個車道可能還是提供給PDH/SDH/MSTP使用，即每個車道還是按時間段租給貨運(yùn)公司使用的，只是車道變多了，可以同時傳送多個貨物了。

  而根據(jù)車道間距大小，WDM又可分為兩類：

  CWDM：稀疏波分復(fù)用。車道間隔較大，一般為20 nm，劃分的車道較少。

  DWDM：密集波分復(fù)用。車道間隔較小，小于或等于0.8 nm，劃分的車道較多。DWDM是后續(xù)被廣泛應(yīng)用的傳輸方式。

  OTN

  21世紀(jì)，數(shù)字電視、遠(yuǎn)程會議、網(wǎng)絡(luò)直播等業(yè)務(wù)遍地開花，這些新興業(yè)務(wù)對傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬及可靠性都有了更高的要求。相對于WDM技術(shù)，OTN(Optical Transport Network，光傳送網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)能提供更大帶寬、更可靠的傳輸。WDM，特別是DWDM技術(shù)通過劃分多個波道后，能輕松的成倍增加傳輸帶寬。但是WDM在不斷擴(kuò)展帶寬的時候，卻忽略了需同步加強(qiáng)對它的監(jiān)管，導(dǎo)致WDM在傳送中調(diào)度很不靈活。比如一個貨物要從成都運(yùn)到深圳，預(yù)先分配的車道是8車道(第8波)，那么從成都到深圳全程都是第8車道，就算第8車道因故堵塞也不能換道。除非你經(jīng)過了高速口(光再生段)，如成都-廣州、廣州-深圳，那么你在廣州可以有一次更換車道的機(jī)會，而且這種更換車道的代價是為你這次的行為專門修一條路(布放光纖)。但是SDH遇到這種情況時，就統(tǒng)一在廣州修一個調(diào)度中心，在調(diào)度中心換成需要的車道就好。

  于是，對WDM和SDH綜合考慮，取長補(bǔ)短，試圖將兩者的優(yōu)勢都全力發(fā)揮，進(jìn)而誕生了OTN。OTN基于WDM的大容量傳輸，借鑒SDH的強(qiáng)大監(jiān)管功能(OAM功能)，實現(xiàn)了靈活調(diào)度的大容量傳輸，并且還具備了SDH的完善保護(hù)機(jī)制。

  PTN/IPRAN

  21世紀(jì)新興業(yè)務(wù)的興起，特別是IP業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，催生了PTN和IPRAN兩種高效傳送IP數(shù)據(jù)的方式，它們解決了MSTP面臨的問題。MSTP最初是為了解決IP業(yè)務(wù)在傳輸網(wǎng)的承載問題，但是它的改進(jìn)不徹底，因為MSTP只提供幾種固定大小的箱子，發(fā)貨時根據(jù)自己需要的最大箱子來運(yùn)輸，這會存在大箱子裝小尺寸貨物的情況，而且不管有沒有貨物，都要發(fā)一個固定大小的箱子。相當(dāng)于某貨運(yùn)公司承包了一節(jié)火車車廂，有多少貨就發(fā)多少貨，最多發(fā)滿一車廂，沒有貨就發(fā)空車廂。很明顯，這其中造成了2大浪費(fèi)：大箱子裝小尺寸貨物;運(yùn)輸空箱子。比如：你要給女友快遞一份七夕禮物，一支口紅、一盒巧克力、或是一個布偶，它們可能會用同樣大的箱子打包，那么裝口紅、巧克力的箱子就浪費(fèi)了極大的空間。

  PTN/IPRAN技術(shù)正好能解決MSTP的浪費(fèi)問題。PTN/IPRAN相當(dāng)于所有貨運(yùn)公司共用列車所有車廂，有多少貨物就發(fā)多少貨物，只要總貨物量不超過整個列車的能力即可。同時，貨物包裝時，可根據(jù)貨物大小量身定制相應(yīng)尺寸的箱子。那么在運(yùn)輸時，就會根據(jù)口紅、巧克力和布偶的自身大小，定制相應(yīng)尺寸的包裝箱，使得運(yùn)輸空間得到最大程度的利用。

  IPRAN和PTN主要區(qū)別在于給貨物貼標(biāo)簽的方式不同。可以這么理解，PTN就像傳統(tǒng)的手工方式填寫快遞單，IPRAN則可通過機(jī)器自動打印快遞單。

  總結(jié)和展望

  傳統(tǒng)的光傳輸技術(shù)主要就是這些啦，我們一起回顧一下光傳輸發(fā)展史。

  我們清晰的看到，光傳輸技術(shù)的演進(jìn)方向是：帶寬越來越大、時延越來越低、支持的業(yè)務(wù)類型越來越多。目前即將進(jìn)入5G新時代，傳輸網(wǎng)通過引入FlexE、FlexO、SR、IPv6、ROADM、高精度同步、網(wǎng)絡(luò)切片等多個5G新技術(shù)，提供超大帶寬、超低時延和靈活互聯(lián)，從而有力支撐eMBB、URLLC和mMTC三大應(yīng)用場景的實現(xiàn)，為我們帶來更美好的明天!

  文中涉及的縮略語：

  PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy，準(zhǔn)同步數(shù)字體系)

  SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系)

  MSTP(Multi-Service Transport Platform，多業(yè)務(wù)傳輸平臺)

  WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用)

  OTN(Optical Transport Network，光傳送網(wǎng))

  PTN(Packet Transport Network,分組傳送網(wǎng))

  IPRAN(IP Radio Access Network，無線接入網(wǎng)IP化)

  eMBB(Enhanced Mobile Broadband，增強(qiáng)移動寬帶)

  URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠超低時延通信)

  mMTC(Massive Machine Type of Communication，海量機(jī)器類通信)

  FlexE(Flexible Ethernet，靈活以太網(wǎng)技術(shù))

  SR(Segment Routing，分段路由)

  FlexO(Flexible Optical Transport Network，靈活光傳送網(wǎng))

  ROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，可重構(gòu)光分插復(fù)用器)