光纤通信系统技术的发展、挑战与机遇

摘要：该文首先对光纤通信系统的发展现状进行了分析，主要包括四个方面：相干检测及光数字处理、可软件定义收发器和弹性波分网络、电层及光层技术、高速光电器件技术。之后对光纤通信系统未来发展的驱动力以及挑战进行了阐述。然后对光纤通信系统未来发展的演进趋势进行了探讨，主要包括四个方面：骨干网络、城域网络、接入网络、软件定义传送网络，其中软件定义传送网络又可以分为三个方面：自动控制化、开放协同化、物联智慧化，之后从八个方面介绍了物联智慧化。通过以上几个方面的研究和探讨，希望能够为以后的研究工作提供一些参考。

关键词：光纤通信;发展现状;挑战机遇

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）36-0246-02

人类社会迈人信息时代的重要工具之一就是光纤通信，它促进了信息革命的进一步发展。相比于传统的通信模式光纤通信的优势非常明显：速度快、保真度高等等，正是因为这些优点使得各个行业都广泛地应用了光纤通信，这也在很大程度上影响了全世界经济的发展和进步。不过光纤通信技术的发展过程并不顺利，曾经遭遇了很多的艰难险阻，因此我们除了要对光纤通信技术的发展趋势进行分析和思考之外，还要对其面临的挑战和机遇进行深入的探究，同时应该采取合理有效的方法解决发展道路上的阻碍，从而能够紧紧地抓住发展机遇，实现突破。

1光纤通信系统的发展现状

1.1相干检测及光数字处理

早期的光通信系统在发展过程中要实现光的传输，采用的是简单的强制调制/直接检测技术。40 Gbit/s时代的波分系统，差分二相位和四相位调制在直接检测的基础上具有相当的比较优势。在100 Gbit/s时代的波分系统，在高速光通信系统中则普遍采用了相干光技术。当前，我国已经大规模部署了100Gbit/s相十，同时已经开始商用400Gbit/s，而整个产业界目前的发展趋势是Tbit/s量级。另外，就目前的实际情况来看超低损光纤+拉曼放大技术、超强DSP技术等等都有可能在未来助推光通信系统传输能力不断地向前发展。除此之外，在光通信系统传送技术中ODSP技术非常的重要，主要表现在这种技术引领光网络进入了数字光时代，这时对以往光网络模拟光时代的颠覆性改变。在相十通信系统刚刚兴起再到快速发展的过程中，ODSP技术也发展得十分迅速，这种技术一方面能够补偿信道损伤，例如：相位噪声和非线性、色散等等;另一方面，还能够对接收机、发射机等的器件损伤进行补偿。

1.2可软件定义收发器和弹性波分网络

就当前的ODSP技术来说，其flex调制方式多种多样可以灵活变化，可以依据场景和传输距离不同，采用不同的调制格式和不同的通道间隔，从而使大容量的光传输能够更加的高效。利用通道间隔可以把50 GHz的波长间隔大大降低，可以降到37.5 GHz，有些甚至能够降到33GHz，这样就大大增加了C波段的波长数量。截至目前，采用十六纳米的ODSP能够对100 Gbit/s QPSK、400 Gbit/s 64QAM等等提供有效的支持，传输距离不同、所采用的调制技术不同，但是能够兼容到同一个硬件之中，就频谱的效率来说，从QPSK到64QAM效率得到了大幅提高，后者大概是前者的两倍到三倍。由于ODSP同时应用到了发送器和接收器中，因此可以软件定义收发器，从而实现弹性波分网络[1]。

1.3电层及光层技术

自进入21世纪以来，不断加强的光网络功能，使系统日趋复杂，导致具有多个环网的拓扑结构出现，在这种情况下就需要多个维度的光交换。不过，随着近些年来大规模集成电路的迅速发展，与光交换技术相比电层交换技术远远领先，并由此出现了一种光网络系统，这个系统的基础是电层交换技术，也就是OTN。并且对于通信传输网的发展要求OTN技术在很短的时间内就已经完全适应。在之后的发展中特别是2010之后，光网络越来越复杂，OTN技术也在不断地完善和改进，之后为了对mesh网带来的架构和技术变迁以及更加复杂的环网能够进行充分的适应，在原有OTN技术的基础上出现了OTN技术的增强型。2013年，CCSA牵头制定了与OTN技术相关的国家行业标准，在增强型OTN设备中纳入了分组交换以及SDH交叉等等，对OTN/SDH/PKT3种业务调度功能进行了有效的集成。如今，已经比较成熟能够商用的100 Gbit/s光传送技术刚刚开始，相关的业界已经开始投入大量的人力、物力以及财力去研究和探索超100 Gbit/s的光传送技术。以后的OTN技术其承载能力要达到可以接受任何业务的水平，与此同时随着光层通道间隔技术的不断改进和创新，OTN技术的灵活性必将在未来得到大幅的提升，在对载波数量、光调制方式等参数的选择上能够依据传送的距离和业务流量进行非常灵活的选择，从而使网络配置能够达到最高效的状态[2]。

1.4高速光电器件技术

要使光通信系统一直保持着比较高的性能，那么首先就要保证光器件的性能以及设计水平和设计工艺，而且这三个方面也是整个光通信产业链的基础。对于传统的光器件来说，必须要使用不同的材料来实现其不同的功能，在这种情况下光器件的生产环节繁多，并且很多的校驗和调试还要依靠人工去完成，这就导致光器件的生产效率十分低下并且价格一直居高不下。但是利用光子集成技术则能够有效地打破以上的种种瓶颈，不仅能够使成本大幅降低，还能够有效地提高光器件的集成度，同时使制造光器件的能耗大大下降。

2光纤通信系统未来发展的驱动力以及挑战

就目前来说，驱动光纤通信系统进一步发展的是不断出现的各种新兴业务。可以说，21世纪潜力最大的产业就是信息产业，从信息产业整体的发展趋势来看，有三个方面是光纤通信产业未来重要的支撑，即5G移动网络业务、超宽视频业务以及云互联业务，这三个方面的业务在未来的快速发展，必将彻底的转变光纤通信产业的架构，同时也对光通信网络未来的发展方向进行了明确，那就是极简化。下一代的光通信网络要想对未来的发展要求进行更好地适应，就需要具备低延时、超宽带以及业务可靠性高、能够快速发放等一系列特征[3]。

3光纤通信系统未来发展的演进趋势

3.1骨干网络

一，进一步提高单波速率并显著提升其性能;二，广泛应用的应用大容量和高纬度的光交换;三，IP能够和光协同;四，高密度光芯片集成更加的成熟。

3.2城域网络

一，不断探索新技术使收发器的成本降低，同时还要使收发器的体积最大限度地减小，并使功耗大大降低;二，将ODSP和简单的强度调制/直接检测有效地结合起来，从而使单波100Gbit/s非相十光收发器的成本大大降低;三，网络将得到进一步优化并向简化方向发展;四，普及应用企业专线[4]。

3.3接入网络

一，使移动前传和回传的成本大大降低;二，实现高容量微波传送;三，每家每户都接人高速光纤;四，建立现代企业专线;五，数据中心互联。

3.4软件定义传送网络

3.4.1自动控制化

21世纪之前网管的人工管理配置系统是SDH光网络的基础。进入到21世纪，不断增长的互联网业务，使得光网络越来越IP化，同时大规模的网络建设也在我国如火如荼地展开。产业也开始將ASON控制平面技术应用到光网络之中，从而使光网络的四个自动化技术得以实现，主要包括自动资源发现、自动业务发放等。这样光网络就从以往的人工管理成功的转变成了自动控制。

3.4.2开放协同化

引入并应用的ASON等各种自动管控技术虽然使运维的复杂性问题得到了有效的缓解，但是依然很难进行多域间的网络协同，例如跨层网络独立运作等都还难以实现，特别是有OTT挑战时，目前的传送网络系统只能勉强维持。2008年，美国产业界将SDN这个概念提了出来，开启了网络向智能化方向发展的新纪元。对于光网络来说，T-SDN技术的诞生使其有了新的希望，已经基本上形成了新一代的传送网络系统架构，这种系统架构以控制器为核心，目前已经得到了产业界的广泛认可。

3.4.3物联智慧化

只有具备对业务的深度感知，未来T-SDN技术才能够进行进一步的演化。各种业务中包含有大量的流量数据，系统通过分析和预测这些数据信息，对承载网络进行自动的调整优化，从而使网络对业务的变化能够进行更好地适应，最终使人工智能的T-SDN解决方案得以实现。但是在万物互联的背后，承载网络的变化也将更加的频繁，而这必将影响到它的控制管理系统。

（1）宽带大。调度超大带宽，会严重冲击到网络新资源分配的合理性，这就需要从全局视角出发对局部进行调整，而这将会使管控系统的处理能力受到极大的考验。

（2）变化频繁。未来瞬息万变的网络业务会对网络管控系统处理能力和优化能力以及对预测未来网络变化的能力产生很大的考验。

（3）响应快。未来很多业务将会有大量的“零等待开通”等方面的需求，在这种情况下如果有突发网络事件，那么网络管控系统要能够快速的反应。

（4）类型多。未来将是万物互联的时代，而不同的人对网络的需求也将越来越多样化，在这种情况下能够按照用户的实际需求并在线加载新网络的功能网络管控系统一定要具备，这也是对软件平台在线编程能力的考验。

（5）要求高。在未来的生产生活中，网络的重要性就像空气和水一样，因此如果有突发事件中断了网络业务，那么必将对人们的生产生活产生严重的影响，所以未来的网络一定要具备更高的安全性，使网络能够更加的可靠，同时还要提前制定好突然断网后的应对措施，从而使断网造成的损失和对人们生活的影响能够最大限度地降低。

（6）管理与控制在软件上深度融合。深度融合的下层物理设备管理和上层业务的控制将在未来实现，在这个“有机的生命体”中，网络控制功能的模块化等将得以实现，并通过软件交互使各个功能模块能够进行紧密的配合。

（7）自学习和人工智能。网络管控系统在未来，一方面要在空间维度深度的感知业务信息、底层物理信息等，另一方面还要在时间维度全面的了解网络的历史数据，之后通过深入的分析这些“四维”立体数据以及自学习的不断积累，可以使运营商在进行预测和决策时更加的快速准确。

（8）云计算。网络管控系统未来的发展方向必然是云化和并行储存。同时，在云化控制器中将广泛的运用“全息”软件计算，这样网络管控就不会受到任何服务器或者储存设备故障的影响，这将使管控系统的可靠性大幅提高。

4结束语

综上所述，在信息产业中光纤通信的领导地位可以从其发展现状和未来的发展趋势中得到充分的显现。光纤通信之所以能够取得领导地位主要是因为其发展会涉及非常广泛的范围，并对众多产业产生影响。而光纤通信在未来的发展和演变与信息产业和电信网未来的发展有着十分密切的联系，并且光纤通信系统的发展也必将深刻的影响未来社会经济的发展。

参考文献：

[1]崔秀同，刘翔，操时宜，等.光纤通信系统技术的发展、挑战与机遇[J].电信科学，2016，32（5）：34-43.

[2]向永.光纤技术发展及其在电力通信中的应用[J].中国新技术新产品，2016（24）：14-15.

[3]沈纲祥.关于下一代光传输网络的演进和升级的一些思考（特邀）[J].光通信研究，2017（6）：34-37.

[4]范秀国.浅析光纤通信系统中波分复用技术的运用[J].中国新通信，2017，19（5）：47.

【通联编辑：代影】

收稿日期：2019-08-27

作者简介：郝建平（19 81-），女，天津人，通信线路主管，学士，研究方向为通信线路。