徐林，葉小華, 張林濤，冒曉平
摘 要：專網通信容量需求的增長及近期專網通信網絡的火熱建設帶動了對下一代專網通信網絡組網方案和傳輸技術的思考。本文介紹了慧方公司基于其最新光傳輸技術而推出的新型專網通信無中繼傳輸組網方案，通過比較傳統的組網方式，在網絡構架、傳輸性能、系統穩定度和成本優化等方面分析了這種新型組網方案的優勢，并且概述了該系統產品的核心技術及其工程應用。
關鍵詞：無中繼傳輸；專網通信；成本優化；組網方案
1. 引言
IT時代的大中型企業在發展主流業務的同時，也必須同步進行作為IT支撐的內部通信網絡的建設。作為專網領域的代表，電力、石油、煤炭、安全和大型金融機構等都需要自有網絡供內部通信使用。早期專網提供的業務主要是64kb/s的調度語音和低速數據信號，后來逐漸升級到以2Mb/s為業務訪問顆粒，然后進一步過渡到155Mb/s，視頻監控和遠程數據鏡像等近期需求對專網鏈路的帶寬要求達到了2.5Gb/s[1]。企業專網的迅速發展對應用于專網領域的傳輸技術以及組網方式提出了更高的要求，網絡規劃必須從建設維護成本、建設周期、網絡構架前瞻性和系統的安全穩定等方面做綜合評估。
就通信容量而言，大部分專網的確低于電信運營商的網絡。但是，專網所承載的是精品信息，比如指揮調度、公司財務以及銀行客戶信息等，這需要等同于電信級別的網絡來保障傳輸的暢通。出于安全、保密和實時性等因素的考慮，很多企業的網絡都是自建的，而不是租用電信的鏈路，這樣就從物理上做到與公網隔離。鑒于專網的特殊性，網絡建設方和系統供應商都面臨一個嚴峻的問題：如何把高端的電信級的傳輸技術[2-4]移植到專網領域，催生出因地制宜的高性價比的解決方案。
本文首先提出一種基于慧方公司最新光傳輸技術，面向專網領域的新型無中繼傳輸組網方案，然后比較傳統的組網方式，在網絡構架、成本優化、傳輸性能和系統穩定度等方面分析了這種新型組網方案的優勢，最后概述該系統產品的核心技術及其工程應用。
2. 新型無中繼傳輸組網方案
對于絕大多數專網而言，通信網絡的拓撲結構并不復雜，就是由若干個點對點鏈路組成的鏈型或星型拓撲以及帶有業務保護的環狀拓撲，網絡層的交換功能在各主節點或中心節點通過IP路由器或交換機完成。而網絡規劃的重點就是要論證各個點對點的傳輸鏈路的距離、實現方式以及技術上的可行性。
圖1（a）表示一個由3個節點組成的鏈型網，其包括了兩條點對點鏈路，每條鏈路的光纜長度約200到300公里。如果用傳統的方式實現，各個鏈路上必須設置中繼設備，大約每50至80公里需要一個中繼站。中繼設備主要提供光功率放大、色散補償或電信號終結和再生等功能。
慧方公司提出的新型無中繼方案如圖1（b）所示，通過采用最新的光傳輸技術，無中繼距離大幅度提高。和傳統方案比較最鮮明的對比在于，新方案去除了所有的在線設備，無需建設中繼站。這種新型無中繼方案大幅度簡化了傳輸鏈路和網絡構架，有效地抑制初期投資，大幅度減少運營費用，減少通信故障源、提高系統穩定性、降低備品備件的種類和數量，方便日常維護和系統擴容。下面通過與傳統方式比較，我們進一步詳細討論新型無中繼方案的綜合優勢。
3. 無中繼方案的優勢
從圖1可以很直觀地發現無中繼方案大幅度提高了無中繼傳輸距離，從傳統的50至80公里提高到300多公里，在線設備全部撤除，從而大大簡化了系統結構。對于大多數專網用戶而言，200至300公里是最常見的長途距離，廣泛適用于數據中心和備份中心的連接，大中型城市的環城線路，西電東輸和西油東運等跨省傳輸以及近海島嶼的海纜系統。
1）低成本
無論是專網還是公網，建設方最密切關注的莫過于低成本，而本無中繼方案在簡化系統結構和減少設備數量的基礎上，在保證電信級通信質量的前提下實現了這一點。網絡初期建設成本主要包括設備成本和工程成本，而其中往往容易被忽視的工程成本在很多情況下占了初期投資的很大比重。以中繼站的建設費用為例，根據各企業類型不同其所需的中繼站的規模和級別也不同，其費用可以為幾十萬至幾百萬元。海纜系統無法修建中繼站，但其水下中繼設備也需要幾十甚至上百萬美元，對于普通的近海路由而言是根本無法承受的。除了中繼站費用之外，所有中繼點的施工、設備安裝和測試等工程費用也是重要的一環。
無中繼方案從根本上解決了上述所有問題，由于去除了中繼站和在線設備，所有與中繼相關的費用都不會發生。此外，就我們對市場的了解，我們對傳統方案的設備成本進行了估價，我們發現由于中繼設備的減少和新技術帶來的集成優勢，我公司提出的無中繼方案和傳統方案即使在單純的設備成本上也有很強的可比性。在設備成本可比而工程成本大量節約的情況下，無中繼方案在專網通信領域的價格競爭力遠遠超過傳統的組網方式。
2）建設周期短
投資少見效快是立項的根本要求之一。大量資金投入建設，自然希望盡快建成并使用該通信網絡，這是對縮短減少周期的自然預期。采用無中繼方案后，由于網絡結構的簡單化，基礎建設和設備數目大量減少，施工難度和工程量也線性地降低，建設周期也隨之縮短。中繼站的基建時間不一而足，工期從一天到一周甚至更長都有可能。中繼設備的安裝配置和測試等工程環節也帶來可觀的時間消耗。我們保守地估計，同傳統組網方式相比，無中繼方案的建設周期至少能縮減三分之一。
3）高可靠性
對于承載精品信息的專網而言，其服務對象是企業的核心資訊，通信網的功能就如同人體運載血液的動脈一樣，重要性可見一斑。所以，系統的高穩定性和設備的低故障率是最基本的指標。提高系統穩定性主要通過選取高性能器件和提高芯片板卡的集成度的方式，這是系統設備供應商的必修課。同時，一個不可回避的事實是，實現設備故障率為零的唯一辦法是沒有設備。也就是說，再完美的設備都有故障幾率，減少設備數目是對系統穩定性的最直接的貢獻。無中繼組網方案可以減少設備數量大概1/6至1/3，相應的帶來故障源減少和穩定性的提升。此外，由于系統所有的設備都在終端機房，發現故障、定位故障以及故障修復的時間就能大大縮短。相比較而已，對于傳統網絡的在線設備故障，僅僅工程車開赴現場就需要幾個小時的時間，故障修復時間是個無法確定的因素。
4）低成本維護升級方便
取締中繼站和相關的中繼設備對維護人員也是利好消息。中繼站的供電、溫控濕控以及例行維護工作都是很大的開銷，同時占據了大量維護人員和維護工具等資源。從維護的角度，無中繼組網方案帶來巨額的維護費用和相關人力的節約。此外，當系統容量需要擴容的時候，所有的擴容和調試工作都只需在終端機房進行，無需野外作業，這是縮短工期、保障質量和降低成本的有力保障。最后，新方案大力削減了設備的種類和數目，使備品備件的管理更加容易，這也帶來維護的便利。
4. 無中繼傳輸技術
慧方公司的無中繼傳輸系統產品Arasor Anyhaul ULS將電信級的長距光傳輸技術移植到專網領域，其中包括色散管理型光發射器技術（CML）、光發射/接收端的前向糾錯編/解碼技術（FEC）、高增益型摻鉺光放技術（EDFA）、分布式拉曼放大技術（DRA）、窄帶光濾波技術等。
在ULS產品中，我們采用獨有的啁啾參數設計，對調制信號進行調頻（加啁啾）再調制光源，將光脈沖壓窄，從而有效地提高光脈沖抗光纖色散的能力，并通過嵌入的光濾波實現AM-FM 的交叉轉換，保證2.5Gb/s速率信號傳輸數百公里的色散容限。此外，通過特有的相位相關技術，使相鄰的“1”信號間具有π相位差別，減小 碼間串擾（ISI）效應，并獲得高非線性（自相位調制及受激布里淵散射）閾值。實驗表明，自相位調制效應閾值為19dBm，而受激布里淵散射閾值上升為20dBm。非線性閾值增大有利于在系統中采用更大的信號傳輸功率，從而獲得更遠的無中繼距離。
前向糾錯編碼采用標準RS(255,239) 編碼（GFEC）格式時，編碼增益為 6.2dB；而當采用特有的增強型 FEC（EFEC）時的編碼增益可達9dB。此外，FEC功能可以通過軟件設置來選取5種工作模式，分別為OC-48至GFEC雙向轉換，OC-48至EFEC雙向轉換，GFEC雙向再生以及EFEC單向再生和不使用FEC等，適于不同的傳輸需求。
在光放大方面我們的方案是混合式Raman+EDFA放大技術，整體上噪聲因子（NF）由拉曼放大器決定，典型的NF為-1～1dB左右，而單純的EDFA的NF有4～6dB，由此可看出NF有5dB的改進；此外，在拉曼放大器的安全保護設計方面，我們采用了基于光監控通道（OSC）的光纖鏈路監控器，功率預算達80dB，響應時間小于0.2秒，實時在線監測鏈路的暢通狀態，具有自動激光切斷功能，從而保證人身和設備安全。
在線路發射端采用高功率增益的EDFA對信號進行功率放大有助于提高發射功率，補償線路上的功率損耗，獲得更遠的無中繼傳輸距離。對于多信道WDM傳輸系統，要求EDFA功率放大器提供足夠高的增益系數以保證各信道的發射功率滿足長距離無中繼傳輸需求。在ULS中，我們采用了新型的高功率增益EDFA技術，使最大輸出功率超過23dBm，滿足多信道系統長距離無中繼傳輸的功率需求。
在長距離無中繼傳輸中，信號在各放大器和傳輸線路所累積的色散及非線性噪聲將干擾接收器的信號接收靈敏度，造成誤碼并影響系統性能。因此在信號接收端應盡可能濾除噪聲的影響。在ULS設計中，我們通過合理配置線路上的信號光功率，降低非線性噪聲，通過色散管理技術減小色散噪聲，并采用窄帶光濾波器技術，濾除大部分傳輸所累積的噪聲。實驗表明，采用上述技術手段，能有效提升鏈路信噪比參數，接收端的信號靈敏度能獲得5dB以上幅度的改善。
5. 工程應用
我們在南方某省電力部門對ULS系統進行了工程試驗，并對各種不同的傳輸鏈路中進行了不同的配置，鏈路中的光纖均為G.652型普通單模光纖，采用2.5Gb/s速率的SDH傳輸模式。我們測試了系統各項參數性能，旨在確認ULS的傳輸性能，并獲得不同配置情形下所對應的最佳傳輸距離。
在300km傳輸測試中，線路總損耗為60.5dB。我們采用了EFEC編碼方式，其編碼增益經測試為9dB左右，并開啟了DRA設備，設置拉曼泵浦光功率為27dBm。通過對鏈路非線性噪聲及色散的分析，我們發現單波信號功率必須控制在20dBm范圍之內，否則噪聲將顯著影響系統傳輸性能。測試表明，系統穩定運行需要的OSNR為9.5dB，系統允許的光功率富裕度為7dB。
在關閉拉曼放大器的情況下，系統支持250km的無中繼段，線路總損耗為55dB。根據我們的測試資料顯示，無拉曼系統的極限無中繼功率預算可高達59dB。
6. 結束語
本文介紹了慧方公司的新型專網通信無中繼組網方案，通過和傳統方式的比較，論證了新方案在降低低成本、縮短建設周期、增強系統可靠性、減少維護費用、方便管理和升級等方面的明顯優勢。文章還簡單介紹了慧方公司Arasor Anyhaul ULS系統產品的關鍵技術及其在工程上的應用。
參考文獻：
[1] 《電力設備網》2006年06月28日新聞專稿“國網公司超長站距光通信通過驗收”
[2] 于林生 董勝 印新達, “拉曼光纖放大器在國內工程中的應用”, 郵電設計技術, Volume 7, Page(s): 17-20, 2003 [3] Rai, Smita; Mukherjee, Biswanath; etc. “Provisioning in Ultra-Long-Haul Optical Networks”, Proc. of OFC/NFOEC 2007, 25-29 Page(s):1 – 3, March 2007 [4] Rasmussen, J.C., “PMD and chromatic dispersion compensation for 40 Gbit/s optical networks”, Proc. of IEEE LEOS 2005, 22-28 Page(s):704 – 705, Oct. 2005
