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本文介紹了城域網(wǎng)目前的發(fā)展趨勢和促進本地千兆位以太網(wǎng)和光纖信道網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展的動力,闡述了實現(xiàn)這些業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本狀況、多方面的設(shè)計問題以及接口標(biāo)準(zhǔn),并著重探討和比較了三種半導(dǎo)體激光器技術(shù)。
Scott Kipp
產(chǎn)品工程師
Cielo Communications
目前,千兆位以太網(wǎng)和光纖信道的信息,已有望在距離長達100公里的城域網(wǎng)(MAN)上進行有效傳輸,雖然仍處于研究階段,但這將使LAN和SAN(存儲區(qū)域網(wǎng))的拓?fù)鋽U展成為可能。
網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的主要發(fā)展趨勢是提高未啟用光纖容量的利用率,以及諸如千兆位以太網(wǎng)(IEEE )和光纖信道(ANSI x3T11.2)等高寬帶協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。但是,為了充分利用那些還未啟用光纖的傳輸容量,網(wǎng)絡(luò)的各個環(huán)節(jié)都需要將其架構(gòu)與實現(xiàn)方法之間進行技術(shù)融合,這些環(huán)節(jié)包括網(wǎng)絡(luò)、交換系統(tǒng)、半導(dǎo)體激光器以及標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器。
城域網(wǎng)發(fā)展的動力
一般而言,跨區(qū)的公司必須向綜合服務(wù)提供商租用T1、T3、OC-3或其它線路,以便通過MAN來傳輸數(shù)據(jù)。絕大多數(shù)情況下,這些線路的運行租用費,以及LAN/SAN協(xié)議(如千兆位以太網(wǎng)或光纖信道)與MAN傳輸協(xié)議(如ATM和幀中繼)之間相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備投資費用很高。例如,在ATM方式下,本地千兆位以太網(wǎng)上傳輸?shù)脑S多較大IP數(shù)據(jù)包,必須分割成多個53字節(jié)的ATM信元,每個信元均有自己的起始位,這也帶來相應(yīng)的開銷。
隨著千兆位以太網(wǎng)和光纖信道分別逐漸成為LAN骨干網(wǎng)及SAN的標(biāo)準(zhǔn),大多數(shù)公司網(wǎng)絡(luò)管理人員將傾向于采用相同的協(xié)議,對其整個區(qū)域的設(shè)施進行拓?fù)溥B接,因為除了可有效簡化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以外,還可使公司網(wǎng)絡(luò)易于擴展和維護。然而購買許可證并鋪設(shè)覆蓋整個城域的光纜的費用太大,所以絕大多數(shù)公司不打算建立自己的專用城域網(wǎng)。
但是,在公司對光纖鏈路需求增長的同時,由于市政當(dāng)局、公共事業(yè)部門以及電話服務(wù)提供商不斷鋪設(shè)的光纖比實際投入使用的更多,那些未充分利用的光纖數(shù)量也在不斷增長。其實,光纖本身的成本在鋪設(shè)光纖的總費用中所占比例很小,絕大多數(shù)光纖鋪設(shè)公司也發(fā)現(xiàn),當(dāng)前鋪設(shè)超過實際使用數(shù)量的光纖,比以后使用時再另外鋪設(shè)這些光纖所花的費用要少得多。例如,只需要2對光纖時就鋪設(shè)18對光纖,其成本要比18對光纖全部投入使用時再另外鋪設(shè)一次的成本更低。另外,所有鏈路的光纜尺寸標(biāo)準(zhǔn)化以后,諸如挖光纜溝、埋線以及拉伸等高成本的操作也會標(biāo)準(zhǔn)化,因而可節(jié)約總的成本和時間。
除了傳統(tǒng)電話公司外,許多其他擁有許可證的單位也愿意投資鋪設(shè)一些光纜。很多市政當(dāng)局和公共事業(yè)部門已經(jīng)沿著其現(xiàn)有的許可線路鋪設(shè)了光纖,除了用于連接自己的設(shè)備,預(yù)計他們會將多余的容量租給服務(wù)提供商或直接租給公司用戶使用。
架構(gòu)和實現(xiàn)問題
盡管多余光纖總量的不斷增長對公司和ISP具有相當(dāng)大的吸引力,但要使這些光纖真正進行本地LAN和SAN業(yè)務(wù)的傳輸,還需要解決許多技術(shù)問題。其中涉及MAN網(wǎng)絡(luò)光纖的長度和狀況、交換系統(tǒng)的容量、半導(dǎo)體激光技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化收發(fā)器等。
小標(biāo)題:網(wǎng)絡(luò)的狀況第一個技術(shù)問題涉及如何直接接入可用光纖對,為LAN/SAN交換系統(tǒng)端點之間提供鏈路。這其中的關(guān)鍵問題包括鏈路的總長度問題,在現(xiàn)有交換點上鏈路的本地終結(jié)問題,以及未啟用光纖的可利用率問題。
長度問題可能會比較棘手,因為既使要連接的兩個區(qū)域直線距離只有1到2公里或者更短,實際上要架設(shè)的最短光纜長度也會達到40至60公里。通常,光纖鏈路必須通過現(xiàn)有的中心站(CO),而且必須遵照許可的路線,這會極大地增加實際的點到點距離。除此之外,諸如接頭及連接器等光纖鏈路器件的數(shù)量及狀況會增大鏈路信號的衰減程度,降低總的實際傳輸距離。ANSI/TIA/EIA 568-A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了連接器和接頭的規(guī)格,并規(guī)定每對連接器的衰減值在以內(nèi),每個接頭的衰減值在以內(nèi)。通常連接器的衰減值小于,接頭衰減小于。激光收發(fā)器理想狀態(tài)下可使MAN距離達到70至100公里,實際情況則依光纖的狀況而定。
盡管公司用戶通常需要電話公司來提供光纖,然而,可用光纖覆蓋范圍正在急劇擴大,因為如今許多城市在許可的區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)新的光纖,此外,Level 3、Metromedia、IXC及Williams等一些國家和地區(qū)性的網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商,也在許多大城市鋪設(shè)大容量光纖設(shè)施。在歐洲和日本,人口密集的地區(qū)相距較近,故各個中央站也相距較近,鋪設(shè)的光纖也相當(dāng)密集,從而有更多可能出租的光纖。此外,整個歐洲大量鋪設(shè)光纖的勢頭,加劇了出租未啟用光纖業(yè)務(wù)的競爭,使公司用戶有更多的選擇。
對許多潛在的用戶來說,關(guān)鍵問題在于能否直接將光纖接到他們的設(shè)備上。目前,在選擇服務(wù)提供商時,電話和電纜公司應(yīng)該是首選,因為其鋪設(shè)的光纖無處不在。但是,其他光纖供應(yīng)商正在穩(wěn)步增加其光纖的覆蓋面積和容量,供應(yīng)商的選擇取決于最終用戶對實用性和供求關(guān)系等方面的綜合考慮。
交換系統(tǒng)問題
在交換系統(tǒng)方面,最關(guān)鍵的問題是成本、端口可用性以及帶寬容量。只要在載波光纖上,有一條可用鏈路能夠在其波分多路復(fù)用(WDM)系統(tǒng)內(nèi)進行重新分配,就容易獲得所需的點到點鏈路。同時,用戶端點也需要一定的端口,以連接到LAN骨干千兆位以太網(wǎng)交換機或連接到SAN光纖信道集線器、設(shè)備或環(huán)狀交換機上。
用戶最為關(guān)注的問題是,能否在不改變現(xiàn)有交換設(shè)備外形尺寸和連接規(guī)范的情況下,直接與MAN光纖連接。基于成本的考慮,網(wǎng)絡(luò)管理人員不會輕易采用非標(biāo)準(zhǔn)的接口方法。目前,采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的帶有長距離激光器的千兆位接口轉(zhuǎn)換器(GBIC)模塊,能提供可插入、混合與匹配接口方案,可直接連接到MAN光纖上,而無需對用戶現(xiàn)有的交換系統(tǒng)作任何改動。
半導(dǎo)體激光器技術(shù)
為達到MAN光纖鏈路所要求的距離,應(yīng)采用分布式反饋(DFB)激光器來代替LAN和SAN光纖設(shè)備常用的FP激光器(Fabry-Perot laser)和垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。
FP激光器是靜態(tài)激光設(shè)備,它通過嵌入半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的共振FP腔來對光進行放大。這類激光器的發(fā)光腔體沿著器件的水平長度排列,可在反射鏡面之間提供最大的物理距離。但是,FP激光器本身就可發(fā)射多種波長的光,光譜寬達到幾個納米。較大的譜寬限制了發(fā)射光在光纖上傳輸?shù)木嚯x。對于千兆位/秒的應(yīng)用,FP激光器通常以1,310nm波長進行傳輸,最遠(yuǎn)的光纖距離為10公里。
另一方面,VCSEL技術(shù)則代表最新的高容量低成本半導(dǎo)體激光器。顧名思義,垂直腔激光由夾在有源發(fā)光半導(dǎo)體外延層之間的一疊垂直透明鏡片而形成。多達60個這樣的鏡片層聯(lián)結(jié)在一起,總厚度小于10um,可完成千兆位通信接口所需的激光發(fā)射。與功耗更大及需要更大晶圓面積的邊緣發(fā)射激光器不同,它可從正好處于有源區(qū)域之上的芯片表面的一小塊區(qū)域(5至25um)發(fā)射激光。盡管VCSEL對LAN/SAN而言是一種低成本的解決方案,但其固有的850nm波長限制了應(yīng)用的范圍,而主要用于長度為275米到550米的多模LAN/SAN光纖鏈路。
選用DFB激光來實現(xiàn)長距離、MAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的光纖鏈路,其主要原因是這種激光以1,550nm波長發(fā)射,此波長下的光纖衰減最低。如圖1所示,采用波長為850nm的VCSEL激光時,光纖具有很高的衰減率,可達到1.8至,因而只適用于短距離應(yīng)用。采用波長為1,310nm的FP激光時,光纖仍有大約0.3至的衰減。但是采用波長為1,550nm的DFB激光時,光纖只有0.2至的衰減。由于光纖吸收1,310nm波長的光要比吸收1,500nm波長的光多35%,DFB激光技術(shù)自然就比FP激光技術(shù)更適合于長距離傳輸。
當(dāng)然,DFB激光器不僅僅表示以更長的波長發(fā)射,它還需要考慮諸如色散等問題。盡管1,550nm波長的光帶來的衰減較低,但此波長下存在著更多的色散。由于多色散會干擾信號脈沖并降低系統(tǒng)帶寬、傳輸長度,故DFB設(shè)計還需要把待發(fā)射光的譜寬變窄。
因此,DFB激光器采用內(nèi)部反饋機制設(shè)計,以進一步將光調(diào)制到指定的波長上。為達到此目的,DFB激光器采用了一種沿共振腔長度分布的光柵。這種光柵提供了分布反饋功能,它只發(fā)射一種波長的光,同時去除其它波長的干擾光。此分布式光柵內(nèi)的反饋機制限制了激光輸出的譜寬,并使激光功率集中于一個小窗口內(nèi)。
如圖2所示,1,550nm主波長模式下,DFB的譜寬很窄,只有,而VCSEL及FP的譜寬要大得多,分別為、。盡管圖中所示DFB激光器有兩個明顯的邊模,但反饋功能可有效抑制這些邊模,使其值不超過30dB。
DFB激光器的波長較長,譜寬較窄,而在這種波長和譜寬下光纖的本征衰減系數(shù)和色散干擾都最小,這使得DFB激光器的傳輸距離最長,實際鏈路距離可達到70至100公里,而FP所能支持的距離小于30公里。
要達到70公里的傳輸距離(采用衰減系數(shù)小于/km的光纖),則衰減要求為21dB。然而,影響鏈路距離的其它因素還有連接器衰減和激光功率帶來的衰減。功率衰減實際上是由發(fā)送端、接收端和光纖的帶寬限制而引起的衰減。要將同樣的光信號傳輸100公里,則要求使用高質(zhì)量的光纜,其衰減系數(shù)大約為。激光的最大輸出功率要限制在不傷害人眼的安全范圍內(nèi),即達到一級激光的標(biāo)準(zhǔn),如此也會影響傳輸鏈路的長度。GBIC光收發(fā)器必須遵守所有國際上有關(guān)電氣和光學(xué)安全的條例。
GBIC接口模塊的標(biāo)準(zhǔn)化
DFB激光器代表了現(xiàn)代通信技術(shù),在實現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)長距離光纖鏈接方面,已經(jīng)應(yīng)用了10余年。但是,過去DFB激光器由于外形尺寸原因,還不能集成到MAN數(shù)據(jù)通信環(huán)境中。不過這種狀況正在逐漸改變,GBIC規(guī)范詳細(xì)描述了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊接口尺寸下,長距離DFB激光元件的設(shè)計規(guī)范。
1995年,業(yè)內(nèi)人士第一次提出并采用了%
