甚短距離（VSR）傳輸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用

2019-11-03 09:02:03

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

賀傳峰戴居豐毛陸虹

天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院光纖通信研究所

光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室

　　摘要：甚短距離傳輸(VSR)是一種用于短距離(約300 m~600m)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓鈧鬏敿夹g(shù)。它主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)、核心路由器(CR)、光交叉連接設(shè)備（OXC）、分插復(fù)用器(ADM)和波分復(fù)用(WDM)終端等不同層次設(shè)備之間的互連，具有構(gòu)建方便、性能穩(wěn)定和成本低等優(yōu)點，是光通信技術(shù)發(fā)展的一個全新領(lǐng)域，逐漸成為國際通用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，成為全光網(wǎng)的一個重要組成部分。本文將對該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景做簡單的介紹。

　　關(guān)鍵字：甚短距離傳輸；光互連；并行光通信技術(shù)　中圖分類號：TN929.11

1 引言

　　甚短距離傳輸技術(shù)是2000年由美國《Telecommunications》雜志評選出的當(dāng)年電信領(lǐng)域十大熱門技術(shù)之一。所謂甚短距離是指在電信局內(nèi)最大連接長度不超過600米（一般不超過300米）的范圍，在這一通信距離內(nèi)，所采用的光連接技術(shù)和電接口規(guī)范同傳統(tǒng)的骨干網(wǎng)傳輸技術(shù)有很大的不同，是光通信技術(shù)發(fā)展的一個全新領(lǐng)域。在構(gòu)建下一代高速、大容量全光通信網(wǎng)絡(luò)中，由于光接口器件在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)量巨大，甚短距離傳輸技術(shù)以其價格低和性能穩(wěn)定的優(yōu)勢，吸引了眾多光電子和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的注意，逐漸成為國際通用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，是全光網(wǎng)的一個重要組成部分。

　　根據(jù)AT&T公司統(tǒng)計表明，超過75%的局內(nèi)互連設(shè)備的連接長度在100米之內(nèi)[1]。甚短距離傳輸(VSR)就是面向這種目的的光互連技術(shù)。2000年末到2001年初，光學(xué)網(wǎng)際互聯(lián)論壇(OIF，optical internetworking forum)相繼通過了VSR的4個標(biāo)準(zhǔn)：VSR4-1.0、VSR4-2.0、VSR4-3.0和VSR4-4.0，并于2002年九月制訂了VSR5標(biāo)準(zhǔn)，分別面向STM-64/OC-192 和STM-256/OC-768 的甚短距離傳輸，標(biāo)準(zhǔn)的推出都是為了降低短距離內(nèi)光互連的成本，減小所用元器件的體積，并且能夠與設(shè)備的電接口兼容，進(jìn)而可以把發(fā)射和接收模塊置于設(shè)備內(nèi)部，相當(dāng)于為設(shè)備增加了VSR的光接口。在2臺具有VSR光接口的設(shè)備之間，只需要用具有標(biāo)準(zhǔn)插頭的光纜就可以方便的實現(xiàn)互連[1]。

2 VSR并行傳輸系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)體系中的作用

　　過去的幾年中在帶寬需求上有著爆炸性的增長，帶動了光互連產(chǎn)業(yè)的興起。因此，在網(wǎng)絡(luò)載體中將有大量的網(wǎng)絡(luò)組件已經(jīng)并將持續(xù)被采用。這些系統(tǒng)跨越了OSI通信協(xié)議架構(gòu)的多個層，并且包括ip路由器，MPLS，ATM以及幀中繼延遲開關(guān)和光交叉連接設(shè)備和傳輸平臺比如波分復(fù)用系統(tǒng)。此外，典型的網(wǎng)絡(luò)體系由接入網(wǎng)，城域網(wǎng)（MAN）和廣域網(wǎng)（WAN）組成。用戶通過接入網(wǎng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)體系，在通過城域網(wǎng)到達(dá)相應(yīng)的城域網(wǎng)中心局（CO），也叫做匯接點。每個匯接點和其它的匯接點之間的相互連接是通過核心的寬帶的廣域網(wǎng)來實現(xiàn)的。如圖1所示，整個體系是由無數(shù)個開關(guān)和路由器集合而成的，這些開關(guān)和路由器再和主開關(guān)和路由器相連接，再經(jīng)過DWDM系統(tǒng)和光交叉連接系統(tǒng)（OXC）。在這個體系里還包括多個寬帶寬的鏈路，連接著主路由器和光傳輸設(shè)備。同時，大多數(shù)鏈路的距離在300m內(nèi)，這是因為大多數(shù)設(shè)備都集中在同一個建筑內(nèi)。但現(xiàn)有的同步光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是按長距離骨干網(wǎng)傳輸設(shè)計的，采用的是比較昂貴的串行光發(fā)射和光接收設(shè)備。甚短距離并行光傳輸系統(tǒng)正是在這種情況下產(chǎn)生的,它仍采用SONET幀接口，并用相對低廉的并行光傳輸技術(shù)來取代昂貴的串行光傳輸，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商可以在大幅降低成本的同時，有效地解決客戶在接入點(POP)內(nèi)部傳送OC-l92(10Gb/s)標(biāo)準(zhǔn)速率的需求。從圖1中不難看出VSR在網(wǎng)絡(luò)體系中的位置[1]。

3 VSR系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

　　目前在光互連網(wǎng)絡(luò)中0C-192接口是一種比較成熟的接口，下面我們以面向STM-64/OC-192的具有代表性的VSR4-1.0規(guī)范為例，介紹VSR系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)[2]。

　　VSR4-1.0采用并行光傳輸?shù)募夹g(shù)，12路850nm的VCSEL激光器陣列作為光源，在每個傳輸方向上采用12芯多模光纖帶，每路光纖中的信號傳輸速率達(dá)到1.25Gb/s，傳輸距離超過300米。圖2所示為VSR-1雙向接口的功能方塊圖。每個接口由三個主要的組件構(gòu)成，轉(zhuǎn)換器集成電路（Convert IC），用來完成信號的串并行轉(zhuǎn)換。發(fā)射模塊Tx由1×12的激光器列陣組成，實現(xiàn)12×1.25 Gb / s的電信號－光信號轉(zhuǎn)換和光輸出，接收模塊Rx由1×12的探測器列陣組成，完成光信號的接收再還原成初始的電信號。發(fā)射模塊和接收模塊通過帶狀光纖（含12根光纖）相連接，接口部位采用MTP / MPO型連接器。

　　為了能夠清楚的描述信號在整個系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換和傳輸過程，我們對這幾個主要組件和其它相關(guān)器件的工作原理分別進(jìn)行描述。

　　轉(zhuǎn)換器集成電路（Convert IC）:

　　如圖3中所示的信號轉(zhuǎn)換電路（發(fā)射部分），轉(zhuǎn)換器的輸入接口是10Gb/s低壓差分信號（LVDS）接口。轉(zhuǎn)換之前的數(shù)據(jù)總線的帶寬為622MHz，碼的格式為16bit，先按照0～7位、8～15位對其進(jìn)行分解，分解后的8bit的單位字節(jié)置于緩沖器內(nèi)；下一步進(jìn)行8b/10b的編碼，該編碼簡單實用，是目前光纖通信中最常用的一種編碼，碼由8bit譯成10bit之后，附加的冗余編碼組合可以用來識別更多的信息，增加數(shù)據(jù)中的高低電平變換（即“1”/“0”變換），幫助實現(xiàn)轉(zhuǎn)換前后的時鐘同步，此外還能有助于實現(xiàn)直流平衡，這是因為數(shù)據(jù)是用電壓代表的，信道可能會長時間的停留在正或負(fù)的狀態(tài)，這樣信號通路上的交流耦合元件可能會產(chǎn)生直流充電，造成信號的失真。而通過8b/10b的編碼，數(shù)據(jù)碼中多余的碼位可以用來平衡“1”和“0”的數(shù)量，從而避免了直流電荷的積累。編碼之后是并行到串行的轉(zhuǎn)換，這是因為經(jīng)編碼后輸出的字節(jié)是并行的10個比特，而在每根光纖中的信號傳輸形式為單路的光脈沖，所以需要將并行比特分開后一個個地傳輸。數(shù)據(jù)串行化后的速率設(shè)定為1.244 Gb/ s±20 ppm，共有12路這樣的信號。其中信道1－10用作傳輸數(shù)據(jù)信道。為了充分的利用余下的兩個信道，同時也為了完善整個系統(tǒng)的功能，用信道11檢測各數(shù)據(jù)信道的傳輸狀態(tài)，信道12校驗傳輸信息的準(zhǔn)確性。這兩個信道實際上起到了對系統(tǒng)自動保護(hù)的作用。經(jīng)過上述一系列的信號處理過程之后，輸出的幀信號送到發(fā)射模塊輸入端，然后再轉(zhuǎn)換為光信號傳輸，從而完成了整個電信號到光信號的轉(zhuǎn)換過程[3]。

　　圖3中多路信號分離器的作用是將輸入端工作時鐘頻率為622MHz的16路數(shù)據(jù)總線，經(jīng)過16到10的幀復(fù)用后，轉(zhuǎn)換為10路信號。在多路信號分離器中，先將16×622Mb/s的STM-4信號以字節(jié)為單位讀入到幀寄存器中，再按照先入先出的順序依次映射入1～10個信道中，幀n的第一個字節(jié)A11從信道1傳輸，后面的字節(jié)A12～A110依次映射進(jìn)2～10信道，A111再回到信道1，依照這樣的順序，直到整個幀的映射完成，再進(jìn)行第n＋1幀的操作，如圖4所示：

　　保護(hù)信道的產(chǎn)生是對10個數(shù)據(jù)信道進(jìn)行字節(jié)式異或邏輯（XOR）處理產(chǎn)生一個奇偶校驗位，通過信道11傳輸。在接收端對1－10信道進(jìn)行相同的異或邏輯處理，將計算得到的校驗結(jié)果與接收到的校驗值進(jìn)行核對，如果一致表明信道傳輸正常；若出現(xiàn)差異，就說明相應(yīng)的信道傳輸失敗，于是可在接收端發(fā)出指令要求在信道11對丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

　　在VSR4-1.0協(xié)議中，采用循環(huán)冗余碼校驗法（CRC，Cyclic Redundancy Check）對第1～11路信道進(jìn)行校驗，并將校驗結(jié)果由信道12傳輸，信道12也被稱為錯誤檢測信道（EDC）。CRC校驗實際上是利用除法及余數(shù)的原理來進(jìn)行錯誤檢測的。在每個信道中以24個字節(jié)為單位定義成一個“虛擬數(shù)據(jù)塊”，計算時虛擬數(shù)據(jù)塊作為被除式，校驗碼（即除式）采用了CCITT CRC16多項式（X16+X12+X5+1），運算后將編碼結(jié)果（16個比特）順序放入第12路，共計22個字節(jié)，最后的23和24字節(jié)由前22個字節(jié)再次進(jìn)行CRC編碼生成，如圖5所示。

　　由于在整個并行傳輸?shù)倪^程中，每個信道到達(dá)接收模塊的時延并不相同，從而產(chǎn)生斜移，因此在每個信道中增加了幀的定界符，可以用來在接收時重新定位——去斜移。每個信道的前三個A1字節(jié)均替換填充了特殊的經(jīng)8B/10B轉(zhuǎn)換的代碼字節(jié)來形成一個幀的定界符，以便于接收時的信號識別和提取。第一個A1字節(jié)用K28.5代碼字節(jié)代替，第二個A1字節(jié)為D3.1或者D21.2字節(jié)代替，第三個A1字節(jié)為K28.5。其中1～6路和7～12路采用不同的8B/10B編碼替換，目的在于能夠使接收端自動區(qū)分傳輸光纖帶是否出現(xiàn)了對稱交叉。如果出現(xiàn)對稱交叉，接收端通過相應(yīng)電路，自動調(diào)整使得輸出的字節(jié)按正確的順序排列。因此使用中可以不考慮光纖帶中存在的對稱交叉。這樣經(jīng)過8B/10B編碼和幀定界符替換之后的12路信號如圖6所示：

　　接收部分的信號轉(zhuǎn)換電路與發(fā)射部分相近，只是信號的轉(zhuǎn)換步驟要逆向進(jìn)行，即接收模塊將接收到的12×1.25 Gb/ s光信號轉(zhuǎn)換成的電信號并輸入到轉(zhuǎn)換器，由于此時每路的電信號是單個比特的傳送，先要經(jīng)過串并行轉(zhuǎn)換成10位字節(jié)，再經(jīng)過8b/10b的編碼轉(zhuǎn)換成8位字節(jié)，根據(jù)每個信道中的定界符對數(shù)據(jù)重新排列組合，最終聚合成帶寬622MHz， 16bit字節(jié)長度的數(shù)據(jù)總線。光發(fā)射和接收模塊：

　　圖7為一簡單的光發(fā)射模塊功能原理圖，主要由LVDS電平輸入裝置（也可以是其它形式的差分信號）、1×12VCSEL列陣、驅(qū)動電路和控制電路組成，由轉(zhuǎn)換器端輸入的電信號先經(jīng)過LVDS電平轉(zhuǎn)換，得到的低壓差分信號傳送到驅(qū)動電路部分用來驅(qū)動VCSEL二極管發(fā)光，然后光發(fā)射模塊將12路光信號射入由12根光纖組成的帶狀光纖中，從而完成整個光發(fā)射的功能。

　　光接收模塊的功能如圖8所示。光接收模塊的主要組成包括光電探測器陣列、前置放大器、增益放大器、信號檢測電路以及LVDS信號輸出設(shè)備。光接收模塊的工作流程與光發(fā)射模塊相反，光信號從光纖陣列傳輸至光接收模塊，經(jīng)耦合器入射到光電探測器陣列的光敏面上。通過光電探測器陣列的識別和提取，轉(zhuǎn)換成隨時間變化的電信號，然后再通過前置放大器和增益放大器將微弱的電信號進(jìn)行放大，其中的前置放大器主要起到減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲的作用，最后轉(zhuǎn)換成LVDS電平輸出。信號檢測電路上附加的輸出通道（SD1～SD12）表征著從信道1～12的光輸入信號是否正在輸入。當(dāng)在ENSD端置低電平時，檢測電路停止工作，被禁用的檢測電路也將在輸出端產(chǎn)生一個有效電平。

4 VSR技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

　　除了核心網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)邊緣的應(yīng)用以外，目前的市場，帶寬需求和技術(shù)都已顯示出有必要把SDH技術(shù)帶入接入網(wǎng)乃至用戶駐地網(wǎng)領(lǐng)域，使SDH的接口更加靠近用戶。近來開發(fā)成功的甚短距離傳輸技術(shù)(VSR)就是這一應(yīng)用趨勢的具體體現(xiàn)。開發(fā)這種技術(shù)的目的是為了采用最經(jīng)濟(jì)的光技術(shù)在短距離通信上占據(jù)市場，其技術(shù)關(guān)鍵是垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL) [4]。這是一種從垂直放置的諧振腔的上表面發(fā)射光的激光器，從工作原理看，VCSEL與普通激光器沒有什么不同，只是將諧振腔旋轉(zhuǎn)90度后產(chǎn)生的一種完全不同的激光器。其主要特點是采用圓形窄波束，耦合效率高，電光轉(zhuǎn)換效率高，不需要溫控，功耗小，設(shè)計簡單，尺寸小，可以在同一器件上制造2~16個VCSEL陣列，因此可以用來制造出低成本、高速率的發(fā)射機(jī)。正因為采用了850nm的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），CMOS工藝的串并行轉(zhuǎn)換器，與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，大大降低了成本，其成本只有10Gb／s收發(fā)器的25％，在未來3年左右仍然比10Gb／s收發(fā)器便宜，具有很強(qiáng)的競爭力。通過采用這個高性價比的互聯(lián)方案，生產(chǎn)廠家也能夠設(shè)計更多的可持續(xù)升級的網(wǎng)絡(luò)體系，VSR4的體系結(jié)構(gòu)還能為今后的40Gb/s甚至更高速率的局間互連奠定基礎(chǔ)[5]。

　　從CISCO公司2000年底發(fā)布第一個產(chǎn)品，在不過3年的時間里，VSR技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)在通信領(lǐng)域的一個熱門技術(shù)。由于這一技術(shù)主要面向?qū)嶋H市場應(yīng)用，因此在國際標(biāo)準(zhǔn)公布的同時，相關(guān)產(chǎn)品很快推出。其光收發(fā)模塊具有低功耗、小封裝等特點。例如，廉價的10Gb/s并行VCSEL光收發(fā)模塊迅速推向市場。EMCORE公司2002年的VSR

　　Transponder產(chǎn)品MTR8500/9500（如圖9所示），符合OIF的VSR4-1.0，體積只有56mm×82mm×13.5mm。CoreOptic的2002年的VSR2000－3R2/3/5產(chǎn)品，符合ITU-T的VSR2000標(biāo)準(zhǔn)，速率為40Gb/s，串行傳輸。目前國內(nèi)VSR的研究也在積極的展開，中科院半導(dǎo)體所與東南大學(xué)合作已成功開發(fā)出了10Gbit/s并行光傳輸VSR光模塊[6][7]。相信在不久的將來，國內(nèi)將開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的VSR產(chǎn)品，勢必將進(jìn)一步推動VSR技術(shù)在中國的應(yīng)用和普及。

　　并行光互連是目前VSR采用的主流技術(shù)——采用點對點的光纖帶連接。不僅在承載SDH/SONET上使用了多模光纖帶，多通道千兆以太網(wǎng)、多通道XAUI擴(kuò)展接口，以及4通道、12通道的InfiniBand模塊均趨向于采用并行光互連技術(shù)，每一通道的速率在1Gb/s到3.125Gb/s之間。隨著VCSEL調(diào)制速率的充分挖掘，單通道速率將向5到10Gb/s發(fā)展，系統(tǒng)總帶寬將超過120Gb/s。廉價的VCSEL收發(fā)器和多模光纖的組合是目前VSR技術(shù)的主要工作方式。這種組合可以勝任10Gb/s到40Gb/s的甚短距離傳輸需要。今后1310nm和1550nm窗口VCSEL技術(shù)的成熟不僅會對甚短距離傳輸帶來實質(zhì)性的變化，對于骨干網(wǎng)乃至整個光通信技術(shù)都會有重要的影響。

　　VSR4的幾種標(biāo)準(zhǔn)都是面向短距離內(nèi)的STM—64幀的互連需求提出的。廣義的VSR應(yīng)該包括任何短距離上的光互連，不必拘于10Gb/s的傳輸速率和某種特定的數(shù)據(jù)格式。任何已經(jīng)成功的短距離傳輸?shù)募夹g(shù)都可以在其中得到應(yīng)用，只要滿足距離和速率的要求，所要做的只是重新設(shè)計信號轉(zhuǎn)換芯片或電路而已。因此在其他領(lǐng)域，如大型高速計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換、光以太網(wǎng)和遠(yuǎn)程自動控制等也有其應(yīng)用價值[8]。速率為10Gb/s 的OC-192鏈路系統(tǒng)是當(dāng)前光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流，由于光接口器件在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)量巨大，并行VSR接口以其在成本上的絕對優(yōu)勢和相對穩(wěn)定的性能吸引了眾多光電子和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的注意。盡管三年內(nèi)串行VSR光接口的價格有可能降到具有競爭性，但并行VSR光接口及傳輸系統(tǒng)作為第一代的VSR光設(shè)備將開創(chuàng)先河，作為一種很有前途的技術(shù)將得到更多廠商的認(rèn)可，這些都將使VSR并行光傳輸系統(tǒng)在短期內(nèi)獲得相當(dāng)程度的普及，未來具有重要的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

　　VSR技術(shù)是隨著人們對信息量需求的增大而出現(xiàn)的，特別是10Gb/s光傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)邊緣化，促使VSR技術(shù)迅速發(fā)展。VSR技術(shù)自身眾多的優(yōu)點決定了這項技術(shù)在甚短距離傳輸、光互連應(yīng)用方面獨特的優(yōu)勢。隨著國內(nèi)對VSR技術(shù)關(guān)注和研究的升溫，VSR技術(shù)的不斷成熟和廣泛的應(yīng)用將迎來一個美好的明天。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：賀傳峰，男，1979年1月生，博士研究生，主要從事光纖通信系統(tǒng)的研究。

摘自　光纖新聞網(wǎng)

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