甚短距離（VSR）傳輸技術發展現狀及其應用

2019-11-03 09:02:03

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供稿：網友

賀傳峰戴居豐毛陸虹

天津大學電子信息工程學院光纖通信研究所

光電信息技術科學教育部重點實驗室

　　摘要：甚短距離傳輸(VSR)是一種用于短距離(約300 m~600m)內進行數據傳輸的光傳輸技術。它主要應用于網絡中的交換機、核心路由器(CR)、光交叉連接設備（OXC）、分插復用器(ADM)和波分復用(WDM)終端等不同層次設備之間的互連，具有構建方便、性能穩定和成本低等優點，是光通信技術發展的一個全新領域，逐漸成為國際通用的標準技術，成為全光網的一個重要組成部分。本文將對該技術的發展現狀和應用前景做簡單的介紹。

　　關鍵字：甚短距離傳輸；光互連；并行光通信技術　中圖分類號：TN929.11

1 引言

　　甚短距離傳輸技術是2000年由美國《Telecommunications》雜志評選出的當年電信領域十大熱門技術之一。所謂甚短距離是指在電信局內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，所采用的光連接技術和電接口規范同傳統的骨干網傳輸技術有很大的不同，是光通信技術發展的一個全新領域。在構建下一代高速、大容量全光通信網絡中，由于光接口器件在網絡系統中的應用數量巨大，甚短距離傳輸技術以其價格低和性能穩定的優勢，吸引了眾多光電子和網絡設備制造商的注意，逐漸成為國際通用的標準技術，是全光網的一個重要組成部分。

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

2 VSR并行傳輸系統在網絡體系中的作用

　　過去的幾年中在帶寬需求上有著爆炸性的增長，帶動了光互連產業的興起。因此，在網絡載體中將有大量的網絡組件已經并將持續被采用。這些系統跨越了OSI通信協議架構的多個層，并且包括ip路由器，MPLS，ATM以及幀中繼延遲開關和光交叉連接設備和傳輸平臺比如波分復用系統。此外，典型的網絡體系由接入網，城域網（MAN）和廣域網（WAN）組成。用戶通過接入網進入網絡體系，在通過城域網到達相應的城域網中心局（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來實現的。如圖1所示，整個體系是由無數個開關和路由器集合而成的，這些開關和路由器再和主開關和路由器相連接，再經過DWDM系統和光交叉連接系統（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備。同時，大多數鏈路的距離在300m內，這是因為大多數設備都集中在同一個建筑內。但現有的同步光網絡系統是按長距離骨干網傳輸設計的，采用的是比較昂貴的串行光發射和光接收設備。甚短距離并行光傳輸系統正是在這種情況下產生的,它仍采用SONET幀接口，并用相對低廉的并行光傳輸技術來取代昂貴的串行光傳輸，使網絡服務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)內部傳送OC-l92(10Gb/s)標準速率的需求。從圖1中不難看出VSR在網絡體系中的位置[1]。

3 VSR系統的原理和結構

　　目前在光互連網絡中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規范為例，介紹VSR系統的原理和結構[2]。

　　VSR4-1.0采用并行光傳輸的技術，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成，轉換器集成電路（Convert IC），用來完成信號的串并行轉換。發射模塊Tx由1×12的激光器列陣組成，實現12×1.25 Gb / s的電信號－光信號轉換和光輸出，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中的轉換和傳輸過程，我們對這幾個主要組件和其它相關器件的工作原理分別進行描述。

　　轉換器集成電路（Convert IC）:

　　如圖3中所示的信號轉換電路（發射部分），轉換器的輸入接口是10Gb/s低壓差分信號（LVDS）接口。轉換之前的數據總線的帶寬為622MHz，碼的格式為16bit，先按照0～7位、8～15位對其進行分解，分解后的8bit的單位字節置于緩沖器內；下一步進行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，增加數據中的高低電平變換（即“1”/“0”變換），幫助實現轉換前后的時鐘同步，此外還能有助于實現直流平衡，這是因為數據是用電壓代表的，信道可能會長時間的停留在正或負的狀態，這樣信號通路上的交流耦合元件可能會產生直流充電，造成信號的失真。而通過8b/10b的編碼，數據碼中多余的碼位可以用來平衡“1”和“0”的數量，從而避免了直流電荷的積累。編碼之后是并行到串行的轉換，這是因為經編碼后輸出的字節是并行的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。數據串行化后的速率設定為1.244 Gb/ s±20 ppm，共有12路這樣的信號。其中信道1－10用作傳輸數據信道。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的功能，用信道11檢測各數據信道的傳輸狀態，信道12校驗傳輸信息的準確性。這兩個信道實際上起到了對系統自動保護的作用。經過上述一系列的信號處理過程之后，輸出的幀信號送到發射模塊輸入端，然后再轉換為光信號傳輸，從而完成了整個電信號到光信號的轉換過程[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路數據總線，經過16到10的幀復用后，轉換為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A11從信道1傳輸，后面的字節A12～A110依次映射進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，再進行第n＋1幀的操作，如圖4所示：

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

　　在VSR4-1.0協議中，采用循環冗余碼校驗法（CRC，Cyclic Redundancy Check）對第1～11路信道進行校驗，并將校驗結果由信道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的原理來進行錯誤檢測的。在每個信道中以24個字節為單位定義成一個“虛擬數據塊”，計算時虛擬數據塊作為被除式，校驗碼（即除式）采用了CCITT CRC16多項式（X16+X12+X5+1），運算后將編碼結果（16個比特）順序放入第12路，共計22個字節，最后的23和24字節由前22個字節再次進行CRC編碼生成，如圖5所示。

　　由于在整個并行傳輸的過程中，每個信道到達接收模塊的時延并不相同，從而產生斜移，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字節均替換填充了特殊的經8B/10B轉換的代碼字節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字節用K28.5代碼字節代替，第二個A1字節為D3.1或者D21.2字節代替，第三個A1字節為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分傳輸光纖帶是否出現了對稱交叉。如果出現對稱交叉，接收端通過相應電路，自動調整使得輸出的字節按正確的順序排列。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：

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

　　圖7為一簡單的光發射模塊功能原理圖，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、驅動電路和控制電路組成，由轉換器端輸入的電信號先經過LVDS電平轉換，得到的低壓差分信號傳送到驅動電路部分用來驅動VCSEL二極管發光，然后光發射模塊將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信號輸出設備。光接收模塊的工作流程與光發射模塊相反，光信號從光纖陣列傳輸至光接收模塊，經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生一個有效電平。

4 VSR技術的發展現狀和應用前景

　　除了核心網和網絡邊緣的應用以外，目前的市場，帶寬需求和技術都已顯示出有必要把SDH技術帶入接入網乃至用戶駐地網領域，使SDH的接口更加靠近用戶。近來開發成功的甚短距離傳輸技術(VSR)就是這一應用趨勢的具體體現。開發這種技術的目的是為了采用最經濟的光技術在短距離通信上占據市場，其技術關鍵是垂直腔面發射激光器(VCSEL) [4]。這是一種從垂直放置的諧振腔的上表面發射光的激光器，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90度后產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，電光轉換效率高，不需要溫控，功耗小，設計簡單，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、高速率的發射機。正因為采用了850nm的垂直腔面發射激光器（VCSEL），CMOS工藝的串并行轉換器，與傳統的技術相比，大大降低了成本，其成本只有10Gb／s收發器的25％，在未來3年左右仍然比10Gb／s收發器便宜，具有很強的競爭力。通過采用這個高性價比的互聯方案，生產廠家也能夠設計更多的可持續升級的網絡體系，VSR4的體系結構還能為今后的40Gb/s甚至更高速率的局間互連奠定基礎[5]。

　　從CISCO公司2000年底發布第一個產品，在不過3年的時間里，VSR技術已經成為現在通信領域的一個熱門技術。由于這一技術主要面向實際市場應用，因此在國際標準公布的同時，相關產品很快推出。其光收發模塊具有低功耗、小封裝等特點。例如，廉價的10Gb/s并行VCSEL光收發模塊迅速推向市場。EMCORE公司2002年的VSR

　　Transponder產品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產品，符合ITU-T的VSR2000標準，速率為40Gb/s，串行傳輸。目前國內VSR的研究也在積極的展開，中科院半導體所與東南大學合作已成功開發出了10Gbit/s并行光傳輸VSR光模塊[6][7]。相信在不久的將來，國內將開發出具有自主知識產權的VSR產品，勢必將進一步推動VSR技術在中國的應用和普及。

　　并行光互連是目前VSR采用的主流技術——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、多通道XAUI擴展接口，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，每一通道的速率在1Gb/s到3.125Gb/s之間。隨著VCSEL調制速率的充分挖掘，單通道速率將向5到10Gb/s發展，系統總帶寬將超過120Gb/s。廉價的VCSEL收發器和多模光纖的組合是目前VSR技術的主要工作方式。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技術的成熟不僅會對甚短距離傳輸帶來實質性的變化，對于骨干網乃至整個光通信技術都會有重要的影響。

　　VSR4的幾種標準都是面向短距離內的STM—64幀的互連需求提出的。廣義的VSR應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據格式。任何已經成功的短距離傳輸的技術都可以在其中得到應用，只要滿足距離和速率的要求，所要做的只是重新設計信號轉換芯片或電路而已。因此在其他領域，如大型高速計算機之間的數據交換、光以太網和遠程自動控制等也有其應用價值[8]。速率為10Gb/s 的OC-192鏈路系統是當前光網絡技術的主流，由于光接口器件在網絡系統中的應用數量巨大，并行VSR接口以其在成本上的絕對優勢和相對穩定的性能吸引了眾多光電子和網絡設備制造商的注意。盡管三年內串行VSR光接口的價格有可能降到具有競爭性，但并行VSR光接口及傳輸系統作為第一代的VSR光設備將開創先河，作為一種很有前途的技術將得到更多廠商的認可，這些都將使VSR并行光傳輸系統在短期內獲得相當程度的普及，未來具有重要的應用前景。

5 結論

　　VSR技術是隨著人們對信息量需求的增大而出現的，特別是10Gb/s光傳輸的網絡邊緣化，促使VSR技術迅速發展。VSR技術自身眾多的優點決定了這項技術在甚短距離傳輸、光互連應用方面獨特的優勢。隨著國內對VSR技術關注和研究的升溫，VSR技術的不斷成熟和廣泛的應用將迎來一個美好的明天。

參考文獻：

1 Cisco White Paper.Very Short Reach OC-192/STM-64 Interface: Optimizing for Network Intra-POP Interconnections. P2.

2 OIF-VSR4-01.0，Very Short Reach(VSR)OC-192/STM-64IntcrfaceBased on Parallel Optics[S]．Optical Internetworking Forum，2000,18.

3 OIF-SFI4-01.0,SFI-4(OC-192 Serdes-Framer Interface) OIF-PLL-02.0—PRoposal for a common electrical interface between SONET framer and serializer／deserialize parts for OC-192 interfaces[S]．Optical Internetworking Forum，2000,26.

4 陳濤，曹明翠，羅志樣. 基于VSR技術的路由器互連. 光電子·激光，2003，第14卷，第2期：157-159.

5 韋樂平. 光通信系統技術的發展與展望. 電信技術，2002，第6期：2-6.

6 申榮鉉等. 10Gbit/s甚短距離（VSR）并行光傳輸系統. 高技術通訊，2003，第13卷，第4期：105-110.

7 王曉明等. 甚短距離光傳輸技術. 東南大學學報，2003，第33卷，第3期：257-260.

8 焦悅光，姚勁，周炳琨，張漢—. 甚短距離傳輸系統及其應用. 光電子·激光，2002，第13卷，第7期：759-762.

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的研究。

摘自　光纖新聞網

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