支持靈活譜利用的超大容量全光網(wǎng)體系結構研究[圖]

摘要：隨著超高速光傳輸技術的發(fā)展，支撐100 Gbit/s以及更高速率的組網(wǎng)應用成為全光網(wǎng)研究的關鍵。文章提出支持靈活譜利用的超大容量全光網(wǎng)體系結構。該結構根據(jù)端口實際需要編程配置光通道帶寬并實現(xiàn)全光交換，突破波分復用（WDM）對通道帶寬的限制，解決超高速率光信號的傳送問題。同時，支持面向精細顆粒帶寬的全光譜域分割和疏導控制與管理，實現(xiàn)光層資源虛擬化與按需配置，提高光纖帶寬利用率。

20世紀末，互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展、方興未艾；21世紀初，物聯(lián)網(wǎng)開始浮出水面、引領潮流。以建設寬帶、安全、泛在、融合的新一代信息基礎設施為載體，不同國家、不同文化、不同領域、不同行業(yè)被一“網(wǎng)”打盡，形成了跨國界、跨語言、跨人機、跨應用的虛擬化空間，滿足了人與人、人與物、物與物的互動性要求。隨著人們對信息的需求急劇增加，信息量像原子裂變一樣呈爆炸式增長。據(jù)Cisco VNI預測，2009—2014年全球IP數(shù)據(jù)量將增加3倍以上，達到0.767澤字節(jié)（1澤字節(jié)=1021字節(jié)），人類社會正向澤字節(jié)時代邁進。

上述預測同時表明視頻信息增長十分迅速，視頻通信是未來網(wǎng)絡業(yè)務需求的主要來源。到2014年，各類視頻流量將超過全網(wǎng)業(yè)務總量的91%。以高分辨率視頻傳輸為代表的巨帶寬業(yè)務，例如高質量視頻流分發(fā)、商業(yè)視頻會議、遠程醫(yī)療支持系統(tǒng)、大型存儲系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)鏡像等，具有大容量、低延時、端到端、通道化、動態(tài)靈活的業(yè)務特征，對光網(wǎng)絡基礎設施的傳送能力提出了更高要求。

當前，中國信息通信產(chǎn)業(yè)持續(xù)高速發(fā)展。截至2011年6月底，中國移動電話用戶為9.2億，固定電話用戶為2.9億，網(wǎng)民總人數(shù)為4.85億；基礎電信企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)國際出口帶寬達到1.2 Tbit/s。此外已建成輻射中國的通信光網(wǎng)絡，長度逾1 000萬km。隨著信息產(chǎn)業(yè)與工業(yè)應用領域的進一步結合，可以預測“十二五”期間中國通信業(yè)務需求將會有更大幅度增長，網(wǎng)絡建設規(guī)模也將繼續(xù)擴大，尤其是下一代互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展具有很大空間。在大力建設光纖基礎設施的同時，如何充分利用帶寬資源，構建動態(tài)、高效、低耗的全光網(wǎng)絡，對促進經(jīng)濟社會持續(xù)、健康、和諧發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。

支持靈活光譜利用的超大容量全光網(wǎng)技術突破了傳統(tǒng)波長通道的剛性限制，使得通道帶寬能夠按需提供，在真實的業(yè)務需求與網(wǎng)絡提供的通道帶寬之間實現(xiàn)最佳的匹配。一方面，根據(jù)端口實際需要可編程配置光路帶寬并實現(xiàn)全光交換，突破WDM對通道帶寬的限制，解決超高速率光信號的傳送問題；另一方面，支持面向精細顆粒帶寬的全光譜域分割和疏導控制與管理，實現(xiàn)光層資源虛擬化與按需配置，可以提高光纖帶寬利用率，降低網(wǎng)絡節(jié)點處理的整體功耗。

1 全光網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與問題

由于光子作用機理的特殊性，全光網(wǎng)和以電交換為主的傳統(tǒng)光網(wǎng)絡結構存在很大區(qū)別。早在20世紀90年代，隨著波分復用（WDM）技術的崛起，全光網(wǎng)研究開始引起人們的極大關注。WDM技術將光纖的可用帶寬通道化，提出了端到端的透明波長通道的概念，提供了利用光纖帶寬資源的有效方法�；�于WDM的全光網(wǎng)方案已成為主流，被納入到光傳送體系（OTH）當中，成為光傳送網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢。那么，WDM光網(wǎng)絡是否能夠解決傳送網(wǎng)當前面臨的所有問題？是否能夠滿足未來發(fā)展的各種要求？下面對WDM光網(wǎng)絡的現(xiàn)狀特點進行分析。

WDM光網(wǎng)絡利用波長選路技術，實現(xiàn)端到端的全光連接，波長通道是信號傳輸與帶寬調度的基本單位。其現(xiàn)狀特點可以概括為：

（1）基于WDM的可重構光分插復用（ROADM）節(jié)點只具備固定波長選擇交叉能力。

（2）光層無法實現(xiàn)面向波長通道的子波長級全光處理，需要利用光傳送網(wǎng)的電層交換功能來完成多層映射與疏導過程。

（3）波長交換光網(wǎng)絡的通用多協(xié)議標記交換自動交換光網(wǎng)絡（GMPLS/ASON）控制平面，僅能滿足波長級通道的動態(tài)建立、拆除和智能調度等要求。通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)WDM全光網(wǎng)存在的一個根本性問題：為了降低組網(wǎng)實現(xiàn)難度，在帶寬分配與性能管理上采用了“一刀切”模式，即通道間隔、信號速率與格式等參數(shù)都是固定不變的。這一問題導致了WDM全光網(wǎng)靈活性不高、帶寬浪費嚴重、能耗效率低下，已不能適應未來大容量、高速率、可擴展的光層傳送需要。

上述問題的具體表現(xiàn)如下：

（1）在建立波長通道時，不能因地制宜根據(jù)用戶容量的實際要求分配可用帶寬資源，造成波長整體利用率下降。按照WDM標準只有位于規(guī)定柵格位置的波長可以分配給用戶，而均勻的波長間隔直接決定了通道可用帶寬大小，與用戶容量和數(shù)據(jù)速率無關。目前的波長路由全光網(wǎng)在建立波長通道時已分配了固定的光路帶寬，必然存在超量配置現(xiàn)象，如果節(jié)點之間的流量低于波長可用容量將導致帶寬浪費。例如：10G和40G的不同數(shù)據(jù)速率同樣采用50 GHz的標準通道間隔，顯然傳輸10G信號時通道帶寬沒有得到充分利用。

（2）波長通道一旦建立，其光層可用帶寬是不能動態(tài)調整的，從而難以適應業(yè)務和網(wǎng)絡性能靈活變化的需要。由于當前波長通道光發(fā)射/接收機的工作速率以及中間轉發(fā)節(jié)點的交叉帶寬間隔都是固定的，不能及時響應用戶容量的變化，按需增加或減少波長通道占據(jù)的帶寬，提高光纖利用率。同時，固定通道帶寬限制對全光組網(wǎng)的生存性也會帶來不利影響，一條失效光路只有在迂回路由帶寬相等或超出原始帶寬的條件下才能得到恢復。

（3）由于光纖損傷影響，不同速率、格式的全光信號具有不同傳輸性能，物理屬性固定配置的波長通道無法滿足光路重構引起的傳輸質量動態(tài)可變要求。例如：全光交換造成端到端波長通道的路徑變化，使得交換前后傳輸距離增加或縮短，接收端的信號質量也會相應發(fā)生改變。傳統(tǒng)的波長通道由于光層物理屬性固定配置，無法自動適應這一變化，需要引入針對信號速率、格式等的動態(tài)調整能力，以最大程度地匹配光路傳輸條件，優(yōu)化通道性能。

概括起來，該問題本質上是因為光層提供的波長通道是剛性的，不是柔性的；WDM頻譜規(guī)劃是均勻的，不是靈活的；對光路交換的智能控制是連接約束的，不是傳輸約束的。如何根據(jù)用戶需求合理地分配全光網(wǎng)帶寬資源是解決這一問題的關鍵。WDM全光網(wǎng)之所以采取“一刀切”模式，究其原因是缺少光層帶寬調整、性能監(jiān)測與調節(jié)、動態(tài)網(wǎng)絡控制和管理能力，已不能客觀適應未來網(wǎng)絡發(fā)展需要，必須從體系上突破WDM剛性帶寬管道提供模式的制約，從技術上尋求提高全光網(wǎng)資源整體利用率的解決方案[1-4]。

2 支持靈活譜利用的超大容量全光網(wǎng)體系結構

隨著網(wǎng)絡架構的扁平化，40G市場窗口被壓縮，100G需求將在2012年后逐漸成為主導，2015年前后可能開始規(guī)模應用，并成為干線網(wǎng)的主要傳輸速率，實現(xiàn)低成本、大容量、長距離的快速直達通道。目前100G系統(tǒng)尚未成熟，面臨著一系列技術挑戰(zhàn)。最核心的挑戰(zhàn)就是要在現(xiàn)有傳送網(wǎng)10G速率基礎網(wǎng)絡架構上容納100G系統(tǒng)。業(yè)界將長期面臨10/40/100G共存的局面，需要綜合考慮這3者的協(xié)調發(fā)展、引入節(jié)奏和長遠架構。未來全光網(wǎng)技術必須滿足10/40/100G和更高速率混合傳輸?shù)男枰��?/p>

隨著業(yè)務流量的持續(xù)增長，超過100G的傳輸速率成為下一步人們關注的熱點。針對單通道400G、1T方案，在全球已經(jīng)開始了實驗研究和技術驗證。這些更高速率的傳輸信號提出“超波長”的需求，在現(xiàn)有標準WDM通道間隔上，即使采用多種復用方式與復雜的調制格式，也很難支持超100G業(yè)務的應用和發(fā)展。未來的新型全光網(wǎng)技術，必須滿足100G以上超高速率組網(wǎng)的需要。

隨著路由器之間大規(guī)�；ヂ�(lián)的發(fā)展，全光旁路（Bypass）將發(fā)揮更大的作用。通過建立全光的直達通道連接，可以大大減輕路由器的信息轉發(fā)壓力，提高網(wǎng)絡效率、降低網(wǎng)絡成本。由于波長通道的剛性限制，使得通道帶寬無法按需提供，不能在真實的業(yè)務需求與網(wǎng)絡提供的通道帶寬之間實現(xiàn)最佳的匹配。如何有效地填充旁路的全光連接資源成為一個突出的問題。未來的新型全光網(wǎng)技術，必須滿足全光旁路路徑上流量匯聚與疏導靈活性的需要。

針對上述需求挑戰(zhàn)，圖1給出了一種支持靈活譜利用的新型全光網(wǎng)體系結構。與傳統(tǒng)WDM光網(wǎng)絡相比，該方案突破了基于固定帶寬間隔的波長光通道限制，通過靈活的帶寬適配、動態(tài)譜域處理技術等實現(xiàn)了全光交換和全光組網(wǎng)能力，極大提高了光網(wǎng)絡帶寬資源利用效率。以下從3個方面分析描述支持靈活譜利用的全光網(wǎng)體系結構。

2.1 帶寬靈活可變光通道的接口與映射方式

為了滿足靈活帶寬業(yè)務的承載需求，針對全光網(wǎng)頻譜資源分配彈性可變的新特點，采用譜域切片、譜域組合、譜域壓縮等全光譜域處理技術，實現(xiàn)可變速率、可變格式、可變通道間隔的光通道標準化接口和映射功能。主要技術包括：支持靈活譜利用的全光網(wǎng)功能建模、可變速率、可變格式和可變帶寬的光發(fā)射機/光接收機技術等。

2.2 可編程通道間隔與中心頻率的全光交換模式

為了突破ITU-T固定通道間隔的限制，基于靈活柵格設計，提出可編程通道間隔與中心頻率的全光交換模式，實現(xiàn)滿足方向無關、波長無關、競爭無關、柵格無關等要求的大容量、多維度、多方向全光節(jié)點方案。通過采用高性能的可編程光路選擇濾波集成組件技術，支持網(wǎng)狀網(wǎng)中不同間隔和碼型信號的靈活交換處理，具備光通道功率控制和色散控制能力。主要技術包括：光譜帶寬靈活調整策略、超大容量可變帶寬光收發(fā)和光交換等集成單元構件設計、全光通路性能監(jiān)測與跟蹤標識等。涉及到光通道帶寬可編程濾波技術等。

2.3 全光網(wǎng)的控制與管理機制

針對可變帶寬和動態(tài)連接的需求，提出支持靈活譜利用的全光網(wǎng)智能控制與管理機制，主要包括統(tǒng)一智能控制平面、增強信令機制、選路和頻譜分配算法、損傷感知策略、網(wǎng)絡生存性、光交換節(jié)點保護和容錯機制、業(yè)務驅動的全光連接控制等技術。支持光交換節(jié)點性能監(jiān)測、節(jié)點間協(xié)同控制與資源配置等機制的研究和實現(xiàn)。

3 帶寬靈活可變光網(wǎng)絡的關鍵技術

近年來，光傳送網(wǎng)（OTN）、分組傳送網(wǎng)（PTN）和100G高速傳輸?shù)暮诵募夹g及標準取得了較大進展，從很大程度上滿足了超大容量通信、靈活高效組網(wǎng)、電路和分組信息傳送兼顧等方面的需求。從干線網(wǎng)的未來發(fā)展來看，全光網(wǎng)正在向更高層次方向演進，呈現(xiàn)出由靜態(tài)聯(lián)網(wǎng)向動態(tài)交換、由較低傳輸速率水平向超高速率通道傳輸、由原始帶寬提供向智能帶寬提供的若干趨勢。上述支持靈活譜利用的全光網(wǎng)體系結構可以針對當前網(wǎng)絡面臨的“瓶頸”制約和基礎架構性挑戰(zhàn)，解決實現(xiàn)超大信息容量和超高速率光交換的核心問題。其關鍵技術包括基于多載波調制的光收發(fā)技術、彈性可變的自適應調節(jié)技術、多約束條件下的路由與頻譜資源分配技術、帶寬碎片整理與頻譜重構技術等。

3.1 基于多載波調制的光收發(fā)技術

典型的多載波調制包括光正交頻分復用（OOFDM）技術和奈奎斯特波分復用技術。以OOFDM為例，滿足一定速率、帶寬需求的客戶信號經(jīng)過調制后具有不同的基帶子載波數(shù)目，每個基帶子載波在保證正交性的同時可以采用不同進制的調制格式。如何利用多載波生成系統(tǒng)對各基帶射頻信號分別進行光路同相/正交（IQ）調制，得到全光正交子載波信號，進而復用匯聚形成帶寬、速率、格式可靈活調整的透明光通道，以及如何在接收端通過全光子載波解復用和相干接收處理，最終實現(xiàn)基于正交光子載波的多址接入、OFDM解調和相關損傷的補償，是支持靈活譜利用的全光網(wǎng)必須首要解決的問題。

3.2 彈性可變的自適應調節(jié)技術

彈性可變是支持靈活譜利用的超大容量全光網(wǎng)的一大特征，其核心在于可以根據(jù)業(yè)務質量與網(wǎng)絡狀態(tài)需求對端口速率、調制格式和頻譜資源進行動態(tài)調節(jié)。此外，不同于光電混合傳送網(wǎng)絡的流量疏導過程是在電層中進行的，頻譜靈活光網(wǎng)絡的流量疏導是以光正交頻分復用信號形式進行匯聚和疏導的，不同業(yè)務的光子載波在匯聚過程中會產(chǎn)生串擾�？紤]上述流量疏導過程中可能產(chǎn)生的光信號串擾問題，需要一種自適調節(jié)應技術，針對不同的業(yè)務發(fā)射機進行自適應的調節(jié)，最終滿足信號傳輸?shù)囊�求。該技術主要包括自適應測評功能，硬件調節(jié)功能，分布式連接請求建立功能，網(wǎng)絡信息同步功能等。通過節(jié)點中的自適應測評功能，進行發(fā)射機參數(shù)的計算，根據(jù)計算結果調節(jié)發(fā)射機參數(shù)。

3.3 多約束條件下的路由與頻譜資源分配技術

與波長路由光網(wǎng)絡中的波長分配不同，在帶寬靈活可變光網(wǎng)絡中，選路和頻譜資源分配（RSA）需要考慮3個約束條件：頻譜一致性、頻譜連續(xù)性、頻譜伸縮性。例如，利用光正交頻分復用技術，可以將光通道分割成若干子載波，由這些子載波攜帶需要傳遞的用戶信息。每條光通道在頻譜域上實際由多個連續(xù)的正交子載波構成，形成了切片，它的傳輸容量與子載波的數(shù)目以及子載波上調制的信號速率密切相關。由于允許從光通道中增加或者刪除任意數(shù)量的子載波，因此光通道實際占據(jù)的通道帶寬能夠根據(jù)用戶流量需求的變化而動態(tài)擴展或者壓縮。其中會涉及到RSA體系方案，以及流量感知和損傷感知的RSA算法等。

3.4 帶寬碎片整理與頻譜重構技術

由于業(yè)務到達及持續(xù)時間具有較大隨機性，一段時間后頻譜資源狀態(tài)將變得雜亂無序，出現(xiàn)很多帶寬碎片。這些碎片在頻譜上因為其不連續(xù)性而不能分配給新的業(yè)務，一旦數(shù)量過多就會造成很大的頻譜資源浪費。如果將其整合成連續(xù)的頻譜，則可以分配給新業(yè)務使用，從而提高頻譜資源的整體利用率。該整合過程即為頻譜重構，其最基本的目標就是將業(yè)務已經(jīng)使用的頻譜資源集中化，將未使用的頻譜資源連續(xù)化。本質上頻譜資源碎片重構技術是對網(wǎng)絡資源進行優(yōu)化，它又可以分為網(wǎng)絡局部重構和網(wǎng)絡整體重構。

4 結束語

全光網(wǎng)技術是超大容量組網(wǎng)的迫切需要，是綠色通信發(fā)展的必然趨勢，是網(wǎng)絡安全保障的重要環(huán)節(jié)。隨著業(yè)務IP化和高帶寬應用的發(fā)展，對光層動態(tài)化和智能性提出了更高要求。由于帶寬需求激增而導致設備功耗非線性增長，低功耗的全光技術成為主流方向。支持靈活譜利用的超大容量全光網(wǎng)技術突破了傳統(tǒng)波長通道的剛性限制，使得通道帶寬能夠按需提供，并在真實的業(yè)務需求與網(wǎng)絡提供的通道帶寬之間實現(xiàn)最佳的匹配，具有重要意義。

5 參考文獻

[1] JINNO M, TAKARA H, KOZICKI B, et al. Spectrum-efficient and scalable elastic optical path network: Architecture, benefits, and enabling technologies [J]. IEEE Communications Magazine, 2009,47（11）： 66-73.

[2] AMAYA N, IRFAN M, ZERVAS G, et al. Gridless optical networking field trial: Flexible spectrum switching, defragmentation and transport of 10G/40G/100G/555G over 620-km field fiber [C]//Proceedings of the 37th European Conference on Optical Communication（ECOC'11）， Sep 18-22,2011, Geneva, Switzerland. Piscataway, NJ, USA:IEEE, 2011: Th.13.K.1.

[3] KOZICKI B, TAKARA H, TSUKISHIMA Y, et al. Experimental demonstration of spectrum-sliced elastic optical path network （SLICE） [J]. Optics Express, 2010, 18（21）： 22105-22118.

[4] GEISLER D J, PROIETTI R, YIN Y, et al. The first testbed demonstration of a flexible bandwidth network with a real-time adaptive control plane [C]//Proceedings of the 37th European Conference on Optical Communication （ECOC'11）， Sep 18-22,2011, Geneva, Switzerland. Piscataway, NJ, USA:IEEE, 2011: Th.13.K.2.