支持靈活譜利用的超大容量全光網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究

　　摘要：隨著超高速光傳輸技術(shù)的發(fā)展，支撐100 Gbit/s以及更高速率的組網(wǎng)應(yīng)用成為全光網(wǎng)研究的關(guān)鍵。文章提出支持靈活譜利用的超大容量全光網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)根據(jù)端口實(shí)際需要編程配置光通道帶寬并實(shí)現(xiàn)全光交換，突破波分復(fù)用(WDM)對通道帶寬的限制，解決超高速率光信號(hào)的傳送問題。同時(shí)，支持面向精細(xì)顆粒帶寬的全光譜域分割和疏導(dǎo)控制與管理，實(shí)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(jì)末，互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展、方興未艾；21世紀(jì)初，物聯(lián)網(wǎng)開始浮出水面、引領(lǐng)潮流。以建設(shè)寬帶、安全、泛在、融合的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施為載體，不同國家、不同文化、不同領(lǐng)域、不同行業(yè)被一“網(wǎng)”打盡，形成了跨國界、跨語言、跨人機(jī)、跨應(yīng)用的虛擬化空間，滿足了人與人、人與物、物與物的互動(dòng)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(yù)測，2009—2014年全球IP數(shù)據(jù)量將增加3倍以上，達(dá)到0.767澤字節(jié)(1澤字節(jié)=1021字節(jié))，人類社會(huì)正向澤字節(jié)時(shí)代邁進(jìn)。

　　上述預(yù)測同時(shí)表明視頻信息增長十分迅速，視頻通信是未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)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(wù)總量的91%。以高分辨率視頻傳輸為代表的巨帶寬業(yè)務(wù)，例如高質(zhì)量視頻流分發(fā)、商業(yè)視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程醫(yī)療支持系統(tǒng)、大型存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)鏡像等，具有大容量、低延時(shí)、端到端、通道化、動(dòng)態(tài)靈活的業(yè)務(wù)特征，對光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的傳送能力提出了更高要求。

　　當(dāng)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(dòng)電話用戶為9.2億，固定電話用戶為2.9億，網(wǎng)民總?cè)藬?shù)為4.85億；基礎(chǔ)電信企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)國際出口帶寬達(dá)到1.2 Tbit/s。此外已建成輻射中國的通信光網(wǎng)絡(luò)，長度逾1 000萬km。隨著信息產(chǎn)業(yè)與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步結(jié)合，可以預(yù)測“十二五”期間中國通信業(yè)務(wù)需求將會(huì)有更大幅度增長，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模也將繼續(xù)擴(kuò)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(shè)光纖基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)，如何充分利用帶寬資源，構(gòu)建動(dòng)態(tài)、高效、低耗的全光網(wǎng)絡(luò)，對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(shù)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(shí)的業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)提供的通道帶寬之間實(shí)現(xiàn)最佳的匹配。一方面，根據(jù)端口實(shí)際需要可編程配置光路帶寬并實(shí)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(hào)的傳送問題；另一方面，支持面向精細(xì)顆粒帶寬的全光譜域分割和疏導(dǎo)控制與管理，實(shí)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(luò)節(jié)點(diǎn)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(jī)理的特殊性，全光網(wǎng)和以電交換為主的傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在很大區(qū)別。早在20世紀(jì)90年代，隨著波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的崛起，全光網(wǎng)研究開始引起人們的極大關(guān)注。WDM技術(shù)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(dāng)中，成為光傳送網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢。那么，WDM光網(wǎng)絡(luò)是否能夠解決傳送網(wǎng)當(dāng)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(luò)的現(xiàn)狀特點(diǎn)進(jìn)行分析。

　　WDM光網(wǎng)絡(luò)利用波長選路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)端到端的全光連接，波長通道是信號(hào)傳輸與帶寬調(diào)度的基本單位。其現(xiàn)狀特點(diǎn)可以概括為：

　　(1)基于WDM的可重構(gòu)光分插復(fù)用(ROADM)節(jié)點(diǎn)只具備固定波長選擇交叉能力。

　　(2)光層無法實(shí)現(xiàn)面向波長通道的子波長級(jí)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(dǎo)過程。

　　(3)波長交換光網(wǎng)絡(luò)的通用多協(xié)議標(biāo)記交換自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(GMPLS/ASON)控制平面，僅能滿足波長級(jí)通道的動(dòng)態(tài)建立、拆除和智能調(diào)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(gè)根本性問題：為了降低組網(wǎng)實(shí)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(hào)速率與格式等參數(shù)都是固定不變的。這一問題導(dǎo)致了WDM全光網(wǎng)靈活性不高、帶寬浪費(fèi)嚴(yán)重、能耗效率低下，已不能適應(yīng)未來大容量、高速率、可擴(kuò)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(shí)，不能因地制宜根據(jù)用戶容量的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)。目前的波長路由全光網(wǎng)在建立波長通道時(shí)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(diǎn)之間的流量低于波長可用容量將導(dǎo)致帶寬浪費(fèi)。例如：10G和40G的不同數(shù)據(jù)速率同樣采用50 GHz的標(biāo)準(zhǔn)通道間隔，顯然傳輸10G信號(hào)時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)整的，從而難以適應(yīng)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)性能靈活變化的需要。由于當(dāng)前波長通道光發(fā)射/接收機(jī)的工作速率以及中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的交叉帶寬間隔都是固定的，不能及時(shí)響應(yīng)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(shí)，固定通道帶寬限制對全光組網(wǎng)的生存性也會(huì)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(fù)。

　　(3)由于光纖損傷影響，不同速率、格式的全光信號(hào)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(gòu)引起的傳輸質(zhì)量動(dòng)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(hào)質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)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(dòng)適應(yīng)這一變化，需要引入針對信號(hào)速率、格式等的動(dòng)態(tài)調(diào)整能力，以最大程度地匹配光路傳輸條件，優(yōu)化通道性能。