超100G时代 光网络向弹性和智能化迈进

    互联网、移动互联网等应用的飞速发展正在推动着光传送网的演进，从曾经的1Gb/s、10Gb/s到现在广泛应用的40Gb/s以及正在蓬勃发展的100Gb/s。当前，随着云计算、高清视频、OTT业务以及物联网的进一步发展，光传送网正面临新的挑战——如何打造适应未来业务发展需要的更高速率的光网络？为此，业界从几年前就已经启动了超100Gb/s传输技术的研究，400Gb/s甚至1Tb/s等技术开始出现在人们的视野中，超高速光传输的时代正在来临。

    随着互联网与物联网应用的高速发展，通信网络业务容量爆炸性增长，业务种类层出不穷，数据业务比重不断攀升，这都对光传送网提出了新的挑战。随着100Gb/s干线网络正在如火如荼地铺设，速率更高的超100Gb/s技术逐渐成为业界关注的热点。国内外科研机构几年前就已启动基于400Gb/s、1Tb/s甚至更高速率的超100Gb/s传输技术研究，2013年3月，IEEE 802.3 400GE标准成功立项，2014年年初，上海贝尔宣布与中国移动研究院合作完成中国首次基于商用平台的400G光传输测试。可以看出，国内运营商已经将注意力从100G投向400G的发展上，在100G刚刚迈入黄金发展期之时，超100G技术曙光已经初现。

超100G光网络面临四大挑战

    超100Gb/s传输技术的发展越来越受到业界的关注，而且未来2~3年技术研究主要以400Gb/s速率为主。然而超100G技术发展还面临着诸多挑战，后续技术演进还存在多种可能性。

 1、技术标准不统一

    40G时代，由于技术标准未统一，多种技术制式并存导致了互通性差、成本高、商用化进程慢。从400G系统的发展现状来看，存在着单载波和双载波多种技术实现方案。多技术路线选择不利于超100Gb/s未来发展，无论是客户侧还是线路侧，超100Gb/s的技术路线都面临多样化竞争方案选择，不像在100Gb/s发展中技术标准相对统一（PDM-QPSK）。目前超100Gb/s技术方案中暂时没有哪种方案明显占优，这种方案多样性将在一定程度上影响超100Gb/s整体产业的发展进程。

 2、超100G传输技术实现难度大

    传输的本质就是以更高的频谱效率和更低成本进行长距离信号传送。无论是超100Gb/s客户侧还是线路侧，在最终技术路线选择时面临的关键问题就是如何让频谱效率和传输性能尽可能在特定阶段接近某种平衡，或者说是性能与成本的平衡，这将直接影响超100G标准的发展。同时，实现超高速光电处理及芯片制造目前还有很大障碍，超100G传输在频谱效率、传输距离、设备集成度、成本和功耗等方面还需要大量的技术和工艺创新才能达到商用水平。

 3、固定栅格频谱利用率低

    在WDM网络的固定栅格下，假设选取50GHz的频谱间隔来支撑各种速率的光通道，这样的频谱间隔对于100Gb/s的通道来说是高效的，然而对40Gb/s和10Gb/s的通道来说显然是频谱的浪费。

 4、光信道无法动态调整

    波长通道一旦建立，光层可用带宽不能动态调整，无法动态调整通道间隔、信号速率以及调制格式，难以适应业务和网络环境的变化。由于当前光发射/接收机的工作速率以及中间转发节点的交叉带宽间隔是固定的，因而网络不能及时响应用户容量需求的变化，实现按需增加或减少光通道占据的带宽。同时，固定通道带宽的限制对全光组网的生存性也会带来不利影响，一条失效的光路只有在迂回路由带宽相等或超出原始带宽条件下才能得到恢复。

光网络将更加动态和智能

    超100G时代，如果只是传输速率的提升、距离的增加和网络调度的智能化是远远不够的。随着去电信化成为业界的共识，云计算、数据中心和大数据等新兴业务的迅速普及，以及软件定义网络等新的网络架构的出现，只是完成传输任务的“静态”光传送网需要向更加动态、智能的方向发展。未来的超100G传送网络架构的演进具有如下特点：

    一是灵活可变调制格式和速率，灵活波道间隔：利用DSP可编程技术实现调制格式的灵活可调，灵活波道间隔支持面向Tbit/s Superchannel（超级信道）的平滑演进。

    二是接口开放，资源云化：通过对第三方开放接口实现对传输资源进行编程使用。

    三是网络智能，即时带宽：实现网络智能化，可以根据用户业务需求快速提供业务。

    通信技术的迅猛发展使得传统WDM传输技术中的缺陷成为制约光网络进一步发展的瓶颈。近年来，众多创新性的技术为解决上述问题提供了解决方案，弹性光路技术和基于SDN的智能控制等被陆续提出，在提高光网络传输能力和降低建网成本的同时，赋予光网络更好的灵活性与智能性。

如何打造灵活的弹性光路？

    弹性光路的基本含义是指可根据业务速率、调制格式等需求变化，调整光通道的频谱宽度，以及根据物理路由的状况（距离、质量、跳数等）来分配适合的频谱带宽，实现动态的光通道调整。弹性光路的优点在于可以根据用户需求和实际业务量动态有效地配置光路带宽，显著提高网络频谱效率；支持灵活的业务汇聚、子载波、超级信道和多速率业务，支持的业务速率范围从Gb/s到Tb/s，为实现光网络更加高效、敏捷和灵活的管理控制奠定了坚实的基础。

 1、灵活的调制格式

    相比于传统WDM网络中单载波的调制，未来超100G WDM中将应用光正交频分复用OFDM技术，实现多载波信号的调制。OFDM是一种特殊的多载波复用技术，并具备光载波数量灵活可调和各子载波调制格式可动态映射的优势。OFDM可以实现在不同的OFDM子载波上加载不同调制格式的信号，可以将不同带宽、速率和调制格式的光信号通过复用汇聚，形成带宽、速率、格式可灵活调整的透明光通道。通过调制载波个数的不同可以灵活改变业务的粒度，从而实现传输信息速率的灵活调整。OFDM技术允许相邻子载波间频谱的重叠，因而提高了系统的频谱利用率。

 2、灵活的接收机

    在超100G时代，在设备的发端一般采用的是多载波光源，收端能够实现波长自动适配，支持子波长任意组合，同时配合Super-Nyquist shaping压缩算法，使得频谱利用率更高。相比以前的传输技术，未来超100G的一个很大变化就是传输距离和传输带宽可以根据实际的场景进行调整。

 3、灵活的波道间隔

    在传统DWDM技术中，各种分合波器件如Mux、Demux、WSS、ROADM等都是基于固定的带宽栅格（Grid）定义，如50GHz/100GHz；而在Flex Terabits光网络中，其能够支持新型超高速数据传输并提高网络资源利用率，可以大幅提高频谱利用率，最大限度地利用光纤带宽资源。Flex grid系统根据各信号需要的频谱分配不同的带宽（如37.5GHz、50GHz、75GHz、100GHz、125GHz等），并以一个较为精细的步长（如12.5GHz、6.25GHz等）进行间隔调整。

 4、灵活的OTN

    对于超100G情况，当前OTN的最大负载容量是100G，显然需要进一步扩展。采用灵活的OTN（Flex OTN）可以实现线路带宽以100G为颗粒进行可调，以保证400G、1T、2T等超100G信号的封装及交叉效率最高，自由适配未来的业务发展和建网需求。Flex OTN主要由服务层和传送层构成。服务层面向业务，通过提供低阶ODUFlex可变封装容器，根据实际业务大小灵活映射封装，满足任意业务承载需求。传送层面向光物理资源提供阶梯可变线速接口OTUCn，OTUCn为n倍100G速率（n可变），根据实际光物理资源进行最优配置。引入Flex OTN，使得OTN可与可编程光线路完美结合，既扩展了OTN的灵活性，又与现网兼容。Flex OTN的引入不会带来OTN体系大的变化和硬件成本提升，很好地满足了未来网络多业务灵活、高效率的承载，同时又能够满足运营商对光频谱带宽资源的精细化运营需求。

 5、基于SDN的灵活智能光网络

    将控制功能从数据层面中分离，是众多SDN研究中共同的特征。这种解耦合使得两个平面可以独立演进，同时带来许多优势，例如：高灵活性、厂商无关性、可编程性和使得集中式的网络视图成为可能。在超100G时代，SDN技术将成为传送网络管理的核心，通过可编程传送控制器统一协调整个网络上的所有器件，根据业务的距离、速率、时延、带宽等需求选取最优路径，提供高效、灵活、开放的带宽管理能力。

    可编程传送控制器通过与网络设备层的控制接口，提供跨多设备形态的统一控制，实现从动态云业务到基于Flex硬件的弹性管道端到端统一控制；通过与应用层的开放式API，使应用可以驱动网络，快速重构网络硬件系统，实现可编程化的光网络，满足用户动态实时性以及个性化服务需求；借助集中式的控制理念，使业务多层流量疏导更加智能、可控，全网资源利用率得以最大化提升，业务端到端质量得到有效保证。

结语：

    技术的发展和业务的发展共同驱动光网络高速向前发展。业务发展引领需求，这是光网络发展的永恒方向。当前传送网的技术演进已到了一个全新的高度，未来随着超100G技术的发展及相关标准规范的完善，以及对应配套的灵活光网络平台的进步和SDN技术的应用，必将推动光传送网向弹性灵活的智能化光网络迈进。