构建新一代100G WDM光传输网络架构 提升传输网集约化运营能力

0  前言

业务需求及技术发展的双重驱动促使传输网从40G网络向100G网络演进，中国电信也提出了建设新一代100G大容量骨干光传输网络的计划。新网络的建设为重新设计新的网络组织架构和技术架构，进一步提高传输网的灵活调度能力、业务适应能力和安全可靠性，进而提升全网的集约化运营能力提供了契机，本文将从当前光传输网络面临的问题、未来业务的需求、集约化运营要求、相关的技术发展等几个方面着手，研究提出中国电信新一代100G大容量骨干光传输网络的组网架构和技术架构。

1  DWDM光传输网络的发展及存在的问题

自20世纪末DWDM技术引入以来，在不到15年的时间里，波分技术得到了迅猛发展。波长复用能力从4波、8波和16波很快演进到40波和80波，单波长的速率也从早期的2.5 Gbit/s逐步发展到现在的100 Gbit/s，波分系统传输容量从几十Gbit/s提高到8 Tbit/s，10年增长了上百倍。以波分复用技术和EDFA光放大器技术为基础的波分传输系统设备的发展和规模部署，极大地提升了传输网容量，也极大地降低了带宽成本，铸就了光网络发展史上继SDH之后又一个更为辉煌的10年，其提供的成本日益低廉的带宽，应是近年来互联网飞速发展的一个最为重要的原始驱动力。

虽然波分系统在网上应用已有10多年时间，但中国电信省际干线波分网络一直延续着点到点链形系统的建设模式，波分网络实际上并未成网，波长的调度都需要通过人工在ODF上调纤来实现，造成此现象的原因主要有2个：一是从需求角度讲，目前波分网承载的业务绝大多数（90%以上）为CHINANET路由器间的链路，而CHINANET网络建设采用的是以年度为周期预先规划的模式，波长日常动态调度的需求很少；二是从技术角度讲，当前波长的自动调度可以在光层通过可重构光分插复用设备（ROADM）或在电层通过OTN交叉来实现，在光层面由于省际电路长度较长（大多在1 500 km以上），受限于当前光层面的技术能力，光路的损伤难以实现实时、长距离、动态的补偿，ROADM在省际层面很难得到普遍应用，在电层面由于目前OTN交叉能力（3 Tbit/s左右）与波分系统容量（一个方向8 Tbit/s）差距较大，通过OTN交叉仅能实现波长级有限的调度，而且光电转换的成本也较高。

2  未来业务需求及运营要求

在业务发展及技术变革的双重驱动下，经过10多年的历程，传输网已经实现了从SDH网向WDM网的演进，从未来业务需求看，波长级的业务快速灵活调度和网络恢复保护需求日益迫切，主要体现在3个方面。

一是GE以上大带宽专线业务已经出现快速增长的势头，10、40甚至100 Gbit/s的专线业务需求也已经出现。随着信息化技术在社会各个领域应用的进一步深入，世界正迎来"大数据"时代，原有的以2和155 Mbit/s为主的专线业务已不能满足各行业数据传输的需求，很多公司和政府机关已经或者正在考虑将其租用的专线升速，GE以上大带宽专线业务已经出现快速增长的势头。另外，互联网经济的快速发展以及寡头格局的形成，诞生了诸如谷歌、百度、腾讯和阿里等一些超大型互联网公司，其基于自身战略及业务发展需要已经开始租用大量带宽构建自己的高速网络，谷歌甚至建设了自己的全球光网络，同时一些金融、保险等需要处理大量电子数据的公司，基于提升效率、降低运营成本、提高安全性出发也已开始建设大型IDC及内部高速网络，这两类公司已经提出了10 Gbit/s以上甚至几百Gbit/s的电路租用需求。大带宽专线业务不仅仅是带宽的提升，同时在业务的性能（开通时限、可靠性、时延）方面对运营商提出了更高的要求，需要波分网络具备快速灵活的业务调度能力、网络恢复保护能力以及端到端的运营管理能力。

二是业务的IP化、互联网流量的不确定性以及云计算技术的引入等因素使得互联网对底层波分网络提出了更高的要求。随着固网和移动软交换、IMS网络范围的拓展以及未来VOLTE（Voice over LTE）的引入，语音业务的承载将逐渐会完成由电路交换机向IP网的迁移，很多传统的中低带宽专线业务也在逐步向MPLS VPN业务迁移，这些高质量业务需要互联网具备更高的性能和网络安全性。互联网视频业务的快速发展，不仅仅带来互联网流量的快速增长，同时视频业务长时间连接以及对丢包、抖动更为敏感的特点对互联网的性能会提出更高的要求。随着云计算的普及，数据中心的规模和数量将会大幅度增长，数据中心之间大量的信息同步、容灾备份和统一计算要求网络具备高的安全性和低时延。上述3个方面的需求均对互联网的性能提出了更高的要求，但由于IP网本身"尽力转发"的内在机制所限决定了互联网仅靠自身提升性能有限，需要底层传输网提供有效的支撑，甚至需要构建统一的架构和策略实现互联网和传输网资源的统一和动态的调度，这些都需要波分网具备快速灵活的调度能力和恢复保护功能。

三是集约化运营的要求。目前中国电信传输网的运营仍主要是集团、省和地（市）三级体系，长途波分的维护仍主要通过人工在ODF上调纤来进行波道调度，一方面业务的响应时间较长难以满足客户快速开通业务及CHIANNET、CN2网故障或拥塞时业务快速恢复的需要，另一方面由于维护人员的操作水平参差不齐，大量临时紧急的ODF调纤经常在纤芯的清洁、尾纤长度、标签方面出现不规范的操作，甚至出现误碰和连接质量劣化等事故，对后期维护带来较大的影响。因此提高波分网络的集中自动调度能力和端到端运营能力对提升中国电信传输网核心竞争能力意义重大。

3  技术发展

在波分网上实现波长级的调度和保护功能在技术实现方面有2个途径，一是在光层面通过ROADM实现，二是在电层面通过OTN交叉实现。

ROADM在光层面实现波长的调度，因不需要光电转换，具有成本低、对客户信号透明的优点。ROADM技术经历了波长阻断器（WB）、平面光波导技术（PLC）和波长选择开关（WSS）三代发展，当前第三代WSS技术的实现有液晶和MEMS两种方案，具有插入损耗小、体积小、成本低的优点，真正实现了波长的可重构，有较高的组网灵活性和经济性，其应用日益广泛。但由于技术所限，ROADM应用目前主要存在4个方面问题，一是受限于当前光层面的技术能力，光路的损伤难以实现实时、长距离、动态的补偿，ROADM组网半径受限于物理传输参数， 尤其在高速波分系统中更为明显。依据行标征求意见稿，100 Gbit/s波分系统的传输能力对于G.652（无DCM）场景，硬判为14×22 dB（约1 100 km），软判为18×22 dB（约1 400 km），在实际网络应用中，由于光缆老化及长跨段的影响，传输距离会更短，有可能大多在1 000 km以内，如有长跨距，可能仅800 km，甚至500~600 km，省际传输网由于电路长度大多在1 500 km以上（约70%以上），ROADM应用范围有限。二是由于当前技术水平不能实现光信号在光域的波长变换，ROADM实现的波长调度只能是不同方向同波长之间的调度，组网应用时存在波长重构问题，波道组织复杂且利用率低。三是目前的WSS为1×N的形态，只能将1个输入端口的某个波长交换到其余多个输出端口，比较适合以业务上下为主的ADM场景应用，实现以业务调度为主的多维ROADM或OXC需要组合多个WSS，技术复杂且成本高。四是WSS倒换的时间较长，大都在秒级，难以满足传统50 ms的保护需要。

OTN是21世纪初传输网为顺应数据业务高带宽传输发展趋势而重新定义的新一代光传送网络体系架构，从网络层面定义了光信号的各项功能，包括传输、复用、路由、监测、性能管理和网络生存性，实现了波分网从点到点链路模式向网状网的演进。OTN架构定义了光通道层（OCh）、光复用层（OMS）和光传输层（OTS）3个层面，由于当前的技术水平尚无法实现光信号的性能监测以及低速信号向高速信号的复用，ITU-T在G.709建议中选择了在电域实现OCh所需的性能监测和信号复用功能，并定义了光数据单元（ODU）和光传输单元（OTU）2个层级，通常所说的OTN交叉连接实际上是ODU层面的交叉连接。引入OTN技术主要有三大优势：一是可以实现光信号端到端的性能监测和管理；二是透明传输，适应高带宽业务发展趋势复用效率高，可以实现低速光信号向高速光信号灵活高效低成本的复用；三是利用ODU层的交叉连接可以实现高带宽业务的调度，由于交叉速率等级高，相比SDH效率更高、成本更低，技术上更易研发大容量调度的设备，适合高带宽业务的承载和调度。但受限于高速电信号处理的技术实现较为困难，目前OTN应用中存在的最大问题是节点的交叉能力有限，当前主流厂家的OTN设备最大交叉能力大多在3～6 Tbit/s，部分厂家目前正在推出10 Tbit/s以上的设备。

4  新一代光传输网络架构的研究

如上所述，光传输网由SDH向OTN演进已成为业界的共识，并已成为近几年各运营商传输网发展建设的重点，ITU-T在G.872建议中提出了引入OTN技术的3个途径：一是以重叠网模式同时部署OTN线路系统及ODU/OCH交叉功能，二是仅部署OTN 交叉/复用（XC/ADM）设备，三是仅部署OTN线路系统。ITU-T同时指出运营商可根据自己的实际情况选择一种或多种途径。从技术角度讲，各厂家的WDM设备在光层的复用和传输方面已完全遵循了OTN架构，在电层客户信号的映射和复用也已遵循了OTN架构中的G.709标准，并逐步推出了具备ODU交叉功能的OTN设备。

网络架构的设计是网络建设的首要任务，也同时奠定了将来网络运营维护的基础。网络架构的设计应基于业务需求，既要从未来及当前业务需求出发作为架构设计的切入点，又要将满足业务需求作为架构设计的落脚点，要避免走入"为组网而组网、为引入新技术而引入新技术"的误区。网络架构包括技术架构和组网架构，二者之间是相辅相成的关系。

4.1  技术架构

中国电信WDM网建设中应满足的未来业务需求主要有如下3点。

a） 从满足大带宽专线业务及集约化运营需求考虑，波分网应具备波长级电路的快速灵活调度、端到端的管理及多级别的网络保护恢复功能。

b） 随着100 Gbit/s波分系统的技术成熟及价格不断下降，新建省际WDM系统的容量将以100 Gbit/s波分系统为主，但未来很长时间内仍将有大量的10 Gbit/s业务颗粒，波分网应支持低速光信号向高速光信号灵活经济的复用。

c） 充分发挥光层的技术性能，尽量减少电层处理，降低网络建设成本。

为满足上述业务需求，技术上当前应主要研究OTN及ROADM 2种技术的引入及应用。依据前面对技术发展部分的分析，由于省际电路的长度大多在1 500 km以上，受限于当前光层面的技术能力，光路的损伤难以实现实时、长距离、动态的补偿，全网波长级业务的调度倒换很难利用ROADM在光层面来实现，还应主要在电层面利用OTN技术的ODU交叉功能来实现，ROADM可应用在满足光层传输性能的场景中来完成光信号的上下路需求。因此当前中国电信WDM网的技术架构应为：线路以100 Gbit/s波分系统为主，全网波道的调度及保护、业务的汇聚以OTN技术为主，同时在满足光层传输性能的地方采用ROADM实现光路的转接及业务的上下路。以下将结合中国电信省际网的实际需求进一步分析OTN及ROADM的组网架构。

4.2  组网架构

4.2.1  OTN组网架构

OTN设备通过ODU交叉功能主要实现波道的调度及业务汇聚，其设备形态主要有2种，一是与波分系统集成在一起，同时具备传输及ODU交叉功能（简称集成型OTN设备），另一种不与WDM系统集成，仅具备ODU交叉功能（简称独立型OTN）。

采用集成型OTN设备组网，主要面临两大问题：一是如实现全网级的调度及端到端管理功能，需要全网的波分系统采用同一厂家的设备，与目前的采购模式差异很大，从长远看可能不利于建设成本的降低；二是由于目前各厂家OTN设备的交叉能力与传输系统容量差异很大，实现全网波道的完全灵活调度非常困难，甚至不可行，这是当前采用集成型OTN设备组网面临的最大问题。

目前只有专线类的业务需要进行全网级波道的自动调度，CHINANET及CN2网路由器链路间电路由于采用以年度为单位预先规划的建设模式，日常动态调度的需求不大，传输故障或IP网络拥塞时波分网如能提供部分IP电路的快速调度则基本可以满足当前IP网集约化运营的要求，基于此提出中国电信当前OTN组网架构。

采用独立型OTN设备组网构建全国OTN网络，主要承载专线类业务；波分系统建设采用集成型OTN设备，预规划的CHINANET及CN2网路由器间电路采用支线路合一板卡，在ODF上实现电路的转接；各波分系统留出部分容量采用支线路分离方式（如按惯例配置的维护波道）接入电交叉子架，跨系统之间接入独立型OTN设备，通过OTN的ODU交叉连接功能实现波道的自动调度，以满足传输故障或IP网络拥塞时波分网需提供部分IP电路快速调度的需求。

采用上述架构有效实现了设备技术能力与实际业务需求的平衡，主要有以下优点。

a） 全面引入OTN交叉功能，可实现全网部分波道的网管集中配置，提高运维水平，满足集约化运营需求。

b） 采用独立性OTN设备构建专线业务专网，可以采用一个厂家设备，较易实现全网专线业务的端到端管理。

上述方案存在的不足是：由于维护波道（接入电交叉矩阵）与实际开放的IP电路（未接入电交叉矩阵）采用不同的承载方式，传输网故障导致IP电路中断时，通过网管紧急调度的维护波道与中断的IP电路落地端口不同，还需人工介入调整波分设备与路由器设备之间的光跳线。部分可克服此不足的唯一可能途径是统筹规划传输网和IP网的结构及组网。

4.2.2  ROADM组网架构

如前所述，ROADM主要用于在满足光层传输性能的场景中完成光信号的转接及业务上下路，由于不需要光电转换，可节省大量投资。ROADM设备的维数主要取决于其具体应用场景的波分网络结构，中国电信省际波分网能够应用ROADM的地方主要有链形系统中间节点上下业务（二维）、T形结构连接一个城市2个枢纽楼（三维）以及多套波分系统之间光路的转接（三维或多维）3种场景。

ROADM组网架构需研究的主要内容是其上下光路的灵活性，为克服波长一致性限制（即相同波长不能同时进入相同方向，整个路径上波长必须一致），通过采用CDC ROADM技术实现上下端口的波长无关性（各上下路端口灵活配置成任意波长）、方向无关性（各上下路端口灵活配置到任意方向）和竞争无关性（不同方向相同波长可同时上下路）。技术上CDC主要采用可调谐OTU、WSS级联和多端口光开关来实现，对于100G系统，由于采用外调制的方式可调谐OTU已经成为基本配置，CDC实现的困难主要在于WSS级联所带来的成本增加，尤其是实现完全的CDC功能（上下路波长与端口完全无关）需要多端口光开关（如实现4个方向、每个方向20个上下路波长，需要80×80光开关），成本非常高。因此，还应回到业务需求，从中国电信实际需求出发，研究ROADM组网架构。

ROADM组网架构的关键问题是不同场景下的ROADM设备配置模型，以下分别研究链形系统中间节点业务上下（二维）及同城两枢纽楼间互通2种场景下的设备配置模型。第三种场景，即多套波分系统之间光路的转接（三维或多维），由于不涉及业务的落地，设备配置较为简单，在此不再详述。

4.2.2.1  二维场景下的ROADM设备配置

在二维场景应用中，东向的某个波长落地后，西向的同一波长如不落地会造成波长的浪费，因此2个方向的波长均需落地，则必有2个落地端口，不存在波长竞争问题，仅需研究是否必须为波长无关性和方向无关性。

目前普遍应用的WSS器件为1∶8端口，二维场景下能够上下业务的波长数量最多仅有7波，而通常80波的WDM系统其ROADM站点上下波的数量一般至少在20波以上，扩展上下波数量的方式有2种：一种是采用ITL+AWG方式，成本低，但上下路端口及方向均受限，另一种是采用WSS级联的方式，可以做到波长及方向无关，但成本高。

那么如何规划ROADM设备上下路的数量及功能，还是要回到业务需求上。前面已提到过，中国电信WDM网承载的主要业务是CHINANET网路由器间的链路，由于CHINANET网的建设是以年度为单位预规划的，波道安排可以事先规划好，其使用的WDM系统上下路端口不需全部做到波长无关和方向无关。虽然IP链路日常动态调度的需求不大，但在传输网故障情况下（通常是一个方向的光缆或系统故障），为及时疏通IP网流量，需要在很短的时间内将受影响IP链路的路由调整到其他方向，由于CHINANET网容量巨大，链路数非常多，传输网对其所有链路提供恢复或保护的功能代价昂贵，经济上不可行，折中的办法是传输网对部分IP链路提供故障情况下重路由的能力，这对避免IP网节点全阻或拥塞还是很有必要的，对应到ROADM设备配置上即需要部分上下路端口具备波长无关性和方向无关性。

图1示出的是ROADM配置模型可以较为经济地实现部分上下路端口的波长无关性（但方向仍受限），其利用WSS的空余端口可以提供东、西方向各6个与波长无关的波长上下。

图2示出的是ROADM配置模型可以实现上下路端口的波长及方向无关性，其主要通过WSS级联来实现，可以提供8个与波长和方向都无关的上下路波长，如需进一步扩展该类上下路波长数量，可通过再加一级WSS级联来实现。此配置模型的局限在于受限于波长一致性该类上下路波长数量最多为80波（线路容量的50%），且多级WSS会带来额外的插入损耗。

2种配置的差异主要在于上下端口是否与方向有关，从应用角度看，其最大的差异在于故障时进行业务电路重路由时是否需人工介入。如上下路端口与方向有关，业务电路重路由时上下路端口也需要调整，需要人工重新调整波分设备与路由器之间的端口连线；如上下路端口与方向无关，业务电路重路由时上下路端口可以不改变，直接在网管上操作即可，不需人工介入。参照前面的业务需求分析，为满足集约化运营的要求，二维场景下ROADM设备配置建议采用模型2。

具体设计多大比例的上下端口具备波长无关性和方向无关性，最终取决于IP网需求，统筹规划IP网和传输网的网络结构和网络组织在此非常有必要。根据历史经验，中国电信省际WDM网应用于此场景的节点其上下路比例一般在10%（20波）以下，笔者认为在合理设计CHINANET网络结构的前提下，模型2提供8路与波长和方向无关的上下路端口基本可以满足故障情况下IP业务的紧急疏通需求。

4.2.2.2  两枢纽楼间互通场景下的ROADM设备配置

同城市内两枢纽楼之间距离一般在10 km左右，超过了40和100 Gbit/s信号裸纤传输的距离，其间电路的沟通如采用建设长中继波分的方式成本将很高，引入ROADM技术是一种较好的解决方案。同城两枢纽楼间互通有2种情况：一是只有一个枢纽楼建有省际波分系统，另一枢纽楼仅有延伸落地的需求，相当于T形结构；二是两枢纽楼均建有省际波分系统，两楼之间有沟通电路的需求，相当于H形结构。

对于T形结构，为保证网络安全性，两枢纽楼间通常会考虑2个物理光缆路由，建有省际波分系统的枢纽楼ROADM节点需采用四维结构，其设备配置模型见图3，延伸另一枢纽楼落地的波长可以做到波长无关和方向无关；延伸枢纽楼也可采用WSS实现落地端口的波长和方向无关，具体设备配置模型不再详述。

上述模型仅可实现到第二个枢纽楼的转接延伸电路，如果两枢纽楼之间需要提供两端落地的电路，需要在南向的WSS模块下挂AWG完成南向电路的落地。

对于H形结构，由于两枢纽楼均已具备2个出口方向，两楼之间也可只考虑1个物理路由，两楼的ROADM均为三维结构，两楼之间相互转接的电路应具备波长和方向无关能力，其设备配置模型见图4 。同上类似，该模型不能提供转接电路在枢纽楼的落地，如需落地，需在南向的WSS模块下挂AWG完成电路的落地。

需要说明的是，上述2种场景3种模型用ROADM实现光路转接的前提是光信号的传输性能满足要求，在实际网络设计中如部分光路在部分节点需要电再生，可辅以电交叉矩阵实现电路的调度，如果受限于光传输性能所有光路在所有节点都需要电再生，则没有必要采用ROADM技术。

5  待进一步研究的问题及未来发展展望

5.1  IP网及传输网的统筹规划

目前由于IP网和传输网分别独立进行结构及组网的设计，相互协同仅是传输网保证IP网电路物理路由独立这一比较低级的层次，实际中主要存在三大问题。

a） 由于IP网结构设计仅考虑逻辑结构，未考虑实际的传输路由，且中国电信IP网路由控制简单地采用层次化的cost值，IP包的转发从IP网角度看是合理的，但映射到光缆路由上实际上可能是绕转的，整网的传送效率会降低。

b） IP网结构，特别是直达链路的设计，仅从IP网角度考虑，由此带来IP网存在大量多种传输速率需求（现网方案同时存在10、40、100 Gbit/s），会带来传输网组网复杂，增加复用成本。

c） 由于当前IP网技术本身存在的缺陷，IP网电路升级到高速链路时，原有的低速链路很难继续长久使用，会带来传输投资的浪费。

统筹规划两网的结构和网络组织，可以从一定程度上解决上述问题，节省建设投资。

另外，传输网故障导致IP电路中断时，不能实现完全由网管操作进行IP电路恢复，还需人工部分介入，可以从IP网结构设计着手，结合传输网现有技术的能力，选择对IP网结构至关重要的部分节点组建单独的平面，波分网将该平面的IP电路接入电交叉矩阵，并配置部分冗余容量，该平面IP电路故障时，由于有电交叉矩阵落地端口无需调整，可以实现网管操作全程调通电路，不需人工接入，一定程度上可进一步提高IP网的安全性。

5.2  传输设备与路由器协同发展

当前IP网面临的一个重大问题是，由于IP协议简单的包转发机制需要每个路由器都对所转发的包进行处理，但流量增长的速度已经远远大于受限于摩尔定理约束的路由器容量增长速度，IP网只能靠增加路由器数量来应对流量的增长，但设备数量的增加又会带来组网的复杂和路由数量的快速增加，最终导致路由收敛的难度加大，进而网络性能下降，同时由于路由器需对每个包进行处理，带来了能耗的巨大消耗，互联网的可持续发展也面临挑战。

近年来国际上已经开始"后IP"的技术研究，主要思路是彻底摒弃原有TCP/IP的束缚，采取推倒重来的方法重新设计未来互联网，通过对体系架构及相关网络运行、管理机制的重新设计，创造出一种完全不同于IP体系的"革命性"新技术架构，彻底解决IP网可扩展性、安全性等问题，构建全新的互联网下一代体系，推动互联网经济的健康可持续发展。

重新构建全新的下一代互联网体系并不是一朝一夕可完成的事情，且由于现有的IP网已经规模巨大并已深入到社会生活的各个方面，重新构建新的体系是否可行仍存在一定争议。解决上述问题的比较现实的途径是加强传输设备与路由器之间的协同工作，将包的转发尽量在光层面完成，减少电层面的处理，减轻路由器的压力。具体实现路径有以下几种。

a） 增开路由器间直达链路，减少IP包在路由器中的转发次数。

b） 引入传输网及IP网统一的控制平面，通过协议实现两网统一的自动路由控制，根据IP网流量的变化实现网络的动态调整。

c） 在大的核心节点引入光分组交换或光突发交换设备，实现IP包在光层的转发。

目前的网络规划建设和运营中已经在采用第一种路径，后2种路径尚有很多技术问题需要解决，尤其第三种路径中的光分组交换或光突发交换设备，由于一些光信号处理器件的研发还有待突破，其技术实现还需比较长的时间。

参考文献：

［1］  韦乐平，张成良. 光网络：系统、器件与联网技术［M］. 北京：人民邮电出版社，2006.

［2］  ITU-T G.872 Architecture of optical transport networks［S/OL］. ［2013-01-22］. http://www.docin.com/p-542803982.html.

［3］  N×100 Gbit/s光波分复用（WDM）系统技术要求（报批稿）［S/OL］. ［2013-01-22］. http://wenku.baidu.com/view/41908c19b7360b4c2e3f 646e.html.