支持灵活谱利用的超大容量全光网体系结构研究

摘要：随着超高速光传输技术的发展，支撑100 Gbit/s以及更高速率的组网应用成为全光网研究的关键。文章提出支持灵活谱利用的超大容量全光网体系结构。该结构根据端口实际需要编程配置光通道带宽并实现全光交换，突破波分复用（WDM）对通道带宽的限制，解决超高速率光信号的传送问题。同时，支持面向精细颗粒带宽的全光谱域分割和疏导控制与管理，实现光层资源虚拟化与按需配置，提高光纤带宽利用率。

20世纪末，互联网蓬勃发展、方兴未艾；21世纪初，物联网开始浮出水面、引领潮流。以建设宽带、安全、泛在、融合的新一代信息基础设施为载体，不同国家、不同文化、不同领域、不同行业被一"网"打尽，形成了跨国界、跨语言、跨人机、跨应用的虚拟化空间，满足了人与人、人与物、物与物的互动性要求。随着人们对信息的需求急剧增加，信息量像原子裂变一样呈爆炸式增长。据Cisco VNI预测，2009—2014年全球IP数据量将增加3倍以上，达到0.767泽字节（1泽字节=1021字节），人类社会正向泽字节时代迈进。

上述预测同时表明视频信息增长十分迅速，视频通信是未来网络业务需求的主要来源。到2014年，各类视频流量将超过全网业务总量的91%。以高分辨率视频传输为代表的巨带宽业务，例如高质量视频流分发、商业视频会议、远程医疗支持系统、大型存储系统之间的数据镜像等，具有大容量、低延时、端到端、通道化、动态灵活的业务特征，对光网络基础设施的传送能力提出了更高要求。

当前，中国信息通信产业持续高速发展。截至2011年6月底，中国移动电话用户为9.2亿，固定电话用户为2.9亿，网民总人数为4.85亿；基础电信企业的互联网国际出口带宽达到1.2 Tbit/s。此外已建成辐射中国的通信光网络，长度逾1 000万km。随着信息产业与工业应用领域的进一步结合，可以预测"十二五"期间中国通信业务需求将会有更大幅度增长，网络建设规模也将继续扩大，尤其是下一代互联网和物联网的未来发展具有很大空间。在大力建设光纤基础设施的同时，如何充分利用带宽资源，构建动态、高效、低耗的全光网络，对促进经济社会持续、健康、和谐发展具有战略意义。

支持灵活光谱利用的超大容量全光网技术突破了传统波长通道的刚性限制，使得通道带宽能够按需提供，在真实的业务需求与网络提供的通道带宽之间实现最佳的匹配。一方面，根据端口实际需要可编程配置光路带宽并实现全光交换，突破WDM对通道带宽的限制，解决超高速率光信号的传送问题；另一方面，支持面向精细颗粒带宽的全光谱域分割和疏导控制与管理，实现光层资源虚拟化与按需配置，可以提高光纤带宽利用率，降低网络节点处理的整体功耗。

1 全光网发展现状与问题

由于光子作用机理的特殊性，全光网和以电交换为主的传统光网络结构存在很大区别。早在20世纪90年代，随着波分复用（WDM）技术的崛起，全光网研究开始引起人们的极大关注。WDM技术将光纤的可用带宽通道化，提出了端到端的透明波长通道的概念，提供了利用光纤带宽资源的有效方法。基于WDM的全光网方案已成为主流，被纳入到光传送体系（OTH）当中，成为光传送网的未来发展趋势。那么，WDM光网络是否能够解决传送网当前面临的所有问题？是否能够满足未来发展的各种要求？下面对WDM光网络的现状特点进行分析。

WDM光网络利用波长选路技术，实现端到端的全光连接，波长通道是信号传输与带宽调度的基本单位。其现状特点可以概括为：

（1）基于WDM的可重构光分插复用（ROADM）节点只具备固定波长选择交叉能力。

（2）光层无法实现面向波长通道的子波长级全光处理，需要利用光传送网的电层交换功能来完成多层映射与疏导过程。

（3）波长交换光网络的通用多协议标记交换自动交换光网络（GMPLS/ASON）控制平面，仅能满足波长级通道的动态建立、拆除和智能调度等要求。通过以上分析，可以发现WDM全光网存在的一个根本性问题：为了降低组网实现难度，在带宽分配与性能管理上采用了"一刀切"模式，即通道间隔、信号速率与格式等参数都是固定不变的。这一问题导致了WDM全光网灵活性不高、带宽浪费严重、能耗效率低下，已不能适应未来大容量、高速率、可扩展的光层传送需要。

上述问题的具体表现如下：

（1）在建立波长通道时，不能因地制宜根据用户容量的实际要求分配可用带宽资源，造成波长整体利用率下降。按照WDM标准只有位于规定栅格位置的波长可以分配给用户，而均匀的波长间隔直接决定了通道可用带宽大小，与用户容量和数据速率无关。目前的波长路由全光网在建立波长通道时已分配了固定的光路带宽，必然存在超量配置现象，如果节点之间的流量低于波长可用容量将导致带宽浪费。例如：10G和40G的不同数据速率同样采用50 GHz的标准通道间隔，显然传输10G信号时通道带宽没有得到充分利用。

（2）波长通道一旦建立，其光层可用带宽是不能动态调整的，从而难以适应业务和网络性能灵活变化的需要。由于当前波长通道光发射/接收机的工作速率以及中间转发节点的交叉带宽间隔都是固定的，不能及时响应用户容量的变化，按需增加或减少波长通道占据的带宽，提高光纤利用率。同时，固定通道带宽限制对全光组网的生存性也会带来不利影响，一条失效光路只有在迂回路由带宽相等或超出原始带宽的条件下才能得到恢复。

（3）由于光纤损伤影响，不同速率、格式的全光信号具有不同传输性能，物理属性固定配置的波长通道无法满足光路重构引起的传输质量动态可变要求。例如：全光交换造成端到端波长通道的路径变化，使得交换前后传输距离增加或缩短，接收端的信号质量也会相应发生改变。传统的波长通道由于光层物理属性固定配置，无法自动适应这一变化，需要引入针对信号速率、格式等的动态调整能力，以最大程度地匹配光路传输条件，优化通道性能。

概括起来，该问题本质上是因为光层提供的波长通道是刚性的，不是柔性的；WDM频谱规划是均匀的，不是灵活的；对光路交换的智能控制是连接约束的，不是传输约束的。如何根据用户需求合理地分配全光网带宽资源是解决这一问题的关键。WDM全光网之所以采取"一刀切"模式，究其原因是缺少光层带宽调整、性能监测与调节、动态网络控制和管理能力，已不能客观适应未来网络发展需要，必须从体系上突破WDM刚性带宽管道提供模式的制约，从技术上寻求提高全光网资源整体利用率的解决方案[1-4]。

2 支持灵活谱利用的超大容量全光网体系结构

随着网络架构的扁平化，40G市场窗口被压缩，100G需求将在2012年后逐渐成为主导，2015年前后可能开始规模应用，并成为干线网的主要传输速率，实现低成本、大容量、长距离的快速直达通道。目前100G系统尚未成熟，面临着一系列技术挑战。最核心的挑战就是要在现有传送网10G速率基础网络架构上容纳100G系统。业界将长期面临10/40/100G共存的局面，需要综合考虑这3者的协调发展、引入节奏和长远架构。未来全光网技术必须满足10/40/100G和更高速率混合传输的需要。

随着业务流量的持续增长，超过100G的传输速率成为下一步人们关注的热点。针对单通道400G、1T方案，在全球已经开始了实验研究和技术验证。这些更高速率的传输信号提出"超波长"的需求，在现有标准WDM通道间隔上，即使采用多种复用方式与复杂的调制格式，也很难支持超100G业务的应用和发展。未来的新型全光网技术，必须满足100G以上超高速率组网的需要。

随着路由器之间大规模互联的发展，全光旁路（Bypass）将发挥更大的作用。通过建立全光的直达通道连接，可以大大减轻路由器的信息转发压力，提高网络效率、降低网络成本。由于波长通道的刚性限制，使得通道带宽无法按需提供，不能在真实的业务需求与网络提供的通道带宽之间实现最佳的匹配。如何有效地填充旁路的全光连接资源成为一个突出的问题。未来的新型全光网技术，必须满足全光旁路路径上流量汇聚与疏导灵活性的需要。

针对上述需求挑战，图1给出了一种支持灵活谱利用的新型全光网体系结构。与传统WDM光网络相比，该方案突破了基于固定带宽间隔的波长光通道限制，通过灵活的带宽适配、动态谱域处理技术等实现了全光交换和全光组网能力，极大提高了光网络带宽资源利用效率。以下从3个方面分析描述支持灵活谱利用的全光网体系结构。

2.1 带宽灵活可变光通道的接口与映射方式

为了满足灵活带宽业务的承载需求，针对全光网频谱资源分配弹性可变的新特点，采用谱域切片、谱域组合、谱域压缩等全光谱域处理技术，实现可变速率、可变格式、可变通道间隔的光通道标准化接口和映射功能。主要技术包括：支持灵活谱利用的全光网功能建模、可变速率、可变格式和可变带宽的光发射机/光接收机技术等。

2.2 可编程通道间隔与中心频率的全光交换模式

为了突破ITU-T固定通道间隔的限制，基于灵活栅格设计，提出可编程通道间隔与中心频率的全光交换模式，实现满足方向无关、波长无关、竞争无关、栅格无关等要求的大容量、多维度、多方向全光节点方案。通过采用高性能的可编程光路选择滤波集成组件技术，支持网状网中不同间隔和码型信号的灵活交换处理，具备光通道功率控制和色散控制能力。主要技术包括：光谱带宽灵活调整策略、超大容量可变带宽光收发和光交换等集成单元构件设计、全光通路性能监测与跟踪标识等。涉及到光通道带宽可编程滤波技术等。

2.3 全光网的控制与管理机制

针对可变带宽和动态连接的需求，提出支持灵活谱利用的全光网智能控制与管理机制，主要包括统一智能控制平面、增强信令机制、选路和频谱分配算法、损伤感知策略、网络生存性、光交换节点保护和容错机制、业务驱动的全光连接控制等技术。支持光交换节点性能监测、节点间协同控制与资源配置等机制的研究和实现。

3 带宽灵活可变光网络的关键技术

近年来，光传送网（OTN）、分组传送网（PTN）和100G高速传输的核心技术及标准取得了较大进展，从很大程度上满足了超大容量通信、灵活高效组网、电路和分组信息传送兼顾等方面的需求。从干线网的未来发展来看，全光网正在向更高层次方向演进，呈现出由静态联网向动态交换、由较低传输速率水平向超高速率通道传输、由原始带宽提供向智能带宽提供的若干趋势。上述支持灵活谱利用的全光网体系结构可以针对当前网络面临的"瓶颈"制约和基础架构性挑战，解决实现超大信息容量和超高速率光交换的核心问题。其关键技术包括基于多载波调制的光收发技术、弹性可变的自适应调节技术、多约束条件下的路由与频谱资源分配技术、带宽碎片整理与频谱重构技术等。

3.1 基于多载波调制的光收发技术

典型的多载波调制包括光正交频分复用（OOFDM）技术和奈奎斯特波分复用技术。以OOFDM为例，满足一定速率、带宽需求的客户信号经过调制后具有不同的基带子载波数目，每个基带子载波在保证正交性的同时可以采用不同进制的调制格式。如何利用多载波生成系统对各基带射频信号分别进行光路同相/正交（IQ）调制，得到全光正交子载波信号，进而复用汇聚形成带宽、速率、格式可灵活调整的透明光通道，以及如何在接收端通过全光子载波解复用和相干接收处理，最终实现基于正交光子载波的多址接入、OFDM解调和相关损伤的补偿，是支持灵活谱利用的全光网必须首要解决的问题。

3.2 弹性可变的自适应调节技术

弹性可变是支持灵活谱利用的超大容量全光网的一大特征，其核心在于可以根据业务质量与网络状态需求对端口速率、调制格式和频谱资源进行动态调节。此外，不同于光电混合传送网络的流量疏导过程是在电层中进行的，频谱灵活光网络的流量疏导是以光正交频分复用信号形式进行汇聚和疏导的，不同业务的光子载波在汇聚过程中会产生串扰。考虑上述流量疏导过程中可能产生的光信号串扰问题，需要一种自适调节应技术，针对不同的业务发射机进行自适应的调节，最终满足信号传输的要求。该技术主要包括自适应测评功能，硬件调节功能，分布式连接请求建立功能，网络信息同步功能等。通过节点中的自适应测评功能，进行发射机参数的计算，根据计算结果调节发射机参数。

3.3 多约束条件下的路由与频谱资源分配技术

与波长路由光网络中的波长分配不同，在带宽灵活可变光网络中，选路和频谱资源分配（RSA）需要考虑3个约束条件：频谱一致性、频谱连续性、频谱伸缩性。例如，利用光正交频分复用技术，可以将光通道分割成若干子载波，由这些子载波携带需要传递的用户信息。每条光通道在频谱域上实际由多个连续的正交子载波构成，形成了切片，它的传输容量与子载波的数目以及子载波上调制的信号速率密切相关。由于允许从光通道中增加或者删除任意数量的子载波，因此光通道实际占据的通道带宽能够根据用户流量需求的变化而动态扩展或者压缩。其中会涉及到RSA体系方案，以及流量感知和损伤感知的RSA算法等。

3.4 带宽碎片整理与频谱重构技术

由于业务到达及持续时间具有较大随机性，一段时间后频谱资源状态将变得杂乱无序，出现很多带宽碎片。这些碎片在频谱上因为其不连续性而不能分配给新的业务，一旦数量过多就会造成很大的频谱资源浪费。如果将其整合成连续的频谱，则可以分配给新业务使用，从而提高频谱资源的整体利用率。该整合过程即为频谱重构，其最基本的目标就是将业务已经使用的频谱资源集中化，将未使用的频谱资源连续化。本质上频谱资源碎片重构技术是对网络资源进行优化，它又可以分为网络局部重构和网络整体重构。

4 结束语

全光网技术是超大容量组网的迫切需要，是绿色通信发展的必然趋势，是网络安全保障的重要环节。随着业务IP化和高带宽应用的发展，对光层动态化和智能性提出了更高要求。由于带宽需求激增而导致设备功耗非线性增长，低功耗的全光技术成为主流方向。支持灵活谱利用的超大容量全光网技术突破了传统波长通道的刚性限制，使得通道带宽能够按需提供，并在真实的业务需求与网络提供的通道带宽之间实现最佳的匹配，具有重要意义。

5 参考文献

[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.