新一代光网络技术及应用浅析

摘要　随着多类业务驱动和技术快速发展，光网络新技术层出不穷。本文从光网络的3个功能平面、光子网格、光量子通信等方面分析探讨了新一代光通信技术的特点、应用范畴等，同时也简要分析了新技术的引入策略和发展趋势。

1、引言

随着以IP为主流的数据业务量的继续爆长、安全可靠性要求的提高以及TDM语音业务量的逐渐萎缩，现有的传送网络技术呈现出一些明显的不足，典型的如传统的电域宽带技术已不能满足大带宽（如单用户百兆量级）业务量的接入、传统SDH技术已不能满足大颗粒业务（1Gbit/s及其以上量级）的交换要求、MSTP技术已不能完全满足面向连接的电信级以太网的传送要求、而传统的WDM技术无法实现光层信号的监控和管理等。另外，随着光网络技术的日益完善，如何拓展光网络的应用范畴也是目前业界讨论的热点问题，如光子网格技术，同时如何采用新机理，如量子力学等实现更高容量的未来光通信技术，也是科学家们努力研究企图取得突破性进展的研究领域。因此，本文主要从光网络基本功能结构出发，分别从传送平面、控制平面、管理平面3个层面，以及网格应用新技术、量子通信技术等方面逐步探讨新一代光网络技术及其应用策略和发展趋势。

2、光网络新技术分析

2.1　光网络基本功能结构

光网络从横向区域分割来看，可分为光接入网、城域网和骨干网三个不同的网络类型；从网络功能构成来划分，可分为传送平面、控制平面（可选）和管理平面3个不同的功能类型（见图1）。

图1　光网络基本功能结构

传送平面主要实现光网络物理层信号的封装/解封装、传输、交叉（交换）和基于传送平面的保护/恢复功能；控制平面主要实现光网络的智能特性，如资源自动发现、路由计算和选择、信令控制和基于控制平面的保护/恢复功能等；管理平面主要实现传送平面和控制平面相关资源的管理功能。

2.2　传送平面新技术

（1）光传送网技术

OTN技术主要侧重于骨干/城域核心领域应用，其主要涉及到以下一些关键技术：

●OTN节点类型

根据OTN交叉技术实现机制的差异，OTN节点类型目前主要可分为两类，即基于电交叉的OTN节点设备（光传送体系（OTH）设备）和基于光交叉的OTN节点设备（可重构光分插复用（ROADM）设备）。

OTH设备的基本特点是采用以光通路数据单元（ODU-k）的交叉颗粒、支持多种基于电层的保护恢复功能、交叉容量较大等，在功能特征上和SDH设备基本类似，但增加了SDH设备所不具备的功能，即其涵盖范围可以包含底层的WDM技术。在具体技术实现上，OTH设备一般有两种形态，一种是OTH和WDM分开设计，一种是OTH设计中已涵盖了WDM部分。

ROADM设备的基本特点是采用以光波长为交叉颗粒，支持多种基于光层的保护恢复功能、交叉容量大等。虽然ROADM设备组网时减少了OEO转换，降低了一定的设备成本，但由于光信号此时是模拟传输，很容易受到多种物理效应的传输距离限制，如（残余）色散、非线性效应、光信噪比（OSNR）等，尤其是动态调整波长路径的情形。在具体技术实现上，目前的ROADM设备一般有三种形态，即波长阻断器（WB）、平面波导（PLC）和波长选择交换（WSS），国内外大部分传输设备厂家可以提供不同光方向（维度）的ROADM产品。

●高速长距离大容量传输技术

目前，与网络应用（如传输40GE/100GE）关系密切的新型高速传输技术主要为40Gbit/s和100Gbit/s，主要涉及的技术包括编码调制技术、色散补偿技术、非线性抑制技术及OSNR保证措施等。

长距离的支撑技术主要有新型调制编码技术、多种增强型的前向纠错（FEC）技术、采用电均衡功能的接收机、喇曼放大技术、动态增益均衡和功率调整技术等。

大容量可体现在时分复用、频（波）分复用、码分复用和偏振复用等多个方面。

●光子集成技术

光子集成技术和目前普遍应用的WDM技术有所差异，主要体现在光电器件的集成度上。常规的WDM技术每个光波长转换单元（OTU）是各自独立进行设计的，而采用光子集成技术的OTU是集成在单个芯片上进行设计的，可实现设备集成度显著提高。

（2）电分组传送技术

电分组传送技术目前主要侧重于城域网接入与汇聚层面应用。根据基于已有技术演化的不同路径，目前电分组传送技术主要分为两种，即T-MPLS和PBB-TE（PBT）。

●T-MPLS主要特征

T-MPLS基于MPLS发展而来，其功能可简单描述为MPLS中增加OAM功能，同时简化涉及三层IP的相关功能。和MPLS相比，T-MPLS支持面向连接的双向标签交换路径（LSP），不支持倒数第二跳弹出（PHP），LSP聚合，等价多路径（ECMP）等MPLS的典型功能。从2005年底开始，ITU-T已经开始了T-MPLS/IETF相关规范，截止到目前，已经通过了多项建议，如涉及到结构和定义，接口和OAM，特定功能（保护恢复等）和管理等。

●PBT主要特征

PBT基于传统以太网技术发展而言，是PBB的子集，其功能可简单描述为PBB增加TE功能。和PBB相比，PBT支持面向连接的双向连接隧道（VLAN+MAC），但不支持传统以太网的MAC地址学习、地址广播和生成数（STP）等典型功能。目前，IEEE对于PBT正在进一步规范，尚处于草案阶段，而ITU-T近期也启动了G.PBT的规范工作。

●T-MPLS和PBT共有特征

T-MPLS和PBT虽然基于的技术实现差异很大，但两者都是为了实现电信级以太网的传送而实现的，因此两者在一些关键功能上都体现出一致性，主要表现为：两者建立的都是面向连接的双向分组隧道；两者都提供端到端的OAM功能；两者都提供保护功能；两者目前都采用网管静态配置来实现，未来可发展为动态智能指派来实现（增加控制平面）；底层传输技术不加限制，可以为已知技术中的任何技术，如以太网技术，PDH/SDH，WDM和OTN等技术。

（3）光接入技术

根据目前光接入技术实现的差异，光接入技术主要分为基于树型拓扑的APON/BPON，GPON和EPON技术，以及基于星型拓扑的以太网接入技术等。

APON/BPON和GPON技术主要基于ATM技术来实现，主要由ITU-T/FSAN来规范（G.983.x系列/G.984.x系列），EPON技术主要基于以太网技术来实现，主要由IEEE来规范（802.3ah）。这几种PON技术的差异主要体现在分光比，传输距离，上下行速率，QoS及维护管理和业务支持能力等方面。一般而言，GPON的多业务支持能力优于EPON，但EPON实现起来相对简单一些，在具体应用选择时，两者根据需求适当选择，并没有简单化的显著优劣差异。

基于星型拓扑接入技术是基于传统以太网的接入技术，适合于光纤资源非常丰富或者单用户带宽需求非常大的地区（单纤只能连接单个用户），应用范围相对狭小，不是主流的光接入技术。

（4）光交换技术

光交换是光网络的典型属性，也是代表光网络技术发展水平的关键技术。目前，从交换颗粒和实现特征来区分，主要分为光路（波长）交换（OCS）、光分组交换（OPS）和光突发交换（OBS）。

OCS主要以波长为交换单位，业务交换颗粒最大，实现最简单，但统计复用特性/带宽利用率最差；OPS主要以分组为交换单位，业务交换颗粒最小，实现非常复杂，但统计复用特性/带宽利用率最好；OBS主要结合OCS和OPS的特点，业务交换颗粒中等（突发分组），实现难度中等，统计复用特性/带宽利用率也是中等。

由于OBS属于电控光交换技术，实现相对容易，而且带宽利用率较高，因此在未来几年的光交换技术研究中，OBS技术依然是主要表现者。

2.3　控制平面新技术

目前，基于控制平面的新技术主要体现在以下方面：

（1）增加多粒度的智能控制：在已有的控制平面技术中，主要智能控制的业务带宽颗粒为VC-4/VC-12，但随着光网络技术的不断发展，基于波长、子波长和分组等粒度的智能控制将是控制平面发展的方向。

（2）多层多域网络控制的完善：在已有的控制平面中，主要的路由、信令等技术则重于域内实现，而域间的实现则处于初步规范阶段，即ENNI 2.0（信令）和ENNI-OSPF 1.0（路由）；在控制平面的域间和层间新技术发展上，主要体现为多层多域的统一控制和端到端跨层跨域的自动配置等技术。

（3）IP网络与智能光网络的互通：光网络的智能性主要是为客户业务提供灵活可靠自动的带宽指派，因此光网络的智能性必然涉及到和主要客户IP网络的智能性互通问题。根据目前的研究结果，IP网络和光网络的智能互通主要基于3种模式，即对等模式、重叠模式和边界模式。

2.4　管理平面新技术

管理平面新技术主要体现在多种传送技术（如SDH/MSTP/WDM/OTN/PTN等）的统一管理、控制平面的完善管理以及网络管理辅助系统如规划优化工具等的引入、面向运营商客户的增值系统的开发、跨专业领域的网络性能的管理和监控等方面的技术。

2.5　网格应用新技术

随着光网络技术和网格技术的共同发展，光子网格技术应用而生。与传统网格技术有显著差异的是，光网络已经作为网格资源加入到网格结构中，因此光子网络可以简单描述为扩展化的网格。

光子网格目前有两种基本模型，即重叠模型和集成模型。重叠模型的特点是传统网格和智能光网络中间采用标准的接口进行互通（如UNI），可理解为一种简单的光子网格架构；而集成模型的特点是传统网格和智能光网络集成在一起，光网络直接作为网格资源由网格中间件（已复杂化的中间件）进行统一控制和管理。目前，国外大学和研究机构对于光子网格研究较多（主要交换技术基于光波长交换和光突发交换），建立了一些试验网络，而国内尚处于起步阶段。

2.6　光量子通信技术

量子通信技术主要基于量子力学的基本原理进行通信，如量子态的叠加性、量子相干性、量子纠缠性和量子不可克隆原理（测不准原理）等，是量子信息技术中的一个研究分支，与传统的光通信技术有着本质的差异，其储存和传输容量是现有技术无法比拟的。

如果量子通信技术中采用的量子比特为光子的偏振态，那么量子通信可称为光量子通信，目前研究的通信方式主要为隐形传态过程（1993年提出），即光量子通信时光子本身并没有传送，而传送的仅仅是光子携带的信息。目前，大部分研究仍处于最初的实验室研究阶段，最新的研究成果是产生光子纠缠对并让其中一个光子在光纤中传输了144km。目前，学术界正在致力于研究量子通信网络的关键技术，如高亮度纠缠源、纠缠操作和纯化、量子中继和量子处理器等。

3、光网络新技术应用策略

鉴于光网络新技术的特殊性和新颖性，本文认为至少需要从以下几个方面考虑新技术的引入与应用。

（1）考虑新一代技术的成熟程度

新技术的引入需要考虑其在近期内是否成熟。一个典型的例子是光分组交换技术，虽然其具有其他光交换技术所不具备的交换优势，但由于近期内关键技术限制无法实现，因此在具体的近期应用则可以不予考虑此类技术。

（2）重视新一代技术的适用范畴

每种新技术都有其合理的适用范畴，以适应客户业务的合理传送。因此，在具体引入新一代光网络技术时，需要侧重所选用技术的适用范围，譬如选择骨干/城域核心网新技术，则重点考虑OTN技术。

（3）考察新一代技术的向前兼容性

基于现有网络架构所采用的技术，采用新一代技术以后是否可实现比较平滑的技术过渡，这也是需要一个深入思考和分析的问题。

（4）强调新一代技术的可扩展性

每种技术都有其相应的从应用到大规模应用、再到逐渐淘汰的生命历程，因此在具体选择新一代光网络技术时，尽可能考虑新一代技术在可预见的应用周期内的可扩展性。

总之，在选择光网络新技术应用时，需要考虑新技术的成熟度、应用范畴、向前兼容性和未来可扩展性等方面。

4、光网络新技术发展趋势

从传送平面的发展趋势来看，OTN技术需逐步增强完善多业务适配、保护/恢复功能和光层开销；电分组传输技术则需完善相关规范，并逐步引入动态自动配置功能；而光接入技术中，则需增加接入速率和容量，增强管理等，如10G PON，WDM-PON等。

从控制平面方面来看，随着光网络智能性的不断完善和发展，实现光接入、城域网和骨干网等多粒度、多层多域的智能和统一控制将是光网络智能特性的发展趋势。

从管理平面方面来看，多种传送平面技术的统一管理和控制、控制平面的全面管理以及管理平面辅助功能的增强将是其发展趋势。

对于光子网格而言，随着大数据量科学计算需求（如宇宙问题、环境问题、医疗问题和地质问题等）的持续发展和光网络技术的逐步发展，光子网格技术将逐步成熟并得到实际应用。

对于光量子通信而言，由于其与传统光通信技术差异显著，目前仍处于最初的研究阶段，但其依然是目前可预见的最有前途的未来通信技术之一。因此，光量子通信依然是光通信技术领域需继续深入研究的技术。

5、结束语

本文主要从光网络的3个功能平面（即传送平面、控制平面和管理平面）、光子网格以及光量子通信等方面分析探讨了新一代光通信技术的特点、应用范畴、引入策略和发展趋势等方面的内容。总的来看，多业务多粒度可靠传送、宽带接入、高速率大容量长距离传输、全网统一智能控制和管理将是新一代光网络技术的关键特点和发展趋势，而光子网格应用范畴的扩展和光量子通信的引入，则从另外一个侧面凸现出新一代光网络技术未来发展的巨大潜能。