推進綠色節(jié)能新一代光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)瞄準五大方向

北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信研究院 | 彭甜甜 楊輝 趙永利 張杰 顧畹儀

節(jié)能光網(wǎng)絡(luò)成為當前的研究熱點，運營商不僅要做好核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的節(jié)能工作，更要關(guān)注未來架構(gòu)的演進和創(chuàng)新。

在高速率、大帶寬的需求驅(qū)動下，電信網(wǎng)絡(luò)得到了迅猛發(fā)展，但耗能問題也逐漸引起了運營商、通信設(shè)備商、業(yè)務(wù)提供商的廣泛關(guān)注——有預(yù)測顯示，假如全國有1000個1.2P的路由器，其耗能將達1.5萬兆功率，相當于一個核電站。歐盟為此成立了綠色光電網(wǎng)絡(luò)小組，致力于節(jié)能光器件研究。中國工程院副院長鄔賀銓在2010年中國互聯(lián)網(wǎng)大會開幕式上曾提及：“互聯(lián)網(wǎng)的寬帶化是流量超常規(guī)下發(fā)展的，移動互聯(lián)網(wǎng)將加大網(wǎng)絡(luò)的能耗，需要從體系、技術(shù)等方面開發(fā)高效、節(jié)能的互聯(lián)網(wǎng)?！弊鳛殡娦啪W(wǎng)絡(luò)的重要部分，光網(wǎng)絡(luò)在綠色、節(jié)能方面擔(dān)當著重要角色。

構(gòu)建低碳環(huán)保網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫

隨著社會的不斷進步與經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源消耗與環(huán)境保護的矛盾愈發(fā)凸顯。一方面，環(huán)境對人類可持續(xù)發(fā)展的重要性，已得到空前重視；改善環(huán)境、減少污染，已成為時代的急切呼聲。另一方面，能源枯竭步步逼近，能源消耗年年倍增，能耗總量過大與能耗效率偏低是限制人類發(fā)展的重大瓶頸。解決能源問題，保護生存環(huán)境，已經(jīng)成為人類發(fā)展的艱巨挑戰(zhàn)。

作為人類社會飛速發(fā)展的標志性產(chǎn)業(yè)，通信行業(yè)在能耗挑戰(zhàn)中首當其沖。隨著人們通信需求的逐步提高，ICT網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的快速增加，ICT耗能也在迅猛增長，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和元件的消耗量更與日俱增。數(shù)據(jù)顯示，ICT耗能2009年已占世界總耗能的8%。作為ICT設(shè)施的重要部分，電信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能措施也提上了日程。

電信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，我們從電信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三個組成部分入手，即核心網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，總結(jié)當前存在的光網(wǎng)絡(luò)代表性節(jié)能方案。

核心網(wǎng)多層推進

核心網(wǎng)是電信網(wǎng)絡(luò)的主要部分，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離長、數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高的特點。骨干網(wǎng)耗能大約占總網(wǎng)絡(luò)耗能的12%，預(yù)計2020年將達到20%。

首先，核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)量在一天中不同時刻大小不同。當業(yè)務(wù)負載較低時，存在的暫停使用或利用率低的節(jié)點和鏈路，造成了能源的浪費。如何達到能效最大化，即如何盡可能多地關(guān)掉空閑節(jié)點和鏈路，是關(guān)鍵所在。這個問題即為NP難問題，通常采用MILP(Mixed Integer Linear Program)進行解決，但隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的增加，MILP計算量會急劇增大，因此MILP只適應(yīng)于小型網(wǎng)絡(luò)。

針對大型網(wǎng)絡(luò)，可以采用啟發(fā)算法完成路由和波長分配，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效組件最小化。目前通常采用局部搜索、多空間搜索和全局搜索來處理NP難度問題。局部搜索算法是一類近似算法的通稱，它從一個初始解開始，每一步在當前領(lǐng)域內(nèi)找到一個更好的解，使目標函數(shù)逐步優(yōu)化．直到不能進一步改進為止；多空間搜索算法采用搜索空間平滑技術(shù)來減小局部極小點數(shù)量；全局搜索算法，是指在全局搜索或全局優(yōu)化中，采用特殊的變換模型將離散的布爾空間上的SAT問題轉(zhuǎn)換成實空間上的“連續(xù)量SAT問題”，已知的全局優(yōu)化方法有最速下降法、牛頓法、準牛頓法、割平面法、橢球體法、同倫法、布爾差分法等。

其次，核心網(wǎng)中的IP路由是主要耗能設(shè)備，其能耗約占全網(wǎng)能耗的90%，如何減小路由耗能也是核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)能要考慮的一個重要方面。

核心路由的線卡和機箱耗能是不可忽視的，線卡和機箱的配置不同導(dǎo)致能耗不同。一般機箱填充級別越高，節(jié)能越明顯，也就是，高填充率的機箱比低填充率機箱每比特消耗能量少。

第三，核心網(wǎng)中呈現(xiàn)出多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故其節(jié)能應(yīng)考慮多層網(wǎng)絡(luò)的綜合耗能情況。由于大部分交換和傳送設(shè)備的耗能在一定程度上取決于業(yè)務(wù)負載，因此涉及到多層流量疏導(dǎo)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的最優(yōu)化處理，以減小使用波長和ADM用量。目前流量疏導(dǎo)主要集中于靜態(tài)業(yè)務(wù)方案下的WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，通過建立普遍的流量疏導(dǎo)模型，利用啟發(fā)算法來解決流量疏導(dǎo)以達到網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化。另外，經(jīng)路由傳輸?shù)腎P包大小對其耗能也存在影響。即恒定比特業(yè)務(wù)傳輸時，IP包越大，耗能越小。

第四，傳統(tǒng)的最佳路徑選擇依據(jù)為最小跳數(shù)，但最小跳數(shù)路徑的節(jié)點被過度使用可能性大，因而造成網(wǎng)絡(luò)耗能增加并影響網(wǎng)絡(luò)壽命。因此，人們提出了能量感知路由，它將路徑剩余能量也作為最佳路徑選擇的指標，以此降低網(wǎng)絡(luò)耗能并延長網(wǎng)絡(luò)壽命。能量感知路由有兩種設(shè)計：一種是功率效率設(shè)計，即整合路由ASICs/FPGAs并提出一種可升級中心結(jié)構(gòu)，使得路由耗能減小50%。另一種為功率節(jié)約設(shè)計，即減小額外的能耗，包含靜態(tài)性能控制和動態(tài)性能控制兩方面。靜態(tài)性能控制可實現(xiàn)10%~20%的節(jié)能，動態(tài)性能控制可以根據(jù)到達業(yè)務(wù)量動態(tài)改變路由性能，是下一代路由發(fā)展的趨勢。

城域網(wǎng)因地制宜

城域網(wǎng)界于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間，它覆蓋一個城市的地理范圍，連接用戶的業(yè)務(wù)聚合設(shè)備并和核心網(wǎng)直接相連。不同城域網(wǎng)所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也不同。在城域網(wǎng)的主要技術(shù)有SONET、WDM環(huán)、以太網(wǎng)等。其中城域WDM環(huán)形結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛。

針對單向WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)考慮3種結(jié)構(gòu)：FG（First-Generaion）光網(wǎng)絡(luò)，SH（single-hop）網(wǎng)絡(luò)，MH（multi-hop）網(wǎng)絡(luò)。在FG光網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點流入流出業(yè)務(wù)都是電處理，包括中繼業(yè)務(wù)；在SH網(wǎng)絡(luò)中，當節(jié)點為源節(jié)點或是目的節(jié)點的時候才進行電處理；MH網(wǎng)絡(luò)介于兩者之間。當單向WDM環(huán)形網(wǎng)有著均勻的業(yè)務(wù)時，且連接速率接近波長容量，MH網(wǎng)絡(luò)耗能比FG低 。當連接速率較低時，MH網(wǎng)絡(luò)比SH網(wǎng)絡(luò)更好，因為MH網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)復(fù)用方面更為靈活。

以太網(wǎng)節(jié)能問題的研究重點，主要在于降低以太網(wǎng)接口的能耗問題。在IEEE 802.3az工作組的工作中，為減小以太網(wǎng)能耗，工作組對高效以太網(wǎng)各種電子接口，包括1000BASE-T和10GBASE-T，進行了標準化處理。這方面研究的主要思路是：在負載較小時，通過降低端口速率甚至關(guān)閉端口來降低能耗。關(guān)于以太網(wǎng)能耗問題的研究將進一步削減以太網(wǎng)的運營成本，使得以太網(wǎng)逐步成為一項綠色技術(shù)。

接入網(wǎng)雙管齊下

作為連接用戶終端設(shè)備和某種業(yè)務(wù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，接入網(wǎng)是電信網(wǎng)絡(luò)的最后一公里設(shè)施，組成了電信網(wǎng)絡(luò)的大部分?，F(xiàn)代接入網(wǎng)的特點是綜合業(yè)務(wù)接入，特別是多媒體業(yè)務(wù)和IP業(yè)務(wù)的綜合接入。有研究表明，由于存在大量活躍節(jié)點，接入網(wǎng)消耗了全網(wǎng)的70%的能量。所以，降低接入網(wǎng)的能耗就可顯著降低全網(wǎng)絡(luò)能耗。

當前的接入網(wǎng)技術(shù)主要有有線接入和無線接入兩類。有線接入技術(shù)包括xDSL、CM、FTTx等，無線接入技術(shù)包括Wi-Fi、WiMAX和蜂窩數(shù)據(jù)服務(wù)（如LTE、2G、3G等）。

有線接入介紹當前廣泛使用的FTTx，作為FTTx主要技術(shù)的PON的節(jié)能主要從改進集成電路技術(shù)、節(jié)能芯片設(shè)計、設(shè)備改良幾個方面來考慮。新型網(wǎng)絡(luò)長距離無源光網(wǎng)絡(luò)LR-PON（Long-reach Passive Optical Network）的提出，如圖2所示，將傳統(tǒng)PON的傳輸距離由20km延伸到100km，可以為大量接入/城域地區(qū)的客戶提供寬帶接入，是一個有前途的未來接入網(wǎng)的方案。由于在中心局和用戶之間采用無源器件實現(xiàn)長距離傳輸，使得傳輸耗能大大減小；且合并多種光線路終端和中心局，簡化了網(wǎng)絡(luò)，減少設(shè)備接口和網(wǎng)絡(luò)元素，實現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能。

無線接入以蜂窩數(shù)據(jù)服務(wù)為例，在蜂窩數(shù)據(jù)服務(wù)中，由于ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點限制源功率和傳輸功率，所以通常采用一種基于蜂窩的路由感知協(xié)議，來實現(xiàn)能量感知和負載平衡。

未來節(jié)能網(wǎng)絡(luò)暢想

未來綠色光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，它應(yīng)該具有五大特點。

其一，整個網(wǎng)絡(luò)為全光網(wǎng)絡(luò)，信號交換、選路、傳輸和恢復(fù)等所有功能都以光的形式進行，不但突破了電傳輸?shù)乃俾势款i，而且無需光/電、電/光轉(zhuǎn)換設(shè)備，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗。

其二，使用動態(tài)能量感知路由，根據(jù)業(yè)務(wù)量動態(tài)改變路由性能，即根據(jù)業(yè)務(wù)量調(diào)整發(fā)射器的功率及根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和鏈路剩余能耗實現(xiàn)最佳路徑選擇，從而減小某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的過度使用，使數(shù)據(jù)流平均分布在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中。

其三，采取動態(tài)流量疏導(dǎo)，在不改變ADM和波長的數(shù)量及ADM分布的情況下，通過動態(tài)改變各個波長所承載的業(yè)務(wù)，調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)在波長中的分布，靈活實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)化，達到用最少的ADM數(shù)量來支持動態(tài)改變的業(yè)務(wù)。

其四，根據(jù)節(jié)點和鏈路的業(yè)務(wù)量大小，對于未利用和低于閾值的節(jié)點和鏈路進入休眠，對于高利用率節(jié)點設(shè)置較低閾值，低利用率節(jié)點設(shè)置較高閾值，在業(yè)務(wù)達到閾值則開啟節(jié)點，低于閾值則選擇其它鏈路，達到動態(tài)高效利用節(jié)點和鏈路的目的。

其五，采用長距離接入網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，其光線路終端到本地交換的90km饋線段和本地交換到ONU的10km下線段均采用無源器件傳輸，減小傳統(tǒng)方案有源器件的耗能。由于上行信息的突發(fā)模式，使得ONU存在大量空閑時間，可以設(shè)計業(yè)務(wù)觸發(fā)機制，即有信息傳輸才啟動OUN，無信息則進入休眠模式，以此減小ONU空閑時間能耗。

節(jié)能光網(wǎng)絡(luò)是一個近來較新的研究點，本文總結(jié)了光網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)能方案，為節(jié)能網(wǎng)絡(luò)研究有興趣的研究者提供了參考，希望有助于未來綠色光網(wǎng)絡(luò)的研究。