全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

趙文玉 徐云斌 湯瑞 趙鑫 張海懿

(中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191)

0 引言

隨著5G、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的有序推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程的整體加速，作為信息通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)承載底座，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及其優(yōu)勢(shì)特性受到高度關(guān)注，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)也在持續(xù)按需演進(jìn)[1]。全光網(wǎng)絡(luò)作為光纖通信技術(shù)的終極組網(wǎng)應(yīng)用目標(biāo)，近二十年業(yè)界持續(xù)聚焦推動(dòng)研究，期望獲得與電域處理技術(shù)類(lèi)似的組網(wǎng)功能和性能。但受限于光層處理能力，基于光分組交換、光突發(fā)交換等全光處理和光交換技術(shù)在應(yīng)用方面并沒(méi)有取得本質(zhì)突破，目前步入商用或可商用的依然主要是基于波長(zhǎng)通路或端口交換的全光組網(wǎng)機(jī)制，整體上仍處于全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的初級(jí)階段?；谠苹_(kāi)展應(yīng)用已成未來(lái)主流趨勢(shì)，數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、5G/6G等與光纖通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步深度融合或協(xié)同，面對(duì)多樣化海量數(shù)據(jù)差異化傳輸需求，光纖通信網(wǎng)絡(luò)如何按需革新發(fā)展成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)分析了基于波長(zhǎng)通路交叉的全光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化及應(yīng)用情況的進(jìn)展現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 全光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

1.1 光域技術(shù)

全光網(wǎng)絡(luò)概念相對(duì)泛化，主要范疇至少應(yīng)包括全光域信號(hào)的處理和調(diào)度，典型關(guān)鍵技術(shù)包括光交換(交叉)技術(shù)、全光節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、傳輸特性控制技術(shù)(功率、色散和信噪比等)，其中傳輸特性控制屬于高速光傳輸共性技術(shù)，本文不再贅述。

1.1.1 光交換(交叉)技術(shù)

光交換(交叉)技術(shù)主要包括基于分組或者類(lèi)分組的光交換、基于光波長(zhǎng)通路的光交叉、基于光端口的光交叉等技術(shù)，其中基于分組或者類(lèi)分組的光交換技術(shù)近十年沒(méi)有取得突破性進(jìn)展，近期公開(kāi)報(bào)道聚焦點(diǎn)偏少，距離普適性商用時(shí)間無(wú)法預(yù)計(jì)。基于光波長(zhǎng)通路的光交叉技術(shù)經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，由最初主要面向兩維可重構(gòu)光分插復(fù)用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM)結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)阻斷、平面波導(dǎo)等技術(shù)演進(jìn)到支持多端口維度的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(Wavelength Selective Switch，WSS)技術(shù)，其中WSS包括微型電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)、液晶(Liquid Crystal，LC)和硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)3種技術(shù)原理。綜合考慮全光節(jié)點(diǎn)維度、切換時(shí)間、靈活柵格支持等特性，基于LCoS的WSS是目前全光交叉節(jié)點(diǎn)的主要技術(shù)[2-3]。

目前，商用網(wǎng)絡(luò)使用的WSS主要包括1×9和1×20兩種端口規(guī)格(或雙路集成)，部分采用了大于1×20的端口規(guī)格，同時(shí)為了便于上下路靈活控制，在光交叉節(jié)點(diǎn)中可引入N×M端口的廣播光開(kāi)關(guān)(Multicast Switch，MCS；包括N個(gè)耦合器和M個(gè)光放大器)或WSS。其中，MCS典型端口為8×16、8×24、16×12/16/24等，WSS典型端口為雙路8×24。受近期及未來(lái)可預(yù)期的大容量傳輸需求驅(qū)動(dòng)，WSS目前朝著更多端口數(shù)量、更高集成度的方向發(fā)展，如Lumentum目前已支持雙路1×35端口的WSS產(chǎn)品，II-VI公司也在2021年10月發(fā)布了雙路1×48端口的WSS產(chǎn)品，ROADMap系統(tǒng)公司在2020年世界光纖通信大會(huì)(Optical Fiber Communication，OFC)上報(bào)道了基于單個(gè)4k LCoS器件集成24個(gè)1×12端口的WSS。另外，考慮到超大容量光傳輸系統(tǒng)正在朝著擴(kuò)展波段、空分復(fù)用等方面發(fā)展，支持相應(yīng)特性的WSS也在不斷推動(dòng)研制，如II-VI公司2020年8月發(fā)布了支持C+L波段的WSS產(chǎn)品，支持頻寬由6 THz擴(kuò)展到11 THz；荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的研究人員也報(bào)道了面向低成本、低維度，支持O、S、C和L波段基于光子集成的WSS[4]；業(yè)界同時(shí)也已開(kāi)展面向空分復(fù)用(Space Division Multiplexing，SDM)應(yīng)用的光交叉/交換技術(shù)的研究和分析[5-6]。

基于端口相對(duì)成熟的光交叉一般主要基于MEMS、直接光束偏轉(zhuǎn)(Direct Beam Streering，DBS)和LC/LCoS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其典型特性見(jiàn)表1。從表1可以看出，這些交叉技術(shù)的切換時(shí)間一般在ms以上的量級(jí)，為了獲得更快的切換時(shí)間，研究人員持續(xù)探索不同的機(jī)制實(shí)現(xiàn)更快的切換時(shí)間，例如基于硅光、鈮酸鋰等工作機(jī)制。2020年的OFC會(huì)議報(bào)道了基于PLC的切換技術(shù)，切換時(shí)間達(dá)到了87 μs[7]。

1.1.2 全光節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

作為全光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)網(wǎng)元，全光交叉節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其中基于波長(zhǎng)通路的光交叉連接目前主要采用WSS器件組合實(shí)現(xiàn)，基于端口的光交叉連接基于光開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)，前者是目前全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要類(lèi)型。結(jié)合線(xiàn)路、上下路等不同功能特性需求(如是否考慮方向受限、波長(zhǎng)限定、柵格可調(diào)和波長(zhǎng)沖突等需求)，可構(gòu)成CD(波長(zhǎng)無(wú)關(guān)、方向無(wú)關(guān))、CDC(波長(zhǎng)無(wú)關(guān)、方向無(wú)關(guān)、競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān))、CDCF(波長(zhǎng)無(wú)關(guān)、方向無(wú)關(guān)、競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)、靈活柵格)等不同架構(gòu)的ROADM全光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其基本配置單元構(gòu)成(圖示不含靈活柵格)如圖1(b)所示。

表1 基于端口交叉的光開(kāi)關(guān)基本特性

圖1 全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及ROADM功能單元類(lèi)型構(gòu)成示意圖

隨著ROADM節(jié)點(diǎn)逐步規(guī)模應(yīng)用，其交叉連接的線(xiàn)路維度逐步擴(kuò)展，WSS端口之間的光纖連接數(shù)量顯著增加，在設(shè)備安裝配置、運(yùn)行維護(hù)和故障處理等方面帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步降低光纖連接數(shù)量的影響，目前業(yè)界提出兩種典型的解決方案，一種是采用集中式的光纖連接盒，另一種是采用光背板，其中光背板是近兩年廠(chǎng)商構(gòu)建CDC ROADM設(shè)備采用的主流方案(見(jiàn)圖2)。

針對(duì)空分復(fù)用等超大容量傳輸技術(shù)未來(lái)進(jìn)行全光組網(wǎng)的應(yīng)用需求，近幾年業(yè)界也逐步啟動(dòng)面向SDM應(yīng)用的交叉/交換技術(shù)、架構(gòu)和應(yīng)用潛力研究[5-6]，但整體上仍屬于初步研究階段，其中一種典型的思路是采用波長(zhǎng)交叉和空間光纖交叉的模式分層進(jìn)行交叉調(diào)度[8]。

1.2 管控技術(shù)

基于波長(zhǎng)交叉的全光網(wǎng)絡(luò)的管控架構(gòu)目前主要有兩種，即基于分布式控制的波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Switched Optical Network，WSON)和基于集中式控制的ROADM光網(wǎng)絡(luò)，后者如OpenROADM，主要由美國(guó)為主的運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商牽頭構(gòu)建的多源協(xié)議(Multi-Source Agreement，MSA)組織進(jìn)行推動(dòng)和規(guī)范。另外，國(guó)內(nèi)外多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)巨頭也在牽頭推動(dòng)基于OpenConfig工作組的YANG模型實(shí)現(xiàn)全光線(xiàn)路系統(tǒng)的集中式管控功能。

WSON的基本管控架構(gòu)如圖3所示，主要特點(diǎn)在分布式架構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用基于PCE的集中路由計(jì)算和分布式連接建立相協(xié)同工作模式，涉及基于波長(zhǎng)粒度的路由、信令、鏈路資源管理、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)等有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)要求已在標(biāo)準(zhǔn)YD/T 3598-2019中進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)范。

圖2 全光交叉節(jié)點(diǎn)及ROADM結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 WSON基本架構(gòu)

圖4 OpenROADM基本架構(gòu)

集中式的ROADM管控架構(gòu)以O(shè)penDaylight的開(kāi)源項(xiàng)目TransportPCE控制器為例[9]，如圖4所示，主要基于SDN架構(gòu)實(shí)現(xiàn)集中式管控，并針對(duì)物理層設(shè)備、組網(wǎng)、應(yīng)用等選擇不同的數(shù)據(jù)模型和管控協(xié)議。其中，南向接口通信的API主要采用基于RESTCONF的OpenROADM業(yè)務(wù)模型，北向接口通信的API主要采用NETCONF和OpenROADM設(shè)備模型，控制器內(nèi)部采用了基于PCE的業(yè)務(wù)路徑模型等，相關(guān)要求OpenDaylight在持續(xù)刷新[9]。

目前，基于分布式的WSON架構(gòu)和基于集中式的管控架構(gòu)側(cè)重的應(yīng)用場(chǎng)景不同，其中WSON架構(gòu)主要面向全國(guó)或區(qū)域干線(xiàn)的應(yīng)用，集中式的管控架構(gòu)偏向城域和邊緣網(wǎng)絡(luò)(含數(shù)據(jù)中心)的應(yīng)用。后續(xù)隨著帶寬、時(shí)延和能耗等關(guān)鍵需求的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)，兩種架構(gòu)的ROADM全光網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)并存式協(xié)同發(fā)展態(tài)勢(shì)，其管控的功能性能完善程序還需依賴(lài)光層信號(hào)交叉/交換、監(jiān)測(cè)等處理技術(shù)的革新進(jìn)度。

2 全光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

2.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化

全光網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要聚焦物理層和管控層兩個(gè)方面，涉及的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織或MSA聯(lián)盟主要包括ITU-T、IETF和OpenROADM等。ITU-T SG15主要聚焦WSON的物理層特性和管理信息模型進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定完成后，近兩年沒(méi)有明顯的更新。IETF CCAMP組主要圍繞管控協(xié)議和信息模型進(jìn)行規(guī)范，在WSON的控制架構(gòu)、路由和波長(zhǎng)分配(RWA)、路徑計(jì)算單元(PCE)擴(kuò)展、信令控制、損傷控制等方面已發(fā)布系列RFC規(guī)范，目前正在制定相關(guān)的YANG模型規(guī)范，以形成IETF的L0層網(wǎng)絡(luò)模型，包括網(wǎng)絡(luò)特征模型和L0層隧道模型等。OpenROADM自成立以來(lái)主要側(cè)重光層、電層(數(shù)字層)和YANG數(shù)據(jù)模型規(guī)范的制定和持續(xù)刷新。全光網(wǎng)絡(luò)涉及的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的主要進(jìn)展見(jiàn)表2。

2.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化

全光網(wǎng)絡(luò)的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化主要由CCSA TC6 WG1和WG4負(fù)責(zé)，其中WG1負(fù)責(zé)設(shè)備和管控層面的標(biāo)準(zhǔn)，WG4負(fù)責(zé)器件方面的標(biāo)準(zhǔn)。目前，已經(jīng)完成的主要標(biāo)準(zhǔn)包括WSS器件、ROADM設(shè)備技術(shù)要求及測(cè)試方法、WSON技術(shù)及測(cè)試方法等，其中ROADM設(shè)備主要聚焦基于光背板的集成性設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制定，WSON主要側(cè)重在網(wǎng)絡(luò)中繼、波長(zhǎng)變換等網(wǎng)絡(luò)物理層特征條件下的路由功能和保護(hù)恢復(fù)等能力，以及在L0層ROADM/WDM網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由恢復(fù)功能等，但對(duì)于光層損傷反饋控制方面標(biāo)準(zhǔn)化工作尚未涉及。目前，全光網(wǎng)絡(luò)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展參見(jiàn)表3。

3 全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀

全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的理念提出較早，但具體商用部署則與業(yè)務(wù)應(yīng)用需求、光層傳輸和調(diào)度能力、組網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)成本等多種因素密切相關(guān)。國(guó)外運(yùn)營(yíng)商在十多年前已開(kāi)始部署基于波長(zhǎng)通路調(diào)度的ROADM網(wǎng)絡(luò)，近幾年以美國(guó)AT&T等為主的運(yùn)營(yíng)商聚力推動(dòng)基于OpenROADM架構(gòu)在城域的部署應(yīng)用。

表2 全光網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)展

表3 全光網(wǎng)絡(luò)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商最近幾年在骨干層面逐步規(guī)模部署ROADM網(wǎng)絡(luò)，并推動(dòng)向城域核心層面延伸。截止到目前，中國(guó)電信已建成全球規(guī)模最大的ROADM網(wǎng)絡(luò)，總?cè)萘窟_(dá)到620 Tbit/s，全國(guó)五大區(qū)域全部覆蓋[10]。中國(guó)聯(lián)通于2018年啟動(dòng)建設(shè)的京津冀ROADM區(qū)域網(wǎng)已投入運(yùn)行，并正在籌備建設(shè)華東、華南和西部等區(qū)域的ROADM網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)移動(dòng)近十年內(nèi)也陸續(xù)開(kāi)展了光電混合交叉測(cè)試驗(yàn)證和應(yīng)用試點(diǎn)，基于集成式的ROADM技術(shù)在2018年中國(guó)移動(dòng)政企專(zhuān)網(wǎng)中也得到部署應(yīng)用；另外，基于端口方式交叉的全光調(diào)度應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、自動(dòng)化測(cè)試驗(yàn)證等方面也得到初步的試點(diǎn)或應(yīng)用。

從整體應(yīng)用效果來(lái)看，ROADM全光組網(wǎng)在OTU單元數(shù)量、功耗、設(shè)備節(jié)點(diǎn)集成度、業(yè)務(wù)調(diào)度和開(kāi)通速率等方面優(yōu)勢(shì)顯著，但在業(yè)務(wù)生存性的時(shí)間穩(wěn)定性、交叉維度數(shù)量等方面尚待進(jìn)一步提升[10]。

4 未來(lái)發(fā)展展望

伴隨著以云為代表的IT技術(shù)和以網(wǎng)絡(luò)為代表的CT技術(shù)的進(jìn)一步深度融合和整個(gè)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，5G/6G、數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)等持續(xù)發(fā)展，基于云化的分布式計(jì)算和存儲(chǔ)等需求強(qiáng)勁，云、網(wǎng)絡(luò)、算力和應(yīng)用之間的構(gòu)成和協(xié)同(或融合)更為繁雜，全光網(wǎng)絡(luò)擁有的超大容量、超低時(shí)延、低功耗、靈活智能和低成本等組網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步得到發(fā)揮?？v觀未來(lái)應(yīng)用需求、全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特性及全光處理技術(shù)革新趨勢(shì)，以ROADM為主要節(jié)點(diǎn)的全光網(wǎng)絡(luò)未來(lái)應(yīng)用態(tài)勢(shì)如下。

(1)干線(xiàn)持續(xù)規(guī)模部署并提升或完善現(xiàn)有應(yīng)用存在的問(wèn)題或不足。例如，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，存在波長(zhǎng)或其他資源沖突的概率提升，業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)恢復(fù)的時(shí)間在秒級(jí)或甚至部分場(chǎng)景達(dá)到分鐘量級(jí)，與IP層收斂相比在時(shí)間方面并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，需要從節(jié)點(diǎn)架構(gòu)、路由算法、資源沖突優(yōu)化(含線(xiàn)路維度增加)、光層信號(hào)監(jiān)測(cè)能力和開(kāi)關(guān)切換速度等多個(gè)維度協(xié)同提升；隨著光波長(zhǎng)通路傳輸速率提升到400 Gbit/s和800 Gbit/s或更高，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x通常將會(huì)降低，進(jìn)一步影響ROADM全光組網(wǎng)規(guī)模，需進(jìn)一步從光層、電層(數(shù)字域)、光纖介質(zhì)等多方面優(yōu)化提升傳輸性能等。

(2)ROADM在城域部署預(yù)計(jì)將逐步提速。除了核心層和匯聚層之外，接入層也將按需選用?？紤]到應(yīng)用需求特性和建網(wǎng)成本等因素，支持較少端口、開(kāi)放解耦、SDN控制器和低成本特性的ROADM將是匯聚層和接入層的可能選擇。

(3)全光組網(wǎng)新型特性將持續(xù)研究和探索。隨著多傳輸波段、SDM等超大容量的傳輸技術(shù)的發(fā)展，將逐步推動(dòng)支持多波段和SDM的ROADM節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)應(yīng)用探索；面向垂直行業(yè)等多樣化引用的新型特性，在干線(xiàn)層面IP層與光層如何協(xié)同或融合提供最佳承載特性需進(jìn)一步強(qiáng)化研究；考慮光域處理技術(shù)的不斷革新，持續(xù)關(guān)注基于波帶、子載波、光分組、光突發(fā)等全光交換技術(shù)等。

(4)光層和電層的協(xié)同組網(wǎng)將長(zhǎng)期存在。由于全光組網(wǎng)時(shí)光層處理的帶寬粒度以波長(zhǎng)為單位，對(duì)于較小帶寬需求無(wú)法靈活調(diào)整，同時(shí)光域信號(hào)的傳輸距離有其適用范圍，整個(gè)傳送網(wǎng)絡(luò)全光處理尚待時(shí)日，光電協(xié)同方式仍是典型方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型業(yè)務(wù)需求和技術(shù)革新等協(xié)同推動(dòng)全光網(wǎng)絡(luò)持續(xù)發(fā)展和部署應(yīng)用，采用ROADM節(jié)點(diǎn)、基于波長(zhǎng)通路的交叉調(diào)度是目前的主要應(yīng)用方式。本文主要介紹了光域和管控域關(guān)鍵技術(shù)、國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化最新進(jìn)展以及現(xiàn)網(wǎng)部署應(yīng)用現(xiàn)狀等，并對(duì)全光網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行了展望。整體來(lái)看，基于波長(zhǎng)通路的全光組網(wǎng)技術(shù)逐步趨于成熟，隨著5G、數(shù)據(jù)中心等新基建的持續(xù)推進(jìn)、海量差異化傳輸流量的持續(xù)增長(zhǎng)和全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，超大容量傳輸技術(shù)將持續(xù)革新，新型光交叉/交換技術(shù)持續(xù)發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)除了在干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)優(yōu)化規(guī)模部署之外，應(yīng)用范疇持續(xù)拓展，逐步向城域和數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景加速滲透，按需逐步引入SDN架構(gòu)、開(kāi)放解耦等特性，未來(lái)前景可期。