全光網(wǎng)絡技術發(fā)展與演進

崔秀國 賈偉 馬軍棋 王超凱 黃康勇 李祥

(華為技術有限公司，深圳 518129)

0 引言

隨著光纖通信技術的飛速發(fā)展，光纖通信網(wǎng)絡逐漸向全光網(wǎng)發(fā)展。在網(wǎng)絡交換節(jié)點，開始規(guī)模使用大容量和高度靈活的可重構光分插復用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)，實現(xiàn)波長級全光自動調度，全光網(wǎng)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的狀態(tài)。本文分析了全光網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和未來演進趨勢，通過研究光層和電層相關的基礎關鍵技術，提出光電協(xié)同運作可以更好地滿足網(wǎng)絡需求，同時全光網(wǎng)將從骨干網(wǎng)絡覆蓋至城域邊緣網(wǎng)絡。

1 網(wǎng)絡業(yè)務發(fā)展趨勢和全光網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

運營商過去主要聚焦移動、家庭寬帶和專線三類核心業(yè)務發(fā)展網(wǎng)絡。目前，移動業(yè)務已經迎來5G業(yè)務發(fā)展，5G相比4G的核心要求是十倍帶寬增加，數(shù)倍時延下降，可靠性從“4個9”提升為“5個9”；家寬業(yè)務已經從百兆進入千兆時代，除了帶寬升級以外，新冠肺炎疫情也喚醒了網(wǎng)絡對低時延、零丟包和低抖動體驗的提升訴求；專線業(yè)務主要以政企專線為收入核心，高安全、高爆發(fā)、硬管道、低時延是普遍訴求。

云業(yè)務已經開始成為運營商新的重要增長點，也是網(wǎng)絡發(fā)展的核心。隨著企業(yè)數(shù)字化轉型，企業(yè)IT基礎架構向云遷移已經成為主流趨勢，各行業(yè)業(yè)務系統(tǒng)上云率不斷提升。在無線和家寬接入能力不斷增強的同時，新業(yè)務和新應用持續(xù)涌現(xiàn)，4K/8K視頻、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實(Augmented Reality，AR/ Virtual Reality，VR)、云游戲/教育/醫(yī)療等在社會各行業(yè)快速發(fā)展。由超高清視頻、云VR/游戲/教育等新應用的推動，尤其是由5G催生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用推動的邊緣計算應用場景正加速部署。根據(jù)IDC中國預測[1]，到2022年年底，超過60%的中國1000 強企業(yè)將部署基于5G和邊緣計算的應用場景，加速疫情之后的恢復和創(chuàng)新步伐，帶動5G基礎設施和物聯(lián)網(wǎng)解決方案的支出增長；預計到2024年年底，我國大中型數(shù)據(jù)中心數(shù)量將超過8 萬個。隨著大中型數(shù)據(jù)中心的部署和邊緣云的下沉，運營商開始圍繞云構建承載網(wǎng)。骨干數(shù)據(jù)中心(Data Center，DC)和城域內邊緣DC的部署，使得網(wǎng)絡的流量模型發(fā)生較大變化，對承載網(wǎng)提出了更高的要求。

如圖1所示，在傳統(tǒng)DC集中化部署的場景下，網(wǎng)絡以南北流量為主，流向固定、流量可預測，運營商可以較容易地以用戶數(shù)、用戶帶寬、收斂比等參數(shù)，分層、分級地規(guī)劃建設網(wǎng)絡。計算和內容下沉邊緣DC后，會增加核心云—邊緣云和邊緣云—邊緣云東西向流量，各層級網(wǎng)絡的流量無法按傳統(tǒng)方法進行預測，流向也難以預計，對時延、成本、安全、靈活性等關鍵特性要求更高。如何構建扁平高效、低時延、不受物理資源限制、可彈性擴展的承載網(wǎng)，是電信運營商建設云化城域網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)。

圖1 邊緣云部署帶來的流量模型變化

全光網(wǎng)瞄準移動、家庭寬帶、專線、云承載關鍵訴求，提供一張由可重構光分插復用器/光交叉連接(Optical Cross-Connect，OXC)構建的光層端到端(E2E)組網(wǎng)的全光底座網(wǎng)絡，它通過光層一跳直達架構實現(xiàn)業(yè)務大帶寬、低時延穿通；通過光層多方向調度，實現(xiàn)云的東西、南北向靈活歸屬和容災備份；通過ROADM靈活柵格(Flex Grid)技術支撐100G→200G→400G→800G的平滑帶寬演進。全光底座網(wǎng)以確定的光調度能力匹配不確定的新業(yè)務調度要求，是支撐業(yè)務網(wǎng)發(fā)展的穩(wěn)定基礎網(wǎng)。

全光網(wǎng)已經在骨干網(wǎng)成功部署和實踐，骨干網(wǎng)長距傳輸?shù)於嘶A網(wǎng)地位，骨干ROADM不但給互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet Protocol，IP)、云等業(yè)務提供大帶寬、低時延和調度靈活性，同時還滿足了網(wǎng)絡降本增效訴求。我國2018年建成首張骨干ROADM大網(wǎng)，在網(wǎng)運行超過3年，不但成本節(jié)省超過30%，能耗和空間節(jié)約超過50%，配置開通效率顯著提升，同時支撐了骨干DC互聯(lián)數(shù)十T大帶寬和毫秒級時延圈調度訴求。

全光網(wǎng)隨著省級云下沉開始向城域延伸，城域內除了傳統(tǒng)移動、家庭寬帶、專線南北向調度訴求以外，新增核心云—核心云、核心云—邊緣云、邊緣云—邊緣云東西向業(yè)務調度，同時業(yè)務涵蓋移動、家庭寬帶、專線等綜合業(yè)務。移動業(yè)務對全光網(wǎng)的主要訴求是距離延伸和1588時鐘傳輸，家庭寬帶訴求是提升家寬品質和發(fā)展VR等新的品質業(yè)務，政企訴求除了滿足硬管道和低時延訴求外還包括靈活帶寬調度訴求。因此，全光城域網(wǎng)除了引入ROADM/OXC實現(xiàn)光層組網(wǎng)以外，還需要具備光傳送網(wǎng)(Optical Transport Networ，OTN)的電交叉調度能力。城域網(wǎng)絡的可靠性要求也在提升，除了業(yè)務級和鏈路級保護以外，自動交換光網(wǎng)絡(Automatically Switched Optical Network，ASON)級保護也需要在城域匯聚和核心層重點考慮。

2 全光網(wǎng)發(fā)展演進

2.1 全光網(wǎng)架構和關鍵特征

全光網(wǎng)架構包括全光骨干網(wǎng)、全光城域網(wǎng)和全光接入網(wǎng)(見圖2)。在骨干和城域核心層面，通過在入網(wǎng)點(Point-of-Presence，POP)/DC/云網(wǎng)關等節(jié)點部署OXC，中心局(Central Office，CO)節(jié)點部署普通ROADM實現(xiàn)靈活光層，實現(xiàn)對物理光纖帶寬資源“潛力”的管理，盤活物理光纜多路由帶來的網(wǎng)絡生存性，進而支持光波長大顆粒調度，支撐調度成本/功耗最低、時延最小。通過光電有機結合，把光纖潛力轉化為全光網(wǎng)的超寬、低時延、低丟包、低抖動、高安全、高可靠的硬管道剛性品質“運力”。同時，在數(shù)字經濟時代，城域帶寬以每年超過20%的增幅快速增長，單個站點已開始需要100G及以上大帶寬的承載能力；隨著千行百業(yè)核心生產業(yè)務系統(tǒng)大規(guī)?！鞍帷鄙显贫?，邊緣云開始不斷出現(xiàn)和下沉。在邊緣云下沉時，邊緣云之間、邊緣云與核心云之間也需要低時延、大帶寬的波長直達和業(yè)務快速開通能力。全光網(wǎng)開始從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)延伸，在具體網(wǎng)絡構建上，應考慮如下幾個方面。

圖2 全光網(wǎng)架構

(1)可應對城域未來業(yè)務多變的特點，網(wǎng)絡架構保持穩(wěn)定。需適應未來新業(yè)務變化及面向未來業(yè)務可進行擴展，可應對未來業(yè)務的不確定性。

(2)可為未來業(yè)務提供高可靠和高品質網(wǎng)絡。滿足新業(yè)務對低時延、大帶寬、高可靠和靈活調度的需求。

(3)適配城域應用場景，結合城域組網(wǎng)特點優(yōu)化性能和功能，可規(guī)模部署。包括且不限于：高集成度，解決城域機房空間緊張的痛點；自動化能力，降低部署和運維難度，應對城域節(jié)點數(shù)量的大幅增加帶來的運維困難的挑戰(zhàn)；具備任意業(yè)務接入，以及大、小顆粒業(yè)務的調度能力，滿足多業(yè)務類型和帶寬的承載需求。

基礎承載網(wǎng)需要圍繞云構建網(wǎng)絡，提供更高的靈活性和智能化功能，以便在網(wǎng)絡拓撲及業(yè)務分布發(fā)生變化時能夠快速響應，實現(xiàn)業(yè)務的自由調度。電層交換可以實現(xiàn)小顆粒靈活調度但功耗較高，而光層交換可以實現(xiàn)大顆粒、大帶寬調度同時功耗較低，光電協(xié)同可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。全光網(wǎng)以ROADM光層組網(wǎng)和OTN靈活業(yè)務調度為主要目標網(wǎng)絡特征，滿足了移動、家寬、專線、云的全業(yè)務發(fā)展光底座網(wǎng)絡訴求，主要技術特征和網(wǎng)絡價值具體如下。

(1)架構穩(wěn)定：ROADM組網(wǎng)拓撲是基于機房和光纜組成的環(huán)或網(wǎng)格(Mesh)的穩(wěn)定架構。業(yè)務流量增加只需要擴波可支撐10年業(yè)務擴展，但光纖波長增加會出現(xiàn)波長沖突或波長利用率不均的問題，那么通過ROADM進行波長調度就可以實現(xiàn)光纖波長資源冷熱均衡。同時，業(yè)務網(wǎng)節(jié)點位置調整無需調整光纜，通過ROADM進行波長調度就可以靈活支持業(yè)務網(wǎng)拓撲變化。

(2)高可靠：全光網(wǎng)從傳統(tǒng)設備級可靠和鏈路級可靠發(fā)展為具備網(wǎng)絡級可靠水平。完善的保護系統(tǒng)包括業(yè)務層、鏈路層、物理層保護，原則上物理層故障不擴散到鏈路和業(yè)務層倒換，單節(jié)點故障不要擴散到網(wǎng)絡其他節(jié)點倒換。主控1+1、電源1+1、風扇1+1確保設備級可靠；OTN 1+1確保業(yè)務級可靠；光線路 1+1確保線路鏈路級可靠；ASON確保網(wǎng)絡級可靠，保證節(jié)點、鏈路多點和多段故障業(yè)務網(wǎng)絡業(yè)務不受影響。

(3)低時延：全光網(wǎng)通過光層一跳直達，可以減少光電轉換時延消耗；通過時延測量和選路功能可以實現(xiàn)業(yè)務最優(yōu)時延路徑，同時OTN簡化為光服務單元(Optical Service Unit，OSU)也大幅降低節(jié)點時延，整體可實現(xiàn)時延最優(yōu)。

(4)大帶寬：全光骨干網(wǎng)兼顧距離和成本，單波從當前100G/200G開始向400G演進，全光城域網(wǎng)滿足城域距離外，重點是兼顧成本和功耗，接入側從10G向100G演進，匯聚和核心從當前100G/200G開始向400G/600G/800G演進，實現(xiàn)整網(wǎng)單比特成本和功耗最優(yōu)；全光網(wǎng)要支持帶寬平滑演進，需要光層網(wǎng)絡具備Flex Grid能力，避免因彩光速率升級帶來光層網(wǎng)絡的更新?lián)Q代。

(5)高效節(jié)能：中間光層穿通扁平化架構可以減少中間節(jié)點功耗；核心節(jié)點通過光背板/OXC實現(xiàn)光層交換，減少多個光方向設備堆疊實現(xiàn)核心機房功耗最優(yōu)；匯聚及接入機房通過高集成ROADM實現(xiàn)一個方向一個板卡，光和電同機框也可實現(xiàn)功耗最優(yōu)。

(6)光電協(xié)同：波分是復雜的光電耦合的系統(tǒng)，通過光電協(xié)同起來可以進行最優(yōu)的性能調優(yōu)建模，從而提升網(wǎng)絡的性能，提升高速率模塊的場景覆蓋率，降低組網(wǎng)成本；另外，光電參數(shù)相互影響，通過光電協(xié)同可以避免加掉波導致現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務中斷，提升現(xiàn)網(wǎng)光電耦合問題的定界、定位效率。

2.2 全光網(wǎng)未來發(fā)展趨勢

2.2.1 網(wǎng)絡走向自動化和智能化

隨著5G時代的到來，云計算的蓬勃發(fā)展以及各種新業(yè)務形態(tài)的不斷涌現(xiàn)，作為承載網(wǎng)的光網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，質量要求不斷提升，傳統(tǒng)光網(wǎng)絡的運維方式面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光網(wǎng)絡的運維是面向設備單站，以人機交互為主的運維方式。新業(yè)務對開通時間、時延、可靠性、故障恢復等要求越來越高，導致運維成本也成倍增長，使得網(wǎng)絡運維已經超出“人工處理”的合理能力范疇。傳統(tǒng)光網(wǎng)絡運維面臨的典型挑戰(zhàn)：一是業(yè)務需要更大，更有彈性的管道；二是業(yè)務需要更短的可保障的時延；三是業(yè)務需要支持按需快速開通；四是網(wǎng)絡運營商的業(yè)務創(chuàng)新和服務質量提升的挑戰(zhàn)；五是運營商的集約化和提升運維效率的挑戰(zhàn)。

面對上述光網(wǎng)絡運維的五大挑戰(zhàn)，急切需要通過網(wǎng)絡運營、運維的自動化、智能化來提升業(yè)務的服務等級協(xié)議，提升運營質量，降低運維成本。面向全光網(wǎng)的全光自動駕駛網(wǎng)絡解決方案應運而生，全光自動駕駛網(wǎng)絡通過系統(tǒng)級創(chuàng)新解決電信網(wǎng)絡總擁有成本的結構性問題，通過網(wǎng)絡自動化、人工智能和數(shù)字孿生等技術，使能網(wǎng)絡極簡和智能運維，實現(xiàn)更好性能、更高效率和商業(yè)敏捷。面向光網(wǎng)絡領域，通過網(wǎng)元、網(wǎng)絡、云端三層引入人工智能，把智慧帶入全光網(wǎng)，使能全光網(wǎng)的超自動化及智能化。終極目標是實現(xiàn)對全光網(wǎng)絡的自治，讓全光網(wǎng)絡能夠自動駕駛。

以用戶體驗為中心，打造無所不在的連接與無處不及的全光自動駕駛網(wǎng)絡，面向具體的全光網(wǎng)應用場景落地自動化、智能化解決方案，推進業(yè)務自動發(fā)放、網(wǎng)絡智能運維，從而大幅縮短新業(yè)務上線時間，有效降低網(wǎng)絡故障率，提升運維效率，改善用戶體驗，同時也促進光傳送網(wǎng)向業(yè)務網(wǎng)演進。

2.2.2 更高可靠性網(wǎng)絡能力

網(wǎng)絡全光演進促進了網(wǎng)絡Mesh化的加速部署，同樣也為高可靠的全網(wǎng)網(wǎng)絡提供了基礎底座，那么什么樣的網(wǎng)絡才是一張高可靠的網(wǎng)絡？

(1)快速保護和恢復能力：首先具備業(yè)務、波長等級別的快速中斷恢復能力，例如針對語音類業(yè)務可以做到50 ms的快速恢復，針對IP承載可以做到秒級到分鐘級的確定性的恢復能力，確保業(yè)務、流量不中斷，且能針對不同等級的業(yè)務提供不同的保護等級(Service Level Agreement，SLA)。

(2)多次斷纖保護恢復能力：由于在光纜鋪設時很多時候是無法保證網(wǎng)路的出局路由完全絕對分離，因此網(wǎng)絡中會有很多同纜、同溝的情況，此外受區(qū)域經濟發(fā)展、城市基建繁榮、異常的天氣、自然災害等因素影響，網(wǎng)絡中大概率會存在多處斷纖的場景，那么全光Mesh化組網(wǎng)提供了豐富的路由，此時抗多次斷纖保護恢復能力也將是網(wǎng)絡可靠性的關鍵指標之一。

(3)穩(wěn)定低時延：數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展和“東數(shù)西算”國家戰(zhàn)略的提出，高品質的業(yè)務體驗成為核心指標，例如公有云區(qū)域內組網(wǎng)需<1 ms時延和金融專線的低時延核心訴求，穩(wěn)定的時延質量是業(yè)務高可靠的品質保證。此時，全光Mesh化多路由的全光業(yè)務網(wǎng)將會提供多等級時延訴求和穩(wěn)定硬管道時延能力。

(4)靈活調度：傳統(tǒng)鏈狀組網(wǎng)雖然簡單易維護，但是其固定的連接為業(yè)務發(fā)放、業(yè)務割接調度、業(yè)務緊急搶救等帶來巨大阻力，已經無法適應全光網(wǎng)絡面向業(yè)務、面向云互聯(lián)的訴求，因此一張可以靈活調度、快速調度的網(wǎng)絡才能滿足日益豐富多樣的業(yè)務發(fā)展，尤其在面向突發(fā)的外部節(jié)點故障和緊急業(yè)務調度訴求時，靈活多路由的調度能力將尤具優(yōu)勢。

(5)安全可信：傳輸通道專享隔離，提供安全隔離的光切片能力，實現(xiàn)“一網(wǎng)多用”，同時提供“專網(wǎng)”體驗，最大化地發(fā)揮網(wǎng)絡價值。

全光網(wǎng)的演進，觸發(fā)了網(wǎng)絡Mesh和扁平化的演進，單節(jié)點出局方向也由之前的2維逐步向3維、4維等更多維度發(fā)展，尤其核心節(jié)點將會多達10維以上，此時將會出現(xiàn)如下多個挑戰(zhàn)。

(1)綜合承載業(yè)務等級高，目前主流為單波100G，逐步在演進到200G、400G和800G，單波長內可能承載了不同類型的業(yè)務，例如CN2、2B專線、5G承載等，單波長故障就會帶來區(qū)域性的通信故障和關鍵客戶信息異常。

(2)單纖容量不斷演進，目前主流為C80 & C96，逐步演進到C120和C+L(240波)，單纖中斷最大影響流量可達8 Tbit/s甚至24 Tbit/s，未來可能達到100+Tbit/s，光纖保護刻不容緩。

(3)最優(yōu)時延路由選擇，兩點之間存在多個可達路由，如何快速尋找一條流量均衡、時延優(yōu)、跳數(shù)少、中繼少的路由，將變得尤為重要。

波長交換光網(wǎng)絡(Wavelength Switched Optical Network，WSON)的通用多協(xié)議標志交換協(xié)議(Generalized Multi-Protocol Label Switching-Traffic Engineering，GMPLS-TE)技術的引入很好地解決了以上挑戰(zhàn)，WSON通過鏈路管理協(xié)議(Link Management Protocol，LMP-TE)將節(jié)點的波長資源、局向資源、鄰居關系、光收發(fā)單元(Optical Transponder Unit，OTU)板卡信息都進行抽象收集。之后，通過開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(Open Shortest Path First-Traffic Engineering，OSPF-TE)將節(jié)點信息洪泛全網(wǎng)，此時每個節(jié)點都將具備全網(wǎng)的資源信息和路由信息，節(jié)點將具備路由計算的資源基礎，WSON具備如下優(yōu)勢。

(1)自動斷纖檢測和恢復能力：精準定位斷纖故障點，通過豐富的路由策略“距離最短”“跳數(shù)最少”“時延最優(yōu)”等快速的恢復業(yè)務，提升網(wǎng)絡可靠性。

(2)波長自動檢測和快速發(fā)放：自動識別網(wǎng)絡可用波長，識別可用路由，提升新業(yè)務上線時間。

(3)波長性能預估，提升波長可靠性：預測工作、保護和恢復路徑的波長性能，按需分配中繼單板，減少網(wǎng)絡中繼投資。

(4)網(wǎng)絡流量均衡：控制平面識別網(wǎng)絡擁塞點，可進行快速波長調整，減少擁塞導致單點斷纖和流量中斷。

但是當前網(wǎng)絡逐步在向更大范圍擴展，例如區(qū)域干線大網(wǎng)：規(guī)模在100 ROADM～200 ROADM節(jié)點，覆蓋干線網(wǎng)絡部分區(qū)域，支撐區(qū)域內全光調度，如京津冀區(qū)域、長三角區(qū)域、珠三角區(qū)域等；國家干線全光大網(wǎng)：規(guī)模在200 ROADM～500 ROADM節(jié)點，可覆蓋整個國家干線，支撐國家干線全光調度，盤活全國干線光纜資源，提供更加豐富的路由，支撐跨區(qū)域的高速、高可靠調度能力；一二級干線融合大網(wǎng)：規(guī)模在500 ROADM～1000 ROADM節(jié)點，支撐干線節(jié)點和光纜與省干融合，提高光纜利用率，豐富省干核心和區(qū)域核心的光纜路由，降低時延、提供更多豐富路由，真正提供一張綜合承載、面向政企業(yè)務、面向云接入和云互聯(lián)的全光網(wǎng)底座。此時節(jié)點的增多和路由的豐富，將會增加上百、上千倍的可達路由，業(yè)務承載數(shù)量也將幾十倍增長，此時對WSON控制平面提出更高的要求，關鍵要求如下。

(1)確定性的恢復性能：超大網(wǎng)絡規(guī)模下，跨區(qū)域的超長路徑業(yè)務較多，且網(wǎng)絡節(jié)點多，對恢復效率將會存在諸多不確定性，此時將需要重構WSON的軟件監(jiān)控和控制流程，確保提供快速恢復的能力。目前，業(yè)界在架構上全部在走向集中+分布式架構，解決分布式架構在超大網(wǎng)絡下的不確定性短板，并且已經提出了超大網(wǎng)絡需要具備動態(tài)重路由能力和120波10 s全部恢復的能力。

(2)確定性的SLA業(yè)務等級：全光網(wǎng)絡逐步走向綜合承載網(wǎng)絡，此時控制平面就需要能區(qū)分不同業(yè)務等級并提供差異化的確定性恢復能力和可靠性資源保證，充分發(fā)揮出承載網(wǎng)絡的價值，因此業(yè)界也提出高低優(yōu)先級、光虛擬專用網(wǎng)(Optical Virtual Private Network，OVPN)、優(yōu)先級搶占、資源獨享等技術，提供業(yè)務分級能力。

(3)確定性的路由收斂效率：超大組網(wǎng)下節(jié)點多，快速的進行故障檢測并且做路由收斂，快速收斂路由，可抗多位置點斷纖。目前，業(yè)界廠商也在發(fā)力此領域，聚焦在高效的硬件報文轉發(fā)效率、指向性的路由搜索算法、網(wǎng)絡節(jié)點虛擬化等，多方面在報文轉發(fā)、拓撲精簡、路由計算等方面提升效率，做到路由效率與網(wǎng)絡規(guī)模盡可能解耦。

(4)確定性的穩(wěn)定光系統(tǒng)：光系統(tǒng)的控制一直是全光網(wǎng)絡的基礎底座，穩(wěn)定的光系統(tǒng)底座將為全光網(wǎng)絡提供數(shù)字化的波長快速調度能力，關鍵技術研究方向如下。

? 無光路徑的監(jiān)控：能夠監(jiān)控站間、站內的無光光纖和尾纖，確?；謴吐窂焦收峡深A測。

? 快速光功率調測：波長重路由時會快速增調波，需要有快速增調波情況下的功率調測技術，尤其隨著單纖波數(shù)增加，此要求越來越高。

? 光系統(tǒng)自動優(yōu)化：網(wǎng)絡規(guī)模增加，串行鏈路增加，波長錯綜復雜，需要具備在線的全網(wǎng)光功率優(yōu)化能力，確保網(wǎng)絡光功率穩(wěn)定，且實時監(jiān)控異常功率情況。

此外，全光網(wǎng)絡的快速部署也帶來了新的研究課題：網(wǎng)絡容量的提升。由于經濟發(fā)展不均衡等因素，網(wǎng)絡必然存在流量不均衡的情況，光系統(tǒng)中又存在單纖80波容量的約束，這樣不可避免地會因為特定高流量區(qū)域快速消耗完光纖波長資源，導致整網(wǎng)無法持續(xù)擴容。對此業(yè)界也有相關研究，來整體提升網(wǎng)絡容量，持續(xù)延長網(wǎng)絡壽命，關鍵技術有以下兩種。

(1)最小加纖算法：高流量區(qū)域添加并行光纖，增加新的復用段路由，但是如何確保增加的光纖合理、如何確保增加的光纖最優(yōu)，之前靠人工嘗試添加，無法論證結果是否合理，目前有廠商通過“最小加纖算法”提供了整套的理論基礎，針對現(xiàn)網(wǎng)精準加纖，快速擴容，增加網(wǎng)絡容量。

(2)拓撲優(yōu)化算法：設計網(wǎng)絡路由目前依舊是依靠已有的城市基建規(guī)劃進行光纜路由，并沒有完整的光纜規(guī)劃理論基礎，同時光纜路由的規(guī)劃基本是脫離了業(yè)務流量的動態(tài)發(fā)展，因此一般都是采用先建網(wǎng)，規(guī)劃光纜路由，再部署業(yè)務的方式。此種方式的網(wǎng)絡拓撲并不能很好地契合業(yè)務的訴求，例如關鍵的4個訴求：流量均衡，根據(jù)流量熱點進行路由規(guī)劃；高可靠性，節(jié)點Mesh化是否能滿足業(yè)務SLA需求；時延訴求，節(jié)點間路由是否滿足業(yè)務時延訴求，恢復路由是否滿足恢復時延訴求；網(wǎng)絡成本，建網(wǎng)成本，路由是否最短路由，是否中繼成本最優(yōu)。

目前，業(yè)界已經提出“業(yè)務驅動建網(wǎng)”的理念，即根據(jù)業(yè)務流量和保護恢復訴求來提前規(guī)建網(wǎng)絡節(jié)點、光纜路由，提供符合業(yè)務的網(wǎng)絡，因此也提出“拓撲優(yōu)化算法”等理論支撐。例如，早期提出的“群集現(xiàn)象：只要在群集中增加少量連接，就能把所有節(jié)點的平均間隔大大縮短”，以此指導網(wǎng)絡的光纜規(guī)劃，同時對存量網(wǎng)絡進行優(yōu)化。

展望未來，當前全光網(wǎng)受限于光系統(tǒng)復雜性、器件效率等因素，而無法無止境地提升可靠性，因此全光網(wǎng)在可靠性上有其約束上限，那么目前光電協(xié)同將是一個可持續(xù)研究的方向，其優(yōu)勢如下。

(1)極速恢復：電層交叉的切換效率可提升到200 ms以內，這樣通過光+電兩層協(xié)同確保光纜中斷后IP業(yè)務無中斷。

(2)高可靠性：充分快速恢復和網(wǎng)絡Mesh多路由的能力，提供更多的抗斷纖恢復能力。

(3)波長沖突：通過電層確定性百毫秒級的快速恢復能力，解決了本地維度波長重路由的問題，避免了波長級變波長重路由耗時過長的不足。

(4)光層維護：通過電+光，避免了超長路由光層波長性能不穩(wěn)定的情況，例如波長余量低，抗干擾能力差，易中斷；局部區(qū)域光纜質量較差，波長瞬報誤碼。

將光層+電層融合管理，提升了光層抗干擾能力，提升健壯性，同時可以簡化維護復雜度，提升網(wǎng)絡維護效率。

(5)流量均衡：通過波長進行流量均衡優(yōu)化，無法流量集中，導致單次斷纖業(yè)務影響范圍太大，那么引入電+光，就可以做到靈活的流量優(yōu)化，提升網(wǎng)絡級的健壯性。

光+電以其高可靠和更加靈活的調度能力將成為下一代網(wǎng)絡架構的一個發(fā)展方向。

3 全光網(wǎng)關鍵技術及發(fā)展

3.1 光層調度技術

3.1.1 WSS技術介紹

ROADM是實現(xiàn)智能化全光網(wǎng)絡的重要一環(huán)，ROADM可以在光層實現(xiàn)自動路徑調度和恢復，將點對點型的光連接變?yōu)镸esh型的光網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡靈活調度和降低組網(wǎng)成本。波長選擇光開關(Wavelength Selective Switch，WSS)是構建ROADM可重構敏捷光網(wǎng)絡的核心器件[1]，由其承擔光網(wǎng)絡節(jié)點內各波長的動態(tài)調度、阻塞和衰減調節(jié)[2]，可將波長信號分插到任意通道進行傳輸，具有很高的自由度。

WSS是一種基于空間光學的器件，通常基于“色散+選擇”光學架構(見圖3)。波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)合波光束從輸入端口進入，先由靜態(tài)光柵將其沿色散軸按波長分散開來，隨后投射到位于光學系統(tǒng)焦平面的光交換引擎上，光交換引擎對每一個波長獨立地進行傳播方向的控制，實現(xiàn)將任意波長調度到任意端口[3]。

圖3 WSS原理示意圖

3.1.2 WSS技術演進

ROADM未來的發(fā)展對WSS提出更高的技術要求。一是提高組網(wǎng)靈活性，采用M×N上下波長選擇光開關(Add Drop Wavelength Selective Switch，ADWSS)從波長無關和方向無關(Colorless Directionless，CD)網(wǎng)絡向波長無關、方向無關、競爭無關和靈活柵格(Colorless Directionless Contentionless Gridless，CDCG)網(wǎng)絡演進[4]，實現(xiàn)光信號更自由地調度，降低網(wǎng)絡規(guī)劃難度；二是增加WSS端口維度，提升交換容量，滿足骨干網(wǎng)絡大容量節(jié)點需求；三是提升WSS插損、帶寬和隔離度性能，降低對光信號損傷，支持光信號穿通更多節(jié)點；四是提升WSS切換速度，減少業(yè)務調度和保護倒換時間，滿足高質量、高可靠的業(yè)務要求；五是減少邊緣網(wǎng)絡對WSS不必要的功能和性能要求，降低WSS成本，支撐全光網(wǎng)從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)延伸；六是用全光背板互聯(lián)替代ROADM復雜的連纖，簡化部署，向OXC演進。

3.1.3 WSS交換引擎

WSS的光交換引擎可以對光束進行智能化控制，現(xiàn)有的光交換引擎主要包括數(shù)字光處理器(Digital Light Processor，DLP)芯片、液晶(Liquid Crystal，LC)芯片、微機械機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)芯片以及硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)芯片等[2]。不同的交換引擎有不同的特性，其中DLP芯片和LC芯片只可以實現(xiàn)兩個光束偏轉角度的切換，因此難以實現(xiàn)大端口的WSS器件。MEMS芯片在一定的角度范圍內實現(xiàn)任意光束偏轉角度的切換，但MEMS芯片鏡面尺寸較大，無法支持Flex Grid功能。LCoS芯片是一種靈活可編碼的相位型空間光調制器，通過控制光束相位，實現(xiàn)高衍射效率的光束偏轉及光功率的精細控制，支持大端口調度。LCoS芯片像素尺寸可達到4M左右，具有Flex Grid特性，支持WSS通道帶寬的靈活調配。同時，LCoS芯片對于光的偏轉是通過液晶分子折射率的變化，而不是通過物理鏡面的轉動，因此具備較低的驅動電壓、較高的可靠性和較強的抗震動能力。經過多年的技術方案研究和實踐，LCoS芯片已經作為WSS最主要的光交換引擎用于全光網(wǎng)絡的建設。

3.1.4 WSS快速切換

WSS作為ROADM的核心器件，為保證網(wǎng)絡快速重路由和保護倒換性能，提升WSS的切換速度變得非常重要?；贚CoS芯片的WSS的切換速度取決于LCoS芯片的響應時間。LCoS芯片是一種利用液晶雙折射效應實現(xiàn)對光場進行調控的芯片技術，其響應時間與液晶盒厚、粘度系數(shù)、驅動電路等因素有關[5]。通過開發(fā)具有高折射率差和低粘度系數(shù)的液晶材料、開發(fā)新型驅動電路、設置合適的工作溫度或者液晶結合超結構材料等方式，可以大幅降低LCoS芯片的響應時間，甚至達到毫秒量級的切換時間[6]。另一方面，WSS的切換速度還取決于LCoS芯片的切換算法。因為WSS的端口切換是通過LCoS芯片上的相位圖變化來實現(xiàn)的，為了降低相位圖切換過程中帶來的瞬態(tài)串擾問題，通常需要增加多個切換步驟，從而導致整體切換時間的增加。通過設計合理的切換算法，可以有效抑制瞬態(tài)串擾同時減少切換時間[7]。因此，通過液晶材料、芯片結構、驅動電路、和切換算法等多方面的技術創(chuàng)新，有望將基于LCoS芯片的WSS的切換速度控制在數(shù)十毫秒量級，從而滿足更多的應用場景。

3.1.5 WSS未來發(fā)展趨勢

隨著技術進步和網(wǎng)絡自動駕駛需求的驅動，WSS未來發(fā)展的重要趨勢將是是從骨干網(wǎng)絡走向成本比較敏感的城域網(wǎng)絡，其中多個技術因素將會推動這個趨勢。

圖4 光層鏈路及信道Sensor示意圖

(1)與消費級海量市場共享LCoS芯片技術，降低WSS成本。當前WSS的主流光交換引擎為LCoS芯片，而LCoS芯片亦開始為投影儀、車載平視顯示器(Head-Up Display，HUD)和智能車燈等海量消費級市場所應用，每年將可達百萬片量級，遠大于WSS十萬片量級。通過共享LCoS背板和封裝平臺，有助于持續(xù)大幅攤薄LCoS成本。

(2)自動化制造效率持續(xù)提升，降低WSS成本。WSS從初期人工組裝制造為主，逐漸演進到當前半手工半自動化耦合制造的階段，可以清晰地看到WSS制造全流程自動化是必然的演進趨勢。隨著WSS自動化制造的普及，單模塊制造效率會不斷提升，人工成本會持續(xù)下降，機器成本也能極大程度攤薄。

(3)城域匯聚、邊緣接入網(wǎng)絡對WSS性能規(guī)格要求更低，降低WSS成本。與骨干、城域核心層Mesh化網(wǎng)絡不同，環(huán)網(wǎng)在城域匯聚、邊緣接入層更為流行，相應地，更低的端口數(shù)、更少的波長數(shù)、更短的傳輸距離，使得對WSS的性能規(guī)格要求可以放寬[8]。例如，城域WSS通常只需要調度40波，通道間隔可以從50 GHz提升至100 GHz甚至更高，這樣可以極大降低WSS的濾波帶寬性能要求，簡化光學設計和成本。因此，WSS關鍵指標如模塊尺寸、插損、帶寬和隔離度等可根據(jù)城域差異化場景降低要求，從而降低WSS成本。

3.2 光層數(shù)字化技術

為了應對網(wǎng)絡規(guī)模、復雜性帶來的運維挑戰(zhàn)，可以通過網(wǎng)絡自動化、人工智能和數(shù)字孿生等技術，使能網(wǎng)絡極簡和智能運維，實現(xiàn)更好性能、更高效率和商業(yè)敏捷。其中，數(shù)字孿生是基礎底座，可以說光層數(shù)字化是光網(wǎng)自動駕駛的關鍵使能技術。

光系統(tǒng)在業(yè)界一直被稱為模擬系統(tǒng)，不能對系統(tǒng)進行精確的可視和建模，給網(wǎng)絡的性能監(jiān)控、網(wǎng)絡容量提升、故障定位恢復等帶來了困難。近年來，光系統(tǒng)的數(shù)字化研究持續(xù)開展，并取得了比較大的進展。

光通信網(wǎng)絡中的傳感器大體可分為兩類：光信道類和光鏈路類。光信號從發(fā)射機出來后，經過光纖鏈路，會引入多重光損傷，諸如色散、放大器自激發(fā)射(Amplifier Spontaneous Emission Noise，ASE)噪聲、非線性噪聲、偏振相關損耗(Polarization Dependent Loss，PDL)、偏振態(tài)(State of Polarization，SOP)旋轉、偏振模色散(Polarization Mode Dispersion，PMD)、濾波等(見圖4)。這些信號損傷亦會存在于光數(shù)字信號處理(Optical Digital Signal Processing，oDSP)技術所處理的數(shù)字信號中。利用oDSP強大的數(shù)字信號處理能力，可以把鏈路引入的各種光損傷計算出來。從而能真實還原鏈路引入光損傷的情況。業(yè)界也有諸多這方面的成果，文獻[9]描述了利用相干光模塊實時獲取非線性信噪比的成果，文獻[10]描述了利用快速短時BER統(tǒng)計信息和神經網(wǎng)絡來監(jiān)控鏈路線性、非線性損傷的成果。

在ROADM站點應用的是光信道監(jiān)控模塊(Optical Channel Monitor，OCM)，它能夠檢測各個波長信號的光功率和中心頻率，基于OCM還能夠進一步通過分析光譜信息獲取傳輸業(yè)務的光信噪比(Optical Signal Noise Ratio，OSNR)。原理上OCM又可以分為固定柵格的實現(xiàn)方案和靈活柵格的實現(xiàn)方案，其主要區(qū)別在于光濾波器是否具有靈活的波長調節(jié)功能。通過OCM的檢測結果，網(wǎng)絡管理人員可以根據(jù)采集信息進行信道波長的合理規(guī)劃和各波長信號的功率均衡，從而保障WDM系統(tǒng)中多波長整體性能的最優(yōu)。作為業(yè)務性能保障的重要監(jiān)控裝置，OCM近年來也逐漸向著更高精度方向發(fā)展，區(qū)別于傳統(tǒng)濾波器類的模塊，相干掃頻方案的OCM模塊，能夠實現(xiàn)1 GHz級別的信道監(jiān)控，有望實現(xiàn)更精細的信道監(jiān)控和管理。

光鏈路類傳感器主要用來監(jiān)控網(wǎng)絡中光纜的狀態(tài)，包括光纜損耗、異常反射點、光纖類型識別等，最重要的監(jiān)控裝置是光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)。OTDR發(fā)射一個脈沖光進入光纖中，并接收從光纖各處反射的瑞利光信號，通過接收時間的差實現(xiàn)光纜各個位置狀態(tài)的監(jiān)控。通過分析光纜的反射曲線，網(wǎng)絡管理人員可以獲取光纜各個維度的連接質量信息，并可以據(jù)此給出光纜的老化狀態(tài)。但隨著國家光通信網(wǎng)絡基礎設施的快速升級和增加，鏈路監(jiān)控也不僅限于光纖內損耗狀態(tài)的獲取，光纜所處環(huán)境也需要進行監(jiān)控，以保障網(wǎng)絡通信質量和安全。這類需求也逐漸衍生出了光纜挖掘監(jiān)控、光纜應力溫度監(jiān)控、光纜地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)信息監(jiān)控和同溝監(jiān)控等功能，與之對應的是新型的光纖傳感類監(jiān)控技術：分布式溫度傳感(Distributed Temperature Sensor，DTS)、分布式振動傳感(Distributed Vibration Sensor，DVS)和分布式聲波傳感(Distributed Acoustic Sensor，DAS)，但目前該類技術仍處于發(fā)展狀態(tài)，尚無大批量商業(yè)應用成果。

典型應用一：基于在線鏈路余量，獲得更大的傳輸容量

當前的光傳輸應用中，在建設初期就會根據(jù)模塊的OSNR規(guī)格進行鏈路預算，通常會根據(jù)鏈路情況估計各項損傷代價或按照固定值(例如4～5)進行鏈路預算，以滿足長期穩(wěn)定運行的需要。

這種鏈路預算方法能夠沿用至今，是因為不清楚鏈路中的各項光參數(shù)具體是多少，也不知道按照什么規(guī)律變化。而當有了上述光層和相干光模塊的傳感器(Sensor)之后，就可以知道鏈路具體狀況，同時也可以計算得到當前的余量是多少。進而也就可以根據(jù)余量情況，實時判斷光模塊可以工作在什么速率，把多出來的余量轉化為鏈路容量，在保證鏈路正常運行的前提下，最大限度發(fā)揮網(wǎng)絡容量，從而降低比特成本，具體參見圖5。

典型應用二：電信號輔助光系統(tǒng)定位問題

網(wǎng)絡中光鏈路各種損傷可能會導致信號劣化，甚至出現(xiàn)誤碼，如WSS就可能會出現(xiàn)頻率偏移或濾波帶寬收窄的問題，這些問題必須要被及時處理以快速恢復連接，而失效原因識別是其中的關鍵。雖然現(xiàn)在OCM在朝著高精度的方向研究，但海量的現(xiàn)網(wǎng)設備沒有高精度監(jiān)控的能力，如何在兼容現(xiàn)網(wǎng)配置的情況下，又能實現(xiàn)原因識別呢？文獻[11]給出了基于電信號來輔助光層系統(tǒng)問題定位的方法，進行WSS頻偏和濾波收窄的問題定位，準確率可以超過90%。

3.3 電層調度技術

全光網(wǎng)基于ROADM的光層方案可實現(xiàn)大帶寬顆粒業(yè)務的波長級調度，針對中小帶寬的業(yè)務，需要電層小顆粒管道的調度和帶寬整合，以提供任意節(jié)點之間的靈活調度，及實現(xiàn)帶寬利用率的提升。OTN小顆粒技術目前通過多業(yè)務光傳送網(wǎng)絡(Multi-Service Optical Transport Network，MS-OTN)架構，引入虛擬容器(Virtual Container，VC)調度顆粒解決了小顆粒的承載問題，但面向未來新業(yè)務發(fā)展上仍然存在不足。

(1)OTN的時隙粒度太大，經過分組平面整合小顆粒業(yè)務不具備硬管道屬性。

(2)同步數(shù)字體系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)設備進入了生命周期末期，而承載在SDH上的業(yè)務并不會隨之消失。比如企業(yè)專線業(yè)務，100 Mbit/s以下甚至10 Mbit/s帶寬的專線數(shù)量仍然占了絕大多數(shù)，如果采用SDH疊加OTN來承載，處理過程復雜，不但承載效率低下，維護也非常不方便。以以太業(yè)務為例，業(yè)務經過了Ethernet-VC12-VC4-STM-n-ODUk的多層級處理，而且VC顆粒和用戶帶寬需求往往不匹配，這又需要多個VC顆粒的虛級聯(lián)處理(比如5個VC12虛級聯(lián)承載一個10 Mbit/s的以太業(yè)務)，都會給業(yè)務處理、鏈路管理帶來巨大的復雜性。在此背景下，提出了OSU的概念。

圖5 基于鏈路性能余量提升網(wǎng)絡容量

(3)OSU融合了多種技術，集合了靈活光通道數(shù)據(jù)單元(Optical Data Unit Flexible，ODUflex)的單管道靈活帶寬，組映射協(xié)議(Group Map Protocol，GMP)映射的sigma-delta算法來保證管道帶寬，類異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)/MPLS的標簽業(yè)務標識，靈活的管道調度技術為一體，實現(xiàn)了以Mbit/s級帶寬業(yè)務管道直接復接到ODU4中。一級復接，無需經過多個中間顆粒的層層轉接。

(4)目前，ITU-T標準意義上的OSU主要面向1 Gbit/s以下的帶寬顆粒，但從業(yè)務實踐來看，OSU技術本身并沒有限定業(yè)務速率，在中國運營商企標中，將業(yè)務速率范圍擴展到100 Gbit/s以下。

4 結束語

全光網(wǎng)是支撐to B、to C、to H傳統(tǒng)業(yè)務網(wǎng)向云網(wǎng)融合演進的基礎，通過ROADM光層組網(wǎng)滿足了業(yè)務網(wǎng)絡扁平化、業(yè)務低時延大帶寬、網(wǎng)絡綠色低碳關鍵訴求。在全光網(wǎng)架構下，波長隨需調度可提供針對大帶寬業(yè)務實現(xiàn)旁路直通的直達連接，并可滿足業(yè)務快速發(fā)放。在光層數(shù)字化基礎上的光電協(xié)同網(wǎng)絡，除了實現(xiàn)大、小顆粒靈活調度之外，還可實現(xiàn)自動開局、自動化運維，提升光層調測安全性和故障定位效率。從業(yè)務趨勢上看，城域帶寬以每年超過20%的增幅快速增長，城域匯聚層及接入層單個站點已經開始需要100G及以上大帶寬的承載能力；在邊緣云下沉時，邊緣云之間、邊緣云與核心云之間也需要低時延、大帶寬的波長直達和業(yè)務快速開通能力。隨著運營商、設備商及整個產業(yè)鏈的共同推動，面向城域的技術創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)。全光網(wǎng)絡將從骨干走向城域，運營商可通過構筑高可靠、低時延、大帶寬、綠色節(jié)能、高效運維的全光網(wǎng)絡能力，將更好地支撐未來業(yè)務發(fā)展。