超100G時代 光網(wǎng)絡(luò)向彈性和智能化邁進

    互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等應用的飛速發(fā)展正在推動著光傳送網(wǎng)的演進，從曾經(jīng)的1Gb/s、10Gb/s到現(xiàn)在廣泛應用的40Gb/s以及正在蓬勃發(fā)展的100Gb/s。當前，隨著云計算、高清視頻、OTT業(yè)務以及物聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展，光傳送網(wǎng)正面臨新的挑戰(zhàn)——如何打造適應未來業(yè)務發(fā)展需要的更高速率的光網(wǎng)絡(luò)？為此，業(yè)界從幾年前就已經(jīng)啟動了超100Gb/s傳輸技術(shù)的研究，400Gb/s甚至1Tb/s等技術(shù)開始出現(xiàn)在人們的視野中，超高速光傳輸?shù)臅r代正在來臨。

    隨著互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)應用的高速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務容量爆炸性增長，業(yè)務種類層出不窮，數(shù)據(jù)業(yè)務比重不斷攀升，這都對光傳送網(wǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。隨著100Gb/s干線網(wǎng)絡(luò)正在如火如荼地鋪設(shè)，速率更高的超100Gb/s技術(shù)逐漸成為業(yè)界關(guān)注的熱點。國內(nèi)外科研機構(gòu)幾年前就已啟動基于400Gb/s、1Tb/s甚至更高速率的超100Gb/s傳輸技術(shù)研究，2013年3月，IEEE 802.3 400GE標準成功立項，2014年年初，上海貝爾宣布與中國移動研究院合作完成中國首次基于商用平臺的400G光傳輸測試。可以看出，國內(nèi)運營商已經(jīng)將注意力從100G投向400G的發(fā)展上，在100G剛剛邁入黃金發(fā)展期之時，超100G技術(shù)曙光已經(jīng)初現(xiàn)。

超100G光網(wǎng)絡(luò)面臨四大挑戰(zhàn)

    超100Gb/s傳輸技術(shù)的發(fā)展越來越受到業(yè)界的關(guān)注，而且未來2~3年技術(shù)研究主要以400Gb/s速率為主。然而超100G技術(shù)發(fā)展還面臨著諸多挑戰(zhàn)，后續(xù)技術(shù)演進還存在多種可能性。

 1、技術(shù)標準不統(tǒng)一

    40G時代，由于技術(shù)標準未統(tǒng)一，多種技術(shù)制式并存導致了互通性差、成本高、商用化進程慢。從400G系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，存在著單載波和雙載波多種技術(shù)實現(xiàn)方案。多技術(shù)路線選擇不利于超100Gb/s未來發(fā)展，無論是客戶側(cè)還是線路側(cè)，超100Gb/s的技術(shù)路線都面臨多樣化競爭方案選擇，不像在100Gb/s發(fā)展中技術(shù)標準相對統(tǒng)一（PDM-QPSK）。目前超100Gb/s技術(shù)方案中暫時沒有哪種方案明顯占優(yōu)，這種方案多樣性將在一定程度上影響超100Gb/s整體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程。

 2、超100G傳輸技術(shù)實現(xiàn)難度大

    傳輸?shù)谋举|(zhì)就是以更高的頻譜效率和更低成本進行長距離信號傳送。無論是超100Gb/s客戶側(cè)還是線路側(cè)，在最終技術(shù)路線選擇時面臨的關(guān)鍵問題就是如何讓頻譜效率和傳輸性能盡可能在特定階段接近某種平衡，或者說是性能與成本的平衡，這將直接影響超100G標準的發(fā)展。同時，實現(xiàn)超高速光電處理及芯片制造目前還有很大障礙，超100G傳輸在頻譜效率、傳輸距離、設(shè)備集成度、成本和功耗等方面還需要大量的技術(shù)和工藝創(chuàng)新才能達到商用水平。

 3、固定柵格頻譜利用率低

    在WDM網(wǎng)絡(luò)的固定柵格下，假設(shè)選取50GHz的頻譜間隔來支撐各種速率的光通道，這樣的頻譜間隔對于100Gb/s的通道來說是高效的，然而對40Gb/s和10Gb/s的通道來說顯然是頻譜的浪費。

 4、光信道無法動態(tài)調(diào)整

    波長通道一旦建立，光層可用帶寬不能動態(tài)調(diào)整，無法動態(tài)調(diào)整通道間隔、信號速率以及調(diào)制格式，難以適應業(yè)務和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化。由于當前光發(fā)射/接收機的工作速率以及中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的交叉帶寬間隔是固定的，因而網(wǎng)絡(luò)不能及時響應用戶容量需求的變化，實現(xiàn)按需增加或減少光通道占據(jù)的帶寬。同時，固定通道帶寬的限制對全光組網(wǎng)的生存性也會帶來不利影響，一條失效的光路只有在迂回路由帶寬相等或超出原始帶寬條件下才能得到恢復。

光網(wǎng)絡(luò)將更加動態(tài)和智能

    超100G時代，如果只是傳輸速率的提升、距離的增加和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的智能化是遠遠不夠的。隨著去電信化成為業(yè)界的共識，云計算、數(shù)據(jù)中心和大數(shù)據(jù)等新興業(yè)務的迅速普及，以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)等新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的出現(xiàn)，只是完成傳輸任務的“靜態(tài)”光傳送網(wǎng)需要向更加動態(tài)、智能的方向發(fā)展。未來的超100G傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進具有如下特點：

    一是靈活可變調(diào)制格式和速率，靈活波道間隔：利用DSP可編程技術(shù)實現(xiàn)調(diào)制格式的靈活可調(diào)，靈活波道間隔支持面向Tbit/s Superchannel（超級信道）的平滑演進。

    二是接口開放，資源云化：通過對第三方開放接口實現(xiàn)對傳輸資源進行編程使用。

    三是網(wǎng)絡(luò)智能，即時帶寬：實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化，可以根據(jù)用戶業(yè)務需求快速提供業(yè)務。

    通信技術(shù)的迅猛發(fā)展使得傳統(tǒng)WDM傳輸技術(shù)中的缺陷成為制約光網(wǎng)絡(luò)進一步發(fā)展的瓶頸。近年來，眾多創(chuàng)新性的技術(shù)為解決上述問題提供了解決方案，彈性光路技術(shù)和基于SDN的智能控制等被陸續(xù)提出，在提高光網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和降低建網(wǎng)成本的同時，賦予光網(wǎng)絡(luò)更好的靈活性與智能性。

如何打造靈活的彈性光路？

    彈性光路的基本含義是指可根據(jù)業(yè)務速率、調(diào)制格式等需求變化，調(diào)整光通道的頻譜寬度，以及根據(jù)物理路由的狀況（距離、質(zhì)量、跳數(shù)等）來分配適合的頻譜帶寬，實現(xiàn)動態(tài)的光通道調(diào)整。彈性光路的優(yōu)點在于可以根據(jù)用戶需求和實際業(yè)務量動態(tài)有效地配置光路帶寬，顯著提高網(wǎng)絡(luò)頻譜效率；支持靈活的業(yè)務匯聚、子載波、超級信道和多速率業(yè)務，支持的業(yè)務速率范圍從Gb/s到Tb/s，為實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)更加高效、敏捷和靈活的管理控制奠定了堅實的基礎(chǔ)。

 1、靈活的調(diào)制格式

    相比于傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡(luò)中單載波的調(diào)制，未來超100G WDM中將應用光正交頻分復用OFDM技術(shù)，實現(xiàn)多載波信號的調(diào)制。OFDM是一種特殊的多載波復用技術(shù)，并具備光載波數(shù)量靈活可調(diào)和各子載波調(diào)制格式可動態(tài)映射的優(yōu)勢。OFDM可以實現(xiàn)在不同的OFDM子載波上加載不同調(diào)制格式的信號，可以將不同帶寬、速率和調(diào)制格式的光信號通過復用匯聚，形成帶寬、速率、格式可靈活調(diào)整的透明光通道。通過調(diào)制載波個數(shù)的不同可以靈活改變業(yè)務的粒度，從而實現(xiàn)傳輸信息速率的靈活調(diào)整。OFDM技術(shù)允許相鄰子載波間頻譜的重疊，因而提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。

 2、靈活的接收機

    在超100G時代，在設(shè)備的發(fā)端一般采用的是多載波光源，收端能夠?qū)崿F(xiàn)波長自動適配，支持子波長任意組合，同時配合Super-Nyquist shaping壓縮算法，使得頻譜利用率更高。相比以前的傳輸技術(shù)，未來超100G的一個很大變化就是傳輸距離和傳輸帶寬可以根據(jù)實際的場景進行調(diào)整。

 3、靈活的波道間隔

    在傳統(tǒng)DWDM技術(shù)中，各種分合波器件如Mux、Demux、WSS、ROADM等都是基于固定的帶寬柵格（Grid）定義，如50GHz/100GHz；而在Flex Terabits光網(wǎng)絡(luò)中，其能夠支持新型超高速數(shù)據(jù)傳輸并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，可以大幅提高頻譜利用率，最大限度地利用光纖帶寬資源。Flex grid系統(tǒng)根據(jù)各信號需要的頻譜分配不同的帶寬（如37.5GHz、50GHz、75GHz、100GHz、125GHz等），并以一個較為精細的步長（如12.5GHz、6.25GHz等）進行間隔調(diào)整。

 4、靈活的OTN

    對于超100G情況，當前OTN的最大負載容量是100G，顯然需要進一步擴展。采用靈活的OTN（Flex OTN）可以實現(xiàn)線路帶寬以100G為顆粒進行可調(diào)，以保證400G、1T、2T等超100G信號的封裝及交叉效率最高，自由適配未來的業(yè)務發(fā)展和建網(wǎng)需求。Flex OTN主要由服務層和傳送層構(gòu)成。服務層面向業(yè)務，通過提供低階ODUFlex可變封裝容器，根據(jù)實際業(yè)務大小靈活映射封裝，滿足任意業(yè)務承載需求。傳送層面向光物理資源提供階梯可變線速接口OTUCn，OTUCn為n倍100G速率（n可變），根據(jù)實際光物理資源進行最優(yōu)配置。引入Flex OTN，使得OTN可與可編程光線路完美結(jié)合，既擴展了OTN的靈活性，又與現(xiàn)網(wǎng)兼容。Flex OTN的引入不會帶來OTN體系大的變化和硬件成本提升，很好地滿足了未來網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務靈活、高效率的承載，同時又能夠滿足運營商對光頻譜帶寬資源的精細化運營需求。

 5、基于SDN的靈活智能光網(wǎng)絡(luò)

    將控制功能從數(shù)據(jù)層面中分離，是眾多SDN研究中共同的特征。這種解耦合使得兩個平面可以獨立演進，同時帶來許多優(yōu)勢，例如：高靈活性、廠商無關(guān)性、可編程性和使得集中式的網(wǎng)絡(luò)視圖成為可能。在超100G時代，SDN技術(shù)將成為傳送網(wǎng)絡(luò)管理的核心，通過可編程傳送控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)上的所有器件，根據(jù)業(yè)務的距離、速率、時延、帶寬等需求選取最優(yōu)路徑，提供高效、靈活、開放的帶寬管理能力。

    可編程傳送控制器通過與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層的控制接口，提供跨多設(shè)備形態(tài)的統(tǒng)一控制，實現(xiàn)從動態(tài)云業(yè)務到基于Flex硬件的彈性管道端到端統(tǒng)一控制；通過與應用層的開放式API，使應用可以驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)，快速重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)可編程化的光網(wǎng)絡(luò)，滿足用戶動態(tài)實時性以及個性化服務需求；借助集中式的控制理念，使業(yè)務多層流量疏導更加智能、可控，全網(wǎng)資源利用率得以最大化提升，業(yè)務端到端質(zhì)量得到有效保證。

結(jié)語：

    技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務的發(fā)展共同驅(qū)動光網(wǎng)絡(luò)高速向前發(fā)展。業(yè)務發(fā)展引領(lǐng)需求，這是光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的永恒方向。當前傳送網(wǎng)的技術(shù)演進已到了一個全新的高度，未來隨著超100G技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)標準規(guī)范的完善，以及對應配套的靈活光網(wǎng)絡(luò)平臺的進步和SDN技術(shù)的應用，必將推動光傳送網(wǎng)向彈性靈活的智能化光網(wǎng)絡(luò)邁進。