顧仁濤

（北京郵電大學(xué) 北京100876）

1 引言

快速增長的新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和層出不窮的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景不斷對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)造成沖擊。4K高清視頻、移動設(shè)備高速下載等對固定網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)都提出了更高的帶寬需求，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、能源互聯(lián)網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景則要求泛在、開放、靈活的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。作為用戶接入網(wǎng)絡(luò)資源的“入口”，接入網(wǎng)所面臨的網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力和管控壓力尤為巨大。同時，相較于已經(jīng)探索開放化和軟件定義化的傳送網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)受自身網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜、成本敏感等因素限制，逐漸成為全程全網(wǎng)優(yōu)化中最為薄弱的一環(huán)。為應(yīng)對日益增長的高帶寬、多業(yè)務(wù)、新場景、易運(yùn)維等需求，構(gòu)建高速、高效的接入網(wǎng)體系，使其具有靈活性、開放性、智能性，進(jìn)而實現(xiàn)全程全網(wǎng)的流量優(yōu)化和業(yè)務(wù)提供，將成為未來發(fā)展的必然趨勢和亟待探索的重要課題。

總體來看，接入網(wǎng)在當(dāng)前及未來發(fā)展中主要面臨以下3個方面的挑戰(zhàn)。

（1）接入帶寬需求強(qiáng)烈，移動接入增長迅速

思科網(wǎng)絡(luò)可視化網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（VNI）顯示，至2018年，全球網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量將比2013年增長3倍，而在2014-2019年，全球移動數(shù)據(jù)流量將有10倍增長[1,2]。愛立信2015年ICT產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢報告中也指出，未來移動電話、移動PC等設(shè)備上的數(shù)據(jù)流量增長將遠(yuǎn)超過語音需求。移動接入如Wi-Fi熱點和蜂窩網(wǎng)絡(luò)均需與固定網(wǎng)絡(luò)對接，移動數(shù)據(jù)流量增長必然帶來固定接入帶寬需求的新一輪增長。為了保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，未來接入網(wǎng)發(fā)展應(yīng)以提升網(wǎng)絡(luò)容量為根本前提。

（2）光纖通信容量受限，網(wǎng)絡(luò)效率亟待提升

雖然以PON（passive optical network，無源光網(wǎng)絡(luò)）為代表的光網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)已經(jīng)在各種接入場景中廣泛部署，且以波分復(fù)用、頻分復(fù)用為主要方向的PON擴(kuò)容技術(shù)不斷被提出[3,4]，但接入網(wǎng)本身的成本敏感特性以及光纖傳輸容量的限制[5]，單純地使用頻分復(fù)用或空分復(fù)用方法用于擴(kuò)展PON系統(tǒng)的容量將難以為繼。為保持接入網(wǎng)發(fā)展的可持續(xù)性，未來接入網(wǎng)發(fā)展應(yīng)以提升帶寬效率為優(yōu)化方向。

（3）異構(gòu)接入廣泛存在，網(wǎng)絡(luò)管控相互獨(dú)立

接入技術(shù)種類繁多，傳統(tǒng)的DSL（digital subscriber line，數(shù)字用戶線路）、HFC（hybrid fiber-coaxial，混合光纖同軸電纜）、PON、Wi-Fi、3G/4G等有線/無線接入技術(shù)由來已久，且分別適用于不同接入場景，造成了不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間以及同種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)資源管控機(jī)制相互獨(dú)立、可擴(kuò)展性差等問題。而新近出現(xiàn)的C-RAN（cloud radio access network）[6]、OLT上移/池化、BBU虛擬化、云化網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)思充分體現(xiàn)了未來匯聚接入側(cè)所面臨的固定移動融合、異構(gòu)異質(zhì)融合的潛在方向，這一方向與未來的5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中全網(wǎng)統(tǒng)一高速接入平臺思想不謀而合。未來接入網(wǎng)發(fā)展應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)資源靈活可控制、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活可擴(kuò)展為主要目標(biāo)。

因此，以高速帶寬接入、高效資源利用、支持異構(gòu)資源管控為目標(biāo)的光接入網(wǎng)將是未來光接入網(wǎng)的重要演進(jìn)趨勢。

2 光接入網(wǎng)演進(jìn)歷程

如圖1所示，自20世紀(jì)90年代以來，以無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的光接入網(wǎng)已經(jīng)經(jīng)過了從單波長到多波長的發(fā)展階段，在此過程中，用戶接入帶寬、接入覆蓋范圍、業(yè)務(wù)承載種類、網(wǎng)絡(luò)安全策略等核心參數(shù)都有了不同程度的提升。

（1）單波長PON系統(tǒng)

自1995年FSAN（full service access network，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)）工作組開始FTTH（fiber to the home，光纖到戶）工作以來，下行傳輸速率在622 Mbit/s～2.448 Gbit/s的APON、BPON、EPON、GPON標(biāo)準(zhǔn)相繼被提出，ITU-T G.983.X、G.984.x協(xié)議族以及IEEE 802.3ah分別對上述技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。從最初的支持POTS（plain old telephone service，模擬電話業(yè)務(wù)）、ISDN（integrated service for digital network，綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）業(yè)務(wù)到后期的語音、視頻業(yè)務(wù)，PON系統(tǒng)考慮了多種接入業(yè)務(wù)支持、安全策略優(yōu)化，并初步形成了具有一定傳輸效率、大分光比的接入系統(tǒng)架構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上，通過數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，10 Gbit/s PON系統(tǒng)如10 Gbit/s EPON，XG PON等也在單波長PON系統(tǒng)中實現(xiàn)了對用戶帶寬和業(yè)務(wù)需求的良好支持。同時，10 Gbit/s EPON與XG PON均可向下兼容，能夠滿足現(xiàn)有PON設(shè)備的平滑演進(jìn)需求，具有成本優(yōu)勢及技術(shù)可行性。

圖1 光接入網(wǎng)中無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)

（2）多波長PON系統(tǒng)

FASN在2010年發(fā)起NG PON2（next generation passive optical network 2）項目計劃并啟動相關(guān)技術(shù)方案的研討會，根據(jù)FASN發(fā)布的白皮書要求，不同廠商提出了基于TWDM（time and wavelength division multiplexing，波 分 復(fù)用）、DWDM（dense wavelength division multiplexing，密集波分復(fù)用）、OFDM（orthogonal frequency-division multiplexing，正交頻分復(fù)用）等不同的NG PON2技術(shù)方案。2012年啟動的ITU-T NG PON2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組于近期正式發(fā)布了NG PON2 PMD層 規(guī) 范G.989.2，TWDM PON技 術(shù) 作 為NG PON2的首選方案，應(yīng)支持系統(tǒng)單OLT PON端口大于40 Gbit/s，支持1∶256的分光比?？紤]到技術(shù)及成本問題，不同接入場景下傳輸速率、距離和分光比將可靈活調(diào)整。同時，一系列研究表明，TWDM PON以及WDM PON系統(tǒng)可部署于移動網(wǎng)絡(luò)中作為回傳網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，甚至可用于移動前傳網(wǎng)絡(luò)[7,8]。

（3）軟件定義PON系統(tǒng)

在開展NG PON2相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究工作以來，關(guān)于OFDM PON技術(shù)和UDWDM（ultra dense wavelength division multiplexing，超密集波分復(fù)用）PON技術(shù)的研究層出不窮，然而此類技術(shù)的首要解決目標(biāo)為提升接入網(wǎng)的接入速率?？紤]到當(dāng)前NG PON2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的可用波長資源（可用譜寬需考慮PON系統(tǒng)共存問題）較為有限以及OFDM/UDWDM系統(tǒng)的成本及技術(shù)約束，在多波長系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)的效率優(yōu)化將是解決帶寬問題的關(guān)鍵。同時，集中式控制、數(shù) 控 分 離、靈 活 管 控 的 如SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的思想雖然已在ASON中具備雛形，但在PON中仍未有廣泛實踐。而將上述特性應(yīng)用到PON中，融合多層新型可調(diào)光器件，將不僅僅可實現(xiàn)光接入網(wǎng)流量的優(yōu)化調(diào)度，也可通過構(gòu)建統(tǒng)一開放的集中式管控平臺，有效融合時域、波域、頻域資源；完成調(diào)制格式、光功率乃至拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，提升網(wǎng)絡(luò)可用性，降低網(wǎng)絡(luò)能耗；構(gòu)建可控、可靠、可持續(xù)的未來接入系統(tǒng)。

3 軟件定義的光接入網(wǎng)總體架構(gòu)和特性

SDN[9]思想將數(shù)據(jù)層和控制層分離，并可在控制層上對網(wǎng)元管控進(jìn)行虛擬化，使用集中式的控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的南向接口協(xié)議完成與網(wǎng)元的通信。在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，SDN可通過位于云端或數(shù)據(jù)中心的多個控制器完成統(tǒng)一管控。軟件定義接入網(wǎng)的相關(guān)研究已經(jīng)展開，在軟件定義的統(tǒng)一框架下，ETSI NFV小組正在研究接入網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，其中包括將DSL接入復(fù)用器（DSLAM）的復(fù)雜處理移動到網(wǎng)絡(luò)端并支持多租戶架構(gòu)；ITU-T的光纖與銅纜接入標(biāo)準(zhǔn)化管理小組及ITU-T SG11/Q4 Q.SBAN項目正在研究軟件定義寬帶接入網(wǎng)絡(luò)（SBAN）的工作方案和相關(guān)信令；寬帶論壇（BBF）也活躍在接入網(wǎng)的SDN和NFV方面[10,11]?？偟膩碚f，軟件定義接入網(wǎng)普遍的部署方案如圖2所示。

圖2 軟件定義接入網(wǎng)的抽象化部署方案

在該軟件定義接入網(wǎng)方案中，不同的網(wǎng)元設(shè)備通過統(tǒng)一的接口實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)虛擬化的支持，同時，一個或多個控制器也可完成不同業(yè)務(wù)的快速定制與管控。該架構(gòu)可統(tǒng)一支持不同的接入方式?？紤]到PON技術(shù)在光接入網(wǎng)技術(shù)中的重要地位和廣泛應(yīng)用場景，軟件定義光接入網(wǎng)也可參考上述方案進(jìn)行設(shè)計。

3.1 軟件定義的光接入網(wǎng)總體架構(gòu)

如圖3所示為基于多波長系統(tǒng)的軟件定義接入網(wǎng)系統(tǒng)整體架構(gòu)，主要包括支持軟件定義的靈活ONU（optical network unit,光網(wǎng)絡(luò)單元）、OLT（optical line terminal，光線路終端）、ODN（optical distribution network,光配線網(wǎng)）及集中式控制器。在用戶側(cè)包括以PON為支撐的有線與無線兩種接入方式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，ONU通過可調(diào)ODN與OLT池相連，OLT池通過路由器連接至BRAS（broadband remote access server，寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器）以支持基本的鑒權(quán)功能，并最終通過BRAS與骨干網(wǎng)相連。

圖3 未來光接入網(wǎng)構(gòu)想

通過SDN思想的引入，本架構(gòu)在多波長PON系統(tǒng)上加入了SDN控制器，并與OLT、路由器、BRAS等設(shè)備直接相連，負(fù)責(zé)監(jiān)聽設(shè)備的狀態(tài)，獲得下層設(shè)備的基本信息，生成虛擬拓?fù)洌峁┚W(wǎng)絡(luò)全局視圖；同時，在虛擬拓?fù)涞幕A(chǔ)上，收集下層設(shè)備的反饋信息，實時了解同一時間不同用戶的不同需求，以此進(jìn)行多維、多域資源動態(tài)分配及靈活調(diào)度，避免網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)、提升網(wǎng)絡(luò)效率；控制層同時可提供全網(wǎng)功能模塊引擎功能，為上層應(yīng)用開發(fā)提供控制接口。除此之外，控制器還可以通過與BRAS之間的通信，將用戶的鑒權(quán)功能轉(zhuǎn)移到SDN控制器端，因此SDN控制器就能夠統(tǒng)計用戶流量使用情況進(jìn)行收費(fèi)，減輕BRAS的壓力。其中由于ONU數(shù)目過多，SDN控制器不與ONU直接相連，而是在OLT與ONU的基本通信功能上，通過控制OLT來間接控制ONU，形成虛擬連接。

另外，基于靈活分配流量、節(jié)能等需求，本架構(gòu)中提出OLT池化構(gòu)想，將多個OLT集中到一起，使多個OLT共享電源、背板等硬件資源，共同提供波長、頻譜等帶寬資源，便于上層控制器集中化管理；同時，控制器也可以靈活調(diào)度OLT連接不同用戶，并為用戶合理分配帶寬。為此，OLT需要支持動態(tài)光功率調(diào)節(jié)、可變調(diào)制解調(diào)、可調(diào)諧收發(fā)，相應(yīng)的ONU側(cè)也需要支持可變調(diào)制解調(diào)，應(yīng)用無色技術(shù)支持無差別地接入各個設(shè)備。ODN為了適應(yīng)OLT池化，需要實現(xiàn)靈活調(diào)度波長、光路，與OLT功能相匹配。OLT池化后將極大發(fā)揮大群化效應(yīng)優(yōu)勢，克服流量潮汐現(xiàn)象對接入側(cè)的影響，并支持移動環(huán)境下的業(yè)務(wù)連續(xù)提供。

總體來說，該架構(gòu)面向未來接入網(wǎng)的靈活可變性需求，提供統(tǒng)一管控平臺，屏蔽底層網(wǎng)元差異，簡化人為操作管理，使全網(wǎng)資源分配更智能、更合理。

3.2 軟件定義的光接入網(wǎng)特性

從技術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)需求來看，軟件定義的光接入網(wǎng)將有以下特性。

（1）靈活性

在軟件定義光接入網(wǎng)中，集中式控制器可以對全網(wǎng)多層次資源進(jìn)行靈活編程（包括波長資源、調(diào)制格式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑥D(zhuǎn)發(fā)規(guī)則等），如可在控制層對光層資源調(diào)用，將空閑ONU原有的波長頻譜資源進(jìn)行重新分配，也可在數(shù)據(jù)層對流量流向和大小做基于流表的精細(xì)化靈活調(diào)控。同時，全網(wǎng)設(shè)備各功能可以軟件定義的方式實現(xiàn)縮放，通過底層硬件抽象以支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能虛擬化，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能靈活定義，提升網(wǎng)絡(luò)管理效能與智能。

（2）智能管控

將SDN引入接入網(wǎng)后，通過集中式的控制器，向下通過開放的接口協(xié)議與OLT等設(shè)備相連，向上連接網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)，了解全網(wǎng)資源信息，支持全網(wǎng)帶寬資源分配，實現(xiàn)集中控制視圖下的OLT-ONU連接關(guān)系靈活可控、OLT資源共享關(guān)系可控，OLT、ONU功能及準(zhǔn)入狀態(tài)可控（同時，基本的計費(fèi)功能可通過軟件定義化部分轉(zhuǎn)移至OLT側(cè)，在保證兼容PPP鑒權(quán)的同時減輕BRAS的壓力）；支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)兼容可控；多層資源（光層、數(shù)據(jù)層）智能可控；業(yè)務(wù)部署開通靈活可控（如智能檢測業(yè)務(wù)是否能開通，在開通時智能配置中間設(shè)備/步驟）等需求，且在此基礎(chǔ)上簡化運(yùn)維。

（3）開放性

為向需求不同的接入用戶（如家庭與企業(yè)）統(tǒng)一提供服務(wù)，未來接入網(wǎng)應(yīng)實現(xiàn)平臺化且具有開放性。平臺化及開放性主要體現(xiàn)在控制層對底層進(jìn)行抽象與虛擬化，生成功能引擎，并向上層提供應(yīng)用開發(fā)接口，開放應(yīng)用開發(fā)，接入用戶提出接入需求，SDN控制器按需調(diào)度資源提供服務(wù)，實現(xiàn)用戶接入無差別，形成統(tǒng)一而開放的接入平臺。

（4）可擴(kuò)展性

傳統(tǒng)光接入網(wǎng)的資源管理功能固化，缺乏可調(diào)性，不能實時滿足業(yè)務(wù)動態(tài)變化的需求，可擴(kuò)展性較差，不利于在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中加入新設(shè)備、開通新業(yè)務(wù)及技術(shù)升級。在軟件定義光接入網(wǎng)的統(tǒng)一管理下，通過可編程光層技術(shù)提供的統(tǒng)一接口及應(yīng)用層提供的應(yīng)用，可實現(xiàn)帶寬資源、設(shè)備功能、接入技術(shù)的可擴(kuò)展及業(yè)務(wù)升級與創(chuàng)新等，能夠很方便地擴(kuò)展各種業(yè)務(wù)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營功能。

（5）低能耗

低能耗的綠色接入網(wǎng)是接入網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，降低能耗則需充分利用多維資源，通過OLT池化、共用電源和背板等硬件資源，可達(dá)到節(jié)能目的；此外，池化的大群化效應(yīng)使得上層能對設(shè)備進(jìn)行集中化控制，靈活調(diào)用底層資源，合理分配，減少不必要的浪費(fèi)，以實現(xiàn)節(jié)能。

（6）移動性

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)對通信的移動性支撐仍不理想，當(dāng)移動終端高速移動時，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求可能在極短時間內(nèi)出現(xiàn)迅速增大后又快速降低，這不僅需要無線資源的調(diào)整，更需要有線網(wǎng)絡(luò)的配合。未來移動網(wǎng)絡(luò)中back/front haul（回傳/前傳）已經(jīng)作為未來接入網(wǎng)PON的主要應(yīng)用場景之一，這就要求PON需要支持網(wǎng)絡(luò)資源對無線業(yè)務(wù)的實時“因需而動”。在軟件定義光接入網(wǎng)中，控制器對帶寬資源的分配具有靈活的管控能力，當(dāng)某一時刻需要極大帶寬時，控制器能夠快速為對應(yīng)的基站分配資源，從而使得移動終端即便在高速移動和大規(guī)模數(shù)量的情況下依然具有良好的通信質(zhì)量。

此外，由于接入網(wǎng)的平臺化和開放化，設(shè)備開發(fā)統(tǒng)一化、簡便化會帶來設(shè)備成本降低，上層應(yīng)用開放也將節(jié)約開發(fā)和運(yùn)維支出，這對于整個接入網(wǎng)絡(luò)的CAPAX和OPEX降低均有幫助；在數(shù)據(jù)層面，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩钥捎镁W(wǎng)絡(luò)編碼等部分解決，但控制器的安全問題仍需進(jìn)行考慮；由于光層上的設(shè)計除增加靈活性外，相比傳統(tǒng)設(shè)備并沒有太大的變化，主要的可靠性問題將來于控制層（包括集中式帶來的風(fēng)險、管控分離帶來的風(fēng)險等），通過保留傳統(tǒng)的MPCP，OLT的可靠性可得到一定提升。

總的來說，在上述架構(gòu)中，OLT、ODN、ONU均可軟件定義，三者根據(jù)部署方式不同可通過虛擬化映射的方式進(jìn)行集中式管理，提供虛擬化支持，也可以通過直接連接控制器的方式進(jìn)行專有配置，實現(xiàn)軟件定義接入網(wǎng)預(yù)期目標(biāo)。

4 軟件定義的光接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

為了實現(xiàn)軟件定義接入網(wǎng)，需要分別在以下幾個層面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究。

4.1 L1：靈活可編程光層技術(shù)

靈活可編程光層技術(shù)作為搭建光接入網(wǎng)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的基本支撐，主要包含靈活、可調(diào)的光器件技術(shù)。如圖4所示，在可調(diào)器件的支持方面，應(yīng)實現(xiàn)的功能包括以下幾方面。

圖4 靈活可編程光層技術(shù)

（1）可調(diào)光收發(fā)器技術(shù)

可調(diào)光收發(fā)器（flexible transponder）技術(shù)應(yīng)支持高速、可靠的波長粒度及彈性頻譜粒度可調(diào)，提供波長、頻譜資源的靈活性支撐。傳統(tǒng)的TDM PON系統(tǒng)使用波長數(shù)目單一，波長最高10 Gbit/s速率已經(jīng)難以滿足帶寬需求，同時也無法提供可編程參數(shù)以支持資源靈活調(diào)度。而在未來TWDM、WDM場景下，接入系統(tǒng)有可觀的波長頻譜資源可供調(diào)用，因此，可調(diào)光收發(fā)器技術(shù)作為可編程光層的基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)研究支持中心波長可變、載波數(shù)目可變、柵格可變的可調(diào)諧激光器，以支撐控制層調(diào)度，實現(xiàn)光層波長及頻譜資源的有效利用。

（2）可變調(diào)制格式技術(shù)

可變調(diào)制格式（flexible modulation format）技術(shù)應(yīng)主要在數(shù)字信號處理（digital signal processor，DSP）技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)不同調(diào)制格式的靈活切換，在OLT與ONU側(cè)共同使用。DSP的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的調(diào)制格式與芯片類型強(qiáng)耦合的關(guān)系，可靈活提供不同調(diào)制格式的支持，并因此帶來傳送速率的變化?？勺冋{(diào)制格式技術(shù)作為光層器件的另一個基礎(chǔ)技術(shù)，可以通過對不同場景下的數(shù)據(jù)調(diào)制格式進(jìn)行調(diào)整，完成對有效傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量、數(shù)據(jù)傳輸速率的動態(tài)調(diào)整，并間接影響光功率預(yù)算，控制PON能量消耗，為控制層實現(xiàn)流量高效調(diào)度提供可編程支持。

（3）靈活ODN技術(shù)

靈活ODN（flexible ODN）技術(shù)應(yīng)在復(fù)雜ODN情況下提供有源/準(zhǔn)有源ODN器件（WSS、OXC）可調(diào)支持。面對OLT集中部署及池化需求以及長距離、廣覆蓋PON系統(tǒng)發(fā)展趨勢，ODN池化、有源化具有實際意義：在ODN中增加有源器件以增加PON結(jié)構(gòu)的多樣性，以此增加PON的生存能力；采用可調(diào)波長選擇器WSS和光開關(guān)組，進(jìn)行波長分配和光路切換，可有效調(diào)度波長資源和ONU資源，實現(xiàn)帶寬利用率提升和節(jié)能效果。

（4）可調(diào)無色ONU技術(shù)

可調(diào)無色ONU（tunable colorless ONU）技術(shù)應(yīng)支持不同波長/頻譜的光信號接收以及可變調(diào)制格式支持。為接收OLT側(cè)不同波長及調(diào)制格式信號，ONU應(yīng)在保持低成本的前提下支持接收波長可調(diào)、調(diào)制格式可調(diào)，提供接入系統(tǒng)的資源優(yōu)化支撐。

4.2 L2：精細(xì)化流表轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

精細(xì)化流量疏導(dǎo)技術(shù)應(yīng)在現(xiàn)有PON系統(tǒng)主從式管理協(xié)議（OMCI、MPCP等）的基本控制功能上實現(xiàn)L2～L7的精細(xì)化流表轉(zhuǎn)發(fā)支持。傳統(tǒng)的主從式管理協(xié)議完成基本的PON ONU注冊、測距、DBA（dynamic bandwidth allocation）等基本配置，并具有良好的實時性和可靠性，如果讓控制器直接控制，會導(dǎo)致時延增加等一系列問題，因此在軟件定義接入網(wǎng)中還需要保留基本的主從式管理協(xié)議以保證PON系統(tǒng)正常運(yùn)行，而其他數(shù)據(jù)層控制均交由集中式控制器完成；但是，傳統(tǒng)的動態(tài)帶寬分配機(jī)制只局限在單個OLT內(nèi)部，缺乏多個OLT之間的帶寬靈活配置。這種OLT內(nèi)部的動態(tài)帶寬分配機(jī)制并不能滿足整個未來光接入網(wǎng)OLT集群化帶寬靈活配置需求。如圖5所示，軟件定義接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)層精細(xì)化流量疏導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)可包括高速率硬件流表匹配、按流表的線速轉(zhuǎn)發(fā)及對等流量高效傳輸技術(shù)。

（1）OLT主從式管理協(xié)議適配及優(yōu)化技術(shù)

圖5 精細(xì)化流表轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

現(xiàn)有PON系統(tǒng)應(yīng)用主從式管理協(xié)議（OMCI、MPCP）定義OLT與ONU之間的控制機(jī)制，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的有效發(fā)送和接收。此類主從式管理協(xié)議主要處理ONU的發(fā)現(xiàn)和注冊，多個ONU之間上行傳輸資源的分配、動態(tài)帶寬的分配，統(tǒng)計復(fù)用的ONU本地?fù)砣麪顟B(tài)的匯報等。在軟件定義光接入網(wǎng)框架中，應(yīng)保留傳統(tǒng)主從式管理協(xié)議其中OLT設(shè)備控制ONU發(fā)送時隙的分配，ONU的自動發(fā)現(xiàn)和加入，通過南向接口向控制器報告不同ONU的擁塞情況以便動態(tài)分配帶寬，優(yōu)化PON系統(tǒng)內(nèi)部的帶寬分配。同時，根據(jù)對數(shù)據(jù)流定義的帶寬和QoS策略，由控制器根據(jù)DBA算法，對系統(tǒng)可用的帶寬進(jìn)行實時的動態(tài)分配，對帶寬進(jìn)行復(fù)用和收斂。另外，對單個PON系統(tǒng)內(nèi)的帶寬測算，需要考慮該P(yáng)ON系統(tǒng)內(nèi)所有ONU所產(chǎn)生的流量是否滿足系統(tǒng)要求，對DBA算法進(jìn)行優(yōu)化。

（2）多OLT間的精細(xì)化流量疏導(dǎo)技術(shù)

OLT設(shè)備應(yīng)支持流表，專注于流量精細(xì)化、高速率、基于流表的線速轉(zhuǎn)發(fā)（覆蓋流表內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄、增加標(biāo)簽等多個action），按照控制器要求進(jìn)行多個OLT之間的流量疏導(dǎo)，根據(jù)控制器通過安全通道下發(fā)的service-flow table匹配業(yè)務(wù)以及執(zhí)行相應(yīng)的QoS策略，并進(jìn)行本地資源管理，便于和控制器的資源管理進(jìn)行銜接。具體處理過程為，當(dāng)數(shù)據(jù)分組到來時，OLT設(shè)備查找流表匹配項（包括MAC源目的 地 址、IP源 目 的 地 址、VLAN標(biāo) 簽、OLT入 端 口 信 息、LLID、group ID、優(yōu)先級等其他數(shù)據(jù)分組信息），根據(jù)流表做出相應(yīng)的處理，執(zhí)行相應(yīng)的指令集（轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄、匹配下一個流表等），將無法識別的業(yè)務(wù)上報給控制器，控制器通過下發(fā)相應(yīng)指令控制OLT的轉(zhuǎn)發(fā)，同時在控制器發(fā)送請求的情況下，OLT通過packet-in消息將連接到OLT的設(shè)備的拓?fù)滏溄忧闆r及鏈路占用情況上報給控制器，與上層應(yīng)用進(jìn)行協(xié)作控制，便于控制器掌握全局拓?fù)淝闆r，對底層硬件進(jìn)行抽象，形成全局控制視圖以實現(xiàn)基于軟件定義的多個OLT之間的流量疏導(dǎo)以及新業(yè)務(wù)的布放等。

（3）對等流量高效傳輸技術(shù)

面對無源光網(wǎng)絡(luò)中對等通信流量日益增長的問題，軟件定義光接入網(wǎng)應(yīng)支持對等流量高效傳輸機(jī)制。通過統(tǒng)一的控制器及API，對該類流量采用網(wǎng)絡(luò)編碼（對等流量識別、編碼ONU配對、編碼）的策略，以有效提升數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的下行吞吐量，降低誤符號率，提升糾錯能力及網(wǎng)絡(luò)的頑健性；同時還可以通過減少OLT的下行發(fā)送時間來實現(xiàn)節(jié)能。

4.3 L3：控制層虛擬化技術(shù)

在軟件定義接入網(wǎng)架構(gòu)中，控制層作為SDN的核心，是連接底層設(shè)備和上層應(yīng)用的橋梁，也是控制全局的關(guān)鍵。如圖6所示，控制層虛擬化技術(shù)應(yīng)包括底層抽象技術(shù)、數(shù)據(jù)層及光層資源虛擬化，提供功能引擎，以承接上層應(yīng)用，作為應(yīng)用層開發(fā)平臺。

圖6 控制層虛擬化技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)層及光層資源虛擬化技術(shù)

在軟件定義光接入網(wǎng)架構(gòu)中，控制層收集OLT流量信息、ONU帶寬分配信息、波長資源信息、調(diào)制格式信息、OLT-ONU連接關(guān)系信息及其他可編程信息，同時，也收集與控制層相連的BRAS鑒權(quán)、計費(fèi)信息和流量信息。通過對全局信息的收集和處理，完成下層抽象，并按需生成全局邏輯拓?fù)?，形成控制視圖、流量視圖、頻譜資源視圖等，供網(wǎng)絡(luò)管理員管理調(diào)度使用。虛擬化后的資源在控制層上具有一致性，相當(dāng)于控制層屏蔽了底層設(shè)備的差異性，這也為應(yīng)用層編寫應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

（2）控制平臺功能引擎技術(shù)

控制平臺在控制層抽象及虛擬化基礎(chǔ)上整理匯總多維度資源，提供功能模塊的引擎功能，為應(yīng)用層程序提供統(tǒng)一接口。基本功能引擎包括下層狀態(tài)信息庫、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)模塊、流量統(tǒng)計模塊、鑒權(quán)認(rèn)證模塊、分組監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)層及光層配置模塊、故障診斷模塊、跨域協(xié)議整合模塊等；向上提供動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，如按需帶寬分配（波長、頻譜、調(diào)制格式等）等功能支持，高度可重構(gòu)鏈路和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)支持，自動故障和性能診斷和重新配置支持，簡化運(yùn)營商管控難度支持等。此外，伴隨接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)、規(guī)模、業(yè)務(wù)的復(fù)雜化，引擎功能也可進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)充。

4.4 其他關(guān)鍵技術(shù)

（1）開放式應(yīng)用層（管理層）

依托于上述3個層面的關(guān)鍵技術(shù)，在控制層之上可支持開放式應(yīng)用開發(fā)：軟件定義光接入網(wǎng)架構(gòu)中的應(yīng)用層，支持在網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)管理層/控制層系統(tǒng)級應(yīng)用，利用上述可編程的物理層及數(shù)據(jù)層信息的抽象化/虛擬化及控制層提供的功能引擎，以軟件定義的方式靈活實現(xiàn)多維資源優(yōu)化、防火墻、QoS、多業(yè)務(wù)承載管理、多層次調(diào)度與維護(hù)、多租戶支持，異構(gòu)PON系統(tǒng)的SDN支持（如多種PON模式共存、融合調(diào)度等），實現(xiàn)最優(yōu)融合管控策略應(yīng)用的快速執(zhí)行。

在典型的多租戶環(huán)境下，每個服務(wù)提供商可請求數(shù)據(jù)或控制操作，此類操作翻譯并通過集中式控制器和抽象層執(zhí)行下達(dá)。同時多租戶的控制和管理系統(tǒng)將經(jīng)由用戶認(rèn)證/請求管理等控制器功能將接入網(wǎng)絡(luò)抽象劃分成多個邏輯接入網(wǎng)絡(luò)。通過標(biāo)準(zhǔn)化的通用接口共享數(shù)據(jù)和控制功能，不同服務(wù)商實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)不同的管控。同樣，在多業(yè)務(wù)/應(yīng)用場景下，不同的業(yè)務(wù)類型均可以靈活提供：互聯(lián)網(wǎng)接入、城域以太網(wǎng)接入（企業(yè)連接）、基于云計算的服務(wù)、辦公室局域網(wǎng)服務(wù)等。軟件定義PON架構(gòu)—應(yīng)用管理層如圖7所示。

圖7 軟件定義PON架構(gòu)—應(yīng)用管理層

（2）標(biāo)準(zhǔn)南向接口技術(shù)

除上述關(guān)鍵技術(shù)外，還需提供標(biāo)準(zhǔn)南向接口支持：在OLT、ONU以及可調(diào)ODN中，應(yīng)專門部署或使用專有接口實現(xiàn)對SDN標(biāo)準(zhǔn)南向接口（如OpenFlow）的支持，即SDN代理，完成協(xié)議數(shù)據(jù)的接收、翻譯以及設(shè)備信息上報等功能。

5 軟件定義的光接入網(wǎng)應(yīng)用案例

根據(jù)接入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，本文主要以多波長PON系統(tǒng)為研究對象，著重分析了軟件定義無源光網(wǎng)絡(luò)的可能應(yīng)用案例。

5.1 具有潮汐變化的住宅區(qū)/商業(yè)區(qū)

在集中住宅區(qū)內(nèi)，正常工作日中，白天由于工作等原因用戶量較少，因而所需帶寬資源較低，而晚上以及周末，用戶量急劇增長，所需帶寬增加；如附近有商業(yè)區(qū)，則可能呈現(xiàn)相反的流量需求。傳統(tǒng)的PON靈活性較差，雖然能夠進(jìn)行一定的動態(tài)帶寬分配，但整體資源利用率較低。通過引入軟件定義接入網(wǎng)，在白天用戶量較小的時候，可以通過靈活的虛擬劃分接入網(wǎng)絡(luò)和OLT-ONU動態(tài)關(guān)系調(diào)整，將用戶集中到較少的OLT波長資源上，提高帶寬資源利用率，降低能耗；同時節(jié)省的波長資源可以為鄰近的商業(yè)區(qū)提供服務(wù)。而在晚上以及周末，為商業(yè)區(qū)服務(wù)的波長資源可以調(diào)整給住宅區(qū)，實現(xiàn)整體的靈活調(diào)度滿足用戶需求，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

5.2 高速移動下的業(yè)務(wù)接入

伴隨國家高速鐵路（以下簡稱高鐵）基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，選擇高鐵已成為常見的出行方式。高鐵上的乘客具有移動速度快的特點，這使得用戶頻繁切換基站，且切換到的基站會出現(xiàn)短暫的業(yè)務(wù)量高峰期，回傳部分也就需要能夠?qū)崟r適應(yīng)這種業(yè)務(wù)量變化。原有PON接入控制機(jī)制以及帶寬調(diào)度算法割裂了不同OLT之間的關(guān)系，無法適應(yīng)這種高速切換。而如果將軟件定義接入網(wǎng)用于回傳網(wǎng)絡(luò)，通過控制器可以靈活調(diào)配池化OLT的資源，實現(xiàn)每個基站的使用波長和連接關(guān)系的實時調(diào)度，快速提供相應(yīng)的回傳容量，支持突發(fā)性大流量的流動，滿足大量用戶集中移動場景下的帶寬需求。

5.3 民營寬帶接入小區(qū)

開放寬帶接入市場后，會出現(xiàn)各種民營企業(yè)投資建設(shè)寬帶接入網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，對于一個新建小區(qū)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)施由投資商自行建立，并租用運(yùn)營商線路接入寬帶網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)租用方式往往只提供一個接口，與一家運(yùn)營商達(dá)成協(xié)議，資費(fèi)固定，小區(qū)內(nèi)的用戶也無法自主選擇運(yùn)營商。光接入網(wǎng)引入SDN思想后，通過控制層虛擬化技術(shù)，生成虛擬拓?fù)洌軌蚯宄私獾接脩舴植记闆r，由此投資商可以與多家運(yùn)營商達(dá)成協(xié)議，在SDN控制器的控制下，智能選擇OLT出口，按居民需求連接到不同運(yùn)營商線路來接入帶寬網(wǎng)絡(luò)；投資商后期也可以通過虛擬接入網(wǎng)的抽象拓?fù)浜拖嚓P(guān)信息對小區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理與維護(hù)。此外，在軟件定義光接入網(wǎng)控制平臺功能引擎技術(shù)的支持下，SDN控制器能夠統(tǒng)計用戶的出口流量信息，實現(xiàn)鑒權(quán)計費(fèi)功能，投資商可依此收費(fèi)。

5.4 政企專線

由于政企業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)線路的嚴(yán)格要求，政企專線的部署和管理運(yùn)維往往比較困難，開通的時間也因此較長，比如業(yè)務(wù)開通和帶寬調(diào)整可能需要數(shù)天。如果部署了軟件定義光接入網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)層及光層資源虛擬化技術(shù)和控制平臺功能引擎技術(shù)，運(yùn)營商可以在控制層方便地調(diào)度資源完成業(yè)務(wù)部署、分配線路和帶寬，與軟件定義分組傳送網(wǎng)（SPTN）等網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)在全網(wǎng)業(yè)務(wù)的“一鍵開通/調(diào)整”。此外，運(yùn)營商還可以為用戶提供定制的開放接口，支持一定程度上的用戶業(yè)務(wù)自定義，提升用戶滿意度。

6 結(jié)束語

以EPON、GPON以及10 Gbit/s E/G PON為代表的光接入網(wǎng)技術(shù)的廣泛部署，難以滿足日益增長的帶寬需求，而下一代無源光網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)盡管可以利用波分復(fù)用（WDM）、混合時分—波分復(fù)用（TWDM）乃至超密集波分復(fù)用（UDWDM）手段持續(xù)提升接入帶寬，但在成本限制的條件下，光纖的傳輸容量很快將逼近極限。因此，只有網(wǎng)絡(luò)效率的提升，尤其是接入側(cè)網(wǎng)絡(luò)效率的提升，才能支撐整體網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展。然而，當(dāng)前接入網(wǎng)普遍存在的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)固定、升級維護(hù)困難、管控接口眾多、資源調(diào)度復(fù)雜、優(yōu)化方式單一、資源利用率低等問題，大大影響了接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源的有效管理與利用。將SDN思想引入光接入網(wǎng)中，通過構(gòu)建統(tǒng)一開放的集中式管控平臺，完成底層網(wǎng)元抽象，有效調(diào)用時域、波域、頻域資源，提升網(wǎng)絡(luò)可用性，構(gòu)建可控、可靠、可持續(xù)的接入系統(tǒng)，完成多租戶、多業(yè)務(wù)的靈活開通與部署；高效應(yīng)對高帶寬、多業(yè)務(wù)、新場景、易運(yùn)維需求。提升接入網(wǎng)靈活性、開放性、智能性，構(gòu)建高速、高效的軟件定義光接入網(wǎng)體系，對于實現(xiàn)未來全程全網(wǎng)的靈活管控具有重要意義。

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