趙文玉 徐云斌 湯瑞 趙鑫 張海懿

(中國信息通信研究院技術與標準研究所，北京 100191)

0 引言

隨著5G、數據中心等新型基礎設施建設的有序推進和產業(yè)數字化進程的整體加速，作為信息通信網絡的基礎承載底座，光纖通信網絡的發(fā)展及其優(yōu)勢特性受到高度關注，相關關鍵技術也在持續(xù)按需演進[1]。全光網絡作為光纖通信技術的終極組網應用目標，近二十年業(yè)界持續(xù)聚焦推動研究，期望獲得與電域處理技術類似的組網功能和性能。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在應用方面并沒有取得本質突破，目前步入商用或可商用的依然主要是基于波長通路或端口交換的全光組網機制，整體上仍處于全光網絡發(fā)展的初級階段?；谠苹_展應用已成未來主流趨勢，數據中心、云計算、5G/6G等與光纖通信網絡進一步深度融合或協(xié)同，面對多樣化海量數據差異化傳輸需求，光纖通信網絡如何按需革新發(fā)展成為業(yè)界關注的熱點。本文重點分析了基于波長通路交叉的全光網絡關鍵技術、標準化及應用情況的進展現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展進行了展望。

1 全光網絡關鍵技術進展

1.1 光域技術

全光網絡概念相對泛化，主要范疇至少應包括全光域信號的處理和調度，典型關鍵技術包括光交換(交叉)技術、全光節(jié)點結構、傳輸特性控制技術(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，本文不再贅述。

1.1.1 光交換(交叉)技術

光交換(交叉)技術主要包括基于分組或者類分組的光交換、基于光波長通路的光交叉、基于光端口的光交叉等技術，其中基于分組或者類分組的光交換技術近十年沒有取得突破性進展，近期公開報道聚焦點偏少，距離普適性商用時間無法預計。基于光波長通路的光交叉技術經歷了不同的發(fā)展階段，由最初主要面向兩維可重構光分插復用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM)結構的波長阻斷、平面波導等技術演進到支持多端口維度的波長選擇開關(Wavelength Selective Switch，WSS)技術，其中WSS包括微型電子機械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)、液晶(Liquid Crystal，LC)和硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)3種技術原理。綜合考慮全光節(jié)點維度、切換時間、靈活柵格支持等特性，基于LCoS的WSS是目前全光交叉節(jié)點的主要技術[2-3]。

目前，商用網絡使用的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，同時為了便于上下路靈活控制，在光交叉節(jié)點中可引入N×M端口的廣播光開關(Multicast Switch，MCS；包括N個耦合器和M個光放大器)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。受近期及未來可預期的大容量傳輸需求驅動，WSS目前朝著更多端口數量、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產品，II-VI公司也在2021年10月發(fā)布了雙路1×48端口的WSS產品，ROADMap系統(tǒng)公司在2020年世界光纖通信大會(Optical Fiber Communication，OFC)上報道了基于單個4k LCoS器件集成24個1×12端口的WSS。另外，考慮到超大容量光傳輸系統(tǒng)正在朝著擴展波段、空分復用等方面發(fā)展，支持相應特性的WSS也在不斷推動研制，如II-VI公司2020年8月發(fā)布了支持C+L波段的WSS產品，支持頻寬由6 THz擴展到11 THz；荷蘭埃因霍溫理工大學的研究人員也報道了面向低成本、低維度，支持O、S、C和L波段基于光子集成的WSS[4]；業(yè)界同時也已開展面向空分復用(Space Division Multiplexing，SDM)應用的光交叉/交換技術的研究和分析[5-6]。

基于端口相對成熟的光交叉一般主要基于MEMS、直接光束偏轉(Direct Beam Streering，DBS)和LC/LCoS等技術實現(xiàn)，其典型特性見表1。從表1可以看出，這些交叉技術的切換時間一般在ms以上的量級，為了獲得更快的切換時間，研究人員持續(xù)探索不同的機制實現(xiàn)更快的切換時間，例如基于硅光、鈮酸鋰等工作機制。2020年的OFC會議報道了基于PLC的切換技術，切換時間達到了87 μs[7]。

1.1.2 全光節(jié)點結構

作為全光網絡的基礎網元，全光交叉節(jié)點基本結構如圖1(a)所示，其中基于波長通路的光交叉連接目前主要采用WSS器件組合實現(xiàn)，基于端口的光交叉連接基于光開關矩陣實現(xiàn)，前者是目前全光網絡應用的主要類型。結合線路、上下路等不同功能特性需求(如是否考慮方向受限、波長限定、柵格可調和波長沖突等需求)，可構成CD(波長無關、方向無關)、CDC(波長無關、方向無關、競爭無關)、CDCF(波長無關、方向無關、競爭無關、靈活柵格)等不同架構的ROADM全光網絡節(jié)點，其基本配置單元構成(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關基本特性

圖1 全光交叉節(jié)點結構及ROADM功能單元類型構成示意圖

隨著ROADM節(jié)點逐步規(guī)模應用，其交叉連接的線路維度逐步擴展，WSS端口之間的光纖連接數量顯著增加，在設備安裝配置、運行維護和故障處理等方面帶來極大挑戰(zhàn)。為了進一步降低光纖連接數量的影響，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商構建CDC ROADM設備采用的主流方案(見圖2)。

針對空分復用等超大容量傳輸技術未來進行全光組網的應用需求，近幾年業(yè)界也逐步啟動面向SDM應用的交叉/交換技術、架構和應用潛力研究[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交叉和空間光纖交叉的模式分層進行交叉調度[8]。

1.2 管控技術

基于波長交叉的全光網絡的管控架構目前主要有兩種，即基于分布式控制的波長交換光網絡(Wavelength Switched Optical Network，WSON)和基于集中式控制的ROADM光網絡，后者如OpenROADM，主要由美國為主的運營商和設備商牽頭構建的多源協(xié)議(Multi-Source Agreement，MSA)組織進行推動和規(guī)范。另外，國內外多個互聯(lián)網巨頭也在牽頭推動基于OpenConfig工作組的YANG模型實現(xiàn)全光線路系統(tǒng)的集中式管控功能。

WSON的基本管控架構如圖3所示，主要特點在分布式架構的基礎上，采用基于PCE的集中路由計算和分布式連接建立相協(xié)同工作模式，涉及基于波長粒度的路由、信令、鏈路資源管理、自動發(fā)現(xiàn)等有關的關鍵技術，相關要求已在標準YD/T 3598-2019中進行了詳細規(guī)范。

圖2 全光交叉節(jié)點及ROADM結構示意圖

圖3 WSON基本架構

圖4 OpenROADM基本架構

集中式的ROADM管控架構以OpenDaylight的開源項目TransportPCE控制器為例[9]，如圖4所示，主要基于SDN架構實現(xiàn)集中式管控，并針對物理層設備、組網、應用等選擇不同的數據模型和管控協(xié)議。其中，南向接口通信的API主要采用基于RESTCONF的OpenROADM業(yè)務模型，北向接口通信的API主要采用NETCONF和OpenROADM設備模型，控制器內部采用了基于PCE的業(yè)務路徑模型等，相關要求OpenDaylight在持續(xù)刷新[9]。

目前，基于分布式的WSON架構和基于集中式的管控架構側重的應用場景不同，其中WSON架構主要面向全國或區(qū)域干線的應用，集中式的管控架構偏向城域和邊緣網絡(含數據中心)的應用。后續(xù)隨著帶寬、時延和能耗等關鍵需求的強力驅動，兩種架構的ROADM全光網絡預計將呈現(xiàn)并存式協(xié)同發(fā)展態(tài)勢，其管控的功能性能完善程序還需依賴光層信號交叉/交換、監(jiān)測等處理技術的革新進度。

2 全光網絡標準化現(xiàn)狀

2.1 國際標準化

全光網絡的標準化工作主要聚焦物理層和管控層兩個方面，涉及的國際標準化組織或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行規(guī)范，相關標準制定完成后，近兩年沒有明顯的更新。IETF CCAMP組主要圍繞管控協(xié)議和信息模型進行規(guī)范，在WSON的控制架構、路由和波長分配(RWA)、路徑計算單元(PCE)擴展、信令控制、損傷控制等方面已發(fā)布系列RFC規(guī)范，目前正在制定相關的YANG模型規(guī)范，以形成IETF的L0層網絡模型，包括網絡特征模型和L0層隧道模型等。OpenROADM自成立以來主要側重光層、電層(數字層)和YANG數據模型規(guī)范的制定和持續(xù)刷新。全光網絡涉及的國際標準與規(guī)范的主要進展見表2。

2.2 國內標準化

全光網絡的國內標準化主要由CCSA TC6 WG1和WG4負責，其中WG1負責設備和管控層面的標準，WG4負責器件方面的標準。目前，已經完成的主要標準包括WSS器件、ROADM設備技術要求及測試方法、WSON技術及測試方法等，其中ROADM設備主要聚焦基于光背板的集成性設備標準制定，WSON主要側重在網絡中繼、波長變換等網絡物理層特征條件下的路由功能和保護恢復等能力，以及在L0層ROADM/WDM網絡中實現(xiàn)動態(tài)路由恢復功能等，但對于光層損傷反饋控制方面標準化工作尚未涉及。目前，全光網絡國內標準進展參見表3。

3 全光網絡應用現(xiàn)狀

全光網絡應用的理念提出較早，但具體商用部署則與業(yè)務應用需求、光層傳輸和調度能力、組網和運營成本等多種因素密切相關。國外運營商在十多年前已開始部署基于波長通路調度的ROADM網絡，近幾年以美國AT&T等為主的運營商聚力推動基于OpenROADM架構在城域的部署應用。

表2 全光網絡國際標準規(guī)范進展

表3 全光網絡國內標準進展

國內運營商最近幾年在骨干層面逐步規(guī)模部署ROADM網絡，并推動向城域核心層面延伸。截止到目前，中國電信已建成全球規(guī)模最大的ROADM網絡，總容量達到620 Tbit/s，全國五大區(qū)域全部覆蓋[10]。中國聯(lián)通于2018年啟動建設的京津冀ROADM區(qū)域網已投入運行，并正在籌備建設華東、華南和西部等區(qū)域的ROADM網絡。中國移動近十年內也陸續(xù)開展了光電混合交叉測試驗證和應用試點，基于集成式的ROADM技術在2018年中國移動政企專網中也得到部署應用；另外，基于端口方式交叉的全光調度應用在數據中心內部、自動化測試驗證等方面也得到初步的試點或應用。

從整體應用效果來看，ROADM全光組網在OTU單元數量、功耗、設備節(jié)點集成度、業(yè)務調度和開通速率等方面優(yōu)勢顯著，但在業(yè)務生存性的時間穩(wěn)定性、交叉維度數量等方面尚待進一步提升[10]。

4 未來發(fā)展展望

伴隨著以云為代表的IT技術和以網絡為代表的CT技術的進一步深度融合和整個社會數字化轉型的加速，5G/6G、數據中心、互聯(lián)網等持續(xù)發(fā)展，基于云化的分布式計算和存儲等需求強勁，云、網絡、算力和應用之間的構成和協(xié)同(或融合)更為繁雜，全光網絡擁有的超大容量、超低時延、低功耗、靈活智能和低成本等組網應用優(yōu)勢將進一步得到發(fā)揮。縱觀未來應用需求、全光網絡應用特性及全光處理技術革新趨勢，以ROADM為主要節(jié)點的全光網絡未來應用態(tài)勢如下。

(1)干線持續(xù)規(guī)模部署并提升或完善現(xiàn)有應用存在的問題或不足。例如，隨著網絡規(guī)模的逐步擴大，存在波長或其他資源沖突的概率提升，業(yè)務動態(tài)恢復的時間在秒級或甚至部分場景達到分鐘量級，與IP層收斂相比在時間方面并無明顯優(yōu)勢，需要從節(jié)點架構、路由算法、資源沖突優(yōu)化(含線路維度增加)、光層信號監(jiān)測能力和開關切換速度等多個維度協(xié)同提升；隨著光波長通路傳輸速率提升到400 Gbit/s和800 Gbit/s或更高，信號傳輸的距離通常將會降低，進一步影響ROADM全光組網規(guī)模，需進一步從光層、電層(數字域)、光纖介質等多方面優(yōu)化提升傳輸性能等。

(2)ROADM在城域部署預計將逐步提速。除了核心層和匯聚層之外，接入層也將按需選用。考慮到應用需求特性和建網成本等因素，支持較少端口、開放解耦、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的發(fā)展，將逐步推動支持多波段和SDM的ROADM節(jié)點組網應用探索；面向垂直行業(yè)等多樣化引用的新型特性，在干線層面IP層與光層如何協(xié)同或融合提供最佳承載特性需進一步強化研究；考慮光域處理技術的不斷革新，持續(xù)關注基于波帶、子載波、光分組、光突發(fā)等全光交換技術等。

(4)光層和電層的協(xié)同組網將長期存在。由于全光組網時光層處理的帶寬粒度以波長為單位，對于較小帶寬需求無法靈活調整，同時光域信號的傳輸距離有其適用范圍，整個傳送網絡全光處理尚待時日，光電協(xié)同方式仍是典型方案。

5 結束語

新型業(yè)務需求和技術革新等協(xié)同推動全光網絡持續(xù)發(fā)展和部署應用，采用ROADM節(jié)點、基于波長通路的交叉調度是目前的主要應用方式。本文主要介紹了光域和管控域關鍵技術、國際國內標準化最新進展以及現(xiàn)網部署應用現(xiàn)狀等，并對全光網絡的未來發(fā)展應用進行了展望。整體來看，基于波長通路的全光組網技術逐步趨于成熟，隨著5G、數據中心等新基建的持續(xù)推進、海量差異化傳輸流量的持續(xù)增長和全行業(yè)數字化轉型的加速，超大容量傳輸技術將持續(xù)革新，新型光交叉/交換技術持續(xù)發(fā)展，全光網絡除了在干線網絡持續(xù)優(yōu)化規(guī)模部署之外，應用范疇持續(xù)拓展，逐步向城域和數據中心等場景加速滲透，按需逐步引入SDN架構、開放解耦等特性，未來前景可期。