全光网络技术、标准、应用现状及展望

摘要：5G、数据中心等新基建的部署和产业整体数字化转型进一步加速了光纤通信网络的发展和应用。阐述了基于波长通路交叉的全光网络关键技术进展、标准化现状和现网部署应用情况，并对全光网络未来发展进行了展望。关键词：全光网，关键技术，标准化，部署应用，现状及展望0引言随着5G、数据中心等新型基础设施建设的有序推进和产业数字化进程的整体加速，作为信息通信网络的基础承载底座，光纤通信网络的发展及其优势特性受到高度关注，相关关键技术也在持续按需演进[1]。全光网络作为光纤通信技术的终极组网应用目标，近二十年业界持续聚焦推动研究，期望获得与电域处理技术类似的组网功能和性能。但受限于光层处理能力，基于光分组交换、光突发交换等全光处理和光交换技术在应用方面并没有取得本质突破，目前步入商用或可商用的依然主要是基于波长通路或端口交换的全光组网机制，整体上仍处于全光网络发展的初级阶段。基于云化开展应用已成未来主流趋势，数据中心、云计算、5G/6G等与光纤通信网络进一步深度融合或协同，面对多样化海量数据差异化传输需求，光纤通信网络如何按需革新发展成为业界关注的热点。本文重点分析了基于波长通路交叉的全光网络关键技术、标准化及应用情况的进展现状，并对其未来发展进行了展望。1全光网络关键技术进展1.1光域技术全光网络概念相对泛化，主要范畴至少应包括全光域信号的处理和调度，典型关键技术包括光交换(交叉)技术、全光节点结构、传输特性控制技术(功率、色散和信噪比等)，其中传输特性控制属于高速光传输共性技术，本文不再赘述。1.1.1光交换(交叉)技术光交换(交叉)技术主要包括基于分组或者类分组的光交换、基于光波长通路的光交叉、基于光端口的光交叉等技术，其中基于分组或者类分组的光交换技术近十年没有取得突破性进展，近期公开报道聚焦点偏少，距离普适性商用时间无法预计。基于光波长通路的光交叉技术经历了不同的发展阶段，由最初主要面向两维可重构光分插复用器(ReconfigurableOpticalAdd-DropMultiplexe，ROADM)结构的波长阻断、平面波导等技术演进到支持多端口维度的波长选择开关(WavelengthSelectiveSwitch，WSS)技术，其中WSS包括微型电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)、液晶(LiquidCrystal，LC)和硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon，LCoS)3种技术原理。综合考虑全光节点维度、切换时间、灵活栅格支持等特性，基于LCoS的WSS是目前全光交叉节点的主要技术[2-3]。目前，商用网络使用的WSS主要包括1×9和1×20两种端口规格(或双路集成)，部分采用了大于1×20的端口规格，同时为了便于上下路灵活控制，在光交叉节点中可引入N×M端口的广播光开关(MulticastSwitch，MCS；包括N个耦合器和M个光放大器)或WSS。其中，MCS典型端口为8×16、8×24、16×12/16/24等，WSS典型端口为双路8×24。受近期及未来可预期的大容量传输需求驱动，WSS目前朝着更多端口数量、更高集成度的方向发展，如Lumentum目前已支持双路1×35端口的WSS产品，II-VI公司也在2021年10月发布了双路1×48端口的WSS产品，ROADMap系统公司在2020年世界光纤通信大会(OpticalFiberCommunication，OFC)上报道了基于单个4kLCoS器件集成24个1×12端口的WSS。另外，考虑到超大容量光传输系统正在朝着扩展波段、空分复用等方面发展，支持相应特性的WSS也在不断推动研制，如II-VI公司2020年8月发布了支持C+L波段的WSS产品，支持频宽由6THz扩展到11THz；荷兰埃因霍温理工大学的研究人员也报道了面向低成本、低维度，支持O、S、C和L波段基于光子集成的WSS[4]；业界同时也已开展面向空分复用(SpaceDivisionMultiplexing，SDM)应用的光交叉/交换技术的研究和分析[5-6]。基于端口相对成熟的光交叉一般主要基于MEMS、直接光束偏转(DirectBeamStreering，DBS)和LC/LCoS等技术实现，其典型特性见表1。从表1可以看出，这些交叉技术的切换时间一般在ms以上的量级，为了获得更快的切换时间，研究人员持续探索不同的机制实现更快的切换时间，例如基于硅光、铌酸锂等工作机制。2020年的OFC会议报道了基于PLC的切换技术，切换时间达到了87μs[7]。1.1.2全光节点结构作为全光网络的基础网元，全光交叉节点基本结构如图1(a)所示，其中基于波长通路的光交叉连接目前主要采用WSS器件组合实现，基于端口的光交叉连接基于光开关矩阵实现，前者是目前全光网络应用的主要类型。结合线路、上下路等不同功能特性需求(如是否考虑方向受限、波长限定、栅格可调和波长冲突等需求)，可构成CD(波长无关、方向无关)、CDC(波长无关、方向无关、竞争无关)、CDCF(波长无关、方向无关、竞争无关、灵活栅格)等不同架构的ROADM全光网络节点，其基本配置单元构成(图示不含灵活栅格)如图1(b)所示。随着ROADM节点逐步规模应用，其交叉连接的线路维度逐步扩展，WSS端口之间的光纤连接数量显著增加，在设备安装配置、运行维护和故障处理等方面带来极大挑战。为了进一步降低光纤连接数量的影响，目前业界提出两种典型的解决方案，一种是采用集中式的光纤连接盒，另一种是采用光背板，其中光背板是近两年厂商构建CDCROADM设备采用的主流方案(见图2)。针对空分复用等超大容量传输技术未来进行全光组网的应用需求，近几年业界也逐步启动面向SDM应用的交叉/交换技术、架构和应用潜力研究[5-6]，但整体上仍属于初步研究阶段，其中一种典型的思路是采用波长交叉和空间光纤交叉的模式分层进行交叉调度[8]。1.2管控技术基于波长交叉的全光网络的管控架构目前主要有两种，即基于分布式控制的波长交换光网络(WavelengthSwitchedOpticalNetwork，WSON)和基于集中式控制的ROADM光网络，后者如OpenROADM，主要由美国为主的运营商和设备商牵头构建的多源协议(Multi-SourceAgreement，MSA)组织进行推动和规范。另外，国内外多个互联网巨头也在牵头推动基于OpenConfig工作组的YANG模型实现全光线路系统的集中式管控功能。WSON的基本管控架构如图3所示，主要特点在分布式架构的基础上，采用基于PCE的集中路由计算和分布式连接建立相协同工作模式，涉及基于波长粒度的路由、信令、链路资源管理、自动发现等有关的关键技术，相关要求已在标准YD/T3598-2019中进行了详细规范。集中式的ROADM管控架构以OpenDaylight的开源项目TransportPCE控制器为例[9]，如图4所示，主要基于SDN架构实现集中式管控，并针对物理层设备、组网、应用等选择不同的数据模型和管控协议。其中，南向接口通信的API主要采用基于RESTCONF的OpenROADM业务模型，北向接口通信的API主要采用NETCONF和OpenROADM设备模型，控制器内部采用了基于PCE的业务路径模型等，相关要求OpenDaylight在持续刷新[9]。目前，基于分布式的WSON架构和基于集中式的管控架构侧重的应用场景不同，其中WSON架构主要面向全国或区域干线的应用，集中式的管控架构偏向城域和边缘网络(含数据中心)的应用。后续随着带宽、时延和能耗等关键需求的强力驱动，两种架构的ROADM全光网络预计将呈现并存式协同发展态势，其管控的功能性能完善程序还需依赖光层信号交叉/交换、监测等处理技术的革新进度。2全光网络标准化现状2.1国际标准化全光网络的标准化工作主要聚焦物理层和管控层两个方面，涉及的国际标准化组织或MSA联盟主要包括ITU-T、IETF和OpenROADM等。ITU-TSG15主要聚焦WSON的物理层特性和管理信息模型进行规范，相关标准制定完成后，近两年没有明显的更新。IETFCCAMP组主要围绕管控协议和信息模型进行规范，在WSON的控制架构、路由和波长分配(RWA)、路径计算单元(PCE)扩展、信令控制、损伤控制等方面已发布系列RFC规范，目前正在制定相关的YANG模型规范，以形成IETF的L0层网络模型，包括网络特征模型和L0层隧道模型等。OpenROADM自成立以来主要侧重光层、电层(数字层)和YANG数据模型规范的制定和持续刷新。全光网络涉及的国际标准与规范的主要进展见表2。2.2国内标准化全光网络的国内标准化主要由CCSATC6WG1和WG4负责，其中WG1负责设备和管控层面的标准，WG4负责器件方面的标准。目前，已经完成的主要标准包括WSS器件、ROADM设备技术要求及测试方法、WSON技术及测试方法等，其中ROADM设备主要聚焦基于光背板的集成性设备标准制定，WSON主要侧重在网络中继、波长变换等网络物理层特征条件下的路由功能和保护恢复等能力，以及在L0层ROADM/WDM网络中实现动态路由恢复功能等，但对于光层损伤反馈控制方面标准化工作尚未涉及。目前，全光网络国内标准进展参见表3。3全光网络应用现状全光网络应用的理念提出较早，但具体商用部署则与业务应用需求、光层传输和调度能力、组网和运营成本等多种因素密切相关。国外运营商在十多年前已开始部署基于波长通路调度的ROADM网络，近几年以美国AT&T等为主的运营商聚力推动基于OpenROADM架构在城域的部署应用。国内运营商最近几年在骨干层面逐步规模部署ROADM网络，并推动向城域核心层面延伸。截止到目前，中国电信已建成全球规模最大的ROADM网络，总容量达到620Tbit/s，全国五大区域全部覆盖[10]。中国联通于2018年启动建设的京津冀ROADM区域网已投入运行，并正在筹备建设华东、华南和西部等区域的ROADM网络。中国移动近十年内也陆续开展了光电混合交叉测试验证和应用试点，基于集成式的ROADM技术在2018年中国移动政企专网中也得到部署应用；另外，基于端口方式交叉的全光调度应用在数据中心内部、自动化测试验证等方面也得到初步的试点或应用。从整体应用效果来看，ROADM全光组网在OTU单元数量、功耗、设备节点集成度、业务调度和开通速率等方面优势显著，但在业务生存性的时间稳定性、交叉维度数量等方面尚待进一步提升[10]。4未来发展展望伴随着以云为代表的IT技术和以网络为代表的CT技术的进一步深度融合和整个社会数字化转型的加速，5G/6G、数据中心、互联网等持续发展，基于云化的分布式计算和存储等需求强劲，云、网络、算力和应用之间的构成和协同(或融合)更为繁杂，全光网络拥有的超大容量、超低时延、低功耗、灵活智能和低成本等组网应用优势将进一步得到发挥。纵观未来应用需求、全光网络应用特性及全光处理技术革新趋势，以ROADM为主要节点的全光网络未来应用态势如下。(1)干线持续规模部署并提升或完善现有应用存在的问题或不足。例如，随着网络规模的逐步扩大，存在波长或其他资源冲突的概率提升，业务动态恢复的时间在秒级或甚至部分场景达到分钟量级，与IP层收敛相比在时间方面并无明显优势，需要从节点架构、路由算法、资源冲突优化(含线路维度增加)、光层信号监测能力和开关切换速度等多个维度协同提升；随着光波长通路传输速率提升到400Gbit/s和800Gbit/s或更高，信号传输的距离通常将会降低，进一步影响ROADM全光组网规模，需进一步从光层、电层(数字域)、光纤介质等多方面优化提升传输性能等。(2)ROADM在城域部署预计将逐步提速。除了核心层和汇聚层之外，接入层也将按需选用。考虑到应用需求特性和建网成本等因素，支持较少端口、开放解耦、SDN控制器和低成本特性的ROADM将是汇聚层和接入层的可能选择。(3)全光组网新型特性将持续研究和探索。随着多传输波段、SDM等超大容量的传输技术的发展，将逐步推动支持多波段和SDM的ROADM节点组网应用探索；面向垂直行业等多样化引用的新型特性，在干线层面IP层与光层如何协同或融合提供最佳承载特性需进一步强化研究；考虑光域处理技术的不断革新，持续关注基于波带、子载波、光分组、光突发等全光交换技术等。(4)光层和电层的协同组网将长期存在。由于全光组网时光层处理的带宽粒度以波长为单位，对于较小带宽需求无法灵活调整，同时光域信号的传输距离有其适用范围，整个传送网络全光处理尚待时日，光电协同方式仍是典型方案。5结束语新型业务需求和技术革新等协同推动全光网络持续发展和部署应用，采用ROADM节点、基于波长通路的交叉调度是目前的主要应用方式。本文主要介绍了光域和管控域关键技术、国际国内标准化最新进展以及现网部署应用现状等，并对全光网络的未来发展应用进行了展望。整体来看，基于波长通路的全光组网技术逐步趋于成熟，随着5G、数据中心等新基建的持续推进、海量差异化传输流量的持续增长和全行业数字化转型的加速，超大容量传输技术将持续革新，新型光交叉/交换技术持续发展，全光网络除了在干线网络持续优化规模部署之外，应用范畴持续拓展，逐步向城域和数据中心等场景加速渗透，按需逐步引入SDN架构、开放解耦等特性，未来前景可期。参考文献：[1]工业和信息化部.“双千兆”网络协同发展行动计划(2021—2023年)[R]，2021.[2]黄海清，李维民，杨种山.下一代ROADM的结构与技术[J].光通信技术，2013(5)：35-37.[3]DevarajanA，SandeshaK，GowrishankarR，etal.Colorless，directionlessandcontentionlessmulti-degreeROADMarchitectureformeshopticalnetworks[C]//InternationalConferenceonCommunicationSystems&Networks.IEEE，2010.[4]RafaelKraemer，FumiNakamura.Multi-bandphotonicintegratedwavelengthselectiveswitch[J].JournalofLightwaveTechnology，2021，39(19)：6023-6032.[5]CharalamposPapapavlou，KonstantinosPaximadis，GiannisTzimas.AnalyzingROADMcostsinSDMnetworks[C]//202011thInternationalConferenceonInformation，Intelligence，SystemsandApplications，2020.[6]CharalamposPapapavlou，KonstantinosPaximadis.ROADMconfiguration，managementandcostanalysisinthefutureeraofSDMnetworking[C].202011thInternationalConferenceonNetworkoftheFuture(NoF)，20