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专题丨全光网络技术发展与演进

信息通信技术与政策

2021-12-30

导读：崔秀国，贾伟，马军棋，王超凯，黄康勇，李祥

作者简介

崔秀国

华为技术有限公司资深技术专家，主要从事光通信产品总体技术规划和架构设计等工作。

贾伟

华为技术有限公司光交换系统架构师，主要从事光交换系统技术规划和架构设计等工作。

马军棋

华为技术有限公司软件技术规划师，主要从事波分系统软能力的规划和设计等工作。

王超凯

华为技术有限公司ASON解决方案系统架构师，主要从事网络可靠智能协议研究和架构设计等工作。

黄康勇

华为技术有限公司城域解决方案系统架构师，主要从事城域目标网络架构和方案研究等工作。

李祥

华为技术有限公司超长距波分解决方案系统架构师，主要从事波分长距离传输系统设计和性能研究等工作。

论文引用格式：

崔秀国, 贾伟, 马军棋, 等. 全光网络技术发展与演进[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47 (12):8-18.

全光网络技术发展与演进

崔秀国贾伟马军棋王超凯黄康勇李祥

（华为技术有限公司，深圳 518129）

摘要：基于网络业务发展趋势和全光网发展现状，分析了全光网的架构和关键特征，提出了未来全光网的发展方向，包括自动化、智能化、高可靠和城域延伸趋势；同时，研究了支撑全光网演进的基础关键技术，包括光层调度技术、光层数字化技术和电层调度技术，其中光电协同运作可以充分满足低时延、大带宽和安全可靠的网络需求。随着WSS成本的快速显著降低，ROADM将从骨干网络逐渐走向城域边缘网络，实现全光网的广泛部署。

关键词：全光网；自动驾驶；光电协同；城域延伸

中图分类号：TN929.11 文献标识码：A

引用格式：崔秀国, 贾伟, 马军棋, 等. 全光网络技术发展与演进[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):8-18.

doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.12.002

0 引言

随着光纤通信技术的飞速发展，光纤通信网络逐渐向全光网发展。在网络交换节点，开始规模使用大容量和高度灵活的可重构光分插复用器（ReconfigurableOptical Add-Drop Multiplexer，ROADM），实现波长级全光自动调度，全光网呈现蓬勃发展的状态。本文分析了全光网发展现状和未来演进趋势，通过研究光层和电层相关的基础关键技术，提出光电协同运作可以更好地满足网络需求，同时全光网将从骨干网络覆盖至城域边缘网络。

1 网络业务发展趋势和全光网发展现状

运营商过去主要聚焦移动、家庭宽带和专线三类核心业务发展网络。目前，移动业务已经迎来5G业务发展，5G相比4G的核心要求是十倍带宽增加，数倍时延下降，可靠性从“4个9”提升为“5个9”；家宽业务已经从百兆进入千兆时代，除了带宽升级以外，新冠肺炎疫情也唤醒了网络对低时延、零丢包和低抖动体验的提升诉求；专线业务主要以政企专线为收入核心，高安全、高爆发、硬管道、低时延是普遍诉求。

云业务已经开始成为运营商新的重要增长点，也是网络发展的核心。随着企业数字化转型，企业IT基础架构向云迁移已经成为主流趋势，各行业业务系统上云率不断提升。在无线和家宽接入能力不断增强的同时，新业务和新应用持续涌现，4K/8K视频、增强现实/虚拟现实（AR/VR）、云游戏/教育/医疗等在社会各行业快速发展。由超高清视频、云VR/游戏/教育等新应用的推动，尤其是由5G催生的工业互联网应用推动的边缘计算应用场景正加速部署。根据IDC中国预测^[1]，到2022年年底，超过60%的中国1000强企业将部署基于5G和边缘计算的应用场景，加速疫情之后的恢复和创新步伐，带动5G基础设施和物联网解决方案的支出增长；预计到2024年年底，我国大中型数据中心数量将超过8 万个。随着大中型数据中心的部署和边缘云的下沉，运营商开始围绕云构建承载网。骨干数据中心（Data Center，DC）和城域内边缘DC的部署，使得网络的流量模型发生较大变化，对承载网提出了更高的要求。

如图1所示，在传统DC集中化部署的场景下，网络以南北流量为主，流向固定、流量可预测，运营商可以较容易地以用户数、用户带宽、收敛比等参数，分层、分级地规划建设网络。计算和内容下沉边缘DC后，会增加核心云—边缘云和边缘云—边缘云东西向流量，各层级网络的流量无法按传统方法进行预测，流向也难以预计，对时延、成本、安全、灵活性等关键特性要求更高。如何构建扁平高效、低时延、不受物理资源限制、可弹性扩展的承载网，是电信运营商建设云化城域网的主要挑战。

图1 边缘云部署带来的流量模型变化

全光网瞄准移动、家庭宽带、专线、云承载关键诉求，提供一张由可重构光分插复用器/光交叉连接（Optical Cross-Connect，OXC）构建的光层端到端（E2E）组网的全光底座网络，它通过光层一跳直达架构实现业务大带宽、低时延穿通；通过光层多方向调度，实现云的东西、南北向灵活归属和容灾备份；通过ROADM灵活栅格（Flex Grid）技术支撑100G→200G→400G→800G的平滑带宽演进。全光底座网以确定的光调度能力匹配不确定的新业务调度要求，是支撑业务网发展的稳定基础网。

全光网已经在骨干网成功部署和实践，骨干网长距传输奠定了基础网地位，骨干ROADM不但给互联网协议（Internet Protocol，IP）、云等业务提供大带宽、低时延和调度灵活性，同时还满足了网络降本增效诉求。我国2018年建成首张骨干ROADM大网，在网运行超过3年，不但成本节省超过30%，能耗和空间节约超过50%，配置开通效率显著提升，同时支撑了骨干DC互联数十T大带宽和毫秒级时延圈调度诉求。

全光网随着省级云下沉开始向城域延伸，城域内除了传统移动、家庭宽带、专线南北向调度诉求以外，新增核心云—核心云、核心云—边缘云、边缘云—边缘云东西向业务调度，同时业务涵盖移动、家庭宽带、专线等综合业务。移动业务对全光网的主要诉求是距离延伸和1588时钟传输，家庭宽带诉求是提升家宽品质和发展VR等新的品质业务，政企诉求除了满足硬管道和低时延诉求外还包括灵活带宽调度诉求。因此，全光城域网除了引入ROADM/OXC实现光层组网以外，还需要具备光传送网（Optical Transport Networ，OTN）的电交叉调度能力。城域网络的可靠性要求也在提升，除了业务级和链路级保护以外，自动交换光网络（Automatically Switched Optical Network，ASON）级保护也需要在城域汇聚和核心层重点考虑。

2 全光网发展演进

2.1 全光网架构和关键特征

全光网架构包括全光骨干网、全光城域网和全光接入网（见图2）。在骨干和城域核心层面，通过在入网点（Point-of-Presence，POP）/DC/云网关等节点部署OXC，中心局（Central Office，CO）节点部署普通ROADM实现灵活光层，实现对物理光纤带宽资源“潜力”的管理，盘活物理光缆多路由带来的网络生存性，进而支持光波长大颗粒调度，支撑调度成本/功耗最低、时延最小。通过光电有机结合，把光纤潜力转化为全光网的超宽、低时延、低丢包、低抖动、高安全、高可靠的硬管道刚性品质“运力”。同时，在数字经济时代，城域带宽以每年超过20%的增幅快速增长，单个站点已开始需要100G及以上大带宽的承载能力；随着千行百业核心生产业务系统大规模“搬”上云端，边缘云开始不断出现和下沉。在边缘云下沉时，边缘云之间、边缘云与核心云之间也需要低时延、大带宽的波长直达和业务快速开通能力。全光网开始从骨干网向城域网延伸，在具体网络构建上，应考虑如下几个方面。

图2 全光网架构

（1）可应对城域未来业务多变的特点，网络架构保持稳定。需适应未来新业务变化及面向未来业务可进行扩展，可应对未来业务的不确定性。

（2）可为未来业务提供高可靠和高品质网络。满足新业务对低时延、大带宽、高可靠和灵活调度的需求。

（3）适配城域应用场景，结合城域组网特点优化性能和功能，可规模部署。包括且不限于：高集成度，解决城域机房空间紧张的痛点；自动化能力，降低部署和运维难度，应对城域节点数量的大幅增加带来的运维困难的挑战；具备任意业务接入，以及大、小颗粒业务的调度能力，满足多业务类型和带宽的承载需求。

基础承载网需要围绕云构建网络，提供更高的灵活性和智能化功能，以便在网络拓扑及业务分布发生变化时能够快速响应，实现业务的自由调度。电层交换可以实现小颗粒灵活调度但功耗较高，而光层交换可以实现大颗粒、大带宽调度同时功耗较低，光电协同可以实现优势互补。全光网以ROADM光层组网和OTN灵活业务调度为主要目标网络特征，满足了移动、家宽、专线、云的全业务发展光底座网络诉求，主要技术特征和网络价值具体如下。

（1）架构稳定：ROADM组网拓扑是基于机房和光缆组成的环或网格（Mesh）的稳定架构。业务流量增加只需要扩波可支撑10年业务扩展，但光纤波长增加会出现波长冲突或波长利用率不均的问题，那么通过ROADM进行波长调度就可以实现光纤波长资源冷热均衡。同时，业务网节点位置调整无需调整光缆，通过ROADM进行波长调度就可以灵活支持业务网拓扑变化。

（2）高可靠：全光网从传统设备级可靠和链路级可靠发展为具备网络级可靠水平。完善的保护系统包括业务层、链路层、物理层保护，原则上物理层故障不扩散到链路和业务层倒换，单节点故障不要扩散到网络其他节点倒换。主控1+1、电源1+1、风扇1+1确保设备级可靠；OTN 1+1确保业务级可靠；光线路1+1确保线路链路级可靠；ASON确保网络级可靠，保证节点、链路多点和多段故障业务网络业务不受影响。

（3）低时延：全光网通过光层一跳直达，可以减少光电转换时延消耗；通过时延测量和选路功能可以实现业务最优时延路径，同时OTN简化为光服务单元（Optical Service Unit，OSU）也大幅降低节点时延，整体可实现时延最优。

（4）大带宽：全光骨干网兼顾距离和成本，单波从当前100G/200G开始向400G演进，全光城域网满足城域距离外，重点是兼顾成本和功耗，接入侧从10G向100G演进，汇聚和核心从当前100G/200G开始向400G/600G/800G演进，实现整网单比特成本和功耗最优；全光网要支持带宽平滑演进，需要光层网络具备Flex Grid能力，避免因彩光速率升级带来光层网络的更新换代。

（5）高效节能：中间光层穿通扁平化架构可以减少中间节点功耗；核心节点通过光背板/OXC实现光层交换，减少多个光方向设备堆叠实现核心机房功耗最优；汇聚及接入机房通过高集成ROADM实现一个方向一个板卡，光和电同机框也可实现功耗最优。

（6）光电协同：波分是复杂的光电耦合的系统，通过光电协同起来可以进行最优的性能调优建模，从而提升网络的性能，提升高速率模块的场景覆盖率，降低组网成本；另外，光电参数相互影响，通过光电协同可以避免加掉波导致现网业务中断，提升现网光电耦合问题的定界、定位效率。

2.2 全光网未来发展趋势

2.2.1 网络走向自动化和智能化

随着5G时代的到来，云计算的蓬勃发展以及各种新业务形态的不断涌现，作为承载网的光网络规模不断扩大，质量要求不断提升，传统光网络的运维方式面临着巨大的挑战。传统光网络的运维是面向设备单站，以人机交互为主的运维方式。新业务对开通时间、时延、可靠性、故障恢复等要求越来越高，导致运维成本也成倍增长，使得网络运维已经超出“人工处理”的合理能力范畴。传统光网络运维面临的典型挑战：一是业务需要更大，更有弹性的管道；二是业务需要更短的可保障的时延；三是业务需要支持按需快速开通；四是网络运营商的业务创新和服务质量提升的挑战；五是运营商的集约化和提升运维效率的挑战。

面对上述光网络运维的五大挑战，急切需要通过网络运营、运维的自动化、智能化来提升业务的服务等级协议，提升运营质量，降低运维成本。面向全光网的全光自动驾驶网络解决方案应运而生，全光自动驾驶网络通过系统级创新解决电信网络总拥有成本的结构性问题，通过网络自动化、人工智能和数字孪生等技术，使能网络极简和智能运维，实现更好性能、更高效率和商业敏捷。面向光网络领域，通过网元、网络、云端三层引入人工智能，把智慧带入全光网，使能全光网的超自动化及智能化。终极目标是实现对全光网络的自治，让全光网络能够自动驾驶。

以用户体验为中心，打造无所不在的连接与无处不及的全光自动驾驶网络，面向具体的全光网应用场景落地自动化、智能化解决方案，推进业务自动发放、网络智能运维，从而大幅缩短新业务上线时间，有效降低网络故障率，提升运维效率，改善用户体验，同时也促进光传送网向业务网演进。

2.2.2 更高可靠性网络能力

网络全光演进促进了网络Mesh化的加速部署，同样也为高可靠的全网网络提供了基础底座，那么什么样的网络才是一张高可靠的网络?

（1）快速保护和恢复能力：首先具备业务、波长等级别的快速中断恢复能力，例如针对语音类业务可以做到50 ms的快速恢复，针对IP承载可以做到秒级到分钟级的确定性的恢复能力，确保业务、流量不中断，且能针对不同等级的业务提供不同的保护等级（Service Level Agreement，SLA）。

（2）多次断纤保护恢复能力：由于在光缆铺设时很多时候是无法保证网路的出局路由完全绝对分离，因此网络中会有很多同缆、同沟的情况，此外受区域经济发展、城市基建繁荣、异常的天气、自然灾害等因素影响，网络中大概率会存在多处断纤的场景，那么全光Mesh化组网提供了丰富的路由，此时抗多次断纤保护恢复能力也将是网络可靠性的关键指标之一。

（3）稳定低时延：数据中心的蓬勃发展和“东数西算”国家战略的提出，高品质的业务体验成为核心指标，例如公有云区域内组网需<1 ms时延和金融专线的低时延核心诉求，稳定的时延质量是业务高可靠的品质保证。此时，全光Mesh化多路由的全光业务网将会提供多等级时延诉求和稳定硬管道时延能力。

（4）灵活调度：传统链状组网虽然简单易维护，但是其固定的连接为业务发放、业务割接调度、业务紧急抢救等带来巨大阻力，已经无法适应全光网络面向业务、面向云互联的诉求，因此一张可以灵活调度、快速调度的网络才能满足日益丰富多样的业务发展，尤其在面向突发的外部节点故障和紧急业务调度诉求时，灵活多路由的调度能力将尤具优势。

（5）安全可信：传输通道专享隔离，提供安全隔离的光切片能力，实现“一网多用”，同时提供“专网”体验，最大化地发挥网络价值。

全光网的演进，触发了网络Mesh和扁平化的演进，单节点出局方向也由之前的2维逐步向3维、4维等更多维度发展，尤其核心节点将会多达10维以上，此时将会出现如下多个挑战。

（1）综合承载业务等级高，目前主流为单波100G，逐步在演进到200G、400G和800G，单波长内可能承载了不同类型的业务，例如CN2、2B专线、5G承载等，单波长故障就会带来区域性的通信故障和关键客户信息异常。

（2）单纤容量不断演进，目前主流为C80 & C96，逐步演进到C120和C+L（240 波），单纤中断最大影响流量可达8 Tbit/s甚至24 Tbit/s，未来可能达到100+Tbit/s，光纤保护刻不容缓。

（3）最优时延路由选择，两点之间存在多个可达路由，如何快速寻找一条流量均衡、时延优、跳数少、中继少的路由，将变得尤为重要。

波长交换光网络（Wavelength Switched OpticalNetwork, WSON）的通用多协议标志交换协议（Generalized Multi-Protocol Label Switching-TrafficEngineering，GMPLS-TE）技术的引入很好地解决了以上挑战，WSON通过链路管理协议（Link ManagementProtocol，LMP-TE）将节点的波长资源、局向资源、邻居关系、光收发单元（Optical Transponder Unit，OTU）板卡信息都进行抽象收集。之后，通过开放最短路径优先协议（Open Shortest Path First-Traffic Engineering，OSPF-TE）将节点信息洪泛全网，此时每个节点都将具备全网的资源信息和路由信息，节点将具备路由计算的资源基础，WSON具备如下优势。

（1）自动断纤检测和恢复能力：精准定位断纤故障点，通过丰富的路由策略“距离最短”“跳数最少”“时延最优”等快速的恢复业务，提升网络可靠性。

（2）波长自动检测和快速发放：自动识别网络可用波长，识别可用路由，提升新业务上线时间。

（3）波长性能预估，提升波长可靠性：预测工作、保护和恢复路径的波长性能，按需分配中继单板，减少网络中继投资。

（4）网络流量均衡：控制平面识别网络拥塞点，可进行快速波长调整，减少拥塞导致单点断纤和流量中断。

但是当前网络逐步在向更大范围扩展，例如区域干线大网：规模在100 ROADM~ 200 ROADM节点，覆盖干线网络部分区域，支撑区域内全光调度，如京津冀区域、长三角区域、珠三角区域等；国家干线全光大网：规模在200 ROADM~500 ROADM节点，可覆盖整个国家干线，支撑国家干线全光调度，盘活全国干线光缆资源，提供更加丰富的路由，支撑跨区域的高速、高可靠调度能力；一二级干线融合大网：规模在500ROADM~1000 ROADM节点，支撑干线节点和光缆与省干融合，提高光缆利用率，丰富省干核心和区域核心的光缆路由，降低时延、提供更多丰富路由，真正提供一张综合承载、面向政企业务、面向云接入和云互联的全光网底座。此时节点的增多和路由的丰富，将会增加上百、上千倍的可达路由，业务承载数量也将几十倍增长，此时对WSON控制平面提出更高的要求，关键要求如下。

（1）确定性的恢复性能：超大网络规模下，跨区域的超长路径业务较多，且网络节点多，对恢复效率将会存在诸多不确定性，此时将需要重构WSON的软件监控和控制流程，确保提供快速恢复的能力。目前，业界在架构上全部在走向集中+分布式架构，解决分布式架构在超大网络下的不确定性短板，并且已经提出了超大网络需要具备动态重路由能力和120波10 s全部恢复的能力。

（2）确定性的SLA业务等级：全光网络逐步走向综合承载网络，此时控制平面就需要能区分不同业务等级并提供差异化的确定性恢复能力和可靠性资源保证，充分发挥出承载网络的价值，因此业界也提出高低优先级、光虚拟专用网（Optical Virtual Private Network，OVPN）、优先级抢占、资源独享等技术，提供业务分级能力。

（3）确定性的路由收敛效率：超大组网下节点多，快速的进行故障检测并且做路由收敛，快速收敛路由，可抗多位置点断纤。目前，业界厂商也在发力此领域，聚焦在高效的硬件报文转发效率、指向性的路由搜索算法、网络节点虚拟化等，多方面在报文转发、拓扑精简、路由计算等方面提升效率，做到路由效率与网络规模尽可能解耦。

（4）确定性的稳定光系统：光系统的控制一直是全光网络的基础底座，稳定的光系统底座将为全光网络提供数字化的波长快速调度能力，关键技术研究方向如下。

• 无光路径的监控：能够监控站间、站内的无光光纤和尾纤，确保恢复路径故障可预测。

• 快速光功率调测：波长重路由时会快速增调波，需要有快速增调波情况下的功率调测技术，尤其随着单纤波数增加，此要求越来越高。

• 光系统自动优化：网络规模增加，串行链路增加，波长错综复杂，需要具备在线的全网光功率优化能力，确保网络光功率稳定，且实时监控异常功率情况。

此外，全光网络的快速部署也带来了新的研究课题：网络容量的提升。由于经济发展不均衡等因素，网络必然存在流量不均衡的情况，光系统中又存在单纤80 波容量的约束，这样不可避免地会因为特定高流量区域快速消耗完光纤波长资源，导致整网无法持续扩容。对此业界也有相关研究，来整体提升网络容量，持续延长网络寿命，关键技术有以下两种。

（1）最小加纤算法：高流量区域添加并行光纤，增加新的复用段路由，但是如何确保增加的光纤合理、如何确保增加的光纤最优，之前靠人工尝试添加，无法论证结果是否合理，目前有厂商通过“最小加纤算法”提供了整套的理论基础，针对现网精准加纤，快速扩容，增加网络容量。

（2）拓扑优化算法：设计网络路由目前依旧是依靠已有的城市基建规划进行光缆路由，并没有完整的光缆规划理论基础，同时光缆路由的规划基本是脱离了业务流量的动态发展，因此一般都是采用先建网，规划光缆路由，再部署业务的方式。此种方式的网络拓扑并不能很好地契合业务的诉求，例如关键的4个诉求：流量均衡，根据流量热点进行路由规划；高可靠性，节点Mesh化是否能满足业务SLA需求；时延诉求，节点间路由是否满足业务时延诉求，恢复路由是否满足恢复时延诉求；网络成本，建网成本，路由是否最短路由，是否中继成本最优。

目前，业界已经提出“业务驱动建网”的理念，即根据业务流量和保护恢复诉求来提前规建网络节点、光缆路由，提供符合业务的网络，因此也提出“拓扑优化算法”等理论支撑。例如，早期提出的“群集现象：只要在群集中增加少量连接，就能把所有节点的平均间隔大大缩短”，以此指导网络的光缆规划，同时对存量网络进行优化。展望未来，当前全光网受限于光系统复杂性、器件效率等因素，而无法无止境地提升可靠性，因此全光网在可靠性上有其约束上限，那么目前光电协同将是一个可持续研究的方向，其优势如下。

（1）极速恢复：电层交叉的切换效率可提升到200 ms以内，这样通过光+电两层协同确保光缆中断后IP业务无中断。

（2）高可靠性：充分快速恢复和网络Mesh多路由的能力，提供更多的抗断纤恢复能力。

（3）波长冲突：通过电层确定性百毫秒级的快速恢复能力，解决了本地维度波长重路由的问题，避免了波长级变波长重路由耗时过长的不足。

（4）光层维护：通过电+光，避免了超长路由光层波长性能不稳定的情况，例如波长余量低，抗干扰能力差，易中断；局部区域光缆质量较差，波长瞬报误码。将光层+电层融合管理，提升了光层抗干扰能力，提升健壮性，同时可以简化维护复杂度，提升网络维护效率。

（5）流量均衡：通过波长进行流量均衡优化，无法流量集中，导致单次断纤业务影响范围太大，那么引入电+光，就可以做到灵活的流量优化，提升网络级的健壮性。

光+电以其高可靠和更加灵活的调度能力将成为下一代网络架构的一个发展方向。

3 全光网关键技术及发展

3.1 光层调度技术

3.1.1 WSS技术介绍

ROADM是实现智能化全光网络的重要一环，ROADM可以在光层实现自动路径调度和恢复，将点对点型的光连接变为Mesh型的光网络，实现网络灵活调度和降低组网成本。波长选择光开关（WavelengthSelective Switch，WSS）是构建ROADM可重构敏捷光网络的核心器件^[1]，由其承担光网络节点内各波长的动态调度、阻塞和衰减调节^[2]，可将波长信号分插到任意通道进行传输，具有很高的自由度。

WSS是一种基于空间光学的器件，通常基于“色散+选择”光学架构（见图3）。波分复用（WavelengthDivision Multiplexing，WDM）合波光束从输入端口进入，先由静态光栅将其沿色散轴按波长分散开来，随后投射到位于光学系统焦平面的光交换引擎上，光交换引擎对每一个波长独立地进行传播方向的控制，实现将任意波长调度到任意端口^[3]。

图3 WSS原理示意图

3.1.2 WSS技术演进

ROADM未来的发展对WSS提出更高的技术要求。一是提高组网灵活性，采用M×N上下波长选择光开关（Add Drop Wavelength Selective Switch，ADWSS）从波长无关和方向无关（Colorless Directionless，CD）网络向波长无关、方向无关、竞争无关和灵活栅格（Colorless Directionless Contentionless Gridless，CDCG）网络演进^[4]，实现光信号更自由地调度，降低网络规划难度；二是增加WSS端口维度，提升交换容量，满足骨干网络大容量节点需求；三是提升WSS插损、带宽和隔离度性能，降低对光信号损伤，支持光信号穿通更多节点；四是提升WSS切换速度，减少业务调度和保护倒换时间，满足高质量、高可靠的业务要求；五是减少边缘网络对WSS不必要的功能和性能要求，降低WSS成本，支撑全光网从骨干网向城域网延伸；六是用全光背板互联替代ROADM复杂的连纤，简化部署，向OXC演进。

3.1.3 WSS交换引擎

WSS的光交换引擎可以对光束进行智能化控制，现有的光交换引擎主要包括数字光处理器（DigitalLight Processor，DLP）芯片、液晶（Liquid Crystal，LC）芯片、微机械机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）芯片以及硅基液晶（Liquid Crystal onSilicon，LCoS）芯片等^[2]。不同的交换引擎有不同的特性，其中DLP芯片和LC芯片只可以实现两个光束偏转角度的切换，因此难以实现大端口的WSS器件。MEMS芯片在一定的角度范围内实现任意光束偏转角度的切换，但MEMS芯片镜面尺寸较大，无法支持Flex Grid功能。LCoS芯片是一种灵活可编码的相位型空间光调制器，通过控制光束相位，实现高衍射效率的光束偏转及光功率的精细控制，支持大端口调度。LCoS芯片像素尺寸可达到4M左右，具有Flex Grid特性，支持 WSS通道带宽的灵活调配。同时，LCoS芯片对于光的偏转是通过液晶分子折射率的变化，而不是通过物理镜面的转动，因此具备较低的驱动电压、较高的可靠性和较强的抗震动能力。经过多年的技术方案研究和实践，LCoS芯片已经作为WSS最主要的光交换引擎用于全光网络的建设。

3.1.4 WSS快速切换

WSS作为ROADM的核心器件，为保证网络快速重路由和保护倒换性能，提升WSS的切换速度变得非常重要。基于LCoS芯片的WSS的切换速度取决于LCoS芯片的响应时间。LCoS芯片是一种利用液晶双折射效应实现对光场进行调控的芯片技术，其响应时间与液晶盒厚、粘度系数、驱动电路等因素有关^[5]。通过开发具有高折射率差和低粘度系数的液晶材料、开发新型驱动电路、设置合适的工作温度或者液晶结合超结构材料等方式，可以大幅降低LCoS芯片的响应时间，甚至达到毫秒量级的切换时间^[6]。另一方面，WSS的切换速度还取决于LCoS芯片的切换算法。因为WSS的端口切换是通过LCoS芯片上的相位图变化来实现的，为了降低相位图切换过程中带来的瞬态串扰问题，通常需要增加多个切换步骤，从而导致整体切换时间的增加。通过设计合理的切换算法，可以有效抑制瞬态串扰同时减少切换时间^[7]。因此，通过液晶材料、芯片结构、驱动电路、和切换算法等多方面的技术创新，有望将基于LCoS芯片的WSS的切换速度控制在数十毫秒量级，从而满足更多的应用场景。

3.1.5 WSS未来发展趋势

随着技术进步和网络自动驾驶需求的驱动，WSS未来发展的重要趋势将是是从骨干网络走向成本比较敏感的城域网络，其中多个技术因素将会推动这个趋势。

（1）与消费级海量市场共享LCoS芯片技术，降低WSS成本。当前WSS的主流光交换引擎为LCoS芯片，而LCoS芯片亦开始为投影仪、车载平视显示器（Head-Up Display，HUD）和智能车灯等海量消费级市场所应用，每年将可达百万片量级，远大于WSS十万片量级。通过共享LCoS背板和封装平台，有助于持续大幅摊薄LCoS成本。

（2）自动化制造效率持续提升，降低WSS成本。WSS从初期人工组装制造为主，逐渐演进到当前半手工半自动化耦合制造的阶段，可以清晰地看到WSS制造全流程自动化是必然的演进趋势。随着WSS自动化制造的普及，单模块制造效率会不断提升，人工成本会持续下降，机器成本也能极大程度摊薄。

（3）城域汇聚、边缘接入网络对WSS性能规格要求更低，降低WSS成本。与骨干、城域核心层Mesh化网络不同，环网在城域汇聚、边缘接入层更为流行，相应地，更低的端口数、更少的波长数、更短的传输距离，使得对WSS的性能规格要求可以放宽^[8]。例如，城域WSS通常只需要调度40 波，通道间隔可以从50 GHz提升至100 GHz甚至更高，这样可以极大降低WSS的滤波带宽性能要求，简化光学设计和成本。因此，WSS关键指标如模块尺寸、插损、带宽和隔离度等可根据城域差异化场景降低要求，从而降低WSS成本。

3.2 光层数字化技术

为了应对网络规模、复杂性带来的运维挑战，可以通过网络自动化、人工智能和数字孪生等技术，使能网络极简和智能运维，实现更好性能、更高效率和商业敏捷。其中，数字孪生是基础底座，可以说光层数字化是光网自动驾驶的关键使能技术。

光系统在业界一直被称为模拟系统，不能对系统进行精确的可视和建模，给网络的性能监控、网络容量提升、故障定位恢复等带来了困难。近年来，光系统的数字化研究持续开展，并取得了比较大的进展。

光通信网络中的传感器大体可分为两类：光信道类和光链路类。光信号从发射机出来后，经过光纤链路，会引入多重光损伤，诸如色散、放大器自激发射（Amplifier Spontaneous Emission Noise，ASE）噪声、非线性噪声、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL）、偏振态（State of Polarization，SOP）旋转、偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）、滤波等（见图4）。这些信号损伤亦会存在于光数字信号处理（Optical Digital Signal Processing，oDSP）技术所处理的数字信号中。利用oDSP强大的数字信号处理能力，可以把链路引入的各种光损伤计算出来。从而能真实还原链路引入光损伤的情况。业界也有诸多这方面的成果，文献[9]描述了利用相干光模块实时获取非线性信噪比的成果，文献[10]描述了利用快速短时BER统计信息和神经网络来监控链路线性、非线性损伤的成果。

图4 光层链路及信道Sensor示意图

在ROADM站点应用的是光信道监控模块（Optical Channel Monitor，OCM），它能够检测各个波长信号的光功率和中心频率，基于OCM还能够进一步通过分析光谱信息获取传输业务的光信噪比（Optical Signal Noise Ratio，OSNR）。原理上OCM又可以分为固定栅格的实现方案和灵活栅格的实现方案，其主要区别在于光滤波器是否具有灵活的波长调节功能。通过OCM的检测结果，网络管理人员可以根据采集信息进行信道波长的合理规划和各波长信号的功率均衡，从而保障WDM系统中多波长整体性能的最优。作为业务性能保障的重要监控装置，OCM近年来也逐渐向着更高精度方向发展，区别于传统滤波器类的模块，相干扫频方案的OCM模块，能够实现1 GHz级别的信道监控，有望实现更精细的信道监控和管理。

光链路类传感器主要用来监控网络中光缆的状态，包括光缆损耗、异常反射点、光纤类型识别等，最重要的监控装置是光时域反射仪（Optical Time DomainReflectometer，OTDR）。OTDR发射一个脉冲光进入光纤中，并接收从光纤各处反射的瑞利光信号，通过接收时间的差实现光缆各个位置状态的监控。通过分析光缆的反射曲线，网络管理人员可以获取光缆各个维度的连接质量信息，并可以据此给出光缆的老化状态。但随着国家光通信网络基础设施的快速升级和增加，链路监控也不仅限于光纤内损耗状态的获取，光缆所处环境也需要进行监控，以保障网络通信质量和安全。这类需求也逐渐衍生出了光缆挖掘监控、光缆应力温度监控、光缆地理信息系统（Geographic InformationSystem，GIS）信息监控和同沟监控等功能，与之对应的是新型的光纤传感类监控技术：分布式温度传感（Distributed Temperature Sensor，DTS）、分布式振动传感（Distributed Vibration Sensor，DVS）和分布式声波传感（Distributed Acoustic Sensor，DAS），但目前该类技术仍处于发展状态，尚无大批量商业应用成果。

典型应用一：基于在线链路余量，获得更大的传输容量

当前的光传输应用中，在建设初期就会根据模块的OSNR规格进行链路预算，通常会根据链路情况估计各项损伤代价或按照固定值（例如4 ~ 5）进行链路预算，以满足长期稳定运行的需要。

这种链路预算方法能够沿用至今，是因为不清楚链路中的各项光参数具体是多少，也不知道按照什么规律变化。而当有了上述光层和相干光模块的传感器（Sensor）之后，就可以知道链路具体状况，同时也可以计算得到当前的余量是多少。进而也就可以根据余量情况，实时判断光模块可以工作在什么速率，把多出来的余量转化为链路容量，在保证链路正常运行的前提下，最大限度发挥网络容量，从而降低比特成本，具体参见图5。

图5 基于链路性能余量提升网络容量

典型应用二：电信号辅助光系统定位问题

网络中光链路各种损伤可能会导致信号劣化，甚至出现误码，如WSS就可能会出现频率偏移或滤波带宽收窄的问题，这些问题必须要被及时处理以快速恢复连接，而失效原因识别是其中的关键。虽然现在OCM在朝着高精度的方向研究，但海量的现网设备没有高精度监控的能力，如何在兼容现网配置的情况下，又能实现原因识别呢? 文献[11]给出了基于电信号来辅助光层系统问题定位的方法，进行WSS频偏和滤波收窄的问题定位，准确率可以超过90%。

3.3 电层调度技术

全光网基于ROADM的光层方案可实现大带宽颗粒业务的波长级调度，针对中小带宽的业务，需要电层小颗粒管道的调度和带宽整合，以提供任意节点之间的灵活调度，及实现带宽利用率的提升。OTN小颗粒技术目前通过多业务光传送网络（Multi-ServiceOptical Transport Network，MS-OTN）架构，引入虚拟容器（Virtual Container，VC）调度颗粒解决了小颗粒的承载问题，但面向未来新业务发展上仍然存在不足。

（1）OTN的时隙粒度太大，经过分组平面整合小颗粒业务不具备硬管道属性。

（2）同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）设备进入了生命周期末期，而承载在 SDH 上的业务并不会随之消失。比如企业专线业务，100 Mbit/s以下甚至10 Mbit/s带宽的专线数量仍然占了绝大多数，如果采用SDH叠加OTN来承载，处理过程复杂，不但承载效率低下，维护也非常不方便。以以太业务为例，业务经过了Ethernet-VC12-VC4-STM-n-ODUk的多层级处理，而且VC颗粒和用户带宽需求往往不匹配，这又需要多个VC颗粒的虚级联处理（比如5个VC12虚级联承载一个10 Mbit/s的以太业务），都会给业务处理、链路管理带来巨大的复杂性。在此背景下，提出了OSU的概念。

（3）OSU融合了多种技术，集合了灵活光通道数据单元（Optical Data Unit Flexible，ODUflex）的单管道灵活带宽，组映射协议（Group Map Protocol，GMP）映射的sigma-delta算法来保证管道带宽，类异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）/MPLS的标签业务标识，灵活的管道调度技术为一体，实现了以Mbit/s级带宽业务管道直接复接到ODU4中。一级复接，无需经过多个中间颗粒的层层转接。

（4）目前，ITU-T标准意义上的OSU主要面向1 Gbit/s以下的带宽颗粒，但从业务实践来看，OSU技术本身并没有限定业务速率，在中国运营商企标中，将业务速率范围扩展到100 Gbit/s以下。

4 结束语

全光网是支撑 to B、to C、to H传统业务网向云网融合演进的基础，通过ROADM光层组网满足了业务网络扁平化、业务低时延大带宽、网络绿色低碳关键诉求。在全光网架构下，波长随需调度可提供针对大带宽业务实现旁路直通的直达连接，并可满足业务快速发放。在光层数字化基础上的光电协同网络，除了实现大、小颗粒灵活调度之外，还可实现自动开局、自动化运维，提升光层调测安全性和故障定位效率。从业务趋势上看，城域带宽以每年超过20%的增幅快速增长，城域汇聚层及接入层单个站点已经开始需要100G及以上大带宽的承载能力；在边缘云下沉时，边缘云之间、边缘云与核心云之间也需要低时延、大带宽的波长直达和业务快速开通能力。随着运营商、设备商及整个产业链的共同推动，面向城域的技术创新不断涌现。全光网络将从骨干走向城域，运营商可通过构筑高可靠、低时延、大带宽、绿色节能、高效运维的全光网络能力，将更好地支撑未来业务发展。

参考文献

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[10] Salehiomran A, Jiang Z. Fast BER distribution andneural networks for joint monitoring of linear andnonlinear noise-to-signal ratios[C]//Optical FiberCommunication Conference, 2020.

[11] Lun H. Anomaly localization in optical transmissionsbased on receiver DSP and artificial neural network[C]//Optical Fiber Communication Conference, 2020.

The development and evolution of all-optical network

CUI Xiuguo, JIA Wei, MA Junqi, WANG Chaokai, HUANG Kangyong, LI Xiang

(Huawei Technologies Co.,Ltd., Shenzhen 518129, China)

Abstract: Based on the development trend of network service and the development status of all-optical network, thispaper analyzes the architecture and key feature of all-optical network, and proposes the future development direction ofall-optical network, including automation, intelligence, high reliability and metro extension. At the same time, thebasic key technologies supporting the evolution of all-optical network are studied, including optical-layer scheduling,optical-layer digitalization, and electrical-layer scheduling. Optical-electrical collaborative operation can fully meet thenetwork requirements of low latency, large bandwidth and high reliability. With the rapid and significant reduction ofWSS cost, ROADM will gradually evolve from the backbone network to the metro edge network, supporting the widedeployment of all-optical network.

Keywords: all-optical network; autopilot; optical-electrical collaboration; metro extension

本文刊于《信息通信技术与政策》2021年第12期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。