新一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用淺析

訊石光通訊網(wǎng) 2008/1/4 9:26:15
    摘要　隨著多類業(yè)務(wù)驅(qū)動和技術(shù)快速發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)層出不窮。本文從光網(wǎng)絡(luò)的3個功能平面、光子網(wǎng)格、光量子通信等方面分析探討了新一代光通信技術(shù)的特點、應(yīng)用范疇等，同時也簡要分析了新技術(shù)的引入策略和發(fā)展趨勢。
 
1、引言
 
　　隨著以IP為主流的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的繼續(xù)爆長、安全可靠性要求的提高以及TDM語音業(yè)務(wù)量的逐漸萎縮，現(xiàn)有的傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)呈現(xiàn)出一些明顯的不足，典型的如傳統(tǒng)的電域?qū)拵Ъ夹g(shù)已不能滿足大帶寬（如單用戶百兆量級）業(yè)務(wù)量的接入、傳統(tǒng)SDH技術(shù)已不能滿足大顆粒業(yè)務(wù)（1Gbit/s及其以上量級）的交換要求、MSTP技術(shù)已不能完全滿足面向連接的電信級以太網(wǎng)的傳送要求、而傳統(tǒng)的WDM技術(shù)無法實現(xiàn)光層信號的監(jiān)控和管理等。另外，隨著光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益完善，如何拓展光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范疇也是目前業(yè)界討論的熱點問題，如光子網(wǎng)格技術(shù)，同時如何采用新機理，如量子力學(xué)等實現(xiàn)更高容量的未來光通信技術(shù)，也是科學(xué)家們努力研究企圖取得突破性進展的研究領(lǐng)域。因此，本文主要從光網(wǎng)絡(luò)基本功能結(jié)構(gòu)出發(fā)，分別從傳送平面、控制平面、管理平面3個層面，以及網(wǎng)格應(yīng)用新技術(shù)、量子通信技術(shù)等方面逐步探討新一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用策略和發(fā)展趨勢。
 
2、光網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)分析
 
　　2.1　光網(wǎng)絡(luò)基本功能結(jié)構(gòu)

　　光網(wǎng)絡(luò)從橫向區(qū)域分割來看，可分為光接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)三個不同的網(wǎng)絡(luò)類型；從網(wǎng)絡(luò)功能構(gòu)成來劃分，可分為傳送平面、控制平面（可選）和管理平面3個不同的功能類型（見圖1）。

圖1　光網(wǎng)絡(luò)基本功能結(jié)構(gòu)
 
　　傳送平面主要實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)物理層信號的封裝/解封裝、傳輸、交叉（交換）和基于傳送平面的保護/恢復(fù)功能；控制平面主要實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的智能特性，如資源自動發(fā)現(xiàn)、路由計算和選擇、信令控制和基于控制平面的保護/恢復(fù)功能等；管理平面主要實現(xiàn)傳送平面和控制平面相關(guān)資源的管理功能。
 
　　2.2　傳送平面新技術(shù)
 
　　（1）光傳送網(wǎng)技術(shù)
 
　　OTN技術(shù)主要側(cè)重于骨干/城域核心領(lǐng)域應(yīng)用，其主要涉及到以下一些關(guān)鍵技術(shù)：
 
　　●OTN節(jié)點類型
 
　　根據(jù)OTN交叉技術(shù)實現(xiàn)機制的差異，OTN節(jié)點類型目前主要可分為兩類，即基于電交叉的OTN節(jié)點設(shè)備（光傳送體系（OTH）設(shè)備）和基于光交叉的OTN節(jié)點設(shè)備（可重構(gòu)光分插復(fù)用（ROADM）設(shè)備）。
 
　　OTH設(shè)備的基本特點是采用以光通路數(shù)據(jù)單元（ODU-k）的交叉顆粒、支持多種基于電層的保護恢復(fù)功能、交叉容量較大等，在功能特征上和SDH設(shè)備基本類似，但增加了SDH設(shè)備所不具備的功能，即其涵蓋范圍可以包含底層的WDM技術(shù)。在具體技術(shù)實現(xiàn)上，OTH設(shè)備一般有兩種形態(tài)，一種是OTH和WDM分開設(shè)計，一種是OTH設(shè)計中已涵蓋了WDM部分。
 
　　ROADM設(shè)備的基本特點是采用以光波長為交叉顆粒，支持多種基于光層的保護恢復(fù)功能、交叉容量大等。雖然ROADM設(shè)備組網(wǎng)時減少了OEO轉(zhuǎn)換，降低了一定的設(shè)備成本，但由于光信號此時是模擬傳輸，很容易受到多種物理效應(yīng)的傳輸距離限制，如（殘余）色散、非線性效應(yīng)、光信噪比（OSNR）等，尤其是動態(tài)調(diào)整波長路徑的情形。在具體技術(shù)實現(xiàn)上，目前的ROADM設(shè)備一般有三種形態(tài)，即波長阻斷器（WB）、平面波導(dǎo)（PLC）和波長選擇交換（WSS），國內(nèi)外大部分傳輸設(shè)備廠家可以提供不同光方向（維度）的ROADM產(chǎn)品。
 
　　●高速長距離大容量傳輸技術(shù)
 
　　目前，與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（如傳輸40GE/100GE）關(guān)系密切的新型高速傳輸技術(shù)主要為40Gbit/s和100Gbit/s，主要涉及的技術(shù)包括編碼調(diào)制技術(shù)、色散補償技術(shù)、非線性抑制技術(shù)及OSNR保證措施等。
 
　　長距離的支撐技術(shù)主要有新型調(diào)制編碼技術(shù)、多種增強型的前向糾錯（FEC）技術(shù)、采用電均衡功能的接收機、喇曼放大技術(shù)、動態(tài)增益均衡和功率調(diào)整技術(shù)等。
 
　　大容量可體現(xiàn)在時分復(fù)用、頻（波）分復(fù)用、碼分復(fù)用和偏振復(fù)用等多個方面。
 
　　●光子集成技術(shù)
 
　　光子集成技術(shù)和目前普遍應(yīng)用的WDM技術(shù)有所差異，主要體現(xiàn)在光電器件的集成度上。常規(guī)的WDM技術(shù)每個光波長轉(zhuǎn)換單元（OTU）是各自獨立進行設(shè)計的，而采用光子集成技術(shù)的OTU是集成在單個芯片上進行設(shè)計的，可實現(xiàn)設(shè)備集成度顯著提高。
 
　　（2）電分組傳送技術(shù)
 
　　電分組傳送技術(shù)目前主要側(cè)重于城域網(wǎng)接入與匯聚層面應(yīng)用。根據(jù)基于已有技術(shù)演化的不同路徑，目前電分組傳送技術(shù)主要分為兩種，即T-MPLS和PBB-TE（PBT）。
 
　　●T-MPLS主要特征
 
　　T-MPLS基于MPLS發(fā)展而來，其功能可簡單描述為MPLS中增加OAM功能，同時簡化涉及三層IP的相關(guān)功能。和MPLS相比，T-MPLS支持面向連接的雙向標簽交換路徑（LSP），不支持倒數(shù)第二跳彈出（PHP），LSP聚合，等價多路徑（ECMP）等MPLS的典型功能。從2005年底開始，ITU-T已經(jīng)開始了T-MPLS/IETF相關(guān)規(guī)范，截止到目前，已經(jīng)通過了多項建議，如涉及到結(jié)構(gòu)和定義，接口和OAM，特定功能（保護恢復(fù)等）和管理等。
 
　　●PBT主要特征
 
　　PBT基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而言，是PBB的子集，其功能可簡單描述為PBB增加TE功能。和PBB相比，PBT支持面向連接的雙向連接隧道（VLAN+MAC），但不支持傳統(tǒng)以太網(wǎng)的MAC地址學(xué)習(xí)、地址廣播和生成數(shù)（STP）等典型功能。目前，IEEE對于PBT正在進一步規(guī)范，尚處于草案階段，而ITU-T近期也啟動了G.PBT的規(guī)范工作。
 
　　●T-MPLS和PBT共有特征
 
　　T-MPLS和PBT雖然基于的技術(shù)實現(xiàn)差異很大，但兩者都是為了實現(xiàn)電信級以太網(wǎng)的傳送而實現(xiàn)的，因此兩者在一些關(guān)鍵功能上都體現(xiàn)出一致性，主要表現(xiàn)為：兩者建立的都是面向連接的雙向分組隧道；兩者都提供端到端的OAM功能；兩者都提供保護功能；兩者目前都采用網(wǎng)管靜態(tài)配置來實現(xiàn)，未來可發(fā)展為動態(tài)智能指派來實現(xiàn)（增加控制平面）；底層傳輸技術(shù)不加限制，可以為已知技術(shù)中的任何技術(shù)，如以太網(wǎng)技術(shù)，PDH/SDH，WDM和OTN等技術(shù)。
 
　　（3）光接入技術(shù)
 
　　根據(jù)目前光接入技術(shù)實現(xiàn)的差異，光接入技術(shù)主要分為基于樹型拓撲的APON/BPON，GPON和EPON技術(shù)，以及基于星型拓撲的以太網(wǎng)接入技術(shù)等。
 
　　APON/BPON和GPON技術(shù)主要基于ATM技術(shù)來實現(xiàn)，主要由ITU-T/FSAN來規(guī)范（G.983.x系列/G.984.x系列），EPON技術(shù)主要基于以太網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)，主要由IEEE來規(guī)范（802.3ah）。這幾種PON技術(shù)的差異主要體現(xiàn)在分光比，傳輸距離，上下行速率，QoS及維護管理和業(yè)務(wù)支持能力等方面。一般而言，GPON的多業(yè)務(wù)支持能力優(yōu)于EPON，但EPON實現(xiàn)起來相對簡單一些，在具體應(yīng)用選擇時，兩者根據(jù)需求適當(dāng)選擇，并沒有簡單化的顯著優(yōu)劣差異。
 
　　基于星型拓撲接入技術(shù)是基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的接入技術(shù)，適合于光纖資源非常豐富或者單用戶帶寬需求非常大的地區(qū)（單纖只能連接單個用戶），應(yīng)用范圍相對狹小，不是主流的光接入技術(shù)。
 
　?。?）光交換技術(shù)
 
　　光交換是光網(wǎng)絡(luò)的典型屬性，也是代表光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展水平的關(guān)鍵技術(shù)。目前，從交換顆粒和實現(xiàn)特征來區(qū)分，主要分為光路（波長）交換（OCS）、光分組交換（OPS）和光突發(fā)交換（OBS）。
 
　　OCS主要以波長為交換單位，業(yè)務(wù)交換顆粒最大，實現(xiàn)最簡單，但統(tǒng)計復(fù)用特性/帶寬利用率最差；OPS主要以分組為交換單位，業(yè)務(wù)交換顆粒最小，實現(xiàn)非常復(fù)雜，但統(tǒng)計復(fù)用特性/帶寬利用率最好；OBS主要結(jié)合OCS和OPS的特點，業(yè)務(wù)交換顆粒中等（突發(fā)分組），實現(xiàn)難度中等，統(tǒng)計復(fù)用特性/帶寬利用率也是中等。
 
　　由于OBS屬于電控光交換技術(shù)，實現(xiàn)相對容易，而且?guī)捓寐瘦^高，因此在未來幾年的光交換技術(shù)研究中，OBS技術(shù)依然是主要表現(xiàn)者。
 
　　2.3　控制平面新技術(shù)
 
　　目前，基于控制平面的新技術(shù)主要體現(xiàn)在以下方面：
 
　　（1）增加多粒度的智能控制：在已有的控制平面技術(shù)中，主要智能控制的業(yè)務(wù)帶寬顆粒為VC-4/VC-12，但隨著光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于波長、子波長和分組等粒度的智能控制將是控制平面發(fā)展的方向。
 
　　（2）多層多域網(wǎng)絡(luò)控制的完善：在已有的控制平面中，主要的路由、信令等技術(shù)則重于域內(nèi)實現(xiàn)，而域間的實現(xiàn)則處于初步規(guī)范階段，即ENNI 2.0（信令）和ENNI-OSPF 1.0（路由）；在控制平面的域間和層間新技術(shù)發(fā)展上，主要體現(xiàn)為多層多域的統(tǒng)一控制和端到端跨層跨域的自動配置等技術(shù)。
 
　　（3）IP網(wǎng)絡(luò)與智能光網(wǎng)絡(luò)的互通：光網(wǎng)絡(luò)的智能性主要是為客戶業(yè)務(wù)提供靈活可靠自動的帶寬指派，因此光網(wǎng)絡(luò)的智能性必然涉及到和主要客戶IP網(wǎng)絡(luò)的智能性互通問題。根據(jù)目前的研究結(jié)果，IP網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)的智能互通主要基于3種模式，即對等模式、重疊模式和邊界模式。
 
　　2.4　管理平面新技術(shù)
 
　　管理平面新技術(shù)主要體現(xiàn)在多種傳送技術(shù)（如SDH/MSTP/WDM/OTN/PTN等）的統(tǒng)一管理、控制平面的完善管理以及網(wǎng)絡(luò)管理輔助系統(tǒng)如規(guī)劃優(yōu)化工具等的引入、面向運營商客戶的增值系統(tǒng)的開發(fā)、跨專業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)性能的管理和監(jiān)控等方面的技術(shù)。
 
　　2.5　網(wǎng)格應(yīng)用新技術(shù)
 
　　隨著光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)格技術(shù)的共同發(fā)展，光子網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用而生。與傳統(tǒng)網(wǎng)格技術(shù)有顯著差異的是，光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)作為網(wǎng)格資源加入到網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，因此光子網(wǎng)絡(luò)可以簡單描述為擴展化的網(wǎng)格。
 
　　光子網(wǎng)格目前有兩種基本模型，即重疊模型和集成模型。重疊模型的特點是傳統(tǒng)網(wǎng)格和智能光網(wǎng)絡(luò)中間采用標準的接口進行互通（如UNI），可理解為一種簡單的光子網(wǎng)格架構(gòu)；而集成模型的特點是傳統(tǒng)網(wǎng)格和智能光網(wǎng)絡(luò)集成在一起，光網(wǎng)絡(luò)直接作為網(wǎng)格資源由網(wǎng)格中間件（已復(fù)雜化的中間件）進行統(tǒng)一控制和管理。目前，國外大學(xué)和研究機構(gòu)對于光子網(wǎng)格研究較多（主要交換技術(shù)基于光波長交換和光突發(fā)交換），建立了一些試驗網(wǎng)絡(luò)，而國內(nèi)尚處于起步階段。
 
　　2.6　光量子通信技術(shù)
 
　　量子通信技術(shù)主要基于量子力學(xué)的基本原理進行通信，如量子態(tài)的疊加性、量子相干性、量子糾纏性和量子不可克隆原理（測不準原理）等，是量子信息技術(shù)中的一個研究分支，與傳統(tǒng)的光通信技術(shù)有著本質(zhì)的差異，其儲存和傳輸容量是現(xiàn)有技術(shù)無法比擬的。
 
　　如果量子通信技術(shù)中采用的量子比特為光子的偏振態(tài)，那么量子通信可稱為光量子通信，目前研究的通信方式主要為隱形傳態(tài)過程（1993年提出），即光量子通信時光子本身并沒有傳送，而傳送的僅僅是光子攜帶的信息。目前，大部分研究仍處于最初的實驗室研究階段，最新的研究成果是產(chǎn)生光子糾纏對并讓其中一個光子在光纖中傳輸了144km。目前，學(xué)術(shù)界正在致力于研究量子通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，如高亮度糾纏源、糾纏操作和純化、量子中繼和量子處理器等。
 
3、光網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)應(yīng)用策略
 
　　鑒于光網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的特殊性和新穎性，本文認為至少需要從以下幾個方面考慮新技術(shù)的引入與應(yīng)用。
 
　?。?）考慮新一代技術(shù)的成熟程度
 
　　新技術(shù)的引入需要考慮其在近期內(nèi)是否成熟。一個典型的例子是光分組交換技術(shù)，雖然其具有其他光交換技術(shù)所不具備的交換優(yōu)勢，但由于近期內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)限制無法實現(xiàn)，因此在具體的近期應(yīng)用則可以不予考慮此類技術(shù)。
 
　?。?）重視新一代技術(shù)的適用范疇
 
　　每種新技術(shù)都有其合理的適用范疇，以適應(yīng)客戶業(yè)務(wù)的合理傳送。因此，在具體引入新一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，需要側(cè)重所選用技術(shù)的適用范圍，譬如選擇骨干/城域核心網(wǎng)新技術(shù)，則重點考慮OTN技術(shù)。
 
　　（3）考察新一代技術(shù)的向前兼容性
 
　　基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所采用的技術(shù)，采用新一代技術(shù)以后是否可實現(xiàn)比較平滑的技術(shù)過渡，這也是需要一個深入思考和分析的問題。
 
　　（4）強調(diào)新一代技術(shù)的可擴展性
 
　　每種技術(shù)都有其相應(yīng)的從應(yīng)用到大規(guī)模應(yīng)用、再到逐漸淘汰的生命歷程，因此在具體選擇新一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，盡可能考慮新一代技術(shù)在可預(yù)見的應(yīng)用周期內(nèi)的可擴展性。
 
　　總之，在選擇光網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)應(yīng)用時，需要考慮新技術(shù)的成熟度、應(yīng)用范疇、向前兼容性和未來可擴展性等方面。
 
4、光網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)發(fā)展趨勢
 
　　從傳送平面的發(fā)展趨勢來看，OTN技術(shù)需逐步增強完善多業(yè)務(wù)適配、保護/恢復(fù)功能和光層開銷；電分組傳輸技術(shù)則需完善相關(guān)規(guī)范，并逐步引入動態(tài)自動配置功能；而光接入技術(shù)中，則需增加接入速率和容量，增強管理等，如10G PON，WDM-PON等。
 
　　從控制平面方面來看，隨著光網(wǎng)絡(luò)智能性的不斷完善和發(fā)展，實現(xiàn)光接入、城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)等多粒度、多層多域的智能和統(tǒng)一控制將是光網(wǎng)絡(luò)智能特性的發(fā)展趨勢。
 
　　從管理平面方面來看，多種傳送平面技術(shù)的統(tǒng)一管理和控制、控制平面的全面管理以及管理平面輔助功能的增強將是其發(fā)展趨勢。
 
　　對于光子網(wǎng)格而言，隨著大數(shù)據(jù)量科學(xué)計算需求（如宇宙問題、環(huán)境問題、醫(yī)療問題和地質(zhì)問題等）的持續(xù)發(fā)展和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步發(fā)展，光子網(wǎng)格技術(shù)將逐步成熟并得到實際應(yīng)用。
 
　　對于光量子通信而言，由于其與傳統(tǒng)光通信技術(shù)差異顯著，目前仍處于最初的研究階段，但其依然是目前可預(yù)見的最有前途的未來通信技術(shù)之一。因此，光量子通信依然是光通信技術(shù)領(lǐng)域需繼續(xù)深入研究的技術(shù)。
 
5、結(jié)束語
 
　　本文主要從光網(wǎng)絡(luò)的3個功能平面（即傳送平面、控制平面和管理平面）、光子網(wǎng)格以及光量子通信等方面分析探討了新一代光通信技術(shù)的特點、應(yīng)用范疇、引入策略和發(fā)展趨勢等方面的內(nèi)容?？偟膩砜矗鄻I(yè)務(wù)多粒度可靠傳送、寬帶接入、高速率大容量長距離傳輸、全網(wǎng)統(tǒng)一智能控制和管理將是新一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵特點和發(fā)展趨勢，而光子網(wǎng)格應(yīng)用范疇的擴展和光量子通信的引入，則從另外一個側(cè)面凸現(xiàn)出新一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)未來發(fā)展的巨大潛能。

新聞來源：電信網(wǎng)技術(shù)

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