速率可調(diào)的光傳輸和彈性光網(wǎng)絡(luò)

文章來源：通信百科

原文作者：ICT百科

本文介紹速率可調(diào)的光傳輸和彈性光網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)前光纖系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于從接入到核心骨干網(wǎng)的各個(gè)層級(jí)。各層級(jí)因功能需求差異采用不同技術(shù)方案：例如核心網(wǎng)采用基于相干傳輸技術(shù)，接入網(wǎng)則使用低成本非相干檢測的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）。

盡管技術(shù)路線不同，各層級(jí)均面臨云服務(wù)與海量終端設(shè)備帶來的流量激增挑戰(zhàn)。由于光纖可用帶寬有限，提升頻譜效率成為實(shí)現(xiàn)高容量的關(guān)鍵。然而，更高的數(shù)據(jù)速率會(huì)顯著縮短光信號(hào)傳輸距離，并需頻繁使用光電（OEO）再生中繼。傳統(tǒng)固定速率光網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性上存在瓶頸，因此具備靈活重構(gòu)能力的彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）成為重要發(fā)展方向。

下圖對(duì)比了兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：(a) 50GHz固定間隔的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；(b) 支持可變信道間隔與符號(hào)速率的彈性網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)核心網(wǎng)采用固定頻譜劃分（50/100GHz間隔），調(diào)制格式與符號(hào)速率與數(shù)據(jù)速率強(qiáng)綁定（例如100Gb/s傳輸采用PDM-QPSK調(diào)制、28Gbaud符號(hào)速率及7%硬判決前向糾錯(cuò)開銷）。彈性光網(wǎng)絡(luò)則能動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸參數(shù)（調(diào)制格式、符號(hào)速率、FEC開銷等），根據(jù)光路距離、傳輸損傷及容量需求優(yōu)化頻譜效率。

彈性特性依賴于軟件定義設(shè)備（如數(shù)字信號(hào)處理相干應(yīng)答器），通過本地控制器實(shí)現(xiàn)參數(shù)協(xié)調(diào)控制。此類動(dòng)態(tài)資源管理已廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)，但在光傳輸領(lǐng)域仍屬新興技術(shù)。

彈性光網(wǎng)絡(luò)的核心優(yōu)勢包括：提升容量、降低成本、降低功耗、增強(qiáng)擴(kuò)展性。

目前，光網(wǎng)絡(luò)面臨四大異構(gòu)性挑戰(zhàn)：

傳輸距離差異：數(shù)百公里至數(shù)千公里；

基礎(chǔ)設(shè)施代際混雜：多代終端/傳輸設(shè)備共存（不同速率、光纖類型、放大器技術(shù)）；

容量需求差異：0.1Gb/s至數(shù)百Gb/s

連接時(shí)長差異：小時(shí)級(jí)至永久連接；

早期采用混合線路速率網(wǎng)絡(luò)（長距離配置低速轉(zhuǎn)發(fā)器，短距離配置高速轉(zhuǎn)發(fā)器），但多類型設(shè)備導(dǎo)致運(yùn)維復(fù)雜。2008年提出的彈性光網(wǎng)絡(luò)采用通用應(yīng)答器，通過OFDM技術(shù)與頻譜切片（SLICE）實(shí)現(xiàn)"按需分配"頻譜。2011年引入多流應(yīng)答器（可切片轉(zhuǎn)發(fā)器），支持動(dòng)態(tài)共享帶寬至多目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，顯著提升400G等高帶寬設(shè)備利用率（節(jié)約17M成本）。

為了實(shí)現(xiàn)彈性光網(wǎng)絡(luò)，需硬件、軟件與控制平面協(xié)同演進(jìn)，如下圖所示：

硬件層包含：

光交叉連接（OXC）：支持靈活信道間隔與頻譜分配；

彈性Transponder：可調(diào)調(diào)制格式、符號(hào)速率、FEC開銷；

彈性聚合接口：支持可變比特率的彈性聚合接口。

其中，OTN數(shù)字層通過光通道單元（OPU/ODU/OTU）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝與調(diào)度，如下圖所示：

客戶信號(hào)（以太網(wǎng)/STM/光纖通道）映射至OPUk

ODUk提供數(shù)字封裝與復(fù)用功能

OTUk定義線路速率（2.5/10/40/100Gb/s）

軟件與控制層需開發(fā)損傷感知路由算法，在規(guī)劃階段評(píng)估光路損傷以優(yōu)化傳輸參數(shù)。在線控制需支持動(dòng)態(tài)頻譜碎片整理，就不在本文中闡述。

在硬件控制層中，其中的OXC是基于波長選擇開關(guān)（WSS）實(shí)現(xiàn)波長與空間域信號(hào)交換,信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用和解復(fù)用。傳統(tǒng)的WSS是基于 50 或 100 GHz 對(duì)頻譜進(jìn)行濾波的開關(guān)設(shè)備ITUgrid （因此，如果信號(hào)大于允許的大小，則會(huì)造成損傷），而新的WSS代（已商用）支持動(dòng)態(tài)帶寬分配。目前已支持6.25GHz粒度頻譜分配，關(guān)鍵技術(shù)包括硅基液晶（LCoS）。

另外，支持flex-grid 技術(shù)（用于標(biāo)準(zhǔn)靈活網(wǎng)格定義）與新的WSSgeneration 允許將 spectrum slots 連接起來，從而創(chuàng)建更大的 spectrum 塊，并且其中沒有過濾。因此，如果通道緊湊封裝，它可以提供良好的頻譜效率。同時(shí)，F(xiàn)lex-Grid 配合頻譜碎片功能，可以移動(dòng)已建立連接的中心頻率來刪除未使用的小頻率塊。這允許生成一個(gè)足夠大的 頻譜塊來容納新的需求。

Transponder通過參數(shù)調(diào)整平衡速率與距離：

調(diào)制格式：高階調(diào)制（如16QAM）提升速率但縮短距離。集合分區(qū)四維調(diào)制（SP-QPSK）可復(fù)用現(xiàn)有DSP算法，在相同DSP復(fù)雜度下實(shí)現(xiàn)性能提升。

符號(hào)速率：低符號(hào)速率抗ASE噪聲更強(qiáng)，高符號(hào)速率非線性損傷更小。

FEC開銷：增加糾錯(cuò)開銷可提升可靠性但降低有效吞吐量。LDPC解碼迭代次數(shù)對(duì)傳輸距離的影響如下圖所示。

當(dāng)我們將IProuter 到WDM設(shè)備對(duì)接時(shí)，由于無法預(yù)見的客戶端流量變化（例如，帶寬、新需求）時(shí)，傳輸WDM信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)的某些部分可能遠(yuǎn)低于其最大容量運(yùn)行，而在其他部分則容量不足。

IP over WDM（兩層架構(gòu)）

核心路由器直接與WDM層互連，靈活交換與流量整型功能集中在IP層；

WDM信號(hào)以O(shè)TUk（k=1/2/3/4）在中間節(jié)點(diǎn)傳輸，需亞波長靈活性的流量由IP層處理

IP over OTN over WDM（三層架構(gòu)）

引入OTN中間層以減少昂貴路由器端口數(shù)量，減輕IP層負(fù)載；

OTN層提供數(shù)字功能（如ODU復(fù)用），將低階ODU聚合為高階ODU；

通過通用成幀規(guī)程（GFP）映射至可調(diào)ODUflex容器，但OTU部分仍受限于固定速率（OTUk, k=1-4），導(dǎo)致WDM傳輸比特率缺乏彈性。

兩種架構(gòu)下，客戶端流量均可通過并行通道傳輸（每通道b Gb/s），總?cè)萘窟_(dá)a×b Gb/s。例如標(biāo)準(zhǔn)100GbE信號(hào)采用4×25Gb/s通道結(jié)構(gòu)。因此，彈性WDM傳輸技術(shù)通過靈活調(diào)整數(shù)據(jù)速率，使傳輸端能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)客戶端需求，顯著提升資源適配能力。