新一代传送网关键技术和发展趋势

张成良，韦乐平

（1.中国电信股份有限公司北京研究院 北京 100035；2.中国电信集团公司 北京 100032）

1 引言

流量增长历来是传送网技术发展的主要驱动力量。近年来以视频业务为代表的互联网业务蓬勃发展，移动互联网业务高速增长，云计算应用蓄势待发，美国Cisco VNI预计，未来5年全球IP流量的年增长率依然可达到29%。就我国情况看，按照中国电信集团公司（以下简称中国电信）的最新预测，尽管未来5年干线网流量的年增长率相对会有一些回落，但依然会高达35%～50%。按照这样的增长趋势，预计到2020年，中国电信省际传送网最大截面的容量将超过80 Tbit/s，最大的节点交换容量将超过300 Tbit/s。

面对互联网等业务的快速发展，现有传送网的链路、节点容量和功能均已不能满足需求，亟需引入新的网络架构和组网技术。建设一张面向更高速率、更高可靠性、更低成本、更灵活、层次更清晰的新一代传送网是运营商的必然选择。所谓新一代传送网，有3个基本特征是必备的，即超高速传输、透明联网和超低损光纤。本文将重点围绕这3个基本特征对新一代传送网所涉及的关键组网技术的发展趋势进行探讨。

2 透明联网技术的发展趋势

所谓网络的透明性，泛指网络对信号传输的比特、定时和时延透明，即与传送的信号细节基本无关。这种网络的透明性是运营商长期追求的理想，有利于兼容不同制式、不同格式和不同速率的信号，维持基础设施的长期稳定性，有助于新老系统的共存，既保护已有投资，又不妨碍新技术引入，但面临未来发展不确定的复杂形势。OTN的出现和成熟提供了初步的透明联网能力，下一步的发展则是全光联网，即真正实现光层面的透明联网，完全消除电子设备引起的节点和链路瓶颈，两者相辅相成，共同构成未来的透明光传送网络，支撑电信网的长远可持续发展。

作为透明联网第一步的OTN技术是一个包括光层和电层在内的完整的光网络体系结构。从OTN设备呈现方式上看，既可以作为独立的交叉设备使用，也可以与WDM系统集成在一起使用。OTN技术的发展包括两方面：一是向容量更大的设备形态发展，包括交叉容量的增加和接口速率的提升；二是面向多业务承载平台的演进。

2.1 OTN设备交叉容量与接口

目前商用化OTN设备支持的最大电交叉容量可达6.4 TB，支持 ODUk（k=0，1，2，3，4，flex）等交叉连接颗粒，下一步将开发交叉容量达10～20 TB的大容量OTN设备。从技术上看，基于现有交换技术的OTN设备容量的进一步提升面临技术瓶颈，如槽位数量和单槽位容量、功耗的限制等。进一步提升OTN设备交叉容量的思路是采用类似集群路由器的实现方案。目前主流的集群交换架构大多采用多平面多级Clos或者Benes架构，这种集群交换方案存在的主要问题是随着交换容量的增长，功耗和热处理将面临很大的挑战。另外设备内的光互联数量巨大、结构复杂，给网络维护造成很大压力。已经有报道关注采用OBS（光突发交换）技术来实现PB（1 000 TB）级的大容量集群光交换系统。

在OTN接口速率方面，目前OTN能够提供的最高接口速率是100 Gbit/s(OTU4)，ITU-T已经开始了超100 Gbit/s OTN接口的研究。超100 Gbit/s OTN接口有两种发展思路：一种是延续原有的方式，定义一个固定速率的OTU5/ODU5，ODU5的速率与IEEE未来定义的超100GE接口速率相匹配，如400GE或1 000GE；另外一种思路是独立于以太网接口速率，定义一种速率灵活的OTN架构，以便能够满足不同业务的发展需求，并充分利用新型光调制技术的优势。从2012年9月的ITU-T SG15全会的情况来看，业界更倾向于采用后一种思路。目前速率灵活的OTN接口的具体实现思路主要有两种：一种是采用类似ODUk的虚级联技术，将高速业务信号分散到多个ODU/OTU/OCh光通路中进行传送；另一种是维持目前单个ODU/OTU/OCh的方式，并采用新型的多载波光调制技术 （如OFDM、Nyquist-WDM等），通过改变子载波的数量来调整速率。无论是选择固定速率还是灵活速率，超100 Gbit/s OTN接口都将采用并行接口（OTL）的方式，如N×28 Gbit/s。

2.2 基于分组增强的OTN技术

OTN技术在接口、映射、复用等方面不断发展和演进，以更好地适应数据业务的承载。近来业界开始越来越多地关注P-OTN（分组增强型OTN，也称为P-OTS，分组增强的光传送系统）的概念。P-OTN将OTN和以太网/MPLS-TP等诸多功能集于一身，减少了设备的种类，可以通过以太网或MPLS-TP实现L2分组交换网络，以适应运营商不同的传送网部署策略。分组增强的OTN技术可以用于提供大带宽的以太网虚拟专线业务，作为MSTP以太网专线业务的升级和演进；还可用于IP城域网的承载，包括OLT到BRAS/SR的连接以及BRAS/SR到核心路由器（CR）的连接承载，实现 GE→10GE、10GE→40GE/100GE的汇聚，解决不同层次的网络设备端口不匹配和低速端口过多的问题。

从发展的角度看，P-OTN将成为一个新的融合的传送交换平台，具备电路交换、分组交换、光交换的能力和光控制面功能。结合 SDH ADM、DWDM、ROADM、OTN、ASON/GMPLS和电信级以太网交换等功能，初期实现可能只具备其中的部分功能，随着逐渐演进，不断融合吸收其他设备功能，从而大大减少网络设备的种类和空间，降低了网络成本，简化了维护运行流程。

2.3 OTN应用场景和IP分流

OTN设备的引入可以改变目前骨干WDM系统不成网的现状，使骨干光传送网真正联网，实现业务的端到端自动调度，提高光传送网的可靠性。运营商通过部署OTN可以提供GE～100GE的大带宽传输专线业务，满足ICP、银行等政企客户对网络带宽的需求。同时，随着100 Gbit/s时代的来临，OTN技术可以用于IP分流（IP offloading），促进IP网络的扁平化，减少对核心路由器容量和接口数量的需求，降低建网成本。

目前IP骨干网普遍采用IP over WDM的组网方式，分为核心、汇聚和接入3个层次。IP骨干网的组网模式一般是汇聚路由器（AR）双归属到核心路由器，核心路由器完成汇聚路由器之间的业务转发和疏导。在经过核心路由器的业务流量中，有50%以上属于穿通流量，这些穿通流量大大加重了核心路由器的负担，占据着核心路由器的宝贵转发资源。基于上述原因，业界提出了IP分流的概念。IP分流指针对IP网络中核心路由器存在的“穿通流量”，利用OTN所具有的低速业务汇聚、调度和端口汇聚能力，在业务量达到一定门限的路由器之间建立传输层直达链路，从而节约核心路由器的接口数量，降低对其容量的要求和网络成本，如图1所示。

图1 IP分流示意

运营商目前实施的IP骨干网的扁平化可以看作 “波长级IP分流”，基于OTN的IP分流与IP网络扁平化的主要差异见表1。

表1 基于OTN的IP分流与IP网络扁平化的区别

随着100 Gbit/s WDM的大规模部署和IP网络结构的扁平化，IP骨干网中不同区域的汇聚与核心节点之间的流量分布存在很大的不一致性，需要传送网具有提供多颗粒（10 Gbit/s/40 Gbit/s/100 Gbit/s）业务承载的能力。基于OTN的IP分流可以匹配路由器互联带宽需求与WDM传输系统速率的不一致，适应不同段落IP链路带宽需求的差异性，促进IP网络的扁平化。将高速通道化接口和OTN的端到端灵活调度能力结合在一起，可以快速响应IP网的突发业务需求，实现带宽的灵活调整，解决网络带宽升级时低速接口的浪费问题。根据初步分析，通过IP与OTN联合组网，核心路由器的转接流量可以减少30%左右，不仅减少了对昂贵路由器端口的需要，降低了网络成本，而且改进了网络性能。

2.4 全光联网技术

互联网流量的持续高速增长，特别是P2P流量和视频流量的快速增长，对网络容量和组网灵活性提出了很高的要求，再加上光器件技术的不断进步和成本的不断下降，可以动态实现任意波长上下路的灵活组网设备——可重构的光分插复用器（ROADM）开始受到业界的关注，并在北美地区率先得到应用。ROADM的主要优点如下。

·消除电设备导致的带宽瓶颈。目前，传送网的节点和链路容量的增长速度均无法赶上互联网业务量的增长速度，而纯光的ROADM可以保证网络容量的持续扩展性。

·实现对客户层信号的透明性。由于网络中取消了光—电—光再生设备，可以全透明地支持任意速率、格式或协议的客户层信号，对于当前面临的未来发展不确定的复杂形势，这种透明性有利于维持基础设施的长期稳定性。

·简化并加快了高速电路的指配和业务供给速度。由于ROADM减少了光电转换环节，可以远程实现任意波长灵活、动态的上下路，从而减少了电路配置时间，加速了业务供给速度，降低了人工操作的失误概率，有利于网络运行工作向集约化方向演进。

·降低了建网费用和运营维护成本。由于简化了网络层次和结构，减少了网元和昂贵、耗电的电/光转换设备，简化了网络管理和规划，从而不仅降低了全网建网费用，而且也大幅度减少了网络维护运行、扩容升级、地产和电源成本。

·节省网络能耗。利用波长的去碎片化，可以有效地使用光通道提高光纤利用率，降低能耗达50%。

从技术角度看，ROADM的实现技术有很多，第三代基于多端口波长选择开关（WSS）技术已经成为主流趋势，其插入损耗低、体积小、成本低，且真正实现了网络波长可重构，具有较高的组网灵活性和经济性，应用日益广泛。美国Verizon公司的应用效果表明，网络可以减少70%的光—电—光再生设备，从而使得设备投资减少50%，空间/租金减少60%，电费降低50%。

ROADM发展的长远方向是实现5个“无”，即无色（与波长无关）、无方向（与传输方向无关）、无冲突、无光滤波器和无格栅，真正达到透明灵活组网的目标，目前成本还太高，还需要更多更有效的技术创新，同时还需要仔细考虑具体网络的特点、对维护管理体制的适应性以及与其他竞争性新技术的比较，这样才有可能获得最有效、合理的应用，这方面还需要有横向和纵向层面的深入分析。

从应用上看，由于骨干网地理范围大，全光传输距离受限，再生是ROADM组网中必须考虑的问题。全光再生技术在可预见的将来还难以成熟，因此“先下路进行OEO再生，然后上路”是ROADM完成业务再生的唯一选择。在组网策略上，结合OTN电交叉和ROADM光交叉能力的光电混合交叉设备是解决ROADM组网再生问题的最佳方案；OTN电交叉还可以提供子波长业务汇聚、调度、保护等能力，进一步提高骨干传送网的业务提供能力。

3 超高速WDM技术的发展趋势

3.1 单波100Gbit/sWDM系统

单波100 Gbit/s WDM是当前超高速WDM技术的最大热门，经过多年的研究和积累，目前100 Gbit/s WDM传输技术已经具备了规模商用的部署条件。不同于当年40 Gbit/s WDM传输技术从出现到商用近10年的漫长历史，100 Gbit/s WDM传输技术的发展速度要快很多。其中，100 Gbit/s WDM传输技术标准的统一是重要因素。2009年7月，OIF发布了题为 “100 Gbit/s Ultra Long Haul DWDM Framework Document(100 Gbit/s超长距密集波分复用框架文件)”的白皮书，提议业界采用双极化正交相移键控（DP-QPSK）调制技术和相干接收技术作为骨干超长距100 Gbit/s DWDM传输系统的技术路线。业界主流厂商的100 Gbit/s WDM传输设备无一例外，均采用了OIF建议的相干接收+DP-QPSK调制技术方案，如图2所示。

图 2 100 Gbit/s PM-QPSK的发射机和接收机示意

100 Gbit/s WDM传输系统的另一项关键技术是前向纠错（FEC）。100 Gbit/s时代的FEC技术相比40 Gbit/s时代又有新的进展：首先，传统硬判决（HD）FEC技术纠错能力进一步提高，在保持7%左右FEC编码冗余不变的前提下，纠错容限从40 Gbit/s时代的 2×10-3提高到 4×10-3左右；其次，出现了软判决（SD）FEC技术，SD FEC技术的基本原理是在“判决”和“纠错”两个环节间建立某种形式的反馈机制，从而进一步提高纠错能力，100 Gbit/s SD FEC的编码冗余一般都在15%以上，目前商用100 Gbit/s WDM设备的SD FEC纠错容限为 1.5×10-2～2×10-2，相对于 HD FEC，净编码增益（NCG）提高大约1.5 dB。

3.2 400 Gbit/s及以上速率WDM系统

目前超100 Gbit/s WDM传输技术的研究热点集中在400Gbit/s和1 Tbit/s（1 000 Gbit/s）两种速率上，这与IEEE定义的下一代以太网速率密切相关。超100 Gbit/s WDM传输技术有几个共同的特点。

·继承了100 Gbit/s时代开始采用的偏振复用和相干接收技术：偏振复用有利于降低信号波特率，相干接收有利于改善接收性能，实现PMD和色度色散补偿。

·更复杂的调制技术：受限于材料性能和芯片工艺，光电器件的实际处理速率的增长速度无法跟上单波速率的增长速度，超100 Gbit/s需要采用诸如16QAM、32QAM、OFDM等更复杂的调制技术，从而可以用较低的波特率实现所需的比特率。

·灵活的波道间隔：无论是10 Gbit/s、40 Gbit/s还是100 Gbit/s，DWDM系统的波道间隔要求始终是50 GHz，但在超100 Gbit/s时代，将需要更灵活的波道间隔，在提高频谱效率和确保无电中继传输距离之间需要取得一定的平衡。

·更突出的非线性受限问题：由于采用相干接收技术，色度色散和PMD不再成为超高速WDM系统的限制因素，但随着调制复杂度和频谱效率的提高，非线性效应在超100 Gbit/s WDM系统中的影响越来越严重，带来对WDM系统的功率控制以及对光纤衰耗性能要求的提高。

目前最流行的单波400 Gbit/s调制方案是双载波PM-16QAM，如图3所示。400 Gbit/s信号首先分为2个光子载波传送，信号速率降低一半至200 Gbit/s，再通过偏振复用进一步降低至100 Gbit/s，最后通过16QAM调制降低为1/4，因此实际码元速率仅为25 Gbit/s。400 Gbit/s双载波PM-16QAM的实际波特率与目前100 Gbit/s PM-QPSK一致，支持重用核心芯片（即阿朗、Ciena、华为等厂商下一代100 Gbit/s宣称支持100 Gbit/s/200 Gbit/s/400 Gbit/s等多种速率的原因）。一般情况下，两个子载波的波道间隔为50 GHz，因此通过100 GHz频带传送400 Gbit/s信号，频谱效率为4 Gbit/(s·Hz)。若采用灵活格栅技术，每个子载波的带宽可望控制在25×1.5=37.5 GHz左右，可以实现在75 GHz频带内传送400 Gbit/s信号，频谱效率提高到5.3 bit/(s·Hz)。

图3 采用双载波PM-16QAM的400 Gbit/s WDM方案

单波1 Tbit/s光纤传输技术面临的技术难度更高，业界寻求通过超级通路（super channel）方案来解决频谱效率与传输距离之间的平衡问题。超级通路技术的基本原理是在一个通道中包含若干个子载波，共同传输一路高速信号，每个子载波的速率可以降低，从而降低了实现难度。目前比较热门的两种技术是正交频分复用（OFDM）技术和奈奎斯特WDM （Nyquist-WDM）技术。

正交频分复用技术的原理是将数据通过大量频域内正交的子载波来传送信号，简而言之是“频域正交，时域压缩”，如图4（a）所示。OFDM信号的产生可以是电域（eOFDM）的，也可以是光域（O-OFDM）的，eOFDM 可以实现更高的频谱效率，但芯片实现难度大；O-OFDM的实现相对简单，但性能相对较差。基于OFDM还可以延伸出单载频频分复用（SCFDM）方式，峰均比较小，可望改进非线性容限。

Nyquist-WDM技术的基本原理与OFDM正好相反，发送端将单个子载波信号通过数字滤波或者光学滤波方式在频域内整形为近似矩形，在频域内的多个子载波可以无间隔地并行传输，进而提高频谱效率。简而言之是“频域压缩，时域正交”，如图4（b）所示。采用光学滤波的Nyquist-WDM系统实现难度较低，技术难点是对光域压缩损耗的补偿。

综上所述，400 Gbit/s WDM传输技术路线相对清晰，双载波PM-16QAM可以部分重用目前100 Gbit/s PM-QPSK调制技术的核心技术和关键芯片，有可能成为第一代单波400 Gbit/s调制技术。1 Tbit/s WDM传输技术路线尚不明确，业界倾向于采用超级通路技术，OFDM和Nyquist-WDM是目前最热门的两类候选技术方案。前者收发端需要复杂的DSP处理，非线性容限较差；后者无FET操作，发送端DSP处理相对较简单，非线性容限也较高，两者各有特点，目前还没有肯定的结论，或许实施某种程度的融合，实现优势互补也是一条较好的出路。

图4 OFDM和Nyquist-WDM原理示意

4 新型光纤技术的发展趋势

随着20世纪90年代初建设的“八纵八横”干线光缆逐渐进入20年的设计寿命期，我国即将进入新一轮光纤光缆建设期。光缆属于信息基础设施的基础，要考虑至少20年的技术发展和容量需求，因此需要有更远的前瞻性考虑。目前网络部署的骨干光缆光纤类型主要包括G.652和G.655，其中G.652光纤由于有较大的有效面积以及合适的色散系数，具备一定的性能优势，特别是在相干100 Gbit/s WDM系统中，色度色散和PMD不再成为限制因素，非线性效应的影响更加突出，G.652光纤的性能优势也更加明显。

超100 Gbit/s等超高速WDM传输系统对非线性效应越来越敏感，入纤功率的控制将越来越严格，因此光纤段落损耗对系统传输距离的影响变得越来越重要。在此背景下，降低光纤衰耗系数重新成为光纤技术发展的主要趋势。目前低衰耗光纤技术在G.652光纤中主要有两种技术。

·采用常规G.652光纤工艺（芯区掺锗），通过改善预制棒纯度和拉丝过程的洁净度，减少非本征衰耗，达到降低损耗的目的。这种技术通常称为低损耗（low loss，LL）光纤技术，厂商 G.652 LL光纤的损耗系数是0.18～0.185 dB/km （常规G.652光纤的损耗系数要求为0.20 dB/km），价格比常规光纤稍贵，按照光缆价格计算，则几乎可以忽略。

·采用新型工艺的超低损耗 （ultra low loss，ULL）光纤，该技术借鉴海缆纯硅芯光纤工艺，芯区采用纯二氧化硅，最大限度地降低本征衰耗，包层通过重度掺氟降低折射率，达到所需的折射率分布。由于工艺复杂，目前只有康宁公司推出了G.652 ULL光纤商用产品，损耗系数大约是0.17 dB/km，价格大约是常规光纤的3倍，但若与节省的昂贵的高速转发器相比，则在不少超高速应用场景下是值得的。

根据ITU-T规定的光纤可用光谱宽度和香农极限理论，单模光纤的理论容量极限大约是400 Tbit/s（假设频谱效率是10 bit/(s·Hz)），进一步考虑到光纤放大器的可用带宽仅为光纤可用光谱宽度的1/4，单模光纤的实际可用容量极限大约是100 Tbit/s。图5显示，近10年来，由于缺乏像20世纪的WDM和光纤放大器那样的突破性技术，光通信技术的容量增长速度已经回落到每年20%左右，最新实验室结果已经非常接近实际可用的容量极限。按照这一发展速度，系统容量将在2020年左右达到香农极限。然而，从业务需求方看，最近10年全球互联网的流量按照每7年翻10倍的发展规律增长，即每年的流量需求在40%左右，远快于系统容量的增长速度。按照上述发展速度，预计在2020年前后，实际互联网流量需求将超越单纤系统容量的香农极限，出现容量危机。

要突破单纤系统容量的香农极限，主要靠空分复用（SDM）和模分复用（MDM）两个方向，具体介绍如下。

·模分复用：通过在同一光纤内同时传输若干个正交模式的方式达到模式复用扩容的目的。这种方式的关键是模式数量要严格控制，还需要保证衰耗系数等传输性能、控制模间色散、降低MIMO算法复杂度。此类光纤通常称为少模光纤（few mode fiber，FMF）。

·空分复用：通过将多个纤芯集成在同一光纤包层，使得同一根光纤可以同时支持多个芯区，不同的芯区可以传输不同信号，从而实现空间复用，称为多芯光纤（multi-core fiber，MCF）。这种方式的关键是纤芯间距离要严格控制，防止芯间干扰和衰耗增加。

图 5 单模光纤传输容量发展历史及预测

上述两种技术可以结合在一起，进一步提升容量，称为少模多芯光纤（few-mode multi-core fiber），为光纤通信的容量突破提供了重要的技术途径，但真正要实现商业化，还有很长的路要走，特别是必须要实现多个独立并行传输系统的集成，否则仅仅靠减少光缆的体积和成本并不具备实际的经济意义。

5 结束语

骨干传送网正处在向新一代传送网演进的重要阶段，随着互联网业务的飞速发展，超100 Gbit/s WDM链路传输系统的应用和发展已经成为满足业务需求的必然选择。传送节点正成为网络发展的瓶颈，一方面，交换节点需要越来越大的处理容量，另一方面，基础网络越来越需要具有透明性，能够灵活适应各种新老系统、不同制式、不同速率的信号。OTN具有这种初步的透明联网能力，也是现阶段解决端到端业务调度和保护问题的重要手段。下一步发展则是全光透明联网，在骨干网上引入 ROADM等光交换技术已进入考虑的日程。超低损耗光纤的发展使光电再生距离大大延长，特别在确保100 Gbit/s和超100 Gbit/s速率的长途传输距离方面具有重要的意义。简言之，人们期待已久的超高速、超低损、透明光网络时代已经出现在地平线上。