全光网的发展趋势及其挑战

admin

        1、引言
　　全光网（ASON）是指信息从源节点到目的节点之间全部采用光信号完成信息交换和传输的网络。一方面技术发展使得单根光纤的可用容量高达Tbit/s，另一方面随着互联网业务的迅猛发展，业务需求迅猛膨胀，传统电信号处理设备面临“电子瓶颈”限制，用电信号处理设备构建整个网络将使节点变得庞大、复杂而且难以实现，直接在光域处理信息，可以避免“电子瓶颈”，充分利用光层组网灵活性。
　　从上个世纪末，全光网就进入了研究视野，但受制于光器件的发展，全光网大多停留在理论研究状态，2001年通信泡沫破灭对光器件领域造成了重大打击，全光网也因此淡出视野。现在几年的时间过去了，全光网领域有什么新进展呢?本文将从光通信技术史开始，导出全光网的诞生、衰退、现状，并重点结合全光网面临的挑战介绍全光网的发展趋势。
　　2、全光网发展历程回顾
　　自高昆（K.C.Guo）和霍克曼（G.A.Hckman）于1966年提出玻璃纤维可传输光信号，并明确指出通讯光纤的要求是每公里衰减小于20分贝之后，通信领域开启了光纤通信技术时代。光纤通信的技术自此层出不穷，推动了光纤通信的快速发展。
　　1970年，美国康宁公司首次研制成功石英光纤；1972年，首次光纤通信实验成功；1977年，美国芝加哥研制成功第一套光纤通信系统；1987年，英国南安普顿大学研制出掺铒光纤放大器（EDFA）；1992年，美国朗讯公司研制出实用化的波分复用（WDM）系统；1996年，波分复用WDM系统开始商用；1999年，华为公司推出商用的32×10Gbit/sDWDM系统产品；2001年，NEC在OFC上展示了10.92Tbit/s（273×40Gbit/s）WDM无电中继传输试验。
　　随着光纤传输容量的不断提高，基于数字电子技术的电处理系统已经逼近电子器件的处理上限，进一步提高设备处理容量的难度越来越大，电子技术的发展速度已经远远赶不上光纤容量急速增长速度。基于WDM技术，在光信号上直接完成光信号的转发，成为共识，这导致了全光网的产生。WDM的广泛铺设进一步推动了全光网络研究热潮，以WDM技术为基础光交叉为核心的全光网成了竞相发展的重点。
　　2000年3月的OFC会议，Agilent首次公开演示了光交叉器件，同期Xros公司展出了第一个1152×1152端口交叉的全光交叉连接设备X-1000；2001年，Agere公司推出基于MEMS技术的64×64光开关阵列，开始了商用；与之同时，世界各国也争相投入了财力资助全光网应用，如美国国防部（DARPA）资助的多波长光网络MONET、国家透明光网络NTON等计划，欧洲的RACE，ACTS等计划，日本的SUCCESS计划，意大利的PROMETEO计划，以及中国的“中国高速信息示范网”国家“八六三”重大项目等，全光网进入高速发展时期。
　　在这段时期，各式各样新技术层出不穷，全光网中的关键光器件技术得到长足发展，如可调激光器、可调滤波器和全光波长转换器等，特别是3DMEMS技术、气泡技术使大容量光交叉器件成为现实，光交叉的容量也从64×64发展到1024×1024，规模灵活性越来越强，处理能力与电交叉矩阵越来越相当，全光网时代似乎指日可待。
　　然而，实际需求与全光网之间存在巨大的鸿沟，脱离了实际需求的技术发展终究不过是黄粱一梦，而股市融资加剧了投机活动，导致了有史以来的最大泡沫。2001年不可阻挡的通信泡沫终于破灭，作为通信领域的最大泡沫全光网遭受了沉重打击。电信类上市公司市值与最高峰时相比下降了大约2.5万亿美元，以带宽批租运营模式为生的GlobalCrossing、WorldCom运营商更是破产清算，整个通信市场一片低迷萧条。
　　作为全光网的前沿阵地，光器件领域也被迫进行了整合、瘦身运动。在2002年9月，AlcatelOptronics裁掉58%的员工，关闭两个工厂，2003年5月卖给Avanex公司；2002年10月，Nortel器件部门卖给了Bookham公司；2003年2月，Corning公司宣布停止其波长交换/波长阻塞产品线，同年5月，其器件部门全部卖给Avanex公司；2003年3月，MEMS光开关的代表OMM公司宣布关门更是成了全光网进入低迷时期的关键标志。生存法则主宰了通信领域的发展，全光网进入相对沉寂时期。
　　3、全光网发展现状及发展趋势
　　经历了2001至2003年漫长的冬眠期，光传送网市场在逐步复苏，包括Verizon、SBC在内的北美运营商、以及包括BT、FT在内的欧洲运营商先后提出各自的光传送网RFP，纷纷提到传送网设备光层可配置，市场需求的启动导致了全光网的回暖。在系统设备供应领域，新兴的Startup公司纷纷推出自己的光层解决方案，包括推出光波长跟踪技术，实现可管理动态光网络解决方案；推出基于WSS支持向多向OXC演进的ROADM光层解决方法；种种迹象表明：以光层可配置为标志的全光网在逐步回暖，并成为业界关注焦点。
　　与2000年的大跃进时代不同，这次全光网回暖有着明显不同的标志。
　　首先是通信业务特别是数据业务的发展突飞猛进，IPDSLAM，FTTH，Cable宽带接入方式盛行，造就了Internet，IPTV、视频通信等业务的开展，造成数据业务流量超过语音业务成为主要流量来源，通信业务流量的发展大大缩小了2000年泡沫时代市场需求与技术发展之间巨大的鸿沟。高带宽需求的数据业务的突发性和不可预测性要求传送网更灵活，光层可配置传送设备日益受到青睐。
　　其次，技术也在理性发展，不计成本不计代价的技术终归无人问津。器件厂家基于成熟可靠的液晶、PLC和1D/2DMEMS技术推出了WB、WSS等光层可配置的功能型器件，与泡沫时代所追求的空分光交叉矩阵相比，新器件扩展性好，能以较低的初始成本提供光层可配置性，而且允许网络能根据业务需求逐步扩展，实现向全光网的过渡，大大降低了光层可配置器件的应用门槛，促进了全光网时代的到来。
　　但电信网上巨大的SDH/SONET设备存量仍然是运营商主要收益来源，而且终端客户仍然以电信号形式来处理业务，可以预见全光网发展不是一蹴而就的。全光网发展必然由点及面，逐步扩展成真正的全光网。在初始阶段，全光网在不同区域会以不同的形式表现出来，在骨干网、城域核心网，会以可调度可配置的区域型全光网出现。而在接入网，会以FTTH等形式表现出来，在骨干网、城域核心网、接入网等区域性全光网之间仍会存在电信号处理调度设备完成对业务信号的整合处理，光层可配置作为电层处理设备的辅助补充完成对高带宽业务信号的快速调度。但是随着带宽需求量的上升及价廉质优技术的发展进步，区域性全光网之间的电信号处理设备终究会被全光调度设备所替代，真正的全光网时代也会来临。
　　而且，随着光交换、光信号处理、光储存等技术的进一步发展，全光网将会进一步向全数字化的、由软件主宰和控制的、高度集成和智能化的光网络演进，OBS/OPS光分组交换技术研究热潮就预示着分组全光数字网的方向。
　　4、全光网面临的困难及挑战
　　虽然全光网发展可期，而且WB，WSS等ROADM器件已经发展成熟，利用它们构造一个动态可配置的全光网已经不再是“空中楼阁”式的神话。但是，要构建一个可获得的可运营、可管理、可维护的性价比高的电信级传送网，全光网还面临着如下困难和挑战：物理参数预算；光层信号透明；网络传送成本；其它。
　　4.1物理参数预算
　　对于全光网而言，所有的信号处理包括传输和交换都是以光信号完成的，在源节点和目的节点之间的物理路径包括有光纤、放大器、色散补偿模块、滤波器和光信号交叉装置等。光纤会对光信号造成衰减；物理路径上的光放大器会补偿因光纤造成的光信号衰减，但光放大器会带来额外噪声并劣化光信号，非线性效应会诱使光信号产生频率啁啾并导致脉冲畸变和通道串扰；物理路径上的光滤波器、光交叉装置也会因为器件的隔离度等原因带来同频串扰或相邻串扰，而且级联的光滤波器还会窄化滤波器的通带谱宽，造成光信号的频谱分量损失。这些因素决定了全光网中的光信号连接过程是一个异常复杂的物理参数预算过程。
　　虽然从WB，WSS等光器件的逻辑功能上看，全光网已经可以根据业务需求在源宿节点之间分配一条光通道连接，但光信号是否可以从源节点传送至目的节点，则需要进行非常细致的功率、OSNR、色散、非线性效应等预算过程，而目前这些预算过程都是模拟的。特别是在长距离超长距离大范围的全光网中，因为光信号遭受的劣化更严重，预算也更紧张，如何针对物理受限因素来选路将会是全光网的致命障碍。
　　更糟糕的是：全光网是一个动态的光网络，源节点和目的节点之间的光信号连接是按业务需求动态建立，即如果两个节点要通过某一条物理路径建立一个光信号连接，系统在规划之初就必须考虑，而同源不同宿、同宿不同源但又经过相同的物理路径的光信号连接需要同时考虑功率、OSNR、色散预算，物理层对光信号非透明在动态全光网中将诱发异常复杂的物理层预算问题，网络规划调度将极其复杂。
　　此外，因为不同公司采用长距离传输技术如编码、调制、放大技术并不一致，不同实现方式对系统的改善也不尽相同，种种原因导致不同公司的全光设备无法在光层直接对接。虽然ITU-T希望通过制订横向兼容性标准解决这一问题，标准成熟仍需要假以时日。在不同厂家真正实现横向兼容性之前，一个全光网往往只能由一家系统供应商供货，潜在的垄断可能性将阻碍应用。
　　4.2光层信号透明
　　全光网中所有处理过程都是以光信号形式完成的，在中间节点，光信号被直接转发。光信号的透明性保证了中间节点对业务信号的转发等处理过程与业务信号的协议、速率等都无关，简化了中间节点对业务的处理过程。但是，光层信号透明也带来了其它问题，中间节点无法识别业务信号，也无法根据业务信号开销来判断当前业务信号的质量状况。虽然光层也提供了类似功率监控、光谱监控方法来完成对光载波信号的监控，但是现有监控方法仅能对光功率、光信噪比、波长等相关模拟参数进行监控，而无法直接对业务信号进行监控，即尽管检测到光功率、波长、OSNR等信息，但仍然无法判定其所承载的业务信号是否可用。
　　光信号的透明，决定了全光网缺乏直接监控业务信号质量的方法和手段。对于一个层网络而言，要提供电信级传送服务，信号质量监控是必不可少的。全光网要构建一个可管理、可运营、可维护的电信级传送网，就必须首先解决光层透明和信号监控之间的关系。在无有效监控的光信号之上无法直接构建具备完备功能的传送网。
　　其次，因为光信号是透明的，光信号在全光网处理过程中是作为一个整体进行交换和传输处理的，所有的业务拆分组合都只能在边缘节点完成。而业务需求往往无法准确预测，全光网为响应业务连接需求，往往必须根据每个业务分配波长通道，这种处理方法导致波长利用效率显著降低（只有同源同宿的业务才能共享相同波长通道）。而且，因为具体的业务协议、帧格式、速率往往都相差很大，为了能在不同源宿边缘节点之间建立业务需求，往往需要预先保留对应的业务协议处理单元，才能在不同边缘节点之间建立业务连接，造成了网络上业务协议处理单元的大量冗余。全光网的灵活实际上是以边缘节点的大量冗余功能单元来保证的。
　　再者，光层透明决定了中间节点无法得到随路的带内开销信息，只能依赖带外信息进行网络运营管理维护。一方面，带外数据通道不能保证和带内数据通道的实时性，不能及时反映当前光信号路径的情况信息，在网络发生故障时无法做到及时倒换；另一方面，带外数据通道失效往往会导致网络崩溃，而加强带外数据通道的可靠性只会加大网络管理复杂程度。
　　4.3网络传送成本
　　全光网要成为现实，不仅要解决可实现问题，更重要的是在完成相同功能时，全光网要比用电组成的网络更经济，尤其是在目前电信号处理设备已经拥有相当规模的网络应用情况下，只有更便宜有效的全光网才能真正被运营商接纳。
　　但如前所述，现在的最终客户都是用电信号来处理信息的，意味在全光网和用户之间，必然存在一个光电转换设备来完成电信号向光信号的转变，之后在光域中完成连接。而动态的业务连接需求，必然导致边缘节点的光电转换功能单元的冗余，根据目前的成本结构，光电转换占据整个设备成本的大头，冗余的边缘节点光电转换功能意味着全光网无法提供经济有效的传送方案。
　　在全光网中，连接都以光信号形式完成，但众所周知，在现阶段不同光信号是根据光载波的波长来区分的，当一根光纤上的某个波长通道被分配后，其它业务连接就无法实现该波长通道。这意味着全部以光信号来处理，将导致网络存在严重的波长阻塞，特别是网络规模越大，业务连接越复杂，波长阻塞就越严重。过高的波长阻塞率将导致波长利用效率低下，也意味着既有的光纤资源无法得到充分利用，增加了成本。虽然可以通过波长转换来降低波长阻塞度，但一方面是全光波长转换技术并不成熟，商用仍有待时间，另一方面网络中的波长转换设置和业务配置相关，只有冗余的波长转换装置才能降低波长阻塞率，这也会造成网络成本的进一步上升。
　　如前所述，如果全光网直接响应业务连接需求，就必须为每一个业务连接分配一个端到端波长通道，造成波长利用效率过低。如果要改善这种状况，就必须用允许多个业务共享相同的波长管道，意味在全光网之上仍然需要增加一个子波长粒度调度装置，这会进一步增加网络冗余和成本。
　　4.4其它
　　一方面是全光网在实际商用过程中存在种种问题有待解决，而另一方面电信号处理能力也在日新月异地发展。一度被人视为“电子瓶颈”的电设备处理容量限制，现在随技术发展也有了非常显著的变化，典型的是现在电处理能力达到T级别的设备已经开始商用。电层处理能力的加强以及数字化电子信号将会进一步延缓全光网的商用，只有在研究领域开发出可以与电子器件性能相媲美的价格便宜的光器件之后，全光网才真正有可能替代电信号处理形式成为主流。
　　5、结束语
　　从目前技术成熟度来看，纵然WB，WSS等可扩展地ROADM器件已经成熟，全光网能够实现动态可调。但在解决光层监控等问题之前，WB，WSS等器件只是用于改善波分网络的柔性，实现无波长规划可任意扩容，而不是用于动态调度。全光网在短期内还只能处于一个理想状态中，不可能规模铺设。
　　但全光网作为光通信技术发展的最高阶段。随着光通信技术的发展，特别是长距离超长距离传输技术、高密度复用技术、光监控技术、光交换交叉连接技术、全光波长转换技术等的发展，全光网最终也会走向成熟。从初级阶段简单的环、链，会逐步扩展到P-cycle、双环、多环、局部Mesh，最终到光传送网的高级阶段，各种技术都已成熟，原有的多个彼此非透明的局部全光网将会被打通，形成相对完整的全光网。
　　在更进一步的未来，随着光存储、光计算、光交换、光多路复用解复用器件的成熟，光分组光包突发交换技术将会引领全光网走向一个全动态的数字全光网。