专题丨云时代全光底座架构及关键技术
作者简介
王光全
中国联合网络通信有限公司研究院网络技术研究中心总监，教授级高级工程师，主要从事通信网络的规划、新技术演进、标准化等领域的研究工作。
沈世奎
中国联合网络通信有限公司研究院教授级高级工程师，博士，主要从事光网络的新技术和标准化等研究工作。
论文引用格式：
王光全, 沈世奎. 云时代全光底座架构及关键技术[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):19-26.
∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2019YFB1803700）资助
云时代全光底座架构及关键技术*
王光全 沈世奎
（中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048）
摘要：随着5G和云时代对业务带宽、网络性能、网络安全、网络管控等要求的不断提高，光网络将进一步直接提供面向连接的网络服务，同时也成为运营商网络的坚实底座，满足云时代不同带宽、性能、安全、业务等级等需求的综合业务承载，光网络发展面临着巨大的机会与挑战。对云时代全光底座的架构进行了阐述，基于该架构，分析了超高速传送、全光综合接入、SDN化管控、开放与解耦，以及智能化增强与光网数字孪生等光网络关键技术。
关键词：全光网；全光底座；SDN化；数字孪生光网络
中图分类号：TN929.11 文献标识码：A
引用格式：王光全, 沈世奎. 云时代全光底座架构及关键技术[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):19-26.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.12.003
0 引言
长期以来，电信基础设施一直是运营商提供服务的基础，中国联通提出了CUBE-NET 3.0网络创新体系，明确了构建面向数字经济新需求、增强网络内生能力、实现“联接+计算+智能”融合服务的新一代数字基础设施。光网络作为新一代数字基础设施的重要组成部分，是电信网络内生能力增强、开放组网和实现网络智能化的基础。在5G和云时代，随着业务带宽、网络性能、网络安全、网络管控要求的不断提高，光网络将进一步直接提供面向连接的网络服务，同时也成为运营商网络的坚实底座，满足云时代不同带宽、性能、安全、业务等级等需求的综合业务承载。
1 云时代光网络的机会与挑战
1.1 网络云化要求光网络架构稳定，输出强大“运力”
“新基建”作为支撑经济社会数字化转型的基础设施，是发展数字经济的重要引擎。在2021年3月工业和信息化部印发的《“双千兆”网络协同发展行动计划（2021—2023年）》[1]，在承载能力增强行动中明确了提升骨干传输网络承载能力、优化数据中心互联（Internet Data Center，IDC）能力和协同推进5G承载网络建设等重要任务。在2021年5月国家发展和改革委员会、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局印发的《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》中明确提出加快网络互联互通[2]，国家枢纽节点之间进一步打通网络传输通道，加快实施“东数西算”工程，提升跨区域算力调度水平，建设数据中心集群之间，以及集群与主要城市之间的高速数据传输网络，优化通信网络结构，扩展网络通信带宽，减少数据绕转时延。在2021年7月工业和信息化部印发的《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》中部署了网络质量升级行动[3]，包括提升新型数据中心网络支撑能力，优化区域新型数据中心互联能力和推动边缘数据中心互联组网。
为应对云/数据中心带来的网络不确定性，运营商可考虑部署覆盖不同位置的光网络，在用户到边缘云之间实现确定性低时延和一跳直达的稳定架构，用光网络的强大“运力”实现资源的统一调配，提升DC“算力”的综合效能。
1.2 业务云化要求低时延、大带宽、硬隔离的高品质入云连接
我国正处于数字化加速进程中，新冠肺炎疫情冲击导致“被动数字化”行为增加，加速了各行业由线下向线上转移，特别是办公、政务、教育、医疗等业务上云对高品质云网提出的新需求。通过对运营商的专线数量统计和专线业务收入的分析，可以发现党政军、金融机构、大企业高价值客户是运营商政企专线的主要客户群和主要收入来源。党政军、金融等关键行业的业务上云，必然对安全隔离、低时延、高可靠要求特别高。
1.3 交互类/高清视频业务驱动网络面向体验升级
大视频时代来临，超高清视频业务蓬勃发展，到2021年月均数据流量飙升至49EB，其中视频流量将占80%。视频、游戏、社交等业务快速增长，4K、8K、VR、AR蓬勃发展，超高清业务的需求骤增。自疫情以来，强交互性、上云、高清视频应用成为to H业务主流场景，根据统计，中国有3 亿在线教育用户、2.5 亿云游戏用户以及4 亿远程办公用户，这些视频应用对网络时延、丢包率都有更严格的要求，视频业务对承载网的要求体现在带宽、时延和丢包率3个方面。当前光网络还存在架构复杂、适应性差、智能化程度低等问题，迫切需要从带宽驱动的管道网络，向体验驱动的云化业务网络演进。云化业务网络应具备如下特征：确定性承载使能高品质业务、全光锚点使能全业务接入、光电协同使能网络扁平化、智能管控使能运维自动化、云光一体使能高品质云网。
2 云时代的全光底座架构
为适应光网络面向云化全业务综合承载的发展趋势，满足数字化转型和新型云业务的发展需求，中国联通提出了全光底座的架构（见图1）。全光底座具备如下关键能力。
图1 全光底座架构
（1）架构稳定，极简、大带宽、可扩展：全光组网，一跳直达，稳定低时延。传输容量持续演进，组网能力持续提升，灵活扩展，确保全光底座架构稳定。
（2）全光锚点,全业务接入：支持ETH/SDH/PON/OTN/WDM等多种接入技术，兼容现网，平滑演进。
（3）光电协同，确定性承载，安全隔离：基于L0/L1的硬管道技术，按需灵活协同调度，满足高品质业务的确定性承载及高安全业务的物理隔离需求。
（4）端到端分片，一网多业务差异化SLA服务：通过端到端分片，为家宽、移动、专线等不同品质需求的业务，提供不同SLA等级的承载服务。
（5）云光协同，业务灵活入云：通过与云网关的业务和保护层面对接，实现新型云化业务的云网协同部署和运维，品质成本双优。
“全光底座”凭借“极简、超宽、智能”的特质，支持国家“新基建”战略和智慧城市转型，推动光网络朝着光基础网络和光业务网络方向发展；光基础网络作为业务网的底层传送支撑，主要为运营商自用，作为业务网的配套，随着业务网的变革而演进，重点关注技术指标和运维指标；光业务网络主要是面向政企客户的专线业务网，直接服务最终客户，根据客户需求而建设和发展，重点关注服务指标和经济指标，端到端一体化管控和服务体系是光业务网竞争力的集中体现。同时，具备光基础网络和光业务网络特性的全光底座可以很好地满足低成本、大带宽的传统互联网业务承载诉求，又可以满足如“品质专线”“品质视频”“5G to B”等业务场景中对高品质承载的需求。
3 全光底座关键技术
3.1 超高速传送，打造高速光基础承载网络
对更高速率、更大容量、更长距离的追求是光通信发展的永恒动力，业内也在积极研究不同方式不断突破传输容量瓶颈。
在骨干网部署兼具大有效面积和低损耗特性的新型G.654.E光纤，可显著提升200G/400G骨干线路无电中继传输距离，降低总体建设成本。中国联通联合产业链积极推进G.654.E光纤标准化和产业化[4]，国内外多个光纤公司（如长飞、亨通、烽火、康宁、OFS、住友/富通、中天等）均已可规模提供G.654.E光纤产品，国内外多个运营商均已开始G.654.E光纤光缆的商用部署。不断通过扩展光纤传输频谱、增加波道数来提升传输容量，从传统C波段向C+L波段，并进一步向全波段拓展[5]，实现全波段传输，充分提升光纤频谱利用率，逼近和突破单模光纤容量瓶颈，也是当前业内研究的热点。
作为新一代传输媒介技术，空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）已成为当前研究的热点，有望为光通信开辟新的发展空间，SDM传输技术包括了少模、多芯和多芯少模等方式（见图2），中国联通联合长飞公司、北京大学和华为公司完成了基于商用200G波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）系统的弱耦合两模式实验室100 km的传输试验，充分验证了两模式的传输能力[6]。
图2 从单模光纤到SDM光纤
不断提升单波传输速率，在100G WDM广泛部署的基础上，基于保持无电中继距离和建网方式不变的要求下，200G WDM成为当前长途干线传输的现实选择。对于传输距离较短、且容量快速增长的城域网,可逐步引入400G WDM及以上更高速率。中国联通于2021年初在山东现网完成多厂家点到点和简单环形组网下的N×800G WDM系统试点测试，可以看出单波800G系统在现网光纤和EDFA配置下支持100 km传输。
在追求高速传输的同时，如何降低设备成本也成为重要考量因素，低成本是推进光网络波分技术下沉，延伸至成本敏感的网络边缘的关键。尤其是对于城域边缘接入层及县乡网络环境，迫切需要引入低成本100G WDM技术和低维度边缘ROADM技术（以4维和9维为主），实现简洁、灵活、动态的组网。
3.2 基于DWDM的全光综合接入，实现波长级连接
密集型光波复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技术下沉是光网络的发展趋势，中国联通联合国内外主要运营商和设备商共同在ITU-T制定了面向城域综合承载基于DWDM技术的G.698.4标准（前G.metro）[7]，将低成本DWDM技术进一步下沉应用于城域边缘接入层，包括移动前传、专线接入和室内分布等应用场景，提供光波长级连接的硬管道，实现波长即业务（λaaS），打造接入层综合WDM系统（见图3）。高效利用城域接入层光纤频谱资源，提高纤芯利用率，较好地解决城域多业务综合接入对接入主干光缆和配线段光缆的光纤芯数的依赖，降低不必要的光缆超前建设，减少基础资源的无效沉淀和折旧，从而使得网络规划和建设更加经济合理。该技术采用波长可调谐DWDM光模块，具备端口无关，波长自适应特性，系统容量大，且极大地简化网络建设和运维，其主要优势如下。
图3 基于G.metro的全光综合接入
（1）采用可调谐激光器，光模块型号归一化，与合分波器间任意连接，不需要一一匹配，不存在波长识别等问题，安装维护简单，即插即用，备件种类和数量少。
（2）基于G.698.4标准规范的消息通道（HTMC/THMC），实现简洁有效的OAM，具备光功率、波长、温度等实时监测，以及告警和环回等快速故障定界功能，提升综合接入网络维护手段和能力，可实现对综合接入网络的有效管理，降低维护成本。
（3）支持有源、半有源和无源等多种型态灵活部署，独立或多平台集成（WDM/OTN/IPRAN）部署，充分利用机房资源。
将远端无源DWDM合分波器下沉至接入主干光交箱，可形成以接入主干光交箱为中心、DWDM波长预覆盖的全光综合接入区（见图4），充分发挥DWDM系统容量大的优势，大幅提升光纤资源消耗，实现移动前传网络、专线接入、室分等综合接入。
图4 基于DWDM光交的全光综合接入区
该技术还可应用于商务楼宇、园区、场馆等场景（见图5），远端无源DWDM合分波器可方便安装在楼宇或园区入口，无需供电，在占用很少光纤资源的前提下，可快速实现类PON组网方式的点到多点低成本、预覆盖，实现全光楼宇/全光园区等，大大缩短业务开通时间；同时，还支持按需增加波长扩容升级。
图5 基于DWDM覆盖的全光园区/楼宇
基于G.metro的前传波分设备已在广东联通和江苏联通开展5G现网试点；提供波长即业务（λaaS）的专线接入设备也已完成中国联通集团集采，即将规模部署。
3.3 全光底座SDN化智能管控
全光底座智能管控采用两级分层架构,按省分权、分域设置，二级协同负责省内多域控制，一级协同对各二级协同、骨干及国际控制器统一协同（见图6）。通过协同器协同各厂家管控系统，实现跨域、跨厂家网络端到端自动编排和协同，基于标准化ACTN北向接口，提供开放、快捷、分层的OTN/WDM业务发放和运维能力，实现OTN网络能力开放，支持跨域、跨厂商业务端到端自动发放。智能管控系统的北向接口主要包括ACTN接口和MTOSI接口，主要功能如下。
图6 光网络SDN化智能管控架构
（1）北向对接资源管理和调度系统，接收电路调单信息，并在电路开通完成后对业务性能、业务状态及业务端到端逻辑路由进行拼接和上报。
（2）南向支持对接多厂商的OTN控制器以及自研城域开放光网络管控系统，实现全域资源管理和路径计算、业务配置分域拆解和下发等功能。
3.4 光网络开放与解耦
网络开放和解耦成为促进产业创新、降低建网成本的重要趋势。长期以来，光网络设备体系较为封闭，通常都是由传统设备商研发和集成，不利于产业生态繁荣和开放创新。在云服务商的推动下，数据中心光互联率先采用了开放光网络技术，包括ONF的ODTN项目、Facebook主导的TIP项目和AT&T主导的OpenROADM项目等，都在致力于推进光网络的开放解耦；在海底光缆通信领域，也在不断推进Open Cable模式的标准化和应用，ITU SG15在2020年发布了面向陆地终端和水下部分解耦的G.977.1标准[8]。
光网络开放和解耦便于更快地引入新技术和促进产业竞争，增强产业活力，降低网络成本，同时有助于增强运营商和用户对网络的控制，加速业务和服务创新，也顺应了网络云化大趋势。
随着全光底座从城域核心向边缘接入层覆盖，为了进一步提升网络建设灵活性，并降低建网成本，光网络将基于标准化南北向接口和统一管控等，引入光电解耦和开放的建网思路，避免供应商锁定，实现多供应商开放的全光底座，加速业务发展（见图7）。
图7 光网络开放组网架构
中国联通自研城域开放光网络统一管控系统，可实现对接入型WDM/OTN-CPE设备、10G/25G前传波分设备和模块化波分设备等多场景、多形态城域设备的统一管控，实现城域光网络的开放和解耦组网，打破传统网络烟囱化的建设模式，推动不同厂家设备的解耦。其中，WDM/OTN-CPE部分管控系统已完成中国联通集团统一部署商用。
3.5 光网络智能化增强，逐步走向自动驾驶光网络
智能光网络实践始于基于传统网管和分布式控制技术的自动交换光网络（Automatically Switched Optical Network，ASON），近年来SDN快速发展为网络智能化提供了有力手段；软件定义光网络（Software Defined Optical Network，SDON）推动智能光网络迈向新台阶，实现了传送与控制分离，以及集中控制。智能光网络从ASON到SDON的演进，实现了扩展性、灵活性、开放性等方面的显著提升。
ASON/WSON/SDON的控制平面，是光网络智能化的主要加载平台，在网元、网络控制器和云端引入人工智能，多级智能协同，构建智慧光网大脑，提升人工智能效率。通过智能化管控调度，网络动态实时感知，预防性运维，提高光网络状态和性能感知、网络资源管控与网络故障管理能力，使整个网络资源弹性化；同时，支撑业务自动化、资源自动化、维护自动化，最大化提升用户体验感知，构建光网络数字孪生，实现光网络全生命周期的智能化管理，最终向自动驾驶光网络（Automatic Driving Optical Network，ADON）发展（见图8）。
图8 数字孪生光网络架构
4 结束语
新基建将驱动信息通信网络的升级换代，“双千兆”行动计划、“东数西算”工程和新型数据中心发展行动计划等一系列政策的发布，都给光通信发展创造了新的更大机遇。本文针对云时代的业务特点和运营商的网络特点提出和探讨全光底座架构和关键技术，将为云时代光网络的发展提供重要参考。
参考文献
[1] 工业与信息化部. “双千兆”网络协同发展行动计划(2021—2023年)[Z], 2021.
[2] 国家发展改革委, 中央网信办, 工业和信息化部, 国家能源局. 全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案[Z], 2021.
[3] 工业与信息化部. 新型数据中心发展三年行动计划(2021—2023年)[Z], 2021.
[4] 王光全, 金飙, 李铮, 等. 陆地G.654.E光纤400G传输性能验证与应用建议[J]. 邮电设计技术, 2018(6):1-4.
[5] Ferrari A, Napoli A, Fischer J K, et al. Assessment on the achievable throughput of multi-band ITU-T G. 652. D fiber transmission systems[J]. Journal of Lightwave Technology, 2020(99):1-1.
[6] Shen L, Ge D, Shen S, et al. 16-Tb/s real-time demonstration of 100 km MDM transmission using commercial 200G OTN system[Z]. Optical Fiber Communication Conference (OFC), 2021.
[7] ITU-T. Multichannel bi-directional DWDM applications with port agnostic single-channel optical interfaces: G.698.4[S], 2018.
[8] ITU-T. Transverse compatible dense wavelength division multiplexing applications for repeatered optical fibre submarine cable systems:G.977.1[S], 2020.
Architecture and key techniques of all-optical infrastructure in cloud era
WANG Guangquan, SHEN Shikui
(China Unicom Research Institute, Beijing 100048, China)
Abstract: With the continuous improvement of business bandwidth, network performance, network security and network management and control requirements in 5G and cloud era, optical network will further directly provide connection oriented network services. At the same time, it will also become a solid base for operator networks and a comprehensive service carrier to meet the needs of different bandwidth, performance, security and service levels in cloud era. The development of optical network is facing great opportunities and challenges. The architecture of alloptical infrastructure in the cloud era is described. Based on this architecture, the key technologies of optical network such as ultra-high speed transmission, all-optical integrated access, SDN management and control, opening and decoupling, intelligent enhancement and optical network digital twinning are analyzed.
Keywords: all-optical network; all-optical infrastructure; SDN; digital twin optical network
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。
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