超宽时代绿色传送网络构建技术思考

　　下面文章主要从业务发展需求和网络架构与技术、光元器件几方面进行分析讨论，泛在、超宽、绿色、可持续发展的信息传输网络是中国“互联网+”和“中国制造2025”目标的基础之一，但建网成本、传统技术发展瓶颈、运营成本已成为快速构建高速网络的主要瓶颈，而文章中提出运营商构建超宽带绿色传输网络的思路。

　　关键字：波分,传输,超宽带,骨干网,城域网,接入网,PID

　　1.研究背景

　　1.1行业发展要求

　　在国家“互联网+”和“中国制造2025”的大背景下，依托物联网、云计算、大数据的飞速发展，4K、VR、智慧城市、智慧农业等产业蓬勃发展。而无论是互联网生态圈，还是智慧产业生态圈，所有一切都必须围绕“连接”来进行——连接能力即网络能力。

　　从视频业务来看，4K视频业务的逐渐普及以及8K、VR/AR等新业务的逐渐引入加速催生了带宽增长的狂潮。大视频业务高码流、高并发率、高感知的特点要求承载网络具有大带宽、低时延和低误码率的特性。从无线业务来看，随着4G网络向5G网络的演进，业内普遍认为5G的带宽需求将提高100~1000倍，同时要求时延要降低10倍以上，其中URLLC(超低时延、超可靠)场景的时延要求最为苛刻，端到端单向时延不超过1ms[1]，Backhaul端到端单向时延不超过150us，这无疑给传送网络的带宽和时延带来了巨大的挑战。

　　而在专线业务方面，目前政企专线已经成了运营商新的利润增长点，专线从10M~100M，向500M、GE以上颗粒发展，专线业务正向着宽带化，普及化，多样化的方向发展，对传送网的要求表现在高安全性，低时延、高可靠性以及业务承载的多样性。数据显示，全球各大运营商的网络流量正以每年60%的增长速度进行倍增，驱动网络规划建设带宽要以10倍量级增加。并且，作为信息传输的基础，宽带网络的带宽能力、稳定性、单bit传输功耗都对网络是否可持续发展起到至关重要的作用。在最低网络建设成本投入基础上，还需具备更大带宽、更低时延、更易维护、更少运营成本投入的特性。

　　1.2技术应用现状

　　波分网络是当前运营商宽带业务的主要传送承载网络，具备大带宽、低时延、硬管道等优点，国内运营商从2016年开始部署100GOTN，目前现网还是主要使用传统的波分设备，传统波分技术使用复杂光层来支持多波道数承载，仅适合大容量、少站点的骨干网和城域核心。但未来要求网络连接无处不在，将会出现大量的小型、超带宽接入场景，这就意味着需要在网络的末梢节点也同步配置复杂的光层调测和运维、大规模的电力费用投入，这对通信运营商来说是一大困境，是响应国家提速降费、节能减排打造绿色产业的拦路虎。

　　2.超宽传送网络构建的主要要素讨论

　　2.1带宽技术

　　首先从未来以视频为主的业务对承载的需求分析看，主要存在高吞吐量、低时延等特点。当前的视频业务大多采用Internet主流的TCP协议，TCP的确认机制保证了可靠性，但也带来了吞吐量受限的问题。TCP吞吐量主要受限于三个因素，带宽BW、往返时延RTT和丢包率。从承载网络，就应从带宽、时延、丢包三个方向尽量进行改善，以提高业务吞吐量从而保障业务体验。

　　过去几年，全网建设一直以带宽扩容、业务提速为目前开展全网建设，但假设带宽足够，且良好的网络质量可以不考虑丢包率，则时延成为决定性因素。如果时延过大，客户体验带宽无法提升，此时仅提高带宽无法解决问题，形象的称之为“带宽黑洞”。因此对时延的改善，也应作为今后网络建设优化的一个重要因素进行规划。

　　目前TCP协议包头表征拥塞窗口(CWND)大小是16位，因此CWND最大值是64K字节，MSS的最大段长度，一般是1460字节，传输网中一般可以假设丢包率为0，因此最后一项不需要考虑。假设带宽BW为10Gbps，单向时延10ms，则TCP协议的最大吞吐量只有26.3Mbps，远低于网络带宽。考虑到网络实际情况，业界通常认为4K/8K高清视频等实时大通量业务的吞吐量需要达到实际码流速率的1.5倍，才能保证业务质量。

　　因此4K高清视频的吞吐量需求为30-45Mbps，所能容忍的最往返时延为12-17ms。虽然业界也提出了一些新技术来解决TCP协议的滑动窗口受限问题，例如RFC7323将滑动窗口的总大小扩容为30bit，应用层软件采用UPD传输或者多TCP线程也可以改善滑动窗口带来的吞吐量限制。但是这些解决方案需要网络整体的升级改造，基于现有的网络环境，通过改善光传送时延从而降低时延是解决TCP协议滑动窗口受限问题的最直接和最有效的手段。

　　2.2网络架构

　　再从宽带网络的基本架构看骨干、城域、接入是长期存在的三级架构，任何业务都无法突破此网络架构。

　　首先，骨干网：要注意的便是容量提升和现有网络架构的优化，保障网络可以提供超带宽和高效率。此外，随着网络结构复杂和业务容量增加，智能调度、按需分配和业务安全性逐渐成为新的关注点。城域/本地网：随着家宽普及和带宽提升，高速传送、综合承载，合理分配不同业务的承载路径，对后期安全及维护意义重大。移动宽带的普及也要求网络更灵活，感知更灵敏。接入网：随着县乡宽带普及和速率提升和各运营商SDH设备的限制建设，OTN接入设备下沉完成高速接入、广泛覆盖，已成为承载网络发展的必然趋势[3]。

　　具体来看，对于IP骨干网来说，骨干路由器间互联的接口速率不断提升，10GE->40GE->100GE，未来还会采用400GE，需要光网络提供高速传输通道;同时，为提高转发效率、降低流量绕转，IP骨干网进一步扁平化，需要增加新的核心节点，并实现核心节点之间的Mesh化互联，这大大增加了骨干长距离传输电路的数量，同时，次核心节点和大型城域网也要通过高速通道直连到核心节点上。这些业务的发展要求我们的骨干光传送网能够提供:超高带宽的传输通道，并保证高性能，低时延，而且可以进行大容量业务的灵活调度。

　　在城域范围内，固网的宽带普及和宽带精品建设并举，PON设备升级到10GPON，还会向下一代PON演进，以满足固定宽带接入速率不断提升的要求;随着用户规模持续扩大，OLT建设量增加，需要光传送网解决OLT的上行传输;另外，农村信息化建设会将光纤延伸到村，甚至农户，需要光传送网提供偏远乡村的长距离连接。因此为构建端到端的视频承载宽带网，作为通信网络的基础设施，光传送网的规划、建设和运维对于电信业务开展起着重要的作用。

　　2.3设备元器件

　　光子集成器件(PID)技术是解决高效大带宽传输的一个突破性技术，其采用光层器件与电层芯片耦合技术，无外部光层，也无需光层调测，提供类似SDH的简单运维。PID技术除了硅光子集成，还有二氧化硅平面光波导(SiO2-PLC)，III-IV族材料(如InP)单片集成[4]。相比其他二者，硅光PID的集成度最高，主要体现在其器件体积最小，因而同样的空间可以容纳几倍的器件规模。当前，硅光PID技术已经实现80KM跨距内无需光放，外部无需色散补偿模块，并已实现单槽位400G，这意味着实现单环800G容量也仅需两块单板。

　　扩容时，在核心层直接扩展波道，在汇聚层增加PID单板，即插即用，非常方便。采用硅光PID技术可以极大简化网络设备，以一个单槽位400G的PID为例，如果原先采用10×40GOTU单板，那么直接节省90%槽位，此外还省掉MUX、DEMUX和DCM模块，由此可以节省整个机房50%空间，节省单板功耗50%，节省光层备件50%，节省连纤50%。此外，由于硅光PID系统只需安装PID单板和连接少量跳线，因此比原先波分系统节省工时节约40%。相比传统元器件，硅光PID技术在集成度和功耗上占据极大优势。

　　传统光器件由多种材料组成不同的功能器件，各功能器件连接处由于材料的晶格结构不同，导致晶格失配，接触界面不连续有缺陷，光在其中传播就会产生散射而损耗;此外，由于不同材料折射率不同，光在介质间传播也会导致不同程度的反射和折射，也产生一部分损失;同时，由于采用不同的材料来实现不同功能，各种材料对应生产工艺不同，因此一个器件的生产涉及众多环节，分立器件装配大量依靠手工调试和校验，生产效率低，因此导致光器件价格居高不下。

　　而硅光PID技术由于统一工艺材料，所以器件内部没有多材料导致的光损耗，因此为了获得与传统器件同样的输出功率，其光源的发射功率要低很多，因此模块的功耗也相应降低了;同时，通过单一工艺流程实现整个器件的制备，并利用了现有成熟的微电子加工工艺(CMOS工艺)实现规模化、自动化生产，避免了产线重复投资，有利于降低设备制造价格。基于硅光PID技术的城域网络在设备功耗和集成度上的具大技术优势，实现了光层极简可实现最具性价比的网络架构。硅光PID一经商用，形成了超宽带的商业正循环，实现低功耗、低运营成本的超带宽网络传输，是未来传输设备元器件的关键要素之一。

　　3.超宽绿色传输网络构建思考

　　3.1骨干网建设思路

　　从云南现有运营网络构建看，各大运营商公司从2013年开始已在省干层面开始规模建设100G传输网络，100G系统在开通时间、整体成本、功耗等方面都大大优于以前的10G/40G系统。预计在未来2-3年时间里，业界将仍然以100G系统为主进行光网络构建。100G产品的传输能力不断提升，这主要取决于判决技术的持续进步，目前业界已经拥有了第三代的软判决技术。

　　从100G产品问世之初，硬判决技术的背靠背OSNR容限只能做到13dB，传输距离也只有2500公里。软判决技术成熟后，采用15%的编码冗余，背靠背OSNR容限可以做到12dB，传输距离提升到3200公里。到第二代软判决技术，采用20%编码冗余，背靠背OSNR容限为11dB，传输距离进一步达到4000公里。现在业界最为领先的第三代软判决技术采用25%的编码冗余，背靠背OSNR容限更是达到了10dB的程度，传输距离可以提升至5000公里。

　　由此可以看出100G的传输性能实现了三级跳，这可以大大减少中继的使用，节省网络建设支出。大容量电交叉有效提升各种粒度业务疏导效率，是未来光网络节点重要特性线路传输距离提升的同时，光网络节点的交叉容量也在不断增加。交叉容量的提升意味着业务调度梳理效率的提升。

　　3T的容量可以满足2个线路方向，每个方向10个100G波道的业务上下和穿通(上下路：穿通按照1:1计算);14T的容量可以实现三个线路方向的互通和落地，以此类推，28T的容量可以用在连接4-5个线路方向的重要的枢纽节点，进行各种业务颗粒的疏导调度。骨干网络的建设难点在于新技术ROADM，SDON需要占用大量的长途光缆和中继光缆来实现保护和易维功能，现有光缆芯数小，备纤紧缺、光缆老化，基础光缆建设建设周期长，需要较大的建设资金，目前主要通过根据资金情况适当选取段落更换或建设光缆来解决。随着业务量增加和线路速率未来二干100G波分系统可提升到400G/1T，当前应持续对网络路由进行丰富，优化提高传输性能。

　　4.结束语

　　可以预见，通过新型光元器件的规模商用，同时以超带宽传输技术构建绿色高效的传输网络时代即将到来，无处不在的信息通道，确保作为信息基础设施的承载网络可以满足超大带宽数据和最终用户体验要求，确保未来传输流量的几何量级提升保障。运营商可以极简架构回归刚性硬管道，以绝佳的高可靠性、低时延为中国“互联网+”和“中国制造2025”提供基本信息基础保障。

　　参考文献

　　[1]ITU-RM.2083-0[2]OVUM，2017

　　[3]智慧城市大数据、互联网时代的城市未来.中信出版社，2015(2):126

　　[4]中国制造2025解读：从工业大国到工业强国.机械工业出版社，2015(1)

　　通信工程师评职期刊：《当代通信》是由信息产业部主管，中国通信企业协会主办，中国电信博物馆承办的通信类综合刊物。自1994年创刊以来，因其丰富的内容、权威的报道，形成了自己的特色和影响。