光传送网技术和标准发展探讨

张海懿，乔月强，黄为民（.中国信息通信研究院，北京 009；.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南 郑州 450007）

1 概述

光传送网一直以高速率、大容量、多业务承载、安全可靠和智能管控等特征为上层网络提供优质的承载平台，成为信息通信基础设施非常重要的部分和坚实的底座。近年来，光传送网技术的传输容量依然以WDM/OTN 系统为主，单波速率从100G 过渡到200G、400G，超400G 速率的研究也在不断推进当中。针对空分复用，国际国内也开展了一系列研究，虽然离实用化尚有一定距离，但空分复用在海缆系统中已经开始应用。最近5G承载是研究热点，其与分组化和多业务承载有关，已经有多篇文章单独论及，在此就不再赘述。智能化管控一直是传送网发展中一个锦上添花的特点，从本质上，管控对于多厂家互操作等方面有很大的影响，这些年也经历了从传统网管系统到ASON 到SDN 等不同理念的变化，现在更多的是围绕业务来开展研究，而人工智能在传送网领域的应用也引起了业界的普遍关注，本文从网络切片管控和人工智能在传送网中的应用这2个维度分析了技术和标准的发展。

2 高速光传输技术和标准

2.1 高速传输技术发展

2.1.1 单通路高速传输技术发展

高速传输一直是传送网发展的一个主要趋势，大约10 年前100G WDM/OTN 系统逐步开始商用，2010年部分全球领先运营商如Verizon 已开始100G WDM系统的商用部署，国内三大运营商中国电信、中国移动、中国联通也在2012年初启动了多厂家100G WDM/OTN 系统测试并开始部署100G WDM/OTN 系统。迄今为止，我国运营商已经建成全球最大规模100G WDM 网络。目前已大规模商用的单通道100 Gbit/s DWDM 传输系统的C+L 波段满配置信道数已经超过180波，总容量接近20 Tbit/s数量级。提升信道速率并且结合波分复用技术是目前提高光纤传输系统通信容量的主流技术。

继100G 之后的下一个主流传输速率是400G，它本身包括2×200G 和单载波400G 2 种技术方案，从2016 年开始国内三大运营商在运营商现网结合低损耗光纤进行了相关试点工作。相比于技术归一化的100G 技术，400G 技术实现方式多样化，引入了高阶调制、灵活栅格、频谱整形和多子载波等技术。目前，由于400G 技术方案不唯一，不同应用场景可由不同400G 技术实现。双载波400G目前已经在现网进行了规模部署，单载波400G 则在城域核心节点互连、数据中心互联中开始应用。

随着400GE/400G 标准化完成、商用技术发展和产业链日趋成熟，业界也逐步转向超400G的研发以满足网络升级需求。目前国际国内标准组织正积极开展超400G技术及标准的讨论，同时学术界和工业界对超400G进行了大量研究，希望能有效地解决运营商面临的业务流量及网络带宽持续增长的压力，800G 速率成为超400G 研究的焦点。2019 年开始，国际国内主要传输厂商陆续发布了超400G 光传输芯片，华为、中兴、Ciena、Infinera 等国内外传输设备商与运营商合作，不断推出800 Gbit/s现网试验，竞相验证800G 技术的可行性。如图1 所示，据Omdia 和Lightcouting 等机构预测，800G 模块和端口的需求出现在2021 年。目前针对800G光模块有3种架构，如图2所示，相干架构在双极化32QAM 下以96 Gbaud 运行，在双极化16QAM 下以120 Gbaud 运行，使用4 对DAC 和ADC，1个激光器，1 对光收发器，相干DSP 比PAM4 稍微复杂一些，但不会对成本造成太大影响，预计在10 km 以上的传输距离中作为技术上的优选；800G PAM4 架构1中PAM4 收发器以106 Gbaud 运行，使用4 对DAC 和ADC，4 对光收发器（包括4 个激光器）以及1 对4 通道CWDM 复用器和解复用器，预计针对IEEE 802.3 中500 m 到2 km 的4 对SMF 情形以及2 km 的4 对SMF 情形适用；800G PAM4 架构2 中PAM4 收发器以53 Gbaud 运行，使用8 对DAC 和ADC，8 个激光器和8 对光收发器，以及1 对8 通道CWDM 或LAN-WDM 复用器和解复用器，预计针对IEEE 802.3 800G 中8 对广信的50/100 m（MMF）和500 m（SMF）情形适用。

图1 相干端口的带宽增长预测

图2 800G光模块的3种架构

2.1.2 空分复用技术发展

空分复用（SDM）利用了光波分复用维度中的“空间”维度，该复用形式早在30多年前已经被提出，最近成为继波分复用、偏振复用之后的另一项广受关注的复用技术。SDM 与传统波分复用技术结合能够大幅度增加传输容量，并行部署多根单模光纤，是SDM 最简单的新式。为了将SDM 引入到商业网络中，每比特的成本降低应与WDM 相似，所以不得不在空间信道中大量利用集成和共享系统组件，这种集成涉及转发器、光放大器、可重构分插复用器之类的网络原件，也涉及到传输波导本身，因此SDM 技术更倾向于在1 根光纤中同时实现多路信号的传输，可以通过采用多芯光纤（MCF）、多模光纤/少模光纤、多芯少模光纤（MCFMF）以及微结构空芯光纤（HCF）等实现。MCF 和MC-FMF 是在1 根光纤的包层中插入了若干个纤芯，每个纤芯都可以独立传输信号，而MMF 和FMF 则只有1 根纤芯，纤芯中的每个模式都当作1 个独立的信道，所有模式（信道）重叠在一起进行传输，因此以MMF 和FMF 为传输波导的系统被称为模分复用（MDM）系统。MCF 尽管可以提升预期容量，但在实际应用中存在制作难度高以及光纤之间、光纤与常用光器件之间熔接困难、熔接损耗难以抑制等问题；将多芯和少模相结合的MC-FMF 在提高最终容量和空间信道数方面有相当大的潜力，但存在传输系统复杂、传输距离延长难度大的问题。模分复用系统早期主要集中在短距离传输，多使用MMF，这些光纤支持100个甚至更多的模式，但由于光纤中存在过多的模式，造成了模式复用过程控制难度大的问题，而单芯结构FMF 在这些方面存在着明显优势，从而成为远距离大容量传输的最佳选择。

通常来说SDM 主要包括并行单模复用（PSM）、多芯复用（Multi-Core Multiplexing，MCM）、模分复用（Mode Division Multiplexing，MDM）和轨道角动量模式复 用（Orbital Angular Momentum multiplexing，OAM）等。近几年，空分复用技术在光通信领域已经成为了非常热门的研究课题，国内外许多课题组利用空分复用技术创造了多项超大容量光纤通信系统的传输记录。与之相关的交换机制、管控机制还处在研究初期，有效地将其应用到光纤通信系统并使其成为未来通信系统的关键技术依旧是任重而道远。SDM 多年来一直处于理论和学术领域，谷歌海底光缆SDM 部署（多芯光纤复用）将是一个突破。

2.2 标准化进展情况

与高速光传输有关的国际国内标准化组织主要包括国际电信联盟电信部门（ITU-T）、光互联论坛（OIF）、电气与电子工程师协会（IEEE）和中国通信标准化协会（CCSA），他们的关注点各有不同，在很多标准化工作中分工合作，在某些热点领域也存在竞争的情况。

2.2.1 ITU-T

在OTN 方面，ITU-T SG15 Q11 针对超100G 速率采用了FlexOTN 架构，定义了支持100G、200G 和400G速率的FlexO 接口和架构；针对5G 承载定义了25G 和50G OTN接口，并正在进行标准化工作。

ITU-T SG15 Q6 主要承担物理接口方面的标准化工作，近2 年200 Gbit/s 和400 Gbit/s WDM 光接口的标准化工作受到关注。在2018 年1 月ITU-T SG15 全会上已经同意G.698.2作为新修订项目开展200 Gbit/s和400 Gbit/s 接口速率规范的研究。同时针对5G 前传当中25G WDM 的应用，Q6 也正在进行25G 和50G 物理接口参数和应用代码的研究。在2021 年4 月召开的SG15 全会上，有文稿提出Q6 应开始考虑B400G 的应用，会议讨论同意在今后某个时间开始讨论B400G 的光学问题，但提出在讨论之前需要收到来自Q11 和Q12 的架构输入，并且需要在Q6 完成了将200G 和400G 应用代码添加到G.698.2 修订版的当前更高优先级任务之后。

2.2.2 OIF

目前OIF 主要侧重于800G 相干、CEI-112G 和CEI-224G 通用电接口标准、FlexE、共封装、400ZR 互操作性等方面标准的研究和制定工作，这些标准的制定会对运营商将来在高速传输层面的部署应用有积极的作用。2020 年12 月OIF 新发布的800G 相干项目致力于定义面向校园网以及DCI 应用的800G 相干线路规格，其实施规定IA 将包括对单波长800G 相干线路卡接口的规定（80～120 km 放大的单跨距DWDM 和2～10 km 不放大固定波长2 种应用），支持以太网客户从100GE 向800G 的汇聚。OIF 认为400ZR 以上的下一个标准化的相干速率将会遇到许多挑战，新的800G相干IA将让OIF在800G时代处于领导地位。

2.2.3 IEEE

IEEE 是以太网接口标准主导组织，2018 年IEEE 802.3通过对涉及互联网交换中心、HPC设备中心和数据中心等新兴业务需求及网络升级趋势的分析，从而输出详尽的带宽评估报告来预测超100G 以太网的演进，以太网演进路线见图3。

图3 以太网演进路线

目前IEEE 802.3 已经更新到2018 年版本，包括了从1M 到400G 共12 种接口速率，并基于传输媒质和传输距离划分了更详细的接口类型，同时也正在进行基于WDM 传输距离80 km 的100GE 和400GE 接口的标准化，新成立的IEEE 802.3超400 Gbit/s 以太网研究组2021 年也开始针对800G 的相关目标紧锣密鼓地进行线上讨论。

2.2.4 CCSA

CCSA TC6 WG1 主要进行高速光通信系统的研究和标准化工作。目前WG1 已经完成10 Gbit/s～400 Gbit/s 速率的WDM 和OTN 行业标准。当前主要的标准化方向是面向5G承载的WDM技术、超400G技术研究、大容量光交叉以及光层的开放解耦研究等。

3 传送网智能管控

传送网管控从传统的网络管理系统（NMS）到软件定义光网络（SDON），经历了多个不同的阶段。传统的网管系统因传送网络技术多样，导致接口定义复杂、配置效率低等问题，无法实现互联互通。2002 年，自动交换光网络技术（ASON）的引入实现了分布式的控制平面，并与转发面分离，提高了网络配置效率，同时引入多种保护恢复类型，提供灵活多样的网络服务等级，但是ASON 技术仍旧没有很好地解决网络的互联互通问题。2009年，软件定义网络（SDN）技术兴起，并迅速往传送网络领域延伸。2014 年国内启动软件定义光网络（SDON）相关系列标准的定义，涵盖了SDON 管控架构、管控系统层间接口及南北向接口；同时，各运营商联合设备厂商在OTN、PTN、SPN 等领域逐步开始了大量管控功能性能及接口能力的测试，有效推动了传送网智能管控的标准化和产业成熟，目前相关技术标准已经基本完善。随着5G 技术的兴起和应用，与之有关的5G 网络端到端切片管控成为热点，传送网作为5G的承载网，其中的切片管控也成为重要关注点，2019年AI技术的兴起为传送网管控技术注入了新的活力，AI 助力传送网智能管控与运维成为传送网管控新的研究热点之一。

3.1 网络切片管控

对于承载网而言，5G 的需求和挑战主要来自于网络带宽、网络时延、资源动态分配以及差异化承载几个方面。5G业务对关键绩效指标（KPI）差异化的需求明显，对网络安全性也提出了更高的要求，如果像4G一样统一承载，仅仅依靠服务质量（QoS）很难满足5G三大场景的应用需求，因此业界提出以网络切片来应对差异化承载。网络切片的目的在于通过切片实现差异化的服务，保证每种业务都能根据其业务特点得到最佳承载要求，同时切片有助于设备和存储资源的安全管理。

承载网络的切片管控流程及功能需求已经基本明确。一是和上层管控系统进行能力交互，包括拓扑和网络资源抽象信息的交互以及网络切片能力和策略的交互；二是完成切片资源的创建、调整、删除等操作，承载网管控系统可以基于上层管控系统的需求，完成切片资源的相关操作，满足上层业务带宽、时延等SLA需求，同时完成对传送网络资源的标记，便于在后续运营过程中保障切片网络资源的相互隔离；三是实现切片网络资源全生命周期的管理，对切片网络进行监测，包括流量、时延等SLA信息以及告警和性能信息，管控系统可以基于网络监测结果，对切片网络的资源及其承载的业务进行调整、恢复等维护操作。目前国内三大运营商对5G切片管控的研究也十分重视。

3.1.1 切片管控架构与功能的标准化情况

3.1.1.1 3GPP

3GPP 已经完成Rel-15 阶段规范的制定，包括网络切片相关的技术方案。3GPP SA2 在3GPP TS 23.501 中对网络切片和网络切片实例进行了定义，定义了eMBB、uRLLC 和mIoT 这3 种标准的网络切片类型；3GPP SA5从管理的角度，对网络切片的管理架构、模型、管理功能的接口、切片的保障流程以及相关的性能测量等方面进行了定义和描述，在3GPP TS 28.530 和3GPP TS 28.531 中明确指出需要和传送网管理者进行交互，并体现在切片保障流程中。

3GPP TS 28.530 给出了3GPP 管控系统和非3GPP管控系统之间进行交互时的架构，例如在3GPP 管控系统和数据中心网络系统、承载网管控系统互通的过程中，需要交互的内容有3 项：一是获取这些非3GPP系统的能力信息，二是向非3GPP 系统提供切片需求以及资源需求，三是和非3GPP 系统之间进行数据的交互。同时，3GPP 还规定了切片的管控流程，包括准备阶段、调试阶段、操作阶段、退役阶段等4 个不同的阶段。3GPP 在3GPP TS 28.531 中指出对于和承载网管理系统交互的架构包括2 种方式，一种是直接和承载网管控系统进行交互，另一种是通过ETSI MANO 来和承载网管控系统进行交互，第1 种方式在3GPP SA5 Rel-15 规范中尚未解决，需要ITU-T SG15 和3GPP SA5紧密合作继续推进。

3.1.1.2 ITU-T

ITU-T SG15 Q12/Q14 工作组主要负责研究传送网SDN 架构内部功能实现方案，在现有的SDN 组件功能基础上，引入新的功能组件实现切片管控功能，并分析新组件和原有功能组件之间的关系，同时研究不同层次的管控系统之间以及管控系统内部的切片网络资源的映射关系和抽象的策略，以及在不同层次管控系统信息传递的需求。

2018年2月ITU-T发布了第1个版本的5G传送研究报告（GSTR-TN5G），对支持3GPP 网络切片的传送网络进行了描述，定义了与网络切片相关的管控需求及管控功能。2018 年10 月份SG15 全会明确了SG15的研究重点为如何支持5G 切片，将使用虚拟网络（Virtual Network）向客户呈现传送网资源。采用Client-context 接口，将传输网络资源（VN）映射到客户，如3GPP 管理系统。3GPP 管理系统可以将VN 实例中的资源视为支持3GPP 网络切片实例。将3GPP 服务分配给切片或VN 实例的过程对传送网管理系统不可见。

目前，ITU-T SG15 负责的规范中与支持5G 切片直接关联的规范包括2个。

a）管控一体化MCC 架构系列规范：G.7701，G.7702和G.7703（ex.G.8080）。

b）MCC 功能组件的管理系列规范：G.7718，G.7719（ex G.7718.1）。

目前已完成了G.7703 的修订，开启了G.7701 和G.7702新版本的修订工作，并扩展了G.7718和G.7719的研究范围，在上述规范新版本中将充分反映出传送网如何支持5G切片的需求。

3.1.1.3 ONF

ONF 发布了研究报告TR526，该报告描述了在5G切片中应用SDN 架构并认为SDN 架构高度支持网络切片的关键原则，SDN 架构中用户上下文（client context）用于表示为客户分配的网络资源，可以为网络切片提供连接。切片定义后可以通过SDN 架构进行实例化，而且SDN 架构根据用户协议可以支持地址、命名空间、数据流等的隔离。

3.1.2 切片管控模型的标准化情况

作为切片管控方面的标准化热点，目前3GPP、IETF、ONF、ETSI 等标准化组织已对5G 网络切片的管控模型进行了标准化研究。国内外切片管控模型的总体标准化进展如表1所示。

表1 国内外切片管控模型标准化总体进展

3.2 人工智能在传送网中的应用

人工智能作为一项通用技术，可以应用于方方面面，业界针对传送网的人工智能研究进展主要聚焦在传送网的流程和传送网的整体架构这2个维度。

3.2.1 在传送网流程中引入人工智能

从传送网流程上，针对传送网的设计、业务开通、维护优化等各环节，引入人工智能子系统或者模块，提高网络总体服务质量。基于意图网络，实现闭环、自治、自优、自愈的传送网络管控，在路由智能规划方面，可以利用AI分析最佳路由，智能规划，提高业务服务质量的同时提升链路利用率，减少网络拥塞现象；在智能运维（优化/升级）方面，可以引入人工智能技术，实时监测网络性能劣化现象，并根据学习策略进行劣化现象的处理，完成网络优化过程，根据传送网承载、流量、用户行为和其他参数来不断优化网络配置，进行实时主动式的网络自我校正和优化，同时通过人工智能技术为复杂的传送网络和用户需求提供强大的决策能力，辅助人为操作，从而驱动传送网络的智能化转型；在网络异常检测方面，可以从大量的数据中识别少量的网络异常，利用AI 数据处理平台，通过网络异常检测ML 系统对海量数据进行处理，对于业务流的异常检测及流量标记一般通过流量识别技术实现；在网络故障预测方面，可以利用人工智能，实现传送网中的故障预测和提前告警；在实时预测性的切片性能监控和资源规划方面，可以实时预测切片流量增加、切片故障以及新切片的实时部署，根据分析的用户业务行为趋势，预测未来要部署的切片数量，实时地预留业务资源，预先规划切片分配，快速响应用户业务调用；在智能安全管理方面，网络安全AI系统可以处理大量数据，识别潜在的安全问题并将与这些问题相关的流量隔离到特定入口（或出口）链接。

3.2.2 在网络整体架构中引入人工智能

从网络整体架构上将AI 与原有的传送网管控系统融合，提出全新的基于AI的传送网网络架构。针对管控层及转发层均引入人工智能技术，协同提高管控层和转发面的处理效率，如在设备中内嵌AI 芯片后，转发层设备在上报数据前进行本地的数据采集清洗，供上层管控系统后续的数据训练使用。与现有的SDN 管控技术结合，在基于SDN 的管控系统之中或者之上引入AI 智能模块，进行网络全流程的AI 智能管理与传送网数据全生命周期管理（数据采集—数据脱敏—数据训练—数据使用—数据销毁）。

3.2.3 人工智能在传送网中应用的标准化

ITU-T SG15 Q12 工作组主要研究人工智能在传送网中的应用，在ITU-T SG15 2020 年1 月全会上，Q12 工作组认为在传送网应用过程中需要用到AI 和机器学习（ML）的概念，而深度学习（DL）被认作是ML的一部分。AI 被认为是传送网的功能，ML 是在传送网中实现AI功能的具体方法。

2020 年1 月全会并没有新立项AI 相关的课题，建议Q12/Q14 等工作组认真考虑AI/ML 在传送网中应用需要关注的问题，包括AI/ML在传送网中可以做什么，有哪些应用场景；如何将它们应用于传送网的现有功能和运维过程中；AI/ML 能够给传送网带来哪些新的能力；传送网管控系统以及其他的系统在什么情况下需要使用AI/ML 功能。Q12 工作组已经形成了研究列表LL，预计在AI/ML 的研究过程中主要考虑AI/ML 的应用场景、AI/ML 的架构、和现有管控架构之间的关系以及AI/ML和现有传送网系统之间的接口。

2021 年4 月全会讨论了AI 相关议题，专家普遍同意重点关注提供AI/ML 系统的数据类型、AI/ML 作为应用程序融入MC 架构框架以及它们向网络提供哪些控制输入。国内CCSA 已经立项并完成研究课题《人工智能在传送网领域的应用研究》。

4 结束语

光传送网作为底层承载，通常需要超前部署，为上层应用架设宽阔的信息高速公路，这也就意味着光网络的技术会持续向高速和智能化发展，未来围绕超400G 和空分复用等方面会有更快的发展并随着网络切片管控和人工智能在传送网中的应用逐步深入。