23、未来IP over WDM网络部署的发展与挑战

未来IP over WDM网络部署的发展与挑战

1. LSP拆除解决方案

在网络中，有至少两种可能的解决方案来拆除标签交换路径（LSP）并释放资源：
1. 目的节点直接拆除 ：目的节点可以通过发送ResvTear消息来拆除LSP并释放资源。
2. 目的节点请求源节点拆除 ：目的节点可以通过ResvTear消息请求源节点拆除LSP并释放资源。在这种情况下，ResvTear消息不会改变网络状态，交叉连接和资源将随着后续的PathTear消息被释放。

2. 测试活动

在测试平台上进行的实验活动主要集中在项目中研究的互通方面，主要分为三类测试：
- ASON/GMPLS功能测试 ：旨在通过使用网络节点接口（NNI）信令，在多域和多厂商网络中演示软永久连接的建立和拆除。
- 网络弹性测试 ：IP/MPLS层的快速重路由（FRR）功能以及ASON/GMPLS层的保护和恢复机制允许对单层和多层弹性进行评估。通过在客户端层使用延迟定时器来保证层间的互通。
- G.709接口能力测试 ：主要关注这些接口的性能监测能力分析。

3. IST - OPTIMIST项目概述

3.1 项目目标

2000年5月1日启动的IST - OPTIMIST主题网络项目，旨在突出欧洲联盟第五框架计划（FP5）IST项目（1999 - 2002）中在光技术和光子网络领域的研发工作，以及其对欧洲研究区实现的贡献。该项目的主要目标包括：
- 建立主题网络项目之间的协调过程。
- 加强项目间的合作，促进协同效应，鼓励达成共识。
- 通过收集光子技术和光网络的技术趋势，支持欧洲政策的制定和认可。
- 提高不同技术平台之间的融合度。
- 传播主题网络中IST项目的成果和策略。
- 与非IST项目/组织在欧盟和全球层面进行互动。

3.2 项目组成与活动

OPTIMIST联盟由六所研究机构/大学和两家咨询公司组成。主要开展的活动有：
- 组织光子社区内的研讨会、会议和互动活动。
- 开展传播活动，推广主题网络项目的研发成果和策略。
- 维护一个网站（www.ist - optimist.org），作为寻求光技术和光子网络领域IST项目更多信息的入口。
- 收集技术趋势观点，提取路线图，以说明相关领域可能的发展趋势，并突出未来可能的研究领域。

4. 光技术和光子网络的技术趋势

4.1 未来通信愿景

未来，通信技术将以无形的方式融入自然环境，随时随地满足人们的通信需求，实现环境智能（AmI）。实现这种AmI环境需要一个具有巨大容量、无处不在、灵活、可靠且经济高效的底层网络。光子学将是未来AmI网络各部分物理层的关键元素，网络设计者和运营商认为应尽可能长时间地将信息保留在光纤中。

4.2 智能光网络（ION）的挑战与发展

尽管过去十年光子学取得了巨大进展，但实现完全智能的光网络（ION）仍面临诸多挑战。未来，通用光插头（UoP）将提供与ION的无处不在的连接，结合合适的最后一英里技术（如无线链路）和支持软件技术，可实现AmI。与当今的光传输网络相比，ION在传输容量的粒度和灵活性方面需要大幅提高。光传输网络（OTN）的发展可能会经历以下阶段：
- 第一阶段 ：OTN的管理方式与广泛部署的同步数字体系（SDH）网络类似，网络较为静态，需要网络运营商手动干预。这些OTN是电路交换的，通过交叉连接高容量固定带宽的光管道进行通信。
- 第二阶段 ：光网络的一个重要进步是实现光路径设置过程的自动化和动态化。需要在光传输域引入信令过程来实现自动交换光网络（ASTN），这些OTN是动态电路交换的。
- 第三阶段 ：除了在光域实现动态信令功能外，未来光域中信息交换的粒度将根据具体需求进行调整。除了提供大带宽的光管道（电路交换）外，还将实现光突发交换和光分组交换等更细的交换粒度。光分组交换结合了统计复用和光通过节点的优势，避免了昂贵的高速光/电/光（O/E/O）转换。

4.3 不同层次网络的特点和发展趋势

从地理角度详细分析全球通信网络，可分为以下几个部分，各部分具有不同的特点、要求和技术趋势：
|网络层次|中期（5 - 10年）|长期（10 - 20年）|
| ---- | ---- | ---- |
|全球区域网络（GAN）|容量：4 Tbps/光纤；信道速度：20 - 40 Gbps；波长数量：<200；无再生距离：10,000 km；光分插复用器（OADM）和交换节点数量少|容量：16 Tbps/光纤；信道速度：80 - 100 Gbps；波长数量：<200；无再生距离：> 10,000 km；光交叉连接（OXC）和OADM数量增加|
|广域网（WAN）|容量：10 Tbps/光纤；信道速度：2.5 - 40 Gbps；波长数量：100 - 256；无再生距离：> 3,500 km；OXC：1,000 x 1,000|容量：20 Tbps/光纤；信道速度：40 - 160 Gbps；波长数量：200 - 500；无再生距离：> 5,000 km；OXC：> 5,000 × 5,000|
|城域网（MAN）|容量：10 Tbps/光纤；信道速度：2.5 - 40 Gbps；波长数量：10 - 1,000；距离：20 - 200 km|容量：40 Tbps/光纤；信道速度：10 - 640 Gbps；波长数量：100 - 256；距离：100 - 200 km|
|接入网（AN）|容量：环网≤1 Tbps/光纤；无源光网络（PONs）≤1 / 250 Gbps/光纤（下行/上行）；信道速度：网状网≤10 Gbps；PONs≤10 / 2.5 Gbps（下行/上行）；波长数量：≤100；距离：≤20 km|容量：环网≤10 Tbps/光纤；PONs≤10 / 2.5 Tbps/光纤（下行/上行）；信道速度：网状网≤40 Gbps；PONs≤40 / 10 Gbps（下行/上行）；波长数量：≤250；距离：≤40 km|

下面是一个简单的mermaid流程图，展示OTN的发展阶段：

graph LR
    A[静态OTN（类似SDH）] --> B[动态电路交换OTN（ASTN）]
    B --> C[灵活粒度交换OTN（光突发/分组交换）]

5. 光组件的未来趋势

5.1 关注方面

先进的网络离不开先进的组件。OPTIMIST联盟采用自上而下的方法分析了未来通信网络的需求，并将这些需求转化为基本组件和技术的发展场景，特别关注以下方面：
- 发射机技术
- 接收机技术
- 光纤技术
- 再生器技术
- 交换技术

5.2 发射机技术发展

WDM传输需要稳定的光源锁定在国际电信联盟（ITU）波长上。发射机技术的发展呈现以下趋势：
- 可调谐激光器 ：对于波长路由网络架构，可调谐激光器需要简单的ITU锁定波长分配程序。分布式布拉格反射器（DBR）激光器具有适度的调谐范围（25 nm），分配过程快速（100 ns）但复杂，需要温度控制；外腔激光器带宽宽但速度慢。垂直腔面发射激光器（VCSEL）和微机电系统（MEMS）的单片集成可能带来经济高效的解决方案。
- 高速调制器 ：高速信号编码需要高速调制器，但40 Gbps及以上的调制器和驱动器的商业可用性仍然是一个关键问题。
- 短光脉冲生成 ：光时分复用（OTDM）交织和长距离传输需要生成短光脉冲，目标是实现脉宽约1 ps或更短的变换受限脉冲或啁啾管理脉冲。光纤中的超连续谱生成结合阵列波导光栅（AWG）滤波器是生成多波长短脉冲的有效替代方案。

5.3 再生器技术发展

要实现完全的3R再生（放大、整形、重定时），使光信号不再受其模拟特性的影响，再生器技术仍需要大量的研发工作。
- 放大 ：放大器的带宽覆盖限制了信道宽度，可以同时使用多种放大器技术，如新光纤和新掺杂剂（如碲酸盐光纤、钯和铥掺杂光纤）、多泵浦拉曼放大。减少放大器噪声和串扰是主要关注点，高功率光纤放大器的非线性行为开始变得关键，分布式放大是一个有趣的解决方案。开发强大且低噪声的光泵浦源是一个主要问题。对于城域或接入链路（<200 km），无在线放大器的连接是可靠且经济高效的解决方案。半导体光放大器（SOA）或硅基二氧化硅平面波导放大器可用作低成本的功率放大器或前置放大器。
- 整形 ：成功的整形技术包括集成SOA - 干涉结构、同步电吸收调制器。这些技术高度依赖于比特率和复用技术的选择（DWDM或OTDM）。
- 重定时 ：需要进行信号时钟的恢复。通过自脉冲激光器和光电器件（HBT）等实现时钟恢复。

6. 各技术发展趋势总结

6.1 网络层面技术

网络类型	技术特点	中期发展	长期发展
全球区域网络（GAN）	需长距离无再生传输，波长数量受限	4 Tbps/fiber，20 - 40 Gbps 信道速度，<200 波长	16 Tbps/fiber，80 - 100 Gbps 信道速度，<200 波长
广域网（WAN）	连接国家网络，节点服务多区域网络	10 Tbps/fiber，2.5 - 40 Gbps 信道速度，100 - 256 波长，1000x1000 OXC	20 Tbps/fiber，40 - 160 Gbps 信道速度，200 - 500 波长，>5000x5000 OXC
城域网（MAN）	连接接入与核心网络，容量需求高	10 Tbps/fiber，2.5 - 40 Gbps 信道速度，10 - 1000 波长，20 - 200 km 距离	40 Tbps/fiber，10 - 640 Gbps 信道速度，100 - 256 波长，100 - 200 km 距离
接入网（AN）	连接终端用户与服务，成本敏感	环网 ≤1 Tbps/fiber，PONs ≤1 / 250 Gbps/fiber（下行/上行），网状网 ≤10 Gbps 信道速度，≤100 波长，≤20 km 距离	环网 ≤10 Tbps/fiber，PONs ≤10 / 2.5 Tbps/fiber（下行/上行），网状网 ≤40 Gbps 信道速度，≤250 波长，≤40 km 距离

6.2 光组件技术

组件类型	发展要点
发射机技术	需稳定 ITU 波长锁定，可调谐激光器、高速调制器、短光脉冲生成是关键发展方向
再生器技术	实现 3R 再生面临挑战，放大、整形、重定时各环节都有特定技术需求和问题

下面是一个 mermaid 流程图，展示光组件技术发展的几个关键方面的关系：

graph LR
    A[发射机技术] --> B[光网络发展]
    C[再生器技术] --> B
    D[光纤技术] --> B
    E[接收机技术] --> B
    F[交换技术] --> B

7. 应对未来挑战的策略

7.1 网络层面策略

• 全球区域网络（GAN） ：由于长距离传输和非线性问题，应重点研究适合长距离无再生传输的技术，如优化波长分配和提高单通道速率。
• 广域网（WAN） ：向网状网络发展，增加波长数量和光开关规模。可优先采用微机电系统（MEMS）技术实现波长和波段级别的交换。
• 城域网（MAN） ：考虑成本因素，选择合适的技术实现高容量传输。可关注光时分复用（OTDM）等技术的应用。
• 接入网（AN） ：推广无源光网络（PONs），降低成本并提高用户共享效率。同时，开发低成本、易操作的光组件。

7.2 光组件层面策略

• 发射机技术 ：加大对可调谐激光器和高速调制器的研发投入，解决商业可用性问题。探索超连续谱生成等替代技术生成短光脉冲。
• 再生器技术 ：研究多种放大器技术的协同使用，减少噪声和串扰。开发强大且低噪声的光泵浦源，提高信号整形和重定时技术。

8. 总结

未来 IP over WDM 网络部署充满机遇与挑战。从网络层面来看，不同类型的网络在容量、速度、波长数量等方面有不同的发展需求和趋势。光组件技术的发展也至关重要，发射机技术要满足 WDM 传输的稳定要求，再生器技术要实现完全的 3R 再生。通过制定合理的策略应对这些挑战，有望推动 IP over WDM 网络的进一步发展，实现未来通信的环境智能愿景。

以下是一个列表总结各网络和组件的关键发展方向：
1. 网络方面
- GAN：长距离无再生传输技术优化
- WAN：网状网络建设，MEMS 交换技术应用
- MAN：高容量低成本技术选择
- AN：PONs 推广与低成本组件开发
2. 光组件方面
- 发射机：可调谐激光器和高速调制器研发
- 再生器：3R 再生技术提升

通过对这些方面的持续关注和研究，能够更好地把握未来 IP over WDM 网络的发展方向。