作者：曹畅等
出版社：电子工业出版社
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光传送网：前沿技术与应用试读：
前言
光纤通信系统自20世纪70年代开始商用以来，共经历了三个发展阶段。第一个阶段是传输媒质由多模光纤转向单模光纤的探索阶段；第二个阶段是充分挖掘单模光纤能力，光纤通信迅速代替电缆通信成为传输主流技术的发展阶段；第三个阶段是以DWDM和EDFA的广泛应用为标志，光纤由点到点通信走向网络全连接通信的成熟阶段。光传送网就是第三个阶段的产物，具有大容量、易于管理、灵活性和透明性高等一系列优势。步入21世纪以来，光传送网除了承载语音、信令等传统电信业务以外，其越来越多的需要是为蓬勃发展的IP数据业务提供快速、灵活、高效的传输通道，并且还要努力降低自身成本，为运营商的全业务经营提供便利。基于以上要求，近年来光传送网的发展体现出超高速、智能化和分组化三大主要特征。
实现超高速的传输速率，不断提升系统容量是光纤通信永恒的追求。在单通道10Gb/s和40Gb/s通信系统得到大规模应用之后，单通道100Gb/s的光纤通信系统已从2011年开始在国内外得到开通和运营。传输系统的关键技术，如调制码型、相干检测等在100Gb/s时代得到了广泛的统一，并且随着硬判决和软判决FEC的大量应用，通信系统传输能力和质量相比10Gb/s和40Gb/s系统有了质的飞跃，100Gb/s系统有望开创光通信的下一个黄金时代。在100Gb/s系统部署的同时，产业界已经就超100Gb/s（Beyond 100Gb/s）技术展开了讨论和标准化工作，相比100Gb/s技术，超100Gb/s技术（如400Gb/s技术）的传输效率更加接近香农极限，因而实现难度更大，需要引入多载波、灵活栅格等创新性技术，并且兼顾传输系统的容量和传输距离。
如上所述，未来光传送网的技术原理和系统设计将会远比当前的系统复杂，因而光传送网需要具备智能性，以应对多种因素对传输系统的影响。光传送网智能化的配置和管控将由目前的可选项变成未来的必选项。就全球而言，智能光网络已有十多年的发展历史，ASON/WSON等技术已在部分国家和地区部署，针对未来光网络建设面临的路由选择、流量规划、损伤评估等问题，业界已经在开发和研究PCE和SDN等技术，来实现光网络的集中控制与能力开放，更好地协调和调度波长、子波长、时隙、带宽等资源。
应对已经到来并不断增长的数据洪流，仅仅依靠承载网络的周期性扩容是难以实现的，光传送网必须探索由刚性管道向柔性管道的转变。在数据业务已占主导的移动回传网络，PTN和IP RAN技术可以实现对2G/3G/LTE数据业务的高效承载，这是传送网分组化的一次积极尝试。当前PTN技术的标准化工作已经接近完成，IP RAN设备也已相当成熟，对不同分组业务传送特性的研究将成为下一步的工作重点，即在关注网络设备QoS（服务质量）的基础上，需更加关注QoE（用户体验质量）。此外，以TDM为代表的传统电信业务在分组网络中的承载也需要不断地进行完善和优化。
本书结合光传送网超高速、智能化、分组化的发展趋势，以上述问题的研究思路和解决方案为主线，阐述当前光传送网发展中的应用场景、平面架构、关键技术、协议机制等，内容凝聚了笔者多年来的科研经验和实践总结。在本书编写作过程中，得到中国联通技术部张忠平总经理、中国联通网络技术研究院网络技术研究部王海军、张贺、张沛、黄永亮、简伟、沈世奎、满祥锟、师严、王硕等同志的大力支持。本书部分内容参考和引用了中国通信标准化协会（CCSA）和其他标准化组织的相关资料，以及本学科相关期刊会议的论文资料，在此一并对相关组织和作者表示感谢。
由于编者水平有限，本书中难免有错误或者不周之处，敬请广大读者批评指正。编著者2014年5月于北京第1章 概论
本章要点√ 光传送网发展的主要驱动力√ 光传送网中的关键技术√ 光传送网的主要应用场景√ 光传送网的体系架构√ 本书写作思路和章节安排
信息技术是当今世界经济发展和社会发展的重要驱动力，通信产业已经成为我国全面建设小康社会的战略性、基础性和先导性支柱产业。支撑通信产业的基础是高可信的通信网络，而以光纤为物理媒介的电信传送网则是整个通信网络的重要组成部分。自20世纪80年代以来，以密集波分复用（DWDM）技术和掺铒光纤放大器的发明为标志，光通信的发展不断加速，传输容量一直以每隔12个月左右翻一倍的速度递增，成为网络时代“超摩尔定律”的重要践行者。随着数据业务的迅猛发展和运营模式的不断更新，传统的中低速传送技术和面向电路的刚性管道已不能完全适应网络对大带宽、多等级分组数据传送和承载的要求，而超高速、面向分组的高性能传送技术则应运而生。
在全球主要运营商的网络中，超高速DWDM、大容量光传送网（OTN）、智能控制等技术层出不穷，并且为了适应网络业务IP化转变的需要，以PTN、IP RAN为代表的分组传送技术在短短几年内已经大规模部署，极大地缓解了运营商网络的承载压力。本章内容将从光传送网发展的主要驱动力入手，阐述目前光传送网的主要技术以及它们所适用的部署场景，最后介绍光传送网的功能架构和传送平面、控制平面、管理平面的主要概念。1.1 光传送网发展的主要驱动力
技术的发展和业务的发展如同汽车的前后轮一样共同驱动着光网络高速向前发展，两者缺一不可，如图1-1所示。业务的发展引领了光网络的带宽需求、智能需求和弹性需求，指导着未来光传送网发展的方向；光学、电子学和计算机领域的技术进步则是光传送网坚实的推动力，每一次关键技术的突破对光网络的发展都具有重要意义，往往带来产业界巨大的机遇。从当今时代的业务需求和技术发展水平来看，下一代光传送网络发展的驱动力可以归结为四个方面：宽带化驱动、分组化驱动、智能化驱动和扁平化驱动。图1-1 光网络发展与汽车的前后轮驱动关系图1.1.1 宽带化驱动
近年来，随着高清视频，在线游戏和高可靠数据业务的飞速增长，骨干光传送网的网络容量亟须扩容。而且在互联网运营商OTT业务的冲击下，VOD、CDN等系统的部署方式也在不断转变，这些对城域光传送网的容量和组网方式也带来了较大影响，从整体上来看，DWDM/OTN系统已经呈现出长距离和大容量传输的趋势。
超大容量、超长距离的传送通道一直是光传送网络的立足之本，光传输技术的发展趋势如图1-2所示。目前，电信网络中以GE/10GE/40GE、2.5Gb/s/10Gb/s/40Gb/s POS接口为代表的大颗粒宽带业务大量涌现，飞速增长的数据流量需求直观地引导着光传送网络的发展，推动光传输技术不断前进。从单信道速率（单波长速率）来看，100Gb/s的系统已经开始在国内外大规模商用，400Gb/s的系统也已在实验室完成研发，并有部分的部署案例。单信道容量为11.2Tb/s的系统在实验室已经实现；从单纤信道数来看，C波段80波系统、C＋L波段160波系统已经成熟商用，单纤432波、波长间距25GHz的试验系统已经实现；从整个传输系统的总容量来看，单纤10Tb/s技术已经完全突破，目前单纤容量最高已经达到69.1Tb/s，正在逼近100Tb/s。这些都表明下一代光传送网络有能力为未来业务提供大容量传输平台。图1-2 光传输系统的发展趋势
超长距离传输能有效地降低系统成本并提高系统的可靠性，所以也备受产业界的青睐。随着分布式喇曼放大器、超强前向纠错技术、高速信号调制与接收处理技术、色散管理与相干检测技术、PMD补偿技术、光子集成技术和严格的光域均衡技术的使用，全光网传输的距离也在大幅度增加，部分厂家研发的系统已经达到4000km以上。1.1.2 分组化驱动
随着IP业务的快速增长，宽带数据业务已在固定和移动的方方面面取代了传统电信网中以话音为主的业务形态，与基于TDM技术的话音承载系统不同，IP业务天生具备的突发、抖动等统计复用特性要求承载网络更具备灵活性，在满足高可靠要求之外，还要高效率地支持多种业务的综合接入。因此，未来的光传送网络必须满足从分组到波长的传送需求，支持PDH、IP、Ethernet、SDH和ATM等多种业务。同时，下一代网络基于分组技术，必须支持用户层次与业务需求的多样性，在为业务提供服务质量（QoS）的同时，网络经营者需更多地关注业务的体验质量（QoE）。多业务的支持能力同时要求光传送网络具有开放性和可扩展性，能够适应未来业务的需求，为未来业务提供开放的接口。
同时，传送网所承载业务的分组化趋势并不意味着传送网的完全IP化。数据网络的可靠性、生存性和管理维护方面与电信级网络还存在着很大的差距，如路由器的连接可用率通常仅可达到99.9％左右（1～2个9），与电信网络所要求的99.9999％（4～5个9）不可同日而语。在经济有效的光层带宽复用和调度技术出现之前，仍然需要一个智能的传送层将各类业务高效、灵活地填充到光纤巨大的带宽通道中去。传送网面向分组的演进历程中出现的主要代表技术如图1-3所示。图1-3 传送网技术的演进历程1.1.3 智能化驱动
与传统的电信业务相比，IP化的电信业务具有更高的动态特征和不可预测性，所以需要承载业务的光传送网具备更高的灵活性和智能化功能，以便在网络拓扑及业务分布发生变化时能够快速响应，实现业务的灵活调度。
智能化是光传送网络发展的一个方向，它反映了光网络体系的重大变革。作为网络智能化代表的ASON技术，在这些传送平面的技术之上提供了智能化的功能。随着光传送网络从传统的点到点、环形组网向复杂的网状网方向演进，下一代光传送网络必须在传送上融入交换，使网络具有更高智能性和动态的建路、拆路功能，同时提供更高效的保护和恢复机制、灵活的可扩展性和交互的流量工程能力。传统的光传送网引入ASON以后，多层复杂网络结构得以简化，光网络层开始直接承载业务，避免了传统网络升级时受到的多重限制，可以满足用户对资源动态分配、高效保护恢复能力以及波长应用新业务等方面的需求，是一次传送网的重大突破。随着DWDM网络速率的不断提高，未来光传送网中传输码型、FEC方式、栅格结构等都将成为智能光网络需要控制的关键要素，光传送网的智能控制技术将会有巨大的用武之地。因此可以说，光传送网是否智能，将成为未来电信网性能优劣的主要考量指标。未来智能化的光传送网具有4个主要特征，如图1-4所示。图1-4 智能光传送网的主要特征● 业务发放更快：主要指端到端网络建设周期短，端到端建设的管
道调度速度快。● 承载效率更高：任意的业务颗粒都能汇聚到任意的管道中传送，
不同业务分级合理占用带宽资源，避免资源过占用。● 网络生存性更强：大带宽网络更需要高可靠性，互联网业务需要
更高网络性能，端到端性能监视确保服务质量。● 控制方法更便捷：控制界面和操作的便捷与易用，控制方法的统
一和软件的兼容。1.1.4 扁平化驱动
在当前网络发展的转型阶段，网络技术不断走向融合，这种融合主要表现在层级架构方面，这其中最典型的就是传统传送网络和承载网络的融合。随着业务IP化和OTT带来的冲击，运营商营业收入的增长压力越来越大，因此简化网络层级，减少功能重叠，节约投资是目前运营商网络建设的主要目标，IP和光层的融合和协调发展成为光传送网发展的主要趋势。随着IP承载网所需要的电路带宽和颗粒度不断增大，以VC调度为基础的SDH网络首先在扩展性和效率方面呈现出了明显的不足，SDH设备对GE以上速率的大颗粒IP业务交叉效率低、带宽收敛性能差，为了适应IP业务发展的需要，在光层网络上直接承载IP/MPLS的扁平化架构已经是大势所趋。如图1-5所示，原有IP over Ethernet over SDH over WDM的承载形式将向着IP/Ethernet over OTN/WDM的方式转变。图1-5 业务承载方式的扁平化
目前，基础承载网络是由“IP”和“光”组成的重叠型网络，IP与光网络节点重合。IP层与光层互不感知，IP层面的控制信息不流入光层，光层通过静态指配建立“管道”。光网络作为IP网络的管道，通过预先静态配置，实现路由器之间的互连，所有分组的交换均在路由器中完成。这种承载模式采用静态优化方案，通常需要通过人工的网络规划和静态配置来实现。面对上述现状，如果引入光层和IP层协同工作的机制，并在此基础上采用实时优化的方案，就能够有效地配置网络资源，简化设备形态，提升生存能力，缓解扩容压力。目前在研的光与IP协同技术及分类如图1-6所示。图1-6 光与IP协同机制研究点与分类1.2 光传送网中的关键技术1.2.1 光波分复用（WDM）技术
光波分复用技术是指在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。它的基本原理如图1-7所示，是在发射机端将不同波长的光信号通过光合波器组合（复用）在一起，再经过光合路平台送入光缆线路向光传送网的另一端进行传输，在接收机端再将组合的不同波长的光信号用光分波器分开（解复用），并做进一步处理，恢复出源信号后送入不同的终端。因为复用是在光域上进行的波长分割复用，所以可称其为光波长复用。采用波分复用技术的突出优点是可以极大地提高光纤的传输容量，充分利用光纤的带宽资源，提高通信系统的容量。图1-7 光波分复用技术原理
通过波分复用技术，可以生成光网络的WDM层，承载SDH业务、IP业务和ATM等业务，并且系统扩容时只需要增加波长（信道数）即可，类似于在一根实体的物理光纤上虚拟出了很多光纤通道，每个通道都具备10Gb/s乃至更高的速率。按照被复用的波道间隔不同，波分复用技术可分为两类：密集波分复用技术和粗波分复用技术。DWDM是指相邻波长间隔较小的WDM技术，工作波长位于1550 nm窗口，在一根光纤上可以承载40～80波，最高可达160波，无电中继条件下的传输距离往往可达1500km以上，主要用于运营商骨干网的长途干线传输。CWDM是指相邻波长间隔较大的WDM技术，相邻波道的间隔一般不小于20 nm，波长数目一般不超过16波，使用1200 nm至1700 nm的窗口传输。CWDM技术以短距离、低成本而著称，主要通过使用非制冷和放宽要求的激光器及光滤波器来降低DWDM系统的成本，是一种新的、便宜的波分复用技术。CWDM技术的主要应用场合包括城域网的汇聚层和边缘层等，满足多业务、多协议的城域网建设要求。
DWDM系统组成原理如图1-8所示，主要包括波长转换器、合分波器、光放大器等。波长转换器（OTU）的功能是完成G.957光信号到G.692固定波长光的转换。合波器和分波器完成G.692固定波长光信号的合波和分波。光放大器包括BA、PA、LA。BA是功放，通过提升合波后的光信号功率，从而提升各波长的输出光功率；PA是预放，通过提升输入合波信号的光功率，从而提升各波长的接收灵敏度；LA是线放，完成对合波信号的纯光中继放大处理。图1-8 DWDM系统组成原理
波分技术是整个光传送网的基础，也是国际国内标准化组织工作的重点。自单信道速率2.5Gb/s的波分系统商用以来，国际上以ITU-T SG15和OIF，国内以中国通信标准化协会（CCSA）TC6为代表，先后出台了一系列标准规范DWDM的运行参数和维护指标，其中部分标准如表1-1所示。表1-1 与DWDM高速传输系统相关的标准1.2.2 OTN技术
传统的点到点WDM系统在结构上十分简单，可以提供大量的原始带宽。但是传统的WDM结构要求每一个方向的每一个WDM通路都实施物理终结，靠手工进行大量的光纤跳线的互连，造成了高额终结成本和运行成本。为了改变这一状况，就需要有大量、灵活的网络节点才能实现高效的灵活组网能力，实现光层联网。因此，1998年ITU-T提出了光传送网（OTN）的概念。OTN是继SDH和WDM之后新一代基于更大带宽粒度的光网络传送和组网技术。OTN技术吸收了SDH技术和WDM技术的优点，摈弃了其中的不足，并且兼容SDH和WDM网络，这使得OTN技术必然成为光网络发展的主流趋势。相对于SDH和WDM，OTN主要在以下两个方面具有明显优势。（1）统一传送网的传送层标准
传送网从业务处理方式上可分为接入层、汇聚层和传送层。传送层原来的事实标准是SDH，但SDH太多地兼顾了接入层和汇聚层技术，不适用于传送层，所以ITU制定了OTN，专门加强了传送层的功能，减弱了接入和汇聚功能，希望能将所有业务的传送层统一成一个标准，以便于实现不同厂家设备的互通。（2）提供更好的管理功能
OTN更加强调面向传送层的网络管理和维护功能，为实现这些功能制定了丰富的维护管理开销，并对这些开销的功能和实现给出了详细的定义，有利于实现管理维护信息的互连互通。1．OTN网络分层结构
OTN网络从垂直方向分为光通路层网络（OCh）、光复用段层网络（OMS）、光传输段层网络（OTS）。光通路层网络又分为3个子层网络：光通路数据单元（ODUk，k＝0、1、2、2e、3、4）子层网络，光通路传送单元（OTUk，k＝1、2、3、4）子层网络和光通路子层网络（OCh），如图1-9所示。图1-9 OTN网络分层结构
图1-9中OTN网络各层的含义如下。
光通路子层网络（OCh）。通过光通路路径实现接入点之间的数字客户信号传送。为各种类型的用户信号（如SDH、以太网、IP、ATM等）提供端到端的组网功能，每个光通路OCh占用一个光波长。
光通路数据单元（ODUk）。通过ODUk路径实现数字客户信号（如SDH、以太网等）在OTN网络端到端的传送。以OPU为净负荷，增加相应的开销，提供端到端光通道的性能监测。
光通路传送单元（OTUk）。通过OTUk路径实现客户信号ODUk在OTN网络3R再生点之间传送。以ODU为净负荷，增加相应开销，主要提供FEC功能与对OTU段的性能监测。
光通路子层网络（OCh）。通过OCh路径实现客户信号OTUk在OTN网络3R再生点之间透明传送。
光复用段层网络（OMS）。通过OMS路径实现光通路在接入点之间的传送，为经过波分复用的多波长信号提供组网功能。采用n级光复用单元（OMU-n）表示，其中n为光通路个数。
光传输段层网络（OTS）。通过OTS路径实现光复用段在接入点之间的传送，提供在光纤上传输光信号的功能。可由物理信号描述，即n级光复用段和光监控通路，具体表示为n级光传输模块（OTU-n）。2．OTN技术标准化进程
2000年之前，OTN标准基本采用了与SDH标准相同的思路，以G.872光网络分层结构为基础，分别从物理接口、节点接口等几个方面定义OTN。2000年以后，由于自动交换传送网络的出现，OTN标准化发生了重大的变化。标准中增加了许多智能控制的内容，如自动路由发现、分布式呼叫连接管理等被引入了控制平面，以利用独立的控制平面来实施动态配置连接管理网络。另外，对G.872也做了较大修正，针对自动交换光网络引入的新情况，对一些标准进行了修改。涉及物理层的部分基本没有变化，如物理层接口、光网络性能和安全要求、功能模型等。涉及G.709光网络节点接口帧结构的部分也没有变化。变化大的部分主要是分层结构和网络管理。另外，引入了一批新标准，特别是控制层的标准。ITU-T开发的光传送网系列标准主要包括如下内容。
G.871标准。G.871标准定义了光传送网框架结构。其目的是为了协调ITU-T内对OTN标准的开发活动，以使开发的标准包含OTN的各个方面并保证一致性。该标准提供了用于高层特性定义的参考、OTN各个方面相关标准的说明及相互关系和开发OTN标准的工作计划等。该标准为滚动型标准，主要介绍光传送网标准化进程，它没有一个稳定文本，标准实时地根据标准化状态更新。
G.872标准。G.872标准定义了光传送网结构。其基于G.805的分层方法描述了OTN的功能结构，规范了光传送网的分层结构、特征信息、客户/服务层之间的关联、网络拓扑和分层网络功能，包括光信号传输、复用、监控、选路、性能评估和网络生存性等。
G.874标准。G.874标准定义了OTN的一层或多层网络传送功能中的OTN网元的管理。光层网络的管理应与客户层网络分离，使其可以使用与客户层网络不同的管理方法。G.874标准描述了网元管理层操作系统和光网元中的光设备管理功能之间的管理网络组织模型，还描述了网元层（NEL）操作系统之间和NEL（操作系统）与NEL之间通信的管理网络组织模型。
G.709标准。G.709标准定义了光网络的网络节点接口。标准规范了光传送网的光网络节点接口，保证了光传送网的互连互通，支持不同类型的客户信号。标准主要定义OTM-n及其结构，采用了“数字封包”技术定义各种开销功能、映射方法和客户信号复用方法。通过定义帧结构开销，实施光通路层功能；通过确定各种业务信号到光网络层的映射方法，实现光网络层面的互连互通。
G.798标准。G.798标准采用G.806规定的传输设备的分析方法，对基于G.872规定的光传送网结构和基于G.709规定的光传送网网络节点接口的传输网络设备进行分析。其功能描述是总体性的，不涉及物理功能的具体分配。定义的功能适用于光传送网UNI和NNI，也可应用在光子网接口或与光技术相关的接口。
G.7710标准。G.7710标准定义了通用设备管理功能要求。该标准定义的单元管理功能对网络中各种复用传送技术是通用的，与具体实现技术无关，这些功能包括日期和时间、故障管理、配置管理和性能管理。光网络中的网元节点不一定全部支持和具备这些功能，其支持程度应根据该网元在网络中的位置与连接功能来确定。1.2.3 ASON/WSON技术
ASON（Automatically Switched Optical Network）在ITU-T的文献中被定义为“通过能够提供自动发现和动态连接建立功能的分布式（或部分分布式）控制网络，在OTN或SDH网络之上，实现动态的、基于信令和策略驱动控制的一种网络。”它的核心内容是在光传送网络中引入了控制平面，实现了网络资源实时和动态的按需配置，能够自动优化网络带宽资源，实现对网络的流量工程要求，从而使光网络具备了智能化的特征，通常对具备ASON功能的光网络也称之为智能光网络。
1999年，由Nortel和Lucent首先在T1X1.5会议上提出了自动交换光网络（ASON）的研究点和研究要求，初步确定了自动交换光网络（ASON）控制平面独立于传送平面的基本框架。从2000年开始，国际上很多标准化组织与相关论坛纷纷展开光网络智能化研究，这些组织之间既有重叠，又互为补充，且其目标是制定开放式的、通用的智能化光网络，以及相对应的标准接口、动态配置与自动交换控制协议，以便设备商们的设备在光网络中具有连通性。自动交换光网络（ASON）用光传送网作为基础，能够在信令控制下自动完成光网络交换连接功能。1．ASON体系结构与标准化
当前涉及ASON标准化工作的组织有ITU-T、OIF、IETF等。到目前为止，已有大量的自动交换光网络（ASON）的标准及草案面世。其中，ITU-T的ASON标准体系是自上向下的设计思想，主要规范ASON体系结构，ITU-T已经在ASON体系结构总体要求、信令、分布式呼叫与连接管理、路由协议、自动发现、DCN、控制平面初始化和网络管理等方面也给出了框架结构与协议规范，如G.771x系列、G.8080和G.8081。而ITU-T的ASON标准体系在管理平面等方面的ASON标准架构如图1-10所示。图1-10 ASON标准架构（1）网络架构● G.871建议光传送网的框架结构。● G.872阐述光传送网的框架结构。（2）传送面● G.693阐述光网络局内的物理接口。● G.709阐述光传送网的节点接口，包括开销规定与帧结构。● G.959.1阐述光传送网域间的物理接口。（3）管理面● G.7710阐述公用设备功能管理。● G.874阐述光传送网（OTN）网元管理。● G.8741阐述光传送网（OTN）网络单元信息模型。（4）控制面● G.7713阐述DCM信令，以及协议独立的分布化呼叫与连接控制
信令。● G.7714阐述ASTN/ASON中的自动发现技术。● G.8070阐述自动交换传送网（ASTN）的总体要求。● G.8080阐述自动交换光网络（ASON）结构。● G.8081阐述ASON的术语和定义。● G.8081/Y.1353Am.2是对ASON术语和定义的增补件。（5）数据通信网：该网络的体系结构与规范由G.7712定义
IETF对因特网中所用的核心技术进行开发与标准化工作，重点规范相关信令与协议。早在2001年，IETF就提出了面向光网络控制的通用多协议标记交换（GMPLS）技术，针对智能光网络的控制协议，形成了体系结构、信令、链路管理、路由、恢复等正式RFC。ITU与IETF对智能光网络工作的区别在于：ITU主要关心整体结构组成元素的标准化，而IETF则侧重于开发用来支持整体光网络结构的工具和协议族。2．WSON技术与标准化
传统的WDM网络是一种点到点的静态网络，而智能光交换技术的出现，如ROADM技术以及自动交换光网络（ASON）的发展，使得波分网络的动态化成为可能。波长交换光网络（Wavelength Switched Optical Network，WSON）是基于WDM传输网的自动交换光网络，WSON通过将控制平面引入到波长网络中，主要采用通用多协议标签交换（GMPLS）和路径计算单元（PCE）等控制平面技术，来实现波长路由的动态调度，通过光层自身自动完成波长路由计算和波长分配，实现波长调度的智能化，提高WDM网络调度的灵活性和网络管理的效率。
在波长交换光网络中，光路径的配置受到底层物理传输系统和链路层物理特性的诸多限制。例如，在WSON中，路由和波长分配需要考虑的设备单元包括波分复用链路、可调谐激光器、可重配置的光分叉复用器（ROADM）以及波长转换器。对于光层的损伤，在接入、城域和长距WSON系统中考虑的技术因素各不相同。因此，在WSON网络中，为了实现动态的光波长/时隙路径建立，就需要对现有的GMPLS和PCE控制平面协议进行扩展，通过静态配置或者动态监测等手段，获取底层的物理层信息，通过动态信令和路由控制，完成端到端光路径的配置。
2007年6月，华为公司首次提出波长交换光网络（WSON）的概念，并正式向IETF提交了WSON框架及需求草案，此后IETF工作组在相关的标准化方面做了大量的工作。截至目前，IETF已形成WSON工作组文稿10篇，其中重要的草案包括如下内容。
WSON网络GMPLS和PCE控制架构。在IETF草案中，介绍了基于PCE（Path Computation Element，路径计算单元）和GMPLS、支持子系统的控制平面结构，主要包括可调节激光收发器、波分复用链路、波长转换器以及ROADM；对RWA过程中的需求信息进行了分类，提出了以下几种备选控制平面方案：
WSON中路由和波长分配的通信信息编码格式；WSON中路由和波长分配的通信信息模型；WSON中路由和波长分配的PCEP需求扩展；扩展了GMPLS信令协议，以支持WSON网络；通过扩展PCEP（Path Computation Element communications Protocol），以支持WSON中的路径计算功能；WSON中路由和波长分配的PCEP（Path Computation Element communications Protocol）需求以及扩展。
WSON中支持RWA的OSPF协议扩展；介绍了在物理损伤约束条件下，WSON网络结构所需的扩展；针对物理损伤的光路径校验信息模型。1.2.4 PTN与IP RAN技术1．PTN技术
2005年以后，越来越多的专家提出在IP交换层和WDM承载层之间引入一个基于分组交换内核的传送层，从根本上解决分组业务的适配问题，并利用伪线技术来适配TDM业务，实现传送网由同步复用至统计复用的平滑演进。依照该要求，分组传送（PTN）技术得以出现并快速发展。该技术一方面保持了传统SDH技术中网络扩展性强、操作维护功能丰富、保护倒换迅速等特点，同时还对数据业务提供了更好的承载特性，采用了基于统计复用的分组交换、面向连接的标签交换、区分服务的QoS机制、灵活动态的控制面等。为了更好地承载多等级业务，PTN技术还具有严格的QoS管理功能，对TDM、VoIP等高等级数据业务提供低时延、低抖动和高带宽保证。而针对宽带数据业务突发性强、流量不固定的特点，要求具有流分类、带宽管理、优先级调度和拥塞控制等能力。前几年，业界一般理解的PTN技术主要包括T-MPLS/MPLS-TP技术和PBB-TE技术。近期由于支持PBB-TE技术的厂商和运营商越来越少，国内已将PTN和MPLS-TP技术画上了等号。本书主要针对基于MPLS-TP的PTN技术进行研究。
MPLS-TP是一种面向连接的分组传送技术，它利用LSP/PW技术进行多业务传送。相对于MPLS，MPLS-TP对MPLS的某些功能进行了简化，去掉了MPLS不必要的转发处理；相对于伪线技术（PW），MPLS-TP吸收了多业务承载、CES技术等。更为重要的是，MPLS-TP拥有独立的分布控制平面用于控制标签的分发和面向连接的LSP的建立等，将GMPLS/ASON标准体系做了相应的修改以适应MPLS-TP，体现了分组和传送的融合。MPLS-TP吸收了3层IP、2层PWE3和1层TDM/OTN技术的优点，是融合发展的典范。
MPLS-TP网络从上至下可分为电路层（Channel，TMC）、通路层（Path，TMP）和段层（Section，TMS），客户层业务（以太网、IP、TDM或其他T-MPLS）信号从以太网电路层（EHC）或TMC适配到MPLS-TP传送单元（TTM）中传送，物理层可以是任意物理媒质。TMC层的连接跨越整个网络，关注端到端业务的SLA实现和Hard-QoS服务，它与业务是一一对应的关系，其交换行为发生在接入/城域边缘和城域/核心网边缘设备上。TMP连接的覆盖范围是单个网络域，关注汇聚、可扩展性和业务生存性，多个TMC映射到一个TMP实体，其交换行为发生在该网络中的每个中间节点上。如图1-11所示为MPLS-TP网络分层结构。图1-11 MPLT-TP网络分层结构
就MPLS-TP的标准化而言，由IETF和ITU-T两大标准组织组成联合工作组（JWT）共同完成。相关RFC和草案可以按照总体需求和框架、数据平面、管理平面、OAM、保护、控制平面、应用和互通等功能进行分类。图1-12所示为分别从IETF和ITU-T各自标准组织角度，分析了目前MPLS-TP标准的进展情况。图1-12 IETF和ITU-T的MPLS-TP标准的进展情况
在国内，CCSA TC6 WG1工作组早在2006年就开始了对PTN标准化研究工作，多个研究机构、运营商和制造商参与到标准化工作中，目前已经完成的两份研究报告为《T-MPLS技术》和《基于分组的传送网技术研究》，而仍然在研的3个项目分别是《分组传送网总体技术要求》、《分组传送网（PTN）设备要求》和《分组传送网（PTN）测试方法》。2．IP RAN技术
最初的“IP RAN”是IP化的RAN，是指在3G的Iub接口引入IP传输技术，实现Iub接口的IP传输，IPRAN也就是利用IP传输技术取代ATM、SDH技术的RAN解决方案。因此，广义的IP RAN并不特指某种具体的网络承载技术或设备形态，MPLS-TP、IP/MPLS、增强以太网都是可供选择的方案。
在IP化的RAN解决方案中，思科将其提出的IP/MPLS-IPRAN方案直接命名为“IPRAN”，由于其在数据通信行业的强势地位和影响力，“IPRAN”已经演变成为在城域网内针对基站回传应用场景进行优化定制的以IP/MPLS技术为核心路由器的解决方案。这一定义也逐渐被综合业务运营商和设备厂商所接受。近年来，IP RAN技术越来越多地受到了国内外众多运营商的青睐。IP RAN从数据网络演进而来，采用动态寻址技术，以路由器为主构建承载网络，网络更加智能，更容易应用于全IP网络。IP RAN有效地提高了IP网络的可靠性和可用性，使之达到电信级的传输性能，能提供TDM、ATM等多业务的承载和融合能力，使IP网络成为理想的多业务传输平台。
IP RAN的技术核心是IP/MPLS，本质上采用路由器架构，即采用路由协议、信令协议，动态建立路由、转发路径、执行故障检测和保护，并且兼容静态的配置和管理。说IP RAN是定制化的路由器解决方案，是因为除了要支持IP/MPLS的相关协议和功能外，还须支持同步技术和配套增强型的图形化网管，并且能互连互通同构、异构型网络。
IP RAN设备有控制层面，依靠设备之间的路由协议报文交互，能自动发现网络拓扑的变化，并将信息泛洪到全网，然后各路由器重新计算路由更新路由表，达到全网同步。因此，在工程开通初期，虽然要配置路由协议，但是在每个设备上的配置工作量并不大，仅需开启某路由协议、建立邻居关系、宣告直连路由，后续的全网同步交由协议报文和路由算法自动完成。当有新增业务路由加入时，仅需要在本地路由器上添加少量配置；当有新增设备入网时，也只需要在此设备和相邻设备之间做少量配置。当某节点或链路失效时，即使没有预先配置保护路径或保护路径失效，全网也能自动计算出新的路由，而无须人工参与，组播技术支持IPTV业务的开放和部署。对于少量开展IPTV等业务的城域网，IP RAN可支持基于IGMP、PIM组播路由协议的三层组播和基于IGMP-Snooping的二层组播，提供完善的IPTV解决方案。
除了关键的路由技术之外，可靠性和安全性技术为IP RAN网络提供电信级的质量保证。作为承载电信级业务的城域分组传送网，应能为政、企专线业务提供类似物理专线的服务质量，移动业务在网络故障时应无损伤，客户无明显感知。IP RAN可通过BFD、MPLS-TP OAM等提供对节点、链路、LSP隧道和业务级的监控，通过VRRP，LSP 1∶1、FRR技术保证当不同层次的物理节点发生故障时，提供对隧道、业务的快速切换。而BFD联动路由协议可加快协议的收敛速度，BFD联动保护倒换机制可加快故障的恢复速度。IP RAN设备通过多种安全机制可有效地防范各种基于IP、MAC、TCP/UDP等类型的网络攻击、病毒冲击和欺诈，保证网络安全稳定地运行。
IP RAN的同步技术为3G，LTE技术提供低成本、安全性高的网络定时解决方案。IP RAN通过同步以太时钟、IEEE1588V2 时间同步机制等，能够满足传统TDM、2G/3G无线基站之间的时钟频率同步需求以及LTE时代对相位同步的高精度同步要求，从而节省由于移动接入网络的苛刻需求带来的大量GPS开支，使得每一个终端用户都能享受到优质的业务质量。
IP RAN QoS技术为并存的不同种类业务提供差异性化的服务。针对最为核心的移动业务，要求网络能够根据3GPP对不同类型业务的规定，提供严格的QoS保证，提升用户体验。而在多业务并存的情况下，不同业务对时延、抖动和丢包率的要求差异化越发明显。IP RAN通过提供Diffserv模型下的流量分类和标记技术、监控技术、队列调度技术、拥塞避免技术等，能够与不同SLA的需求相匹配，利于运营商对管道的运营，以及有效促进商业模式的转变。同时，通过多级QoS技术，对业务的区分能够更加精细化，丰富计费策略。
从技术成熟度、标准化及实际应用上来看，IP/MPLS的路由器已很成熟。随着IP/MPLS路由器在IP骨干网，NGN承载网，IP城域网的广泛应用，各种技术已炼就得炉火纯青，因此，IP RAN相对于其他城域分组传送技术，具有显著的技术优势。
由IP RAN设备组成的移动承载网络分层架构如图1-13所示。其中核心层使用SR/CR/RAN CE设备，目的是实现接入汇聚层流量全局灵活调度。核心层的特点是网络节点少，带宽压力大，考虑到生存性的要求，建议使用双上行/Mesh组网。IP RAN汇聚层由AGG设备组成，汇聚层主要实现流量和端口的收敛，并将动态调度功能向下延伸。汇聚层网络节点较多，带宽压力较大，推荐使用环形/双上行组网的方式。IP RAN网络接入层由CSG设备组成，该设备作为接入末端业务节点，实现传输设备与基站的末端连接功能。在接入层网络节点极多，而单节点的带宽压力则相对较小，推荐使用环形/链形/双上行组网的方式。图1-13 IP RAN移动承载网络分层架构1.3 光传送网的主要应用场景1.3.1 国家干线光传送网
随着网络及业务的IP化、新业务的开展及带宽用户的迅猛增加，国家干线上的IP流量剧增，带宽需求逐年成倍增长。目前我国主要的国家干线网络包括中国电信运营的China 163和中国联通运营的China 169等，它们主要承载流量快速增长的公众上网和数据中心等业务。由于承载业务量巨大，国家干线的波分系统对大容量的DWDM技术需求十分迫切。自2008年以来，中国电信和中国联通都已经引入了40G DWDM技术，并逐步覆盖了国家干线的各主要链路。2012年以来，随着100G技术商用的成熟，中国移动和中国电信均开始大规模采购100G系列板卡，中国联通也在北方业务量较大的山东、河南等省份建设了100G波分平台。为了更有效地使用IP网络资源，提高中继电路的利用率和提高网络运行质量，国内三大运营商都已经开始探索在长途骨干网中引入OTN平台的必要性。利用大容量OTN交叉设备，可以实现大颗粒波长通道业务的快速开通，提高业务响应速度。同时，如果在OTN平台上加载ASON智能控制平面后，还可以提供基于ASON的多种保护恢复方式，提高骨干传送网的可靠性。结合上述各种技术，可以绘制未来运营商国家级干线网络全景图，如图1-14所示。图1-14 国家级干线网络全景图
在图1-14中，国家级干线网络分为两个层级，一般选择在北京、上海等特大城市建设超核节点，负责路由转发和与其他运营商网络的互连互通，其他各省可以设置核心节点，采用双归属的形式连接到两个超核节点，其余地市出口路由器再和该省的核心节点相连。由于超核节点的连接拓扑复杂，可考虑率先引入OTN交叉技术，并且通过ASON控制超核节点之间的路由并进行灾备处理。从网络层级来看，如果采用IP over SDH over WDM的业务承载模式，可利用SDH实现对业务的保护。但SDH交叉调度颗粒太小，随着IP业务带宽颗粒的进一步增大和10G POS接口的大量采用，这种承载模式将使SDH设备的复杂度大大增加，保护效率降低，成本迅速提高。
因此，目前研究人员正在积极探索引入OTN交叉设备优化现有IP网络的组网结构，以求大幅度节省路由器组建IP承载网络的成本。其应用方式为：IP网络的转接业务不再进入路由器实现中转，而是通过OTN设备在传输层直接完成转接，从而节约路由器的接口数量并降低路由器容量的要求。OTN设备提供的灵活保护恢复机制可以有效地解决IP网络中继电路故障问题，提高网络生存性，可以减少全部依赖路由器保护场景下的链路冗余要求，提高链路利用率，降低IP网络的建设成本。该IP与光融合的节点可以首先应用于图1-14中的超核节点。1.3.2 省内/区域干线光传送网
省内长途传送网主要是为数据网络路由器间的骨干链路以及省内SDH网络提供波长信道，承担业务的上下和传送，不需要进行复杂的业务调度和交叉。因此，使用的OTN设备应支持波长级别单通道CLI、全面的OTN开销（要求符合G.709规范）、OSC光监控信道管理（包括公务电话和OTS、OMS、OCh层开销管理）、波长上下功能和OLP系统保护等。
在省内/区域干线光传送网中，OTN技术在光层上完成业务信号的传送、复用、选路、交叉和监督等功能，并保证业务信号良好的性能指标和生存性。同时OTN技术还与多种上层网络技术能够灵活对接。而PTN/IP RAN技术具有良好的可扩展性，丰富的OAM功能和保护/恢复机制，考虑到未来城域网络主要承载分组业务的需求和与骨干网的灵活对接要求，PTN/IP RAN over OTN的网络架构已经成为未来光网络演进的主要方向。在这种场景中，PTN/IP RAN技术可以不受原有设备的制约，以mesh结构进行组网，建设一个独立的城域分组业务承载平面。鉴于这里不涉及与原有设备的互通问题，PTN/IP RAN over OTN的组网模式与前一组网场景相比，在端到端的业务提供方面（如OAM、网络管理、QoS、保护恢复和时钟传送等）具有明显的优势。PTN/IP RAN over OTN网络架构如图1-15所示，这里接入侧PTN/IP RAN网络采用mesh组网的方式，建立端到端的LSP来保证业务传送的QoS和OAM，并满足不同的宽带接入需求。而核心侧则采用OTN组网的方式，通过IP＋ROADM的架构，来保证波长和子波长的灵活调度，以求更好地对数据业务进行处理。图1-15 PTN/IP RAN over OTN网络架构
随着省内干线网络承载的业务量越来越大以及大客户业务颗粒的逐渐增大，业务的灵活调度和生存性问题日益突出。为了提高网络运行质量，更有效地使用传送网络资源，提高中继电路利用率，在省内长途传输中，有必要应用大容量的OTN节点作为调度枢纽。大容量的OTN交叉设备内嵌了ASON/GMPLS分布式控制平面后，能够提供多种保护恢复方式和优先级抢占功能，极大地提升省干传送网的可靠性。1.3.3 城域光传送网
为了提高光纤利用率，在城域网/本地网中建设波分系统是必然的趋势，基于波长级颗粒调度的OADM/ROADM是目前比较切合实际的选择。但对于子波长颗粒GE、2.5G等业务，OADM/ROADM并不是一种很好的解决办法。加之它本身存在的波长受限、恢复速度慢等缺陷，该方式需要与其他技术配合应用才可以实现城域网的多方面需求。
在城域网中采用OTN交叉设备，由OADM/ROADM实现波长级的调度和保护，由OTN交叉设备完成子波长级（GE，2.5Gb/s）的调度和保护是一种比较可行的应用方式，如图1-16所示。图1-16 OTN交叉设备和ROADM联合组网示意图
OTN设备在城域传输网内主要解决骨干节点间10GE、10GPOS等大颗粒业务传送问题以及部分本地网市到县长距离业务传输问题，在OTN设备支持新版本标准后，通过增加ODU0信号，实现GE信号的灵活上下以及多种保护方式，增加ODUflex实现其他多种非标准信号的高效承载，使OTN设备在城域传输网中图1-17 PTN/IP RAN建设城域光传送网的应用进一步推广。除了OTN设备以外，PTN/IP RAN设备近年来在城域网中得到了广泛的部署。在PTN/IP RAN组成的城域网中，一般可分为核心层、汇聚层和接入层三个层级，其中接入层又可分为若干综合接入区，如图1-17所示。核心汇聚层为整网骨架，关注网络安全性和可扩展性，包括基础架构、光缆网和传输系统三部分。综合接入层面向市场业务需求，关注业务快速、高效接入，它的传输系统主要满足IP化、大带宽业务需求，提升综合业务承载能力。目前PTN/IP RAN网络主要用于承载移动回传业务，在3G时代接入层采用GE或10GE端口组环，连接基站上联的FE端口，接入环一般可接6～8个基站。1.4 光传送网的体系架构
根据原ITU-T G.8080标准对光网络功能框架的定义，光传送网由控制平面、管理平面和传送平面构成，如图1-18所示。其中，控制平面仍然依照ASON/GMPLS协议进行实现，主要功能包括动态建立波长/时隙/ODUk转发路径、不同类型与等级业务的标签分发、链路资源管理等。对于同样使用GMPLS/ASON协议的另一服务层网络（如带有控制平面的PTN网络），可以比较容易地实现控制平面的统一管理与互连互通，从而使其传送平面可以同时进行分组业务、TDM电路业务转发和波长通路的转发，有利于多种网络形态的融合。传统的光传送网管理体系被基于传送平面、控制平面和信令网络的新型多层面管理结构所替代，构成了一个集中管理与分布智能相结合、面向运营者（管理平面）的维护管理需求与面向用户（控制平面）的动态服务需求相结合的综合化的光网络管理方案。ASON的管理平面与控制平面技术互为补充，可以实现对网络资源的动态配置、性能监测、故障管理以及路由规划等功能。图1-18 光传送网体系结构1.4.1 传送平面
传送平面提供网元之间双向或单向的信息传送，也可以提供控制和网络管理信息的传送，并且是信息传送过程中OAM和保护恢复功能的具体执行者，同时还要确保所传信号的可靠性。以分组传送网为例，目前传送平面的功能实现都是基于标签转发来完成的。业务在进入光传送网边缘节点时建立一个属于该业务自身的传输隧道，如图1-19所示。其中网络又可以分为接入部分和核心部分，每一部分都可以有自己独立的标签规则，并支持多级标签的嵌套。业务在各级PTN网络中通过标签交换实现路由和转发的功能，直到业务离开某一级的网络，该级网络所对应的标签栈才被去除。承载平面操作独立于业务应用（IP/MPLS、以太网、TDM等）的业务接入机制，支持资源优化的流量工程和多层、多域网络中业务传输解决方案。图1-19 PTN传送平面示意图
流量增长历来是传送平面技术发展的主要驱动力量。近年来，以视频业务为代表的互联网业务蓬勃发展，移动互联网业务高速增长，云计算应用蓄势待发，美国Cisco VNI预计，未来5 年全球IP流量的年增长率依然可达到29％。就我国情况看，尽管未来5 年干线网流量的年增长率相对会有一些回落，但依然会高达35％～50％。按照这样的增长趋势，预计到2020 年，国内运营商省际传送网最大截面的容量将超过80Tb/s，最大的节点交换容量将超过300Tb/s。
单波100Gb/s WDM是当前超高速WDM技术的最大热门，经过多年的研究和积累，目前100Gb/s WDM传输技术已经具备了规模商用的部署条件。不同于当年40Gb/s WDM传输技术从出现到商用近10 年的漫长历史，100Gb/s WDM传输技术的发展速度要快很多。其中，100Gb/s WDM传输技术标准的统一是一个重要因素。2009年7月，OIF发布了题为“100Gb/s Ultra Long Haul DWDM Framework Document（100Gb/s超长距密集波分复用框架文件）”的白皮书，提议业界采用双极化正交相移键控（DP-QPSK）调制技术和相干接收技术作为骨干超长距100Gb/s DWDM传输系统的技术路线。业界主流厂商的100Gb/s WDM传输设备无一例外，均采用了OIF建议的相干接收＋DP-QPSK调制技术方案。
当前超100Gb/s WDM传输技术的研究热点集中在400Gb/s和1Tb/s（1000Gb/s）两种速率上，这与IEEE定义的下一代以太网速率密切相关。目前比较成熟的单波400Gb/s调制方案是双载波PM-16QAM。400Gb/s信号首先分为两个光子载波传送，信号速率降低一半至200Gb/s，再通过偏振复用进一步降低至100Gb/s，最后通过16QAM调制降低为1/4，因此实际码元速率仅为25Gb/s。400Gb/s双载波PM-16QAM的实际波特率与目前100Gb/s PM-QPSK一致，支持重用核心芯片。一般情况下，两个子载波的波道间隔为50GHz，因此通过100 GHz频带传送400Gb/s信号，频谱效率为4Gb/（s·Hz）。若采用灵活格栅技术，每个子载波的带宽可望控制在25×1.5＝37.5GHz左右，可以实现在75GHz频带内传送400Gb/s信号，频谱效率提高到5.3 Gb/（s·Hz）。
单波1Tb/s光纤传输技术面临的技术难度更高，业界寻求通过超级通路（Super Channel）方案来解决频谱效率与传输距离之间的平衡问题。超级通路技术的基本原理是在一个通道中包含若干个子载波，共同传输一路高速信号，每个子载波的速率可以降低，从而降低了实现难度。目前比较成熟的两种技术是正交频分复用（OFDM）技术和奈奎斯特WDM（Nyquist-WDM）技术。综上所述，超高速传输系统性能要求如图1-20所示，100G系统之后，因OSNR和非线性受限，在相同FEC情况下，传输性能急剧地减少，高速光传输系统需要在保证大容量的同时，实现长距离传输和低成本商用。图1-20 超高速传输系统性能要求1.4.2 控制平面
控制面是光传送网络传输功能的核心与集中体现。在客户层设备发起通信请求以前，承载客户信号的业务虚电路必须首先建立；而客户不再需要使用该虚电路进行通信时，已经建立的连接必须被拆除。光传送网络虚电路的建立和拆除动作虽然可以由网络管理者手动发起，但为了实现对虚电路的智能化拆建，则应当在控制面中引入路由和信令机制。网络的控制平面可以对传送面的传输隧道进行控制，同时还接受管理平面的管理。网络的控制单元应包括流量功能单元、信令控制单元、路由控制单元以及连接控制单元。其功能主要包括业务传输虚电路的拆建、流量工程及处理、保护倒换与业务恢复等，为了实现业务的区分服务机制，控制单元还能实现约束路由计算和流量工程信息分发等功能。在控制面的研究中，重点是如何实现业务接入控制与传输控制的分离。包括控制面体系结构，接入控制与传输控制功能模块的协调。除此以外，适用于GMPLS控制协议和标签分发协议的网络智能控制模型，也是近年来的研究热点。
由于控制平面的存在，光网络引入了面向连接的传送技术，所以控制平面的工作主要围绕承载客户信号的虚电路的建立和拆除进行，这就需要信令和路由机制的协同工作，并且需要链路资源管理模块的配合，如图1-21所示。通常，当前的光传送网络采用OSPF-TE协议进行路由控制，RSVP-TE协议进行信令控制。OSPF-TE协议将使网络中的各个路由器定期发送泛洪信息包，更新网络拓扑的信息，及时了解新网元的加入和已有网元的离开情况。当人为发起请求时，需要建立一个由节点A到节点B的连接时，路由控制模块将计算A节点与B节点之间的最短路径，这里的计算可以引入带宽、功耗等权重因素，这些信息可以从链路资源管理模块（LRM）获得。当得出理论上的最短路径后，路由控制模块会将该信息反馈给连接控制模块，随后RSVP-TE信令协议开始工作，对这条最短路径进行带宽资源的预留，并将成功与否的信息反馈给路由控制模块和链路资源管理模块。若这种资源预留不成功，那么路由控制模块还需要重新计算一条路由。通过这个过程，最终若成功建立A至B节点间的连接，就会通过带外的信令通信网（IP层信令传递通道）将连接建立成功的消息传递给沿途各节点，然后传送平面将启动数据的发送功能，并伴之以管理平面对该连接的检测与维护。图1-21 光网络控制平面组成结构1.4.3 管理平面
管理平面是光传送网络各功能平面中的重要组成部分，OAM功能是体现网络优势的关键部分。以分组网络MPLS与分组传送网MPLS-TP的对比为例，MPLS技术中的OAM协议数据单元（PDU）只有4种，而且没有专门用于性能检测的PDU。而MPLS-TP已经定义了超过20种的OAM PDU功能，涵盖故障管理、性能检测、保护倒换等多个方面，并且还在不断完善中。在光传送网络体系结构中，管理单元主要负责对传送面和控制面的管理，实现对业务传送过程中性能和告警信息的收集以及对LSP建立、调整和删除过程的管理。管理平面研究的重点是增强分组传输OAM功能的管理面总体结构和功能体系，基于管理面和数据面分割以及多层嵌套OAM的管理面体系，同时还要研究管理面与控制面间的OAM信息交互与功能协调。根据光传送网络结构和网络管理的目标和要求，管理系统的操作接口具体的管理功能可以分为安全管理、性能管理、故障管理、配置管理几个方面。管理系统可采用SNMPv3协议实现以上管理功能，整个方案的参考模型如图1-22所示。图1-22 光网络设备管理功能图
从网元管理层分析，网络设备管理功能模块（EMF）提供了由内部或外部管理者管理网元功能模块（NEF）的方法。EMF和原子功能模块通过在MP参考点之间交换管理信息建立通信。同时，EMF包括一系列的功能子模块。功能输出与网元和管理应用功能（MAF）中的Agent相联系，将输出的信息当做管理对象。网元提供事件处理功能和存储功能，由网元传输并发送的信息由MAF处理，Agent将信息转化为管理消息，并且当管理者对管理对象进行适当的操作时回应相应的管理消息。Agent接收和发送的信息通过参考节点V发送至消息通信功能模块（MCF）。该模块具备外部时钟、网管系统、控制平面和本地告警等多个对外交互接口。1.5 本书写作思路和章节安排
本书围绕超高速、分组化光传送网这一主题，以近年来传输和承载领域的技术发展为主线，重点阐述了光传送网中与高速传送相关的100G/400G DWDM和OTN技术，与智能控制相关的ASON/PCE/SDN技术和与分组承载相关的PTN/IP RAN技术，最后介绍了未来光与IP融合技术和光传送网最新的应用领域——数据中心互联网络。其中，高速/超高速的传输技术是光传送网长期以来赖以生存的技术，而业务的IP化又对网络提出了适应分组承载的要求，为了提高业务承载的水平，光传送网引入了智能控制，以实现灵活快速的响应承载需求，并为业务提供个性化的服务质量和生存性水平。因此，无论在什么应用场景中，未来光网络的发展都将沿着超高速、智能化和分组化三个方向，三位一体，缺一不可，目标都是服务IP层和更高层越来越丰富的业务形态。
就本书的章节安排而言，在本章对光传送网发展的驱动力、主要技术、应用场景、体系架构进行阐述之后，接下来的第2章和第3章会重点介绍目前超高速领域最新的100G和400G传输技术以及组网方案。第4章介绍近年来智能光网络发展的最新情况，特别是PCE和SDN技术在光网络的应用以及未来的演进路线。第5章分析以PTN/IP RAN为代表的分组承载技术适配业务的模型和性能，并通过OPNET软件系统仿真的方法将PTN/IP RAN技术与其他承载技术进行对比，给出了特定条件下延时、抖动、丢包率等定量结果。第6章是对未来光传送网新技术的展望，阐明当前电信运营商在光层与IP层网络建设领域面临的问题，各种网络1～3层融合技术的发展情况和数据中心互联网络形态。本书所论述的内容基本上覆盖了未来5年左右光传送网的主要技术和应用场景。希望本书的内容可为在电信行业和其他行业中从事光传送网研究的工程技术人员提供有益参考。第2章 100G DWDM传输与组网技术
本章要点√ 100G技术标准化情况√ 100G DWDM关键技术√ 100G DWDM组网关键问题√ 100G DWDM测试方案√ 小结
随着全球电信业务IP化和宽带化的趋势不断深化，以及我国“宽带中国”战略的实施和3G数据量的持续增加，干线传输网作为运营商基础管道的重要性已得到凸显，运营商对传输网的带宽需求、可靠性和恢复能力也提出了越来越高的要求。在光学、电子学、材料科学等领域相关基础理论的推动下，高速传输技术飞速发展，40Gb/s WDM已经在我国大规模应用。自2010年起，路由器设备100GE接口开始商用，国际和国内的电信运营商也开始了传输侧波分100G网络的设计与建设。本章内容主要阐述与100G DWDM应用密切相关的标准进展、技术原理、引入策略，最后结合实际经验介绍100G DWDM测试中的相关技术与注意事项。2.1 100G技术标准化情况
100G被誉为波分技术的第三次革命，其作为基础电信网络，自2012年起已在欧美地区得到广泛部署。几乎同时，国内三大运营商也相继开展了100G现网测试与采购，这些都预示着100G已经迈入了黄金发展期。截止2013年年底，全球排名前30位的运营商中超过20家都已经部署了100G。100G技术之所以能在40G部署之后得到迅速成熟和广泛应用，有赖于国际和国内各标准化组织间的有机配合和共同推动。2.1.1 国际标准
100G技术涉及多个标准组织，包括IEEE、OIF、ITU-T、MSA和IEC等，如图2-1所示，涵盖以太网、光模块、OTN以及测试等领域。IEEE主要制定用户侧网络接口和以太网相关标准，已发布40G/100G以太网标准IEEE 802.3ba；OIF负责制定100G线路侧光模块规范，包括收发射机模块、前向纠错技术、模块机械电气特性等协议规范；ITU-T主要制定运营商网络相关标准，当前已经完成100G相关OTN接口及映射封装方式的规范；MSA对客户侧接口和模块封装做了相应规范；IEC规范了矢量调制信号的质量参数及测试方法。图2-1 100G系统所涉及的标准和标准组织1．IEEE以太网标准
IEEE802.3ba是IEEE标准组织关于40Gb/s和100Gb/s以太网的专门研究组，为40Gb/s和100Gb/s的以太网制定物理层接口规范，该标准于2010年6月完成并发布，为新一代更高速的以太网服务器连通性和核心交换产品铺平发展之路，与用户关系最密切的100GE接口是物理介质相关子层（PMD），IEEE在802.3ba中提出了各种100GE接口的物理层规范，如表2-1所示，其中目前广域网应用最成熟的接口是100GBASE-LR4。表2-1 100GE接口物理层规范2．OIF标准
光互联论坛（Optical Internetworking Forum，OIF）致力于开发电信和数据网络领域的互连互通协议，100Gb/s承载相关的标准研究主要在物理和链路层工作组（Physical and Link Layer Working Group，PLL WG）中进行，主要包括长距离WDM传输框架、光子集成发射机接收机、FEC、通用电层接口（CEI）、传输模块电接口和传输模块管理接口等项目组。
2008年10月，OIF发布了《Scalable Serdes Framer Interface（SFI-S）：IA for Interfaces beyond 40G for Physical Layer Devices》，采用单通道速率在10Gb/s左右的多个数据通道（含纠偏移通道）实现高速并行接口通信，数据通道的数目在4到20之间，总速率可以到40～160Gb/s。
2009年6月，OIF发布了100G超长距DWDM传输框架文件（100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document），对100G WDM技术的主要组成部分做了规范，发射机采用双偏振正交相移键控（DP-QPSK）作为100G线路侧的调制码型，接收机采用相干接收，但也表示不排除其他调制码型，同时也对集成发射机、集成接收机、FEC以及收发模块组成结构等做了说明。
2010年3月和9月，基于DP-QPSK调制方式的集成发射机和集成相干接收机执行协议（Implementation Agreement for Integrated Polarization Multiplexed Quadrature Modulated Transmitters/Implementation Agreement for Integrated Dual Polarization Intradyne Coherent Receivers）相继发布，最高可支持32Gb/s的波特率。该标准的发布，加速了各器件和模块厂商在100G技术上的开发，进一步推动了100G DWDM系统商用化进程。
2010年5月，100G前向纠错编码白皮书（100G Forward Error Correction）发布，白皮书中对应用于100G DWDM传输的FEC类型（硬判决和软判决）、性能差异、实现以及开销占比上限等做了说明。
2010年6月，针对100G长距DWDM传输模块电气机械特性和控制层技术的执行协议（Implementation Agreement for 100G Long-Haul DWDM Transmission Module-Electromechanical（MSA-100GLH））发布，该标准为器件、模块供应商和设备供应商提供了模块化的接口规范，包括模块机械尺寸、电连接器、引脚分配、模块接口引脚定义、高速电气指标、供电电源、功耗和管理接口等。
2011年9月，发布了通用电层接口的执行协议（OIF-CEI-03.0，Common Electrical I/O（CEI）-Electrical and Jitter Interoperability agreements for 6G＋ bps，11G＋ bps and 25G＋ bps I/O）［8］，其中规定了两种以25G/28G为基准的芯片模块通用电层接口：一是CEI-28G-SR，支持符号速率为19.90Gsym/s到28.05Gsym/s，工作距离至少在300mm和1个连接头，二是CEI-25G-LR，支持符号速率为19.90～28.05Gsym/s，工作距离至少在686mm和2个连接头，并对测试方法进行了规定。该标准旨在通过规范25G/28G速率的模块通用电层接口，从而支持更小功耗、更低复杂度和更低成本的100G光模块。CEI-28G-VSR的标准还在讨论中。
2012年5月，发布了Multi-link Gearbox执行协议，规定了一种用于速率转换的组件，主要功能包括10∶4复用功能，把10个独立10Gb/s通道转换成4×25G的4通道信号，以及4∶10的解复用功能，把4×25G的4通道信号转换成10个独立的10Gb/s通道。3．ITU-T标准
在ITU-T标准体系中，100Gb/s相关的标准研究主要在SG15的Q6和Q11进行，包括100G相关的物理接口参数及指标，OTU4帧结构及映射复用方式等。
G.709（02/2012，Interfaces for the Optical Transport Network（OTN））标准为100Gb/s定义了OTU4/ODU4帧结构、映射和复用体制，同时还定义了多种低速率信号到OTU4的映射复用以及100GE到OTU4的映射。
G.959.1（02/2012，Optical Transport Network Physical Layer Interfaces）中参照IEEE802.3ba中的100GBASE-LR4和100GBASE-ER4制定了用于4×25Gb/s多通道域内的应用代码及参数：4I1-9D1F和4L1-9C1F。
G.698.2（11/2009，Amplified Multichannel Dense Wavelength Division Multiplexing Applications with Single Channel Optical Interfaces）目前正在进行修改和完善，加入100Gb/s速率相关的参数（发射机端、链路中和接收机端）。
G.697（02/2012，Optical Monitoring for DWDM Systems）目前正在进行修改和完善，加入100Gb/s速率相关的性能监测部分。4．MSA标准
多源协议联盟（MSA）已经制定了100Gb/s系统10×10G客户侧光模块的标准，对工作距离、工作波长以及接口参数进行了规范；CFP MSA对客户侧光模块的封装、机械、尺寸和电气特性等方面做了规定。5．IEC标准
在IEC TR 61282-10“Fiber Optical Communication System Design Guides-Part 10：Characterization of the Quality of Optical Vector-Modulated signals with the Error Vector Magnitude”中，对矢量调制信号中的质量参数和相应测试方法做了明确规范。2.1.2 国内标准
在国内，中国通信标准化协会（CCSA）传送与接入工作组（TC6）的WG1工作组负责100Gb/s WDM标准的研究和制定，主要包括相关研究课题和行业标准的制定，进度与ITU-T、OIF等基本保持同步。
2010年5月发布研究课题报告《40/100GE以太网承载和传输技术研究》介绍了40/100GE以太网发展历程和最新进展；研究了40/100GE以太网的OTN承载技术；重点研究分析了包括客户侧和线路侧在内的光传输技术，并对产业链状况进行了详细介绍。
2011年11月发布研究课题报告《2009B35 100Gb/s光收发模块技术发展研究》介绍了100Gb/s线路侧相干接收光收发合一模块的设计目标、主要功能和关键参数，分别介绍了该模块中各个子功能单元的工作原理和实现方式。
行业标准《N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统技术要求》已在2012年10月通过讨论，处于报批阶段。该标准规定了单通路速率为100Gb/s WDM系统在C波段传输时的技术要求，主要包括系统分类、系统参数要求、OTU技术要求、FEC功能与性能要求、波分复用器件的技术要求、光放大器技术要求、动态功率控制和增益均衡技术要求、OADM技术要求、系统监控通路技术要求、传输功能和性能要求、网络管理系统技术要求和APR进程要求等。适用于单通道速率为100Gb/s，基于相干接收PM-（D）QPSK调制码型，工作在C波段50GHz波长间隔的WDM系统，100GHz波道间隔的WDM系统参照执行。
行业标准《N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统测试方法》也已在2012年12月通过了送审稿讨论，该标准规定了开放式N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统的测试方法，主要包括系统配置和参考点定义、主光通道测试、光波长转换器测试、光波分复用器/解复用器测试、光放大器测试、FEC测试、动态功率控制和增益均衡测试、OADM测试、监控通路测试、传输功能和性能测试、网管系统功能验证、APR功能验证等内容。适用于开放式N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统，对于集成式N×100Gb/s光波分复用（WDM）系统也可参照执行。
目前100G DWDM的标准化仍在制定中，特别是在运维参数和第三方监测方式方面还有待完善。通过上述对国际和国内100G DWDM相关标准的介绍，可以看出各标准化组织分别发挥所长，注重工作衔接和配合是100Gb/s相关标准得以快速推进的关键，这对未来更高速率传输技术的标准化工作也有重要借鉴意义。2.2 100G DWDM关键技术
与10G向40G单波线路速率的演进相比，长途传输WDM系统从40G演进到100G速率，需要考虑类似但也更为严苛的物理限制因素，如线路衰耗、色度色散及偏振模色散等。且随着线路速率的提高，直接导致系统指标要求更加严格：系统OSNR要求增高、色散容限降低、非线性效应增强，以及PMD效应的增加等。所有上述效应都和传输的波特率有关，波特率越高，这些物理效应及其对系统性能的危害也随之而加剧。根据香农定理，在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据速率R与信道带宽B，信噪比S/N有以下关系：max
对于色度色散的理论研究指出，信号经过长距离传输后，当脉冲展宽（△）小于一个码元周期时，码间干扰和误码率可以满足通信需要。对于工作在1550nm窗口，采用外调制器的窄带光源及NRZ编码情况下，下列公式成立：
同时，如果两个偏振态分量间的平均时差（）小于比特速率周期（1/B）的1/10，那么PMD在数字链路中的影响可以忽略，可计为：
因此，在不改变传输码型的前提下，当波特率从40Gb/s提升到100Gb/s，光信号的OSNR要求将提升约4dB，色散容限将降低到前者的1/6.25，PMD容限将降低到前者的1/2.5，光纤非线性危害程度也随之增加。从现阶段电路技术来说，40Gb/s已接近“电子瓶颈”的极限。速率再高，引起的信号损耗、功率耗散、电磁辐射（干扰）和阻抗匹配等问题难以解决；即使解决，也要花费非常大的代价。下面将从调制码型、相干检测等6个方面，介绍目前100G DWDM系统的关键技术。2.2.1 调制码型
之所以采用新的码型调制技术，其主要目的是降低线路码流速率。基于在40G系统中的成熟和广泛应用，QPSK在100G系统中也成为最成熟的选择。考虑到100G系统的比特率将达到112Gb/s甚至更高，如果直接采用QPSK调制，要求光收发模块的mux芯片、MZ调制器等也要达到56GHz左右，对光、电器件的工艺都提出了很高的要求。因此，目前主流设备厂家采用偏振、调整和QPSK相位调制相结合的PM-QPSK技术，具体原理如图2-2所示。图2-2 PM-QPSK发送和相干接收示意图1．PM偏振调制
光信号光子有很多振动方向，光子的振动方向垂直于传播方向。PM偏振调制的主要原理是：通过偏振分束器，将激光分离成X、Y两个垂直方向上的偏振分量，其他振动方向则被滤除。然后再将信号调制到这两个偏振方向上，相当于对数据做了“1分为2”的处理，将码流速率降低一半。2．QPSK调制
QPSK，利用相位表示信息，一个相位代表2个数字位，也相当于对数据做了“1分为2”的处理，使得码流速率降低一半。通过PM和QPSK的结合，使得100G（112Gb/s）信号实际处理时的数据波特率仅为112/2/2＝28Gb/s，大大降低了对（光）电器件的带宽要求，使得目前成熟的40G光电器件也可用于100G系统，有利于降低功耗和网络初期投资成本。与其他更复杂的调制技术，如多电平（8PSK）、多载波（OFDM）相比，PM-QPSK技术在成熟度和复杂度之间取得了最佳的平衡性，成为100G传输的主要调制码型技术。此外，PM-QPSK调制技术还可很好地支持相干接收及DSP等其他100G关键技术，现已被国际标准化组织确定为未来100G长距离传输的标准调制方式。2.2.2 相干检测
光通信常用的检测方式为强度检测（含差分相位检测），即检测信号的幅值。这样的检测方式结构简单、成本低，但是由于丢失了信号的相位信息，接收机本身无法对传输线路上的线性损伤进行有效的补偿，只能依赖线路上的光学器件进行补偿，这导致相应的损耗和非线性等问题。随着速率的提升，接收机色散容限进一步降低，直接检测系统需要部署附加设备以满足系统的色散容限要求，这导致系统成本增加、可靠性降低。更为重要的是，随着传输速率提升，光纤的PMD效应成为主要的障碍，信号偏振变化的统计特性导致PMD的光学补偿方式实用困难。此外，光传输系统的发展趋势是需要进一步提升光纤的频谱利用效率，以节省光纤资源。要在有限的频段资源（如50GHz）内传输尽可能多的信息容量，高阶调制和偏振复用技术是必须使用的技术，对于高阶调制和偏振复用信号，难以实现传输损伤的线路补偿，导致传统的直接检测方式无法有效地检测信号，恢复出原始的信号信息。因此，相干检测再度回到人们的视线中。
PM-QPSK调制技术主要解决了100G传输的OSNR要求和关键光电芯片的成熟度问题，但是100G系统的色散容限过小和PMD容限过小的问题依然存在。从原理上讲，色散效应是在频域光电场的相位上产生了畸变，PMD效应是在两个偏振的时域光电场的相位上引入了不同时延。在传输系统的收端的强度接收（OOK码型）或者自相干接收（非相干PSK码型）过程中，这些相位上的畸变和时延均会转化为接收眼图的畸变和码间干扰，并造成系统损伤。10G、40G波分传输系统通常利用色散补偿模块（DCM）进行在线色散补偿，以及在接收端进行可调色散补偿模块（DCM）来将残余色散量控制在传输码型可容忍的程度。但这些色散补偿措施往往会对网络规划和实施造成限制，尤其对ROADM网络的业务灵活调度是不利的。并且PMD的光学补偿方法还不成熟，一般靠码型自身有限的PMD容忍度，以及合理分配OSNR裕量来抵消PMD效应造成的代价。为了一劳永逸地解决色散受限问题，在100G WDM系统中引入了相关接收和DSP技术。
在物理光学中，通常把两束满足相干条件的光称为相干光。相干条件（Coherent Condition）是指这两束光在相遇区域满足以下要求：振动方向相同；振动频率相同；相位相同或相位差保持恒定。两束相干的光在相遇的区域内会产生干涉现象，产生相干条件后，可以比较方便地还原出经过“相位调制”的信号。由于色散和PMD效应均是在光电场的相位或偏振上引入调制或畸变，因此光相干检测可比较容易地探测并同时获知光场的偏振、幅值和相位信息。100G WDM系统中QPSK调制数据恢复原理如图2-3所示。图2-3 相干接收机原理示意图
图2-3中I、Q是1或0的位序列，可以看出，信号解调与接收到的信号的幅值（强度）没有什么关系。也就是说，即使信号经过长距离传输后，叠加一些干扰、噪声等因素，只要在接收端还能识别出相位关系，那么就可以恢复出数据。这也是为什么相干技术拥有更好的色散、PMD、非线性、OSNR容限的原因。在100G WDM系统的相干方案中，实现相干的常用手段是：在接收端选用与发送端激光器相同中心波长的的激光器（同频），再通过同步电路处理，使接收端的相位保持与发送端相同（同相），从而形成相干条件。
目前，相干电处理算法在实现上分为前导训练序列和自适应盲均衡两种方式。前者在传输数据之前先发送训练序列，此方法不足之处在于训练序列的引入导致传输波特率增加而使得频谱效率降低，后者无须额外辅助数据，具有较好的频谱效率，其缺点是数据处理实现较复杂，算法收敛速度对初始条件敏感。自适应盲均衡算法的主要评价参数包括收敛速度、收敛一致性、最小均方差和实现复杂度等。需要说明的是，在100G WDM系统中并不是必须采用相干接收技术，只是采用相干接收系统性能会更好。2.2.3 FEC技术
前向纠错（FEC）技术是提高系统传输性能的传统技术，也是通过优化线路信号来优化OSNR性能的一种有效途径。其本质是通过牺牲有效带宽、以编码冗余度（如20％）以及对应的信号处理芯片的复杂度来换取更大的净增益。一般认为FEC技术经历了三代的快速发展。第一代的带外FEC采用以RS（255，239）为代表的代数码技术，满足G.975标准规定，采用7％的开销，净编码增益为6.3dB，纠前-5BER容限约为8.3×10，主要用于2.5G系统和早期的10G系统。第一代FEC的复杂度较低，算法规模较小（约10万门），采用FPGA即可满足其运算速度的要求。随着10G及40G系统的广泛应用，为实现更长传输距离和更高的波特率，要求传输系统的纠前BER容限进一步降低，这使得净编码增益更高、纠错能力更强的第二代FEC技术的诞生。第二代FEC采用级联编码技术，净编码增益可达到8～9dB，纠前-3-3BER容限可低至1×10～4×10。G.975.1中制定了第二代FEC的行业标准。在净编码增益的提高同时也伴随着FEC算法复杂度的和运算规模的增加。第二代FEC技术一般需要30万门的FPGA或百万门规模的ASIC芯片来承载。在100G相干技术产业化力量的驱使下，并借助高速IC技术的发展，基于软判决（SD）的第三代FEC编码技术诞生了。这种FEC一般采用LDPC码（低密度奇偶校验码）、TPC码（Turbo乘积码），可提供约11dB的净编码增益。第三代FEC需要更大的运算规模（1千万门以上乃至数千万门的ASIC），目前基于65nm工艺的ASIC技术难以为继，需要40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。此外，SD-FEC的另一个特点是开销更高，高达20％（OIF建议SD-FEC的开销不超过20％），使得100G的线路速率达到128Gb/s，这有可能在非线性和滤波效应方面对传输性能造成影响。
通常将第一代、第二代FEC称为硬判决编码，而将第三代称为软判决编码。通俗来讲，其核心区别在于硬判决是通过值来判断，是非此即彼的一级量化；而软判决则充分利用了波形信号中所包含的有关信道干扰的统计特性信息，是多级量化，译码器能够通过概率译码充分利用这些信息，从而获得比硬判决译码更大的编码增益。
以二进制为例，硬判决是根据接收信号的电压幅值来判决译码器中的码元为“0”或“1”：若接收电压的幅值（或抽样电压的幅值）小于0，则解调器输出为1，若大于或者等于0，则输出为1。而软判决的解调器不进行判决，直接输出模拟量，或是将解调器输出波形进行多电平量化，这时供给译码器的值就不是简单的0、1两电平量m化，而有Q个（通常Q＝2），然后译码器利用Q进制序列译码，即编码信道的输出是没有经过判决的“软信息”，从而使得接收机能够充分利用解调器及滤波器的输出，降低译码器的错误概率。在软判决具体的码型方案中，无论是LDPC码还是TPC方案，均需要在OTU上完成大量的硬件计算来支撑性能。为捕捉信号远离介于0和1之外的信号而做出正确的判决，译码器的比特吞吐量也是硬判决的好几倍。其在复杂度上也要考虑由于信道劣化特征，即0和1信号的随机裂化而造成的噪声概率分布的变化。因此，对应系统的算法复杂性大为增加。更重要的是，由于启用软判决后线路速度从7％开销的112Gb/s速度上升到基于20％开销冗余的128Gb/s后，对后级ADC器件的采样率要求从56GHz提升到65GHz，DSP的计算能力也要从千万门电路往数千万门级跃进，系统关键芯片的搭建也将从基于100G转变为超100G甚至400G。最后，由于速率的提高必然带来频宽的变化，这必然也会在非线性、滤波效应以及ROADM直通方面带来连锁影响。
100G系统软/硬判决增益对比如表2-2所示。表2-2 100G系统软/硬判决增益对比
为了比较不同FEC方案的性能，选择适用于系统的最佳FEC方案，通常采用如下一组普遍适用的性能评估标准。1．误比特率
评估标准主要的性能参数是误比特率（BER），其测试方法有多种。最常用的方法是通过BER-OSNR曲线比较FEC码字的功效与错误平层的性能。此性能曲线忽视不同码率时的谱效率，而只是表达功率相关的性能和净编码增益。
另一种评估BER的方法是比较容量与理论信道容量的距离。与前一种方法不同的是，信道容量不仅考虑了功率效率也考虑了带宽效率。2．实现复杂度
实现复杂度和延迟时间是影响设备成本、功耗、可靠性、系统链路延迟等的关键指标，决定FEC方案的选择。与净编码增益和可达到的信道容量等参数不同的是，复杂度比较难于客观量化，因为即使是同一种FEC方案也可以有多种实现方法，而导致其实现时硬件门数、功耗、成本的不同。通过合理评估实现的门数以及存储单元数以评估复杂度。3．延迟时间
有一些应用场景对信道的延迟时间非常敏感，可能主要受限于FEC的延迟时间。FEC的延迟时间主要受码字大小、交织深度以及迭代次数的影响。如果码长很长，一个长码将分散在很多个码字中因而导致较大的延迟时间。然而，减小码字长度、交织深度或者迭代次数又将导致性能的劣化，需要在延迟时间和BER之间做折中设计。4．功耗
从热能角度来看，特别是对于大型的译码器设计和高精度设计时，功耗是个很严重的问题。有几种控制功耗的方法。如加速码字收敛，时钟门控技术可用于节约功耗。当前来看，相对于成熟的硬判决FEC技术，软判决FEC由于编解码算法较为复杂，实现复杂度很高，对于20％开销的软判决FEC，通常有上千万门的数字电路规模，即使在60nm或者40nm芯片工艺下，功耗也达到几瓦甚至十几瓦。高开销的软判决FEC在100Gb/s相干系统中的应用现已取得很多突破，但一些关键问题还需要进一步的研究。2.2.4 非线性效应
光纤通信中的非线性克尔效应按参与作用的信道数可分为信道间非线性和信道内非线性两种；按作用形式不同可分为SPM、XPM和FWM等。分别指自身、相邻波道和其他波道对工作波长的影响。将这两种分类组合起来就得到了光纤通信中表现形式各异的各种非线性效应。
由光场自身引起的非线性附加相移，称为自相位调制（SPM）。SPM效应会导致频率啁啾，引起频谱展宽。由于色散的存在，频谱的展宽会引起脉冲时域的变化。考虑传输过程中SPM效应会引起前后脉冲重叠，将光场信息分解为三个相互作用的光场信息A1、A2和A3，分别代表相同信道下的不同时域脉冲，NLSE方程可写为：
当两个不同波长的脉冲信号在时域部分重叠时，XPM引起部分脉冲的非线性相移。非线性和色散相互作用引起相移变化转为幅值畸变。走离效应源于两束光波的群速度不同，定义为不同信道脉冲之间与距离有关的相对位置。两个信道都有差分群速度，并且存在走离效应时，CD可以减小XPM引起的非线性相移。当两个脉冲走离越快，非线性相移差别越小。极端情况下，当两个脉冲走离足够快，非线性相移近乎为常量，XPM的影响变小。因此，XPM的效率与走离的长度有关。对于高色散和高波特率的系统来说，XPM的影响较小；对于低色散和窄信道来说，XPM的影响较为严重。
XPM的影响与各路信号的输入功率、脉冲间的初始时间延迟以及不同信道间的符号walk-off效应有关。只有时域脉冲交叠才会出现XPM；信道间隔越小，各路波形在频域上交叠的可能性越大，则相互影响越严重；信道功率越大，XPM越大。其中不同信道间的符号walk-off效应可细分为三个方面：色散图谱；信道间距；符号速率。具体表现具有以下特征。● 对于50GHz/100GHz/150GHz的间距，随着symbol rate的增加，
Q因子代价减小，并趋于稳定。当symbol rate小于某一特定值时，
Q因子代价明显增大，且信道间隔越小越明显。● 1dB的代价下，符号速率与可承受的信道间隔成反比。● 多个span下，信道间隔越小，symbol rate越低，XPM的累积代价
越陡峭。● 当symbol rate x channel spacing为恒定值时，系统的XPM代价差
不多。● 两个偏振态的非线性交互会导致相干耦合，类似XPM；但由于
每个偏振态有相同的信号，XPolM类似SPM（当然，针对PM系
统，每个偏振态所携带的信息是不一样的）。
可以看出，折射指数独立于SOP，只需计算幅值即可，单信道的非线性相移独立于SOP。当有多个信道波长同时传输时，XPolM的影响尤为严重。非线性相移的差别引起SOP的变化，从而导致失偏，失偏会严重降低PMD补偿的效率。PDL对失偏的表现为幅值畸变。对单偏系统来说，失偏导致幅值畸变；对偏振复用系统来说，失偏导致两分支的串扰。
未来包括100G在内的超高速传输系统必须采用非线性效应进行抑制，相关技术原理如下。1．色散管理
为有效抑制非线性损伤，必须对色散管理系统的三个参数：预补偿、每跨段残余色散（RDPS）和净残余色散（NRD）进行优化，其中优化NRD可极大地提高受SPM限制的系统的性能，最优的NRD量正比于系统的非线性相移。可利用两个系统参量：色散与比特率平方的乘积和非线性相移，建立眼开度代价（EOP）的数据库来评估任意单信道色散管理系统的非线性损伤。2．色散对SPM的抑制
优化预补偿量能够降低SPM效应：预补偿量展宽输入信号脉冲以降低峰值功率，可以使信号在平均功率较高的光纤跨段前一部分传输时，信号峰值功率较小；而当信号传输一段距离之后，脉冲被光纤的色散压缩恢复到原始脉宽时，传输损耗已使得脉冲平均功率极大衰减，从而降低了SPM效应。同样，优化RDPS和NRD量也可以降低SPM损伤。在SPM效应相对于其他非线性损伤而言占主要地位的所谓受SPM限制的系统中，若将NRD调为正值可以极大地提高系统的性能。3．色散对IXPM和IFWM的抑制
在“伪线性”系统，输入信号一般被调制成占空比较小的RZ型脉冲，并在本地色散较高的色散管理链路中传播。这种系统的最优NRD量近似为零，与线性传输系统的最佳NRD量类似，因此将这种系统称为“伪线性”或“准线性”（Quasi-Linear）传输系统。这种系统能够抑制非线性损伤的常见解释是：在输入脉冲窄、色散大的情况下，信号脉冲在传输过程中极大地重叠，总体信号的功率分布模式随信号的传输变化极快，从而将非线性效应平均掉了（Average Out）。在这种系统中，信道内FWM（IFWM）和信道内XPM（IXPM）这两种非线性损伤相对其他非线性损伤而言处于支配地位。研究发现，IXPM效应可以通过将信号调制成很窄的脉冲来抑制：如果输入信号脉冲的半高全宽与比特宽度T之比，此时IXPM效应最大；而时，脉冲在传输过程中极大地重叠在一起（Strong Overlap），IXPM在很大程度上被抑制。在这种情况下，IFWM就成为主要的非线性损伤。此外IXPM和IFWM也可以通过优化预补偿量来抑制。
色散图谱可用来抑制非线性效应，改善非线性容限。当速率提高、波特率增加时，通过色散图谱对非线性进行抑制的效果减弱。但由于XPM的存在，使得色散图谱和非线性容限改进的关系不太明显。当采用预补偿和in-line补偿时，XPM的影响会降低。4．光相位共轭（OPC）
相位共轭的基本原理是：信号传输一段距离后（一般是在链路的中点附近），若用信号光的相位共轭光替换原来的信号并传输完剩余的链路，则系统的非线性传输损伤会得到显著改善。相位共轭场光的产生可通过相位共轭器来完成。利用OPC不仅能抑制非线性损伤，而且偶数阶的色散，如群速度色散（GVD）、四阶色散等也能被补偿。
OPC理论上可完全抑制非线性损伤。但通过分析发现，由于实际系统中的功率不对称，OPC在同一个系统中对各种类型的非线性损伤抑制效果差异很大，甚至有可能在某些非线性损伤被抑制的同时其他非线性损伤反而被增强。因此，OPC正常工作的前提是信号功率需关于相位共轭器对称。5．电域均衡
目前业界已在电DSP领域开始非线性损伤补偿的研究，但还处在初级的阶段，目前的研究方向包括反向传输法（Back Propagation）、无记忆相位旋转（Memoryless phaserotation）、Volterra均衡器等。此外，如最大似然估计（Maximum Likelihood Sequence Estimation，MLSE）、多符号相位估计（Multi-Symbol Phase Estimation，MSPE）以及FEC编码均可抑制光纤非线性的影响，提高光纤传输的非线性容忍能力。反向传播法（Back Propagation，BP）可根据克尔效应在获得光功率强度偏移的情况下，通过数字信号处理逆向估计由于相位调制所引起的非线性相位偏移。
需要说明的是，上述各种分线性抑制技术研发进度不一，也并不可能同时采用，当前研发进展较快的是色散管理和SPM抑制技术。2.2.5 客户侧接口
目前，国际标准化组织已对100G客户侧接口进行了规定，其中IEEE发布了100G以太网标准IEEE 802.3ba，包括客户侧的网络接口和以太网相关映射标准。ITU-T对G.709标准进行了修订，进一步规范了OTN接口标准，对100G以太网的承载和映射进行了明确的定义。OIF制定了100G波分侧光模块电气机械接口、软件管理接口、集成式发射机和接收机组件、前向纠错技术的协议规范，有力地推动了波分侧接口设计标准化。在国内，CCSA（中国通信标准化协会）关于N×100G WDM技术要求（研究报告）已经报批，相关行业标准也在制定中。目前各标准化组织定义的100G接口类型如表2-3所示。表2-3 100G接口类型
在100G DWDM系统的客户侧存在4×25G和10×10G两种接口选择。由于目前路由器和传输设备背板接口速率都是基于10Gb/s的SerDes技术，故host板卡上MAC/Framer层ASIC芯片与CFP光模块间的互连也是通过10Gb/s的SerDes接口实现的。100Gb/s信号有10个电层通道，4×25G有4个光层通道，需要用MLG（Multi-Link Gearbox）实现25Gb/s与10Gb/s接口速率间的转换；而10×10G有10个光层通道，不需要MLG，原理结构如图2-4所示。图2-4 光模块原理结构图
4×25G接口由IEEE 802.3ba-2010标准定义，包括100G BASE-LR4/ER4等，10×10G接口由10×10 MSA（多厂商产业联盟）提出并规范，但目前未被IEEE接受，因此路由器侧的支持力度较弱。
在ITU-T G.709中针对4×25G接口提出了OTL4.4的OTN接口，在该标准的附录VII中对10×10G的结构进行分析，但应该指出该附录仅为资料性附录。在ITU-T G.959.1光接口参数的规范中，也只定义了OTL4.4的光接口参数，没有提到OTL4.10光接口参数。2.2.6 系统余量
基于50GHz的N×100Gb/s WDM系统目前采用常规OSNR测试方法无法实现在线测试，新的测试方法尚不成熟，这给N×100Gb/s WDM系统继续采用OSNR指标进行在线运行维护工作将带来不便。因此，有必要引入一种便于在线评估N×100Gb/s WDM系统性能的辅助指标，以进一步增强N×100Gb/s WDM系统的运行维护能力。Rn参考点纠错前误码率（Pre-FEC BER）是满足上述要求的有效辅助手段之一。
目前WDM系统技术规范中定义MPI-Rm参考点接收OSNR与背靠背OSNR容限（EOL）值之间的差值要求4.5～5dB。其中包含两部分内容：第一部分是通道OSNR代价2dB；第二部分是系统OSNR裕量2.5～3dB。另外，接收机还包含0.5dB老化裕量，即背靠背OSNR容限BOL值与EOL值之间的差值。通道OSNR裕量（BOL）至少应达到3～3.5dB。因此，对应的通道Q裕量也应至少达到3～3.5dB。
但是，当前各设备厂家N×100Gb/s WDM设备采用的FEC技术存在较大的差异，FEC纠错能力不尽相同，这给定义统一的Rn参考点纠错前误码率指标带来了一定困难。采用Q余量（Margin）指标虽然可以规避由于FEC纠错能力差异带来的指标多样化问题，但是在工程建设和运行维护中的可操作性不强。因此，针对目前常用的几种FEC纠错技术，CCSA行业标准《N×100G光波分复用（WDM）系统技术要求》根据其纠错能力，制定了对应的Rn参考点Pre-FEC BER指标，如表2-4所示，其中的指标参数基本可覆盖目前主要100G设备厂家各种FEC软判决和硬判决板卡的纠错性能。
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