光网络的新需求及技术进展

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与热炒的3G概念和运营商主推的战略转型相比，光传输系统从2003年开始逐渐进入“沉默是金”时期。然而，似乎越低调就越容易被忽视，仿佛一夜之间，传输系统不仅走向边缘化，甚至有消失的危险。在这种形势下，光网络下一步的发展热点成为众多传输工程师寻觅和探讨的重点。在此，笔者从现有各种业务网对光网络提出的新需求和网络技术的发展两个方面谈谈光网络的发展。
1、各种业务网对光网络的需求
众所周知，作为最底层的物理承载网络，光网络的发展动力直接来自于业务网。只有业务网对带宽无尽索求，才能促进光网络不断发展。下面就无线业务网、交换业务网、核心业务网、数据业务网、流媒体业务网和后台支撑网对光网络的需求分别进行讨论。
1.1　3G业务网
在通信业界，一谈到3G对传输的要求，人们似乎不假思索地就会想到IMA（Inverse Multiplexing ATM，ATM反向复用）技术，再就是MSTP对ATM的适配复用。其实，中国联通的cdma2000 1x网络早已实现UNI方式组网，这说明IMA并不是必须的选择。即便采用IMA，MSTP对ATM的反IMA处理的收敛比是多少?这个问题目前几乎无人能够给出确切的答案。相反，笔者一直对传输人员不关注的AAL2交换寄予较高的希望，希望它能带动Node B的光纤直驱式组网。考虑到中国电信和中国网通的传统数据网已经非常完善，不再需要通过无线业务网的基础光网络来提供数据业务接入，笔者认为既可沿用2G传输组网方案（IMA或UNI方式），也可采用Node B和Hub Node B光口链型串接方式组网。
由于核心域的PS电路承载在IP专网上，而UTRAN的容量不大，因此笔者建议大家重点关注CS域在引入一些新技术后引起的对传输容量需求的变化。例如，采用“Iu Flex”技术和“MGW in Pool”后，RNC上行电路需要考虑容灾情况下的多重备份电路。换句话说，任意一个MGW或者MSC Server的容量都要按照全网惟一的中继电路配置，这毫无疑问会大大增加传输网的负载。个别厂商甚至考虑Node B到RNC采用双归属技术，以提高RNC的可靠性，使用户终端在跨RNC区进行软切换时有足够的电路作保障，但同样带来了带宽的倍增。假如以上这些方案依然采用端对端的业务通道提供方式，则不仅需要更多的带宽保证，还需要做出N?的全连接牺牲。而以上前提都是建立在用户对IP网的QoS完全信任的情况下，一旦用户对IP网络的QoS产生质疑，按照惯例则是对TDM再做一次链路备份。
1.2　固网智能化和iPAS
在网络融合的大潮中，对传统交换网的智能化改造从2004年底开始进入了固网运营商的议事日程。固网智能化的核心是为传统固网交换设置SHLR设备，将原有实现多业务网络的用户属性统一管理。从这个意义上看，SHLR充分考虑了集中式的FMC融合。可以预见，未来两年内，交换业务网将从传统的分布式交换架构重新回到集中化的交换架构，即取消传统的端局设置，所有的端局直达电路和局内电路之类的业务流将全部集中到TG层面进行疏导。这意味着，作为固网承载基础的光网络必须改变分层体系，尤其是电路汇聚模型将从“多纺锤形”变为“漏斗形”，C3层面的TDM带宽将远远超过人们预期，光网络必须进行较大的扩容和改造才能满足固网智能化的要求。不过值得高兴的是，业务格式依然是TDM，不需要立刻改为IP包。
近期，iPAS业务在缓慢增长。iPAS是小灵通业务的智能化IP改造，改造方案类似于固网智能化。与固网智能化不同的是，尽管iPAS底层继续保留TDM传送方式，但在MG的上层依旧需要对业务进行IP化处理。

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1.3　NGN
从目前看，核心业务网要实现IMS比较遥远，而NGN正在快速普及。由于我国固网运营商的传统网络覆盖范围广，网络中老式交换和传输设备均较多，想在短期内实现全网NGN较困难，因此比较明智的做法是对新放号的用户实施NGN策略，同时在C3层面设置软交换平台。
基于软交换的NGN要求底层承载网全部基于IP，这就意味着，无论是语音业务的信令流还是业务流，一旦出了媒体网关，就必须以包交换形式传送。由于媒体网关、软终端和路由器本身具备包交换能力，因此光网络必须具备透明传送的管道功能。如果确实需要采用MSTP，建议允许接入网关内嵌的MSTP支持拥塞状况时业务的VLAN划分，将信令、IP语音、数据业务按照优先级分开，当然也可将此功能转移到外置的路由器上。
在国外的一些实验网中，个别运营商的综合接入网依然存在V5接口，为了统一适配TDM/IP，有些采用MSTP实现GFP+VCAT+LCAS方案。虽然这种方案可以解决业务拥塞问题，但是回到了SDH电路指配老路上，因此不建议采用。
还需注意的是，TDM业务在包交换网络传输时，不仅采用G.711编码Ethernet、RTP和IP开销较大，H.248/MGCP/SIP信令协商还需要建立多次握手机制，所以每路语音的带宽需求将远大于传统的64 kbit/s，需要光网络预留更多的带宽。
1.4　IP双平面
IP双平面是伴随中国移动长途业务网和中国电信专用承载网的建设而进入人们视线的，从某种意义上说，可视为IP网的二次叠加。这两大运营商虽然在双平面的业务分配上存在一定分歧，但是对新建第二张IP网的QoS的要求却是惊人的一致：轻载、高可靠性、安全。
应该说，IP双平面是数据业务网第一次真正向光网络提出大规模IP over DWDM要求。无论是3G分组域业务还是集团公司的内部专线，一旦业务进入这一层面，调度颗粒基本是VC-4级别，甚至是2.5/10 Gbit/s的POS，因此光网络中只有基于ULH的大容量波分系统才能满足需求。毕竟从理论上说，运行40 Gbit/s这种超大容量的电路，通过链路捆绑可以实现路由汇聚，减轻数千条路由表对路由器重收敛时的压力。因此即便目前40 Gbit/s的波分技术仍然不甚成熟，但是通过专用的Duobinary编码方式，完全可以在间隔100 GHz的传统2.5/10 Gbit/s波分系统上透传40 Gbit/s光信号。
正是由于这一层面上的业务颗粒较大，曾一度退出市场的光交叉机又将有用武之地。光交叉机应能在核心节点实现多个ULH链路之间的不同波长调度，但光交叉机本身不需要使用过于强大的控制平面，只需要配合数据业务在FRR（Fast ReRoute，快速重路由）时完成路由切换即可。如果此时OTN封装能够从接口格式扩展到交叉总线，那么OTN支持大颗粒度的优势将在光交叉机上得到充分体现。
1.5　流媒体业务网
流媒体业务目前主要依靠CDN（Content　Distribution Network，内容分发网络）承载。由于现有的CDN支持的视频编码格式有限，且暂不支持H.264协议，因此势必要进行CDN的改造。考虑到目前多数用户仍然采用ADSL接入，广泛开展流媒体业务将对DSLAM的组播能力提出硬性指标。
在流媒体业务从核心服务器向底层用户分发的过程中，MSTP的身影处处可见。然而，国家标准对MSTP支持组播业务仅做出了可选性规定，MSTP支持组播的能力非常弱，而这对于基于软存储空间下的有交互需求的Time-Shifted TV（时移电视）是致命的，最终将导致压力转移到支持IGMP Snooping的DSLAM和支持IGMP Proxy的AG。对此目前有两种解决方案：一种是利用VCG（Virtual Concatenation Group，虚级联组）支持组播，该方式完全依靠SDH矩阵的交叉复制；另一种是支持二层组播的RPR（Resilient Packet Ring，弹性分组环），但现阶段对RPR表示谨慎的乐观态度，原因是基于PIM的组播拓扑难以保证环型。
有人对FTTH方式下开展流媒体业务表示乐观，但事实上GPON和EPON之争一直未曾停息。支持GPON的厂商少，但现阶段EPON对TDM的支持能力不够强，假如内置DSL的AG的下行能力能够进一步提高，PON的生存性就岌岌可危。如果没有政府的硬性推动和强大的内容需求，笔者认为FTTH至少将沉默三年以上。

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1.6　SAN和大客户专线
SAN业务是典型的“冷饭热炒”，在“9·11事件”之后，运营商开始重新审视后台数据冗余备份的重要性。曾因无法解决OPM问题而濒临绝境的CWDM技术，凭借简单和小巧的体积占据了大部分广域网承载市场。虽然CWDM的价格优势在DWDM系统价格“大跳水”的今天已无法体现，但维护便利和低端定位使它在支撑网系统上得以大显身手。
从理论上说，光网络提供的专线是最安全、最有质量保障的，因为它是从物理上隔离了两个不同的业务，比起在逻辑上用数据网的标记方式区分用户要好得多。虽然过去很多用户在对数据公网与企业专网的融合性和简易性做比较后选择了数据公网，但事实上现在很多客户已对带宽CIR提出了硬性指标要求。由于光网络的复用明显优于数据网的收敛，因此未来从数据网迁徙到光网络的专线用户会越来越多。这从另一个方面说明，光网络专线完全没有必要像数据网专线那样提供多QoS选择机制。
2、网络技术的进展
2.1　IP承载
目前业界最流行的论调就是IP承载一统天下，其实这个概念在很早之前就被中国电信的传输专家张成良先生予以驳斥，即“业务的IP化不等于承载的IP化”。笔者对这一观点非常赞同。在笔者看来，无论是传统的固网运营商，还是新兴的移动运营商，其网络底层的TDM实际都是依靠传统的SDH系统接入，这一点在短期内不仅不可能改变，在移动运营商网络中还有逐步加剧的趋势。也就是说，在短期内实现接入网的IP化是不可能的。
但是综合承载的概念是没有问题的，即：使用一个统一的网络结构，不再区分IP承载和传输承载。那么IP承载适用于哪些场景呢?笔者认为适用于汇聚层以上场景。因为从目前看，IMS的可行性控制会较多地在数据设备上实现，同时不可能全盘替换接入层的SDH设备，在汇聚层上实现更现实。因此笔者认为图1所示的网络结构才是最可能的综合承载网拓扑。

图1　未来的城域综合承载网拓扑

从图1可以看到，在未来，SDH系统将降级作为传统网络的接入方式，继续保留。同时，对于QoS要求较高的一些大客户，SDH专线仍有用武之地。而对于长途干线，短期内看不到IP路由器集成DWDM的可能性，至少在我国不可能快速商用，所以不必担心WDM系统的前景。
对于图1所示的网络拓扑，有人可能会提出这样疑问：一是如何实现SDH接入与IP汇聚层的联系，二是目前正在发展的传输技术的定位问题。
问题一有两种答案。一种是利用“综合接入转换系统”实现网络互联。目前一些厂商已经推出具有Bit-Slice交换能力的设备，由于该设备是基于比特级别的业务交叉，因此可以实现SDH与IP的相互转换。另一种答案其实与问题二是相辅相成的，就是类似MSTP/PBT/TMPLS这样可实现数据能力的传输技术如何发展。MSTP已经应用多年，不存在任何问题，还可能因为较为低廉的价格优势继续在网络中实现多业务的接入。而对于TMPLS和PBT，后者短期内仍将局限于数据层面内做汇聚，而TMPLS则可能会在端对端的传输专线中有比较大的用武之地。
近期，业界存在这样的观点：在干线利用ASON实现互联，不但可以解决IP层恢复过慢问题，而且可以对不上下业务的节点实施业务直通从而节省路由器的光接口费用。笔者不赞成这种观点，笔者认为ASON只适用于大客户的高QoS专线互联，用来做IP承载是不合适的。首先，从世界范围来看，目前没有一个大型运营商采用两层以上的恢复机制，虽然一些厂商在实验中得出ASON+IP恢复更快的结果，但在现网中使用会遇到越来越多的协调配合等问题。其次，使用IP承载的目的就是为了网络扁平化，从任何一点接入都可以实现业务，而避免业务直通等于回到了传统的指配式连接，没有任何意义。与其节省路由器接口造价，把ASON全部取消不是更节省投资?POS接口是贵，但是接入WDM系统的GE接口不贵。

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2.2　光电子技术
自1970年大规模集成电路研制成功带来新一轮的工业革命开始，网络系统体积的小型化和集成化就一直未曾停止过。尤其是OEO结构在采用了OEIC（Optoelectronic Integrated Circuit，光电子集成电路）和PIC（Photonic Integrated Circuit，光子集成电路）技术后，“Optical System on Chip”已经不再是梦想。
PIC是将功能不同的若干光子器件通过内部光波导互连、优化集成在一块芯片上的技术。最典型的就是通过减少DWDM系统激光驱动器的制冷器和封装个数，把多个发射器和接收器合成在一块芯片上。这样可以大规模降低OEO转换的成本，一块芯片相当于集成了十余个OTU。
OEIC则是光子集成芯片和微电子集成芯片在系统上的共融体。OEIC突破了传统光通信系统中各分立元件的功能局限，将两种芯片共同集成在同一衬底上，这对减小光发射机和接收机的体积有着最直接的影响，但同时对光电基底的材料要求较高。
与PIC和OEIC相比，PLC（Planar Light-wave Circuit，平面光波导）不是一种新兴的工艺。大家熟知的AWG就是一种较为常见的PLC实体。由于PLC的结构和工艺简单，可以大规模、低成本地制造非常复杂的器件，因此往往在采用PIC和OEIC的同时，元件间信号传输的主载体都是利用PLC连接。
PIC和OEIC的联合，再配合PLC器件的集成，可以非常有效地达到缩小系统体积、降低功耗和故障点、减少维护工作量的目的。目前已经实现基于PIC的800 Gbit/s DWDM系统集成在一个2.2 m的机架内。但另一方面，如果一旦实施这种基于PIC和OEIC的大规模集成，由于要求器件尽量小尺寸和低功耗，甚至为此不得不舍弃部分功能，就会造成系统的部分性能下降。因此下一步的关键是如何实现与传统DWDM系统等性能情况下的光电子集成。
上述光电子技术不仅可以优化系统体积，对提高系统性能也至关重要。EDC（电子色散补偿）就是最好的证明。ULH系统支持透明的业务传送，通过增加无电中继距离来降低跨端数目和组网成本。与ASON相比，笔者更加看好ULH系统在光网络中的主导地位。但在传统的ULH系统中，如何实现超长跨距下的色散补偿是个棘手的问题。常见的线路补偿方法存在较大的插入损耗，且不具备二次可调功能。基于电层面的EDC利用一个电子相位调制器在发端实现预补，降低了线路损耗；而且在线路色散发生变化的时候，可以采用自适应的方式通过网管自动调整补偿值。目前商用的EDC支持2500 km的色散可调。
2.3　网管一体化
作为一个成熟的可运营网络，既要有先进和可靠的技术，也要有高效的运行和维护体系。根据业界惯例，光网络的前期CAPEX值与后期OPEX值的比例一般保持在1：4，显然对于运营商而言，前期的项目投资固然重要，但后期的运维成本同样不容小视。
减少OPEX的策略很多，其中降低人力成本、高效规范的资源调度以及简单集中化的管理是最关键的。而这三个要素目前的瓶颈除了运营商本身的运维体制，还有很重要的一点就是无法实现大型网络下多厂商设备的一体化管理，导致端对端业务调度迟缓、运维人员冗余、故障定位繁琐、网管系统重复叠加严重等。
提到网管一体化，比较容易想到的就是综合网管。目前的综合网管多由第三方软件厂商开发，他们大多数没有实际的系统设备研发经验，而且厂商出于自身利益的考虑通常不愿意对外开放北向接口，因此综合网管仅能实现从厂商的网管读取简化的告警信息，并下发一些简单的电子工单。这样，运营商依旧需要配置设备层面的管理人员，同时还需要另外增加综合网管的维护人员。
这里所谈的网管一体化，是指建立在统一接入平台上的集中化网管，即对网元级网管实施屏蔽，由厂商的网络级网管进行接入，然后由统一的光网络综合处理单元实现不同厂商的网络级网管综合。由于光网络网管往往涉及运营商最基本的管线资源，因此将来可以从光网络网管扩充到全专业、全业务网的一体化网管。但此时不建议在采用各专业综合网管的基础上再进行一体化综合网管建设，而应事先建好单集成商实现的一体化网管，由其中的专业模块单元去实现对厂商网络级网管的监控。
如前所言，如何使光网络变成一个人性化的可管理综合平台非常重要，它不应受限于厂商和集成商，运营商有必要进一步规范统一的对客户侧的外部软件提供格式。对于厂商的系统二次配置，可以借鉴ASON部分厂商的思路，即把简单的业务配置和调度功能独立于厂商的设备，由运营商自己的软件部门针对运营商的实际情况进行开发。