面向三网融合的光传送网技术进展

基金项目：国家重点基础研究发展(“973”)规划(2010CB328200、2010CB328201)

    三网融合是指电信网、广播电视网、互联网三网互相融合。三网融合是一种广义的、社会化的说法，在现阶段它并不意味着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。其表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通形成无缝覆盖，业务层上互相渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的IP协议，在经营上互相竞争、互相合作，朝着向人类提供多样化、多媒体化、个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起，行业管制和政策方面也逐渐趋向统一。三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。三网融合，在概念上从不同角度和层次上分析，可以涉及到技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合。

    从技术发展的角度来看，数字技术的迅速发展和全面采用，使电话、数据和图像信号都可以通过数字编码进行传输和交换；光通信技术的发展，为传送各种业务信息提供了必要的带宽和高质量传输，成为各类业务的理想传送平台，同时软件技术的发展使得三大网络及其终端都通过软件变更，最终支持各种用户所需的特性、功能和业务。

    在现阶段，三网融合主要是指电信和广电运营商在业务上双向进入，双方在国家政策允许范围内，可以开展形式多样的各种综合业务。对电信运营商而言，最主要的是可以为用户提供IPTV传输服务。三网融合对网络架构也有新的需求，主要体现在网络的扁平化和透明化，对网络容量的需求将大幅度增加，业务的双向进入。除了对业务网络提出新的需求以外，为了适应业务的变化，对作为基础承载网络的传送网也提出了更高要求。从光传送网的角度来看，三网融合的发展带来了对带宽的压力，随着三网融合业务逐步放开和竞争的日益激烈，尤其是宽带多媒体业务的开展，将引发接入、城域到核心的网络流量激增，物理传送网络的“瓶颈”问题将日益显现，同时需要传送网提供的灵活的大容量调度能力[1-3]。本文将结合三网融合的传送需求和传送网技术的发展展开分析和讨论。

1 三网融合对于光网络提出的需求
    三网融合的发展促进了宽带计划的发展，对传输带宽的需求将倍增。2011年年初，中国电信宣布启动“宽带中国，光网城市”工程。目标是中国电信宽带用户的接入带宽将在3～5年内跃升10倍以上，并将持续快速提升。南方城市将全面实现光纤化，核心城区全部实现光纤接入，最高接入带宽达到100 Mbit/s，城市家庭接入带宽普遍达到20 Mbit/s以上。在城市地区，中国电信2011年计划新增光纤入户(FTTH，接入带宽达到100 Mbit/s以上)3 000万个家庭，是“十一五”期间的3倍，累计覆盖4 000万家庭；南方城市(含县城)实现8 Mbit/s接入带宽全覆盖，20 Mbit/s覆盖率达到70%；东部发达城市和中西部省会城市20 Mbit/s覆盖率达到80%以上。2013年对南方城市(含县城)的所有家庭客户均可提供20 Mbit/s接入，光纤入户覆盖8 000万户。“十二五”末，南方城市地区实现家庭和政企用户光网全覆盖，光纤入户超过1亿户，世界领先。而中国联通也在规划中提到，在未来的两三年中，类似于北京等核心城市的宽带升级确定将达到20 Mbit/s，而在三到五年，这一目标将达到100 Mbit/s。

    三网融合各种业务对带宽的典型需求如表1所示。两大运营商对于宽带计划方面的发展在目标上看似聚焦在了接入网，但是要为用户提供满意的服务，势必需要城域网和骨干网提供足够大的带宽以便支撑各类业务和应用。

    目前，用户使用的典型业务包括高速上网+1路标清+语音+少量其他业务，需要的用户接入带宽一般为512 kbit/s～4 Mbit/s；而在2～3年内，业务可能发展到高速上网+2路高清+可视电话+其他业务，对接入带宽的需求达到8～20 Mbit/s；而从长期来看，如果用户使用高速上网+2路高清+可视电话+家庭监控+丰富的其他业务，接入带宽需求将达到50～100 Mbit/s。同时，对传输网络也提出了高速、大容量、长距离传送和宽带多媒体等大颗粒度业务的承载需求。在Web浏览时代，下载网页后，用户需要几分钟才能浏览完，相对来说实时性不强，带宽收敛比高；而在视频时代，用户观看视频的速度与下载速度相当，因此业务的实时性要求高，带宽难以收敛，对传输网络的性能和带宽都提出了更高的要求。

2 三网融合背景下传送网面临的挑战
    作为业务网络的基础承载网络，传输网络需要满足各种业务承载的传送带宽和长距离传输、安全性和灵活调度的要求。在三网融合阶段，随着网络规模不断扩大，视频等宽带多媒体业务的发展，业务规模的迅速扩张，现有的传送网在传送带宽、交换容量、动态调度和多业务统一承载等方面将面临诸多挑战，在运行维护等方面也提出了简化和智能化方面的需求，有待传送网技术的发展和网络演进来进一步解决。

    在三网融合环境下，传送网面临的主要挑战包括：
    (1)三网融合环境下，网络IP化的进程逐步加快，对传输网提出了大管道、高效、安全传送需求的同时也提出了分组粒度的传送和处理能力需求。三网融合中的核心业务是视频等宽带多媒体业务，大量的IP类业务在网络中的出现更加凸显了网络IP化的需求。这种IP化的发展不仅是接口的IP化，而且还包括内核的分组化，这就对传输网提出了多业务统一承载需求，不仅是对大管道的IP类业务的高效、安全传送需求，同时包括小颗粒的分组交换和处理能力。传输技术发展到今天，光传送网(OTN)技术可为大颗粒业务的传送提供高效安全的传送，除了具备较完备的运行、管理和维护(OAM)能力之外，还有较为完备的保护机制，能够保证业务50 ms的倒换时间。分组传送网(PTN)技术可为分组业务提供高效的传送，既具有分组的处理能力，同时兼顾了传送网的保护和OAM能力。

    (2)随着电信业务的逐步放开和竞争的日益激烈，传输容量不足与业务带宽需求快速增长之间的矛盾日趋明显，特别是网络中存在的传输“瓶颈”将大大限制业务的发展。随着三网融合的推进，传输“瓶颈”问题也会更为突出。目前基于40 Gbit/s的波分复用(WDM)系统已经在电信网中规模商用，100 Gbit/s WDM系统的研发和标准也已具备初步的成果，为后续解决宽带传输和带宽“瓶颈”提供较为有效的解决方案。

    (3)传输网络也面临进一步增强智能的需求。目前传输网络主要以静态配置和调度为主，难以满足今后端到端业务动态灵活调度的需求。传输网的控制技术将由目前的单层单域逐渐转向基于多层多域的智能控制技术；从目前基于SDH的VC颗粒控制平面技术发展到基于WDM的波长、基于PTN分组包的控制平面技术。从波长静态配置到智能动态调度，实现波长交换光网络(WSON)技术的同时，基于PTN引入控制平面技术，实现智能PTN。

3 传送网技术的最新进展
    近年来，传送网技术在OTN、PTN和高速传输方面取得了较大进展，可以从某种程度上解决大容量传输、灵活高效组网、大颗粒和分组处理能力兼顾等方面的需求。下面介绍传送网方面技术的优势和进展情况。

3.1 光传送网
    光传送网(OTN)技术是电网络与全光网折衷的产物，将SDH强大完善的OAM&P理念和功能移植到了WDM光网络中，有效地弥补了现有WDM系统在性能监控和维护管理方面的不足。OTN技术可以支持客户信号的透明传送、高带宽的复用交换和配置(最小交叉颗粒为ODU1，约为2.5 Gbit/s)，具有强大的开销支持能力，提供强大的OAM功能，支持多层嵌套的串联连接监视(TCM)功能、具有前向纠错(FEC)支持能力。

    OTN的概念在10年前已经提出，它分为电层OTN网络和光层OTN网络。电层的典型设备是基于ODUk交叉的OTN电交叉设备，光层的典型设备是波长灵活配置的可重构光分插复用设备(ROADM)。

    OTN电交叉设备的特点是支持比SDH更加强大的维护管理能力；支持大颗粒业务的交叉和传送(ODU0～ODU4)；组网不受传送距离限制，支持灵活组网、调度和保护恢复能力；综合了SDH和WDM的优势。关键不足在于交叉颗粒较大，不适合小颗粒容量业务调度，目前调度业务量不能过大，部分技术需要进一步完善，如环网保护技术、恢复技术等。

    ROADM设备的主要优势在于可以实现纯光域组网，业务透明性更好；无光电光(OEO)变换，可降低网络成本；适合大颗粒业务，如10 Gbit/s、40 Gbit/s的传送；支持灵活组网、业务调度和保护能力。主要不足在于受传输距离和一些物理条件的限制，目前无法组建大型端到端纯光网络，同时初期投资较高。

    目前OTN技术已经商用化，主要传送设备厂商都支持电层或者光层的OTN设备类型，有的采取两种设备一体化的设备结构。全球设备厂商均支持光层的ROADM设备，维度可达到16；中国中兴通讯、华为和烽火等可提供OTN电交叉设备，基于ODUk交叉容量可达到太比特每秒级别。OTN主要标准目前已趋于成熟，后续的主要工作将集中于已有标准的完善和修订，同时基于更高速率的OTU5及其相关映射复用结构的规范、基于光层损伤感知的智能控制等将也是后续标准发展的方向。

3.2 分组传送网
    PTN技术是以分组交换为核心，面向分组数据业务的新一代传送网技术，主要包括T-MPLS/MPLS-TP和PBB-TE＋PBB两类技术，随着近两年的发展，技术的选择已经日趋明朗化，基于MPLS-TP的PTN设备已经在网络中规模商用，作为PTN主流的技术的基于传送的多协议标记交换(MPLS-TP)技术抛弃了基于IP地址的逐跳转发机制，并且不依赖于控制平面来建立传送路径，保留了多协议标记交换(MPLS)面向连接的端到端标签转发能力，去掉了其无连接和非端到端的特性(不采用倒数第二跳标签弹出PHP、LSP合并(LSP Merge)、等价多路径(ECMP)等)，从而具有确定的端到端传送路径，并增强了满足传送网需求、并具有传送网风格的网络保护机制和OAM能力。在中国运营商的城域网中，PTN技术主要定位于城域的汇聚接入层，解决以下需求：

    (1)多业务承载：无线基站回传的TDM/ATM以及今后的以太网业务、企事业和家庭用户的以太网业务。

    (2)业务模型：城域的业务流向大多是从业务接入节点到核心/汇聚层的业务控制和交换节点，为点到点(P2P)和点到多点(P2MP)汇聚模型，业务路由相对确定，因此中间节点不需要路由功能。

    (3)严格的QoS：TDM/ATM和高等级数据业务需要低时延、低抖动和带宽保证，而宽带数据业务峰值流量大且突发性强，要求具有流分类、带宽管理、优先级调度和拥塞控制等QoS能力。

    (4)电信级可靠性：需要可靠的、面向连接的电信级承载，提供端到端的OAM能力和网络快速保护能力。

    (5)网络成本(TCO)控制和扩展性：中国许多大中型城市都有几千个业务接入点和上百个业务汇聚节点，因此要求网络具有低成本、统一管理和可维护性，同时在城域范围内业务分布密集且广泛，要求具有较强的网络扩展性。

    T-MPLS技术标准最初由ITU-T于2005年5月开始开发，到2007年底已发布和制订了T-MPLS框架G.8110.1、T-MPLS网络接口G.8112、T-MPLS设备功能G.8121、T-MPLS线性保护G.8131和环网保护G.8132、T-MPLS OAM G.8114等系列标准。2007年，IETF出于MPLS利益之争以及兼容性问题，提出由它主导相关标准化工作。2008年2月，ITU-T同意和IETF成立联合工作组(JWT)来共同讨论T-MPLS和MPLS标准的融合问题。之后经过组织形式的调整和不同利益集团的博弈，目前的IETF MPLS-TP标准是传送和数据领域利益竞争和平衡协调的产物，特别是在OAM和保护机制的标准化上尤为突出，导致最早到2011年12月才有望完成，标准化进程相对于最初的时间表已经大大延误。

    中国随着3G牌照在的发放，在大量3G回传业务和网络IP化需求的推动下，各大运营商对于PTN技术和应用的需求日益明显。为了满足网络需求和应用的发展，中国加快了PTN标准的进程，目前《分组传送网(PTN)总体技术要求》已经报批，该标准将针对中国应用需求，对于PTN技术要求给出明确的选项，相信对于PTN的产业发展也会有较大的促进作用。PTN技术标准和产品都在不断发展过程中，各主流设备厂商也相继推出了PTN产品，在中国移动的网络中已经应用了20余万端设备，中国电信和中国联通也相继开展了现网的试验和应用。

3.3 高速传输技术
    伴随着路由器40 Gbit/s POS接口的推出和传送网络带宽的持续增长，40 Gbit/s技术已经逐步成熟并走向规模商用，前两年中国运营商在传送网上开展了不同规模的试验和小规模商用。从2010年开始，中国电信和中国联通等运营商相继在干线网络上大规模引入40 Gbit/s WDM系统，标志着基于40 Gbit/s的WDM系统已经逐步进入规模商用阶段。随着100GE标准的确立，100 Gbit/s的高速传输技术成为业界关注的下一个高速平台。

    100G技术的相关标准IEEE、ITU-T和光互联论坛(OIF)等均进行开发。IEEE主要定义高速以太网的相关规范，也就是100G的客户信号的相关要求。100GE的标准已经于2010年6月17日正式通过，100GE的信号速率为103.125 Gbit/s，需要满足10×10 Gbit/s信号在屏蔽铜缆上至少传输7 m，在多模光纤上至少传输100 m；4×25 Gbit/s信号在单模光纤上至少传输10 km和至少传输40 km这两种传输距离的需求。国际电信联盟作为传送领域一直以来较为强势的标准组织，定义了OTU4的速率为111 809 973.568 kbit/s，ODU4的速率为104 794 445.815 kbit/s，保证了未来100GE作为客户信号映射进OTN的兼容性，同时开展了相关光波分传输接口和前向纠错码(FEC)等方面的研究工作；OIF规范相关的电接口，对于IEEE采用何种电接口的方式进行内部传送有较大影响，同时它也开展了针对DP-QPSK码型的100 Gbit/s长距传输研究；从某种角度来说，它对ITU-T开展的相关长距传输标准研究造成了一定的挑战。

    从调制格式和复用方式来看，100 Gbit/s除了基于偏振复用结合多相位调制的调制方式，如偏振复用-(差分)四相相移键控(PDM-(D)QPSK)之外，还包括多级相位和幅度调制的调制码型以及基于低速子波复用的正交频分复用(OFDM)等。从调制编码解调来看，目前主要可采用直接解调和相干解调两种方式，其中相干解调主要采用数字信号处理(DSP)技术来实现，显著降低了相干通信中对于激光器特性的要求。综合考虑系统性能要求、实现复杂性和性价比等多种因素，对于100 Gbit/s传输商用设备，业界一般看好的长距传输码型为采用相干接收的PDM-QPSK。另外，由于目前模数转换器(ADC)和DSP芯片等处理技术水平的限制，几乎所有高速电信号处理芯片都没有商用解决方案，目前基于100 Gbit/s信号的实时相干接收处理等尚待技术突破，这是100 Gbit/s WDM系统走向商用的最大技术“瓶颈”。从光信噪比(OSNR)容限来看，对于相同的调制格式，100 Gbit/s相对于40 Gbit/s的OSNR容限要求要提升4 dB左右，这对于系统研发挑战性很大，目前采用不同调制格式的OSNR容限差异较大，但相同的调制格式采用相干接收后可显著提升OSNR容限1～2 dB以上，但是在OSNR上要实现100 Gbit/s WDM系统1 000 km以上的传输，还需要在FEC方案、相干接收、软判决等方面有更多的增益，才能满足OSNR的要求。

4 结束语
    三网融合是一个大的系统工程，它在政策、监管等方面都面临着巨大的挑战和考验。以上从技术层面分析了三网融合环境下对于传送网的需求和挑战，并在分析的基础上阐述了光传送网技术近年来的最新进展。总体来说，传送网是底层承载网络，在解决传输管道需求的基础上，近年来也不断增强了大颗粒和光层组网能力，在超高速传输方面也有了较大进展。这从某种程度上为三网融合的后续发展提供了大容量的承载通道。随着三网融合进程的进一步深入，各类需求也将不断凸显，相信传送网技术的不断发展也能够为三网融合的技术进程添砖加瓦。

5 参考文献

[1] 陆洋, 胡昌军. “三网融合”驱动接入和传输技术发展 [J]. 网络电信, 2011,13(1): 15-18.
[2] 张海懿. 100G传输技术新进展 [N]. 人民邮电报, 2010,10.
[3] 张海懿, 李芳. 对中国PTN技术要求及其关键问题的思考 [J]. 中兴通讯技术, 2010,16(3):1-4.

收稿日期：2011-05-25

[摘要] 文章认为三网融合的发展对网络架构的新需求主要体现在网络的扁平化和透明化，对网络容量的需求也有大幅度提高，同时需要传送网提供灵活的大容量调度能力；作为业务网络的基础承载网络，传输网络需要满足各种业务承载的传送带宽和长传输距离、安全性和灵活调度等要求；传送网的技术发展在光传送网(OTN)技术、分组传送网(PTN)技术和100G技术方面的发展为传输网的进一步发展和融合做好了技术储备。

[关键词] 三网融合；传输；光传送网；分组传送网

[Abstract] Converging networks raises the requirements for flattened architecture as well as increased transparency and capacity. Flexible high-capacity scheduling is also needed in the transport network. The transport network is the basic bearing network and should be safe, flexible, broadband, and capable of transmitting over long distances. The transport network in optical transport networks (OTNs), packet transport networks (PTNs), and in 100G technology is preparing the way for better convergence and the development of the transport network.

[Keywords] tri-network convergence; transmission; optical transport network; packet transport network