光層OAM技術(shù)：現狀、應用與趨勢

  光通信網(wǎng)絡(luò )在信息時(shí)代發(fā)揮了關(guān)鍵作用，極大促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展和創(chuàng )新。隨著(zhù)“工業(yè)2.0”“數字經(jīng)濟”“元宇宙”等概念的提出，數字時(shí)代正逐步拉開(kāi)帷幕，擴展現實(shí)(XR)、全息通信、智慧交互等新型應用對網(wǎng)絡(luò )的帶寬和服務(wù)品質(zhì)的要求越來(lái)越高，光通信網(wǎng)絡(luò )將面臨持續的擴容壓力和大規模擴容后的運維挑戰。

  隨著(zhù)全光網(wǎng)絡(luò )的廣泛部署，光層業(yè)務(wù)的靈活調度和實(shí)時(shí)感知顯得愈發(fā)重要。目前波分復用網(wǎng)絡(luò )的OAM(operation，administration，maintenance)以成熟度高的電層OAM為主。然而電層OAM精細度難以支撐龐大復雜的光傳輸系統，尤其是對于全光交叉網(wǎng)絡(luò )，光層OAM缺失的問(wèn)題格外突出，傳統依賴(lài)人工調測和優(yōu)化光路系統的方式不僅費時(shí)費力，還極易出錯。因而，成熟的光層OAM技術(shù)對于提升波分光網(wǎng)絡(luò )的智能化水平至關(guān)重要。

  本文將介紹光層OAM相關(guān)的光層開(kāi)銷(xiāo)技術(shù)、光層性能檢測技術(shù)與光層性能自動(dòng)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)及其研究現狀，結合光網(wǎng)絡(luò )智能化的發(fā)展目標，展示了光層OAM技術(shù)在超大容量靈活業(yè)務(wù)快速開(kāi)通部署和強業(yè)務(wù)自愈能力的智能在線(xiàn)運維上的應用，并總結了未來(lái)光層OAM技術(shù)的發(fā)展趨勢。

  光層OAM關(guān)鍵技術(shù)

  光層OAM的實(shí)現主要依賴(lài)于光層開(kāi)銷(xiāo)、光層性能檢測和光層性能自動(dòng)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。

  光層開(kāi)銷(xiāo)技術(shù)

  對于光層開(kāi)銷(xiāo)，目前G.709標準只定義了標識與告警指示的定義、承載方式(OSC，optical supervisory channel)，沒(méi)有對幀結構進(jìn)行詳細定義。在實(shí)際系統運行過(guò)程中，主要使用電層開(kāi)銷(xiāo)，光層開(kāi)銷(xiāo)機制未被有效利用，只有將業(yè)務(wù)下路到電層才能讀取開(kāi)銷(xiāo)信息，在全光傳輸過(guò)程中隨路開(kāi)銷(xiāo)就無(wú)法發(fā)揮作用。

  常見(jiàn)的光層隨路開(kāi)銷(xiāo)承載方式有光層調頂和OSC兩種。OSC一般部署在OTS(optical transmission section)段，主要用于承載傳統DCN(data communication network)的管理開(kāi)銷(xiāo)，只能處理OTS或OMS(optical multiplex section)粒度的光層開(kāi)銷(xiāo)，無(wú)法處理OCh(optical channel with full functionality)粒度的光層開(kāi)銷(xiāo)，而且在OSC單纖雙向部署場(chǎng)景下，沒(méi)有OSC的業(yè)務(wù)方向就會(huì )出現隨路開(kāi)銷(xiāo)缺失的情況。

  借助光層調頂技術(shù)，可以構建完善的光層隨路開(kāi)銷(xiāo)體系，在OCh層使用調頂，可以構建OCh層隨路開(kāi)銷(xiāo)通道，同樣地，在OTS/OMS層使用調頂，也可以構建OTS/OMS層隨路開(kāi)銷(xiāo)通道。OCh層調頂與OTS/OMS層調頂結合，或者OCh層調頂與OSC結合，都可以構建完善的光層隨路開(kāi)銷(xiāo)體系，實(shí)現足夠精細的光層管理，彌補傳統DCN網(wǎng)絡(luò )在光層性能檢測、故障定位以及業(yè)務(wù)調度上的不足，全方位提升光層OAM能力。

  光層隨路開(kāi)銷(xiāo)最大的優(yōu)勢是不需要借助復雜的IP路由關(guān)系即可實(shí)現隨路開(kāi)銷(xiāo)與業(yè)務(wù)的綁定，從而實(shí)時(shí)感知光層的連接狀態(tài)與物理性能，甚至可以借助光層隨路開(kāi)銷(xiāo)管道來(lái)承載光層OAM信令，這讓整個(gè)光層的感知、分析和調控都可以集中在物理層甚至是統一的通用光電芯片上實(shí)現，為光層智能化的實(shí)現創(chuàng )造了可能。

  光層性能檢測技術(shù)

  常見(jiàn)的光層性能檢測包含頻譜檢測、光功率檢測與在線(xiàn)OSNR(optical signal to noise ratio)檢測。

  頻譜檢測是利用光/電濾波器將待測信號的不同頻率分量分離檢測的方法，常用方法有光域頻譜檢測和電域頻譜檢測兩種。

  頻譜檢測器可以感知光路上的頻譜均衡狀態(tài)，輔助控制器完成頻譜不均衡損傷的優(yōu)化，結合光層開(kāi)銷(xiāo)技術(shù)，可以實(shí)現全光層的自動(dòng)優(yōu)化。此外，高分辨率的頻譜檢測器還可用于感知ASE(amplified spontaneous emission)噪聲引起的譜形變化，從而檢測OSNR。

  光功率檢測技術(shù)是光層性能檢測技術(shù)中應用和部署最廣泛的技術(shù)，按檢測顆粒度，通常分為總光功率檢測和通道光功率檢測兩種?？偣夤β蕶z測，一般使用“光電探測器+電路放大+模數轉換器采集”的組合直接檢測光路上所有波長(cháng)(含ASE底噪)的總光功率，總光功率檢測點(diǎn)在光路上所有板卡中均有部署，可以用來(lái)感知光路板卡之間的連接損耗;值得一提的是，在光放大的輸入和輸出端部署總光功率檢測點(diǎn)，可以輔助光放大器完成自動(dòng)增益控制。通道光功率檢測，常見(jiàn)方法有三種：OCM模塊掃描頻譜積分法、相干光模塊內相干混頻檢測法與調頂檢測法，前兩種方法相對成熟，但受限于成本和集成度，難以大規模大范圍部署，而調頂檢測法可以將通道光功率檢測跟總光功率檢測的部署統一，大大簡(jiǎn)化光層的功率檢測方案。此外，基于調頂的光功率檢測時(shí)延在毫秒量級，可以實(shí)時(shí)感知OCh粒度的連接損耗，極大地提升光層的功率管理效率，同時(shí)也滿(mǎn)足快速通道LOS(loss of signal)檢測要求，基于調頂的通道光功率檢測體系可以快速感知和定位風(fēng)險或故障鏈路。

  在線(xiàn)OSNR檢測，指在不中斷業(yè)務(wù)的情況下完成該業(yè)務(wù)OSNR的測量。早期的波分復用系統(通常指10G系統)中，由于分配的頻譜柵格遠大于信號帶寬，相鄰的通道之間不存在頻譜交疊，而且底噪也不受濾波影響，因此通常使用帶外插值的方法完成噪底和OSNR估計。后期隨著(zhù)40G和100G系統的商用部署，受ROADM站點(diǎn)濾波效應和相鄰通道串擾的影響，帶外底噪再也無(wú)法代表通道內真實(shí)的噪聲水平，傳統的帶外插值估計方法完全失效，因而在線(xiàn)OSNR檢測成為光層性能檢測的一大難點(diǎn)。

  OSNR檢測的本質(zhì)在于信號光與ASE噪聲的定量分離，而根據兩者的光學(xué)差異可以實(shí)現分離：如信號光是相干光源，ASE噪聲則是非相干光源，采用延遲干涉甚至是受激布里淵效應等非線(xiàn)性的方法即可實(shí)現分離;再比如信號光由兩路正交偏振態(tài)的信號組成，而ASE噪聲的偏振態(tài)則是隨機的，采用偏振歸零法也可以實(shí)現分離。然而，以上光學(xué)類(lèi)方法普遍受環(huán)境的影響很大，如干涉效應對環(huán)境溫度與細微振動(dòng)很敏感，而信號偏振態(tài)也受環(huán)境影響而快速變換，因此，該類(lèi)方法目前很難商用部署。另外一類(lèi)方法基于數值與統計的差異實(shí)現信號與噪聲的分離：如DSP類(lèi)方法，通過(guò)解調信號或者利用信號相關(guān)噪聲不相關(guān)的統計特性實(shí)現分離;如譜比較類(lèi)方法，通過(guò)比較噪聲引起的頻譜數值差異實(shí)現分離。該類(lèi)方法已經(jīng)廣泛部署于現有網(wǎng)絡(luò )中，DSP類(lèi)方法已內置于大部分主流相干光模塊中，只能用于端到端OSNR的檢測，且對非線(xiàn)性和濾波效應等ASE噪聲以外的損傷很敏感，而譜比較類(lèi)方法已通過(guò)商用OCM(optical channel monitor)模塊部署于光網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)中，可以檢測任意節點(diǎn)之間的OSNR，能夠彌補DSP類(lèi)方法檢測覆蓋范圍的不足，但檢測精度嚴重依賴(lài)于OCM的頻譜分辨率。

  基于光纖鏈路的參數估計方法，即根據光纖鏈路中檢測到的光功率和提前標定的光纖鏈路參數等信息，結合光纖和光放大器的物理模型，可以估算出光纖鏈路中任意位置處的OSNR，該方法在功率檢測的基礎上無(wú)額外硬件部署要求，檢測覆蓋范圍大且無(wú)死角，與基于調頂的光功率檢測方法結合還能極大地提升OSNR檢測效率，將光層的感知能力提升到一個(gè)全新的層次。

  光層性能自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)

  利用對發(fā)對收的兩個(gè)OTU(optical transponder unit)之間構建的波長(cháng)標簽所使用的物理信道可以實(shí)現光層OAM開(kāi)銷(xiāo)信息的兩端交互，從而實(shí)現光層性能的閉環(huán)優(yōu)化。如在光層OAM開(kāi)銷(xiāo)信息中寫(xiě)入譜形特征以及頻譜均衡(含預加重和分片整形等)等參數，可以不借助傳統信令網(wǎng)，完成收發(fā)端頻譜不均衡損傷感知與端到端穿通優(yōu)化聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現全光層業(yè)務(wù)頻譜的自動(dòng)均衡，解決動(dòng)態(tài)可重構光網(wǎng)絡(luò )中因濾波損傷和通道內功率不平坦引起的光層業(yè)務(wù)傳輸性能的劣化問(wèn)題。

  利用光層OAM隨路開(kāi)銷(xiāo)或者傳統的DCN連接實(shí)現上下游通道功率與OSNR的交互，如果以毫秒級的低時(shí)延性能開(kāi)銷(xiāo)實(shí)現，就可以讓光路上每一個(gè)OTS/OMS段都具備獨立的實(shí)時(shí)輸入輸出性能感知能力，每一個(gè)OTS/OMS段都可以根據輸入輸出的通道功率與OSNR的變化做出快速調整與優(yōu)化，從而為全光層的通道功率與OSNR自動(dòng)優(yōu)化創(chuàng )造了可能。通道功率與OSNR自動(dòng)優(yōu)化一般有四種可選的策略：

  - 目標功率與功率平坦度優(yōu)先策略：給各站點(diǎn)的發(fā)送端和接收端設定固定的目標功率，優(yōu)先將業(yè)務(wù)波長(cháng)功率調節至設定目標功率，同時(shí)不能超過(guò)目標功率的最大偏差和功率平坦度指標約束;

  - OSNR余量與復用段OSNR平坦度優(yōu)先策略：每個(gè)復用段均以OSNR平坦度最優(yōu)為調節目標，同時(shí)需滿(mǎn)足每條業(yè)務(wù)的OSNR余量不低于最低門(mén)限要求;

  - OSNR余量與單位比特能耗優(yōu)先策略：每條業(yè)務(wù)在滿(mǎn)足OSNR余量要求的前提下，以能耗最低為優(yōu)化目標，可通過(guò)調節收發(fā)端光模塊參數和光路功率來(lái)降低設備功耗;

  - 多目標混合優(yōu)化策略：將多種優(yōu)化策略中的優(yōu)化目標按不同權重疊加到一起，形成一個(gè)新的混合目標作為優(yōu)化方向，能夠達到多目標平衡的效果。

  光層OAM技術(shù)應用

  光層OAM技術(shù)在光層業(yè)務(wù)的開(kāi)通部署和在線(xiàn)運維階段均可以發(fā)揮重要作用。

  超大容量、靈活業(yè)務(wù)快速開(kāi)通部署

  在超大容量、靈活業(yè)務(wù)的開(kāi)通部署階段，由于大容量的光交叉節點(diǎn)連纖關(guān)系復雜，人工操作很容易失誤，因而需要連纖關(guān)系自動(dòng)發(fā)現方法來(lái)確認連纖關(guān)系和質(zhì)量。借助光層調頂技術(shù)，既可以發(fā)現并檢驗連纖關(guān)系，還可以通過(guò)調頂檢測的光功率來(lái)計算連接損耗，可以大大簡(jiǎn)化開(kāi)局光纖連接階段的人工操作與檢驗環(huán)節。

  在完成連纖自動(dòng)發(fā)現需要新建業(yè)務(wù)時(shí)，可以通過(guò)光層隨路開(kāi)銷(xiāo)來(lái)輔助完成光路連通性校驗，同時(shí)使用光層性能自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現光層業(yè)務(wù)傳輸性能的快速優(yōu)化，如可以通過(guò)通道內頻譜自動(dòng)均衡技術(shù)解決因濾波損傷和通道內功率不平坦引起的光層業(yè)務(wù)傳輸性能的劣化問(wèn)題，通過(guò)通道功率與OSNR自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)將光層業(yè)務(wù)的通道功率與OSNR調至最優(yōu)狀態(tài)，如可以選擇功率平坦度最優(yōu)、OSNR平坦度最優(yōu)或者單位比特能耗最優(yōu)等優(yōu)化策略。全光層的性能快速感知與自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)，可以減少跨層協(xié)議與信令交互，能夠顯著(zhù)提升業(yè)務(wù)開(kāi)通部署效率。

  強業(yè)務(wù)自愈能力的智能在線(xiàn)運維

  智能在線(xiàn)運維要求在不需要人力干預的情況下，系統能夠處理網(wǎng)絡(luò )突發(fā)狀況，保持客戶(hù)業(yè)務(wù)的穩定性。

  當發(fā)生光纜老化、彎折、擠壓、振動(dòng)等光層性能劣化事件時(shí)，光路損耗發(fā)生變化，從而導致光層業(yè)務(wù)性能劣化，此時(shí)，基于光層OAM的快速性能感知單元能夠及時(shí)發(fā)現這一功率和衰減量變化并完成自動(dòng)優(yōu)化，維持在線(xiàn)業(yè)務(wù)的功率水平，保證客戶(hù)業(yè)務(wù)的可靠傳輸。當發(fā)生WSS(wavelength selective switch)通道波長(cháng)指派、衰減量設置等光層業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)調整事件時(shí)，光路頻譜不均衡損傷發(fā)生變化，從而導致光層業(yè)務(wù)性能劣化，此時(shí)，基于光層OAM的快速性能感知單元能夠及時(shí)發(fā)現這一頻譜不均衡損傷的變化并完成頻譜自動(dòng)均衡，維持在線(xiàn)業(yè)務(wù)的頻譜均衡水平，保證客戶(hù)業(yè)務(wù)的可靠傳輸。

  當光層性能劣化到無(wú)法達成在線(xiàn)優(yōu)化目標時(shí)，如斷纖故障，需要觸發(fā)業(yè)務(wù)恢復動(dòng)作，首先得完成恢復路由的計算，在計算恢復路由時(shí)，需要合理避開(kāi)有性能風(fēng)險或故障的鏈路，而光層OAM感知單元在實(shí)時(shí)感知業(yè)務(wù)風(fēng)險或故障的同時(shí)，能夠快速定位出風(fēng)險或故障鏈路位置，剛好能夠輔助提升算路的效率和光網(wǎng)絡(luò )資源的利用率，在業(yè)務(wù)重路由之后，也能基于光層OAM的快速性能感知和優(yōu)化機制完成業(yè)務(wù)的快速恢復，提升客戶(hù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

  技術(shù)分析與展望

  調頂技術(shù)的隨路特性與極致的通道性能檢測能力，使其在光層OAM技術(shù)的演進(jìn)中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色?；谡{頂的光層OAM技術(shù)當前需要解決物理層的技術(shù)難題。主要體現在調頂載頻等關(guān)鍵物理層參數的選取上，載頻選取過(guò)高，受非線(xiàn)性SRS(stimulated raman scattering)影響，調頂信號會(huì )對不同波長(cháng)形成較大串擾，長(cháng)距傳輸場(chǎng)景應用受限;載頻選取過(guò)低，受色散引起的功率衰落影響，調頂信號經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸后接收靈敏度與功率檢測精度均會(huì )劣化，需要選取合適的載頻，將非線(xiàn)性SRS和色散功率衰落的影響降到最低，并且能同時(shí)滿(mǎn)足以下應用要求：

  - 滿(mǎn)足G.652、G.654和G.655等色散與非線(xiàn)性差異較大的光纖傳輸場(chǎng)景，需在不同光纖傳輸場(chǎng)景下達到非線(xiàn)性SRS與色散功率衰落的平衡;

  - 滿(mǎn)足200G QPSK、400G QPSK等大波特率業(yè)務(wù)的長(cháng)距離傳輸場(chǎng)景，需解決大波特率業(yè)務(wù)色散功率衰落嚴重的問(wèn)題;

  - 滿(mǎn)足C+L擴容需求，需預留足夠多的頻譜資源用于調頂載頻的分配，并保證多載頻檢測時(shí)的高接收靈敏度要求，通常-30dBm以下。

  當前基于調頂技術(shù)實(shí)現的光層隨路開(kāi)銷(xiāo)缺陷主要有兩點(diǎn)：

  - 中間節點(diǎn)只能讀取調頂信息，不具備改寫(xiě)能力，因而暫時(shí)無(wú)法自成體系，進(jìn)而獨立實(shí)現光纖鏈路自動(dòng)發(fā)現與快速故障定位等光層OAM基礎需求;

  - 在保證不影響主光業(yè)務(wù)性能的前提下，調頂的速率最多只能做到Kbps量級，因而調頂通道無(wú)法承載大帶寬低時(shí)延類(lèi)型開(kāi)銷(xiāo)，其應用范圍嚴重受限。

  為了發(fā)揮出調頂隨路開(kāi)銷(xiāo)在光層OAM中的最大作用，需將其與電層開(kāi)銷(xiāo)、光監控信道OSC等傳統開(kāi)銷(xiāo)機制協(xié)作，取長(cháng)補短。而多級開(kāi)銷(xiāo)協(xié)同涉及到不同技術(shù)特點(diǎn)的多級開(kāi)銷(xiāo)接口的定義及規范，對傳統DCN網(wǎng)絡(luò )架構也會(huì )形成較大沖擊。當前，我們仍然需要挖掘更多光層OAM開(kāi)銷(xiāo)協(xié)同技術(shù)的應用，其應用價(jià)值與實(shí)現代價(jià)需要進(jìn)一步探討。

  未來(lái)光層OAM技術(shù)將會(huì )朝三個(gè)方向演進(jìn)：

  - 構建更加完善的光層開(kāi)銷(xiāo)體系：光標簽技術(shù)提供了一種光通道層隨路開(kāi)銷(xiāo)傳輸渠道，為光層開(kāi)銷(xiāo)體系的完善開(kāi)辟了新的局面，新的光通道層開(kāi)銷(xiāo)的定義將會(huì )引入新的光層OAM功能，隨著(zhù)光層開(kāi)銷(xiāo)的不斷完善，光層OAM的功能也會(huì )日趨成熟。

  - 構建更加快捷的光層感知網(wǎng)絡(luò )：光標簽技術(shù)提供了一種板上集成的光通道層性能快速檢測方法，高度集成的特點(diǎn)便于其在光網(wǎng)絡(luò )中廣泛部署，隨著(zhù)基于光標簽功能的光層感知網(wǎng)絡(luò )的全面部署，光通道層性能的感知將會(huì )變得無(wú)時(shí)無(wú)刻無(wú)處不在，海量光層性能數據的采集將會(huì )為光層智能化引擎提供更為實(shí)時(shí)可靠的決策依據。

  - 構建全連接的光層一體化OAM平臺，OSC隨路開(kāi)銷(xiāo)與光標簽隨路開(kāi)銷(xiāo)的結合、“OSC+光標簽+OPM(optical performance monitoring)+ OTDR(optical time domain reflectometry)”等光檢測與隨路開(kāi)銷(xiāo)功能的融合，并最終出現硬件集成與芯片定制化的產(chǎn)品形態(tài)，整個(gè)光層的所有感知與開(kāi)銷(xiāo)功能均統一集成于同一光層OAM功能單元內，而光路上所有的光層OAM功能單元均通過(guò)統一的光層隨路開(kāi)銷(xiāo)連接到一起，互相之間能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)性能等信息的共享和管控信令的傳遞，就像一個(gè)整體一樣，全連接的光層一體化OAM平臺必定會(huì )將光層智能化提升到一個(gè)新的層次。

  綜上所述，光層OAM技術(shù)是光網(wǎng)絡(luò )運維的核心，是光層智能化的基礎，具有廣闊的發(fā)展與應用前景。當前仍需要關(guān)注光層感知和開(kāi)銷(xiāo)通道的物理實(shí)現與部署，在解決物理層實(shí)現問(wèn)題之后，需要進(jìn)一步考慮光層所有感知與開(kāi)銷(xiāo)功能的融合，賦予光層自主感知、分析、優(yōu)化的自治能力，最終才能實(shí)現真正的光層智能化。

  作者：中興通訊 吳瓊，馮振華