新一代光网络体系架构瞄准五大方向

　　在高速率、大带宽的需求驱动下，电信网络得到了迅猛发展，但耗能问题也逐渐引起了运营商、通信设备商、业务提供商的广泛关注有预测显示，假如全国有1000个1.2P的路由器，其耗能将达1.5万兆功率，相当于一个核电站。欧盟为此成立了绿色光电网络小组，致力于节能光器件研究。中国工程院副院长邬贺铨在2010年中国互联网大会开幕式上曾提及：“互联网的宽带化是流量超常规下发展的，移动互联网将加大网络的能耗，需要从体系、技术等方面开发高效、节能的互联网。”作为电信网络的重要部分，光网络在绿色、节能方面担当着重要角色。

　　构建低碳环保网络迫在眉睫

　　随着社会的不断进步与经济的不断发展，能源消耗与环境保护的矛盾愈发凸显。一方面，环境对人类可持续发展的重要性，已得到空前重视；改善环境、减少污染，已成为时代的急切呼声。另一方面，能源枯竭步步逼近，能源消耗年年倍增，能耗总量过大与能耗效率偏低是限制人类发展的重大瓶颈。解决能源问题，保护生存环境，已经成为人类发展的艰巨挑战。

　　作为人类社会飞速发展的标志性产业，通信行业在能耗挑战中首当其冲。随着人们通信需求的逐步提高，ICT网络覆盖范围的快速增加，ICT耗能也在迅猛增长，网络设备和元件的消耗量更与日俱增。数据显示，ICT耗能2009年已占世界总耗能的8%。作为ICT设施的重要部分，电信网络的节能措施也提上了日程。

　　电信网络的结构如图1所示，我们从电信网络结构的三个组成部分入手，即核心网、城域网和接入网，总结当前存在的光网络代表性节能方案。

　　核心网多层推进

　　核心网是电信网络的主要部分，具有覆盖范围广、传输距离长、数据量大、传输速率高的特点。骨干网耗能大约占总网络耗能的12%，预计2020年将达到20%。

　　首先，核心网的业务量在一天中不同时刻大小不同。当业务负载较低时，存在的暂停使用或利用率低的节点和链路，造成了能源的浪费。如何达到能效最大化，即如何尽可能多地关掉空闲节点和链路，是关键所在。这个问题即为NP难问题，通常采用MILP(Mixed Integer Linear Program)进行解决，但随着网络节点数的增加，MILP计算量会急剧增大，因此MILP只适应于小型网络。

　　针对大型网络，可以采用启发算法完成路由和波长分配，实现网络有效组件最小化。目前通常采用局部搜索、多空间搜索和全局搜索来处理NP难度问题。局部搜索算法是一类近似算法的通称，它从一个初始解开始，每一步在当前领域内找到一个更好的解，使目标函数逐步优化.直到不能进一步改进为止；多空间搜索算法采用搜索空间平滑技术来减小局部极小点数量；全局搜索算法，是指在全局搜索或全局优化中，采用特殊的变换模型将离散的布尔空间上的SAT问题转换成实空间上的“连续量SAT问题”，已知的全局优化方法有最速下降法、牛顿法、准牛顿法、割平面法、椭球体法、同伦法、布尔差分法等。

图1. 电信网络结构

　　其次，核心网中的IP路由是主要耗能设备，其能耗约占全网能耗的90%，如何减小路由耗能也是核心网络节能要考虑的一个重要方面。

　　核心路由的线卡和机箱耗能是不可忽视的，线卡和机箱的配置不同导致能耗不同。一般机箱填充级别越高，节能越明显，也就是，高填充率的机箱比低填充率机箱每比特消耗能量少。

　　第三，核心网中呈现出多层网络结构，故其节能应考虑多层网络的综合耗能情况。由于大部分交换和传送设备的耗能在一定程度上取决于业务负载，因此涉及到多层流量疏导，以实现网络业务的最优化处理，以减小使用波长和ADM用量。目前流量疏导主要集中于静态业务方案下的WDM环形网络，通过建立普遍的流量疏导模型，利用启发算法来解决流量疏导以达到网络最优化。另外，经路由传输的IP包大小对其耗能也存在影响。即恒定比特业务传输时，IP包越大，耗能越小。

图2 长距离PON结构图

　　第四，传统的最佳路径选择依据为最小跳数，但最小跳数路径的节点被过度使用可能性大，因而造成网络耗能增加并影响网络寿命。因此，人们提出了能量感知路由，它将路径剩余能量也作为最佳路径选择的指标，以此降低网络耗能并延长网络寿命。能量感知路由有两种设计：一种是功率效率设计，即整合路由ASICs/FPGAs并提出一种可升级中心结构，使得路由耗能减小50%。另一种为功率节约设计，即减小额外的能耗，包含静态性能控制和动态性能控制两方面。静态性能控制可实现10%~20%的节能，动态性能控制可以根据到达业务量动态改变路由性能，是下一代路由发展的趋势。

　　城域网因地制宜

　　城域网界于局域网与广域网之间，它覆盖一个城市的地理范围，连接用户的业务聚合设备并和核心网直接相连。不同城域网所采用的网络技术也不同。在城域网的主要技术有SONET、WDM环、以太网等。其中城域WDM环形结构应用广泛。

图3 未来绿色光网络体系结构

　　针对单向WDM环形网络考虑3种结构：FG（First-Generaion）光网络，SH（single-hop）网络，MH（multi-hop）网络。在FG光网络中，每个节点流入流出业务都是电处理，包括中继业务；在SH网络中，当节点为源节点或是目的节点的时候才进行电处理；MH网络介于两者之间。当单向WDM环形网有着均匀的业务时，且连接速率接近波长容量，MH网络耗能比FG低。当连接速率较低时，MH网络比SH网络更好，因为MH网络在业务复用方面更为灵活。

　　以太网节能问题的研究重点，主要在于降低以太网接口的能耗问题。在IEEE 802.3az工作组的工作中，为减小以太网能耗，工作组对高效以太网各种电子接口，包括1000BASE-T和10GBASE-T，进行了标准化处理。这方面研究的主要思路是：在负载较小时，通过降低端口速率甚至关闭端口来降低能耗。关于以太网能耗问题的研究将进一步削减以太网的运营成本，使得以太网逐步成为一项绿色技术。[page]

　　接入网双管齐下

　　作为连接用户终端设备和某种业务网网络节点之间的网络设施，接入网是电信网络的最后一公里设施，组成了电信网络的大部分。现代接入网的特点是综合业务接入，特别是多媒体业务和IP业务的综合接入。有研究表明，由于存在大量活跃节点，接入网消耗了全网的70%的能量。所以，降低接入网的能耗就可显著降低全网络能耗。

　　当前的接入网技术主要有有线接入和无线接入两类。有线接入技术包括xDSL、CM、FTTx等，无线接入技术包括Wi-Fi、WiMAX和蜂窝数据服务（如LTE、2G、3G等）。

　　有线接入介绍当前广泛使用的FTTx，作为FTTx主要技术的PON的节能主要从改进集成电路技术、节能芯片设计、设备改良几个方面来考虑。新型网络长距离无源光网络LR-PON（Long-reach Passive Optical Network）的提出，如图2所示，将传统PON的传输距离由20km延伸到100km，可以为大量接入/城域地区的客户提供宽带接入，是一个有前途的未来接入网的方案。由于在中心局和用户之间采用无源器件实现长距离传输，使得传输耗能大大减小；且合并多种光线路终端和中心局，简化了网络，减少设备接口和网络元素，实现设备的节能。

　　无线接入以蜂窝数据服务为例，在蜂窝数据服务中，由于ad hoc网络节点限制源功率和传输功率，所以通常采用一种基于蜂窝的路由感知协议，来实现能量感知和负载平衡。

　　未来节能网络畅想

　　未来绿色光网络体系结构如图3所示，它应该具有五大特点。

　　其一，整个网络为全光网络，信号交换、选路、传输和恢复等所有功能都以光的形式进行，不但突破了电传输的速率瓶颈，而且无需光/电、电/光转换设备，节省网络能耗。

　　其二，使用动态能量感知路由，根据业务量动态改变路由性能，即根据业务量调整发射器的功率及根据网络节点和链路剩余能耗实现最佳路径选择，从而减小某些网络节点的过度使用，使数据流平均分布在网络节点中。

　　其三，采取动态流量疏导，在不改变ADM和波长的数量及ADM分布的情况下，通过动态改变各个波长所承载的业务，调节业务在波长中的分布，灵活实现波长转化，达到用最少的ADM数量来支持动态改变的业务。

　　其四，根据节点和链路的业务量大小，对于未利用和低于阈值的节点和链路进入休眠，对于高利用率节点设置较低阈值，低利用率节点设置较高阈值，在业务达到阈值则开启节点，低于阈值则选择其它链路，达到动态高效利用节点和链路的目的。

　　其五，采用长距离接入网代替传统城域网和接入网，其光线路终端到本地交换的90km馈线段和本地交换到ONU的10km下线段均采用无源器件传输，减小传统方案有源器件的耗能。由于上行信息的突发模式，使得ONU存在大量空闲时间，可以设计业务触发机制，即有信息传输才启动OUN，无信息则进入休眠模式，以此减小ONU空闲时间能耗。

　　节能光网络是一个近来较新的研究点，本文总结了光网络中的部分节能方案，为节能网络研究有兴趣的研究者提供了参考，希望有助于未来绿色光网络的研究。