新一代光網(wǎng)絡體系架構(gòu)需要解決哪些問題

        在高速率、大帶寬的需求驅(qū)動下，電信網(wǎng)絡得到了迅猛發(fā)展，但耗能問題也逐漸引起了運營商、通信設備商、業(yè)務提供商的廣泛關(guān)注有預測顯示，假如全國有1000個1.2P的路由器，其耗能將達1.5萬兆功率，相當于一個核電站。歐盟為此成立了綠色光電網(wǎng)絡小組，致力于節(jié)能光器件研究。中國工程院副院長鄔賀銓在2010年中國互聯(lián)網(wǎng)大會開幕式上曾提及：“互聯(lián)網(wǎng)的寬帶化是流量超常規(guī)下發(fā)展的，移動互聯(lián)網(wǎng)將加大網(wǎng)絡的能耗，需要從體系、技術(shù)等方面開發(fā)高效、節(jié)能的互聯(lián)網(wǎng)。”作為電信網(wǎng)絡的重要部分，光網(wǎng)絡在綠色、節(jié)能方面擔當著重要角色。

　　構(gòu)建低碳環(huán)保網(wǎng)絡迫在眉睫

　　隨著社會的不斷進步與經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源消耗與環(huán)境保護的矛盾愈發(fā)凸顯。一方面，環(huán)境對人類可持續(xù)發(fā)展的重要性，已得到空前重視；改善環(huán)境、減少污染，已成為時代的急切呼聲。另一方面，能源枯竭步步逼近，能源消耗年年倍增，能耗總量過大與能耗效率偏低是限制人類發(fā)展的重大瓶頸。解決能源問題，保護生存環(huán)境，已經(jīng)成為人類發(fā)展的艱巨挑戰(zhàn)。

　　作為人類社會飛速發(fā)展的標志性產(chǎn)業(yè)，通信行業(yè)在能耗挑戰(zhàn)中首當其沖。隨著人們通信需求的逐步提高，ICT網(wǎng)絡覆蓋范圍的快速增加，ICT耗能也在迅猛增長，網(wǎng)絡設備和元件的消耗量更與日俱增。數(shù)據(jù)顯示，ICT耗能2009年已占世界總耗能的8%。作為ICT設施的重要部分，電信網(wǎng)絡的節(jié)能措施也提上了日程。

　　電信網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，我們從電信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的三個組成部分入手，即核心網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，總結(jié)當前存在的光網(wǎng)絡代表性節(jié)能方案。

　　核心網(wǎng)多層推進

　　核心網(wǎng)是電信網(wǎng)絡的主要部分，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離長、數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高的特點。骨干網(wǎng)耗能大約占總網(wǎng)絡耗能的12%，預計2020年將達到20%。

　　首先，核心網(wǎng)的業(yè)務量在一天中不同時刻大小不同。當業(yè)務負載較低時，存在的暫停使用或利用率低的節(jié)點和鏈路，造成了能源的浪費。如何達到能效最大化，即如何盡可能多地關(guān)掉空閑節(jié)點和鏈路，是關(guān)鍵所在。這個問題即為NP難問題，通常采用MILP(Mixed Integer Linear Program)進行解決，但隨著網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)的增加，MILP計算量會急劇增大，因此MILP只適應于小型網(wǎng)絡。

　　針對大型網(wǎng)絡，可以采用啟發(fā)算法完成路由和波長分配，實現(xiàn)網(wǎng)絡有效組件最小化。目前通常采用局部搜索、多空間搜索和全局搜索來處理NP難度問題。局部搜索算法是一類近似算法的通稱，它從一個初始解開始，每一步在當前領(lǐng)域內(nèi)找到一個更好的解，使目標函數(shù)逐步優(yōu)化.直到不能進一步改進為止；多空間搜索算法采用搜索空間平滑技術(shù)來減小局部極小點數(shù)量；全局搜索算法，是指在全局搜索或全局優(yōu)化中，采用特殊的變換模型將離散的布爾空間上的SAT問題轉(zhuǎn)換成實空間上的“連續(xù)量SAT問題”，已知的全局優(yōu)化方法有最速下降法、牛頓法、準牛頓法、割平面法、橢球體法、同倫法、布爾差分法等。 

圖1. 電信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

 

　　其次，核心網(wǎng)中的IP路由是主要耗能設備，其能耗約占全網(wǎng)能耗的90%，如何減小路由耗能也是核心網(wǎng)絡節(jié)能要考慮的一個重要方面。

　　核心路由的線卡和機箱耗能是不可忽視的，線卡和機箱的配置不同導致能耗不同。一般機箱填充級別越高，節(jié)能越明顯，也就是，高填充率的機箱比低填充率機箱每比特消耗能量少。

　　第三，核心網(wǎng)中呈現(xiàn)出多層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，故其節(jié)能應考慮多層網(wǎng)絡的綜合耗能情況。由于大部分交換和傳送設備的耗能在一定程度上取決于業(yè)務負載，因此涉及到多層流量疏導，以實現(xiàn)網(wǎng)絡業(yè)務的最優(yōu)化處理，以減小使用波長和ADM用量。目前流量疏導主要集中于靜態(tài)業(yè)務方案下的WDM環(huán)形網(wǎng)絡，通過建立普遍的流量疏導模型，利用啟發(fā)算法來解決流量疏導以達到網(wǎng)絡最優(yōu)化。另外，經(jīng)路由傳輸?shù)腎P包大小對其耗能也存在影響。即恒定比特業(yè)務傳輸時，IP包越大，耗能越小。 

圖2 長距離PON結(jié)構(gòu)圖

 

　　第四，傳統(tǒng)的最佳路徑選擇依據(jù)為最小跳數(shù)，但最小跳數(shù)路徑的節(jié)點被過度使用可能性大，因而造成網(wǎng)絡耗能增加并影響網(wǎng)絡壽命。因此，人們提出了能量感知路由，它將路徑剩余能量也作為最佳路徑選擇的指標，以此降低網(wǎng)絡耗能并延長網(wǎng)絡壽命。能量感知路由有兩種設計：一種是功率效率設計，即整合路由ASICs/FPGAs并提出一種可升級中心結(jié)構(gòu)，使得路由耗能減小50%。另一種為功率節(jié)約設計，即減小額外的能耗，包含靜態(tài)性能控制和動態(tài)性能控制兩方面。靜態(tài)性能控制可實現(xiàn)10%~20%的節(jié)能，動態(tài)性能控制可以根據(jù)到達業(yè)務量動態(tài)改變路由性能，是下一代路由發(fā)展的趨勢。

　　城域網(wǎng)因地制宜

　　城域網(wǎng)界于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間，它覆蓋一個城市的地理范圍，連接用戶的業(yè)務聚合設備并和核心網(wǎng)直接相連。不同城域網(wǎng)所采用的網(wǎng)絡技術(shù)也不同。在城域網(wǎng)的主要技術(shù)有SONET、WDM環(huán)、以太網(wǎng)等。其中城域WDM環(huán)形結(jié)構(gòu)應用廣泛。 

圖3 未來綠色光網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

 

　　針對單向WDM環(huán)形網(wǎng)絡考慮3種結(jié)構(gòu)：FG（First-Generaion）光網(wǎng)絡，SH（single-hop）網(wǎng)絡，MH（multi-hop）網(wǎng)絡。在FG光網(wǎng)絡中，每個節(jié)點流入流出業(yè)務都是電處理，包括中繼業(yè)務；在SH網(wǎng)絡中，當節(jié)點為源節(jié)點或是目的節(jié)點的時候才進行電處理；MH網(wǎng)絡介于兩者之間。當單向WDM環(huán)形網(wǎng)有著均勻的業(yè)務時，且連接速率接近波長容量，MH網(wǎng)絡耗能比FG低 。當連接速率較低時，MH網(wǎng)絡比SH網(wǎng)絡更好，因為MH網(wǎng)絡在業(yè)務復用方面更為靈活。

　　以太網(wǎng)節(jié)能問題的研究重點，主要在于降低以太網(wǎng)接口的能耗問題。在IEEE 802.3az工作組的工作中，為減小以太網(wǎng)能耗，工作組對高效以太網(wǎng)各種電子接口，包括1000BASE-T和10GBASE-T，進行了標準化處理。這方面研究的主要思路是：在負載較小時，通過降低端口速率甚至關(guān)閉端口來降低能耗。關(guān)于以太網(wǎng)能耗問題的研究將進一步削減以太網(wǎng)的運營成本，使得以太網(wǎng)逐步成為一項綠色技術(shù)。

　　接入網(wǎng)雙管齊下

　　作為連接用戶終端設備和某種業(yè)務網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點之間的網(wǎng)絡設施，接入網(wǎng)是電信網(wǎng)絡的最后一公里設施，組成了電信網(wǎng)絡的大部分?，F(xiàn)代接入網(wǎng)的特點是綜合業(yè)務接入，特別是多媒體業(yè)務和IP業(yè)務的綜合接入。有研究表明，由于存在大量活躍節(jié)點，接入網(wǎng)消耗了全網(wǎng)的70%的能量。所以，降低接入網(wǎng)的能耗就可顯著降低全網(wǎng)絡能耗。

　　當前的接入網(wǎng)技術(shù)主要有有線接入和無線接入兩類。有線接入技術(shù)包括xDSL、CM、FTTx等，無線接入技術(shù)包括Wi-Fi、WiMAX和蜂窩數(shù)據(jù)服務（如LTE、2G、3G等）。

　　有線接入介紹當前廣泛使用的FTTx，作為FTTx主要技術(shù)的PON的節(jié)能主要從改進集成電路技術(shù)、節(jié)能芯片設計、設備改良幾個方面來考慮。新型網(wǎng)絡長距離無源光網(wǎng)絡LR-PON（Long-reach Passive Optical Network）的提出，如圖2所示，將傳統(tǒng)PON的傳輸距離由20km延伸到100km，可以為大量接入/城域地區(qū)的客戶提供寬帶接入，是一個有前途的未來接入網(wǎng)的方案。由于在中心局和用戶之間采用無源器件實現(xiàn)長距離傳輸，使得傳輸耗能大大減?。磺液喜⒍喾N光線路終端和中心局，簡化了網(wǎng)絡，減少設備接口和網(wǎng)絡元素，實現(xiàn)設備的節(jié)能。

　　無線接入以蜂窩數(shù)據(jù)服務為例，在蜂窩數(shù)據(jù)服務中，由于ad hoc網(wǎng)絡節(jié)點限制源功率和傳輸功率，所以通常采用一種基于蜂窩的路由感知協(xié)議，來實現(xiàn)能量感知和負載平衡。

　　未來節(jié)能網(wǎng)絡暢想

　　未來綠色光網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，它應該具有五大特點。

　　其一，整個網(wǎng)絡為全光網(wǎng)絡，信號交換、選路、傳輸和恢復等所有功能都以光的形式進行，不但突破了電傳輸?shù)乃俾势款i，而且無需光/電、電/光轉(zhuǎn)換設備，節(jié)省網(wǎng)絡能耗。

　　其二，使用動態(tài)能量感知路由，根據(jù)業(yè)務量動態(tài)改變路由性能，即根據(jù)業(yè)務量調(diào)整發(fā)射器的功率及根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點和鏈路剩余能耗實現(xiàn)最佳路徑選擇，從而減小某些網(wǎng)絡節(jié)點的過度使用，使數(shù)據(jù)流平均分布在網(wǎng)絡節(jié)點中。

　　其三，采取動態(tài)流量疏導，在不改變ADM和波長的數(shù)量及ADM分布的情況下，通過動態(tài)改變各個波長所承載的業(yè)務，調(diào)節(jié)業(yè)務在波長中的分布，靈活實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)化，達到用最少的ADM數(shù)量來支持動態(tài)改變的業(yè)務。

　　其四，根據(jù)節(jié)點和鏈路的業(yè)務量大小，對于未利用和低于閾值的節(jié)點和鏈路進入休眠，對于高利用率節(jié)點設置較低閾值，低利用率節(jié)點設置較高閾值，在業(yè)務達到閾值則開啟節(jié)點，低于閾值則選擇其它鏈路，達到動態(tài)高效利用節(jié)點和鏈路的目的。

　　其五，采用長距離接入網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，其光線路終端到本地交換的90km饋線段和本地交換到ONU的10km下線段均采用無源器件傳輸，減小傳統(tǒng)方案有源器件的耗能。由于上行信息的突發(fā)模式，使得ONU存在大量空閑時間，可以設計業(yè)務觸發(fā)機制，即有信息傳輸才啟動OUN，無信息則進入休眠模式，以此減小ONU空閑時間能耗。

　　節(jié)能光網(wǎng)絡是一個近來較新的研究點，本文總結(jié)了光網(wǎng)絡中的部分節(jié)能方案，為節(jié)能網(wǎng)絡研究有興趣的研究者提供了參考，希望有助于未來綠色光網(wǎng)絡的研究。 (來源：通信世界周刊)