本文由 Infinera产品和解决方案营销高级经理Anuj Malik和有线电视市场部总监Gaylord Hart解释它们是如何做到的。
每年约有1.5亿公里的新光纤被生产出来，而自1997年以来也已经铺设了数倍于该公里数的光纤。网络运营商必须确保他们的投资回报率达到最高，并且要确保在面对巨大和不断增长的带宽需求下铺设新的光纤能够不会过时。
通过从10 Gb/s迁移到100 Gb/s的光学传输波，我们在核心网络方面已经取得显著的进展。该光学传输波允许8 Tb/s或更多的容量使用标准的50 GHz C-波段ITU-T G.694.1网格在传统的光纤上运载。然而，带宽的增长预测已经表明，很快地甚至每一光纤8 Tb/s的容量也将不再够用。更重要的是，以100G增量部署这么多容量的运营成本可能会很高。网络提供商必须为越来越高的容量需求做好准备，他们必须提高运营效率，以灵活、及时和具有成本效益的方式来满足这些需求。
本文概述了为什么需要下一代光网络与可变宽度的光学超级信道的灵活网格来取代今天的刚性信道结构。如此这些兆兆位规模的超级信道就可以被实施以满足适当的调制和范围要求，并提供软件控制的光交换。
带宽的有效利用
为了充分利用光纤光谱容量并降低资本支出，大多数城域和长途光纤网络使用密集波分复用(DWDM)以通过单一光纤传输多个波。国际电信联盟(ITU)标准化了一个固定的DWDM信道计划与内置的介于每个光信道之间的保护频带，以允许复用和解复用单一光波用于在它们的目的地来路由以及过滤光波。这些保护频带占用高达25%的频谱，这相当于容量的损失。
该行业现在正迁移到光学超级信道，这是比传统的ITU-T网格宽得多的信道，但它没有光波之间的内部保护频带。
图1 - DWDM保护频带和频谱要求
图1显示出两者的不同：左边有使用标准网格与以红色突显的保护频带的12x100G光波。所以1.2 Tb/s的传输能力需要600 GHz的光频谱来传输。右边是一个也具有等效12x100G光波的多载波超级信道。因为超级信道被作为一个整体来交换或复用/解复用，所以不需要内部的保护频带，只有红色所示的超级信道的上下边缘才需要保护频带。所以，同样的1.2 Tb/s的能力只需要462.5 GHz的光频谱 - 减少了23%的光频谱(可以比较一下当你买一个经济规模的大包装，而不是12个小包装，所获得的节约)。从光信道的角度来看，它就是12个离散的50GHz的信道和一个462.5 GHz的超级信道之间的差别。
这仅仅是一个例子，因为超级信道可能以许多其他的方式来实现，以支持每一光纤多达24 Tb/s的容量 - 图2显示了一些替代方案。
图2 - 超级信道实现选项
左侧的单波超级信道是最简易能实现具有最少数量部件的超级信道，但要支持384 Gbaud需要超高速硅，此超高速硅在未来8年左右可能都不可得。单波超级信道也不允许灵活地分配或路由较小粒度的带宽，因为它是由一个不可分割的波所组成。
中间的双波超级信道仅是稍微复杂一些，只有两倍的组件，但仍需要192 Gbaud的电子设备，此设备在未来5年内可能都不可得。它也有限制，但它允许双波被配置成和选择处理成一个集成的信道或两个独立的信道。
12波的超级信道由显示在右侧的十二个100G的波所组成，它确实需要单波版本12倍的组件，但它确实能在今天的硅技术所支持的速度下运行。它也提供了最大的灵活性，因为各个波可以任意排列组合，而且调制格式可以在逐波的基础上被分配，以进一步降低资本支出。
大多数的网络运营商现在会忍受这更大的复杂性并享受更高的容量，而不是怀着一个更简单解决方案的希望而要等待好几年。然而，光子集成，能够实现兆兆位级多载波超级信道所有必需的组件。这个超级信道在一对光子集成电路(PICS)上，两个集成电路分别用于发射和接收功能。
支持5x100G超级信道的第三代PIC与ITU-T固定信道格已经部署在现场有两年多了。它们在一对芯片上集成了600多个光学功能，以取代100多个离散的光学组件和250多个光纤耦合 - 这在密度、功耗、发热，和可靠性上都有显著的改善。所以PIC可以把组件数目降低至与实施单波超级信道一致，以作为在未来扩展光网络最实用的路径。
到达范围与频谱效率的平衡
更高阶的调制格式能更有效地利用频谱，但更容易受到噪声影响，并且不能可靠地到达很远。例如，在频谱效率上，具有每个符号4比特编码的16QAM是具有每个符号2比特编码的QPSK的两倍，但其到达范围大约是QPSK的四分之一。
可配备的调制将允许每个信道的到达范围与频谱效率进行优化，因此带来更大的成本节约，但它需要一个灵活的网格系统以支持可变的带宽信道。ITU-T的最新WDM网格规范，G.694.1，定义了一个灵活的网格与WDM信道，在固定的网格有12.5 GHz宽的粒度取代较粗的50 GHz宽的粒度。这种灵活的网格允许提供商以12.5 GHz的倍数定义一个聚合的超级信道，以适应任何组合的光载波、调制格式，和数据速率，以便能对光信号扩展的到达范围来平衡频谱效率。
此外，灵活的网格能够分配频率隙槽和修改调制格式，以满足不断变化的流量需求。这允许资源高效地使用以响应流量的变化。在过去的二十年里，光传输系统的比特率和调制格式已经大幅进化，但要提高比特率且同时保持频谱效率和到达范围，却变得越来越难。这种灵活的网格系统将允许运营商今天安装的线路系统，将能够适应明天的几乎任何类型的超级信道 - 因此让今天的资本支出不会过时。
多层交换
网络规划者需要考虑的不仅只是容量，同时也要考虑服务类型的组合。即使线路侧传输速率正发展至超过100 Gb/s的速率，而网络中95%以上的客户服务仍然是10G或以下的速率以及使用复用转发器(muxponder)来聚合这些服务至100G波长。但是100G复用转发器并不提供任何调度或切换波长内部或之间的子波长流量的能力。这会导致部署带宽的低利用率，因此而过度部署100G波长，这也被称为“复用转发器税”。数字交换架构通过有效疏导客户服务至线路侧因而解决了这个问题，但随着需求趋于完全填满，为了低成本而使用光交换就变得更有意义。下一代的光网络应该支持集成了数字和可重构光交换的多层交换架构。这结合了数字交换的子波长调度以及光交换的简易和灵活地为快速流量操作两者的好处。
图3 - 光学、数字，和多层交换
图3展示了不同。在纯光交换的情况下，复用转发器聚集低速流量到更高速的作为一个整体交换的线路侧波 – 而没有能力在中间节点添加或删除流量。这是非常有效率的，给予了足够的流量填补了线路侧波。而纯数字交换，低速流量被有效地聚集到线路侧波，但所有的业务流量是通过中间节点路由，即使它在那些节点没有被增加或删除。数字交换能有效填充线路侧波，并从多个添加/删除站点的那些波添加/删除流量。
使用多层交换，数字交换能够有效地调度流量至线路侧波以减少搁浅的带宽，并且这些波然后可以直接以光的方式路由到客户流量被添加或删除的节点。这是在两个极端条件下使用最小数目的波长：要么当需求低，波长未被填满;或者当需求高，波长能够被高度填满。
前方的路
对额外的光传输带宽不断的需求正在以非常快的速度推动新的技术，来提高频谱效率和带宽利用率，同时还能降低每比特的整体传输成本。多载波超级信道(它在支持可变带宽信道的灵活网格信道计划上运作)藉由消除与固定网格信道计划相关的低效保护带和通过启用可配备的调制格式来增加频谱容量，这些调制格式允许运营商为最佳的频谱容量与到达范围来配置他们的网络。16QAM调制可提供每根光纤高达24 Tb/s的容量，但代价是与QPSK相比要短得多的到达范围。
要支持多载波超级信道，灵活的网格线路系统是必需的，它允许信道和交换带宽根据需要向每个单独的可变带宽超级信道进行分配。灵活的网格结构支持以12.5 GHz的增量在C波段进行带宽分配，使能有效使用C波段的固定和弹性网格信道。
为了实现超级信道获得最大的传输效率(超级信道具有比100G固定网格波高得多的带宽)，集成光学和数字层交换的多层交换结构是必需的。通过允许sub-lambda OTN在超级信道内部和之间做数字调度，这种架构优化了超级信道的带宽利用率，并且优化了超级信道在具有灵活网格光学交换的目的地之间做路由。由此产生的“光学数据平面”也非常适合综合的控制平面操作，无论是今天的GMPLS，还是未来的运营商SDN[注]控制平面。
参考文献：
Anuj Malik & Gaylord Hart，“下一代光网络的演进：兆兆比特超级信道和灵活的网格ROADM架构”，SCTE Cable-Tec博览会2014年论文集
Soumya Roy et.al，“未来的光传输网络多层交换的效率评估”，OFC 2013