光層OAM技術(shù)：現(xiàn)狀、應(yīng)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)了人類社會的發(fā)展和創(chuàng)新。隨著“工業(yè)2.0”“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”“元宇宙”等概念的提出，數(shù)字時(shí)代正逐步拉開帷幕，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(XR)、全息通信、智慧交互等新型應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的帶寬和服務(wù)品質(zhì)的要求越來越高，光通信網(wǎng)絡(luò)將面臨持續(xù)的擴(kuò)容壓力和大規(guī)模擴(kuò)容后的運(yùn)維挑戰(zhàn)。

  隨著全光網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署，光層業(yè)務(wù)的靈活調(diào)度和實(shí)時(shí)感知顯得愈發(fā)重要。目前波分復(fù)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(xì)度難以支撐龐大復(fù)雜的光傳輸系統(tǒng)，尤其是對于全光交叉網(wǎng)絡(luò)，光層OAM缺失的問題格外突出，傳統(tǒng)依賴人工調(diào)測和優(yōu)化光路系統(tǒng)的方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還極易出錯(cuò)。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)的光層開銷技術(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(xiàn)狀，結(jié)合光網(wǎng)絡(luò)智能化的發(fā)展目標(biāo)，展示了光層OAM技術(shù)在超大容量靈活業(yè)務(wù)快速開通部署和強(qiáng)業(yè)務(wù)自愈能力的智能在線運(yùn)維上的應(yīng)用，并總結(jié)了未來光層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(xiàn)主要依賴于光層開銷、光層性能檢測和光層性能自動(dòng)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。

  光層開銷技術(shù)

  對于光層開銷，目前G.709標(biāo)準(zhǔn)只定義了標(biāo)識與告警指示的定義、承載方式(OSC，optical supervisory channel)，沒有對幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)定義。在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主要使用電層開銷，光層開銷機(jī)制未被有效利用，只有將業(yè)務(wù)下路到電層才能讀取開銷信息，在全光傳輸過程中隨路開銷就無法發(fā)揮作用。

  常見的光層隨路開銷承載方式有光層調(diào)頂和OSC兩種。OSC一般部署在OTS(optical transmission section)段，主要用于承載傳統(tǒng)DCN(data communication network)的管理開銷，只能處理OTS或OMS(optical multiplex section)粒度的光層開銷，無法處理OCh(optical channel with full functionality)粒度的光層開銷，而且在OSC單纖雙向部署場景下，沒有OSC的業(yè)務(wù)方向就會出現(xiàn)隨路開銷缺失的情況。

  借助光層調(diào)頂技術(shù)，可以構(gòu)建完善的光層隨路開銷體系，在OCh層使用調(diào)頂，可以構(gòu)建OCh層隨路開銷通道，同樣地，在OTS/OMS層使用調(diào)頂，也可以構(gòu)建OTS/OMS層隨路開銷通道。OCh層調(diào)頂與OTS/OMS層調(diào)頂結(jié)合，或者OCh層調(diào)頂與OSC結(jié)合，都可以構(gòu)建完善的光層隨路開銷體系，實(shí)現(xiàn)足夠精細(xì)的光層管理，彌補(bǔ)傳統(tǒng)DCN網(wǎng)絡(luò)在光層性能檢測、故障定位以及業(yè)務(wù)調(diào)度上的不足，全方位提升光層OAM能力。

  光層隨路開銷最大的優(yōu)勢是不需要借助復(fù)雜的IP路由關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)隨路開銷與業(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銷管道來承載光層OAM信令，這讓整個(gè)光層的感知、分析和調(diào)控都可以集中在物理層甚至是統(tǒng)一的通用光電芯片上實(shí)現(xiàn)，為光層智能化的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了可能。

  光層性能檢測技術(shù)

  常見的光層性能檢測包含頻譜檢測、光功率檢測與在線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(jié)合光層開銷技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)換器采集”的組合直接檢測光路上所有波長(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，常見方法有三種：OCM模塊掃描頻譜積分法、相干光模塊內(nèi)相干混頻檢測法與調(diào)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(guī)模大范圍部署，而調(diào)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(tǒng)一，大大簡化光層的功率檢測方案。此外，基于調(diào)頂?shù)墓夤β蕶z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)也滿足快速通道LOS(loss of signal)檢測要求，基于調(diào)頂?shù)耐ǖ拦夤β蕶z測體系可以快速感知和定位風(fēng)險(xiǎn)或故障鏈路。

  在線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(fù)用系統(tǒng)(通常指10G系統(tǒng))中，由于分配的頻譜柵格遠(yuǎn)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(jì)。后期隨著40G和100G系統(tǒng)的商用部署，受ROADM站點(diǎn)濾波效應(yīng)和相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_的影響，帶外底噪再也無法代表通道內(nèi)真實(shí)的噪聲水平，傳統(tǒng)的帶外插值估計(jì)方法完全失效，因而在線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(jù)兩者的光學(xué)差異可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)等非線性的方法即可實(shí)現(xiàn)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(jī)的，采用偏振歸零法也可以實(shí)現(xiàn)分離。然而，以上光學(xué)類方法普遍受環(huán)境的影響很大，如干涉效應(yīng)對環(huán)境溫度與細(xì)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，該類方法目前很難商用部署。另外一類方法基于數(shù)值與統(tǒng)計(jì)的差異實(shí)現(xiàn)信號與噪聲的分離：如DSP類方法，通過解調(diào)信號或者利用信號相關(guān)噪聲不相關(guān)的統(tǒng)計(jì)特性實(shí)現(xiàn)分離;如譜比較類方法，通過比較噪聲引起的頻譜數(shù)值差異實(shí)現(xiàn)分離。該類方法已經(jīng)廣泛部署于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，DSP類方法已內(nèi)置于大部分主流相干光模塊中，只能用于端到端OSNR的檢測，且對非線性和濾波效應(yīng)等ASE噪聲以外的損傷很敏感，而譜比較類方法已通過商用OCM(optical channel monitor)模塊部署于光網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)中，可以檢測任意節(jié)點(diǎn)之間的OSNR，能夠彌補(bǔ)DSP類方法檢測覆蓋范圍的不足，但檢測精度嚴(yán)重依賴于OCM的頻譜分辨率。

  基于光纖鏈路的參數(shù)估計(jì)方法，即根據(jù)光纖鏈路中檢測到的光功率和提前標(biāo)定的光纖鏈路參數(shù)等信息，結(jié)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(chǔ)上無額外硬件部署要求，檢測覆蓋范圍大且無死角，與基于調(diào)頂?shù)墓夤β蕶z測方法結(jié)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(gòu)建的波長標(biāo)簽所使用的物理信道可以實(shí)現(xiàn)光層OAM開銷信息的兩端交互，從而實(shí)現(xiàn)光層性能的閉環(huán)優(yōu)化。如在光層OAM開銷信息中寫入譜形特征以及頻譜均衡(含預(yù)加重和分片整形等)等參數(shù)，可以不借助傳統(tǒng)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(xiàn)全光層業(yè)務(wù)頻譜的自動(dòng)均衡，解決動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)中因?yàn)V波損傷和通道內(nèi)功率不平坦引起的光層業(yè)務(wù)傳輸性能的劣化問題。

  利用光層OAM隨路開銷或者傳統(tǒng)的DCN連接實(shí)現(xiàn)上下游通道功率與OSNR的交互，如果以毫秒級的低時(shí)延性能開銷實(shí)現(xiàn)，就可以讓光路上每一個(gè)OTS/OMS段都具備獨(dú)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(jù)輸入輸出的通道功率與OSNR的變化做出快速調(diào)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(biāo)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(shè)定固定的目標(biāo)功率，優(yōu)先將業(yè)務(wù)波長功率調(diào)節(jié)至設(shè)定目標(biāo)功率，同時(shí)不能超過目標(biāo)功率的最大偏差和功率平坦度指標(biāo)約束;

  - OSNR余量與復(fù)用段OSNR平坦度優(yōu)先策略：每個(gè)復(fù)用段均以O(shè)SNR平坦度最優(yōu)為調(diào)節(jié)目標(biāo)，同時(shí)需滿足每條業(yè)務(wù)的OSNR余量不低于最低門限要求;

  - OSNR余量與單位比特能耗優(yōu)先策略：每條業(yè)務(wù)在滿足OSNR余量要求的前提下，以能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，可通過調(diào)節(jié)收發(fā)端光模塊參數(shù)和光路功率來降低設(shè)備功耗;

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

  光層OAM技術(shù)應(yīng)用

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

  超大容量、靈活業(yè)務(wù)快速開通部署

  在超大容量、靈活業(yè)務(wù)的開通部署階段，由于大容量的光交叉節(jié)點(diǎn)連纖關(guān)系復(fù)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(xiàn)方法來確認(rèn)連纖關(guān)系和質(zhì)量。借助光層調(diào)頂技術(shù)，既可以發(fā)現(xiàn)并檢驗(yàn)連纖關(guān)系，還可以通過調(diào)頂檢測的光功率來計(jì)算連接損耗，可以大大簡化開局光纖連接階段的人工操作與檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。

  在完成連纖自動(dòng)發(fā)現(xiàn)需要新建業(yè)務(wù)時(shí)，可以通過光層隨路開銷來輔助完成光路連通性校驗(yàn)，同時(shí)使用光層性能自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)光層業(yè)務(wù)傳輸性能的快速優(yōu)化，如可以通過通道內(nèi)頻譜自動(dòng)均衡技術(shù)解決因?yàn)V波損傷和通道內(nèi)功率不平坦引起的光層業(yè)務(wù)傳輸性能的劣化問題，通過通道功率與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(diào)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，能夠顯著提升業(yè)務(wù)開通部署效率。

  強(qiáng)業(yè)務(wù)自愈能力的智能在線運(yùn)維

  智能在線運(yùn)維要求在不需要人力干預(yù)的情況下，系統(tǒng)能夠處理網(wǎng)絡(luò)突發(fā)狀況，保持客戶業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。

  當(dāng)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(dǎo)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(xiàn)這一功率和衰減量變化并完成自動(dòng)優(yōu)化，維持在線業(yè)務(wù)的功率水平，保證客戶業(yè)務(wù)的可靠傳輸。當(dāng)發(fā)生WSS(wavelength selective switch)通道波長指派、衰減量設(shè)置等光層業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整事件時(shí)，光路頻譜不均衡損傷發(fā)生變化，從而導(dǎo)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(xiàn)這一頻譜不均衡損傷的變化并完成頻譜自動(dòng)均衡，維持在線業(yè)務(wù)的頻譜均衡水平，保證客戶業(yè)務(wù)的可靠傳輸。

  當(dāng)光層性能劣化到無法達(dá)成在線優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，如斷纖故障，需要觸發(fā)業(yè)務(wù)恢復(fù)動(dòng)作，首先得完成恢復(fù)路由的計(jì)算，在計(jì)算恢復(fù)路由時(shí)，需要合理避開有性能風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)或故障的同時(shí)，能夠快速定位出風(fēng)險(xiǎn)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(jī)制完成業(yè)務(wù)的快速恢復(fù)，提升客戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

  技術(shù)分析與展望

  調(diào)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)中扮演著越來越重要的角色?；谡{(diào)頂?shù)墓鈱?A href="http://3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=OAM&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">OAM技術(shù)當(dāng)前需要解決物理層的技術(shù)難題。主要體現(xiàn)在調(diào)頂載頻等關(guān)鍵物理層參數(shù)的選取上，載頻選取過高，受非線性SRS(stimulated raman scattering)影響，調(diào)頂信號會對不同波長形成較大串?dāng)_，長距傳輸場景應(yīng)用受限;載頻選取過低，受色散引起的功率衰落影響，調(diào)頂信號經(jīng)過長距離傳輸后接收靈敏度與功率檢測精度均會劣化，需要選取合適的載頻，將非線性SRS和色散功率衰落的影響降到最低，并且能同時(shí)滿足以下應(yīng)用要求：

  - 滿足G.652、G.654和G.655等色散與非線性差異較大的光纖傳輸場景，需在不同光纖傳輸場景下達(dá)到非線性SRS與色散功率衰落的平衡;

  - 滿足200G QPSK、400G QPSK等大波特率業(yè)務(wù)的長距離傳輸場景，需解決大波特率業(yè)務(wù)色散功率衰落嚴(yán)重的問題;

  - 滿足C+L擴(kuò)容需求，需預(yù)留足夠多的頻譜資源用于調(diào)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(dāng)前基于調(diào)頂技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光層隨路開銷缺陷主要有兩點(diǎn)：

  - 中間節(jié)點(diǎn)只能讀取調(diào)頂信息，不具備改寫能力，因而暫時(shí)無法自成體系，進(jìn)而獨(dú)立實(shí)現(xiàn)光纖鏈路自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與快速故障定位等光層OAM基礎(chǔ)需求;

  - 在保證不影響主光業(yè)務(wù)性能的前提下，調(diào)頂?shù)乃俾首疃嘀荒茏龅終bps量級，因而調(diào)頂通道無法承載大帶寬低時(shí)延類型開銷，其應(yīng)用范圍嚴(yán)重受限。

  為了發(fā)揮出調(diào)頂隨路開銷在光層OAM中的最大作用，需將其與電層開銷、光監(jiān)控信道OSC等傳統(tǒng)開銷機(jī)制協(xié)作，取長補(bǔ)短。而多級開銷協(xié)同涉及到不同技術(shù)特點(diǎn)的多級開銷接口的定義及規(guī)范，對傳統(tǒng)DCN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也會形成較大沖擊。當(dāng)前，我們?nèi)匀恍枰诰蚋喙鈱?A href="http://3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=OAM&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">OAM開銷協(xié)同技術(shù)的應(yīng)用，其應(yīng)用價(jià)值與實(shí)現(xiàn)代價(jià)需要進(jìn)一步探討。

  未來光層OAM技術(shù)將會朝三個(gè)方向演進(jìn)：

  - 構(gòu)建更加完善的光層開銷體系：光標(biāo)簽技術(shù)提供了一種光通道層隨路開銷傳輸渠道，為光層開銷體系的完善開辟了新的局面，新的光通道層開銷的定義將會引入新的光層OAM功能，隨著光層開銷的不斷完善，光層OAM的功能也會日趨成熟。

  - 構(gòu)建更加快捷的光層感知網(wǎng)絡(luò)：光標(biāo)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，隨著基于光標(biāo)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變得無時(shí)無刻無處不在，海量光層性能數(shù)據(jù)的采集將會為光層智能化引擎提供更為實(shí)時(shí)可靠的決策依據(jù)。

  - 構(gòu)建全連接的光層一體化OAM平臺，OSC隨路開銷與光標(biāo)簽隨路開銷的結(jié)合、“OSC+光標(biāo)簽+OPM(optical performance monitoring)+ OTDR(optical time domain reflectometry)”等光檢測與隨路開銷功能的融合，并最終出現(xiàn)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銷功能均統(tǒng)一集成于同一光層OAM功能單元內(nèi)，而光路上所有的光層OAM功能單元均通過統(tǒng)一的光層隨路開銷連接到一起，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(yùn)維的核心，是光層智能化的基礎(chǔ)，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。當(dāng)前仍需要關(guān)注光層感知和開銷通道的物理實(shí)現(xiàn)與部署，在解決物理層實(shí)現(xiàn)問題之后，需要進(jìn)一步考慮光層所有感知與開銷功能的融合，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(xiàn)真正的光層智能化。

  作者：中興通訊 吳瓊，馮振華