速率可调的光传输和弹性光网络！

当前光纤系统已广泛应用于从接入到核心骨干网的各个层级。各层级因功能需求差异采用不同技术方案：例如核心网采用基于相干传输技术，接入网则使用低成本非相干检测的无源光网络（PON）。

5g网络架构,5g网络拓扑图,5g网络架构(第17页)_大山谷图库

尽管技术路线不同，各层级均面临云服务与海量终端设备带来的流量激增挑战。由于光纤可用带宽有限，提升频谱效率成为实现高容量的关键。然而，更高的数据速率会显著缩短光信号传输距离，并需频繁使用光电（OEO）再生中继。传统固定速率光网络在扩展性和经济性上存在瓶颈，因此具备灵活重构能力的弹性光网络（EON）成为重要发展方向。

下图对比了两种网络架构：(a) 50GHz固定间隔的传统网络；(b) 支持可变信道间隔与符号速率的弹性网络。

传统核心网采用固定频谱划分（50/100GHz间隔），调制格式与符号速率与数据速率强绑定（例如100Gb/s传输采用PDM-QPSK调制、28Gbaud符号速率及7%硬判决前向纠错开销）。弹性光网络则能动态调整传输参数（调制格式、符号速率、FEC开销等），根据光路距离、传输损伤及容量需求优化频谱效率。

弹性特性依赖于软件定义设备（如数字信号处理相干应答器），通过本地控制器实现参数协调控制。此类动态资源管理已广泛应用于无线网络，但在光传输领域仍属新兴技术。

弹性光网络的核心优势包括：提升容量、降低成本、降低功耗、增强扩展性。

目前，光网络面临四大异构性挑战：

• 传输距离差异：数百公里至数千公里；
• 基础设施代际混杂：多代终端/传输设备共存（不同速率、光纤类型、放大器技术）；
• 容量需求差异：0.1Gb/s至数百Gb/s；
• 连接时长差异：小时级至永久连接；

早期采用混合线路速率网络（长距离配置低速转发器，短距离配置高速转发器），但多类型设备导致运维复杂。2008年提出的弹性光网络采用通用应答器，通过OFDM技术与频谱切片（SLICE）实现"按需分配"频谱。2011年引入多流应答器（可切片转发器），支持动态共享带宽至多目标节点，显著提升400G等高带宽设备利用率（节约17M成本）。

为了实现弹性光网络，需硬件、软件与控制平面协同演进，如下图所示：

硬件层包含：

1. 光交叉连接（OXC）：支持灵活信道间隔与频谱分配；
2. 弹性Transponder：可调调制格式、符号速率、FEC开销；
3. 弹性聚合接口：支持可变比特率的弹性聚合接口。

其中，OTN数字层通过光通道单元（OPU/ODU/OTU）实现数据封装与调度，如下图所示：

• 客户信号（以太网/STM/光纤通道）映射至OPUk
• ODUk提供数字封装与复用功能
• OTUk定义线路速率（2.5/10/40/100Gb/s）

软件与控制层需开发损伤感知路由算法，在规划阶段评估光路损伤以优化传输参数。在线控制需支持动态频谱碎片整理，就不在本文中阐述。

在硬件控制层中，其中的OXC是基于波长选择开关（WSS）实现波长与空间域信号交换,信号进行多路复用和解复用。传统的WSS是基于 50 或 100 GHz 对频谱进行滤波的开关设备ITUgrid （因此，如果信号大于允许的大小，则会造成损伤），而新的WSS代（已商用）支持动态带宽分配。目前已支持6.25GHz粒度频谱分配，关键技术包括硅基液晶（LCoS）。

另外，支持flex-grid 技术（用于标准灵活网格定义）与新的WSSgeneration 允许将 spectrum slots 连接起来，从而创建更大的 spectrum 块，并且其中没有过滤。因此，如果通道紧凑封装，它可以提供良好的频谱效率。同时，Flex-Grid 配合频谱碎片功能，可以移动已建立连接的中心频率来删除未使用的小频率块。这允许生成一个足够大的 频谱块来容纳新的需求。

Transponder通过参数调整平衡速率与距离：

• 调制格式：高阶调制（如16QAM）提升速率但缩短距离。集合分区四维调制（SP-QPSK）可复用现有DSP算法，在相同DSP复杂度下实现性能提升。

• 符号速率：低符号速率抗ASE噪声更强，高符号速率非线性损伤更小。

• FEC开销：增加纠错开销可提升可靠性但降低有效吞吐量。LDPC解码迭代次数对传输距离的影响如下图所示。

当我们将IProuter 到WDM设备对接时，由于无法预见的客户端流量变化（例如，带宽、新需求）时，传输WDM信号在网络的某些部分可能远低于其最大容量运行，而在其他部分则容量不足。

• IP over WDM（两层架构）
  • 核心路由器直接与WDM层互连，灵活交换与流量整型功能集中在IP层；
  • WDM信号以OTUk（k=1/2/3/4）在中间节点传输，需亚波长灵活性的流量由IP层处理。
• IP over OTN over WDM（三层架构）
  • 引入OTN中间层以减少昂贵路由器端口数量，减轻IP层负载；
  • OTN层提供数字功能（如ODU复用），将低阶ODU聚合为高阶ODU；
  • 通过通用成帧规程（GFP）映射至可调ODUflex容器，但OTU部分仍受限于固定速率（OTUk, k=1-4），导致WDM传输比特率缺乏弹性。

两种架构下，客户端流量均可通过并行通道传输（每通道b Gb/s），总容量达a×b Gb/s。例如标准100GbE信号采用4×25Gb/s通道结构。因此，弹性WDM传输技术通过灵活调整数据速率，使传输端能够动态响应客户端需求，显著提升资源适配能力。