算力时代城域STAR OTN全光技术白皮书

算力时代城域STAROTN全光技术 白皮书 华为技术有限公司、中国移动研究院 2022年12月 目录 1前言3 2城域光传送网发展趋势与挑战4 2.1OTN全光运力底座是提供一流连接服务的基础5 2.2算力时代城域OTN面临挑战5 3城域STAROTN设计理念与技术架构7 3.1新一代城域OTN网络设计理念7 3.2城域STAROTN全光技术架构8 4城域STAROTN关键技术10 4.1新型城域ROADM技术10 4.2基于硅光技术的新型城域相干模块技术11 4.3基于类MCM的光层数字化标签技术12 5城域STAROTN组网场景分析13 6总结与倡议16 1前言 近年来，我国深入实施网络强国战略、国家大数据战略，先后印发数字经济发展战略、“十四五”数字经济发展规划，有关部门认真落实各项部署，加快新型基础设施建设，加快建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施，打通经济社会发展的信息“大动脉”。 随着算力网络等新业务的蓬勃发展，流量快速增长，城域汇聚、接入开始大量部署OTN/WDM（Opticaltransportnetwork/Wavelength-divisionmultiplexing,光传送网/波分复用）网络。但光网络底层传输仍然是光模拟信号，存在较高的复杂性。某种程度上说，城域部署OTN/WDM的复杂程度一点不亚于干线部署，亟需升级转型以适配新业务发展。 本白皮书面向算力网络发展新需求并结合运营商城域光传送网技术发展，开创性提出新一代城域STAROTN技术架构，通过波长资源池化、多环共享大幅减少OTN/WDM在城域汇聚和接入层的部署难度和成本，降低机房配套资源诉求，并通过引入数字化波长技术实现波长远程可监、可视、可管，构建网络自动化能力。本白皮书旨在通过构建城域光传送网新型技术架构，推动产业链共同努力，建设更简、更易、更快、更优的城域光传送网，为网络强国贡献力量。 本白皮书的版权归华为和中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本白皮书之部分或全部内容。 2城域光传送网发展趋势与挑战 面对新形势，中国运营商纷纷提出建设先进算力网络基础设施的构想，如中国移动提出“创建世界一流信息服务科技创新公司”的新定位，全力构建基于5G+算力网络+智慧中台的“连接+算力+能力”新型信息服务体系。一是打造品质一流的“连接服务”，促进数据高效流通；二是打造泛在融合的“算力服务”，加速数据深度运用；三是打造开放共享的“能力服务”，推动数据注智赋能。 面向“算力网络”、“东数西算”枢纽算力连接，华为和中国移动创新提出构建基于OXC（Opticalcross-connect，全光交叉连接）的光电联动新型全光网架构。与此同时，城域网络为千行百业提供品质算力时，需要提供低时延、高灵活性、高可靠等入算能力，华为联合中国移动结合中国运营商面对算力时代新的网络定位和升级转型，深入展开了新型城域光传送网组网架构和技术研究。 2.1OTN全光运力底座是提供一流连接服务的基础 OTN全光运力底座能够提供确定性承载能力，是一流连接服务的基础。业务升级对网络提出了更高带宽、更低时延、更高可用率、更广覆盖等需求。如VR（Virtualreality，虚拟现实）游戏的端到端时延至少需小于10ms，医疗影像系统上云，需要确保GB级的CT（Computedtomography，电子计算机断层扫描）影像在毫秒内上传到云端，同时有数据指出1%的误码可能造成90%算力的损失。OTN网络具备确定性大带宽、低时延、高可靠、架构稳定、绿色节能等特点，可以提供硬管道、TDM（Time-divisionmultiplexing，时分复用）机制、高可靠性、零丢包、安全隔离、稳定时延、零抖动等能力，使网络从原先的“尽力而为”转变为“确定性”的网络联接，不断提升各类政务、金融、医疗、教育等行业的联接品质。 面对算力网络在架构、带宽、时延等方面对光网络提出的新需求，OTN光网络需要按需持续向城域接入节点延伸，转型升级构建承载算力的基础网络底座，需要以光筑底，以算为核构建新一代的扁平化、大带宽、低时延网络以支撑算力网络演进。 2.2算力时代城域OTN面临挑战 算力网络需要构建提供确定性运力的OTN全光运力底座，据不完全统计，中国运营商网络的城域汇聚接入站点数量在30万站以上，城域OTN在逐步下沉进行深度广覆盖的过程中，需要实现更经济高效的组网，向低成本、低复杂和高灵活、高智能的“两低”“两高”的方向发展。 低成本：紧凑的设计、高资源利用率。如果继续采用独立多环的组网方式，环间完全独立，每个环按照满波40波系统容量设计，这样接入环的平均波道利用率只有20%左右，导致资源浪费。汇聚站点到每个接入环每个光方向必须要一套独立的光层，部署一个独立的子架，会占用一定的机房空间。 城域OTN下沉到汇聚接入层级站点数量将呈现10倍以上增加，以某地市城域网为例，共有5个城域核心、52个市区汇聚汇聚站点，而汇聚接入站点数量则达到492个。站点数量如此庞大，城域OTN需要考虑采用更紧凑的设计和更高资源利用率的方案。 低复杂：简便的规划、设计和交付。波分系统设计阶段需要分析线路插损、光功率预算、入纤光功率、滤波代价、色散、PMD(Polarizationmodedispersion，偏振模色散)容限和非线性效应等多个参数。每光方向基本由分合波板、光监控信道板和光放单板等独立单板组成，需要大量的人工连纤，必须由专业人员进行交付。为了更好地满足快速部署，需要考虑如何简化规划、设计和交付流程，缩短业务上线时间，同时站点配置最好是可以归一，这样可以减少备件数量、降低站点维护难度。 高灵活：更高的灵活性和更好的长期演进能力。采用FOADM（Fixedopticaladd-dropmultiplexer，固定光分插复用器），部署后每个端口接入的波长是固定的，无法根据后续流量和流向需求进行波道动态调整。如果前期出现规划设计错误，就需要重新上站更换单板、进行人工跳纤等操作，整体操作周期可能需要以天级计算。随着流量的增加，为了持续降低单bit成本，需要考虑采用更高的单波速率，更高的单波速率如400G+要求光层支持更宽和可调的波道间隔。为了更好地适配新技术发展，城域OTN需要具备更高的灵活性和长期持续演进的能力。 高智能：资源自动分配、自动调测和智能故障定位等能力。当前波分网络基本上采用的是离线规划的方式，规划和部署并非实时无缝衔接的。如果交付过程中出现业务调整，就需要重新人工录入规划工具，可能需要花费数天才能完成调整。在光电协同方面，如果可以直接检测识别波长信号的各种关键特征信息，这样光层就可以与电层形成联动，光电资源可以实现更高效的融合。同时需要考虑不断提升故障定位效率，改变被动运维的方式，实现对光纤质量、业务健康度无法提前预测。 3城域STAROTN设计理念与技术架构 3.1新一代城域OTN网络设计理念 算力网络中，业务将由原来的固定/半固定式点对点连接走向灵活的任务式调度连接，业务需求时间不确定，业务颗粒大小不确定，业务源宿方向不确定。因此，光传送网将从纯电层OTN固定式组网走向光电联动灵活组网。 面向城域网络，为提供一流的入算连接服务，实现广阔的用户快速接入，下一代城域OTN网络需要具备如下特征。 更低的建网成本。在满足业务发展需求，保障承载底座品质的前提下，通过组网架构创新、站点模型创新、以及光/电器件创新释放创新红利，实现更低的成本。 更灵活的调度能力。具备全颗粒电层/光层交叉调度能力，支持OTN一跳入算的能力，小颗粒业务采用电层调度，大颗粒业务采用波长调度，相互协调，高效运作。 更简易的运维。光传送网络逐步走向自动化、自智化，通过推进光层数字化和引入AI（Artificialintelligence，人工智能）技术，增强网络自运维、自优化的能力，降低运维人员的技能要求，实现便捷运维。 更快捷的部署。通过站点模型、单板部件归一，简化配置模型、单板种类，免除对专业网络设计的依赖，减少流程，实现网络快速部署。 3.2城域STAROTN全光技术架构 面对新的业务发展需求，华为联合中国移动深入研究城域网络发展与变化趋势，从技术架构、城域演进、网络自动化和可重构等四个维度出发，基于共享式理念提出了全新一代城域STAROTN全光技术架构，全面提升网络资源利用效率。 图1城域STAROTN全光技术架构 S:Sharing;网络级资源共享，实现更低成本组网。根据城域网络传送带宽呈现非对称分布、逐层汇聚的特点，提出创新型多环共享网络架构，以提升资源利用效率和实现更低的组网成本。汇聚站点由每方向独占一套光层升级为多个方向共享一套ROADM （Reconfigurableopticaladd-dropmultiplexer,可重构光分插复用器）光层，大幅节省机房空间，降低设备成本和能耗。频谱资源由每个方向独占96波演进到多个汇聚环共享96波，大幅度提升波长利用率。 T:TargettingMetro;面向城域的低成本相干组网，全业务承载，支撑带宽/业务长期演进。采用OTN和ROADM作为全光网络基础技术， 既支持电层2M~100G带宽的汇聚和灵活调度，也可面向百G及以上带宽提供光层波长级动态调度能力，满足ToC/ToB/ToH全业务、全带宽的综合承载。面向城域推动低成本相干技术，免DCM配置，实现传统10G非相干网络升级，可向100G/200G/400G演进，满足带宽长期演进诉求。 A:Automation;自动波长分配，自动光层调测，自动业务发放，逐步迈向自动驾驶网络。支持全网波长的自动分配，网元自动上线，并引入数字光标签技术实现光层自动调节，构建网元和网络级的自动化软能力。无需波长人工规划设计环节，开局时不需要软调工程师进站操作。支持远程故障快速定界和处理，全面提升网络运维效率。并通过管控层面进一步智能化，支持光电联动和智能算路，实现业务的端到端自动发放。 R:Reconfigurable;光层ROADM化，连接可重构，波长无感知，站点典配实现去专业化，快速部署。光层由FOADM升级为ROADM，支持光层Colorless和Flexgrid。其中，光层Colorless支持上下波端口波长可调，站点波长配置无感知，光层配置标准化，大幅降低交付人员专业化技能要求。同时可采用光层集成设计实现极简典配，支持光层1板1方向。 4城域STAROTN关键技术 面对城域算力网络新需求新挑战，结合城域网络多环少波的特点，下一代STAROTN需要从组网技术、线路技术、网络数字化等方面针对城域场景进行相关的技术研究和创新，构建低成本、灵活调度、简易运维的OTN网络。 4.1新型城域ROADM技术 城域汇聚以下网络当前以FOADM组网方式为主，需要采用ROADM组网方式满足未来算力网络灵活调度新需求。传统ROADM应用于城域网面临成本较高、空间较大、功耗较高等挑战，需要在多环汇聚节点和环上接入节点引入新的技术方案。 1.基于多环共享架构的新型WSS技术 WSS（Wavelengthselectiveswitching，波长选择开关）是实现ROADM波长调度等功能的关键器件。传统的WSS为1*N维度，即接收一个方向的线路合波光信号，把合波光信号按波长调度到N个方向。针对城域多环汇聚到一组汇聚节点的组网方式，在汇聚节点将1*NWSS改进为新型M*NWSS，即一组WSS支持多环接入，接收多个方向的线路合波光信号，实现多环共享一组WSS，从而节省空间，降低功耗和成本。 通过光学架构和LCos算法优化实现M*NWSS多端口。 由于WSS端口数量的增加，在隔离度/插损等方面存在挑战，通过高精度的LCoS底层物理模型，与创新的优化算法，从而大幅提升WSS相邻/非相邻端口隔离度。 2.基于多器件合封的边缘极简ROADM技术 传统ROADM面向2维以上场景，例如