1.1 光网络数据面技术演进

光网络数据面作为信息的承载平面和光网络承载容量的主要贡献者，近年来承载能力不断增强。在光纤链路中，不同维度资源可以得到不同程度的挖掘利用，从而形成了不同的复用技术，如波分复用技术、时分复用技术和空分复用技术等。

1.1.1 波分复用技术

1.波分复用技术

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器（亦称合波器，Multiplexer）汇合在一起，并耦合到同一根光纤线路中进行传输的技术，其原理如图1-1所示。在接收端，经解复用器（亦称分波器或去复用器，De-multiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用技术。

WDM和DWDM（Dense WDM，密集波分复用）是在不同发展时期对WDM系统的称呼。在20世纪80年代初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口1 310 nm窗口和1 550 nm窗口各传送1路光波长信号，也就是1 310 nm、1 550 nm两个波长共传的WDM系统。随着1 550 nm窗口掺铒光纤放大器（Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA）的商用化，WDM系统的相邻波长间隔变得很窄（一般小于1.6 nm），且工作在一个窗口内，共享EDFA光放大器。为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的波分复用系统为密集波分复用系统。所谓密集，是指相邻波长间隔而言，过去WDM系统是几十纳米的波长间隔，现在的波长间隔只有0.2～1.2 nm，其频谱分配如图1-2所示。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。如果不特指1 310 nm和1 550 nm的两个WDM系统外，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。

CWDM（Coarse WDM，稀疏波分复用）和DWDM的区别主要有两点：一是CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5～6个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别由此而来，CWDM的频谱分配情况如图1-3所示；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。CWDM是通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。在链路的接收端，利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤，接到不同的接收机。

2.灵活栅格技术

基于传统WDM技术的光网络技术可以实现端到端的全光连接，波长通道是信号传输与带宽调度的基本单位[1]。然而，WDM光网络的根本性问题是：为了降低组网实现难度，在带宽分配与性能管理上采用了“一刀切”模式，即通道间隔、信号速率与格式等参数都是固定不变的。这一问题导致了WDM光网络灵活性不高、带宽浪费严重，已不能适应未来大容量、高速率、可扩展的光层传送需求。主要表现为：① 通道建立时，不能根据业务容量的实际要求灵活分配可用的带宽资源，造成频谱利用率低下；② 当通道容量需求为多个波长带宽时，WDM光网络由于相邻波长之间的保护频谱间隔使得这类超波长业务无法在网络中适配承载；③ 通道建立后，无法动态调整通道间隔、信号速率以及调制格式，难以适应业务和网络性能变化。因此，研究如何进一步提升光网络的频谱利用效率成为发展新一代光网络技术的迫切需求。

为了更好地利用频谱资源及有效的承载超波长带宽需求，针对WDM光网络缺乏带宽灵活性的问题，2008年9月，日本学者在国际会议ECOC上首次提出了灵活栅格光网络概念[2]。这一思想迅速受到广泛关注，并发展成为产业发展的主要技术路线[3,4]。除此之外，在欧洲及美国，许多研究者也提出相似的网络架构，如欧洲学者提出的EO-Net（Elastic Optical Network，弹性光网络）[5-7]和美国学者提出的FWDM（Flexible WDM，灵活WDM）网络[8-11]。我国在此领域也展开了大量研究[11-13]。随着构成灵活栅格光网络架构关键技术的不断成熟完善，例如基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制方式的带宽可变（Bandwidth-Variable，BV）的光收发技术和带宽可变的光交叉连接技术，目前灵活栅格光网络已从概念阶段走向现实[14]。

在灵活栅格光网络中，网络频谱资源被进一步细化分割。现有的WDM网络架构中符合ITU-T标准固定波长栅格被进一步细分为更窄小的频谱单元，这些窄小的频谱单元被称为频率隙（Frequency Slot，FS）[15,16]。与固定栅格网络相比，灵活栅格光网络是从频域上划分最小粒度单元，并可根据业务需求分配一定数量的邻接频谱单元，从而实现根据用户需求和实际业务量大小动态有效地分配适合的频谱资源和配置相应的调制方式，如图1-4所示。

灵活栅格光网络架构包含两类节点，分别是由带宽可变的光收发机（BV-Transponder）组成的网络边界节点和由带宽可变的交换单元（BV-OXC）组成网络的核心节点[4]。其中，交换单元由连续带宽可变的波长选择开关（BV-WSS）组成。通过该单元，可将不同路由上不重叠的任意带宽频率资源交换到任意指定输出光路上。同时，在网络边界节点，带宽可变的光收发机可采用单载波调制方式（例如QAM、QPSK）或复杂多载波调制方式（例如O-OFDM）。例如，借助于O-OFDM调制技术，发射机可以通过调整OFDM子载波的个数来控制信号带宽[17]。灵活栅格光网络中带宽可变交换节点的基本结构如图1-5所示。

目前实现灵活栅格光网络的使能技术主要有OFDM技术和奈奎斯特波分复用技术（Nyquist-WDM）。

OFDM的基本原理是把高速数据流进行串并变换，形成传输速率相对较低的若干个并行数据流，分别在不同的子信道中传输。由于子信道速率降低，符号周期会相应增加，这样就可以减少由于多径时延而造成的符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI）。在OFDM系统中，每个子信道的频谱是重叠的，这样就提高了频谱利用率。OFDM系统的容量与子信道数目密切相关。通过调整子信道的数目，可以获得所需传输速率。

Nyquist-WDM是另一种用于产生超级信道的技术。相对于OFDM信号的多载波调制来说，通常的单载波调制信号想要实现密集频谱的超级信道，需要在每个光子载波产生后，利用一个奈奎斯特滤波器来对频谱进行整形。整形后的子波带频谱接近一个矩形，能够极大地减小带外的能量泄露，从而减小子波带之间的串扰，其频谱带宽等于光子载波信号传输波特率[18]。

1.1.2 时分复用技术

时分复用（Time-Division Multiplexing，TDM）就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一个信号源使用。光时分复用（Optical Time-Division Multiplexing，OTDM）和电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙， N个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。其实现原理就是将多个高速调制光信号转换为等速率光信号，然后放在光发射器里利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号，然后再放到光纤里进行传输。

光时分复用通信系统原理如图1-6所示，系统主要由光发射部分、传输线路和接收部分等组成，光发射部分和光接收部分的功能介绍如下[19]。

（1）光发射部分

光发射部分主要由超窄脉冲光源及光时分复用器组成。超窄脉冲光源的种类包括掺铒光纤环形锁模激光器、半导体超短脉冲源、主动锁模半导体激光器、多波长超窄光脉冲源等。其所产生的脉冲宽度应小于复用后信号周期的1/4，应具有高消光比（高达30 d B以上），并且脉冲总的时间抖动均方根值不应大于信道时隙的1/14，这是因为脉冲形状不是理想的矩形而是高斯脉冲，信号源与时钟之间的时间抖动会引起解复用信号的强度抖动，这种强度抖动会使信号的误码加大。

（2）光接收部分

光接收部分包括光时钟提取、解复用器及低速率光接收机。

• 光时钟提取与电时钟提取的功能相同，但光时钟提取必须从高速率的光脉冲中提取出低速的光脉冲或电脉冲，例如，从160 Gbit/s的光脉冲信号中提取10 GHz的时钟脉冲。提取出来的时钟脉冲作为控制脉冲提供给解复用器使用，其脉宽必须特别窄，因此时钟脉冲的抖动应尽可能小，其相位噪声也应尽量低，为保证时钟脉冲峰值功率的稳定应使提取系统的性能与偏振无关。能满足这些要求的全光时钟提取技术有锁模半导体激光器、锁模掺饵光纤激光器以及锁相环路（PLL）。使用较多的是PLL技术，它是一种较为成熟的方案。

• 光解复用器的功能正好与光复用器相反，在光时钟提取模块输出的低速时钟脉冲的控制下，光解复用器可输出低速率光脉冲信号，例如，当时钟脉冲为10 GHz时，光解复用器可从160 Gbit/s信号中分离出10 Gbit/s信号，16个相同的光解复用器可输出16组10 Gbit/s信号。光解复用器主要有半导体锁模激光器、光学克尔开关、四波混频（FWM）开关、交叉相位调制（XPM）开关及非线性光学环路镜（NOLM）等几种。

• 由解复用器输出的光信号为低速率光脉冲信号，然后可以用一般光接收机来接收。

1.1.3 空分复用技术

自20世纪80年代以来，随着时分复用技术的发展，光纤传输系统的容量几乎每隔两年就实现翻倍增长；进入21世纪后，波分复用技术的使用将系统的传输容量推上了一个新的台阶，如图1-7（a）所示。就目前来看，光纤中的时域维度和频域维度已经被充分利用，以提高光网络带宽容量及频谱利用率。在时域维度，系统将时间进行切片完成时域资源的共享，以提升光纤传输系统承载信息的能力。例如，采用光分组交换或光突发交换的时分复用技术，可灵活适配以IP业务为代表的分组化需求，然而光缓存技术的瓶颈阻碍了其进一步发展。在频域维度，波分复用技术初步释放了光纤的潜能，将光纤的容量提高了上百倍。而正交频分复用技术和高阶调制技术在系统传输距离受损情况下又使得光纤的频谱效率得到了进一步的提升。之后随着光纤管道弹性化需求的日益迫切，灵活栅格技术走入了人们视野，该技术以超大容量、精细化带宽管理为特征，通过频谱工程与频谱调控技术，可更大程度提升传输系统的传输容量和频谱利用率。

尽管灵活栅格技术通过对光纤中的时域资源和频域资源进行深度开发，实现了传输容量的逐步增长，但其提升程度也面临着极限瓶颈。即使采用频谱效率极高的正交频分复用和超奈奎斯特速率调制等技术，由于数字信号处理算法无法完全补偿光纤信道的随机非线性损伤，单模光纤传输容量已逼近香农定理极限，潜在空间几乎为零。在这种背景下，迫切需要在光纤通信系统中采用新的复用维度以实现信道容量的有效增长。多核光纤传输、少模光纤传输、轨道角动量模式复用等多种空域维度复用技术（Space-Division Multiplexing，SDM）成为继单模光纤时代后进一步挖掘光纤容量的有效方式，如图1-7（b）所示。

SDM是一种利用空间分割构成不同信道，使同一频段在不同空间内得到重复利用的方法。SDM有多种实现方案，其中，多核光纤传输是指在一个共同的包层区存在多根纤芯，通过大幅度提高单位面积的信息传输密度，进一步增加可以并行接入的信息；少模光纤传输是指在给定的工作波长上，在一根纤芯中传输若干种模式的光信号，通过使用模式选择复用器或滤波器，独立激发出不同的高阶模式，形成相互独立的传输信道；轨道角动量模式复用是指以光子轨道角动量作为信息传输载体，利用轨道角动量光束的阶数可以是任意整数以及模式之间的正交特性，对轨道角动量模式实施复用，以扩充信道传输容量并提升频谱利用率。随着目前复用/解复用器、模式转换器和模式放大器等关键子系统器件和单元的出现，长距离空分复用传输已成为可能，成为实现超大容量、超长距离、高频谱效率光纤传输最具潜力的实现方式之一，具有广阔的应用前景和发展空间。

空分复用技术将进一步提高光通信系统容量，未来的光网络势必朝着时域/频域/空域多维一体化的方向发展。然而，目前来讲，空域和时域/频域的结合只涉及单纯的点到点传输，只实现了链路容量的增加，并未从根本上解决网络整体扩容的迫切需求。因此，未来面向时/空/频一体化光网络的部署应用，还面临着多维光交换节点如何实现的根本性问题。图1-8（a）和图1-8（b）展示了传统光交换节点与基于时/空/频一体化多维光交换节点的区别。对于多维光交换节点，随着可交换资源维度的增加，节点实现必须克服交换结构复杂、资源形态各异及控制管理困难等一系列挑战，如图1-8（c）所示。

挑战一：如何设计节点的交换结构？随着光纤资源使用维度的增加（由时域、频域2个维度扩展至时域、频域、空域3个维度），传统光交换节点将不再适用，急需设计多维一体化光交换节点。目前，既无多维交换节点结构的模型理论基础，也无相关的多维交换机理可供参考。多维交换模型是攻克时空频一体化节点实现的基础理论，设计多维度无阻塞的灵活光交换是实现多维一体化交换的根本手段。如何突破各种限制条件，完成时空频一体化多维交换结构的合理建模，是实现多维光交换节点的一大难题。

挑战二：如何协同节点的多维资源？多维一体化光网络中资源以各种维度形式交织共存，资源状态描述与评估异常复杂；在网络承载业务时，资源必须满足多重内在约束条件，加剧了不同资源调配的实现难度；在业务动态建/拆过程中，多样化的带宽需求使得频谱资源不可避免出现碎片，进一步加大了多维资源评估和优化的难度。因此，如何协同节点的多维资源，设计合理的路由与频谱分配策略，找到多维资源相互约束关系及转换规律，为资源静态规划与动态优化提供理论基础，是目前面临的另一难题。

挑战三：如何实现节点的高效控制？空域维度的使用不仅增加了光网络传输层的复杂性，而且对网络层的控制功能提出了更高的要求。通过使用不同空间的频谱资源，网络可以抽象内在的技术细节而创造出多个独立的资源切片，为不同的网络服务进行可编程分配与控制。因此，如何基于时域交换、频域交换以及空域交换的各自特点设计一种具备兼容性、创新性的智能高效控制方案，成为实现多维一体化光节点动态灵活组网急需解决的关键问题，同时也成为制约未来光网络系统性能提升的关键因素。

针对以上挑战，如何围绕光网络多维交换节点实现机理展开研究工作具有重要现实意义。首先需要探索节点构建方法，充分利用灵活的交换机制实现多维资源交换，为时、空、频一体化的光交换节点奠定理论基础；接着需要研究节点内多维资源协同方法，建立资源统一描述模型及多重约束条件，完成全网多维资源的最佳适配与协同；最后需要深入研究节点的控制机理和组网方案，为未来多维一体化光网络的组网应用提供重要的理论依据和技术支撑。

针对多维一体化光网络这一研究方向，国际上已经开展了相关的研究工作，主要集中在以下5个方面。

（1）关键单元及传输系统

针对空分复用中大容量高速率传输系统搭建问题，文献[20]实现了6模19芯光纤360个信道的超奈奎斯特波分复用DP-QPSK信号9.8 km传输，创造了2.05 Pbit/s容量的光纤传输最高纪录，总的频谱效率达456 bit/s·Hz-1；文献[21]提出了一种新型自由空间耦合系统，它通过结合多核光纤可使SDM信道数扩大至19，实现了100-WDM PDM-QPSK信号的10.1 km传输，速率高达305 Tbit/s。针对多维复用系统中信号模式切换问题，文献[22]提出了一种基于少模倾斜光纤布喇格光栅（FM-TFBG）方法来实现多路复用与解复用、空分复用、波分复用之间的模式转换。在多维复用系统光传输器件研究方面，文献[23]通过采用低损耗的模式耦合器和支持SDM/WDM组合的少模光纤，实现了多输入多输出（MIMO）传输系统700 km超长距离传输。在光传输差错控制技术方面，文献[24]采用基于DFB的激光发射器和19芯光纤，实现了基于自零差的传输差错检测机制，并搭建出210 Tbit/s自零差传输系统。从上述学术成果来看，现有的研究主要集中在空分复用系统的大容量、超高速传输与实验验证，以及不同传输模式下传输距离、频谱速率、差错检测技术等方面，并没有考虑多维交换节点的相关实现技术，也未考虑多维网络的控制管理实现方案。

（2）网络架构及节点设计

在网络架构和节点设计方面，文献[25]介绍了节点按需构建结构（Architecture on Demand，Ao D）的概念，提出了不同的Ao D实现算法实现光节点结构的动态灵活配置，并分析比较了Ao D结构相对于其他结构的显著优势；文献[26,27]提出了另一种基于空分复用的光交换节点实现方案，并通过相应的软件仿真验证了其对网络资源利用率的提高程度；此外，文献[28]从物理层的角度提出了基于大容量光纤的新型交换节点实现方法，并将其与其他节点实现方法对比，阐明了其方案的优势。

针对数据中心光互联应用场景，文献[29]提出了基于空分复用光纤的设计方案，同时讨论了大容量、低功耗光交换节点的实现方法。考虑到不同速率光信号混合传输的网络场景，文献[30]介绍了一种支持信号混合传输的空分复用节点架构，研究了不同速率、不同带宽的光信号对混合传输效率的影响。从上述已取得的成果来看，围绕光交换节点的研究主要集中在低成本和低功耗等性能指标上，对节点的资源交换效率和节点灵活性方面的研究还有所欠缺，也没有提出具有普适性的节点多维资源建模方法，更没有考虑多维资源的虚拟化抽象方法，不能满足未来多维一体化光网络虚拟化需求。

（3）资源分配策略与优化算法

在资源分配策略方面，文献[31]针对少模光纤的应用场景提出了一种最优化路由资源分配算法，通过使用距离自适应频谱分配策略，使资源使用率达到最优；文献[32]研究了多核光纤网络中基于光纤冗余度的纤芯与频谱分配策略，根据纤芯的资源分布调整相邻信道的资源分配情况以实现资源的最优化；另外，也有研究者提出基于最小化网络成本或能耗的路由资源分配策略[33]。针对业务动态承载过程中出现的碎片问题，文献[34]提出了一种多核光纤场景下的频谱碎片整理策略，通过对频谱整理算法的合理设计，实现资源再利用目标；文献[35]提出了一种面向动态业务调整的资源优化策略，仿真结果表明相比于传统的资源优化算法，该策略能更大程度（约50%）地提高网络资源利用率；Shohei Fujii等人在文献[36]中提出了一种采用灵活配置的光交换节点结构来大幅度减少网络资源使用的优化算法。从上述已有的学术成果来看，现有的研究主要集中在不同业务场景下路由频谱分配策略与资源优化算法方面，并没有考虑资源在时域、频域、空域多维度逻辑抽象方法及虚拟化提供策略，同时，在资源碎片优化整合过程中也没有考虑多维资源之间的相互影响关系。

（4）网络管理及控制方案

随着空分复用技术的发展，光网络逐渐由传统的二维复用网络演变到了基于时、空、频的三维复用网络。针对这种发展趋势，文献[37]引出了三维弹性光网络的概念（3D-EON），并讨论了该网络的关键问题及其支撑技术，其中一个重点即是网络的管理及控制方案。另外，针对数据中心组网的特定场景，文献[29]介绍了基于SDM/TDM/WDM多维组网的可编程光互联网络架构，并在实验平台上验证了该架构的可行性。随着研究的进一步深入，文献[38,39]将软件定义思想引入到SDM光网络中，提出了基于软件定义网络（Software-Defined Networks，SDN）的SDM光网络控制架构，详细分析了其优势特征，并首次完成了相关的实验验证。实验结果表明，对SDM光网络进行集中式控制能实现面向客户的带宽按需分配和Qo T动态提供；此外，文献[40]将SDN思想应用到资源碎片优化策略上，提出了基于SDN的多核光纤碎片整理方案，该方案采用高速集成双输出调制开关，通过与无中断频谱搬移技术相结合，可完成SDM光网络中资源无损动态优化。从上述已有学术成果来看，当前多维一体化光网络已有集中式组网控制趋势，但目前主要集中在针对单一维度资源管控，还未从一个全局的视觉角度综合考虑时、空、频多维一体化网络的调度和控制。

（5）标准进展与项目部署

自空分复用技术提出以来，其已成为提升光纤传输能力、扩展光网络容量的一个有效方案，国际标准研究机构及各国科研单位迅速展开了相关的研究工作。国际标准方面，ITU-T SG15工作组已组建与空分复用相关的讨论组，并于2016年2月15日召开会议探讨其相关技术，会议参与单位包括日本KDDI、NTT和西班牙电信等多家单位；国外科研项目方面，基于空分复用光网络及其关键技术已经引起主要发达国家的高度重视，并成为信息技术领域的研究热点。近年来，国外逐步部署了一系列项目，具体情况如图1-9所示。

欧盟FP7项目INSPACE针对未来光网络在容量、能耗和成本方面的挑战，将频谱灵活的概念延伸至空域，提出了一种新型的多维复用组网方案，大大简化了超通道的资源分配和控管机制[41]。丹麦的DTU项目探索了在多核光纤通信中节点所需功能的解决方案，重点研究了低功耗和低损耗的光网络节点，目标是研发能够集成多种网络功能的硅芯片[42]。德国光通信公司VPI Photonics和日本电信运营商KDDI联合部署的HSHC项目研究了高速率光空分复用传输实现方案，将多核光纤和少模光纤作为高容量SDM传输的两种解决方案，完成了相应的理论分析和实验验证[43,44]。奥地利电信运营商A1和光传输解决方案提供商Coriant联合完成了基于空分复用的400 G传输现场实验，验证了SDM可大大提升光传输容量的结论[45]。英国南安普顿大学研究团队的PHH项目重点研究了空分复用核心光器件和新型组网技术，以应对未来20年光网络在能耗和传输容量方面面临的挑战[46]。欧盟STRONGEST项目从网络可扩展、器件可调谐角度分析了如何实现光网络超高速率传输，研究了包括空分复用技术在内的高速率光传输关键技术[47]。欧盟MODE-GAP项目主要研究包括多模光纤、光子带隙以及和长距离高速光传输相关的关键技术等，主要目标是将宽带光网络的传输容量提升100倍[48]。由以上可知，近几年国际上已针对空分复用技术部署了一系列研究项目。