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摘要：随着超高速光传输技术的发展，支撑100 Gbit/s以及更高速率的组网应用成为全光网研究的关键。文章提出支持灵活谱利用的超大容量全光网体系结构。该结构根据端口实际需要编程配置光通道带宽并实现全光交换，突破波分复用(WDM)对通道带宽的限制，解决超高速率光信号的传送问题。同时，支持面向精细颗粒带宽的全光谱域分割和疏导控制与管理，实现光层资源虚拟化与按需配置，提高光纤带宽利用率。
20世纪末，互联网蓬勃发展、方兴未艾；21世纪初，物联网开始浮出水面、引领潮流。以建设宽带、安全、泛在、融合的新一代信息基础设施为载体，不同国家、不同文化、不同领域、不同行业被一“网”打尽，形成了跨国界、跨语言、跨人机、跨应用的虚拟化空间，满足了人与人、人与物、物与物的互动性要求。随着人们对信息的需求急剧增加，信息量像原子裂变一样呈爆炸式增长。据Cisco VNI预测，2009—2014年全球IP数据量将增加3倍以上，达到0.767泽字节(1泽字节=1021字节)，人类社会正向泽字节时代迈进。
上述预测同时表明视频信息增长十分迅速，视频通信是未来网络业务需求的主要来源。到2014年，各类视频流量将超过全网业务总量的91%。以高分辨率视频传输为代表的巨带宽业务，例如高质量视频流分发、商业视频会议、远程医疗支持系统、大型存储系统之间的数据镜像等，具有大容量、低延时、端到端、通道化、动态灵活的业务特征，对光网络基础设施的传送能力提出了更高要求。
当前，中国信息通信产业持续高速发展。截至2011年6月底，中国移动电话用户为9.2亿，固定电话用户为2.9亿，网民总人数为4.85亿；基础电信企业的互联网国际出口带宽达到1.2 Tbit/s。此外已建成辐射中国的通信光网络，长度逾1 000万km。随着信息产业与工业应用领域的进一步结合，可以预测“十二五”期间中国通信业务需求将会有更大幅度增长，网络建设规模也将继续扩大，尤其是下一代互联网和物联网的未来发展具有很大空间。在大力建设光纤基础设施的同时，如何充分利用带宽资源，构建动态、高效、低耗的全光网络，对促进经济社会持续、健康、和谐发展具有战略意义。
支持灵活光谱利用的超大容量全光网技术突破了传统波长通道的刚性限制，使得通道带宽能够按需提供，在真实的业务需求与网络提供的通道带宽之间实现最佳的匹配。一方面，根据端口实际需要可编程配置光路带宽并实现全光交换，突破WDM对通道带宽的限制，解决超高速率光信号的传送问题；另一方面，支持面向精细颗粒带宽的全光谱域分割和疏导控制与管理，实现光层资源虚拟化与按需配置，可以提高光纤带宽利用率，降低网络节点处理的整体功耗。
1 全光网发展现状与问题
由于光子作用机理的特殊性，全光网和以电交换为主的传统光网络结构存在很大区别。早在20世纪90年代，随着波分复用(WDM)技术的崛起，全光网研究开始引起人们的极大关注。WDM技术将光纤的可用带宽通道化，提出了端到端的透明波长通道的概念，提供了利用光纤带宽资源的有效方法。基于WDM的全光网方案已成为主流，被纳入到光传送体系(OTH)当中，成为光传送网的未来发展趋势。那么，WDM光网络是否能够解决传送网当前面临的所有问题？是否能够满足未来发展的各种要求？下面对WDM光网络的现状特点进行分析。
WDM光网络利用波长选路技术，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。其现状特点可以概括为：
(1)基于WDM的可重构光分插复用(ROADM)节点只具备固定波长选择交叉能力。
(2)光层无法实现面向波长通道的子波长级全光处理，需要利用光传送网的电层交换功能来完成多层映射与疏导过程。
(3)波长交换光网络的通用多协议标记交换自动交换光网络(GMPLS/ASON)控制平面，仅能满足波长级通道的动态建立、拆除和智能调度等要求。通过以上分析，可以发现WDM全光网存在的一个根本性问题：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全光网灵活性不高、带宽浪费严重、能耗效率低下，已不能适应未来大容量、高速率、可扩展的光层传送需要。
上述问题的具体表现如下：
(1)在建立波长通道时，不能因地制宜根据用户容量的实际要求分配可用带宽资源，造成波长整体利用率下降。按照WDM标准只有位于规定栅格位置的波长可以分配给用户，而均匀的波长间隔直接决定了通道可用带宽大小，与用户容量和数据速率无关。目前的波长路由全光网在建立波长通道时已分配了固定的光路带宽，必然存在超量配置现象，如果节点之间的流量低于波长可用容量将导致带宽浪费。例如：10G和40G的不同数据速率同样采用50 GHz的标准通道间隔，显然传输10G信号时通道带宽没有得到充分利用。
(2)波长通道一旦建立，其光层可用带宽是不能动态调整的，从而难以适应业务和网络性能灵活变化的需要。由于当前波长通道光发射/接收机的工作速率以及中间转发节点的交叉带宽间隔都是固定的，不能及时响应用户容量的变化，按需增加或减少波长通道占据的带宽，提高光纤利用率。同时，固定通道带宽限制对全光组网的生存性也会带来不利影响，一条失效光路只有在迂回路由带宽相等或超出原始带宽的条件下才能得到恢复。
(3)由于光纤损伤影响，不同速率、格式的全光信号具有不同传输性能，物理属性固定配置的波长通道无法满足光路重构引起的传输质量动态可变要求。例如：全光交换造成端到端波长通道的路径变化，使得交换前后传输距离增加或缩短，接收端的信号质量也会相应发生改变。传统的波长通道由于光层物理属性固定配置，无法自动适应这一变化，需要引入针对信号速率、格式等的动态调整能力，以最大程度地匹配光路传输条件，优化通道性能。
