推進綠色節能新一代光網絡體系架構瞄準五大方向

北京郵電大學信息光子學與光通信研究院 | 彭甜甜 楊輝 趙永利 張杰 顧畹儀

節能光網絡成為當前的研究熱點，運營商不僅要做好核心網、城域網、接入網的節能工作，更要關注未來架構的演進和創新。

在高速率、大帶寬的需求驅動下，電信網絡得到了迅猛發展，但耗能問題也逐漸引起了運營商、通信設備商、業務提供商的廣泛關注——有預測顯示，假如全國有1000個1.2P的路由器，其耗能將達1.5萬兆功率，相當于一個核電站。歐盟為此成立了綠色光電網絡小組，致力于節能光器件研究。中國工程院副院長鄔賀銓在2010年中國互聯網大會開幕式上曾提及：“互聯網的寬帶化是流量超常規下發展的，移動互聯網將加大網絡的能耗，需要從體系、技術等方面開發高效、節能的互聯網?！弊鳛殡娦啪W絡的重要部分，光網絡在綠色、節能方面擔當著重要角色。

構建低碳環保網絡迫在眉睫

隨著社會的不斷進步與經濟的不斷發展，能源消耗與環境保護的矛盾愈發凸顯。一方面，環境對人類可持續發展的重要性，已得到空前重視；改善環境、減少污染，已成為時代的急切呼聲。另一方面，能源枯竭步步逼近，能源消耗年年倍增，能耗總量過大與能耗效率偏低是限制人類發展的重大瓶頸。解決能源問題，保護生存環境，已經成為人類發展的艱巨挑戰。

作為人類社會飛速發展的標志性產業，通信行業在能耗挑戰中首當其沖。隨著人們通信需求的逐步提高，ICT網絡覆蓋范圍的快速增加，ICT耗能也在迅猛增長，網絡設備和元件的消耗量更與日俱增。數據顯示，ICT耗能2009年已占世界總耗能的8%。作為ICT設施的重要部分，電信網絡的節能措施也提上了日程。

電信網絡的結構如圖1所示，我們從電信網絡結構的三個組成部分入手，即核心網、城域網和接入網，總結當前存在的光網絡代表性節能方案。

核心網多層推進

核心網是電信網絡的主要部分，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離長、數據量大、傳輸速率高的特點。骨干網耗能大約占總網絡耗能的12%，預計2020年將達到20%。

首先，核心網的業務量在一天中不同時刻大小不同。當業務負載較低時，存在的暫停使用或利用率低的節點和鏈路，造成了能源的浪費。如何達到能效最大化，即如何盡可能多地關掉空閑節點和鏈路，是關鍵所在。這個問題即為NP難問題，通常采用MILP(Mixed Integer Linear Program)進行解決，但隨著網絡節點數的增加，MILP計算量會急劇增大，因此MILP只適應于小型網絡。

針對大型網絡，可以采用啟發算法完成路由和波長分配，實現網絡有效組件最小化。目前通常采用局部搜索、多空間搜索和全局搜索來處理NP難度問題。局部搜索算法是一類近似算法的通稱，它從一個初始解開始，每一步在當前領域內找到一個更好的解，使目標函數逐步優化．直到不能進一步改進為止；多空間搜索算法采用搜索空間平滑技術來減小局部極小點數量；全局搜索算法，是指在全局搜索或全局優化中，采用特殊的變換模型將離散的布爾空間上的SAT問題轉換成實空間上的“連續量SAT問題”，已知的全局優化方法有最速下降法、牛頓法、準牛頓法、割平面法、橢球體法、同倫法、布爾差分法等。

其次，核心網中的IP路由是主要耗能設備，其能耗約占全網能耗的90%，如何減小路由耗能也是核心網絡節能要考慮的一個重要方面。

核心路由的線卡和機箱耗能是不可忽視的，線卡和機箱的配置不同導致能耗不同。一般機箱填充級別越高，節能越明顯，也就是，高填充率的機箱比低填充率機箱每比特消耗能量少。

第三，核心網中呈現出多層網絡結構，故其節能應考慮多層網絡的綜合耗能情況。由于大部分交換和傳送設備的耗能在一定程度上取決于業務負載，因此涉及到多層流量疏導，以實現網絡業務的最優化處理，以減小使用波長和ADM用量。目前流量疏導主要集中于靜態業務方案下的WDM環形網絡，通過建立普遍的流量疏導模型，利用啟發算法來解決流量疏導以達到網絡最優化。另外，經路由傳輸的IP包大小對其耗能也存在影響。即恒定比特業務傳輸時，IP包越大，耗能越小。

第四，傳統的最佳路徑選擇依據為最小跳數，但最小跳數路徑的節點被過度使用可能性大，因而造成網絡耗能增加并影響網絡壽命。因此，人們提出了能量感知路由，它將路徑剩余能量也作為最佳路徑選擇的指標，以此降低網絡耗能并延長網絡壽命。能量感知路由有兩種設計：一種是功率效率設計，即整合路由ASICs/FPGAs并提出一種可升級中心結構，使得路由耗能減小50%。另一種為功率節約設計，即減小額外的能耗，包含靜態性能控制和動態性能控制兩方面。靜態性能控制可實現10%~20%的節能，動態性能控制可以根據到達業務量動態改變路由性能，是下一代路由發展的趨勢。

城域網因地制宜

城域網界于局域網與廣域網之間，它覆蓋一個城市的地理范圍，連接用戶的業務聚合設備并和核心網直接相連。不同城域網所采用的網絡技術也不同。在城域網的主要技術有SONET、WDM環、以太網等。其中城域WDM環形結構應用廣泛。

針對單向WDM環形網絡考慮3種結構：FG（First-Generaion）光網絡，SH（single-hop）網絡，MH（multi-hop）網絡。在FG光網絡中，每個節點流入流出業務都是電處理，包括中繼業務；在SH網絡中，當節點為源節點或是目的節點的時候才進行電處理；MH網絡介于兩者之間。當單向WDM環形網有著均勻的業務時，且連接速率接近波長容量，MH網絡耗能比FG低 。當連接速率較低時，MH網絡比SH網絡更好，因為MH網絡在業務復用方面更為靈活。

以太網節能問題的研究重點，主要在于降低以太網接口的能耗問題。在IEEE 802.3az工作組的工作中，為減小以太網能耗，工作組對高效以太網各種電子接口，包括1000BASE-T和10GBASE-T，進行了標準化處理。這方面研究的主要思路是：在負載較小時，通過降低端口速率甚至關閉端口來降低能耗。關于以太網能耗問題的研究將進一步削減以太網的運營成本，使得以太網逐步成為一項綠色技術。

接入網雙管齊下

作為連接用戶終端設備和某種業務網網絡節點之間的網絡設施，接入網是電信網絡的最后一公里設施，組成了電信網絡的大部分?，F代接入網的特點是綜合業務接入，特別是多媒體業務和IP業務的綜合接入。有研究表明，由于存在大量活躍節點，接入網消耗了全網的70%的能量。所以，降低接入網的能耗就可顯著降低全網絡能耗。

當前的接入網技術主要有有線接入和無線接入兩類。有線接入技術包括xDSL、CM、FTTx等，無線接入技術包括Wi-Fi、WiMAX和蜂窩數據服務（如LTE、2G、3G等）。

有線接入介紹當前廣泛使用的FTTx，作為FTTx主要技術的PON的節能主要從改進集成電路技術、節能芯片設計、設備改良幾個方面來考慮。新型網絡長距離無源光網絡LR-PON（Long-reach Passive Optical Network）的提出，如圖2所示，將傳統PON的傳輸距離由20km延伸到100km，可以為大量接入/城域地區的客戶提供寬帶接入，是一個有前途的未來接入網的方案。由于在中心局和用戶之間采用無源器件實現長距離傳輸，使得傳輸耗能大大減??；且合并多種光線路終端和中心局，簡化了網絡，減少設備接口和網絡元素，實現設備的節能。

無線接入以蜂窩數據服務為例，在蜂窩數據服務中，由于ad hoc網絡節點限制源功率和傳輸功率，所以通常采用一種基于蜂窩的路由感知協議，來實現能量感知和負載平衡。

未來節能網絡暢想

未來綠色光網絡體系結構如圖3所示，它應該具有五大特點。

其一，整個網絡為全光網絡，信號交換、選路、傳輸和恢復等所有功能都以光的形式進行，不但突破了電傳輸的速率瓶頸，而且無需光/電、電/光轉換設備，節省網絡能耗。

其二，使用動態能量感知路由，根據業務量動態改變路由性能，即根據業務量調整發射器的功率及根據網絡節點和鏈路剩余能耗實現最佳路徑選擇，從而減小某些網絡節點的過度使用，使數據流平均分布在網絡節點中。

其三，采取動態流量疏導，在不改變ADM和波長的數量及ADM分布的情況下，通過動態改變各個波長所承載的業務，調節業務在波長中的分布，靈活實現波長轉化，達到用最少的ADM數量來支持動態改變的業務。

其四，根據節點和鏈路的業務量大小，對于未利用和低于閾值的節點和鏈路進入休眠，對于高利用率節點設置較低閾值，低利用率節點設置較高閾值，在業務達到閾值則開啟節點，低于閾值則選擇其它鏈路，達到動態高效利用節點和鏈路的目的。

其五，采用長距離接入網代替傳統城域網和接入網，其光線路終端到本地交換的90km饋線段和本地交換到ONU的10km下線段均采用無源器件傳輸，減小傳統方案有源器件的耗能。由于上行信息的突發模式，使得ONU存在大量空閑時間，可以設計業務觸發機制，即有信息傳輸才啟動OUN，無信息則進入休眠模式，以此減小ONU空閑時間能耗。

節能光網絡是一個近來較新的研究點，本文總結了光網絡中的部分節能方案，為節能網絡研究有興趣的研究者提供了參考，希望有助于未來綠色光網絡的研究。