北京郵電大學(xué)顧仁濤：探索寬譜域光網(wǎng)絡(luò)的新挑戰(zhàn)和新機(jī)制

4月26日消息（樂思）在今天舉辦的“2022中國(guó)光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇 - 網(wǎng)絡(luò)智能化專場(chǎng)”論壇上，北京郵電大學(xué)信息與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師顧仁濤發(fā)表了題為《智能化寬譜域光網(wǎng)絡(luò)》的演講。

顧仁濤指出，以器件為基礎(chǔ)，以感知為關(guān)鍵，以調(diào)度為核心，才能構(gòu)建智能寬譜域光網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，智能寬譜域光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)需要感知、調(diào)度和優(yōu)化三大模塊共同作用，這樣才能解決未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一些核心難題。但在新型光器件、新感知機(jī)制，新調(diào)度算法方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要各界通力協(xié)作，解決寬譜域光網(wǎng)絡(luò)面臨的難題，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

智能寬譜域面臨的新挑戰(zhàn)

目前，全球通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展呈現(xiàn)大連接、大流量?jī)纱筅厔?shì)。大連接主要體現(xiàn)在用戶、業(yè)務(wù)、流量指數(shù)增長(zhǎng)。有報(bào)告指出，2018-2023年，通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)連接增長(zhǎng)3倍，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入數(shù)增長(zhǎng)三倍。流量方面，現(xiàn)在的5G以及未來的6G通信對(duì)承載提供新挑戰(zhàn)，6G的峰值速率達(dá)到Tbps，延遲0.1ms，屆時(shí)業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)一萬倍。與此同時(shí)，在后疫情時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)連接愈發(fā)重要，遠(yuǎn)程醫(yī)療、在線課堂、應(yīng)急通訊等對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)提出廣泛和嚴(yán)苛的技術(shù)要求。

國(guó)家各級(jí)部門對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展高度重視。2021年3月，國(guó)家《第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年愿景目標(biāo)綱要》，提出推廣升級(jí)千兆網(wǎng)絡(luò)；建設(shè)高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、安全高效的信息基礎(chǔ)設(shè)施。同年11月份，工信部《“十四五“信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出，要打造P比特級(jí)骨干網(wǎng)傳輸能力，同時(shí)引導(dǎo)100G及更高速率光傳輸系統(tǒng)向城域網(wǎng)下沉，提高網(wǎng)絡(luò)資源智能化調(diào)度能力和資源利用效能。

顧仁濤表示，自20世紀(jì)70年代以來，光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)先后經(jīng)歷了多個(gè)容量發(fā)展階段。首先是1970年代，使用了單波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸，成為了光通信技術(shù)元年；在2000年代，波分復(fù)用WDM技術(shù)的使用增加了波長(zhǎng)數(shù)目，大幅提高了傳輸容量；而2008年彈性光網(wǎng)絡(luò)EON概念的提出，提升了光網(wǎng)絡(luò)頻譜利用效率；2010年代，空分復(fù)用SDM則從空間域進(jìn)一步提高了光網(wǎng)絡(luò)的容量?；仡櫣馔ㄐ诺臍v史不難看出，光通信的歷史就是網(wǎng)絡(luò)流量飛速增長(zhǎng)的歷史也是光通信資源維度不斷擴(kuò)展的歷史。

如今，C波段和L波段都出現(xiàn)了頻譜資源緊張的局面，因此行業(yè)開始研究使用其它擴(kuò)展波段的寬譜域多波段傳輸技術(shù)。它的好處在于不需要重新鋪設(shè)新的光纖，但是可將將頻譜拓展5-11倍，網(wǎng)絡(luò)容量可增加約8倍。因此，寬譜域技術(shù)正成為一個(gè)新興研究熱點(diǎn)。

然而，大規(guī)模寬譜域光網(wǎng)絡(luò)也帶來了新的挑戰(zhàn)：業(yè)務(wù)間復(fù)雜效應(yīng)難以忽略、信道狀態(tài)與業(yè)務(wù)緊密耦合；各波段信道特性差異大。顧仁濤認(rèn)為，這將對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的管控和控制帶來極大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：一是變量狀態(tài)巨空間，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法高效管理；二是人工管控低效能，導(dǎo)致業(yè)務(wù)無法快速部署。

寬譜域光網(wǎng)絡(luò)對(duì)器件提出新需求

在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中，寬譜域光網(wǎng)絡(luò)中“寬譜域”對(duì)器件提出了新的需求。

目前，有很多研究人員探討寬譜域光網(wǎng)絡(luò)典型系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，但是這些結(jié)構(gòu)都離不開新型光器件的支撐，對(duì)從發(fā)射端到接收端的多類光器件提出了新的要求。顧仁濤指出，對(duì)于寬譜域發(fā)射器而言，需要能夠發(fā)射寬譜域信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高容量、高效率、低功耗；同樣在調(diào)制器和復(fù)用器，需要處理寬譜域信號(hào)，并具有高調(diào)制效率；在波長(zhǎng)選擇開關(guān)上，需要全波段的交換能力，實(shí)現(xiàn)高消光比、低串?dāng)_；對(duì)解調(diào)器和解復(fù)用器，要求實(shí)現(xiàn)寬譜域光信號(hào)準(zhǔn)確解調(diào)，低誤碼率；特別是光放大器，需要實(shí)現(xiàn)全頻段光信號(hào)的放大，也是實(shí)現(xiàn)寬譜域光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件。

針對(duì)寬譜域光網(wǎng)絡(luò)所需要的放大器，有兩種技術(shù)思路：

一是分波段優(yōu)化：考慮在不同波段使用不同類型的放大器，比如：摻鐠光纖放大器(PDFA)——O波段；摻鉍光纖放大器(BDFA)——E波段；摻銩光纖放大器(TDFA)-S波段；摻鉺光纖放大器(EDFA)—C+L波段等，當(dāng)然也可以聯(lián)合不同類型光纖實(shí)現(xiàn)混合方法，比如今年OFC有報(bào)道摻鉍光纖與摻鉺光纖配合使用，實(shí)現(xiàn)E+S波段放大。

二是直接采用寬頻帶優(yōu)化方式，比如，使用半導(dǎo)體光放大器(SOA)，能夠瞄準(zhǔn)850nm到1700nm的任何波段；集總拉曼放大器(RA)，基于非線性光學(xué)效應(yīng)，能夠達(dá)到很大的連續(xù)帶寬，噪聲指數(shù)很低，具有可編程性，有利于實(shí)現(xiàn)寬譜域光網(wǎng)絡(luò)的智能管控；而光參量放大器(OPAs)也是一種重要的候選技術(shù)。

寬譜域光網(wǎng)絡(luò)需要感知新機(jī)制以及調(diào)控新方法

顧仁濤指出，影響寬譜域光網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在于光信號(hào)在寬譜域光網(wǎng)絡(luò)中傳輸所產(chǎn)生復(fù)雜的物理層損傷，比如：光纖損耗、色散、ASE噪聲等，這些效應(yīng)在不同光纖和波段上還存在明顯差異；而自相位調(diào)制SPM、四波混頻FWM、交叉相位調(diào)制XPM、受激拉曼散射SRS等更是變得不可忽略；因此需要一些新的物理層信號(hào)質(zhì)量評(píng)估模型來解決上述問題。同時(shí)，寬譜域光網(wǎng)絡(luò)參量感知開放化也很重要。如果能實(shí)現(xiàn)參數(shù)接口的開放標(biāo)準(zhǔn)化，就可以實(shí)現(xiàn)物理層的實(shí)時(shí)感知和抽象，利于實(shí)現(xiàn)對(duì)寬譜域光網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的整體管控和有效的資源分配。

寬譜域光網(wǎng)絡(luò)波段間的強(qiáng)干擾性、寬譜域光網(wǎng)絡(luò)波段的非均勻性、寬譜域光網(wǎng)絡(luò)資源分配與QoT之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性是制約寬譜域光網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的重要瓶頸。典型的寬譜域光網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方法有兩類：一是啟發(fā)式算法的思路，對(duì)寬譜域光網(wǎng)絡(luò)中的各種資源（波段、路由、頻譜、調(diào)制方式等）進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化建模，借此解決多譜波段光網(wǎng)業(yè)務(wù)間的耦合問題，實(shí)現(xiàn)寬譜域光網(wǎng)絡(luò)較高的資源利用率、較低的阻塞率以及有保證的傳輸質(zhì)量。二是AI使能的寬譜域光網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度，引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)表示模型的簡(jiǎn)化，克服波段數(shù)劇增帶來的擴(kuò)展性挑戰(zhàn)，提升算法速度。

針對(duì)波段非均勻性實(shí)施光功率優(yōu)化，也是實(shí)現(xiàn)寬譜域光網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的重要手段。利用搜索、遺傳算法、模擬退火等方法，根據(jù)不同波段的光纖特性和信號(hào)狀態(tài)，確定不同波段的光功率大小，也能夠在一定程度上提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸容量。

顧仁濤表示，寬譜域光網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)耦合性、非均勻性、強(qiáng)關(guān)聯(lián)性構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)級(jí)調(diào)控的難點(diǎn)，在新型器件裝置的基礎(chǔ)上，還需要新的感知和調(diào)控手段，進(jìn)而構(gòu)建“感知—調(diào)度-優(yōu)化”一體化管控架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)面向“自智”需求的智能化寬譜域光網(wǎng)絡(luò)。

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