北京郵電大學顧仁濤：探索寬譜域光網(wǎng)絡的新挑戰(zhàn)和新機制

4月26日消息（樂思）在今天舉辦的“2022中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇 - 網(wǎng)絡智能化專場”論壇上，北京郵電大學信息與工程學院教授、博士生導師顧仁濤發(fā)表了題為《智能化寬譜域光網(wǎng)絡》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。同時，智能寬譜域光網(wǎng)絡管控架構(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)絡發(fā)展的一些核心難題。但在新型光器件、新感知機制，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)絡面臨的難題，推動產(chǎn)業(yè)應用。

智能寬譜域面臨的新挑戰(zhàn)

目前，全球通信網(wǎng)絡發(fā)展呈現(xiàn)大連接、大流量兩大趨勢。大連接主要體現(xiàn)在用戶、業(yè)務、流量指數(shù)增長。有報告指出，2018-2023年，通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)連接增長3倍，網(wǎng)絡設(shè)備接入數(shù)增長三倍。流量方面，現(xiàn)在的5G以及未來的6G通信對承載提供新挑戰(zhàn)，6G的峰值速率達到Tbps，延遲0.1ms，屆時業(yè)務流量增長一萬倍。與此同時，在后疫情時代，網(wǎng)絡連接愈發(fā)重要，遠程醫(yī)療、在線課堂、應急通訊等對承載網(wǎng)絡提出廣泛和嚴苛的技術(shù)要求。

國家各級部門對光網(wǎng)絡的發(fā)展高度重視。2021年3月，國家《第十四個五年規(guī)劃和2035年愿景目標綱要》，提出推廣升級千兆網(wǎng)絡；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比特級骨干網(wǎng)傳輸能力，同時引導100G及更高速率光傳輸系統(tǒng)向城域網(wǎng)下沉，提高網(wǎng)絡資源智能化調(diào)度能力和資源利用效能。

顧仁濤表示，自20世紀70年代以來，光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡先后經(jīng)歷了多個容量發(fā)展階段。首先是1970年代，使用了單波長進行傳輸，成為了光通信技術(shù)元年；在2000年代，波分復用WDM技術(shù)的使用增加了波長數(shù)目，大幅提高了傳輸容量；而2008年彈性光網(wǎng)絡EON概念的提出，提升了光網(wǎng)絡頻譜利用效率；2010年代，空分復用SDM則從空間域進一步提高了光網(wǎng)絡的容量?；仡櫣馔ㄐ诺臍v史不難看出，光通信的歷史就是網(wǎng)絡流量飛速增長的歷史也是光通信資源維度不斷擴展的歷史。

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)絡容量可增加約8倍。因此，寬譜域技術(shù)正成為一個新興研究熱點。

然而，大規(guī)模寬譜域光網(wǎng)絡也帶來了新的挑戰(zhàn)：業(yè)務間復雜效應難以忽略、信道狀態(tài)與業(yè)務緊密耦合；各波段信道特性差異大。顧仁濤認為，這將對光網(wǎng)絡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，導致網(wǎng)絡無法高效管理；二是人工管控低效能，導致業(yè)務無法快速部署。

寬譜域光網(wǎng)絡對器件提出新需求

在光網(wǎng)絡發(fā)展過程中，寬譜域光網(wǎng)絡中“寬譜域”對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，對于寬譜域發(fā)射器而言，需要能夠發(fā)射寬譜域信號，實現(xiàn)高容量、高效率、低功耗；同樣在調(diào)制器和復用器，需要處理寬譜域信號，并具有高調(diào)制效率；在波長選擇開關(guān)上，需要全波段的交換能力，實現(xiàn)高消光比、低串擾；對解調(diào)器和解復用器，要求實現(xiàn)寬譜域光信號準確解調(diào)，低誤碼率；特別是光放大器，需要實現(xiàn)全頻段光信號的放大，也是實現(xiàn)寬譜域光網(wǎng)絡的關(guān)鍵器件。

針對寬譜域光網(wǎng)絡所需要的放大器，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，當然也可以聯(lián)合不同類型光纖實現(xiàn)混合方法，比如今年OFC有報道摻鉍光纖與摻鉺光纖配合使用，實現(xiàn)E+S波段放大。

二是直接采用寬頻帶優(yōu)化方式，比如，使用半導體光放大器(SOA)，能夠瞄準850nm到1700nm的任何波段；集總拉曼放大器(RA)，基于非線性光學效應，能夠達到很大的連續(xù)帶寬，噪聲指數(shù)很低，具有可編程性，有利于實現(xiàn)寬譜域光網(wǎng)絡的智能管控；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)絡需要感知新機制以及調(diào)控新方法

顧仁濤指出，影響寬譜域光網(wǎng)絡信號質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在于光信號在寬譜域光網(wǎng)絡中傳輸所產(chǎn)生復雜的物理層損傷，比如：光纖損耗、色散、ASE噪聲等，這些效應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質(zhì)量評估模型來解決上述問題。同時，寬譜域光網(wǎng)絡參量感知開放化也很重要。如果能實現(xiàn)參數(shù)接口的開放標準化，就可以實現(xiàn)物理層的實時感知和抽象，利于實現(xiàn)對寬譜域光網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的整體管控和有效的資源分配。

寬譜域光網(wǎng)絡波段間的強干擾性、寬譜域光網(wǎng)絡波段的非均勻性、寬譜域光網(wǎng)絡資源分配與QoT之間的強關(guān)聯(lián)性是制約寬譜域光網(wǎng)絡資源調(diào)度的重要瓶頸。典型的寬譜域光網(wǎng)絡調(diào)控方法有兩類：一是啟發(fā)式算法的思路，對寬譜域光網(wǎng)絡中的各種資源（波段、路由、頻譜、調(diào)制方式等）進行聯(lián)合優(yōu)化建模，借此解決多譜波段光網(wǎng)業(yè)務間的耦合問題，實現(xiàn)寬譜域光網(wǎng)絡較高的資源利用率、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)絡資源調(diào)度，引入機器學習算法，實現(xiàn)網(wǎng)絡表示模型的簡化，克服波段數(shù)劇增帶來的擴展性挑戰(zhàn)，提升算法速度。

針對波段非均勻性實施光功率優(yōu)化，也是實現(xiàn)寬譜域光網(wǎng)絡調(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系統(tǒng)的傳輸容量。

顧仁濤表示，寬譜域光網(wǎng)絡的強耦合性、非均勻性、強關(guān)聯(lián)性構(gòu)成了網(wǎng)絡級調(diào)控的難點，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，進而構(gòu)建“感知—調(diào)度-優(yōu)化”一體化管控架構(gòu)，實現(xiàn)面向“自智”需求的智能化寬譜域光網(wǎng)絡。

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