光層OAM技術：現狀、應用與趨勢

  光通信網絡在信息時代發揮了關鍵作用，極大促進了人類社會的發展和創新。隨著“工業2.0”“數字經濟”“元宇宙”等概念的提出，數字時代正逐步拉開帷幕，擴展現實(XR)、全息通信、智慧交互等新型應用對網絡的帶寬和服務品質的要求越來越高，光通信網絡將面臨持續的擴容壓力和大規模擴容后的運維挑戰。

  隨著全光網絡的廣泛部署，光層業務的靈活調度和實時感知顯得愈發重要。目前波分復用網絡的OAM(operation，administration，maintenance)以成熟度高的電層OAM為主。然而電層OAM精細度難以支撐龐大復雜的光傳輸系統，尤其是對于全光交叉網絡，光層OAM缺失的問題格外突出，傳統依賴人工調測和優化光路系統的方式不僅費時費力，還極易出錯。因而，成熟的光層OAM技術對于提升波分光網絡的智能化水平至關重要。

  本文將介紹光層OAM相關的光層開銷技術、光層性能檢測技術與光層性能自動優化等關鍵技術及其研究現狀，結合光網絡智能化的發展目標，展示了光層OAM技術在超大容量靈活業務快速開通部署和強業務自愈能力的智能在線運維上的應用，并總結了未來光層OAM技術的發展趨勢。

  光層OAM關鍵技術

  光層OAM的實現主要依賴于光層開銷、光層性能檢測和光層性能自動優化等關鍵技術。

  光層開銷技術

  對于光層開銷，目前G.709標準只定義了標識與告警指示的定義、承載方式(OSC，optical supervisory channel)，沒有對幀結構進行詳細定義。在實際系統運行過程中，主要使用電層開銷，光層開銷機制未被有效利用，只有將業務下路到電層才能讀取開銷信息，在全光傳輸過程中隨路開銷就無法發揮作用。

  常見的光層隨路開銷承載方式有光層調頂和OSC兩種。OSC一般部署在OTS(optical transmission section)段，主要用于承載傳統DCN(data communication network)的管理開銷，只能處理OTS或OMS(optical multiplex section)粒度的光層開銷，無法處理OCh(optical channel with full functionality)粒度的光層開銷，而且在OSC單纖雙向部署場景下，沒有OSC的業務方向就會出現隨路開銷缺失的情況。

  借助光層調頂技術，可以構建完善的光層隨路開銷體系，在OCh層使用調頂，可以構建OCh層隨路開銷通道，同樣地，在OTS/OMS層使用調頂，也可以構建OTS/OMS層隨路開銷通道。OCh層調頂與OTS/OMS層調頂結合，或者OCh層調頂與OSC結合，都可以構建完善的光層隨路開銷體系，實現足夠精細的光層管理，彌補傳統DCN網絡在光層性能檢測、故障定位以及業務調度上的不足，全方位提升光層OAM能力。

  光層隨路開銷最大的優勢是不需要借助復雜的IP路由關系即可實現隨路開銷與業務的綁定，從而實時感知光層的連接狀態與物理性能，甚至可以借助光層隨路開銷管道來承載光層OAM信令，這讓整個光層的感知、分析和調控都可以集中在物理層甚至是統一的通用光電芯片上實現，為光層智能化的實現創造了可能。

  光層性能檢測技術

  常見的光層性能檢測包含頻譜檢測、光功率檢測與在線OSNR(optical signal to noise ratio)檢測。

  頻譜檢測是利用光/電濾波器將待測信號的不同頻率分量分離檢測的方法，常用方法有光域頻譜檢測和電域頻譜檢測兩種。

  頻譜檢測器可以感知光路上的頻譜均衡狀態，輔助控制器完成頻譜不均衡損傷的優化，結合光層開銷技術，可以實現全光層的自動優化。此外，高分辨率的頻譜檢測器還可用于感知ASE(amplified spontaneous emission)噪聲引起的譜形變化，從而檢測OSNR。

  光功率檢測技術是光層性能檢測技術中應用和部署最廣泛的技術，按檢測顆粒度，通常分為總光功率檢測和通道光功率檢測兩種?？偣夤β蕶z測，一般使用“光電探測器+電路放大+模數轉換器采集”的組合直接檢測光路上所有波長(含ASE底噪)的總光功率，總光功率檢測點在光路上所有板卡中均有部署，可以用來感知光路板卡之間的連接損耗;值得一提的是，在光放大的輸入和輸出端部署總光功率檢測點，可以輔助光放大器完成自動增益控制。通道光功率檢測，常見方法有三種：OCM模塊掃描頻譜積分法、相干光模塊內相干混頻檢測法與調頂檢測法，前兩種方法相對成熟，但受限于成本和集成度，難以大規模大范圍部署，而調頂檢測法可以將通道光功率檢測跟總光功率檢測的部署統一，大大簡化光層的功率檢測方案。此外，基于調頂的光功率檢測時延在毫秒量級，可以實時感知OCh粒度的連接損耗，極大地提升光層的功率管理效率，同時也滿足快速通道LOS(loss of signal)檢測要求，基于調頂的通道光功率檢測體系可以快速感知和定位風險或故障鏈路。

  在線OSNR檢測，指在不中斷業務的情況下完成該業務OSNR的測量。早期的波分復用系統(通常指10G系統)中，由于分配的頻譜柵格遠大于信號帶寬，相鄰的通道之間不存在頻譜交疊，而且底噪也不受濾波影響，因此通常使用帶外插值的方法完成噪底和OSNR估計。后期隨著40G和100G系統的商用部署，受ROADM站點濾波效應和相鄰通道串擾的影響，帶外底噪再也無法代表通道內真實的噪聲水平，傳統的帶外插值估計方法完全失效，因而在線OSNR檢測成為光層性能檢測的一大難點。

  OSNR檢測的本質在于信號光與ASE噪聲的定量分離，而根據兩者的光學差異可以實現分離：如信號光是相干光源，ASE噪聲則是非相干光源，采用延遲干涉甚至是受激布里淵效應等非線性的方法即可實現分離;再比如信號光由兩路正交偏振態的信號組成，而ASE噪聲的偏振態則是隨機的，采用偏振歸零法也可以實現分離。然而，以上光學類方法普遍受環境的影響很大，如干涉效應對環境溫度與細微振動很敏感，而信號偏振態也受環境影響而快速變換，因此，該類方法目前很難商用部署。另外一類方法基于數值與統計的差異實現信號與噪聲的分離：如DSP類方法，通過解調信號或者利用信號相關噪聲不相關的統計特性實現分離;如譜比較類方法，通過比較噪聲引起的頻譜數值差異實現分離。該類方法已經廣泛部署于現有網絡中，DSP類方法已內置于大部分主流相干光模塊中，只能用于端到端OSNR的檢測，且對非線性和濾波效應等ASE噪聲以外的損傷很敏感，而譜比較類方法已通過商用OCM(optical channel monitor)模塊部署于光網絡各節點中，可以檢測任意節點之間的OSNR，能夠彌補DSP類方法檢測覆蓋范圍的不足，但檢測精度嚴重依賴于OCM的頻譜分辨率。

  基于光纖鏈路的參數估計方法，即根據光纖鏈路中檢測到的光功率和提前標定的光纖鏈路參數等信息，結合光纖和光放大器的物理模型，可以估算出光纖鏈路中任意位置處的OSNR，該方法在功率檢測的基礎上無額外硬件部署要求，檢測覆蓋范圍大且無死角，與基于調頂的光功率檢測方法結合還能極大地提升OSNR檢測效率，將光層的感知能力提升到一個全新的層次。

  光層性能自動優化技術

  利用對發對收的兩個OTU(optical transponder unit)之間構建的波長標簽所使用的物理信道可以實現光層OAM開銷信息的兩端交互，從而實現光層性能的閉環優化。如在光層OAM開銷信息中寫入譜形特征以及頻譜均衡(含預加重和分片整形等)等參數，可以不借助傳統信令網，完成收發端頻譜不均衡損傷感知與端到端穿通優化聯動，從而實現全光層業務頻譜的自動均衡，解決動態可重構光網絡中因濾波損傷和通道內功率不平坦引起的光層業務傳輸性能的劣化問題。

  利用光層OAM隨路開銷或者傳統的DCN連接實現上下游通道功率與OSNR的交互，如果以毫秒級的低時延性能開銷實現，就可以讓光路上每一個OTS/OMS段都具備獨立的實時輸入輸出性能感知能力，每一個OTS/OMS段都可以根據輸入輸出的通道功率與OSNR的變化做出快速調整與優化，從而為全光層的通道功率與OSNR自動優化創造了可能。通道功率與OSNR自動優化一般有四種可選的策略：

  - 目標功率與功率平坦度優先策略：給各站點的發送端和接收端設定固定的目標功率，優先將業務波長功率調節至設定目標功率，同時不能超過目標功率的最大偏差和功率平坦度指標約束;

  - OSNR余量與復用段OSNR平坦度優先策略：每個復用段均以OSNR平坦度最優為調節目標，同時需滿足每條業務的OSNR余量不低于最低門限要求;

  - OSNR余量與單位比特能耗優先策略：每條業務在滿足OSNR余量要求的前提下，以能耗最低為優化目標，可通過調節收發端光模塊參數和光路功率來降低設備功耗;

  - 多目標混合優化策略：將多種優化策略中的優化目標按不同權重疊加到一起，形成一個新的混合目標作為優化方向，能夠達到多目標平衡的效果。

  光層OAM技術應用

  光層OAM技術在光層業務的開通部署和在線運維階段均可以發揮重要作用。

  超大容量、靈活業務快速開通部署

  在超大容量、靈活業務的開通部署階段，由于大容量的光交叉節點連纖關系復雜，人工操作很容易失誤，因而需要連纖關系自動發現方法來確認連纖關系和質量。借助光層調頂技術，既可以發現并檢驗連纖關系，還可以通過調頂檢測的光功率來計算連接損耗，可以大大簡化開局光纖連接階段的人工操作與檢驗環節。

  在完成連纖自動發現需要新建業務時，可以通過光層隨路開銷來輔助完成光路連通性校驗，同時使用光層性能自動優化技術實現光層業務傳輸性能的快速優化，如可以通過通道內頻譜自動均衡技術解決因濾波損傷和通道內功率不平坦引起的光層業務傳輸性能的劣化問題，通過通道功率與OSNR自動優化技術將光層業務的通道功率與OSNR調至最優狀態，如可以選擇功率平坦度最優、OSNR平坦度最優或者單位比特能耗最優等優化策略。全光層的性能快速感知與自動優化技術，可以減少跨層協議與信令交互，能夠顯著提升業務開通部署效率。

  強業務自愈能力的智能在線運維

  智能在線運維要求在不需要人力干預的情況下，系統能夠處理網絡突發狀況，保持客戶業務的穩定性。

  當發生光纜老化、彎折、擠壓、振動等光層性能劣化事件時，光路損耗發生變化，從而導致光層業務性能劣化，此時，基于光層OAM的快速性能感知單元能夠及時發現這一功率和衰減量變化并完成自動優化，維持在線業務的功率水平，保證客戶業務的可靠傳輸。當發生WSS(wavelength selective switch)通道波長指派、衰減量設置等光層業務動態調整事件時，光路頻譜不均衡損傷發生變化，從而導致光層業務性能劣化，此時，基于光層OAM的快速性能感知單元能夠及時發現這一頻譜不均衡損傷的變化并完成頻譜自動均衡，維持在線業務的頻譜均衡水平，保證客戶業務的可靠傳輸。

  當光層性能劣化到無法達成在線優化目標時，如斷纖故障，需要觸發業務恢復動作，首先得完成恢復路由的計算，在計算恢復路由時，需要合理避開有性能風險或故障的鏈路，而光層OAM感知單元在實時感知業務風險或故障的同時，能夠快速定位出風險或故障鏈路位置，剛好能夠輔助提升算路的效率和光網絡資源的利用率，在業務重路由之后，也能基于光層OAM的快速性能感知和優化機制完成業務的快速恢復，提升客戶業務的服務質量。

  技術分析與展望

  調頂技術的隨路特性與極致的通道性能檢測能力，使其在光層OAM技術的演進中扮演著越來越重要的角色?；谡{頂的光層OAM技術當前需要解決物理層的技術難題。主要體現在調頂載頻等關鍵物理層參數的選取上，載頻選取過高，受非線性SRS(stimulated raman scattering)影響，調頂信號會對不同波長形成較大串擾，長距傳輸場景應用受限;載頻選取過低，受色散引起的功率衰落影響，調頂信號經過長距離傳輸后接收靈敏度與功率檢測精度均會劣化，需要選取合適的載頻，將非線性SRS和色散功率衰落的影響降到最低，并且能同時滿足以下應用要求：

  - 滿足G.652、G.654和G.655等色散與非線性差異較大的光纖傳輸場景，需在不同光纖傳輸場景下達到非線性SRS與色散功率衰落的平衡;

  - 滿足200G QPSK、400G QPSK等大波特率業務的長距離傳輸場景，需解決大波特率業務色散功率衰落嚴重的問題;

  - 滿足C+L擴容需求，需預留足夠多的頻譜資源用于調頂載頻的分配，并保證多載頻檢測時的高接收靈敏度要求，通常-30dBm以下。

  當前基于調頂技術實現的光層隨路開銷缺陷主要有兩點：

  - 中間節點只能讀取調頂信息，不具備改寫能力，因而暫時無法自成體系，進而獨立實現光纖鏈路自動發現與快速故障定位等光層OAM基礎需求;

  - 在保證不影響主光業務性能的前提下，調頂的速率最多只能做到Kbps量級，因而調頂通道無法承載大帶寬低時延類型開銷，其應用范圍嚴重受限。

  為了發揮出調頂隨路開銷在光層OAM中的最大作用，需將其與電層開銷、光監控信道OSC等傳統開銷機制協作，取長補短。而多級開銷協同涉及到不同技術特點的多級開銷接口的定義及規范，對傳統DCN網絡架構也會形成較大沖擊。當前，我們仍然需要挖掘更多光層OAM開銷協同技術的應用，其應用價值與實現代價需要進一步探討。

  未來光層OAM技術將會朝三個方向演進：

  - 構建更加完善的光層開銷體系：光標簽技術提供了一種光通道層隨路開銷傳輸渠道，為光層開銷體系的完善開辟了新的局面，新的光通道層開銷的定義將會引入新的光層OAM功能，隨著光層開銷的不斷完善，光層OAM的功能也會日趨成熟。

  - 構建更加快捷的光層感知網絡：光標簽技術提供了一種板上集成的光通道層性能快速檢測方法，高度集成的特點便于其在光網絡中廣泛部署，隨著基于光標簽功能的光層感知網絡的全面部署，光通道層性能的感知將會變得無時無刻無處不在，海量光層性能數據的采集將會為光層智能化引擎提供更為實時可靠的決策依據。

  - 構建全連接的光層一體化OAM平臺，OSC隨路開銷與光標簽隨路開銷的結合、“OSC+光標簽+OPM(optical performance monitoring)+ OTDR(optical time domain reflectometry)”等光檢測與隨路開銷功能的融合，并最終出現硬件集成與芯片定制化的產品形態，整個光層的所有感知與開銷功能均統一集成于同一光層OAM功能單元內，而光路上所有的光層OAM功能單元均通過統一的光層隨路開銷連接到一起，互相之間能夠進行實時性能等信息的共享和管控信令的傳遞，就像一個整體一樣，全連接的光層一體化OAM平臺必定會將光層智能化提升到一個新的層次。

  綜上所述，光層OAM技術是光網絡運維的核心，是光層智能化的基礎，具有廣闊的發展與應用前景。當前仍需要關注光層感知和開銷通道的物理實現與部署，在解決物理層實現問題之后，需要進一步考慮光層所有感知與開銷功能的融合，賦予光層自主感知、分析、優化的自治能力，最終才能實現真正的光層智能化。

  作者：中興通訊 吳瓊，馮振華