新一代光网络体系架构瞄准五大方向

在高速率、大带宽的需求驱动下，电信网络得到了迅猛发展，但耗能问题也逐渐引起了运营商、通信设备商、业务提供商的广泛关注有预测显示，假如全国有1000个1.2P的路由器，其耗能将达1.5万兆功率，相当于一个核电站。欧盟为此成立了绿色光电网络小组，致力于节能光器件研究。中国工程院副院长邬贺铨在2010年中国互联网大会开幕式上曾提及："互联网的宽带化是流量超常规下发展的，移动互联网将加大网络的能耗，需要从体系、技术等方面开发高效、节能的互联网。"作为电信网络的重要部分，光网络在绿色、节能方面担当着重要角色。

　　构建低碳环保网络迫在眉睫

　　随着社会的不断进步与经济的不断发展，能源消耗与环境保护的矛盾愈发凸显。一方面，环境对人类可持续发展的重要性，已得到空前重视；改善环境、减少污染，已成为时代的急切呼声。另一方面，能源枯竭步步逼近，能源消耗年年倍增，能耗总量过大与能耗效率偏低是限制人类发展的重大瓶颈。解决能源问题，保护生存环境，已经成为人类发展的艰巨挑战。

　　作为人类社会飞速发展的标志性产业，通信行业在能耗挑战中首当其冲。随着人们通信需求的逐步提高，ICT网络覆盖范围的快速增加，ICT耗能也在迅猛增长，网络设备和元件的消耗量更与日俱增。数据显示，ICT耗能2009年已占世界总耗能的8%。作为ICT设施的重要部分，电信网络的节能措施也提上了日程。

　　电信网络的结构如图1所示，我们从电信网络结构的三个组成部分入手，即核心网、城域网和接入网，总结当前存在的光网络代表性节能方案。

　　核心网多层推进

　　核心网是电信网络的主要部分，具有覆盖范围广、传输距离长、数据量大、传输速率高的特点。骨干网耗能大约占总网络耗能的12%，预计2020年将达到20%。

　　首先，核心网的业务量在一天中不同时刻大小不同。当业务负载较低时，存在的暂停使用或利用率低的节点和链路，造成了能源的浪费。如何达到能效最大化，即如何尽可能多地关掉空闲节点和链路，是关键所在。这个问题即为NP难问题，通常采用MILP(Mixed Integer Linear Program)进行解决，但随着网络节点数的增加，MILP计算量会急剧增大，因此MILP只适应于小型网络。

　　针对大型网络，可以采用启发算法完成路由和波长分配，实现网络有效组件最小化。目前通常采用局部搜索、多空间搜索和全局搜索来处理NP难度问题。局部搜索算法是一类近似算法的通称，它从一个初始解开始，每一步在当前领域内找到一个更好的解，使目标函数逐步优化.直到不能进一步改进为止；多空间搜索算法采用搜索空间平滑技术来减小局部极小点数量；全局搜索算法，是指在全局搜索或全局优化中，采用特殊的变换模型将离散的布尔空间上的SAT问题转换成实空间上的"连续量SAT问题"，已知的全局优化方法有最速下降法、牛顿法、准牛顿法、割平面法、椭球体法、同伦法、布尔差分法等。

图1. 电信网络结构

　　其次，核心网中的IP路由是主要耗能设备，其能耗约占全网能耗的90%，如何减小路由耗能也是核心网络节能要考虑的一个重要方面。

　　核心路由的线卡和机箱耗能是不可忽视的，线卡和机箱的配置不同导致能耗不同。一般机箱填充级别越高，节能越明显，也就是，高填充率的机箱比低填充率机箱每比特消耗能量少。

　　第三，核心网中呈现出多层网络结构，故其节能应考虑多层网络的综合耗能情况。由于大部分交换和传送设备的耗能在一定程度上取决于业务负载，因此涉及到多层流量疏导，以实现网络业务的最优化处理，以减小使用波长和ADM用量。目前流量疏导主要集中于静态业务方案下的WDM环形网络，通过建立普遍的流量疏导模型，利用启发算法来解决流量疏导以达到网络最优化。另外，经路由传输的IP包大小对其耗能也存在影响。即恒定比特业务传输时，IP包越大，耗能越小。

图2 长距离PON结构图

　　第四，传统的最佳路径选择依据为最小跳数，但最小跳数路径的节点被过度使用可能性大，因而造成网络耗能增加并影响网络寿命。因此，人们提出了能量感知路由，它将路径剩余能量也作为最佳路径选择的指标，以此降低网络耗能并延长网络寿命。能量感知路由有两种设计：一种是功率效率设计，即整合路由ASICs/FPGAs并提出一种可升级中心结构，使得路由耗能减小50%。另一种为功率节约设计，即减小额外的能耗，包含静态性能控制和动态性能控制两方面。静态性能控制可实现10%~20%的节能，动态性能控制可以根据到达业务量动态改变路由性能，是下一代路由发展的趋势。

　　城域网因地制宜

城域网界于局域网与广域网之间，它覆盖一个城市的地理范围，连接用户的业务聚合设备并和核