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新一代光网络体系架构瞄准五大方向

时间:06-11 来源:与非网 点击:

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。

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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。

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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

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