光层OAM技术：现状、应用与趋势

  光通信网络在信息时代发挥了关键作用，极大促进了人类社会的发展和创新。随着“工业2.0”“数字经济”“元宇宙”等概念的提出，数字时代正逐步拉开帷幕，扩展现实(XR)、全息通信、智慧交互等新型应用对网络的带宽和服务品质的要求越来越高，光通信网络将面临持续的扩容压力和大规模扩容后的运维挑战。

  随着全光网络的广泛部署，光层业务的灵活调度和实时感知显得愈发重要。目前波分复用网络的OAM(operation，administration，maintenance)以成熟度高的电层OAM为主。然而电层OAM精细度难以支撑庞大复杂的光传输系统，尤其是对于全光交叉网络，光层OAM缺失的问题格外突出，传统依赖人工调测和优化光路系统的方式不仅费时费力，还极易出错。因而，成熟的光层OAM技术对于提升波分光网络的智能化水平至关重要。

  本文将介绍光层OAM相关的光层开销技术、光层性能检测技术与光层性能自动优化等关键技术及其研究现状，结合光网络智能化的发展目标，展示了光层OAM技术在超大容量灵活业务快速开通部署和强业务自愈能力的智能在线运维上的应用，并总结了未来光层OAM技术的发展趋势。

  光层OAM关键技术

  光层OAM的实现主要依赖于光层开销、光层性能检测和光层性能自动优化等关键技术。

  光层开销技术

  对于光层开销，目前G.709标准只定义了标识与告警指示的定义、承载方式(OSC，optical supervisory channel)，没有对帧结构进行详细定义。在实际系统运行过程中，主要使用电层开销，光层开销机制未被有效利用，只有将业务下路到电层才能读取开销信息，在全光传输过程中随路开销就无法发挥作用。

  常见的光层随路开销承载方式有光层调顶和OSC两种。OSC一般部署在OTS(optical transmission section)段，主要用于承载传统DCN(data communication network)的管理开销，只能处理OTS或OMS(optical multiplex section)粒度的光层开销，无法处理OCh(optical channel with full functionality)粒度的光层开销，而且在OSC单纤双向部署场景下，没有OSC的业务方向就会出现随路开销缺失的情况。

  借助光层调顶技术，可以构建完善的光层随路开销体系，在OCh层使用调顶，可以构建OCh层随路开销通道，同样地，在OTS/OMS层使用调顶，也可以构建OTS/OMS层随路开销通道。OCh层调顶与OTS/OMS层调顶结合，或者OCh层调顶与OSC结合，都可以构建完善的光层随路开销体系，实现足够精细的光层管理，弥补传统DCN网络在光层性能检测、故障定位以及业务调度上的不足，全方位提升光层OAM能力。

  光层随路开销最大的优势是不需要借助复杂的IP路由关系即可实现随路开销与业务的绑定，从而实时感知光层的连接状态与物理性能，甚至可以借助光层随路开销管道来承载光层OAM信令，这让整个光层的感知、分析和调控都可以集中在物理层甚至是统一的通用光电芯片上实现，为光层智能化的实现创造了可能。

  光层性能检测技术

  常见的光层性能检测包含频谱检测、光功率检测与在线OSNR(optical signal to noise ratio)检测。

  频谱检测是利用光/电滤波器将待测信号的不同频率分量分离检测的方法，常用方法有光域频谱检测和电域频谱检测两种。

  频谱检测器可以感知光路上的频谱均衡状态，辅助控制器完成频谱不均衡损伤的优化，结合光层开销技术，可以实现全光层的自动优化。此外，高分辨率的频谱检测器还可用于感知ASE(amplified spontaneous emission)噪声引起的谱形变化，从而检测OSNR。

  光功率检测技术是光层性能检测技术中应用和部署最广泛的技术，按检测颗粒度，通常分为总光功率检测和通道光功率检测两种。总光功率检测，一般使用“光电探测器+电路放大+模数转换器采集”的组合直接检测光路上所有波长(含ASE底噪)的总光功率，总光功率检测点在光路上所有板卡中均有部署，可以用来感知光路板卡之间的连接损耗;值得一提的是，在光放大的输入和输出端部署总光功率检测点，可以辅助光放大器完成自动增益控制。通道光功率检测，常见方法有三种：OCM模块扫描频谱积分法、相干光模块内相干混频检测法与调顶检测法，前两种方法相对成熟，但受限于成本和集成度，难以大规模大范围部署，而调顶检测法可以将通道光功率检测跟总光功率检测的部署统一，大大简化光层的功率检测方案。此外，基于调顶的光功率检测时延在毫秒量级，可以实时感知OCh粒度的连接损耗，极大地提升光层的功率管理效率，同时也满足快速通道LOS(loss of signal)检测要求，基于调顶的通道光功率检测体系可以快速感知和定位风险或故障链路。

  在线OSNR检测，指在不中断业务的情况下完成该业务OSNR的测量。早期的波分复用系统(通常指10G系统)中，由于分配的频谱栅格远大于信号带宽，相邻的通道之间不存在频谱交叠，而且底噪也不受滤波影响，因此通常使用带外插值的方法完成噪底和OSNR估计。后期随着40G和100G系统的商用部署，受ROADM站点滤波效应和相邻通道串扰的影响，带外底噪再也无法代表通道内真实的噪声水平，传统的带外插值估计方法完全失效，因而在线OSNR检测成为光层性能检测的一大难点。

  OSNR检测的本质在于信号光与ASE噪声的定量分离，而根据两者的光学差异可以实现分离：如信号光是相干光源，ASE噪声则是非相干光源，采用延迟干涉甚至是受激布里渊效应等非线性的方法即可实现分离;再比如信号光由两路正交偏振态的信号组成，而ASE噪声的偏振态则是随机的，采用偏振归零法也可以实现分离。然而，以上光学类方法普遍受环境的影响很大，如干涉效应对环境温度与细微振动很敏感，而信号偏振态也受环境影响而快速变换，因此，该类方法目前很难商用部署。另外一类方法基于数值与统计的差异实现信号与噪声的分离：如DSP类方法，通过解调信号或者利用信号相关噪声不相关的统计特性实现分离;如谱比较类方法，通过比较噪声引起的频谱数值差异实现分离。该类方法已经广泛部署于现有网络中，DSP类方法已内置于大部分主流相干光模块中，只能用于端到端OSNR的检测，且对非线性和滤波效应等ASE噪声以外的损伤很敏感，而谱比较类方法已通过商用OCM(optical channel monitor)模块部署于光网络各节点中，可以检测任意节点之间的OSNR，能够弥补DSP类方法检测覆盖范围的不足，但检测精度严重依赖于OCM的频谱分辨率。

  基于光纤链路的参数估计方法，即根据光纤链路中检测到的光功率和提前标定的光纤链路参数等信息，结合光纤和光放大器的物理模型，可以估算出光纤链路中任意位置处的OSNR，该方法在功率检测的基础上无额外硬件部署要求，检测覆盖范围大且无死角，与基于调顶的光功率检测方法结合还能极大地提升OSNR检测效率，将光层的感知能力提升到一个全新的层次。

  光层性能自动优化技术

  利用对发对收的两个OTU(optical transponder unit)之间构建的波长标签所使用的物理信道可以实现光层OAM开销信息的两端交互，从而实现光层性能的闭环优化。如在光层OAM开销信息中写入谱形特征以及频谱均衡(含预加重和分片整形等)等参数，可以不借助传统信令网，完成收发端频谱不均衡损伤感知与端到端穿通优化联动，从而实现全光层业务频谱的自动均衡，解决动态可重构光网络中因滤波损伤和通道内功率不平坦引起的光层业务传输性能的劣化问题。

  利用光层OAM随路开销或者传统的DCN连接实现上下游通道功率与OSNR的交互，如果以毫秒级的低时延性能开销实现，就可以让光路上每一个OTS/OMS段都具备独立的实时输入输出性能感知能力，每一个OTS/OMS段都可以根据输入输出的通道功率与OSNR的变化做出快速调整与优化，从而为全光层的通道功率与OSNR自动优化创造了可能。通道功率与OSNR自动优化一般有四种可选的策略：

  - 目标功率与功率平坦度优先策略：给各站点的发送端和接收端设定固定的目标功率，优先将业务波长功率调节至设定目标功率，同时不能超过目标功率的最大偏差和功率平坦度指标约束;

  - OSNR余量与复用段OSNR平坦度优先策略：每个复用段均以OSNR平坦度最优为调节目标，同时需满足每条业务的OSNR余量不低于最低门限要求;

  - OSNR余量与单位比特能耗优先策略：每条业务在满足OSNR余量要求的前提下，以能耗最低为优化目标，可通过调节收发端光模块参数和光路功率来降低设备功耗;

  - 多目标混合优化策略：将多种优化策略中的优化目标按不同权重叠加到一起，形成一个新的混合目标作为优化方向，能够达到多目标平衡的效果。

  光层OAM技术应用

  光层OAM技术在光层业务的开通部署和在线运维阶段均可以发挥重要作用。

  超大容量、灵活业务快速开通部署

  在超大容量、灵活业务的开通部署阶段，由于大容量的光交叉节点连纤关系复杂，人工操作很容易失误，因而需要连纤关系自动发现方法来确认连纤关系和质量。借助光层调顶技术，既可以发现并检验连纤关系，还可以通过调顶检测的光功率来计算连接损耗，可以大大简化开局光纤连接阶段的人工操作与检验环节。

  在完成连纤自动发现需要新建业务时，可以通过光层随路开销来辅助完成光路连通性校验，同时使用光层性能自动优化技术实现光层业务传输性能的快速优化，如可以通过通道内频谱自动均衡技术解决因滤波损伤和通道内功率不平坦引起的光层业务传输性能的劣化问题，通过通道功率与OSNR自动优化技术将光层业务的通道功率与OSNR调至最优状态，如可以选择功率平坦度最优、OSNR平坦度最优或者单位比特能耗最优等优化策略。全光层的性能快速感知与自动优化技术，可以减少跨层协议与信令交互，能够显著提升业务开通部署效率。

  强业务自愈能力的智能在线运维

  智能在线运维要求在不需要人力干预的情况下，系统能够处理网络突发状况，保持客户业务的稳定性。

  当发生光缆老化、弯折、挤压、振动等光层性能劣化事件时，光路损耗发生变化，从而导致光层业务性能劣化，此时，基于光层OAM的快速性能感知单元能够及时发现这一功率和衰减量变化并完成自动优化，维持在线业务的功率水平，保证客户业务的可靠传输。当发生WSS(wavelength selective switch)通道波长指派、衰减量设置等光层业务动态调整事件时，光路频谱不均衡损伤发生变化，从而导致光层业务性能劣化，此时，基于光层OAM的快速性能感知单元能够及时发现这一频谱不均衡损伤的变化并完成频谱自动均衡，维持在线业务的频谱均衡水平，保证客户业务的可靠传输。

  当光层性能劣化到无法达成在线优化目标时，如断纤故障，需要触发业务恢复动作，首先得完成恢复路由的计算，在计算恢复路由时，需要合理避开有性能风险或故障的链路，而光层OAM感知单元在实时感知业务风险或故障的同时，能够快速定位出风险或故障链路位置，刚好能够辅助提升算路的效率和光网络资源的利用率，在业务重路由之后，也能基于光层OAM的快速性能感知和优化机制完成业务的快速恢复，提升客户业务的服务质量。

  技术分析与展望

  调顶技术的随路特性与极致的通道性能检测能力，使其在光层OAM技术的演进中扮演着越来越重要的角色。基于调顶的光层OAM技术当前需要解决物理层的技术难题。主要体现在调顶载频等关键物理层参数的选取上，载频选取过高，受非线性SRS(stimulated raman scattering)影响，调顶信号会对不同波长形成较大串扰，长距传输场景应用受限;载频选取过低，受色散引起的功率衰落影响，调顶信号经过长距离传输后接收灵敏度与功率检测精度均会劣化，需要选取合适的载频，将非线性SRS和色散功率衰落的影响降到最低，并且能同时满足以下应用要求：

  - 满足G.652、G.654和G.655等色散与非线性差异较大的光纤传输场景，需在不同光纤传输场景下达到非线性SRS与色散功率衰落的平衡;

  - 满足200G QPSK、400G QPSK等大波特率业务的长距离传输场景，需解决大波特率业务色散功率衰落严重的问题;

  - 满足C+L扩容需求，需预留足够多的频谱资源用于调顶载频的分配，并保证多载频检测时的高接收灵敏度要求，通常-30dBm以下。

  当前基于调顶技术实现的光层随路开销缺陷主要有两点：

  - 中间节点只能读取调顶信息，不具备改写能力，因而暂时无法自成体系，进而独立实现光纤链路自动发现与快速故障定位等光层OAM基础需求;

  - 在保证不影响主光业务性能的前提下，调顶的速率最多只能做到Kbps量级，因而调顶通道无法承载大带宽低时延类型开销，其应用范围严重受限。

  为了发挥出调顶随路开销在光层OAM中的最大作用，需将其与电层开销、光监控信道OSC等传统开销机制协作，取长补短。而多级开销协同涉及到不同技术特点的多级开销接口的定义及规范，对传统DCN网络架构也会形成较大冲击。当前，我们仍然需要挖掘更多光层OAM开销协同技术的应用，其应用价值与实现代价需要进一步探讨。

  未来光层OAM技术将会朝三个方向演进：

  - 构建更加完善的光层开销体系：光标签技术提供了一种光通道层随路开销传输渠道，为光层开销体系的完善开辟了新的局面，新的光通道层开销的定义将会引入新的光层OAM功能，随着光层开销的不断完善，光层OAM的功能也会日趋成熟。

  - 构建更加快捷的光层感知网络：光标签技术提供了一种板上集成的光通道层性能快速检测方法，高度集成的特点便于其在光网络中广泛部署，随着基于光标签功能的光层感知网络的全面部署，光通道层性能的感知将会变得无时无刻无处不在，海量光层性能数据的采集将会为光层智能化引擎提供更为实时可靠的决策依据。

  - 构建全连接的光层一体化OAM平台，OSC随路开销与光标签随路开销的结合、“OSC+光标签+OPM(optical performance monitoring)+ OTDR(optical time domain reflectometry)”等光检测与随路开销功能的融合，并最终出现硬件集成与芯片定制化的产品形态，整个光层的所有感知与开销功能均统一集成于同一光层OAM功能单元内，而光路上所有的光层OAM功能单元均通过统一的光层随路开销连接到一起，互相之间能够进行实时性能等信息的共享和管控信令的传递，就像一个整体一样，全连接的光层一体化OAM平台必定会将光层智能化提升到一个新的层次。

  综上所述，光层OAM技术是光网络运维的核心，是光层智能化的基础，具有广阔的发展与应用前景。当前仍需要关注光层感知和开销通道的物理实现与部署，在解决物理层实现问题之后，需要进一步考虑光层所有感知与开销功能的融合，赋予光层自主感知、分析、优化的自治能力，最终才能实现真正的光层智能化。

  作者：中兴通讯 吴琼，冯振华