《中国电信全光网2.0技术白皮书》学习笔记--PART1

Stanleyfangyu

   2021-11-11：

中国电信集团企业科技委主任韦乐平正式发布了《中国电信全光网2.0技术白皮书》。

韦乐平表示，中国电信始终坚持“云改数转”战略，率先提出“全光网”理念，持续深耕细作，又率先建成一二干融合的基于可重构光分插复用（ROADM）技术的骨干全光交换网络、覆盖全国主要城市和重要互联网数据中心（IDC）的端到端全光传输网络、覆盖城乡的光纤到户（FTTH）全光接入网络，为经济社会高质量发展构建坚实的网络基础。“全光网”已经成为中国电信云网基础设施能力和自主可控科技创新的一张亮丽的名片。

《中国电信全光网2.0技术白皮书》全面阐述中国电信全光网的概念和愿景，提出全光网目标技术架构和六大特征，以及两阶段演进策略，分析支撑全光网持续发展的重点技术创新方向，并先容中国电信在相关领域技术创新和网络发展的重要举措。

2.全光网的概念和愿景2.1  背景和需求

• 网络架构方面，要满足云网融合趋势下以云为核心，云网一体的新型网络架构要求；
• 网络技术方面，要研究：
  
  

              高速、大容量、低成本、安全可靠的信息传输，

              高品质、低时延、绿色低碳的信息交换，

              泛在、全场景、大带宽的信息接入，

              支撑灵活颗粒的高效确定性业务承载

              面向云网融合的高品质入云和云间传输等技术；

• 网络运营方面，要通过自动化、智能化和数字化等方向的技术创新，赋能全光网络以智慧运营能力。
  
  

2.2 概念和历程

从1.0到2.0

持续引领行业前行

全光网是光网络技术发展到一定阶段的产物。在中国，“全光网”概念首次出现在2008年左右，随着光纤接入技术和软交换技术的普及，电话和宽带网络在接入层采用光纤替代铜线，即“光进铜退”。彼时，以WDM为代表的全光传输技术已在骨干网普及。

后来将那个时期的全光网定义为全光网1.0，核心特征是骨干网以WDM技术为核心的全光传输和城域/本地网以FTTx 技术为核心的全光接入。2011年2 月16日，中国电信正式启动“宽带中国•光网城市”行动，2017 年实现了既定目标，FTTH 和百兆入户的比例均超过90%，标志着全光网1.0的实现。

“全光网2.0”概念是中国电信于2017年上首次提出，指出当传输和接入都实现光纤化，交换层也引入ROADM等全光交换技术后才能构成严格意义上的全光网。同一年，中国电信建成长江中下游区域ROADM骨干网络，标志着“全光网2.0”新时代的开启。2018 年，中国电信在OFC大会报告（Plenary Speech）上首次明确全光网2.0的主要特征，包括依托ROADM 设备、100G/超100G相干传输技术、智能波长交换光网络（WSON）控制平面和一跳直达全光架构实现 波长级全光调度、分钟级业务发放、秒级恢复和毫秒级时延。

此后，“全光网2.0”概念逐渐被业界接受，内涵也不断丰富。到2021年，中国电信已建成一张覆盖全国除港澳台外所有省级行政区的一二干融合的基于ROADM技术的骨干全光交换网络，覆盖了近200个城市和多数大型数据中心，包括440多个ROADM节点和1600多个光放大（OA）节点，标志着全光网2.0在骨干网层面进入稳步发展阶段。

2.3 价值和愿景

全光网2.0 在新的形势下，

首先要夯实“带宽基石”的基本定位，进一步挖掘光纤的带宽潜力，满足网络流量持续增长的需求：

• 全光传输技术在骨干网需要进一步提高速率、扩展频谱和延长无电中继传输距离，在城域网则需要进一步降低成本和将WDM 技术推进到网络边缘层；
• 全光交换技术需要进一步提升ROADM 的组网范围和规模、加快故障恢复时间和提高恢复成功率；
• 全光接入技术在进一步提升接入速率、降低成本的同时，要与行业应用加强结合，将全光网技术优势赋能给行业客户。
  
  

其次要应对新形势带来的新需求，加强科研创新和自主可控，提升用户体验：

• 通过网络架构创新和新技术引入，在保证安全性和以光传送网（OTN）为基础的高品质、低时延业务承载优势的基础上，进一步提升业务颗粒和服务质量（QoS）的灵活性和多样性；
• 通过新一代云网运营系统和开放解耦新技术，解决多厂商网络设备统一运营的难题，探索面向云网融合和云边协同场景的新型设备形态，进一步提升数字化智慧运营能力；
• 通过全光网技术在单位比特信息处理方面的明显能耗优势，帮助中国电信降低网络能耗强度，助力实现“双碳”承诺目标。
  
  

三化：“全光网2.0”的发展愿景

全光网2.0的发展愿景可概括为架构扁平化、网络全光化、运营智慧化“三化”：

网络架构扁平化是全光网2.0架构的核心，有利于实现全光直达、降低时延和功耗、简化电层复杂度。架构扁平化的总体目标是从目前国干、省干、城域、接入等三到四层架构逐步向“骨干+城域”两层架构演进：

• 在骨干网，架构扁平化的具体体现是一二干融合；

• 在城域网，架构扁平化的具体体现是全光网到边缘，网络层次由“城域+接入”向一张全覆盖的单层架构城域全光网演进。

  
  

网络全光化是全光网2.0技术的方向，目标是光网络在传输、接入全光化的基础上，实现交换路由全光化。传输、接入、交换路由都尽可能在光域端到端实现；未来全光网技术和应用范围还将进一步延伸和发展。

运营智慧化是全光网2.0自主可控的关键，目标是自主掌控全光网端到端的自动化和智能化运营能力，支撑云网业务的高质量发展。引入SDN等新架构新技术，定义能力开放接口和统一信息模型；探索开放解耦光网络新架构的应用，实现对网元设备的统一管理和业务调度。

3. 全光网2.0 目标技术架构3.1. 全光网2.0 总体目标技术架构

全光目标技术架构六大基本特征

为达成中国电信全光网2.0 提出的架构扁平化、网络全光化和运营智慧化“三化”愿景，满足云网融合发展趋势下的业务需求，需要引入一系列新技术和组网、设备和运营层面的创新，白皮书认为全光网2.0目标技术架构应该具备如下六大基本特征：

	优势	创新技术	全光网2.0发展趋势
安全可靠的大容量全光传输（全光传输）	高速率、 大容量、 高安全、 高可靠	新型光纤、 扩展波段、 新型调制格式、 新型放大器 入侵检测、物理层加密等安全技术	全光传输将从骨干网向城域网延伸： 骨干网需要进一步提高速率、扩展频谱和延长无电中继传输距离， 城域网则需要进一步降低成本和将WDM 技术推进到网络边缘层。
绿色低碳的低时延全光交换（全光交换）	能耗更低、 空间更小、 成本更低、 低时延	通过AI 和 数字信号处理（DSP）算法结合等技术实现精确匹配，以最低功耗满足全光传输的业务和性能要求。	进一步提升ROADM 的组网范围和规模、加快故障恢复时间和提高恢复成功率： 降低全光网关键器件的复杂度和成本使之适应城域网应用
泛在超宽的全场景全光接入（全光接入）		2H场景：基于PON的FTTH-->FTTR-->FTTD 2B场景：工业PON、OSU 固移融合场景： 新型光模块结构、O 波段WDM、光载无线（RoF）等新型传输技术，满足5G-->6G	进一步提升接入速率、降低成本的同时，要与行业应用加强结合，将全光网技术优势赋能给行业客户： 扩展到面向企业（2B） 场景； 并拓展固移融合新应用
灵活高效的确定性业务承载（全光承载）	确定性业务承载； 大带宽基础设施	OTN/DWDM：提升OTN 业务多样性和灵活性、提升ROADM 故障恢复成功率和恢复速度 工业PON： 增强对各种工业协议和边缘计算的支撑	进一步提升业务颗粒和服务质量（QoS）的灵活性和多样性
自动智能的数字化智慧运营（全光智治）		大数据分析、 数字孪生 AI 技术	自动化、智能化和提高运营效率
云网融合的开放性全光网络（全光云网）		面向云网融合和云边协同场景的新型设备形态； 大数据和AI 技术进一步提高“IP+光”协同的效益	云网一体，数据中心与通信机房在物理上逐渐合二为一； 新一代云网运营系统实现云网基础设施的统一管理和跨专业网络的采集控制

安全可靠的大容量全光传输（全光传输）：

高速率、大容量、高安全、高可靠的全光传输始终是全光网的基础性技术，持续降低单位比特公里传输成本是全光传输技术发展的重要使命。

1） 全光网2.0 时代，全光传输将从骨干网向城域网延伸，并引入一系列新技术，如新型光纤、扩展波段、新型调制格式、新型放大器等。

2） 安全性是全光网的另一大优势，以光纤为介质的全光传输技术具有不易被窃听的天然安全优势，还可以研究引入入侵检测、物理层加密等技术，不断增强安全性。

绿色低碳的低时延全光交换（全光交换）：

全光交换是引领全光网发展到 2.0 时代的标志性技术。全光网技术在单位比特公里传输能耗和单位比特交换能耗方面相对于无线传输和电域交换技术有着数量级的优势，尤其是全光接入网元数量大，节能效果十分明显。

1）根据中国电信实际网络统计，与链状密集波分复用（DWDM）系统相比，ROADM 全光交换网可降低大约50%的能耗和机房空间、节约大约30%的成本。未来还可以通过AI 和数字信号处理（DSP）算法结合等技术实现精确匹配，以最低功耗满足全光传输的业务和性能要求，推进全光网发展是中国电信践行“双碳”目标的重要举措。

2）低时延是全光网的另一大优势，全光交换和放大的纳秒级时延相对于电域交换和再生的微秒级时延有着三个数量级的降低。

目前以ROADM 为代表的全光波长交换技术已经在骨干网普及，须降低全光网关键器件的复杂度和成本使之适应城域网应用，带动全光网进入发展新阶段。

泛在超宽的全场景全光接入（全光接入）：

全光接入是促进全光网普及的重要抓手，在全光网2.0时代全光接入发展目标是将面向家庭（2H）场景的成功扩展到面向企业（2B） 场景并拓展固移融合新应用。

1）在2H 场景：

• 基于无源光网络（PON）的FTTH 进一步深入耕耘，提高速率，将覆盖范围从家庭向房间和桌面延伸。
  
  

2）在2B 场景：

• PON 技术结合行业应用发挥带宽和抗干扰等优势，拓展工业PON 等新应用；
• 新型接入型OTN 设备引入光业务单元（OSU）等新技术，承载政企专线、专网业务和高品质入云业务。
  
  

3）在固移融合场景，研究新型光模块结构、O 波段WDM、光载无线（RoF）等新型传输技术，满足5G 和未来6G 发展需求。

灵活高效的确定性业务承载（全光承载）：

基于光纤的恒参信道和巨大频谱优势，确定性业务承载和大带宽基础设施是全光网的两大基础功能定位。

1）  OTN和ROADM天然具备不同颗粒等级的光切片能力，是全光网 2.0 提供子波长和波长级业务的技术基础，为云间、入云、政企和垂直行业等业务提供多种QoS等级的高确定性、低时延承载服务，未来需要在提升OTN 业务多样性和灵活性、提升ROADM 故障恢复成功率和恢复速度等方面开展创新。

2） 工业PON 技术基于光纤介质的大带宽和抗电磁干扰优势，增强对各种工业协议和边缘计算的支撑，是通信技术（CT）与运营技术（OT）融合的产物，目前已经发展到2.0 阶段，是工业制造行业网络发展的重要方向。

自动智能的数字化智慧运营（全光智治）：

自动化、智能化和提高运营效率是全光网 2.0 的内在禀赋，也是中国电信的核心科技创新目标之一。

1)  在新一代云网运营系统框架下，全光网2.0 将基于SDN 理念引入控制器实现对边缘层光网络设备的直接管控，并规范厂商网管北向接口实现骨干层设备的统一调度，形成“骨干+城域”端到端管理下的自动配置调度、完整性能采集分析、能力开放客户化服务的智慧运营能力。

2)  研究引入大数据分析、数字孪生和AI 等新技术提升全光网2.0 数字化智慧运营水平。

云网融合的开放性全光网络（全光云网）：

云网融合是全光网 2.0 发展的重要外部驱动力。网随云动，全光网络的架构要跟随云网融合的目标而变化，架构向两层扁平化架构演进。

1) 云网一体，数据中心与通信机房在物理上逐渐合二为一，信息技术（IT）设备和CT 设备从统一部署开始，未来可能实现设备级融合。

2) 随着新一代云网运营系统实现了云网基础设施的统一管理和跨专业网络的采集控制，全光网2.0 具备了支撑云网协同的端到端全光直达和一站式业务调度的能力，为“IP+光”跨专业网络协同奠定了基础，大数据和AI 技术的引入将进一步提高“IP+光”协同的效益。

3) 网络开放是全光网云化的重要前提，也是实现全光网智慧运营的基础。

                                                             图 3 全光网2.0 目标网络架构图

全光网2.0 的架构扁平化的总体目标是从目前国干、省干、城域、接入等三到四个层次简化为“骨干+城域”两个层次。

      骨干全光网包含骨干节点和城域核心枢纽节点，通过一二干融合，简化原来的国干和省干两个层级，变成一张扁平的全光骨干网，组网拓扑以网状（Mesh）网为主，辅以少量的线形网。

      城域全光网包含了城域核心、汇聚、接入等范围：

          对于2B 业务，城域全光网向政企客户和移动基站延伸，形成一张全面融合的城域全光网；

          对于面向消费者（2C）/2H 业务，在层次结构上还可以包含相对独立的接入全光网。

      城域全光网

•            核心层组网拓扑以网状网为主，
•            汇聚层组网拓扑以环形为主，
•            综合业务接入区和乡镇机房往下的接入层则以星形和树形拓扑为主。
  
  

         此外，云网融合新形势下数据中心的重要性凸显，数据中心之间需要超高速、超低时延的直达互联全光连接，对全光网架构、技术和设备形态将带来重要影响，因此白皮书将数据中心互连（DCI）全光网作为一层虚拟网络层次结构进行单独描述。DCI 全光网的具体实现依托骨干全光网和城域全光网，可能出现跨越两层网络的直达连接。

         依托新一代云网运营系统实现骨干和城域全光网的管控，通过统一数据模型实现数据共享，统一采集控制解决数据分散问题，根据网络层级的不同采用分层管理和直控网元相结合的方式，最终实现全光网设备的统一管控和业务的端到端一站式运营。

3.2. 骨干全光网目标技术架构

中国电信的骨干全光网还包含国际骨干全光网络。国际骨干全光网，特别是在新建的海缆中，普遍采用开放线路系统（Open Cable）架构来提升频谱使用率，并在部分有条件的海缆中引入C+L 波段以扩展传输频谱带宽。目前部分区域内已部署单波100Gb/s 和200Gb/s混传的ROADM 网络，拟适时启动单波400Gb/s 速率的ROADM 新平面。为更好适配境外非自有波道资源的场景，采用独立式OTN 实现其与WDM 系统的解耦。拟推进国际OTN 二平面部署，形成OTN网络双平面。为应对日趋严格的境外网络信息安全法规和管理要求，将推动国际光网络的分域管理，推动新一代云网运营系统在国际光网络中的部署应用，最终目标是基于跨厂商的超级控制器实现不同域网络之间的业务智能调度。

3.3. 城域全光网目标技术架构
3.4. 接入全光网目标技术架构
3.5. DCI 全光网目标技术架构

	目标架构	发展重点	创新技术基础
骨干全光网	“多层+分域”的扁平化结构	全面实现一二干融合，持续优化传输时延，并规模部署大有效面积超低损耗G.654E 光纤光缆	1、新型光纤技术： 引入G.654E 等新型光纤，提升光信噪比（OSNR）等传输性能，进一步减少电中继数量。 2、高速大容量超长距全光传输技术： 通过高波特率光电器件、概率星座图整形、超强前向纠错（FEC）等技术，实现单波长速率400Gb/s 及以上的超长距传输； 扩展C 和L 波段传输频谱范围，实现传输容量与单波速率同步增长。 3、基于ROADM 的全光交换技术： 引入高维度波长选择开关（WSS）、光背板等新技术，同步支撑单波长400Gb/s 和扩展C 和 L波段，支撑高速直达ROADM 平面建设。 4、集中与分布结合的WSON 技术： 提升WSON 组网能力，引入集中式算路机制避免资源竞争导致多次重路由回退等问题； 研究引入快速波长转换单元（OTU）波长调谐和WSS 快速倒换技术，实现可承诺的更短故障恢复时间。 5、支撑多厂商超级控制器技术： 基于每个域各厂商网管（控制器）和标准化北向接口实现跨域和跨层间的ROADM 端到端业务开通、调度和动态恢复，实现智慧化运营。
城域全光网	将城域WDM网络和政企OTN网 络稳定覆盖到城域边缘层的综合业务接入节点，实现对移动、家宽、政企、入云/云间等业务的融合承载。		1、低成本城域WDM 传输技术和新型设备形态： 低成本是WDM下沉到边缘的前提，适应云网融合、符合开放光网络架构的新型城域 WDM 设备是发展趋势，可以从器件、模块和新型设备形态等多个维度实现成本优化。 2、M-OTN/OSU 技术和标准体系： 基于OSU 的M-OTN 可以支撑小带宽颗粒多业务承载，该新技术的落地应用尚需要标准体系的完善和支撑。 3、开放解耦的新型网络架构： 采用开放解耦的网络架构和设备形态，中国电信自主掌控控制器，合作研发灰盒设备，增强自主运营能力，并以此为基础引入更多的智慧化运营功能。
接入全光网			1、大带宽接入技术： 构建以10G PON 为基础的千兆光网，积极试验和探索引入50G PON 技术，提升2H 的接入带宽。 研究O 波段WDM 技术在移动前传等场景的应用，进一步提升城域接入层带宽。 2、工业PON 技术： 面向工业和行业应用的业务需求，在确定性传输、工业协议/接口、边缘计算、网络切片、网络保护和网络安全等技术支撑下，工业PON 技术不断扩展着应用范围。 3、智能管控技术： 采用直控网元模式，利用接入型OTN 统一管控系统（UMS）控制器代替厂商网管，实现多厂商接入型OTN 的统一管控； 基于SDN 的PON 网络支撑通过层次化网络YANG 模型，采用网络配置协议（NETCONF）接口对设备进行管控。
DCI 全光网			1、“IP+光”协同： 硅光和DSP 技术的发展催生了可插拔相干光模块，目前在较短距离范围已经可以通过光纤直连的方式连接交换机或路由器，或者多波长经合分波器件耦合后经同一根光纤传输， “IP+光”协同具备了物理基础。新一代云网运营系统可以打破不同专业之间的烟囱壁垒，将传统网管垂直分专业建设和运营的模式，转向采集和控制层水平建设运营，为“IP+光”协同管控奠定架构基础。 2、ZR 和ZR+： ZR 和ZR+光模块是最近这些年业界研究的热点，它们可以降低高带宽DCI 的成本和复杂性，并可实现不同厂商光模块之间的互操作性，是城域/区域DCI 的一种理想选择。 3、设备内部光电融合技术： 包括板上光模块（OBO）、邻近封装光模块（NPO）、光电合封（CPO）、光电单片集成（OEIC）等。

4. 全光网2.0 分阶段演进策略

分步演进：2025年基本成型 2030年稳定成熟

中国电信“全光网2.0”将采用分步骤演进方式，并设置了2025和2030两个关键时间节点。

到2025年的发展目标是基本成型：

到2030年的发展目标是稳定成熟，形成一张架构稳定、全网覆盖、低碳节能、行业领先的全光网络：

	2025	2030
骨干全光网：	一二干融合光缆网络覆盖全国，2000年以前建成的干线光缆基本完成替换，保证光缆网络质量。 ROADM网络继续按需扩容补点，扩大覆盖范围。 政企OTN网络覆盖全国所有本地网，根据业务发展，启动第二平面建设。	一二干融合光缆网络覆盖全国，2000 年以前建成的干线光缆全部完成替换，保证光缆网络质量。G.654E干线光缆争取覆盖到全国骨干网。 在新建超高速 ROADM 平面上进一步优化波长快速调谐技术和快速交换技术。 骨干全光传输全面进入400Gb/s 时代，新建骨干DWDM传输系统全部采用单波长400Gb/s乃至更高的速率。
城域全光网：	加速 WDM/OTN 技术向城域网边缘下沉，城域网架构进一步扁平化，城域全光网覆盖60%本地网。 城域 OTN 网络覆盖全国所有本地网，核心汇聚点全覆盖，接入汇聚点覆盖率达到 90%以上，全面替代同步数字体系（SDH）网络业务	全面实现WDM/OTN技术向城域网边缘的下沉，实现城域全光网的扁平化，覆盖90%以上的本地网。 城域OTN/M-OTN网络在全国所有本地网中实现接入汇聚和城域核心汇聚节点的全覆盖。
接入全光网：	以10G PON技术为基础的千兆光网实现重点乡镇及以上区域的覆盖。 推进农村网络升级，基本建成全面覆盖城市地区和有条件乡镇的双千兆网络基础设施。	全网建成以10G PON技术为基础的千兆光网，千兆城市达到 50%以上，全面覆盖双千兆网络基础设施，50G PON 规模应用。
DCI全光网：	覆盖骨干、城域甚至部分接入层，用于连接天翼云、省核心云和CT云等电信自有数据中心和客户的IDC数据中心。 DCI全光网全面进入400Gb/s 时代。	开始引入800Gb/s速率，进一步降低单位比特公里传输成本。 城域DCI全光网探索频谱出租方案，支撑第三方波长的传输和管理。 面向云边协同，研究探索信息与通信技术（ICT）融合、多专业融合的一体化边缘云网设备形态，支撑多接入边缘计算（MEC）等应用场景的云边互联应用需求。