[论文解读] Metropolitan Optical Networks: A Survey on New Architectures and Future Trends

Léia Sousa de Sousa, André C. Drummond|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2022

Advanced Optical Network Technologies被引用 6

一句话总结

本综述对2017年以后新兴的城域光网络（MON）架构进行了全面分析，评估了多层与单层设计在灵活性、可扩展性和成本效益方面的表现。研究指出，灵活的频谱分配是满足动态5G和物联网流量需求的关键演进路径，同时可降低资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）。

ABSTRACT

Metropolitan optical networks are undergoing major transformations to continue being able to provide services that meet the requirements of the applications of the future. The arrival of the $5G$ will expand the possibilities for offering IoT applications, autonomous vehicles, and smart cities services while imposing strong pressure on the physical infrastructure currently implemented, as well as on static traffic engineering techniques that do not respond in an agile way to the dynamic and heterogeneous nature of the upcoming traffic patterns. In order to guarantee the strictest quality of service and quality of experience requirements for users, as well as meeting the providers' objectives of maintaining an acceptable trade-off between cost and performance, new architectures for metropolitan optical networks have been proposed in the literature, with a growing interest starting from $2017$. However, due to the proliferation of a dozen of new architectures in recent years, many questions need to be investigated regarding the planning, implementation, and management of these architectures, before they could be considered for practical application. This work presents a comprehensive survey of the new proposed architectures for metropolitan optical networks. Firstly, the main data transmission systems, equipment involved, and the structural organization of the new metro ecosystems are discussed. The already established and the novel architectures are presented, highlighting its characteristics and application, and comparative analysis among these architectures is carried out identifying the future technological trends. Finally, outstanding research questions are drawn to help direct future research on the field.

研究动机与目标

• 应对日益增长的对敏捷、经济高效且可扩展的城域光网络的需求，以支持对时延敏感的5G和物联网应用。
• 分析静态流量工程和传统架构在处理城域网络中动态、异构流量模式时的局限性。
• 评估新兴的MON架构——包括多层与单层架构——重点关注其可扩展性、灵活性和运营效率。
• 识别关键技术趋势与研究空白，以指导未来MON设计与部署的创新。
• 提供一个基于性能、成本和对未来服务需求适应能力的架构评估比较框架。

提出的方法

• 系统性地分类与分析14种新兴MON架构，包括OTN/DWDM、UDWSN、HnS/WDM、MEON、SIMON、FMN、DuFiNet和Metro-Haul。
• 从结构和物理视角对架构进行分类，强调ROADMs、波分复用器、OXCs和可重构光开关等组件。
• 基于带宽切片、可重构性以及对灵活栅格技术的支持等能力，使用功能对比矩阵评估架构。
• 整合软件定义网络（SDN）、开放网络和分离式光控制的见解，以评估互操作性与管理效率。
• 通过对比分析识别各类架构的共性特征与性能差异，重点关注可扩展性与资源利用率。
• 采用文献综合与趋势分析方法，预测未来发展方向，强调灵活频谱分配与CDC-ROADM的采用。

实验结果

研究问题

• RQ1 新兴MON架构如何应对由5G和物联网应用驱动的动态与异构流量需求？
• RQ2 多层与单层MON架构在性能、成本和可扩展性方面的主要差异是什么？
• RQ3 灵活频谱分配与可重构光组件在多大程度上能够提升城域网络的敏捷性与资源效率？
• RQ4 在下一代MON架构的规划、部署与管理方面，关键的研究空白是什么？
• RQ5 开放、分离式与SDN增强型架构在多大程度上有助于降低城域光网络的CAPEX与OPEX？

主要发现

• 灵活频谱分配技术被确定为未来城域光网络发展的必要且最具前景的演进路径。
• 基于CDC-ROADMs（无色、无方向、无阻塞）和WSS的交换架构展现出卓越的可扩展性与动态配置能力。
• MEON（城域弹性光网络）与DuFiNet在频谱效率方面表现优异，并支持按需动态带宽分配，这对5G和边缘服务至关重要。
• 无滤波器与半无滤波器架构可降低设备成本，但长期可能增加转接器成本，需进行仔细的权衡分析。
• SDN与开源控制平面的集成可实现更敏捷、可编程且成本更低的网络管理，适用于异构厂商设备。
• 分离式、开放化与虚拟化的MON架构（如MOMC、PASSION）在支持网络切片与服务功能虚拟化方面展现出强大潜力，适用于未来城域网络。