北邮张杰：强算降碳需求下，光通信绿色底座的“天赋”

Ldquo由C114协办，2022中国光通信高质量发展论坛最后北京邮电大学电子工程学院执行院长Jason发表了强碳减排需求下的光网络新机遇:主旨演讲。

杰森表示，数字经济的核心需求在于计算能力，而计算能力供给的增长需要付出代价，其中最突出的就是ICT产业不断增加的能源消耗在强计算和减碳的需求下，光通信技术是支撑全时全球互联的绿色基础光网络的应用除了促进ICT系统本身的节能需求，还可以赋能其他行业进行数字减碳

数字经济催生对强大计算和碳减排的新需求

目前，数字经济已经成为继农业经济和工业经济之后的主要经济形态是以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用和全要素数字化转型为重要驱动力，促进公平与效率更加统一的新经济形态

数字经济的核心需求在于计算能力，即信息系统的计算能力Jason指出，数字经济活跃，计算需求迫切的中国东部地区，正面临着能源，土地等资源的压力，难以持续大规模发展数据中心等计算基础设施为有效解决我国东西部计算资源供需不平衡问题，国家于2022年2月推出数东数西工程，通过构建集数据中心，云计算，大数据于一体的新型计算网络体系，将东部的计算需求有序引导到西部，优化数据中心建设布局，促进东西部协同发展

伴随着数字经济的高质量发展，能耗问题也十分突出Jason指出，计算能力供给的增长需要付出代价，最突出的一点就是ICT行业不断增加的能源消耗据统计，2020年全球ICT行业用电量将占全社会用电量的5—6%左右大量用电的背后，本质上是碳排放的问题而光网络可以是带宽转换力提高分布式计算的性能除了增加数据中心之间的互连带宽规模，光通信技术的发展还可以对提高数据节点的计算能力水平起到积极的作用一方面，利用大容量，低延迟的特点，光通信网络可以支持广泛分布的计算资源的协同运行，进而释放计算设施的服务能力，另一方面，新型光计算技术可以提供低能耗，高质量的计算资源，有望在特殊计算业务场景中实现大规模应用

另外，在光网络中引入冷光而不是Rdquo，可以帮助双碳实现目标据杰森介绍，为应对全球气温上升，中国已提出力争2030年二氧化碳排放达到峰值，2060年实现碳中和公开数据显示，2020年ICT行业的碳排放量将占全社会总排放量的2%左右根据国际电信联盟的建议，ICT行业需要在2030年前将碳排放量减少45%，以达到巴黎气候协定的目标但是目前的碳排放水平离这个目标还很远，可以说是还有很长的路要走，

网络内生光的三大绿色能效优势

光通信的现状，职责接入+传输+交换=光层组网在杰森看来，与无线，铜缆，IP等技术相比，光网络本身具有内生的天然优势和节能减碳的

在接入方面，基于PON的光接入系统的能效比传统接入方式可提高50%以上，在传输方面，基于OTN/OXC的光传输网络与IP骨干网相比，在能耗方面也有显著优势在交换方面，光电路交换的能耗水平是传统电分组交换的1%左右，优势尤为明显

第一，从电交换到光交换，降低数据中心的能耗水平围绕数据中心交换，传统电气交换设备的能耗占数据中心网络设备能耗的40%，并且伴随着交换速率的增加呈非线性增加，这将对未来数据中心网络的能耗构成巨大挑战为了解决这样的问题，业界对光快速交换技术进行了几十年的研究，取得了很大的进展最新的光交换技术将交换重构时延从毫秒级降低到亚纳秒级，非常接近电分组交换的性能，但1Gbps的交换功率只有1—2mW伴随着快速光交换技术的成熟，未来光交换系统在数据中心网络中的份额将快速增长，为数据中心网络节能做出重大贡献

第二，从分组到OSU单元，有助于数据传输高效节能在骨干网中，目前的光传输技术主要是提供大容量的数据传输管道来实现长距离的数据传输，而与业务相关的连接和交换工作仍然由上层的IP路由器来完成伴随着互联网流量和连接数的增加，骨干网络中与IP路由器相关的能耗问题尤为突出为了应对这一挑战，光服务单元技术正在推动光传输网络从面向管道服务的模式向面向业务服务的模式发展与传统的OTN技术相比，光业务网络技术的带宽更小，可以达到2M水平，并且具有无损调整的能力未来网络的连接规模将大大扩展，同时业务连接的范围将从骨干网扩展到网络边缘，从而降低IP路由器的交换要求和传输网络的能耗

第三，光进铜退，实现宽带接入的节能减碳目标在接入网方面，由于无源性带来的低能耗的明显优势，PON已经广泛应用于网络边缘的宽带接入场景据统计，2018年中国FTTH/B接入普及率已达80.1%，宽带接入呈现明显进铜退趋势PON FTTH/B场景的大规模应用为接入网领域的节能减排做出了重要贡献此外，工业PON技术还延伸和拓展了工业领域新的应用场景2020年，中国工业互联网产业联盟发布工业PON 2.0白皮书，规范了PON在工业领域的应用需求预计未来PON技术将凭借其低时延，高可靠性的优势应用于工业互联网，进一步降低工业领域信息访问的能耗水平

赋能行业中的低碳应用

除了推动ICT系统本身的节能需求，Jason认为光网络的应用还可以赋能其他行业数字化减碳光通信技术有潜力减少新ICT基础设施周围的碳:首先，光网络可以与电力系统合作，如数东数西在项目中，大容量，高可靠性的光纤网络使数据中心伴随着电力生产设施的分布而优化，一方面可以增加清洁能源的使用比例，另一方面可以实现信息传输和电能传输的替代，减少远距离电能传输的损耗第二，光网络还可以和计算力系统协同工作例如，在计算力网络中，大容量低时延的光通信基础设施可以提高数据中心的跨域协作能力，充分利用闲置的计算力设施，同时支持计算力与网络的联合服务，提高端到端的服务质量，间接实现ICT系统的碳减排

比如电力行业就是典型的高碳排放行业，光网也可以助力电力系统的绿色发展杰森表示，据统计，2021年，全球电力系统碳排放量将约为120亿吨，占全球温室气体排放量的近1/3可是，电力系统的能源效率只有1/3左右，这意味着仅电力行业的能源浪费就占全球碳排放的2/9这些能源浪费主要发生在三个环节:mdash电力生产，输配电和用电其中，超过50%的能源浪费在电力生产中，而超过5%的能源浪费在输配电中如果这两个环节能提高8%的效率，省下来的电就相当于全世界钢铁生产，照明，烹饪用电的总和可见，电网的碳排放有相当大的优化空间

伴随着智能电网技术的发展，电力系统正在改变传统的现状，能源仓库敬数字互连系统，发展Jason指出，在需求方面，数字技术使得电力消费者的需求越来越灵活通过实时需求响应和需求聚合，终端消费者可以成为能源市场的直接参与者，并帮助电力系统实现更有效的供需平衡在供应方面，数字技术正在推动能源供应从集中式向分布式转变依靠可靠的网络互联系统，分布式发电商可以成为电力市场的重要参与者，提高分布式能源的效率

光网络是智能电网信息系统的重要基础设施，为智能电网分布式生产者和消费者之间的低延迟，高可靠性控制需求提供了重要的通信保障Jason介绍了光通信技术在智能电网中的应用

光通信技术在智能电网中的第一个应用是将OTN技术用于远距离输电和负荷分配控制系统在智能电网中，伴随着分布式小发电商和新型电力用户的参与，输配电网络将面临复杂的供需控制，控制系统的及时性和可靠性将直接影响电力的输配效率凭借专属管道优势，OTN技术可以提供高可靠性的确定性网络连接，提高负荷控制系统稳定性，支持高精度需求响应，从而降低输配电过程损耗

光通信技术在智能电网的第二个应用是:PON用于新能源并网负荷控制系统国家引导新能源并网政策出台后，电网将面临越来越多的分布式新能源并网需求由于新能源电力受自然环境影响强烈，其供电水平往往波动频繁，对电网的平衡控制和差动保护提出严峻挑战，进而影响新能源并网效率基于其信道的确定性特点，PON技术可以为新能源电站的并网控制系统提供低延迟，高稳定性的网络连接，进而有效协调电力生产，消费和存储设施，容纳更高份额的可再生能源并网

除了电力行业，光通信技术还可以帮助其他传统行业进行数字化转型，以信息化的形式促进减碳减排据估计，ICT可以赋能其他行业，在2030年将全球二氧化碳排放量减少20%，并将排放量恢复到2015年的水平

探索新的节能技术和减碳应用，促进低碳未来。

虽然具有内生绿色能效的优势和帮助行业减碳的潜力，但这并不是光网发展的终点杰森认为，光网络技术将推动低碳未来，未来光网络将继续探索新的节能技术和减碳应用

Jason进一步指出，首先，未来光网络的节能技术可以从以下四个方面进行探索:器件和设备，低能耗光器件和系统的研究，设备休眠和按需激活机制，高效散热管理辅助系统和组件能耗监测和报告功能，在网络架构方面，研究了IP和光网络的深度融合，能耗感知的网络和服务模型，以及能耗的管控架构和协议在网络管控方面，研究设备休眠和动态扩容管理技术，高效资源分配和流量疏导技术，智能故障诊断和冗余管理技术等基于人工智能的优化策略，在用户行为方面，我们发布用户服务效率指标，比如流千瓦时/小时，开放低碳服务用户界面

同时，Jason认为，应用光网络辅助其他行业节能减排可以从以下四个方面进行尝试:mdash在制造业，光网络可以支持数字孪生，数字供应链和基于云的机器控制在智慧能源方面，光网络可以支持智能电网，电表，安全监控和大数据能源管理等在智能家居中，光网络可以支持家庭自动化，安全和能源管理，可穿戴健康设备管理等在智能交通方面，光网络可以支持智能交通管理系统，自动驾驶，智能路径规划等

面向未来，Jason表示，在强计算和减碳的需求下，光网络将处于理论，技术和应用现状，实现三维全面发展基础理论方面，会遵循光学传感器，光学连接，光存储，现在轻从四个方面探索计算能力强，能耗低的一般意义上是整合理论，在技术方面，我们将探索光网络服务于强计算需求的现状，自主，安全而绿色技术能力，在应用方面，将研究光网络在传统行业数字化进程中的应用，以数字化赋能其他行业减碳