光传送网的核心——光交叉连接

摘要：最近几年，光网络技术发展日新月异，光交叉连接（OXC）作为光网络层的核心设备在经过一系列的现场试验后，技术日趋成熟，已能看到实用化的曙光。本文主要从系统设备、器件、OXC恢复、光网络的管理以及未来的发展几方面谈谈自己的看法。

关键词：光传送网光交叉连接光分插复用恢复算法

1、OXC系统设备

　　OXC是WDM光传送网（OTN）的核心技术，也是近几年光传送网研究中的热点，据LIGHTWAVE报道，国际上一些知名大公司如：ALCATEL、CIENA、QTERA、SIEMENS、TELLIUM、CISCO等均推出了各具特色的OXC或波长路由产品，近来一些大型国际通信展上也经常可以见到其展览设备。

　　在OXC研究方面，国内起步较晚，前几年主要由几所著名高校（清华、北大、上海交大、北邮）在国家“863”计划和国家自然科学基金的资助下在这方面进行了一些开创性的工作，取得了一些阶段性的研究成果，积累了一些经验。近两年，国家“863”计划启动中国高速信息示范网（CAINONET）项目，国内几家大的通信设备制造厂家（如烽火、大唐、中兴等）积极开展OXC、OADM设备研制，极大地提高了我国光交叉连接设备（OXC）的研究水平。通过现场联试和试验，在系统与网络间的兼容性、设备的互操作性、OXC设备的级联特性、系统的保护恢复能力、组网通力、网络管理等方面取得了不少成功的经验，极大地缩短了与国际水平的差距。

（1）OXC设备分类

　　就OXC设备而言，目前主要有以下三种：一种是基于光纤级的交叉连接（FXC），我们可以理解为具有交叉能力的光配线架（ODF），或称为智能光配线架，是OXC的初级阶段，有一定市场需求，缺点是设备本身独立组网能力差。另两种是基于波长级交叉的OXC，根据应用场合的不同分为波长选择性交叉连接（WSXC）和波长可交换交叉连接（WIXC）。WIXC主要针对骨干网应用，承载业务一般是STM-16/OC-48或STM-64/OC-192甚至STM-256/OC-768，节点内使用O/E/O波长转换器，以实现大容量、长距离传输，交叉矩阵既可以由光交叉完成，也可用电交叉实现，特别是随着半导体技术的发展，电交叉芯片规模越来越大（目前单片可达160Gbit/s，交叉颗粒更小），而光交叉由于受技术、成本等因素的制约，基于电交叉的OXC也会有一定的发展空间。WIXC的优点是技术成熟，性能有保证，可以实现严格无阻塞的波长交换，可实现波长重用，提供虚波长路由（VWP），缺点是系统透明性较差、由于大量使用O/E/O波长转换器，价格昂贵，但在目前情况下，仍不失为一种比较实际的解决方案。另一种是基于本地网或城域网应用的波长选择性交叉连接设备（WSXC），节点内一般不使用或部分使用O/E/O波长转换器，以兼容多速率、多业务，节点内光交叉矩阵可由若干个较小规模的光开关构成，在目前大规模的光交叉矩阵技术未完全成熟、价格太高的情况下，WSXC更具有现实意义。需要注意的是，在由WSXC或OADM组成的光网络中，要禁止产生波长环路，以免引起自激，造成系统不稳定；而OXC将来的发展方向是支持全业务的透明全光网，这有赖于全光波长转换和全光3R再生的实用化。表1是WIXC和WSXC比较。

表1 WIXC和WSXC比较
项目 WSXC WIXC
透明性好不好
光通道波长路由(WP) 虚波长路由(VWP)
阻塞特性可重构无阻塞严格无阻塞
性能与传输距离和所经过有保证
的节点数有关
光信道功率均衡需要，光层实现可通过调整O/E/O输出
光功率实现
成本阶段较低高
适应场合本地网或城域网骨干网

（2）OXC设备的主要功能、特点

　　基于OXC、OADM构成的光传送网，可以在光域上实现高速信息的传输、交换和故障恢复，具有结构简单、可靠性高、透明性好等突出优点。尤其是OXC设备，通过对指定波长进行交叉互连，使得OXC在WDM全光网络中更具应用价值。在发生光纤中断或节点失效时，OXC能够自动完成故障隔离、路由重选等操作，使业务不致不断，当业务发展需要对网络结构进行调整时，OXC可以简单地完成网络的升级和调度。目前OXC主要提供如下功能。

　　·光层的保护和恢复，包括环网/格状网（RING/MESH）的保护和恢复；

　　·端到端光通道业务的指配（网络级交叉）；

　　·网络优化和恢复算法；

　　·动态带宽管理，按需分配带宽；

　　·多种业务接入能力；

　　·光信道自动均衡；

　　·色散管理；

　　·光传送网OCH/OMS/OTS三层模型的网络管理系统，具备业务管理能力；

　　·兼顾骨干网、城域网、本地网应用。

（3）主要技术难点

　　目前OXC设备研制中碰到的主要难点有以下几点：一是如何解决系统透明性与长距离传输的矛盾，虽然目前可以通过采用拉曼（RAMAN）光放大技术和前向纠错编码技术（FEC）延伸传输距离，但根本出路还在于全光波长转换技术及全光3R再生技术的实用性；二是由于受光器件的制约，特别是大规模的光交叉矩阵开关的制约（技术、成本的制约），系统的规模和灵活性不够理想。理论上讲，只要光交叉矩阵的规模足够大，OXC、OADM也完全可以像电层的DXC和SDH ADM一样，实现不同速率等级上的任意交叉和上下，最起码可实现类似于SDH中的AU-4高阶全交叉；三是在OXC性能监测，尤其是光通道层（OCH）的性能监测方面实现起来代价较高，主要是需要监测的点太多而客户层（OCH层）业务又具有多样性（如速率、信号格式不同），需要对不同类型的业务根据其特征分别处理，目前，ITU-T G.709数字包封技术（Digital wrapper）可为这一问题提供统一的解决方法，应引起重视；四是如何抑制串扰，由于光器件的隔离度不可能无限高（如解复用器、光开关），波长通道间存在带间串扰，在由OXC/OADM构成的半动态光网络中，信号被多次交叉连接和反复复用，因此，在与其他波长通道复用时相应转化为其他通道的带内串扰（既同频串扰），并且很难消除。串扰的主要来源还包括光放大器ASE噪声及光纤的非线性等，在动态/半动态光网络中，还要考虑由于光放大器级联带来的瞬态响应；五是在网络管理方面，按照ITU-T光传送网的分层结构（G.872），光传送网的网元管理系统一般按光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）、光传送层（OTS）三层设计，具备ECC通信和四大管理功能，但具体细节还不够详细，很多内容有待进一步研究和规范。

2、器件

　　实现光交叉连接（OXC）的关键在于开发应用先进的光器件，特别是光交换器件和光波长转换器件，国外已研制了多种可用于实现光交换的器件，并已申请专利。在光开关方面有机械光开关、聚合物开关（polymer）、半导体光开关（用SOA实现）、平面光波导光开关（PLC）和微机械光开关（MEMS）等，特别是MEMS光开关，技术发展很快，基于二维（2D）和三维（3D）设计的MEMS光开关已有厂家能提供商用产品，据称交叉规模很快可达512x512甚至1024x1024，但价格仍是阻碍OXC推广的主要因素。在光波长转换方面主要有光/电/光（O/E/O）波长转换和光—光（O/O）波长转换器件，光—光波长转换利用SOA的交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频效应（FWM）等等，目前以O/E/O波长转换最为成熟、性能最好。但是，缺少商用的光—光的全光波长转换器件仍然是实现真正意义上的光传送网络的瓶颈问题，可以预计实用化的全光波长转换器件的出现将极大加快OXC设备大规模进入商用的步伐。此外，像电可调光衰减器（VOA）、波长可调激光器、增益可调光放大器等灵活可调的光器件对OXC的发展也至关重要。光器件正在向低损耗、高隔离度、灵活动态、功耗低、体积小和成本低等优点于一身的方向发展。

3、OXC保护恢复策略和恢复算法

　　OXC保护恢复策略、恢复算法与OXC节点结构有关，如果否全交叉、是否波长交换等，目前提出的算法很多，各有所长，不管什么算法，其主要目的是为了优化网络，提高网络容量的利用率和改善网络的生存性，简化操作、管理和维护，目前ITU-T在这方面还处于研究阶段。要考虑的主要因素有：

（1）控制方式：集中控制和分布式控制。

　　·集中控制：业务的指配和端到端恢复均由中心网管控制完成，是一种比较传统的控制方式，技术较成熟。

　　·分布式控制：业务的恢复可独立于中心网管，在设备层完成，因而恢复速度更快，代表今后的发展方向。

（2）恢复策略：基于端到端的光通道（OCH）恢复和基于链路（Link）恢复。

　　·基于端到端的光通道（OCH）恢复：一般采用恢复通道和工作通道在路径上完全分开（光通道的源宿节点除外），这样设计的好处是无须故障点的精确定位，适合断纤、节点失效、多点故障和通道失效，容量利用率高，缺点是发生故障时业务恢复牵涉面较广（牵涉到的链路和要求重配置的OXC节点较多），恢复时间较长。

　　·基于链路（Link）恢复：基本原则是当某光纤链路（Link）发生中断时，在故障两端的固定节点之间寻找替代路由发生中断时，在故障两端的固定节点之间寻找替代路由（恢复通道），优点是发生故障时业务恢复只涉及故障两端的OXC节点，恢复时间较短，缺点是抗节点失效和多点故障能力弱，存在路由重复，容量利用率较低。

（3）业务（包括恢复通道）预规划和实时动态计算。

　　·业务（包括恢复通道）预规划：可采用波长路由表描述，按照网络实际情况预先设置交叉连接图（波长路由表）对工作通道进行预置，并为每个工作通道设置一个或多个备用路由（设置优先级），一旦发生故障，只要查询预先设置交叉连接图（波长路由表）就可将业务马上切换到恢复通道上，恢复时间较短。

　　·实时动态计算：当网络发生故障时，采用某种恢复算法在全网范围内为受影响的业务寻找替代路由，达到业务恢复的目的，优点是可找到最佳路由，缺点是恢复时间长。

（4）波长资源分配/优化（费用最低），兼顾最短路由（节点数最少）。

（5）各链路、节点业务量的平衡，使负荷量最佳或路由最安全。

（6）优先级（QoS）和额外业务。提供优先级选择，即优先级高的业务具有低阻塞率，额外业务优先最低。

（7）具有可扩展性。也就是说，恢复算法要有普遍性，适合多种网络拓扑结构和网络的扩展。

　　评价OXC格状网（Mesh）恢复的四个重要判据。

（1）恢复速度；

（2）可恢复性：可恢复处理的失效类型：如断纤、节点失效、抗多点故障等；

（3）可扩展性：在保护恢复时间可接受的前提下，网络的可扩展性；

（4）容量利用效率。

4、OXC的管理

　　功能强大的网络管理系统是OXC的重要组成部分，OXC网管系统除了完成故障、性能、配置、安全四大管理功能外，还必须具备业务的管理能力、网络级的交叉能力（端到端指配），对于采用集中控制方式的OXC来说，网管系统还需内置恢复算法，以支持资源优化、提供端到端业务指配和故障情况下的业务恢复。根据ITU-T G.872建议，光传送网的网元管理系统一般按光通道层（OCH）、光复用段层（OMS）、光传送层（OTS）三层设计，具备ECC通信能力。

5、OXC的发展

　　近年来，随着技术的发展和WDM的规模应用，光网络节点设备的容量越来越大，对网络的生存性提出了更高的要求，OXC集传输与交换于一体，具有传输容量大、组网灵活、网络具有可扩展性和可重构性、易于升级、可透明传输各种格式的不同速率等级的信号，能够同时适应用户信号种类和服务种类不断增长的需求等诸多优点，是构成光传送网络（OTN）非常重要的节点设备。

　　从应用的角度看，点到点的DWDM组网方式仅是OTN组网的初级阶段，预计下一阶段的市场热点将是能够实现光层业务保护和恢复、配置灵活的OXC/OADM，组网主流将是环网、多环网、格状网，而构成环网、多环网、格状网的物理层设备是OADM和OXC。

　　从技术发展来看，光网络的发展趋势是3T（传输链路、传送节点和业务节点都具有Tbit/s的容量）和2I（集成化Intgration和智能化Intelligent），OXC作为光网络的核心设备，兼具T比特传输和T比特交换两大功能，并向集成化和智能化发展。在集成化方面，未来的OXC将集电路交换、包交换、波长交换甚至光包交换于一身（也许不应该叫OXC），在智能化方面，OXC将向智能光网络迈进，如ASON/ASTN、IP/MPLmS。

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