電交叉技術(shù)瓶頸日益凸顯可在三大應(yīng)用場景引入光交叉

中國移動設(shè)計院|杜錚 王亞龍 楊天普

中國移動省際骨干傳送網(wǎng)（以下簡稱省際骨干網(wǎng)）是中國移動的國家級干線，承載著中國移動和鐵通公司的所有省際業(yè)務(wù)需求。省際骨干網(wǎng)在2012年首次引入了電交叉的OTN設(shè)備，并在2013年全網(wǎng)部署；在2013年首次引入了100G OTN設(shè)備平臺，并在2014年全網(wǎng)部署。

光交叉越來越受關(guān)注

業(yè)務(wù)量的迅猛增長導(dǎo)致業(yè)務(wù)局站的電路數(shù)量激增，對電交叉OTN設(shè)備的交叉能力提出了更高的要求，OTN設(shè)備的電交叉能力也從2012年的2.56T增長到最高的25.6T。在設(shè)備電交叉能力快速增長的同時，設(shè)備的單機架功耗也隨之迅猛增長，單機架（600×6000）滿配功耗最高已經(jīng)突破了20000W大關(guān)，帶來了極其嚴(yán)重的散熱問題。電交叉OTN設(shè)備的實際部署能力遇到了一定的發(fā)展瓶頸，這迫使業(yè)界不得不重新將目光轉(zhuǎn)移到OTN設(shè)備另外一種低功耗的交叉方式：光交叉。光／電交叉的對比見表1。

表1 光/電交叉技術(shù)對比表

從對比可以看出，雖然光交叉技術(shù)有著低設(shè)備功耗、交叉容量大等優(yōu)點，但也同時存在業(yè)務(wù)傳輸距離受限、無法解決波長沖突問題的局限，在省際骨干網(wǎng)層面是無法單獨組網(wǎng)的。因此，在省際骨干網(wǎng)層面，光交叉技術(shù)必須與電交叉混合組網(wǎng)，才能滿足全部的業(yè)務(wù)傳輸和調(diào)度的需求。

新型設(shè)備解決ROADM局限性

可重構(gòu)光分插入復(fù)用器（ROADM）設(shè)備是基于光交叉的且有規(guī)模部署的設(shè)備形態(tài)。根據(jù)ROADM的組成結(jié)構(gòu)，ROADM可分為波長阻斷（WB）、平面波導(dǎo)（PLC）和波長選擇開關(guān)（WSS）3種，其中WSS憑借其光學(xué)性能和可擴展性，近年來已經(jīng)成為主流的設(shè)備形態(tài)。

ROADM設(shè)備支持波長通道上下路狀態(tài)的靈活配置，多維ROADM設(shè)備還支持波長通道在各個維度（方向）之間靈活調(diào)度。但ROADM設(shè)備在實現(xiàn)光交叉的同時，其局限性也很明顯，主要有波長連續(xù)性及惟一性限制、傳輸距離和物理損耗限制、上下路端口靈活性受限、調(diào)度顆粒的惟一性和粗放性等方面的限制。

針對ROADM以上的局限性，近年來，業(yè)界已經(jīng)出現(xiàn)不同程度解決上述限制的新型ROADM設(shè)備，即CDC-F（Colorless-波長無關(guān)、Directionless-方向無關(guān)、Contentionless-競爭無關(guān)、Flex Grid-靈活柵格）ROADM。雖然目前WSS即可滿足組網(wǎng)需求，但CDC-F仍然是未來的發(fā)展方向。

CDC-F ROADM與ROADM設(shè)備性能對比如表2所示。

從上面的對比不難看出，雖然CDC-F ROADM在不同程度上解決了傳統(tǒng)ROADM的弊端，但從根本上說，它還是ROADM設(shè)備，有著目前ROADM設(shè)備固有的特性：不經(jīng)過電層，無法進行波長轉(zhuǎn)換；傳輸距離和物理損耗限制，尤其是CDC-F ROADM的傳輸代價更大，使得它在省際骨干網(wǎng)面臨的傳輸距離問題相對更嚴(yán)重。

省際骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)節(jié)點波道分析對于采用光交叉+電交叉OTN設(shè)備混合組網(wǎng)后，能夠減少多少對配套設(shè)施的需求，需要針對省際骨干網(wǎng)的OTM節(jié)點（包含業(yè)務(wù)節(jié)點和再生站）的波道終端及轉(zhuǎn)接情況進行分析。由于在省際骨干網(wǎng)中再生站的設(shè)置，絕大部分是由于光通道OSNR低于設(shè)備門限，不得不進行電再生。因此，傳輸節(jié)點的波道分析將不包含再生站，僅針對業(yè)務(wù)節(jié)點。

表2 CDC-F ROADM與ROADM優(yōu)缺點

筆者在所有省際骨干網(wǎng)中選取了比較有代表意義的廣州、北京、上海、烏魯木齊、成都、長春和石家莊共7個城市中的1個業(yè)務(wù)節(jié)點作為分析取樣。將所有業(yè)務(wù)節(jié)點的最近三期工程（即全網(wǎng)部署OTN以來的工程）的所有波道情況進行分析計算，可得出各期工程各站可使用光交叉波道的比例，詳見表3?？墒褂霉饨徊娴牟ǖ辣壤秊椴豢紤]光通道OSNR的情況下，波長相同的轉(zhuǎn)接波道、可調(diào)整為相同波長的轉(zhuǎn)接波道之和占全部業(yè)務(wù)波道（去除含子波道的）的比例。需要注意的是，這里的統(tǒng)計僅針對單站，不涉及光路OSNR計算問題，是一種理想狀態(tài)。

從表3波道比例可以看出，即便不考慮單通道OSNR門限的問題，各復(fù)用段使用的波道不均衡導(dǎo)致波長沖突、業(yè)務(wù)終端和跨廠家及平臺轉(zhuǎn)接波道，最終可使用光交叉的波道占全部業(yè)務(wù)波道的23.3%，不足25%。雖然總體可供光交叉技術(shù)使用的波道比例并不能說高（且還是在不考慮光通道OSNR問題的基礎(chǔ)上），但對單建設(shè)期的單節(jié)點而言，還是有部分節(jié)點在某一建設(shè)期內(nèi)，使用光交叉技術(shù)可以節(jié)約較多的電交叉能力，減少功耗壓力和節(jié)約裝機面積。

單建設(shè)期內(nèi)可使用光交叉的波道比例高于25%的節(jié)點共有6個，分別是3期的北京、1期的烏魯木齊站、3期的烏魯木齊站、2期的長春站、2期的石家莊站和3期的石家莊站。結(jié)合工程中具體波道使用情況分析發(fā)現(xiàn)，可使用光交叉的波道比例較高的局站呈現(xiàn)出幾個共同特點：

● 自身終端業(yè)務(wù)波道比例少；

● 與光方向多少相關(guān)性不大，主要波道轉(zhuǎn)接關(guān)系集中在較少光方向之間完成；

● 與局站相關(guān)的復(fù)用段中必有2個或以上的復(fù)用段使用較多的業(yè)務(wù)波道；

● 新建平臺時可使用的光交叉的波道比例均較高，但隨著后期擴容，光方向較多的局站、擴容數(shù)量較少的復(fù)用段中可使用光交叉的波道比例在降低。

表3 波道分析表

引入光電交叉技術(shù)需綜合考量

省際骨干網(wǎng)在2 0 1 3年開始部署100G線路速率的OTN平臺，目前新建系統(tǒng)已全部是100G OTN平臺。根據(jù)廠家設(shè)備能力及實際運行情況看，100G OTN平臺的長距能力較10G平臺還是有所下降的。本文前表所示的無電中繼最大傳輸距離1050km也是在10G平臺上實現(xiàn)的。結(jié)合最近一期的省際骨干網(wǎng)投標(biāo)情況，目前一干整體復(fù)用段長度在400～700km水平。

從以上數(shù)據(jù)基本可以確認業(yè)務(wù)節(jié)點間，除石家莊、天津、蘇州等少數(shù)城市業(yè)務(wù)節(jié)點將非終端波道光波直通，可滿足系統(tǒng)OSNR門限外，其余出省的業(yè)務(wù)節(jié)點則必須將全部/部分非終端波道進行電中繼（單系統(tǒng)單節(jié)點的必須全部進行電中繼，同一城市有兩個出省業(yè)務(wù)節(jié)點的，則同一波必須至少在某一節(jié)點進行電中繼）。如此一來，則光交叉技術(shù)的應(yīng)用范圍和效能將進一步被壓縮。

此外，由于商務(wù)報價的原因，100G OTN平臺的線路側(cè)OTU軟/硬判價格差異較大，因此，單純?yōu)樘岣卟ǖ拦饨徊媸褂寐识鼡QOTU類型，提高線路OSNR容忍度會導(dǎo)致大幅度增加建設(shè)成本，這與現(xiàn)有的工程建設(shè)原則是相違背的。

綜上所述，由于中國的地理及政區(qū)影響，在省際骨干網(wǎng)中，長距傳輸對光交叉的影響是比較大的，使得在業(yè)務(wù)局站內(nèi)可使用光交叉的波道比例進一步下降，在部分局站甚至到達0。再考慮到絕大部分的再生站都必須對波道進行電中繼。因此，結(jié)合對節(jié)點波道的分析，預(yù)計省際骨干網(wǎng)整體的可以使用光交叉技術(shù)進行交叉的波道比例不會超過10%。

光交叉技術(shù)將影響工程建設(shè)和后續(xù)維護

由于光交叉技術(shù)是有別于電交叉技術(shù)的一種全新的設(shè)備形態(tài)，與早期WDM系統(tǒng)中簡單的OM/OD光纖直連或者OADM設(shè)備完全不同，涉及多方向的波長相互間交叉，因此在工程建設(shè)前期對業(yè)務(wù)與波道進行匹配和排布的時間會大大增加（保證在轉(zhuǎn)接節(jié)點波長一致），合同編制復(fù)雜度也將大大增加，原先只需要對復(fù)用段的OSNR進行計算，變成了針對單波道進行OSNR計算。預(yù)計兩者的編制時間至少會增加100%以上，保守估計1～2個月時間。

在整個建設(shè)流程上，由于各設(shè)備廠家的長距傳輸能力不同，單節(jié)點可使用光交叉的波道數(shù)量無法在合同編制前確定，因此向采購部門提出的設(shè)備采購數(shù)量無法準(zhǔn)確，在流程上會造成拖延，延長工程建設(shè)周期。

另外，由于目前傳輸設(shè)備在光層上的信號監(jiān)控與電層相比還是差一些，未來網(wǎng)絡(luò)維護時，對故障的精確定位和全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)割接窗口期是否會造成不良影響還有待實際運行后才能得知。

光交叉技術(shù)總結(jié)及部署

通過以上的技術(shù)分析，筆者得出如下結(jié)論。

1.就光交叉技術(shù)成熟度而言，WSS技術(shù)已經(jīng)很成熟，正在向CDC-F ROADM技術(shù)演進。目前，CDC-F ROADM技術(shù)還未完全發(fā)展成熟，但針對省際骨干網(wǎng)目前的建設(shè)原則而言，光交叉技術(shù)目前的設(shè)備形態(tài)已經(jīng)可以滿足。

2.綜合OSNR的影響，預(yù)計省際骨干網(wǎng)整體可以使用光交叉技術(shù)進行交叉的波道比例不會超過10%。但在個別站點的轉(zhuǎn)接波道也有較大的比例，可帶來較為顯著的效益。

3.引入光交叉技術(shù)后，工程建設(shè)周期會較現(xiàn)有的建設(shè)周期變長，保守估計約為1～2個月時間。

4.未來網(wǎng)絡(luò)維護時，對故障的精確定位和全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)割接窗口期是否會造成不良影響還有待實際運行后才能得知。

對光交叉技術(shù)的引用研究起因是基于電交叉技術(shù)的OTN設(shè)備單機散熱問題過于突出，導(dǎo)致機房配套設(shè)施無法匹配造成的。但針對此問題，設(shè)備廠家也在積極努力進行改進，除了減低設(shè)備單板的功耗外，作為最終解決方案的集群式電交叉OTN設(shè)備，各廠家預(yù)計最遲2018年提供商用產(chǎn)品，屆時單機散熱問題將徹底得到解決。因此，如果僅為解決單機功耗過高導(dǎo)致的散熱問題而引入光交叉技術(shù)是沒有必要的。

全網(wǎng)引入光交叉前需做好三階段準(zhǔn)備

引入光交叉技術(shù)降低省際骨干網(wǎng)中的某些局站的功耗水平和設(shè)備裝機數(shù)量是可以考慮的。作為一種全新的設(shè)備形態(tài)，在省際骨干網(wǎng)大規(guī)模部署前，建議還需完成以下幾個階段的研究及準(zhǔn)備工作。

第一階段：加強對光交叉技術(shù)的工程運用研究，完成設(shè)備的實驗室測試。

第二階段：在省二干網(wǎng)絡(luò)中完成實際部署，應(yīng)在廣東、江蘇等業(yè)務(wù)量較大或新疆、內(nèi)蒙、甘肅等業(yè)務(wù)節(jié)點間距離較長的省份分別部署，以實際驗證光交叉設(shè)備的組網(wǎng)能力，并評估對工程建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)維護造成的實際影響。

第三階段：在省際骨干網(wǎng)中的個別站點引入光交叉設(shè)備，做一干現(xiàn)網(wǎng)試點。

以上3個階段全面完成后，則可徹底評估省際骨干網(wǎng)引入光交叉技術(shù)的可行性。

光電混合交叉組網(wǎng)應(yīng)用場景描述

通過以上分析，我們可以得出適合光電混合交叉組網(wǎng)設(shè)備的局站有以下3種類型。

1.承擔(dān)干線波道分流轉(zhuǎn)接的局間中繼局站。此類站點基本都是只有2個光方向，除自身業(yè)務(wù)終端的波道外，其余干線分流的轉(zhuǎn)接電路波長較易調(diào)整一致，且傳輸距離近，不受OSNR影響，光交叉設(shè)備能帶來較大效益的局站，如生產(chǎn)中心、花溪站等。

2.相鄰業(yè)務(wù)站點傳輸距離較近，且本身終端業(yè)務(wù)比例較少的業(yè)務(wù)局站。此類站點本身大部分波道為轉(zhuǎn)接波道，雖然轉(zhuǎn)接方向較第一類局站多，波長調(diào)整有一定困難，但受OSNR影響小，也比較適合使用光交叉設(shè)備。此類局站主要集中在京津冀、長三角和珠三角地區(qū)，其他地區(qū)如采用單系統(tǒng)雙節(jié)點的方式建設(shè)，其中一個局站也是屬于此類局站，如天津、石家莊、無錫、蘇州、滄州、深圳等地的局站。

3.局房條件受限，無法滿足裝機需求，且配套設(shè)施無法建設(shè)的局站。此類站點本身可能受OSNR的影響或者復(fù)用段波長匹配的問題，本身并不能大量通過光交叉轉(zhuǎn)接波道，但機房已經(jīng)徹底無法滿足工程建設(shè)需求，配套設(shè)施根本無法建設(shè)，又無法搬遷。針對這種特殊情況，可部署光交叉設(shè)備，以滿足工程建設(shè)需求，但這種部署情況代價較大，對于OSNR的影響可能需要更改OTU類型。針對波長沖突則要使用采用跳波的方式。這些都是與平常省際骨干網(wǎng)的建設(shè)原則不一致之處。此類局站為特殊情況，不能普遍采用。

以上3種類型的局站，除第三種外，其余兩種類型的局站可使用光交叉的波道比例建議在25%以上才部署光交叉設(shè)備。其余所有的再生站和實際波道可使用光交叉比例低于25%的業(yè)務(wù)局站，建議仍舊使用純電交叉設(shè)備，以減少光交叉設(shè)備引入后所帶來的設(shè)備技術(shù)復(fù)雜度提高，工程建設(shè)周期延長和維護方面可能帶來的不良影響。