超大容量全光交叉技術(shù)及應(yīng)用分析*

(中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191)

0 引言

5G、4K/8K視頻、大數(shù)據(jù)、云互聯(lián)等業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)流量的持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)處理能力帶來巨大挑戰(zhàn)。光傳送網(wǎng)中傳統(tǒng)的固定光分插復(fù)用技術(shù)(Fixed Optical Add-Drop Multiplexing，F(xiàn)OADM)不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光路調(diào)整(需人工干預(yù))，可重構(gòu)光分插復(fù)用技術(shù)(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM)是目前全光交叉應(yīng)用的主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。超大容量全光交叉技術(shù)在傳統(tǒng)ROADM技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，支持與方向無關(guān)、波長(zhǎng)無關(guān)、無沖突、靈活柵格特性的同時(shí)，引入光背板和更大維度WSS等新器件，可滿足更大交叉容量、更多維度、更便捷的操作維護(hù)、更高集成度和更全面的管理功能等要求，已成為光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的技術(shù)熱點(diǎn)。

1 超大容量全光交叉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著光傳送網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)和發(fā)展，單纖傳輸容量快速增長(zhǎng)并已步入數(shù)十Tbit/s時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)對(duì)更大容量的全光交叉調(diào)度能力的需求愈發(fā)凸顯。同時(shí)，5G、云、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等新型業(yè)務(wù)對(duì)大帶寬、靈活、高效的網(wǎng)絡(luò)能力提出更高要求。超大容量全光交叉技術(shù)通過端到端的全光域傳輸和交換(中間無電轉(zhuǎn)換)，實(shí)現(xiàn)超大容量數(shù)據(jù)傳輸?；谌饨徊婀?jié)點(diǎn)組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的光層端到端一跳直達(dá)，在滿足新型業(yè)務(wù)對(duì)超低時(shí)延要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)靈活帶寬調(diào)整、業(yè)務(wù)高效開通等網(wǎng)絡(luò)需求。

全光組網(wǎng)一直是光傳送網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展愿景，其中的光路交換(Optical Circuit Switching，OCS)、光突發(fā)交換(Optical Burst Switching，OBS)、光標(biāo)簽交換(Optical Label Switching，OLS)、光分組交換(Optical Packet Switching，OPS)等技術(shù)是向全光網(wǎng)演進(jìn)的重要研究方向。當(dāng)前，全光網(wǎng)發(fā)展還受光存儲(chǔ)、光處理、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)的成熟度和成本等多方面限制，除光路交換外的其他技術(shù)還主要處于學(xué)術(shù)研究階段，暫不具備網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署的能力?；诠饴方粨Q的全光交叉技術(shù)通過近些年的技術(shù)革新，其ROADM技術(shù)已在運(yùn)營(yíng)商干線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)規(guī)模建設(shè)和商用。

受限于光交叉器件的技術(shù)發(fā)展水平，傳統(tǒng)ROADM網(wǎng)絡(luò)中光交叉單元的交叉維度有限(20維及以下)且由多種分離器件構(gòu)成，業(yè)務(wù)在光層傳送調(diào)度的靈活性也有較大限制。傳統(tǒng)ROADM在實(shí)現(xiàn)不同維度之間以及本地上下業(yè)務(wù)的波長(zhǎng)調(diào)度功能時(shí)，光層組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)光纖連接較為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)搭建和維護(hù)管理均無法實(shí)現(xiàn)便捷高效。超大容量光交叉技術(shù)基于傳統(tǒng)ROADM技術(shù)上演進(jìn)發(fā)展，可在滿足網(wǎng)絡(luò)帶寬需求持續(xù)增長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延更低和業(yè)務(wù)更加靈活調(diào)度等需求的同時(shí)，向著更大容量、更高維度、更高效和更易管控維護(hù)的全光交叉技術(shù)方向演進(jìn)(見圖1)[1]。

圖1 光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程

2 超大容量全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

全光交叉節(jié)點(diǎn)典型結(jié)構(gòu)由光交叉單元(光交叉連接矩陣)、光線路和支路單元(輸入接口/輸出接口)及管理控制單元等模塊組成[2]，參考模型如圖2所示。光線路單元和光支路單元直接與光交叉單元相連，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出信號(hào)交叉連接和調(diào)度。管理控制單元對(duì)光交叉單元、光線路單元和光支路單元進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。其中，光線路單元和光支路單元可通過MPO光纖或光連接器直接連接方式，與光交叉單元實(shí)現(xiàn)連接。光交叉單元是全光交叉的核心部件，具備大帶寬、無阻塞、低時(shí)延等能力，可與光線路和光支路單元組合實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)單向、雙向和廣播形式的連接和傳輸功能。

圖2 全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)參考模型

在全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，光線路單元主要采用WSS器件實(shí)現(xiàn)光線路的業(yè)務(wù)調(diào)度功能；光支路單元主要采用MCS或N×M ADWSS[3]器件實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)上下路功能；光交叉單元目前可采用光背板和光纖連接盒兩種實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)光線路和光支路單元的連接。因此，全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)當(dāng)前主要采用WSS+光背板和WSS+光纖連接盒兩種主流方案，可實(shí)現(xiàn)全光交叉節(jié)點(diǎn)的CDF和CDCF功能。其中，CDF全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中線路單元有Nf個(gè)維度，用于輸入和輸出功能的WSS與用于本地上下業(yè)務(wù)功能的WSS通過光背板/光纖連接盒相連，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)在不同端口的業(yè)務(wù)上下(見圖3)。

圖3 CDF全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

CDCF全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的光線路單元和CDF全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同，光支路單元由N×M ADWSS或MCS實(shí)現(xiàn)支持CDCF特性的不同波長(zhǎng)在不同端口無阻塞的業(yè)務(wù)上下功能(見圖4)。MCS和N×M ADWSS技術(shù)是全光交叉實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)上下路的兩個(gè)主要

圖4 CDCF全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

技術(shù)選擇。其中，對(duì)于采用MCS器件的上下路方式，通常需采用EDFA光放陣列來補(bǔ)償MCS器件對(duì)光功率的影響。另外，隨著光線路單元維度的增加，當(dāng)N×M光支路單元的N小于光線路單元總維度數(shù)Nf時(shí)，可能出現(xiàn)業(yè)務(wù)受阻的情況。因此，更高集成度的光支路單元模塊和器件是全光交叉技術(shù)發(fā)展的重要條件。

3 超大容量全光交叉技術(shù)特性分析

超大容量全光交叉技術(shù)在維護(hù)性、維度、集成度和管理等方面的主要特性如下。

(1)可擴(kuò)展/維護(hù)性更好，交叉容量和維度更大。光交叉線路維度的擴(kuò)展導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)內(nèi)部連纖數(shù)量大幅增加，人工連纖成本及錯(cuò)連率劇增。超大容量全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)滿足大容量調(diào)度節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化運(yùn)維要求，可實(shí)現(xiàn)面向更大容量超高速傳輸系統(tǒng)的技術(shù)平滑演進(jìn)。超大容量全光交叉技術(shù)伴隨WSS器件維度增加，線路可調(diào)度維度和交叉容量顯著增加，也具有更好的維度可擴(kuò)展能力。

(2)集成度和能耗更優(yōu)。采用超大容量全光交叉技術(shù)的節(jié)點(diǎn)比傳統(tǒng)ROADM節(jié)點(diǎn)在空間上可節(jié)省50%～75%，光纖連接數(shù)量下降額度>90%(32維為例)，功耗可下降20%～40%，單子架支線路間和線路維度間實(shí)現(xiàn)零手工連纖，可應(yīng)對(duì)骨干機(jī)房高維度應(yīng)用的挑戰(zhàn)，且有效節(jié)省機(jī)房空間、降低機(jī)房能耗。

(3)管理優(yōu)勢(shì)更明顯。超大容量全光交叉技術(shù)在管理方面可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)的路徑可視功能，完成光物理路徑、光波長(zhǎng)、光功率、OSNR等信息的在線檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)信息資源的快速識(shí)別、波長(zhǎng)路由可視和錯(cuò)誤排查、閑置波長(zhǎng)回收、波長(zhǎng)梳理、基于波長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)的業(yè)務(wù)規(guī)劃等應(yīng)用和管理功能。

4 超大容量全光交叉技術(shù)應(yīng)用分析

超大容量全光交叉技術(shù)根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用需求，可分為波長(zhǎng)級(jí)和端口級(jí)兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景。其中，波長(zhǎng)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景主要用于WDM通路的光層調(diào)度；端口級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景主要用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線等。

4.1 波長(zhǎng)級(jí)全光交叉技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

隨著WSS器件的成熟，基于ROADM模型的波長(zhǎng)級(jí)全光交叉技術(shù)已現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用。目前，基于WSS器件構(gòu)建的全光交叉節(jié)點(diǎn)最高可配置32維度。當(dāng)系統(tǒng)的線路維度為20維及以下時(shí)，可選擇傳統(tǒng)ROADM節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)；當(dāng)系統(tǒng)的線路維度為20維及以上時(shí)，建議配置超大容量全光交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)化運(yùn)維并增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展能力。隨著單波長(zhǎng)超100 GB技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模部署，32維全光交叉節(jié)點(diǎn)已具備320 Tbit/s ～ 640 Tbit/s的超大容量波長(zhǎng)級(jí)業(yè)務(wù)全光交叉能力，同時(shí)支持方向無關(guān)、波長(zhǎng)無關(guān)、無沖突、靈活柵格等。

波長(zhǎng)級(jí)全光交叉技術(shù)實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)配置方式為全光路徑的端—端一跳直達(dá)，可有效提高系統(tǒng)的波長(zhǎng)級(jí)業(yè)務(wù)調(diào)度能力。波長(zhǎng)級(jí)全光交叉技術(shù)相比于電交叉技術(shù)，由于路徑中無電中繼節(jié)點(diǎn)，可更好地滿足業(yè)務(wù)低時(shí)延需求。但需要說明的是，網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)模和節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大時(shí)，如無法實(shí)現(xiàn)端到端全光交叉組網(wǎng)，可綜合業(yè)務(wù)、拓?fù)?、容量和能耗等諸多參數(shù)合理優(yōu)化的基礎(chǔ)上，引入電中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行光電混合交叉組網(wǎng)。

4.2 端口級(jí)全光交叉技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

端口級(jí)全光交叉技術(shù)采用光交叉設(shè)備作為節(jié)點(diǎn)中的光交換矩陣使用，典型應(yīng)用場(chǎng)景主要包括數(shù)據(jù)中心應(yīng)用、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線應(yīng)用。

(1)數(shù)據(jù)中心(Data Center)應(yīng)用。新業(yè)務(wù)帶來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量爆炸式增長(zhǎng)且存在明顯的動(dòng)態(tài)特性，易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)過載和時(shí)延增加等影響應(yīng)用性能的情況。采用全光交叉技術(shù)可有效滿足數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)特性的要求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)靈活調(diào)整，提高網(wǎng)絡(luò)性能和設(shè)備利用率。端口級(jí)全光交叉矩陣端口數(shù)目前已可達(dá)到數(shù)百至一千量級(jí)，有效提高網(wǎng)絡(luò)效率和可擴(kuò)展能力(見圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)中心的全光交叉技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

(2)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線應(yīng)用場(chǎng)景。端口級(jí)全光交叉矩陣可以在科研實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，滿足大量光通信設(shè)備、光纖、儀表等的光互聯(lián)配置需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化光交叉連接，試驗(yàn)人員可遠(yuǎn)程控制光路的切換，以及通過預(yù)設(shè)程序，實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)情況下的自動(dòng)化試驗(yàn)和測(cè)試。另外，端口級(jí)全光交叉應(yīng)用場(chǎng)景也滿足生產(chǎn)線上批量化和重復(fù)性的測(cè)試驗(yàn)證需求。此應(yīng)用場(chǎng)景通常對(duì)全光交叉矩陣的端口數(shù)要求不高，48×48至320×320個(gè)端口或多個(gè)全光交叉矩陣級(jí)聯(lián)的方式可滿足應(yīng)用需求。自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線應(yīng)用場(chǎng)景采用全光交叉技術(shù)，可有效提高實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線自動(dòng)化能力及效率。

5 結(jié)束語

以當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)增長(zhǎng)及新型業(yè)務(wù)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的影響和需求分析為基礎(chǔ)，從超大容量全光交叉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)、交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、技術(shù)特性分析和應(yīng)用分析等方面展開研究?；谛滦透邘挊I(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)，超大容量全光交叉技術(shù)已出現(xiàn)明顯應(yīng)用需求；超大容量全光交叉技術(shù)采用WSS和光背板/光纖連接盒的實(shí)現(xiàn)方案是目前業(yè)界采用的主要方案；超大容量全光交叉技術(shù)具有更好的可擴(kuò)展/維護(hù)性、更大的交叉容量和維度、更優(yōu)的集成度和更明顯的管理優(yōu)勢(shì)；超大容量全光交叉技術(shù)支持波長(zhǎng)級(jí)和端口級(jí)兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景。超大容量全光交叉技術(shù)發(fā)展及相關(guān)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的平穩(wěn)推動(dòng)，可有力支撐我國(guó)超大容量寬帶基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。