基于OXC和OSU技術(shù)打造全光城市的探索實踐

徐曉蕾

（中國移動通信集團河南有限公司，河南 鄭州 450008）

1 研究背景

2020年12月，國家信息中心發(fā)布了《全光智慧城市白皮書》，首次提出全光智慧城市的發(fā)展理念，通過闡述F5G（第五代固定網(wǎng)絡）的演進發(fā)展、關(guān)鍵特征、評價指標等，加速全光數(shù)字基礎(chǔ)設施底座的部署升級，以智能聯(lián)接的網(wǎng)絡賦能智慧城市建設，推動行業(yè)新應用，激發(fā)無限增長空間，這給正在積極進行網(wǎng)絡升級提速、擴大覆蓋的運營商描繪出一副全光底座支撐下智慧城市的美好藍圖。千兆光網(wǎng)正是數(shù)字新基建中最堅實的物理承載底座，與5G共同構(gòu)成了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的雙輪和兩翼。千兆寬帶提速是千兆光網(wǎng)建設的第一步，全光網(wǎng)的規(guī)模部署將是千兆光網(wǎng)升級的第二步，從千兆城市向全光城市演進已經(jīng)成為通信產(chǎn)業(yè)的新熱點。

2 打造全光目標網(wǎng)架構(gòu)

2.1 核心骨干需求分析

在5G、云和AI時代，DC云化，大量的創(chuàng)新業(yè)務日新月異，通信服務的模式正在發(fā)生變化，運營商自營IDC的互聯(lián)、大型互聯(lián)網(wǎng)服務提供商（如BAT）互聯(lián)、核心骨干路由器間互聯(lián)等需求驅(qū)動網(wǎng)絡向全連接化發(fā)展[1]。家庭寬帶提速、5G建設讓骨干網(wǎng)流量激增，家庭寬帶2021年4K用戶達到3億，運營商千兆套餐規(guī)模發(fā)布，預計2025年全球?qū)⒂谐^1.87億千兆寬帶用戶。這給骨干網(wǎng)帶來不少的挑戰(zhàn)，當前骨干網(wǎng)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢。

（1）超大容量。DC到DC之間的東西向流量過去5年增長了4倍，同時視頻等業(yè)務驅(qū)動南北向流量快速增長，移動流量未來年復合增長54%，整體骨干網(wǎng)流量每2.5年增長1倍。工信部發(fā)布的“雙千兆”網(wǎng)絡協(xié)同發(fā)展行動計劃明確指出加快骨干網(wǎng)傳輸能力建設，推動基礎(chǔ)電信企業(yè)持續(xù)對骨干傳輸網(wǎng)絡轉(zhuǎn)型升級，按需部署超大帶寬的傳輸網(wǎng)絡，提升綜合承載能力。

（2）低時延。為了降低時延，加快業(yè)務發(fā)放，傳統(tǒng)網(wǎng)絡的逐層匯聚架構(gòu)無法滿足要求，需要逐步演進到一條直達的扁平化極簡網(wǎng)絡架構(gòu)?！丁半p千兆”網(wǎng)絡協(xié)同發(fā)展行動計劃（2021—2023）》明確指出優(yōu)化數(shù)據(jù)中心互聯(lián)能力，開展高速光傳輸系統(tǒng)的部署應用，鼓勵開展數(shù)據(jù)中心直聯(lián)網(wǎng)絡、定向網(wǎng)絡直聯(lián)等建設。

（3）高可靠。骨干網(wǎng)承載關(guān)鍵價值業(yè)務，如核心DC之間的互聯(lián)、政企客戶的專線，都對可靠性有十分高的要求。超高可靠性為網(wǎng)絡的基礎(chǔ)核心能力，是運營商競爭力的基石，高可靠性成為運營商網(wǎng)絡建設的首要因素。

河南移動核心骨干網(wǎng)面臨DC化的挑戰(zhàn)，原有的老DC機房因為機房空間和功耗的原因，搬遷到新的站點。同時，核心骨干網(wǎng)2個平面未打通，導致核心骨干網(wǎng)間存在大量業(yè)務繞接，消耗大量轉(zhuǎn)接板卡，轉(zhuǎn)接時延也非最優(yōu)，不利于業(yè)務的發(fā)展。

2.2 政企專線需求分析

在政企專線市場上，從各種典型行業(yè)的業(yè)務場景來看，行業(yè)客戶更加關(guān)注專線品質(zhì)，尤其隨著數(shù)字政府、數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字金融、數(shù)字教育等行業(yè)入云加速，在差異化SLA保障、更穩(wěn)定安全的網(wǎng)絡、更靈活的套餐、更低的成本和快速服務等方面提出挑戰(zhàn)。例如，黨、政、軍、金融、證券行業(yè)更關(guān)注安全、可靠性，在相關(guān)業(yè)務發(fā)展指導意見中，仍明確要求采用嚴格物理隔離的硬管道承載方案。證券公司特別關(guān)注低時延，愿意為高品質(zhì)買單，如某運營商為期貨公司打造的低時延專線，將時延從4.6 ms降低到0.63 ms，專線售價提升8倍。醫(yī)療行業(yè)全系統(tǒng)上云，要求絕對的高安全高可靠，數(shù)據(jù)不丟失，保護隱私。大量中小型企業(yè)客戶對帶寬訴求相對較小，但對資費敏感，注重性價比，建網(wǎng)方式更側(cè)重輕資產(chǎn)方式。同時，快速開通和彈性帶寬成為各企業(yè)共同需求，企業(yè)普遍希望專線業(yè)務可在1～2天內(nèi)快速開通，并要求提供線上自助式服務，比如，在疫情情況下，網(wǎng)絡教育行業(yè)對帶寬要求更高，同時存在高并發(fā)、流量大等屬性，且存在比較明顯的潮汐效應，對大帶寬、帶寬可調(diào)等都提出了要求。

在發(fā)展政企專線過程中，因業(yè)務發(fā)展快，部分業(yè)務直接從局端CPE直接掛接到核心網(wǎng)，對核心網(wǎng)的端口和光纖資源消耗很快。同時，開通業(yè)務使用的傳統(tǒng)VC方式，業(yè)務映射層級較多，在支持的小顆粒連接數(shù)目和單站時延上也有可優(yōu)化的地方。

2.3 基于OXC+OSU打造全光城市底座的探索和實踐

通過對核心骨干和政企專線需求分析，結(jié)合河南移動網(wǎng)絡中的關(guān)鍵痛點，基于業(yè)界主流的創(chuàng)新技術(shù)，通過理論分析加上現(xiàn)網(wǎng)實踐的方式進行了探索，力求找到一種通過全光目標網(wǎng)牽引的建網(wǎng)思路，更好地滿足核心骨干和企業(yè)專線需求，夯實全光智慧城市底座，為數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展打好基礎(chǔ)。該探索里面主要使用到了OXC和OSU兩種關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 .1 OXC技術(shù)

光交叉連接（Optical Cross-Connect,OXC）是一種兼有復用、配線、保護/恢復、監(jiān)控和網(wǎng)管的多功能OTN傳輸設備，可將ROADM（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）看成OXC結(jié)構(gòu)的功能簡化。ROADM技術(shù)具備光層交叉和業(yè)務調(diào)度的能力，是全光組網(wǎng)的基礎(chǔ)[2]。傳統(tǒng)ROADM將交叉能力構(gòu)建在單個模塊上，當業(yè)務調(diào)度維度需求逐漸增大時，需要多個ROADM設備堆疊來增加維度，耗費大量機房空間、電力以及運維人力和物力，同時還存在波長沖突問題，如在CD（Colorless & Directionless）場景中，傳統(tǒng)ROADM方案在本地上下波維度采用“獨木橋”設計，當網(wǎng)絡節(jié)點的流量不斷增大時，波長沖突問題難以避免，端到端動態(tài)全光交換難以實現(xiàn)。

相比傳統(tǒng)ROADM技術(shù)，OXC通過架構(gòu)創(chuàng)新，采用類似于電層的支、線路分離方式，將光層業(yè)務接入側(cè)與線路側(cè)模塊分離，依托全光背板靈活交叉，實現(xiàn)光交叉從固定單維度到靈活多維度演進，極大提高了網(wǎng)絡節(jié)點的調(diào)度維度上限，有效延長網(wǎng)絡擴維周期，能充分利用光纖的帶寬資源，傳輸質(zhì)量好。同時，由于采用支線路分離架構(gòu)，后續(xù)擴維時也僅需增加單板數(shù)量，可大大簡化擴維難度，降低對機房資源的要求，使得網(wǎng)絡節(jié)點的光交叉能力能夠向更高維度演進，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡的動態(tài)結(jié)構(gòu)，可擴展性和可維護性好[3]。

圖1 ROADM與OXC光層技術(shù)組網(wǎng)示意圖

OXC涵蓋光背板、LCoS（liquid Crystal on Silicon）和數(shù)字化光層三大核心技術(shù)。

（1）光背板。像電背板一樣設計光背板，全光交換，免除內(nèi)部連纖；創(chuàng)新多級防塵技術(shù)，高可靠。

（2）LCoS。高精度LCoS，多維度交叉調(diào)度；免光放CDCG（Colorless, Directionless, Contentionless,and Gridless），高可靠，原生支持靈活柵格（Flex-Grid）功能。

（3）數(shù)字化光層。利用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調(diào)頂，高精度波長監(jiān)控技術(shù)，光纖質(zhì)量、波長路徑和性能可視化。

2.3.1 .2 OSU技術(shù)

OSU技術(shù)是2020年新一代技術(shù)，在繼承傳統(tǒng)OTN/WDM剛性硬管道優(yōu)勢的同時，定義更小的帶寬顆粒度，打破傳統(tǒng)架構(gòu)思維邊界，匹配市場中海量存在的小帶寬、高品質(zhì)、低成本專線訴求，將品質(zhì)專線延伸至更廣泛領(lǐng)域，推動品質(zhì)專線邁入普惠新時代。

圖2 OSU封裝映射與傳統(tǒng)封裝對比示意圖

OSU技術(shù)有以下技術(shù)特點[4]。

（1）極簡的承載架構(gòu)。定義靈活彈性新容器（OSUflex），以2 Mbps顆粒為步長，不再受傳統(tǒng)ODU0（1.25 Gbps）顆粒度的限制，可以任意匹配SDH、PDH、ETH、存儲等幾乎所有業(yè)務顆粒種類?；赒uark交換架構(gòu)逐步收編多種承載技術(shù)，空間節(jié)省70%，能耗降低50%，簡化承載架構(gòu)，構(gòu)筑綠色生態(tài)，在保障業(yè)務品質(zhì)的情況下實現(xiàn)單bit傳輸成本最優(yōu)。

（2）泛在的全光聯(lián)接?；贏I時隙切片管理，實現(xiàn)N×2 Mbps帶寬管道，單波100 Gbps可提供1 000條業(yè)務連接，單根光纖可實現(xiàn)48萬個硬切片，業(yè)務連接數(shù)提升12.5倍，使能實現(xiàn)無處不在的光聯(lián)接，為萬物互聯(lián)的智能世界構(gòu)筑最堅實的全光底座。

（3）極致的業(yè)務時延。采用粒子染色技術(shù)實現(xiàn)精準尋址，簡化映射機制，減少處理層級，提供差異化分級時延，單站時延降低70%，可應用于時延敏感的業(yè)務場景，如金融交易、自動駕駛、工業(yè)智能制造、大規(guī)模數(shù)據(jù)中心協(xié)同計算等領(lǐng)域。通過光網(wǎng)大腦時延地圖提供業(yè)務時延的可視、可管、可控、可保障，在滿足極致業(yè)務體驗的同時，基于不同業(yè)務訴求提供更豐富的時延套餐，支撐其網(wǎng)絡時延資源的銷售和商業(yè)變現(xiàn)。

（4）無損的帶寬調(diào)整。內(nèi)置增強型Σ-Δ算法，支持2 Mbps～100 Gbps無極無損帶寬調(diào)整，端到端調(diào)整時長縮短至10 s以內(nèi)，100%網(wǎng)絡資源利用率，面向中小企業(yè)，甚至個人業(yè)務按需保障業(yè)務品質(zhì)。同時，還可滿足政企業(yè)務臨時性、計劃外的帶寬需求，通過“Pay as you grow”商業(yè)模式，實現(xiàn)精細化的帶寬資源管控，為更多企業(yè)客戶提供按需隨選的帶寬消費服務。

2.3.2 全光城市目標網(wǎng)架構(gòu)

依托OXC和OSU技術(shù)，網(wǎng)絡架構(gòu)從環(huán)形組網(wǎng)逐步變成Mesh化、立體化組網(wǎng)[5]，立體骨干架構(gòu)相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡環(huán)形遠路徑的繞遠，光交叉調(diào)度可以實現(xiàn)最優(yōu)路徑直達，有效減少電層中繼和多級映射，減少光電轉(zhuǎn)換次數(shù)，降低網(wǎng)絡整體時延和能耗，提升整體網(wǎng)絡效率和效能。

2.3.3 與傳統(tǒng)FOADM+ODUk調(diào)度的網(wǎng)絡架構(gòu)對比

通過創(chuàng)新的OXC技術(shù)和OSU技術(shù)構(gòu)建的全光目標網(wǎng)具有以下幾個關(guān)鍵特點：架構(gòu)極簡、光電協(xié)同，轉(zhuǎn)接效率最優(yōu)；全光調(diào)度、簡化封裝，網(wǎng)絡時延最優(yōu)；一網(wǎng)多用，綜合承載，提質(zhì)提效增收。下文從四個維度對全新目標網(wǎng)架構(gòu)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)進行對比。

2.3.3 .1 網(wǎng)絡可擴展能力對比

OXC通過架構(gòu)創(chuàng)新，將光層交叉能力從單模塊能力演進到整體架構(gòu)能力，同時采用類似于電層的支線路分離的方式，實現(xiàn)網(wǎng)絡擴維從設備級新增向插板式新增發(fā)展，極大簡化了擴維難度，可實現(xiàn)快速TTM。而OSU技術(shù)也將對小顆粒業(yè)務的支持規(guī)格大幅擴展，讓面向政企的專線市場的快速接入、快速新增業(yè)務成為了可能。

2.3.3 .2 時延對比

基于OSU/OXC的全光網(wǎng)絡可以提供確定性承載和穩(wěn)定的低時延保障。

（1）光層架構(gòu)最優(yōu)。光層一跳直達，架構(gòu)時延最優(yōu)。

（2）電層節(jié)點時延最優(yōu)。引入OSU，減少封裝層次，業(yè)務處理時延最優(yōu)。

（3）穩(wěn)定低時延?；贠SU/ODU的OTN是基于時隙復用技術(shù)的光網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，其設備處理信息的層級位于L1層，時延接近物理極限且可以承諾穩(wěn)定的時延值，與網(wǎng)絡負荷無關(guān)。

（4）低時延管控。通過傳送網(wǎng)管控系統(tǒng)和云網(wǎng)協(xié)同編排系統(tǒng)之間的協(xié)商，對網(wǎng)絡時延做優(yōu)化處理，對專線業(yè)務進行編排，提供最優(yōu)時延的專線服務。例如，支持提供站點間的時延數(shù)據(jù)，支持時延地圖功能；支持基于時延的業(yè)務優(yōu)化功能，對超出時延門限的業(yè)務進行優(yōu)化。按需部署OTN電調(diào)度節(jié)點，使能OSU硬隔離通道簡化封裝結(jié)構(gòu)，縮短單節(jié)點業(yè)務處理時延，使其從百微秒級別減少至十幾微秒級別。

2.3.3 .3 路徑繞接率對比

OXC設備相對于傳統(tǒng)的老光層平面，助力實現(xiàn)業(yè)務智能一跳直達，減少了復雜電光轉(zhuǎn)化，有效降低了傳輸時延。類似“高鐵”大站直達，無阻塞，超低時延。全光調(diào)度式“高速立交”可高效疏導業(yè)務流量，極大提升帶寬調(diào)度效率，大幅減少站點間繞路率，提升網(wǎng)絡調(diào)度能力。

2.3.3 .4 功耗和空間對比

OXC高集成度，一個槽位一個方向，OXC設備數(shù)量少，省機房空間，且業(yè)務調(diào)度維度越多，優(yōu)勢越明顯，一次建網(wǎng)，十年無憂。河南4個典型地市經(jīng)過OXC改造后，如表1所示，站點機柜數(shù)減少8個，占用空間減少50%；整體功耗降低67%；架內(nèi)跳纖減少22%。

表1 河南4個典型地市OXC改造前后機房空間、功耗和連纖對比

3 結(jié)束語

在國家大力發(fā)展雙千兆的大背景下，本文從分析骨干和政企的需求入手，依托最新的OXC和OSU技術(shù)進行全光基礎(chǔ)網(wǎng)的構(gòu)建和探索，使能全光城市，取得了提升網(wǎng)絡擴展能力、提升網(wǎng)絡效率、降低時延、降低機房空間和功耗的效果。當前通信技術(shù)還處在快速發(fā)展中，4K/8K、AR/VR、在線云游、在線教育、元宇宙等新業(yè)務新應用不斷涌現(xiàn)，未來全行業(yè)仍需攜手合作，持續(xù)進行網(wǎng)絡創(chuàng)新，支撐新業(yè)務發(fā)展?！?/p>