傳送網交叉連接技術的發展和應用

2019-11-03 09:06:59

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

葉胤陳雄

廣東省電信規劃設計院

　　摘要本文分別介紹了電交叉連接和的光交叉連接技術的發展情況，分析并展望了各種交叉連接技術在將來傳送網中的應用。

　　關鍵詞 DXC 光交叉連接傳送網

　　傳送網絡節點在技術進步的推進以及運營商為提高效率和服務水平的驅動下，正經歷著從：人工手動調度→網管下的部分自動調度→全網智能化自動調度的跨越式發展。自動交換光網絡（ASON）的概念一推出就受到運營商和設備生產商的廣泛認可和積極支持，在傳統的傳送網中引入動態交換的概念是傳送網技術的一次重要突破，使傳送網具備了自動選路和管理的更高智能，ITU-T已經對ASON制定了初步的體系結構，預計這一結構在2003年內將能有較大的完善。各種交叉連接技術在網絡節點的應用是實現傳送網智能化的基礎。

　　1 電交叉連接技術的發展

　　目前傳送網絡主要采用SDH技術，已有的PDH系統正逐步退出骨干傳送網。典型的SDH網絡結構是由若干ADM節點組成的保護環，在缺乏物理路由時采用鏈型結構。由于設備具有一定的交叉連接能力，可以方便地配置在整個環網的通路。傳統的SDH系統只能支持單TM或ADM，主要完成業務支路接口業務到線路接口的復用和傳送功能，業務調度能力弱，跨環的轉接業務傳統的ADM設備一般無法調度，一般采用落在數字配線架上由人工完成，或者通過單獨的SDH數字交叉連接（SDXC）設備轉接。

　　SDXC核心大多由多級交換矩陣級聯組成，最基本單元為空分矩陣和時分矩陣，支持單向、雙向、廣播式、環回、分離接入等交叉連接方式。SDXC設備一般可以提供多種子網連接保護、路徑保護方式以及網絡恢復。典型的SDXC有 3類：類型I（SDXC4/4）該類型設備僅提供高階通道（VC-4）的交叉連接；類型II（SDXC4/1）該類型設備僅提供低階通道（VC-12、VC-3）的交叉連接；類型III（SDXC4/4/1）該類型設備既提供高階通道（VC-4）和低階通道（VC-12、VC-3）兩種交叉連接。

　　目前，新一代的SDH設備可以融合高集成度大容量的同步交叉連接矩陣，使在同一套系統中多個ADM集成在一起，對ADM之間的業務進行靈活的調度，從而構成多ADM設備（MADM）。由于引入了SDXC方式的交叉連接矩陣，各接口槽位兼容性強，支路接口盤和線路接口盤可以混插，設備業務接入和業務調度的靈活性得到極大的提高；節點可以進行多個環和鏈的集中調度，支持環帶鏈、相交環和相切環等復雜的組網方式。另一方面，傳統的SDXC設備已逐步演變為能支持多種速率的SDH線路接口，并支持SDH的環保護，還可接入多種數據適配接口，并提供VC-12-nC和VC-4-nC的級聯交叉能力。兩類產品演化后沒有了本質的差別，而只是以交叉連接矩陣為核心，這樣可根據不同的應用條件采用不同的配置，極大提高了SDH的組網能力。

　　在SDH體制中最大的互通帶寬顆粒是VC-4，如果兩個路由器以2.5Gbit/s的速率互連，則要以16 個VC-4級聯的方式通過SDH網絡。在ITU-T G.709定義的光傳送網中，OTN采用數字包封的方式不僅完全兼容SDH，而且還為其他各種業務提供了基于ODU1（2.5Gbit/s）、ODU2（10Gbit/s）和ODU3（40Gbit/s）的大帶寬顆粒。OTN和SDH的接口結構見圖1，不同速率ODU之間還可以有時分復用（TDM）功能。一些廠家已在開發基于OTN的ODU級別的電交叉連接設備。

圖1 OTN和SDH的接口結構

　　多年來，通過集成芯片密度和性能的改進以及采用光電光（O-E-O）的方式來提高核心交叉容量，使得DXC設備的容量一直在擴大，目前交叉能力已達幾百Gbit/s。采用了垂直腔面發射激光器（VCSEL）陣列技術以及高密度光背板整體設計，許多廠家的交叉設備可通過增加一級級聯矩陣，使總交叉容量可擴展到幾個Tbit/s，這一等級的容量在幾年前被認為是難以實現的。

　　其中，據稱北電的OPTera HDX設備可在線支持1.28Tbit/s的接入容量，實際最大接入容量為3.84Tbit/s，其中核心交叉矩陣能力為4.8Tbit/s。阿爾卡特的1674 Lambda Gate設備可以在155Mbit/s的等級上提供高達2.56Tbit/s的交叉能力，增加在ODU2光接口速率基礎上的交叉能力后，總共可提供3.2Tbit/s的接入容量。其他廠家商用大容量（光）交叉機產品還有：朗訊的Lambda Unite、Sycamore的SN16000、CIENA的CoreDirector等，國內廠商華為也已計劃推出它的Optix OSN9500。上述設備生產商正致力于把基于ASTN/ASON的控制平面技術應用于其大容量傳輸設備中。

　　2 光交叉連接技術的發展

　　由于大容量DXC系統結構非常復雜，系統開發和改進的速度要慢于半導體芯片性能的改進，并且逐步接近電子速率極限，升級代價越來越高，在未來難以跟上網絡傳輸需求的持續增長。目前商用系統中，一對使用WDM技術的光纖鏈路速率可達到Tbit/s級別，作為匯聚多個方向多條傳輸鏈路的樞紐節點，現有的DXC設備是無法支持未來節點的容量要求的。

　　今后，不消除節點電瓶頸是無法真正實現網絡寬帶化的，因而在光層面上引入光分插復用器和光交叉連接器等傳送節點是唯一可行的傳送節點擴容手段。光交叉連接技術（OXC）的研究工作已進行了很多年，但目前仍處于現場試驗和小規模試用階段，只有美國朗訊公司和Corvis公司的設備有了實際應用。OXC的主要優點是容量大、體積功耗小、業務透明性好、結構相對簡單。

　　光開關從原理上主要有三類，電光開關，熱光開關以及光機械開關，其中以微電子機械開關（MEMS）的新型光開關顯示出巨大的發展前途，這是一種將自由空間互連與硅基單片集成技術相結合的新技術，基本原理是通過靜電的作用使微鏡面發生轉動，從而改變輸入光的傳播方向。值得一提的是三維的MEMS光開關，這種機電一體化的開關器件集成度高、損耗小、矩陣規模大，通過對微鏡閉環控制技術的改進，有望成為今后實現大型OXC的主要開關技術。

　　從在網絡節點處是否進行波長轉換可以將OXC分為兩類，如圖2(a)和(b)分別所示：波長轉換交叉連接（WIXC）：有波長轉換情況下的光交叉連接，適用于全程虛波長路徑（VWP），組網靈活性和波道利用率都比較高，缺點是成本較高。波長選擇交叉連接（WSXC）：在沒有波長交換情況下的光交叉連接，將輸入光纖中任意波長交叉連接到使用相同波長的輸出光纖，適用于全程波長路徑（WP），組網成本低，但選路和波長分配復雜，存在波長阻塞問題。這兩種波長交叉節點結構如圖2 所示。

圖2 兩類光交叉連接節點結構

　　現有干線網絡建設的WDM系統基本為開放型點對點系統，傳輸鏈路部分是有O-E-O的光轉換單元（OTU）的，所以一種現實的方式是增加的全光交叉節點可以不用另加波長轉換，整個節點可以進行虛波長的WIXC，但通道將不是透明的。

　　美國朗訊公司采用MEMS技術實現了256×256的全光交叉連接器，開發了WaveStar LambdaRouter設備，據稱可節約25％的運行費用和99％的能耗。北電網絡收購了美國Xros公司后開發了OPTera Connect PX設備，利用兩個相對放置的各有1152個微鏡的陣列實現1152×1152的大型光交叉核心。但是現有的全光交叉連接設備為了保證信號的質量和實施監控，在接口處仍然增加了光電光轉換，整個設備的成本難以下降。

　　現在基于二維MEMS技術的32×32光開關已有較成熟的商用產品，可以實現小容量的WSXC節點，并且通過多個開關模塊的級連可以實現較大型的光交叉矩陣。實現光交叉連接設備還有很多實際問題，如性能價格比、可擴展性、穩定可靠性、控制和保護恢復等問題需要進一步解決。OXC設備未能真正大規模大規模商用，缺少波長級別的業務需求驅動也是一個原因，特別是2000年以來，以北美為首的網絡泡沫的破滅，使整個通信產業都陷入了困境，大多廠商已經暫時停止了全光交叉連接設備的生產，許多大的通信廠商把力量集中在電交叉核心的大容量交叉設備；為區分真正的光交叉機，在提法上常將采用OEO大容量電交叉核心的稱為OXC設備，而采用全光交叉連接核心的稱為PXC（photonic cross connect）設備。

　　3 交叉連接技術的應用

　　如果從交叉連接的顆粒等級來分，從大到小可以為光纖、子波帶（一組連續的幾個波長）、波長（或以ODU形式）、高階數字通道、低階數字通道等，這些都被納入到GMPLS協議族中統一用戶平面控制的最終目標。電信運營投入巨大，完全實現下一代智能光網絡需要巨額的資金，新業務是逐步的引入的，運營商不可能也沒必要另建新網，根據實際需求將網絡演進，那些可以給經營帶來直接好處的技術將首先得到采用。以上不同的交叉顆粒和容量以及方式適用于不同的應用和發展需求。

　　低階數字交叉連接：SDXC4/1類型設備目前應用于以話音業務為主的網絡，主要在大本地網中本地端局到匯接局之間以及干線網中兩級長途匯接局之間進行2Mbit/s電路的疏導和歸并。隨著傳輸網能力的增加、成本的降低以及傳統電路交換網向軟交換網的演進，節點對低階交叉能力的需求正逐步減少。

　　高階數字交叉連接：智能化SDXC4/4類型設備應用于傳輸樞紐型節點，主要對跨環通道以VC-4為單位進行靈活調度，并提供保護和恢復，是目前SDH傳送網走向網狀聯網的核心設備，在干線網和本地網都有著廣泛的應用。下一代網絡面向的將主要是采用ip技術分組化的業務，數據網絡需要的是Gbit/s級的傳輸通道，雖然大容量的SDH交叉連接設備也能滿足一段時期容量的需求，其實現成本也是很高的，以VC-4為單位的交叉節點在未來將逐步退出網絡核心。但由于寬帶的數據業務成為主導業務還需一段時間，預計在3~5年內，155Mbit/s仍將是一個比較適中的連接速率，在已有大量155Mbit/s電路的傳輸樞紐局部署大容量交叉設備，能夠很好地優化傳送網絡結構，并通過ASON技術實現網絡智能化，滿足近期網絡發展的需要。

　　ODU電交叉連接：適應網絡容量的擴大和寬帶數據業務對大帶寬顆粒的調度的需求，在全光交叉設備性能價格比預計沒有很大提高的情況下，近期可和VC-4級別的交叉功能結合進行組網，優勢互補，應用于容量需求較大的核心傳輸樞紐局。ODU電交叉連接是向OTN演進所必需的，即使全光交叉技術廣泛應用，在相當長的一段時期內，各全光子網的邊緣還是需要ODU電交叉連接功能，但是到那時ODU電交叉節點的核心地位將被全光交叉節點所替代。

　　全光交叉-WIXC：如果傳輸鏈路部分省去O-E-O的OTU或者其它波長轉換方式，網絡的成本可以很大降低，但是全光的3R以及波長轉換技術還遠未成熟，面向長途網的各種傳輸損傷積累無法通過純光學的手段全部消除，鏈路設計十分困難?，F有干線網絡已大量存在采用OTU的開放型WDM系統，新建系統大部分波道還未使用，并且干線網對波長透明性要求不高，采用全光交叉核心+OTU接口，以增加光電光轉換的方式實現WIXC節點，適用于干線傳送網。

　　全光交叉-WSXC：具有很大的成本優勢，由于長途傳輸損傷積累的問題，WSXC節點很可能在距離較短的城域網中首先實現；城域網業務具有多樣性，對傳送網的透明性也有一定的要求，全光交叉能很好滿足這一點；并且目前城域中WDM系統并沒有廣泛使用，沒有運營商為保護已有投資的進入障礙。為避免波長阻塞問題，全網設計時還有必要在部分節點增加少量的波長轉換功能?？紤]到技術的成熟度和成本，全光交叉設備首先會以OADM結構得到應用，由于OADM的調度能力有限且不易擴展，適用于城域匯接層的組網。

　　4 結束語

　　從決定傳送網技術在我國應用的整個電信環境變化上，可以看到以下兩點變化：傳輸網帶寬的需求并非是幾年前認為的 “爆炸性”的增長，而是以每年40%~80%左右的比率提高，以數據業務為主的通信業務增長受限的不是傳送網絡，而是業務應用以及接入手段。原電信分拆后新網通、電信南北各自補網，并且聯通、移動、鐵通等各大運營商已經或正在建設各自的干線網、本地/城域網，不久將形成幾張基本重疊的傳送網絡，總的業務將由多個傳送網絡分擔。

　　基于以上以及其它方面因素的綜合考慮，初步預計在3年以內，以VC-4為基本顆粒、支持ASON控制平面、基于電的大容量交叉設備將在我國干線網和本地網/城域網的核心層得到比較廣泛的應用，網絡整體性能將得到極大的增強；同時， OADM以及小容量的PXC設備也將在城域范圍逐步開始商用。大容量、智能化的全光交叉設備預計在今后的3~5年才可能得到應用，在干線傳送網中節點還將保留光電轉換，要實現透明全光子網預計還要更長的時間。

作者簡介：

　　葉胤：網絡規劃與研究所工程師，2000年畢業于南京郵電學院，碩士；主要從事傳輸網絡的規劃和研究工作，參與過多個運營商的干線網、本地網的網絡規劃工作。

　　陳雄：傳輸通信設計所工程師，碩士；負責過多個干線網、本地網的WDM、SDH等傳輸工程設計工作。

----《電信工程技術與標準化》