基于OXC的光电联动全光网组网方案研究与实践

  0 引言

  随着5G、云计算、大视频等业务的发展，多样化的业务需求和爆发式的流量增长对传输网络提出了更高的要求和挑战，传统以电交叉为主的光传送网(Optical Transport Network，OTN)网络很难满足日益增长的业务调度需求。随着可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)、集成式光交叉(Optical Cross-Connect，OXC)技术的发展和成熟，光网络可满足大容量、远距离传输和灵活调度，为传送网由传统的电交叉为主的OTN网络向以光交叉为主、电交叉为辅的光电联动全光网转变提供了技术基础[1]。光电联动全光网的核心是光电协同管控技术，光电两层需实现深度融合、协同管控才能够充分发挥光电两层技术的特点和优势，实现网络资源和运维效率的优化。本文首先介绍了全光网技术特点，之后分析了全光网中电交叉的必要性，并给出光电联动全光网组网方案以及管控方案，最后介绍了光电联动全光网具体应用场景和案例，分析了光电联动全光网中光电两层具体协同机制和对现网运维的价值。

  1 光电联动全光网技术特点

  现有光层技术虽然具有超大交叉容量、低功耗、低时延、速率无关等优势，然而缺乏子波长颗粒调度、信号再生、波长转换等能力。目前，OTN网络客户侧端口包括GE、10GE、100GE，另外OTN专线网络还需要接入STM-1、STM-4、STM-16等同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)业务[2]，业务带宽与单波长线路带宽差距较大，若端到端通过全光波长承载，将造成大量的带宽浪费，资源利用率较低，需要在汇聚层通过电交叉进行业务汇聚。另外，干线传输网络需满足全国范围内端到端传输，目前满足工程需求的100G系统最大传输距离约1500 km，200G最大传输距离为1000 km，需设置电中继站点才能满足干线网络传输距离。

  相比而言，电层技术维护开销丰富，具备倒换速度快、子波长灵活调度、信号再生、波长转换等能力，在当前OTN网络中已充分发挥了电交叉技术的特点及优势。但电层调度存在容量受限、功耗大、时延大等缺点，以电交叉为主的组网模式难以满足下一代传输网络大容量、低时延、低功耗的需求。

  结合光层和电层技术特点，光电联动全光网是干线传输网的演进方向。考虑到光层技术能力限制，需在有小颗粒调度、信号再生、波长冲突的节点部署电交叉能力。同时，在管控层面需引入光电两层协同机制，实现光电深度融合的光电联动全光网。

  2 光电联动全光网节点设备实现及组网方案

  2.1 OTN电交叉关键技术

  OTN电交叉技术采用等长的OTN信元交叉方式，先将OTN业务数据分成标准信元，通过交叉芯片对信元进行交叉调度到对应方向，然后重新封装为OTN业务数据并传送到下一节点。

  传统单子架OTN电交叉系统由OTN业务接入模块、切片(Segment)模块、信元交叉(Fabric)模块、重组(Regenerate)模块和OTN出口模块组成。OTN交叉系统可通过多平面Fabric级联来扩展交叉容量，目前可实现的单子架OTN最大交叉容量为64 Tbit/s[3]。受到设备集成度、功耗、机房散热等限制，单子架OTN交叉容量难以进一步提升。

  为满足交叉容量进一步提升的需求，业界提出了集群OTN交叉技术。集群OTN交叉技术是把多个单子架OTN交叉设备互联起来，形成集群OTN交叉系统，以便提供更大的交叉容量。集群OTN交叉系统的交叉原理与单子架OTN相同，但增加了交叉层级，信元先在本业务子架交叉，如需跨子架交叉，应先交叉到中央交叉子架再进入其他业务网元交叉，然后经过信元重组映射到ODU封装。集群OTN交叉系统设备实现方式为在OTN子架上的交叉板卡上增加专用于子架间互联的光接口，通过专用光纤和光模块将两个子架之间或多个子架与中央交叉子架之间的交叉专用光接口进行连接。集群OTN交叉系统将站点内多个孤立的OTN设备的交叉能力池化，形成共享资源池，满足多维度、大容量、高灵活组网需求，同时可以有效分散单节点功耗，提高可靠性。

  2.2 集成式光交叉关键技术

  由于光存储、光处理、波长转换等关键技术还不够成熟，现有光交叉技术主要是采用波长选择交叉开关或空间光交叉开关的光线路交换技术。光交叉设备主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等模块组成。光交叉已发展为集成式光交叉，如图1所示，集成式光交叉以光背板技术为核心，分别采用硅基液晶、高密度光连接器、数字化光层等关键技术，可大大减少单板堆叠，免除板间连纤，实现单板即插即用，提高系统的可靠性，构建更高维度全光交叉互联[4]。

图1 基于光背板技术的集成式OXC技术示意图

  光背板采用类似电路印刷的方式将多组带状光纤封装在聚合板材中，实现了N×N的光纤连接网，支持光线路之间、光线路和光支路之间的互联，大大降低了人工连纤任务和难度。光波长选择开关器件是实现波长交叉功能的关键器件，近年来硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)技术应用于光波长选择开关技术中，利用在液晶上施加不同电压来改变液晶折射率，产生不同的空间衍射方向，具有高纬度、高性能、灵活栅格的波长交叉能力，目前可实现32维波长交换[5]。高密度光连接器技术实现光背板和光波长选择开关器件的可靠连接，可以实现光连接器间微米级高精度对准，闭合式防尘门有效阻挡灰尘，采用灰尘不敏感的接口技术，进一步降低灰尘的影响。数字化光层技术实现高效管理。管控系统利用波长跟踪、光纤质量监控等数字化技术，对光背板、光支路单元、光线路单元等实现数字化监控，实现波长信息可视及高效光层运维。

  2.3 基于OXC的光电联动全光网组网

  基于OXC的光电联动全光网组网方案综合考虑电层、光层两种调度技术，引入光层OAM、SDN管控机制以协同电层调度和光层调度。光层实现波长级业务调度，电层实现小颗粒业务汇聚、再生或波长转换，光层和电层互相配合，可实现大规模高灵活性Mesh化组网，优化了传输路径，提升了动态保护恢复能力。

  在干线范围内，可根据距离或业务量划分区域，区域内连接以光层直通为主;设置部分域间对接节点，集中进行电层调度和波长变换;在必要的位置合理部署电交叉功能，满足长距离传输需求;城域汇聚节点，应具有电交叉调度能力，实现小颗粒业务汇聚整合。

  3 全光网光电联动技术实现方案

  3.1 总体架构

  光电协同管控对现有光网络运维体系和管控平台提出了新的挑战。在光网络传统的配置下，光层波长连接路径、业务上下节点、中继节点等均为人工规划，传输领域动态调度均在电层通过OTN管控实现。在引入OXC和光层动态管控技术后，光层具备了波长级资源调度能力，但OTN电层管道调度机制和业务控制流程并未改变，光层管控仅用于光波长连接的资源调度，代替了原有的人工单站配置，波长路径仍然由人工规划。同时，传统的OTN网络管控平台主要的功能逻辑均基于电层调度实现[6]。近年来，管控系统在电层调度的基础上逐步引入了基于OXC的光层调度能力。虽然光电两层管控功能被整合在同一套系统上，但两层网络分别独立进行调度和管控，光层和电层调度策略之间并没有有效的协同机制。此外，光电两层数据库缺乏有效关联，导致光电协同功能缺少数据支撑，无法实现光电高效协同。

  为进一步提高全光网业务开通速度、提升运维效率，需要定义自动化的光电协同管控方案，实现光电管控深度协同，统一调度，推动光电混合全光网由原本光电分别独立控制的两张网络演进为光电协同管控的一张网络(见图2)。

图2 光电协同管控促进网络向光电联动一张网演进

  (1)运营商应在业务开通、资源调度流程机制中，引入光电协同动态调度机制。例如，在光网络规划阶段，可在光交叉节点预留部分波长资源，不进行预先规划，用于动态创建光波长连接，推动现网运维由传统的纯人工规划光波长连接逐步向基于光电协同策略的波长自动配置演进。

  (2)需促进光电混合光网络管控系统支持并完善光层管控功能及资源调度能力，光层和电层资源调度(例如路由计算、业务开通等)应由统一的功能逻辑或代码实现。管控系统应支持基于业务请求直接打通光层和电层连接、通过光层实时调度策略实现故障业务动态恢复等功能。

  (3)光电混合光网络管控系统数据库需进行相应的升级改造，在数据库表中需增加光层和电层资源关联属性字段，支撑光电协同功能逻辑高效获取光电两层资源关联关系。

  3.2 光层OAM方案及机制

  在传统的OTN技术中，电层支持多级开销能力，G.709中详细定义了电层开销的类型及帧结构，可提供丰富的带内开销信息。对于光层开销，目前标准只定义了标识与告警指示的定义、承载方式，没有对帧结构进行详细定义。在实际的系统运行过程中，主要使用电层开销，光层开销机制未被有效利用，只有将业务下路到电层才能读取开销信息，在全光传输过程中随路开销则无法发挥作用。

  为了进一步提高全光网运维效率，引入光波长调顶机制，实现光层波长随路操作维护管理(Operation Administration and Maintenance，OAM)。基于光层OAM，使光电混合全光网具备电层 OAM与光层OAM结合的能力，发挥光层智能运维和调度的作用。

  如图3所示，在光电融合交叉设备的发送端，即每个OTU的输出端，加载低频调顶信号，调顶信号频率与信号波长一一对应，实现波长级调顶OAM。在光电混合全光网中各个节点设置检测点，实现调顶信号检测，在光信号波长经过的各个节点均可检测开销，从而识别信号波长的各种关键特征信息。

图3 光层OAM实现原理

  3.3 光电协同管控方案

  在光电协同全光网中，由管控系统进行总体策略控制，同时在转发层面结合电层开销、光监控信道(Optical Supervisory Channel，OSC)、光调顶OAM等3种开销机制，实现光电两层高效协同。其中，光电混合设备之间通过转发层开销交互/传递相关配置、资源信息，管控系统应进行集中式逻辑计算，并将配置策略下发至光电混合设备。

  在转发层，通过多级开销分工协同，实现将配置命令下发至节点设备(见图4)。电层开销继承G.709标准全部开销功能，提供丰富的子波长管理、监控，针对小颗粒连接;OSC用于实现节点设备之间的管控信令通路，实现链路级的光层监控;光层OAM实现全程波长级状态监控、本地波长识别调度、波长级路由标签转发等功能。

图4 管控系统与多级开销协同实现光电联动

  4 全光网智能管控功能应用实践

  4.1 现网应用实践

  为了更好地满足高价值专线业务需求，中国移动建设了一张“高可靠、高安全、高效率和低时延”的政企专网，网络规模覆盖国内31个省级行政区域，132个城市节点，由近1000端OTN设备组成，构建了基于OXC的光电联动全光网架构，结合100G/200G高速传输技术，通过集成式OXC的光层调度实现波长级业务调度，通过大容量OTN的电层调度实现任意颗粒子波长级的交叉调度。

  中国移动政企专网引入SDN管控机制、 光层OAM以及光电协同调度。在网络节点方面，实现了统一整合，电子架节点与光背板OXC节点视为同一节点设备进行管控;在组网能力方面，光层具备了CDC-F、灵活扩维能力，使得政企专网具备较高的可扩展性和可调度能力;在管控方面，具备对于光层和电层资源的统一调度能力，能够实现跨层业务/连接路由计算，支持跨层业务一键开通、波长冲突自动变换、自动配置中继等功能;在业务服务质量方面，通过光电协同提升业务可靠性，并可提供多样的差异化服务等级。

  4.2 光电协同业务控制

  在传统的OTN网络中，业务开通方式通常为：光层光波长连接预先规划或配置，基于光层波长连接拓扑计算电层路由。资源调度基于电交叉，因此需要占用大量电中继资源，光层波长传输距离往往较传输极限较远。

  如图5所示，引入光电协同路由计算后，可基于光电两层统一拓扑计算路由，电层拓扑继承光层拓扑属性(如距离、时延等)，基于路由计算结果，自动判断是否存在可用光路;若无可用光路，可直接驱动光层新建光路，在传输性能满足的前提下，实现光层一跳直达。在创建波长连接时，若指定的波长被占用，可在支路板自动切换波长;同时，基于转发面OSNR计算可达性，根据可达性信息自动选择、配置电中继节点。基于光电协同业务开通，在同等业务量下，可大幅减少电中继的资源占用，提升业务的转发效率，增强全光网的灵活性。

图5 通过光电联动实现光层直通路由

  4.3 光纤链路自动识别

  在实际网络运行期间，各站点存在大量的人工连纤，不可避免地造成部分光纤错连。由于传统的全光网缺乏有效的波长标记和识别机制，因此人为原因造成的光纤错连或配置差错很难被管控系统识别，需消耗大量人工资源进行排查。通过引入光层OAM，并在开销信息中携带波长和路径信息，可在光交叉节点进行波长路径校验，从而识别光纤连接是否正确，具体方案如下。

  (1)光波长路径由集中式管控系统计算，并下发至各个节点。

  (2)光波长发送端，在调顶信号中写入波长路径。

  (3)在各个节点，校验波长信号开销中的波长路径，若波长路径中包括本地节点，表示波长前序光纤连接正确，若波长路径中不包括本地节点，则表示前序光纤连接与管控系统中的逻辑拓扑不一致。

  (4)检测到波长路径不一致的节点向管控系统发送光纤错连告警，管控系统可根据发送告警的节点，判断光纤错连发生的具体位置。

  如图6所示，针对由于人为原因造成光纤错连或逻辑拓扑录入错误，导致波长路径与规划路径不一致，管控系统实时在管控系统显示告警，并展示原规划路径和实际路径，从而精确定位光纤错连位置，快速处理，提高运维效率。

图6 光纤错连原理示意图

  4.4 光电协同故障定位

  如图7所示，当光电混合全光网络设备或线路发生故障时，将产生大量的衍生告警，其中包括设备原生告警、链路衍生告警、业务衍生告警等[7]。大量告警不但造成系统间信令通信阻塞，且需要运维人员花费大量时间查找根因告警。

图7 故障协同定位原理示意图

  通过光层OAM中的光发送端性能等信息，可自动分析、定位光层根因故障。例如，当收端OTU功率劣化，通过开销检测功率，可判断单波劣化问题点;当全部波长发生故障，可判断光纤线路故障。通过光层OAM协同故障定位，可定位故障类型包括主光路中断、主光线路劣化、单波线路中断、单波线路劣化、光模块故障、单板故障等。通过光层OAM进行自动告警定位，代替人工排查，可快速、高效地定位故障，提高网络运维效率，故障工单数下降约50%，告警压缩率可达90%。

  4.5 光电协同保护恢复

  传统的OTN网络分别在光层提供了OLP保护和SNCP保护，同时可以在电层进行预置和动态重路由恢复[8]。通过光层智能控制，在光电混合全光网中引入光层恢复机制，结合原有光层OLP保护、电层SNCP保护和电层恢复，可实现更多光电协同保护恢复组合，提供更丰富的差异化保护恢复等级(见表1)。

表1 光电协同保护恢复机制汇总

  通过配置光层恢复+电层保护协同，可实现业务永久1+1保障(见图8)，通过光层恢复机制代替传统的电层保护路径计算，可减少永久1+1业务资源占用，在保证业务抗多次故障且中断时间小于50 ms的情况下，相较于电层永久1+1大幅降低网络资源占用。

图8 通过光电协同实现资源高效利用

  传统的1+1保护在出现故障后，一方面需要恢复业务，另一方面需要重新计算并占用端到端资源，在多次故障的情况下，占用的冗余资源成倍增长。在引入光层恢复后，当工作路径发生故障时，首先通过电层保护实现快速倒换，之后在原工作路径进行光层恢复作为备用路径，无需重复占用端到端资源。在多次故障情况下，通过光电协同实现永久1+1相对于传统永久1+1保护，节约资源占比如图9所示。

图9 光电协同保护节约资源占比

  5 结束语

  本文介绍了基于OXC的光电联动全光网技术架构，并结合现网实际情况分析了组网需求、应用部署原则，提出通过集中式管控系统与光层OAM、电层开销协同，实现了光电联动的技术方案，以及业务快速开通、故障快速定位，提高了网络运维效率和资源利用率。关于光层OAM具体实现、光电协同管控更多扩展功能以及如何在光电联动全光网中引入AI分析能力，还需要进一步深入研究分析，并结合测试验证，给出下一步演进建议。

  参考文献

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  作者：李允博、赵阳、孙将、柳晟、王东、张德朝、李晗