基于OXC技术的传送网研究与应用

  0  引言

  随着5G、数据中心等新基建的推进和产业数字化的加速，光纤通信作为信息通信网络的基础承载，其优势备受关注。目前，由于光层处理能力受到限制，在光分组交换、光突发交换等方面没有特别实质性突破，全光网的组网，整体上也是处于发展的初级阶段[1]。国内云运营商继续加速布局，作为基础传送网，面临设备容量不足、网络结构待优化、调度灵活性不足和机房空间、动力资源出现瓶颈等问题。可重构光分插复用（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，ROADM）技术虽然解决了OTN系统电交叉能力不足的部分问题，但板卡间复杂的手工连纤和调度不灵活问题仍较为突出[2-3]。光交叉（Optical Cross Connect，OXC）作为近年出现的新一代技术，基于硅基液晶的第三代WSS模块，可采用光背板连接方式实现设备光交叉连接能力的大幅提升。本文对ROADM技术与OXC技术进行了比较，对传统OTN传送网进行了综合分析，创新了基于OXC技术的粤港澳大湾区全光交叉网络应用。

  1  全光网络技术研究

  全光交叉节点作为全光网络的基础网元，其具体结构如图1所示。其中基于波长通路的光交叉连接目前主要采用 WSS 器件组合实现，基于端口的光交叉连接基于光开关矩阵实现，前者是目前全光网络应用的主要类型。ROADM由于其架构设计的特点，通过单板的堆叠来进行系统的搭建，导致机房空间占用大。结合线路、上下路等不同功能需求，ROADM可构成多种不同功能的全光网络节点，如CD（波长无关、方向无关）、CDC（波长无关、方向无关、竞争无关）、CDCF（波长无关、方向无关、竞争无关、灵活栅格）等不同架构。ROADM的上下节点和再生中继节点均要进行复杂的大量的手工连纤，系统连纤的复杂度及工作量随着调度维度的增高而增加，连纤错误风险高，且连纤耗费时间长，对后续的运维提出很大挑战。OXC技术与ROADM技术、OTM技术的对比如图2所示。

图1  全光交叉节点基本结构

图2  OXC技术与现有技术

  全光交叉OXC技术能实现单板的高度集成及即插即用，可使大颗粒业务的交换效率得到高效提升，具有超低时延、超大容量的特点，并采用国际领先的全光背板技术实现多维度或多级导向的高可靠内部可控连接。相比传统ROADM技术，OXC技术具备两方面优点。一方面，OXC参考电层线路与支路分离的模式，对本地光层线路侧模块与业务接入侧模块进行分离，从单模块交叉能力演进到整体架构的交叉能力，大幅简化了扩维的难度，支撑光交叉能力向更高的维度进行演进；另一方面，OXC采用了极简的架构设计，运用集成式的光背板来构建全光交叉的资源池，免除了单板间复杂的连纤，使得单板可以即插即用，大幅降低了运维的难度[4-5]。光交叉连接如图3所示。利用OXC技术，在波长粒度的交叉调度应用之外，可通过光开关矩阵实现高维度端口的交叉调度应用，比如320×320 端口调度等，大幅提升光交叉连接智能调度能力。同时，相比传统 ROADM，OXC技术可对光功率、光波长、OSNR、光路径等信息进行在线检测，实现波长级的业务路径可视、快速识别波长信息资源、排查错误的波长路由、全面梳理及规划波长等应用场景[6-7]。

图3  光交叉连接图

  2  全光传送网驱动和分析

  2.1  构建全光网络的驱动力2.1.1  现有网络存在的问题设备容量不足：随着业务流量的急剧增长，网络中最大节点交叉需求已达200 T，而电交叉技术节点容量为12.8 T，采用集群技术后也只能达到102.4 T，难以满足业务发展的需求。组网架构问题：业务需求虽然是网状连接，但受限于设备交叉能力，前期OTN网络架构以环网为主，环接环，环套环，造成绕行路径长、反复背对背连接，造价高、时延长等问题。调度灵活性问题：前期采用FOADM技术（固定光分插复用），电路连接靠ODF（光纤配线架）人工跳纤实现，调度不灵活，电路需人工进站连好，才能在网管上开通。空间及电源占用大：由于设备容量限制，为完成大业务量的疏导，只能采取多套设备叠加的方式组网，机房空间和电力资源占用大，建设遇到瓶颈。

  2.1.2  业务需求驱动流量增长需求：目前在局部省份的传送流量平均年增幅高达49%，业务带宽大幅提升，原有基于电的多机箱组合的组网方式难以为继，网络投入大。业务连接复杂，电路需灵活调度：目前CMNET、IDC、核心网等面临业务点多、面广。在实际中，存在超2 000 个连接局向的地区，其连接局向近700 个，连接局向多，连接关系复杂。云化趋势驱动网络重构：国内政策和通信运营商5G应用和云战略布局提速，边缘云、云网接入、云互联和云调度等需传送网具备更加安全、更低时延和更大带宽的网络保障，驱动传送网以中大型数据中心和边缘云计算为中心进行网络重构。

  2.2  全光网络创新规划现网存在的主要问题以及业务需求，驱动全光网络的规划创新。目前可以从现网的架构、云战略、边缘计算的下沉以及智能化的演进等方面出发，尝试构建全新的全光网络。

  2.2.1  粤港澳大湾区全光网络规划建设总体思路（1）对于前述的设备容量不足及流量增长需求，大湾区全光网络通过采用大带宽技术，单波道带宽由100G提升至200G，采用C波段扩展，系统波道数由80 波提升至96 波，来提升单纤承载容量。

  （2）对于现网环形组网架构存在的问题，引入OXC技术提升单节点交叉调度推动网络架构由二维的环形向多维的MESH演进。

  （3）云战略和边缘算力持续下沉部署，粤港澳大湾区采用全光网扁平化、MESH化组网架构，并根据业务需要建设低时延直达路由。

  （4）开展传送网的网络云化和智能化演进，完善和推动传送网的管理、调度、开通和智能运维分析。按上述规划主思路，粤港澳大湾区全光网实现省内干线OXC核心调度系统与湾区城市的全面部署，形成MESH化的全光传送网络拓扑。粤港澳大湾区全光网总体拓扑如图4所示。

图4  粤港澳大湾区全光网总体拓扑

  2.2.2  创新传送云，构建光层及电层资源池广东移动大湾区全光网创新传送云的应用，采用OXC设备构建光层资源池，采用OTN集群技术构建电层资源池。

  （1）光层资源池采用OXC技术，将单节点多个光方向维度的光层设备，集成到一套OXC设备，任意波长可以调度至任意方向，构建了多维度的光层波长级资源池，满足大带宽、流量增长以及波长级业务灵活调度需求（见图5）。

图5  光层资源池

  （2）电层资源池传统的OTN电交叉，多个OTN电层子架间交叉隔离、相互独立，槽位及单板资源不能共享，通过支、线路业务单板及ODF架来实现跨子架业务的互联，当节点业务应用场景发生变化，就需要调整硬件及连纤，并需人工上站进行操作。

  结合OTN电交叉集群，新增中央集中交换框，各OTN电层子架交叉板采用高速光模块与中央交换框连接，采用集中交叉实现多台OTN电层架间任意互联，子架间槽位、单板资源完全共享，多个电层子架形成一套逻辑上一体的交叉系统，构建电层资源池，站点的波长及ODUk（光通道数据单元）实现了资源池化，电子架实现了可平滑扩展，端口利用率、通道利用率实现了最大化，提高了计划外电路满足率，通过远程操作发放业务，实现规划简单化，运营智能化,大幅提升了效率。电层资源池如图6所示。

图6  电层资源池

  （3）传送云通过每个节点的OTN集群构建的电层资源池，实现业务接入电层云插座，满足各类大小颗粒业务的灵活接入；通过各节点OXC光层资源池以及节点间MESH组网，负责节点任意方向、任意波长的灵活调度，实现传送光层云网。粤港澳大湾区传送云架构如图7所示。传送云的规划建设方式，通过光层云网+电层云插座搭配使用，改变了广东移动业务的规划建设方式，更加适应灵活快速的业务需求。

图7  粤港澳大湾区传送云架构

  2.3  全光网络的部署与现网应用2018年至今，广东移动采用OXC技术，建成了覆盖大湾区省干以及广州、深圳、东莞、佛山等地市城域核心的网状网，全网共部署110 个OXC全光调度枢纽，是目前全球商用规模最大、技术最领先的全光交叉网络，实现了大湾区业务全光一跳直达，设备功耗与机房占用显著降低，业务调度灵活性明显提高。2019年3月建成以来，已承载业务118 T，系统运行稳定。

  3  结束语

  业务需求和技术变革推动全光网络的持续发展和应用部署。本文主要介绍了全光交叉技术、可重构光分插复用ROADM技术，并具体介绍全光网规划创新的具体实际案例。基于OXC技术的粤港澳大湾区全光网络创新思路与搭建案例，通过全光连接、多维调度、传送云等创新网络理念，诠释了全光城市网络发展方向，实现了新技术与实际需求的切合，为传送网演进和产业持续发展明确了方向。

  参考文献

  [1] 赵文玉, 徐云斌, 汤瑞, 等. 全光网络技术、标准、应用现状及展望[J]. 信息通信技术与政策, 2021(12):1-7.

  [2] 赵春华. ROADM在光层组网中的配置及应用[J]. 电信科学, 2014(6):148-151.

  [3] 刘建新, 赵满良, 黄为民, 等. OTN集群交叉技术现网应用部署研究[J]. 邮电设计技术, 2021,12(10):66-72.

  [4] PAPAPAVLOU C, PAXIMADIS K. ROADM configuration, management and cost analysis in the future era of SDM networking[C]//2020 11th International Conference on Network of the Future, 2020.

  [5] KRAEMER R, NAKAMURA F. Multi-band photonic integrated wavelength selective switch[J]. Journal of Lightwave Technology, 2021,39(19):6023-6032.

  [6] 王会义, 周旭, 黄勋禄, 等. 基于5G网络的智慧城市公交应用解决方案[C]//2019广东通信青年论坛优秀论文专刊, 2019:303-306.

  [7] 王会义. 一种提升传输机房装机空间的优化改造方案[J]. 电信工程技术与标准化, 2019,32(1):42-45.

  文章作者

  潘毅，中国移动通信集团广东有限公司高级工程师，主要从事传送网、核心网、业务支撑网规划、项目管理、新技术研究等方面的工作。

  王应波，中国移动通信集团广东有限公司高级工程师，主要从事传送网、业务支撑网规划、项目管理、新技术研究等方面的工作。

  王会义，中国移动通信集团广东有限公司高级工程师，主要从事传送网规划和新技术研究等方面的工作。

  梁永红，广东省电信规划设计院有限公司工程师，主要从事传送网网络规划、可研、设计与新技术研究等方面的工作。