基于OXC的光電聯(lián)動全光網組網方案研究與實踐

  0 引言

  隨著5G、云計算、大視頻等業(yè)務的發(fā)展，多樣化的業(yè)務需求和爆發(fā)式的流量增長對傳輸網絡提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)以電交叉為主的光傳送網(Optical Transport Network，OTN)網絡很難滿足日益增長的業(yè)務調度需求。隨著可重構光分插復用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)、集成式光交叉(Optical Cross-Connect，OXC)技術的發(fā)展和成熟，光網絡可滿足大容量、遠距離傳輸和靈活調度，為傳送網由傳統(tǒng)的電交叉為主的OTN網絡向以光交叉為主、電交叉為輔的光電聯(lián)動全光網轉變提供了技術基礎[1]。光電聯(lián)動全光網的核心是光電協(xié)同管控技術，光電兩層需實現(xiàn)深度融合、協(xié)同管控才能夠充分發(fā)揮光電兩層技術的特點和優(yōu)勢，實現(xiàn)網絡資源和運維效率的優(yōu)化。本文首先介紹了全光網技術特點，之后分析了全光網中電交叉的必要性，并給出光電聯(lián)動全光網組網方案以及管控方案，最后介紹了光電聯(lián)動全光網具體應用場景和案例，分析了光電聯(lián)動全光網中光電兩層具體協(xié)同機制和對現(xiàn)網運維的價值。

  1 光電聯(lián)動全光網技術特點

  現(xiàn)有光層技術雖然具有超大交叉容量、低功耗、低時延、速率無關等優(yōu)勢，然而缺乏子波長顆粒調度、信號再生、波長轉換等能力。目前，OTN網絡客戶側端口包括GE、10GE、100GE，另外OTN專線網絡還需要接入STM-1、STM-4、STM-16等同步數(shù)字體系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)業(yè)務[2]，業(yè)務帶寬與單波長線路帶寬差距較大，若端到端通過全光波長承載，將造成大量的帶寬浪費，資源利用率較低，需要在匯聚層通過電交叉進行業(yè)務匯聚。另外，干線傳輸網絡需滿足全國范圍內端到端傳輸，目前滿足工程需求的100G系統(tǒng)最大傳輸距離約1500 km，200G最大傳輸距離為1000 km，需設置電中繼站點才能滿足干線網絡傳輸距離。

  相比而言，電層技術維護開銷豐富，具備倒換速度快、子波長靈活調度、信號再生、波長轉換等能力，在當前OTN網絡中已充分發(fā)揮了電交叉技術的特點及優(yōu)勢。但電層調度存在容量受限、功耗大、時延大等缺點，以電交叉為主的組網模式難以滿足下一代傳輸網絡大容量、低時延、低功耗的需求。

  結合光層和電層技術特點，光電聯(lián)動全光網是干線傳輸網的演進方向?？紤]到光層技術能力限制，需在有小顆粒調度、信號再生、波長沖突的節(jié)點部署電交叉能力。同時，在管控層面需引入光電兩層協(xié)同機制，實現(xiàn)光電深度融合的光電聯(lián)動全光網。

  2 光電聯(lián)動全光網節(jié)點設備實現(xiàn)及組網方案

  2.1 OTN電交叉關鍵技術

  OTN電交叉技術采用等長的OTN信元交叉方式，先將OTN業(yè)務數(shù)據分成標準信元，通過交叉芯片對信元進行交叉調度到對應方向，然后重新封裝為OTN業(yè)務數(shù)據并傳送到下一節(jié)點。

  傳統(tǒng)單子架OTN電交叉系統(tǒng)由OTN業(yè)務接入模塊、切片(Segment)模塊、信元交叉(Fabric)模塊、重組(Regenerate)模塊和OTN出口模塊組成。OTN交叉系統(tǒng)可通過多平面Fabric級聯(lián)來擴展交叉容量，目前可實現(xiàn)的單子架OTN最大交叉容量為64 Tbit/s[3]。受到設備集成度、功耗、機房散熱等限制，單子架OTN交叉容量難以進一步提升。

  為滿足交叉容量進一步提升的需求，業(yè)界提出了集群OTN交叉技術。集群OTN交叉技術是把多個單子架OTN交叉設備互聯(lián)起來，形成集群OTN交叉系統(tǒng)，以便提供更大的交叉容量。集群OTN交叉系統(tǒng)的交叉原理與單子架OTN相同，但增加了交叉層級，信元先在本業(yè)務子架交叉，如需跨子架交叉，應先交叉到中央交叉子架再進入其他業(yè)務網元交叉，然后經過信元重組映射到ODU封裝。集群OTN交叉系統(tǒng)設備實現(xiàn)方式為在OTN子架上的交叉板卡上增加專用于子架間互聯(lián)的光接口，通過專用光纖和光模塊將兩個子架之間或多個子架與中央交叉子架之間的交叉專用光接口進行連接。集群OTN交叉系統(tǒng)將站點內多個孤立的OTN設備的交叉能力池化，形成共享資源池，滿足多維度、大容量、高靈活組網需求，同時可以有效分散單節(jié)點功耗，提高可靠性。

  2.2 集成式光交叉關鍵技術

  由于光存儲、光處理、波長轉換等關鍵技術還不夠成熟，現(xiàn)有光交叉技術主要是采用波長選擇交叉開關或空間光交叉開關的光線路交換技術。光交叉設備主要由光交叉連接矩陣、輸入接口、輸出接口、管理控制單元等模塊組成。光交叉已發(fā)展為集成式光交叉，如圖1所示，集成式光交叉以光背板技術為核心，分別采用硅基液晶、高密度光連接器、數(shù)字化光層等關鍵技術，可大大減少單板堆疊，免除板間連纖，實現(xiàn)單板即插即用，提高系統(tǒng)的可靠性，構建更高維度全光交叉互聯(lián)[4]。

圖1 基于光背板技術的集成式OXC技術示意圖

  光背板采用類似電路印刷的方式將多組帶狀光纖封裝在聚合板材中，實現(xiàn)了N×N的光纖連接網，支持光線路之間、光線路和光支路之間的互聯(lián)，大大降低了人工連纖任務和難度。光波長選擇開關器件是實現(xiàn)波長交叉功能的關鍵器件，近年來硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)技術應用于光波長選擇開關技術中，利用在液晶上施加不同電壓來改變液晶折射率，產生不同的空間衍射方向，具有高緯度、高性能、靈活柵格的波長交叉能力，目前可實現(xiàn)32維波長交換[5]。高密度光連接器技術實現(xiàn)光背板和光波長選擇開關器件的可靠連接，可以實現(xiàn)光連接器間微米級高精度對準，閉合式防塵門有效阻擋灰塵，采用灰塵不敏感的接口技術，進一步降低灰塵的影響。數(shù)字化光層技術實現(xiàn)高效管理。管控系統(tǒng)利用波長跟蹤、光纖質量監(jiān)控等數(shù)字化技術，對光背板、光支路單元、光線路單元等實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控，實現(xiàn)波長信息可視及高效光層運維。

  2.3 基于OXC的光電聯(lián)動全光網組網

  基于OXC的光電聯(lián)動全光網組網方案綜合考慮電層、光層兩種調度技術，引入光層OAM、SDN管控機制以協(xié)同電層調度和光層調度。光層實現(xiàn)波長級業(yè)務調度，電層實現(xiàn)小顆粒業(yè)務匯聚、再生或波長轉換，光層和電層互相配合，可實現(xiàn)大規(guī)模高靈活性Mesh化組網，優(yōu)化了傳輸路徑，提升了動態(tài)保護恢復能力。

  在干線范圍內，可根據距離或業(yè)務量劃分區(qū)域，區(qū)域內連接以光層直通為主;設置部分域間對接節(jié)點，集中進行電層調度和波長變換;在必要的位置合理部署電交叉功能，滿足長距離傳輸需求;城域匯聚節(jié)點，應具有電交叉調度能力，實現(xiàn)小顆粒業(yè)務匯聚整合。

  3 全光網光電聯(lián)動技術實現(xiàn)方案

  3.1 總體架構

  光電協(xié)同管控對現(xiàn)有光網絡運維體系和管控平臺提出了新的挑戰(zhàn)。在光網絡傳統(tǒng)的配置下，光層波長連接路徑、業(yè)務上下節(jié)點、中繼節(jié)點等均為人工規(guī)劃，傳輸領域動態(tài)調度均在電層通過OTN管控實現(xiàn)。在引入OXC和光層動態(tài)管控技術后，光層具備了波長級資源調度能力，但OTN電層管道調度機制和業(yè)務控制流程并未改變，光層管控僅用于光波長連接的資源調度，代替了原有的人工單站配置，波長路徑仍然由人工規(guī)劃。同時，傳統(tǒng)的OTN網絡管控平臺主要的功能邏輯均基于電層調度實現(xiàn)[6]。近年來，管控系統(tǒng)在電層調度的基礎上逐步引入了基于OXC的光層調度能力。雖然光電兩層管控功能被整合在同一套系統(tǒng)上，但兩層網絡分別獨立進行調度和管控，光層和電層調度策略之間并沒有有效的協(xié)同機制。此外，光電兩層數(shù)據庫缺乏有效關聯(lián)，導致光電協(xié)同功能缺少數(shù)據支撐，無法實現(xiàn)光電高效協(xié)同。

  為進一步提高全光網業(yè)務開通速度、提升運維效率，需要定義自動化的光電協(xié)同管控方案，實現(xiàn)光電管控深度協(xié)同，統(tǒng)一調度，推動光電混合全光網由原本光電分別獨立控制的兩張網絡演進為光電協(xié)同管控的一張網絡(見圖2)。

圖2 光電協(xié)同管控促進網絡向光電聯(lián)動一張網演進

  (1)運營商應在業(yè)務開通、資源調度流程機制中，引入光電協(xié)同動態(tài)調度機制。例如，在光網絡規(guī)劃階段，可在光交叉節(jié)點預留部分波長資源，不進行預先規(guī)劃，用于動態(tài)創(chuàng)建光波長連接，推動現(xiàn)網運維由傳統(tǒng)的純人工規(guī)劃光波長連接逐步向基于光電協(xié)同策略的波長自動配置演進。

  (2)需促進光電混合光網絡管控系統(tǒng)支持并完善光層管控功能及資源調度能力，光層和電層資源調度(例如路由計算、業(yè)務開通等)應由統(tǒng)一的功能邏輯或代碼實現(xiàn)。管控系統(tǒng)應支持基于業(yè)務請求直接打通光層和電層連接、通過光層實時調度策略實現(xiàn)故障業(yè)務動態(tài)恢復等功能。

  (3)光電混合光網絡管控系統(tǒng)數(shù)據庫需進行相應的升級改造，在數(shù)據庫表中需增加光層和電層資源關聯(lián)屬性字段，支撐光電協(xié)同功能邏輯高效獲取光電兩層資源關聯(lián)關系。

  3.2 光層OAM方案及機制

  在傳統(tǒng)的OTN技術中，電層支持多級開銷能力，G.709中詳細定義了電層開銷的類型及幀結構，可提供豐富的帶內開銷信息。對于光層開銷，目前標準只定義了標識與告警指示的定義、承載方式，沒有對幀結構進行詳細定義。在實際的系統(tǒng)運行過程中，主要使用電層開銷，光層開銷機制未被有效利用，只有將業(yè)務下路到電層才能讀取開銷信息，在全光傳輸過程中隨路開銷則無法發(fā)揮作用。

  為了進一步提高全光網運維效率，引入光波長調頂機制，實現(xiàn)光層波長隨路操作維護管理(Operation Administration and Maintenance，OAM)?；诠鈱覱AM，使光電混合全光網具備電層 OAM與光層OAM結合的能力，發(fā)揮光層智能運維和調度的作用。

  如圖3所示，在光電融合交叉設備的發(fā)送端，即每個OTU的輸出端，加載低頻調頂信號，調頂信號頻率與信號波長一一對應，實現(xiàn)波長級調頂OAM。在光電混合全光網中各個節(jié)點設置檢測點，實現(xiàn)調頂信號檢測，在光信號波長經過的各個節(jié)點均可檢測開銷，從而識別信號波長的各種關鍵特征信息。

圖3 光層OAM實現(xiàn)原理

  3.3 光電協(xié)同管控方案

  在光電協(xié)同全光網中，由管控系統(tǒng)進行總體策略控制，同時在轉發(fā)層面結合電層開銷、光監(jiān)控信道(Optical Supervisory Channel，OSC)、光調頂OAM等3種開銷機制，實現(xiàn)光電兩層高效協(xié)同。其中，光電混合設備之間通過轉發(fā)層開銷交互/傳遞相關配置、資源信息，管控系統(tǒng)應進行集中式邏輯計算，并將配置策略下發(fā)至光電混合設備。

  在轉發(fā)層，通過多級開銷分工協(xié)同，實現(xiàn)將配置命令下發(fā)至節(jié)點設備(見圖4)。電層開銷繼承G.709標準全部開銷功能，提供豐富的子波長管理、監(jiān)控，針對小顆粒連接;OSC用于實現(xiàn)節(jié)點設備之間的管控信令通路，實現(xiàn)鏈路級的光層監(jiān)控;光層OAM實現(xiàn)全程波長級狀態(tài)監(jiān)控、本地波長識別調度、波長級路由標簽轉發(fā)等功能。

圖4 管控系統(tǒng)與多級開銷協(xié)同實現(xiàn)光電聯(lián)動

  4 全光網智能管控功能應用實踐

  4.1 現(xiàn)網應用實踐

  為了更好地滿足高價值專線業(yè)務需求，中國移動建設了一張“高可靠、高安全、高效率和低時延”的政企專網，網絡規(guī)模覆蓋國內31個省級行政區(qū)域，132個城市節(jié)點，由近1000端OTN設備組成，構建了基于OXC的光電聯(lián)動全光網架構，結合100G/200G高速傳輸技術，通過集成式OXC的光層調度實現(xiàn)波長級業(yè)務調度，通過大容量OTN的電層調度實現(xiàn)任意顆粒子波長級的交叉調度。

  中國移動政企專網引入SDN管控機制、 光層OAM以及光電協(xié)同調度。在網絡節(jié)點方面，實現(xiàn)了統(tǒng)一整合，電子架節(jié)點與光背板OXC節(jié)點視為同一節(jié)點設備進行管控;在組網能力方面，光層具備了CDC-F、靈活擴維能力，使得政企專網具備較高的可擴展性和可調度能力;在管控方面，具備對于光層和電層資源的統(tǒng)一調度能力，能夠實現(xiàn)跨層業(yè)務/連接路由計算，支持跨層業(yè)務一鍵開通、波長沖突自動變換、自動配置中繼等功能;在業(yè)務服務質量方面，通過光電協(xié)同提升業(yè)務可靠性，并可提供多樣的差異化服務等級。

  4.2 光電協(xié)同業(yè)務控制

  在傳統(tǒng)的OTN網絡中，業(yè)務開通方式通常為：光層光波長連接預先規(guī)劃或配置，基于光層波長連接拓撲計算電層路由。資源調度基于電交叉，因此需要占用大量電中繼資源，光層波長傳輸距離往往較傳輸極限較遠。

  如圖5所示，引入光電協(xié)同路由計算后，可基于光電兩層統(tǒng)一拓撲計算路由，電層拓撲繼承光層拓撲屬性(如距離、時延等)，基于路由計算結果，自動判斷是否存在可用光路;若無可用光路，可直接驅動光層新建光路，在傳輸性能滿足的前提下，實現(xiàn)光層一跳直達。在創(chuàng)建波長連接時，若指定的波長被占用，可在支路板自動切換波長;同時，基于轉發(fā)面OSNR計算可達性，根據可達性信息自動選擇、配置電中繼節(jié)點?；诠怆妳f(xié)同業(yè)務開通，在同等業(yè)務量下，可大幅減少電中繼的資源占用，提升業(yè)務的轉發(fā)效率，增強全光網的靈活性。

圖5 通過光電聯(lián)動實現(xiàn)光層直通路由

  4.3 光纖鏈路自動識別

  在實際網絡運行期間，各站點存在大量的人工連纖，不可避免地造成部分光纖錯連。由于傳統(tǒng)的全光網缺乏有效的波長標記和識別機制，因此人為原因造成的光纖錯連或配置差錯很難被管控系統(tǒng)識別，需消耗大量人工資源進行排查。通過引入光層OAM，并在開銷信息中攜帶波長和路徑信息，可在光交叉節(jié)點進行波長路徑校驗，從而識別光纖連接是否正確，具體方案如下。

  (1)光波長路徑由集中式管控系統(tǒng)計算，并下發(fā)至各個節(jié)點。

  (2)光波長發(fā)送端，在調頂信號中寫入波長路徑。

  (3)在各個節(jié)點，校驗波長信號開銷中的波長路徑，若波長路徑中包括本地節(jié)點，表示波長前序光纖連接正確，若波長路徑中不包括本地節(jié)點，則表示前序光纖連接與管控系統(tǒng)中的邏輯拓撲不一致。

  (4)檢測到波長路徑不一致的節(jié)點向管控系統(tǒng)發(fā)送光纖錯連告警，管控系統(tǒng)可根據發(fā)送告警的節(jié)點，判斷光纖錯連發(fā)生的具體位置。

  如圖6所示，針對由于人為原因造成光纖錯連或邏輯拓撲錄入錯誤，導致波長路徑與規(guī)劃路徑不一致，管控系統(tǒng)實時在管控系統(tǒng)顯示告警，并展示原規(guī)劃路徑和實際路徑，從而精確定位光纖錯連位置，快速處理，提高運維效率。

圖6 光纖錯連原理示意圖

  4.4 光電協(xié)同故障定位

  如圖7所示，當光電混合全光網絡設備或線路發(fā)生故障時，將產生大量的衍生告警，其中包括設備原生告警、鏈路衍生告警、業(yè)務衍生告警等[7]。大量告警不但造成系統(tǒng)間信令通信阻塞，且需要運維人員花費大量時間查找根因告警。

圖7 故障協(xié)同定位原理示意圖

  通過光層OAM中的光發(fā)送端性能等信息，可自動分析、定位光層根因故障。例如，當收端OTU功率劣化，通過開銷檢測功率，可判斷單波劣化問題點;當全部波長發(fā)生故障，可判斷光纖線路故障。通過光層OAM協(xié)同故障定位，可定位故障類型包括主光路中斷、主光線路劣化、單波線路中斷、單波線路劣化、光模塊故障、單板故障等。通過光層OAM進行自動告警定位，代替人工排查，可快速、高效地定位故障，提高網絡運維效率，故障工單數(shù)下降約50%，告警壓縮率可達90%。

  4.5 光電協(xié)同保護恢復

  傳統(tǒng)的OTN網絡分別在光層提供了OLP保護和SNCP保護，同時可以在電層進行預置和動態(tài)重路由恢復[8]。通過光層智能控制，在光電混合全光網中引入光層恢復機制，結合原有光層OLP保護、電層SNCP保護和電層恢復，可實現(xiàn)更多光電協(xié)同保護恢復組合，提供更豐富的差異化保護恢復等級(見表1)。

表1 光電協(xié)同保護恢復機制匯總

  通過配置光層恢復+電層保護協(xié)同，可實現(xiàn)業(yè)務永久1+1保障(見圖8)，通過光層恢復機制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電層保護路徑計算，可減少永久1+1業(yè)務資源占用，在保證業(yè)務抗多次故障且中斷時間小于50 ms的情況下，相較于電層永久1+1大幅降低網絡資源占用。

圖8 通過光電協(xié)同實現(xiàn)資源高效利用

  傳統(tǒng)的1+1保護在出現(xiàn)故障后，一方面需要恢復業(yè)務，另一方面需要重新計算并占用端到端資源，在多次故障的情況下，占用的冗余資源成倍增長。在引入光層恢復后，當工作路徑發(fā)生故障時，首先通過電層保護實現(xiàn)快速倒換，之后在原工作路徑進行光層恢復作為備用路徑，無需重復占用端到端資源。在多次故障情況下，通過光電協(xié)同實現(xiàn)永久1+1相對于傳統(tǒng)永久1+1保護，節(jié)約資源占比如圖9所示。

圖9 光電協(xié)同保護節(jié)約資源占比

  5 結束語

  本文介紹了基于OXC的光電聯(lián)動全光網技術架構，并結合現(xiàn)網實際情況分析了組網需求、應用部署原則，提出通過集中式管控系統(tǒng)與光層OAM、電層開銷協(xié)同，實現(xiàn)了光電聯(lián)動的技術方案，以及業(yè)務快速開通、故障快速定位，提高了網絡運維效率和資源利用率。關于光層OAM具體實現(xiàn)、光電協(xié)同管控更多擴展功能以及如何在光電聯(lián)動全光網中引入AI分析能力，還需要進一步深入研究分析，并結合測試驗證，給出下一步演進建議。

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  作者：李允博、趙陽、孫將、柳晟、王東、張德朝、李晗