基于OXC技術(shù)的傳送網(wǎng)研究與應(yīng)用

  0  引言

  隨著5G、數(shù)據(jù)中心等新基建的推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的加速，光纖通信作為信息通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)承載，其優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。目前，由于光層處理能力受到限制，在光分組交換、光突發(fā)交換等方面沒有特別實(shí)質(zhì)性突破，全光網(wǎng)的組網(wǎng)，整體上也是處于發(fā)展的初級(jí)階段[1]。國內(nèi)云運(yùn)營商繼續(xù)加速布局，作為基礎(chǔ)傳送網(wǎng)，面臨設(shè)備容量不足、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)待優(yōu)化、調(diào)度靈活性不足和機(jī)房空間、動(dòng)力資源出現(xiàn)瓶頸等問題。可重構(gòu)光分插復(fù)用（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，ROADM）技術(shù)雖然解決了OTN系統(tǒng)電交叉能力不足的部分問題，但板卡間復(fù)雜的手工連纖和調(diào)度不靈活問題仍較為突出[2-3]。光交叉（Optical Cross Connect，OXC）作為近年出現(xiàn)的新一代技術(shù)，基于硅基液晶的第三代WSS模塊，可采用光背板連接方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備光交叉連接能力的大幅提升。本文對(duì)ROADM技術(shù)與OXC技術(shù)進(jìn)行了比較，對(duì)傳統(tǒng)OTN傳送網(wǎng)進(jìn)行了綜合分析，創(chuàng)新了基于OXC技術(shù)的粵港澳大灣區(qū)全光交叉網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

  1  全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

  全光交叉節(jié)點(diǎn)作為全光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)網(wǎng)元，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中基于波長通路的光交叉連接目前主要采用 WSS 器件組合實(shí)現(xiàn)，基于端口的光交叉連接基于光開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)，前者是目前全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要類型。ROADM由于其架構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，通過單板的堆疊來進(jìn)行系統(tǒng)的搭建，導(dǎo)致機(jī)房空間占用大。結(jié)合線路、上下路等不同功能需求，ROADM可構(gòu)成多種不同功能的全光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如CD（波長無關(guān)、方向無關(guān)）、CDC（波長無關(guān)、方向無關(guān)、競(jìng)爭(zhēng)無關(guān)）、CDCF（波長無關(guān)、方向無關(guān)、競(jìng)爭(zhēng)無關(guān)、靈活柵格）等不同架構(gòu)。ROADM的上下節(jié)點(diǎn)和再生中繼節(jié)點(diǎn)均要進(jìn)行復(fù)雜的大量的手工連纖，系統(tǒng)連纖的復(fù)雜度及工作量隨著調(diào)度維度的增高而增加，連纖錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)高，且連纖耗費(fèi)時(shí)間長，對(duì)后續(xù)的運(yùn)維提出很大挑戰(zhàn)。OXC技術(shù)與ROADM技術(shù)、OTM技術(shù)的對(duì)比如圖2所示。

圖1  全光交叉節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)

圖2  OXC技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)

  全光交叉OXC技術(shù)能實(shí)現(xiàn)單板的高度集成及即插即用，可使大顆粒業(yè)務(wù)的交換效率得到高效提升，具有超低時(shí)延、超大容量的特點(diǎn)，并采用國際領(lǐng)先的全光背板技術(shù)實(shí)現(xiàn)多維度或多級(jí)導(dǎo)向的高可靠內(nèi)部可控連接。相比傳統(tǒng)ROADM技術(shù)，OXC技術(shù)具備兩方面優(yōu)點(diǎn)。一方面，OXC參考電層線路與支路分離的模式，對(duì)本地光層線路側(cè)模塊與業(yè)務(wù)接入側(cè)模塊進(jìn)行分離，從單模塊交叉能力演進(jìn)到整體架構(gòu)的交叉能力，大幅簡化了擴(kuò)維的難度，支撐光交叉能力向更高的維度進(jìn)行演進(jìn)；另一方面，OXC采用了極簡的架構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用集成式的光背板來構(gòu)建全光交叉的資源池，免除了單板間復(fù)雜的連纖，使得單板可以即插即用，大幅降低了運(yùn)維的難度[4-5]。光交叉連接如圖3所示。利用OXC技術(shù)，在波長粒度的交叉調(diào)度應(yīng)用之外，可通過光開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)高維度端口的交叉調(diào)度應(yīng)用，比如320×320 端口調(diào)度等，大幅提升光交叉連接智能調(diào)度能力。同時(shí)，相比傳統(tǒng) ROADM，OXC技術(shù)可對(duì)光功率、光波長、OSNR、光路徑等信息進(jìn)行在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)波長級(jí)的業(yè)務(wù)路徑可視、快速識(shí)別波長信息資源、排查錯(cuò)誤的波長路由、全面梳理及規(guī)劃波長等應(yīng)用場(chǎng)景[6-7]。

圖3  光交叉連接圖

  2  全光傳送網(wǎng)驅(qū)動(dòng)和分析

  2.1  構(gòu)建全光網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)力2.1.1  現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在的問題設(shè)備容量不足：隨著業(yè)務(wù)流量的急劇增長，網(wǎng)絡(luò)中最大節(jié)點(diǎn)交叉需求已達(dá)200 T，而電交叉技術(shù)節(jié)點(diǎn)容量為12.8 T，采用集群技術(shù)后也只能達(dá)到102.4 T，難以滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。組網(wǎng)架構(gòu)問題：業(yè)務(wù)需求雖然是網(wǎng)狀連接，但受限于設(shè)備交叉能力，前期OTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以環(huán)網(wǎng)為主，環(huán)接環(huán)，環(huán)套環(huán)，造成繞行路徑長、反復(fù)背對(duì)背連接，造價(jià)高、時(shí)延長等問題。調(diào)度靈活性問題：前期采用FOADM技術(shù)（固定光分插復(fù)用），電路連接靠ODF（光纖配線架）人工跳纖實(shí)現(xiàn)，調(diào)度不靈活，電路需人工進(jìn)站連好，才能在網(wǎng)管上開通?？臻g及電源占用大：由于設(shè)備容量限制，為完成大業(yè)務(wù)量的疏導(dǎo)，只能采取多套設(shè)備疊加的方式組網(wǎng)，機(jī)房空間和電力資源占用大，建設(shè)遇到瓶頸。

  2.1.2  業(yè)務(wù)需求驅(qū)動(dòng)流量增長需求：目前在局部省份的傳送流量平均年增幅高達(dá)49%，業(yè)務(wù)帶寬大幅提升，原有基于電的多機(jī)箱組合的組網(wǎng)方式難以為繼，網(wǎng)絡(luò)投入大。業(yè)務(wù)連接復(fù)雜，電路需靈活調(diào)度：目前CMNET、IDC、核心網(wǎng)等面臨業(yè)務(wù)點(diǎn)多、面廣。在實(shí)際中，存在超2 000 個(gè)連接局向的地區(qū)，其連接局向近700 個(gè)，連接局向多，連接關(guān)系復(fù)雜。云化趨勢(shì)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)：國內(nèi)政策和通信運(yùn)營商5G應(yīng)用和云戰(zhàn)略布局提速，邊緣云、云網(wǎng)接入、云互聯(lián)和云調(diào)度等需傳送網(wǎng)具備更加安全、更低時(shí)延和更大帶寬的網(wǎng)絡(luò)保障，驅(qū)動(dòng)傳送網(wǎng)以中大型數(shù)據(jù)中心和邊緣云計(jì)算為中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

  2.2  全光網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新規(guī)劃現(xiàn)網(wǎng)存在的主要問題以及業(yè)務(wù)需求，驅(qū)動(dòng)全光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃創(chuàng)新。目前可以從現(xiàn)網(wǎng)的架構(gòu)、云戰(zhàn)略、邊緣計(jì)算的下沉以及智能化的演進(jìn)等方面出發(fā)，嘗試構(gòu)建全新的全光網(wǎng)絡(luò)。

  2.2.1  粵港澳大灣區(qū)全光網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)總體思路（1）對(duì)于前述的設(shè)備容量不足及流量增長需求，大灣區(qū)全光網(wǎng)絡(luò)通過采用大帶寬技術(shù)，單波道帶寬由100G提升至200G，采用C波段擴(kuò)展，系統(tǒng)波道數(shù)由80 波提升至96 波，來提升單纖承載容量。

  （2）對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)環(huán)形組網(wǎng)架構(gòu)存在的問題，引入OXC技術(shù)提升單節(jié)點(diǎn)交叉調(diào)度推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由二維的環(huán)形向多維的MESH演進(jìn)。

  （3）云戰(zhàn)略和邊緣算力持續(xù)下沉部署，粵港澳大灣區(qū)采用全光網(wǎng)扁平化、MESH化組網(wǎng)架構(gòu)，并根據(jù)業(yè)務(wù)需要建設(shè)低時(shí)延直達(dá)路由。

  （4）開展傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)云化和智能化演進(jìn)，完善和推動(dòng)傳送網(wǎng)的管理、調(diào)度、開通和智能運(yùn)維分析。按上述規(guī)劃主思路，粵港澳大灣區(qū)全光網(wǎng)實(shí)現(xiàn)省內(nèi)干線OXC核心調(diào)度系統(tǒng)與灣區(qū)城市的全面部署，形成MESH化的全光傳送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。粵港澳大灣區(qū)全光網(wǎng)總體拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4  粵港澳大灣區(qū)全光網(wǎng)總體拓?fù)?

  2.2.2  創(chuàng)新傳送云，構(gòu)建光層及電層資源池廣東移動(dòng)大灣區(qū)全光網(wǎng)創(chuàng)新傳送云的應(yīng)用，采用OXC設(shè)備構(gòu)建光層資源池，采用OTN集群技術(shù)構(gòu)建電層資源池。

  （1）光層資源池采用OXC技術(shù)，將單節(jié)點(diǎn)多個(gè)光方向維度的光層設(shè)備，集成到一套OXC設(shè)備，任意波長可以調(diào)度至任意方向，構(gòu)建了多維度的光層波長級(jí)資源池，滿足大帶寬、流量增長以及波長級(jí)業(yè)務(wù)靈活調(diào)度需求（見圖5）。

圖5  光層資源池

  （2）電層資源池傳統(tǒng)的OTN電交叉，多個(gè)OTN電層子架間交叉隔離、相互獨(dú)立，槽位及單板資源不能共享，通過支、線路業(yè)務(wù)單板及ODF架來實(shí)現(xiàn)跨子架業(yè)務(wù)的互聯(lián)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)生變化，就需要調(diào)整硬件及連纖，并需人工上站進(jìn)行操作。

  結(jié)合OTN電交叉集群，新增中央集中交換框，各OTN電層子架交叉板采用高速光模塊與中央交換框連接，采用集中交叉實(shí)現(xiàn)多臺(tái)OTN電層架間任意互聯(lián)，子架間槽位、單板資源完全共享，多個(gè)電層子架形成一套邏輯上一體的交叉系統(tǒng)，構(gòu)建電層資源池，站點(diǎn)的波長及ODUk（光通道數(shù)據(jù)單元）實(shí)現(xiàn)了資源池化，電子架實(shí)現(xiàn)了可平滑擴(kuò)展，端口利用率、通道利用率實(shí)現(xiàn)了最大化，提高了計(jì)劃外電路滿足率，通過遠(yuǎn)程操作發(fā)放業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃簡單化，運(yùn)營智能化,大幅提升了效率。電層資源池如圖6所示。

圖6  電層資源池

  （3）傳送云通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的OTN集群構(gòu)建的電層資源池，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接入電層云插座，滿足各類大小顆粒業(yè)務(wù)的靈活接入；通過各節(jié)點(diǎn)OXC光層資源池以及節(jié)點(diǎn)間MESH組網(wǎng)，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)任意方向、任意波長的靈活調(diào)度，實(shí)現(xiàn)傳送光層云網(wǎng)?；浉郯拇鬄硡^(qū)傳送云架構(gòu)如圖7所示。傳送云的規(guī)劃建設(shè)方式，通過光層云網(wǎng)+電層云插座搭配使用，改變了廣東移動(dòng)業(yè)務(wù)的規(guī)劃建設(shè)方式，更加適應(yīng)靈活快速的業(yè)務(wù)需求。

圖7  粵港澳大灣區(qū)傳送云架構(gòu)

  2.3  全光網(wǎng)絡(luò)的部署與現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用2018年至今，廣東移動(dòng)采用OXC技術(shù)，建成了覆蓋大灣區(qū)省干以及廣州、深圳、東莞、佛山等地市城域核心的網(wǎng)狀網(wǎng)，全網(wǎng)共部署110 個(gè)OXC全光調(diào)度樞紐，是目前全球商用規(guī)模最大、技術(shù)最領(lǐng)先的全光交叉網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了大灣區(qū)業(yè)務(wù)全光一跳直達(dá)，設(shè)備功耗與機(jī)房占用顯著降低，業(yè)務(wù)調(diào)度靈活性明顯提高。2019年3月建成以來，已承載業(yè)務(wù)118 T，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

  3  結(jié)束語

  業(yè)務(wù)需求和技術(shù)變革推動(dòng)全光網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用部署。本文主要介紹了全光交叉技術(shù)、可重構(gòu)光分插復(fù)用ROADM技術(shù)，并具體介紹全光網(wǎng)規(guī)劃創(chuàng)新的具體實(shí)際案例。基于OXC技術(shù)的粵港澳大灣區(qū)全光網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新思路與搭建案例，通過全光連接、多維調(diào)度、傳送云等創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)理念，詮釋了全光城市網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)與實(shí)際需求的切合，為傳送網(wǎng)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展明確了方向。

  參考文獻(xiàn)

  [1] 趙文玉, 徐云斌, 湯瑞, 等. 全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]. 信息通信技術(shù)與政策, 2021(12):1-7.

  [2] 趙春華. ROADM在光層組網(wǎng)中的配置及應(yīng)用[J]. 電信科學(xué), 2014(6):148-151.

  [3] 劉建新, 趙滿良, 黃為民, 等. OTN集群交叉技術(shù)現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用部署研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù), 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] 王會(huì)義, 周旭, 黃勛祿, 等. 基于5G網(wǎng)絡(luò)的智慧城市公交應(yīng)用解決方案[C]//2019廣東通信青年論壇優(yōu)秀論文?？? 2019:303-306.

  [7] 王會(huì)義. 一種提升傳輸機(jī)房裝機(jī)空間的優(yōu)化改造方案[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2019,32(1):42-45.

  文章作者

  潘毅，中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司高級(jí)工程師，主要從事傳送網(wǎng)、核心網(wǎng)、業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)規(guī)劃、項(xiàng)目管理、新技術(shù)研究等方面的工作。

  王應(yīng)波，中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司高級(jí)工程師，主要從事傳送網(wǎng)、業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)規(guī)劃、項(xiàng)目管理、新技術(shù)研究等方面的工作。

  王會(huì)義，中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司高級(jí)工程師，主要從事傳送網(wǎng)規(guī)劃和新技術(shù)研究等方面的工作。

  梁永紅，廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司工程師，主要從事傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、可研、設(shè)計(jì)與新技術(shù)研究等方面的工作。