光交叉連接

光交叉連接簡介

　　光交叉連接（Optical Cross Connection），簡稱OXC，是具有多個標準的光纖接口，用來在光網絡節(jié)點處將任一光纖信號（或其各波長信號）與其他光纖的信號進行可控的連接和再連接。

　　什么是“交叉連接”？“交叉連接”這個術語本來是指在電信部門的配線架上用人工的方式進行系統(tǒng)互聯(lián)的一種方法。在現(xiàn)代通信中，傳統(tǒng)的這種方式已不能適應現(xiàn)代網絡管理和控制的需要。現(xiàn)在，在SDH（光同步數(shù)字序列）網絡中，已經出現(xiàn)了有自動配線功能的數(shù)字交叉連接（DXC)設備。這種設備的內部可以按預先存放或能動態(tài)計算的交叉連接圖對電通道信號進行自動重新連接。光交叉連接設備則是能把光通道信號或某個波長的光信號從一根光纖直接接到另一根光纖上去的設備。這種設備在光網絡的節(jié)點中能靈活有效地管理光網。

　　OXC主要有光交叉連接矩陣、管理控制單元、輸入單元、輸出單元等模塊組成。每個模塊都有主用和備用兩套設備，能自動進行倒換。輸入接口、輸出接口與光纖鏈路相連，分別對輸入和輸出信號進行適配和放大。光交叉連接矩陣是OXC的核心，要求具有無阻塞、低延遲、寬帶、高可靠行等特性，并且要具有單向、雙向、廣播等形式的通信功能。

　　光交叉連接也有空分、時分、波長交叉等不同方式，目前空分交叉和波長交叉比較成熟?？辗纸徊媸峭ㄟ^光開關實現(xiàn)各個光通道信號之間的交叉連接；波長交叉是將信息在不同波長之間進行交叉連接。

　　通過空分交叉和波長交叉的結合，將能大大提高交叉連接矩陣的容量和靈活性。

OXC設備分類

　　就OXC設備而言，目前主要有以下三種：一種是基于光纖級的交叉連接（FXC），我們可以理解為具有交叉能力的光配線架（ODF），或稱為智能光配線架，是OXC的初級階段，有一定市場需求，缺點是設備本身獨立組網能力差。另兩種是基于波長級交叉的OXC，根據(jù)應用場合的不同分為波長選擇性交叉連接（WSXC）和波長可交換交叉連接（WIXC）。WIXC主要針對骨干網應用，承載業(yè)務一般是STM-16/OC-48或STM-64/OC-192甚至STM-256/OC-768，節(jié)點內使用O/E/O波長轉換器，以實現(xiàn)大容量、長距離傳輸，交叉矩陣既可以由光交叉完成，也可用電交叉實現(xiàn)，特別是隨著半導體技術的發(fā)展，電交叉芯片規(guī)模越來越大（目前單片可達160Gbit/s，交叉顆粒更?。?，而光交叉由于受技術、成本等因素的制約，基于電交叉的OXC也會有一定的發(fā)展空間。WIXC的優(yōu)點是技術成熟，性能有保證，可以實現(xiàn)嚴格無阻塞的波長交換，可實現(xiàn)波長重用，提供虛波長路由（VWP），缺點是系統(tǒng)透明性較差、由于大量使用O/E/O波長轉換器，價格昂貴，但在目前情況下，仍不失為一種比較實際的解決方案。另一種是基于本地網或城域網應用的波長選擇性交叉連接設備（WSXC），節(jié)點內一般不使用或部分使用O/E/O波長轉換器，以兼容多速率、多業(yè)務，節(jié)點內光交叉矩陣可由若干個較小規(guī)模的光開關構成，在目前大規(guī)模的光交叉矩陣技術未完全成熟、價格太高的情況下，WSXC更具有現(xiàn)實意義。需要注意的是，在由WSXC或OADM組成的光網絡中，要禁止產生波長環(huán)路，以免引起自激，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；而OXC將來的發(fā)展方向是支持全業(yè)務的透明全光網，這有賴于全光波長轉換和全光3R再生的實用化。表1是WIXC和WSXC比較。

OXC設備的主要功能、特點

　　基于OXC、OADM構成的光傳送網，可以在光域上實現(xiàn)高速信息的傳輸、交換和故障恢復，具有結構簡單、可靠性高、透明性好等突出優(yōu)點。尤其是OXC設備，通過對指定波長進行交叉互連，使得OXC在WDM全光網絡中更具應用價值。在發(fā)生光纖中斷或節(jié)點失效時，OXC能夠自動完成故障隔離、路由重選等操作，使業(yè)務不致不斷，當業(yè)務發(fā)展需要對網絡結構進行調整時，OXC可以簡單地完成網絡的升級和調度。目前OXC主要提供如下功能。

　　光層的保護和恢復，包括環(huán)網/格狀網（RING/MESH）的保護和恢復；

　　端到端光通道業(yè)務的指配（網絡級交叉）；

　　網絡優(yōu)化和恢復算法；

　　動態(tài)帶寬管理，按需分配帶寬；

　　多種業(yè)務接入能力；

　　光信道自動均衡；

　　色散管理；

　　光傳送網OCH/OMS/OTS三層模型的網絡管理系統(tǒng)，具備業(yè)務管理能力；

　　兼顧骨干網、城域網、本地網應用。

主要技術難點

　　目前OXC設備研制中碰到的主要難點有以下幾點：一是如何解決系統(tǒng)透明性與長距離傳輸?shù)拿?，雖然目前可以通過采用拉曼（RAMAN）光放大技術和前向糾錯編碼技術（FEC）延伸傳輸距離，但根本出路還在于全光波長轉換技術及全光3R再生技術的實用性；二是由于受光器件的制約，特別是大規(guī)模的光交叉矩陣開關的制約（技術、成本的制約），系統(tǒng)的規(guī)模和靈活性不夠理想。理論上講，只要光交叉矩陣的規(guī)模足夠大，OXC、OADM也完全可以像電層的DXC和SDH ADM一樣，實現(xiàn)不同速率等級上的任意交叉和上下，最起碼可實現(xiàn)類似于SDH中的AU-4高階全交叉；三是在OXC性能監(jiān)測，尤其是光通道層（OCH）的性能監(jiān)測方面實現(xiàn)起來代價較高，主要是需要監(jiān)測的點太多而客戶層（OCH層）業(yè)務又具有多樣性（如速率、信號格式不同），需要對不同類型的業(yè)務根據(jù)其特征分別處理，目前，ITU-T G.709數(shù)字包封技術（Digital wrapper）可為這一問題提供統(tǒng)一的解決方法，應引起重視；四是如何抑制串擾，由于光器件的隔離度不可能無限高（如解復用器、光開關），波長通道間存在帶間串擾，在由OXC/OADM構成的半動態(tài)光網絡中，信號被多次交叉連接和反復復用，因此，在與其他波長通道復用時相應轉化為其他通道的帶內串擾（既同頻串擾），并且很難消除。串擾的主要來源還包括光放大器ASE噪聲及光纖的非線性等，在動態(tài)/半動態(tài)光網絡中，還要考慮由于光放大器級聯(lián)帶來的瞬態(tài)響應；五是在網絡管理方面，按照ITU-T光傳送網的分層結構（G.872），光傳送網的網元管理系統(tǒng)一般按光通道層（OCH）、光復用段層（OMS）、光傳送層（OTS）三層設計，具備ECC通信和四大管理功能，但具體細節(jié)還不夠詳細，很多內容有待進一步研究和規(guī)范。

器件

　　實現(xiàn)光交叉連接（OXC）的關鍵在于開發(fā)應用先進的光器件，特別是光交換器件和光波長轉換器件，國外已研制了多種可用于實現(xiàn)光交換的器件，并已申請專利。在光開關方面有機械光開關、聚合物開關（polymer）、半導體光開關（用SOA實現(xiàn)）、平面光波導光開關（PLC）和微機械光開關（MEMS）等，特別是MEMS光開關，技術發(fā)展很快，基于二維（2D）和三維（3D）設計的MEMS光開關已有廠家能提供商用產品，據(jù)稱交叉規(guī)模很快可達512x512甚至1024x1024，但價格仍是阻礙OXC推廣的主要因素。在光波長轉換方面主要有光/電/光（O/E/O）波長轉換和光—光（O/O）波長轉換器件，光—光波長轉換利用SOA的交叉增益調制（XGM）、交叉相位調制（XPM）、四波混頻效應（FWM）等等，目前以O/E/O波長轉換最為成熟、性能最好。但是，缺少商用的光—光的全光波長轉換器件仍然是實現(xiàn)真正意義上的光傳送網絡的瓶頸問題，可以預計實用化的全光波長轉換器件的出現(xiàn)將極大加快OXC設備大規(guī)模進入商用的步伐。此外，像電可調光衰減器（VOA）、波長可調激光器、增益可調光放大器等靈活可調的光器件對OXC的發(fā)展也至關重要。光器件正在向低損耗、高隔離度、靈活動態(tài)、功耗低、體積小和成本低等優(yōu)點于一身的方向發(fā)展。

OXC保護恢復策略和恢復算法

　　OXC保護恢復策略、恢復算法與OXC節(jié)點結構有關，如果否全交叉、是否波長交換等，目前提出的算法很多，各有所長，不管什么算法，其主要目的是為了優(yōu)化網絡，提高網絡容量的利用率和改善網絡的生存性，簡化操作、管理和維護，目前ITU-T在這方面還處于研究階段。要考慮的主要因素有：

　?。?）控制方式：集中控制和分布式控制。

　　·集中控制：業(yè)務的指配和端到端恢復均由中心網管控制完成，是一種比較傳統(tǒng)的控制方式，技術較成熟。

　　·分布式控制：業(yè)務的恢復可獨立于中心網管，在設備層完成，因而恢復速度更快，代表今后的發(fā)展方向。

　　（2）恢復策略：基于端到端的光通道（OCH）恢復和基于鏈路（Link）恢復。

　　·基于端到端的光通道（OCH）恢復：一般采用恢復通道和工作通道在路徑上完全分開（光通道的源宿節(jié)點除外），這樣設計的好處是無須故障點的精確定位，適合斷纖、節(jié)點失效、多點故障和通道失效，容量利用率高，缺點是發(fā)生故障時業(yè)務恢復牽涉面較廣（牽涉到的鏈路和要求重配置的OXC節(jié)點較多），恢復時間較長。

　　·基于鏈路（Link）恢復：基本原則是當某光纖鏈路（Link）發(fā)生中斷時，在故障兩端的固定節(jié)點之間尋找替代路由發(fā)生中斷時，在故障兩端的固定節(jié)點之間尋找替代路由（恢復通道），優(yōu)點是發(fā)生故障時業(yè)務恢復只涉及故障兩端的OXC節(jié)點，恢復時間較短，缺點是抗節(jié)點失效和多點故障能力弱，存在路由重復，容量利用率較低。

　?。?）業(yè)務（包括恢復通道）預規(guī)劃和實時動態(tài)計算。

　　·業(yè)務（包括恢復通道）預規(guī)劃：可采用波長路由表描述，按照網絡實際情況預先設置交叉連接圖（波長路由表）對工作通道進行預置，并為每個工作通道設置一個或多個備用路由（設置優(yōu)先級），一旦發(fā)生故障，只要查詢預先設置交叉連接圖（波長路由表）就可將業(yè)務馬上切換到恢復通道上，恢復時間較短。

　　·實時動態(tài)計算：當網絡發(fā)生故障時，采用某種恢復算法在全網范圍內為受影響的業(yè)務尋找替代路由，達到業(yè)務恢復的目的，優(yōu)點是可找到最佳路由，缺點是恢復時間長。

　?。?）波長資源分配/優(yōu)化（費用最低），兼顧最短路由（節(jié)點數(shù)最少）。

　?。?）各鏈路、節(jié)點業(yè)務量的平衡，使負荷量最佳或路由最安全。

　?。?）優(yōu)先級（QoS）和額外業(yè)務。提供優(yōu)先級選擇，即優(yōu)先級高的業(yè)務具有低阻塞率，額外業(yè)務優(yōu)先最低。

　?。?）具有可擴展性。也就是說，恢復算法要有普遍性，適合多種網絡拓撲結構和網絡的擴展。

　　評價OXC格狀網（Mesh）恢復的四個重要判據(jù)。

　?。?） 恢復速度；

　　（2）可恢復性：可恢復處理的失效類型：如斷纖、節(jié)點失效、抗多點故障等；

　?。?）可擴展性：在保護恢復時間可接受的前提下，網絡的可擴展性；

　?。?）容量利用效率。

OXC的管理

　　功能強大的網絡管理系統(tǒng)是OXC的重要組成部分，OXC網管系統(tǒng)除了完成故障、性能、配置、安全四大管理功能外，還必須具備業(yè)務的管理能力、網絡級的交叉能力（端到端指配），對于采用集中控制方式的OXC來說，網管系統(tǒng)還需內置恢復算法，以支持資源優(yōu)化、提供端到端業(yè)務指配和故障情況下的業(yè)務恢復。根據(jù)ITU-T G.872建議，光傳送網的網元管理系統(tǒng)一般按光通道層（OCH）、光復用段層（OMS）、光傳送層（OTS）三層設計，具備ECC通信能力。

OXC的發(fā)展

　　近年來，隨著技術的發(fā)展和WDM的規(guī)模應用，光網絡節(jié)點設備的容量越來越大，對網絡的生存性提出了更高的要求，OXC集傳輸與交換于一體，具有傳輸容量大、組網靈活、網絡具有可擴展性和可重構性、易于升級、可透明傳輸各種格式的不同速率等級的信號，能夠同時適應用戶信號種類和服務種類不斷增長的需求等諸多優(yōu)點，是構成光傳送網絡（OTN）非常重要的節(jié)點設備。

　　從應用的角度看，點到點的DWDM組網方式僅是OTN組網的初級階段，預計下一階段的市場熱點將是能夠實現(xiàn)光層業(yè)務保護和恢復、配置靈活的OXC/OADM，組網主流將是環(huán)網、多環(huán)網、格狀網，而構成環(huán)網、多環(huán)網、格狀網的物理層設備是OADM和OXC。

　　從技術發(fā)展來看，光網絡的發(fā)展趨勢是3T（傳輸鏈路、傳送節(jié)點和業(yè)務節(jié)點都具有Tbit/s的容量）和2I（集成化Intgration和智能化Intelligent），OXC作為光網絡的核心設備，兼具T比特傳輸和T比特交換兩大功能，并向集成化和智能化發(fā)展。在集成化方面，未來的OXC將集電路交換、包交換、波長交換甚至光包交換于一身（也許不應該叫OXC），在智能化方面，OXC將向智能光網絡邁進，如ASON/ASTN、IP/MPLmS。