基于40 Gbit/s速率OTN光交叉組網(wǎng)策略分析

張 沛 ，王海軍 ，周曉霞 ，顧畹儀 ，劉曉甲 （.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司，北京0040；.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京00048；.北京郵電大學(xué)，北京00876）

1 OTN技術(shù)發(fā)展歷程

隨著各大運(yùn)營商3G戰(zhàn)略、寬帶提速戰(zhàn)略的展開，上層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的爆炸式增長(zhǎng)對(duì)底層傳輸網(wǎng)絡(luò)提出了更高、更嚴(yán)格的要求。大容量的傳輸能力和更為靈活的交叉能力成為了評(píng)價(jià)底層傳輸設(shè)備性能的基本指標(biāo)。OTN技術(shù)正是在這一網(wǎng)絡(luò)發(fā)展大背景下應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸被廣泛地應(yīng)用。

OTN技術(shù)最早是在1999年由ITU-T提出的，圖1示出的是一個(gè)集合光層、電層的完整的技術(shù)架構(gòu)，各層網(wǎng)絡(luò)都有相應(yīng)的性能、故障管理監(jiān)控機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)。在OTN標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)中，最為核心的就是G.709所定義的OTN幀結(jié)構(gòu)。

圖1 ITU-T提出的OTN技術(shù)協(xié)議棧

從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展來看，OTN技術(shù)可以分為2個(gè)階段。第一階段是從1999年至2001年，這個(gè)階段的OTN技術(shù)屬于傳統(tǒng)OTN技術(shù)。2001年推出的一系列OTN標(biāo)準(zhǔn)主要基于語音業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)顆粒度較大，基本上在2.5G以上，對(duì)于那些小顆粒業(yè)務(wù)的承載效率較低。隨著21世紀(jì)初期，IP業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，小顆粒業(yè)務(wù)的傳送需求大量涌現(xiàn)，因此，從2005年開始ITU-T又開始著手對(duì)已有傳統(tǒng)OTN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂和補(bǔ)充，主要解決了小顆粒業(yè)務(wù)承載、高速以太網(wǎng)承載、多業(yè)務(wù)混合承載等一些新問題。2009年10月，在ITU-T SG15全會(huì)上，ITU-T G.709v3版本正式通過審查，這標(biāo)志著新一代OTN技術(shù)的成熟。在G.709v3標(biāo)準(zhǔn)中，引入了ODU0、ODU2e、ODU4、ODUflex和GMP等概念，擴(kuò)展了OTN客戶信號(hào)的范疇，較之傳統(tǒng)OTN技術(shù)，新一代OTN技術(shù)具備了將來業(yè)務(wù)的承載能力。圖2示出了在ITU-T G.709v3標(biāo)準(zhǔn)中定義的新一代OTN信號(hào)復(fù)用的結(jié)構(gòu)流程。

圖2 G.709v3版本中定義的新一代OTN信號(hào)復(fù)用結(jié)構(gòu)

2 OTN設(shè)備形態(tài)分析

隨著OTN標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善和成熟，各大設(shè)備廠商也紛紛推出了基于不同交叉能力、交叉容量的OTN設(shè)備，總體來說，目前，OTN設(shè)備形態(tài)可以分為OTN終端復(fù)用設(shè)備（OTM）和OTN交叉連接設(shè)備。圖3示出了OTN終端復(fù)用設(shè)備的功能參考模型。

OTM可以簡(jiǎn)單理解成基于OTN架構(gòu)的WDM傳輸設(shè)備，其幀結(jié)構(gòu)和客戶側(cè)信號(hào)復(fù)用路徑遵循G.709的OTN技術(shù)規(guī)范，支持各種不同速率、不同粒度的業(yè)務(wù)傳送，在線路側(cè)，OTM設(shè)備可支持各種OTN接口。

圖3 OTN終端復(fù)用設(shè)備系統(tǒng)功能參考模型

由于在ITU-T所定義的OTN體系結(jié)構(gòu)中，包含了光層和電層。與OTM設(shè)備相比，OTN交叉連接設(shè)備最大的特點(diǎn)就是在電層和光層增加了交叉模塊，用于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和光信號(hào)的交叉功能。從廣義層面上講，OTN交叉連接設(shè)備包括純電層OTN交叉連接設(shè)備、純光層OTN交叉連接設(shè)備和光電混合一體OTN交叉連接設(shè)備等3個(gè)子類型。但是，純光層交叉連接設(shè)備基本上可以看作是ROADM設(shè)備的一個(gè)子集，圖4示出了純光層交叉連接設(shè)備的系統(tǒng)功能參考模型。

圖4 OTN光交叉設(shè)備系統(tǒng)功能參考

目前，國內(nèi)運(yùn)營商在城域?qū)用娴慕ňW(wǎng)，仍然以O(shè)TN電交叉設(shè)備為主。但隨著城域網(wǎng)所傳送業(yè)務(wù)的粒度越來越大，現(xiàn)有的OTN電交叉組網(wǎng)由于引入了過多的光電轉(zhuǎn)換單元，網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)成本較高。因此，OTN光交叉組網(wǎng)被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是未來網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的發(fā)展方向。

3 OTN光交叉技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

在OTN技術(shù)領(lǐng)域，目前業(yè)內(nèi)較為流行的3種光交叉實(shí)現(xiàn)技術(shù)分別為波長(zhǎng)阻斷型光交叉（WB）、平面光波導(dǎo)電路型光交叉（PLC）和波長(zhǎng)選擇型光交叉（WSS）。這3種光交叉技術(shù)根據(jù)其實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)現(xiàn)成本不同，各有相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 波長(zhǎng)阻斷型

所謂波長(zhǎng)阻斷型，是以任意順序，在同一時(shí)間對(duì)任意數(shù)目的波長(zhǎng)進(jìn)行衰減或者阻斷。其特性在于它可以獨(dú)立且并行地處理每一個(gè)波長(zhǎng)，因此對(duì)某一波長(zhǎng)進(jìn)行操作不會(huì)影響其他的波長(zhǎng)。由于該器件支持遠(yuǎn)程控制并且能實(shí)現(xiàn)完全重新配置，因此可以完成以下功能。

a）將輸入的復(fù)用信號(hào)導(dǎo)向相應(yīng)的輸出端，除了插入損耗外沒有任何改變。

b）阻斷任意波長(zhǎng)信道或信道組合，然后將剩余的復(fù)用信號(hào)導(dǎo)向相應(yīng)的輸出端口。

c）衰減任意波長(zhǎng)信道或信道組合，或?qū)π诺肋M(jìn)行均衡，然后將剩余的復(fù)用信號(hào)導(dǎo)向相應(yīng)的輸出端口。

WB的優(yōu)勢(shì)在于其成熟度較高，成本稍低，但它只能完成穿通方向的波長(zhǎng)可重構(gòu)，沒有本地上下路波長(zhǎng)能力，因此往往需要和其他功能單元配合才能完成本地波長(zhǎng)上下路和穿通波長(zhǎng)資源的配置，集成度偏低，綜合能力適中。

3.2 平面光波導(dǎo)電路型

平面光波導(dǎo)電路是一種基于硅工藝的集成電路，可以集成多種器件，如光柵、分路器、光開關(guān)等。它通過集成的陣列光波導(dǎo)（AWG）實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)復(fù)用、解復(fù)用功能，集成的光開關(guān)可以直接實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的直通、上下路功能，可變光衰耗器實(shí)現(xiàn)每通道的光功率動(dòng)態(tài)均衡。

基于PLC的光交叉上下路均是彩色光，這意味著只有預(yù)定義的彩色波長(zhǎng)可以在每個(gè)端口上下，并可配合可調(diào)濾波器和可調(diào)激光器使用。由于PLC的集成特性，使其成為低成本的ROADM解決方案之一。

在集成度上，PLC相對(duì)WB而言要高，并且因?yàn)樗下泛痛┩芍貥?gòu)功能集成在一起，可以規(guī)避波長(zhǎng)沖突出現(xiàn)的可能性。

3.3 波長(zhǎng)選擇開關(guān)型

波長(zhǎng)選擇開關(guān)是近年來發(fā)展迅速的ROADM子系統(tǒng)技術(shù)，WSS基于MEMS光學(xué)平臺(tái)，具有頻帶寬、色散低，并且同時(shí)支持10/40 Gbit/s光信號(hào)的特點(diǎn)和與波長(zhǎng)無關(guān)的特性。WSS采用自由空間光交換技術(shù)，上下路波數(shù)少，但可以支持更高的維度，集成的部件較多，控制復(fù)雜。目前，雖然成本與PLC和WB相比較高，但大部分基于WSS的光交叉可以實(shí)現(xiàn)基于8個(gè)維度光方向交叉。

如表1所示，3種光交叉連接方式各有特點(diǎn)，至于采用何種技術(shù)，主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景而定，如果僅僅需要2個(gè)維度的光交叉，那么WB和PLC可以充分利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響最小，易于實(shí)現(xiàn)從FOADM到二維ROADM的升級(jí)，具有極高的成本效益。而基于WSS的ROADM，可以在所有方向提供波長(zhǎng)粒度的信道，遠(yuǎn)程可重配置所有直通端口和上下端口，適宜于實(shí)現(xiàn)多方向的環(huán)間互聯(lián)和構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)。

4 OTN光交叉組網(wǎng)模型

在OTN出現(xiàn)之初，考慮到成本因素，WB和PLC是OTN設(shè)備廠商所選擇的光交叉技術(shù)，但隨著近幾年OTN產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，越來越多的國外運(yùn)營商，尤其是歐洲運(yùn)營商，選擇光交叉OTN作為其城域網(wǎng)或者干線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的首選技術(shù)，這就在一定程度上降低了WSS光交叉器件的成本。目前，大部分廠家OTN設(shè)備均已在其OTN設(shè)備中的光交叉單板中集成了WSS器件，因此，WSS已經(jīng)成為目前主流的光交叉技術(shù)。

在本章節(jié)中，結(jié)合運(yùn)營商實(shí)際建網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)和成本因素，提出了3種OTN組網(wǎng)策略模型，即全交叉WSS組網(wǎng)模型、全交叉WSS合波光模塊+FOADM分波光模塊和全交叉WSS分波光模塊+FOADM合波光模塊（WSS-D+FOADM-M）。

4.1 全交叉WSS組網(wǎng)模型

在這種組網(wǎng)模型中，全部采用WSS光器件進(jìn)行波長(zhǎng)的上下路，因此，該組網(wǎng)模型可以在不同方向之間實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的無阻塞交叉連接，上下業(yè)務(wù)側(cè)交叉連接的實(shí)施也不需要對(duì)已經(jīng)連接的光纖進(jìn)行人工調(diào)整。采用該模型最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的任意調(diào)度，但需要大量的WSS光交叉模塊。

現(xiàn)階段，由于光器件技術(shù)的限制，每一個(gè)WSS光交叉模塊最多可以提供8個(gè)調(diào)度口和1個(gè)直通口，圖5組織了一個(gè)四維的光交叉連接節(jié)點(diǎn)，圖5中，WSS-D代表基于WSS光交叉技術(shù)的合波單板，WSS-M則代表基于WSS技術(shù)的分波單板。每個(gè)WSS-M均可以與其他方向的WSS-D通過跳纖相連，如果需要更多的交叉連接方向，可以通過擴(kuò)容相應(yīng)單板的方式來實(shí)現(xiàn)，此外，考慮到光性能的管理，在每一個(gè)光方向上，可以配置若干個(gè)光放大器單板來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大功能。

表1 3種OTN光交叉技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式的比較

圖5 全交叉WSS組網(wǎng)模型

由于WSS光交叉模塊最大能支持9個(gè)光接口，因此用WSS器件進(jìn)行業(yè)務(wù)光交叉調(diào)度時(shí)，每個(gè)WSS光交叉模塊只能上下8個(gè)波長(zhǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需求超出8個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，就需要WSS器件進(jìn)行級(jí)聯(lián)。

這種組網(wǎng)模型由于需要大量WSS光交叉模塊，因此，建網(wǎng)成本較高，而且在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，無法對(duì)端到端光通道進(jìn)行有效的性能監(jiān)測(cè)，基于這兩點(diǎn)，本文還提出了另外2種光交叉組網(wǎng)模型。

4.2 全交叉WSS合波光模塊+FOADM分波光模塊

考慮到固定波長(zhǎng)上下路光模塊成本較低，因此在對(duì)光交叉需求并不十分迫切的網(wǎng)絡(luò)中，可以考慮引入固定波長(zhǎng)交換器件，以降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，提高網(wǎng)絡(luò)的整體經(jīng)濟(jì)性。

這種組網(wǎng)模型就是在波長(zhǎng)分波部分引入固定波長(zhǎng)交換光模塊，稱之為FOADM-D，而在合波部分，仍然有那種基于WSS光器件的全交叉光模塊 （WSS-M），這種組網(wǎng)模型在節(jié)省WSS模塊的前提下，可以實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的無阻塞交叉連接，所有波長(zhǎng)交叉連接調(diào)度不需要通過控制平面來完成。

如圖6所示，每一個(gè)基于WSS光交叉模塊的合波單板可以提供8個(gè)調(diào)度端口和1個(gè)直通端口，而基于FOADM光模塊的分波單板（FOADM-D）則可以提供八方向端口。每個(gè)合波單板和固定分波單板與其他方向單板通過跳纖進(jìn)行連接，如果需要更多交叉連接的方向，則可以通過擴(kuò)容單板規(guī)模來實(shí)現(xiàn)。同樣，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于光信號(hào)性能的管理，每個(gè)光方向還需要配置若干塊光放單板，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大功能。

4.3 全交叉WSS分波光模塊+FOADM合波光模塊

圖6 全交叉WSS合波光模塊+FOADM分波光模塊

如圖7所示，該組網(wǎng)模型與全交叉WSS合波光模塊+FOADM分波光模塊組網(wǎng)模型類似，但采用基于WSS光交叉模塊的分波單板，以及基于FOADM光模塊的固定合波單板，所實(shí)現(xiàn)的功能完全相同。

圖7 全交叉WSS分波光模塊+FOADM合波光模塊

5 結(jié)束語

本文從對(duì)基于40 Gbit/s OTN設(shè)備形態(tài)進(jìn)行了分析，并著重研究了OTN光交叉技術(shù)，提出了3種OTN光交叉組網(wǎng)方案，分別為全交叉WSS組網(wǎng)模型、全交叉WSS合波光模塊+FOADM分波光模塊組網(wǎng)模型以及全交叉WSS分波光模塊+FOADM合波光模塊組網(wǎng)模型，并對(duì)其進(jìn)行了功能分析。