中國信通院趙鑫等：超大容量全光交叉技術及應用分析

0 引言

5G、4K/8K視頻、大數據、云互聯等業務的蓬勃發展，進一步加劇了數據流量的持續爆發式增長，對骨干網的節點處理能力帶來巨大挑戰。光傳送網中傳統的固定光分插復用技術（Fixed Optical Add-Drop Multiplexing，FOADM）不能實現動態光路調整（需人工干 預），可重構光分插復用技術（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM）是目前全光交叉應用的主要技術實現方式。超大容量全光交叉技術在傳統ROADM技術基礎上進一步發展，支持與方向無關、波長無關、無沖突、靈活柵格特性的同時，引入光背板和更大維度WSS等新器件，可滿足更大交叉容量、更多維度、更便捷的操作維護、更高集成度和更全面的管理功能等要求，已成為光網絡發展的技術熱點。

1 超大容量全光交叉技術發展現狀

隨著光傳送網技術的持續演進和發展,單纖傳輸容量快速增長并已步入數十Tbit/s時代,網絡對更大容量的全光交叉調度能力的需求愈發凸顯。同時，5G、云、數據中心互聯等新型業務對大帶寬、靈活、高效的網絡能力提出更高要求。超大容量全光交叉技術通過端到端的全光域傳輸和交換（中間無電轉換），實現超大容量數據傳輸。基于全光交叉節點組網可實現業務的光層端到端一跳直達，在滿足新型業務對超低時延要求的同時，實現靈活帶寬調整、業務高效開通等網絡需求。

全光組網一直是光傳送網的技術發展愿景，其中的光路交換（Optical Circuit Switching，OCS）、光突發交換（Optical Burst Switching，OBS）、光標簽交換（Optical Label Switching，OLS）、光分組交換（Optical Packet Switching，OPS）等技術是向全光網演進的重要研究方向。當前，全光網發展還受光存儲、光處理、波長轉換技術的成熟度和成本等多方面限制，除光路交換外的其他技術還主要處于學術研究階段，暫不具備網絡規模部署的能力。基于光路交換的全光交叉技術通過近些年的技術革新，其ROADM技術已在運營商干線網絡中實現規模建設和商用。

受限于光交叉器件的技術發展水平，傳統ROADM網絡中光交叉單元的交叉維度有限（20維及以下）且由多種分離器件構成，業務在光層傳送調度的靈活性也有較大限制。傳統ROADM在實現不同維度之間以及本地上下業務的波長調度功能時，光層組網的節點內部結構光纖連接較為復雜，網絡搭建和維護管理均無法實現便捷高效。超大容量光交叉技術基于傳統ROADM技術上演進發展，可在滿足網絡帶寬需求持續增長、網絡時延更低和業務更加靈活調度等需求的同時，向著更大容量、更高維度、更高效和更易管控維護的全光交叉技術方向演進（見圖1）^[1]。

圖1 光網絡演進過程

2 超大容量全光交叉節點結構

全光交叉節點典型結構由光交叉單元（光交叉連接矩陣）、光線路和支路單元（輸入接口/輸出接口）及管理控制單元等模塊組成^[2]，參考模型如圖2所示。光線路單元和光支路單元直接與光交叉單元相連，實現輸入和輸出信號交叉連接和調度。管理控制單元對光交叉單元、光線路單元和光支路單元進行控制和監測。其中，光線路單元和光支路單元可通過MPO光纖或光連接器直接連接方式，與光交叉單元實現連接。光交叉單元是全光交叉的核心部件，具備大帶寬、無阻塞、低時延等能力，可與光線路和光支路單元組合實現業務單向、雙向和廣播形式的連接和傳輸功能。

圖2 全光交叉節點結構參考模型

在全光交叉節點結構中，光線路單元主要采用WSS器件實現光線路的業務調度功能；光支路單元主要采用MCS或N×M ADWSS^[3]器件實現業務上下路功能；光交叉單元目前可采用光背板和光纖連接盒兩種實現方式，實現光線路和光支路單元的連接。因此，全光交叉節點結構當前主要采用WSS+光背板和WSS+光纖連接盒兩種主流方案，可實現全光交叉節點的CDF和CDCF功能。其中，CDF全光交叉節點結構中線路單元有Nf個維度，用于輸入和輸出功能的WSS與用于本地上下業務功能的WSS通過光背板/光纖連接盒相連，實現不同波長在不同端口的業務上下（見圖3）。

圖3 CDF全光交叉節點結構

CDCF全光交叉節點結構中的光線路單元和CDF全光交叉節點結構相同，光支路單元由N×M ADWSS或 MCS實現支持CDCF特性的不同波長在不同端口無阻塞的業務上下功能（見圖4）。MCS和N × M ADWSS技術是全光交叉實現業務上下路的兩個主要技術選擇。其中，對于采用MCS器件的上下路方式，通常需采用EDFA光放陣列來補償MCS器件對光功率的影響。另外，隨著光線路單元維度的增加，當N×M光支路單元的N小于光線路單元總維度數Nf時，可能出現業務受阻的情況。因此，更高集成度的光支路單元模塊和器件是全光交叉技術發展的重要條件。

圖4 CDCF全光交叉節點結構

3 超大容量全光交叉技術特性分析

超大容量全光交叉技術在維護性、維度、集成度和管理等方面的主要特性如下。

（1）可擴展/維護性更好，交叉容量和維度更大。光交叉線路維度的擴展導致節點內部連纖數量大幅增加，人工連纖成本及錯連率劇增。超大容量全光交叉節點結構滿足大容量調度節點的簡化運維要求，可實現面向更大容量超高速傳輸系統的技術平滑演進。超大容量全光交叉技術伴隨WSS器件維度增加，線路可調度維度和交叉容量顯著增加，也具有更好的維度可擴展能力。

（2）集成度和能耗更優。采用超大容量全光交叉技術的節點比傳統ROADM節點在空間上可節省50%~75%，光纖連接數量下降額度>90%（32維為例），功耗可下降20%~40%，單子架支線路間和線路維度間實現零手工連纖，可應對骨干機房高維度應用的挑戰，且有效節省機房空間、降低機房能耗。

（3）管理優勢更明顯。超大容量全光交叉技術在管理方面可以實現波長級的路徑可視功能，完成光物理路徑、光波長、光功率、OSNR等信息的在線檢測，可實現波長信息資源的快速識別、波長路由可視和錯誤排查、閑置波長回收、波長梳理、基于波長統計的業務規劃等應用和管理功能。

4 超大容量全光交叉技術應用分析

超大容量全光交叉技術根據當前的發展現狀和應用需求，可分為波長級和端口級兩種典型應用場景。其中，波長級應用場景主要用于WDM通路的光層調度；端口級應用場景主要用于數據中心互聯、自動化實驗室和生產線等。

4.1 波長級全光交叉技術應用場景

隨著WSS器件的成熟，基于ROADM模型的波長級全光交叉技術已現網規模應用。目前，基于WSS器件構建的全光交叉節點最高可配置32維度。當系統的線路維度為20維及以下時，可選擇傳統ROADM節點結構；當系統的線路維度為20維及以上時，建議配置超大容量全光交叉節點結構，以簡化運維并增強節點擴展能力。隨著單波長超100 GB技術的發展和規模部署，32維全光交叉節點已具備320 Tbit/s ~ 640 Tbit/s的超大容量波長級業務全光交叉能力，同時支持方向無關、波長無關、無沖突、靈活柵格等。波長級全光交叉技術實現的業務配置方式為全光路徑的端—端一跳直達，可有效提高系統的波長級業務調度能力。波長級全光交叉技術相比于電交叉技術，由于路徑中無電中繼節點，可更好地滿足業務低時延需求。但需要說明的是，網絡整體規模和節點數量較大時，如無法實現端到端全光交叉組網，可綜合業務、拓撲、容量和能耗等諸多參數合理優化的基礎上，引入電中繼節點進行光電混合交叉組網。

4.2 端口級全光交叉技術應用場景

端口級全光交叉技術采用光交叉設備作為節點中的光交換矩陣使用，典型應用場景主要包括數據中心應用、自動化實驗室和生產線應用。

（1）數據中心（Data Center）應用。新業務帶來數據中心網絡流量爆炸式增長且存在明顯的動態特性，易導致網絡擁塞、網絡過載和時延增加等影響應用性能的情況。采用全光交叉技術可有效滿足數據中心業務動態特性的要求，實現業務動態靈活調整，提高網絡性能和設備利用率。端口級全光交叉矩陣端口數目前已可達到數百至一千量級，有效提高網絡效率和可擴展能力（見圖5）。

圖5 數據中心的全光交叉技術應用場景

（2）自動化實驗室和生產線應用場景。端口級全光交叉矩陣可以在科研實驗室場景中，滿足大量光通信設備、光纖、儀表等的光互聯配置需求，實現自動化光交叉連接，試驗人員可遠程控制光路的切換，以及通過預設程序，實現無人工干預情況下的自動化試驗和測試。另外，端口級全光交叉應用場景也滿足生產線上批量化和重復性的測試驗證需求。此應用場景通常對全光交叉矩陣的端口數要求不高，48×48至320×320個端口或多個全光交叉矩陣級聯的方式可滿足應用需求。自動化實驗室和生產線應用場景采用全光交叉技術，可有效提高實驗室和生產線自動化能力及效率。

5 結束語

以當前網絡流量持續增長及新型業務對光網絡的影響和需求分析為基礎，從超大容量全光交叉技術發展現狀和趨勢、交叉節點結構、技術特性分析和應用分析等方面展開研究。基于新型高帶寬業務的持續發展驅動，超大容量全光交叉技術已出現明顯應用需求；超大容量全光交叉技術采用WSS和光背板/光纖連接盒的實現方案是目前業界采用的主要方案；超大容量全光交叉技術具有更好的可擴展/維護性、更大的交叉容量和維度、更優的集成度和更明顯的管理優勢；超大容量全光交叉技術支持波長級和端口級兩種典型應用場景。超大容量全光交叉技術發展及相關產業化進程的平穩推動，可有力支撐我國超大容量寬帶基礎網絡建設。

參考文獻

[1] 中國信息通信研究院. 超大容量全光交叉技術及應用研究[R], 2020.

[2] 李允博. 光傳送網(OTN)技術的原理和應用[M]. 北京:人民郵電出版社, 2018.

[3] Zami T, Lavigne B. Advantages at network level of contentionless N×M adWSS[C]//Optical Fiber Communication Conference, 2019.