中国信通院赵鑫等：超大容量全光交叉技术及应用分析

0  引言
5G、4K/8K视频、大数据、云互联等业务的蓬勃发展，进一步加剧了数据流量的持续爆发式增长，对骨干网的节点处理能力带来巨大挑战。光传送网中传统的固定光分插复用技术（Fixed Optical Add-Drop Multiplexing，FOADM）不能实现动态光路调整（需人工干 预），可重构光分插复用技术（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM）是目前全光交叉应用的主要技术实现方式。超大容量全光交叉技术在传统ROADM技术基础上进一步发展，支持与方向无关、波长无关、无冲突、灵活栅格特性的同时，引入光背板和更大维度WSS等新器件，可满足更大交叉容量、更多维度、更便捷的操作维护、更高集成度和更全面的管理功能等要求，已成为光网络发展的技术热点。
1  超大容量全光交叉技术发展现状
随着光传送网技术的持续演进和发展,单纤传输容量快速增长并已步入数十Tbit/s时代,网络对更大容量的全光交叉调度能力的需求愈发凸显。同时，5G、云、数据中心互联等新型业务对大带宽、灵活、高效的网络能力提出更高要求。超大容量全光交叉技术通过端到端的全光域传输和交换（中间无电转换），实现超大容量数据传输。基于全光交叉节点组网可实现业务的光层端到端一跳直达，在满足新型业务对超低时延要求的同时，实现灵活带宽调整、业务高效开通等网络需求。
全光组网一直是光传送网的技术发展愿景，其中的光路交换（Optical Circuit Switching，OCS）、光突发交换（Optical Burst Switching，OBS）、光标签交换（Optical Label Switching，OLS）、光分组交换（Optical Packet Switching，OPS）等技术是向全光网演进的重要研究方向。当前，全光网发展还受光存储、光处理、波长转换技术的成熟度和成本等多方面限制，除光路交换外的其他技术还主要处于学术研究阶段，暂不具备网络规模部署的能力。基于光路交换的全光交叉技术通过近些年的技术革新，其ROADM技术已在运营商干线网络中实现规模建设和商用。
受限于光交叉器件的技术发展水平，传统ROADM网络中光交叉单元的交叉维度有限（20维及以下）且由多种分离器件构成，业务在光层传送调度的灵活性也有较大限制。传统ROADM在实现不同维度之间以及本地上下业务的波长调度功能时，光层组网的节点内部结构光纤连接较为复杂，网络搭建和维护管理均无法实现便捷高效。超大容量光交叉技术基于传统ROADM技术上演进发展，可在满足网络带宽需求持续增长、网络时延更低和业务更加灵活调度等需求的同时，向着更大容量、更高维度、更高效和更易管控维护的全光交叉技术方向演进（见图1）^[1]。
图1  光网络演进过程
2  超大容量全光交叉节点结构
全光交叉节点典型结构由光交叉单元（光交叉连接矩阵）、光线路和支路单元（输入接口/输出接口）及管理控制单元等模块组成^[2]，参考模型如图2所示。光线路单元和光支路单元直接与光交叉单元相连，实现输入和输出信号交叉连接和调度。管理控制单元对光交叉单元、光线路单元和光支路单元进行控制和监测。其中，光线路单元和光支路单元可通过MPO光纤或光连接器直接连接方式，与光交叉单元实现连接。光交叉单元是全光交叉的核心部件，具备大带宽、无阻塞、低时延等能力，可与光线路和光支路单元组合实现业务单向、双向和广播形式的连接和传输功能。
图2  全光交叉节点结构参考模型
在全光交叉节点结构中，光线路单元主要采用WSS器件实现光线路的业务调度功能；光支路单元主要采用MCS或N×M ADWSS^[3]器件实现业务上下路功能；光交叉单元目前可采用光背板和光纤连接盒两种实现方式，实现光线路和光支路单元的连接。因此，全光交叉节点结构当前主要采用WSS+光背板和WSS+光纤连接盒两种主流方案，可实现全光交叉节点的CDF和CDCF功能。其中，CDF全光交叉节点结构中线路单元有Nf个维度，用于输入和输出功能的WSS与用于本地上下业务功能的WSS通过光背板/光纤连接盒相连，实现不同波长在不同端口的业务上下（见图3）。
图3  CDF全光交叉节点结构
CDCF全光交叉节点结构中的光线路单元和CDF全光交叉节点结构相同，光支路单元由N×M ADWSS或 MCS实现支持CDCF特性的不同波长在不同端口无阻塞的业务上下功能（见图4）。MCS和N × M ADWSS技术是全光交叉实现业务上下路的两个主要技术选择。其中，对于采用MCS器件的上下路方式，通常需采用EDFA光放阵列来补偿MCS器件对光功率的影响。另外，随着光线路单元维度的增加，当N×M光支路单元的N小于光线路单元总维度数Nf时，可能出现业务受阻的情况。因此，更高集成度的光支路单元模块和器件是全光交叉技术发展的重要条件。
图4  CDCF全光交叉节点结构
3  超大容量全光交叉技术特性分析
超大容量全光交叉技术在维护性、维度、集成度和管理等方面的主要特性如下。
（1）可扩展/维护性更好，交叉容量和维度更大。光交叉线路维度的扩展导致节点内部连纤数量大幅增加，人工连纤成本及错连率剧增。超大容量全光交叉节点结构满足大容量调度节点的简化运维要求，可实现面向更大容量超高速传输系统的技术平滑演进。超大容量全光交叉技术伴随WSS器件维度增加，线路可调度维度和交叉容量显著增加，也具有更好的维度可扩展能力。
（2）集成度和能耗更优。采用超大容量全光交叉技术的节点比传统ROADM节点在空间上可节省50%~75%，光纤连接数量下降额度>90%（32维为例），功耗可下降20%~40%，单子架支线路间和线路维度间实现零手工连纤，可应对骨干机房高维度应用的挑战，且有效节省机房空间、降低机房能耗。
（3）管理优势更明显。超大容量全光交叉技术在管理方面可以实现波长级的路径可视功能，完成光物理路径、光波长、光功率、OSNR等信息的在线检测，可实现波长信息资源的快速识别、波长路由可视和错误排查、闲置波长回收、波长梳理、基于波长统计的业务规划等应用和管理功能。
4  超大容量全光交叉技术应用分析
超大容量全光交叉技术根据当前的发展现状和应用需求，可分为波长级和端口级两种典型应用场景。其中，波长级应用场景主要用于WDM通路的光层调度；端口级应用场景主要用于数据中心互联、自动化实验室和生产线等。
4.1  波长级全光交叉技术应用场景随着WSS器件的成熟，基于ROADM模型的波长级全光交叉技术已现网规模应用。目前，基于WSS器件构建的全光交叉节点最高可配置32维度。当系统的线路维度为20维及以下时，可选择传统ROADM节点结构；当系统的线路维度为20维及以上时，建议配置超大容量全光交叉节点结构，以简化运维并增强节点扩展能力。随着单波长超100 GB技术的发展和规模部署，32维全光交叉节点已具备320 Tbit/s ~ 640 Tbit/s的超大容量波长级业务全光交叉能力，同时支持方向无关、波长无关、无冲突、灵活栅格等。波长级全光交叉技术实现的业务配置方式为全光路径的端—端一跳直达，可有效提高系统的波长级业务调度能力。波长级全光交叉技术相比于电交叉技术，由于路径中无电中继节点，可更好地满足业务低时延需求。但需要说明的是，网络整体规模和节点数量较大时，如无法实现端到端全光交叉组网，可综合业务、拓扑、容量和能耗等诸多参数合理优化的基础上，引入电中继节点进行光电混合交叉组网。
4.2  端口级全光交叉技术应用场景端口级全光交叉技术采用光交叉设备作为节点中的光交换矩阵使用，典型应用场景主要包括数据中心应用、自动化实验室和生产线应用。
（1）数据中心（Data Center）应用。新业务带来数据中心网络流量爆炸式增长且存在明显的动态特性，易导致网络拥塞、网络过载和时延增加等影响应用性能的情况。采用全光交叉技术可有效满足数据中心业务动态特性的要求，实现业务动态灵活调整，提高网络性能和设备利用率。端口级全光交叉矩阵端口数目前已可达到数百至一千量级，有效提高网络效率和可扩展能力（见图5）。
图5  数据中心的全光交叉技术应用场景
（2）自动化实验室和生产线应用场景。端口级全光交叉矩阵可以在科研实验室场景中，满足大量光通信设备、光纤、仪表等的光互联配置需求，实现自动化光交叉连接，试验人员可远程控制光路的切换，以及通过预设程序，实现无人工干预情况下的自动化试验和测试。另外，端口级全光交叉应用场景也满足生产线上批量化和重复性的测试验证需求。此应用场景通常对全光交叉矩阵的端口数要求不高，48×48至320×320个端口或多个全光交叉矩阵级联的方式可满足应用需求。自动化实验室和生产线应用场景采用全光交叉技术，可有效提高实验室和生产线自动化能力及效率。
5  结束语
以当前网络流量持续增长及新型业务对光网络的影响和需求分析为基础，从超大容量全光交叉技术发展现状和趋势、交叉节点结构、技术特性分析和应用分析等方面展开研究。基于新型高带宽业务的持续发展驱动，超大容量全光交叉技术已出现明显应用需求；超大容量全光交叉技术采用WSS和光背板/光纤连接盒的实现方案是目前业界采用的主要方案；超大容量全光交叉技术具有更好的可扩展/维护性、更大的交叉容量和维度、更优的集成度和更明显的管理优势；超大容量全光交叉技术支持波长级和端口级两种典型应用场景。超大容量全光交叉技术发展及相关产业化进程的平稳推动，可有力支撑我国超大容量宽带基础网络建设。
参考文献
[1] 中国信息通信研究院. 超大容量全光交叉技术及应用研究[R], 2020.[2] 李允博. 光传送网(OTN)技术的原理和应用[M]. 北京:人民邮电出版社, 2018.[3] Zami T, Lavigne B. Advantages at network level of contentionless N×M adWSS[C]//Optical Fiber Communication Conference, 2019.

作者简介

 赵 鑫

中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师，主要从事高速光通信领域技术和标准研究工作。

 汤 瑞

中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部高级工程师，主要从事高速光通信领域技术和标准研究工作。

 汤晓华 

中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师，主要从事高速光通信领域技术和标准研究工作。

论文引用格式：

赵鑫, 汤瑞, 汤晓华. 超大容量全光交叉技术及应用分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(5):86-90.

∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2019YFB1802905）资助

本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第5期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。

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校  审 | 陈  力、珊  珊

编  辑 | 凌  霄

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