P比特光交換節點研究

摘要：光網絡中引入全光交換技術可以無需進行光電光轉換和電信號處理，使網絡具備透明性，大大降低節點的復雜性和節點成本。多粒度交換節點減小了交換矩陣的規模，降低了交換矩陣的復雜性，是波分復用(WDM)網絡節點發展的一個方向。隨著正交頻分復用(OFDM)技術的引入，帶寬可變的節點技術得到了越來越廣泛的關注。文章介紹了傳統的基于波長的光交叉連接器(0XC)交換結構、多粒度交換結構，以及基于正交頻分復用，單載波頻分復用(OFDM/SCFDM)的節點交換結構，并通過實驗對基于帶寬可變的可重構的光分插復用器(ROADM)、OXC節點技術進行了驗證。在實驗中提出的基于子波帶的交換結構中，節點容量達到了P比特量級。

關鍵詞：全關交換；多粒度光交換節點；可變帶寬；P比特交換節點

隨著光通信技術，特別是密集波分復用(DWDM)技術的日趨成熟，單根光纖中可以傳輸的波長數越來越多，而且未來核心光網絡中相鄰兩個節點問可能會有幾十甚至上百條光纖相連接。隨著光纖傳輸容量不斷地提升，對節點的交換容量擴充的要求也越來越高。實驗室單節點交換速率已經達到了100Tbids級別，未來的網絡節點需要實現P比特級交換速率。光纖數目和波長數目的增加使得光交叉連接器(0XC)的規模越來越龐大，傳統的基于波長粒度的交換，使光節點達到數干個端口。如此大規模的端口數量不僅使得節點實現困難，而且成本高，控制復雜，給OXC的穩定性和設計帶來了很大問題。在多粒度交換光網絡中；光交換節點可以實現波長、波帶和光纖的交換，不僅使得交叉連接的矩陣規模大大減小，同時也相應地簡化了管理控制。隨著正交頻分復用(OFDM)技術的引入，基于OFDM的彈性光網絡得到了，越來越廣泛的關注。在彈性光網絡中，和以往的固定柵格的波分復用(WDM)節點不同，OFDM中的帶寬可變節點采用分束器和帶寬可變的波長選擇開關(WSS)實現了傳統的多粒度交換結構。

文章介紹了傳統的基于波長的OXC交換結構、多粒度交換結構，以及基于正交頻分復用，單載波頻分復用(OFDM/SCFDM)的節點交換結構，并通過實驗驗證了基于帶寬可變的可重構的光分插復用器(ROADM)、OXC節點技術。提出的基于子波帶的交換結構節點容量達到了P比特量級。

1、傳統O×C的波長交換結構

光網絡中傳統的OXC執行的是單粒度的交換，即波長交換。圖1給出了傳統的單粒度交換節點結構示意圖，其核心是一個大容量的波長交叉連接矩陣。

輸入光纖中的信號通過解復用器(Demux)將每個單獨的波長解復用出來，然后進入波長交叉連接結構進行交換，之后各個波長通過復用器(Mux)合波到不同的輸出光纖。本地的上路和下路(Local add/drop)業務的端口直接和波長交換結構相連。實現光交叉連接的光開關是OXC光節點的核心功能器件，根據所采用技術的不同，可以分為自由空間開關和波導開關。目前比較常用的是基于微機電系統(MEMS)技術的光開關陣列。但是由于成本和可靠性等一系列原因，商用的MEMS光開關陣列的交換規模僅達到8×8和16×16，更大規模的光開關陣列只是在試驗階段，還遠未成熟。

實現大規模的光開關矩陣(數千個端口)無論從成本、穩定性來說都幾乎是不可能的。而且如此復雜的光開關矩陣的大規模生產是非常昂貴而不現實的，因此希望能使用較小規模的光開關矩陣來實現復雜的光交換。另一方面，隨著數據業務的快速增長，對光器件和光網絡性能的要求也越來越高，如何快速、高效、智能地傳遞業務是光網絡研究的一個重要方面。根據網絡中業務流量的數據統計，對網絡中的每一個單節點來說，占到總量60％～80％的大部分業務與本節點無關，大部分業務都是“轉發業務”而不是“接入業務”，即在本節點無須進行交換，只需要在本節點直通。由于傳統的OXC是基于波長單粒度的結構，所有光路信號都必須適配到波長級別進行處理，這就導致了網絡節點的處理速度將成為“瓶頸”。OXC節點的交叉規模受限、成本高、靈活性差、擴展比較困難，從而無法滿足高速網絡交換的需求。

2、多粒度光交換節點

1999年，多粒度的思想被引入到光交換節點中，相應的多粒度光交換節點應運而生。所謂的多粒度光交換是指交換節點的交換粒度不僅包含波長，而且包含波帶以及光纖，即能夠同時提供波長、波帶以及光纖等多種帶寬粒度的交換。波帶是將多個波長捆綁在一起，并在波帶等級進行交換和路由。波帶光通道由一組波長光通道組成，并作為一個單獨的信道來路由。波帶交換將光節點中部分端口的交換粒度擴大到了波帶等級。同樣，更大的光纖粒度是將多個波帶進行捆綁并在光纖等級進行交換和路由。光纖交換將光節點中部分端口的交換粒度擴大到了光纖等級。多粒度交換中波帶、光纖捆綁如圖2所示。圖2中一根光纖中有8個波長，每4個波長為一組組成一個波帶，這樣光纖中就有2個波帶。

采用多粒度交換技術之后，交換節點不必對所有的波長都進行復用和解復用。可以將通過節點的多個“轉發業務”匯聚在同一個波帶或是同一根光纖內傳輸，從而在節點內實現“波帶路由”或者“光纖路由”，因此可以顯著地降低端口數。光交叉連接設備的端口數是決定節點費用以及控制復雜度的重要因素。所以，多粒度光交換在簡化光節點的結構，降低節點的制造、維護和操作成本方面都有著顯著的優勢。

多粒度光交換也極大地提高了光網絡設備的傳送效率和吞吐容量。例如，對于與本地節點無關的業務，無需解復用，復用成較小粒度(如波長)的交換，可以在較大的粒度層次(如波帶、光纖)上直通。多粒度光交換技術作為一項嶄新的光網絡節點技術，可以結合空分、波分以及時分等多種交換方式而成為下一代光網絡傳送平臺的核心技術，因此，具有極為廣闊的應用前景。

3、基于可變帶寬交換的

P比特級交換節點結構

隨著光傳輸技術和新型的光交換器件的發展，基于正交頻分復用的可變帶寬全光交換技術得到了越來越廣泛地關注。與傳統的固定柵格的以波長為最小交換粒度的WDM系統相比，可變帶寬全光交換技術中引入了子載波的概念，實現了更小顆粒度的交換。同時對于大數據容量的鏈路，多個子波帶能夠通過匯聚的方式實現超級通道，實現大容量高速數據的傳輸和交換。

對基于OFDM/SCFDM的ROADM、OXC結構，我們進行了實驗驗證。

(1)200 Gbil/s單載波頻分復用(SCFDM)系統上下路實驗

圖3為我們在200 Gbit/s SCFDM超級通道上驗證的上下路實驗。我們首次實現了在SCFDM超級通道上實現的單個子波帶的上下路。在一個ROADM結構里面，輸入的信號可以首先通過一個分束器將輸入信號分成兩路，一路進行下路操作，另外一路進行上路操作。實驗中，我們分別對上路和下路進行驗證。

圖4是我們實驗中的發射機和接收機結構。

首先我們利用任意波形發生器(AWG)產生SCFDM信號，然后利用光同相/正交(IQ)調制器將電信號調制到光上。IO調制器輸入端為通過兩個射頻源驅動強度調制器產生的等間距的5個光子載波。IQ調制器輸出端為經過調制的5個光子載波的SCFDM信號。信號經過偏振分束器、光延時和偏振合束器來模擬偏振復用，再經過鏈路、交換節點傳送到接收端進行相干接收。

在接收端，將接收到的信號和本振光進行混頻，再通過4個平衡檢測器進行檢測。實驗中我們用數字存儲示波器對信號進行采樣，再對采樣得到的信號進行離線處理。

上下路結構模擬中，發端信號為5個連續正交波帶的復用的單載波頻分復用(OBMSCFDM)信號，子波帶的間距為10GHz，采用QPSK調制。首先是下路信號的模擬，SCFDM信號經過2段80 km傳輸后，通過全光的頻譜分配，分成兩路，一路信號包括子波帶1、3、4，另外一路包括子波帶2、5，進行下路操作；然后是上路操作，SCFDM信號經過80 km傳輸后，首先通過一個帶阻濾波器，將中問的子波帶移除，然后用另外一個發射機產生單個波帶的SCFDM信號，其中心波長和原來子波帶的中心波長精確對準；最后通過耦合器，將上路信號耦合，實現上路的操作。圖5是其實驗結果。可以看到，進行下路操作的時候，由于OBM機制，下路信號不會產生額外的功率代價；上路操作時候，由于濾波器的非理想特性，上路信號產生了功率代價。

(2)基于子波帶交換的靈活的光網絡節點結構

可變帶寬交換中，節點完成將器個輸入信號通過管控信令路由到指定的輸出端口的功能。圖6采用的是一種組播一選擇功能結構。從各個方向來的頻譜連續輸入信號經過分束器進行功率分束。各個方向來的

信號輸入到任意波形濾波器(Waveshaper)實現對連續頻譜信號的任意切割。通過配置Waveshaper，各個輸入端口輸出不同頻段的信號頻譜，合路后的信號傳輸到下一個交換節點。在節點結構中，本地的客戶端信號通過本地的帶寬可變的轉發器生成，經過分束器(splitter)進行上路。同理，下路的信號也可以通過帶寬可變的Waveshaper進行下路，從而完成本地節點的上下路功能。與傳統的固定柵格的WDM節點結構不一樣，在可變帶寬交換節點結構中，信號的頻譜可以是連續的也可以是非連續的。在節點中不需要將各個信號波長分開再進行各個信號波長的合路，從而大大簡化了節點結構。在這種節點結構中，Waveshaper完成信號的復用，解復用功能，分束器完成信號功分功能。

基于子波帶交換的靈活的光網絡節點結構如圖6所示。

各個方向的輸入信號經過分束器進行功率均分，送人到各個Waveshaper。通過Waveshaper的波長選擇性作用，將經過交換的信號輸出到各個輸出端口。

圖7是進行實驗性驗證的基于子波帶交換的靈活的光網絡框圖。發射機1產生偏振復用QPSK-SCFDM1、3、5子波帶。信號從2端口輸入WXC，發射機2產生偏振復用QPSK-SCFDM 2、4、6子波帶模擬上路信號。兩個發射機中每個子波帶的信號帶寬為10 GHz，兩個發射機各個子波帶中心波長間距為10 GHz。發射信號經過Splitter功分，作用和配置到Waveshaper。WXC右邊輸出端口可以得到輸入子波帶信號的任意組合。實驗中我們進行子波帶的隨機組合(如圖7右所示)。可以看出由于采用了Splitter，這種WXC結構具有組播功能。

如果節點結構要達到P比特級交換，設光纖端口數為8(4進4出)，采用16QAM調制格式，1000個光載波，每個光載波信號帶寬為10 GHz，符號率為10 GS/s，則總的節點容量將達到10 GS/sx4 biffs x2×1000 x8＝0，64 Pbit/s。

4、結束語

本文我們介紹了傳統的基于波長的OXC交換結構、多粒度交換結構以及基于OFDM/SCFDM的節點交換結構，并實驗驗證了基于帶寬可變的ROADM、OXC節點技術的可行性。在實驗提出的基于子波帶的交換結構中，節點容量達到了P比特量級。