大容量光電交換技術研究

摘要：高效靈活地利用已有帶寬，充分、高效和靈活地調度和控制各種粒度的業務，保證業務的生存性是光交換網絡亟需解決的技術問題。為此文章探討了融合光通路數據單元(ODUk)/分組的新型交換機制、光纖/ODUk/分組混合交換機制。文章認為新的交換機制和多粒度交換結構是超大容量實現和構建的關鍵，業務多粒度生存性及協調機制、業務適配、帶寬分配、管理和控制、損傷監測等是需要研究的重點問題。

關鍵詞：光交換；分組交換；電交換；混合交換

1、網絡發展趨勢

根據Cisco公司預測，到2014年，平均每年的全球IP業務流量將保持34％的年增長率(如圖1所示)。如果保持該增長速度，業務帶寬的需求在2～3年內就將翻一番。從中國的情況來看，按照中國電信的最新預測，中國電信未來5年干線容量可能達到110～188 Tbit/s，并在今后不斷增長，這將會對光網絡的容量、架構和性能提出嚴峻的挑戰。網絡流量的快速增加使得單個波長的傳輸速率和波分復用(WDM)系統的傳輸容量也在不斷增加。40Gbit/sWDM技術成功已經在全世界范圍內進行了大規模商用部署，100Gbit/sWDN技術也已經開始正式商用的步伐。

網絡IP流量的快速增加在促進單波傳輸速率提高的同時，也在促使網絡架構發生改變，以滿足大容量IP業務的需求。與傳統的語音業務相比，當前網絡流量的增加除了對帶寬提出了更高的需求之外，其業務粒度更加豐富，對網絡調度的智能靈活性、網絡的生存性等多個方面也提出了更高的要求。這就要求未來的光通信網絡不再僅僅是提供一個超大帶寬的傳輸管道，而是能夠滿足業務梳理、調度、質量保證等各個方面的需求。光網絡中的交換節點將在其中扮演至關重要的角色。如何高效靈活地利用已有的帶寬，如何對各種粒度的業務充分、高效和靈活地調度和控制，以及保證業務的生存性，這將決定著未來的光網絡能否成功應對未來網絡流量的快速發展和變化。而這些正是光交換節點技術需要解決的問題。

2、光交換技術研究現狀

光網絡中節點的交換技術從總體上可以分為四大類：電分組交換、光分組交換、電路交換和光線路交換。從能耗的角度考慮，電分組交換的能耗最高，而光線路交換的能耗最低(如圖2所示)。目前的光網絡迫切需要支持多種粒度的大容量光交叉節點。

光網絡最早采用的交換方式就是電交換。交換粒度從早期的虛容器(vc)級別發展到目前的光通路數據單元(ODUk)級別。目前光傳送網(OTN)還支持ODUflex粒度和通用映射規程(GMP)封裝方式，可以對不同粒度的業務實現封裝和調度。但是從目前的情況來看，分組業務的調度更多的還是首先將光信號通過光電轉換設備轉換為電信號，然后通過路由器在電域進行交換，再通過電光轉換設備轉換為光信號進行傳輸。這種交換方式的靈活性比較高，但是耗費了大量的路由器資源，從而造成路由器的能耗和成本隨著網絡流量的發展而急速增加。近些年提出了分組光傳送網(P－OTN)的概念，即在交換體系中引入二層交換能力，從而使得分組業務和時分復用(TDM)業務在OTN交換體系中具有同等地位，分組業務不再是SDH的客戶業務，而是可以直接在OTN交換體系中進行交換。P－OTN技術還在研究之中，標準化工作也還沒有取得實質進展。

光交換可以分為光電路交換(Ocs)、光突發交換(0Bs)和光分組交換(OPS)。OCS技術隨著近些年可重構分插復用設備(ROADM)技術的發展而取得廣泛的應用。隨著傳輸速率的進一步提高(如達到太比特每秒級)，信道的譜寬超過100GHz，使得原來的50Gbit/s固定間隔的WDM系統已經無法適應；另一方面，隨著頻譜效率的進一步提高，系統傳輸距離進一步縮短，為了在頻譜效率與傳輸距離之間得以實現比較好的性能權衡，軟件定義收發機(SDO)的概念被提出，核心目標是通過軟件的方式來配置和編程收發機的調制方式和載波帶寬，從而根據不同的傳輸距離采用不同的調制方式，最大化地利用頻譜資源。因此，考慮到網絡的可升級性和可擴展性，下一代的頻譜劃分將不再是以50GHz或100GHz為單位，而是采用可變的柵格系統。這一問題在光互連論壇(OIF)和國際電信聯盟(ITU)已經開始對論研究，并且ITU的G.694.1已經開始修改以支持可變頻率柵格。可變柵格系統的每個信道的頻譜寬度并不是任意的，而是具有一定的粒度(步進)。步進粒度和系統的復雜性成反比，如何取得兩者的權衡還需要進一步研究。因此，支持無色、無方向性和無波長沖突性的ROADM，以及帶寬特性可調的支持頻率間隔無關ROADM器件的發展都將會大大增強OCS交換技術的靈活性和應用前景。

常規的OCS支持波長粒度的交換，其業務速率可以是10Gbit/s，也可以是100 Gbit/s。但是在實際應用中，需要交換的粒度可能是幾個波長或者子波長粒度，這樣如果仍然采用傳統網絡架構的活，不僅交換效率不高，也可能會存在資源浪費的情況。為此，在常規OCS的基礎上，有研究項目提出了一種多粒度的交換節點結構，如圖3所示。可以實現的交叉粒度包括光纖交換(FXC)、波帶交換(BXC)、波長交換(WXC)以及子波長交換(通過電層DXC實現)。有研究項目提出了另外一種基于光碼分多址(OCDMA)的子波長光交換機制。即把每一個正交碼作為一個交換顆粒進行子波長連接的光交換。但是受OCDMA技術實際應用的限制，該種子波長交換方式的應用前景并不樂觀。除此之外，還有學者提出了一種光子時隙交換技術。與時分復用相似，信號在時間上被劃分成多個時隙。但是與時分復用不同的是，每一個時隙都包含系統的所有波長，每個波長都可能含有一定的分組數據。這樣就可以通過對時隙內的波長進行交換從而實現分組數據的交換。

除了光交換技術的研究之外，也有許多關于光交換網絡智能管控和生存性方面的研究。新的網絡不僅解決網絡的帶寬需求，而且能夠滿足不同的業務應用要求，支持點到點的應用和點到多點的應用。網絡的控制平面應該是靈活且魯棒的，不僅能夠對光路進行實時監控，還需要能都對其進行多層跨域的管理，在實現資源利用最大化的同時保證服務質量，同時實現動態的帶寬提供，滿足按需的業務需求。

3、大容量光電交換需求和技術研究

從業務接口和光收發技術發展趨勢上看，光網絡應能夠動態靈活地提供不同傳輸速率、不同帶寬粒度的信號交換能力。原有DWDM系統中單波長10G、40G傳輸接口已經不能滿足當前路由器豐富的接口需要，支持超波長級別和波長級別的交換能力成為實現多業務接入靈活性的迫切要求。

支持帶寬可變波長交換能力的光交換是需要討論的問題。按照ITUG.694討論的可變頻譜寬度范圍(193.1＋n×0.00625 THz)和步進粒度(12.5 GHz的整數倍)，如果支持所有的頻譜寬度和步進粒度的組合，現有架構下的合分波單元的端口數量將非常巨大，不具有可實現性。可根據傳輸系統的需求來實現新的合分波單元架構，比如采用可變柵格濾波器和耦合器來實現帶寬可變的合分波單元，以及通過相干接收的本振來選擇下路波長等，并在此基礎上研究帶寬可變的光交換單元。也可采用適宜的帶寬可變的光波長選擇器件為基礎來構建光波長交換單元實現波長級的柔性交換能力，研究面向頻譜碎片整理的彈性光網絡資源重構模式與優化機制。

3.1 融合ODUk/分組的新型交換機制

為了提高帶寬利用效率，分組交換正在逐步替代傳統的電路交換。但是隨著光傳輸技術的發展，分組交換所固有的非面向連接性在應用中又面臨著一系列問題，使得電路交換又成為大規模應用的一個很好的選擇，尤其是光電技術的融合，更使其顯示出巨大的潛力。

從傳統的觀點看，電路交換技術不適用于數據業務網絡，而分組交換技術則是當今因特網技術的主流。光傳輸技術的發展和技術的進步使得原本分組交換的優勢和電路交換的缺陷在今天已不再有意義，而且隨著應用領域的擴大，分組交換和電路交換逐漸趨向融合。

目前融合分組和ODUk的交叉有兩種實現方式，如圖4所示。在分組，ODUk交叉分離結構中，兩種不同類型的業務分別進入分組交換矩陣和ODUk交換矩陣，然后分別映射到ODUk/OTUk中。分組業務和電路業務無法共享相同的波長資源，因此網絡資源利用率不高。在分層結構中，分組業務不是直接映射到波長上而是經過一層ODUk交叉。實現分組和ODUk交叉矩陣有多種方式，例如分組業務采用GMP封裝方式映射到ODUflex中。

混合式結構如圖5所示。使用單個混合交叉矩陣同時處理分組和電路業務，很容易實現流量匯聚和疏導，映射分組和電路業務到相同的波長上成為可能。與分層結構相比較，混合式交換結構可以節省分組交換和電路交換之間的多個光接口，總的交換矩陣容量需求也隨之減小，可擴展性更高；與分離式結構相比，分組和電路業務可以共享相同的ODUk容器，因此可以獲得更高的波長帶寬利用率。

3.2 光/ODUk/分組混合交換機制

目前的網絡上除了不斷增長的IP流量，仍然存在大量的TDM業務。而且TDM業務和分組業務之間的互操作也有需求。通道化的ODUk交換使TDM業務和分組業務可以共享光層資源。網絡的演進目標要求不僅能夠支持動態帶寬可變的業務連接管理，支持面向連接業務，支持數據統計復用和差異化服務。解決辦法就是將SDH/OTN/分組等電層交換和光層集中在一個平臺上，實現統一的集中式交換，如圖6所示。

混合節點結構可以靈活分配電路和分組流量，減少所需光端口，最大限度獲得可用光纖容量。如果將之與光層交換結合，則可實現光，ODUk，分組混合交換，其結構如圖7所示。OTN層結合ODUflex實現分組和電路業務的接人、匯聚和疏導，光層實現損傷感知以及帶寬可變光波長級交換。

4、結束語

面向大容量傳送和交換的業務需求和網絡IP化的不斷發展，對于超大容量光交換節點的業務需求也更加強烈。交換機制和多粒度交換結構是超大容量實現和構建的一個主要因素。對于分層業務調度及協調、多粒度業務生存性及協調機制研究、業務適配模塊、帶寬分配模塊、管理和控制、損傷監測等需要展開進一步的研究。相信隨著器件和系統技術的進一步發展成熟，P比特甚至更高交換容量的設備會逐步出現并在網絡中開展應用。