基于OXC和OSU技術打造全光城市的探索實踐

徐曉蕾

（中國移動通信集團河南有限公司，河南 鄭州 450008）

1 研究背景

2020年12月，國家信息中心發布了《全光智慧城市白皮書》，首次提出全光智慧城市的發展理念，通過闡述F5G（第五代固定網絡）的演進發展、關鍵特征、評價指標等，加速全光數字基礎設施底座的部署升級，以智能聯接的網絡賦能智慧城市建設，推動行業新應用，激發無限增長空間，這給正在積極進行網絡升級提速、擴大覆蓋的運營商描繪出一副全光底座支撐下智慧城市的美好藍圖。千兆光網正是數字新基建中最堅實的物理承載底座，與5G共同構成了數字化轉型的雙輪和兩翼。千兆寬帶提速是千兆光網建設的第一步，全光網的規模部署將是千兆光網升級的第二步，從千兆城市向全光城市演進已經成為通信產業的新熱點。

2 打造全光目標網架構

2.1 核心骨干需求分析

在5G、云和AI時代，DC云化，大量的創新業務日新月異，通信服務的模式正在發生變化，運營商自營IDC的互聯、大型互聯網服務提供商（如BAT）互聯、核心骨干路由器間互聯等需求驅動網絡向全連接化發展[1]。家庭寬帶提速、5G建設讓骨干網流量激增，家庭寬帶2021年4K用戶達到3億，運營商千兆套餐規模發布，預計2025年全球將有超過1.87億千兆寬帶用戶。這給骨干網帶來不少的挑戰，當前骨干網呈現如下發展趨勢。

（1）超大容量。DC到DC之間的東西向流量過去5年增長了4倍，同時視頻等業務驅動南北向流量快速增長，移動流量未來年復合增長54%，整體骨干網流量每2.5年增長1倍。工信部發布的“雙千兆”網絡協同發展行動計劃明確指出加快骨干網傳輸能力建設，推動基礎電信企業持續對骨干傳輸網絡轉型升級，按需部署超大帶寬的傳輸網絡，提升綜合承載能力。

（2）低時延。為了降低時延，加快業務發放，傳統網絡的逐層匯聚架構無法滿足要求，需要逐步演進到一條直達的扁平化極簡網絡架構。《“雙千兆”網絡協同發展行動計劃（2021—2023）》明確指出優化數據中心互聯能力，開展高速光傳輸系統的部署應用，鼓勵開展數據中心直聯網絡、定向網絡直聯等建設。

（3）高可靠。骨干網承載關鍵價值業務，如核心DC之間的互聯、政企客戶的專線，都對可靠性有十分高的要求。超高可靠性為網絡的基礎核心能力，是運營商競爭力的基石，高可靠性成為運營商網絡建設的首要因素。

河南移動核心骨干網面臨DC化的挑戰，原有的老DC機房因為機房空間和功耗的原因，搬遷到新的站點。同時，核心骨干網2個平面未打通，導致核心骨干網間存在大量業務繞接，消耗大量轉接板卡，轉接時延也非最優，不利于業務的發展。

2.2 政企專線需求分析

在政企專線市場上，從各種典型行業的業務場景來看，行業客戶更加關注專線品質，尤其隨著數字政府、數字醫療、數字金融、數字教育等行業入云加速，在差異化SLA保障、更穩定安全的網絡、更靈活的套餐、更低的成本和快速服務等方面提出挑戰。例如，黨、政、軍、金融、證券行業更關注安全、可靠性，在相關業務發展指導意見中，仍明確要求采用嚴格物理隔離的硬管道承載方案。證券公司特別關注低時延，愿意為高品質買單，如某運營商為期貨公司打造的低時延專線，將時延從4.6 ms降低到0.63 ms，專線售價提升8倍。醫療行業全系統上云，要求絕對的高安全高可靠，數據不丟失，保護隱私。大量中小型企業客戶對帶寬訴求相對較小，但對資費敏感，注重性價比，建網方式更側重輕資產方式。同時，快速開通和彈性帶寬成為各企業共同需求，企業普遍希望專線業務可在1～2天內快速開通，并要求提供線上自助式服務，比如，在疫情情況下，網絡教育行業對帶寬要求更高，同時存在高并發、流量大等屬性，且存在比較明顯的潮汐效應，對大帶寬、帶寬可調等都提出了要求。

在發展政企專線過程中，因業務發展快，部分業務直接從局端CPE直接掛接到核心網，對核心網的端口和光纖資源消耗很快。同時，開通業務使用的傳統VC方式，業務映射層級較多，在支持的小顆粒連接數目和單站時延上也有可優化的地方。

2.3 基于OXC+OSU打造全光城市底座的探索和實踐

通過對核心骨干和政企專線需求分析，結合河南移動網絡中的關鍵痛點，基于業界主流的創新技術，通過理論分析加上現網實踐的方式進行了探索，力求找到一種通過全光目標網牽引的建網思路，更好地滿足核心骨干和企業專線需求，夯實全光智慧城市底座，為數字經濟的發展打好基礎。該探索里面主要使用到了OXC和OSU兩種關鍵技術。

2.3.1 關鍵技術

2.3.1 .1 OXC技術

光交叉連接（Optical Cross-Connect,OXC）是一種兼有復用、配線、保護/恢復、監控和網管的多功能OTN傳輸設備，可將ROADM（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）看成OXC結構的功能簡化。ROADM技術具備光層交叉和業務調度的能力，是全光組網的基礎[2]。傳統ROADM將交叉能力構建在單個模塊上，當業務調度維度需求逐漸增大時，需要多個ROADM設備堆疊來增加維度，耗費大量機房空間、電力以及運維人力和物力，同時還存在波長沖突問題，如在CD（Colorless & Directionless）場景中，傳統ROADM方案在本地上下波維度采用“獨木橋”設計，當網絡節點的流量不斷增大時，波長沖突問題難以避免，端到端動態全光交換難以實現。

相比傳統ROADM技術，OXC通過架構創新，采用類似于電層的支、線路分離方式，將光層業務接入側與線路側模塊分離，依托全光背板靈活交叉，實現光交叉從固定單維度到靈活多維度演進，極大提高了網絡節點的調度維度上限，有效延長網絡擴維周期，能充分利用光纖的帶寬資源，傳輸質量好。同時，由于采用支線路分離架構，后續擴維時也僅需增加單板數量，可大大簡化擴維難度，降低對機房資源的要求，使得網絡節點的光交叉能力能夠向更高維度演進，易于實現網絡的動態結構，可擴展性和可維護性好[3]。

圖1 ROADM與OXC光層技術組網示意圖

OXC涵蓋光背板、LCoS（liquid Crystal on Silicon）和數字化光層三大核心技術。

（1）光背板。像電背板一樣設計光背板，全光交換，免除內部連纖；創新多級防塵技術，高可靠。

（2）LCoS。高精度LCoS，多維度交叉調度；免光放CDCG（Colorless, Directionless, Contentionless,and Gridless），高可靠，原生支持靈活柵格（Flex-Grid）功能。

（3）數字化光層。利用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調頂，高精度波長監控技術，光纖質量、波長路徑和性能可視化。

2.3.1 .2 OSU技術

OSU技術是2020年新一代技術，在繼承傳統OTN/WDM剛性硬管道優勢的同時，定義更小的帶寬顆粒度，打破傳統架構思維邊界，匹配市場中海量存在的小帶寬、高品質、低成本專線訴求，將品質專線延伸至更廣泛領域，推動品質專線邁入普惠新時代。

圖2 OSU封裝映射與傳統封裝對比示意圖

OSU技術有以下技術特點[4]。

（1）極簡的承載架構。定義靈活彈性新容器（OSUflex），以2 Mbps顆粒為步長，不再受傳統ODU0（1.25 Gbps）顆粒度的限制，可以任意匹配SDH、PDH、ETH、存儲等幾乎所有業務顆粒種類。基于Quark交換架構逐步收編多種承載技術，空間節省70%，能耗降低50%，簡化承載架構，構筑綠色生態，在保障業務品質的情況下實現單bit傳輸成本最優。

（2）泛在的全光聯接。基于AI時隙切片管理，實現N×2 Mbps帶寬管道，單波100 Gbps可提供1 000條業務連接，單根光纖可實現48萬個硬切片，業務連接數提升12.5倍，使能實現無處不在的光聯接，為萬物互聯的智能世界構筑最堅實的全光底座。

（3）極致的業務時延。采用粒子染色技術實現精準尋址，簡化映射機制，減少處理層級，提供差異化分級時延，單站時延降低70%，可應用于時延敏感的業務場景，如金融交易、自動駕駛、工業智能制造、大規模數據中心協同計算等領域。通過光網大腦時延地圖提供業務時延的可視、可管、可控、可保障，在滿足極致業務體驗的同時，基于不同業務訴求提供更豐富的時延套餐，支撐其網絡時延資源的銷售和商業變現。

（4）無損的帶寬調整。內置增強型Σ-Δ算法，支持2 Mbps～100 Gbps無極無損帶寬調整，端到端調整時長縮短至10 s以內，100%網絡資源利用率，面向中小企業，甚至個人業務按需保障業務品質。同時，還可滿足政企業務臨時性、計劃外的帶寬需求，通過“Pay as you grow”商業模式，實現精細化的帶寬資源管控，為更多企業客戶提供按需隨選的帶寬消費服務。

2.3.2 全光城市目標網架構

依托OXC和OSU技術，網絡架構從環形組網逐步變成Mesh化、立體化組網[5]，立體骨干架構相比傳統網絡環形遠路徑的繞遠，光交叉調度可以實現最優路徑直達，有效減少電層中繼和多級映射，減少光電轉換次數，降低網絡整體時延和能耗，提升整體網絡效率和效能。

2.3.3 與傳統FOADM+ODUk調度的網絡架構對比

通過創新的OXC技術和OSU技術構建的全光目標網具有以下幾個關鍵特點：架構極簡、光電協同，轉接效率最優；全光調度、簡化封裝，網絡時延最優；一網多用，綜合承載，提質提效增收。下文從四個維度對全新目標網架構與傳統網絡架構進行對比。

2.3.3 .1 網絡可擴展能力對比

OXC通過架構創新，將光層交叉能力從單模塊能力演進到整體架構能力，同時采用類似于電層的支線路分離的方式，實現網絡擴維從設備級新增向插板式新增發展，極大簡化了擴維難度，可實現快速TTM。而OSU技術也將對小顆粒業務的支持規格大幅擴展，讓面向政企的專線市場的快速接入、快速新增業務成為了可能。

2.3.3 .2 時延對比

基于OSU/OXC的全光網絡可以提供確定性承載和穩定的低時延保障。

（1）光層架構最優。光層一跳直達，架構時延最優。

（2）電層節點時延最優。引入OSU，減少封裝層次，業務處理時延最優。

（3）穩定低時延。基于OSU/ODU的OTN是基于時隙復用技術的光網絡傳輸技術，其設備處理信息的層級位于L1層，時延接近物理極限且可以承諾穩定的時延值，與網絡負荷無關。

（4）低時延管控。通過傳送網管控系統和云網協同編排系統之間的協商，對網絡時延做優化處理，對專線業務進行編排，提供最優時延的專線服務。例如，支持提供站點間的時延數據，支持時延地圖功能；支持基于時延的業務優化功能，對超出時延門限的業務進行優化。按需部署OTN電調度節點，使能OSU硬隔離通道簡化封裝結構，縮短單節點業務處理時延，使其從百微秒級別減少至十幾微秒級別。

2.3.3 .3 路徑繞接率對比

OXC設備相對于傳統的老光層平面，助力實現業務智能一跳直達，減少了復雜電光轉化，有效降低了傳輸時延。類似“高鐵”大站直達，無阻塞，超低時延。全光調度式“高速立交”可高效疏導業務流量，極大提升帶寬調度效率，大幅減少站點間繞路率，提升網絡調度能力。

2.3.3 .4 功耗和空間對比

OXC高集成度，一個槽位一個方向，OXC設備數量少，省機房空間，且業務調度維度越多，優勢越明顯，一次建網，十年無憂。河南4個典型地市經過OXC改造后，如表1所示，站點機柜數減少8個，占用空間減少50%；整體功耗降低67%；架內跳纖減少22%。

表1 河南4個典型地市OXC改造前后機房空間、功耗和連纖對比

3 結束語

在國家大力發展雙千兆的大背景下，本文從分析骨干和政企的需求入手，依托最新的OXC和OSU技術進行全光基礎網的構建和探索，使能全光城市，取得了提升網絡擴展能力、提升網絡效率、降低時延、降低機房空間和功耗的效果。當前通信技術還處在快速發展中，4K/8K、AR/VR、在線云游、在線教育、元宇宙等新業務新應用不斷涌現，未來全行業仍需攜手合作，持續進行網絡創新，支撐新業務發展。■