第5章 光交叉連接設(shè)備

第五章

光交叉連接設(shè)備

OXC(Opticalcorssconnect)

光交叉連接設(shè)備是光傳送網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)設(shè)備，是一種兼有復(fù)用、光交叉連接、保護(hù)/恢復(fù)、監(jiān)控和網(wǎng)管的多功能OTN傳輸設(shè)備。

本章將介紹OXC的主要功能，講述OXC的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和幾種主要的OXC結(jié)構(gòu)。

5.1OXC的主要功能

OXC依據(jù)它所具有的功能可以出現(xiàn)在光網(wǎng)絡(luò)的許多位置，如網(wǎng)絡(luò)的邊緣和網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部等，它們應(yīng)用在不同的位置時(shí)，功能會有所差異。

1．光交叉連接

OXC具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)重組和業(yè)務(wù)疏導(dǎo)交換能力。它具有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光纖接口，它可以把輸入端的來自任一光纖信號(或其各波長信號)可控地連接到輸出端的任一光纖(或其各波長)中去，并且這一過程是完全在光域中進(jìn)行的。通過使用光交叉連接設(shè)備，可以有效地解決現(xiàn)有的數(shù)字交叉連接(DXC)設(shè)備的電子瓶頸問題。

隨著光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多粒度的交叉連接的需求日漸迫切。OXC目前的發(fā)展趨勢是向多粒度、多層次交叉連接的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)光纖級、波長級和子波級的交叉連接。

2.分插復(fù)用和帶寬管理

OXC處于干線的交匯點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)的匯聚點(diǎn)，會有相當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)在本地需要上下路。另一方面在未來的光網(wǎng)絡(luò)中，信令和路由信息要使用控制通道來傳送，這些控制通道可以用專門的波長來實(shí)現(xiàn)，它們在節(jié)點(diǎn)處必須上下路，才能完成對本地節(jié)點(diǎn)的控制和信息的交互。因此OXC節(jié)點(diǎn)需要提供本地上下路的功能，支持一定數(shù)量波長的上下路。

光交叉連接節(jié)點(diǎn)可以響應(yīng)各種形式的帶寬請求，尋找合適的波長通道，為到來的業(yè)務(wù)量建立連接。對于未來的光網(wǎng)絡(luò)，光交叉連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)能根據(jù)連接請求的動態(tài)變化，實(shí)時(shí)地進(jìn)行帶寬管理。

3.保護(hù)和恢復(fù)

目前OXC主要有基于鏈路的保護(hù)和恢復(fù)以及基于光通道的保護(hù)和恢復(fù)兩種方式。當(dāng)某一條鏈路或一個(gè)波長性能出現(xiàn)劣化或發(fā)生故障時(shí)，OXC可以為其重新選路，通過遷回路由實(shí)現(xiàn)故障的恢復(fù)?；謴?fù)功能主要是由OXC的波長路由功能提供的，通過優(yōu)化的路由波長分配(RWA）算法來實(shí)施。算法與OXC節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)有關(guān)，如是否全交叉，是否波長交換，是否波長可調(diào)諧等。其主要目的是為了提高網(wǎng)絡(luò)容量的利用率和網(wǎng)絡(luò)的生存性。OXC恢復(fù)算法要完成的主要任務(wù)有以下幾個(gè)：做到路徑最短（節(jié)點(diǎn)數(shù)最少）；使波長資源分配優(yōu)化；使各鏈路、節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量平衡，負(fù)荷量最佳或路由最安全；提供優(yōu)先級選擇，按優(yōu)先級順序恢復(fù)4.波長變換

OXC帶有光波長轉(zhuǎn)換器，可以用來增加網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬和傳輸距離?？梢允咕W(wǎng)絡(luò)容量在不影響原有業(yè)務(wù)的情況下迅速地增加,同時(shí)大大提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性、安全性。

根據(jù)OXC能否提供波長轉(zhuǎn)換功能，光通道可以分為波長通道(WavelengthPath,WP)和虛波長通道(VirtualWavelengthPath,VWP)。波長通道是指OXC沒有波長轉(zhuǎn)換功能，光通道在不同的波長復(fù)用段中必須使用相同波長實(shí)現(xiàn)。這樣，為了建立一條波長通道，光通道層必須找到一條鏈路，在構(gòu)成這條鏈路的所有波長復(fù)用段中，存在一個(gè)共同的空閑波長。如果找不到這樣一條鏈路，該傳送請求失敗。虛波長通道是指利用OXC的波長轉(zhuǎn)換功能，使光通道在不同的波長復(fù)用段可以占用不同的波長，從而可以有效地利用各波長復(fù)用段的空閑波長來建立傳送請求，提高波長的利用率。建立虛波長通道時(shí)，光通道層只需找到一條鏈路，其中每個(gè)波長復(fù)用段都有空閑波長即可。

波長通道方式要求光通道層在選路和分配波長時(shí)必須采用集中控制方式，因?yàn)橹挥性谡莆樟苏麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)所有波長復(fù)用段的波長占用情況后，才可能為一個(gè)新傳送請求選一條合適的路由。在虛波長通道運(yùn)作方式下，確定通道的傳送鏈路后，各波長復(fù)用段的波長可以逐個(gè)分配，因此可以進(jìn)行分布式控制，從而大大降低光通道層選路的復(fù)雜性。5.網(wǎng)元管理

OXC應(yīng)具有完善的管理功能，包括系統(tǒng)管理、配置管理、性能管理、故障管理、安全管理等。網(wǎng)元管理具有對網(wǎng)元設(shè)備各工作板的工作狀況實(shí)施控制、具備業(yè)務(wù)的端到端指配和恢復(fù)功能、業(yè)務(wù)上下波長的配置管理、光交叉連接、性能出現(xiàn)劣化或發(fā)生故障時(shí)的告警、鏈路或通路的保護(hù)和恢復(fù)、故障的診斷與測試，另外還需要有完善的通信和控制接口、用于傳遞信令和進(jìn)行網(wǎng)元管理單元和網(wǎng)絡(luò)管理單元之間的通信，必須具備子網(wǎng)級甚至網(wǎng)絡(luò)級網(wǎng)管的能力。5.2OXC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

OXC主要由輸入部分（光放大器EDFA，解復(fù)用器DMUX）、光交叉連接部分（光交叉連接矩陣）、輸出部分（光接口單元OTU、均功器、復(fù)用器、EDFA）、控制和管理部分及本地上下業(yè)務(wù)接口這五大部分組成。由于每條光纖不能同時(shí)傳輸兩個(gè)相同波長的信號（即波長爭用），所以為了防止出現(xiàn)這種情況，實(shí)現(xiàn)無阻塞交叉連接，在連接矩陣的輸出端每波長通道光信號還需要在波長變換器OTU中進(jìn)行波長變換，然后再進(jìn)入均功器把各波長通道的光信號功率控制在可允許的范圍內(nèi)，防止非均衡增益經(jīng)EDFA放大導(dǎo)致比較嚴(yán)重的非線性效應(yīng)。

5．3OXC的主要性能

1．交叉連接容量

交叉連接容量的大小取決于OXC的端口數(shù)。OXC具有透明的傳輸代碼格式和比特率，可以對不同傳輸代碼格式和不同比特速率等級的信號進(jìn)行交叉連接，所以O(shè)XC的端口數(shù)是衡量OXC的交換能力的重要標(biāo)志。不同網(wǎng)絡(luò)對OXC交換能力的要求不同。OXC的端口數(shù)量少的可有2×2，4×4；多的可達(dá)1024×1024。2001年OFC會議上，Lucent公司報(bào)導(dǎo)已實(shí)現(xiàn)1296×1296個(gè)端口MEMS，每個(gè)端口上輸入40×40Gbit/s=1.6Tbit/s的WDM信號，總的交叉能力達(dá)到2.07Pbit/s.2．通道特性

通道特性是指只支持波長通道還是可以支持虛波長通道。反映出OXC的連接能力。根據(jù)OXC能否提供波長轉(zhuǎn)換功能，光通道可以分為波長通道和虛波長通道兩種。波長通道是指OXC沒有波長轉(zhuǎn)換功能，光通道在不同的光纖段中必須使用同一波長，即滿足波長連續(xù)性條件。這樣，為了建立一條波長通道，光網(wǎng)絡(luò)必須找到一條路由，在這條路由的所有光纖段中，有一個(gè)共同的波長是空閑的。如果找不到這樣一條路由，就會發(fā)生波長阻塞。虛波長通道是指OXC具有波長轉(zhuǎn)換功能，光通道在不同的光纖段中可以占用不同的波長，從而提高了波長的利用率，降低了阻塞概率。3.阻塞性

交叉連接結(jié)構(gòu)的構(gòu)成可有：嚴(yán)格無阻塞、可重構(gòu)無阻塞和有阻塞三種。

在嚴(yán)格無阻塞的情況下，從一個(gè)可以使用的輸入端口到任一可用的輸出端口可以建立連接，而不用中斷、重新安排其它端口的現(xiàn)有連接。

在可重構(gòu)無阻塞情況下，可以建立從任意輸入端口到輸出端口的任意波長之間的連接，但是要中斷現(xiàn)有的某些連接，對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新配置，這也就影響了已建立連接的信號。

在有阻塞的情況下，結(jié)構(gòu)本身就是具有一定的阻塞性。在某些情況下，即使對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新配置，從一個(gè)輸入端口來的波長也不能交換到一個(gè)輸出端口，而造成阻塞。由于每個(gè)波長所攜帶的信息量都比較大，因此節(jié)點(diǎn)一般不采用有阻塞的連接結(jié)構(gòu)，最好是采用嚴(yán)格無阻塞的體系結(jié)構(gòu)，有時(shí)候?yàn)榱撕喕Y(jié)構(gòu)、降低成本，也采用可重構(gòu)無阻塞的結(jié)構(gòu)。4.模塊性

因通信業(yè)務(wù)量的不斷增長，考慮到建設(shè)OXC的成本，人們希望OXC結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有模塊性（包括波長模塊性和鏈路模塊性），以便于將來的升級和擴(kuò)容。模塊性是指當(dāng)建網(wǎng)初期業(yè)務(wù)量比較小時(shí)，需要OXC的交叉連接容量不大，只需小容量的OXC；而當(dāng)幾年后業(yè)務(wù)量增加時(shí)，在不改動現(xiàn)有OXC結(jié)構(gòu)連接的情況下，只需增加模塊就可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)吞吐量的擴(kuò)容。如果除了增加新模塊外，不需改動現(xiàn)有OXC結(jié)構(gòu)，就能增加節(jié)點(diǎn)的輸入／輸出鏈路數(shù)，則稱這種結(jié)構(gòu)具有鏈路模塊性。這種節(jié)點(diǎn)可以很方便地通過增加節(jié)點(diǎn)的鏈路數(shù)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。這樣可以減少建網(wǎng)初期費(fèi)用，又不會造成以后業(yè)務(wù)量增加時(shí)更換OXC所造成的浪費(fèi)。

5.連接時(shí)間

OXC處理信息的顆粒度比較大，因此交叉連接、保護(hù)和恢復(fù)操作都需要盡量提高速度，盡量減少交叉連接矩陣的開關(guān)時(shí)間，減少保護(hù)倒換／恢復(fù)時(shí)間，這樣才能盡量減小對業(yè)務(wù)的影響。

5.4幾種主要的OXC結(jié)構(gòu)

5.4.1具有多層多粒度的OXC結(jié)構(gòu)

就目前OTN應(yīng)用情況看，OXC應(yīng)能支持不同層次、不同粒度的信號的交叉連接或交換，實(shí)現(xiàn)多種選路功能。具有的交換層次應(yīng)包括光纖級、波長級以及子波級

光纖交叉連接波長交叉連接子波交叉連接F1FnF1Fn輸入FλODUk輸出

(b)波長交叉連接λ1λ1λ2(a)光纖交叉連接光纖級的交叉連接就是將一根光纖中的業(yè)務(wù)作為整體一起進(jìn)行交換，交換粒度最大，光纖級的交叉連接可以減小交叉連接矩陣的規(guī)模，滿足大業(yè)務(wù)量的需要,如圖5-3(a)所示。波長級的交叉連接就是將光纖中的波長進(jìn)行交換，交換粒度較大是當(dāng)前主要的交叉連接形式，是OXC的核心模塊,如圖5-3(b)所示。子波交叉連接是將光通道層（OCh）中的基于ODUk(ODU1-2.5Gbit/s，ODU2-10Gbit/s，ODU3-40Gbit/s)的子波長進(jìn)行交叉連接，信號的處理都是在電域內(nèi)進(jìn)行,子波交叉連接用于多種業(yè)務(wù)信號的接入，如對GE、2.5GPOS等子波長業(yè)務(wù)直接進(jìn)行分插復(fù)用，具備完善的業(yè)務(wù)匯聚、調(diào)度能力，交叉調(diào)度模塊完成子波長業(yè)務(wù)的靈活上下和直通，從而達(dá)到子波長業(yè)務(wù)顆粒的透明調(diào)度，極大地提高了波長利用率，使各站點(diǎn)可共享一個(gè)波長，使傳送距離和容量利用達(dá)到最佳。子波交叉功能將成為未來電域交叉連接設(shè)備的主要形態(tài)。5.4.2基于空間光交換型的OXC

實(shí)現(xiàn)空間交換的器件有各種類型的光開關(guān)矩陣，它們在空間域上完成入端到出端的交叉連接功能?；诳臻g光交換型的OXC結(jié)構(gòu)可分為兩種。

1.一種類型是無波長變換功能的OXC

N×N接收模塊DXC

N×N

N×N波分復(fù)用器空間光開關(guān)矩陣波分解復(fù)用器12Nfλ2λ1λM21發(fā)送模塊Nf無波長變換功能的光交叉連接是利用波分復(fù)用器將N個(gè)鏈路中的M個(gè)WDM信號在空域上分開，然后利用空間光開關(guān)矩陣在空間上實(shí)現(xiàn)交換，再重新按波長復(fù)用到相應(yīng)的鏈路。這種類型的光交叉連接含有空間光開關(guān)矩陣、光波分復(fù)用器、解復(fù)用器，完成不同波長信號的分出和插入。由于這種OXC沒有光波長變換的功能，所以只能支持波長通道的交叉連接，而不支持虛波長通道。2.具有波長變換功能的OXC

支持虛波長通道

波分解復(fù)用器波長變換器波分復(fù)用器DXC12Nf12NfMN×MN開關(guān)矩陣接收模塊發(fā)送模塊這是一種空間光開關(guān)矩陣加上波長變換器，可以進(jìn)行光波長變換的OXC，它支持虛波長通道的交叉連接，提高了波長的利用率，降低了阻塞概率。其缺點(diǎn)是波長變換器成本較高，對于大容量系統(tǒng)耗資巨大，用戶很難接受。3.共享波長變換器的OXC結(jié)構(gòu)

由于波長變換器的成本昂貴，每個(gè)波長信道都加有波長變換器的話，成本太高，并且已有文獻(xiàn)論述完全波長變換對網(wǎng)絡(luò)性能的改善與部分波長變換沒有明顯的差別，因此在光交叉連接節(jié)點(diǎn)上采用一定數(shù)量的、可以多信道共享的波長變換器，有選擇的只對需要的信道進(jìn)行波長變換是一種較好的解決方案。它既能降低成本，又能滿足需要。共享波長變換模塊大致分為三類：

節(jié)點(diǎn)共享型、鏈路共享型、本地共享型。

節(jié)點(diǎn)共享型是指節(jié)點(diǎn)中所有的波長都能夠?qū)ぢ返讲ㄩL變換模塊進(jìn)行處理，只是每一次處理的波長是受限的。

a)節(jié)點(diǎn)共享波長變換的交換結(jié)構(gòu)OSWDEMUXDEMUX光開關(guān)MUXMUXWC光開關(guān)

鏈路共享型是指波長變換器模塊只是由一條鏈路中所有波長共享，這條鏈路中所有波長都有機(jī)會根據(jù)需要進(jìn)行波長變換，只是每次處理的波長數(shù)是有限的。

b)鏈路共享波長變換的交換結(jié)構(gòu)DEMUXDEMUX光開關(guān)MUXMUXWCWC本地共享型

是將波長變換功能加到傳統(tǒng)WXC的上下路模塊中。

c)本地共享波長變換的交換結(jié)構(gòu)本地上路電信號本地下路電信號DEMUXDEMUX光開關(guān)MUXMUXESWT×BOSWR×BRxB：接收波帶TxB：發(fā)送波帶ESW：電開關(guān)OSW：光開關(guān)5.4.3基于可調(diào)諧濾波器的OXC結(jié)構(gòu)

首先利用耦合器加可調(diào)諧濾波器完成將輸入的N個(gè)鏈路、M個(gè)波長的WDM信號在空間上進(jìn)行分開，經(jīng)過空間光開關(guān)矩陣后，再用耦合器將相應(yīng)的波長復(fù)用起來進(jìn)入對應(yīng)的光鏈路。

N×N接收模塊DXC

N×N

N×N星型耦合器空間光開關(guān)矩陣可調(diào)諧濾波器星型耦合器12Nf21MNf21發(fā)送模塊圖中無波長變換器，只能支持波長通道。它需要的器件有M個(gè)（N×N）開關(guān)矩陣（MN2個(gè)交叉點(diǎn)）和M×N個(gè)可調(diào)諧濾波器。它具有波長模塊性，但不具有鏈路模塊性。

N×N接收模塊DXC

N×N

N×N星型耦合器波長轉(zhuǎn)換器空間光開關(guān)矩陣可調(diào)諧濾波器星型耦合器1