第5章 光交叉连接设备

第五章光交叉连接设备OXC(Opticalcorssconnect)光交叉连接设备是光传送网的核心节点设备，是一种兼有复用、光交叉连接、保护/恢复、监控和网管的多功能OTN传输设备。本章将介绍OXC的主要功能，讲述OXC的基本结构、工作原理和几种主要的OXC结构。5.1OXC的主要功能OXC依据它所具有的功能可以出现在光网络的许多位置，如网络的边缘和网络的内部等，它们应用在不同的位置时，功能会有所差异。1．光交叉连接OXC具有强大的网络重组和业务疏导交换能力。它具有多个标准的光纤接口，它可以把输入端的来自任一光纤信号(或其各波长信号)可控地连接到输出端的任一光纤(或其各波长)中去，并且这一过程是完全在光域中进行的。通过使用光交叉连接设备，可以有效地解决现有的数字交叉连接(DXC)设备的电子瓶颈问题。随着光网络的发展，实现多粒度的交叉连接的需求日渐迫切。OXC目前的发展趋势是向多粒度、多层次交叉连接的方向发展，实现光纤级、波长级和子波级的交叉连接。2.分插复用和带宽管理OXC处于干线的交汇点或网络的汇聚点，会有相当的业务在本地需要上下路。另一方面在未来的光网络中，信令和路由信息要使用控制通道来传送，这些控制通道可以用专门的波长来实现，它们在节点处必须上下路，才能完成对本地节点的控制和信息的交互。因此OXC节点需要提供本地上下路的功能，支持一定数量波长的上下路。光交叉连接节点可以响应各种形式的带宽请求，寻找合适的波长通道，为到来的业务量建立连接。对于未来的光网络，光交叉连接节点应能根据连接请求的动态变化，实时地进行带宽管理。3.保护和恢复目前OXC主要有基于链路的保护和恢复以及基于光通道的保护和恢复两种方式。当某一条链路或一个波长性能出现劣化或发生故障时，OXC可以为其重新选路，通过迁回路由实现故障的恢复。恢复功能主要是由OXC的波长路由功能提供的，通过优化的路由波长分配(RWA）算法来实施。算法与OXC节点结构有关，如是否全交叉，是否波长交换，是否波长可调谐等。其主要目的是为了提高网络容量的利用率和网络的生存性。OXC恢复算法要完成的主要任务有以下几个：•做到路径最短（节点数最少）；•使波长资源分配优化；•使各链路、节点业务量平衡，负荷量最佳或路由最安全；•提供优先级选择，按优先级顺序恢复4.波长变换•OXC带有光波长转换器，可以用来增加网络的传输带宽和传输距离。可以使网络容量在不影响原有业务的情况下迅速地增加,同时大大提高网络的灵活性、安全性。•根据OXC能否提供波长转换功能，光通道可以分为波长通道(WavelengthPath,WP)和虚波长通道(VirtualWavelengthPath,VWP)。波长通道是指OXC没有波长转换功能，光通道在不同的波长复用段中必须使用相同波长实现。这样，为了建立一条波长通道，光通道层必须找到一条链路，在构成这条链路的所有波长复用段中，存在一个共同的空闲波长。如果找不到这样一条链路，该传送请求失败。•虚波长通道是指利用OXC的波长转换功能，使光通道在不同的波长复用段可以占用不同的波长，从而可以有效地利用各波长复用段的空闲波长来建立传送请求，提高波长的利用率。•建立虚波长通道时，光通道层只需找到一条链路，其中每个波长复用段都有空闲波长即可。•波长通道方式要求光通道层在选路和分配波长时必须采用集中控制方式，因为只有在掌握了整个网络所有波长复用段的波长占用情况后，才可能为一个新传送请求选一条合适的路由。•在虚波长通道运作方式下，确定通道的传送链路后，各波长复用段的波长可以逐个分配，因此可以进行分布式控制，从而大大降低光通道层选路的复杂性。5.网元管理OXC应具有完善的管理功能，包括系统管理、配置管理、性能管理、故障管理、安全管理等。网元管理具有对网元设备各工作板的工作状况实施控制、具备业务的端到端指配和恢复功能、业务上下波长的配置管理、光交叉连接、性能出现劣化或发生故障时的告警、链路或通路的保护和恢复、故障的诊断与测试，另外还需要有完善的通信和控制接口、用于传递信令和进行网元管理单元和网络管理单元之间的通信，必须具备子网级甚至网络级网管的能力。5.2OXC的基本结构和工作原理•OXC主要由输入部分（光放大器EDFA，解复用器DMUX）、光交叉连接部分（光交叉连接矩阵）、输出部分（光接口单元OTU、均功器、复用器、EDFA）、控制和管理部分及本地上下业务接口这五大部分组成。•由于每条光纤不能同时传输两个相同波长的信号（即波长争用），所以为了防止出现这种情况，实现无阻塞交叉连接，在连接矩阵的输出端每波长通道光信号还需要在波长变换器OTU中进行波长变换，然后再进入均功器把各波长通道的光信号功率控制在可允许的范围内，防止非均衡增益经EDFA放大导致比较严重的非线性效应。5．3OXC的主要性能1．交叉连接容量交叉连接容量的大小取决于OXC的端口数。OXC具有透明的传输代码格式和比特率，可以对不同传输代码格式和不同比特速率等级的信号进行交叉连接，所以OXC的端口数是衡量OXC的交换能力的重要标志。不同网络对OXC交换能力的要求不同。OXC的端口数量少的可有2×2，4×4；多的可达1024×1024。2001年OFC会议上，Lucent公司报导已实现1296×1296个端口MEMS，每个端口上输入40×40Gbit/s=1.6Tbit/s的WDM信号，总的交叉能力达到2.07Pbit/s.2．通道特性通道特性是指只支持波长通道还是可以支持虚波长通道。反映出OXC的连接能力。根据OXC能否提供波长转换功能，光通道可以分为波长通道和虚波长通道两种。波长通道是指OXC没有波长转换功能，光通道在不同的光纤段中必须使用同一波长，即满足波长连续性条件。这样，为了建立一条波长通道，光网络必须找到一条路由，在这条路由的所有光纤段中，有一个共同的波长是空闲的。如果找不到这样一条路由，就会发生波长阻塞。虚波长通道是指OXC具有波长转换功能，光通道在不同的光纤段中可以占用不同的波长，从而提高了波长的利用率，降低了阻塞概率。3.阻塞性交叉连接结构的构成可有：严格无阻塞、可重构无阻塞和有阻塞三种。在严格无阻塞的情况下，从一个可以使用的输入端口到任一可用的输出端口可以建立连接，而不用中断、重新安排其它端口的现有连接。在可重构无阻塞情况下，可以建立从任意输入端口到输出端口的任意波长之间的连接，但是要中断现有的某些连接，对整个结构进行重新配置，这也就影响了已建立连接的信号。在有阻塞的情况下，结构本身就是具有一定的阻塞性。在某些情况下，即使对节点进行重新配置，从一个输入端口来的波长也不能交换到一个输出端口，而造成阻塞。由于每个波长所携带的信息量都比较大，因此节点一般不采用有阻塞的连接结构，最好是采用严格无阻塞的体系结构，有时候为了简化结构、降低成本，也采用可重构无阻塞的结构。4.模块性因通信业务量的不断增长，考虑到建设OXC的成本，人们希望OXC结构应该具有模块性（包括波长模块性和链路模块性），以便于将来的升级和扩容。模块性是指当建网初期业务量比较小时，需要OXC的交叉连接容量不大，只需小容量的OXC；而当几年后业务量增加时，在不改动现有OXC结构连接的情况下，只需增加模块就可实现节点吞吐量的扩容。如果除了增加新模块外，不需改动现有OXC结构，就能增加节点的输入／输出链路数，则称这种结构具有链路模块性。这种节点可以很方便地通过增加节点的链路数来进行网络扩容。这样可以减少建网初期费用，又不会造成以后业务量增加时更换OXC所造成的浪费。5.连接时间OXC处理信息的颗粒度比较大，因此交叉连接、保护和恢复操作都需要尽量提高速度，尽量减少交叉连接矩阵的开关时间，减少保护倒换／恢复时间，这样才能尽量减小对业务的影响。5.4几种主要的OXC结构5.4.1具有多层多粒度的OXC结构就目前OTN应用情况看，OXC应能支持不同层次、不同粒度的信号的交叉连接或交换，实现多种选路功能。具有的交换层次应包括光纤级、波长级以及子波级光纤交叉连接波长交叉连接子波交叉连接F1FnF1Fn输入FλODUk输出(b)波长交叉连接λ1λ1λ2(a)光纤交叉连接光纤级的交叉连接就是将一根光纤中的业务作为整体一起进行交换，交换粒度最大，光纤级的交叉连接可以减小交叉连接矩阵的规模，满足大业务量的需要,如图5-3(a)所示。波长级的交叉连接就是将光纤中的波长进行交换，交换粒度较大是当前主要的交叉连接形式，是OXC的核心模块,如图5-3(b)所示。子波交叉连接是将光通道层（OCh）中的基于ODUk(ODU1-2.5Gbit/s，ODU2-10Gbit/s，ODU3-40Gbit/s)的子波长进行交叉连接，信号的处理都是在电域内进行,子波交叉连接用于多种业务信号的接入，如对GE、2.5GPOS等子波长业务直接进行分插复用，具备完善的业务汇聚、调度能力，交叉调度模块完成子波长业务的灵活上下和直通，从而达到子波长业务颗粒的透明调度，极大地提高了波长利用率，使各站点可共享一个波长，使传送距离和容量利用达到最佳。子波交叉功能将成为未来电域交叉连接设备的主要形态。5.4.2基于空间光交换型的OXC实现空间交换的器件有各种类型的光开关矩阵，它们在空间域上完成入端到出端的交叉连接功能。基于空间光交换型的OXC结构可分为两种。1.一种类型是无波长变换功能的OXCN×N接收模块DXCN×NN×N波分复用器空间光开关矩阵波分解复用器12Nfλ2λ1λM21发送模块Nf•无波长变换功能的光交叉连接是利用波分复用器将N个链路中的M个WDM信号在空域上分开，然后利用空间光开关矩阵在空间上实现交换，再重新按波长复用到相应的链路。•这种类型的光交叉连接含有空间光开关矩阵、光波分复用器、解复用器，完成不同波长信号的分出和插入。由于这种OXC没有光波长变换的功能，所以只能支持波长通道的交叉连接，而不支持虚波长通道。2.具有波长变换功能的OXC支持虚波长通道波分解复用器波长变换器波分复用器DXC12Nf12NfMN×MN开关矩阵接收模块发送模块•这是一种空间光开关矩阵加上波长变换器，可以进行光波长变换的OXC，它支持虚波长通道的交叉连接，提高了波长的利用率，降低了阻塞概率。其缺点是波长变换器成本较高，对于大容量系统耗资巨大，用户很难接受。3.共享波长变换器的OXC结构由于波长变换器的成本昂贵，每个波长信道都加有波长变换器的话，成本太高，并且已有文献论述完全波长变换对网络性能的改善与部分波长变换没有明显的差别，因此在光交叉连接节点上采用一定数量的、可以多信道共享的波长变换器，有选择的只对需要的信道进行波长变换是一种较好的解决方案。它既能降低成本，又能满足需要。共享波长变换模块大致分为三类：节点共享型、链路共享型、本地共享型。节点共享型是指节点中所有的波长都能够寻路到波长变换模块进行处理，只是每一次处理的波长是受限的。a)节点共享波长变换的交换结构OSWDEMUXDEMUX光开关MUXMUXWC光开关链路共享型是指波长变换器模块只是由一条链路中所有波长共享，这条链路中所有波长都有机会根据需要进行波长变换，只是每次处理的波长数是有限的。b)链路共享波长变换的交换结构DEMUXDEMUX光开关MUXMUXWCWC本地共享型是将波长变换功能加到传统WXC的上下路模块中。c)本地共享波长变换的交换结构本地上路电信号本地下路电信号DEMUXDEMUX光开关MUXMUXESWT×BOSWR×BRxB：接收波带TxB：发送波带ESW：电开关OSW：光开关5.4.3基于可调谐滤波器的OXC结构首先利用耦合器加可调谐滤波器完成将输入的N个链路、M个波长的WDM信号在空间上进行分开，经过空间光开关矩阵后，再用耦合器将相应的波长复用起来进入对应的光链路。N×N接收模块DXCN×NN×N星型耦合器空间光开关矩阵可调谐滤波器星型耦合器12Nf21MNf21发送模块图中无波长变换器，只能支持波长通道。它需要的器件有M个（N×N）开关矩阵（MN2个交叉点）和M×N个可调谐滤波器。它具有波长模块性，但不具有链路模块性。N×N接收模块DXCN×NN