第5章 光交叉連接設備

第五章

光交叉連接設備

OXC(Opticalcorssconnect)

光交叉連接設備是光傳送網(wǎng)的核心節(jié)點設備，是一種兼有復用、光交叉連接、保護/恢復、監(jiān)控和網(wǎng)管的多功能OTN傳輸設備。

本章將介紹OXC的主要功能，講述OXC的基本結構、工作原理和幾種主要的OXC結構。

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)絡的許多位置，如網(wǎng)絡的邊緣和網(wǎng)絡的內(nèi)部等，它們應用在不同的位置時，功能會有所差異。

1．光交叉連接

OXC具有強大的網(wǎng)絡重組和業(yè)務疏導交換能力。它具有多個標準的光纖接口，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行的。通過使用光交叉連接設備，可以有效地解決現(xiàn)有的數(shù)字交叉連接(DXC)設備的電子瓶頸問題。

隨著光網(wǎng)絡的發(fā)展，實現(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，實現(xiàn)光纖級、波長級和子波級的交叉連接。

2.分插復用和帶寬管理

OXC處于干線的交匯點或網(wǎng)絡的匯聚點，會有相當?shù)臉I(yè)務在本地需要上下路。另一方面在未來的光網(wǎng)絡中，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現(xiàn)，它們在節(jié)點處必須上下路，才能完成對本地節(jié)點的控制和信息的交互。因此OXC節(jié)點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)點可以響應各種形式的帶寬請求，尋找合適的波長通道，為到來的業(yè)務量建立連接。對于未來的光網(wǎng)絡，光交叉連接節(jié)點應能根據(jù)連接請求的動態(tài)變化，實時地進行帶寬管理。

3.保護和恢復

目前OXC主要有基于鏈路的保護和恢復以及基于光通道的保護和恢復兩種方式。當某一條鏈路或一個波長性能出現(xiàn)劣化或發(fā)生故障時，OXC可以為其重新選路，通過遷回路由實現(xiàn)故障的恢復?；謴凸δ苤饕怯蒓XC的波長路由功能提供的，通過優(yōu)化的路由波長分配(RWA）算法來實施。算法與OXC節(jié)點結構有關，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)絡容量的利用率和網(wǎng)絡的生存性。OXC恢復算法要完成的主要任務有以下幾個：做到路徑最短（節(jié)點數(shù)最少）；使波長資源分配優(yōu)化；使各鏈路、節(jié)點業(yè)務量平衡，負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4.波長變換

OXC帶有光波長轉(zhuǎn)換器，可以用來增加網(wǎng)絡的傳輸帶寬和傳輸距離。可以使網(wǎng)絡容量在不影響原有業(yè)務的情況下迅速地增加,同時大大提高網(wǎng)絡的靈活性、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用段中必須使用相同波長實現(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，在構成這條鏈路的所有波長復用段中，存在一個共同的空閑波長。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用段可以占用不同的波長，從而可以有效地利用各波長復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，光通道層只需找到一條鏈路，其中每個波長復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必須采用集中控制方式，因為只有在掌握了整個網(wǎng)絡所有波長復用段的波長占用情況后，才可能為一個新傳送請求選一條合適的路由。在虛波長通道運作方式下，確定通道的傳送鏈路后，各波長復用段的波長可以逐個分配，因此可以進行分布式控制，從而大大降低光通道層選路的復雜性。5.網(wǎng)元管理

OXC應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)元設備各工作板的工作狀況實施控制、具備業(yè)務的端到端指配和恢復功能、業(yè)務上下波長的配置管理、光交叉連接、性能出現(xiàn)劣化或發(fā)生故障時的告警、鏈路或通路的保護和恢復、故障的診斷與測試，另外還需要有完善的通信和控制接口、用于傳遞信令和進行網(wǎng)元管理單元和網(wǎng)絡管理單元之間的通信，必須具備子網(wǎng)級甚至網(wǎng)絡級網(wǎng)管的能力。5.2OXC的基本結構和工作原理

OXC主要由輸入部分（光放大器EDFA，解復用器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、復用器、EDFA）、控制和管理部分及本地上下業(yè)務接口這五大部分組成。由于每條光纖不能同時傳輸兩個相同波長的信號（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中進行波長變換，然后再進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放大導致比較嚴重的非線性效應。

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行交叉連接，所以OXC的端口數(shù)是衡量OXC的交換能力的重要標志。不同網(wǎng)絡對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1024×1024。2001年OFC會議上，Lucent公司報導已實現(xiàn)1296×1296個端口MEMS，每個端口上輸入40×40Gbit/s=1.6Tbit/s的WDM信號，總的交叉能力達到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)絡必須找到一條路由，在這條路由的所有光纖段中，有一個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

交叉連接結構的構成可有：嚴格無阻塞、可重構無阻塞和有阻塞三種。

在嚴格無阻塞的情況下，從一個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，對整個結構進行重新配置，這也就影響了已建立連接的信號。

在有阻塞的情況下，結構本身就是具有一定的阻塞性。在某些情況下，即使對節(jié)點進行重新配置，從一個輸入端口來的波長也不能交換到一個輸出端口，而造成阻塞。由于每個波長所攜帶的信息量都比較大，因此節(jié)點一般不采用有阻塞的連接結構，最好是采用嚴格無阻塞的體系結構，有時候為了簡化結構、降低成本，也采用可重構無阻塞的結構。4.模塊性

因通信業(yè)務量的不斷增長，考慮到建設OXC的成本，人們希望OXC結構應該具有模塊性（包括波長模塊性和鏈路模塊性），以便于將來的升級和擴容。模塊性是指當建網(wǎng)初期業(yè)務量比較小時，需要OXC的交叉連接容量不大，只需小容量的OXC；而當幾年后業(yè)務量增加時，在不改動現(xiàn)有OXC結構連接的情況下，只需增加模塊就可實現(xiàn)節(jié)點吞吐量的擴容。如果除了增加新模塊外，不需改動現(xiàn)有OXC結構，就能增加節(jié)點的輸入／輸出鏈路數(shù)，則稱這種結構具有鏈路模塊性。這種節(jié)點可以很方便地通過增加節(jié)點的鏈路數(shù)來進行網(wǎng)絡擴容。這樣可以減少建網(wǎng)初期費用，又不會造成以后業(yè)務量增加時更換OXC所造成的浪費。

5.連接時間

OXC處理信息的顆粒度比較大，因此交叉連接、保護和恢復操作都需要盡量提高速度，盡量減少交叉連接矩陣的開關時間，減少保護倒換／恢復時間，這樣才能盡量減小對業(yè)務的影響。

5.4幾種主要的OXC結構

5.4.1具有多層多粒度的OXC結構

就目前OTN應用情況看，OXC應能支持不同層次、不同粒度的信號的交叉連接或交換，實現(xiàn)多種選路功能。具有的交換層次應包括光纖級、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)務作為整體一起進行交換，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行交換，交換粒度較大是當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)的子波長進行交叉連接，信號的處理都是在電域內(nèi)進行,子波交叉連接用于多種業(yè)務信號的接入，如對GE、2.5GPOS等子波長業(yè)務直接進行分插復用，具備完善的業(yè)務匯聚、調(diào)度能力，交叉調(diào)度模塊完成子波長業(yè)務的靈活上下和直通，從而達到子波長業(yè)務顆粒的透明調(diào)度，極大地提高了波長利用率，使各站點可共享一個波長，使傳送距離和容量利用達到最佳。子波交叉功能將成為未來電域交叉連接設備的主要形態(tài)。5.4.2基于空間光交換型的OXC

實現(xiàn)空間交換的器件有各種類型的光開關矩陣，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結構可分為兩種。

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波分復用器空間光開關矩陣波分解復用器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用器將N個鏈路中的M個WDM信號在空域上分開，然后利用空間光開關矩陣在空間上實現(xiàn)交換，再重新按波長復用到相應的鏈路。這種類型的光交叉連接含有空間光開關矩陣、光波分復用器、解復用器，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

波分解復用器波長變換器波分復用器DXC12Nf12NfMN×MN開關矩陣接收模塊發(fā)送模塊這是一種空間光開關矩陣加上波長變換器，可以進行光波長變換的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結構

由于波長變換器的成本昂貴，每個波長信道都加有波長變換器的話，成本太高，并且已有文獻論述完全波長變換對網(wǎng)絡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)點共享型、鏈路共享型、本地共享型。

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

a)節(jié)點共享波長變換的交換結構OSWDEMUXDEMUX光開關MUXMUXWC光開關

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會根據(jù)需要進行波長變換，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構DEMUXDEMUX光開關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構本地上路電信號本地下路電信號DEMUXDEMUX光開關MUXMUXESWT×BOSWR×BRxB：接收波帶TxB：發(fā)送波帶ESW：電開關OSW：光開關5.4.3基于可調(diào)諧濾波器的OXC結構

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

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（N×N）開關矩陣（MN2個交叉點）和M×N個可調(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)換器空間光開關矩陣可調(diào)諧濾波器星型耦合器1