光交叉連接

光交叉連接簡(jiǎn)介

　　光交叉連接（Optical Cross Connection），簡(jiǎn)稱OXC，是具有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光纖接口，用來(lái)在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處將任一光纖信號(hào)（或其各波長(zhǎng)信號(hào)）與其他光纖的信號(hào)進(jìn)行可控的連接和再連接。

　　什么是“交叉連接”？“交叉連接”這個(gè)術(shù)語(yǔ)本來(lái)是指在電信部門的配線架上用人工的方式進(jìn)行系統(tǒng)互聯(lián)的一種方法。在現(xiàn)代通信中，傳統(tǒng)的這種方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)管理和控制的需要。現(xiàn)在，在SDH（光同步數(shù)字序列）網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)出現(xiàn)了有自動(dòng)配線功能的數(shù)字交叉連接（DXC)設(shè)備。這種設(shè)備的內(nèi)部可以按預(yù)先存放或能動(dòng)態(tài)計(jì)算的交叉連接圖對(duì)電通道信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)重新連接。光交叉連接設(shè)備則是能把光通道信號(hào)或某個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)從一根光纖直接接到另一根光纖上去的設(shè)備。這種設(shè)備在光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)中能靈活有效地管理光網(wǎng)。

　　OXC主要有光交叉連接矩陣、管理控制單元、輸入單元、輸出單元等模塊組成。每個(gè)模塊都有主用和備用兩套設(shè)備，能自動(dòng)進(jìn)行倒換。輸入接口、輸出接口與光纖鏈路相連，分別對(duì)輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行適配和放大。光交叉連接矩陣是OXC的核心，要求具有無(wú)阻塞、低延遲、寬帶、高可靠行等特性，并且要具有單向、雙向、廣播等形式的通信功能。

　　光交叉連接也有空分、時(shí)分、波長(zhǎng)交叉等不同方式，目前空分交叉和波長(zhǎng)交叉比較成熟?？辗纸徊媸峭ㄟ^(guò)光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)各個(gè)光通道信號(hào)之間的交叉連接；波長(zhǎng)交叉是將信息在不同波長(zhǎng)之間進(jìn)行交叉連接。

　　通過(guò)空分交叉和波長(zhǎng)交叉的結(jié)合，將能大大提高交叉連接矩陣的容量和靈活性。

OXC設(shè)備分類

　　就OXC設(shè)備而言，目前主要有以下三種：一種是基于光纖級(jí)的交叉連接（FXC），我們可以理解為具有交叉能力的光配線架（ODF），或稱為智能光配線架，是OXC的初級(jí)階段，有一定市場(chǎng)需求，缺點(diǎn)是設(shè)備本身獨(dú)立組網(wǎng)能力差。另兩種是基于波長(zhǎng)級(jí)交叉的OXC，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同分為波長(zhǎng)選擇性交叉連接（WSXC）和波長(zhǎng)可交換交叉連接（WIXC）。WIXC主要針對(duì)骨干網(wǎng)應(yīng)用，承載業(yè)務(wù)一般是STM-16/OC-48或STM-64/OC-192甚至STM-256/OC-768，節(jié)點(diǎn)內(nèi)使用O/E/O波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)大容量、長(zhǎng)距離傳輸，交叉矩陣既可以由光交叉完成，也可用電交叉實(shí)現(xiàn)，特別是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電交叉芯片規(guī)模越來(lái)越大（目前單片可達(dá)160Gbit/s，交叉顆粒更小），而光交叉由于受技術(shù)、成本等因素的制約，基于電交叉的OXC也會(huì)有一定的發(fā)展空間。WIXC的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，性能有保證，可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格無(wú)阻塞的波長(zhǎng)交換，可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)重用，提供虛波長(zhǎng)路由（VWP），缺點(diǎn)是系統(tǒng)透明性較差、由于大量使用O/E/O波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，價(jià)格昂貴，但在目前情況下，仍不失為一種比較實(shí)際的解決方案。另一種是基于本地網(wǎng)或城域網(wǎng)應(yīng)用的波長(zhǎng)選擇性交叉連接設(shè)備（WSXC），節(jié)點(diǎn)內(nèi)一般不使用或部分使用O/E/O波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，以兼容多速率、多業(yè)務(wù)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)光交叉矩陣可由若干個(gè)較小規(guī)模的光開(kāi)關(guān)構(gòu)成，在目前大規(guī)模的光交叉矩陣技術(shù)未完全成熟、價(jià)格太高的情況下，WSXC更具有現(xiàn)實(shí)意義。需要注意的是，在由WSXC或OADM組成的光網(wǎng)絡(luò)中，要禁止產(chǎn)生波長(zhǎng)環(huán)路，以免引起自激，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；而OXC將來(lái)的發(fā)展方向是支持全業(yè)務(wù)的透明全光網(wǎng)，這有賴于全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和全光3R再生的實(shí)用化。表1是WIXC和WSXC比較。

OXC設(shè)備的主要功能、特點(diǎn)

　　基于OXC、OADM構(gòu)成的光傳送網(wǎng)，可以在光域上實(shí)現(xiàn)高速信息的傳輸、交換和故障恢復(fù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、透明性好等突出優(yōu)點(diǎn)。尤其是OXC設(shè)備，通過(guò)對(duì)指定波長(zhǎng)進(jìn)行交叉互連，使得OXC在WDM全光網(wǎng)絡(luò)中更具應(yīng)用價(jià)值。在發(fā)生光纖中斷或節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，OXC能夠自動(dòng)完成故障隔離、路由重選等操作，使業(yè)務(wù)不致不斷，當(dāng)業(yè)務(wù)發(fā)展需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，OXC可以簡(jiǎn)單地完成網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)和調(diào)度。目前OXC主要提供如下功能。

　　光層的保護(hù)和恢復(fù)，包括環(huán)網(wǎng)/格狀網(wǎng)（RING/MESH）的保護(hù)和恢復(fù)；

　　端到端光通道業(yè)務(wù)的指配（網(wǎng)絡(luò)級(jí)交叉）；

　　網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和恢復(fù)算法；

　　動(dòng)態(tài)帶寬管理，按需分配帶寬；

　　多種業(yè)務(wù)接入能力；

　　光信道自動(dòng)均衡；

　　色散管理；

　　光傳送網(wǎng)OCH/OMS/OTS三層模型的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，具備業(yè)務(wù)管理能力；

　　兼顧骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、本地網(wǎng)應(yīng)用。

主要技術(shù)難點(diǎn)

　　目前OXC設(shè)備研制中碰到的主要難點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：一是如何解決系統(tǒng)透明性與長(zhǎng)距離傳輸?shù)拿埽m然目前可以通過(guò)采用拉曼（RAMAN）光放大技術(shù)和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)（FEC）延伸傳輸距離，但根本出路還在于全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)及全光3R再生技術(shù)的實(shí)用性；二是由于受光器件的制約，特別是大規(guī)模的光交叉矩陣開(kāi)關(guān)的制約（技術(shù)、成本的制約），系統(tǒng)的規(guī)模和靈活性不夠理想。理論上講，只要光交叉矩陣的規(guī)模足夠大，OXC、OADM也完全可以像電層的DXC和SDH ADM一樣，實(shí)現(xiàn)不同速率等級(jí)上的任意交叉和上下，最起碼可實(shí)現(xiàn)類似于SDH中的AU-4高階全交叉；三是在OXC性能監(jiān)測(cè)，尤其是光通道層（OCH）的性能監(jiān)測(cè)方面實(shí)現(xiàn)起來(lái)代價(jià)較高，主要是需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)太多而客戶層（OCH層）業(yè)務(wù)又具有多樣性（如速率、信號(hào)格式不同），需要對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)根據(jù)其特征分別處理，目前，ITU-T G.709數(shù)字包封技術(shù)（Digital wrapper）可為這一問(wèn)題提供統(tǒng)一的解決方法，應(yīng)引起重視；四是如何抑制串?dāng)_，由于光器件的隔離度不可能無(wú)限高（如解復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)），波長(zhǎng)通道間存在帶間串?dāng)_，在由OXC/OADM構(gòu)成的半動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)被多次交叉連接和反復(fù)復(fù)用，因此，在與其他波長(zhǎng)通道復(fù)用時(shí)相應(yīng)轉(zhuǎn)化為其他通道的帶內(nèi)串?dāng)_（既同頻串?dāng)_），并且很難消除。串?dāng)_的主要來(lái)源還包括光放大器ASE噪聲及光纖的非線性等，在動(dòng)態(tài)/半動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中，還要考慮由于光放大器級(jí)聯(lián)帶來(lái)的瞬態(tài)響應(yīng)；五是在網(wǎng)絡(luò)管理方面，按照ITU-T光傳送網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)（G.872），光傳送網(wǎng)的網(wǎng)元管理系統(tǒng)一般按光通道層（OCH）、光復(fù)用段層（OMS）、光傳送層（OTS）三層設(shè)計(jì)，具備ECC通信和四大管理功能，但具體細(xì)節(jié)還不夠詳細(xì)，很多內(nèi)容有待進(jìn)一步研究和規(guī)范。

器件

　　實(shí)現(xiàn)光交叉連接（OXC）的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)應(yīng)用先進(jìn)的光器件，特別是光交換器件和光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件，國(guó)外已研制了多種可用于實(shí)現(xiàn)光交換的器件，并已申請(qǐng)專利。在光開(kāi)關(guān)方面有機(jī)械光開(kāi)關(guān)、聚合物開(kāi)關(guān)（polymer）、半導(dǎo)體光開(kāi)關(guān)（用SOA實(shí)現(xiàn)）、平面光波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)（PLC）和微機(jī)械光開(kāi)關(guān)（MEMS）等，特別是MEMS光開(kāi)關(guān)，技術(shù)發(fā)展很快，基于二維（2D）和三維（3D）設(shè)計(jì)的MEMS光開(kāi)關(guān)已有廠家能提供商用產(chǎn)品，據(jù)稱交叉規(guī)模很快可達(dá)512x512甚至1024x1024，但價(jià)格仍是阻礙OXC推廣的主要因素。在光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方面主要有光/電/光（O/E/O）波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和光—光（O/O）波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件，光—光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換利用SOA的交叉增益調(diào)制（XGM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻效應(yīng)（FWM）等等，目前以O(shè)/E/O波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換最為成熟、性能最好。但是，缺少商用的光—光的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件仍然是實(shí)現(xiàn)真正意義上的光傳送網(wǎng)絡(luò)的瓶頸問(wèn)題，可以預(yù)計(jì)實(shí)用化的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件的出現(xiàn)將極大加快OXC設(shè)備大規(guī)模進(jìn)入商用的步伐。此外，像電可調(diào)光衰減器（VOA）、波長(zhǎng)可調(diào)激光器、增益可調(diào)光放大器等靈活可調(diào)的光器件對(duì)OXC的發(fā)展也至關(guān)重要。光器件正在向低損耗、高隔離度、靈活動(dòng)態(tài)、功耗低、體積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)于一身的方向發(fā)展。

OXC保護(hù)恢復(fù)策略和恢復(fù)算法

　　OXC保護(hù)恢復(fù)策略、恢復(fù)算法與OXC節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)有關(guān)，如果否全交叉、是否波長(zhǎng)交換等，目前提出的算法很多，各有所長(zhǎng)，不管什么算法，其主要目的是為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)容量的利用率和改善網(wǎng)絡(luò)的生存性，簡(jiǎn)化操作、管理和維護(hù)，目前ITU-T在這方面還處于研究階段。要考慮的主要因素有：

　　（1）控制方式：集中控制和分布式控制。

　　·集中控制：業(yè)務(wù)的指配和端到端恢復(fù)均由中心網(wǎng)管控制完成，是一種比較傳統(tǒng)的控制方式，技術(shù)較成熟。

　　·分布式控制：業(yè)務(wù)的恢復(fù)可獨(dú)立于中心網(wǎng)管，在設(shè)備層完成，因而恢復(fù)速度更快，代表今后的發(fā)展方向。

　?。?）恢復(fù)策略：基于端到端的光通道（OCH）恢復(fù)和基于鏈路（Link）恢復(fù)。

　　·基于端到端的光通道（OCH）恢復(fù)：一般采用恢復(fù)通道和工作通道在路徑上完全分開(kāi)（光通道的源宿節(jié)點(diǎn)除外），這樣設(shè)計(jì)的好處是無(wú)須故障點(diǎn)的精確定位，適合斷纖、節(jié)點(diǎn)失效、多點(diǎn)故障和通道失效，容量利用率高，缺點(diǎn)是發(fā)生故障時(shí)業(yè)務(wù)恢復(fù)牽涉面較廣（牽涉到的鏈路和要求重配置的OXC節(jié)點(diǎn)較多），恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

　　·基于鏈路（Link）恢復(fù)：基本原則是當(dāng)某光纖鏈路（Link）發(fā)生中斷時(shí)，在故障兩端的固定節(jié)點(diǎn)之間尋找替代路由發(fā)生中斷時(shí)，在故障兩端的固定節(jié)點(diǎn)之間尋找替代路由（恢復(fù)通道），優(yōu)點(diǎn)是發(fā)生故障時(shí)業(yè)務(wù)恢復(fù)只涉及故障兩端的OXC節(jié)點(diǎn)，恢復(fù)時(shí)間較短，缺點(diǎn)是抗節(jié)點(diǎn)失效和多點(diǎn)故障能力弱，存在路由重復(fù)，容量利用率較低。

　?。?）業(yè)務(wù)（包括恢復(fù)通道）預(yù)規(guī)劃和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算。

　　·業(yè)務(wù)（包括恢復(fù)通道）預(yù)規(guī)劃：可采用波長(zhǎng)路由表描述，按照網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況預(yù)先設(shè)置交叉連接圖（波長(zhǎng)路由表）對(duì)工作通道進(jìn)行預(yù)置，并為每個(gè)工作通道設(shè)置一個(gè)或多個(gè)備用路由（設(shè)置優(yōu)先級(jí)），一旦發(fā)生故障，只要查詢預(yù)先設(shè)置交叉連接圖（波長(zhǎng)路由表）就可將業(yè)務(wù)馬上切換到恢復(fù)通道上，恢復(fù)時(shí)間較短。

　　·實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，采用某種恢復(fù)算法在全網(wǎng)范圍內(nèi)為受影響的業(yè)務(wù)尋找替代路由，達(dá)到業(yè)務(wù)恢復(fù)的目的，優(yōu)點(diǎn)是可找到最佳路由，缺點(diǎn)是恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。

　?。?）波長(zhǎng)資源分配/優(yōu)化（費(fèi)用最低），兼顧最短路由（節(jié)點(diǎn)數(shù)最少）。

　?。?）各鏈路、節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的平衡，使負(fù)荷量最佳或路由最安全。

　?。?）優(yōu)先級(jí)（QoS）和額外業(yè)務(wù)。提供優(yōu)先級(jí)選擇，即優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)具有低阻塞率，額外業(yè)務(wù)優(yōu)先最低。

　?。?）具有可擴(kuò)展性。也就是說(shuō)，恢復(fù)算法要有普遍性，適合多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

　　評(píng)價(jià)OXC格狀網(wǎng)（Mesh）恢復(fù)的四個(gè)重要判據(jù)。

　?。?） 恢復(fù)速度；

　?。?）可恢復(fù)性：可恢復(fù)處理的失效類型：如斷纖、節(jié)點(diǎn)失效、抗多點(diǎn)故障等；

　　（3）可擴(kuò)展性：在保護(hù)恢復(fù)時(shí)間可接受的前提下，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性；

　?。?）容量利用效率。

OXC的管理

　　功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是OXC的重要組成部分，OXC網(wǎng)管系統(tǒng)除了完成故障、性能、配置、安全四大管理功能外，還必須具備業(yè)務(wù)的管理能力、網(wǎng)絡(luò)級(jí)的交叉能力（端到端指配），對(duì)于采用集中控制方式的OXC來(lái)說(shuō)，網(wǎng)管系統(tǒng)還需內(nèi)置恢復(fù)算法，以支持資源優(yōu)化、提供端到端業(yè)務(wù)指配和故障情況下的業(yè)務(wù)恢復(fù)。根據(jù)ITU-T G.872建議，光傳送網(wǎng)的網(wǎng)元管理系統(tǒng)一般按光通道層（OCH）、光復(fù)用段層（OMS）、光傳送層（OTS）三層設(shè)計(jì)，具備ECC通信能力。

OXC的發(fā)展

　　近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和WDM的規(guī)模應(yīng)用，光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的容量越來(lái)越大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的生存性提出了更高的要求，OXC集傳輸與交換于一體，具有傳輸容量大、組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)具有可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性、易于升級(jí)、可透明傳輸各種格式的不同速率等級(jí)的信號(hào)，能夠同時(shí)適應(yīng)用戶信號(hào)種類和服務(wù)種類不斷增長(zhǎng)的需求等諸多優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)成光傳送網(wǎng)絡(luò)（OTN）非常重要的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

　　從應(yīng)用的角度看，點(diǎn)到點(diǎn)的DWDM組網(wǎng)方式僅是OTN組網(wǎng)的初級(jí)階段，預(yù)計(jì)下一階段的市場(chǎng)熱點(diǎn)將是能夠?qū)崿F(xiàn)光層業(yè)務(wù)保護(hù)和恢復(fù)、配置靈活的OXC/OADM，組網(wǎng)主流將是環(huán)網(wǎng)、多環(huán)網(wǎng)、格狀網(wǎng)，而構(gòu)成環(huán)網(wǎng)、多環(huán)網(wǎng)、格狀網(wǎng)的物理層設(shè)備是OADM和OXC。

　　從技術(shù)發(fā)展來(lái)看，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)是3T（傳輸鏈路、傳送節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)都具有Tbit/s的容量）和2I（集成化Intgration和智能化Intelligent），OXC作為光網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，兼具T比特傳輸和T比特交換兩大功能，并向集成化和智能化發(fā)展。在集成化方面，未來(lái)的OXC將集電路交換、包交換、波長(zhǎng)交換甚至光包交換于一身（也許不應(yīng)該叫OXC），在智能化方面，OXC將向智能光網(wǎng)絡(luò)邁進(jìn)，如ASON/ASTN、IP/MPLmS。