电交叉技术瓶颈日益凸显可在三大应用场景引入光交叉

中国移动设计院|杜铮 王亚龙 杨天普

中国移动省际骨干传送网（以下简称省际骨干网）是中国移动的国家级干线，承载着中国移动和铁通公司的所有省际业务需求。省际骨干网在2012年首次引入了电交叉的OTN设备，并在2013年全网部署；在2013年首次引入了100G OTN设备平台，并在2014年全网部署。

光交叉越来越受关注

业务量的迅猛增长导致业务局站的电路数量激增，对电交叉OTN设备的交叉能力提出了更高的要求，OTN设备的电交叉能力也从2012年的2.56T增长到最高的25.6T。在设备电交叉能力快速增长的同时，设备的单机架功耗也随之迅猛增长，单机架（600×6000）满配功耗最高已经突破了20000W大关，带来了极其严重的散热问题。电交叉OTN设备的实际部署能力遇到了一定的发展瓶颈，这迫使业界不得不重新将目光转移到OTN设备另外一种低功耗的交叉方式：光交叉。光／电交叉的对比见表1。

表1 光/电交叉技术对比表

从对比可以看出，虽然光交叉技术有着低设备功耗、交叉容量大等优点，但也同时存在业务传输距离受限、无法解决波长冲突问题的局限，在省际骨干网层面是无法单独组网的。因此，在省际骨干网层面，光交叉技术必须与电交叉混合组网，才能满足全部的业务传输和调度的需求。

新型设备解决ROADM局限性

可重构光分插入复用器（ROADM）设备是基于光交叉的且有规模部署的设备形态。根据ROADM的组成结构，ROADM可分为波长阻断（WB）、平面波导（PLC）和波长选择开关（WSS）3种，其中WSS凭借其光学性能和可扩展性，近年来已经成为主流的设备形态。

ROADM设备支持波长通道上下路状态的灵活配置，多维ROADM设备还支持波长通道在各个维度（方向）之间灵活调度。但ROADM设备在实现光交叉的同时，其局限性也很明显，主要有波长连续性及惟一性限制、传输距离和物理损耗限制、上下路端口灵活性受限、调度颗粒的惟一性和粗放性等方面的限制。

针对ROADM以上的局限性，近年来，业界已经出现不同程度解决上述限制的新型ROADM设备，即CDC-F（Colorless-波长无关、Directionless-方向无关、Contentionless-竞争无关、Flex Grid-灵活栅格）ROADM。虽然目前WSS即可满足组网需求，但CDC-F仍然是未来的发展方向。

CDC-F ROADM与ROADM设备性能对比如表2所示。

从上面的对比不难看出，虽然CDC-F ROADM在不同程度上解决了传统ROADM的弊端，但从根本上说，它还是ROADM设备，有着目前ROADM设备固有的特性：不经过电层，无法进行波长转换；传输距离和物理损耗限制，尤其是CDC-F ROADM的传输代价更大，使得它在省际骨干网面临的传输距离问题相对更严重。

省际骨干网业务节点波道分析对于采用光交叉+电交叉OTN设备混合组网后，能够减少多少对配套设施的需求，需要针对省际骨干网的OTM节点（包含业务节点和再生站）的波道终端及转接情况进行分析。由于在省际骨干网中再生站的设置，绝大部分是由于光通道OSNR低于设备门限，不得不进行电再生。因此，传输节点的波道分析将不包含再生站，仅针对业务节点。

表2 CDC-F ROADM与ROADM优缺点

笔者在所有省际骨干网中选取了比较有代表意义的广州、北京、上海、乌鲁木齐、成都、长春和石家庄共7个城市中的1个业务节点作为分析取样。将所有业务节点的最近三期工程（即全网部署OTN以来的工程）的所有波道情况进行分析计算，可得出各期工程各站可使用光交叉波道的比例，详见表3。可使用光交叉的波道比例为不考虑光通道OSNR的情况下，波长相同的转接波道、可调整为相同波长的转接波道之和占全部业务波道（去除含子波道的）的比例。需要注意的是，这里的统计仅针对单站，不涉及光路OSNR计算问题，是一种理想状态。

从表3波道比例可以看出，即便不考虑单通道OSNR门限的问题，各复用段使用的波道不均衡导致波长冲突、业务终端和跨厂家及平台转接波道，最终可使用光交叉的波道占全部业务波道的23.3%，不足25%。虽然总体可供光交叉技术使用的波道比例并不能说高（且还是在不考虑光通道OSNR问题的基础上），但对单建设期的单节点而言，还是有部分节点在某一建设期内，使用光交叉技术可以节约较多的电交叉能力，减少功耗压力和节约装机面积。

单建设期内可使用光交叉的波道比例高于25%的节点共有6个，分别是3期的北京、1期的乌鲁木齐站、3期的乌鲁木齐站、2期的长春站、2期的石家庄站和3期的石家庄站。结合工程中具体波道使用情况分析发现，可使用光交叉的波道比例较高的局站呈现出几个共同特点：

● 自身终端业务波道比例少；

● 与光方向多少相关性不大，主要波道转接关系集中在较少光方向之间完成；

● 与局站相关的复用段中必有2个或以上的复用段使用较多的业务波道；

● 新建平台时可使用的光交叉的波道比例均较高，但随着后期扩容，光方向较多的局站、扩容数量较少的复用段中可使用光交叉的波道比例在降低。

表3 波道分析表

引入光电交叉技术需综合考量

省际骨干网在2 0 1 3年开始部署100G线路速率的OTN平台，目前新建系统已全部是100G OTN平台。根据厂家设备能力及实际运行情况看，100G OTN平台的长距能力较10G平台还是有所下降的。本文前表所示的无电中继最大传输距离1050km也是在10G平台上实现的。结合最近一期的省际骨干网投标情况，目前一干整体复用段长度在400～700km水平。

从以上数据基本可以确认业务节点间，除石家庄、天津、苏州等少数城市业务节点将非终端波道光波直通，可满足系统OSNR门限外，其余出省的业务节点则必须将全部/部分非终端波道进行电中继（单系统单节点的必须全部进行电中继，同一城市有两个出省业务节点的，则同一波必须至少在某一节点进行电中继）。如此一来，则光交叉技术的应用范围和效能将进一步被压缩。

此外，由于商务报价的原因，100G OTN平台的线路侧OTU软/硬判价格差异较大，因此，单纯为提高波道光交叉使用率而更换OTU类型，提高线路OSNR容忍度会导致大幅度增加建设成本，这与现有的工程建设原则是相违背的。

综上所述，由于中国的地理及政区影响，在省际骨干网中，长距传输对光交叉的影响是比较大的，使得在业务局站内可使用光交叉的波道比例进一步下降，在部分局站甚至到达0。再考虑到绝大部分的再生站都必须对波道进行电中继。因此，结合对节点波道的分析，预计省际骨干网整体的可以使用光交叉技术进行交叉的波道比例不会超过10%。

光交叉技术将影响工程建设和后续维护

由于光交叉技术是有别于电交叉技术的一种全新的设备形态，与早期WDM系统中简单的OM/OD光纤直连或者OADM设备完全不同，涉及多方向的波长相互间交叉，因此在工程建设前期对业务与波道进行匹配和排布的时间会大大增加（保证在转接节点波长一致），合同编制复杂度也将大大增加，原先只需要对复用段的OSNR进行计算，变成了针对单波道进行OSNR计算。预计两者的编制时间至少会增加100%以上，保守估计1～2个月时间。

在整个建设流程上，由于各设备厂家的长距传输能力不同，单节点可使用光交叉的波道数量无法在合同编制前确定，因此向采购部门提出的设备采购数量无法准确，在流程上会造成拖延，延长工程建设周期。

另外，由于目前传输设备在光层上的信号监控与电层相比还是差一些，未来网络维护时，对故障的精确定位和全网的网络割接窗口期是否会造成不良影响还有待实际运行后才能得知。

光交叉技术总结及部署

通过以上的技术分析，笔者得出如下结论。

1.就光交叉技术成熟度而言，WSS技术已经很成熟，正在向CDC-F ROADM技术演进。目前，CDC-F ROADM技术还未完全发展成熟，但针对省际骨干网目前的建设原则而言，光交叉技术目前的设备形态已经可以满足。

2.综合OSNR的影响，预计省际骨干网整体可以使用光交叉技术进行交叉的波道比例不会超过10%。但在个别站点的转接波道也有较大的比例，可带来较为显著的效益。

3.引入光交叉技术后，工程建设周期会较现有的建设周期变长，保守估计约为1～2个月时间。

4.未来网络维护时，对故障的精确定位和全网的网络割接窗口期是否会造成不良影响还有待实际运行后才能得知。

对光交叉技术的引用研究起因是基于电交叉技术的OTN设备单机散热问题过于突出，导致机房配套设施无法匹配造成的。但针对此问题，设备厂家也在积极努力进行改进，除了减低设备单板的功耗外，作为最终解决方案的集群式电交叉OTN设备，各厂家预计最迟2018年提供商用产品，届时单机散热问题将彻底得到解决。因此，如果仅为解决单机功耗过高导致的散热问题而引入光交叉技术是没有必要的。

全网引入光交叉前需做好三阶段准备

引入光交叉技术降低省际骨干网中的某些局站的功耗水平和设备装机数量是可以考虑的。作为一种全新的设备形态，在省际骨干网大规模部署前，建议还需完成以下几个阶段的研究及准备工作。

第一阶段：加强对光交叉技术的工程运用研究，完成设备的实验室测试。

第二阶段：在省二干网络中完成实际部署，应在广东、江苏等业务量较大或新疆、内蒙、甘肃等业务节点间距离较长的省份分别部署，以实际验证光交叉设备的组网能力，并评估对工程建设和网络维护造成的实际影响。

第三阶段：在省际骨干网中的个别站点引入光交叉设备，做一干现网试点。

以上3个阶段全面完成后，则可彻底评估省际骨干网引入光交叉技术的可行性。

光电混合交叉组网应用场景描述

通过以上分析，我们可以得出适合光电混合交叉组网设备的局站有以下3种类型。

1.承担干线波道分流转接的局间中继局站。此类站点基本都是只有2个光方向，除自身业务终端的波道外，其余干线分流的转接电路波长较易调整一致，且传输距离近，不受OSNR影响，光交叉设备能带来较大效益的局站，如生产中心、花溪站等。

2.相邻业务站点传输距离较近，且本身终端业务比例较少的业务局站。此类站点本身大部分波道为转接波道，虽然转接方向较第一类局站多，波长调整有一定困难，但受OSNR影响小，也比较适合使用光交叉设备。此类局站主要集中在京津冀、长三角和珠三角地区，其他地区如采用单系统双节点的方式建设，其中一个局站也是属于此类局站，如天津、石家庄、无锡、苏州、沧州、深圳等地的局站。

3.局房条件受限，无法满足装机需求，且配套设施无法建设的局站。此类站点本身可能受OSNR的影响或者复用段波长匹配的问题，本身并不能大量通过光交叉转接波道，但机房已经彻底无法满足工程建设需求，配套设施根本无法建设，又无法搬迁。针对这种特殊情况，可部署光交叉设备，以满足工程建设需求，但这种部署情况代价较大，对于OSNR的影响可能需要更改OTU类型。针对波长冲突则要使用采用跳波的方式。这些都是与平常省际骨干网的建设原则不一致之处。此类局站为特殊情况，不能普遍采用。

以上3种类型的局站，除第三种外，其余两种类型的局站可使用光交叉的波道比例建议在25%以上才部署光交叉设备。其余所有的再生站和实际波道可使用光交叉比例低于25%的业务局站，建议仍旧使用纯电交叉设备，以减少光交叉设备引入后所带来的设备技术复杂度提高，工程建设周期延长和维护方面可能带来的不良影响。