高容量波分复用网络中下一代光交叉连接（OXC）的设计

2023-11-27毕煜杰宋永廷

通信电源技术 2023年18期

毕煜杰，宋永廷

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

1 波分复用网络基础知识

1.1 光纤通信基本原理

光纤通信是一种利用光信号传输信息的通信方式，即信息通过调制产生光信号，光信号经光纤传输后在接收端进行解调，并将光信号转换为原始信息。光信号的传输是通过光纤内部的反射和折射实现的。光纤损耗会造成光信号的衰减。光信号在传输过程中还会受色散效应的影响，即不同波长的光信号由于传播速度不同而出现时间展宽，需要采取色散补偿措施保证信号的完整性和质量。

1.2 波分复用技术概述

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术是一种多路复用技术，即将2 种或多种不同波长的光信号合并在一根光纤上进行传输。波分复用系统可以将不同的通信信号调制成具有不同波长的光信号，通过光纤传输到目的地，并在接收端通过解调器将光信号还原为原始信号，实现数据的传输和接收。波分复用技术的优势在于能够大幅提高光纤传输的容量，充分利用光纤的带宽资源，实现高效的数据传输。

1.3 OXC 在波分复用网络中的作用

光交叉连接（Optical Cross Connection，OXC）在波分复用网络中扮演着重要角色，用于连接不同通道间的光信号，实现信号路由与交换。在波分复用网络中，光信号需要在节点之间灵活进行切换和连接，以建立复杂的通信路径。OXC 通过控制光开关，将输入的光信号切换到指定的输出端口，实现信号的路由和交换，从而提高波分复用网络的灵活性和可重构性，以适应不同的业务需求和网络拓扑结构。在波分复用网络中应用OXC，能够实现快速的信号传输和动态的资源分配，提高网络的传输性能和传输效率，同时为网络的故障恢复和容错性提供支持，确保网络稳定运行[1]。

2 下一代OXC 设计要求

2.1 高容量传输

随着互联网的广泛普及和通信业务需求的不断增长，波分复用网络对传输容量的需求持续增加。下一代OXC 需要支持更高的数据传输速率和更大的带宽，以满足日益增长的数据流量需求。高容量传输要求OXC 具备更多的输入和输出端口，以处理大量的光信号，并能快速进行光信号的切换和连接。

2.2 灵活性和可编程性

波分复用网络的拓扑结构和业务需求不断发生变化，因此下一代OXC 需要具备高度的灵活性和可编程性，能够快速适应不同的网络拓扑结构和业务场景，并根据需要动态配置和重构光信号传输路径。灵活性还要求OXC 能够支持不同光信号间的多路复用和多路分解，充分利用网络资源，实现高效的光信号调度。

2.3 低能耗和高效能

下一代OXC 需要采用低能耗的硬件和切换机制，以降低网络运行成本，减少对环境的影响。高效能不仅要求OXC 在光信号的切换和处理过程中尽量减少光信号的损耗和延迟，确保光信号的传输质量和稳定性，还要对OXC 进行管理和控制，即要求网络运维人员快速响应和处理网络故障，保证网络的高可用性和稳定运行[2]。

2.4 可靠性和容错性

下一代OXC 必须具备自愈能力，能够快速检测和切除故障，确保网络的可靠性和容错性。可靠性要求OXC 在面对硬件故障或外部干扰时，能够自动切换光信号传输路径，避免发生网络中断和数据丢失等问题。容错性要求OXC 采取冗余设计和多路径传输方式，以防止单点故障对整个网络的影响。除此之外，OXC 应具备实时监测和预测网络状态的功能，提前发现潜在问题并采取措施防止故障的发生。

3 下一代OXC 设计关键设备和技术

3.1 液晶光开关

液晶光开关基于液晶材料的电光效应，即在电场作用下改变液晶的光学性质。液晶光学开关器件通常由一系列液晶单元构成，这些液晶单元可在外加电场的作用下生成不同的排列状态，从而有选择性地透过或阻挡光信号。通过控制液晶单元的外加电场，可以实现光信号的开关和切换。液晶光开关具有响应速度快、功耗低、结构简单等优点，适用于中小规模的光信号切换场景。然而，由于液晶的电光效受外加电场的限制，其在高速、大规模的光信号切换应方面存在一定挑战。

3.2 MEMS 光开关

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）光开关采用微小机械结构来实现光信号的切换。常见的MEMS 光开关结构部件主要包括微镜和微梁。通过调节微镜的偏转角度控制光信号的通断。通过调整微梁的弯曲程度实现光信号的切换。MEMS 光开关具有响应速度快、插入损耗低、稳定性高等优点，适用于大规模、高速光信号切换场景。然而，MEMS 光开关的机械结构需要进行精密加工，且容易受震动和温度变化的影响，对制造工艺和环境条件要求较高[3]。

3.3 光波导开关

光波导开关利用光学波导结构实现光信号的切换，是一种将光信号沿着特定路径传导的光学元件。通过调节光信号在波导中的传输路径，实现光信号的切换和连接。光波导开关具有结构紧凑、集成度高、损耗低等优点，适用于大规模集成和高密度光信号切换场景。除此之外，光波导开关还可以采用不同的光波导结构，如硅基光波导、铌酸锂光波导等，以满足不同的应用需求。

3.4 光学包交换技术

光学包交换技术是一种基于光分组交换（Optical Packet Switching，OPS）的光学切换技术，以光分组的形式进行数据交换和传输，属于非传统的电域交换方式。光学包交换技术可以实现按需分配网络资源，灵活地进行光信号切换和路由，适用于大规模、高效能要求的光信号调度场景，同时可以支持灵活的带宽分配，保障服务质量，以满足不同应用场景下的数据传输需求。

3.5 自适应调度与控制算法

自适应调度与控制算法是一种基于系统状态和业务需求动态优化OXC 配置及切换策略的技术。通过实时监测网络状态（如光信号的带宽利用率、光纤的拥塞情况等），自适应算法可以根据不同的优化目标（如最小化光信号损耗、最大化网络容量等），智能调整光信号的路由和切换方式。自适应调度与控制算法能够实现网络资源的高效利用，提高网络性能和网络质量。常见的自适应算法包括遗传算法、模拟退火算法、最优控制算法等，在实际应用中可以根据具体场景进行选择和优化。

4 下一代OXC 设计方案与架构

4.1 OXC 整体架构与模块划分

下一代OXC 的整体架构需要综合考虑高容量、高灵活性、高可靠性等要求。OXC 的整体架构通常可以划分为3 个主要模块，即光信号输入模块、光交叉连接矩阵模块、光信号输出模块，如图1 所示。

图1 OXC 整体架构

光信号输入模块负责接收来自光纤或其他光学设备的输入光信号，并对信号进行预处理和光电转换。它通常由光接收器、光解复用器、预放大器等组件构成，以确保输入信号的准确性和稳定性。

光交叉连接矩阵模块是OXC 的核心部分，负责实现光信号的交叉连接和路由，通常由一组光学开关矩阵组成。其中，液晶光开关、MEMS 光开关、光波导开关等设备可根据网络规模和性能要求进行选择。通过灵活调控光开关状态，可以实现任意输入通道与输出通道之间的连接，从而满足不同的通信需求[4]。

光信号输出模块则负责将经过交叉连接后的光信号转发到相应的输出光纤或光学设备。它通常包括预放大器、光调制器、光发射器等组件，以确保输出信号的质量和稳定性。

为保证整个OXC 系统运行的高效性和稳定性，需要光信号输入模块、光交叉连接矩阵模块、光信号输出模块之间协调配合。

4.2 光开关选择与切换策略

为实现高容量和低延迟的光信号切换，需要合理选择适用于不同场景的光学开关技术，并采用灵活的切换策略。根据OXC 的规模和性能要求，可以选择液晶光开关、MEMS 光开关或光波导开关等不同的光开关设备。对于小规模或中规模的OXC，可以采用液晶光开关，具有低成本、快速响应优势，适用于对速度要求较高的场景；对于大规模OXC，可以采用MEMS 光开关或光波导开关，以提供高端口密度，增强信号传输的稳定性。

针对不同的通信需求，制定合理的光信号切换策略，可以采用静态切换策略和动态切换策略相结合的方式。其中：静态切换策略适用于稳定的通信业务，通过预先设定交叉连接矩阵中的光开关状态，实现固定路由和连接；动态切换策略则适用于动态变化的通信业务，根据实时的网络状态和流量需求，动态调整光开关状态，以优化网络性能和质量。

4.3 管理与控制平面设计

在下一代OXC 系统中，管理与控制平面负责实现对OXC 的监控、配置、故障管理以及性能优化等。为实现高效、灵活的管理与控制，可以采用集中式或分布式管理架构。其中，集中式管理架构是将所有OXC 节点的管理与控制功能集中在一个中央控制器，通过网络与各节点通信实现对整个网络的管理和控制。分布式管理架构是将管理与控制功能分散到各OXC节点，每个节点独立处理本地的管理任务，同时通过通信协议与其他节点交换信息，实现对整个网络的管理与控制。除此之外，可以采用标准的网络管理协议，如简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）或OpenFlow 协议，实现对OXC 的远程监控和控制。通过合理设计管理与控制平面，使OXC 系统具备更高的可扩展性和灵活性，以适应不同网络规模和拓扑结构的需求[5]。

4.4 OXC 与传输网络的接口设计

为构建具备高性能、高可靠性的下一代OXC系统，需要考虑系统与传统光通信设备和新型网络设备接口的兼容性及灵活性，以实现不同类型的网络设备的互联互通。

对于传统的光通信设备，可以采用标准的光接口协议，如同步光网络（Synchronous Optical Networking，SONET）、光传送网（Optical Transport Network，OTN）或同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH），实现与OXC 的连接。为适应新型网络设备，如数据中心交换机或路由器，可以采用以太网接口实现与OXC 的互联。除此之外，可以采用光电转换器或光收发器等光模块，实现不同接口之间的转换和互联。除物理接口，需要考虑传输协议和控制协议的兼容性。可以采用标准的以太网控制协议，如RESTful API 或NETCONF，实现与数据中心网络的连接，同时支持多协议标记交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）或通用多协议标记交换协议（Generalized Multiprotocol Label Switching，GMPLS）等传输协议，以满足多种数据业务的传输需求。