多粒度多业务环境下的传送平面

ASON的核心是在光网络中引入控制平面，满足信令交互和业务动态快速建立的需要，作为ASON支撑的传送平面也应适应智能化的要求。传送平面、控制平面和管理平面应具有相对独立性，传送平面、控制平面和管理平面分别通过连接控制接口(CCI)和传送平面网管接口(NMI-T)相连。ASON的各种接口正逐步规范。不同的应用环境可能对传送平面有不同的要求，允许有不同的技术来构建传送平面。G.8080所规定的ASON节点结构实际上应是一种具有疏导交叉能力的节点结构，传送平面的性能可以从节点的交叉容量、交叉能力、业务接入能力以及性能监测能力等几个方面来衡量。

　　在交叉容量方面，接入节点的光方向由几个到几十个，实用单波长传输速率已达到10 Gb/s，每条链路传输由单波到几十波、甚至上百波，使得节点的交叉容量从每秒几十吉比特到每秒几十太比特，因此从经济性考虑节点交叉容量应有较好的扩展性；在交叉能力方面，ASON节点作为核心节点应支持多粒度(光纤级、波长级及子波长级)，至少需要支持波长级的交叉连接；在波分复用(WDM)网络环境下，为了保证网络较高的资源利用率，需要灵活的支持虚波长连接；在接入业务能力方面，应支持多种业务类型、多速率的接入，如SDH、PDH、ATM、以太网等。

　　ASON传送平面结构目前习惯分为光电光(OEO)结构和全光(OOO)结构，哪种结构更具优势在光网络行业已争论了很久[1]。考虑到节点需要支持子波长速率业务的接入及目前光的交叉矩阵无法完成子速率的汇聚疏导，可以说全光结构的实用性存在问题。实际上我们理解认为业界谈论的全光结构是允许配置电交叉单元来完成子波长交叉连接的，全光网关注点是核心交叉矩阵结构的实现技术，所以下面的讨论重点也放在核心交叉结构的实现技术上。

1 光电光结构的传送平面

1.1 电交叉连接矩阵

　　光电光结构以电交叉矩阵为核心实现大容量的交叉连接，电交叉矩阵在SDH的分插复用设备、数字交叉连接设备上被大量应用。

　　(1)电交叉矩阵的结构

　　大规模电交叉芯片主要分为两种结构：一种称为具有疏导交叉能力的节点结构，芯片内部是时分空分时分(TST)3级结构，图1是其结构示意。这种结构可以完成端口子速率的交叉连接，图1结构端口速率为STS-48(2.5 Gb/s)，交叉最小颗粒度为STS-1(51 Mb/s)，交叉连接灵活、能力强，但端口速率不透明，而且还与业务有关。该结构目前支持SDH帧格式，IP业务需要封装进SDH帧中。另一种称为交叉点开关，芯片为空分结构，根据交叉连接命令各高速入端口与相应输出端口建立连接关系，端口速率透明是其特点，但交叉粒度受到很大限制，只能以端口速率进行交叉连接，当信道传输速率在2.5 Gb/s以下时其代替全光开关在成本上目前具有一些优势，端口数也可以较多(可达144×144)，用在10 Gb/s光网络中其交叉规模不如光交叉矩阵、交叉能力又不如具有疏导交叉能力的节点结构，因此应用有限。

　　(2)电交叉矩阵的容量

　　目前电交叉矩阵芯片接口速率可达3.6 Gb/s，在实际使用中端口速率小于等于2.5Gb/s，目前单片端口数可达144×144，交叉容量最高可达360 Gb/s，多个交叉芯片可以在单板内级联扩展，但受到单板高速输入输出线数量的限制，目前单板的交叉容量基本在320 Gb/s以下。

　　(3)电交叉矩阵的接口

　　由于采用电交叉芯片，所以接口大都通过高速电背板，交叉板、时钟板以及各接口卡放置在一个子架内。为了支持单板间高速信号互连，芯片高速端口采用预加重技术，2.5 Gb/s高速信号在高频PCB基材(FR4板材)上传输距离可达1 m，所以新设计大都采用2.5 Gb/s高速背板。为了避免高速背板结构对单板板位及尺寸的限制，有部分设备也采用光背板。交叉连接单板与其他单板采用光口互连，光电/电光转换用小尺寸光器件或阵列光收发模块实现。采用电交叉矩阵接口的结构扩展性较好，但增加了大量的光电转换模块，成本和复杂性增加。

1.2 光电光构建的传送平面典型结构

　　图2是OEO构建的传送平面的典型结构，采用电交叉连接矩阵，核心交叉单元与输入/输出单元通过高速背板互连。

　　进入节点的群路光信号或上路业务(光口)需要经过光输入单元光电转换，适配到高速背板。多路低速上路业务(电口)直接适配到高速背板。交叉后的各路信号还要经过光输出单元的适配及电光转换才能送出去。由于经过大量的电域处理，所以对信号性能监测比较完备。但作为光层的设备，其转换环节显然太多了。如用在密集波分复用(DWDM)网络中，还需要配备多方向的密集波分复用终端设备，包括大量的波长转换器，系统复杂。而大量采用高速电芯片，设备的功耗及工艺是一个不容忽视的问题。

　　信号通过高速电背板使设备升级扩容成为问题，原则上不同交叉容量的设备子架结构不能兼容。目前光电光设备单板交叉容量在160 Gb/s，设备厂商正在开发320 Gb/s的交叉板，要实现更大无阻交叉容量，需要多级扩展。

2 全光结构的传送平面

2.1 光交叉连接矩阵

　　传统的光开关有介质波导和机械两种类型。机械光开关虽然插损小，但集成度低；介质波导光开关虽然开关速度快，易于大规模集成，但插损、隔离度、偏振敏感性都不能令人满意，难以用作大规模交叉矩阵。

　　前两年人们开发出了许多光交叉矩阵新技术，主要包括：

　　(1)微电机械开关

　　微电机械开关(MEMS)通过静电或其他控制使微镜运动，改变光的传播方向，实现开关功能。二维MEMS光开关微镜只有两个位置，控制简单可靠，目前比较成熟，但规模有限，能实现32×32端口，个别号称可实现64×64端口；三维MEMS光开关每个微镜需要有多个可能位置，为了保证微镜位置的稳定，通常需要反馈控制，目前已能实现256×256端口，有号称能实现1K×1K端口，但其能否实用有待考验。

　　(2)喷墨气泡光开关

　　喷墨气泡光开关是利用液体的移动来改变光传播路径，起到光开关功能。该开关由Agilent公司开发，但一直没有见到商品。

　　(3)热光效应光开关

　　热光效应光开关利用热光效应对光场调制，可用于制造小型的1×2光开关，通过集成多个1×2光开关可组成较大阵列。这种开关易规模生产及集成，但插损较大、通道间隔离度较低，目前商用的有8×8端口规模。

2.2 全光构建的传送平面的典型结构

　　图3是用于WDM网络的全光交叉矩阵构建的传送平面的一种结构，这是不少厂家宣传的似乎已被大家普遍接受的典型结构。这种结构需要一个大端口数的无阻交叉矩阵，为了真正实现无阻交叉连接，每个波长还需要一个波长变换器。核心交叉矩阵只能支持波长以上级别的交叉，要完成子波长级的交叉还需要下路到电交叉单元处理，其成本及大规模光交叉矩阵的工程化能力方面仍有问题。

　　在目前城域网和骨干网的组网中用的最多的是环网，网络的备用容量是工作容量的100%，而对于格状网(Mesh)而言，普遍认为必须保证网络的冗余资源占到工作容量的30%～60%，即接入节点的传输容量相当部分作为网络保护/恢复用，平时空闲。智能光网络的一个管理域有几十甚至几百个节点，这样平均每个业务都要经过几跳甚至更多，也就是说进入节点的大部分业务会在较大粒度(如波长级)上交叉后继续传输。

　　在WDM光纤网络中，每根光纤中会传输几个、几十个、甚至上百个波长，经过节点时光波长信号可能要下路到本地(包括为满足波长内部分通道下路到本地的需要)，或者同波交叉后往前传输，或经过波长变换之后继续传输。除了极个别波长调配的需要外(建议把这种情况看成需要波长变换)，同一根光纤内的波长相互之间不需要交叉，所以应区别对待WDM光纤链路(光复用段)中的光波长通道和非WDM光纤链路中的光波长通道，以节省宝贵的光交叉连接资源，后者在节点中作为一个上下路波长更合适。因此在WDM光网络中把进入节点的所有波长不加区分而进行波长级的无阻交叉连接会浪费掉大量的交叉连接资源(端口太宝贵了)，而且要配置与总波长数相等的昂贵的波长变换器，所以无阻交叉连接节点的弊端是显而易见的。在较大规模的光网络中，每个业务都要经过多跳，合理地分配波长资源，实际上大部分业务通过同波交叉连接就能传送到下路端。当然为了保证网络高的业务配通率，网络必须支持一定比例的可以灵活配置的虚波长通道。所以配置完全无阻的交叉连接矩阵在交叉能力上并没有明显优势，却造成了交叉资源的极大浪费，会严重影响设备的可实现性及经济性。

3 一种分层结构构建ASON的传送平面

　　上述两种ASON的传送平面结构，都基于无阻的大容量的(光/电)交叉连接矩阵，节点的交叉连接能力很强，但代价很高，交叉连接规模受限、成本高、扩展比较困难。20世纪末，由于泡沫经济的影响，在智能光设备的研发上过分强调了设备的能力、规模，没有很好地考虑光网络的特点，没有充分借鉴电交叉设备的经验。本文提出一种分层结构的传送平面，如图4所示。核心是采用同波光交叉矩阵，如N条WDM链路，单个交叉矩阵规模为(N+K)×(N+K)，这里K≤N，K的具体数量可在网络规划时确定，取决于本地业务上下路、波长变换、电再生(光无电中继传输距离是受限的)等工作的次数。本地业务的灵活上下路、波长变换、电再生这些工作由光通道适配处理层来完成，可以实现节点的任何一条输入链路的任一波长交叉连接到任何一条输出链路的任一波长，任何一个接入波长也可以交叉到任意光方向的任一波长，建议进入节点的单波长业务作为接入波长或业务对待。这种分层结构使得各层功能比较单一，处理方便；核心交叉连接是以同波交叉为基础，交叉连接矩阵规模跟光纤链路数成比例，规模小、成本低、波长模块性非常好。

4 结论

　　综合上面分析，OEO方式和OOO方式各有优劣，他们具有互补性。

　　(1)基于电处理的OEO方式多粒度业务交叉能力强，但节点规模受限，在多业务环境下信号格式的不透明会制约其应用。

　　(2)传统的大规模光交叉矩阵构建的OOO方式的智能节点，没有充分利用光网络的特点，其实用性和经济性没有优势，前景不被看好。

　　(3)对于WDM网络，本文提出的分层结构应用在核心交换节点，其性价比有明显优势。

　　采用OEO、OOO和分层结构方式构建的ASON传送平面的性能比较可参见表1。

表1 OEO、OOO和分层结构构建的ASON传送平面的性能比较

5 参考文献

　　[1] Brian Lavallee. OEO交换对OOO交换：光网络是最后的赢家[J]. 光波(中文版), 2003(2/3):15-17.

[摘要] 文章从多粒度多业务环境对智能光网传送平面的要求出发，分析了光电光结构和全光结构的传送平面的实现技术，提出了一种适合WDM网络的传送平面结构。

[关键词] 自动交换光网络；微电机械开关；网络结构；多粒度多业务环境

[Abstract] The requirements of the environment of multiple granularities and services to ASON transport plane are analyzed. The implementation technologies of transport plane in Optical-Electrical-Optical (OEO) and Optical - Optical - Optical (OOO) architectures are discussed. A novel scheme for the ASON transport plane to work on the WDM network is proposed.

[Keywords] ASON; MEMS; network architecture; multiple granularities and services environment