P比特光交换节点研究

基金项目：国家重点基础研究发展(“973”)规划(2010CB328202)；国家自然科学基金(60931160439)

    随着光通信技术，特别是密集波分复用(DWDM)技术的日趋成熟，单根光纤中可以传输的波长数越来越多，而且未来核心光网络中相邻两个节点间可能会有几十甚至上百条光纤相连接。随着光纤传输容量不断地提升，对节点的交换容量扩充的要求也越来越高。实验室单节点交换速率已经达到了100 Tbit/s级别，未来的网络节点需要实现P比特级交换速率。光纤数目和波长数目的增加使得光交叉连接器(OXC)的规模越来越庞大，传统的基于波长粒度的交换，使光节点达到数千个端口。如此大规模的端口数量不仅使得节点实现困难，而且成本高，控制复杂，给OXC的稳定性和设计带来了很大问题。在多粒度交换光网络中，光交换节点可以实现波长、波带和光纤的交换，不仅使得交叉连接的矩阵规模大大减小，同时也相应地简化了管理控制。随着正交频分复用(OFDM)技术的引入，基于OFDM的弹性光网络得到了越来越广泛的关注。在弹性光网络中，和以往的固定栅格的波分复用(WDM)节点不同，OFDM中的带宽可变节点采用分束器和带宽可变的波长选择开关(WSS)实现了传统的多粒度交换结构。

    文章介绍了传统的基于波长的OXC交换结构、多粒度交换结构，以及基于正交频分复用/单载波频分复用(OFDM/SCFDM)的节点交换结构，并通过实验验证了基于带宽可变的可重构的光分插复用器(ROADM)、OXC节点技术。提出的基于子波带的交换结构节点容量达到了P比特量级。

1 传统OXC的波长交换结构
    光网络中传统的OXC执行的是单粒度的交换，即波长交换。图1给出了传统的单粒度交换节点结构示意图，其核心是一个大容量的波长交叉连接矩阵。

    输入光纤中的信号通过解复用器(Demux)将每个单独的波长解复用出来，然后进入波长交叉连接结构进行交换，之后各个波长通过复用器(Mux)合波到不同的输出光纤。本地的上路和下路(Local add/drop)业务的端口直接和波长交换结构相连。实现光交叉连接的光开关是OXC光节点的核心功能器件，根据所采用技术的不同，可以分为自由空间开关和波导开关。目前比较常用的是基于微机电系统(MEMS)技术的光开关阵列。但是由于成本和可靠性等一系列原因，商用的MEMS光开关阵列的交换规模仅达到8×8和16×16，更大规模的光开关阵列只是在试验阶段，还远未成熟。

    实现大规模的光开关矩阵(数千个端口)无论从成本、稳定性来说都几乎是不可能的。而且如此复杂的光开关矩阵的大规模生产是非常昂贵而不现实的，因此希望能使用较小规模的光开关矩阵来实现复杂的光交换。另一方面，随着数据业务的快速增长，对光器件和光网络性能的要求也越来越高，如何快速、高效、智能地传递业务是光网络研究的一个重要方面。根据网络中业务流量的数据统计，对网络中的每一个单节点来说，占到总量60％～80％的大部分业务与本节点无关，大部分业务都是“转发业务”而不是“接入业务”，即在本节点无须进行交换，只需要在本节点直通。由于传统的OXC是基于波长单粒度的结构，所有光路信号都必须适配到波长级别进行处理，这就导致了网络节点的处理速度将成为“瓶颈”。OXC节点的交叉规模受限、成本高、灵活性差、扩展比较困难，从而无法满足高速网络交换的需求。

2 多粒度光交换节点
    1999年，多粒度的思想被引入到光交换节点中，相应的多粒度光交换节点应运而生[1-3]。所谓的多粒度光交换是指交换节点的交换粒度不仅包含波长，而且包含波带以及光纤，即能够同时提供波长、波带以及光纤等多种带宽粒度的交换。波带是将多个波长捆绑在一起，并在波带等级进行交换和路由。波带光通道由一组波长光通道组成，并作为一个单独的信道来路由。波带交换将光节点中部分端口的交换粒度扩大到了波带等级。同样，更大的光纤粒度是将多个波带进行捆绑并在光纤等级进行交换和路由。光纤交换将光节点中部分端口的交换粒度扩大到了光纤等级。多粒度交换中波带、光纤捆绑如图2所示。图2中一根光纤中有8个波长，每4个波长为一组组成一个波带，这样光纤中就有2个波带。

    采用多粒度交换技术之后，交换节点不必对所有的波长都进行复用和解复用。可以将通过节点的多个“转发业务”汇聚在同一个波带或是同一根光纤内传输，从而在节点内实现“波带路由”或者“光纤路由”，因此可以显著地降低端口数。光交叉连接设备的端口数是决定节点费用以及控制复杂度的重要因素。所以，多粒度光交换在简化光节点的结构，降低节点的制造、维护和操作成本方面都有着显著的优势。

    多粒度光交换也极大地提高了光网络设备的传送效率和吞吐容量。例如，对于与本地节点无关的业务，无需解复用/复用成较小粒度(如波长)的交换，可以在较大的粒度层次(如波带、光纤)上直通。多粒度光交换技术作为一项崭新的光网络节点技术，可以结合空分、波分以及时分等多种交换方式而成为下一代光网络传送平台的核心技术，因此，具有极为广阔的应用前景。

3 基于可变带宽交换的P比特级交换节点结构
    随着光传输技术和新型的光交换器件的发展，基于正交频分复用[4]的可变带宽全光交换技术得到了越来越广泛地关注。与传统的固定栅格的以波长为最小交换粒度的WDM系统相比，可变带宽全光交换技术中引入了子载波的概念，实现了更小颗粒度的交换。同时对于大数据容量的链路，多个子波带能够通过汇聚的方式实现超级通道，实现大容量高速数据的传输和交换[5]。

    对基于OFDM/SCFDM的ROADM、OXC结构，我们进行了实验验证。

    (1)200 Gbit/s单载波频分复用(SCFDM)系统上下路实验

    图3为我们在200 Gbit/s SCFDM超级通道上验证的上下路实验。我们首次实现了在SCFDM超级通道上实现的单个子波带的上下路。在一个ROADM结构里面，输入的信号可以首先通过一个分束器将输入信号分成两路，一路进行下路操作，另外一路进行上路操作。实验中，我们分别对上路和下路进行验证。
图4是我们实验中的发射机和接收机结构。

    首先我们利用任意波形发生器(AWG)产生SCFDM信号，然后利用光同相/正交(IQ)调制器将电信号调制到光上。IQ调制器输入端为通过两个射频源驱动强度调制器产生的等间距的5个光子载波。IQ调制器输出端为经过调制的5个光子载波的SCFDM信号。信号经过偏振分束器、光延时和偏振合束器来模拟偏振复用，再经过链路、交换节点传送到接收端进行相干接收。

    在接收端，将接收到的信号和本振光进行混频，再通过4个平衡检测器进行检测。实验中我们用数字存储示波器对信号进行采样，再对采样得到的信号进行离线处理。

    上下路结构模拟中，发端信号为5个连续正交波带的复用的单载波频分复用(OBMSCFDM)信号，子波带的间距为10 GHz，采用QPSK调制。首先是下路信号的模拟，SCFDM信号经过2段80 km传输后，通过全光的频谱分配，分成两路，一路信号包括子波带1、3、4，另外一路包括子波带2、5，进行下路操作；然后是上路操作，SCFDM信号经过80 km传输后，首先通过一个带阻滤波器，将中间的子波带移除，然后用另外一个发射机产生单个波带的SCFDM信号，其中心波长和原来子波带的中心波长精确对准；最后通过耦合器，将上路信号耦合，实现上路的操作。图5是其实验结果。可以看到，进行下路操作的时候，由于OBM机制，下路信号不会产生额外的功率代价；上路操作时候，由于滤波器的非理想特性，上路信号产生了功率代价。

    (2)基于子波带交换的灵活的光网络节点结构

    可变带宽交换中，节点完成将各个输入信号通过管控信令路由到指定的输出端口的功能。图6采用的是一种组播-选择功能结构。从各个方向来的频谱连续输入信号经过分束器进行功率分束。各个方向来的信号输入到任意波形滤波器(Waveshaper)实现对连续频谱信号的任意切割。通过配置Waveshaper，各个输入端口输出不同频段的信号频谱，合路后的信号传输到下一个交换节点。在节点结构中，本地的客户端信号通过本地的带宽可变的转发器生成，经过分束器(Splitter)进行上路。同理，下路的信号也可以通过带宽可变的Waveshaper进行下路，从而完成本地节点的上下路功能。与传统的固定栅格的WDM节点结构不一样，在可变带宽交换节点结构中，信号的频谱可以是连续的也可以是非连续的。在节点中不需要将各个信号波长分开再进行各个信号波长的合路，从而大大简化了节点结构。在这种节点结构中，Waveshaper完成信号的复用/解复用功能，分束器完成信号功分功能。

    基于子波带交换的灵活的光网络节点结构如图6所示。

    各个方向的输入信号经过分束器进行功率均分，送入到各个Waveshaper。通过Waveshaper的波长选择性作用，将经过交换的信号输出到各个输出端口。

    图7是进行实验性验证的基于子波带交换的灵活的光网络框图。发射机1产生偏振复用QPSK-SCFDM 1、3、5子波带。信号从2端口输入WXC，发射机2产生偏振复用QPSK-SCFDM 2、4、6子波带模拟上路信号。两个发射机中每个子波带的信号带宽为10 GHz，两个发射机各个子波带中心波长间距为10 GHz。发射信号经过Splitter功分，作用和配置到Waveshaper。WXC右边输出端口可以得到输入子波带信号的任意组合。实验中我们进行子波带的随机组合(如图7右所示)。可以看出由于采用了Splitter，这种WXC结构具有组播功能。
如果节点结构要达到P比特级交换，设光纤端口数为8(4进4出)，采用16QAM调制格式，1 000个光载波，每个光载波信号带宽为10 GHz，符号率为10 GS/s，则总的节点容量将达到10 GS/s×4 bit/s×2×1 000×8=0.64 Pbit/s。

4 结束语
    本文我们介绍了传统的基于波长的OXC交换结构、多粒度交换结构以及基于OFDM/SCFDM的节点交换结构，并实验验证了基于带宽可变的ROADM、OXC节点技术的可行性。在实验提出的基于子波带的交换结构中，节点容量达到了P比特量级。

5 参考文献
[1] HARADA K, SHIMIZU K, KUDOU T, et al. Hierarchical optical path cross-connect systems
for large scale WDM networks [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communications conference and the International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication (OFC/IOOC’99):Vol 2, Feb 21-26,1999, San Diego, CA, USA Piscataway, NJ,USA:IEEE, 1999: 356-358.
[2] GERSTEL O, RAMASWAMI R, WANG W K. Making use of a two-stage multiplexing scheme in a WDM network [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communications Conference(OFC’00):Vol 3, Mar 7-10, 2000, Baltimore, MD, USA Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2000:44-46.
[3] NOIRIE L, BLAIZOT C, DOTARO E. Multi-granularity optical cross-connect [C]//Proceedings of the 26th European Conference on Optical Communication (ECOC’00), Sep 3-7, 2000, Munich, Germany. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2000: 44-46.
[4] ARMSTRONG J. OFDM for optical communications [J]. Journal of Lightwave Technology, 2009,27(3), 189-204.
[5] MA Y, QI Y Q, YAN T Y, et al. 1-Tbit/s single-channel coherent optical OFDM transmission over 600-km SSMF fiber with subwavelength bandwidth access [J]. Optics Express, 2009, 17(11):9421-9427.

收稿日期：2011-09-29

[摘要] 光网络中引入全光交换技术可以无需进行光电光转换和电信号处理，使网络具备透明性，大大降低节点的复杂性和节点成本。多粒度交换节点减小了交换矩阵的规模，降低了交换矩阵的复杂性，是波分复用(WDM)网络节点发展的一个方向。随着正交频分复用(OFDM)技术的引入，带宽可变的节点技术得到了越来越广泛的关注。文章介绍了传统的基于波长的光交叉连接器(OXC)交换结构、多粒度交换结构，以及基于正交频分复用/单载波频分复用(OFDM/SCFDM)的节点交换结构，并通过实验对基于带宽可变的可重构的光分插复用器(ROADM)、OXC节点技术进行了验证。在实验中提出的基于子波带的交换结构中，节点容量达到了P比特量级。

[关键词] 全关交换；多粒度光交换节点；可变带宽；P比特交换节点

[Abstract] All-optical switching technology without optical-electrical-optical (OEO) conversion creates transparency in an optical network and greatly reduces the complexity and cost of the node. Multi-granularity optical cross-connect reduces the scale and complexity of the switching matrix—which indicates the direction of the wavelength division multiplexing (WDM) optical network. With the development of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), bandwidth-variable optical node technology has become the focus of attention. This paper introduces the switching architecture of optical cross-connect (OXC) and multi-granularity optical cross-connect based on wavelength. It also introduces the node switching architecture of OFDM and single-carrier frequency division multiplexing (SCFDM). An experiments with bandwidth-variable reconfigurable optical add-drop multiplexer (ROADM) and OXC is presented. The node in the proposed optical switching has Pbit/s capability.

[Keywords] all optical switching; multi-granularity optical cross-connect node; bandwidth variable; Pbit/s switching node