大容量光电交换技术研究

基金项目：国家重点基础研究发展(“973”)规划(2010CB328200、2010CB328201)

1 网络发展趋势
    根据Cisco公司预测，到2014年，平均每年的全球IP业务流量将保持34%的年增长率(如图1所示)。如果保持该增长速度，业务带宽的需求在2～3年内就将翻一番。从中国的情况来看，按照中国电信的最新预测，中国电信未来5年干线容量可能达到110～188 Tbit/s，并在今后不断增长，这将会对光网络的容量、架构和性能提出严峻的挑战。网络流量的快速增加使得单个波长的传输速率和波分复用(WDM)系统的传输容量也在不断增加。40 Gbit/s WDM技术成功已经在全世界范围内进行了大规模商用部署，100 Gbit/s WDM技术也已经开始正式商用的步伐。

    网络IP流量的快速增加在促进单波传输速率提高的同时，也在促使网络架构发生改变，以满足大容量IP业务的需求。与传统的语音业务相比，当前网络流量的增加除了对带宽提出了更高的需求之外，其业务粒度更加丰富，对网络调度的智能灵活性、网络的生存性等多个方面也提出了更高的要求。这就要求未来的光通信网络不再仅仅是提供一个超大带宽的传输管道，而是能够满足业务梳理、调度、质量保证等各个方面的需求。光网络中的交换节点将在其中扮演至关重要的角色。如何高效灵活地利用已有的带宽，如何对各种粒度的业务充分、高效和灵活地调度和控制，以及保证业务的生存性，这将决定着未来的光网络能否成功应对未来网络流量的快速发展和变化。而这些正是光交换节点技术需要解决的问题[1-6]。

2 光交换技术研究现状
    光网络中节点的交换技术从总体上可以分为四大类：电分组交换、光分组交换、电路交换和光线路交换。从能耗的角度考虑，电分组交换的能耗最高，而光线路交换的能耗最低(如图2所示)。目前的光网络迫切需要支持多种粒度的大容量光交叉节点。

    光网络最早采用的交换方式就是电交换。交换粒度从早期的虚容器(VC)级别发展到目前的光通路数据单元(ODUk)级别。目前光传送网(OTN)还支持ODUflex粒度和通用映射规程(GMP)封装方式，可以对不同粒度的业务实现封装和调度。但是从目前的情况来看，分组业务的调度更多的还是首先将光信号通过光电转换设备转换为电信号，然后通过路由器在电域进行交换，再通过电光转换设备转换为光信号进行传输。这种交换方式的灵活性比较高，但是耗费了大量的路由器资源，从而造成路由器的能耗和成本随着网络流量的发展而急速增加。近些年提出了分组光传送网(P-OTN)的概念，即在交换体系中引入二层交换能力，从而使得分组业务和时分复用(TDM)业务在OTN交换体系中具有同等地位，分组业务不再是SDH的客户业务，而是可以直接在OTN交换体系中进行交换。P-OTN技术还在研究之中，标准化工作也还没有取得实质进展。

    光交换可以分为光电路交换(OCS)、光突发交换(OBS)和光分组交换(OPS)。OCS技术随着近些年可重构分插复用设备(ROADM)技术的发展而取得广泛的应用。随着传输速率的进一步提高(如达到太比特每秒级)，信道的谱宽超过100 GHz，使得原来的50 Gbit/s固定间隔的WDM系统已经无法适应；另一方面，随着频谱效率的进一步提高，系统传输距离进一步缩短，为了在频谱效率与传输距离之间得以实现比较好的性能权衡，软件定义收发机(SDO)的概念被提出，核心目标是通过软件的方式来配置和编程收发机的调制方式和载波带宽，从而根据不同的传输距离采用不同的调制方式，最大化地利用频谱资源。因此，考虑到网络的可升级性和可扩展性，下一代的频谱划分将不再是以50 GHz或100 GHz为单位，而是采用可变的栅格系统。这一问题在光互连论坛(OIF)和国际电信联盟(ITU)已经开始讨论研究，并且ITU的G.694.1已经开始修改以支持可变频率栅格。可变栅格系统的每个信道的频谱宽度并不是任意的，而是具有一定的粒度(步进)。步进粒度和系统的复杂性成反比，如何取得两者的权衡还需要进一步研究。因此，支持无色、无方向性和无波长冲突性的ROADM，以及带宽特性可调的支持频率间隔无关ROADM器件的发展都将会大大增强OCS交换技术的灵活性和应用前景。

    常规的OCS支持波长粒度的交换，其业务速率可以是10 Gbit/s，也可以是100 Gbit/s。但是在实际应用中，需要交换的粒度可能是几个波长或者子波长粒度，这样如果仍然采用传统网络架构的话，不仅交换效率不高，也可能会存在资源浪费的情况。为此，在常规OCS的基础上，有研究项目提出了一种多粒度的交换节点结构，如图3所示。可以实现的交叉粒度包括光纤交换(FXC)、波带交换(BXC)、波长交换(WXC)以及子波长交换(通过电层DXC实现)。有研究项目提出了另外一种基于光码分多址(OCDMA)的子波长光交换机制。即把每一个正交码作为一个交换颗粒进行子波长连接的光交换。但是受OCDMA技术实际应用的限制，该种子波长交换方式的应用前景并不乐观。除此之外，还有学者提出了一种光子时隙交换技术。与时分复用相似，信号在时间上被划分成多个时隙。但是与时分复用不同的是，每一个时隙都包含系统的所有波长，每个波长都可能含有一定的分组数据。这样就可以通过对时隙内的波长进行交换从而实现分组数据的交换。

    除了光交换技术的研究之外，也有许多关于光交换网络智能管控和生存性方面的研究。新的网络不仅解决网络的带宽需求，而且能够满足不同的业务应用要求，支持点到点的应用和点到多点的应用。网络的控制平面应该是灵活且鲁棒的，不仅能够对光路进行实时监控，还需要能都对其进行多层跨域的管理，在实现资源利用最大化的同时保证服务质量，同时实现动态的带宽提供，满足按需的业务需求。

3 大容量光电交换需求和技术研究
    从业务接口和光收发技术发展趋势上看，光网络应能够动态灵活地提供不同传输速率、不同带宽粒度的信号交换能力。原有DWDM系统中单波长10G、40G传输接口已经不能满足当前路由器丰富的接口需要，支持超波长级别和波长级别的交换能力成为实现多业务接入灵活性的迫切要求。

    支持带宽可变波长交换能力的光交换是需要讨论的问题。按照ITU G.694讨论的可变频谱宽度范围(193.1+n×0.00625 THz)和步进粒度(12.5 GHz的整数倍)，如果支持所有的频谱宽度和步进粒度的组合，现有架构下的合分波单元的端口数量将非常巨大，不具有可实现性。可根据传输系统的需求来实现新的合分波单元架构，比如采用可变栅格滤波器和耦合器来实现带宽可变的合分波单元，以及通过相干接收的本振来选择下路波长等，并在此基础上研究带宽可变的光交换单元。也可采用适宜的带宽可变的光波长选择器件为基础来构建光波长交换单元实现波长级的柔性交换能力，研究面向频谱碎片整理的弹性光网络资源重构模式与优化机制。

3.1 融合ODUk /分组的新型交换机制
    为了提高带宽利用效率，分组交换正在逐步替代传统的电路交换。但是随着光传输技术的发展，分组交换所固有的非面向连接性在应用中又面临着一系列问题，使得电路交换又成为大规模应用的一个很好的选择，尤其是光电技术的融合，更使其显示出巨大的潜力。

    从传统的观点看，电路交换技术不适用于数据业务网络，而分组交换技术则是当今因特网技术的主流。光传输技术的发展和技术的进步使得原本分组交换的优势和电路交换的缺陷在今天已不再有意义，而且随着应用领域的扩大，分组交换和电路交换逐渐趋向融合。

    目前融合分组和ODUk的交叉有两种实现方式，如图4所示。在分组/ODUk交叉分离结构中，两种不同类型的业务分别进入分组交换矩阵和ODUk交换矩阵，然后分别映射到ODUk /OTUk中。分组业务和电路业务无法共享相同的波长资源，因此网络资源利用率不高。在分层结构中，分组业务不是直接映射到波长上而是经过一层ODUk交叉。实现分组和ODUk交叉矩阵有多种方式，例如分组业务采用GMP封装方式映射到ODUflex中。

    混合式结构如图5所示。使用单个混合交叉矩阵同时处理分组和电路业务，很容易实现流量汇聚和疏导，映射分组和电路业务到相同的波长上成为可能。与分层结构相比较，混合式交换结构可以节省分组交换和电路交换之间的多个光接口，总的交换矩阵容量需求也随之减小，可扩展性更高；与分离式结构相比，分组和电路业务可以共享相同的ODUk容器，因此可以获得更高的波长带宽利用率。

3.2 光/ODUk /分组混合交换机制
    目前的网络上除了不断增长的IP流量，仍然存在大量的TDM业务。而且TDM业务和分组业务之间的互操作也有需求。通道化的ODUk交换使TDM业务和分组业务可以共享光层资源。网络的演进目标要求不仅能够支持动态带宽可变的业务连接管理，支持面向连接业务，支持数据统计复用和差异化服务。解决办法就是将SDH/OTN/分组等电层交换和光层集中在一个平台上，实现统一的集中式交换，如图6所示。

    混合节点结构可以灵活分配电路和分组流量，减少所需光端口，最大限度获得可用光纤容量。如果将之与光层交换结合，则可实现光/ODUk /分组混合交换，其结构如图7所示。OTN层结合ODUflex实现分组和电路业务的接入、汇聚和疏导，光层实现损伤感知以及带宽可变光波长级交换。

4 结束语
    面向大容量传送和交换的业务需求和网络IP化的不断发展，对于超大容量光交换节点的业务需求也更加强烈。交换机制和多粒度交换结构是超大容量实现和构建的一个主要因素。对于分层业务调度及协调、多粒度业务生存性及协调机制研究、业务适配模块、带宽分配模块、管理和控制、损伤监测等需要展开进一步的研究。相信随着器件和系统技术的进一步发展成熟，P比特甚至更高交换容量的设备会逐步出现并在网络中开展应用。

5 参考文献
[1] 韦乐平. 光网络的发展趋势与挑战 [J]. 电信科学, 2011,27(2):7-12.
[2] ALEKSIC S. Energy efficiency of electronic and optical network elements [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2011,17(2): 296-308.
[3] GRINGERI S, BASCH B, SHUKLA V, et al. Flexible architectures for optical transport nodes and networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2010,48(7): 40-50.
[4] MAIER M, REISSLEIN M. Trends in optical switching techniques: A short [J]. IEEE Network, 2008,22(6): 42-47.
[5] KHATTAB T, ALNUWEIRI H. Optical CDMA for all-optical sub-wavelength switching in core GMPLS networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2007, 25(5):905-921.
[6] CHLAMTAC I, ELERK V, FUMAGALLI A, et al. Scalable WDM access network architecture based on photonic slot routing [J]. IEEE/ACM Transactions on Networks, 1999, 7(7): 1-9.

收稿日期：2011-09-22

[摘要] 高效灵活地利用已有带宽，充分、高效和灵活地调度和控制各种粒度的业务，保证业务的生存性是光交换网络亟需解决的技术问题。为此文章探讨了融合光通路数据单元(ODUk )/分组的新型交换机制、光纤/ODUk /分组混合交换机制。文章认为新的交换机制和多粒度交换结构是超大容量实现和构建的关键，业务多粒度生存性及协调机制、业务适配、带宽分配、管理和控制、损伤监测等是需要研究的重点问题。

[关键词] 光交换；分组交换；电交换；混合交换

[Abstract] Efficient use of bandwidth and flexible control of granularity service are the main technical issues in optical switch networking. In this paper, a new optical channel data unit (ODUk) packet-converged switch scheme is discussed. An optical-ODUk packet-mixed switch scheme is also discussed. The new switch scheme and multi-granularity switch structure are key to realizing an ultra-large capacity optical switch network. Service multi-granularity survivability, service adaption, bandwidth distribution, management and control, and signal degradation monitoring also need to be taken into consideration when studying optical switch networks.

[Keywords] optical switch; packet switch; electrical switch; hybrid switch