光交叉连接／光分插复用器的应用前景

摘要：

文章通过比较波分复用、光时分复用和光码分多址复用技术，得出波分复用是当前光网络发展主流的结论。重点分析了在波分复用系统中，交叉连接/光分插复用器在骨干网、城域网和自动交换光网络中的应用，指出在下一代网络中，光交叉连接/光分插复用器将会有很好的发展前景。

关键词：

光分插复用器；光交叉连接；骨干网；城域网；自动交换光网络

ABSTRACT:

The comparison among WDM, OTDM and OCDMA leads to a conclusion that WDM is the best technology for today‘s optical network. Then, three application cases of OXC/OADM when used in the backbone network, MAN and ASON are comprehensively analyzed. It is pointed out that OXC/OADM will have a bright future in the next-generation networks.

KEY WORDS:

OADM; OXC; Backbone; MAN; ASON

随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。IP业务在全球范围爆炸式的增长，在给传统电信业务带来巨大冲击的同时，也为电信网的发展提供了新的机遇。从当前信息技术发展的潮流来看，建设高速大容量的宽带综合业务网已成为现代信息技术发展的必然趋势。为了适应这种需求，通信的两大组成部分——传输与交换，都在不断地发展与变革。

波分复用技术的实用化，使光纤的传输容量极大提高，为高速大容量的宽带综合业务网的传输提供了有效途径。而传输容量的飞速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。基于波长路由概念而发展起来的全光通信网正是适应这种需要而诞生的，被认为是网络升级的优选方案。

近几年来，密集波分复用技术的发展提供了利用光纤带宽的有效途径，使点到点的光纤大容量传输技术取得了突出进展。由于电子器件本身的物理极限，传统的电子设备在交换容量上难以再有质的提高，因此交换过程中的电子“瓶颈”问题成为限制通信网络吞吐能力的主要因素。在这种情况下，光交叉连接(OXC)和光分插复用(OADM)设备成为建设大容量通信干线网络的主要设备。全光网络的兴起和发展，使得以往点对点的传输机制逐步向环形网络和格形网络过渡，这就要求提供满足需要的网元，OXC和OADM正好满足全光网组网的需求。宽带城域网的兴起和发展，使波分复用(WDM)技术有了用武之地，WDM城域环形网和格形网的研究和应用，使OXC和OADM派上了用场。此外，目前正在提出和研究的智能光网络——自动交换光网络(ASON)对传输平面的路由选择、保护恢复提出了较高的要求，因此传输平面必然是较为复杂的格形网络，这就为OXC和OADM的应用提供了非常广阔的舞台。

1、全光网需要光交叉连接/光分插复用器

1.1WDM、OTDM和OCDMA在

全光网中的发展和应用

WDM技术是指从光域上用波长复用方式来提高光谱使用效率的技术。其突出优点为能在一根光纤中同时传输不同波长的几个甚至成百上千个光载波信号，不仅能充分利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容量，而且还能提高系统的经济效益。

迄今为止，WDM技术是研究最多、发展最快、应用最为广泛的技术，WDM从提出到今天，短短数年，一直保持强劲的增长势头。经过数年的发展和应用，波分复用技术已趋于成熟,而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前，WDM系统的传输容量正以极快的速度增长，直接基于WDM传输的业务也越来越多。波分复用技术正对光通信的发展起着重要的作用，其作为现代超大容量传输复用技术的优越性将越来越明显。

光时分复用(OTDM)技术指利用高速光开关把多路光信号复用到一路上传输的技术。利用OTDM技术可以获得较高的速率带宽比，可克服掺铒光纤放大器(EDFA)增益不平坦、四波混频(FWM)非线性效应等诸多因素限制，而且可解决复用端口的竞争，增加全光网络的灵活性。但由于其关键技术(高重复率超短光脉冲源、时分复用技术、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分解复用技术)比较复杂，更为重要的是实现这些技术的器件特别昂贵，而且制作和实现均很困难，所以这项技术迟迟没有得到很大的发展和应用。

光码分多址复用(OCDMA)技术是CDMA技术和光纤通信技术相结合的产物，将极大改善网络的性能，OCDMA技术能提高网络的通信容量；提高信噪比，改善系统性能；增强保密性；增加网络灵活性；降低网络对同步的要求；随机接入，实现信道的共享。

但经济实用的OCDMA系统将受限于很多技术挑战。OCDMA实用化还有一些障碍，在非相干光CDMA方面，由于无极性码的数量有限，码间干扰较大，限制了用户数量；光编解码器过于笨重，不实用。在相干光CDMA方面激光源的频率稳定度差，光纤极化态不稳定及光脉冲相位难以控制是主要问题。目前，在为OCDMA寻找最佳的编解码器结构和最优的光正交码方面，国内外专家已经进行了大量的研究，取得了一些研究成果，但是尚未有突破性的进展。应该说，OCDMA距实用化还有很长一段路要走。

由于WDM技术的飞速发展，用于构建WDM全光网络的设备——OXC和OADM应运而生，并且国内外已经有部分网络采用了OXC/OADM来组网。虽然目前OXC的端口数量有限，但是随着大端口光开关的成熟和出现，OXC也将逐步走向成熟，用OXC/OADM组建网络将成为网络的主流。OTDM和OCDMA虽然有很多的优点，但是由于这两种技术实现复杂，而且技术尚不太成熟，价格也相对昂贵，所以目前用OTDM和OCDMA组网的关键网元还没有出现，其离实用尚有一段距离，即使以后适应这两种组网技术的网元出现，和相当成熟的WDM组网技术相比，也很难占有太大的优势，最多是这几种技术在组网上的相互融合。而更为可能和现实的是以WDM组网技术为主，其它两种组网技术为辅，共同构建全光网络。

WDM全光通信网有如下优点：

(1)可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐容量，适应未来高速宽带通信网的要求。

(2)OXC和OADM对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种业务和多种速率通信格式的、透明的光传送平台。

(3)以波长路由为基础，可实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。

1.2构建WDM全光网离不开OXC/OADM

为了便于说明OXC/OADM在WDM全光网中的作用，先对其结构作简要说明。图1给出了两种基本的OXC结构。图1(a)为无波长变换器，它只能支持波长通道。图1(b)为每个波长信号经过波长变换器实现波长交换后再复用到输出链路中，它支持虚波长通道。此外图1(b)中的大开关矩阵和波长变换器阵列可以用一个大端口的电开关矩阵来代替。图1中M为复用的波长数，Nf为OXC的入纤端口数，N＝Nf+1，主要是考虑本地上下路的信号而设置的，在这表明每个波长都允许上下一路信号。在图1(a)中，因为是用同波交换模块实现的，为保证上下路，同波交换矩阵的规模是N×N，总共有M个N×N交换矩阵。在图1(b)中，交换用一个大的开关矩阵来实现，其矩阵规模为MN×MN。

图2所示为一基本的OADM结构示意图，不难看出它可以看作是仅仅有上下路功能的OXC。

由图1和图2可以得知，因为OXC节点有多对输入/输出接口，适合于格形网中和网间互联。节点的最大度数为其结构中的输入/输出端口数。由于OADM的波长通道之间没有交换功能，所以它比较适合于构建环形网络。

WDM全光网络的基本思想是将点到点的波分复用系统用OXC/OADM连接起来，组成以端到端光通道为基础的光传送网。波分复用技术完成光传送网节点之间的多波长通道的光信号传输，OXC节点和OADM节点则完成对光通道的交换配置功能。没有OXC/OADM，WDM系统将仅仅局限于点对点的传输，无法实现组网，很难适应现代通信发展的需求。图3所示为近年来传输网络的演进示意图。

从图3不难看出，现在的骨干传输网，正在由点到点的WDM传输系统向基于环网和格形网的WDM全光网演进。在演进过程中，WDM网元特别是OXC/OADM将或者正在扮演着非常重要的角色。

WDM在骨干网上应用是运营和实际规划的需要，从中国现在的骨干网而言，八纵八横的WDM传输干线足以满足点对点的传输，但是电信的大分家使得这些干线的管理和运营成了极大的一个难题，一段干线可能分属于好几个部门，一个部门又可能拥有好几个不完整的干线，这使得计费和跨网传输业务难以达成协议。这就需要利用网络来规划和指配相互之间的区域和功能。在枢纽处加上OXC/OADM节点，不仅能够使得管理区域相对明显，而且更易于业务的跨域传输，还能合理分配资源和控制流量。

所以从适应大容量、高速率、高生存性和灵活支配功能的全光网的发展而言，OXC/OADM必将得到空前的发展。

2、城域网的发展需要WDM

2.1WDM在城域网中的发展和应用

随着人们通信需求的不断增长，特别是Internet业务的爆炸性发展，为了缓解通信网络的拥挤状况，增加网络的灵活性及适应数据业务的需要，人们开始考虑在城域网中采用WDM技术，美国和欧洲正在进行这方面的研究和实验工作，而且在某些地区的城域网中已采用了WDM技术。可以预见，WDM技术将逐渐从骨干网渗透到城域网、企业网和接入网中，最终实现全光网。

城域网，顾名思义就是在都市中应用的网络，它是适应于数据业务的持续发展推动而产生的，也是全光骨干网和宽带接入网发展的必然产物。它有骨干网宽带、可扩展和组网能力强的优点，同时又具备接入网的一系列特点。

现在宽带城域网有基于以太网和IP、基于ATM、基于SDH和基于WDM的解决方案。由于ATM技术现在被逐渐看淡，所以目前城域网主要是基于3种技术：基于SDH的多业务传送平台(MSTP)、基于以太网的弹性分组环(RPR)、基于WDM技术的环网和格形网。

由于MSTP缺少路由的功能，仅具有媒体访问控制(MAC)地址解析功能，限制了它使用的网络规模；RPR技术虽然有很多的优点，但是它仅为环网结构下的技术，而实际的城域网网络环境非常复杂，所以它很难适合复杂情况下的网络需求。当然，这两种技术在当前的城域网发展和应用中起到了举足轻重的作用，是城域网发展过程中的关键技术。为了最终解决运营商缺乏光纤的困境，为了更容易地和全光WDM骨干网相衔接，为了扩容和管理上的方便，WDM城域网方案显然更有诱惑力和生命力。

2.2WDM技术应用于城域网的理由

(1)光纤短缺

随着通信需求的不断增长，城域网中的空闲光纤已很少，WDM技术可以很好地解决光纤短缺的问题，而不需铺设新的光纤。更重要的是，在城域网中采用WDM技术不仅仅解决了光纤短缺问题，还可以给网络提供更多的功能和更大的灵活性。因此，即使在光纤不短缺的城市里，同样可以引入WDM技术来加强网络的灵活性，以使网络能适应当前各种业务迅速发展的需要。

(2)WDM技术对业务透明

WDM系统对业务的透明性使得它可以同时承载各种不同的业务，例如话音、数据、图像等，即它提供了一个通用的光层传输平台，可以同时传送各种不同类型的业务，而且WDM的各个信道的速率可以不同。WDM技术的以上优点对于城域网更加重要，因为，城域网中业务的类型很多，而且不同的业务要求的速率和带宽也不相同，WDM对业务和数据速率的透明性及分插复用能力使得电信运营商能够迅速向用户提供所需的业务，以适应当前信息业务快速发展的需要，占领市场，增加收入。此外，WDM的技术的使用给新业务引进提供了极大的方便性，只需增加波长通道就可以随意地引入或增加新业务。

(3)WDM技术可改善城域网和企业网的服务质量

采用WDM技术可以在光层对网络进行保护，这比在电层进行保护要经济得多。因为光层的保护不涉及具体的业务类型，所以对所有业务均可采用统一的恢复保护措施。从而在传统和新型业务中均可向用户提供更好的服务质量。

近几年来，国际上的几大研究光通信技术的公司都在WDM走向城域网方面做了一定的研究并都提出了解决方案和研制出了相关的产品。

城域网采用WDM解决方案，势必需要大量的OADM和OXC，当前的城域WDM方案基本上是基于OADM的WDM环网，但考虑到城市发展的不均衡性和业务接入的灵活性，城域网也会采用一些格形网的结构。总之，随着WDM城域网的发展，OXC/OADM必将得到大量的应用。

3、ASON的兴起为OXC/OADM的应用提供了舞台

2001年3月以来，国际电信界开始酝酿一个全新的概念——自动交换传送网(ASTN)，其中以OTN为基础的ASTN又称自动交换光网(ASON)。ASTN/ASON的提出被誉为传送网技术的重大突破，其核心在于引入控制技术实现自动的交换。光网交换的自动化离不开动态的光交叉连接和分插复用技术，这给OXC和OADM提供了大展拳脚的契机。

3.1ASON的基本概念及特点

自动交换光网指的是直接由控制系统下达信令来完成光网络连接自动交换的新型网络，其赋予原本单纯传送业务的底层光网以自动交换的智能，主要体现了两个思路：一是将复杂的多层网络结构简单和扁平化，从光网络层开始直接承载业务，避免了传统网络中业务升级时受到的多重限制；二是利用电子交换设备直接向光网络申请带宽资源，可以根据网络中业务分布模式动态变化的需求，通过信令系统或者管理系统自主地建立或者拆除光通道，不经人工干预，高效而可靠。

在引入了控制平面以后，光网络从逻辑上可分为3个平面：控制平面、传送平面、管理平面。ASON力图将三者有机结合，传送平面负责信息流的传送；控制平面关注于实时动态的连接控制；管理平面面向网络操作者实现全面的管理，并对控制平面的功能进行补充。ASON参考结构体系如图4所示。ASON一经提出，就显示出强大的生命力，它第一次从功能上将网络分成3个部分，这不仅仅是概念上的创新，更具有非常重大的意义，是光通信网络发展过程中承上启下的转折点。在光逻辑器件尚在研究之中，光传送网还处于“低能”的情况下，ASON通过引进“智能”的控制使得光网络“聪明”起来。当前，国内外掀起了研究ASON的高潮，各大科研单位和研发机构都纷纷投入人力和物力来研究ASON，包括ITU-T、RETF以及OIF等机构都在紧急制订关于ASON的各种标准和协议。在中国，短短的一年内，“863”和自然科学基金都成立了关于ASON的项目，ASON之火爆可见一斑。不难预测，用不了多久，自动交换光网络相关的标准将相继出台，有关自动交换光网络的产品也会很快面世。

3.2ASON中OXC/OADM的功能

ASON最大的特点就是在功能上引入了控制层，而控制层的目的就是要有效实时地控制传送层，使传送层能够“智能”起来。当然这就要求传送层有“智能”的硬件配置，即具有上下路、交叉连接、选路等功能。不仅如此，还要求传送层的网络也具有一定的连通度，使得控制层可以利用一定的流量算法实现网络的最优化。因为ASON是基于波长路由的，所以ASON中的光传送网应该是WDM网络，这样就不难得出ASON是基于OXC/OADM组网情况下的智能光网，甚至可以说，ASON的控制就是传送网中OADM、OXC的控制(当然也包括路由器的控制)。事实上，由前面对ASON基本概念和特点的介绍可以看到，控制平面的引入带来强大的自动交换功能，而这些功能的实现就是靠OXC/OADM来支持和实现，二者可谓一“软”一“硬”，相互配合，满足ASON提出的要求。

OXC和OADM是关键的光节点技术，它们对ASON的支持主要体现在以下几个方面：

(1)对动态连接的支持

OXC、OADM的出现，使得联网不仅能在业务层进行，光层的联网也变成现实，光层的联网毕竟不同于电层，而且现在要做的不仅仅是单粒度的控制和调度，而是立足于小到一个分组、TDM业务、ATM业务，大到光波长、光纤级的多粒度调度和分配。在ASON中，控制平面的路由和信令协议相合作，可动态地建立和删除一条光连接。利用OXC/OADM节点自由的交叉连接能力和上下路能力，可在第一时间将连接指令执行完毕，最快速地接通所需业务，保证了实时与动态。没有OXC/OADM，WDM只能是点对点的传输，谈不上网络。没有OXC/OADM的ASON也只能是纸上谈兵，无法真正实现光网络的智能化。

(2)对保护恢复的支持

OXC/OADM的引入使得网络保护恢复的粒度多样化，从光纤、波长组、波长及上层业务均可实现保护和恢复。当前网络的保护恢复趋势是，在光层实现保护，业务层实现恢复。光层的保护使得在传送层面发生故障的情况下，可以快速和有效地实施对整个网络的保护，这样可以减低网络的成本；在业务层实施保护是针对高层故障采取的一种故障情况下资源优化的方案。总之，OXC/OADM的使用可以保证灵活选择保护恢复的粒度，既保证了故障情况下的快速保护，又能使资源利用合理化，满足自动交换光网络对网络生存性的较高要求。

(3)对多业务的支持。

OXC/OADM的结构和功能决定了其强大的联网功能和业务接入能力，首先联网不仅可以在光纤级进行，同样可以在波长级进行，这样它可以很容易地和使用单波的SDH系统、千兆比以太网相连，此外在OXC节点处加路由器接入的方式可以实现IPoverWHAT(即用不同的方式来承载IP的技术，包括IPoverATM、IPoverSDH、IPoverWDM等)的各种接入方式。这种方式正好和网络的逻辑功能分层相对应，即对应物理层、传输层、复用段层、通道层和业务层，使得网络的设计可以根据业务的接入方式灵活改变，在这方面，相比其他组网方式，利用OXC/OADM的WDM网络有着强大的优势。

3.3在ASON中部署OXC/OADM

虽然OXC/OADM在ASON中必不可少，但是其部署和组网应该遵循一定的规则，才能做到逐步过渡，灵活升级。在向ASON迈进的过程中部署OXC/OADM，要考虑到运营商现有的网络和设备的升级问题，而不单单追求满足用户美好的愿望，可以考虑以下两种方式：

(1)通过集中的ASON智能节点控制分布的OXC/OADM

如前所述，ASON的实现需要“控制”和“传送”两方面结合。在用OXC/OADM交叉连接原有网络的同时，可引入独立的、实现了ASON控制能力的节点。这些节点各自控制一些OXC/OADM，例如管理某子网里的设备，从而将控制平面能力引入子网里原先不具备自动交换功能的设备。集中的ASON智能节点控制分布的OXC/OADM如图5所示。

这种方式主要考虑升级的需要，因为，一方面厂家现有的OXC/OADM设备没有考虑对ASON的支持，另一方面运营商也不能抛弃原有网络里的设备。一个强大的、具有通用接口的ASON智能控制节点，可减少对原有网络的变动。这是一种“叠加”的思路，容易部署，但相对来说，ASON的部分要求可能难以实现。

(2)部署完全智能化的OXC/OADM

如果开发出具有ASON功能的OXC/OADM，则将能完全实现ASON的要求。具有ASON智能的OXC/OADM节点的结构如图6所示。

智能的节点为网络带来分布的控制，相应也提高了网络的生存性，但这种节点开发周期长，价格昂贵，且要重新部署运营商的网络，可能难以得到广泛接受。它可以作为光网建设达到较成熟阶段时的一种方案。

总而言之，ASON的出现，给OXC/OADM带来前所未有的发展前景，ASON的发展和成熟需要OXC/OADM节点的发展和成熟。

4结束语

WDM的空前发展带动了OXC/OADM的发展和应用，骨干网、城域网和ASON的建设和发展都给OXC/OADM的应用提供了舞台。虽然目前OXC/OADM的技术尚不太成熟，应用也很有限，但随着技术的成熟和网络的发展，在宽带传送网络建设中，OXC/OADM将大展拳脚。在未来的光网络中，OXC/OADM的应用前景一片光明。□

参考文献

1王健全.波分复用技术及其应用和发展.通信世界,2000,3:17—22

2顾畹仪.全光通信网.北京:北京邮电大学出版社,1999:47—58

(收稿日期：2002-06-03)

作者简介

王健全，北京邮电大学光通信中心博士生。研究方向为WDM全光网中的节点和控制技术，重点研究内容为全光网络的生存性及其智能性。

施社平，深圳市中兴通讯股份有限公司技术中心研究部高级工程师。从事大容量DWDM及光网络的研发。

桂，北京邮电大学光通信中心硕士研究生。主要研究方向为智能光网络的控制和管理。

顾畹仪，北京邮电大学电信工程学院院长，教授，博士生导师。长期从事光纤通信领域的科研和教学工作。1992年获国家有突出贡献的中青年专家称号，2001年获全国优秀教师称号，已发表学术论文百余篇。主要研究方向为高速超长光纤通信系统、智能光网络、新一代光节点设备。