基于40 Gbit/s速率OTN光交叉组网策略分析

张 沛 ，王海军 ，周晓霞 ，顾畹仪 ，刘晓甲 （.中国联合网络通信有限公司，北京0040；.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京00048；.北京邮电大学，北京00876）

1 OTN技术发展历程

随着各大运营商3G战略、宽带提速战略的展开，上层数据业务量的爆炸式增长对底层传输网络提出了更高、更严格的要求。大容量的传输能力和更为灵活的交叉能力成为了评价底层传输设备性能的基本指标。OTN技术正是在这一网络发展大背景下应运而生，并逐渐被广泛地应用。

OTN技术最早是在1999年由ITU-T提出的，图1示出的是一个集合光层、电层的完整的技术架构，各层网络都有相应的性能、故障管理监控机制以及网络生存性技术。在OTN标准体系结构中，最为核心的就是G.709所定义的OTN帧结构。

图1 ITU-T提出的OTN技术协议栈

从标准发展来看，OTN技术可以分为2个阶段。第一阶段是从1999年至2001年，这个阶段的OTN技术属于传统OTN技术。2001年推出的一系列OTN标准主要基于语音业务，业务颗粒度较大，基本上在2.5G以上，对于那些小颗粒业务的承载效率较低。随着21世纪初期，IP业务的迅猛发展，小颗粒业务的传送需求大量涌现，因此，从2005年开始ITU-T又开始着手对已有传统OTN标准进行修订和补充，主要解决了小颗粒业务承载、高速以太网承载、多业务混合承载等一些新问题。2009年10月，在ITU-T SG15全会上，ITU-T G.709v3版本正式通过审查，这标志着新一代OTN技术的成熟。在G.709v3标准中，引入了ODU0、ODU2e、ODU4、ODUflex和GMP等概念，扩展了OTN客户信号的范畴，较之传统OTN技术，新一代OTN技术具备了将来业务的承载能力。图2示出了在ITU-T G.709v3标准中定义的新一代OTN信号复用的结构流程。

图2 G.709v3版本中定义的新一代OTN信号复用结构

2 OTN设备形态分析

随着OTN标准的不断完善和成熟，各大设备厂商也纷纷推出了基于不同交叉能力、交叉容量的OTN设备，总体来说，目前，OTN设备形态可以分为OTN终端复用设备（OTM）和OTN交叉连接设备。图3示出了OTN终端复用设备的功能参考模型。

OTM可以简单理解成基于OTN架构的WDM传输设备，其帧结构和客户侧信号复用路径遵循G.709的OTN技术规范，支持各种不同速率、不同粒度的业务传送，在线路侧，OTM设备可支持各种OTN接口。

图3 OTN终端复用设备系统功能参考模型

由于在ITU-T所定义的OTN体系结构中，包含了光层和电层。与OTM设备相比，OTN交叉连接设备最大的特点就是在电层和光层增加了交叉模块，用于实现电信号和光信号的交叉功能。从广义层面上讲，OTN交叉连接设备包括纯电层OTN交叉连接设备、纯光层OTN交叉连接设备和光电混合一体OTN交叉连接设备等3个子类型。但是，纯光层交叉连接设备基本上可以看作是ROADM设备的一个子集，图4示出了纯光层交叉连接设备的系统功能参考模型。

图4 OTN光交叉设备系统功能参考

目前，国内运营商在城域层面的建网，仍然以OTN电交叉设备为主。但随着城域网所传送业务的粒度越来越大，现有的OTN电交叉组网由于引入了过多的光电转换单元，网络建网成本较高。因此，OTN光交叉组网被业内公认为是未来网络组网的发展方向。

3 OTN光交叉技术实现方式

在OTN技术领域，目前业内较为流行的3种光交叉实现技术分别为波长阻断型光交叉（WB）、平面光波导电路型光交叉（PLC）和波长选择型光交叉（WSS）。这3种光交叉技术根据其实现原理和实现成本不同，各有相应的应用场景。

3.1 波长阻断型

所谓波长阻断型，是以任意顺序，在同一时间对任意数目的波长进行衰减或者阻断。其特性在于它可以独立且并行地处理每一个波长，因此对某一波长进行操作不会影响其他的波长。由于该器件支持远程控制并且能实现完全重新配置，因此可以完成以下功能。

a）将输入的复用信号导向相应的输出端，除了插入损耗外没有任何改变。

b）阻断任意波长信道或信道组合，然后将剩余的复用信号导向相应的输出端口。

c）衰减任意波长信道或信道组合，或对信道进行均衡，然后将剩余的复用信号导向相应的输出端口。

WB的优势在于其成熟度较高，成本稍低，但它只能完成穿通方向的波长可重构，没有本地上下路波长能力，因此往往需要和其他功能单元配合才能完成本地波长上下路和穿通波长资源的配置，集成度偏低，综合能力适中。

3.2 平面光波导电路型

平面光波导电路是一种基于硅工艺的集成电路，可以集成多种器件，如光栅、分路器、光开关等。它通过集成的阵列光波导（AWG）实现波长复用、解复用功能，集成的光开关可以直接实现波长的直通、上下路功能，可变光衰耗器实现每通道的光功率动态均衡。

基于PLC的光交叉上下路均是彩色光，这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下，并可配合可调滤波器和可调激光器使用。由于PLC的集成特性，使其成为低成本的ROADM解决方案之一。

在集成度上，PLC相对WB而言要高，并且因为它上路和穿通可重构功能集成在一起，可以规避波长冲突出现的可能性。

3.3 波长选择开关型

波长选择开关是近年来发展迅速的ROADM子系统技术，WSS基于MEMS光学平台，具有频带宽、色散低，并且同时支持10/40 Gbit/s光信号的特点和与波长无关的特性。WSS采用自由空间光交换技术，上下路波数少，但可以支持更高的维度，集成的部件较多，控制复杂。目前，虽然成本与PLC和WB相比较高，但大部分基于WSS的光交叉可以实现基于8个维度光方向交叉。

如表1所示，3种光交叉连接方式各有特点，至于采用何种技术，主要根据应用场景而定，如果仅仅需要2个维度的光交叉，那么WB和PLC可以充分利用现有的成熟技术，对网络的影响最小，易于实现从FOADM到二维ROADM的升级，具有极高的成本效益。而基于WSS的ROADM，可以在所有方向提供波长粒度的信道，远程可重配置所有直通端口和上下端口，适宜于实现多方向的环间互联和构建Mesh网络。

4 OTN光交叉组网模型

在OTN出现之初，考虑到成本因素，WB和PLC是OTN设备厂商所选择的光交叉技术，但随着近几年OTN产业链的成熟，越来越多的国外运营商，尤其是欧洲运营商，选择光交叉OTN作为其城域网或者干线网络组网的首选技术，这就在一定程度上降低了WSS光交叉器件的成本。目前，大部分厂家OTN设备均已在其OTN设备中的光交叉单板中集成了WSS器件，因此，WSS已经成为目前主流的光交叉技术。

在本章节中，结合运营商实际建网经验和成本因素，提出了3种OTN组网策略模型，即全交叉WSS组网模型、全交叉WSS合波光模块+FOADM分波光模块和全交叉WSS分波光模块+FOADM合波光模块（WSS-D+FOADM-M）。

4.1 全交叉WSS组网模型

在这种组网模型中，全部采用WSS光器件进行波长的上下路，因此，该组网模型可以在不同方向之间实现任意波长的无阻塞交叉连接，上下业务侧交叉连接的实施也不需要对已经连接的光纤进行人工调整。采用该模型最大的优点就是可以实现任意波长的任意调度，但需要大量的WSS光交叉模块。

现阶段，由于光器件技术的限制，每一个WSS光交叉模块最多可以提供8个调度口和1个直通口，图5组织了一个四维的光交叉连接节点，图5中，WSS-D代表基于WSS光交叉技术的合波单板，WSS-M则代表基于WSS技术的分波单板。每个WSS-M均可以与其他方向的WSS-D通过跳纤相连，如果需要更多的交叉连接方向，可以通过扩容相应单板的方式来实现，此外，考虑到光性能的管理，在每一个光方向上，可以配置若干个光放大器单板来实现信号的放大功能。

表1 3种OTN光交叉技术实现方式的比较

图5 全交叉WSS组网模型

由于WSS光交叉模块最大能支持9个光接口，因此用WSS器件进行业务光交叉调度时，每个WSS光交叉模块只能上下8个波长，当网络实际需求超出8个波长时，就需要WSS器件进行级联。

这种组网模型由于需要大量WSS光交叉模块，因此，建网成本较高，而且在网络规模较大时，无法对端到端光通道进行有效的性能监测，基于这两点，本文还提出了另外2种光交叉组网模型。

4.2 全交叉WSS合波光模块+FOADM分波光模块

考虑到固定波长上下路光模块成本较低，因此在对光交叉需求并不十分迫切的网络中，可以考虑引入固定波长交换器件，以降低网络建设的成本，提高网络的整体经济性。

这种组网模型就是在波长分波部分引入固定波长交换光模块，称之为FOADM-D，而在合波部分，仍然有那种基于WSS光器件的全交叉光模块 （WSS-M），这种组网模型在节省WSS模块的前提下，可以实现任意波长的无阻塞交叉连接，所有波长交叉连接调度不需要通过控制平面来完成。

如图6所示，每一个基于WSS光交叉模块的合波单板可以提供8个调度端口和1个直通端口，而基于FOADM光模块的分波单板（FOADM-D）则可以提供八方向端口。每个合波单板和固定分波单板与其他方向单板通过跳纤进行连接，如果需要更多交叉连接的方向，则可以通过扩容单板规模来实现。同样，为了实现对于光信号性能的管理，每个光方向还需要配置若干块光放单板，以实现对信号的放大功能。

4.3 全交叉WSS分波光模块+FOADM合波光模块

图6 全交叉WSS合波光模块+FOADM分波光模块

如图7所示，该组网模型与全交叉WSS合波光模块+FOADM分波光模块组网模型类似，但采用基于WSS光交叉模块的分波单板，以及基于FOADM光模块的固定合波单板，所实现的功能完全相同。

图7 全交叉WSS分波光模块+FOADM合波光模块

5 结束语

本文从对基于40 Gbit/s OTN设备形态进行了分析，并着重研究了OTN光交叉技术，提出了3种OTN光交叉组网方案，分别为全交叉WSS组网模型、全交叉WSS合波光模块+FOADM分波光模块组网模型以及全交叉WSS分波光模块+FOADM合波光模块组网模型，并对其进行了功能分析。