全光交换机的新功能

Roy Appelman，Jacob Vertman，Jim Goede 著 黄照祥 译
　　现在，运营商为了减少运营成本和增加收入，正在热衷于采用全新的、基于新一代光器件的智能型光网络。这些新器件能提供新功能和多种功能的集成。

　　其中，一个较为典型的例子就是全光交换器件。交换机已经从原始的简单光学机械装置发展成具有新功能的高速光器件。新功能如动态可调光衰耗和光层组播等已经被引入到光交换器件中。

　　下一代光交换机的特点是性能更好、功能更丰富。性能上的改善将为更多的新应用架起一个宽广的平台。其范围包括从网络新技术到全新的系统集成。

光层保护机制

　　SDH/SONET这个主流传送技术使用的网络保护机制是已成事实的行业标准。网络保护的新方法是在接入网中趋向于采用双归（或无保护）技术，在城域网中采用SDH/SONET自愈环，在长途传输网则采用1:1或1:N（主要的）线性保护技术。但是，随着光网络向智能化方向发展，迫切需要一些适用于多种网络拓扑结构（如环形网、互连环形网、格形与环形混合网、格形网）的全新光层保护机制。

　　设计这些保护机制时应将交换、组播及衰减控制等功能集成在一起。比如，目前最流行的环形网保护机制是二纤单向通道倒换环（UPSR/2）和二纤双向线路倒换环（BLSR/2）。最近它们都被搬到光层上，实现了诸如光信道专用通道保护环（OCh-DPRING，基于光UPSR）和光复用段共享保护环（OMS-SPRING，基于光BLSR）等光层保护机制。

　　在OCh-DPRING方案（1+1）中，每一根光纤中的波长信道是反方向传送的。波长是在前端桥接的，实现基于接收端的保护倒换，它只需要少量信令或根本不用信令。在集成光交换机中引入动态组播功能，有助于OCh-DPRING结构的实现。功率分配将能补偿桥接引入的损耗。由于环的两个方向上的光通道几乎很少是相等的，采用功率动态分配策略更为有效。

　　另一种提高效率的方法是将信号功率电平降到标称信噪比（SNR）以下，这将会以更小的功率损耗，实现快速、简单的、由接收端触发的保护倒换。

　　在OMS-SPRING结构中，保护仅在光复用段（OMS）上实现，这对于复用量很大的DWDM系统而言是非常经济的。OMS-SPRING机制是通过在发生故障的相邻节点处执行光纤环回来实现的。在这种机制中，两根“虚拟光纤”是在两根物理光纤上创建的。这里采用了一种波长分配/编号机制并在光纤中分配工作波长和保护波长。这种方法，要求每一根光纤（工作和备份光纤）中的业务流都是反向传送的。波长分配策略确保为每一个工作波长备份一个保护波长。

　　这种机制的优点是保护了光纤而不是光信道。然而，它同时要求延长受保护的通道和采用复杂的信令协议。为了支持更灵活的波长分配和光纤环回，有必要将交换和衰减控制结合在一起。如果将OMS-SPRING机制运用到四纤环中，效果将会更好。

　　集成光交换机使环形网更容易向互连环、格形与环形混合网、格形网扩展。采用带增益控制和组播功能的快速光交换机，就可以将虚拟保护环形网叠加在物理格形网上，结果是业务恢复得更快，运营商也因此能提供与众不同的业务。

动态全光网络

　　用户对高带宽数据业务的需求持续增长，加之最近光通信技术所取得的进展，促进了动态智能光网络的出现。智能化光层提供多种服务，如信道动态分配、光功率监控、光层保护和突发光交换。

　　无论是全光网还是基于光电光（OEO）的网络，上述新功能的引入使DWDM光网络能够实现动态波长分配。它们的控制平面可建立在网络管理系统、GMPLS或突发光交换机之上。然而，它们对光层功能的要求都是相似的。

　　动态波长分配要求更好地适应物理层的变化。

　　在OEO网络中，波长终接于每一个节点。这限制了光给波长所经过的每一个链路带来的影响，允许在每条链路上实现光功率的简单均衡（发射机输出功率）。因此，在OEO网络中瞬间效应主要影响光放大器。例如，在节点D和G之间新增加的波长，将导致放大器1的光信号输入功率升高，从而使相连的信道增益衰减3dB。在光放大器2和3的光功率则减小两倍，使节点F的接收功率显著下降。因此，将会触发业务中断的告警和保护倒换。为了避免这个问题，链路放大器应能随输入功率的变化而自动调节增益。集成光交换技术非常适合于这种设备的设计要求。

　　对于全光交换，来自节点D的新建波长沿着不同于来自节点A的光通道。因此，节点C的光输入功率稍有差别，而造成以下几种可能的影响：

* 放大器1的光输入功率升高，导致相连信道的增益下降。

* 光放大器和光纤的非线性效应导致信道间的串话。

* OXC信道间的隔离不完善，导致信道间的串话。

　　为了减小这些影响，必须对光放大器和光信号的增益进行控制。OXC的增益控制能确保系统在适当的光功率范围内正常工作。工作范围越大，越有利于延长光的传输距离，但是实现起来也更加困难。自动增益控制放大器能适应网络放大器的增益变化。集成光交换技术既适用于光放大器，也适用于OXC。

　　显然，交换速度也非常重要。增加新波长既可以快速提供也可以慢慢逐步提供。快速操作将能使光通道在保护倒换被触发之前已保持稳定。所需的稳定时间几乎是微秒级的（与具体应用相关），这对于全光器件或许是不可能的。

　　逐渐新建波长的相应功率增长也相对缓慢，对已建信道的影响几乎可以忽略不计；因此波长达到稳定的时间也相应地可以放宽一些。缺点是建立连接所需要时间较长且增加了整个过程的复杂性。

全光组播

　　由于应用对带宽的需求呈指数式增长，人们对组播在分组交换网中的应用做了大量的研究。通过把面向分组网的组播技术推广到光学领域，运营商能够提高宽带图像、高清晰度电视、存储区域网（SNA）、多媒体业务的传输性能。此外，还可以获得其它好处，如可实现网络优化（减少网络中收发机的数量、延长网络节点间的“虚”连接、波长汇集、减少波长数目）。这吸引了人们对光层组播网络的兴趣。

光层组播是指点到多点的光层连接。全光组播是指光输入功率在节点的多个端口间分配。

　　如果采用OEO来建立上述接续，则需要5个发射机和5个接收机以及宽带电子交换单元。如果采用点对点全光连接，由于节点A和C之间的链路是共享的，则需要4个发射机和4个接收机以及4个不同的波长。

　　这些优势是以成本为代价的。光组播的设计要求对各种相互矛盾的设计和性能指标进行折衷，包括：

* 尽量减少节点数

* 尽量减少网络中的发射机、光放大器和OEO再生器的数量

* 尽量增加节点间的虚拟连接

* 始终保持合理的光功率预算

* 解决路由和波长分配（RWA）问题，来同时满足单播和组播的需要

* 尽量减少波长的阻塞概率

　　具有组播和增益控制功能的光交换机，是支持全光网络实现动态配置、组播的关键器件。它们有助于解决组播网络的主要问题：光功率预算的管理。由于组播实质上是在多个客户节点之间分配光功率，这必然带来功率损耗问题。应当采用灵活、动态的光功率分配策略尽量减少损耗和提高网络效率。

光分插复用器

　　当今，SDH/SONET环形网已在城域网中广泛使用，因此要建立和发展城域网，都必须充分考虑大规模光纤环形网的存在。这意味着DWDM技术的初期部署必须是在环形网上，并采用混合格形网结构做为叠加网。

　　可重配置的光分叉复用器（R-OADM）是在环形网上部署DWDM动态系统的必要设备。这种波长重配置功能允许运营商快速地配置网络，从而很快可获得新的收入。全光可重配置能力也使网络向更复杂的格形环形网或格形网演进更加容易。

　　光交换机的发展为R-OADM提供更多的光层功能。比如，交换机能提供上下路功能。增益控制有利于波长的重新配置，而组播功能则提供了上下多路信号的功能。上下路在互连环上配置波长以及在节点之间共享单波长带宽和提供保护结构所必需的。

　　光交换机发展成为一个多功能的全光型设备，使许多以前无法实现的新应用变成现实。如实现动态全光网、突发型光交换、测试设备和延迟线等。可以相信，基于这些应用的新一代网络将能以很低的成本提供更多的新业务。

摘自《通讯世界》2002.5期译自《Lightwave》2001.11期《All-optical switches: the evolution of optical functionality》