叶胤 陈雄
广东省电信规划设计院
摘要 本文分别介绍了电交叉连接和的光交叉连接技术的发展情况，分析并展望了各种交叉连接技术在将来传送网中的应用。
关键词 DXC 光交叉连接 传送网
传送网络节点在技术进步的推进以及运营商为提高效率和服务水平的驱动下，正经历着从：人工手动调度→网管下的部分自动调度→全网智能化自动调度的跨越式发展。自动交换光网络（ASON）的概念一推出就受到运营商和设备生产商的广泛认可和积极支持，在传统的传送网中引入动态交换的概念是传送网技术的一次重要突破，使传送网具备了自动选路和管理的更高智能，ITU-T已经对ASON制定了初步的体系结构，预计这一结构在2003年内将能有较大的完善。各种交叉连接技术在网络节点的应用是实现传送网智能化的基础。
1 电交叉连接技术的发展
目前传送网络主要采用SDH技术，已有的PDH系统正逐步退出骨干传送网。典型的SDH网络结构是由若干ADM节点组成的保护环，在缺乏物理路由时采用链型结构。由于设备具有一定的交叉连接能力，可以方便地配置在整个环网的通路。传统的SDH系统只能支持单TM或ADM，主要完成业务支路接口业务到线路接口的复用和传送功能，业务调度能力弱，跨环的转接业务传统的ADM设备一般无法调度，一般采用落在数字配线架上由人工完成，或者通过单独的SDH数字交叉连接（SDXC）设备转接。
SDXC核心大多由多级交换矩阵级联组成，最基本单元为空分矩阵和时分矩阵，支持单向、双向、广播式、环回、分离接入等交叉连接方式。SDXC设备一般可以提供多种子网连接保护、路径保护方式以及网络恢复。典型的SDXC有 3类：类型I（SDXC4/4）该类型设备仅提供高阶通道（VC-4）的交叉连接；类型II（SDXC4/1）该类型设备仅提供低阶通道（VC-12、VC-3）的交叉连接；类型III（SDXC4/4/1）该类型设备既提供高阶通道（VC-4）和低阶通道（VC-12、VC-3）两种交叉连接。
目前，新一代的SDH设备可以融合高集成度大容量的同步交叉连接矩阵，使在同一套系统中多个ADM集成在一起，对ADM之间的业务进行灵活的调度，从而构成多ADM设备（MADM）。由于引入了SDXC方式的交叉连接矩阵，各接口槽位兼容性强，支路接口盘和线路接口盘可以混插，设备业务接入和业务调度的灵活性得到极大的提高；节点可以进行多个环和链的集中调度，支持环带链、相交环和相切环等复杂的组网方式。另一方面，传统的SDXC设备已逐步演变为能支持多种速率的SDH线路接口，并支持SDH的环保护，还可接入多种数据适配接口，并提供VC-12-nC和VC-4-nC的级联交叉能力。两类产品演化后没有了本质的差别，而只是以交叉连接矩阵为核心，这样可根据不同的应用条件采用不同的配置，极大提高了SDH的组网能力。
在SDH体制中最大的互通带宽颗粒是VC-4，如果两个路由器以2.5Gbit/s的速率互连，则要以16 个VC-4级联的方式通过SDH网络。在ITU-T G.709定义的光传送网中，OTN采用数字包封的方式不仅完全兼容SDH，而且还为其他各种业务提供了基于ODU1（2.5Gbit/s）、ODU2（10Gbit/s）和ODU3（40Gbit/s）的大带宽颗粒。OTN和SDH的接口结构见图1，不同速率ODU之间还可以有时分复用（TDM）功能。一些厂家已在开发基于OTN的ODU级别的电交叉连接设备。
图1 OTN和SDH的接口结构
多年来，通过集成芯片密度和性能的改进以及采用光电光（O-E-O）的方式来提高核心交叉容量，使得DXC设备的容量一直在扩大，目前交叉能力已达几百Gbit/s。采用了垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列技术以及高密度光背板整体设计，许多厂家的交叉设备可通过增加一级级联矩阵，使总交叉容量可扩展到几个Tbit/s，这一等级的容量在几年前被认为是难以实现的。
其中，据称北电的OPTera HDX设备可在线支持1.28Tbit/s的接入容量，实际最大接入容量为3.84Tbit/s，其中核心交叉矩阵能力为4.8Tbit/s。阿尔卡特的1674 Lambda Gate设备可以在155Mbit/s的等级上提供高达2.56Tbit/s的交叉能力，增加在ODU2光接口速率基础上的交叉能力后，总共可提供3.2Tbit/s的接入容量。其他厂家商用大容量（光）交叉机产品还有：朗讯的Lambda Unite、Sycamore的SN16000、CIENA的CoreDirector等，国内厂商华为也已计划推出它的Optix OSN9500。上述设备生产商正致力于把基于ASTN/ASON的控制平面技术应用于其大容量传输设备中。
2 光交叉连接技术的发展
由于大容量DXC系统结构非常复杂，系统开发和改进的速度要慢于半导体芯片性能的改进，并且逐步接近电子速率极限，升级代价越来越高，在未来难以跟上网络传输需求的持续增长。目前商用系统中，一对使用WDM技术的光纤链路速率可达到Tbit/s级别，作为汇聚多个方向多条传输链路的枢纽节点，现有的DXC设备是无法支持未来节点的容量要求的。
今后，不消除节点电瓶颈是无法真正实现网络宽带化的，因而在光层面上引入光分插复用器和光交叉连接器等传送节点是唯一可行的传送节点扩容手段。光交叉连接技术（OXC）的研究工作已进行了很多年，但目前仍处于现场试验和小规模试用阶段，只有美国朗讯公司和Corvis公司的设备有了实际应用。OXC的主要优点是容量大、体积功耗小、业务透明性好、结构相对简单。
光开关从原理上主要有三类，电光开关，热光开关以及光机械开关，其中以微电子机械开关（MEMS）的新型光开关显示出巨大的发展前途，这是一种将自由空间互连与硅基单片集成技术相结合的新技术，基本原理是通过静电的作用使微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。值得一提的是三维的MEMS光开关，这种机电一体化的开关器件集成度高、损耗小、矩阵规模大，通过对微镜闭环控制技术的改进，有望成为今后实现大型OXC的主要开关技术。
从在网络节点处是否进行波长转换可以将OXC分为两类，如图2(a)和(b)分别所示：波长转换交叉连接（WIXC）：有波长转换情况下的光交叉连接，适用于全程虚波长路径（VWP），组网灵活性和波道利用率都比较高，缺点是成本较高。波长选择交叉连接（WSXC）：在没有波长交换情况下的光交叉连接，将输入光纤中任意波长交叉连接到使用相同波长的输出光纤，适用于全程波长路径（WP），组网成本低，但选路和波长分配复杂，存在波长阻塞问题。这两种波长交叉节点结构如图2 所示。
图2 两类光交叉连接节点结构
现有干线网络建设的WDM系统基本为开放型点对点系统，传输链路部分是有O-E-O的光转换单元（OTU）的，所以一种现实的方式是增加的全光交叉节点可以不用另加波长转换，整个节点可以进行虚波长的WIXC，但通道将不是透明的。
美国朗讯公司采用MEMS技术实现了256×256的全光交叉连接器，开发了WaveStar LambdaRouter设备，据称可节约25％的运行费用和99％的能耗。北电网络收购了美国Xros公司后开发了OPTera Connect PX设备，利用两个相对放置的各有1152个微镜的阵列实现1152×1152的大型光交叉核心。但是现有的全光交叉连接设备为了保证信号的质量和实施监控，在接口处仍然增加了光电光转换，整个设备的成本难以下降。
现在基于二维MEMS技术的32×32光开关已有较成熟的商用产品，可以实现小容量的WSXC节点，并且通过多个开关模块的级连可以实现较大型的光交叉矩阵。实现光交叉连接设备还有很多实际问题，如性能价格比、可扩展性、稳定可靠性、控制和保护恢复等问题需要进一步解决。OXC设备未能真正大规模大规模商用，缺少波长级别的业务需求驱动也是一个原因，特别是2000年以来，以北美为首的网络泡沫的破灭，使整个通信产业都陷入了困境，大多厂商已经暂时停止了全光交叉连接设备的生产，许多大的通信厂商把力量集中在电交叉核心的大容量交叉设备；为区分真正的光交叉机，在提法上常将采用OEO大容量电交叉核心的称为OXC设备，而采用全光交叉连接核心的称为PXC（photonic cross connect）设备。
3 交叉连接技术的应用
如果从交叉连接的颗粒等级来分，从大到小可以为光纤、子波带（一组连续的几个波长）、波长（或以ODU形式）、高阶数字通道、低阶数字通道等，这些都被纳入到GMPLS协议族中统一用户平面控制的最终目标。电信运营投入巨大，完全实现下一代智能光网络需要巨额的资金，新业务是逐步的引入的，运营商不可能也没必要另建新网，根据实际需求将网络演进，那些可以给经营带来直接好处的技术将首先得到采用。以上不同的交叉颗粒和容量以及方式适用于不同的应用和发展需求。
低阶数字交叉连接：SDXC4/1类型设备目前应用于以话音业务为主的网络，主要在大本地网中本地端局到汇接局之间以及干线网中两级长途汇接局之间进行2Mbit/s电路的疏导和归并。随着传输网能力的增加、成本的降低以及传统电路交换网向软交换网的演进，节点对低阶交叉能力的需求正逐步减少。
高阶数字交叉连接：智能化SDXC4/4类型设备应用于传输枢纽型节点，主要对跨环通道以VC-4为单位进行灵活调度，并提供保护和恢复，是目前SDH传送网走向网状联网的核心设备，在干线网和本地网都有着广泛的应用。下一代网络面向的将主要是采用IP技术分组化的业务，数据网络需要的是Gbit/s级的传输通道，虽然大容量的SDH交叉连接设备也能满足一段时期容量的需求，其实现成本也是很高的，以VC-4为单位的交叉节点在未来将逐步退出网络核心。但由于宽带的数据业务成为主导业务还需一段时间，预计在3~5年内，155Mbit/s仍将是一个比较适中的连接速率，在已有大量155Mbit/s电路的传输枢纽局部署大容量交叉设备，能够很好地优化传送网络结构，并通过ASON技术实现网络智能化，满足近期网络发展的需要。
ODU电交叉连接：适应网络容量的扩大和宽带数据业务对大带宽颗粒的调度的需求，在全光交叉设备性能价格比预计没有很大提高的情况下，近期可和VC-4级别的交叉功能结合进行组网，优势互补，应用于容量需求较大的核心传输枢纽局。ODU电交叉连接是向OTN演进所必需的，即使全光交叉技术广泛应用，在相当长的一段时期内，各全光子网的边缘还是需要ODU电交叉连接功能，但是到那时ODU电交叉节点的核心地位将被全光交叉节点所替代。
全光交叉-WIXC：如果传输链路部分省去O-E-O的OTU或者其它波长转换方式，网络的成本可以很大降低，但是全光的3R以及波长转换技术还远未成熟，面向长途网的各种传输损伤积累无法通过纯光学的手段全部消除，链路设计十分困难。现有干线网络已大量存在采用OTU的开放型WDM系统，新建系统大部分波道还未使用，并且干线网对波长透明性要求不高，采用全光交叉核心+OTU接口，以增加光电光转换的方式实现WIXC节点，适用于干线传送网。
全光交叉-WSXC：具有很大的成本优势，由于长途传输损伤积累的问题，WSXC节点很可能在距离较短的城域网中首先实现；城域网业务具有多样性，对传送网的透明性也有一定的要求，全光交叉能很好满足这一点；并且目前城域中WDM系统并没有广泛使用，没有运营商为保护已有投资的进入障碍。为避免波长阻塞问题，全网设计时还有必要在部分节点增加少量的波长转换功能。考虑到技术的成熟度和成本，全光交叉设备首先会以OADM结构得到应用，由于OADM的调度能力有限且不易扩展，适用于城域汇接层的组网。
4 结束语
从决定传送网技术在我国应用的整个电信环境变化上，可以看到以下两点变化：传输网带宽的需求并非是几年前认为的 “爆炸性”的增长，而是以每年40%~80%左右的比率提高，以数据业务为主的通信业务增长受限的不是传送网络，而是业务应用以及接入手段。原电信分拆后新网通、电信南北各自补网，并且联通、移动、铁通等各大运营商已经或正在建设各自的干线网、本地/城域网，不久将形成几张基本重叠的传送网络，总的业务将由多个传送网络分担。
基于以上以及其它方面因素的综合考虑，初步预计在3年以内，以VC-4为基本颗粒、支持ASON控制平面、基于电的大容量交叉设备将在我国干线网和本地网/城域网的核心层得到比较广泛的应用，网络整体性能将得到极大的增强；同时， OADM以及小容量的PXC设备也将在城域范围逐步开始商用。大容量、智能化的全光交叉设备预计在今后的3~5年才可能得到应用，在干线传送网中节点还将保留光电转换，要实现透明全光子网预计还要更长的时间。
作者简介：
叶胤：网络规划与研究所工程师，2000年毕业于南京邮电学院，硕士；主要从事传输网络的规划和研究工作，参与过多个运营商的干线网、本地网的网络规划工作。
陈雄：传输通信设计所工程师，硕士；负责过多个干线网、本地网的WDM、SDH等传输工程设计工作。
----《电信工程技术与标准化》
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