4/20/2016，光纖在線訊：近幾年，運營商和設(shè)備商對C/D（無色、無方向）光節(jié)點光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表示出很大興趣，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在本文參考文獻1-5中有過一系列研究和討論。C/D（無色、無方向）結(jié)構(gòu)能允許來自任意節(jié)點方向的光信號，通過建立鏈接連接到任何上下路收發(fā)模塊上。由于很多C/D（無色、無方向）結(jié)構(gòu)存在一定程度的波長阻塞，因此我們增加了“Contentionless無沖突”這一特定功能描述，用來區(qū)分無阻塞和有阻塞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文中，我們描述了一種最新設(shè)計研發(fā)的無色、無方向、無沖突（C/D/C）光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中使用了超低損耗光開關(guān)矩陣。
C/D/C結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

      運營商對于網(wǎng)絡(luò)有一個最基本要求，卻時常被大家忽略，那就是希望“保持光網(wǎng)絡(luò)管理盡量簡單，沒有額外的且不必要的運營規(guī)則”。在更高的網(wǎng)絡(luò)層有許多運行的限制，理想情況下，位于底層的光網(wǎng)絡(luò)層節(jié)點之間應(yīng)該具有簡單、靈活、透明的路徑，并具較少出現(xiàn)業(yè)務(wù)沖突。另外，接入業(yè)務(wù)的增長會導致在核心網(wǎng)使用大量的波長，對于網(wǎng)絡(luò)靈活性提出更高要求，避免波長沖突頻繁出現(xiàn)。新的波長業(yè)務(wù)沖突、光的網(wǎng)狀網(wǎng)的保護、不可預(yù)知的業(yè)務(wù)增長以及對計劃性的維護工作的持續(xù)需求，增加了人們對光網(wǎng)絡(luò)層靈活性配置要求的日益提升。

      近年來，波長選擇開關(guān)（WSS）的應(yīng)用解決了如何遠程配置波長旁路節(jié)點的問題。WSS可以提供構(gòu)建多自由度節(jié)點，允許通過光網(wǎng)狀網(wǎng)建立波長路徑的功能，而無需OEO的轉(zhuǎn)換。但是，上/下路端仍然存在尚未解決的問題：
1、運營商發(fā)現(xiàn)節(jié)點的業(yè)務(wù)不斷增加，很難提前預(yù)測所需的上/下路通道的百分比。
2、運營商希望實現(xiàn)無色工作，以充分利用可調(diào)諧收發(fā)模塊的波長資源。
3、理想的光收發(fā)模塊是無方向性的，這意味著單個模塊可以應(yīng)用到任何方向。
4、運營商需要下路來自不同節(jié)點的多個相同波長。無沖突節(jié)點設(shè)計可以避免復雜的波長分配規(guī)則，改善隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)增加引起的阻塞可能性，延遲新網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，降低成本。

        人們曾經(jīng)考慮過在光上/下路采用完全無阻塞的光開關(guān)，但NxM光開關(guān)成本過于昂貴，并且光學損耗較高。同時，C/D/C功能在當時并非必要需求，而當前光網(wǎng)狀網(wǎng)及支撐技術(shù)正在逐漸成為現(xiàn)實，C/D/C功能也變得異常關(guān)鍵。在過去的幾年中，光開關(guān)技術(shù)快速發(fā)展并日益成熟，成本逐漸降低，超低損耗的大矩陣光開關(guān)也已經(jīng)在市場中得到成熟應(yīng)用。
      曾經(jīng)光網(wǎng)絡(luò)中增加C/D/C功能需要以增加累積損耗為代價，本文中，我們向大家介紹一個完全靈活的C/D/C網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用損耗小于2dB的光開關(guān)矩陣產(chǎn)品，從而保證系統(tǒng)總體損耗控制在節(jié)點允許范圍內(nèi)。

C/D/C上/下路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
      C/D/C的關(guān)鍵要求包括：光纖對數(shù)（節(jié)點自由度）、每光纖允許波長數(shù)目、無沖突時可以上路和下路的業(yè)務(wù)百分比。保持較小的光損耗可以減少對于額外放大的需求，同時，減少信號損傷也非常重要。
      一般來說，C/D/C結(jié)構(gòu)的要求是自由度從2個擴展到6個或8個，每根光纖中有96個波長。對于大的節(jié)點，上/下路比例一般要求達到業(yè)務(wù)的50%。對于小的節(jié)點，上/下路比例要求達到50%-100%。圖1給出了一個滿足這些要求的完整的C/D/C/上/下路結(jié)構(gòu)。在這個例子中，我們聚焦在6個自由度，上下路比例為50%的節(jié)點。該架構(gòu)可以涵蓋2個到8個或更多自由度的結(jié)構(gòu)。


圖1: C/D/C 上下路節(jié)點結(jié)構(gòu)

      上/下路部分是該結(jié)構(gòu)的新穎之處。它由兩級構(gòu)成：第一級含有波長復用器和光開關(guān),第二級由2:1分路器構(gòu)成。到達的業(yè)務(wù)通過一個1:2的分束器連接到下路端口。上路業(yè)務(wù)通過WSS的一個端口連接到直通路徑。該結(jié)構(gòu)是一個對稱的結(jié)構(gòu)，因為上路和下路的功能是完全相反的。這個結(jié)構(gòu)為一套完全的C/D/C結(jié)構(gòu)，有6個自由度節(jié)點，每根光纖有96個波長（最多有576個波長）和最多到50%上/下路比（最多有288個上/下路波長）。在這個C/D/C結(jié)構(gòu)中，任何波長組合（最高288個波長）可以連接到任意的收發(fā)模塊。該結(jié)構(gòu)分為2個獨立的部分，一部分是用于直通業(yè)務(wù)，另一部分是用于上/下路業(yè)務(wù)。為了在直通路徑之間交換波長，這里采用了一個標準的廣播和選擇結(jié)構(gòu)，包含分光器和WSS。眾所周知，WDM業(yè)務(wù)信號從每個輸入光纖傳輸?shù)矫總�輸出光纖，輸出WSS把來自不同輸入光纖的信號合起來，并阻塞不需要的信號，該結(jié)構(gòu)在全世界范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)中得到部署。這種結(jié)構(gòu)對于在直通路徑之間交換波長非常有效，但是對于交換上/下路業(yè)務(wù)不是很有效。
      所有的輸入業(yè)務(wù)（下路和直通）首先經(jīng)過一個波長復用器將每個WDM波長分開，然后連接到一個NxM矩陣光開關(guān)的輸入端口上。為了簡化光纖連接，復用器可以與光開關(guān)集成在一起。不需要上下路的波長，光開關(guān)只要不連接輸出端口就可以簡單的把這些波長阻斷。光開關(guān)的大小取決于輸入波長的數(shù)量以及上下路收發(fā)模塊的數(shù)量。直通端開關(guān)的大小取決于第一級的光開關(guān)是如何分割的。在這個例子中，我們使用2個開關(guān)分割，每個開關(guān)處理3個光纖，每根光纖有96個波長，因此要求有288個線路側(cè)開關(guān)端口。因為收發(fā)模塊的數(shù)量有可能多達288個，因此需要288個本地光開關(guān)端口。整個結(jié)構(gòu)要求兩個288*288的光開關(guān)，分別用于上路和下路端。通過把第一級的開關(guān)分割成兩個開關(guān)區(qū)域，第二級只需要一個2:1的分光器或一個2*1開關(guān)把收發(fā)模塊連接到第一級光開關(guān)任何一個分區(qū)。在這種結(jié)構(gòu)中，收發(fā)模塊可以采用不同波長做為上路和下路波長。有很多方法來分割第一級光開關(guān)。在這個例子中，我們有2個開關(guān)，每個處理3個光纖的信號。當然，也可以采用一個大的576x576的光開關(guān)，可以避免使用第二級開關(guān)。但是，對于輕載的系統(tǒng)，這將增加前期投資成本，并且這么大的低損耗開關(guān)在當前一般很難獲得。另外一個大端口光開關(guān)可能會引入不可接受的單點失效可靠性風險。把一個開關(guān)分成兩個，可以節(jié)省初始硬件成本50%。在開始安裝時，只需要安裝四個中的兩個288x288的光開關(guān)（1和2）來處理前三個光纖自由度。當節(jié)點自由度超過3個時，可以無縫的添加另外兩個光開關(guān)（3和4）。第二級的分束器可以獨立于發(fā)射機安裝，因為2:1分光器是無源器件，他們可以集成到收發(fā)模塊的線卡上，無需另外的第二級開關(guān)。該系統(tǒng)還可以使用更多的光開關(guān)進行分割，每個直通光纖一個開關(guān)，以降低初始成本。但是隨著光開關(guān)分割的增加，每個下路波長需要更多的光開關(guān)端口，導致整個節(jié)點的成本提高。還有，增加開關(guān)分割數(shù)目M超過2，會增加第二級開關(guān)的復雜性，需要1:M耦合器或1xM開關(guān)。


圖2: C/D/C 上下路節(jié)點結(jié)構(gòu)

可擴展性
      該結(jié)構(gòu)可以很容易地從2個自由度擴展到8個自由度。圖2給出了對于在第一級中用兩個開關(guān)分割，每根光纖包含96個波長的設(shè)計，光開關(guān)的矩陣大小，節(jié)點的大小和上/下路百分比的關(guān)系。橫軸表示節(jié)點自由度，圖中不同顏色的線代表開關(guān)矩陣大小，縱軸表示對于給定開關(guān)大小和開關(guān)比，可以實現(xiàn)的最大C/D/C上/下路比。圖上示出的曲線是四個固定大小的開關(guān) 96x96、192x192、288x288和384x384。圖1給出了6個自由度，有50%上/下路比的例子需要一個288x288光開關(guān)，該圖還給出了8自由度節(jié)點要獲得50%的上路比，需要一個384x384的光開關(guān)。

      表1給出了上/下路的損耗預(yù)算。這個結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的優(yōu)點就是當節(jié)點擴展時上下路損耗可以保持很低而且恒定，并且與下路的波長數(shù)無關(guān)。


表.1: C/D/C 上下路節(jié)點損耗預(yù)算 (dB)

其他結(jié)構(gòu)
      這里展示的靈活網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有多種變化形式。通過簡單地增加1:2分光器來復制上下路業(yè)務(wù)，也相應(yīng)的復制第一和第二級上下路結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)一個完全冗余的1+1結(jié)構(gòu)。這種1+1結(jié)構(gòu)成本大約增加了一倍，損耗增加了3dB。我們也可以在第二級用2:2耦合器替代1:2分光器，從而可以提供1+1收發(fā)模塊冗余保護。
      為了大幅度的降低成本，還可以使用環(huán)行器或無源耦合器把上下路波長合起來，并采用可以雙向使用的光開關(guān)和多路復用器。即使考慮附加的無源器件成本，整個上/下路的成本也大幅降低了40-50%左右。雖然雙向結(jié)構(gòu)引入了額外的約束條件，即上下路到一個收發(fā)模塊的波長必須相同，但這在許多傳輸網(wǎng)絡(luò)中也是很正常的事情。

結(jié)論
通過在網(wǎng)絡(luò)中使用低損耗N*M光纖矩陣開關(guān)，實現(xiàn)了C/D/C（無色、無方向、無沖突）新型節(jié)點結(jié)構(gòu)。采用這種C/D/C結(jié)構(gòu)，大大簡化了網(wǎng)狀網(wǎng)的運營，顯著減少了網(wǎng)絡(luò)阻塞問題。

參考文獻
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5、M. Feuer et al., Optical Fiber Telecommunications Vol. B: Systems and Networks, Chapter ROADMs and their subsystem applications (2008)

作者：Rich Jensen等/Polatis Inc.
翻譯校對：李慧、李麗、趙永鵬，北京凌云光子技術(shù)有限公司

來源北京凌云廠商供稿