摘  要  本文分析了现有城域OTN网络的架构及其局限性，结合中国移动厦门分公司的现网试点验证了光子集成技术对城域OTN的优化，并进一步探讨针对不同城域网的应用组网模型及引入光子集成技术的策略。

关键词  光子集成；PIC；OTN；城域传送网

1．引言

随着全业务快速发展和LTE网络全面部署，各通信运营商的传送网面临着新业务支撑、组网结构优化、业务质量管控等诸多挑战。面对主流业务IP化、大带宽的需求，及其突发性强的特点，能够提供适应业务发展的带宽和进行快速灵活的调度已成为当前以及未来对传送网最关键、最迫切的两大要求。为增强网络承载能力并简化网络结构，数据业务的传输方案已完成了由IP over SDH向IP over WDM的转变，实现GE、10GE等大颗粒IP业务的直接承载。但传统的WDM网络由于其技术特性，在组网能力、资源调度和业务保护等方面存在着固有的缺陷，而OTN技术的不断发展为这些问题的解决提供了方向。

目前中国移动在省际干线传送网、省内干线传送网和城域传送网三个大层面已基本完成了OTN网络的部署。省际干线和省内干线应用于业务汇聚后的长途调度，技术演进要求主要体现在单波100Gbps乃至更高速率OTN的方向；而相对于干线传送网，城域传送网具有业务接口多样、流向复杂的特点，要求网络结构更加灵活、业务调度更加自由、扩容操作更加简单。

2．现有城域OTN网络结构与分析

在城域网骨干层面，骨干节点由核心交换局、长途汇接局、数据中心节点等核心业务节点，以及各区县的传输中心节点组成，其间由大芯数光缆互连，城域WDM网络通常建立在此骨干节点和骨干光缆的拓扑基础上，网络结构相对稳定。因此大多数城域网新建的OTN是在原有WDM节点上进行的重叠建设，以组建二维环网为主，少部分采用网状网（Mesh）的拓扑结构。

另外，由于大带宽集客专线、数据网设备、OLT的接入承载需求，现已有超过半数的城域网采用中小容量设备实现了OTN下沉到汇聚层的部署。拓扑结构一般为若干个围绕各中心节点组建的二维环网。

对于城域网接入层而言，由于WDM/OTN网络对光层参数要求较高，而接入层光缆条件较差，网络割接调整频繁，不利于OTN网络的建设和维护，因此目前基本没有接入层部署OTN的应用。

可见，当前对OTN的应用大多还局限于传统WDM的模式，其局限性主要有以下几个方面：

（一）组网模式单一，业务调度能力差。目前城域OTN建设策略是骨干层和汇聚层分层组网，因此在两个层面的衔接上与SDH网络相比，还无法做到业务的端到端灵活调度。如图1所示，目前的OTN网络每个层面每个环网相互独立，互不相通，各个环之间的波长业务需采取人工布纤进行业务落地后转接。在各环交汇的机房光纤跳接量极大。手工操作慢、且容易出错，业务开通时间较长。

图1 现有城域SDH和OTN网络结构和业务调度对比

（二）波长分配基于规划，资源利用率低。目前OTN在应用上与传统WDM类似，都是采用静态的波长调度，通过建网初期的预测规划分配带宽（波长或子波长）。各业务所需的通道/波长分配固定且独占，在配置后无法动态调整。这种基于预测的专用带宽预留方式，导致一方面有大量的波长处于闲置，另一方面却不得不扩容和新建网络以满足新业务。而IP业务的方向和流量具有突发性和不确定性，理论上是无法准确预测的。

（三）网络保护能力弱，现场人工介入多。目前OTN保护方式多为1+1光通道保护和1+1光线路保护，由于系统的永久连接性，其无法灵活地保护和恢复受损的业务。另外，由图1可见，目前的OTN网络不能实现端到端的业务管理，一条业务被“切割”成几个段落，所有共站机房都是潜在的故障点。需要人工到现场对各个连接件进行测试、替换才能准确排除故障。并且当机房内的OTN设备或者电源故障，业务将直接中断，即业务保护无法抗单节点失效。

（四）集成度低，配套资源需求量大。机房内的网络设备配套资源主要有机房空间（体现为机柜数量）、电源、配线架、光纤连接等。现有OTN节点由于每个光方向都有多种光层板件，通常需要配置若干个子架，并根据实际条件配置色散补偿模块。为数不少的光层板件意味着机架内、机架间有大量的光纤连接，占用了配线架大量的端子。

3．光子集成技术的价值

3.1 光子集成电路及其技术实现

光通信技术的发展方向是集成化、智能化。光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，PIC）正是近年来快速发展的前沿成果，将有源光电子器件（如激光器、检测器、光放大器）与光波导器件（合/分波器、滤波器、调制器等）通过光刻技术和拼接封装技术集成在半导体芯片上，构成了一种单片全光功能性器件。这种基于光子集成技术的器件结构紧凑小巧，性能可满足大多数光通信系统的要求。

集成方案可分为单片集成和混合集成两种。如果各种光子、电子元件都制作在同一衬底上，称为单片集成；如果各种光子、电子元件分别制作在不同衬底上，然后拼接在一起并封装为一体，则称为混合集成。

美国英飞朗（Infinera）公司是最早在光网络OTN平台上实现PIC技术的设备供应商，采用铟磷化合物半导体通过专有的单蚀刻生产工艺实现大规模InP光子集成，在边长约为5mm的芯片上集成了上百个光子器件，来完成10个10Gb/s的WDM通路的发送和接收。国内华为公司也推出了OTN平台上的PIC单片解决方案，其命名为PID（Photonics Integration Device），是一个采用混合光电集成技术将多个光收发器及合/分波器集成起来的单片WDM系统。PID单板可应用于现有的OTN设备上，每组PID板卡作为一个光方向，单端口带宽为40Gbps~200Gbps，并可通过多组PID板卡的连接复用，实现最高达16Tbps的数字带宽池。

3.2 城域网引入PIC方案的价值

PIC技术定位于城域传送网的骨干层和汇聚层，以OTN+PIC的方式实现其应用，可以看成是OTN网络的一种优化。传统OTN设备包括发射/接收机、合/分波器、梳状滤波器、光放大器等各种板卡，之间通过光纤连接，光纤数量多，同时需要对光功率、色散、光信噪比等多个光学参数进行调节匹配，网络才能正常工作。而PIC方案把发射/接收机、合/分波器等最复杂的部分集成在一起，单根光纤连接即可完成全部通道的连接，无需其它部件即可组建一个N×10Gbps或N×100Gbps的OTN网络。

通过在现网进行的OTN+PIC复杂组网测试，可实现跨层面、跨环的业务端到端配置和管理，长时间性能测试无丢包或无误码，时延和抖动指标满足要求。下面表1以12波×10Gbps的容量、环形组网的场景来比较PIC方案与传统OTN光层方案的硬件配置、配套资源、运维效率。

表1 两种方案的分析比较

综合测试分析，城域OTN引入PIC技术后，在满足原有运维要求的基础上，板件配置、配套需求、业务管理、可维护性等方面均能得到显著提升，其优势和价值主要体现在以下几个方面：

首先是简化的业务设计。PIC通过高度集成，在较大的跨段距离范围内无需考虑光放和色散，没有光层复杂处理，业务设计和SDH一样，选择支路板和不同距离的线路板即可，节省大量设计时间。

其次是快速的开局和业务部署。相比传统OTN减少了大量的板件和光纤连接，只要确保线路接收光功率在设计值之内即可完成光路调测，节省了逻辑光纤校验、光功率调测、单站点调测、系统调测等软调环节工时。

再次是类SDH的高可靠性。光纤互连数量减少90%，板卡数量减少60%~70%，系统的故障点大幅减少，提升网络系统可靠性。逐段电中继实现简单快速故障定位，维护技能要求也降低。

最后是灵活方便的业务扩展。线路侧通过PIC线路板提供大带宽资源池，并可方便的插入另一组PIC线路板实现带宽池的平滑扩展。如有新业务类型需求，也只需要开发新支路板进行适配即可，保护网络投资并大大加速业务提供时间。

4．OTN+PIC的城域网解决方案

根据早期OTN网络建成后几年的业务量发展情况，当前各城市的城域OTN分别处于扩容原网或规划建设第二张新网的阶段。所以，要在城域网中成功引入PIC技术，不仅要考虑城域网的规模，还需要站在保护原有网络建设投资的角度上，从扩容和新建两种情况研究OTN+PIC的解决方案。

4.1 PIC技术的应用组网模型

综合分析现有城域OTN网络发展的现状和趋势，城域OTN引入PIC技术的网络架构可以归纳为3种组网模型。在厦门移动进行的现网测试中，3种OTN+PIC组网模型的网络性能指标均可满足电信级的要求，并且能抗多环、多点断纤、单节点失效等各种城域网常见故障。

模型一为“OTN+部分PIC”，骨干层采用OTN板件组建N×10Gbps / N×40G bps/ N×100Gbps的环网（测试模型为N×10Gbps），汇聚层采用PIC板件组建120Gbps环网，通过双节点上联到骨干环。此模型适用于骨干层OTN拓扑为环网的城域网，通过引入PIC建设OTN汇聚环的场景。

模型二为“ASON OTN+部分PIC”，骨干层采用OTN板件组建N×10Gbps / N×40Gbps / N×100Gbps的Mesh网络（测试模型为N×10Gbps），汇聚层采用PIC板件组建120Gbps环网，通过双节点上联到骨干层。此模型适用于骨干层OTN拓扑为Mesh的城域网，通过引入PIC建设OTN汇聚环的场景。

模型三为“全网PIC”，骨干层采用PIC板件组建120Gbps~800Gbps的环网（测试模型为200Gbps），汇聚层采用PIC板件组建120Gbps环网，通过双节点上联到骨干环。此模型适用于城域网利用PIC技术新建骨干环+汇聚环的场景。

图2 三种PIC应用组网场景

4.2 组网和保护方案

在城域OTN骨干层面，可以通过多组PIC板卡的连接复用，实现最大80×10Gbps的带宽调度池。由于目前PIC板卡还未实现单波长40Gbps及100Gbps的成熟产品，因此在业务量大的城域网骨干层推荐使用80×100Gbps OTN的环形或Mesh组网。对于PIC或者普通OTN的Mesh组网，都可以支持类似于SDH的ASON功能，在原先1+1光通道保护的机制上增加ASON的恢复机制，保护与恢复相结合，确保重要业务抗多次断纤，提高服务质量。

在城域OTN汇聚层面，利用PIC的特性灵活组网，可下挂于两个骨干节点组成40Gbps~120Gbps的环网，并可通过扩容PIC板卡实现带宽的平滑升级。从1Gbps～100Gbps任意速率的客户业务都可以映射到带宽池中，利用虚级联技术将基于ODU0/ODU1/ODU2单元的带宽捆绑在一起进行传送，即开即通。双上联的环网不仅可以在光缆中断时保护业务，还能在单节点失效时保护业务。

根据网络规模和业务量的不同，OTN+PIC拓扑模型可参考大规模城域网和中小规模城域网分别制定。每个骨干节点不需要跨设备光纤跳接，仅利用OTN设备的交叉能力和PIC板卡就能下挂多个下级环网，实现多个维度的业务调度，实现类SDH的端到端业务配置和管理。

大规模城域网可采用骨干层Mesh组网、汇聚层环形组网的模型，如图3所示。骨干层配置ASON的钻石级保护，1+1光通道保护和ASON的动态恢复机制相结合。汇聚层则与骨干层结合，配置1+1光通道的保护嵌套，确保业务抗多处故障。

图3 大规模城域网OTN+PIC组网模型

中小规模城域网可采用骨干层和汇聚层环形组网的模型，若骨干节点数量较少（如1~2个），可采用骨干汇聚一层架构的模型，如图4所示。骨干环与汇聚环结合，配置1+1光通道的保护嵌套。其中骨干环作为内层保护组，业务两端的逻辑大环作为外层保护组。

图4 中小规模城域网OTN+PIC组网模型

4.3 现网引入PIC的策略

由于OTN+PIC在城域网范围内能够满足多类型的业务承载和保护需求，使得在城域网中引入PIC技术成为对现有OTN进行优化的最可靠策略之一。

现阶段城域OTN网络一般部署在骨干层，部分城市实现了OTN下沉到汇聚层面。现网引入PIC技术的关键在于骨干层OTN的优化。现有骨干层一般采用大容量、高性能的OTN设备组网，设备的交叉容量都达到了T级以上。由于PIC技术只是将各类光层板件和模块合而为一后作为线路侧单元，因此原有骨干层OTN设备的支路板、交叉板、主控板及其它辅助板件均不必更换，只要直接扩容子架并插上PIC板件，即可优化为OTN+PIC系统。无论骨干层是环形组网或者是Mesh组网，只要OTN设备还有相当的交叉容量冗余，就能够进行升级优化。现有OTN网络的直接扩容升级可以保护原有的网络建设投资，节约成本，并快速实现网络改造，节省配套资源。如果城域网骨干层OTN设备容量使用已达到一定的限度，则建议和汇聚层统一规划新建。

在城域网的汇聚层，每个全业务区至少包含一个汇聚节点，数个节点通过汇聚层光缆呈环形串接起来。在现有汇聚层OTN，由于原有设备容量较小，且承载的业务类型、流向复杂多样，建议在汇聚层采用新建网的方式引入PIC技术，即采用支持PIC的OTN设备根据全业务区的划分和光缆的走向组建汇聚环，并下挂于骨干层的两个节点。OTN汇聚环初期可配置40Gbps或80Gbps的PIC环网，随着后期用户增长、带宽需求增大，可以快速升级到200Gbps以上。

5．结束语

能够进行快速灵活的波长调度，根据业务实际需求进行网络带宽分配，而不是依赖于流量的预测规划，这一直是光传送网的发展方向。OTN+PIC技术正是对现有城域传送网的一种实用性极强的优化方案，具有OTN一样的大带宽、SDH一样的简单架构，目标在于实现一个简洁易维的大容量城域网络。同时，PIC板卡的高度集成、易装易调、绿色节能为OTN进一步下沉到接入层提供了有力的技术支撑。综上所述，基于OTN+PIC架构的解决方案实现城域网“单一网络、统一承载”，满足业务需求和运营商的长期利益，是下一代城域传送网的理想选择。

参考文献

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