CN102821332B - 全光交换节点通用硬件平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光交换节点通用硬件平台，包括堆叠级联成环的若干通信机箱，每个通信机箱上的两个槽位单盘上分别设有Add、Drop模块，其余偶数个槽位单盘平均分为A、B两组，A组中每个槽位单盘上集成有前置放大器PA和分光装置，B组中每个槽位单盘上集成有波长选择开关WSS和功率放大器BA，A、B组中的任一槽位单盘都与B、A组中的所有槽位单盘及设有Drop、Add单盘相连，且A、B组中同一维度相接，数据通道采用半网状拓扑，电路管理通道采用双星型拓扑。本发明，集合了光互联与传统电互联的优势，实现了数据传输交换通道与业务管理控制通道的隔离，模块化的结构设计提升了通用平台的灵活性、兼容性和可扩展性。

Description

全光交换节点通用硬件平台

技术领域

本发明涉及全光通信网技术领域，具体涉及全光交换节点通用硬件平台。

背景技术

现代通信网中，密集波分复用（DWDM）光传送网充分利用光纤的巨大带宽资源来满足各种通信业务爆炸式增长的需求。然而，高质量的数据业务传输和交换仍然采用如IP over ATM、IP over SDH等多层网络结构方案，不仅开销巨大，而且必须在中转节点经过光电转换和电信号处理，无法充分利用底层DWDM带宽资源和强大的波长路由能力。

为了克服光网络中的电子瓶颈，具有高度生存性和良好透明性的全光网络（All Optical Network，AON）成为未来宽带通信网的发展目标。而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它在全光通信网中发挥着至关重要的作用，可以说光交换技术的发展在某种程度上决定了全光通信网的应用前景。伴随着光纤传输容量的不断提升，对光节点交换容量扩充的需求也越来越迫切。实验室单节点交换速率已经达到了100Tbit/s级别，未来的全光网络节点需要实现P比特量级的交换速率。然而，光纤数目和波长数目的持续增加会使得光交叉连接（Optical CrossConnection，OXC）的规模越来越庞大，传统的基于波长粒度的交换，使光节点达到数千个端口。如此大规模的端口数量不仅使得节点实现困难，而且成本高，控制复杂，给OXC的稳定性和设计带来诸多问题。因此，人们提出多粒度交换光网络，其中光交换节点可以实现波长、波带和光纤三层级别的交换，不仅使得光交叉连接的矩阵规模大大缩减，同时也相应的简化了管理控制。随着正交频分复用（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM）技术的引入，基于OFDM的弹性光网络得到了越来越广泛的关注。在弹性光网络中，和以往固定栅格的波分复用（WDM）节点不同，OFDM中的带宽可变节点采用光功率分配器（Power Splitter，PS）和带宽可变的波长选择开关（Wavelength Selectable Switch，WSS）实现了新型的多粒度交换结构。该结构的光交换节点通常是光功率分配器PS、波长选择开关WSS和光功率放大器（Optical Amplifier，OA）等零散的分立器件及模块利用光纤跳线拼接而成，不仅连线繁杂，管控困难，稳定性差，而且不利于交换维度的进一步扩展和后期功能维护升级，因此无法实现其大规模商用。

有鉴于此，急需要开发一种普适通用、稳定可靠、集成度高、兼容可扩展的全光交换节点通用硬件平台，以很好地承载各种形态的光交换设备，并有效降低系统成本，解决现有全光通信网中光交换节点设备无统一硬件平台的局限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决现有全光通信网中光交换节点设备无统一硬件平台，从而造成系统连线繁杂、管控困难、稳定性差，不利于交换维度的进一步扩展和后期功能维护升级的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种全光交换节点通用硬件平台，包括堆叠级联成环的若干通信机箱，每个所述通信机箱上的两个槽位单盘上分别设有用于各交换维度上、下路信号与下级模块直通的Add模块和Drop模块，每个所述通信机箱的其余偶数个槽位单盘平均分为A、B两组，A组中每个槽位单盘上集成有串联设置的前置放大器PA和分光装置，作为各交换维度的输入端；B组中每个槽位单盘上集成有波长选择开关WSS和功率放大器BA，作为各交换维度的输出端；A组中的任一槽位单盘都与B组中的所有槽位单盘及设有Drop模块的单盘相连，B组中的任一槽位单盘都与A组中的所有槽位单盘及设有Add模块的单盘相连，且A、B两组中同一维度的输入端与输出端相接，用于该维度数据信道的环回测试；数据通道采用平面光波导半网状拓扑，电路管理通道采用电路双星型拓扑，机架管理沿用双总线型智能平台管理接口标准。

在上述方案中，所述分光装置为光功率分配器PS，由此构成“广播-选择”型光交换节点。

在上述方案中，所述分光装置为波长选择开关WSS，由此构成“路由-选择”型光交换节点。

在上述方案中，每个所述通信机箱中，设有Add模块的单盘与设有Drop模块的单盘通过两条以太网线构成所述电路管理通道，所述两条以太网线实现Add模块与Drop模块之间的通讯及冗余；其余的每个槽位单盘分别通过以太网线与设有Add模块的单盘和设有Drop模块的单盘建立两条以太网连接通路实现电路管理通道的全覆盖，即各交换维度的输入端和输出端均有两条管理信道与设有Add模块的单盘和设有Drop模块的单盘相连构成两个发散状的星形结构，实现管理信息的处理、传输和交换。

在上述方案中，所述硬件平台包括两个互为备份的机架管理控制器ShMC和位于各个现场可置换单元上的智能平台管理控制器IPMC，通过ShMC对通信机箱内的单盘、电源、风扇、温度传感器等进行智能调节和管理，实现所述机架管理。

在上述方案中，每个所述通信机箱中，各输入端的信号光纤通过单盘连接器与背板连接器相接，光信号经过耦合定位接头准直后输入聚合物光波导，所述聚合物光波导完全埋入到印制电路板中，且两个端面都分别镀有45°反射镜，反射输出的信号光经另一耦合定位接头输出至相应的输出端。

本发明，充分利用了光互联方式所具有的传输速度快、工作频带宽、信号串扰小、电磁干扰弱和线路损耗低等诸多优点，并综合传统电互联方式，实现了数据传输交换通道与业务管理控制通道的隔离。此外，模块化的结构设计提升了通用平台的灵活性、兼容性和可扩展性。

附图说明

图1是三维度“广播-选择”型全光交换节点的结构框图；

图2是三维度“路由-选择”型全光交换节点的结构框图；

图3是本发明中全光交换节点硬件平台光路数据通道拓扑图；

图4是本发明中全光交换节点硬件平台电路管理通道拓扑图；

图5是本发明中全光交换节点硬件平台机架管理示意图；

图6是本发明中全光交换节点硬件平台的混合平面光和电波导无源背板拓扑结构图；

图7是本发明中混合平面光和电波导无源背板光互连结构图；

图8是本发明中全光交换节点硬件平台交换维度扩展的堆叠示意图。

具体实施方式

如今，对下一代光交换节点结构的普遍要求为超大容量、无色（Colorless）、无方向（Directionless）和无拥塞（Contentionless）。同时，为更进一步提高光纤频谱利用率和支持超级带宽通道，无栅格（Gridless）的频谱操作也成为光交换节点的另一个重要要求。与传统固定栅格以波长为最小交换粒度的WDM系统相比，可变带宽全光交换技术中引入了子载波的概念，实现了更小颗粒度的交换，同时对于大数据容量的链路，多个子波带能够通过汇聚的方式实现超级通道，完成大容量高速数据的传输和交换。

可变带宽光交换中，节点完成将各个输入信号通过管控信令路由到指定输出端口的功能。通常的基于子波带交换的带宽可变光网络节点由光功率分配器PS、波长选择开关WSS和光功率放大器OA等器件构成，其结构分为“广播-选择”（Broadcast & Select）型和“路由-选择”（Route & Select）型两种。图1和图2分别以三维度全光交换节点为例，展示了这两种结构类型的异同。

图1为“广播-选择”型全光交换节点的结构框图，任意方向维度的输入频谱光信号经过前置放大器（Preamplifier，PA）功率补偿后，由光功率分配器PS进行功率均匀分束，并送入其余各方向维度的波长选择开关WSS实现对输入光信号的任意频谱切割。而任意维度上的波长选择开关WSS汇聚其余维度送达的频谱光信号，利用其波长选择性作用，通过配置按需重新组合信号频谱，并将经过交换的光信号合路输出，最终通过功率放大器（Booster Amplifier，BA）预放大后传输至下一级光交换节点。本地的多路客户端信号均由带宽可变的转发器生成，通过灵活无拥塞的Add模块进行上路；同理，本地下路信号通过类似的Drop模块下路至客户端接收，从而完成本地光节点的信号上下路功能。在这种光节点结构中，光功率分配器PS完成信号的功率分配和广播功能，波长选择开关WSS完成信号的交换和复用功能。

图2为“路由-选择”型光交换节点的结构框图，其与“广播-选择”型结构的唯一差别在于信号输入端用波长选择开关WSS替代了光功率分配器PS，各维度输入、输出信号均采用双波长选择开关WSS（Twin WSS）结构。与“广播-选择”型结构相比，“路由-选择”型结构对输入光信号按需进行频谱切割后选路交换，丧失了前者的广播和组播功能。

与传统的固定栅格的WDM节点结构不同，上述两种可变带宽交换节点结构中，信号的频谱可以是连续的也可以是非连续的，节点中不需要将各个信号波长分开再进行各个信号波长的合路，从而大大简化了节点结构。

鉴于“广播-选择”型和“路由-选择”型光交换节点都采用相同的连接形式，即任意维度的输入端都与其余维度的输出端相连，任意维度的输出端也与其余维度的输入端相连，构成半网状（Half Mesh）互连拓扑结构，本发明提出了一种全光交换节点通用硬件平台，下面结合一个具体实施例对本发明作出详细的说明。

如图3、图4和图6所示，本具体实施例中，全光交换节点硬件平台集成在具有14个单盘插槽的13U高19英寸宽标准通信机箱中，能够承载六个维度的可变带宽光交换，提供了光路数据通道、电路管理通道和机架管理三方面的核心功能，光路数据通道采用平面光波导PLC半网状（HalfMesh）拓扑，电路管理通道遵循传统电路双星型（Dual Star）拓扑，机架管理沿用双总线型智能平台管理接口标准。

（1）光路数据通道。

如图3所示，14个单盘槽位中，07槽位单盘上设有直通各交换维度上、下路信号至下级模块的Add模块，08槽位单盘上设有直通各交换维度上、下路信号至下级模块的Drop模块，其余的12个槽位被平均分为A、B两组，A组的01至06槽位单盘上集成前置放大器PA和分光装置（光功率分配器PS或波长选择开关WSS模块，当分光装置为光功率分配器PS时构成“广播-选择”型光交换节点，当分光装置为波长选择开关WSS时构成“路由-选择”型光交换节点），01至06槽位单盘作为各交换维度的输入端，实现各交换维度的输入端功能；B组的09至14槽位单盘上集成波长选择开关WSS和功率放大器BA，分别作为各交换维度的输出端，完成各交换维度的输出端功能；各槽位单盘的数据通道通过无源背板上的半网状（Half Mesh）拓扑平面光波导（Planar Lightwave Circuit，PLC）互连，即A组的任一槽位单盘都与B组的所有槽位单盘相连，同理B组的任一槽位单盘也与A组的所有槽位单盘相连，同时，同一维度的输入端与输出端连接，用于该维度数据信道的环回测试。半网状结构的光路数据通道使全光交换系统具有较强的可靠性和可扩展性，且单节点的数据交换带宽达到P比特量级，例如光纤端口数为12（6进6出），采用16QAM调制格式，1000个光载波，每个光载波信号带宽为10GHz，符号率为10GS/s，则总的节点容量将高达10GS/s×4bit/s×2×1000×12=0.96Pbit/s。

（2）电路管理通道。

电路管理通道提供全光交换节点硬件平台内的IP传输路径，它是一个支持10/100/1000 BAST-T以太网的双星型（Dual Star）拓扑结构，如图4所示。单个全光交换节点硬件平台内的07和08槽位单盘既用于光路数据通道内各交换维度信号频谱的上下路，也在电路管理通道中扮演着中央交换核心的对等角色。它们之间有两个10/100/1000 BASE-T连接通路以便于二者的通讯及冗余备援；而剩余的每个槽位单盘分别与07和08槽位单盘都建立两条以太网连接通路实现电路管理通道的全覆盖。即各交换维度的输入和输出端均有两条管理信道与各自数据上下路功能单盘相连构成两个发散状的星形结构，以实现管理控制信息的处理、传输和交换。电路管理通道的双星型拓扑方式，为全光交换节点硬件平台的管理提供了良好的系统冗余性和可靠性，同时，结构简单，容易实现，便于维护。

（3）机架管理。

机架管理功能基于工业标准智能平台管理接口（Intelligent PlatformManagement Interface，IPMI）实现，通过双路-48V直流电源输入模块冗余备份供电，采用四路在线可热插拔的风扇单元持续散热，实时监控系统有源部件，报告异常现象，控制每个已安装模块的正常运行，确保所有单元协同工作。此外，机架管理功能还可以激活备份电路，负责处理热插拔事件，收集部件序列号、修订内容以及软件版本等信息，以使应用软件适应变化中的配置。

如图5所示，机架管理主要由两部分组成，即硬件平台包括单独互为热备份的机架管理控制器（Shelf Management Controller，ShMC）和位于各个现场可置换单元（Field Replaceable Unit，FRU）上的智能平台管理控制器（Intelligent Platform Management Controller，IPMC）。通过ShMC，机架管理子系统可以对机箱内的单盘、电源、风扇、温度传感器等FRU进行智能调节和管理；而各个现场可置换单元上的IPMC用于和ShMC相互通信，实现对本单元的自身管理。机架管理基于I2C接口的双智能平台管理总线（Intelligent Platform Management Bus，IPMB），分别冠以IPMB-A和IPMB-B。IPMB被用作衔接ShMC与所有槽位单盘和其余FRU的桥梁，通常采用双总线型配置方式，两者互为冗余，保证了机架管理功能的稳定可靠性。

图6示出了本发明中全光交换节点硬件平台的混合平面光和电波导无源背板拓扑结构图，图中，——表示光路数据通道；----------------------------表示电路管理通道；---表示智能平台管理总线（机架管理）。背板的制备采用在目前发展得非常成熟的印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）内通过层压的方式叠加入一层导光层，其制造与传统PCB的生产工艺兼容，使得电路板的应用范围由现有的电连接技术延伸至光传输领域。这层光波导材料比较理想的选择是有机高分子聚合物含氟聚酰亚胺，其具有较高的光耦合系数、较低的介电常数、响应时间短、传输损耗小、加工工艺简单、价格低廉和无须高温加热，并且它与PCB集成相对简单，适合大规模生产。图7显示了混合平面光和电波导无源背板的光互连结构，输入端槽的信号光纤通过单盘连接器与背板连接器相接，光信号经过耦合定位接头准直后输入聚合物光波导。该光波导被完全埋入到常规印制电路板中，以提高环境可靠性，降低其光路传输损耗，此外，它的两个端面都集成镀有高反射膜的45°反射镜，实现光信号的90°转向，反射输出的信号光经另一耦合定位接头送至相应的输出端。

一个单元的全光交换节点硬件平台最多仅能承载六维度的可变带宽光交换结构，如需进一步扩展交换维度，可通过多机箱堆叠级联的方式实现。如图8所示，三个单元的满配置全光交换节点硬件平台机箱首尾相连，堆叠成环，构成十五个维度的可变带宽光交换结构。其中数据通道上，每个单元的机箱牺牲一组输入/输出端槽位单盘，例如01和14槽位单盘，用于机箱间跨接堆叠信号的输入输出，它们通过光纤交叉连接，形成环状结构。例如维度03输入的部分频谱光信号想要从维度14输出，首先通过机箱1的无源背板从04槽位交换到14槽位上的堆叠输出单盘；然后由光纤跳线连接至机箱2的堆叠输入单盘，并通过其背板交换至堆叠输出单盘；最后，从机箱2跨接过来的频谱光信号被交换到机箱3中10槽位上的输出端槽位单盘输出。而任意机箱中的07和08槽位单盘都可用于直通各交换维度的上下路频谱光信号。管理通道方面，各机箱的07或08槽位单盘通过网线串联扩展带外网络管理通道，并与唯一的网管电脑相连，实现全光交换节点堆叠系统的统一管理。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.全光交换节点通用硬件平台，包括堆叠级联成环的若干通信机箱，每个所述通信机箱上的两个槽位单盘上分别设有用于各交换维度上、下路信号与下级模块直通的Add模块和Drop模块，其特征在于：

每个所述通信机箱的其余偶数个槽位单盘平均分为A、B两组，A组中每个槽位单盘上集成有串联设置的前置放大器PA和分光装置，作为各交换维度的输入端；B组中每个槽位单盘上集成有波长选择开关WSS和功率放大器BA，作为各交换维度的输出端；A组中的任一槽位单盘都与B组中的所有槽位单盘及设有Drop模块的单盘相连，B组中的任一槽位单盘都与A组中的所有槽位单盘及设有Add模块的单盘相连，且A、B两组中同一维度的输入端与输出端相接，用于该维度数据信道的环回测试；

数据通道采用平面光波导半网状拓扑，电路管理通道采用电路双星型拓扑，机架管理沿用双总线型智能平台管理接口标准；

每个所述通信机箱中：

设有Add模块的单盘与设有Drop模块的单盘通过两条以太网线构成所述电路管理通道，所述两条以太网线实现Add模块与Drop模块之间的通讯及冗余；

其余的每个槽位单盘分别通过以太网线与设有Add模块的单盘和设有Drop模块的单盘建立两条以太网连接通路实现电路管理通道的全覆盖，即各交换维度的输入端和输出端均有两条管理信道与设有Add模块的单盘和设有Drop模块的单盘相连构成两个发散状的星形结构，实现管理控制信息的处理、传输和交换。

2.如权利要求1所述的全光交换节点通用硬件平台，其特征在于，所述分光装置为光功率分配器PS，由此构成“广播-选择”型光交换节点。

3.如权利要求1所述的全光交换节点通用硬件平台，其特征在于，所述分光装置为波长选择开关WSS，由此构成“路由-选择”型光交换节点。

4.如权利要求1所述的全光交换节点通用硬件平台，其特征在于，

所述硬件平台包括两个互为备份的机架管理控制器ShMC和位于各个现场可置换单元上的智能平台管理控制器IPMC，通过ShMC对通信机箱内的单盘、电源、风扇、温度传感器等进行智能调节和管理，实现所述机架管理。

5.如权利要求1所述的全光交换节点通用硬件平台，其特征在于，

每个所述通信机箱中，各输入端的信号光纤通过单盘连接器与背板连接器相接，光信号经过耦合定位接头准直后输入聚合物光波导，所述聚合物光波导完全埋入到印制电路板中，且两个端面都分别镀有45°反射镜，反射输出的信号光经另一耦合定位接头输出至相应的输出端。