基于光功率衰減值的ASON路徑計算方法研究

成傳智，朱勝華，劉 媛，肖水英，王汪兵，王先培

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基于光功率衰減值的ASON路徑計算方法研究

成傳智1，朱勝華1，劉 媛1，肖水英2，王汪兵3，王先培3

(1.國網(wǎng)咸寧供電公司，湖北 咸寧437000；2.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢430071；3.武漢大學電子信息學院，湖北 武漢 430072)

為解決ASON(Automatically Switched Optical Network)使用傳統(tǒng)路徑計算方法時恢復時間長以及阻塞率高的問題，提出了一種以光功率衰減值為權(quán)重的路徑計算方法。該方法利用這一權(quán)重確定路徑恢復時網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路被選中的概率以及每個站點的可達站點列表，進而根據(jù)每條鏈路被選擇的概率之積最大的原則選擇出一條鏈路業(yè)務(wù)量均衡以及跳數(shù)最短的恢復路徑。經(jīng)現(xiàn)場測試，使用該方法所得路徑鏈路業(yè)務(wù)量更加均衡，有效降低了路徑的阻塞率，同時保證了路徑的恢復時間在100 ms以內(nèi)。

自動交換光網(wǎng)絡(luò)；路徑計算；光功率衰減值；電力通信網(wǎng)；智能電網(wǎng)

0 引言

電力通信網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的實體網(wǎng)絡(luò)，依托電網(wǎng)建設(shè)同時也為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行與電網(wǎng)企業(yè)規(guī)范化管理提供重要保障[1]。目前，在電力通信網(wǎng)主干傳輸網(wǎng)平臺構(gòu)建中，數(shù)字同步體系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)因其分插復用方便、傳輸速率高、電路交換迅捷及維護簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[2-5]。但是，對電力系統(tǒng)而言，伴隨著電力規(guī)模的增長，電力通信網(wǎng)的問題也越來越多。如網(wǎng)絡(luò)拓撲及保護方式單一、可靠性及帶寬利用率低、網(wǎng)絡(luò)可擴展性及業(yè)務(wù)調(diào)度能力差、設(shè)備廠家及設(shè)備型號繁雜等問題[6-7]。電力網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)面臨的以上問題勢必會影響到電網(wǎng)正常業(yè)務(wù)的繼續(xù)開展和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定安全。ASON(Automatically Switched Optical Network，ASON)[8- 9]自動交換光網(wǎng)絡(luò)以其高度智能和無限帶寬等優(yōu)點，被認為是推動傳輸網(wǎng)向業(yè)務(wù)網(wǎng)轉(zhuǎn)變的下一代光傳送網(wǎng)。

ASON是一種能夠支持多種類型業(yè)務(wù)、具有動態(tài)連接能力、可根據(jù)實際需要實時分配帶寬的光網(wǎng)絡(luò)，是下一代光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。在實際的運用中，由于光網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中信息量的龐大性，如何安全準確的建立一條從源站點到目的站點的光通道，成為了構(gòu)建下一代光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題[10]。目前已有很多文獻對ASON的路由策略進行了許多研究。如李建等[11]針對ASON，為更加有效的利用網(wǎng)絡(luò)資源，給出了一種單波長資源預留方式，可滿足較短的業(yè)務(wù)建立和較低的控制帶寬開銷；周賢偉等[10]為獲得更好的連接阻塞性能和更低的綜合成本，給出了一種ASON的多條件約束的動態(tài)組播路由算法算法；曹毅寧等[12]為減少自動交換光網(wǎng)絡(luò)光路建立過程中存在的安全威脅，給出了一種高效的安全光路建立協(xié)議；桂烜等[13]為實現(xiàn)拓撲的自動發(fā)現(xiàn)和路由信息的分發(fā)，給出了一種基于OSPF的ASON路由實現(xiàn)方案，達到全網(wǎng)分發(fā)波長和網(wǎng)絡(luò)拓撲信息的目的；譚志等[14]為實現(xiàn)分層網(wǎng)絡(luò)的拓撲發(fā)現(xiàn)、同步和路由計算的目的，研究了自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)多域分層路由體系結(jié)構(gòu)，給出了基于speaker節(jié)點的拓撲信息路由通告機制。

目前，計算一條最優(yōu)的端對端路徑通常根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際拓撲計算路徑。往往采用的是最短路徑法，在網(wǎng)絡(luò)拓撲中計算路徑代價最小的路徑，當路徑代價需要最短距離時，路徑代價是路徑上各個鏈路的距離之和，常用的最短路徑算法有和Dijkstra算法、Bellman-Ford算法和光學損傷圖算法。

Dijkstra算法[15]的最短路徑計算原則是所選擇路徑的鏈路權(quán)重之和最小的原則，計算得到的路徑滿足鏈路使用概率權(quán)重小和跳數(shù)最短的要求，但是存在的缺陷是在業(yè)務(wù)較為繁忙的情況下，算法所選擇的路徑往往集中在鏈路使用概率權(quán)重較小的路徑上，從而造成業(yè)務(wù)量集中的弊端。

Bellman-Ford算法[16]和Dijkstra算法類似，在計算最短路徑時由于是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際的拓撲計算路徑的，計算過程中沒有考慮傳輸路徑的光學損傷是否滿足要求，有可能計算得到的路徑代價中沒有中繼站點而導致傳輸?shù)墓庑盘枔p失過大，導致路徑?jīng)]有中繼可用而計算失敗。當最短路徑不能滿足要求時，需要在在最短路徑上進行偏移算法，計算出有限次的次優(yōu)路徑，當最短路徑以及有限次的次優(yōu)路徑都不能滿足要求時，需要通過遍歷網(wǎng)絡(luò)中所有可能路徑，在從所有可能路徑中選擇可用的路徑。但是這種采用遍歷所有可能路徑的方法時，路徑計算耗時長，不能滿足重路由等功能對時間的要求。

但是，根據(jù)DL/T 364-2010電網(wǎng)標準要求，規(guī)定光纖差動保護業(yè)務(wù)通信時延小于10 ms，恢復、倒換時間小于100 ms。而目前國內(nèi)外基于以上算法的ASON通信設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)路徑尋優(yōu)和故障恢復時間遠遠大于標準所規(guī)定的時間，更不能提供電網(wǎng)控制業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)智能保護和恢復功能，使得智能電網(wǎng)重要控制業(yè)務(wù)無法抵抗連續(xù)的多點失效。因此需要研究滿足電網(wǎng)控制業(yè)務(wù)路由快速計算策略，保障電網(wǎng)控制業(yè)務(wù)的及時、準確的智能控制和保護恢復。為此，本文提出了一種以光功率衰減值為路徑代價權(quán)重的路徑計算方法。該方法利用這一權(quán)重確定路徑恢復時網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路被選中的概率和可達站點列表，進而根據(jù)每條鏈路被選擇的概率之積最大的原則選擇出一條鏈路業(yè)務(wù)量均衡以及跳數(shù)最短的恢復路徑。該方法提高了路徑計算效率，能快速尋找到跳數(shù)最短的路徑，同時能夠克服鏈路業(yè)務(wù)量集中的缺陷，減小了恢復路徑建立時間能夠準確有效的實現(xiàn)電網(wǎng)控制業(yè)務(wù)的智能控制和保護恢復。

1 基于光功率衰減值的路徑計算算法

ASON技術(shù)成功引入電力光傳輸網(wǎng)，進一步提高了電力通信網(wǎng)對電網(wǎng)控制業(yè)務(wù)的安全保障水平，同時保證了各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量。隨著智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力通信網(wǎng)的組網(wǎng)方式也正逐漸從傳統(tǒng)的鏈路型、環(huán)型逐漸向網(wǎng)格型(mesh)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展，網(wǎng)狀網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)將是未來核心光網(wǎng)絡(luò)的必然拓撲結(jié)構(gòu)。電力通信網(wǎng)的mesh網(wǎng)絡(luò)采用重路由方式進行故障恢復，網(wǎng)絡(luò)的可恢復路徑由一條業(yè)務(wù)路徑和一條不相鄰的故障恢復路徑組成。

對于業(yè)務(wù)路徑以及故障恢復路徑的計算，傳統(tǒng)的Dijkstra算法計算得到的路徑遵循鏈路權(quán)重之和最小的原則，雖然能夠找到跳數(shù)最短的路徑，但是算法存在的缺陷是在業(yè)務(wù)較為繁忙的情況下，算法所選擇的路徑往往集中在鏈路使用概率權(quán)重較小的路徑上，從而造成業(yè)務(wù)量集中的弊端，會提高連接請求的阻塞率提高。同時在電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，隨著波長數(shù)和節(jié)點設(shè)備的增多，光功率的衰減對網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量和最大傳輸距離的影響越來越大，因此光功率衰減成為了傳輸網(wǎng)絡(luò)路徑代價值的一個重要性能指標。隨著高速自動交換光網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，光功率衰減可以作為光網(wǎng)絡(luò)路徑代價值的參考量。

光功率是光在單位時間內(nèi)所做的功，單位為毫瓦或者分貝毫瓦，光在光纖和站點設(shè)備中傳播時或多或少地存在著功率的衰減，光功率衰減(Optical Power Loss，OPL)是指光纖輸出端的功率與發(fā)射到光纖時的功率的比值，為了計算和研究的方便通常取其對數(shù)值的相反值，如式(1)所示。

為了兼顧恢復路徑的流量均衡性以及恢復時間的要求，基于光功率衰減值的路徑恢復算法提出了業(yè)務(wù)恢復路徑權(quán)重的概念，恢復路徑的選擇更加均衡，恢復時間更短。

算法的流程是：先利用上位機網(wǎng)管系統(tǒng)分別計算每條鏈路的光功率衰減值并設(shè)定好閾值，在實際應(yīng)用中設(shè)置光功率衰減值為5dB，并以此作為傳輸路徑的代價值。當光信號經(jīng)過一條鏈路傳輸光功率衰減值大于約束值時，這條鏈路的目的站點就不會作為可達站點，根據(jù)路徑代價值的約束，計算出各條鏈路的在不使用中繼情況下的可達站點并形成可達站點列表，在列表中選擇出具有空閑中繼能力的站點作為可達中繼站點，形成可達中繼站點列表，各站點分別通過OSPF(擴展開放式最短路徑優(yōu)先)協(xié)議向所有站點洪泛可達中繼站點列表。將源站點自身的可達站點列表加入到虛擬拓撲，根據(jù)源站點自身的可達中繼站點列表和源站點能夠接收其他站點的可達中繼站點列表確定使用中繼的情況下能夠到達的站點，將使用中繼的情況下能夠到達的站點加入到虛擬拓撲，最后根據(jù)虛擬拓撲和每條被選擇的概率之積最大的原則，確定從源站點到達目標站點的跳數(shù)最短的實際拓撲路徑。算法的具體流程如圖1所示。

圖1 算法流程圖

2 恢復時間理論分析

在建立恢復路徑的過程中，恢復路徑建立時間是最重要的指標要求，它是實現(xiàn)快速排除電力通信網(wǎng)故障的必要保證。本文采取恢復路徑提前計算，并且實施軟預留的方法，在故障時進行采用配置的恢復路徑建立策略，這樣路徑的選擇時間就可以不算在路徑建立時間之內(nèi)。路徑恢復時間的影響因素包含以下幾個方面：路徑源站點和目的站點之間信令信息往返傳輸所需時間、每個站點對信令信息的處理時間、每個站點的交叉配置時間以及源站點和目的站點的橋接倒換時間。其中信令信息往返傳輸所需時間取決于傳輸路徑的長度，由于算法中根據(jù)每條被選擇的概率之積最大的原則，計算得到的路徑能夠滿足鏈路最短的要求；而另外三個影響因素主要取決于節(jié)點設(shè)備的物理資源性能，在固定設(shè)備的情況下很難提高。

在每個環(huán)節(jié)時間都很難減少的情況下，只能考慮信令處理與站點的交叉配置能否并行處理。這種路徑計算算法采用了提前計算路徑的方法，使得在路徑恢復之前確保路徑中的每個節(jié)點都具有空閑資源，恢復路徑的建立機制只需要沿著路徑逐個傳遞信令信息，因此不存在對上一個站點反饋不可行的NACK信息信令的處理。為了減少恢復的時間，每個站點對信令信息的傳輸以及交叉配置是并行處理的。當信令信息傳遞到目的站點以后，在逐級向上一個站點發(fā)送ACK信令，當源站點收到此信令則說明恢復路徑建立成功。其路徑恢復流程如圖2所示。

圖2 路徑恢復流程圖

假設(shè)恢復路徑含有個站點，那么鏈路數(shù)為-1，每條鏈路的傳輸時間為，每個站點的對來自上一站點以及下一站點反饋的信令處理時間均記為，每個站點的交叉配置時間為，源站點和目的站點的橋接倒換時間為，這種方法情況下站點的信息處理和交叉連接配置是并行處理的，所以除目的站點以外站點的交叉連接配置時間均可包括在信令信息處理時間以內(nèi)，只需計算目的站點的交叉配置時間。那么路徑恢復的總時間為

這種方法與傳統(tǒng)的Dijkstra算法相比，除了得到的恢復路徑的跳數(shù)最短之外，能夠有效降低信令的傳輸時間，同時除目的站點外每個站點的信令消息的處理和交叉配置并行處理，交叉配置時間從降低到了，有效降低了路徑恢復的時間，并且路徑恢復過程中的鏈路的選擇更加均衡。這種方法還將復雜的計算量分散到了網(wǎng)絡(luò)的各個站點中，提高了路徑的計算效率，同時降低了各個站點對控制單板的性能要求，減小了運行成本。當網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)傳輸路徑和節(jié)點設(shè)備故障時，只需要重新計算各個站點的可達站點列表和可達中繼站點列表，并在網(wǎng)絡(luò)中重新洪泛可達中繼站點列表即可，節(jié)約了時間，降低了運行風險。

3 算法驗證

為了驗證該算法與傳統(tǒng)路徑計算方法相比業(yè)務(wù)量均衡性和路徑恢復時間短的優(yōu)點，利用咸寧供電公司到通山公司的電力光傳輸網(wǎng)進行驗證，其拓撲圖如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)拓撲中的每個節(jié)點均已安裝相關(guān)的ASON設(shè)備(FonsWeaver780B及550F等)，作為路徑代價值的光功率衰減值能夠由設(shè)備實時檢測計算得到，考慮到線路傳輸與經(jīng)過站點設(shè)備對光功率的影響，為了確保信令信息的準確傳輸，OPL的閾值定位5dB，高于這個值可以進行傳輸，低于這個值時必須找到空閑的中繼站點才能繼續(xù)傳輸，再由光時域反射儀和上位機網(wǎng)管系統(tǒng)對路徑恢復過程中每條鏈路業(yè)務(wù)量的均衡性和路徑恢復時間進行記錄和分析。

圖4反映了該算法在路徑計算過程中不同連接請求數(shù)時的鏈路選擇的平衡情況可以看出光功率比算法的鏈路占用次數(shù)比Dijkstra算法要均勻，同時隨著鏈路請求數(shù)的增加，光功率衰減值算法鏈路每條占用次數(shù)的方差的增大趨勢較Dijkstra算法要緩慢。Dijkstra算法在路徑計算時，沒有考慮業(yè)務(wù)量均衡的因素，因此造成路徑計算過程中出現(xiàn)路徑選擇集中的情況，造成業(yè)務(wù)的嚴重不均衡。而本文提出的算法將具有流量均衡因素的光功率衰減值作為路徑代價值，因此在路徑選擇時就考慮了網(wǎng)絡(luò)鏈路為業(yè)務(wù)路徑提供通道數(shù)均衡性和路徑的分散，使得路徑選擇的集中程度大大降低，從而也使連接請求的阻塞率明顯減小。

圖3 算法驗證拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 業(yè)務(wù)均衡量比較

由表1可知，采用本算法的路徑恢復的時間滿足恢復時間小于電網(wǎng)標準100 ms的要求。這種路徑恢復方法的路徑提前計算，并且實施軟預留，因此在故障時進行采用配置的恢復路徑建立策略，這樣路徑的選擇時間就可以不算在路徑建立時間之內(nèi)。本算法的路徑計算量分散到各個節(jié)點設(shè)備中，計算得到的路徑所在保證阻塞率低的情況下所經(jīng)過的鏈路條數(shù)最少，并且每個站點設(shè)備對信令消息的處理和交叉配置是并行處理的，有效降低了鏈路的建立時間，說明該方法能提高電力通信網(wǎng)的路徑計算效率，有效降低路徑的恢復時間。

表1 路徑恢復時間測試結(jié)果

4 結(jié)論

文章針對傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)在使用傳統(tǒng)路徑計算方法時尋路和故障恢復時間長以及鏈路選擇過于集中的缺陷，提出了一種新的ASON路徑計算方法，將光功率衰減值作為路徑代價值，計算得到各站點的可達站點和可達中繼站點，各站點通過OSPF協(xié)議向所有站點洪泛可達中繼站點列表。根據(jù)源站點的可達站點和在使用中繼情況下的可達站點構(gòu)建虛拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在虛擬拓撲中根據(jù)路徑最短跳數(shù)和實際的ASON拓撲結(jié)構(gòu)計算得到傳輸及路徑，有效提高了業(yè)務(wù)量的均衡性以及降低了鏈路的阻塞率，確保路徑恢復過程中信令信息的傳輸時間最小。同時除目的站點外，每個站點的信息處理和交叉連接配置是并行處理的，也有效降低了路徑恢復的時間。當網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)傳輸路徑和節(jié)點設(shè)備故障時，只需要重新計算各個站點的可達站點列表和可達中繼站點列表，復雜的計算量分散到了網(wǎng)絡(luò)的各個站點中，提高了路徑的計算效率。結(jié)果表明，恢復路徑的建立時間在100 ms以內(nèi)，在較短時間內(nèi)完成傳輸路徑的建立，增強了電力通信網(wǎng)對電網(wǎng)控制業(yè)務(wù)的安全保障水平，保證了各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量。

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(編輯 張愛琴)

Research on the ASON path calculation method based on optical power loss value

CHENG Chuanzhi1, ZHU Shenghua1, LIU Yuan1, XIAO Shuiying2, WANG Wangbing3, WANG Xianpei3

(1. Hubei Xianning Power Supply Company, Xianning 437000, China; 2. State Grid Hubei Electric Power Company, Wuhan 430071, China; 3. School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In order to solve the problem which ASON (Automatically Switched Optical Network) has long recovery time and high blocking rate when using traditional path calculation method, a new algorithm based on the optical power attenuation value is introduced. The value is used to determine theprobability of the path of each link which would be selected and the reachable lists of each station, then arecovery path which consists of balance link traffic andshortest hops based on principle of the product of the maximum probability is selected. On-site test shows thatthe path calculated by this method can get a more balanced selection of each link, and also can reduce the rate of path blocking and guarantee the delay recovery time within 100 ms. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50677047) and Natural Science Foundation of Hubei Province (No. 2015CFB563).

ASON; path calculation; optical power attenuation value; power communication network; smart grid

10.7667/PSPC160165

國家自然科學基金(50677047)；湖北省自然科學基金(2015CFB563)

2016-01-29；

2016-05-26

成傳智(1973-)，男，工程師，主要從事供電安全生產(chǎn)方面的管理工作；E-mail: ccz1056@163.com 王汪兵(1992-)，男，通信作者，碩士生在讀，研究方向為系統(tǒng)集成與故障診斷。E-mail: wwb228@whu.edu.cn