鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中OTN 交換技術(shù)應(yīng)用的可行性分析

王 鴻

（南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部,江蘇 南京 210000）

在光傳送網(wǎng)絡(luò)中,OTN 技術(shù)是OTN 傳送技術(shù)、OTN 復(fù)用技術(shù)和OTN 交換技術(shù)的統(tǒng)稱。其中,OTN 交換技術(shù)與傳統(tǒng)的“端到端”信息交換模式相比,可以做到客戶端與波長傳輸接口的相互獨(dú)立,這樣就可以讓技術(shù)人員遠(yuǎn)程配置客戶端,從而顯著降低通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本,并提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速率。因此,OTN 交換技術(shù)被廣泛應(yīng)用到遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)的光纖網(wǎng)絡(luò)中。在鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中,包含了若干種類的電氣設(shè)備,設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和終端控制指令的下達(dá),使得鐵路通信網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著較高的負(fù)載,很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞的情況,嚴(yán)重影響鐵路信息控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在這一背景下,探究將OTN 交換技術(shù)應(yīng)用到鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的可行性,對進(jìn)一步提高鐵路通信網(wǎng)絡(luò)傳輸效率有積極幫助。

1 鐵路通信網(wǎng)絡(luò)與OTN 交換技術(shù)融合的具體架構(gòu)

1.1 WDM+ROADM結(jié)構(gòu)

鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中的波分復(fù)用（WDM）傳輸設(shè)備與OTN 全光交換技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,將會(huì)顯著提升通信網(wǎng)絡(luò)資源的利用率,并使得信號傳輸成本得到進(jìn)一步降低。在鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中,可以將DWDM合波器當(dāng)成服務(wù)接口,這樣就可以將客戶端的業(yè)務(wù)映射,通過傳輸線路轉(zhuǎn)接到DWDM 合波器上,最后利用中間的ROADM節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的光信號,能夠以極快的速率和最少的帶寬資源占用,傳輸?shù)浇邮斩?。這種通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)稱為“WDM+ROADM結(jié)構(gòu)”,見圖1。

圖1 WDM+ROADM 結(jié)構(gòu)

1.2 WDM+獨(dú)立OTN 電層交換結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入側(cè)與輸出側(cè),分別設(shè)置一臺(tái)OTN 電交叉集中調(diào)度交換設(shè)備,以便于兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)可以完成波長內(nèi)與跨波長的業(yè)務(wù)整合,其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 WDM+獨(dú)立光交換結(jié)構(gòu)

在“WDM+獨(dú)立OTN 電層交換結(jié)構(gòu)”中,OTN 電層交叉設(shè)備是獨(dú)立運(yùn)行的,其主要功能是對波長內(nèi)以及波長間的業(yè)務(wù)進(jìn)行疏導(dǎo),以提高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力[1]。其中,子波長上的全部業(yè)務(wù),均可切換到傳輸波長上,這樣就能以更高的效率、更低的成本,填充每個(gè)波長的負(fù)載。通過使負(fù)載均衡,解決了網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題,最終達(dá)到高效傳輸?shù)哪康?。對于鐵路通信網(wǎng)絡(luò)這種大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)來說,“WDM+獨(dú)立OTN 電層交換結(jié)構(gòu)”也存在一定的局限性。

1.3 WDM+集成OTN 電層集中交換結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在同一系統(tǒng)硬件中,將OTN 電層交叉集中調(diào)度交換設(shè)備集成到WDM 系統(tǒng)接口上,作為提供集中交換功能的模塊。這種模塊化設(shè)置不僅能夠保留OTN 電層集中交換的全部功能,同時(shí)還能減少空間占用,用集成板代替復(fù)雜電路,縮短了通信距離、提高了通信效率,這種結(jié)構(gòu)稱為“WDM+集成OTN 電層集中交換結(jié)構(gòu)”,見圖3。

圖3 WDM+集成光交換結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖3 可知,該結(jié)構(gòu)將WDM 傳輸功能與OTN電層交換功能進(jìn)行了整合,使兩者可以存在于相同的硬件系統(tǒng),這樣就不必使用短距離光纖連接兩種設(shè)備,對進(jìn)一步縮小機(jī)架體積、減少能源消耗有積極幫助[2]。是更適合鐵路通信網(wǎng)絡(luò)這類多節(jié)點(diǎn)、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的一種結(jié)構(gòu)。

2 鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中OTN 交換技術(shù)應(yīng)用的可行性

2.1 仿真場景與節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

為驗(yàn)證OTN 交換技術(shù)在鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的可行性,設(shè)計(jì)了一個(gè)包含18 個(gè)節(jié)點(diǎn)、共計(jì)24 條鏈路的通信網(wǎng)絡(luò),并使用“WDM+集成OTN 電層集中交換結(jié)構(gòu)”。該網(wǎng)絡(luò)中每1 條鏈路均采用雙向光纖,最大傳輸速率為10 GB/s。仿真試驗(yàn)中設(shè)置兩種交換場景,一種是無OTN 交換的傳統(tǒng)場景,另一種是有OTN 交換的場景。兩種場景的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 兩種場景下的節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

結(jié)合圖4 可知,兩種場景在節(jié)點(diǎn)數(shù)、鏈路數(shù)等方面保持一致,消除無關(guān)變量的影響,唯一區(qū)別在于是否包含OTN 交換功能。在有OTN 交換的場景中,可以借助于OTN 交換技術(shù),將光信道數(shù)據(jù)單元ODU 轉(zhuǎn)變成WDM網(wǎng)絡(luò),然后提供帶寬整合等相關(guān)功能。這樣一來,形成的WDM網(wǎng)絡(luò)可以顯著提高通信速率,降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率。另外,基于OTN 交換技術(shù)的場景構(gòu)建,可以沿用傳統(tǒng)場景中的大部分硬件,因此轉(zhuǎn)換操作的成本較低。

相比于傳統(tǒng)場景,具有OTN 交換技術(shù)的場景新增了以下關(guān)鍵設(shè)備：（1） 波長選擇開關(guān)（WSS）。其功能是將輸入端WDM信號中的任意波長組合輸出到對應(yīng)的輸出端口上,與普通的光開關(guān)相比,WSS 的特點(diǎn)之一在于具有波長選擇性,通過靈活組合波長讓W(xué)DM設(shè)備的組網(wǎng)能力實(shí)現(xiàn)最大化[3]；（2） 光放大器（OA）。光信號在傳輸期間,隨著傳輸距離的遞增,其衰減越明顯,并且在衰減到一定程度后,接收機(jī)將無法正常接收光信號,從而導(dǎo)致通信中斷。在鐵路WDM系統(tǒng)中安裝光放大器,可以放大光信號,相當(dāng)于發(fā)揮了中繼站的作用,保證接收器能夠正常接收光信號,維持通信正常[4]；（3） 光交叉連接（OXC）。在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中,使用OXC 能夠提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性能,適合應(yīng)用在鐵路光傳輸網(wǎng)絡(luò)這類大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中。

2.2 兩種場景下網(wǎng)絡(luò)性能對比

2.2.1 性能指標(biāo)的選擇與計(jì)算

本次試驗(yàn)中分別選取了平均阻塞率和JFI 指數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的性能。具體算法如下：

（1） 平均阻塞率的計(jì)算。系統(tǒng)初始化,將輔助矩陣（ATM）中的所有制均復(fù)位為0；計(jì)算業(yè)務(wù)源節(jié)點(diǎn)（AS）與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（AD）之間的最短路徑,并確定AD。將AD 作為下一個(gè)活動(dòng)的業(yè)務(wù)源節(jié)點(diǎn),并將改業(yè)務(wù)的需求加入到ATM矩陣中。執(zhí)行一個(gè)判斷程序“AD=該業(yè)務(wù)最終目標(biāo)節(jié)點(diǎn)？”如果判斷為否,則使“AS=AD”,并返回上一程序重新尋找AD,直到判斷結(jié)果為是,則輸出ATM。然后計(jì)算所有最短路徑中,業(yè)務(wù)需求不滿足的情況在總業(yè)務(wù)需求中的占比,即為阻塞率。

（2） JFI 指數(shù)。該指數(shù)是判斷網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡性的重要指標(biāo),而負(fù)載均衡又直接影響鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性。適當(dāng)提高JFI 指數(shù),能夠使網(wǎng)絡(luò)中的一些主要鏈路具有更快的通信速率,避免流量過于集中而發(fā)生阻塞甚至是崩潰的情況[5]。該指數(shù)的取值范圍為[0,1],當(dāng)JFI 指數(shù)無限接近于1 時(shí),表示多條鏈路之間的情況接近,此時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)性能的對比結(jié)果

在無ONT 交換的傳統(tǒng)場景和有OTN 交換的場景中,鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的平均阻塞率仿真試驗(yàn)結(jié)果見圖5。結(jié)合圖5 可以發(fā)現(xiàn),在流量負(fù)載500～1 000 Erlang的區(qū)間范圍內(nèi),OTN 交換場景的阻塞率要低于傳統(tǒng)場景；并且流量負(fù)載越低的情況下,兩者的差距越明顯,說明在低流量負(fù)載時(shí),OTN 交換技術(shù)在提高鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸速率方面發(fā)揮了顯著作用。分析其原因,OTN 交換技術(shù)可以將許多低速率的業(yè)務(wù)加以整合,使其在相同的波長上實(shí)現(xiàn)同步傳輸,這樣既可以顯著降低對帶寬資源的占用,同時(shí)又能使網(wǎng)絡(luò)的平均阻塞率進(jìn)一步降低。另外,隨著網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載的升高,網(wǎng)絡(luò)中以大顆粒度為主的業(yè)務(wù)比例也相應(yīng)的提升。這種情況下OTN 交換技術(shù)能夠整合的業(yè)務(wù)數(shù)量相應(yīng)下降,提升鐵路通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的效果被削弱,但是從整體上來看仍然優(yōu)于無OTN 交換的傳統(tǒng)場景。在無ONT 交換的傳統(tǒng)場景和有OTN 交換的場景中,鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的JFI 指數(shù)仿真試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖5 兩種場景下的平均阻塞率

圖6 兩種場景下的JFI 指數(shù)

結(jié)合上文分析,JFI 指數(shù)通過影響網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均衡性,間接決定了鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況,兩者之間屬于正相關(guān)。即JFI 指數(shù)越高（接近于1）,則網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越均衡,相應(yīng)的各條鏈路的通信速率越高,發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞的概率越小。從圖6 可以看出,在低流量負(fù)載時(shí),兩種場景的JFI 指數(shù)沒有明顯差異。在流量負(fù)載為500 Erlang 時(shí),傳統(tǒng)場景的JFI 指數(shù)為46%,而有OTN交換的場景其JFI 指數(shù)為47%,在流量負(fù)載為560 Erlang 時(shí),兩者的JFI 指數(shù)達(dá)到相同。之后隨著鐵路通信網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載的增加,兩種場景的JFI 指數(shù)呈現(xiàn)出明顯變化。在流量負(fù)載達(dá)到1 000 Erlang 時(shí),傳統(tǒng)場景的JFI 指數(shù)為78.4%,而有OTN 交換的場景,其JFI指數(shù)達(dá)到了90.6%,兩者相差了12.2%。這一數(shù)據(jù)說明在流量負(fù)載越高的情況下,OTN 交換技術(shù)的應(yīng)用效果越顯著。

3 結(jié)論

為了更好地滿足鐵路運(yùn)行與服務(wù)需求,鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍更大、組成結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜,這種情況下如何提升鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的通信速率,保證前端信息的及時(shí)傳遞和終端指令的同步下達(dá),就成為必須要考慮的問題。OTN 交換技術(shù)具有容量大、速度快、配置要求低、故障自動(dòng)恢復(fù)等一系列特點(diǎn),將該技術(shù)應(yīng)用到鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中,將會(huì)顯著改善網(wǎng)絡(luò)性能,有效避免集中訪問情況下網(wǎng)絡(luò)阻塞甚至是癱瘓的情況。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,應(yīng)用了OTN 交換技術(shù)的場景,無論是在阻塞率還是JFI 指數(shù)上,均明顯優(yōu)于無OTN 常規(guī)場景,說明OTN 交換技術(shù)在提升鐵路通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速率方面確實(shí)發(fā)揮了顯著效果,具有實(shí)用價(jià)值。