基于ASON和SDH的高速公路傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型應(yīng)用研究

作者簡介：

黃科強(qiáng)（1986—），助理工程師，主要從事高速公路機(jī)電設(shè)備維護(hù)工作。

文章為了優(yōu)化高速公路傳輸網(wǎng)絡(luò)，規(guī)劃了基于ASON技術(shù)的高速公路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了高速公路通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)容量、保護(hù)方式等，構(gòu)建得到成本經(jīng)濟(jì)性較佳的模型。研究表明，和相同級(jí)別的傳統(tǒng)SDH/MSTP設(shè)備相比，ASON網(wǎng)絡(luò)具有更大容量的交換性能以及更強(qiáng)大的交叉能力，可提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，并降低初期的投資費(fèi)用。同時(shí)，ASON簡化了業(yè)務(wù)開通過程，減少了維護(hù)人員的投入，還能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)更新，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

ASON；SDH；高速公路；傳輸網(wǎng)絡(luò)；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U491.1+3 A 53 167 4

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)也取得了較大的進(jìn)步。其中，高速公路是當(dāng)前陸路交通中使用頻率最高、參與人數(shù)最多的交通方式之一。為促進(jìn)高速公路的發(fā)展，提高公眾出行的服務(wù)質(zhì)量，規(guī)范高速公路的建設(shè)和管理，對(duì)高速公路通信系統(tǒng)建設(shè)提出了更多要求［1］。高速公路通信系統(tǒng)的核心是干線網(wǎng)絡(luò)，干線網(wǎng)絡(luò)的配置、體制等對(duì)高速公路的通信具有重要影響，也關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的效率。傳統(tǒng)的同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）和多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）等架構(gòu)，缺乏科學(xué)精準(zhǔn)的路由組織、帶寬測(cè)算，可能造成帶寬浪費(fèi)、重復(fù)開發(fā)、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)困難、設(shè)備選型不匹配、后期維護(hù)困難等問題。在智能網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)下，和傳統(tǒng)基于SDH的環(huán)狀路由相比，未來干線業(yè)務(wù)路由多樣性、迂回性和復(fù)雜性等問題突顯，傳統(tǒng)的規(guī)劃技術(shù)已不再適用［2］。自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（Automatically Switched Optical Network，ASON）作為一種升級(jí)網(wǎng)絡(luò)，在靈活性方面得到了較大提高，能夠自動(dòng)設(shè)置路由，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能檢測(cè)并自動(dòng)恢復(fù)，表明光傳輸網(wǎng)絡(luò)取得了巨大進(jìn)步。一般情況下，高速公路的建設(shè)會(huì)使通信網(wǎng)絡(luò)同步延伸，將利于區(qū)域路網(wǎng)的建設(shè)和加密，這將促進(jìn)通信系統(tǒng)適應(yīng)并滿足復(fù)雜多變的通信條件［3］。本次研究利用ASON對(duì)高速公路傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，旨在促進(jìn)高速公路通信系統(tǒng)的進(jìn)一步建設(shè)，滿足日益復(fù)雜的高速公路通信需求。

1 基于ASDH的高速公路傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

1.1 基于SDH改進(jìn)的ASON網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的光傳輸網(wǎng)絡(luò)存在許多問題，如SDH環(huán)網(wǎng)不利于網(wǎng)絡(luò)拓展［4］，無法滿足服務(wù)質(zhì)量，網(wǎng)管效率低等。ASON網(wǎng)絡(luò)是指具備自動(dòng)交換功能的光網(wǎng)絡(luò)，目的是能夠在未來實(shí)現(xiàn)從任一目的地到對(duì)端的全自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)，其主要是在當(dāng)前的光網(wǎng)絡(luò)中引入控制層面，完成對(duì)光網(wǎng)絡(luò)資源的靈活控制。和傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)只具備傳輸和管理平面不同，ASON網(wǎng)絡(luò)一般具有控制、管理和傳送三個(gè)平面。ASON網(wǎng)絡(luò)還具備有光交叉連接設(shè)備，該設(shè)備將會(huì)為光網(wǎng)絡(luò)增加靈活性功能，完成對(duì)復(fù)雜網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的組建。ASON網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)具有重要意義，能夠在光層面實(shí)現(xiàn)基于快速路由的保護(hù)和恢復(fù)功能。

ASON在傳統(tǒng)光傳輸網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重大升級(jí)。在光層面，不對(duì)基礎(chǔ)元器件作較大的變動(dòng)，反而在控制結(jié)構(gòu)上引入新層面：（1）在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，為了豐富網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加大了支持網(wǎng)格網(wǎng)（Mesh Network，MESH）網(wǎng)絡(luò)的力度，使網(wǎng)絡(luò)的延展性有所提高。（2）路由功能能夠在控制層面得到充分實(shí)現(xiàn)，并提供靈活可靠的服務(wù)，從整體上使網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)具有較強(qiáng)的保護(hù)能力。ASON的網(wǎng)元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，ASON網(wǎng)元結(jié)構(gòu)包括信令協(xié)議、路由協(xié)議和鏈路管理協(xié)議，還包含網(wǎng)元通信控制系統(tǒng)、線路接口和業(yè)務(wù)交叉平面。其中，線路接口和業(yè)務(wù)交叉平面連接著控制鏈路通道、管理鏈路通道和業(yè)務(wù)鏈路通道。引入ASON技術(shù)能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)整體功能，可以自主發(fā)現(xiàn)資源和拓?fù)?，且?duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行快速響應(yīng)和修改。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，依然具備回復(fù)業(yè)務(wù)的能力，且網(wǎng)絡(luò)資源利用率gt;50%，具有帶寬點(diǎn)播等增值業(yè)務(wù)。

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)作為ASON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典類型之一，在傳輸效率方面和其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，速度更快、效果更優(yōu)，同時(shí)還可以和真實(shí)的光纖鋪設(shè)路徑更加接近［5］。針對(duì)制約保護(hù)的問題，SDH網(wǎng)絡(luò)需要提前留出一半以上的帶寬，而網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)沒有這一限制，且在增加業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)時(shí)也不需要對(duì)業(yè)務(wù)配置進(jìn)行重新規(guī)劃。

通常情況下，路由能夠通過網(wǎng)絡(luò)的方式將信息從源傳遞到目的地，然而SDH網(wǎng)絡(luò)缺少路由系統(tǒng)，一般利用人工規(guī)劃完成端到端業(yè)務(wù)的調(diào)配，并且還需要對(duì)保護(hù)時(shí)隙進(jìn)行手動(dòng)配置，因此當(dāng)運(yùn)行的業(yè)務(wù)量很大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致故障排除和測(cè)試的工作量巨大［6］。ASON節(jié)點(diǎn)可以支持多種域間路由，還利于劃分區(qū)域的管理模式，達(dá)到域內(nèi)管理靈活方便的目標(biāo)。同時(shí)，智能路由能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)，并可以快速建立業(yè)務(wù)和自動(dòng)倒換故障。利用ASON技術(shù)構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ASON技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要包括干線傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、業(yè)務(wù)保護(hù)和管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用規(guī)劃三方面。在ASON干線傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程中，應(yīng)該注意堅(jiān)持相關(guān)原則，如接入網(wǎng)布設(shè)原則、交換網(wǎng)布設(shè)原則和智能化逐步演進(jìn)原則［7］。為了保證節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間良好的連通性，應(yīng)注重并加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的合理規(guī)劃。通常情況下，在剛開始建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的過程中，每增加一次連通度，網(wǎng)絡(luò)成本和復(fù)雜度都會(huì)提高。因此，“同溝不同纖”成為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)光纜設(shè)置的新方式，可避免因?yàn)楣饫|的斷裂而導(dǎo)致其他鏈路中斷的情況［8］。

ASON支持的域間路由具有較好的保密性，能對(duì)其他域進(jìn)行信息隱藏，并減少路由信息較多對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來的負(fù)擔(dān)。在選擇ASON的節(jié)點(diǎn)過程中，干線傳輸節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間存在著中繼段衰減，如果設(shè)備技術(shù)不能滿足要求，需要注意在路段中間增加中繼方式進(jìn)行保護(hù)，以處理存在的問題，并保證技術(shù)的順利運(yùn)行。此外，在面向ASON網(wǎng)絡(luò)更新的過程中，需要及時(shí)有效地篩選出目前不滿足要求的設(shè)備，并完成對(duì)主要設(shè)備的升級(jí)更新。

ASON的產(chǎn)生滿足了光傳輸網(wǎng)對(duì)智能化和自動(dòng)化的需求，且在不需要人為管理和控制的情況下，ASON技術(shù)能夠通過對(duì)平面的控制，提供動(dòng)態(tài)連接的能力［9］，并且能夠滿足不同類型業(yè)務(wù)的要求，為用戶搭建一條符合要求的網(wǎng)絡(luò)通信道路。

1.2 高速公路傳輸網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)性建模

一般正常情況下，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、耗損和建設(shè)費(fèi)用相對(duì)較小，通常在規(guī)劃節(jié)段不予考慮，故此次的高速公路傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型中主要考慮網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。假定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇楹瘮?shù)G（V，F(xiàn)），其中V為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集合；F為網(wǎng)絡(luò)的鏈路集合；｜F｜用于說明全網(wǎng)鏈路數(shù)量；W和｜W｜分別用于說明單纖波長的集合和單纖波長的總數(shù)［10］；C（G）為全網(wǎng)總建設(shè)成本；CV（G）用于描述全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總建設(shè)成本；CF（G）為全網(wǎng)鏈路總建設(shè)成本，則優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以表示為minC（G），且三者之間的關(guān)系可以表示為式（1）：

C（G）=CF（G）+CV（G）（1）

fij∈F（i，j∈V），fij用于描述光纖的長度，α表示鏈路成本的權(quán)重因子，故CF（G）能夠表示為式（2）：

CF（G）=αfij∈Fd（fij）（2）

全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總建設(shè)成本CV（G）主要包括網(wǎng)絡(luò)容量分配成本系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)安全性成本系統(tǒng)。CV（G）可以表示為式（3）：

CV（G）=CCapV（G）×CSecV（G）（3）

式中：CCapV（G）——用于描述網(wǎng)絡(luò)容量分配子系統(tǒng)；

CSecV（G）——網(wǎng)絡(luò)安全性子系統(tǒng)函數(shù)［11］。

該公式已簡化了研究結(jié)果，只需要考慮一般約束條件。假設(shè)D1是業(yè)務(wù)源、宿節(jié)點(diǎn)間的最短路；D2表示次短路；HOP（）表示路徑跳數(shù)計(jì)數(shù)函數(shù)；i表示業(yè)務(wù)ID；Treq為業(yè)務(wù)i的業(yè)務(wù)需求，也就是多少個(gè)VC4。CCapV（G）的表達(dá)式如（4）所示：

C2=αHopDi1+HopDi2+βTireq（4）

為了便于計(jì)算，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性子系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行簡化，得到一個(gè)相對(duì)簡單的判斷開關(guān)函數(shù)。如果該判斷開關(guān)函數(shù)符合規(guī)劃目標(biāo)的安全要求，賦值為1；不符合則賦值為0［12］。假設(shè)f能夠取值為1或者0，那么CSecV（G）的表達(dá)式如（5）所示：

CSecV（G）=f（P）（5）

綜合上述各項(xiàng)成本，能夠得到全網(wǎng)的總建設(shè)成本，表達(dá)式如（6）所示：

C（G）=αfij∈Fd（fij）+{α{HopDi1+HopDi2}+βTireq}×f（P）（6）

將網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本設(shè)置為目標(biāo)函數(shù)，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞葪l件的基礎(chǔ)上，分析干線傳輸網(wǎng)絡(luò)的最佳規(guī)劃問題。整體規(guī)劃建模流程如圖3所示。

經(jīng)過對(duì)高速公路傳輸干線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化處理，可以獲得一個(gè)滿意的流程處理結(jié)果。該結(jié)果不僅可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的科學(xué)分配，還能滿足安全保護(hù)條件。通過圖3可以看出，該流程需要確定網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃目標(biāo)，比如網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)安全性的兩者的優(yōu)先問題。通過整體情況對(duì)分配結(jié)果進(jìn)行考慮、分析，以獲得滿足全網(wǎng)的最佳規(guī)劃目標(biāo)，并讓輸出結(jié)果能夠?qū)θW(wǎng)的結(jié)構(gòu)、帶寬分配等進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化［13］。

2 優(yōu)化模型仿真分析

由于網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議之間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)日益增多，企業(yè)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)壓力也隨之加大，使傳統(tǒng)的SDH光傳送網(wǎng)在建設(shè)和維護(hù)等方面都得到了較大的提升。鑒于國內(nèi)當(dāng)前的高速公路網(wǎng)絡(luò)中ASON網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的案例較少，利用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，對(duì)高速公路通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)管過程中存在的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)同等級(jí)的SDH/MSTP和ASON單點(diǎn)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

ASON網(wǎng)絡(luò)能夠降低設(shè)備等方面的投資費(fèi)用，因?yàn)锳SON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠向下兼容，故具有SDH/MSTP設(shè)備的功能。和相同級(jí)別的傳統(tǒng)設(shè)備相比，ASON網(wǎng)絡(luò)的交換性能的容量更大，且其交叉能力也大大強(qiáng)于傳統(tǒng)的SDH。通過圖4可以看出，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能夠加載ASON網(wǎng)絡(luò)的功能，故ASON網(wǎng)絡(luò)和一般的SDH/MSTP設(shè)備價(jià)格差距不大，但是ASON網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際交換能力卻大大優(yōu)于傳統(tǒng)的SDH/MSTP設(shè)備，能夠有效規(guī)避SDH網(wǎng)絡(luò)因?yàn)楹诵墓?jié)點(diǎn)設(shè)備擴(kuò)容而產(chǎn)生堆疊的問題，并有效降低建設(shè)初始階段的投資費(fèi)用。同時(shí)，比較ASON網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)可以發(fā)現(xiàn)，前者具有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)ASON網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)越來越多時(shí)，將會(huì)減少對(duì)應(yīng)的跨環(huán)節(jié)點(diǎn)，即利于降低整體的投資成本。除此之外，還能夠降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。對(duì)傳統(tǒng)SDH/MSTP和ASON網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的SDH/MSTP網(wǎng)絡(luò)需要預(yù)留更多帶寬資源才能保障數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS，而ASON網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的變化情況進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)的能力，可以充分合理地對(duì)自身具備的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行利用，也就是說，ASON網(wǎng)絡(luò)不用事先留出充足的帶寬。除此之外，SDH網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)方式比較單一，通常需要占用全網(wǎng)資源的一半。針對(duì)這一現(xiàn)狀，ASON網(wǎng)絡(luò)打破了該規(guī)律，并大大提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。除此之外，物理設(shè)備方面的資本投入還得到了降低。ASON網(wǎng)絡(luò)還可以更好地適應(yīng)動(dòng)態(tài)電路需求，可以通過判斷高速公路通信網(wǎng)絡(luò)中不同業(yè)務(wù)類型，靈活合理地分配保護(hù)方式，并賦予其他級(jí)別的保護(hù)方式。

ATamp;T是業(yè)界最早嘗試使用ASON的電信運(yùn)營商之一，其骨干網(wǎng)上的ASON節(jié)點(diǎn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)＞150個(gè)，且運(yùn)行時(shí)間＞5年。結(jié)合資料對(duì)其SDH/MSTP與ASON的運(yùn)維人員和維護(hù)效率進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。

傳統(tǒng)的SDH網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化和維護(hù)完全依賴人工，使人力和財(cái)力成本較高，效率低下。而ASON簡化了業(yè)務(wù)開通過程，具有自動(dòng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、即時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)資源等特點(diǎn)，在提高效率的同時(shí)，還減少了維護(hù)人員的投入。除此之外，ASON還能夠自動(dòng)更新數(shù)據(jù)，保證準(zhǔn)確性，消除了人工介入可能帶來的錯(cuò)誤隱患。結(jié)合圖5可以看出，在運(yùn)維人員配置方面，ASON較SDH/MSTP減少了41.1%左右；在維護(hù)效率方面，ASON較SDH/MSTP提高了18.9%左右，這說明運(yùn)用ASON技術(shù)能夠減少維護(hù)成本。

3 結(jié)語

由于對(duì)高速公路通信網(wǎng)絡(luò)的要求越來越高，加上網(wǎng)絡(luò)智能化的現(xiàn)象越來越普遍，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要注重建設(shè)更加優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。本文通過研究發(fā)現(xiàn)，與相同級(jí)別的傳統(tǒng)SDH/MSTP設(shè)備相比，ASON網(wǎng)絡(luò)具有更大的交換性能和更強(qiáng)的交叉能力，能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率并降低初期的投資費(fèi)用。同時(shí)，ASON簡化了業(yè)務(wù)開通過程，減少了維護(hù)人員的投入，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)更新，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。綜上所述，ASON技術(shù)能夠減少建設(shè)成本和維護(hù)成本，并提升通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

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收稿日期：2022-10-10