基于OTN技術(shù)的高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)延時優(yōu)化研究

摘要：為有效降低高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時，提高網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行效率，文章利用OTN技術(shù)，開展了高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)延時優(yōu)化研究。首先，劃分延時分析層次，識別光通信網(wǎng)絡(luò)中的延時來源；其次，利用OTN技術(shù)的強(qiáng)大功能，建立高效的光通信網(wǎng)絡(luò)保護(hù)結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)中的線路端與業(yè)務(wù)端進(jìn)行針對性優(yōu)化；最后，在此基礎(chǔ)上，采用光傳輸同步技術(shù)對光通信網(wǎng)絡(luò)中的延時進(jìn)行修正與優(yōu)化，以減少延時，提高傳輸效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用該優(yōu)化方法后，光通信網(wǎng)絡(luò)在不同業(yè)務(wù)類型及負(fù)載條件下，均表現(xiàn)出卓越的傳輸性能，傳輸延時被有效控制在1.0 ms以內(nèi)，充分滿足現(xiàn)代信息通信領(lǐng)域?qū)Ω咝?、低延時傳輸?shù)钠惹行枨蟆?/p>

關(guān)鍵詞：OTN技術(shù)；高速公路；光通信網(wǎng)絡(luò)；延時；優(yōu)化

中圖分類號：TP393""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0"引言

高速通信網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代社會不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施之一，尤其在高速公路光通信領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)延時成為直接影響交通管理效率、安全監(jiān)控實(shí)時性及緊急救援響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素。高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)，作為連接高速公路沿線各類終端與數(shù)據(jù)中心的核心橋梁，顯著特點(diǎn)在于其大帶寬、高速率傳輸以及卓越的抗干擾性能。然而，面對復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與外部干擾，光通信網(wǎng)絡(luò)的延遲問題仍不容忽視，成為制約網(wǎng)絡(luò)整體性能提升的關(guān)鍵因素之一。網(wǎng)絡(luò)延時不僅削弱了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，還可能導(dǎo)致視頻監(jiān)控畫面卡頓、交通信息更新滯后、緊急救援響應(yīng)緩慢等一系列連鎖反應(yīng)，嚴(yán)重降低了高速公路的運(yùn)營效率與安全性。因此，對高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)的延時進(jìn)行優(yōu)化研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在光通信網(wǎng)絡(luò)延時優(yōu)化領(lǐng)域取得了諸多研究成果，但針對高速公路這一特定應(yīng)用場景的深入研究尚顯不足，存在許多待完善之處。例如，李俊^［1］提出的方法在實(shí)際應(yīng)用中，會導(dǎo)致信號在傳輸路徑上頻繁經(jīng)歷光電轉(zhuǎn)換過程并伴隨信號衰減，從而增加網(wǎng)絡(luò)延時。廖俊東等^［2］提出的方法無法充分挖掘網(wǎng)絡(luò)資源的多樣性優(yōu)勢，導(dǎo)致路由選擇策略相對固定，缺乏根據(jù)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化的能力，從而限制了網(wǎng)絡(luò)性能的進(jìn)一步提升。

OTN技術(shù)通過引入光層，實(shí)現(xiàn)了光信號在物理層上的直接高效傳輸和處理，有效提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率和容量^［3］，還憑借強(qiáng)大的開銷管理能力、靈活的復(fù)用技術(shù)和完善的保護(hù)恢復(fù)機(jī)制，為高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。因此，本文利用OTN技術(shù)，開展了高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)延時優(yōu)化研究。

1"高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)延時優(yōu)化研究

1.1"識別延時來源

在優(yōu)化高速公路通信網(wǎng)絡(luò)延時的工作中，首要任務(wù)是系統(tǒng)地識別出導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延時的具體因素。這一過程涉及對網(wǎng)絡(luò)各環(huán)節(jié)的深入分析，以精準(zhǔn)定位延時產(chǎn)生的源頭。首先，確定需要研究的高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)段落或整體網(wǎng)絡(luò)范圍。收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D、設(shè)備清單、光纖鏈路信息（包括長度、類型、衰減參數(shù)等）以及光放大器配置等。其次，采用層次化的方法進(jìn)行延時分析，如圖1所示，主要從4個層次進(jìn)行延時分析：（1）物理層分析。檢查光纖的長度、衰減、色散等特性對信號傳輸速度的影響；評估EDFA、RAMAN等光放大器的增益、噪聲系數(shù)、時延特性。（2）傳輸層分析。測定光收發(fā)器（OTU）的調(diào)制速率、編碼方式及內(nèi)部處理時延；檢查傳輸協(xié)議的效率，包括幀結(jié)構(gòu)設(shè)計、同步機(jī)制、錯誤控制等方面^［4］。（3）網(wǎng)絡(luò)層分析。評估路由算法和策略對數(shù)據(jù)包傳輸路徑的選擇與優(yōu)化程度，確認(rèn)是否實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)路徑傳輸；分析網(wǎng)絡(luò)流量分布狀況，識別潛在的擁塞區(qū)域及其對延時的貢獻(xiàn)。（4）應(yīng)用層分析?？疾旄咚俟吠ㄐ畔到y(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性與效率，特別是視頻壓縮、圖像識別等應(yīng)用的處理時間；檢查不同協(xié)議間轉(zhuǎn)換所需的時間，如光信號到電信號再到應(yīng)用數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程^［5］。

最后，在每個分析層次上，利用專業(yè)的測試儀器（如光時域反射儀OTDR、光譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)測試儀等）在關(guān)鍵測試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測量并記錄關(guān)鍵參數(shù)。對收集到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，量化各環(huán)節(jié)的具體貢獻(xiàn)，形成延時來源的詳細(xì)清單。根據(jù)延時貢獻(xiàn)的大小排序，明確主要延時來源，為后續(xù)的優(yōu)化工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2"基于OTN技術(shù)建立光通信網(wǎng)絡(luò)保護(hù)結(jié)構(gòu)

在完成高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)延時來源的識別后，利用OTN技術(shù)，建立光通信網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)結(jié)構(gòu)，旨在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的線路端與業(yè)務(wù)端，提高光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率與性能。

OTN技術(shù)具備多層次架構(gòu)，包括光通道層（OCh）、光復(fù)用段層（OMS）及光傳輸段層（OTS），各層次間形成了清晰的客戶-服務(wù)關(guān)系^［6］。這一設(shè)計使得OTN能夠并行優(yōu)化光通信網(wǎng)絡(luò)的線路與業(yè)務(wù)端，確保高速傳輸?shù)耐瑫r，也能保障網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。具體而言，在OCh層，專注于OTN連接的完整性校驗(yàn)、電力大數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的評估與潛在缺陷的檢測。該層通過直接的光路橋接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了接入點(diǎn)之間的高效電力大數(shù)據(jù)傳輸并支持多種終端設(shè)備的無縫集成^［7］。OMS層則利用OMS路徑靈活地在接入點(diǎn)間傳輸光通道信號，同時賦予用戶選擇權(quán)，決定是否承載電路大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并據(jù)此靈活配置光信號資源^［8］。而OTS層則定義光通信網(wǎng)絡(luò)的物理接口參數(shù)，確保網(wǎng)絡(luò)底層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行與可靠性。

基于OTN技術(shù)的光通信網(wǎng)絡(luò)保護(hù)架構(gòu)，融合了電層與光層2大保護(hù)機(jī)制，為高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)的線路端與業(yè)務(wù)端提供雙重防護(hù)。這一分層保護(hù)技術(shù)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過以上流程，建立一個基于OTN技術(shù)的光通信網(wǎng)絡(luò)保護(hù)結(jié)構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，增強(qiáng)其穩(wěn)定性與安全性。

1.3"光通信網(wǎng)絡(luò)延時修正優(yōu)化

構(gòu)建基于OTN技術(shù)的高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)保護(hù)結(jié)構(gòu)后，在此基礎(chǔ)上，對光通信網(wǎng)絡(luò)延時進(jìn)行修正優(yōu)化，以減小延時，提高傳輸效率。

本文旨在降低高速公路數(shù)據(jù)傳輸過程中光通信網(wǎng)絡(luò)線路端的延遲，通過實(shí)施光傳輸同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。

圖3展示了在OTN技術(shù)框架內(nèi)，引入精確時間協(xié)議（PTP）以實(shí)現(xiàn)同步通信大數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。該方法利用IEEE 1588協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的帶內(nèi)開銷機(jī)制傳輸PTP同步報文，從而實(shí)現(xiàn)OTN與其下層PTN之間的端到端時間與頻率的雙重同步^［9］，顯著降低了光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲。

IEEE 1588協(xié)議定義了4種關(guān)鍵報文類型：同步報文（S）、跟隨報文（F）、延遲請求報文（D）及延遲響應(yīng)報文（R）。這些報文共同協(xié)作，確保主從時鐘的精確同步。同步過程分為2大階段：（1）時鐘偏差估算階段（Of）。通過計算主從時鐘間的差異來初步校準(zhǔn)時鐘。（2）鏈路延遲調(diào)整階段（De）。在網(wǎng)絡(luò)存在固有延遲的情況下，通過進(jìn)一步計算來補(bǔ)償這些延遲，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_同步^［10］。這2個階段緊密相連，共同確保光通信網(wǎng)絡(luò)的低延遲傳輸性能。

在高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)中，大數(shù)據(jù)流以預(yù)設(shè)的周期性方式（標(biāo)記為S）由主時鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)出并附帶預(yù)期的傳輸時間信息。選擇合適的傳輸周期t至關(guān)重要：若t過短會增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；而t過長，則可能影響同步效果，導(dǎo)致線路端傳輸延遲增加?？紤]到實(shí)際同步周期t難以與預(yù)設(shè)值完全匹配，PTP協(xié)議創(chuàng)新性地引入了附加信息報文，專門用于傳輸同步信息報文的精確發(fā)送時間戳（標(biāo)記為T_m1）。當(dāng)客戶端接收到同步信息報文C時，同時記錄下精確的接收時間（T_s1）。據(jù)此可以得出下式：

T_s1-T_m1=Of+De（1）

盡管前述計算流程能夠評估高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時波動，但在精確捕捉主從時鐘間的時鐘偏移（Of）與線路延時（De）方面仍存在局限。為了克服這一不足，采取一種優(yōu)化策略，在客戶端成功捕獲同步信息（C報文）后，會引入一個隨機(jī)延遲，據(jù)此發(fā)送延遲響應(yīng)報文R至主時鐘。在R報文的發(fā)送過程中，客戶端會精確記錄其發(fā)送時間（T_m2）。當(dāng)主時鐘接收到R報文時，同樣會精準(zhǔn)記錄接收時間（T_s2）并將此時間戳隨R報文一起返回至客戶端，以便進(jìn)行更精細(xì)的同步校準(zhǔn)。通過這些數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出下式：

T_s2-T_m2=De-Of（2）

上述表達(dá)式反映了時鐘偏移（Of）與線路延時（De）之間的差異。可以通過下式計算這2個參數(shù)：

De=（T_s1-T_m1）+（T_s2-T_m2）2

Of=（T_s1-T_m1）-De（3）

基于上述公式，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出光通信網(wǎng)絡(luò)時間同步計算公式，如下：

Of=T_sk-T_mk-De（4）

其中，T_sk表示從時鐘的時間戳；T_mk表示主時鐘的時間戳。

若以Ts表示本地時鐘在第k次同步操作之前的時間點(diǎn)，那么經(jīng)過該次同步操作后，從時鐘（即從屬時鐘）的精確時間可以依據(jù)特定的計算公式進(jìn)行更新，該公式旨在實(shí)現(xiàn)與主時鐘的同步，如下所示：

T_s′=Ts+Of（5）

利用上述公式，可以在高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)主時鐘與從時鐘的精確同步，從而有效減少光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲。

2"實(shí)驗(yàn)分析

2.1"實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)以R高速公路為研究對象，該路段的通信基礎(chǔ)設(shè)施采用一個包含6個節(jié)點(diǎn)的OTN光通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點(diǎn)間大致相隔50 km并通過標(biāo)準(zhǔn)的G.652單模光纖緊密連接，每個節(jié)點(diǎn)均配置有OTN光端機(jī)，這些設(shè)備集成了40波WDM（波分復(fù)用）技術(shù)。每一波長被設(shè)定為支持10 Gbps的傳輸速率（這是目前商用OTN系統(tǒng)常見的配置）。這意味著每個節(jié)點(diǎn)均具備高達(dá)400 Gbps的總傳輸帶寬能力。

實(shí)驗(yàn)所需的硬件配置如表1所示。

按照表1，準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所需的硬件配置，為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供有力支持。

2.2"優(yōu)化效果分析

在完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，實(shí)施了針對高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)延時優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的明確性和可信度，設(shè)計了對比實(shí)驗(yàn)框架，將本文提出的基于OTN技術(shù)的延時優(yōu)化方法作為實(shí)驗(yàn)組，同時選取李俊^［1］和廖俊東等^［2］提出的2種經(jīng)典方法作為對照組，分別標(biāo)記為對照組1和對照組2。通過對比分析這3組實(shí)驗(yàn)的延時優(yōu)化成效，全面評估本文提出方法的性能優(yōu)勢。為了模擬不同負(fù)載情況下的網(wǎng)絡(luò)性能，模擬了3種高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)典型的業(yè)務(wù)類型并設(shè)置了多個業(yè)務(wù)流量強(qiáng)度等級，如表2所示。

此次實(shí)驗(yàn)采用傳輸延時作為關(guān)鍵性能評估指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)過程中，詳細(xì)記錄并分析不同優(yōu)化方法下各種業(yè)務(wù)類型的平均傳輸延時，對比結(jié)果如圖4所示。

通過圖4的對比結(jié)果可以看出，在所有業(yè)務(wù)類型和負(fù)載情況下，本文提出的優(yōu)化方法均表現(xiàn)出最低的傳輸延時，且該延時始終保持在1.0 ms以下的優(yōu)異水平。尤其值得注意的是，在高清視頻監(jiān)控、高速數(shù)""據(jù)傳輸?shù)雀邘捫枨蟮臉I(yè)務(wù)場景中，延時降低效果更為明顯。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，所有業(yè)務(wù)的延時均有所上升，但本文優(yōu)化方法依然能夠保持較低的延時水平，這進(jìn)一步證明了本文優(yōu)化方法的有效性，能夠更好地滿足現(xiàn)代信息通信需求。

3"結(jié)語

綜上所述，基于OTN技術(shù)的高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)延時優(yōu)化研究不僅顯著提升了高速公路光通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率和傳輸效率，還極大地降低了在不同業(yè)務(wù)負(fù)載場景下的傳輸延時，為高清視頻監(jiān)控、實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸、語音通信等關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供了更為穩(wěn)定、高

效的信息傳輸橋梁。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本文提出的優(yōu)化方法相較于傳統(tǒng)方法，在降低延時方面展現(xiàn)出了更為卓越的性能，為光通信技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步與廣泛應(yīng)用注入了新的活力與動力。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入拓展，對光通信網(wǎng)絡(luò)性能的要求也將不斷提高，將進(jìn)一步優(yōu)化和完善該優(yōu)化方法的性能，實(shí)現(xiàn)更加高效、可靠、智能的傳輸服務(wù)，為人們的日常出行和交通管理提供更多便利和保障。

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（編輯"沈"強(qiáng)）

Research on delay optimization of expressway optical communication network based on OTN technology

ZHANG "Maoshuo

（LNJT ATS Technology Co.， Ltd.， Shenyang 110000， China）

Abstract： "In order to effectively reduce the transmission delay of Expressway optical communication network and improve the overall operation efficiency of the network， OTN technology is used to carry out the optimization research of Expressway optical communication network delay. Firstly， the delay analysis hierarchy is divided to identify the source of delay in the optical communication network; Secondly， using the powerful function of OTN technology， an efficient optical communication network protection structure is established to optimize the line end and service end of the network; Finally，On this basis， the optical transmission synchronization technology is used to modify and optimize the delay in the optical communication network， so as to reduce the delay and improve the transmission efficiency. The experimental results show that the optical communication network shows excellent transmission performance under different service types and load conditions， and the transmission delay is effectively controlled within 1.0ms， which fully meets the urgent demand for efficient and low delay transmission in the field of modern information and communication.

Key words： OTN technology; highway; optical communication network; delay; optimization