董 寧，孫 強(qiáng)

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

近年來，隨著鐵路運(yùn)量的不斷增長，以及諸如綜合視頻監(jiān)控等高帶寬需求的業(yè)務(wù)日益普及，鐵路網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量也不斷增大[1]。因此，鐵路通信網(wǎng)絡(luò)面臨著巨大壓力，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要滿足新增的容量需求。中國鐵路通信網(wǎng)絡(luò)包括核心層、匯聚層和接入層，其中匯聚層仍部署有大量的DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)設(shè)備。針對這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行升級改造，勢必會(huì)帶來成本和運(yùn)營支出的上升，這些都將會(huì)影響到鐵路利潤。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)升級還要考慮能源因素，大量的新增設(shè)備必然會(huì)導(dǎo)致電力負(fù)擔(dān)加重，同時(shí)會(huì)增加溫室氣體的排放，影響環(huán)境。在這種情況下，鐵路通信網(wǎng)絡(luò)要在保障鐵路信息可靠傳輸?shù)那疤嵯?，通過提高網(wǎng)絡(luò)資源(例如：頻譜、設(shè)備和能量等)的利用效率，最終達(dá)到網(wǎng)絡(luò)可靠性和有效性的平衡。

現(xiàn)有鐵路匯聚層網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的技術(shù)核心是波分復(fù)用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)。不斷增長的流量需求對傳輸網(wǎng)絡(luò)的影響是最大的，而能有效提高網(wǎng)絡(luò)容量的簡單辦法就是部署高速的WDM系統(tǒng)，例如100 G WDM[2]。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，這類高速光傳輸系統(tǒng)除了頻譜效率的明顯提高外，還能降低成本和每比特傳輸?shù)哪芰肯摹５沁@些潛在優(yōu)勢可能會(huì)受到以下因素的限制：帶寬的過度供應(yīng)導(dǎo)致的資源利用率不足；較高傳輸速率的負(fù)面影響。首先，如果客戶端的傳輸速率遠(yuǎn)低于線路側(cè)的傳輸速率，那么應(yīng)答器TSP的容量提升反而導(dǎo)致利用率的降低。其次實(shí)際中單個(gè)用戶或?qū)嶓w很難單獨(dú)產(chǎn)生高達(dá)Gbit/s量級的信息。最后，這些系統(tǒng)往往采用例如16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的高階調(diào)制。這需要很高的光信噪比OSNR(Optical Signal Noise Ratio)，才能保障接收端成功恢復(fù)信息，即越高階的調(diào)制要求的OSNR越高。因此，這類高速光傳輸系統(tǒng)對物理損傷的敏感度很高，并且長距離傳輸?shù)目尚行暂^差。

伴隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路系統(tǒng)中的各種業(yè)務(wù)對鐵路傳輸網(wǎng)的依賴程度越來越高，因此安全性對于鐵路網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的常用辦法是提供冗余備份，從而避免網(wǎng)絡(luò)的中斷，但是其缺點(diǎn)在于降低了網(wǎng)絡(luò)效率。一方面，冗余保護(hù)需要復(fù)制網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行保護(hù)，降低了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。另一方面，鏈路的保護(hù)路徑有可能增加傳輸?shù)木嚯x，這對于像100 G WDM這類高速光傳輸系統(tǒng)顯然是不利的。

OTN(Optical Transport Network)交換技術(shù)通過切換光信道數(shù)據(jù)單元ODU(Optical Channel Data Unit)來提供靈活的帶寬管理功能。在節(jié)點(diǎn)上安裝OTN交換矩陣(由ODU-XC板實(shí)現(xiàn))可實(shí)現(xiàn)不同容量的子波長梳理和ODUk交叉連接(k=0,1,2,2e,3,4或flex)。OTN交換功能允許將客戶端與WDM傳輸接口進(jìn)行接耦。傳統(tǒng)的WDM網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)波長內(nèi)和波長之間的子波長梳理，即任何業(yè)務(wù)都需要在接收端將波長解復(fù)用來還原發(fā)送端信號。而OTN交換技術(shù)的優(yōu)勢在于可以明顯提高帶寬資源的利用率，還能實(shí)現(xiàn)無需修改硬件的平滑升級。目前針對該技術(shù)的研究工作較為廣泛，如文獻(xiàn)[3]提出一種“梳理指數(shù)”，并用其評估OTN交換為網(wǎng)絡(luò)流量帶來的提升。文獻(xiàn)[4]分析了OTN交換對頻譜利用率的提升，指出OTN交換減少了客戶端端口的數(shù)量。文獻(xiàn)[5]分析了在兩個(gè)100 Gbit/s光網(wǎng)絡(luò)中引入OTN交換對WDM層上的影響。文獻(xiàn)[6]研究得出OTN交換可以提高網(wǎng)絡(luò)效率和操作易用性，通過評估幾個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò)和流量模型，得出結(jié)論：OTN交換并非通過物理拓?fù)涠峭ㄟ^流量模式實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢最大化。目前數(shù)據(jù)增長的趨勢使得多層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及架構(gòu)選擇至關(guān)重要，文獻(xiàn)[7]重點(diǎn)介紹了采用OTN交換和靈活線路接口的組合如何能最大限度地優(yōu)化傳統(tǒng)技術(shù)。

1 OTN交換

OTN交換技術(shù)旨在解決流量迅速增長引起的帶寬擴(kuò)展問題，具有高性價(jià)比、高靈活性和易于部署等優(yōu)點(diǎn)。OTN交換技術(shù)已經(jīng)逐漸在世界各地的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用，為融合的光傳輸網(wǎng)絡(luò)提供子波長切換。

1.1 節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

OTN交換功能的實(shí)現(xiàn)依賴于OTN線路板和支路板之間的ODU-XC(光信道數(shù)據(jù)單元交叉連接)，見圖1。節(jié)點(diǎn)由若干個(gè)波長選擇開關(guān)WSS(Wavelength Selective Switch)組成。WSS的數(shù)量取決于節(jié)點(diǎn)中輸入和輸出的光纖數(shù)量(即節(jié)點(diǎn)數(shù)N)，并且WSS還包含一組光放大器OA(Optical Amplifier)。光放大器的作用是補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)輸入和輸出處的光纖損耗、插入損耗等。組波交換MCS(Multicast Switch)處理上下行光信號，同放大器陣列一起補(bǔ)償由插入ODU-XC引起的潛在損耗。

圖1 OTN交換結(jié)構(gòu)

1.2 OTN交換效果示例

圖2(a)表示傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，不具有OTN交換功能；圖2(b)中是具有OTN交換功能的節(jié)點(diǎn)。在圖2中網(wǎng)絡(luò)內(nèi)提供的三項(xiàng)業(yè)務(wù)分別是A到B、A到D、B到C，每項(xiàng)業(yè)務(wù)均考慮其工作路徑WP(Working Path)和保護(hù)路徑PP(Protection Path)[8]。

圖2(b)中OTN交換能夠?qū)⒛康牡夭煌男盘枀R聚在同一條光通路中進(jìn)行傳輸。圖2(b)中C和D之間，光通路內(nèi)包括傳輸業(yè)務(wù)1的工作路徑WP1和業(yè)務(wù)3的保護(hù)路徑PP3。另外OTN交換的優(yōu)勢在于能夠保障工作路徑和保護(hù)路徑鏈路分離[9-10]。在應(yīng)用OTN交換后可以減少鏈路的頻譜占用，從而提高頻譜利用率。從圖2中還可以看出OTN交換能減少線路板的數(shù)量，而新加ODU-XC板的成本較低，能量消耗較少，因此加入OTN交換還能降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的總成本和能量消耗。

圖2 OTN交換效果示例

2 建模場景及參數(shù)設(shè)置

2.1 建模場景

本研究基于具有40、100、200和400 Gbit/s混合線路速率傳輸?shù)腤DM網(wǎng)絡(luò)。為了得到OTN交換對網(wǎng)絡(luò)的提升效果，將具有OTN交換的場景與不具備該功能的傳統(tǒng)場景進(jìn)行對比。為了切合鐵路實(shí)際情況，選取某鐵路集團(tuán)公司下轄的多個(gè)部分實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥鳛檠芯繄鼍埃妶D3。場景1中包括12個(gè)節(jié)點(diǎn)和14條雙向鏈路，并放置24個(gè)光放大器。場景2中包括8個(gè)節(jié)點(diǎn)和11條雙向鏈路，并放置18個(gè)光放大器。場景3中包括10個(gè)節(jié)點(diǎn)和15條雙向鏈路，并放置27個(gè)光放大器。為方便研究，假設(shè)該場景下每條鏈路為單條光纖并且損壞后無法再生。

圖3 3個(gè)研究場景的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.2 網(wǎng)絡(luò)中的器件及各項(xiàng)參數(shù)

2.2.1 應(yīng)答器TSP

本研究中采用4種性能的應(yīng)答器：40、100、200和400 Gbit/s。通過查閱相關(guān)設(shè)備商的資料并參考文獻(xiàn)[11]中的數(shù)據(jù)，表1中給出了這4種應(yīng)答器的調(diào)制方式、能量消耗和成本參數(shù)。為方便計(jì)算，成本的單位定義為單位成本CU。

表1 應(yīng)答器的各項(xiàng)參數(shù)

2.2.2 光放大器OA

為保障網(wǎng)絡(luò)中光信號的傳輸質(zhì)量，現(xiàn)有的鐵路光傳輸網(wǎng)絡(luò)中通常會(huì)在鏈路和節(jié)點(diǎn)中放置摻鉺光纖放大器EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)，其優(yōu)點(diǎn)是可以直接對光信號進(jìn)行放大，無需光電、電光轉(zhuǎn)換等復(fù)雜過程，尤其適用于長距離光通信的中繼放大。所以光放大器是網(wǎng)絡(luò)場景中的重要元件，在計(jì)算成本和能量效率時(shí)需要進(jìn)行考慮。每個(gè)EDFA的成本為1CU，每個(gè)方向能量消耗為30 W，每個(gè)位置的線路放大器能量開銷為140 W。

2.2.3 光交叉連接OXC

光交叉連接OXC(Optical Cross Connect)應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)的輸入、輸出以及MCS模塊的上/下行階段處。依據(jù)文獻(xiàn)[11]中的成本模型，其成本值的計(jì)算公式為

(1)

式中：Cpa為前置放大器的成本，取0.8CU；Cb為光功率放大器的成本，取0.8CU；CWSS為波長選擇開關(guān)的成本，取6CU；CAA為放大器陣列的成本，取12CU；CMCS為組播交換的成本，取24CU；N為輸入和輸出的光纖數(shù)量；a為上下行光信號的數(shù)量。而OXC的能量消耗取決于N和a的值，如式(2)所示，根據(jù)前文中的OTN交換結(jié)構(gòu)，本研究中取N=4,a=8。

PCO=N85+100a+150

(2)

2.2.4 OTN交換矩陣

OTN交換矩陣位置處于線路板和支路板之間。根據(jù)單板支持的最大切換流量，該矩陣可以由一個(gè)或多個(gè)光信道數(shù)據(jù)單元交叉連接(ODU-XC)板組成。本研究中假定單個(gè)板卡的最大交換容量為1 TB，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)ODU-XC成本為18CU，能量消耗為96 W。

3 評估標(biāo)準(zhǔn)

本文中研究混合線路速率下WDM網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題，采用路由和波長分配RWA(Routing and Wavelength Assignment)算法[12-13]來評估具有和不具有OTN交換的兩種網(wǎng)絡(luò)場景性能。在混合線路速率MLR(Mixed-Line-Rate)網(wǎng)絡(luò)[14]中，可以選擇不同的線路速率組合來提供服務(wù)。本研究中算法的目的是在網(wǎng)絡(luò)中分配最大流量，并同時(shí)評估以下3個(gè)指標(biāo)：平均頻譜占用率ASO、每GHz成本效率CEPG和每GHz能量效率EEPG。

3.1 平均頻譜占用率

(3)

式中：ASO為網(wǎng)絡(luò)中鏈路的平均頻譜占用率，即C頻帶(4 000 GHz)中的占用頻譜除以總帶寬；A為占用的頻譜帶寬；B為總帶寬。

3.2 網(wǎng)絡(luò)整體的每GHz成本效率

網(wǎng)絡(luò)整體的每GHz成本效率CEPG計(jì)算公式如式(4)所示。其中總流量TT是初始業(yè)務(wù)矩陣中所有業(yè)務(wù)需求TD的總和。而總成本TC則包括網(wǎng)絡(luò)中所有的應(yīng)答器TSP、光放大器OA、光交叉連接OXC和ODU-XC板的整體成本支出，需要注意的是ODU-XC板在OTN交換場景中使用，傳統(tǒng)場景中不包括這部分的成本。

(4)

3.3 網(wǎng)絡(luò)整體的每GHz能量效率

網(wǎng)絡(luò)整體的每GHz能量效率EEPG與CEPG計(jì)算方法類似，通過網(wǎng)絡(luò)的每GHz能量效率EE和ASO的比率計(jì)算。EE是將總流量TT除以整體的能量消耗TPC。TPC是網(wǎng)絡(luò)場景中所有設(shè)備消耗的功率總和，包括TSP、OA、OXC和ODU-XC板(僅在OTN交換場景中考慮)的能量消耗。

(5)

4 模擬仿真結(jié)果

研究中分別采用3個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱鼍跋碌碾p向流量需求作為初始場景，即場景1為14個(gè)雙向流量需求，場景2為11個(gè)雙向流量需求，場景3為15個(gè)雙向流量需求。以500 Gbit/s的總體流量作為初始情況，并且最終擴(kuò)展到2 Tbit/s。本節(jié)通過計(jì)算3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡鏀?shù)據(jù)并進(jìn)行平均后，對比具有和不具有OTN交換功能的情況下ASO、CEPG和EEPG。

4.1 平均頻譜占用率

具有OTN交換功能與無該功能的ASO對比見圖4。通過應(yīng)用OTN交換技術(shù)，可以明顯減少頻譜資源的占用。頻譜占用的減少可以幫助擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的整體容量。鐵路網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)的流量較低情況下，應(yīng)答器TSP[15]的容量沒有得到有效利用。同時(shí)考慮到必須提供保護(hù)路徑，這種低效率問題就更加嚴(yán)重。OTN交換技術(shù)能夠?qū)⒍鄠€(gè)流量需求整合到相同的光通道上，這樣分配的波長數(shù)量可以明顯降低。雖然隨著流量的增長，OTN交換的優(yōu)勢將減弱。但是由于初始業(yè)務(wù)矩陣支持將長路徑分割成更小的子路徑，這樣就使得頻譜傳輸更為有效。因此OTN交換仍然可以有效減少頻譜占用。相較于傳統(tǒng)場景，OTN交換對頻譜占有的提升范圍是602%(0.5 Tbit/s時(shí))到41%(2 Tbit/s時(shí))。

圖4 平均頻譜占用率ASO

4.2 每GHz成本效率

對比網(wǎng)絡(luò)整體CEPG(圖5)，OTN交換能夠(特別是在低流量時(shí))改善CEPG。事實(shí)上當(dāng)流量較低時(shí)，OTN交換中的流量梳理可以減少TSP的數(shù)量，并且能實(shí)現(xiàn)在更高速度的TSP上傳輸，所以其相比于傳統(tǒng)場景能提供較低的成本。盡管ODU-XC板需要額外的成本支出，但是TSP所節(jié)省的成本實(shí)現(xiàn)了整體CEPG的改善。隨著流量的增長，OTN交換場景下的CEPG改善效果減弱。這是由于在高流量的情況下，應(yīng)用流量梳理的機(jī)會(huì)減少，OTN交換的應(yīng)用對TSP數(shù)量的改變不明顯，所以其成本改善的效果減弱。盡管在高流量情況下CEPG改善減弱，但是考慮到OTN交換對頻譜資源利用率的提升，其仍然是優(yōu)于傳統(tǒng)場景的網(wǎng)絡(luò)方案。相較于傳統(tǒng)場景，CEPG的提升在5%(2 Tbit/s時(shí))至607%(0.5 Tbit/s時(shí))之間。

圖5 每GHz的整體成本效率CEPG

4.3 每GHz能量效率

具有OTN交換功能的與不具有該功能的網(wǎng)絡(luò)整體EEPG對比見圖6。當(dāng)節(jié)點(diǎn)中應(yīng)用了OTN交換功能時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的EEPG可以明顯增強(qiáng)。EEPG與CEPG的結(jié)果相似：EEPG的提升在較低流量時(shí)更為明顯，在流量較高時(shí)，OTN交換場景下的EEPG改善減弱。其原因與CEPG中分析的相同，高流量時(shí)流量梳理的機(jī)會(huì)減少，并且消耗功率的TSP總數(shù)增加，從而導(dǎo)致EEPG提升效果不明顯?？紤]到OTN交換場景對頻譜占有的減少，OTN交換仍更具優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)場景，OTN交換對EEPG的提升在817%(2 Tbit/s時(shí))32%和(0.5 Tbit/s時(shí))之間。

圖6 每GHz的整體能量效率EEPG

5 結(jié)束語

鐵路網(wǎng)絡(luò)為滿足不斷增長的流量需求，正面臨著基礎(chǔ)設(shè)施升級的壓力[16]。針對鐵路匯聚層中大量的WDM設(shè)備，OTN交換能夠提高頻譜利用率、成本效率和能量效率，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)該技術(shù)只需要在現(xiàn)有光節(jié)點(diǎn)上安裝ODU-XC板，易于實(shí)現(xiàn)。本文旨在評估OTN交換為具有混合速率傳輸以及DP 1 + 1保護(hù)下的WDM網(wǎng)絡(luò)提供頻譜、成本和能量效率方面的改進(jìn)。通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，OTN交換在中低流量的情況下優(yōu)勢更為明顯，在這種情況下，應(yīng)用流量梳理可以明顯提高TSP利用率，在較低流量時(shí)相比于傳統(tǒng)場景，ASO、CEPG和EEPG分別提高了602%、607%和817%。