［蔣攀 李恩 鐘震林 李銳清 丁明吉］

1 引言

隨著信息化、智能化程度不斷提高，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的傳輸實(shí)時(shí)性、可靠性要求越來越高。目前現(xiàn)場傳感器與動(dòng)作設(shè)備之間主要通過核心骨干路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這種“光-電-光”的傳輸架構(gòu)主要在電層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理時(shí)延大，抖動(dòng)無法確定，無法保證高精度動(dòng)作設(shè)備的控制實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝出現(xiàn)偏差，大幅降低產(chǎn)品的良品率。針對工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)蜁r(shí)延問題，本文提出一種基于波長選擇開關(guān)（以下簡稱“WSS”）的光接入與交換架構(gòu)，同時(shí)搭建了具有4 個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)形MESH 網(wǎng)絡(luò)測試平臺(tái)，通過試驗(yàn)測得端到端100 km 的傳輸時(shí)延為微秒級(jí)（傳輸延時(shí)主要來源于光纖），可以滿足工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)的傳輸實(shí)時(shí)性要求。

2 軟件定義工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)（SD-TSN）架構(gòu)

軟件定義的工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用分層分面的設(shè)計(jì)模式，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自頂向下包含匯聚接入與交換層、MEC邊緣接入層與現(xiàn)場設(shè)備層。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，支持采用切片技術(shù)隔離非時(shí)敏與工業(yè)時(shí)敏業(yè)務(wù)，面向廠房車間現(xiàn)場實(shí)時(shí)協(xié)同控制、企業(yè)級(jí)管理以及企業(yè)與社會(huì)產(chǎn)業(yè)鏈的高效協(xié)作需求，構(gòu)建同時(shí)滿足大數(shù)據(jù)量交互、極低傳輸時(shí)延、高安全性、高可靠性等需求的新型工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，具體如圖1 所示。

圖1 工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

邊緣接入網(wǎng)絡(luò)是由部署在廠房車間現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和廠房車間現(xiàn)場的各類終端設(shè)備（包括嵌入wifi 終端模塊、LTE 終端模塊、工業(yè)以太網(wǎng)終端以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)模組的各類CPS設(shè)備、工業(yè)傳感設(shè)備等等）組成，主要提供車間級(jí)軟件定義綜合接入與交換、邊緣網(wǎng)絡(luò)SDN 組網(wǎng)控制、現(xiàn)場數(shù)據(jù)預(yù)處理和存儲(chǔ)服務(wù)。

匯聚層主要面向企業(yè)級(jí)云服務(wù)應(yīng)用提供時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)SDN 控制設(shè)備以及光接入與交換設(shè)備構(gòu)成匯聚傳輸層的核心設(shè)備。SDN 控制器主要部署在邏輯上獨(dú)立的控制管理網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)全域的動(dòng)態(tài)智能管理，全網(wǎng)全域軟件定義組網(wǎng)控制策略下發(fā)，可信安全系統(tǒng)的智能嵌入。

光接入與交換設(shè)備用于時(shí)敏業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)及交換，支撐SDN 控制設(shè)備的波長級(jí)資源的自動(dòng)適配，通過全光鏈路進(jìn)行匯聚交換傳輸，提供接近零延時(shí)的端到端傳輸體驗(yàn)，支撐未來遠(yuǎn)程機(jī)器人觸覺控制、特種車間環(huán)境監(jiān)控處置等高時(shí)敏業(yè)務(wù)需求。

3 光接入與交換設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案

3.1 硬件方案

光接入與交換設(shè)備的硬件方案是基于波長選擇開關(guān)（WSS）構(gòu)建的，因此波長選擇開關(guān)的選擇決定了設(shè)備的核心性能指標(biāo)，在對比了國內(nèi)外生產(chǎn)廠家的器件參數(shù)后，最終選擇finisar 公司的DWP50 作為核心交換單元。本方案旨在實(shí)現(xiàn)3 個(gè)方向的無阻塞波長交換，即輸入東向、西向、北向三路經(jīng)過波長交換后輸出到東向、西向、北向三路上，同時(shí)完成波長的上下路功能，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

由圖2 可知，光接入與交換設(shè)備主要由放大單元、無阻塞交換單元、耦合單元以及復(fù)用/解復(fù)用單元等組成。

圖2 光接入與交換設(shè)備硬件架構(gòu)

放大單元分為前置放大單元和功率放大單元。前置放大用于提高光接收機(jī)的靈敏度，一般工作于小信號(hào)或線性狀態(tài)，放大增益足夠高，噪聲系數(shù)較小。功率放大用于線路放大，可直接插入到光纖傳輸鏈路中作為光中繼放大，省去電中繼的光電光轉(zhuǎn)換過程，直接放大光信號(hào)，以補(bǔ)償傳輸線路損耗，延長中繼距離。

無阻塞交換單元（WSS）作為光接入與交換設(shè)備的核心光層處理單元，主要完成光信號(hào)的波長級(jí)調(diào)度處理及路由分配，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入合波信號(hào)軟件遠(yuǎn)程配置后，將波長進(jìn)行任意組合并在不同的輸出端口進(jìn)行輸出。

耦合單元主要完成多路光信號(hào)耦合為一路光信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

復(fù)用/解復(fù)用單元的復(fù)用單元是將多路不同波長的光信號(hào)復(fù)用到一根光纖上進(jìn)行傳輸；解復(fù)用單元是將來自各個(gè)方向的混合光信號(hào)分解為原來的多路光波長信號(hào)；對于C波段的波長而言，可達(dá)100 GHz（0.8 nm）的48 個(gè)波長和50 GHz（0.4 nm）的96 個(gè)波長，符合ITU G.694.1 國際標(biāo)準(zhǔn)。

光接入與交換設(shè)備業(yè)務(wù)流向包含波長的上下路以及波長穿通兩部分。光波長上路是指光信號(hào)經(jīng)復(fù)用單元合成為一路光信號(hào)后通過無阻塞交換單元將相應(yīng)業(yè)務(wù)波長分配到任意線路側(cè)耦合單元，最后經(jīng)功率放大單元放大后向遠(yuǎn)端傳輸?shù)倪^程；光波長下路是指將來自所有維度方向的光信號(hào)通過無阻塞交換單元進(jìn)行波長調(diào)度處理，重新組合后的光信號(hào)再經(jīng)過解復(fù)用單元分解出相應(yīng)業(yè)務(wù)波長到客戶側(cè)進(jìn)行后續(xù)接收處理的過程。波長穿通是指將來自不同方向的合波信號(hào)經(jīng)過前置放大單元進(jìn)行功率放大，無阻塞交換單元對放大后的光信號(hào)中的波長進(jìn)行任意組合后直接穿通至耦合單元繼續(xù)向后級(jí)傳輸?shù)倪^程。

由于本地上路光波長與穿通光波長之間的光功率存在差異，這種差異經(jīng)后級(jí)放大器放大后會(huì)因?yàn)楣β矢偁幊霈F(xiàn)“掉波”現(xiàn)象[3]（即某些波長消失不見），為解決這一問題，本文在控制單元中加入光功率均衡算法來控制無阻塞交換單元?jiǎng)幼鲗?shí)現(xiàn)功率動(dòng)態(tài)均衡，詳見3.3。

3.2 軟件方案

光接入與交換設(shè)備軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為單板軟件和主控單元軟件，分別安裝在各單元板上進(jìn)行，完成相應(yīng)功能，基于軟件定義的設(shè)備軟件設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

圖3 光接入與交換設(shè)備軟件架構(gòu)

設(shè)備上電后，主控單元軟件的帶內(nèi)路由加載單元自動(dòng)加載帶內(nèi)流表，打通帶內(nèi)傳輸鏈路；主控單元軟件通過Ping 包方式輪詢SDN 控制器IP，建立連接后主動(dòng)發(fā)送心跳信息與控制器完成握手。主控單元OpenFlow 協(xié)議處理模塊負(fù)責(zé)解析控制器下發(fā)的流表，并將流表存入消息隊(duì)列中，逐條取出下發(fā)至各業(yè)務(wù)單板，使單板完成相應(yīng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。光接入與交換設(shè)備軟件可通過SNMP 協(xié)議實(shí)時(shí)上報(bào)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息，為網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢動(dòng)態(tài)感知能力提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 光接入與交換設(shè)備光功率均衡設(shè)計(jì)

光接入與交換設(shè)備的放大單元具有光功率監(jiān)控功能，能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)中各單波功率實(shí)時(shí)反饋至控制單元；光接入與交換設(shè)備的無阻塞交換單元可以對輸入信號(hào)中的各單波獨(dú)立地進(jìn)行功率衰減，光功率均衡過程如圖4 所示。

圖4 光功率均衡流程

光功率均衡算法描述如下。

（1）測量基準(zhǔn)功率P1

首先通過功率放大單元獲取穿通波長和上路波長的光功率，從所有光功率值中選擇光功率最小值作為基準(zhǔn)功率P1,其余波長的功率值均向基準(zhǔn)功率P1逼近。

（2）計(jì)算衰減值及設(shè)置相應(yīng)無阻塞交換單元

將各波長功率值與基準(zhǔn)功率P1比較，計(jì)算得到各自的衰減值集合A（A1、A2…An），并用集合A 中的衰減值設(shè)置對應(yīng)的無阻塞交換單元中的可調(diào)衰減部件完成初次均衡。

（3）再次獲取衰減后的波長光功率

初次均衡后需再次通過主控制器采集功率放大器輸出各波長的功率，如果不同波長之間功率差異≤1 dB，則表明均衡完成，如果不同波長之間功率差異＞1 dB，此時(shí)分兩種情況考慮，如果初次均衡后的功率為P初＞基準(zhǔn)功率P1，則需增加衰減值（增加的衰減值為P初－P1）并進(jìn)入步驟2；如果初次均衡后的功率P初＜基準(zhǔn)功率P1，則需減小衰減值（減小的衰減值為P1－P初）并進(jìn)入步驟2。

光功率均衡過程，由程序自動(dòng)控制，只要各波長通道的功率差異滿足條件，均衡過程就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，滿足系統(tǒng)對功率平坦的指標(biāo)要求。

3.4 性能指標(biāo)驗(yàn)證

基于圖3 所示的硬件方案，課題組開展了項(xiàng)目的樣機(jī)研制（以下光接入與交換設(shè)備簡稱“待測設(shè)備”），并按照圖5 和圖6 搭建了性能指標(biāo)測試平臺(tái)進(jìn)行測試驗(yàn)證，測試環(huán)境如圖7 所示。

圖5 光接入與交換設(shè)備上下路及穿通時(shí)延測試框圖

圖6 100 km 時(shí)延測試框圖

圖7 100 km 時(shí)延測試環(huán)境

首先測試OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀的固有延時(shí)，將OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀的10G 光接口的TX、RX 用光纖跳線進(jìn)行短接，測得OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀的固有延時(shí)t固=0.7 μs。

按圖5 搭建光接入與交換設(shè)備上下路時(shí)延測試平臺(tái)。上路時(shí)延測試過程：由OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀的TX 端發(fā)送測試數(shù)據(jù)到待測設(shè)備的客戶側(cè)RX，用計(jì)算機(jī)配置待測設(shè)備客戶側(cè)RX 的波長信號(hào)上路到線路側(cè)TX，測試數(shù)據(jù)由待測設(shè)備線路側(cè)TX 送到OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀的RX 端口，形成信號(hào)閉環(huán)，觀察OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示的時(shí)延值t1=0.9 μs，則待測設(shè)備的上路時(shí)延t上=t1-t固=0.2 μs；下路及穿通時(shí)延測試過程與上路時(shí)延測試過程類似，此處不再贅述，測得待測設(shè)備的下路時(shí)延、穿通時(shí)延與上路時(shí)延相同，均為0.2 μs。

按圖6 搭建100 km 時(shí)延測試平臺(tái)。100 km 時(shí)延測試過程如下：由OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀的TX 端發(fā)送測試數(shù)據(jù)到待測設(shè)備的客戶側(cè)RX，用計(jì)算機(jī)配置待測設(shè)備1 的客戶側(cè)波長上路到線路側(cè)西向接口，光信號(hào)經(jīng)過50 km 光纖傳輸?shù)酱郎y設(shè)備3 的線路側(cè)西向接口，用計(jì)算機(jī)配置待測設(shè)備3 將西向接收到的光信號(hào)穿通至東向輸出，光信號(hào)經(jīng)過50 km 光纖傳輸?shù)酱郎y設(shè)備4 的線路側(cè)東向接口，再次用計(jì)算機(jī)配置待測設(shè)備4 將東向接收到的光信號(hào)下路至客戶側(cè)TX 端口，OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀的RX 端口與待測設(shè)備4 的客戶側(cè)TX 端口相連形成信號(hào)閉環(huán)，觀察OTN 網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示的時(shí)延值t100km=500.5 μs，光纖傳播100 km 的時(shí)延約為499.8 μs，則光信號(hào)經(jīng)過待測設(shè)備所產(chǎn)生的時(shí)延值為t1-3-4=（500.6-499.8）μs=0.7 μs，與上述單臺(tái)設(shè)備時(shí)延測試結(jié)果吻合。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：在長距離傳輸中時(shí)延主要由光纖的長度決定，光接入與交換設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延較小可以忽略，光接入與交換方案切實(shí)可行，能夠滿足工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延傳輸要求。

4 應(yīng)用

軟件定義工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)可在邊緣云接入5G 高清視頻語音數(shù)據(jù)（時(shí)敏業(yè)務(wù)），時(shí)敏業(yè)務(wù)在集中式編排配置下送入軟件定義匯聚傳輸網(wǎng)絡(luò)，在光電一體化匯聚傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匯聚交換到企業(yè)云或其他邊緣云，完成時(shí)敏業(yè)務(wù)的定制化端到端可靠傳輸，整個(gè)域內(nèi)的接入或傳輸設(shè)備均通過SDN 控制器進(jìn)行統(tǒng)一智能管控，典型應(yīng)用如圖8 所示，軟件定義工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)端到端上下行速率可達(dá)50 Mbit/s，端到端傳輸延時(shí)小于5 ms，抖動(dòng)小于±100 μs。

圖8 光接入與交換設(shè)備典型應(yīng)用

光接入與交換設(shè)備主要應(yīng)用于工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)中的軟件定義匯聚傳輸層，能夠同時(shí)支持時(shí)敏業(yè)務(wù)和非時(shí)敏業(yè)務(wù)的透明傳輸和交換，并具備高速交換、分類保障、多等級(jí)服務(wù)質(zhì)量、區(qū)域?qū)拵Щヂ?lián)、高精度全域時(shí)間同步以及冗余抗毀能力，能夠?yàn)闀r(shí)敏業(yè)務(wù)提供確保的傳輸路徑。

5 結(jié)束語

針對工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)中時(shí)敏業(yè)務(wù)接入與傳輸問題，本文提出一種基于WSS 的光接入與交換傳輸體系，通過研制原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)敏業(yè)務(wù)在光域波長級(jí)別的多維可重構(gòu)低時(shí)延交換且原理樣機(jī)固有延時(shí)僅為0.2 μs，同時(shí)課題組通過搭建4 個(gè)節(jié)點(diǎn)的長距離環(huán)形MESH 網(wǎng)絡(luò)測試平臺(tái)證明原理樣機(jī)的固有延時(shí)可以忽略不計(jì)，光接入與交換設(shè)備能夠滿足工業(yè)時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)極低時(shí)延、高可靠的傳輸要求。