基于OTN的水下信息網傳輸系統規劃研究

潘 威，周學軍，周媛媛

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基于OTN的水下信息網傳輸系統規劃研究

潘 威，周學軍，周媛媛

（海軍工程大學電子工程學院，武漢 430033）

本文主要論述了水下信息網傳輸系統涉及到的關鍵技術，包括拓撲結構、保護技術與傳送技術，從系統容量與可拓展性兩個方面對比分析了現存的三種水下信息網傳輸系統規劃方案，并設計了一種基于OTN傳送技術的解決方案。

水下信息網 傳輸系統 網絡規劃 OTN 解決方案

0 引言

水下信息網通過海光纜傳輸系統連通陸地和水下各類信息節點，是發展海洋經濟、開發海洋資源、維護海上領土主權與安全的重要技術手段。水下信息網作為軍事信息系統的傳輸平臺具備極強的數據傳輸能力，通過掛載各類水下傳感設備，為水下通信、探測、導航及水文氣象等信息系統提供可靠信息保障，可實現多要素、多學科對海長期、連續、全天候的實時觀測。

世界各國高度重視水下信息網的發展建設。美國和加拿大于1998年開始建設位于東北太平洋的NEPTUNE海底觀測網絡計劃；歐洲14國于2004年開始建設位于在大西洋與地中海的“ESONET歐洲海底觀測網”；日本于2003年和2006年先后開始建設位于西北太平洋的“ARENA新型實時海底監測網”與“DONET地震和海嘯海底觀測密集網絡”。我國現有浙江大學于2007年建設的“ZERO海底觀測網絡系統”和同濟大學于2009年建成的小衢山實驗系統。

由于水下系統與設備長時間孤懸遠洋深海無人值守，其施工建設與維修保障難度大周期長，加上海底環境復雜，水下信息網傳輸系統的需求特點和建設策略相比陸地光纜網有顯著的不同。首先要求水下設備與鏈路可靠性高，使用壽命盡可能長；其次要求傳輸設備的功耗和體積盡可能小，不能過于復雜。由于水下信息網施工周期長的特點，在建設過程中應采用“邊建邊用” 的策略，先建成鏈式環形網，而后逐層拓展為網格狀水下信息網，這就要求其頂層設計與發展規劃合理可靠，系統鏈路可拓展性好。本文針對網格狀水下信息網，提出了一種基于OTN的傳輸系統解決方案。

1 水下信息網傳輸系統關鍵技術

1.1 拓撲結構

網格狀水下信息網的基本單元結構包括縱向與橫向主干海底光纜、縱橫主干纜交接處的海纜分支單元、水下節點的主次接駁盒、連接主次接駁盒的分支海底光纜以及連接接駁盒與水下設備的連接纜。

和陸地光纖傳輸系統不同的是，在網格狀水下信息網傳輸系統的實際設計中，分支單元通常采用空分復用方式將遠端縱橫三條主干海纜中的纖芯物理匯聚至近端一條縱向主干海纜中，從而不需要在其中部署復用、交換設備，以達到減小分支單元的功耗和體積，降低系統復雜度的目標。在這種情況下，部署在網格狀水下信息網中的傳輸系統屬于嵌套型鏈式拓撲結構而非陸地光纖傳輸系統常用的網狀網拓撲結構。例如，美國和加拿大的NEPTUNE以及日本的ARENA等網格狀水下信息網傳輸系統均采用了這種嵌套型鏈式拓撲結構，如圖1所示。

1.2 生存性技術

水下信息網的鏈式傳輸系統與岸站間陸纜通信網絡可構成環形網。環形網既能保持較高的生存性又具有容易實現和管理的特性，可其在中組織運用自愈環(Self-healing Ring)保護機制，在沒有人工干預的情況下，自動實現受影響業務的恢復。

由于采用時分復用方案和波分復用方案的水下信息網傳輸系統均以多節點共享同一對傳輸光纖為特征，加上水下信息網水下設施體積、功耗和傳輸容量的限制，為減少OCP設備系統宜采用“線路倒換環”而非“通道倒換環”方案；為節約線路資源系統宜采用最低限度的“雙纖環”而非“四纖環”方案；為降低系統復雜度雙纖環宜采用“1+1保護倒換”而非“1：1保護倒換”方式。即采用“雙纖線路1+1保護”的自愈環方案。

該方案可分為按節點來去業務的傳輸方向，可以分為雙向環與單向環兩類。雙向環又稱“共享保護環”，其中來去業務方向相反，從信道的角度看環網的雙纖可分為工作光纖和保護光纖，系統正常時保護光纖是空閑的；單向環又稱“專用保護環”，其中來去業務傳輸方向相同，從單個節點的角度看環網可分為工作方向和保護方向，背靠背的兩個方向可理解為兩套獨立的點對點傳輸系統，同時工作互為備份。雙纖雙向環適用于陸地環境，方便向復雜的共享型保護方案如“1：1”、“N：M”轉換，而一旦故障發生，環上每個節點的工作都受到影響，均需啟動保護倒換；雙纖單向環在陸地環境中沒有特殊價值，但在故障發生時環上存在數量可觀的節點只是保護等級下降而工作完全不受其影響，不必啟動保護倒換。在水下信息網的應用場景下，宜采用后者，即采用“雙纖單向線路1+1倒換環”（ULSR/2：Unidirectional Line Switched Ring）的自愈環方案。

1.3 OTN傳送技術

光傳送網OTN（Optical Transport Network）在電域上繼承了同步數字體系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）中的映射、復用、交叉以及嵌入式開銷等概念，具有豐富的管理開銷、良好的調度能力以及可靠的保護功能；在光域上繼承了波分復用WDM（Wavelength Division Multiplexing）技術傳輸容量大、傳輸速率高和傳輸距離長等特點。

首先，OTN實現了1.25 Gbit/s、2.5Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s乃至100 Gbit/s的大容量與n?1.25Gbit/s靈活顆粒度信號的接入、復用與載波調制，具備能承載與透明傳輸不同類型多種速率的客戶信號，可實現16路或32路載波信號的混傳，彌補了SDH傳送網無法處理大顆粒業務和分組業務的缺陷，并通過異步映射機制打破了全網需同步的限制，系統交叉容量大，可擴展性強；其次，通過在光傳輸單元中嵌入更為豐富多樣的開銷，OTN克服了WDM技術沒有波長及子波長業務的調度能力，使傳輸系統具備靈活的光層/電層調度能力，可有效監視網絡故障，拓展傳輸距離，提升組網能力，降低組網成本，增強傳輸系統OAM和網絡生存性。

縱觀波分復用傳輸系統的傳送技術，OTN在發揚SDH+WDM波分技術優勢的同時，克服了后者的缺點。隨著該傳送技術的不斷推廣和普及，基于OTN的傳輸設備正變得日益成熟，將在各種應用場景下全面取代SDH+WDM和SDH傳送技術。因此，應當盡早開展基于OTN的水下信息網傳輸系統的設計、建設與標準化工作。

2 現有水下信息網傳輸系統解決方案

水下信息網中各節點接入主干纜的方案現有三種，為方便在網格狀水下信息網的嵌套型鏈式傳輸系統中進行量化比較分析，不妨假設：

1）節點的通道數量需求，每個主接駁盒有條分支纜與次接駁盒相聯，每個次接駁盒有條連接纜與水下設備相聯，這樣有：

推論一：每個節點需要分配的通道個數

2）結構中的自愈環數量，不妨設拓展方向為由東向西由北至南，網格狀拓撲結構中共有條縱向主干纜，條橫向主干纜，這樣有：

推論二：結構中分支單元的個數

推論三：自愈環的個數

3）自愈環線路接入的節點數量，不妨設兩個相鄰分支結構間的每段橫向主干纜連接個主接駁盒，每段縱向主干纜上連接個主接駁盒，這樣有：

推論四：東側各層自愈環接入的節點個數、其余自愈環上接入的節點個數及其最大值分別為

每條主干纜接入的節點數量即為所有與該纜相連的自愈環節點數量之和，這樣有：

推論五：橫向主干纜上接入的節點個數

由東至西縱向主干纜上接入的節點個數及其最大值分別為

2.1空分復用方案

第一種方案是主接駁盒采用空分復用方式連接主干纜，為每個節點分配工作保護方向各一對纖芯。其中部署有具備線路1+1保護功能的TM設備，完成各分支纜中個設備的低速去業務電信號的復用、光調制與并發，同時完成主干纜纖芯中高速來業務光信號的選擇接受、光解調與解復用，并按來去業務方向將其連接至相應分支纜的指定纖芯中。次接駁盒負責支線纜與連接纜中對應纖芯的物理連接。

該方案優點在于水下分系統中不需要任何信息匯聚復用設備，可靠性高耗電量小。同時保證每個節點與岸站間擁有物理分離的工作信道和保護信道，冗余充足管理方便。缺點在于資源利用率低，可拓展性差，可部署的主接駁盒數量與主干纜纖芯數量直接相關。按上述方案，一節點分配一對纖芯并根據推論五，主干纜上用于傳輸的纖芯對數至少為。以日本ARENA網格狀拓撲結構為參照，有=2，=7，因此縱向主干纜對纖芯對的需求多達=(2+3)?=20?對纖芯。若縱向主干纜采用96芯海底光纜即?96/2，只能保障=2層網格狀拓撲結構。可見這種方案不適用于大型網格狀拓撲結構水下信息網。

2.2時分復用方案

第二種方案是主接駁盒采用時分復用方式連接主干纜，為每個節點分配個時隙通道，若時隙數量和帶寬允許，個節點可共用一對纖芯。主接駁盒中部署有具備線路1+1保護功能的ADM設備，將各分支纜中個設備的低速去業務電信號作為個時隙復用、光調制、并發和上路，同時完成主干纜中本地高速來業務光信號的下路、選擇接受、光解調和解復用，并將其連接相應分支纜的指定纖芯中。次接駁盒負責支線纜與連接纜中對應纖芯的物理連接。

由于水下節點體積和耗電量有限，現存的解決方案采用了接入層的MSTP設備。以烽火公司的IBAS 110A設備為例，其子框產品體積為88 mm×440 mm×357.5 mm，重量為8 kg，功耗為50 W，經集成化改造后可部署為水下設備。該設備的兩對STM-4光接口可分配為工作保護線路各一對，因此主干纜纖芯對中的高速信號速率至多為622Mbit/s。從帶寬角度考慮，參考我國某型海纜陣系統，按每節點155Mbit/s的帶寬需求，在采用該設備的水下信息網傳輸系統中，每對主干纜纖芯可滿足=4個節點的通信需求。又以日本ARENA網格狀拓撲結構為參照，根據推論四=+2=11，因此可為每個自愈環分配對纖芯。

和第一種方案相比，該方案優點在于：對縱向主干海光纜中纖芯數量的需求更少。按上述方案和分析，縱向主干纜至多需要對纖芯，即與其相鄰自愈環的需求量之和。因此，若縱向主干纜采用96芯海底光纜，傳輸速率充足的情況下可至多保障層網格狀拓撲結構，相比第一種方案，水下信息網傳輸系統的可拓展性得到了極大的擴充。其缺點在于：系統的總帶寬沒有得到擴充，方案只對纖芯線路中的通道與帶寬進行“按需分配”，在個節點共用一對纖芯，主干纜的纖芯對需求從減少至的同時，每個節點的帶寬資源降至空分復用系統的1/。

2.3波分復用方案

第三種方案是主接駁盒采用波分復用方式連接主干纜，為每個節點分配一個波長信道，若系統支持單纖芯復用個波長，則個節點可共用一對纖芯。其中部署有OADM設備與具備線路1+1保護功能OTM設備，前者從主干纜纖芯對的合波信號中上下本地波長信號并將其連接至后者，后者將各分支纜中個設備的低速去業務光信號作為個時隙復用與并發至該波長，同時完成該波長信號來業務的選擇接受與解復用，并將其連接至相應分支纜的指定纖芯中。次接駁盒中部署有E/O轉換器，完成連接纜中低速光信號和設備業務電信號的光電轉換與連接。

現存的解決方案采用拓展了CWDM單板的單子框IBAS 110A設備實現SDH+WDM方式組網，在各節點中實現OADM與OTM網元功能。該設備可實現4波復用即，按“一波一節點”的原則，每個節點均可實現622Mbit/s帶寬，主干纜纖芯對中的高速信號速率可達2.5Gbit/s。相比時分復用方案，系統擴容了4倍，但可拓展性不變，仍然是“一環三對纖”()，縱向主干纜至少需要對纖芯，96芯縱向纜可拓展層網格狀拓撲結構。

3 一種基于OTN的波分復用規劃方案

由于水下信息網傳輸系統布設于水下，各類傳輸設備只能部署在水下節點的艙體中，體積、功耗不能過大，因此只考慮OTN接入層技術與設備。在此選用烽火公司的FONST 1000產品，在網格狀拓撲結構中為水下信息網傳輸系統實現一種雙纖單向1+1保護的解決方案。

3.1光轉發單元OTU

光轉發單元負責將來自客戶側經光電轉換得到的若干路低速光信號匯聚為1路信號，而后將其調制為滿足G.694.1標準中關于DWDM規定的波長信號，以便下一步在DWDM系統上傳送，同時實現上述轉換的逆過程。

我們采用了FONST 1000的MST2單盤,其產品體積，重量0.695 kg，功耗35 W。它的8對客戶側光接口可接入STM-1/4/16、OTU1、1GFC/2GFC、FICON、ESCON、GE或FE，波分側信號速率為10Gbit/s。在接收方向上從波分側RX接口接入的高速信號經O/E轉換、OTN解封裝、VC解映射、GFP解包封、E/O轉換后從客戶側的T1～T8接口輸出。在發送方向上客戶側有R1～R8共8個接口可接入客戶光信號，經O/E轉換、GFP包封、VC映射、OTN封裝、E/O轉換后從波分側的TX接口輸出。其面板接口分布如圖2所示。

圖2 MST2單盤面板接口示意圖

3.2光分插復用單元OAD

光分插復用單元負責將來自客戶側的滿足G.694.1標準中關于DWDM規定的若干路波長信號匯聚為1路高速的光傳送模塊信號OTM-n.m，以便在DWDM系統的光纖信道上傳送，同時實現上述轉換的逆過程。

我們采用了FONST 1000的MDU8單盤，其產品體積，重量0.6 kg，功耗3 W。它的8對客戶側光端口可接入滿足G.694.1標準中關于DWDM規定的波長信號（10Gbit/s），合波信號從波分側的IN/OUT接口出入，MI/MO接口為級聯接口，兩個MDU8相級聯可實現單節點上下DWDM系統規定的全16路波長。在接收方向上IN接口連接接受合波信號，經光功率檢測后下路8路預定的波長信號至D1～D8接口，下波后的信號從MO接口輸出。在發送方向上MI接口接收其它MDU8或本單元MO接口傳來的信號，與A1～A8接口接入的8路波長信號合波后從OUT口輸出。其面板接口如圖3所示。

圖3 MDU8單盤面板接口示意圖

3.3 光保護單元OCP

光保護單元用以實現網元業務在系統中的1+1保護。當OCP布設于OTU與客戶設備之間時為通道1+1保護，當OCP布設于OAD與OTU之間時為線路1+1保護。

圖4 OCP單盤面板接口示意圖

3.4 網絡結構

各節點設備解決方案如圖5所示。n個探測設備上傳信號至MST2盤的R1至R8端口，時分復用為一路10Gbit/s信號并被調制到一路DWDM系統規定的光載波上。該光載波從MST2盤的TX端口輸出，接入OCP盤的IN1端口，由分光器分為“工作”、“保護”兩路，分別經TX1A端口與TX1B端口連接到主干纜內外纖各自的MDU8盤A8接口，由此合波上路，經兩塊MDU8盤的OUT端口連接到內纖和外纖的去業務方向（去業務的工作和保護方向）。同時，內外纖的來業務方向光纖連接兩塊MDU8盤的IN端口，輸入合波信號，需要下路的光載波從D8端口輸出到OCP盤的RX1A和RX1B端口上，經選擇接受的光載波從OUT1端口輸出到MST2盤RX端口，解時分復用為各設備來業務信號，經T1至T8口傳輸給各設備。

該系統可實現16個波長復用，每個波長（節點）平均可實現10Gbit/s帶寬，主干纜纖芯對中的高速信號速率可達160Gbit/s，相比時分復用方案，系統擴容256倍；相比WDM+SDH方式的波分復用方案，系統擴容64倍。以日本的ARENA系統為參照，每環為9或11個節點，這樣可采用“一環一對纖”的部署方案，縱向主干纜各需要對纖芯，96芯縱向纜可至多保障24層網格狀拓撲結構，相比時分復用方案與WDM+SDH方式的波分復用方案，系統的可拓展性提高3倍。

4 結語

傳輸系統是水下信息網的核心任務系統，本文主要論述了基于OTN傳送技術的水下信息網傳輸系統波分復用規劃方案。通過與現存的空分復用規劃方案、時分復用規劃方案以及基于SDH+WDM波分復用規劃方案進行對比分析，得出該方案在系統容量與可拓展性兩個方面均優于現存方案。并利用烽火公司的FONST 1000設備設計了節點單元的設備解決方案，對水下信息網的設計研究工作具有一定的參考意義。

圖5 基于OTN的水下信息網雙纖單向1+1保護傳輸系統節點設備解決方案

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Transmission System Planning of Undersea Information Network

Pan Wei, Zhou Xuejun, Zhou Yuanyuan

(Electronic Engineering Institute, University of Navy Engineering, Wuhan 430033, China)

TP393

A

1003-4862（2016）10-0075-06

2016-06-02

潘威(1986-)，男，研究生。研究方向：海光纜通信技術。