基于OTN交換技術的鐵路光傳輸網絡效率分析

董 寧，孫 強

(北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044)

近年來，隨著鐵路運量的不斷增長，以及諸如綜合視頻監控等高帶寬需求的業務日益普及，鐵路網絡傳輸的數據流量也不斷增大[1]。因此，鐵路通信網絡面臨著巨大壓力，網絡設備需要滿足新增的容量需求。中國鐵路通信網絡包括核心層、匯聚層和接入層，其中匯聚層仍部署有大量的DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)設備。針對這些網絡設備進行升級改造，勢必會帶來成本和運營支出的上升，這些都將會影響到鐵路利潤。同時，網絡升級還要考慮能源因素，大量的新增設備必然會導致電力負擔加重，同時會增加溫室氣體的排放，影響環境。在這種情況下，鐵路通信網絡要在保障鐵路信息可靠傳輸的前提下，通過提高網絡資源(例如：頻譜、設備和能量等)的利用效率，最終達到網絡可靠性和有效性的平衡。

現有鐵路匯聚層網絡中設備的技術核心是波分復用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技術。不斷增長的流量需求對傳輸網絡的影響是最大的，而能有效提高網絡容量的簡單辦法就是部署高速的WDM系統，例如100 G WDM[2]。相比于傳統網絡，這類高速光傳輸系統除了頻譜效率的明顯提高外，還能降低成本和每比特傳輸的能量消耗。但是這些潛在優勢可能會受到以下因素的限制：帶寬的過度供應導致的資源利用率不足；較高傳輸速率的負面影響。首先，如果客戶端的傳輸速率遠低于線路側的傳輸速率，那么應答器TSP的容量提升反而導致利用率的降低。其次實際中單個用戶或實體很難單獨產生高達Gbit/s量級的信息。最后，這些系統往往采用例如16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的高階調制。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信息，即越高階的調制要求的OSNR越高。因此，這類高速光傳輸系統對物理損傷的敏感度很高，并且長距離傳輸的可行性較差。

伴隨著鐵路技術的不斷發展，鐵路系統中的各種業務對鐵路傳輸網的依賴程度越來越高，因此安全性對于鐵路網絡至關重要。保護網絡的常用辦法是提供冗余備份，從而避免網絡的中斷，但是其缺點在于降低了網絡效率。一方面，冗余保護需要復制網絡資源進行保護，降低了網絡資源的利用率。另一方面，鏈路的保護路徑有可能增加傳輸的距離，這對于像100 G WDM這類高速光傳輸系統顯然是不利的。

OTN(Optical Transport Network)交換技術通過切換光信道數據單元ODU(Optical Channel Data Unit)來提供靈活的帶寬管理功能。在節點上安裝OTN交換矩陣(由ODU-XC板實現)可實現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傳輸接口進行接耦。傳統的WDM網絡無法實現波長內和波長之間的子波長梳理，即任何業務都需要在接收端將波長解復用來還原發送端信號。而OTN交換技術的優勢在于可以明顯提高帶寬資源的利用率，還能實現無需修改硬件的平滑升級。目前針對該技術的研究工作較為廣泛，如文獻[3]提出一種“梳理指數”，并用其評估OTN交換為網絡流量帶來的提升。文獻[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量。文獻[5]分析了在兩個100 Gbit/s光網絡中引入OTN交換對WDM層上的影響。文獻[6]研究得出OTN交換可以提高網絡效率和操作易用性，通過評估幾個現實世界的網絡和流量模型，得出結論：OTN交換并非通過物理拓撲而是通過流量模式實現優勢最大化。目前數據增長的趨勢使得多層網絡技術及架構選擇至關重要，文獻[7]重點介紹了采用OTN交換和靈活線路接口的組合如何能最大限度地優化傳統技術。

1 OTN交換

OTN交換技術旨在解決流量迅速增長引起的帶寬擴展問題，具有高性價比、高靈活性和易于部署等優點。OTN交換技術已經逐漸在世界各地的運營商網絡中得到應用，為融合的光傳輸網絡提供子波長切換。

1.1 節點架構

OTN交換功能的實現依賴于OTN線路板和支路板之間的ODU-XC(光信道數據單元交叉連接)，見圖1。節點由若干個波長選擇開關WSS(Wavelength Selective Switch)組成。WSS的數量取決于節點中輸入和輸出的光纖數量(即節點數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償節點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償由插入ODU-XC引起的潛在損耗。

圖1 OTN交換結構

1.2 OTN交換效果示例

圖2(a)表示傳統節點，不具有OTN交換功能；圖2(b)中是具有OTN交換功能的節點。在圖2中網絡內提供的三項業務分別是A到B、A到D、B到C，每項業務均考慮其工作路徑WP(Working Path)和保護路徑PP(Protection Path)[8]。

圖2(b)中OTN交換能夠將目的地不同的信號匯聚在同一條光通路中進行傳輸。圖2(b)中C和D之間，光通路內包括傳輸業務1的工作路徑WP1和業務3的保護路徑PP3。另外OTN交換的優勢在于能夠保障工作路徑和保護路徑鏈路分離[9-10]。在應用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交換還能降低網絡建設的總成本和能量消耗。

圖2 OTN交換效果示例

2 建模場景及參數設置

2.1 建模場景

本研究基于具有40、100、200和400 Gbit/s混合線路速率傳輸的WDM網絡。為了得到OTN交換對網絡的提升效果，將具有OTN交換的場景與不具備該功能的傳統場景進行對比。為了切合鐵路實際情況，選取某鐵路集團公司下轄的多個部分實際網絡拓撲作為研究場景，見圖3。場景1中包括12個節點和14條雙向鏈路，并放置24個光放大器。場景2中包括8個節點和11條雙向鏈路，并放置18個光放大器。場景3中包括10個節點和15條雙向鏈路，并放置27個光放大器。為方便研究，假設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個研究場景的網絡拓撲

2.2 網絡中的器件及各項參數

2.2.1 應答器TSP

本研究中采用4種性能的應答器：40、100、200和400 Gbit/s。通過查閱相關設備商的資料并參考文獻[11]中的數據，表1中給出了這4種應答器的調制方式、能量消耗和成本參數。為方便計算，成本的單位定義為單位成本CU。

表1 應答器的各項參數

2.2.2 光放大器OA

為保障網絡中光信號的傳輸質量，現有的鐵路光傳輸網絡中通常會在鏈路和節點中放置摻鉺光纖放大器EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)，其優點是可以直接對光信號進行放大，無需光電、電光轉換等復雜過程，尤其適用于長距離光通信的中繼放大。所以光放大器是網絡場景中的重要元件，在計算成本和能量效率時需要進行考慮。每個EDFA的成本為1CU，每個方向能量消耗為30 W，每個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)應用于節點的輸入、輸出以及MCS模塊的上/下行階段處。依據文獻[11]中的成本模型，其成本值的計算公式為

(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量；a為上下行光信號的數量。而OXC的能量消耗取決于N和a的值，如式(2)所示，根據前文中的OTN交換結構，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。根據單板支持的最大切換流量，該矩陣可以由一個或多個光信道數據單元交叉連接(ODU-XC)板組成。本研究中假定單個板卡的最大交換容量為1 TB，根據實際數據ODU-XC成本為18CU，能量消耗為96 W。

3 評估標準

本文中研究混合線路速率下WDM網絡中傳統的靜態網絡規劃問題，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交換的兩種網絡場景性能。在混合線路速率MLR(Mixed-Line-Rate)網絡[14]中，可以選擇不同的線路速率組合來提供服務。本研究中算法的目的是在網絡中分配最大流量，并同時評估以下3個指標：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為網絡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 網絡整體的每GHz成本效率

網絡整體的每GHz成本效率CEPG計算公式如式(4)所示。其中總流量TT是初始業務矩陣中所有業務需求TD的總和。而總成本TC則包括網絡中所有的應答器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，傳統場景中不包括這部分的成本。

(4)

3.3 網絡整體的每GHz能量效率

網絡整體的每GHz能量效率EEPG與CEPG計算方法類似，通過網絡的每GHz能量效率EE和ASO的比率計算。EE是將總流量TT除以整體的能量消耗TPC。TPC是網絡場景中所有設備消耗的功率總和，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 模擬仿真結果

研究中分別采用3個網絡拓撲場景下的雙向流量需求作為初始場景，即場景1為14個雙向流量需求，場景2為11個雙向流量需求，場景3為15個雙向流量需求。以500 Gbit/s的總體流量作為初始情況，并且最終擴展到2 Tbit/s。本節通過計算3種網絡拓撲仿真數據并進行平均后，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。通過應用OTN交換技術，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大網絡的整體容量。鐵路網絡在傳統的流量較低情況下，應答器TSP[15]的容量沒有得到有效利用。同時考慮到必須提供保護路徑，這種低效率問題就更加嚴重。OTN交換技術能夠將多個流量需求整合到相同的光通道上，這樣分配的波長數量可以明顯降低。雖然隨著流量的增長，OTN交換的優勢將減弱。但是由于初始業務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。相較于傳統場景，OTN交換對頻譜占有的提升范圍是602%(0.5 Tbit/s時)到41%(2 Tbit/s時)。

圖4 平均頻譜占用率ASO

4.2 每GHz成本效率

對比網絡整體CEPG(圖5)，OTN交換能夠(特別是在低流量時)改善CEPG。事實上當流量較低時，OTN交換中的流量梳理可以減少TSP的數量，并且能實現在更高速度的TSP上傳輸，所以其相比于傳統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所節省的成本實現了整體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，應用流量梳理的機會減少，OTN交換的應用對TSP數量的改變不明顯，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，其仍然是優于傳統場景的網絡方案。相較于傳統場景，CEPG的提升在5%(2 Tbit/s時)至607%(0.5 Tbit/s時)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絡整體EEPG對比見圖6。當節點中應用了OTN交換功能時，網絡的EEPG可以明顯增強。EEPG與CEPG的結果相似：EEPG的提升在較低流量時更為明顯，在流量較高時，OTN交換場景下的EEPG改善減弱。其原因與CEPG中分析的相同，高流量時流量梳理的機會減少，并且消耗功率的TSP總數增加，從而導致EEPG提升效果不明顯。考慮到OTN交換場景對頻譜占有的減少，OTN交換仍更具優勢。相較于傳統場景，OTN交換對EEPG的提升在817%(2 Tbit/s時)32%和(0.5 Tbit/s時)之間。

圖6 每GHz的整體能量效率EEPG

5 結束語

鐵路網絡為滿足不斷增長的流量需求，正面臨著基礎設施升級的壓力[16]。針對鐵路匯聚層中大量的WDM設備，OTN交換能夠提高頻譜利用率、成本效率和能量效率，具有很高的應用價值。同時該技術只需要在現有光節點上安裝ODU-XC板，易于實現。本文旨在評估OTN交換為具有混合速率傳輸以及DP 1 + 1保護下的WDM網絡提供頻譜、成本和能量效率方面的改進。通過仿真結果可以發現，OTN交換在中低流量的情況下優勢更為明顯，在這種情況下，應用流量梳理可以明顯提高TSP利用率，在較低流量時相比于傳統場景，ASO、CEPG和EEPG分別提高了602%、607%和817%。