波長交換技術在工業時敏網絡中的應用研究

［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，工業互聯網的傳輸實時性、可靠性要求越來越高。目前現場傳感器與動作設備之間主要通過核心骨干路由器進行數據交互，這種“光-電-光”的傳輸架構主要在電層進行數據處理，處理時延大，抖動無法確定，無法保證高精度動作設備的控制實時性，導致產品的生產工藝出現偏差，大幅降低產品的良品率。針對工業時敏網絡的傳輸低時延問題，本文提出一種基于波長選擇開關（以下簡稱“WSS”）的光接入與交換架構，同時搭建了具有4 個節點的環形MESH 網絡測試平臺，通過試驗測得端到端100 km 的傳輸時延為微秒級（傳輸延時主要來源于光纖），可以滿足工業時敏網絡的傳輸實時性要求。

2 軟件定義工業時敏網絡（SD-TSN）架構

軟件定義的工業時敏網絡架構，采用分層分面的設計模式，網絡架構自頂向下包含匯聚接入與交換層、MEC邊緣接入層與現場設備層。在軟件定義網絡體系結構的基礎上，支持采用切片技術隔離非時敏與工業時敏業務，面向廠房車間現場實時協同控制、企業級管理以及企業與社會產業鏈的高效協作需求，構建同時滿足大數據量交互、極低傳輸時延、高安全性、高可靠性等需求的新型工業時敏網絡體系架構，具體如圖1 所示。

圖1 工業時敏網絡系統架構圖

邊緣接入網絡是由部署在廠房車間現場網絡交換設備和廠房車間現場的各類終端設備（包括嵌入wifi 終端模塊、LTE 終端模塊、工業以太網終端以及工業物聯網模組的各類CPS設備、工業傳感設備等等）組成，主要提供車間級軟件定義綜合接入與交換、邊緣網絡SDN 組網控制、現場數據預處理和存儲服務。

匯聚層主要面向企業級云服務應用提供時敏網絡SDN 控制設備以及光接入與交換設備構成匯聚傳輸層的核心設備。SDN 控制器主要部署在邏輯上獨立的控制管理網中，實現對全網全域的動態智能管理，全網全域軟件定義組網控制策略下發，可信安全系統的智能嵌入。

光接入與交換設備用于時敏業務的數據透明轉發及交換，支撐SDN 控制設備的波長級資源的自動適配，通過全光鏈路進行匯聚交換傳輸，提供接近零延時的端到端傳輸體驗，支撐未來遠程機器人觸覺控制、特種車間環境監控處置等高時敏業務需求。

3 光接入與交換設備實現方案

3.1 硬件方案

光接入與交換設備的硬件方案是基于波長選擇開關（WSS）構建的，因此波長選擇開關的選擇決定了設備的核心性能指標，在對比了國內外生產廠家的器件參數后，最終選擇finisar 公司的DWP50 作為核心交換單元。本方案旨在實現3 個方向的無阻塞波長交換，即輸入東向、西向、北向三路經過波長交換后輸出到東向、西向、北向三路上，同時完成波長的上下路功能，系統架構如圖2 所示。

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

圖2 光接入與交換設備硬件架構

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的靈敏度，一般工作于小信號或線性狀態，放大增益足夠高，噪聲系數較小。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換過程，直接放大光信號，以補償傳輸線路損耗，延長中繼距離。

無阻塞交換單元（WSS）作為光接入與交換設備的核心光層處理單元，主要完成光信號的波長級調度處理及路由分配，能夠實現對輸入合波信號軟件遠程配置后，將波長進行任意組合并在不同的輸出端口進行輸出。

耦合單元主要完成多路光信號耦合為一路光信號進行遠距離傳輸。

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

光接入與交換設備業務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經復用單元合成為一路光信號后通過無阻塞交換單元將相應業務波長分配到任意線路側耦合單元，最后經功率放大單元放大后向遠端傳輸的過程；光波長下路是指將來自所有維度方向的光信號通過無阻塞交換單元進行波長調度處理，重新組合后的光信號再經過解復用單元分解出相應業務波長到客戶側進行后續接收處理的過程。波長穿通是指將來自不同方向的合波信號經過前置放大單元進行功率放大，無阻塞交換單元對放大后的光信號中的波長進行任意組合后直接穿通至耦合單元繼續向后級傳輸的過程。

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，這種差異經后級放大器放大后會因為功率競爭出現“掉波”現象[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動作實現功率動態均衡，詳見3.3。

3.2 軟件方案

光接入與交換設備軟件采用模塊化設計，分為單板軟件和主控單元軟件，分別安裝在各單元板上進行，完成相應功能，基于軟件定義的設備軟件設計方案如圖3 所示。

圖3 光接入與交換設備軟件架構

設備上電后，主控單元軟件的帶內路由加載單元自動加載帶內流表，打通帶內傳輸鏈路；主控單元軟件通過Ping 包方式輪詢SDN 控制器IP，建立連接后主動發送心跳信息與控制器完成握手。主控單元OpenFlow 協議處理模塊負責解析控制器下發的流表，并將流表存入消息隊列中，逐條取出下發至各業務單板，使單板完成相應動作實現預期功能。光接入與交換設備軟件可通過SNMP 協議實時上報設備當前狀態信息，為網絡態勢動態感知能力提供數據支撐。

3.3 光接入與交換設備光功率均衡設計

光接入與交換設備的放大單元具有光功率監控功能，能夠將輸入信號中各單波功率實時反饋至控制單元；光接入與交換設備的無阻塞交換單元可以對輸入信號中的各單波獨立地進行功率衰減，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功率P1,其余波長的功率值均向基準功率P1逼近。

（2）計算衰減值及設置相應無阻塞交換單元

將各波長功率值與基準功率P1比較，計算得到各自的衰減值集合A（A1、A2…An），并用集合A 中的衰減值設置對應的無阻塞交換單元中的可調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，此時分兩種情況考慮，如果初次均衡后的功率為P初＞基準功率P1，則需增加衰減值（增加的衰減值為P初－P1）并進入步驟2；如果初次均衡后的功率P初＜基準功率P1，則需減小衰減值（減小的衰減值為P1－P初）并進入步驟2。

光功率均衡過程，由程序自動控制，只要各波長通道的功率差異滿足條件，均衡過程就會自動執行，滿足系統對功率平坦的指標要求。

3.4 性能指標驗證

基于圖3 所示的硬件方案，課題組開展了項目的樣機研制（以下光接入與交換設備簡稱“待測設備”），并按照圖5 和圖6 搭建了性能指標測試平臺進行測試驗證，測試環境如圖7 所示。

圖5 光接入與交換設備上下路及穿通時延測試框圖

圖6 100 km 時延測試框圖

圖7 100 km 時延測試環境

首先測試OTN 網絡分析儀的固有延時，將OTN 網絡分析儀的10G 光接口的TX、RX 用光纖跳線進行短接，測得OTN 網絡分析儀的固有延時t固=0.7 μs。

按圖5 搭建光接入與交換設備上下路時延測試平臺。上路時延測試過程：由OTN 網絡分析儀的TX 端發送測試數據到待測設備的客戶側RX，用計算機配置待測設備客戶側RX 的波長信號上路到線路側TX，測試數據由待測設備線路側TX 送到OTN 網絡分析儀的RX 端口，形成信號閉環，觀察OTN 網絡分析儀顯示的時延值t1=0.9 μs，則待測設備的上路時延t上=t1-t固=0.2 μs；下路及穿通時延測試過程與上路時延測試過程類似，此處不再贅述，測得待測設備的下路時延、穿通時延與上路時延相同，均為0.2 μs。

按圖6 搭建100 km 時延測試平臺。100 km 時延測試過程如下：由OTN 網絡分析儀的TX 端發送測試數據到待測設備的客戶側RX，用計算機配置待測設備1 的客戶側波長上路到線路側西向接口，光信號經過50 km 光纖傳輸到待測設備3 的線路側西向接口，用計算機配置待測設備3 將西向接收到的光信號穿通至東向輸出，光信號經過50 km 光纖傳輸到待測設備4 的線路側東向接口，再次用計算機配置待測設備4 將東向接收到的光信號下路至客戶側TX 端口，OTN 網絡分析儀的RX 端口與待測設備4 的客戶側TX 端口相連形成信號閉環，觀察OTN 網絡分析儀顯示的時延值t100km=500.5 μs，光纖傳播100 km 的時延約為499.8 μs，則光信號經過待測設備所產生的時延值為t1-3-4=（500.6-499.8）μs=0.7 μs，與上述單臺設備時延測試結果吻合。

上述試驗結果表明：在長距離傳輸中時延主要由光纖的長度決定，光接入與交換設備產生的時延較小可以忽略，光接入與交換方案切實可行，能夠滿足工業時敏網絡的低時延傳輸要求。

4 應用

軟件定義工業時敏網絡可在邊緣云接入5G 高清視頻語音數據（時敏業務），時敏業務在集中式編排配置下送入軟件定義匯聚傳輸網絡，在光電一體化匯聚傳輸網絡進行匯聚交換到企業云或其他邊緣云，完成時敏業務的定制化端到端可靠傳輸，整個域內的接入或傳輸設備均通過SDN 控制器進行統一智能管控，典型應用如圖8 所示，軟件定義工業時敏網絡端到端上下行速率可達50 Mbit/s，端到端傳輸延時小于5 ms，抖動小于±100 μs。

圖8 光接入與交換設備典型應用

光接入與交換設備主要應用于工業時敏網絡中的軟件定義匯聚傳輸層，能夠同時支持時敏業務和非時敏業務的透明傳輸和交換，并具備高速交換、分類保障、多等級服務質量、區域寬帶互聯、高精度全域時間同步以及冗余抗毀能力，能夠為時敏業務提供確保的傳輸路徑。

5 結束語

針對工業時敏網絡中時敏業務接入與傳輸問題，本文提出一種基于WSS 的光接入與交換傳輸體系，通過研制原理樣機實現時敏業務在光域波長級別的多維可重構低時延交換且原理樣機固有延時僅為0.2 μs，同時課題組通過搭建4 個節點的長距離環形MESH 網絡測試平臺證明原理樣機的固有延時可以忽略不計，光接入與交換設備能夠滿足工業時敏網絡極低時延、高可靠的傳輸要求。