电力通信网中光网络交换技术的应用

杨旸

（深圳供电局，广东 深圳 518000）

1 光分组交换技术

光分组交换以微秒量级的光分组为交换单元，光分组由数据载荷（payload）和携带路由控制信息的分组头（header）两部分组成。在光分组交换网络中，每个光分组通常要穿过多交换节点才能到达目的地。当数据分组在交换时，如果同一时刻，有两个或两个以上的光分组要以同一波长从同一输出端口离开光交换节点，就会产生竞争。

解决光分组竞争的方法通常有三种，即光缓存、波长变换和偏射路由。光缓存是解决光分组竞争的最常用的方法。在光分组交换中，由于目前还没有可用的光随机接入存贮器，光缓存通常由光纤延时线 (FDL：Fiber Delay Line)构成。根据光缓存所处位置的不同，可以把光缓存分为输入式、输出式、反馈式和共享式等四种基本类型。其中，反馈式光缓存是所有的输出端口共享一组从输出端口反馈回输入端口的光缓存，它能够较容易地实现优先级交换。

2 电力通信网

2.1 电力通信网的现状

电力通信网干线传输的主要方式--光纤通信技术，具有巨大的传输带宽、极低的误码率和良好的保密性。随着配电网信息化、自动化程度的不断提高，电力光纤通信网在承载传统的业务基础上，发展到承载客户服务中心、营销系统、地理信息系统（GIS）等多种数据业务。新业务的需求不仅使电力通信网中所承载的业务量以惊人的速度增长，也对现有电力通信网络的架构提出新的挑战。为了增大电力通信网的传输带宽，电力通信网已普遍使用基于SDH的光纤通信系统，并且采用IP/ATM/SDH/WDM 或IP/SDH/WDM的网络架构，在这种网络架构中IP分组要经过ATM、SDH的多层封装，最后才能承载于WDM 网络的光波长上。

这种网络架构存在两个主要问题：首先，网络的光层仅为各个电层设备提供静态高容量的带宽服务连接，数据的交换同样在电域完成，无法克服“电子瓶颈”对通信网络性能的影响；其次，多层的网络架构不太适合分组化的新业务，层层封装将带来过多的头部开销，浪费了带宽资源。因此，简化网络架构、提高带宽资源利用率是下一代电力通信网建设的必然趋势。在现有的网络融合方案中，光分组交换技术以其灵活、交换速度快、交换粒度适中等特点，被认为是实现电层IP 网络与WDM 光网络无缝联接的理想技术，非常适合用于构建下一代电力光纤通信网。

2.2 电力通信网的业务分析

随着电力系统信息化、自动化程度的不断提高，电力通信网中新业务不断产生，根据各种业务对通信实时性的要求，可以把电力通信网中的业务大致分为实时业务、准实时业务和非实时业务三种，各种业务的详细分类如表1所示。

由于电力通信网中的业务具有不同的实时性和可靠性要求，在设计电力通信网的交换节点时需要考虑不同的交换优先级。对于实时业务应设定最高的交换优先级，对准实时业务则设定较低一级的交换优先级，而对于非实时业务，其交换优先级为正常即可。

3 适用于电力通信网的OPS节点结构

由上面的分析可知，光分组交换是一种构建下一代电力光纤通信网的理想技术，并且由于电力通信网中存在多种不同实时性需求的业务，因此在设计光分组交换节点结构时需要考虑不同的交换优先级。考虑到反馈式光缓存能够较容易地实现优先级交换，下面将介绍四种适用于电力光纤通信网的基于反馈式光缓存的光分组交换节点结构。

3.1 SMOP 交换结构

SMOP 交换结构使用一组反馈式的FDL 来缓存发生竞争的光分组。如图1 所示

在SMOP 交换结构的输出端与输入端之间配置了一组由B 根FDL 构成的反馈式光缓存，这B 根FDL的长度按简并方式排列，即这组FDL 中，第一根FDL的缓存深度为D，第B 根FDL的缓存深度为BD(D 为FDL的粒度)。SMOP 交换结构通过让实时业务优先从输出端口输出，而让非实时业务继续在FDL 中循环，从而实现优先级交换。该交换结构的另一优点是FDL 被所有的输出端口所共享，因此能充分利用所配置的FDL。然而，该结构只使用FDL 来解决光分组竞争，并没有充分利用波长域的竞争解决方法，因此性能有待于进一步提高。

3.2 FWBFWC 交换结构

为了提高交换节点的性能，等人提出一使用反馈式光缓存和反馈式可调波长变换器(TWC)来解决光分组冲突的光分组交换节点结构,即FWBFWC 交换结构。FWBFWC 交换结构如图2 所示，每根输入/输出光纤上包含有W 个不同的波长信道。在每根输入光纤上，当承载在各个波长信道上的光分组到达时，它们首先经过波分解复用器(DMUX)，把各个光分组分开。FWBFWC 配置有M 根反馈式的FDL 和R 个反馈式的TWC 作为竞争解决方法。每根FDL 可以看成是一个WDM 缓存，即在每个时隙，每根FDL 内能同时容纳W 个不同的波长，这W 个波长与输入/输出光纤内的波长是一样的。FDL仍按简并的方式排列，长度从T 到MT(T 为FDL的粒度)。反馈式可调波长变换器具有两种功能：一种功能是把发生冲突的光分组所对应的光波长变换到目的输出端口的空闲光波长上进行输出；另一种功能是把发生冲突的光分组所对应的光波长变换到反馈式WDM 光缓存中的空闲波长进行缓存。FWBFWC 交换结构可以实现优先级交换，与SMOP 交换结构相比，增加了波长变换的竞争解决方法，所配置的反馈式TWC 和反馈式FDL 被所有的输入波长信道所共享，其竞争解决资源能被充分统计利用。因此，FWBFWC的性能远远好于SMOP，其引入的缓存时延也大大小于SMOP。

3.3 OFBFWC 交换结构

FWBFWC 交换结构具有较好的性能，但其所配置的可调波长变换器成本高，实际设计中有时要在性能与成本之间进行权衡。OFBFWC交换结构如图3 所示。

WCU 由一个分路器、一个固定波长变换器（FWC）、一个SOA 光开关和一个无源耦合器组成。当光分组到达时：如果输出端口空闲，光分组通过SOA 光开关直接进入空分交换矩阵；如果光分组冲突发生，可以使用FWC 来解决冲突，即把光分组的承载波长变换到目的输出端口上固定的空闲波长进行输出。在OFBFWC 交换结构中，B 根FDL 组成反馈式FDL 光缓存。每根FDL 同样可以看成是一个WDM 缓存。各根FDL 仍按简并的方式进行排列。OFBFWC 交换结构同样可以实现优先级交换，与FWBFWC结构相比其性能要稍差，但成本要低得多；与SMOP 结构相比，由于增加了固定波长变换器，其丢包率要好于SMOP，且引入的缓存时延也比SMOP 小。

3.4 RFWC-ROB 交换结构

在OFBFWC 交换结构中，每个输入波长信道配置有一个固定波长变换器，固定波长变换器的功能无法统计复用，提出一种使用反馈式固定波长变换器和反馈式光缓存解决光分组竞争的RFWC-ROB 交换结构。RFWC-ROB 交换结构除了使用反馈式的FDL 外，还使用了多组反馈式的固定波长变换器来解决光分组竞争。每组（W 个）固定波长变换器实现对输入光纤中W 个承载波长的变换。RFWC-ROB 交换结构同样可以实现优先级交换，与OFBFWC 交换结构相比，其固定波长变换器的功能可以被充分利用，因此在获得相同丢包性能的条件下，其所需的固定波长变换器的数量要少于OFBFWC。

4 结束语

光分组交换(OPS)是构建下一代电力光纤通信网的理想技术。本文详细介绍了SMOP、FWBFWC、OFBFWC、RFWC-ROB 等 4 种能够实现优先级交换的OPS 结构并分析出基于OPS的电力光纤通信网所承载的业务对通信实时性是有着不同的要求，为了满足不同的实时性要求，OPS节点应具有优先级交换功能。

[1]江黛茹，金生明.电力通信系统中的SDH 自愈环组网及其应用探讨[J].电力系统通信，2006，27:32-35.

[2]高强.电力通信技术发展趋势[J].电力系统通信,2007,28(174):1-9.