基于OTN交换技术的铁路光传输网络效率分析

董 宁，孙 强

(北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044)

近年来，随着铁路运量的不断增长，以及诸如综合视频监控等高带宽需求的业务日益普及，铁路网络传输的数据流量也不断增大[1]。因此，铁路通信网络面临着巨大压力，网络设备需要满足新增的容量需求。中国铁路通信网络包括核心层、汇聚层和接入层，其中汇聚层仍部署有大量的DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)设备。针对这些网络设备进行升级改造，势必会带来成本和运营支出的上升，这些都将会影响到铁路利润。同时，网络升级还要考虑能源因素，大量的新增设备必然会导致电力负担加重，同时会增加温室气体的排放，影响环境。在这种情况下，铁路通信网络要在保障铁路信息可靠传输的前提下，通过提高网络资源(例如：频谱、设备和能量等)的利用效率，最终达到网络可靠性和有效性的平衡。

现有铁路汇聚层网络中设备的技术核心是波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技术。不断增长的流量需求对传输网络的影响是最大的，而能有效提高网络容量的简单办法就是部署高速的WDM系统，例如100 G WDM[2]。相比于传统网络，这类高速光传输系统除了频谱效率的明显提高外，还能降低成本和每比特传输的能量消耗。但是这些潜在优势可能会受到以下因素的限制：带宽的过度供应导致的资源利用率不足；较高传输速率的负面影响。首先，如果客户端的传输速率远低于线路侧的传输速率，那么应答器TSP的容量提升反而导致利用率的降低。其次实际中单个用户或实体很难单独产生高达Gbit/s量级的信息。最后，这些系统往往采用例如16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的高阶调制。这需要很高的光信噪比OSNR(Optical Signal Noise Ratio)，才能保障接收端成功恢复信息，即越高阶的调制要求的OSNR越高。因此，这类高速光传输系统对物理损伤的敏感度很高，并且长距离传输的可行性较差。

伴随着铁路技术的不断发展，铁路系统中的各种业务对铁路传输网的依赖程度越来越高，因此安全性对于铁路网络至关重要。保护网络的常用办法是提供冗余备份，从而避免网络的中断，但是其缺点在于降低了网络效率。一方面，冗余保护需要复制网络资源进行保护，降低了网络资源的利用率。另一方面，链路的保护路径有可能增加传输的距离，这对于像100 G WDM这类高速光传输系统显然是不利的。

OTN(Optical Transport Network)交换技术通过切换光信道数据单元ODU(Optical Channel Data Unit)来提供灵活的带宽管理功能。在节点上安装OTN交换矩阵(由ODU-XC板实现)可实现不同容量的子波长梳理和ODUk交叉连接(k=0,1,2,2e,3,4或flex)。OTN交换功能允许将客户端与WDM传输接口进行接耦。传统的WDM网络无法实现波长内和波长之间的子波长梳理，即任何业务都需要在接收端将波长解复用来还原发送端信号。而OTN交换技术的优势在于可以明显提高带宽资源的利用率，还能实现无需修改硬件的平滑升级。目前针对该技术的研究工作较为广泛，如文献[3]提出一种“梳理指数”，并用其评估OTN交换为网络流量带来的提升。文献[4]分析了OTN交换对频谱利用率的提升，指出OTN交换减少了客户端端口的数量。文献[5]分析了在两个100 Gbit/s光网络中引入OTN交换对WDM层上的影响。文献[6]研究得出OTN交换可以提高网络效率和操作易用性，通过评估几个现实世界的网络和流量模型，得出结论：OTN交换并非通过物理拓扑而是通过流量模式实现优势最大化。目前数据增长的趋势使得多层网络技术及架构选择至关重要，文献[7]重点介绍了采用OTN交换和灵活线路接口的组合如何能最大限度地优化传统技术。

1 OTN交换

OTN交换技术旨在解决流量迅速增长引起的带宽扩展问题，具有高性价比、高灵活性和易于部署等优点。OTN交换技术已经逐渐在世界各地的运营商网络中得到应用，为融合的光传输网络提供子波长切换。

1.1 节点架构

OTN交换功能的实现依赖于OTN线路板和支路板之间的ODU-XC(光信道数据单元交叉连接)，见图1。节点由若干个波长选择开关WSS(Wavelength Selective Switch)组成。WSS的数量取决于节点中输入和输出的光纤数量(即节点数N)，并且WSS还包含一组光放大器OA(Optical Amplifier)。光放大器的作用是补偿节点输入和输出处的光纤损耗、插入损耗等。组波交换MCS(Multicast Switch)处理上下行光信号，同放大器阵列一起补偿由插入ODU-XC引起的潜在损耗。

图1 OTN交换结构

1.2 OTN交换效果示例

图2(a)表示传统节点，不具有OTN交换功能；图2(b)中是具有OTN交换功能的节点。在图2中网络内提供的三项业务分别是A到B、A到D、B到C，每项业务均考虑其工作路径WP(Working Path)和保护路径PP(Protection Path)[8]。

图2(b)中OTN交换能够将目的地不同的信号汇聚在同一条光通路中进行传输。图2(b)中C和D之间，光通路内包括传输业务1的工作路径WP1和业务3的保护路径PP3。另外OTN交换的优势在于能够保障工作路径和保护路径链路分离[9-10]。在应用OTN交换后可以减少链路的频谱占用，从而提高频谱利用率。从图2中还可以看出OTN交换能减少线路板的数量，而新加ODU-XC板的成本较低，能量消耗较少，因此加入OTN交换还能降低网络建设的总成本和能量消耗。

图2 OTN交换效果示例

2 建模场景及参数设置

2.1 建模场景

本研究基于具有40、100、200和400 Gbit/s混合线路速率传输的WDM网络。为了得到OTN交换对网络的提升效果，将具有OTN交换的场景与不具备该功能的传统场景进行对比。为了切合铁路实际情况，选取某铁路集团公司下辖的多个部分实际网络拓扑作为研究场景，见图3。场景1中包括12个节点和14条双向链路，并放置24个光放大器。场景2中包括8个节点和11条双向链路，并放置18个光放大器。场景3中包括10个节点和15条双向链路，并放置27个光放大器。为方便研究，假设该场景下每条链路为单条光纤并且损坏后无法再生。

图3 3个研究场景的网络拓扑

2.2 网络中的器件及各项参数

2.2.1 应答器TSP

本研究中采用4种性能的应答器：40、100、200和400 Gbit/s。通过查阅相关设备商的资料并参考文献[11]中的数据，表1中给出了这4种应答器的调制方式、能量消耗和成本参数。为方便计算，成本的单位定义为单位成本CU。

表1 应答器的各项参数

2.2.2 光放大器OA

为保障网络中光信号的传输质量，现有的铁路光传输网络中通常会在链路和节点中放置掺铒光纤放大器EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)，其优点是可以直接对光信号进行放大，无需光电、电光转换等复杂过程，尤其适用于长距离光通信的中继放大。所以光放大器是网络场景中的重要元件，在计算成本和能量效率时需要进行考虑。每个EDFA的成本为1CU，每个方向能量消耗为30 W，每个位置的线路放大器能量开销为140 W。

2.2.3 光交叉连接OXC

光交叉连接OXC(Optical Cross Connect)应用于节点的输入、输出以及MCS模块的上/下行阶段处。依据文献[11]中的成本模型，其成本值的计算公式为

(1)

式中：Cpa为前置放大器的成本，取0.8CU；Cb为光功率放大器的成本，取0.8CU；CWSS为波长选择开关的成本，取6CU；CAA为放大器阵列的成本，取12CU；CMCS为组播交换的成本，取24CU；N为输入和输出的光纤数量；a为上下行光信号的数量。而OXC的能量消耗取决于N和a的值，如式(2)所示，根据前文中的OTN交换结构，本研究中取N=4,a=8。

PCO=N85+100a+150

(2)

2.2.4 OTN交换矩阵

OTN交换矩阵位置处于线路板和支路板之间。根据单板支持的最大切换流量，该矩阵可以由一个或多个光信道数据单元交叉连接(ODU-XC)板组成。本研究中假定单个板卡的最大交换容量为1 TB，根据实际数据ODU-XC成本为18CU，能量消耗为96 W。

3 评估标准

本文中研究混合线路速率下WDM网络中传统的静态网络规划问题，采用路由和波长分配RWA(Routing and Wavelength Assignment)算法[12-13]来评估具有和不具有OTN交换的两种网络场景性能。在混合线路速率MLR(Mixed-Line-Rate)网络[14]中，可以选择不同的线路速率组合来提供服务。本研究中算法的目的是在网络中分配最大流量，并同时评估以下3个指标：平均频谱占用率ASO、每GHz成本效率CEPG和每GHz能量效率EEPG。

3.1 平均频谱占用率

(3)

式中：ASO为网络中链路的平均频谱占用率，即C频带(4 000 GHz)中的占用频谱除以总带宽；A为占用的频谱带宽；B为总带宽。

3.2 网络整体的每GHz成本效率

网络整体的每GHz成本效率CEPG计算公式如式(4)所示。其中总流量TT是初始业务矩阵中所有业务需求TD的总和。而总成本TC则包括网络中所有的应答器TSP、光放大器OA、光交叉连接OXC和ODU-XC板的整体成本支出，需要注意的是ODU-XC板在OTN交换场景中使用，传统场景中不包括这部分的成本。

(4)

3.3 网络整体的每GHz能量效率

网络整体的每GHz能量效率EEPG与CEPG计算方法类似，通过网络的每GHz能量效率EE和ASO的比率计算。EE是将总流量TT除以整体的能量消耗TPC。TPC是网络场景中所有设备消耗的功率总和，包括TSP、OA、OXC和ODU-XC板(仅在OTN交换场景中考虑)的能量消耗。

(5)

4 模拟仿真结果

研究中分别采用3个网络拓扑场景下的双向流量需求作为初始场景，即场景1为14个双向流量需求，场景2为11个双向流量需求，场景3为15个双向流量需求。以500 Gbit/s的总体流量作为初始情况，并且最终扩展到2 Tbit/s。本节通过计算3种网络拓扑仿真数据并进行平均后，对比具有和不具有OTN交换功能的情况下ASO、CEPG和EEPG。

4.1 平均频谱占用率

具有OTN交换功能与无该功能的ASO对比见图4。通过应用OTN交换技术，可以明显减少频谱资源的占用。频谱占用的减少可以帮助扩大网络的整体容量。铁路网络在传统的流量较低情况下，应答器TSP[15]的容量没有得到有效利用。同时考虑到必须提供保护路径，这种低效率问题就更加严重。OTN交换技术能够将多个流量需求整合到相同的光通道上，这样分配的波长数量可以明显降低。虽然随着流量的增长，OTN交换的优势将减弱。但是由于初始业务矩阵支持将长路径分割成更小的子路径，这样就使得频谱传输更为有效。因此OTN交换仍然可以有效减少频谱占用。相较于传统场景，OTN交换对频谱占有的提升范围是602%(0.5 Tbit/s时)到41%(2 Tbit/s时)。

图4 平均频谱占用率ASO

4.2 每GHz成本效率

对比网络整体CEPG(图5)，OTN交换能够(特别是在低流量时)改善CEPG。事实上当流量较低时，OTN交换中的流量梳理可以减少TSP的数量，并且能实现在更高速度的TSP上传输，所以其相比于传统场景能提供较低的成本。尽管ODU-XC板需要额外的成本支出，但是TSP所节省的成本实现了整体CEPG的改善。随着流量的增长，OTN交换场景下的CEPG改善效果减弱。这是由于在高流量的情况下，应用流量梳理的机会减少，OTN交换的应用对TSP数量的改变不明显，所以其成本改善的效果减弱。尽管在高流量情况下CEPG改善减弱，但是考虑到OTN交换对频谱资源利用率的提升，其仍然是优于传统场景的网络方案。相较于传统场景，CEPG的提升在5%(2 Tbit/s时)至607%(0.5 Tbit/s时)之间。

图5 每GHz的整体成本效率CEPG

4.3 每GHz能量效率

具有OTN交换功能的与不具有该功能的网络整体EEPG对比见图6。当节点中应用了OTN交换功能时，网络的EEPG可以明显增强。EEPG与CEPG的结果相似：EEPG的提升在较低流量时更为明显，在流量较高时，OTN交换场景下的EEPG改善减弱。其原因与CEPG中分析的相同，高流量时流量梳理的机会减少，并且消耗功率的TSP总数增加，从而导致EEPG提升效果不明显。考虑到OTN交换场景对频谱占有的减少，OTN交换仍更具优势。相较于传统场景，OTN交换对EEPG的提升在817%(2 Tbit/s时)32%和(0.5 Tbit/s时)之间。

图6 每GHz的整体能量效率EEPG

5 结束语

铁路网络为满足不断增长的流量需求，正面临着基础设施升级的压力[16]。针对铁路汇聚层中大量的WDM设备，OTN交换能够提高频谱利用率、成本效率和能量效率，具有很高的应用价值。同时该技术只需要在现有光节点上安装ODU-XC板，易于实现。本文旨在评估OTN交换为具有混合速率传输以及DP 1 + 1保护下的WDM网络提供频谱、成本和能量效率方面的改进。通过仿真结果可以发现，OTN交换在中低流量的情况下优势更为明显，在这种情况下，应用流量梳理可以明显提高TSP利用率，在较低流量时相比于传统场景，ASO、CEPG和EEPG分别提高了602%、607%和817%。