波长交换技术在工业时敏网络中的应用研究

［蒋攀 李恩 钟震林 李锐清 丁明吉］

1 引言

随着信息化、智能化程度不断提高，工业互联网的传输实时性、可靠性要求越来越高。目前现场传感器与动作设备之间主要通过核心骨干路由器进行数据交互，这种“光-电-光”的传输架构主要在电层进行数据处理，处理时延大，抖动无法确定，无法保证高精度动作设备的控制实时性，导致产品的生产工艺出现偏差，大幅降低产品的良品率。针对工业时敏网络的传输低时延问题，本文提出一种基于波长选择开关（以下简称“WSS”）的光接入与交换架构，同时搭建了具有4 个节点的环形MESH 网络测试平台，通过试验测得端到端100 km 的传输时延为微秒级（传输延时主要来源于光纤），可以满足工业时敏网络的传输实时性要求。

2 软件定义工业时敏网络（SD-TSN）架构

软件定义的工业时敏网络架构，采用分层分面的设计模式，网络架构自顶向下包含汇聚接入与交换层、MEC边缘接入层与现场设备层。在软件定义网络体系结构的基础上，支持采用切片技术隔离非时敏与工业时敏业务，面向厂房车间现场实时协同控制、企业级管理以及企业与社会产业链的高效协作需求，构建同时满足大数据量交互、极低传输时延、高安全性、高可靠性等需求的新型工业时敏网络体系架构，具体如图1 所示。

图1 工业时敏网络系统架构图

边缘接入网络是由部署在厂房车间现场网络交换设备和厂房车间现场的各类终端设备（包括嵌入wifi 终端模块、LTE 终端模块、工业以太网终端以及工业物联网模组的各类CPS设备、工业传感设备等等）组成，主要提供车间级软件定义综合接入与交换、边缘网络SDN 组网控制、现场数据预处理和存储服务。

汇聚层主要面向企业级云服务应用提供时敏网络SDN 控制设备以及光接入与交换设备构成汇聚传输层的核心设备。SDN 控制器主要部署在逻辑上独立的控制管理网中，实现对全网全域的动态智能管理，全网全域软件定义组网控制策略下发，可信安全系统的智能嵌入。

光接入与交换设备用于时敏业务的数据透明转发及交换，支撑SDN 控制设备的波长级资源的自动适配，通过全光链路进行汇聚交换传输，提供接近零延时的端到端传输体验，支撑未来远程机器人触觉控制、特种车间环境监控处置等高时敏业务需求。

3 光接入与交换设备实现方案

3.1 硬件方案

光接入与交换设备的硬件方案是基于波长选择开关（WSS）构建的，因此波长选择开关的选择决定了设备的核心性能指标，在对比了国内外生产厂家的器件参数后，最终选择finisar 公司的DWP50 作为核心交换单元。本方案旨在实现3 个方向的无阻塞波长交换，即输入东向、西向、北向三路经过波长交换后输出到东向、西向、北向三路上，同时完成波长的上下路功能，系统架构如图2 所示。

由图2 可知，光接入与交换设备主要由放大单元、无阻塞交换单元、耦合单元以及复用/解复用单元等组成。

图2 光接入与交换设备硬件架构

放大单元分为前置放大单元和功率放大单元。前置放大用于提高光接收机的灵敏度，一般工作于小信号或线性状态，放大增益足够高，噪声系数较小。功率放大用于线路放大，可直接插入到光纤传输链路中作为光中继放大，省去电中继的光电光转换过程，直接放大光信号，以补偿传输线路损耗，延长中继距离。

无阻塞交换单元（WSS）作为光接入与交换设备的核心光层处理单元，主要完成光信号的波长级调度处理及路由分配，能够实现对输入合波信号软件远程配置后，将波长进行任意组合并在不同的输出端口进行输出。

耦合单元主要完成多路光信号耦合为一路光信号进行远距离传输。

复用/解复用单元的复用单元是将多路不同波长的光信号复用到一根光纤上进行传输；解复用单元是将来自各个方向的混合光信号分解为原来的多路光波长信号；对于C波段的波长而言，可达100 GHz（0.8 nm）的48 个波长和50 GHz（0.4 nm）的96 个波长，符合ITU G.694.1 国际标准。

光接入与交换设备业务流向包含波长的上下路以及波长穿通两部分。光波长上路是指光信号经复用单元合成为一路光信号后通过无阻塞交换单元将相应业务波长分配到任意线路侧耦合单元，最后经功率放大单元放大后向远端传输的过程；光波长下路是指将来自所有维度方向的光信号通过无阻塞交换单元进行波长调度处理，重新组合后的光信号再经过解复用单元分解出相应业务波长到客户侧进行后续接收处理的过程。波长穿通是指将来自不同方向的合波信号经过前置放大单元进行功率放大，无阻塞交换单元对放大后的光信号中的波长进行任意组合后直接穿通至耦合单元继续向后级传输的过程。

由于本地上路光波长与穿通光波长之间的光功率存在差异，这种差异经后级放大器放大后会因为功率竞争出现“掉波”现象[3]（即某些波长消失不见），为解决这一问题，本文在控制单元中加入光功率均衡算法来控制无阻塞交换单元动作实现功率动态均衡，详见3.3。

3.2 软件方案

光接入与交换设备软件采用模块化设计，分为单板软件和主控单元软件，分别安装在各单元板上进行，完成相应功能，基于软件定义的设备软件设计方案如图3 所示。

图3 光接入与交换设备软件架构

设备上电后，主控单元软件的带内路由加载单元自动加载带内流表，打通带内传输链路；主控单元软件通过Ping 包方式轮询SDN 控制器IP，建立连接后主动发送心跳信息与控制器完成握手。主控单元OpenFlow 协议处理模块负责解析控制器下发的流表，并将流表存入消息队列中，逐条取出下发至各业务单板，使单板完成相应动作实现预期功能。光接入与交换设备软件可通过SNMP 协议实时上报设备当前状态信息，为网络态势动态感知能力提供数据支撑。

3.3 光接入与交换设备光功率均衡设计

光接入与交换设备的放大单元具有光功率监控功能，能够将输入信号中各单波功率实时反馈至控制单元；光接入与交换设备的无阻塞交换单元可以对输入信号中的各单波独立地进行功率衰减，光功率均衡过程如图4 所示。

图4 光功率均衡流程

光功率均衡算法描述如下。

（1）测量基准功率P1

首先通过功率放大单元获取穿通波长和上路波长的光功率，从所有光功率值中选择光功率最小值作为基准功率P1,其余波长的功率值均向基准功率P1逼近。

（2）计算衰减值及设置相应无阻塞交换单元

将各波长功率值与基准功率P1比较，计算得到各自的衰减值集合A（A1、A2…An），并用集合A 中的衰减值设置对应的无阻塞交换单元中的可调衰减部件完成初次均衡。

（3）再次获取衰减后的波长光功率

初次均衡后需再次通过主控制器采集功率放大器输出各波长的功率，如果不同波长之间功率差异≤1 dB，则表明均衡完成，如果不同波长之间功率差异＞1 dB，此时分两种情况考虑，如果初次均衡后的功率为P初＞基准功率P1，则需增加衰减值（增加的衰减值为P初－P1）并进入步骤2；如果初次均衡后的功率P初＜基准功率P1，则需减小衰减值（减小的衰减值为P1－P初）并进入步骤2。

光功率均衡过程，由程序自动控制，只要各波长通道的功率差异满足条件，均衡过程就会自动执行，满足系统对功率平坦的指标要求。

3.4 性能指标验证

基于图3 所示的硬件方案，课题组开展了项目的样机研制（以下光接入与交换设备简称“待测设备”），并按照图5 和图6 搭建了性能指标测试平台进行测试验证，测试环境如图7 所示。

图5 光接入与交换设备上下路及穿通时延测试框图

图6 100 km 时延测试框图

图7 100 km 时延测试环境

首先测试OTN 网络分析仪的固有延时，将OTN 网络分析仪的10G 光接口的TX、RX 用光纤跳线进行短接，测得OTN 网络分析仪的固有延时t固=0.7 μs。

按图5 搭建光接入与交换设备上下路时延测试平台。上路时延测试过程：由OTN 网络分析仪的TX 端发送测试数据到待测设备的客户侧RX，用计算机配置待测设备客户侧RX 的波长信号上路到线路侧TX，测试数据由待测设备线路侧TX 送到OTN 网络分析仪的RX 端口，形成信号闭环，观察OTN 网络分析仪显示的时延值t1=0.9 μs，则待测设备的上路时延t上=t1-t固=0.2 μs；下路及穿通时延测试过程与上路时延测试过程类似，此处不再赘述，测得待测设备的下路时延、穿通时延与上路时延相同，均为0.2 μs。

按图6 搭建100 km 时延测试平台。100 km 时延测试过程如下：由OTN 网络分析仪的TX 端发送测试数据到待测设备的客户侧RX，用计算机配置待测设备1 的客户侧波长上路到线路侧西向接口，光信号经过50 km 光纤传输到待测设备3 的线路侧西向接口，用计算机配置待测设备3 将西向接收到的光信号穿通至东向输出，光信号经过50 km 光纤传输到待测设备4 的线路侧东向接口，再次用计算机配置待测设备4 将东向接收到的光信号下路至客户侧TX 端口，OTN 网络分析仪的RX 端口与待测设备4 的客户侧TX 端口相连形成信号闭环，观察OTN 网络分析仪显示的时延值t100km=500.5 μs，光纤传播100 km 的时延约为499.8 μs，则光信号经过待测设备所产生的时延值为t1-3-4=（500.6-499.8）μs=0.7 μs，与上述单台设备时延测试结果吻合。

上述试验结果表明：在长距离传输中时延主要由光纤的长度决定，光接入与交换设备产生的时延较小可以忽略，光接入与交换方案切实可行，能够满足工业时敏网络的低时延传输要求。

4 应用

软件定义工业时敏网络可在边缘云接入5G 高清视频语音数据（时敏业务），时敏业务在集中式编排配置下送入软件定义汇聚传输网络，在光电一体化汇聚传输网络进行汇聚交换到企业云或其他边缘云，完成时敏业务的定制化端到端可靠传输，整个域内的接入或传输设备均通过SDN 控制器进行统一智能管控，典型应用如图8 所示，软件定义工业时敏网络端到端上下行速率可达50 Mbit/s，端到端传输延时小于5 ms，抖动小于±100 μs。

图8 光接入与交换设备典型应用

光接入与交换设备主要应用于工业时敏网络中的软件定义汇聚传输层，能够同时支持时敏业务和非时敏业务的透明传输和交换，并具备高速交换、分类保障、多等级服务质量、区域宽带互联、高精度全域时间同步以及冗余抗毁能力，能够为时敏业务提供确保的传输路径。

5 结束语

针对工业时敏网络中时敏业务接入与传输问题，本文提出一种基于WSS 的光接入与交换传输体系，通过研制原理样机实现时敏业务在光域波长级别的多维可重构低时延交换且原理样机固有延时仅为0.2 μs，同时课题组通过搭建4 个节点的长距离环形MESH 网络测试平台证明原理样机的固有延时可以忽略不计，光接入与交换设备能够满足工业时敏网络极低时延、高可靠的传输要求。