基于OSU的OTN技术在滇中引水工程中的部署策略

范璐璐，张延杰 ，王凌航，王娅萍，李奕柏，何 苗

(1.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650051； 2.融通地产(云南)有限责任公司，昆明 650032；3.云南省设计院集团有限公司，昆明 650000)

1 研究背景

滇中引水工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程中的标志性工程之首，其输水工程总干线长664 km，受水区涉及大理、丽江、楚雄、昆明、玉溪、红河共6个州(市)的36个县(市、区)。为使整个滇中引水工程达到现代化、智能化运行管理水平，配套主体工程同步启动了“智慧滇中引水”工程。通信传输系统作为“智慧滇中引水”工程各项业务开展的基础网，主要为本工程各级管理机构、闸站、泵站及其他系统之间的语音、数据、视频等各种信息传递提供高速可靠的传输通道[1]，为滇中引水工程实现智慧化工程运行管理提供基础性保障。

引调水工程的通信系统有多业务传送平台(Multi-Service Transport Platform，MSTP)、分组传送网(Packet Transport Network，PTN)平台、光传送网(Optical Transport Network，OTN)平台可供借鉴[2]。MSTP平台是基于同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)技术的多业务传送平台，可实现时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)、分插复用(Add-Drop Multiplexer，ADM)、以太网等多种业务接入，但存在带宽利用率低、网络扩展能力差等问题。PTN平台以分组业务为核心、支持多业务提供，秉承了光传输的传统优势，但PTN技术在支持网络的可持续演进方面存在局限性。传统OTN平台是目前比较主流的传输网络，具有带宽大、业务接入方便、网络管理简单和系统可靠稳定的特点，限于其管道颗粒度大的弊端，无法灵活高效适配业务的多样化需求[3-4]。为解决传统OTN平台问题，OTN系统采用分组、虚拟容器(Virtual Container，VC)[5]和光数据单元(Optical Data Unit，ODU)多平面叠加的方式来实现，但此方式引发多平面叠加技术复杂、运维管理复杂、业务映射层级过多、实现成本高等新问题[6]。国内外学者对大型引调水工程的数据传输系统需求提出新的技术路线和多种组合的技术理念。如唐士云等[7]在南水北调中线工程总干渠通信系统研究中采用了SDH技术；李全胜等[8]提出了利用光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead GroundWire，OPGW)、基于MSTP技术建设南水北调西线一期工程专用光纤通信网的初步方案；辛贵升等[9]进一步运用了基于SDH技术的MSTP传输方式对南水北调东线骨干通信网进行了研究设计。光业务单元(Optical Service Unit，OSU)技术也成为未来传送网的演进方向[10]。目前，荆瑞泉等[11]、Bai[12]对基于OSU技术的OTN进行了嵌合性技术研究。在此基础上，国内运营商进行了现网试点验证，并将OSU技术运用在工业互联网中，如王通等[13]提出在高铁通信传输网络中引入OSU技术并进行运用；Fan等[14]提出OTN传输技术在未来城域电力网中具有广阔前景；Yang等[15]提出多业务光传送网(Multi-Service Optical Transport Network,MS-OTN)有望为未来电力业务提供安全、可靠和灵活的传输。

在数字化新时期，数字孪生滇中引水工程的建设需求对工程的智慧化提出了巨大挑战，实时传输大量数据的需求也对网络传输能力提出了更高要求。鉴于OSU技术优势和大型水利工程智慧化建设需求，将两者进行结合，使得大型水利工程切合数字孪生建设新理念，具备新一代水利信息网的基础条件，体现“智慧滇中引水”的智能建造和智慧运营功能。本文创新性地将OSU技术引入引调水工程传输网络，着重研究基于该技术的OTN网络在滇中引水工程中的部署策略，以期对“智慧滇中引水”工程传输网络的设计、实施提供指引。

2 基于OSU的OTN网络技术构建

为解决OTN网络承载小颗粒业务复杂、业务映射层级过多引发时延较高等问题，进行基于OSU的OTN网络关键技术构建。保留传统OTN硬管道、丰富的操作维护管理(Operation Administration and Maintenance，OAM)功能等优势的前提下，借用OSU技术可提供更细的时隙颗粒度、更简洁的带宽无损调整，和2 Mbps～100 Gbps速率业务的高效承载，使得OTN具备更加灵活的承载能力[16]。

2.1 OSU关键技术

2.1.1 基于PB的帧结构划分

OSU技术采用非固定时隙的净荷方式划分业务，即业务按照净荷块(Payload Block,PB)划分，单个PB按最小2.6 Mbps进行设置，业务被划分为N×2.6 Mbps(N=1，2，3，4,…)颗粒，并映射封装到OSU的定长帧中，此划分形式可解决传统OTN采用固定时隙划分帧结构的弊端。其中，OSU帧包括开销(Overhead,OH)和净荷区(Payload)，然后通过通道标识符支路端口号(Tributary Port Number，TPN)进入到新的容器,承载在光信道净荷单元(Optical Channel Payload Unit,OPUk)中，如图1所示[17]。图中 FAS表示帧定位信号(Frame Alignment Signal)。

图1 OSU帧结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of OSU frame structure

2.1.2 简化映射层次

将基于ODUk/PKT/VC的三混平台演进为基于纯OSU的交叉功能。通过简化映射层次，由原来的5层缩减为3层，业务→VC12(2M速率)→VC4(155M速率)→ODU1(2.5G速率)→ODU4(100G速率)→OTUCn，通过OTN承载后将简化为业务→OSU→ODU4(100G速率)→OTUCn，具体如图2所示。基于OSU的OTN网络在交叉功能上将更加简化，可解决传统OTN封装小颗粒业务映射层级过多的问题。

图2 OSU封装格式示意图Fig.2 Schematic diagram of OSU packaging format

2.1.3 带宽无损调整

OSU技术可根据业务实际大小，灵活配置容器的容量，后期随着业务容量的变化可向上或向下做带宽无损调整[18]。源端调整PB数量后，宿端可自动适配源端调整，无需整体链路同步操作。运用OSU技术简化调整流程，可解决传统OTN设备有损调整及调整流程复杂的问题，实现更大调整范围、更快调整时间的功能。

2.2 OSU-OTN技术应用于引调水工程的特点

引调水工程中需要传输各类监测数据、 运行数据， 包括传输实时、 非实时、 高速、 低速数据。 将基于OSU技术构建的OTN引入引调水工程通信传输网络， 结合OSU的关键技术， 可以实现以下传输特点。

(1)提高颗粒度的灵活性。基于OSU的OTN系统支持2M、10/100M、100M STM-N(同步传输模块n级)等小颗粒业务接口，实现各类业务直接通过OTN平面的承载，满足引调水工程数据传输的大部分业务对颗粒度的要求。结合未来云计算、大数据、5G、AI、物联网、智能装备等在引调水工程中的应用需求，该技术同时具备FE/GE/10GE等以太分组接口，并能支持50G/100G接口，满足未来工程上新一代信息技术的承载需求。

(2)提高带宽利用率和连接数。OSU作为一种新的低阶容器可以复用到现有OTN体系的ODUk中，采用OSU/ODU4的单级映射，一个ODU4最多可以支持1 000个10Mbps级别的OSU连接，相比于传统OTN最大支持80个时隙的局限性得到了极大的提升[18]。将OTN管道带宽最大化利用，达到多点位、多业务的有效承载部署。

(3)降低时延。基于OSU的OTN系统支持任意速率的接入，通过简化映射层次，端到端电路时延相比采用传统OTN技术降低约70%[17]，可保障引调水系统控制及调度的及时性。

(4)物理隔离。提供刚性硬管道，实现调度、监控、办公等业务的100%物理隔离，提升引调水工程统一承载的安全性。

(5)快速无损带宽调整。与传统的灵活速率光数字单元(ODUflex)的带宽有损调整机制相比，基于OSU的业务带宽采用无损调整，经现网测试端到端业务调整时间<15 s，相较于ODUflex分钟级的调整时间达到量级上的优化，使得调整时间更短、调整颗粒更加精细，有效实现调水传输系统承载各业务的带宽实现智能、动态、实时调整。

(6)简化运营维护。由传统的ODU、VC、以太网3个平面分离承载向ODU/OSU统一承载演进，简化了网络运营维护。

结合上述OSU-OTN传输特点，将MSTP、PTN、传统OTN及OSU-OTN在承载业务方面进行总结对比，如表1所示。可以得出，相对于其他几种传输技术，OSU-OTN能充分满足引调水工程低时延、多业务类型、智能化要求高的业务特点，能够充分满足各类数据传输、服务调用的需要，实现复杂条件下信息采集终端接入引调水工程信息采集网的能力，为引调水工程通信传输提供了适应未来的技术保障。

表1 不同承载技术对比Table 1 Comparison of different bearing technologies

3 滇中引水工程应用部署策略

以滇中引水工程的通信传输网络为例进行规划部署，进一步研究基于OSU的OTN网络技术运用于引调水工程的适用性。

3.1 三网融合部署

将控制专网、业务内网、业务外网三网融合，打造“滇中引水一张网”。采用基于OSU的光切片技术，提供物理隔离的刚性硬管道，实现滇中引水工程的三网统一承载、安全隔离，避免了多套网络的重复建设。专网主要对闸(电)站进行水量调度及运行控制，并满足其较高的传输时延要求；业务内网承载主要应用系统数据信息，如视频监控系统、融合指挥与视频会商平台及水文、防汛和水资源保护信息等，以解决传输带宽占用较大问题；业务外网主要应用于内部办公和对外网络访问。各站点控制专网、业务内网、业务外网的业务，就近接入无源光网络或者OTN网络，经通信网络传输后，将业务双发至核心OTN环的调度中心，如图3所示。界定融合后的三网安全部署，提高了滇中引水调水网络的统筹性、安全性、可靠性与稳定性。

图3 滇中引水工程通信系统结构Fig.3 Structure of communication system in Central Yunnan Water Diversion Project

3.2 接口类型部署

为达到高速、可靠的传输目的，并兼顾整个滇中引水数据中心异地容灾的需求，将滇中引水工程的传输系统进行接口类型部署，如表2所示。作为滇中引水工程各种业务信息的公用传送平台，通信传输系统须统筹考虑总公司、各分公司、管理处、闸站等各级管理机构站点之间的语音、数据、图像等各种信息业务。

表2 传输系统接口类型部署Table 2 Interface types of transmission system

3.3 站点部署

结合未来网络架构“扁平化”趋势，以及各类业务承载需求，制定工程站点部署策略：

(1)采用主备双核心设计。源头泵站石鼓到总公司的多段地理位置重要，且环境条件恶劣，基于可靠性提升的角度，将总公司作为全线用水调度的主体(主调中心)，石鼓作为总调的备份节点(备调中心)，保障石鼓-主调中心线路中出现双纤中断时可启用备调中心保障调度通畅，达到主备双核心设计需求。

(2)节点布置。根据全线光缆线路的距离，结合站点的重要性，选择总公司(主调中心)、石鼓(备调中心)和沿线9个重要闸站作为核心节点，如图3所示，其余相近闸站的业务信息作为接入节点就近接入。

3.4 组网方式部署

OTN在网络的拓扑结构主要有链、环、MESH3种，如表3所示。根据3种拓扑结构的光纤消耗和组网成本的要求，优选光纤环网方案，进行光纤沿渠两侧布放的成环设计，依据工程闸站的总体布置特点，通信站点分布呈线形链状，以实现低成本、易实施、高可靠的组网拓扑。

表3 OTN网络拓扑结构对比Table 3 Comparison of OTN topology

网络架构和建设具体分述如下：

(1)根据输水干线建筑型式和光缆结构，网络架构设置为“核心层+接入层模式”，如图4所示。

图4 滇中引水工程传输OTN组网Fig.4 Networking of OTN in Central Yunnan Water Diversion Project

(2)核心层网络搭建。将光缆核心层线路沿输水干线的两侧建设，构成核心层光纤传输平台环网。核心层网络主要负责完成各核心节点间的业务汇聚，为数据提供传输通道。核心层设置网络节点11个，采用40×100 Gbps的OTN设备组网，可升级至80波，分为上游侧核心层环一和下游侧核心层环二。上游侧核心层环网由石鼓泵站(备调中心)、主调中心和6个重要闸站节点组成，下游侧核心层环网由主调中心和3个重要闸站节点组成。

(3)接入层光缆沿输水线路建设。连接多个接入点后，选择相邻两个核心节点同时接入实现环路保护。接入层网络主要负责完成节点接入、汇聚和转接，将来自接入层的业务汇聚到核心层。根据节点间的电路需求，汇聚层传输系统采用10 Gbps的OTN设备组成自愈环网，当一个节点发生故障，其相临业务节点可以通过另一个方向传输。

考虑整个输调水线路的传输可靠性要求较高，在石鼓-调度中心-新坡背租用一条100M运营商专线备用，保证在环网业务不可达的情况下实现对站点的控制。

3.5 业务承载部署

通过上述网络系统部署，低速率业务、分组业务和新业务通过适配及映射到OSU容器中，可以直接复用到高阶ODUk/OTUk进行传送。以智能水量调度系统的视频监控为例，利用人工智能算法对视频数据中的有效信息自动提取并进行智能分析反馈，通信传输单路按10M带宽计算，OTN平面直接提供OSU来承载映射该业务，实现监控点到调度中心的小颗粒管道直达，满足时延低的要求，同时和其他业务进行物理隔离，确保相互不受影响，体现未来网络长期演进所需的可扩展性。

3.6 网络保护部署

将OTN系统设置成双光纤组成的环网，当网络发生断纤、断电等故障时，总能形成一个新的路由保证故障部位以外的部分继续正常运行[19]，达到网络保护和恢复的作用。梳理出4种典型网络故障情形及相应保护措施如表4及图5所示。

表4 典型网络故障及保护措施Table 4 Typical network failures and protection measures

图5 OTN网络典型故障情况Fig.5 Typical fault conditions of OTN

3.7 对接方案部署

滇中引水工程涉及总干渠、干渠及分支渠之间传输网络的对接，须统筹考虑整个传输的灵活性、扩展性及传输业务质量等因素。梳理数据通信对接和传输线路对接两种方式进行比较分析，如表5所示。

从表5可知，采用传输线路侧对接方式具有控制效率高、时延低、可扩展性的优势，同时利用其传输灵活的特点，可同时支持波道穿通和上下业务，实现业务在光波道穿通、客户侧对接、数据通信设备对接之间灵活切换。

总干渠、干渠及分支渠之间的传输系统选择就近站点接入原则，在同一机房内使用不少于2个客户侧端口直接对接站点业务，通过端口和节点冗余备份来增强网络可靠性，传输网络对接示意如图6所示。

图6 传输网络线路侧对接示意图Fig.6 Schematic diagram of line-side connection in transmission network

3.8 智慧管理部署

3.8.1 分权分域管理

赋予总局、 分局、 管理处等不同单位对指定光网络资源的管理权限， 通过按站点、 网元、 单板、 客户侧端口、 线路侧链路等进行权限划分， 实现分权分域管理一张传输网络 ，提高调水管理的网络化及智能化。

3.8.2 故障模拟管理

通过光网设备、光纤等光资源在地理信息系统(Geographic Information System,GIS)地图上进行可视化呈现，对其进行监控和故障定位，在线模拟割接场景。针对光通路层(Optical Channel Layer Network，OCh)和光传输段层(Optical Transmission Section Layer Network，OTS)两类重大故障采用人工智能(Artificial Intelligence,AI)预测算法，提高光性能健康预警能力，实现工程的智慧化运营[20]。

4 结 论

(1)当前引调水工程通信传输网络采用的技术路线存在诸多局限， 难以满足水利工程“数字孪生”建设对网络智慧化的需求。 本文提出基于OSU的OTN技术构建引调水工程的通信传输网络， 以“智慧滇中引水”工程传输网络为研究对象， 从8个方面研究并构建了滇中引水通信传输系统。

(2)部署研究结果可有效解决采用传统技术的传输网络存在的承载小颗粒业务复杂、业务映射层级过多引发的时延较高等问题，是构建安全实用、智慧高效的智慧滇中引水工程通信传输网络的可行策略，为引调水工程的智慧化传输网络建设提供了新的方法和思路，也为最终实现数字孪生水利工程提供基础性支撑条件。