基于OTN技术的高速公路光通信网络延时优化研究

摘要：为有效降低高速公路光通信网络的传输延时，提高网络整体运行效率，文章利用OTN技术，开展了高速公路光通信网络延时优化研究。首先，划分延时分析层次，识别光通信网络中的延时来源；其次，利用OTN技术的强大功能，建立高效的光通信网络保护结构，对网络中的线路端与业务端进行针对性优化；最后，在此基础上，采用光传输同步技术对光通信网络中的延时进行修正与优化，以减少延时，提高传输效率。实验结果表明，应用该优化方法后，光通信网络在不同业务类型及负载条件下，均表现出卓越的传输性能，传输延时被有效控制在1.0 ms以内，充分满足现代信息通信领域对高效、低延时传输的迫切需求。

关键词：OTN技术；高速公路；光通信网络；延时；优化

中图分类号：TP393""文献标志码：A

0"引言

高速通信网络已成为现代社会不可或缺的基础设施之一，尤其在高速公路光通信领域，网络延时成为直接影响交通管理效率、安全监控实时性及紧急救援响应速度的关键因素。高速公路光通信网络，作为连接高速公路沿线各类终端与数据中心的核心桥梁，显著特点在于其大带宽、高速率传输以及卓越的抗干扰性能。然而，面对复杂多变的网络环境与外部干扰，光通信网络的延迟问题仍不容忽视，成为制约网络整体性能提升的关键因素之一。网络延时不仅削弱了数据传输的实时性，还可能导致视频监控画面卡顿、交通信息更新滞后、紧急救援响应缓慢等一系列连锁反应，严重降低了高速公路的运营效率与安全性。因此，对高速公路光通信网络的延时进行优化研究，具有重要的现实意义和应用价值。近年来，国内外学者在光通信网络延时优化领域取得了诸多研究成果，但针对高速公路这一特定应用场景的深入研究尚显不足，存在许多待完善之处。例如，李俊^［1］提出的方法在实际应用中，会导致信号在传输路径上频繁经历光电转换过程并伴随信号衰减，从而增加网络延时。廖俊东等^［2］提出的方法无法充分挖掘网络资源的多样性优势，导致路由选择策略相对固定，缺乏根据实时网络状态和业务需求进行动态优化的能力，从而限制了网络性能的进一步提升。

OTN技术通过引入光层，实现了光信号在物理层上的直接高效传输和处理，有效提升了网络传输效率和容量^［3］，还凭借强大的开销管理能力、灵活的复用技术和完善的保护恢复机制，为高速公路光通信网络提供了坚实的技术支撑。因此，本文利用OTN技术，开展了高速公路光通信网络延时优化研究。

1"高速公路光通信网络延时优化研究

1.1"识别延时来源

在优化高速公路通信网络延时的工作中，首要任务是系统地识别出导致数据传输延时的具体因素。这一过程涉及对网络各环节的深入分析，以精准定位延时产生的源头。首先，确定需要研究的高速公路光通信网络段落或整体网络范围。收集网络的拓扑图、设备清单、光纤链路信息（包括长度、类型、衰减参数等）以及光放大器配置等。其次，采用层次化的方法进行延时分析，如图1所示，主要从4个层次进行延时分析：（1）物理层分析。检查光纤的长度、衰减、色散等特性对信号传输速度的影响；评估EDFA、RAMAN等光放大器的增益、噪声系数、时延特性。（2）传输层分析。测定光收发器（OTU）的调制速率、编码方式及内部处理时延；检查传输协议的效率，包括帧结构设计、同步机制、错误控制等方面^［4］。（3）网络层分析。评估路由算法和策略对数据包传输路径的选择与优化程度，确认是否实现了最优路径传输；分析网络流量分布状况，识别潜在的拥塞区域及其对延时的贡献。（4）应用层分析。考察高速公路通信系统中数据处理的复杂性与效率，特别是视频压缩、图像识别等应用的处理时间；检查不同协议间转换所需的时间，如光信号到电信号再到应用数据的转换过程^［5］。

最后，在每个分析层次上，利用专业的测试仪器（如光时域反射仪OTDR、光谱分析仪、网络测试仪等）在关键测试点进行实际测量并记录关键参数。对收集到的测试数据进行整理与分析，量化各环节的具体贡献，形成延时来源的详细清单。根据延时贡献的大小排序，明确主要延时来源，为后续的优化工作奠定坚实基础。

1.2"基于OTN技术建立光通信网络保护结构

在完成高速公路光通信网络延时来源的识别后，利用OTN技术，建立光通信网络的保护结构，旨在优化网络中的线路端与业务端，提高光通信网络的传输效率与性能。

OTN技术具备多层次架构，包括光通道层（OCh）、光复用段层（OMS）及光传输段层（OTS），各层次间形成了清晰的客户-服务关系^［6］。这一设计使得OTN能够并行优化光通信网络的线路与业务端，确保高速传输的同时，也能保障网络的高效运行。具体而言，在OCh层，专注于OTN连接的完整性校验、电力大数据传输质量的评估与潜在缺陷的检测。该层通过直接的光路桥接技术，实现了接入点之间的高效电力大数据传输并支持多种终端设备的无缝集成^［7］。OMS层则利用OMS路径灵活地在接入点间传输光通道信号，同时赋予用户选择权，决定是否承载电路大数据业务并据此灵活配置光信号资源^［8］。而OTS层则定义光通信网络的物理接口参数，确保网络底层结构的稳定运行与可靠性。

基于OTN技术的光通信网络保护架构，融合了电层与光层2大保护机制，为高速公路光通信网络的线路端与业务端提供双重防护。这一分层保护技术的结构如图2所示。

通过以上流程，建立一个基于OTN技术的光通信网络保护结构，提升网络的传输效率，增强其稳定性与安全性。

1.3"光通信网络延时修正优化

构建基于OTN技术的高速公路光通信网络保护结构后，在此基础上，对光通信网络延时进行修正优化，以减小延时，提高传输效率。

本文旨在降低高速公路数据传输过程中光通信网络线路端的延迟，通过实施光传输同步技术实现这一目标，具体实现方式如图3所示。

图3展示了在OTN技术框架内，引入精确时间协议（PTP）以实现同步通信大数据传输的方法。该方法利用IEEE 1588协议标准的带内开销机制传输PTP同步报文，从而实现OTN与其下层PTN之间的端到端时间与频率的双重同步^［9］，显著降低了光通信网络的传输延迟。

IEEE 1588协议定义了4种关键报文类型：同步报文（S）、跟随报文（F）、延迟请求报文（D）及延迟响应报文（R）。这些报文共同协作，确保主从时钟的精确同步。同步过程分为2大阶段：（1）时钟偏差估算阶段（Of）。通过计算主从时钟间的差异来初步校准时钟。（2）链路延迟调整阶段（De）。在网络存在固有延迟的情况下，通过进一步计算来补偿这些延迟，以确保数据传输的精确同步^［10］。这2个阶段紧密相连，共同确保光通信网络的低延迟传输性能。

在高速公路光通信网络中，大数据流以预设的周期性方式（标记为S）由主时钟节点发出并附带预期的传输时间信息。选择合适的传输周期t至关重要：若t过短会增加网络负担；而t过长，则可能影响同步效果，导致线路端传输延迟增加。考虑到实际同步周期t难以与预设值完全匹配，PTP协议创新性地引入了附加信息报文，专门用于传输同步信息报文的精确发送时间戳（标记为T_m1）。当客户端接收到同步信息报文C时，同时记录下精确的接收时间（T_s1）。据此可以得出下式：

T_s1-T_m1=Of+De（1）

尽管前述计算流程能够评估高速公路光通信网络中的传输延时波动，但在精确捕捉主从时钟间的时钟偏移（Of）与线路延时（De）方面仍存在局限。为了克服这一不足，采取一种优化策略，在客户端成功捕获同步信息（C报文）后，会引入一个随机延迟，据此发送延迟响应报文R至主时钟。在R报文的发送过程中，客户端会精确记录其发送时间（T_m2）。当主时钟接收到R报文时，同样会精准记录接收时间（T_s2）并将此时间戳随R报文一起返回至客户端，以便进行更精细的同步校准。通过这些数据，可以进一步推导出下式：

T_s2-T_m2=De-Of（2）

上述表达式反映了时钟偏移（Of）与线路延时（De）之间的差异。可以通过下式计算这2个参数：

De=（T_s1-T_m1）+（T_s2-T_m2）2

Of=（T_s1-T_m1）-De（3）

基于上述公式，可以进一步推导出光通信网络时间同步计算公式，如下：

Of=T_sk-T_mk-De（4）

其中，T_sk表示从时钟的时间戳；T_mk表示主时钟的时间戳。

若以Ts表示本地时钟在第k次同步操作之前的时间点，那么经过该次同步操作后，从时钟（即从属时钟）的精确时间可以依据特定的计算公式进行更新，该公式旨在实现与主时钟的同步，如下所示：

T_s′=Ts+Of（5）

利用上述公式，可以在高速公路光通信网络中实现主时钟与从时钟的精确同步，从而有效减少光通信网络的传输延迟。

2"实验分析

2.1"实验准备

本次实验以R高速公路为研究对象，该路段的通信基础设施采用一个包含6个节点的OTN光通信网络拓扑结构，此结构中，每个节点间大致相隔50 km并通过标准的G.652单模光纤紧密连接，每个节点均配置有OTN光端机，这些设备集成了40波WDM（波分复用）技术。每一波长被设定为支持10 Gbps的传输速率（这是目前商用OTN系统常见的配置）。这意味着每个节点均具备高达400 Gbps的总传输带宽能力。

实验所需的硬件配置如表1所示。

按照表1，准备好实验所需的硬件配置，为实验的顺利进行提供有力支持。

2.2"优化效果分析

在完成实验准备工作后，实施了针对高速公路光通信网络延时优化的实验。为了增强实验结果的明确性和可信度，设计了对比实验框架，将本文提出的基于OTN技术的延时优化方法作为实验组，同时选取李俊^［1］和廖俊东等^［2］提出的2种经典方法作为对照组，分别标记为对照组1和对照组2。通过对比分析这3组实验的延时优化成效，全面评估本文提出方法的性能优势。为了模拟不同负载情况下的网络性能，模拟了3种高速公路光通信网络典型的业务类型并设置了多个业务流量强度等级，如表2所示。

此次实验采用传输延时作为关键性能评估指标，实验过程中，详细记录并分析不同优化方法下各种业务类型的平均传输延时，对比结果如图4所示。

通过图4的对比结果可以看出，在所有业务类型和负载情况下，本文提出的优化方法均表现出最低的传输延时，且该延时始终保持在1.0 ms以下的优异水平。尤其值得注意的是，在高清视频监控、高速数""据传输等高带宽需求的业务场景中，延时降低效果更为明显。此外，随着网络负载的增加，所有业务的延时均有所上升，但本文优化方法依然能够保持较低的延时水平，这进一步证明了本文优化方法的有效性，能够更好地满足现代信息通信需求。

3"结语

综上所述，基于OTN技术的高速公路光通信网络延时优化研究不仅显著提升了高速公路光通信网络的带宽利用率和传输效率，还极大地降低了在不同业务负载场景下的传输延时，为高清视频监控、实时数据传输、语音通信等关键业务提供了更为稳定、高

效的信息传输桥梁。实验数据结果表明，本文提出的优化方法相较于传统方法，在降低延时方面展现出了更为卓越的性能，为光通信技术的持续进步与广泛应用注入了新的活力与动力。未来，随着技术的不断进步和应用的深入拓展，对光通信网络性能的要求也将不断提高，将进一步优化和完善该优化方法的性能，实现更加高效、可靠、智能的传输服务，为人们的日常出行和交通管理提供更多便利和保障。

参考文献

［1］李俊.基于OTN技术的电力光通信网络延时误码修正技术［J］.微型电脑应用，2024（5）：201-204，213.

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（编辑"沈"强）

Research on delay optimization of expressway optical communication network based on OTN technology

ZHANG "Maoshuo

（LNJT ATS Technology Co.， Ltd.， Shenyang 110000， China）

Abstract： "In order to effectively reduce the transmission delay of Expressway optical communication network and improve the overall operation efficiency of the network， OTN technology is used to carry out the optimization research of Expressway optical communication network delay. Firstly， the delay analysis hierarchy is divided to identify the source of delay in the optical communication network; Secondly， using the powerful function of OTN technology， an efficient optical communication network protection structure is established to optimize the line end and service end of the network; Finally，On this basis， the optical transmission synchronization technology is used to modify and optimize the delay in the optical communication network， so as to reduce the delay and improve the transmission efficiency. The experimental results show that the optical communication network shows excellent transmission performance under different service types and load conditions， and the transmission delay is effectively controlled within 1.0ms， which fully meets the urgent demand for efficient and low delay transmission in the field of modern information and communication.

Key words： OTN technology; highway; optical communication network; delay; optimization