電力通信網中光網絡交換技術的應用

楊旸

（深圳供電局，廣東 深圳 518000）

1 光分組交換技術

光分組交換以微秒量級的光分組為交換單元，光分組由數據載荷（payload）和攜帶路由控制信息的分組頭（header）兩部分組成。在光分組交換網絡中，每個光分組通常要穿過多交換節點才能到達目的地。當數據分組在交換時，如果同一時刻，有兩個或兩個以上的光分組要以同一波長從同一輸出端口離開光交換節點，就會產生競爭。

解決光分組競爭的方法通常有三種，即光緩存、波長變換和偏射路由。光緩存是解決光分組競爭的最常用的方法。在光分組交換中，由于目前還沒有可用的光隨機接入存貯器，光緩存通常由光纖延時線 (FDL：Fiber Delay Line)構成。根據光緩存所處位置的不同，可以把光緩存分為輸入式、輸出式、反饋式和共享式等四種基本類型。其中，反饋式光緩存是所有的輸出端口共享一組從輸出端口反饋回輸入端口的光緩存，它能夠較容易地實現優先級交換。

2 電力通信網

2.1 電力通信網的現狀

電力通信網干線傳輸的主要方式--光纖通信技術，具有巨大的傳輸帶寬、極低的誤碼率和良好的保密性。隨著配電網信息化、自動化程度的不斷提高，電力光纖通信網在承載傳統的業務基礎上，發展到承載客戶服務中心、營銷系統、地理信息系統（GIS）等多種數據業務。新業務的需求不僅使電力通信網中所承載的業務量以驚人的速度增長，也對現有電力通信網絡的架構提出新的挑戰。為了增大電力通信網的傳輸帶寬，電力通信網已普遍使用基于SDH的光纖通信系統，并且采用IP/ATM/SDH/WDM 或IP/SDH/WDM的網絡架構，在這種網絡架構中IP分組要經過ATM、SDH的多層封裝，最后才能承載于WDM 網絡的光波長上。

這種網絡架構存在兩個主要問題：首先，網絡的光層僅為各個電層設備提供靜態高容量的帶寬服務連接，數據的交換同樣在電域完成，無法克服“電子瓶頸”對通信網絡性能的影響；其次，多層的網絡架構不太適合分組化的新業務，層層封裝將帶來過多的頭部開銷，浪費了帶寬資源。因此，簡化網絡架構、提高帶寬資源利用率是下一代電力通信網建設的必然趨勢。在現有的網絡融合方案中，光分組交換技術以其靈活、交換速度快、交換粒度適中等特點，被認為是實現電層IP 網絡與WDM 光網絡無縫聯接的理想技術，非常適合用于構建下一代電力光纖通信網。

2.2 電力通信網的業務分析

隨著電力系統信息化、自動化程度的不斷提高，電力通信網中新業務不斷產生，根據各種業務對通信實時性的要求，可以把電力通信網中的業務大致分為實時業務、準實時業務和非實時業務三種，各種業務的詳細分類如表1所示。

由于電力通信網中的業務具有不同的實時性和可靠性要求，在設計電力通信網的交換節點時需要考慮不同的交換優先級。對于實時業務應設定最高的交換優先級，對準實時業務則設定較低一級的交換優先級，而對于非實時業務，其交換優先級為正常即可。

3 適用于電力通信網的OPS節點結構

由上面的分析可知，光分組交換是一種構建下一代電力光纖通信網的理想技術，并且由于電力通信網中存在多種不同實時性需求的業務，因此在設計光分組交換節點結構時需要考慮不同的交換優先級。考慮到反饋式光緩存能夠較容易地實現優先級交換，下面將介紹四種適用于電力光纖通信網的基于反饋式光緩存的光分組交換節點結構。

3.1 SMOP 交換結構

SMOP 交換結構使用一組反饋式的FDL 來緩存發生競爭的光分組。如圖1 所示

在SMOP 交換結構的輸出端與輸入端之間配置了一組由B 根FDL 構成的反饋式光緩存，這B 根FDL的長度按簡并方式排列，即這組FDL 中，第一根FDL的緩存深度為D，第B 根FDL的緩存深度為BD(D 為FDL的粒度)。SMOP 交換結構通過讓實時業務優先從輸出端口輸出，而讓非實時業務繼續在FDL 中循環，從而實現優先級交換。該交換結構的另一優點是FDL 被所有的輸出端口所共享，因此能充分利用所配置的FDL。然而，該結構只使用FDL 來解決光分組競爭，并沒有充分利用波長域的競爭解決方法，因此性能有待于進一步提高。

3.2 FWBFWC 交換結構

為了提高交換節點的性能，等人提出一使用反饋式光緩存和反饋式可調波長變換器(TWC)來解決光分組沖突的光分組交換節點結構,即FWBFWC 交換結構。FWBFWC 交換結構如圖2 所示，每根輸入/輸出光纖上包含有W 個不同的波長信道。在每根輸入光纖上，當承載在各個波長信道上的光分組到達時，它們首先經過波分解復用器(DMUX)，把各個光分組分開。FWBFWC 配置有M 根反饋式的FDL 和R 個反饋式的TWC 作為競爭解決方法。每根FDL 可以看成是一個WDM 緩存，即在每個時隙，每根FDL 內能同時容納W 個不同的波長，這W 個波長與輸入/輸出光纖內的波長是一樣的。FDL仍按簡并的方式排列，長度從T 到MT(T 為FDL的粒度)。反饋式可調波長變換器具有兩種功能：一種功能是把發生沖突的光分組所對應的光波長變換到目的輸出端口的空閑光波長上進行輸出；另一種功能是把發生沖突的光分組所對應的光波長變換到反饋式WDM 光緩存中的空閑波長進行緩存。FWBFWC 交換結構可以實現優先級交換，與SMOP 交換結構相比，增加了波長變換的競爭解決方法，所配置的反饋式TWC 和反饋式FDL 被所有的輸入波長信道所共享，其競爭解決資源能被充分統計利用。因此，FWBFWC的性能遠遠好于SMOP，其引入的緩存時延也大大小于SMOP。

3.3 OFBFWC 交換結構

FWBFWC 交換結構具有較好的性能，但其所配置的可調波長變換器成本高，實際設計中有時要在性能與成本之間進行權衡。OFBFWC交換結構如圖3 所示。

WCU 由一個分路器、一個固定波長變換器（FWC）、一個SOA 光開關和一個無源耦合器組成。當光分組到達時：如果輸出端口空閑，光分組通過SOA 光開關直接進入空分交換矩陣；如果光分組沖突發生，可以使用FWC 來解決沖突，即把光分組的承載波長變換到目的輸出端口上固定的空閑波長進行輸出。在OFBFWC 交換結構中，B 根FDL 組成反饋式FDL 光緩存。每根FDL 同樣可以看成是一個WDM 緩存。各根FDL 仍按簡并的方式進行排列。OFBFWC 交換結構同樣可以實現優先級交換，與FWBFWC結構相比其性能要稍差，但成本要低得多；與SMOP 結構相比，由于增加了固定波長變換器，其丟包率要好于SMOP，且引入的緩存時延也比SMOP 小。

3.4 RFWC-ROB 交換結構

在OFBFWC 交換結構中，每個輸入波長信道配置有一個固定波長變換器，固定波長變換器的功能無法統計復用，提出一種使用反饋式固定波長變換器和反饋式光緩存解決光分組競爭的RFWC-ROB 交換結構。RFWC-ROB 交換結構除了使用反饋式的FDL 外，還使用了多組反饋式的固定波長變換器來解決光分組競爭。每組（W 個）固定波長變換器實現對輸入光纖中W 個承載波長的變換。RFWC-ROB 交換結構同樣可以實現優先級交換，與OFBFWC 交換結構相比，其固定波長變換器的功能可以被充分利用，因此在獲得相同丟包性能的條件下，其所需的固定波長變換器的數量要少于OFBFWC。

4 結束語

光分組交換(OPS)是構建下一代電力光纖通信網的理想技術。本文詳細介紹了SMOP、FWBFWC、OFBFWC、RFWC-ROB 等 4 種能夠實現優先級交換的OPS 結構并分析出基于OPS的電力光纖通信網所承載的業務對通信實時性是有著不同的要求，為了滿足不同的實時性要求，OPS節點應具有優先級交換功能。

[1]江黛茹，金生明.電力通信系統中的SDH 自愈環組網及其應用探討[J].電力系統通信，2006，27:32-35.

[2]高強.電力通信技術發展趨勢[J].電力系統通信,2007,28(174):1-9.