鐵路通信網絡中OTN 交換技術應用的可行性分析

王 鴻

（南京鐵路樞紐工程建設指揮部,江蘇 南京 210000）

在光傳送網絡中,OTN 技術是OTN 傳送技術、OTN 復用技術和OTN 交換技術的統稱。其中,OTN 交換技術與傳統的“端到端”信息交換模式相比,可以做到客戶端與波長傳輸接口的相互獨立,這樣就可以讓技術人員遠程配置客戶端,從而顯著降低通信網絡的運營成本,并提高網絡的運行速率。因此,OTN 交換技術被廣泛應用到遠距離、多節點的光纖網絡中。在鐵路通信網絡中,包含了若干種類的電氣設備,設備運行數據的采集和終端控制指令的下達,使得鐵路通信網絡承擔著較高的負載,很容易出現網絡阻塞的情況,嚴重影響鐵路信息控制系統的穩定運行。在這一背景下,探究將OTN 交換技術應用到鐵路通信網絡的可行性,對進一步提高鐵路通信網絡傳輸效率有積極幫助。

1 鐵路通信網絡與OTN 交換技術融合的具體架構

1.1 WDM+ROADM結構

鐵路通信網絡中的波分復用（WDM）傳輸設備與OTN 全光交換技術的有機結合,將會顯著提升通信網絡資源的利用率,并使得信號傳輸成本得到進一步降低。在鐵路通信網絡中,可以將DWDM合波器當成服務接口,這樣就可以將客戶端的業務映射,通過傳輸線路轉接到DWDM 合波器上,最后利用中間的ROADM節點實現光路轉換。經過轉換后的光信號,能夠以極快的速率和最少的帶寬資源占用,傳輸到接收端。這種通信網絡的結構稱為“WDM+ROADM結構”,見圖1。

圖1 WDM+ROADM 結構

1.2 WDM+獨立OTN 電層交換結構

這種結構的特點是在任意一個節點的輸入側與輸出側,分別設置一臺OTN 電交叉集中調度交換設備,以便于兩個相鄰節點可以完成波長內與跨波長的業務整合,其結構見圖2。

圖2 WDM+獨立光交換結構

在“WDM+獨立OTN 電層交換結構”中,OTN 電層交叉設備是獨立運行的,其主要功能是對波長內以及波長間的業務進行疏導,以提高網絡負載能力[1]。其中,子波長上的全部業務,均可切換到傳輸波長上,這樣就能以更高的效率、更低的成本,填充每個波長的負載。通過使負載均衡,解決了網絡阻塞的問題,最終達到高效傳輸的目的。對于鐵路通信網絡這種大規模網絡來說,“WDM+獨立OTN 電層交換結構”也存在一定的局限性。

1.3 WDM+集成OTN 電層集中交換結構

該結構的特點是在同一系統硬件中,將OTN 電層交叉集中調度交換設備集成到WDM 系統接口上,作為提供集中交換功能的模塊。這種模塊化設置不僅能夠保留OTN 電層集中交換的全部功能,同時還能減少空間占用,用集成板代替復雜電路,縮短了通信距離、提高了通信效率,這種結構稱為“WDM+集成OTN 電層集中交換結構”,見圖3。

圖3 WDM+集成光交換結構

結合圖3 可知,該結構將WDM 傳輸功能與OTN電層交換功能進行了整合,使兩者可以存在于相同的硬件系統,這樣就不必使用短距離光纖連接兩種設備,對進一步縮小機架體積、減少能源消耗有積極幫助[2]。是更適合鐵路通信網絡這類多節點、大規模網絡的一種結構。

2 鐵路通信網絡中OTN 交換技術應用的可行性

2.1 仿真場景與節點架構

為驗證OTN 交換技術在鐵路通信網絡中應用的可行性,設計了一個包含18 個節點、共計24 條鏈路的通信網絡,并使用“WDM+集成OTN 電層集中交換結構”。該網絡中每1 條鏈路均采用雙向光纖,最大傳輸速率為10 GB/s。仿真試驗中設置兩種交換場景,一種是無OTN 交換的傳統場景,另一種是有OTN 交換的場景。兩種場景的拓撲結構見圖4。

圖4 兩種場景下的節點架構

結合圖4 可知,兩種場景在節點數、鏈路數等方面保持一致,消除無關變量的影響,唯一區別在于是否包含OTN 交換功能。在有OTN 交換的場景中,可以借助于OTN 交換技術,將光信道數據單元ODU 轉變成WDM網絡,然后提供帶寬整合等相關功能。這樣一來,形成的WDM網絡可以顯著提高通信速率,降低網絡阻塞率。另外,基于OTN 交換技術的場景構建,可以沿用傳統場景中的大部分硬件,因此轉換操作的成本較低。

相比于傳統場景,具有OTN 交換技術的場景新增了以下關鍵設備：（1） 波長選擇開關（WSS）。其功能是將輸入端WDM信號中的任意波長組合輸出到對應的輸出端口上,與普通的光開關相比,WSS 的特點之一在于具有波長選擇性,通過靈活組合波長讓WDM設備的組網能力實現最大化[3]；（2） 光放大器（OA）。光信號在傳輸期間,隨著傳輸距離的遞增,其衰減越明顯,并且在衰減到一定程度后,接收機將無法正常接收光信號,從而導致通信中斷。在鐵路WDM系統中安裝光放大器,可以放大光信號,相當于發揮了中繼站的作用,保證接收器能夠正常接收光信號,維持通信正常[4]；（3） 光交叉連接（OXC）。在多節點網絡中,使用OXC 能夠提高網絡的可擴展性能,適合應用在鐵路光傳輸網絡這類大規模網絡中。

2.2 兩種場景下網絡性能對比

2.2.1 性能指標的選擇與計算

本次試驗中分別選取了平均阻塞率和JFI 指數兩項指標評價鐵路通信網絡的性能。具體算法如下：

（1） 平均阻塞率的計算。系統初始化,將輔助矩陣（ATM）中的所有制均復位為0；計算業務源節點（AS）與目標節點（AD）之間的最短路徑,并確定AD。將AD 作為下一個活動的業務源節點,并將改業務的需求加入到ATM矩陣中。執行一個判斷程序“AD=該業務最終目標節點？”如果判斷為否,則使“AS=AD”,并返回上一程序重新尋找AD,直到判斷結果為是,則輸出ATM。然后計算所有最短路徑中,業務需求不滿足的情況在總業務需求中的占比,即為阻塞率。

（2） JFI 指數。該指數是判斷網絡負載均衡性的重要指標,而負載均衡又直接影響鐵路通信網絡的靈活性。適當提高JFI 指數,能夠使網絡中的一些主要鏈路具有更快的通信速率,避免流量過于集中而發生阻塞甚至是崩潰的情況[5]。該指數的取值范圍為[0,1],當JFI 指數無限接近于1 時,表示多條鏈路之間的情況接近,此時網絡負載均衡。

2.2.2 網絡性能的對比結果

在無ONT 交換的傳統場景和有OTN 交換的場景中,鐵路通信網絡的平均阻塞率仿真試驗結果見圖5。結合圖5 可以發現,在流量負載500～1 000 Erlang的區間范圍內,OTN 交換場景的阻塞率要低于傳統場景；并且流量負載越低的情況下,兩者的差距越明顯,說明在低流量負載時,OTN 交換技術在提高鐵路通信網絡的信號傳輸速率方面發揮了顯著作用。分析其原因,OTN 交換技術可以將許多低速率的業務加以整合,使其在相同的波長上實現同步傳輸,這樣既可以顯著降低對帶寬資源的占用,同時又能使網絡的平均阻塞率進一步降低。另外,隨著網絡流量負載的升高,網絡中以大顆粒度為主的業務比例也相應的提升。這種情況下OTN 交換技術能夠整合的業務數量相應下降,提升鐵路通信網絡傳輸速率的效果被削弱,但是從整體上來看仍然優于無OTN 交換的傳統場景。在無ONT 交換的傳統場景和有OTN 交換的場景中,鐵路通信網絡的JFI 指數仿真試驗結果見圖6。

圖5 兩種場景下的平均阻塞率

圖6 兩種場景下的JFI 指數

結合上文分析,JFI 指數通過影響網絡負載的均衡性,間接決定了鐵路通信網絡的運行情況,兩者之間屬于正相關。即JFI 指數越高（接近于1）,則網絡負載越均衡,相應的各條鏈路的通信速率越高,發生網絡阻塞的概率越小。從圖6 可以看出,在低流量負載時,兩種場景的JFI 指數沒有明顯差異。在流量負載為500 Erlang 時,傳統場景的JFI 指數為46%,而有OTN交換的場景其JFI 指數為47%,在流量負載為560 Erlang 時,兩者的JFI 指數達到相同。之后隨著鐵路通信網絡流量負載的增加,兩種場景的JFI 指數呈現出明顯變化。在流量負載達到1 000 Erlang 時,傳統場景的JFI 指數為78.4%,而有OTN 交換的場景,其JFI指數達到了90.6%,兩者相差了12.2%。這一數據說明在流量負載越高的情況下,OTN 交換技術的應用效果越顯著。

3 結論

為了更好地滿足鐵路運行與服務需求,鐵路通信網絡的覆蓋范圍更大、組成結構也更加復雜,這種情況下如何提升鐵路通信網絡的通信速率,保證前端信息的及時傳遞和終端指令的同步下達,就成為必須要考慮的問題。OTN 交換技術具有容量大、速度快、配置要求低、故障自動恢復等一系列特點,將該技術應用到鐵路通信網絡中,將會顯著改善網絡性能,有效避免集中訪問情況下網絡阻塞甚至是癱瘓的情況。仿真試驗結果表明,應用了OTN 交換技術的場景,無論是在阻塞率還是JFI 指數上,均明顯優于無OTN 常規場景,說明OTN 交換技術在提升鐵路通信網絡運行速率方面確實發揮了顯著效果,具有實用價值。