基于OTN技術的高速公路光通信網絡延時優化研究

摘要：為有效降低高速公路光通信網絡的傳輸延時，提高網絡整體運行效率，文章利用OTN技術，開展了高速公路光通信網絡延時優化研究。首先，劃分延時分析層次，識別光通信網絡中的延時來源；其次，利用OTN技術的強大功能，建立高效的光通信網絡保護結構，對網絡中的線路端與業務端進行針對性優化；最后，在此基礎上，采用光傳輸同步技術對光通信網絡中的延時進行修正與優化，以減少延時，提高傳輸效率。實驗結果表明，應用該優化方法后，光通信網絡在不同業務類型及負載條件下，均表現出卓越的傳輸性能，傳輸延時被有效控制在1.0 ms以內，充分滿足現代信息通信領域對高效、低延時傳輸的迫切需求。

關鍵詞：OTN技術；高速公路；光通信網絡；延時；優化

中圖分類號：TP393""文獻標志碼：A

0"引言

高速通信網絡已成為現代社會不可或缺的基礎設施之一，尤其在高速公路光通信領域，網絡延時成為直接影響交通管理效率、安全監控實時性及緊急救援響應速度的關鍵因素。高速公路光通信網絡，作為連接高速公路沿線各類終端與數據中心的核心橋梁，顯著特點在于其大帶寬、高速率傳輸以及卓越的抗干擾性能。然而，面對復雜多變的網絡環境與外部干擾，光通信網絡的延遲問題仍不容忽視，成為制約網絡整體性能提升的關鍵因素之一。網絡延時不僅削弱了數據傳輸的實時性，還可能導致視頻監控畫面卡頓、交通信息更新滯后、緊急救援響應緩慢等一系列連鎖反應，嚴重降低了高速公路的運營效率與安全性。因此，對高速公路光通信網絡的延時進行優化研究，具有重要的現實意義和應用價值。近年來，國內外學者在光通信網絡延時優化領域取得了諸多研究成果，但針對高速公路這一特定應用場景的深入研究尚顯不足，存在許多待完善之處。例如，李俊^［1］提出的方法在實際應用中，會導致信號在傳輸路徑上頻繁經歷光電轉換過程并伴隨信號衰減，從而增加網絡延時。廖俊東等^［2］提出的方法無法充分挖掘網絡資源的多樣性優勢，導致路由選擇策略相對固定，缺乏根據實時網絡狀態和業務需求進行動態優化的能力，從而限制了網絡性能的進一步提升。

OTN技術通過引入光層，實現了光信號在物理層上的直接高效傳輸和處理，有效提升了網絡傳輸效率和容量^［3］，還憑借強大的開銷管理能力、靈活的復用技術和完善的保護恢復機制，為高速公路光通信網絡提供了堅實的技術支撐。因此，本文利用OTN技術，開展了高速公路光通信網絡延時優化研究。

1"高速公路光通信網絡延時優化研究

1.1"識別延時來源

在優化高速公路通信網絡延時的工作中，首要任務是系統地識別出導致數據傳輸延時的具體因素。這一過程涉及對網絡各環節的深入分析，以精準定位延時產生的源頭。首先，確定需要研究的高速公路光通信網絡段落或整體網絡范圍。收集網絡的拓撲圖、設備清單、光纖鏈路信息（包括長度、類型、衰減參數等）以及光放大器配置等。其次，采用層次化的方法進行延時分析，如圖1所示，主要從4個層次進行延時分析：（1）物理層分析。檢查光纖的長度、衰減、色散等特性對信號傳輸速度的影響；評估EDFA、RAMAN等光放大器的增益、噪聲系數、時延特性。（2）傳輸層分析。測定光收發器（OTU）的調制速率、編碼方式及內部處理時延；檢查傳輸協議的效率，包括幀結構設計、同步機制、錯誤控制等方面^［4］。（3）網絡層分析。評估路由算法和策略對數據包傳輸路徑的選擇與優化程度，確認是否實現了最優路徑傳輸；分析網絡流量分布狀況，識別潛在的擁塞區域及其對延時的貢獻。（4）應用層分析。考察高速公路通信系統中數據處理的復雜性與效率，特別是視頻壓縮、圖像識別等應用的處理時間；檢查不同協議間轉換所需的時間，如光信號到電信號再到應用數據的轉換過程^［5］。

最后，在每個分析層次上，利用專業的測試儀器（如光時域反射儀OTDR、光譜分析儀、網絡測試儀等）在關鍵測試點進行實際測量并記錄關鍵參數。對收集到的測試數據進行整理與分析，量化各環節的具體貢獻，形成延時來源的詳細清單。根據延時貢獻的大小排序，明確主要延時來源，為后續的優化工作奠定堅實基礎。

1.2"基于OTN技術建立光通信網絡保護結構

在完成高速公路光通信網絡延時來源的識別后，利用OTN技術，建立光通信網絡的保護結構，旨在優化網絡中的線路端與業務端，提高光通信網絡的傳輸效率與性能。

OTN技術具備多層次架構，包括光通道層（OCh）、光復用段層（OMS）及光傳輸段層（OTS），各層次間形成了清晰的客戶-服務關系^［6］。這一設計使得OTN能夠并行優化光通信網絡的線路與業務端，確保高速傳輸的同時，也能保障網絡的高效運行。具體而言，在OCh層，專注于OTN連接的完整性校驗、電力大數據傳輸質量的評估與潛在缺陷的檢測。該層通過直接的光路橋接技術，實現了接入點之間的高效電力大數據傳輸并支持多種終端設備的無縫集成^［7］。OMS層則利用OMS路徑靈活地在接入點間傳輸光通道信號，同時賦予用戶選擇權，決定是否承載電路大數據業務并據此靈活配置光信號資源^［8］。而OTS層則定義光通信網絡的物理接口參數，確保網絡底層結構的穩定運行與可靠性。

基于OTN技術的光通信網絡保護架構，融合了電層與光層2大保護機制，為高速公路光通信網絡的線路端與業務端提供雙重防護。這一分層保護技術的結構如圖2所示。

通過以上流程，建立一個基于OTN技術的光通信網絡保護結構，提升網絡的傳輸效率，增強其穩定性與安全性。

1.3"光通信網絡延時修正優化

構建基于OTN技術的高速公路光通信網絡保護結構后，在此基礎上，對光通信網絡延時進行修正優化，以減小延時，提高傳輸效率。

本文旨在降低高速公路數據傳輸過程中光通信網絡線路端的延遲，通過實施光傳輸同步技術實現這一目標，具體實現方式如圖3所示。

圖3展示了在OTN技術框架內，引入精確時間協議（PTP）以實現同步通信大數據傳輸的方法。該方法利用IEEE 1588協議標準的帶內開銷機制傳輸PTP同步報文，從而實現OTN與其下層PTN之間的端到端時間與頻率的雙重同步^［9］，顯著降低了光通信網絡的傳輸延遲。

IEEE 1588協議定義了4種關鍵報文類型：同步報文（S）、跟隨報文（F）、延遲請求報文（D）及延遲響應報文（R）。這些報文共同協作，確保主從時鐘的精確同步。同步過程分為2大階段：（1）時鐘偏差估算階段（Of）。通過計算主從時鐘間的差異來初步校準時鐘。（2）鏈路延遲調整階段（De）。在網絡存在固有延遲的情況下，通過進一步計算來補償這些延遲，以確保數據傳輸的精確同步^［10］。這2個階段緊密相連，共同確保光通信網絡的低延遲傳輸性能。

在高速公路光通信網絡中，大數據流以預設的周期性方式（標記為S）由主時鐘節點發出并附帶預期的傳輸時間信息。選擇合適的傳輸周期t至關重要：若t過短會增加網絡負擔；而t過長，則可能影響同步效果，導致線路端傳輸延遲增加。考慮到實際同步周期t難以與預設值完全匹配，PTP協議創新性地引入了附加信息報文，專門用于傳輸同步信息報文的精確發送時間戳（標記為T_m1）。當客戶端接收到同步信息報文C時，同時記錄下精確的接收時間（T_s1）。據此可以得出下式：

T_s1-T_m1=Of+De（1）

盡管前述計算流程能夠評估高速公路光通信網絡中的傳輸延時波動，但在精確捕捉主從時鐘間的時鐘偏移（Of）與線路延時（De）方面仍存在局限。為了克服這一不足，采取一種優化策略，在客戶端成功捕獲同步信息（C報文）后，會引入一個隨機延遲，據此發送延遲響應報文R至主時鐘。在R報文的發送過程中，客戶端會精確記錄其發送時間（T_m2）。當主時鐘接收到R報文時，同樣會精準記錄接收時間（T_s2）并將此時間戳隨R報文一起返回至客戶端，以便進行更精細的同步校準。通過這些數據，可以進一步推導出下式：

T_s2-T_m2=De-Of（2）

上述表達式反映了時鐘偏移（Of）與線路延時（De）之間的差異。可以通過下式計算這2個參數：

De=（T_s1-T_m1）+（T_s2-T_m2）2

Of=（T_s1-T_m1）-De（3）

基于上述公式，可以進一步推導出光通信網絡時間同步計算公式，如下：

Of=T_sk-T_mk-De（4）

其中，T_sk表示從時鐘的時間戳；T_mk表示主時鐘的時間戳。

若以Ts表示本地時鐘在第k次同步操作之前的時間點，那么經過該次同步操作后，從時鐘（即從屬時鐘）的精確時間可以依據特定的計算公式進行更新，該公式旨在實現與主時鐘的同步，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網絡中實現主時鐘與從時鐘的精確同步，從而有效減少光通信網絡的傳輸延遲。

2"實驗分析

2.1"實驗準備

本次實驗以R高速公路為研究對象，該路段的通信基礎設施采用一個包含6個節點的OTN光通信網絡拓撲結構，此結構中，每個節點間大致相隔50 km并通過標準的G.652單模光纖緊密連接，每個節點均配置有OTN光端機，這些設備集成了40波WDM（波分復用）技術。每一波長被設定為支持10 Gbps的傳輸速率（這是目前商用OTN系統常見的配置）。這意味著每個節點均具備高達400 Gbps的總傳輸帶寬能力。

實驗所需的硬件配置如表1所示。

按照表1，準備好實驗所需的硬件配置，為實驗的順利進行提供有力支持。

2.2"優化效果分析

在完成實驗準備工作后，實施了針對高速公路光通信網絡延時優化的實驗。為了增強實驗結果的明確性和可信度，設計了對比實驗框架，將本文提出的基于OTN技術的延時優化方法作為實驗組，同時選取李俊^［1］和廖俊東等^［2］提出的2種經典方法作為對照組，分別標記為對照組1和對照組2。通過對比分析這3組實驗的延時優化成效，全面評估本文提出方法的性能優勢。為了模擬不同負載情況下的網絡性能，模擬了3種高速公路光通信網絡典型的業務類型并設置了多個業務流量強度等級，如表2所示。

此次實驗采用傳輸延時作為關鍵性能評估指標，實驗過程中，詳細記錄并分析不同優化方法下各種業務類型的平均傳輸延時，對比結果如圖4所示。

通過圖4的對比結果可以看出，在所有業務類型和負載情況下，本文提出的優化方法均表現出最低的傳輸延時，且該延時始終保持在1.0 ms以下的優異水平。尤其值得注意的是，在高清視頻監控、高速數""據傳輸等高帶寬需求的業務場景中，延時降低效果更為明顯。此外，隨著網絡負載的增加，所有業務的延時均有所上升，但本文優化方法依然能夠保持較低的延時水平，這進一步證明了本文優化方法的有效性，能夠更好地滿足現代信息通信需求。

3"結語

綜上所述，基于OTN技術的高速公路光通信網絡延時優化研究不僅顯著提升了高速公路光通信網絡的帶寬利用率和傳輸效率，還極大地降低了在不同業務負載場景下的傳輸延時，為高清視頻監控、實時數據傳輸、語音通信等關鍵業務提供了更為穩定、高

效的信息傳輸橋梁。實驗數據結果表明，本文提出的優化方法相較于傳統方法，在降低延時方面展現出了更為卓越的性能，為光通信技術的持續進步與廣泛應用注入了新的活力與動力。未來，隨著技術的不斷進步和應用的深入拓展，對光通信網絡性能的要求也將不斷提高，將進一步優化和完善該優化方法的性能，實現更加高效、可靠、智能的傳輸服務，為人們的日常出行和交通管理提供更多便利和保障。

參考文獻

［1］李俊.基于OTN技術的電力光通信網絡延時誤碼修正技術［J］.微型電腦應用，2024（5）：201-204，213.

［2］廖俊東，劉丹.基于云計算平臺的光通信網絡信道均衡分配方法［J］.激光雜志，2023（9）：161-165.

［3］肖云杰，陳毅龍，李楠.低軌星座網絡的空天地一體化無線光通信資源調度方法［J］.無線電工程，2024（5）：1328-1334.

［4］張萬里，張宏濤.基于資源利用率的可重構無源光通信網絡［J］.激光雜志，2023（5）：144-148.

［5］王欣，史春燕，董建明.自由空間光通信網絡拓撲自適應控制方法研究［J］.激光雜志，2023（5）：149-153.

［6］任美麗，孟亮，李婷.基于改進殘差網絡的光通信網絡漏洞自動辨識研究［J］.激光雜志，2022（12）：133-138.

［7］趙文玉，張海懿.算力時代光通信熱點技術及發展探討［J］.通信世界，2022（22）：32-33.

［8］佘靜，胡睿.基于信號時變性的空間光通信網絡優化研究［J］.激光雜志，2022（9）：129-133.

［9］劉江平.基于特征選擇的光通信網絡傳輸冗余信息辨識方法［J］.保山學院學報，2022（2）：71-77.

［10］袁智勇，鐘章生.無線光通信網絡的最優信道選擇方法研究［J］.激光雜志，2021（11）：144-149.

（編輯"沈"強）

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