铁路通信网络中OTN 交换技术应用的可行性分析

王 鸿

（南京铁路枢纽工程建设指挥部,江苏 南京 210000）

在光传送网络中,OTN 技术是OTN 传送技术、OTN 复用技术和OTN 交换技术的统称。其中,OTN 交换技术与传统的“端到端”信息交换模式相比,可以做到客户端与波长传输接口的相互独立,这样就可以让技术人员远程配置客户端,从而显著降低通信网络的运营成本,并提高网络的运行速率。因此,OTN 交换技术被广泛应用到远距离、多节点的光纤网络中。在铁路通信网络中,包含了若干种类的电气设备,设备运行数据的采集和终端控制指令的下达,使得铁路通信网络承担着较高的负载,很容易出现网络阻塞的情况,严重影响铁路信息控制系统的稳定运行。在这一背景下,探究将OTN 交换技术应用到铁路通信网络的可行性,对进一步提高铁路通信网络传输效率有积极帮助。

1 铁路通信网络与OTN 交换技术融合的具体架构

1.1 WDM+ROADM结构

铁路通信网络中的波分复用（WDM）传输设备与OTN 全光交换技术的有机结合,将会显著提升通信网络资源的利用率,并使得信号传输成本得到进一步降低。在铁路通信网络中,可以将DWDM合波器当成服务接口,这样就可以将客户端的业务映射,通过传输线路转接到DWDM 合波器上,最后利用中间的ROADM节点实现光路转换。经过转换后的光信号,能够以极快的速率和最少的带宽资源占用,传输到接收端。这种通信网络的结构称为“WDM+ROADM结构”,见图1。

图1 WDM+ROADM 结构

1.2 WDM+独立OTN 电层交换结构

这种结构的特点是在任意一个节点的输入侧与输出侧,分别设置一台OTN 电交叉集中调度交换设备,以便于两个相邻节点可以完成波长内与跨波长的业务整合,其结构见图2。

图2 WDM+独立光交换结构

在“WDM+独立OTN 电层交换结构”中,OTN 电层交叉设备是独立运行的,其主要功能是对波长内以及波长间的业务进行疏导,以提高网络负载能力[1]。其中,子波长上的全部业务,均可切换到传输波长上,这样就能以更高的效率、更低的成本,填充每个波长的负载。通过使负载均衡,解决了网络阻塞的问题,最终达到高效传输的目的。对于铁路通信网络这种大规模网络来说,“WDM+独立OTN 电层交换结构”也存在一定的局限性。

1.3 WDM+集成OTN 电层集中交换结构

该结构的特点是在同一系统硬件中,将OTN 电层交叉集中调度交换设备集成到WDM 系统接口上,作为提供集中交换功能的模块。这种模块化设置不仅能够保留OTN 电层集中交换的全部功能,同时还能减少空间占用,用集成板代替复杂电路,缩短了通信距离、提高了通信效率,这种结构称为“WDM+集成OTN 电层集中交换结构”,见图3。

图3 WDM+集成光交换结构

结合图3 可知,该结构将WDM 传输功能与OTN电层交换功能进行了整合,使两者可以存在于相同的硬件系统,这样就不必使用短距离光纤连接两种设备,对进一步缩小机架体积、减少能源消耗有积极帮助[2]。是更适合铁路通信网络这类多节点、大规模网络的一种结构。

2 铁路通信网络中OTN 交换技术应用的可行性

2.1 仿真场景与节点架构

为验证OTN 交换技术在铁路通信网络中应用的可行性,设计了一个包含18 个节点、共计24 条链路的通信网络,并使用“WDM+集成OTN 电层集中交换结构”。该网络中每1 条链路均采用双向光纤,最大传输速率为10 GB/s。仿真试验中设置两种交换场景,一种是无OTN 交换的传统场景,另一种是有OTN 交换的场景。两种场景的拓扑结构见图4。

图4 两种场景下的节点架构

结合图4 可知,两种场景在节点数、链路数等方面保持一致,消除无关变量的影响,唯一区别在于是否包含OTN 交换功能。在有OTN 交换的场景中,可以借助于OTN 交换技术,将光信道数据单元ODU 转变成WDM网络,然后提供带宽整合等相关功能。这样一来,形成的WDM网络可以显著提高通信速率,降低网络阻塞率。另外,基于OTN 交换技术的场景构建,可以沿用传统场景中的大部分硬件,因此转换操作的成本较低。

相比于传统场景,具有OTN 交换技术的场景新增了以下关键设备：（1） 波长选择开关（WSS）。其功能是将输入端WDM信号中的任意波长组合输出到对应的输出端口上,与普通的光开关相比,WSS 的特点之一在于具有波长选择性,通过灵活组合波长让WDM设备的组网能力实现最大化[3]；（2） 光放大器（OA）。光信号在传输期间,随着传输距离的递增,其衰减越明显,并且在衰减到一定程度后,接收机将无法正常接收光信号,从而导致通信中断。在铁路WDM系统中安装光放大器,可以放大光信号,相当于发挥了中继站的作用,保证接收器能够正常接收光信号,维持通信正常[4]；（3） 光交叉连接（OXC）。在多节点网络中,使用OXC 能够提高网络的可扩展性能,适合应用在铁路光传输网络这类大规模网络中。

2.2 两种场景下网络性能对比

2.2.1 性能指标的选择与计算

本次试验中分别选取了平均阻塞率和JFI 指数两项指标评价铁路通信网络的性能。具体算法如下：

（1） 平均阻塞率的计算。系统初始化,将辅助矩阵（ATM）中的所有制均复位为0；计算业务源节点（AS）与目标节点（AD）之间的最短路径,并确定AD。将AD 作为下一个活动的业务源节点,并将改业务的需求加入到ATM矩阵中。执行一个判断程序“AD=该业务最终目标节点？”如果判断为否,则使“AS=AD”,并返回上一程序重新寻找AD,直到判断结果为是,则输出ATM。然后计算所有最短路径中,业务需求不满足的情况在总业务需求中的占比,即为阻塞率。

（2） JFI 指数。该指数是判断网络负载均衡性的重要指标,而负载均衡又直接影响铁路通信网络的灵活性。适当提高JFI 指数,能够使网络中的一些主要链路具有更快的通信速率,避免流量过于集中而发生阻塞甚至是崩溃的情况[5]。该指数的取值范围为[0,1],当JFI 指数无限接近于1 时,表示多条链路之间的情况接近,此时网络负载均衡。

2.2.2 网络性能的对比结果

在无ONT 交换的传统场景和有OTN 交换的场景中,铁路通信网络的平均阻塞率仿真试验结果见图5。结合图5 可以发现,在流量负载500～1 000 Erlang的区间范围内,OTN 交换场景的阻塞率要低于传统场景；并且流量负载越低的情况下,两者的差距越明显,说明在低流量负载时,OTN 交换技术在提高铁路通信网络的信号传输速率方面发挥了显著作用。分析其原因,OTN 交换技术可以将许多低速率的业务加以整合,使其在相同的波长上实现同步传输,这样既可以显著降低对带宽资源的占用,同时又能使网络的平均阻塞率进一步降低。另外,随着网络流量负载的升高,网络中以大颗粒度为主的业务比例也相应的提升。这种情况下OTN 交换技术能够整合的业务数量相应下降,提升铁路通信网络传输速率的效果被削弱,但是从整体上来看仍然优于无OTN 交换的传统场景。在无ONT 交换的传统场景和有OTN 交换的场景中,铁路通信网络的JFI 指数仿真试验结果见图6。

图5 两种场景下的平均阻塞率

图6 两种场景下的JFI 指数

结合上文分析,JFI 指数通过影响网络负载的均衡性,间接决定了铁路通信网络的运行情况,两者之间属于正相关。即JFI 指数越高（接近于1）,则网络负载越均衡,相应的各条链路的通信速率越高,发生网络阻塞的概率越小。从图6 可以看出,在低流量负载时,两种场景的JFI 指数没有明显差异。在流量负载为500 Erlang 时,传统场景的JFI 指数为46%,而有OTN交换的场景其JFI 指数为47%,在流量负载为560 Erlang 时,两者的JFI 指数达到相同。之后随着铁路通信网络流量负载的增加,两种场景的JFI 指数呈现出明显变化。在流量负载达到1 000 Erlang 时,传统场景的JFI 指数为78.4%,而有OTN 交换的场景,其JFI指数达到了90.6%,两者相差了12.2%。这一数据说明在流量负载越高的情况下,OTN 交换技术的应用效果越显著。

3 结论

为了更好地满足铁路运行与服务需求,铁路通信网络的覆盖范围更大、组成结构也更加复杂,这种情况下如何提升铁路通信网络的通信速率,保证前端信息的及时传递和终端指令的同步下达,就成为必须要考虑的问题。OTN 交换技术具有容量大、速度快、配置要求低、故障自动恢复等一系列特点,将该技术应用到铁路通信网络中,将会显著改善网络性能,有效避免集中访问情况下网络阻塞甚至是瘫痪的情况。仿真试验结果表明,应用了OTN 交换技术的场景,无论是在阻塞率还是JFI 指数上,均明显优于无OTN 常规场景,说明OTN 交换技术在提升铁路通信网络运行速率方面确实发挥了显著效果,具有实用价值。