全光網(wǎng)絡(luò)無電中繼重路由技術(shù)研究

［劉杰］

1 引言

近年來，隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，各行各業(yè)積極推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，尤其是隨著云計算技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得云間網(wǎng)絡(luò)的流量激增[1]，對骨干傳輸網(wǎng)的帶寬和質(zhì)量提出了更高的要求。全光網(wǎng)絡(luò)（All-Optical Network，AON）滿足低時延、大帶寬和安全可靠的網(wǎng)絡(luò)需求，是解決日益增長傳輸需求的重要手段[2]。

全光網(wǎng)絡(luò)以WD（MWavelength Division Multiplexing,波分復(fù)用）技術(shù)為基礎(chǔ)、WSS（Wavelength Selective Switch，波長選擇性開關(guān)）/ OXC（Optical Cross-Connect，光交叉連接）為核心設(shè)備，采用Mesh 化組網(wǎng)[3]技術(shù)，可開啟重路由功能。該功能可實(shí)現(xiàn)波長級業(yè)務(wù)在故障場景下快速恢復(fù)，且占用的網(wǎng)絡(luò)資源較少，是未來光傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必選技術(shù)。然而在當(dāng)前技術(shù)下，全光網(wǎng)絡(luò)的重路由功能有一個技術(shù)瓶頸——恢復(fù)時間較長，通常為分鐘級，這導(dǎo)致了客戶對業(yè)務(wù)中斷有較明顯的感知。因此，全光網(wǎng)絡(luò)需要對縮短重路由恢復(fù)時間和提高重路由成功率等相關(guān)技術(shù)的研究。

2 重路由

2.1 基本概念

全光網(wǎng)絡(luò)重路由是一種業(yè)務(wù)恢復(fù)方式，當(dāng)業(yè)務(wù)路由發(fā)生中斷時，控制平面[4]實(shí)時計算出該業(yè)務(wù)的最佳路由或調(diào)用已計算好的路由，然后通過信令建立起一條新的路由（亦稱“恢復(fù)路由”），由新的路由承載業(yè)務(wù)。對于非返回式業(yè)務(wù)，在建立了新的路由后，刪除原路由；對于可返回式業(yè)務(wù)，發(fā)生重路由后，不會刪除原路由，待原路由故障解除后，業(yè)務(wù)將在設(shè)定時長內(nèi)回復(fù)到原有的路由上。

重路由包括動態(tài)重路由和預(yù)置重路由兩種[5]。

（1）動態(tài)路由是指在業(yè)務(wù)路由發(fā)生故障后，控制平面根據(jù)實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)資源情況進(jìn)行路由計算，尋找恢復(fù)路由，繼而建立恢復(fù)路由。

（2）預(yù)置重路由是指在業(yè)務(wù)故障發(fā)生之前，控制平面就已經(jīng)確定其恢復(fù)路由并存儲在預(yù)置路由表中，當(dāng)故障發(fā)生時，控制平面直接調(diào)用相應(yīng)的恢復(fù)路由并建立。

2.2 恢復(fù)時長

根據(jù)重路由的概念可知，采用動態(tài)重路由技術(shù)時，業(yè)務(wù)故障恢復(fù)時間主要包含路由計算時間和路由建立時間兩部分，采用預(yù)置重路由技術(shù)時，業(yè)務(wù)故障恢復(fù)時間為路由建立時間。

（1）路由計算時間：指的是控制平面計算故障業(yè)務(wù)的恢復(fù)路由所需時間，通常由控制平面的控制方式、硬件性能和軟件算法決定的。當(dāng)前技術(shù)下，硬件平臺的控制方式已由最初的“分布式控制”向“集中式+分布式控制”演進(jìn)[6]。硬件性能上，控制平面采用了高性能計算機(jī)，運(yùn)算能力已經(jīng)得到了很大的提高。軟件算法上，經(jīng)業(yè)內(nèi)各大設(shè)備廠商的技術(shù)迭代演進(jìn)，軟件算法也已經(jīng)得到了較大的優(yōu)化。

（2）路由建立時間：指的是控制平面建立故障業(yè)務(wù)的恢復(fù)路由所需時間，主要包含業(yè)務(wù)路由上各種光器件切換所需時間。業(yè)務(wù)的光通道主要由“業(yè)務(wù)OTU、光放大器、WSS、電中繼OTU”等4 種光器件組成，如圖1 所示。在業(yè)務(wù)路由的始端和末端各有一個業(yè)務(wù)OTU 端口，在業(yè)務(wù)OTU 端口之間有若干個光放大器、WSS 和電中繼OTU。通常情況下，業(yè)務(wù)路由越長，光放大器、WSS 和電中繼OTU 的數(shù)量就越多。在建立業(yè)務(wù)恢復(fù)路由時，光放大器與WSS 的切換時間通常為毫秒級，可以忽略，業(yè)務(wù)OTU 和電中繼OTU 的切換時間通常是秒級，耗時最多。

圖1 業(yè)務(wù)路由光器件示意圖

2.3 無電中繼重路由方式

根據(jù)對重路由恢復(fù)時間的分析可知，路由計算時間不是影響業(yè)務(wù)恢復(fù)速度的主要原因，路由建立時業(yè)務(wù)OTU和電中繼OTU 的切換時間才是影響業(yè)務(wù)恢復(fù)速度的主要原因。對于業(yè)務(wù)來說，其始末端的業(yè)務(wù)OTU 必不可少，因此當(dāng)業(yè)務(wù)發(fā)生重路由時，其恢復(fù)路由是否需要啟用新的電中繼OTU 是影響業(yè)務(wù)恢復(fù)速度的關(guān)鍵因素。

如圖2 所示，業(yè)務(wù)AM 的工作路由為A-D-F-J-M，假設(shè)OSNR 性能不滿足，需要在F 點(diǎn)配置電中繼OTU。當(dāng)F-J中斷時，假設(shè)業(yè)務(wù)的恢復(fù)路由為A-D-F-G-J-M（方案1），則需要切換的OTU 分別為F 點(diǎn)原有電中繼OTU 和M 點(diǎn)業(yè)務(wù)OTU，需要切換的OTU 端口數(shù)為2，不需要啟用新的電中繼OTU；假設(shè)業(yè)務(wù)的恢復(fù)路由為A-B-H-I-M（方案2），假設(shè)OSNR 性能不滿足，需要在B、H、I 點(diǎn)均配置電中繼OTU，需要切換的OTU 分別為B、H、I 點(diǎn)新配置電中繼OTU 和A、M 點(diǎn)業(yè)務(wù)OTU，需要切換的OTU 端口數(shù)為8，需要新啟用B、H、I 點(diǎn)的電中繼OTU。從需切換的OTU 端口數(shù)來看，顯然方案1 比方案2 的恢復(fù)速度要快。

圖2 業(yè)務(wù)重路由示意圖

綜上分析，我們可以得出一個結(jié)論：在任意故障情況下，業(yè)務(wù)重路由后的恢復(fù)路由均不需要啟用新的電中繼OTU，業(yè)務(wù)的恢復(fù)速度是最快的。這種重路由方式可稱為“無電中繼重路由”。

3 全光網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)條件

光纜網(wǎng)是全光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)，隨著光纜網(wǎng)的發(fā)展和新光纜的持續(xù)投產(chǎn)，光纜網(wǎng)的網(wǎng)格變得越來越密，同時G.652D、G.654E[7～8]等新型低損耗光纜和超長距傳輸技術(shù)的發(fā)展，使得骨干傳輸網(wǎng)的無電中繼傳輸距離變得越來越長，部分網(wǎng)絡(luò)平均無電中繼傳輸距離可達(dá)1 000 多公里。密集的光纜網(wǎng)網(wǎng)格和超長距無電中繼傳輸技術(shù)，是無電中繼重路由的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。

常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計需要掌握光纜信息和業(yè)務(wù)信息，其中光纜信息包括：光纜名稱、光纜類型、光纜沿途終端局站、光纜中繼段長度、光纜中繼段衰耗、光纜中繼段色散、光纜中繼段同路由關(guān)系。業(yè)務(wù)信息包括：業(yè)務(wù)的A 端局站、業(yè)務(wù)的Z 端局站、業(yè)務(wù)的路由要求。

常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計是基于現(xiàn)有光纜網(wǎng)資源進(jìn)行的，是被動式設(shè)計。而基于無電中繼重路由規(guī)劃技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計是基于現(xiàn)有光纜網(wǎng)資源和客觀條件，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的需要首先對光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化建議，再基于優(yōu)化后的光纜網(wǎng)資源進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計，屬于主動式設(shè)計。而光纜基本上是沿著交通路網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)的，因此需要多掌握一項信息，即交通路網(wǎng)信息。交通路網(wǎng)包括：網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的國道、省道、縣道、高速公路、高鐵等，信息包括：交通路網(wǎng)途經(jīng)的市/縣名及現(xiàn)有局站、市/縣間的交通路網(wǎng)距離。掌握交通路網(wǎng)信息的目的是，當(dāng)現(xiàn)有光纜網(wǎng)資源不足以實(shí)現(xiàn)無電中繼重路由時，可通過新建光纜補(bǔ)齊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而光纜通常是沿著交通路網(wǎng)進(jìn)行敷設(shè)的，因此交通路網(wǎng)是建設(shè)光纜的基礎(chǔ)。

3.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)置

設(shè)置業(yè)務(wù)AZ 端局站為ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)，為了縮短業(yè)務(wù)路由長度從而降低時延，設(shè)置多條光纜路由交匯局站為ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)，光纜其他終端局站設(shè)置為光放站。對于總長度小于60 公里或含富余度總衰耗小于22 dB的多個中繼光纜段，可考慮設(shè)置光纜中間終端局站為光跳站。

3.3 OMS 設(shè)置

在ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)間使用同一條光纜路由建設(shè)OMS（Optical Multiplex Section，光復(fù)用段），通過光放段的長度、含富余度衰耗、色散等參數(shù)模擬計算得到OMS 系統(tǒng)性能參數(shù)，包含但不限于：長度、OSNR（Optical Signal to Noise Ratio，光信噪比）、等效跨段、色散值等。使用業(yè)內(nèi)已知的方法[9]測算所有OMS 系統(tǒng)性能參數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如不滿足，則需要將OMS 位置相對居中的光放站升級為ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)，并更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在業(yè)務(wù)途經(jīng)該節(jié)點(diǎn)時配置電中繼OTU。

3.4 故障場景設(shè)置

基于業(yè)務(wù)安全性的考慮，業(yè)務(wù)基本都要求實(shí)現(xiàn)雙路由或三路由，以保證業(yè)務(wù)主備用路由在故障情況下不發(fā)生雙斷。因此需要根據(jù)OMS 所使用光纜的同路由情況，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的SRLG（Shared Risk Link Groups，共享風(fēng)險鏈路組），其中每組SRLG 包含兩個或以上的OMS。

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重路由功能，需要提前為業(yè)務(wù)配置重路由時所需的資源，包括頻點(diǎn)資源、電中繼OTU 資源和本地上下路資源，該資源的配置是基于重路由的故障場景模擬計算而得。網(wǎng)絡(luò)故障場景需要包含網(wǎng)絡(luò)每一個物理路由發(fā)生中斷的情況，其中每一組SRLG 為一個故障場景，由獨(dú)立光纜路由建設(shè)的OMS 也為一個故障場景。

4 無電中繼重路由技術(shù)實(shí)施步驟

4.1 統(tǒng)計需新啟動電中繼的斷纖場景

基于完成設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)擬定的路由策略，使用業(yè)內(nèi)已知的方法規(guī)劃[10]所有業(yè)務(wù)的工作路由，在工作路由途經(jīng)的所有ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)配置電中繼OTU。

路由規(guī)劃策略有最短路徑、最少代價、最少跳數(shù)、負(fù)載均衡等。路由分離策略有光纜路由分離、SRLG 分離、節(jié)點(diǎn)分離等。光纜路由分離指的是多條業(yè)務(wù)要走不同的光纜，SRLG 分離指的是在光纜路由分離基礎(chǔ)上多條業(yè)務(wù)走的光纜不存在同路由，節(jié)點(diǎn)分離指的是在SRLG 分離基礎(chǔ)上多條業(yè)務(wù)的路由沒有經(jīng)過相同的節(jié)點(diǎn)。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫腔诠饫|網(wǎng)設(shè)計的，在光纜網(wǎng)沒有變化、路由策略沒有變化的情況下，業(yè)務(wù)的工作路由應(yīng)該是固定不定的。

業(yè)務(wù)的恢復(fù)路由規(guī)劃是無電中繼重路由技術(shù)的關(guān)鍵，為了使業(yè)務(wù)在重路由時盡可能少的啟用新電中繼OTU，本文使用最優(yōu)恢復(fù)源宿節(jié)點(diǎn)法[11]規(guī)劃每個故障場景下受影響業(yè)務(wù)的恢復(fù)路由，該方法可遍歷出跨越故障段落的OTU（業(yè)務(wù)OTU 或中繼OTU）間的使用最少新電中繼OTU 的恢復(fù)路由，然后再統(tǒng)計出需要啟用新電中繼OTU才能恢復(fù)全部業(yè)務(wù)的故障場景。如果通過新建少量光纜將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲a(bǔ)充完善，使得這些故障場景下全部業(yè)務(wù)重路由時不需要啟用新電中繼OTU，那么即可實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)的無電中繼重路由了。

4.2 新光纜規(guī)劃

首先針對上述已統(tǒng)計得到的每一個故障場景，根據(jù)交通路網(wǎng)信息在合適的ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)間規(guī)劃新光纜，沿途設(shè)置光纜終端局站，估算各光纜中繼段的長度，依據(jù)相關(guān)驗收標(biāo)準(zhǔn)估算各光纜中繼段的衰耗、色散等關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)新光纜的參數(shù)補(bǔ)充完善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

假設(shè)已規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有A、B、C、D、E、F、G、H 共8 個ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)。在OMS（B-C）故障場景，受影響的業(yè)務(wù)有業(yè)務(wù)AD（工作路由為A-C-B-D）、業(yè)務(wù)FG（工作路由為F-C-B-G）、業(yè)務(wù)HG（工作路由為H-CB-D）。業(yè)務(wù)AD 的恢復(fù)路由為A-B-D，系統(tǒng)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，即業(yè)務(wù)恢復(fù)不需啟用新電中繼OTU；業(yè)務(wù)FG 的恢復(fù)路由為F-A-G，系統(tǒng)性能不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，業(yè)務(wù)恢復(fù)需要在A 節(jié)點(diǎn)啟用新電中繼OTU；業(yè)務(wù)HG 的恢復(fù)路由為H-B-G，系統(tǒng)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，即業(yè)務(wù)恢復(fù)不需啟用新電中繼OTU。在OMS（B-C）故障場景，需要解決業(yè)務(wù)FG 恢復(fù)啟用新電中繼OTU 的問題，如下圖3 左圖所示。查詢到B-F 有交通路網(wǎng)，則可新建B-F 光纜，并據(jù)此新增BF 段OMS 完善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如上右圖所示。業(yè)務(wù)FG 的恢復(fù)路由可調(diào)整為F-B-G，系統(tǒng)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，不需啟用新電中繼OTU，如圖3 右圖所示。

圖3 故障場景示意圖

4.3 光纜網(wǎng)優(yōu)化

模擬計算完所有已統(tǒng)計的故障場景后，可得到需新建光纜的情況，根據(jù)交通路網(wǎng)信息對新建光纜情況進(jìn)行優(yōu)化，并 在ROADM 網(wǎng)絡(luò)新增ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)和OMS，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

如圖4 左圖所示，網(wǎng)絡(luò)需新建光纜B-F、A-B、A-F，則可以查詢交通路網(wǎng)B-F 與A-C 是否有交匯點(diǎn)，如有，則可以優(yōu)化為如下圖4 右圖所示。通過模擬計算A-J（光層直通）-B、A-J（光層直通）-F、B-J（光層直通）-F 的系統(tǒng)性能是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，如滿足則可按上圖優(yōu)化，即新增ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)J，新增B-J、J-F 的OMS。同時由光纜路由A-J-B 代替擬新建光纜A-B，由光纜路由A-J-F 代替新建光纜A-F，由光纜路由B-J-F 代替新建光纜B-F。

圖4 光纜網(wǎng)優(yōu)化示意圖

優(yōu)化擬新建光纜的目的是減少光纜建設(shè)量，并促使業(yè)務(wù)重路由時盡可能共享OMS 頻譜資源，節(jié)省工程建設(shè)投資。如果新建光纜的量太大，在實(shí)際工程中將難以操作，而且投資效益低。

4.4 全光網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化

根據(jù)優(yōu)化后的光纜網(wǎng)補(bǔ)充完善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在所有經(jīng)過新增ROADM/OXC 節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)工作路由上配置電中繼OTU，重新模擬仿真，直至所有故障場景下業(yè)務(wù)均可實(shí)現(xiàn)無電中繼重路由。

為了實(shí)現(xiàn)無電中繼重路由，已在所有業(yè)務(wù)工作路由途經(jīng)的RAODM/OXC 節(jié)點(diǎn)配置了電中繼OTU，但工程投資最大部分是OTU 板卡，因此需要最大可能的減少業(yè)務(wù)工作路由上的電中繼OTU，以實(shí)現(xiàn)投資效益最大化。具體方法為：針對每條業(yè)務(wù)工作路由所配置的電中繼OTU 逐個減去，判斷業(yè)務(wù)的工作路由和恢復(fù)路由系統(tǒng)性能是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。首先判斷業(yè)務(wù)工作路由，如不滿足，則該業(yè)務(wù)路由在該節(jié)點(diǎn)的電中繼OTU 不可減。其次，針對業(yè)務(wù)工作路由每個OMS 對應(yīng)的故障場景進(jìn)行模擬仿真，模擬計算業(yè)務(wù)恢復(fù)路由的系統(tǒng)性能是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，如不滿足，則該業(yè)務(wù)路由在該節(jié)點(diǎn)的電中繼OTU 不可減。如均滿足，則可核減該業(yè)務(wù)的電中繼OTU。

假設(shè)ROADM 網(wǎng)絡(luò)有一條業(yè)務(wù)如圖5 所示，業(yè)務(wù)AE的路由為A-J-B-D-E，在J、B、D 節(jié)點(diǎn)均配置了電中繼OTU，依次分別減去J、B、D 節(jié)點(diǎn)的電中繼OTU，并依次模擬計算減去電中繼OTU 后業(yè)務(wù)路由系統(tǒng)性能的滿足情況。以減去J 節(jié)點(diǎn)的電中繼OTU 為例說明如下。

圖5 業(yè)務(wù)電中繼OTU 配置圖

（1）模擬計算業(yè)務(wù)工作路由A-J（光層直通）-B-D-E的系統(tǒng)性能是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于B-D-E 路由沒變化，因此只需計算A-J（光層直通）-B 路由是否滿足要求即可。如不滿足，則業(yè)務(wù)AE 在J 節(jié)點(diǎn)的電中繼OTU不可減。

（2）模擬仿真業(yè)務(wù)AE 的故障場景，由于B-D-E 沒變化，因此只需模擬計算A-J 故障場景和J-B 故障場景即可。假設(shè)在這兩個故障場景，業(yè)務(wù)AE 的恢復(fù)路由均為A-B-D-E，模擬計算A-B 的系統(tǒng)性能是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。如不滿足，則業(yè)務(wù)AE 在J 節(jié)點(diǎn)的電中繼OTU 不可減。

（3）如上述兩次模擬結(jié)果均為滿足，則可確定該業(yè)務(wù)在J 節(jié)點(diǎn)不需要配置電中繼OTU。

采用相同的方法模擬計算，并判斷出該業(yè)務(wù)在B、D 節(jié)點(diǎn)是否需要配置電中繼OTU。完成所有業(yè)務(wù)的模擬計算與仿真后，可輸出所有業(yè)務(wù)的工作路由及其電中繼OTU 的配置情況，進(jìn)而可統(tǒng)計出每個節(jié)點(diǎn)的OTU 配置規(guī)模，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，即可輸出網(wǎng)絡(luò)的整體規(guī)劃方案。

5 結(jié)束語

本文研究的無電中繼重路由技術(shù)得到的方法為，通過合理構(gòu)建全光網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃業(yè)務(wù)的工作路由及其電中繼OTU，根據(jù)故障場景下業(yè)務(wù)無電中繼重路由的需求，基于交通路網(wǎng)信息提出新建光纜方案，通過優(yōu)化完善光纜網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)完善后的光纜網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化全光網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障場景下業(yè)務(wù)的無電中繼重路由，從而提升故障場景下業(yè)務(wù)的重路由恢復(fù)速度。