基于OTN的水下信息网传输系统规划研究

2016-10-14周学军周媛媛

船电技术 2016年10期

关键词：波分纤芯信息网

潘威，周学军，周媛媛

基于OTN的水下信息网传输系统规划研究

潘威，周学军，周媛媛

（海军工程大学电子工程学院，武汉 430033）

本文主要论述了水下信息网传输系统涉及到的关键技术，包括拓扑结构、保护技术与传送技术，从系统容量与可拓展性两个方面对比分析了现存的三种水下信息网传输系统规划方案，并设计了一种基于OTN传送技术的解决方案。

水下信息网传输系统网络规划 OTN 解决方案

0 引言

水下信息网通过海光缆传输系统连通陆地和水下各类信息节点，是发展海洋经济、开发海洋资源、维护海上领土主权与安全的重要技术手段。水下信息网作为军事信息系统的传输平台具备极强的数据传输能力，通过挂载各类水下传感设备，为水下通信、探测、导航及水文气象等信息系统提供可靠信息保障，可实现多要素、多学科对海长期、连续、全天候的实时观测。

世界各国高度重视水下信息网的发展建设。美国和加拿大于1998年开始建设位于东北太平洋的NEPTUNE海底观测网络计划；欧洲14国于2004年开始建设位于在大西洋与地中海的“ESONET欧洲海底观测网”；日本于2003年和2006年先后开始建设位于西北太平洋的“ARENA新型实时海底监测网”与“DONET地震和海啸海底观测密集网络”。我国现有浙江大学于2007年建设的“ZERO海底观测网络系统”和同济大学于2009年建成的小衢山实验系统。

由于水下系统与设备长时间孤悬远洋深海无人值守，其施工建设与维修保障难度大周期长，加上海底环境复杂，水下信息网传输系统的需求特点和建设策略相比陆地光缆网有显著的不同。首先要求水下设备与链路可靠性高，使用寿命尽可能长；其次要求传输设备的功耗和体积尽可能小，不能过于复杂。由于水下信息网施工周期长的特点，在建设过程中应采用“边建边用” 的策略，先建成链式环形网，而后逐层拓展为网格状水下信息网，这就要求其顶层设计与发展规划合理可靠，系统链路可拓展性好。本文针对网格状水下信息网，提出了一种基于OTN的传输系统解决方案。

1 水下信息网传输系统关键技术

1.1 拓扑结构

网格状水下信息网的基本单元结构包括纵向与横向主干海底光缆、纵横主干缆交接处的海缆分支单元、水下节点的主次接驳盒、连接主次接驳盒的分支海底光缆以及连接接驳盒与水下设备的连接缆。

和陆地光纤传输系统不同的是，在网格状水下信息网传输系统的实际设计中，分支单元通常采用空分复用方式将远端纵横三条主干海缆中的纤芯物理汇聚至近端一条纵向主干海缆中，从而不需要在其中部署复用、交换设备，以达到减小分支单元的功耗和体积，降低系统复杂度的目标。在这种情况下，部署在网格状水下信息网中的传输系统属于嵌套型链式拓扑结构而非陆地光纤传输系统常用的网状网拓扑结构。例如，美国和加拿大的NEPTUNE以及日本的ARENA等网格状水下信息网传输系统均采用了这种嵌套型链式拓扑结构，如图1所示。

1.2 生存性技术

水下信息网的链式传输系统与岸站间陆缆通信网络可构成环形网。环形网既能保持较高的生存性又具有容易实现和管理的特性，可其在中组织运用自愈环(Self-healing Ring)保护机制，在没有人工干预的情况下，自动实现受影响业务的恢复。

由于采用时分复用方案和波分复用方案的水下信息网传输系统均以多节点共享同一对传输光纤为特征，加上水下信息网水下设施体积、功耗和传输容量的限制，为减少OCP设备系统宜采用“线路倒换环”而非“通道倒换环”方案；为节约线路资源系统宜采用最低限度的“双纤环”而非“四纤环”方案；为降低系统复杂度双纤环宜采用“1+1保护倒换”而非“1：1保护倒换”方式。即采用“双纤线路1+1保护”的自愈环方案。

该方案可分为按节点来去业务的传输方向，可以分为双向环与单向环两类。双向环又称“共享保护环”，其中来去业务方向相反，从信道的角度看环网的双纤可分为工作光纤和保护光纤，系统正常时保护光纤是空闲的；单向环又称“专用保护环”，其中来去业务传输方向相同，从单个节点的角度看环网可分为工作方向和保护方向，背靠背的两个方向可理解为两套独立的点对点传输系统，同时工作互为备份。双纤双向环适用于陆地环境，方便向复杂的共享型保护方案如“1：1”、“N：M”转换，而一旦故障发生，环上每个节点的工作都受到影响，均需启动保护倒换；双纤单向环在陆地环境中没有特殊价值，但在故障发生时环上存在数量可观的节点只是保护等级下降而工作完全不受其影响，不必启动保护倒换。在水下信息网的应用场景下，宜采用后者，即采用“双纤单向线路1+1倒换环”（ULSR/2：Unidirectional Line Switched Ring）的自愈环方案。

1.3 OTN传送技术

光传送网OTN（Optical Transport Network）在电域上继承了同步数字体系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）中的映射、复用、交叉以及嵌入式开销等概念，具有丰富的管理开销、良好的调度能力以及可靠的保护功能；在光域上继承了波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）技术传输容量大、传输速率高和传输距离长等特点。

首先，OTN实现了1.25 Gbit/s、2.5Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s乃至100 Gbit/s的大容量与n⨉1.25Gbit/s灵活颗粒度信号的接入、复用与载波调制，具备能承载与透明传输不同类型多种速率的客户信号，可实现16路或32路载波信号的混传，弥补了SDH传送网无法处理大颗粒业务和分组业务的缺陷，并通过异步映射机制打破了全网需同步的限制，系统交叉容量大，可扩展性强；其次，通过在光传输单元中嵌入更为丰富多样的开销，OTN克服了WDM技术没有波长及子波长业务的调度能力，使传输系统具备灵活的光层/电层调度能力，可有效监视网络故障，拓展传输距离，提升组网能力，降低组网成本，增强传输系统OAM和网络生存性。

纵观波分复用传输系统的传送技术，OTN在发扬SDH+WDM波分技术优势的同时，克服了后者的缺点。随着该传送技术的不断推广和普及，基于OTN的传输设备正变得日益成熟，将在各种应用场景下全面取代SDH+WDM和SDH传送技术。因此，应当尽早开展基于OTN的水下信息网传输系统的设计、建设与标准化工作。

2 现有水下信息网传输系统解决方案

水下信息网中各节点接入主干缆的方案现有三种，为方便在网格状水下信息网的嵌套型链式传输系统中进行量化比较分析，不妨假设：

1）节点的通道数量需求，每个主接驳盒有条分支缆与次接驳盒相联，每个次接驳盒有条连接缆与水下设备相联，这样有：

推论一：每个节点需要分配的通道个数

2）结构中的自愈环数量，不妨设拓展方向为由东向西由北至南，网格状拓扑结构中共有条纵向主干缆，条横向主干缆，这样有：

推论二：结构中分支单元的个数

推论三：自愈环的个数

3）自愈环线路接入的节点数量，不妨设两个相邻分支结构间的每段横向主干缆连接个主接驳盒，每段纵向主干缆上连接个主接驳盒，这样有：

推论四：东侧各层自愈环接入的节点个数、其余自愈环上接入的节点个数及其最大值分别为

每条主干缆接入的节点数量即为所有与该缆相连的自愈环节点数量之和，这样有：

推论五：横向主干缆上接入的节点个数

由东至西纵向主干缆上接入的节点个数及其最大值分别为

2.1空分复用方案

第一种方案是主接驳盒采用空分复用方式连接主干缆，为每个节点分配工作保护方向各一对纤芯。其中部署有具备线路1+1保护功能的TM设备，完成各分支缆中个设备的低速去业务电信号的复用、光调制与并发，同时完成主干缆纤芯中高速来业务光信号的选择接受、光解调与解复用，并按来去业务方向将其连接至相应分支缆的指定纤芯中。次接驳盒负责支线缆与连接缆中对应纤芯的物理连接。

该方案优点在于水下分系统中不需要任何信息汇聚复用设备，可靠性高耗电量小。同时保证每个节点与岸站间拥有物理分离的工作信道和保护信道，冗余充足管理方便。缺点在于资源利用率低，可拓展性差，可部署的主接驳盒数量与主干缆纤芯数量直接相关。按上述方案，一节点分配一对纤芯并根据推论五，主干缆上用于传输的纤芯对数至少为。以日本ARENA网格状拓扑结构为参照，有=2，=7，因此纵向主干缆对纤芯对的需求多达=(2+3)⨉=20⨉对纤芯。若纵向主干缆采用96芯海底光缆即⩽96/2，只能保障=2层网格状拓扑结构。可见这种方案不适用于大型网格状拓扑结构水下信息网。

2.2时分复用方案

第二种方案是主接驳盒采用时分复用方式连接主干缆，为每个节点分配个时隙通道，若时隙数量和带宽允许，个节点可共用一对纤芯。主接驳盒中部署有具备线路1+1保护功能的ADM设备，将各分支缆中个设备的低速去业务电信号作为个时隙复用、光调制、并发和上路，同时完成主干缆中本地高速来业务光信号的下路、选择接受、光解调和解复用，并将其连接相应分支缆的指定纤芯中。次接驳盒负责支线缆与连接缆中对应纤芯的物理连接。

由于水下节点体积和耗电量有限，现存的解决方案采用了接入层的MSTP设备。以烽火公司的IBAS 110A设备为例，其子框产品体积为88 mm×440 mm×357.5 mm，重量为8 kg，功耗为50 W，经集成化改造后可部署为水下设备。该设备的两对STM-4光接口可分配为工作保护线路各一对，因此主干缆纤芯对中的高速信号速率至多为622Mbit/s。从带宽角度考虑，参考我国某型海缆阵系统，按每节点155Mbit/s的带宽需求，在采用该设备的水下信息网传输系统中，每对主干缆纤芯可满足=4个节点的通信需求。又以日本ARENA网格状拓扑结构为参照，根据推论四=+2=11，因此可为每个自愈环分配对纤芯。

和第一种方案相比，该方案优点在于：对纵向主干海光缆中纤芯数量的需求更少。按上述方案和分析，纵向主干缆至多需要对纤芯，即与其相邻自愈环的需求量之和。因此，若纵向主干缆采用96芯海底光缆，传输速率充足的情况下可至多保障层网格状拓扑结构，相比第一种方案，水下信息网传输系统的可拓展性得到了极大的扩充。其缺点在于：系统的总带宽没有得到扩充，方案只对纤芯线路中的通道与带宽进行“按需分配”，在个节点共用一对纤芯，主干缆的纤芯对需求从减少至的同时，每个节点的带宽资源降至空分复用系统的1/。

2.3波分复用方案

第三种方案是主接驳盒采用波分复用方式连接主干缆，为每个节点分配一个波长信道，若系统支持单纤芯复用个波长，则个节点可共用一对纤芯。其中部署有OADM设备与具备线路1+1保护功能OTM设备，前者从主干缆纤芯对的合波信号中上下本地波长信号并将其连接至后者，后者将各分支缆中个设备的低速去业务光信号作为个时隙复用与并发至该波长，同时完成该波长信号来业务的选择接受与解复用，并将其连接至相应分支缆的指定纤芯中。次接驳盒中部署有E/O转换器，完成连接缆中低速光信号和设备业务电信号的光电转换与连接。

现存的解决方案采用拓展了CWDM单板的单子框IBAS 110A设备实现SDH+WDM方式组网，在各节点中实现OADM与OTM网元功能。该设备可实现4波复用即，按“一波一节点”的原则，每个节点均可实现622Mbit/s带宽，主干缆纤芯对中的高速信号速率可达2.5Gbit/s。相比时分复用方案，系统扩容了4倍，但可拓展性不变，仍然是“一环三对纤”()，纵向主干缆至少需要对纤芯，96芯纵向缆可拓展层网格状拓扑结构。

3 一种基于OTN的波分复用规划方案

由于水下信息网传输系统布设于水下，各类传输设备只能部署在水下节点的舱体中，体积、功耗不能过大，因此只考虑OTN接入层技术与设备。在此选用烽火公司的FONST 1000产品，在网格状拓扑结构中为水下信息网传输系统实现一种双纤单向1+1保护的解决方案。

3.1光转发单元OTU

光转发单元负责将来自客户侧经光电转换得到的若干路低速光信号汇聚为1路信号，而后将其调制为满足G.694.1标准中关于DWDM规定的波长信号，以便下一步在DWDM系统上传送，同时实现上述转换的逆过程。

我们采用了FONST 1000的MST2单盘,其产品体积，重量0.695 kg，功耗35 W。它的8对客户侧光接口可接入STM-1/4/16、OTU1、1GFC/2GFC、FICON、ESCON、GE或FE，波分侧信号速率为10Gbit/s。在接收方向上从波分侧RX接口接入的高速信号经O/E转换、OTN解封装、VC解映射、GFP解包封、E/O转换后从客户侧的T1～T8接口输出。在发送方向上客户侧有R1～R8共8个接口可接入客户光信号，经O/E转换、GFP包封、VC映射、OTN封装、E/O转换后从波分侧的TX接口输出。其面板接口分布如图2所示。

图2 MST2单盘面板接口示意图

3.2光分插复用单元OAD

光分插复用单元负责将来自客户侧的满足G.694.1标准中关于DWDM规定的若干路波长信号汇聚为1路高速的光传送模块信号OTM-n.m，以便在DWDM系统的光纤信道上传送，同时实现上述转换的逆过程。

我们采用了FONST 1000的MDU8单盘，其产品体积，重量0.6 kg，功耗3 W。它的8对客户侧光端口可接入满足G.694.1标准中关于DWDM规定的波长信号（10Gbit/s），合波信号从波分侧的IN/OUT接口出入，MI/MO接口为级联接口，两个MDU8相级联可实现单节点上下DWDM系统规定的全16路波长。在接收方向上IN接口连接接受合波信号，经光功率检测后下路8路预定的波长信号至D1～D8接口，下波后的信号从MO接口输出。在发送方向上MI接口接收其它MDU8或本单元MO接口传来的信号，与A1～A8接口接入的8路波长信号合波后从OUT口输出。其面板接口如图3所示。

图3 MDU8单盘面板接口示意图

3.3 光保护单元OCP

光保护单元用以实现网元业务在系统中的1+1保护。当OCP布设于OTU与客户设备之间时为通道1+1保护，当OCP布设于OAD与OTU之间时为线路1+1保护。

图4 OCP单盘面板接口示意图

3.4 网络结构

各节点设备解决方案如图5所示。n个探测设备上传信号至MST2盘的R1至R8端口，时分复用为一路10Gbit/s信号并被调制到一路DWDM系统规定的光载波上。该光载波从MST2盘的TX端口输出，接入OCP盘的IN1端口，由分光器分为“工作”、“保护”两路，分别经TX1A端口与TX1B端口连接到主干缆内外纤各自的MDU8盘A8接口，由此合波上路，经两块MDU8盘的OUT端口连接到内纤和外纤的去业务方向（去业务的工作和保护方向）。同时，内外纤的来业务方向光纤连接两块MDU8盘的IN端口，输入合波信号，需要下路的光载波从D8端口输出到OCP盘的RX1A和RX1B端口上，经选择接受的光载波从OUT1端口输出到MST2盘RX端口，解时分复用为各设备来业务信号，经T1至T8口传输给各设备。

该系统可实现16个波长复用，每个波长（节点）平均可实现10Gbit/s带宽，主干缆纤芯对中的高速信号速率可达160Gbit/s，相比时分复用方案，系统扩容256倍；相比WDM+SDH方式的波分复用方案，系统扩容64倍。以日本的ARENA系统为参照，每环为9或11个节点，这样可采用“一环一对纤”的部署方案，纵向主干缆各需要对纤芯，96芯纵向缆可至多保障24层网格状拓扑结构，相比时分复用方案与WDM+SDH方式的波分复用方案，系统的可拓展性提高3倍。

4 结语

传输系统是水下信息网的核心任务系统，本文主要论述了基于OTN传送技术的水下信息网传输系统波分复用规划方案。通过与现存的空分复用规划方案、时分复用规划方案以及基于SDH+WDM波分复用规划方案进行对比分析，得出该方案在系统容量与可拓展性两个方面均优于现存方案。并利用烽火公司的FONST 1000设备设计了节点单元的设备解决方案，对水下信息网的设计研究工作具有一定的参考意义。

图5 基于OTN的水下信息网双纤单向1+1保护传输系统节点设备解决方案

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Transmission System Planning of Undersea Information Network

Pan Wei, Zhou Xuejun, Zhou Yuanyuan

(Electronic Engineering Institute, University of Navy Engineering, Wuhan 430033, China)