光传送网技术优化及架构演进研究

2024-01-25王慧杰

大众科学 2023年11期

王慧杰

摘要：随着5G网络的部署、高品质政企专线等业务的开展，现有传送网的技术性能及网络架构都将面临新的挑战。以业务需求为出发点，详细阐述5G业务、政企专线业务对承载网性能指标的要求，分析现有传送网在承载方面存在的不足以及具体的改进方式，提出不仅需要在技术上优化还要在网络结构上调整，最后预测未来传送网的演进趋势。

关键词：光传送网技术架构演进

中图分类号： TP393文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2023）11-0040-03

1 光传送网发展概述

光纤通信的发展一共经历了三个阶段。首先，传输媒介光纤由多模转向单模的探索阶段；其次，充分开发单模光纤传输潜能、光纤代替电缆变成传输主要媒介的发展阶段；第三，以密集波分技术普遍应用为标志，光纤由点对点的通信走向全网络及全连接通信的成熟阶段[1]。本文的光传送网即是第三阶段的产物，其具有超大容量、便于管理、高灵活性和高透明性等一系列的优势。21世纪以来，光传送网除了承载传统通信业務以外，越来越多为日益增长的IP数据业务提供快速、灵活、高效率的传送通道，同时努力减少自身的成本，保障运营商的多业务运营，向着高速率、大容量、融合多业务、智能管控的方向演进。

2 光传送网技术与架构现状

2.1 主要技术现状

运营商主要的传送技术大致分为两类，一类是中低速技术，包括PDH、SDH、MSTP、ASON、PTN、IPRAN；另—类是髙速技术，包括波分技术、OTN技术。在本地网中，PDH基本已经淘汰，MSTP、SDH正面临被分组传送技术PTN、IPRAN淘汰，ASON尚有一席之地，波分技术、OTN后起勃发；在长途网中，SDH、ASON、波分技术、OTN均有一定占比[2]。

业务的传送大致有3条路径：中低速业务承载于中低速技术上经物理光缆进行近距离传送；高速业务承载于高速技术上经物理光缆进行传送；中低速业务承载于中低速技术上，再承载于髙速技术上，经物理光缆进行远距离传送。

2.2 网络架构现状

从网络功能上划分，电信网由物理承载网、传送网、业务网、支撑网四个部分共同组成。传送网服务于业务网，让业务节点之间的信息得以传递。从网络结构上划分，整个传送网自上而下分别为一级干线、二级干线、本地传送网三个层次。一级干线也称省际干线，二级干线也称省内干线[3]。本地传送网自上而下又可分为核心调度层、汇聚传输层、边缘接入层三个网络层次，各层次网络对本地网业务的传送各司其职，具体功能如下。

（1）核心调度层。核心调度层位于本地传送网的顶层，是核心机房之间的传输系统。负责本地网范围内核心节点之间的信息传送，核心节点内一般设置核心路由器、交换机、前置机、基站控制器等硬件设备。（2）汇聚传输层。汇聚传输层介于核心调度层与边缘层接入层之间，对边缘接入层上传的业务进行汇聚整合，并向核心节点进行传送。（3）边缘接入层。一般的业务接入点至汇聚节点的传输层面称为边缘层，用户接入点至边缘层节点的传输系统属于接入网，通常逻辑上按一个层次考虑，定义为边缘接入层，主要负责各类业务的接入。

3 光传送网技术演进

随着社会的发展，业务网对于传送网不断提出更高的要求，传送网只有从业务需求出发，不断实现技术演进、网络优化才能更好地服务于业务网，最大程度地提升用户体验。光传送网一直不断追求大容量、高速率、业务融合、安全性、可靠性以及智能管控等，唯有这样不断完善，才能跟得上业务发展的脚步，更好地服务于业务，成为优质的承载平台，而未来传送网将继续向更大容量、更高速率、更短时延、更高安全性智能控制水平方向不断前进。

3.1 驱动因素

光传送网是位于5G RAN和核心网之间的基础型网络，5G业务承载是传送网当前最主要的任务之一，5G始终把“人的体验”放在首位，随着移动终端、无线通信网络、互联网业务应用等领域的进一步拓展和创新，为了保障用户良好的服务体验，光传送网应满足以下方面的要求。

3.1.1 通道容量需求

光传送网用于业务网各节点的业务传送，业务数据包会封装在一个通道当中进行传递，通道容量的大小是传送网的重要性能指标。传统的话音业务时代，传送网络汇聚层有622 M、2.5 G、10 G环网，接入层普遍为155 M、622 M、2.5 G环网，随着数据业务的发展，近些年通道容量在迅速提升。到了5G时代，相比4G基站，5G基站的带宽需求量明显上升，虽然汇聚链路上有些收敛策略，但仍然会出现带宽需求的猛增，通过单站业务量、基站数量、环网数量、汇聚节点数量等多个因素综合估算出来的、用于承载5G业务的通道带宽规模分别如下。

（1）边缘接入层：承载5G基站的传送网接入环应具备的通道带宽为50～100 GE。（2）汇聚传输层：承载5G基站的汇聚链路的原始通道带宽为200～400 GE，如考虑收敛比，汇聚链路带宽的需求仍将超过100 GE。上述为5G独立站的带宽估算情况，如果考虑新增5G基站与原有4G基站共站址的场景，传送网对接入环带宽的需求比当前带宽平均约提升3倍。

3.1.2 可靠性和时延的要求

uRLLC即超高可靠和超低时延通信，当前传统传送网设备中有几十微秒的时延，而依据国际上通用的规定，低时延业务要求需满足低于1 ms的时延，5G传送网如何满足超低时延将会面临着很大的挑战。

3.1.3 海量频繁连接及网络灵活性的要求

当前时代是一个云网络的时代，加之5G技术运用衍生了更为丰富多样的应用，必然加速各种各样的新业务新行业不断涌现。新的行业、业务、用户便会对网络提供各种各样的新的需求，也会有不同的侧重点。例如：智能家居、环境监测、智慧农业会要求网络支持大量小报文转发，以及随时随地的设备连接；视频直播、实时点播、智慧医疗会要求网络具备极高的速率带宽；无人驾驶、智能电力、智能工业等会要求网络提供极小的时延，面对这些需求，网络资源需要更为灵活的分割，需要切片级的调度和管理。各行各业新业务出现，也对网络的灵活性提出了更高的要求，灵活性体现在调整流动路径的灵活性、实现网络重组的灵活性。

3.1.4 对业务的管控要求

随着业务流突发流量比例的增加，以及大规模设备连接的增加，传送网中传统的监控功能力不从心、网管设定刚性管理策略及人工监管无法满足新业务的管控需求。为了满足网络端到端规划设计、客户业务处理及传递、网络管理控制系统智能化、客户业务完全保障等功能等需求，传送网需要更智能、高效的集中管控。

3.2 演进方式

5G业务的发展刺激传送手段的进一步优化，必须对原有技术与设备升级，及时进行新技术引入，技术升级革新与现有传送网深度融合。

3.2.1 接入、汇聚层面的链路提速

现有传送网络中的低速率系统及设备必将被时代淘汰，PDH早已不见踪影，SDH已经在全面退网的边缘，仅仅保留在个别的传送场景，低速率的分组传送链路必须进行线路侧的速率升级，原本广泛应用在干线、核心调度层的波分设备要全面下沉，不仅用于解决互联的光纤资源问题，更重要的是解决链路速率问题，密集波分、粗波分、无源波分都要择其适合的场景广泛恰当地应用，至此，实现传送网链路全面提速，充分适应5G网络的传送要求。

3.2.2 软件定义网络（SDN）引入

SDN的应用可实现让网络调度更为敏捷，网络运营的成本更为低廉。软件定义网络（SDN）标准架构有三层架构，自上而下依次为应用层、控制层和基础设施层，通过与传统传送网融合，可以适应大容量、突发性业务，提高业务传送的灵活性及传送效率。在SDN运行过程中，网管无须对接网络中的每个交换节点，而是可以从控制台调整流量，不管服务器与设备之间连接方式如何，交换机都可以在集中式SDN控制器的引导下，实时提供网络管理服务。

3.2.3 网络切片承载技术

通过网络切片技术，可在同一个共享的网络上提供多个逻辑网络，特定的业务可以加载在特定的逻辑网络中，并为用户提供特定的拓扑、服务等级、安全等级、可靠等级等方面的差别性服务，这样一来，既可以降网络建设的成本，又可以提高服务的灵活性，降低了运营商的运营成本，也提升了不同行业用户的差异化客户体验，实现5G商用价值与行业价值的完美融合，打造一条新的经济生态链。所以说，切片技术的引入，网络依据流量状态精准适配切片资源，会带来通信行业工作模式的转换。

运营商通过运用网络切片这种机制，可以实现分配网络资源动态化、提高客户价值机制最大化。网络切片机制引入后，整个网络资源可依据工作需要灵活划分。光传送网可以把每个5G网络切片作为独立的光波长/ODU通道进行承载，提供严格的业务隔离和服务质量保障，光传送网适配网络切片后，通过动态的端到端切片，通信产业模式得以转换，客户服务可以根据流量的需要，随意增减对网络资源的利用，从而满足目标用户的特定需求。

网络切片有两种承载方案：一层网络切片承载方案属于物理隔离，通过独立的波长或者通道做到真正的隔离；二层网络切片承载方案属于逻辑隔离，传输通道被不同的业务切片共享，通过MPLS-TP标签或以太网VLANID划分在二层端口隔离带宽资源，即逻辑隔离。OTN网络切片承载方案还可以与SDN智能控制技术相互结合实现更高速率更高效率的切片情景。

4 光传送网架构演进

4.1 驱动因素

政企客户对专线品质要求很高，要在招标中凸显技术优势，就要率先拿出优越于竞争对手的性能指标，例如：超低的传输时延、超短开通时间、超高安全保障。目前，对政企专线业务链路流向统计结果显示，绝大部分业务在本地网内落地终结，需要在不同本地网之间进行转接只有小部分业务，需要在省与省之间进行调度转接的业务少之又少。往往需要跨省调度转接的业务反而是对响应时间、传输时延要求极高的客户，通常是一些高价值行业的专线[4]。但在目前架构下，跨省业务开通需要调度省际、省内、本地三级网络，单纯从网络调度上而言需要更长的时间，而且落地再跳接的人工电路搭接方式也会增加了业务的传输时延。

4.2 演进方式

从客户需求出发，为了减少时延，一方面应该从精简网络结构、缩短传送路径入手；另一方面要減少电路搭接中间环节上的人工因素，以自动倒换、自动选路代替人工跳纤、人工配置电路。

4.2.1 将省内干线传送网与本地传送网融合为一级

传送网是个多层级的结构，政企专线开通时，专线的电路时延、开通速度与网络的结构有较大关系。如果电路起止点均在本地，那么在本地网层面直接开通，最多经过三级网络（本地接入、本地汇聚、本地核心），开通速度和时延最小；如果电路起止点在同省不同的城市，那么除了经过本地网开通、还要经过省内干线进行本地网之间调度，开通速度和时延较小；如果电路起止点在不同的省的不同城市，那么除了经过本地网开通、还需要省际、省内的双重调度，开通速度和时延较大。如果调度的过程中，有传统波分节点人工跳纤参与，会进一步影响开通速度和时延[5]。为了提高政企专线的性能指标，应当精简网络架构，减少调度层转接，这里建议将省内干线传送网与本地传送网融合为一级，这样有效减少一层调度，提高开通速度，降低时延。

4.2.2 调度频繁的节点设置ROADM

政企专线的性能指标除了网络结构外，还会受到中间节点人工跳纤的影响。人工跳纤的参与提高了调度的时间成本和人工成本。如果能在调度频繁的节点上引入ROADM，实现光通道的自动分差复用，便可解决上述问题。波长选择开关（WSS）是ROADM的最关键的器件，它通过将任一波长分配到任一的路径，来实现光层波长级灵活调度。目前20维度的WSS已经被大量商用，32维度的WSS也已经问世，支持全光交叉产品OXC也已研发出来，可以做更高维度的波长调度。在传统波分节点上，如波长调度频繁，引入技术成熟的ROADM是合理的选择。

ROADM的部署可以从骨干到区域有序部署。跨省业务要依赖骨干层进行调度，骨干层虽站距长，但节点少，所以骨干层所有的节点率先全面部署ROADM，且节点选址与业务网节点重合放置，为保证安全备份，骨干层可以按双平面结构进行搭建。省内业务由骨干节点上的ROADM调度，跨省业务通过在骨干节点间实现光层直接调度，避免人工跳纤，提高精准性、降低人工成本，缩短了响应时间，提升了客户体验。