一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构.pdf

2024/04/DTPT收稿日期：2024-03-060 引言视频业务、泛在物联网业务等的蓬勃发展，对网络提出了向“大容量、低时延、灵活智能、安全可靠”方向发展的诉求。跨地（市）传输调度需求日益频繁，对传送网提出了更高灵活性、更低时延和动态调整的网络能力需求，这为省内干线光传送网（Optical Transport Network，OTN）系统架构带来了新的机遇和挑战。受限于设备交叉能力和调度能力，传统的省内干线OTN采用多环嵌套、连接等组建环形网络架构，存在业务绕行、业务路由长、业务跨多环、多次上下路调度转发、造价高、时延长等问题。为满足多传送节点之间业务的无阻塞交叉调度，省内干线OTN系统逐步从传统的环网向Mesh化网络演进。现有Mesh化省内干线OTN网络架构因受地理条件、出局路由管道等的影响，省内干线光缆存在多段一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构A Mesh Networking Architecture for Provincial BackboneTransmission Network Based on Route Crossing Optimization关键词：OXC；Mesh；路由交叉优化doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2024.04.014文章编号：1007-3043（2024）04-0080-05中图分类号：TN913文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：摘要：为满足多传送节点之间业务的无阻塞交叉调度，传统的省内干线光传送网受限于设备交叉能力和调度能力，亟需逐步向Mesh化演进。提出一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构，将现有省内干线光缆交叉处转变为光交叉连接中间节点，并根据实际组网光缆路由，给出多种应用场景，提出相关的Mesh化演进策略。Abstract：In order to meet the unhindered service between multiple transmission nodes，limited by the crossover capability andscheduling capability of equipment，the traditional provincial backbone optical transport network（OTN）is urgent to graduallyevolve to mesh.It proposes a provincial backbone mesh networking architecture based on route-crossing optimization，whichtransforms the existing provincial backbone optical cable crossings into Optical Cross-Connect（OXC）intermediate nodes.Itpresents a variety of scenarios based on the actual network optical cable routing，and proposes relevant mesh evolutionstrategies.Keywords：OXC；Mesh；Route crossing optimization苏亮1，王国栋2，南蜀崇2（1.中国移动通信集团广西有限公司，广西 南宁 530000；2.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310051）Su Liang1，Wang Guodong2，Nan Shuchong2（1.China Mobile Group Guangxi Co.，Ltd.，Nanning 530000，China；2.Huaxin Consultingand Designing Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310051，China）苏亮，王国栋，南蜀崇一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构电信传输Telecommunication Transmission引用格式：苏亮，王国栋，南蜀崇.一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构 J.邮电设计技术，2024（4）：80-84.80邮电设计技术/2024/04光缆的交叉，业务调度需多次绕转省内节点，导致业务时延远高于理论最小值。本文提供一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构。通过将现网光缆交叉处转变为仅交叉调度业务不落地的OXC中间节点，构筑新型架构理论模型，并根据实际组网中光缆路由的交叉情况，优先考虑优化现网组网中的中继/跳纤点机房，提供多类不同场景架构优化策略，为提升网络综合能力提供差异化Mesh化网络建设思路。1 现有省内干线OTN系统架构及存在的问题当前OTN主要采用波分复用技术实现多波长通道信号传输，应用OXC技术实现节点间的交叉互联，基于光分插复用技术实现光信号上下及波长转换功能。其中，目前商用程度高、技术成熟的光交叉连接技术依赖于可重构光分插复用器（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM）技术架构，用于实现自动路径调度和业务恢复，可将传统的点到段链路变为灵活的光网络。ROADM系统已迭代4代4，其中第1代为基于WB/PLC技 术 的 ROADM系 统，第2代为 采 用 衍 射 光 栅 或 AWG 进 行 滤 波 的 多 维 度ROADM系统，第3代为采用硅基液晶（LCoS）技术实现弹性栅格（Flex-grid）功能的灵活栅格 ROADM 系统，第 4代为基于高集成全光背板实现无光纤化互联的OXC系统。1.1 OXC设备能力概述OXC主要由管理控制单元、光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口等模块组成5，其基本设备架构如图1所示。OXC基本工作原理是：对输入端波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）信号进行分解，得到一组单波信号；根据使用技术结构的不同，光交换矩阵在空域或频域6实现信号的全光交叉连接；而后输出端将完成交换的信号通过波分复用器、耦合器等集中输出。管理控制单元在OXC架构中实现了光网络波长级别的管理和传输，包括波长交换、转换、复用、去复用、信号监测等，并基于OXC波长层/光纤层交换，衍生出特有的故障恢复能力。1.2 现有OXC系统架构及分析虽然大多现有省内干线网络已基于OXC/ROADM技术实现 Mesh化组网，较环状组网有明显的能力提升，但实际业务路径在省内节点之间存在多次远距离绕转调度，业务时延、逃生路径数量低于预期。典型Full-Mesh组网拓扑模型如图2所示，其优势在于：冗余度高，任意节点之间有独立路径，可实现一条直达，效率极高；健壮性强，任意一个节点故障时，不影响其他节点连接，能够高效抵抗突发设备损坏和链路干扰等问题。同时，这种结构对物理连接提出了非常苛刻的要求。在实际网络的建设过程中，随着业务节点数量的增加，受物理路由条件、出局管道等的影响，实现Full-Mesh化难度非常大。Mesh化后期，每新增一条物理直达路径所需的资源非常庞大，几乎不可能实际额外新增一条物理直达路径。以实际组网拓扑的连通矩阵元素之和与 Full-Mesh的连通矩阵的元素之和的比值定义Mesh化程度M7。其 中，连 通 矩 阵 C 的 元 素C(i,j)=1，i=j或ij互联0，ij不连通表示节点 i，j 之间的连通性，M=i=1Nj=1NC(i,j)，N为节点数量。Full-Mesh拓扑的Mesh化程度始终为1。以典型 Full-Mesh 组网拓扑模型为基础，面向实际建设场景，以业务2、3、4节点上联至1节点的业务为例，其组网存在2种场景：与1节点不相邻的边缺失和与1节点相邻的边缺失，具体如图3所示。相较典型 Full-Mesh组网拓扑，该组网结构存在一个段落不具备直达光缆，网络架构呈单向开口状。对无法达到图1OXC基本设备架构图2典型Full-Mesh组网拓扑模型NN光交换矩阵管理、控制操作系统输入端1N1N输出端4312苏亮，王国栋，南蜀崇一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构电信传输Telecommunication Transmission812024/04/DTPT全互联的结构开展理论模型分析。a）Mesh化程度低。典型理论组网拓扑的连通矩阵C如式（1）所示，M=14/16=87.5%，与Full-Mesh化架构相比，Mesh化程度降低12.5%。C=1111110110111111（1）b）可用业务路径少。相较于理想 Full-Mesh 架构，各节点均具备5条业务路径的情况，典型理论组网架构缺少2条业务路径，业务路径减少40%，具体可用业务路径对比如表1所示。c）最低时延长。假定本典型理论组网模型物理路由与拓扑距离相近，以边长为本模型的单位距离，则Full-Mesh组网拓扑与典型理论组网拓扑的最低路由时延相比，远端不具备场景的最低时延无变化，近端不具备场景的最低时延增加41%。2 基于路由交叉优化的Mesh组网架构模型在不大量调整光缆网的前提下，为进一步优化省内干线OTN系统，本文提出一种路由交叉优化的Mesh组网架构模型。本新型组网架构主要针对省内干线光缆网中的物理光缆交叉处，综合分析网络情况，适当部署集成式OXC全光交换设备，以提升网络可靠性和业务调度灵活性。优化后的组网拓扑理论模型如图4所示。相较于典型理论组网拓扑，优化后的组网拓扑在1-3与2-4的光缆交叉点或中继/跳纤重合点新增了集成式OXC设备，对优化后模型的分析如下。a）Mesh化程度提高。新增OXC中间节点后，新的连通矩阵C更新为式（2），其 Mesh 化程度M为100%，提升了12.5%。C=1111111111111111（2）b）可用业务路径增加。业务路径不可多次经过同一落地节点、同一段落，而OXC中间节点可多次经过。相较于典型理论组网架构，各节点至1的业务路径均大幅增加，业务灵活调度能力及安全性大幅增加，具体业务路径数量对比如表2所示。c）最低时延降低。根据光缆部署情况，与1节点不相邻的边缺失场景均已具备最短直达路径，最低时延无变化。对于与1节点相邻的边缺失场景，2-3段落光缆无直达路径，新增OXC节点后，该段落最低时延表1Full-Mesh架构与典型理论拓扑可用业务路径对比（4节点情景）链路情况（以3为例）3132134134213241Full-Mesh架构组网拓扑典型理论组网拓扑与1节点不相邻的边缺失场景与1节点相邻的边缺失场景图4优化后组网拓扑理论模型4312（a）与1节点不相邻的边缺失场景4123（b）与1节点相邻的边缺失场景XX图3典型理论组网拓扑模型4312（a）与1节点不相邻的边缺失场景4123（b）与1节点相邻的边缺失场景苏亮，王国栋，南蜀崇一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构电信传输Telecommunication Transmission表2优化前后各节点至1节点的业务路径数量对比模型场景典型理论组网拓扑业务路径数/条优化后组网拓扑业务路径数/条增幅/%与1节点不相邻的边缺失场景2节点至1节点361003节点至1节点361004节点至1节点3567与1节点相邻的边缺失场景2节点至1节点491253节点至1节点361004节点至1节点3610082邮电设计技术/2024/04降低50%。3 应用场景分析对省内干线光缆网络基础建设情况进行分析，受物理路由等的影响，除省会城市外，其余业务节点的三出口路由已是较优情况。这与Full-Mesh化架构存在明显的差距，各省份实际省内干线网络的Mesh化程度明显低于典型理论组网模型。根据实际组网光缆路由交叉情况，优先考虑优化现网组网中的中继/跳纤点机房。将上述优化前拓扑中外圈的横竖连接记为“边”，斜边记为“斜”，则存在边斜场景、斜斜场景和边边场景。综合考虑可用于统筹光交叉的OXC中间节点，最大可新增OXC中间节点数应小于等于C2N2，本典型理论模型中为小于等于3。不同场景架构优化应用拓扑对比如图5所示。对于图5中8种优化架构，在综合机房机柜位空间、机房用电、机房维护等级等方面，优先考虑在原有网络架构的中继节点/跳纤节点相同的中间节点机房增加OXC设备，以在不大幅调整现有光缆网络的情况下，提升网络Mesh化程度，提高省内干线网络调度能力、降低网络链路综合时延。同时，为尽可能提升网络综合能力，基于路由交叉优化的 Mesh 组网架构，提出Mesh化演进策略，具体如下。a）原环形组网（单环 Mesh化程度 M3/N，N4）。可按需新增多出口光缆直达路由；也可在环形内部新增1个或多个OXC中间节点，结合光缆建设情况，分方向与环上各节点连接，向Mesh化演进。b）稀疏 Mesh 化网络 3/N网络 Mesh 化程度 M超核节点与出口路由较少的节点出口路由较少的节点之间。c）深 Mesh 化 网 络网 络 Mesh 化 程 度M()3N+2N 2()N2，N 4，为向上取整。除在现有架构下新增OXC中间节点提升Mesh程度的方案外，由于每新增一条拓扑直达路由需花费较大代价，建议考虑新增至未达到的优化后的OXC中间节点的拓扑路由，进一步提升Mesh化程度。将上述基于路由交叉优化的Mesh组网应用至某省内干线网络中，优化后组网拓扑如图6所示。分析可知，在优化前，该省内干线网络 M23.9%（稀疏Mesh），已处于深Mesh化网络程度。图5不同场景架构优化应用拓扑对比12341234X12341234X12341234Xaaaaaaaa12341234X12341234XX1234234X1XXbababababababababa12341234XXX12341234XXXbabacbacbabaccbac场景类型加1端设备加2端设备加3端设备优化后斜斜场景边边场景优化前边斜场景优化后优化前优化后优化前苏亮，王国栋，南蜀崇一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构电信传输Telecommunication Transmission832024/04/DTPT某省省内干线OTN网络主要使用了边斜加1端设备、斜斜加1端设备、斜斜加2端设备场景，共增加7端OXC中间设备，实现网络架构优化。优化前Mesh化程度为29.4%，优化后该省Mesh化程度提升至35.6%，提升了6.2%。具体优化后的连通性矩阵如表3所示。以各节点至1节点的业务路由时延为例，选取各节点最优的三出口路由方向的最短时延进行对比（以第一出口路由距离最短，第三出口路由距离最长），整体业务时延降低5.5%，各出口路由优化前后时延效果如表4所示。结合各出口路由优化前后情况可知，第一出口路由业务路径无大量绕行，时延优化效果不明显。出口路由时延越长，业务绕行的可能性越大，优化后时延降低效果越明显。4 结束语随着业务的快速发展以及技术更新变革，网络逐步向“大容量、低时延、灵活智能、安全可靠”方向发展。本文通过对全光交叉技术的Full-Mesh组网架构的深入分析，结合实际网络拓扑对其应用领域的劣势进行了探讨，提出一种基于路由交叉优化的Mesh组网架构模型。结合多种应用场景对模型开展了理论分析探讨，并结合网络Mesh化节奏为不同场景提供了针对性网络综合能力建设思路。参考文献：1 郭宁.运用OXC设备对骨干传输网优化改造的探索 J.通信与信息技术，2021（4）：55-57.2 王清毅.基于OXC技术的全光网络改造方案研究 J.电信快报，2021（9）：21-24.3 逯向军，尹辉.传送网OXC技术原理及应用分析 J.山东通信技术，2020，40（3）：18-22.4 曹丽，黄琼华，胡筱莎.ROADM/OXC 技术演进方向与应用探讨J.通信与信息技术，2020（3）：27-28，33-34.5 潘毅，王应波，王会义，等.基于OXC技术的传送网研究与应用J.信息通信技术与政策，2022（7）：80-86.6 祁志甫，龙瑞平.光交叉连接器OXC的结构性能分析 J.光子技术，2003（2）：75-78，83.7 湛广志，胡志涛，陈銮雄，等.基于OXC组网的矩阵式管理与优化J.电信工程技术与标准化，2022，35（5）：40-43，48.作者简介：苏亮，高级工程师，主要研究方向为无线、传输、IT支撑网网络规划与设计；王国栋，主任工程师，主要研究方向为传输网络规划与设计；南蜀崇，中级工程师，主要研究方向为传输网络规划与设计。表3某省份优化后连通性矩阵表4各业务路径平均时延优化效果业务落地节点编号12345678910111213141516171-O-2-O-3-OO4-O-5-6O-O-7-O-O-8-9-10-OO-11-12-13-O-O-14-O-15-O-O-16-O17-O业务路径平均时延/ms第一出口第二出口第三出口优化前1.602.323.17优化后1.552.192.96降幅/%3.15.76.5图6某省优化后组网拓扑架构1287654321131415161110179中继节点新增OXC中间节点业务落地节点跳纤点优化调整区域注：为原连通段落，O为优化后新增连联段落。苏亮，王国栋，南蜀崇一种基于路由交叉优化的省内干线Mesh组网架构电信传输Telecommunication Transmission84