傳輸網絡架構演進思路探討

  引 言

  國內運營商的傳輸網絡普遍采用省際干線、省內干線、本地傳輸網三級架構，每一級的光層采用WDM建設，電層采用OTN建設。隨著 5G、邊緣計算、政企專線等業(yè)務的崛起，傳統(tǒng)的架構和建設模式遇到了挑戰(zhàn)。三級架構會帶來路由繞轉，增加業(yè)務傳輸時延， 層級間的協(xié)調影響業(yè)務快速開通;點對點WDM 建設模式不能滿足業(yè)務靈活調度需求，業(yè)務在不同廠商設備之間穿通時需要額外的背靠背轉接，增加了傳輸成本;OTN的最小容器為ODU0，承載GE以下速率業(yè)務時存在帶寬浪費。

  要解決以上問題，一方面要改變傳輸網絡的架構，另一方面要引入ROADM、PeOTN、OSU等新技術，增加傳輸網絡承載和調度業(yè)務的靈活性。

  本文分析了業(yè)務網的發(fā)展趨勢和對傳輸網絡的訴求，從業(yè)務調度靈活、傳輸時延短、開通速度快的角度審視維持多年的傳輸網絡架構、建設模式、業(yè)務承載方式，梳理出傳輸網在滿足業(yè)務需求上的問題，通過模擬、論證，提出傳輸網絡演進的思路——優(yōu)化結構、改變建設模式、引入新技術、優(yōu)化業(yè)務承載策略。第一，將傳輸網的三級架構扁平化為兩級架構;第二在骨干層面全面引入ROADM技術組建骨干ROADM 和區(qū)域 ROADM;第三，通過 NNI接口互通快速實現(xiàn)省本一體化;第四，在本地范圍內引入PeOTN、OSU，匹配小帶寬高品質專線業(yè)務。

  01 傳輸網現(xiàn)狀

  經過多年的發(fā)展，傳輸網絡已經形成了穩(wěn)定的省際干線、省內干線、本地傳輸網三級架構，本地網又分為核心層、匯聚層、綜合業(yè)務接入層，層級間通過1~2 個節(jié)點銜接，如圖1所示。

圖1 傳輸網絡三級架構

  從承載邏輯上，每一層級網絡又可以分為光纜層、傳輸系統(tǒng)層，傳輸系統(tǒng)層又分為光層和電層，下層與上層屬于服務與被服務的關系，光纜為光層提供纖芯，光層為電層提供波道，如圖 2 所示，本文討論范圍為傳輸系統(tǒng)層。

圖2 傳輸網絡邏輯分層

  光層組網技術有WDM和ROADM 2種，WDM要求所有波長在OTM站必須先下路再上路，是2017年以前主要采用的技術，ROADM 可以只下路需要落地的業(yè)務，過路業(yè)務直接在光層穿通，是光層組網技術的演進方向[1]。近年來，各運營商已開始較大規(guī)模使用ROADM技術組網。OTN是當前電層的主要技術，其最小顆粒是ODU0，主要的演進方向是更小速率業(yè)務的承載能力、更高效的業(yè)務承載效率，比如已經成熟的PeOTN技術[2]、正在研究中的OSU技術等[3]。

  電層和光層的銜接模式有集成式和分離式2種。集成式即電層和光層采用同廠商設備，電層設備將業(yè)務整合成波長級后，通過線路側板卡直接進入光層的合分波模塊。分離式即電層和光層采用異廠商設備，受制于光網絡封閉的特性和現(xiàn)狀，異廠商電層和光層設備互通困難，分離式需要電層設備將小顆粒業(yè)務交叉整合后，通過線路側灰光板與光層設備對接，光層設備將其調制成彩光后再進入合分波模塊，如圖3所示。

圖3 集成式和分離式銜接的區(qū)別

  國內運營商省際干線傳輸網電層和光層多采用分離方式建設，電層采用單個廠商的設備組成一張邏輯上的端到端網絡，光層采用點對點 WDM方式分段招標、建設。省內干線、本地傳輸網多采用光電集成方式建設，省內干線普遍采用1~2個廠商的設備，本地網普遍采用單個廠商設備，針對多廠商設備的情況，采用分平面或者分區(qū)域的方式建設。

  02 存在的問題

  2.1 無法滿足政企專線業(yè)務發(fā)展需求

  近年，政企專線業(yè)務發(fā)展迅猛，成為各運營商重點爭奪的對象，激烈的市場競爭對傳輸網絡提出了超低傳輸時延、超短開通時間、超高安全保障等升級要求[4] 。

  對政企專線業(yè)務局向分布的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，約80%的業(yè)務在地(市)內終結，約15%的業(yè)務分布在省內不同地(市)之間，剩余5%的業(yè)務需要出省。5%的出省業(yè)務局向主要分布在省會城市之間，行業(yè)集中在黨政軍、金融等高價值行業(yè)，對業(yè)務開通時間、傳輸時延要求極高。但在目前架構下，出省業(yè)務開通需要協(xié)調省際、省內、本地三級網絡，很難快速開通，而且落地再轉接的層間銜接方式也增加了業(yè)務的傳輸時延，因此亟需從架構上進行變革。

  對政企專線業(yè)務速率分布的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，近年新增業(yè)務速率主要集中在10~100 Mbit/s。SDH網絡已停止擴容多年，資源飽和且面臨退網，而 OTN網絡最小時隙為ODU0，在承載GE以下速率業(yè)務時存在較大的帶寬浪費，因此從政企專線業(yè)務承載角度出發(fā)，需要升級OTN網絡來適配小帶寬、高品質專線業(yè)務[5] 。

  2.2 無法滿足業(yè)務靈活調度的需求

  省際干線傳輸網因為覆蓋范圍廣、線路距離長，光層采用點對點WDM 方式分段建設，通常在網絡建設時將波道資源規(guī)劃預留好，如須變更，就需人工現(xiàn)場跳纖，業(yè)務調度極不靈活。而且受制于傳輸網絡的封閉現(xiàn)狀，不同廠商的設備不能自由互通，如果業(yè)務途經的系統(tǒng)屬于不同廠商，業(yè)務就需要落地轉接，既浪費投資，又增加傳輸時延。圖4所示為一條北京1節(jié)點到濟南節(jié)點的業(yè)務，因為途經的3個系統(tǒng)屬于不同廠商，需要占用6塊支線路合一板卡，而實際北京1節(jié)點到濟南節(jié)點的距離僅576km，以目前的技術，業(yè)務完全可以在光層直接穿通，僅占用2塊支線路合一板卡。

圖4 業(yè)務轉接案例

  省內干線和本地傳輸網采用WDM建設，普遍采用單廠商設備建設，少量引入多個廠商設備的，將不同廠商分平面或者分區(qū)域，業(yè)務可以在光層直接穿通，跨廠商落地轉接的情況較少，但業(yè)務調度不靈活，需要人工現(xiàn)場跳纖的問題依舊存在。

  2.3 與業(yè)務網絡架構不匹配

  傳輸網絡承載的業(yè)務主要有骨干互聯(lián)網、城域網、寬帶接入網、IDC、DC、核心網、IP承載網、IPRAN組網、政企專線業(yè)務等。主流業(yè)務網絡均采用雙節(jié)點雙平面結構，傳輸網絡則采用雙節(jié)點單平面結構。

  如圖5所示，骨干互聯(lián)網河南2個節(jié)點分別為鄭州、洛陽，山西2個節(jié)點分別為太原1和太原2，兩省之間的互聯(lián)網業(yè)務分擔到2條鏈路鄭州-太原1、洛陽-太原2承載，傳輸網絡采用單平面覆蓋以上4個節(jié)點。傳輸網單平面結構與業(yè)務網雙平面結構不匹配，隨著業(yè)務量的逐漸增大，單節(jié)點失效帶來的損失也越來越大，比如，太原2或洛陽傳輸節(jié)點故障時，會導致鄭州-太原1、洛陽-太原2兩條互聯(lián)網鏈路同時失效。

圖5 傳輸網與骨干互聯(lián)網結構不匹配

  綜上，傳輸網的主要問題在于，省際、省內、本地傳輸網的分層結構造成政企專線業(yè)務開通時間長、傳輸時延大;采用的傳統(tǒng)WDM技術無法滿足業(yè)務靈活調度的需求，且易造成投資浪費;采用的傳統(tǒng)OTN技術與政企專線業(yè)務的主流速率不匹配。

  針對傳輸網現(xiàn)有架構和技術存在的問題，本文旨在從架構演進和新技術引入上提出建議和解決辦法，以更好地支撐各類業(yè)務的發(fā)展。

  03 傳輸網絡架構演進思路

  3.1 減少層級，扁平化組網

  傳輸網絡作為一張綜合承載網絡，在服務好內網業(yè)務的同時，也要直接面向用戶，服務好政企專線業(yè)務。2.1節(jié)中提到，分層級的架構導致政企專線業(yè)務開通時間長，傳輸時延大，而政企專線業(yè)務主要分布在省內，因此綜合考慮網絡能力和投資能力，本文提出將省內干線傳輸網與本地傳輸網融合為一層。由此，傳輸網的三級結構演化為二級——骨干傳輸網和省 內傳輸網，如圖6所示。

  二級架構下，本地網內業(yè)務、省內跨地(市)業(yè)務通過省內傳輸網承載，出省業(yè)務通過省內傳輸網、骨干傳輸網共同承載。骨干傳輸網和省內傳輸網在省會以及其他重要的業(yè)務網節(jié)點處銜接。

  骨干傳輸網和省內傳輸網從承載邏輯上，又分別可以分為光層和電層，下文就2個層級網絡演進思路，分別從光層和電層進行描述。

圖6 傳輸網兩級架構

  3.2 骨干傳輸網演進思路

  3.2.1 骨干傳輸網光層演進思路

  ROADM是光層一個重要的演進方向，它可以遠程控制光信號分插復用狀態(tài)，實現(xiàn)對波長的重構。ROADM的核心器件是波長選擇開關(WSS)，它能獨立將任意波長分配到任意路徑，實現(xiàn)波長級調度。目前可以成熟商用的WSS最高是20維，可以滿足絕大多數骨干和省內應用場景，32維度的WSS研發(fā)已經完成，同時全光交叉的OXC也已有成熟產品，可以作為更高維度ROADM替代方案[6] 。

  在高維度ROADM 技術成熟、具備規(guī)模商用的條件下，針對骨干傳輸網點對點WDM 建設方式存在的問題，本文提出了一種新的架構——骨干ROADM打底，區(qū)域ROADM和直達WDM吸熱，如圖7所示[7] 。

  首先，在全國范圍內，構建覆蓋所有骨干互聯(lián)網節(jié)點城市 、DC、IDC及 其 他 重 要 業(yè)務節(jié)點的骨干ROADM平面。骨干ROADM平面作為打底網絡，負責疏通全國范圍內的跨省業(yè)務;其次，在經濟發(fā)達、業(yè)務繁榮且集中的京津冀、長三角、珠港澳大灣區(qū)等區(qū)域分別建設區(qū)域 ROADM吸收區(qū)域內的跨省業(yè)務，緩解骨干 ROADM的壓力。不同于骨干ROADM，區(qū)域 ROADM覆蓋節(jié)點可以更密集，根據區(qū)域內地(市)出省業(yè)務量來確定需要覆蓋的節(jié)點;最后，在京滬、京穗、滬穗等業(yè)務量超大城市之間分別建設點對點直達WDM疏通熱點局向的業(yè)務，進一步緩解骨干ROADM 的壓力[8] 。

  適配業(yè)務網結構 ，骨干網光層(包含骨干 ROADM、區(qū)域ROADM、直達WDM)的目標架構按照雙平面設計，各平面上傳輸網節(jié)點與業(yè)務網節(jié)點嚴格匹配。

  目標架構下，骨干傳輸網仍舊定位于承載跨省業(yè)務。其中，點對點直達WDM承載2點之間固定局向的業(yè)務，區(qū)域ROADM承載區(qū)域內節(jié)點之間的跨省業(yè)務，骨干ROADM承載其他跨省業(yè)務，業(yè)務在骨干層面不跨網。

圖7 骨干傳輸網目標架構

  目標架構引入區(qū)域ROADM和直達WDM分擔骨干ROADM的壓力。我國東西部地區(qū)經濟發(fā)展懸殊，造成業(yè)務差異也較大 ，如果用覆蓋全國的骨干ROADM承載所有跨省業(yè)務，東部區(qū)域資源會很快耗盡，出現(xiàn)瓶頸，建設區(qū)域ROADM和直達WDM可以起到吸熱的作用，保證骨干 ROADM資源的均衡使用。通過對某運營商近年跨省業(yè)務流量流向的分析發(fā)現(xiàn)， 京滬、滬穗、京穗之間的業(yè)務量占總業(yè)務量的7%，京津 冀、長三角、珠港澳大灣區(qū)內的跨省業(yè)務量占總業(yè)務量的34%，建設區(qū)域ROADM、直達WDM可以分流 41%的跨省業(yè)務。未來隨著成渝、沈長哈等城市群、區(qū) 域一體化的發(fā)展，業(yè)務流向可能會隨著變化，屆時可 在新的城市群內建設區(qū)域ROADM吸收區(qū)域內跨省業(yè) 務，進一步緩解骨干ROADM的壓力。

  目標架構在省際干線中全面引入ROADM，充分利用光層性能實現(xiàn)千公里一跳直達，解決了短距離業(yè) 務多次轉接的問題。通過對某運營商近年跨省業(yè)務 的模擬發(fā)現(xiàn)，相比現(xiàn)有模式，目標架構采用ROADM可節(jié)約 20%的建設成本。光層直達隨之帶來時延的降 低，OXC和高維度 ROADM保證了光方向的靈活擴容 和業(yè)務的快速開通，通過加載SDN管控系統(tǒng)還可實現(xiàn) 光傳輸網絡的靈活、智能調度。

  3.2.2 骨干傳輸網電層演進思路

  電層承載子波長級業(yè)務，主要是政企專線業(yè)務。電層的目標架構是在跨省專線業(yè)務較多的地(市)(如政企專線業(yè)務量TOP50城市)設置2個OTN節(jié)點，采用光電解耦的方式組織 2個覆蓋全國的OTN 平面，實現(xiàn)政企專線業(yè)務的分擔承載。骨干OTN節(jié)點就近和本地OTN節(jié)點互通降低時延，骨干OTN未覆蓋城市通過省內傳輸網在省會城市與骨干OTN銜接。

  3.3 省內傳輸網演進思路

  3.1節(jié)提到的二級目標架構，將省內干線傳輸網與本地傳輸網融合為一級。

  對省內業(yè)務流向的分析發(fā)現(xiàn)，本地網內業(yè)務仍以向上匯聚為主，因此目標架構維持本地傳輸網核心層、匯聚層、綜合業(yè)務接入層三級架構不動，將原來本地網的核心層與省內干線納入一層組網。

  3.3.1 省內傳輸網光層演進思路

  光層覆蓋所有核心層節(jié)點(包括核心節(jié)點、DC、 IDC節(jié)點、省干節(jié)點等)、匯聚節(jié)點、綜合業(yè)務接入點，在核心層節(jié)點和匯聚節(jié)點引入 ROADM。與骨干傳輸網相同，省內傳輸網光層的目標架構也設計為雙節(jié)點雙平面立體結構，初期考慮業(yè)務量大小和投資能力，光層可以將所有節(jié)點納入一個平面建設，未來抽取和業(yè)務網匹配的節(jié)點構建光層第2平面[9] 。

  目前省內干線和本地傳輸網均已部署了完善的100G WDM/OTN系統(tǒng)，受制于傳輸設備的封閉現(xiàn)狀，不同廠商設備硬件互通有限且跨域跨廠家協(xié)同復雜，因此，現(xiàn)網向目標架構的演進近期可考慮單廠商組網為主，有 2 種方式，一種是自上而下，將省內干線延伸至本地范圍內，一種是自下而上，將本地傳輸網延伸 至地(市)核心節(jié)點之間。

  上述2種方式投資都比較大，一種比較快速的方式是，將現(xiàn)有省干傳輸系統(tǒng)光層延伸到各本地網所有核心節(jié)點、DC 節(jié)點、IDC 節(jié)點，并對這些節(jié)點進行ROADM改造，形成局間中繼系統(tǒng)，保證波長級業(yè)務在核心層一跳直達，如圖8所示。此方案用最少的投資、 最快的速度解決2個最棘手的問題——業(yè)務開通的多級協(xié)調問題和業(yè)務經局間中繼轉接的問題，可作為省內傳輸網的近期發(fā)展方向。

圖8 省內傳輸網近期架構

  3.3.2 省內傳輸網電層演進思路

  考慮到業(yè)務量等因素，在省內傳輸網目標架構中，電層采用單平面，與光層的一個平面集成式建設，未來隨著光電解耦逐步實現(xiàn)異廠商光層和電層混合組網。在近期架構中，現(xiàn)有省干傳輸系統(tǒng)的電層隨著光層一起延伸到各本地網的核心節(jié)點、DC節(jié)點和IDC節(jié)點，形成局間中繼系統(tǒng)，在核心節(jié)點處，通過NNI端口實現(xiàn)局間中繼系統(tǒng)與本地網系統(tǒng)的電層互通。

  另外，針對OTN 承載小顆粒業(yè)務浪費帶寬的問題，建議在本地范圍內部署已經成熟應用的 PeOTN，對GE以下速率的業(yè)務進行整合，提升帶寬利用效率。架構更簡潔、封裝效率更高的OSU技術目前尚在標準制定階段，須緊密關注其發(fā)展態(tài)勢，待產品成熟時適時部署，替代PeOTN。

  3.4 SDN管控系統(tǒng)目標架構

  傳輸網絡管控系統(tǒng)向SDN化、云化方向演進已是業(yè)內共識[10] 。

  目前，各運營商均按集團、省分二級架構維護網絡，因此，SDN管控系統(tǒng)目標也采用集團、省分二級架構，各省部署SDN控制器和二級協(xié)同器，管理省內傳輸網，負責省內業(yè)務配置;骨干傳輸網作為一個單獨的域，設置控制器和二級協(xié)同器;集團部署一級協(xié)同器，負責跨省業(yè)務配置?？刂破饔筛髟O備廠商提供，協(xié)同器由各運營商自行開發(fā)。未來，光傳輸網SDN和IP網SDN協(xié)同，可以實現(xiàn)跨層級的路由資源優(yōu)化和自動配置，進一步提升承載和業(yè)務開通效率。SDN管控系統(tǒng)規(guī)劃部署在云上，向集約化的方向發(fā)展。

  目前，主流設備廠商單域控制器已基本成熟并在現(xiàn)網部署，各運營商需加緊開發(fā)、部署跨域跨廠商協(xié)同器，實現(xiàn)對網絡的自主控制，也為將來傳輸網解耦做好準備。

  04 結束語

  隨著業(yè)務需求的升級，傳輸網絡下一步如何發(fā)展是每個運營商都面臨的問題。本文提出將傳輸網絡扁平化，全面引入ROADM來減少業(yè)務傳輸時延，縮短業(yè)務開通時間，同時，結合傳輸網絡封閉的現(xiàn)狀，提出骨干ROADM、區(qū)域ROADM、直達WDM協(xié)同承載的骨干傳輸網架構和省本一體化的省內傳輸網架構，以此作為近中期解決方案，支撐業(yè)務更好發(fā)展。但長遠來看，推動光網絡開放，構建解耦光網絡，才更有意義。

  參考文獻

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  作者簡介：

  顧榮生，畢業(yè)于南京郵電大學，教授級高級工程師，工學學士，主要從事光傳輸網規(guī)劃、 研究工作;

  尹祖新，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，教授級高級工程師，碩士，主要從事光傳輸網規(guī)劃、研究工作;

  王麗瓊，畢業(yè)于北京郵電大學，高級工程師，碩士，主要從事光傳輸網規(guī)劃、研究工作。