潘 威,周學(xué)軍,周媛媛
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基于OTN的水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)規(guī)劃研究
潘 威,周學(xué)軍,周媛媛
(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,武漢 430033)
本文主要論述了水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù),包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、保護技術(shù)與傳送技術(shù),從系統(tǒng)容量與可拓展性兩個方面對比分析了現(xiàn)存的三種水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)規(guī)劃方案,并設(shè)計了一種基于OTN傳送技術(shù)的解決方案。
水下信息網(wǎng) 傳輸系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 OTN 解決方案
水下信息網(wǎng)通過海光纜傳輸系統(tǒng)連通陸地和水下各類信息節(jié)點,是發(fā)展海洋經(jīng)濟、開發(fā)海洋資源、維護海上領(lǐng)土主權(quán)與安全的重要技術(shù)手段。水下信息網(wǎng)作為軍事信息系統(tǒng)的傳輸平臺具備極強的數(shù)據(jù)傳輸能力,通過掛載各類水下傳感設(shè)備,為水下通信、探測、導(dǎo)航及水文氣象等信息系統(tǒng)提供可靠信息保障,可實現(xiàn)多要素、多學(xué)科對海長期、連續(xù)、全天候的實時觀測。
世界各國高度重視水下信息網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)。美國和加拿大于1998年開始建設(shè)位于東北太平洋的NEPTUNE海底觀測網(wǎng)絡(luò)計劃;歐洲14國于2004年開始建設(shè)位于在大西洋與地中海的“ESONET歐洲海底觀測網(wǎng)”;日本于2003年和2006年先后開始建設(shè)位于西北太平洋的“ARENA新型實時海底監(jiān)測網(wǎng)”與“DONET地震和海嘯海底觀測密集網(wǎng)絡(luò)”。我國現(xiàn)有浙江大學(xué)于2007年建設(shè)的“ZERO海底觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”和同濟大學(xué)于2009年建成的小衢山實驗系統(tǒng)。
由于水下系統(tǒng)與設(shè)備長時間孤懸遠洋深海無人值守,其施工建設(shè)與維修保障難度大周期長,加上海底環(huán)境復(fù)雜,水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)的需求特點和建設(shè)策略相比陸地光纜網(wǎng)有顯著的不同。首先要求水下設(shè)備與鏈路可靠性高,使用壽命盡可能長;其次要求傳輸設(shè)備的功耗和體積盡可能小,不能過于復(fù)雜。由于水下信息網(wǎng)施工周期長的特點,在建設(shè)過程中應(yīng)采用“邊建邊用” 的策略,先建成鏈?zhǔn)江h(huán)形網(wǎng),而后逐層拓展為網(wǎng)格狀水下信息網(wǎng),這就要求其頂層設(shè)計與發(fā)展規(guī)劃合理可靠,系統(tǒng)鏈路可拓展性好。本文針對網(wǎng)格狀水下信息網(wǎng),提出了一種基于OTN的傳輸系統(tǒng)解決方案。
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
網(wǎng)格狀水下信息網(wǎng)的基本單元結(jié)構(gòu)包括縱向與橫向主干海底光纜、縱橫主干纜交接處的海纜分支單元、水下節(jié)點的主次接駁盒、連接主次接駁盒的分支海底光纜以及連接接駁盒與水下設(shè)備的連接纜。
和陸地光纖傳輸系統(tǒng)不同的是,在網(wǎng)格狀水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)的實際設(shè)計中,分支單元通常采用空分復(fù)用方式將遠端縱橫三條主干海纜中的纖芯物理匯聚至近端一條縱向主干海纜中,從而不需要在其中部署復(fù)用、交換設(shè)備,以達到減小分支單元的功耗和體積,降低系統(tǒng)復(fù)雜度的目標(biāo)。在這種情況下,部署在網(wǎng)格狀水下信息網(wǎng)中的傳輸系統(tǒng)屬于嵌套型鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)而非陸地光纖傳輸系統(tǒng)常用的網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如,美國和加拿大的NEPTUNE以及日本的ARENA等網(wǎng)格狀水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)均采用了這種嵌套型鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。
1.2 生存性技術(shù)
水下信息網(wǎng)的鏈?zhǔn)絺鬏斚到y(tǒng)與岸站間陸纜通信網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)。環(huán)形網(wǎng)既能保持較高的生存性又具有容易實現(xiàn)和管理的特性,可其在中組織運用自愈環(huán)(Self-healing Ring)保護機制,在沒有人工干預(yù)的情況下,自動實現(xiàn)受影響業(yè)務(wù)的恢復(fù)。
由于采用時分復(fù)用方案和波分復(fù)用方案的水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)均以多節(jié)點共享同一對傳輸光纖為特征,加上水下信息網(wǎng)水下設(shè)施體積、功耗和傳輸容量的限制,為減少OCP設(shè)備系統(tǒng)宜采用“線路倒換環(huán)”而非“通道倒換環(huán)”方案;為節(jié)約線路資源系統(tǒng)宜采用最低限度的“雙纖環(huán)”而非“四纖環(huán)”方案;為降低系統(tǒng)復(fù)雜度雙纖環(huán)宜采用“1+1保護倒換”而非“1:1保護倒換”方式。即采用“雙纖線路1+1保護”的自愈環(huán)方案。
該方案可分為按節(jié)點來去業(yè)務(wù)的傳輸方向,可以分為雙向環(huán)與單向環(huán)兩類。雙向環(huán)又稱“共享保護環(huán)”,其中來去業(yè)務(wù)方向相反,從信道的角度看環(huán)網(wǎng)的雙纖可分為工作光纖和保護光纖,系統(tǒng)正常時保護光纖是空閑的;單向環(huán)又稱“專用保護環(huán)”,其中來去業(yè)務(wù)傳輸方向相同,從單個節(jié)點的角度看環(huán)網(wǎng)可分為工作方向和保護方向,背靠背的兩個方向可理解為兩套獨立的點對點傳輸系統(tǒng),同時工作互為備份。雙纖雙向環(huán)適用于陸地環(huán)境,方便向復(fù)雜的共享型保護方案如“1:1”、“N:M”轉(zhuǎn)換,而一旦故障發(fā)生,環(huán)上每個節(jié)點的工作都受到影響,均需啟動保護倒換;雙纖單向環(huán)在陸地環(huán)境中沒有特殊價值,但在故障發(fā)生時環(huán)上存在數(shù)量可觀的節(jié)點只是保護等級下降而工作完全不受其影響,不必啟動保護倒換。在水下信息網(wǎng)的應(yīng)用場景下,宜采用后者,即采用“雙纖單向線路1+1倒換環(huán)”(ULSR/2:Unidirectional Line Switched Ring)的自愈環(huán)方案。
1.3 OTN傳送技術(shù)
光傳送網(wǎng)OTN(Optical Transport Network)在電域上繼承了同步數(shù)字體系SDH(Synchronous Digital Hierarchy)中的映射、復(fù)用、交叉以及嵌入式開銷等概念,具有豐富的管理開銷、良好的調(diào)度能力以及可靠的保護功能;在光域上繼承了波分復(fù)用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)傳輸容量大、傳輸速率高和傳輸距離長等特點。
首先,OTN實現(xiàn)了1.25 Gbit/s、2.5Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s乃至100 Gbit/s的大容量與n?1.25Gbit/s靈活顆粒度信號的接入、復(fù)用與載波調(diào)制,具備能承載與透明傳輸不同類型多種速率的客戶信號,可實現(xiàn)16路或32路載波信號的混傳,彌補了SDH傳送網(wǎng)無法處理大顆粒業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)的缺陷,并通過異步映射機制打破了全網(wǎng)需同步的限制,系統(tǒng)交叉容量大,可擴展性強;其次,通過在光傳輸單元中嵌入更為豐富多樣的開銷,OTN克服了WDM技術(shù)沒有波長及子波長業(yè)務(wù)的調(diào)度能力,使傳輸系統(tǒng)具備靈活的光層/電層調(diào)度能力,可有效監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)故障,拓展傳輸距離,提升組網(wǎng)能力,降低組網(wǎng)成本,增強傳輸系統(tǒng)OAM和網(wǎng)絡(luò)生存性。
縱觀波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的傳送技術(shù),OTN在發(fā)揚SDH+WDM波分技術(shù)優(yōu)勢的同時,克服了后者的缺點。隨著該傳送技術(shù)的不斷推廣和普及,基于OTN的傳輸設(shè)備正變得日益成熟,將在各種應(yīng)用場景下全面取代SDH+WDM和SDH傳送技術(shù)。因此,應(yīng)當(dāng)盡早開展基于OTN的水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)化工作。
水下信息網(wǎng)中各節(jié)點接入主干纜的方案現(xiàn)有三種,為方便在網(wǎng)格狀水下信息網(wǎng)的嵌套型鏈?zhǔn)絺鬏斚到y(tǒng)中進行量化比較分析,不妨假設(shè):
1)節(jié)點的通道數(shù)量需求,每個主接駁盒有條分支纜與次接駁盒相聯(lián),每個次接駁盒有條連接纜與水下設(shè)備相聯(lián),這樣有:
推論一:每個節(jié)點需要分配的通道個數(shù)
2)結(jié)構(gòu)中的自愈環(huán)數(shù)量,不妨設(shè)拓展方向為由東向西由北至南,網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中共有條縱向主干纜,條橫向主干纜,這樣有:
推論二:結(jié)構(gòu)中分支單元的個數(shù)
推論三:自愈環(huán)的個數(shù)
3)自愈環(huán)線路接入的節(jié)點數(shù)量,不妨設(shè)兩個相鄰分支結(jié)構(gòu)間的每段橫向主干纜連接個主接駁盒,每段縱向主干纜上連接個主接駁盒,這樣有:
推論四:東側(cè)各層自愈環(huán)接入的節(jié)點個數(shù)、其余自愈環(huán)上接入的節(jié)點個數(shù)及其最大值分別為
每條主干纜接入的節(jié)點數(shù)量即為所有與該纜相連的自愈環(huán)節(jié)點數(shù)量之和,這樣有:
推論五:橫向主干纜上接入的節(jié)點個數(shù)
由東至西縱向主干纜上接入的節(jié)點個數(shù)及其最大值分別為
2.1空分復(fù)用方案
第一種方案是主接駁盒采用空分復(fù)用方式連接主干纜,為每個節(jié)點分配工作保護方向各一對纖芯。其中部署有具備線路1+1保護功能的TM設(shè)備,完成各分支纜中個設(shè)備的低速去業(yè)務(wù)電信號的復(fù)用、光調(diào)制與并發(fā),同時完成主干纜纖芯中高速來業(yè)務(wù)光信號的選擇接受、光解調(diào)與解復(fù)用,并按來去業(yè)務(wù)方向?qū)⑵溥B接至相應(yīng)分支纜的指定纖芯中。次接駁盒負(fù)責(zé)支線纜與連接纜中對應(yīng)纖芯的物理連接。
該方案優(yōu)點在于水下分系統(tǒng)中不需要任何信息匯聚復(fù)用設(shè)備,可靠性高耗電量小。同時保證每個節(jié)點與岸站間擁有物理分離的工作信道和保護信道,冗余充足管理方便。缺點在于資源利用率低,可拓展性差,可部署的主接駁盒數(shù)量與主干纜纖芯數(shù)量直接相關(guān)。按上述方案,一節(jié)點分配一對纖芯并根據(jù)推論五,主干纜上用于傳輸?shù)睦w芯對數(shù)至少為。以日本ARENA網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為參照,有=2,=7,因此縱向主干纜對纖芯對的需求多達=(2+3)?=20?對纖芯。若縱向主干纜采用96芯海底光纜即?96/2,只能保障=2層網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??梢娺@種方案不適用于大型網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)水下信息網(wǎng)。
2.2時分復(fù)用方案
第二種方案是主接駁盒采用時分復(fù)用方式連接主干纜,為每個節(jié)點分配個時隙通道,若時隙數(shù)量和帶寬允許,個節(jié)點可共用一對纖芯。主接駁盒中部署有具備線路1+1保護功能的ADM設(shè)備,將各分支纜中個設(shè)備的低速去業(yè)務(wù)電信號作為個時隙復(fù)用、光調(diào)制、并發(fā)和上路,同時完成主干纜中本地高速來業(yè)務(wù)光信號的下路、選擇接受、光解調(diào)和解復(fù)用,并將其連接相應(yīng)分支纜的指定纖芯中。次接駁盒負(fù)責(zé)支線纜與連接纜中對應(yīng)纖芯的物理連接。
由于水下節(jié)點體積和耗電量有限,現(xiàn)存的解決方案采用了接入層的MSTP設(shè)備。以烽火公司的IBAS 110A設(shè)備為例,其子框產(chǎn)品體積為88 mm×440 mm×357.5 mm,重量為8 kg,功耗為50 W,經(jīng)集成化改造后可部署為水下設(shè)備。該設(shè)備的兩對STM-4光接口可分配為工作保護線路各一對,因此主干纜纖芯對中的高速信號速率至多為622Mbit/s。從帶寬角度考慮,參考我國某型海纜陣系統(tǒng),按每節(jié)點155Mbit/s的帶寬需求,在采用該設(shè)備的水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)中,每對主干纜纖芯可滿足=4個節(jié)點的通信需求。又以日本ARENA網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為參照,根據(jù)推論四=+2=11,因此可為每個自愈環(huán)分配對纖芯。
和第一種方案相比,該方案優(yōu)點在于:對縱向主干海光纜中纖芯數(shù)量的需求更少。按上述方案和分析,縱向主干纜至多需要對纖芯,即與其相鄰自愈環(huán)的需求量之和。因此,若縱向主干纜采用96芯海底光纜,傳輸速率充足的情況下可至多保障層網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),相比第一種方案,水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)的可拓展性得到了極大的擴充。其缺點在于:系統(tǒng)的總帶寬沒有得到擴充,方案只對纖芯線路中的通道與帶寬進行“按需分配”,在個節(jié)點共用一對纖芯,主干纜的纖芯對需求從減少至的同時,每個節(jié)點的帶寬資源降至空分復(fù)用系統(tǒng)的1/。
2.3波分復(fù)用方案
第三種方案是主接駁盒采用波分復(fù)用方式連接主干纜,為每個節(jié)點分配一個波長信道,若系統(tǒng)支持單纖芯復(fù)用個波長,則個節(jié)點可共用一對纖芯。其中部署有OADM設(shè)備與具備線路1+1保護功能OTM設(shè)備,前者從主干纜纖芯對的合波信號中上下本地波長信號并將其連接至后者,后者將各分支纜中個設(shè)備的低速去業(yè)務(wù)光信號作為個時隙復(fù)用與并發(fā)至該波長,同時完成該波長信號來業(yè)務(wù)的選擇接受與解復(fù)用,并將其連接至相應(yīng)分支纜的指定纖芯中。次接駁盒中部署有E/O轉(zhuǎn)換器,完成連接纜中低速光信號和設(shè)備業(yè)務(wù)電信號的光電轉(zhuǎn)換與連接。
現(xiàn)存的解決方案采用拓展了CWDM單板的單子框IBAS 110A設(shè)備實現(xiàn)SDH+WDM方式組網(wǎng),在各節(jié)點中實現(xiàn)OADM與OTM網(wǎng)元功能。該設(shè)備可實現(xiàn)4波復(fù)用即,按“一波一節(jié)點”的原則,每個節(jié)點均可實現(xiàn)622Mbit/s帶寬,主干纜纖芯對中的高速信號速率可達2.5Gbit/s。相比時分復(fù)用方案,系統(tǒng)擴容了4倍,但可拓展性不變,仍然是“一環(huán)三對纖”(),縱向主干纜至少需要對纖芯,96芯縱向纜可拓展層網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
由于水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)布設(shè)于水下,各類傳輸設(shè)備只能部署在水下節(jié)點的艙體中,體積、功耗不能過大,因此只考慮OTN接入層技術(shù)與設(shè)備。在此選用烽火公司的FONST 1000產(chǎn)品,在網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中為水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)一種雙纖單向1+1保護的解決方案。
3.1光轉(zhuǎn)發(fā)單元OTU
光轉(zhuǎn)發(fā)單元負(fù)責(zé)將來自客戶側(cè)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到的若干路低速光信號匯聚為1路信號,而后將其調(diào)制為滿足G.694.1標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于DWDM規(guī)定的波長信號,以便下一步在DWDM系統(tǒng)上傳送,同時實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換的逆過程。
我們采用了FONST 1000的MST2單盤,其產(chǎn)品體積,重量0.695 kg,功耗35 W。它的8對客戶側(cè)光接口可接入STM-1/4/16、OTU1、1GFC/2GFC、FICON、ESCON、GE或FE,波分側(cè)信號速率為10Gbit/s。在接收方向上從波分側(cè)RX接口接入的高速信號經(jīng)O/E轉(zhuǎn)換、OTN解封裝、VC解映射、GFP解包封、E/O轉(zhuǎn)換后從客戶側(cè)的T1~T8接口輸出。在發(fā)送方向上客戶側(cè)有R1~R8共8個接口可接入客戶光信號,經(jīng)O/E轉(zhuǎn)換、GFP包封、VC映射、OTN封裝、E/O轉(zhuǎn)換后從波分側(cè)的TX接口輸出。其面板接口分布如圖2所示。
圖2 MST2單盤面板接口示意圖
3.2光分插復(fù)用單元OAD
光分插復(fù)用單元負(fù)責(zé)將來自客戶側(cè)的滿足G.694.1標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于DWDM規(guī)定的若干路波長信號匯聚為1路高速的光傳送模塊信號OTM-n.m,以便在DWDM系統(tǒng)的光纖信道上傳送,同時實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換的逆過程。
我們采用了FONST 1000的MDU8單盤,其產(chǎn)品體積,重量0.6 kg,功耗3 W。它的8對客戶側(cè)光端口可接入滿足G.694.1標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于DWDM規(guī)定的波長信號(10Gbit/s),合波信號從波分側(cè)的IN/OUT接口出入,MI/MO接口為級聯(lián)接口,兩個MDU8相級聯(lián)可實現(xiàn)單節(jié)點上下DWDM系統(tǒng)規(guī)定的全16路波長。在接收方向上IN接口連接接受合波信號,經(jīng)光功率檢測后下路8路預(yù)定的波長信號至D1~D8接口,下波后的信號從MO接口輸出。在發(fā)送方向上MI接口接收其它MDU8或本單元MO接口傳來的信號,與A1~A8接口接入的8路波長信號合波后從OUT口輸出。其面板接口如圖3所示。
圖3 MDU8單盤面板接口示意圖
3.3 光保護單元OCP
光保護單元用以實現(xiàn)網(wǎng)元業(yè)務(wù)在系統(tǒng)中的1+1保護。當(dāng)OCP布設(shè)于OTU與客戶設(shè)備之間時為通道1+1保護,當(dāng)OCP布設(shè)于OAD與OTU之間時為線路1+1保護。
圖4 OCP單盤面板接口示意圖
3.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
各節(jié)點設(shè)備解決方案如圖5所示。n個探測設(shè)備上傳信號至MST2盤的R1至R8端口,時分復(fù)用為一路10Gbit/s信號并被調(diào)制到一路DWDM系統(tǒng)規(guī)定的光載波上。該光載波從MST2盤的TX端口輸出,接入OCP盤的IN1端口,由分光器分為“工作”、“保護”兩路,分別經(jīng)TX1A端口與TX1B端口連接到主干纜內(nèi)外纖各自的MDU8盤A8接口,由此合波上路,經(jīng)兩塊MDU8盤的OUT端口連接到內(nèi)纖和外纖的去業(yè)務(wù)方向(去業(yè)務(wù)的工作和保護方向)。同時,內(nèi)外纖的來業(yè)務(wù)方向光纖連接兩塊MDU8盤的IN端口,輸入合波信號,需要下路的光載波從D8端口輸出到OCP盤的RX1A和RX1B端口上,經(jīng)選擇接受的光載波從OUT1端口輸出到MST2盤RX端口,解時分復(fù)用為各設(shè)備來業(yè)務(wù)信號,經(jīng)T1至T8口傳輸給各設(shè)備。
該系統(tǒng)可實現(xiàn)16個波長復(fù)用,每個波長(節(jié)點)平均可實現(xiàn)10Gbit/s帶寬,主干纜纖芯對中的高速信號速率可達160Gbit/s,相比時分復(fù)用方案,系統(tǒng)擴容256倍;相比WDM+SDH方式的波分復(fù)用方案,系統(tǒng)擴容64倍。以日本的ARENA系統(tǒng)為參照,每環(huán)為9或11個節(jié)點,這樣可采用“一環(huán)一對纖”的部署方案,縱向主干纜各需要對纖芯,96芯縱向纜可至多保障24層網(wǎng)格狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),相比時分復(fù)用方案與WDM+SDH方式的波分復(fù)用方案,系統(tǒng)的可拓展性提高3倍。
傳輸系統(tǒng)是水下信息網(wǎng)的核心任務(wù)系統(tǒng),本文主要論述了基于OTN傳送技術(shù)的水下信息網(wǎng)傳輸系統(tǒng)波分復(fù)用規(guī)劃方案。通過與現(xiàn)存的空分復(fù)用規(guī)劃方案、時分復(fù)用規(guī)劃方案以及基于SDH+WDM波分復(fù)用規(guī)劃方案進行對比分析,得出該方案在系統(tǒng)容量與可拓展性兩個方面均優(yōu)于現(xiàn)存方案。并利用烽火公司的FONST 1000設(shè)備設(shè)計了節(jié)點單元的設(shè)備解決方案,對水下信息網(wǎng)的設(shè)計研究工作具有一定的參考意義。
圖5 基于OTN的水下信息網(wǎng)雙纖單向1+1保護傳輸系統(tǒng)節(jié)點設(shè)備解決方案
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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)
TP393
A
1003-4862(2016)10-0075-06
2016-06-02
潘威(1986-),男,研究生。研究方向:海光纜通信技術(shù)。