趙陽，宋偉，段程煜，申昉，張曉宏，趙繼華

基于光電混合交叉技術(shù)的電力光傳送網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

趙陽1，宋偉1，段程煜1，申昉1，張曉宏2，趙繼華2

（1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053； 2. 上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海 201206）

對電力光傳送網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀進(jìn)行了初步分析，電力光傳送網(wǎng)絡(luò)面臨著傳送容量的不斷提升、拓?fù)涞娜諠u復(fù)雜、業(yè)務(wù)的靈活調(diào)度以及網(wǎng)絡(luò)智能演進(jìn)等巨大的挑戰(zhàn)。采用光電分層交叉處理的思路，電層專注于小顆粒業(yè)務(wù)的匯聚收斂和超長距的電再生，光層則提供波長級別的靈活調(diào)度，基于無色、無向、無沖突、靈活柵格可配置光業(yè)務(wù)上下架構(gòu)的CDC-FROADM技術(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)的傳送效能，降低能耗和空間占用，賦能網(wǎng)絡(luò)智能化的演進(jìn)，同時極大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運維成本。

電層交叉；波長路由；混合交叉；靈活柵格

1 引言

隨著視頻業(yè)務(wù)、大數(shù)據(jù)、泛在物聯(lián)網(wǎng)（智能電網(wǎng)）等業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，引發(fā)了數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長，給光傳送網(wǎng)的傳送處理能力帶來了巨大挑戰(zhàn)，干線光傳送網(wǎng)絡(luò)單纖傳輸容量持續(xù)快速增長并已步入數(shù)十Tbit/s時代，需要Pbit/s甚至更高容量的交叉調(diào)度能力。為了實現(xiàn)傳送節(jié)點任意維度數(shù)據(jù)之間的無阻塞交叉調(diào)度，光傳送網(wǎng)絡(luò)的交叉調(diào)度目前一般采用大容量的電交叉設(shè)備來實現(xiàn)，其中，單節(jié)點交叉容量設(shè)備支持能力已超過60 Tbit/s，采用集群技術(shù)可達(dá)到數(shù)百Tbit/s。但隨著波長通道速率的快速增長，尤其是當(dāng)傳輸速率達(dá)到100 Gbit/s以及更高時，超大容量電交叉設(shè)備正逐漸逼近電互連背板帶寬、設(shè)備功耗以及機(jī)房供電散熱等處理能力的上限，不同交換機(jī)制的能耗比較如圖1所示，電層交叉的發(fā)展已經(jīng)遇到了技術(shù)和能耗的瓶頸。

電力的光傳送網(wǎng)正面臨著云業(yè)務(wù)、智能電網(wǎng)、實時視頻、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等新型業(yè)務(wù)的傳送要求，線路的速率和容量在不斷提升。目前電力已經(jīng)開始應(yīng)用100 Gbit/s線路速率，并將很快邁向200 Gbit/s等更高的速率，這對光傳送網(wǎng)絡(luò)提出了靈活配置、低時延、網(wǎng)絡(luò)平滑升級、智能管控等更高的要求?？紤]到電力光傳送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙遮厪?fù)雜，光纖的拓?fù)湟蕾囉谳斪冸娋€路的走向，站點比較分散，站間距離不均衡，業(yè)務(wù)流量不均衡，還存在很多傳統(tǒng)低速接入業(yè)務(wù)等復(fù)雜的場景，相應(yīng)的光傳送網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備業(yè)務(wù)的有效匯聚和快速疏導(dǎo)、寬帶的靈活調(diào)度、超低功耗、超長傳送距離、線路速率靈活可調(diào)等特性。

圖1 不同交換機(jī)制的能耗比較

據(jù)IHS Markit（埃信華邁）市場調(diào)查，光傳送網(wǎng)絡(luò)（特別是核心骨干網(wǎng)）演進(jìn)需求是通過先進(jìn)的SD-FEC軟件決策前向糾錯技術(shù)等來改善傳輸距離，支持可變柵格（flex grid），更高的線路調(diào)制格式8QAM、16QAM、64QAM以及概率星座整形技術(shù)等支持更高的線路速率，同時需要具備CDC-F無色、無向、無沖突靈活柵格（colorless, directionless, contention-less, flex-grid，CDC-F）的可重構(gòu)光分插復(fù)用器（reconfigurable optical add-drop multiplexer，ROADM）架構(gòu)以及可編程的網(wǎng)絡(luò)端口滿足網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的需要。

2 電力光傳送網(wǎng)基于電交叉組網(wǎng)所遇到的挑戰(zhàn)

目前電力的光傳送網(wǎng)主要基于光通路數(shù)據(jù)單元（optical channel data unit-，ODU）電交叉技術(shù)，ODU電交叉技術(shù)與以前的同步數(shù)字體系（synchronous digital hierarchy，SDH）和同步光纖網(wǎng)絡(luò)（synchronous optical network，SONET）技術(shù)思路一脈相承，采用中央交叉矩陣和支、線路分離的架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運維方面有著相近的思路，ODUk電交叉能方便進(jìn)行低速業(yè)務(wù)的匯聚和長途傳送時的信號電域再生，給網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和運維帶來一定的便利，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計顯得較為簡單，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員可以方便地使用SDH運維的經(jīng)驗。

但電層交叉本身的技術(shù)缺陷也是明顯的，電層交叉調(diào)度的成本（尤其是網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容成本）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光層交叉，電層交叉面對每個線路方向都需要提供昂貴的線路板卡，并且電層的交叉矩陣無法進(jìn)行平滑的升級，隨著線路速率的提升，電層交叉矩陣也需要更新?lián)Q代，導(dǎo)致設(shè)備的投資得不到有效的保護(hù)。但對于光層的線路系統(tǒng)的不同速率，10 Gbit/s時代的線路設(shè)備原理上也可以用于100 Gbit/s、200 Gbit/s甚至400 Gbit/s信號的傳送，這就極大地降低了網(wǎng)絡(luò)的投資成本。從交叉的容量來看，電層交叉到幾十Tbit時，會帶來極大的空間占用，噪聲、散熱和供電都會成為很難克服的問題，但光層交叉可以輕松支持上百Tbit甚至Pbit的交叉容量，卻有著較小的空間占用，較小的噪聲和散熱。在電力行業(yè)的供電方面，有些地方不可能滿足電交叉日益增長的耗電需求，本文根據(jù)業(yè)務(wù)處理功能的差別將OTN站點分為省調(diào)（主要作用是業(yè)務(wù)上下）、核心節(jié)點（業(yè)務(wù)電中繼需求大的節(jié)點）、非核心節(jié)點和接入層節(jié)點（接入層節(jié)點主要是網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點、地市公司、220 kV站點等），針對不同位置節(jié)點的供電需求對照分析結(jié)果見表1（為了簡單起見，本文只比較了10波和20波兩種容量的情況，符合大多數(shù)電力需求場景條件）。

在實際的應(yīng)用場景中，除了省、備調(diào)以外，一般的站點當(dāng)電源需求在4路63 A（?48 V）電源以上的時候，大部分電力機(jī)房都難以滿足電源的需要（通過現(xiàn)場了解，除了省調(diào)以外，其他站點大多數(shù)沒有太多的50 A以上大電流空開富裕，尤其是500 kV站點比較突出），一般也很難大面積的改造既有電源系統(tǒng)，從表1的需求分析來看，大容量純電交叉方案是很難推行的，尤其是電力用戶大多數(shù)不接受電源端子并聯(lián)使用的時候，可能還會占用更多的電源端子資源，這無疑給純電交叉方案的使用帶來更大的障礙。

表1 不同節(jié)點位置的電源需求對照

注：在光、電混合交叉的應(yīng)用中，沒有業(yè)務(wù)疏導(dǎo)需求的業(yè)務(wù)是不建議進(jìn)矩陣的，因此，接入層站點一般不上電交叉設(shè)備，用支、線路合一板卡按照實際需求擴(kuò)展接入業(yè)務(wù)；另外，在非核心節(jié)點一般也建議用容量相對較小的電交叉設(shè)備以降低功耗和空間占用

從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的角度而言，電交叉技術(shù)適合于在接入、匯聚層面進(jìn)行小顆粒的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)和匯聚，形成大顆粒的光層信號，也可以應(yīng)用在超長距傳送時附帶提供電再生的能力。光層交叉的優(yōu)勢在于為波長級別的業(yè)務(wù)提供了靈活的光路由功能，適合在骨干核心層對大容量的業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度。但如果把骨干和核心層的業(yè)務(wù)調(diào)度也放在電層處理，這就使得電層矩陣處理了從接入到核心的所有業(yè)務(wù)，混淆了不同層次網(wǎng)絡(luò)的功能，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)層次劃分不清晰，無法進(jìn)行有針對性的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展升級，網(wǎng)絡(luò)的靈活性和智能化也受到很大的限制。

從國外客戶的廣泛實踐來看，電層交叉的應(yīng)用被限制在特定的場景，但光層交叉則更多地被接受和應(yīng)用，從固定光分插復(fù)用器（fixed optical add-drop multiplexer，F(xiàn)OADM）到ROADM（reconfigurable optical add-drop multiplexer），從固定業(yè)務(wù)上下端口的傳統(tǒng)ROADM到波長無關(guān)方向無關(guān)型ROADM（CDROADM），再到波長無關(guān)方向無關(guān)競爭無關(guān)型ROADM（CDCROADM），ROADM成為光傳送網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的主流技術(shù)，符合低功耗的環(huán)保要求，同時其擴(kuò)展性和靈活性也契合了光網(wǎng)絡(luò)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）演進(jìn)方向，為網(wǎng)絡(luò)的軟件編程能力提供了可能。

隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，100 Gbit/s以及更高速率的信號擁有了越來越好的傳輸性能，超長距的傳送不再是夢想，結(jié)合放大技術(shù)的進(jìn)步和超低損耗的光纖，100 Gbit/s 正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）信號可以無電中繼傳送4 000 km甚至5 000 km以上，無須頻繁地進(jìn)行電再生，推動光層交叉可能更多地應(yīng)用于電力傳送網(wǎng)絡(luò)，極大地降低電力光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運行維護(hù)的成本。波長速率為10 Gbit/s、100 Gbit/s的光電交叉優(yōu)劣對比見表2，波長速率為100 Gbit/s和波長速率超100 Gbit/s時代，ROADM是合理的選擇。

隨著未來數(shù)據(jù)中心互聯(lián)需求的日益增多，大帶寬低時延的應(yīng)用會傾向于站點之間的直連，而非通過迂回路由互聯(lián)，這樣網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的維度會整體提高，這會進(jìn)一步凸顯光交叉的調(diào)度便利性，同時加大光交叉與電交叉在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運行成本等諸多方面的差異。

在單跨長距節(jié)點多的時候，光、電交叉之間的成本差異會有一定的縮小，同時光層交叉的業(yè)務(wù)設(shè)計和運行維護(hù)比電層的交叉設(shè)計要復(fù)雜，光層交叉的設(shè)計需要考慮各種各樣光參數(shù)的實時監(jiān)測，對光層損傷的實時補(bǔ)償，但基于光網(wǎng)絡(luò)的智能化發(fā)展可以有效消除這些挑戰(zhàn)。

表2 10 Gbit/s、100 Gbit/s的光電交叉優(yōu)劣對比分析

對于業(yè)務(wù)分層方面來說，可以借助電交叉在小顆粒業(yè)務(wù)疏導(dǎo)方面的良好表現(xiàn)將其布置于地調(diào)或地調(diào)以下的一些節(jié)點，將業(yè)務(wù)疏導(dǎo)成大顆粒業(yè)務(wù)進(jìn)入光層或干線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，由于實際應(yīng)用場景中小顆粒業(yè)務(wù)的分布不均，而且在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點的機(jī)房、供電等都比較緊張的場景下，可以考慮用集中電交叉和分布式電交叉相結(jié)合的方式疏導(dǎo)小顆粒業(yè)務(wù)，然后送入光層進(jìn)行交叉處理。

3 光電分層交叉處理基本架構(gòu)

電力光傳送網(wǎng)在很長時間內(nèi)可能仍然面臨低速業(yè)務(wù)傳送的需要，目前現(xiàn)網(wǎng)仍有大量的電交叉設(shè)備，建議在接入和匯聚層利用電交叉設(shè)備進(jìn)行低速業(yè)務(wù)的疏導(dǎo)和匯聚處理，然后將大顆粒的業(yè)務(wù)交給光層交叉設(shè)備ROADM處理，將光層和電層的優(yōu)勢分別發(fā)揮出來，構(gòu)建層次清晰的網(wǎng)絡(luò)體系，網(wǎng)絡(luò)可以在光層和電層按照自身的規(guī)律分別演進(jìn)和優(yōu)化，提升網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和靈活性。光電混合交叉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點架構(gòu)如圖2所示，運用光電混合交叉的思路，網(wǎng)絡(luò)層次清晰，業(yè)務(wù)的管理和調(diào)度基于不同的傳送平面，可以有效應(yīng)對低速業(yè)務(wù)和高速業(yè)務(wù)的調(diào)度任務(wù)，高速業(yè)務(wù)和低速業(yè)務(wù)的調(diào)度和走向有著很大的不同，需要采用不同的策略。光電混合交叉則能有針對性地提高資源利用率，優(yōu)化業(yè)務(wù)開通質(zhì)量，實現(xiàn)智能化調(diào)度。

圖2 光電混合交叉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點架構(gòu)

光層位于網(wǎng)絡(luò)的底層，相對于IP層和OTN電層的業(yè)務(wù)調(diào)度，光層業(yè)務(wù)調(diào)度成本最低、功耗最低的技術(shù)方式，如圖3所示。越往上層的技術(shù)方式，帶來越多的成本和功耗的上升，業(yè)務(wù)向光層的下沉帶來的收益是明顯的。

圖3 業(yè)務(wù)分層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)

4 CDC-FROADM優(yōu)勢

光層的處理主要通過FOADM和ROADM的方式實現(xiàn)。光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)經(jīng)歷了從固定連接的FOADM到可配置連接的ROADM，從點到點拓?fù)涞骄W(wǎng)狀拓?fù)?，從人工參與的方式到網(wǎng)絡(luò)的智能管控，光層和電層結(jié)合的控制平面提供業(yè)務(wù)的動態(tài)保護(hù)恢復(fù)功能，將波長交叉的優(yōu)勢逐漸地彰顯，光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的關(guān)鍵步驟如圖4所示。目前光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展到了動態(tài)可調(diào)整的階段。

CDC-FROADM作為成熟的ROADM解決方案，是目前ROADM發(fā)展的最高產(chǎn)品形態(tài)，目前已經(jīng)在全球獲得了廣泛的商用，其典型的功能架構(gòu)如圖5所示。

波長無關(guān)方向無關(guān)競爭無關(guān)型波道間隔可調(diào)型（colorless, directionless, contention-less, flex-grid, reconfigurable optical add/drop multiplexing，CDC-F ROADM）能夠提供多維度線路的無阻塞波長路由，也能在業(yè)務(wù)上下路時提供無色、無向、無沖突（colorless, directionless, contention-less，CDC）的接入能力。無色的端口，即一個端口可以承載任意波長的業(yè)務(wù)，F(xiàn)OADM和不支持無色特性的ROADM端口只能上下固定的波長；無向的屬性意味著上下的業(yè)務(wù)可以連接任意方向的線路維度；無沖突即相同的波長可以在同一個站點的上下路模塊進(jìn)行業(yè)務(wù)的上下。靈活柵格對于多種線路速率的支持是必須的，不同的線路速率其通道間隔可能是不一樣的，需要基于具體的線路速率定義所需要的柵格。

CDC-FROADM給光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來革命性的改變，極大地提升了光層的靈活性，增強(qiáng)了業(yè)務(wù)在多層、多域網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和恢復(fù)功能，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的匯聚和疏導(dǎo)，靈活柵格的支持使得頻譜資源利用率得到很大的提升，可以支持更大的傳送容量?？删幊痰挠布由铣壨ǖ赖奶幚砟芰?，正好契合了CDC-FROADM對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的更新，讓網(wǎng)絡(luò)資源能夠基于真實的需要被優(yōu)化配置，而不是過配置或者欠配置。通過對某省級OTN的業(yè)務(wù)路由分析，平均每條業(yè)務(wù)需要經(jīng)過3.5個節(jié)點，即相對FOADM或純電交叉而言，如果采用CDC-FROADM，開通一條新的業(yè)務(wù)可以減少3.5次下站，這會大大節(jié)約工程建設(shè)和維護(hù)過程中的成本，同時大幅縮業(yè)務(wù)開通周期。

針對電力的光傳送網(wǎng)絡(luò)，CDC-FROADM的大顆粒光層調(diào)度和OTN電層小顆粒的匯聚疏導(dǎo)結(jié)合起來，將構(gòu)建層次清晰的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的運維，為網(wǎng)絡(luò)的升級擴(kuò)展提供靈活性。

圖4 光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)關(guān)鍵步驟

圖5 CDC-FROADM典型架構(gòu)

5 光網(wǎng)絡(luò)智能化的演進(jìn)

在云化的時代，隨著光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜化，業(yè)務(wù)速率的多樣化和高速化，要求光傳送網(wǎng)絡(luò)具備更高的效率，如果僅僅依靠人工維護(hù)和網(wǎng)管配置，已經(jīng)無法滿足業(yè)務(wù)網(wǎng)的需求，需要能夠支持自我學(xué)習(xí)的SDN和靈活調(diào)節(jié)的光網(wǎng)絡(luò)，這就是智能光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)在不同層次的靈活調(diào)度和配置，網(wǎng)絡(luò)運行的綠色環(huán)保，網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用以及支持光網(wǎng)絡(luò)向未來演進(jìn)的架構(gòu)和接口。

智能光網(wǎng)絡(luò)需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具備靈活可編程的能力以及SDN的演進(jìn)能力，提供開放和可擴(kuò)展的接口。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具備可編程能力，主要基于數(shù)字信號處理DSP芯片實現(xiàn)，可以針對具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，通過軟件編程來定義相應(yīng)的硬件能力。例如，基于同樣的硬件，既可以支持100 Gbti/s超長距的干線應(yīng)用，也能支持200 Gbit/s、400 Gbit/s的大容量城域應(yīng)用，而這種靈活的切換通過簡單的網(wǎng)管操作就能實現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)向SDN演進(jìn)是必然的趨勢，目前的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)該有這方面的考慮和布局。例如，網(wǎng)元設(shè)備的北向接口可對接各種上層應(yīng)用，支持開源軟件的開發(fā)。控制器提供軟件可編程的功能，利用開放的接口滿足上層客戶定制化需求，光網(wǎng)絡(luò)SDN的基本架構(gòu)如圖6所示。

圖6 SDN的基本架構(gòu)

除了SDN的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，多層多域的控制平面也讓光傳送網(wǎng)絡(luò)具有智能管控的能力，基于控制平面可以輕松地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和參數(shù)的配置，實時知曉網(wǎng)絡(luò)資源的狀況，構(gòu)建優(yōu)化的端到端的連接，根據(jù)拓?fù)浠蛘邩I(yè)務(wù)的變化實時調(diào)整資源的配置，優(yōu)化業(yè)務(wù)路由，在網(wǎng)絡(luò)層面共享保護(hù)的資源（沒有控制平面前的保護(hù)資源都是獨占式的），并基于優(yōu)先級靈活提供多種保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制，如有保證的恢復(fù)（guaranteed restoration，GR）、保護(hù)和恢復(fù)結(jié)合（protection and restoration combination，PRC）、1+1子網(wǎng)連接保護(hù)（sub-network connection protection，SNCP）等保護(hù)恢復(fù)方式。光層和電層協(xié)調(diào)的控制平面，充分利用了光層和電層的優(yōu)勢，在多個層次進(jìn)行資源的發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和優(yōu)化使用，提升資源的使用效率，有效保證業(yè)務(wù)的正常運行。多層、多域控制平面示意圖如圖7所示，光層和電層的資源被協(xié)調(diào)使用，提供保護(hù)和快速恢復(fù)。

圖7 多層、多域的控制平面示意圖

中心化的SDN與分布式的控制平面結(jié)合起來，既可以保證網(wǎng)絡(luò)的實時反應(yīng)，又能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的長期演進(jìn)，既能確保各個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的智能管控，又能協(xié)調(diào)全網(wǎng)資源構(gòu)建優(yōu)化的端到端連接。針對電力的光傳送網(wǎng)，可以根據(jù)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的特點，結(jié)合長期的演進(jìn)趨勢，探討SDN和控制平面結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案。

6 電力光傳送網(wǎng)光電混合交叉的應(yīng)用場景分析和展望

針對國內(nèi)某客戶省內(nèi)干線的光傳送網(wǎng)，本文用真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比較了不同解決方案的建設(shè)成本和運維成本。某省電力干線網(wǎng)絡(luò)如圖8所示（網(wǎng)絡(luò)相似度90%以上），跨度達(dá)到800 km，18個ROADM站點，傳送容量有4 Tbit，客戶業(yè)務(wù)目前包括GE、STM-16和10GE業(yè)務(wù)；網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容升級以后將變?yōu)橐?0GE/STM-64業(yè)務(wù)為主，sub-10G 業(yè)務(wù)為輔，并計劃近期增加100 Gbit/s業(yè)務(wù)需求。

電力行業(yè)中的業(yè)務(wù)大多數(shù)為匯聚型業(yè)務(wù)，其中調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)可根據(jù)其規(guī)模分為核心層、匯聚層和接入層，接入層主要是將用戶數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)，匯聚層完成與核心層之間業(yè)務(wù)匯聚和分發(fā)，其業(yè)務(wù)呈現(xiàn)典型的匯聚型特征，傳輸網(wǎng)絡(luò)實際上是完成從地調(diào)骨干節(jié)點到省級調(diào)度中心、備用調(diào)度中心之間的業(yè)務(wù)匯聚和分發(fā)，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是用于傳輸電力生產(chǎn)調(diào)度及管理、管理與營銷信息、應(yīng)急通信、用戶信息等綜合性IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，由省公司核心節(jié)點、核心匯聚節(jié)點及各地市公司匯聚節(jié)點組成，業(yè)務(wù)同樣是從匯聚節(jié)點向核心匯聚節(jié)點再向省公司核心節(jié)點匯聚的數(shù)據(jù)流向，對應(yīng)到傳輸網(wǎng)絡(luò)來說，由于核心匯聚節(jié)點呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此會存在部分分散型的業(yè)務(wù)需求；對于綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)而言，由檢修公司核心節(jié)點、少量匯聚節(jié)點及各500 kV接入節(jié)點組成，業(yè)務(wù)也以匯聚型為特征，加上部分核心、匯聚節(jié)點之間的互聯(lián)帶寬需求。

圖8 某省電力干線網(wǎng)絡(luò)

以上幾種數(shù)據(jù)網(wǎng)的業(yè)務(wù)帶寬有不斷增加的趨勢，同時電力通信網(wǎng)絡(luò)中還有一些帶寬需求低、可靠性要求高的保護(hù)、安控類業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)因為數(shù)量大、路由組織和管理復(fù)雜、安全性要求高而備受重視，目前在國內(nèi)電力系統(tǒng)中無一例外都是承載在SDH平面上，但是SDH平面隨著整個產(chǎn)業(yè)鏈的演進(jìn)也必然最終退出歷史舞臺，屆時這類業(yè)務(wù)的處理方式可能會出現(xiàn)多種可能，可以通過OSUflex單元映射方式解決、可以通過內(nèi)嵌VC交叉的板卡和盒子解決（類似于MSTP解決以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接入的思路）、如果認(rèn)定SPN切片為物理隔離則還有可能通過SPN實現(xiàn)小顆粒業(yè)務(wù)的提供等。不管采用那種方式，本文都建議將這類業(yè)務(wù)統(tǒng)一規(guī)劃在其中一個波道或ODU里面，以便和其他業(yè)務(wù)隔離，通過特殊性能保障方式確保這類保護(hù)和安控信號的承載方式實現(xiàn)順利切換。

從前面的分析可以看出，電力OTN中承載的業(yè)務(wù)是以匯聚型為主、輔之以少量分散型業(yè)務(wù)（如SDH光路承載、檢修波道、數(shù)據(jù)網(wǎng)核心匯聚節(jié)點之間的互聯(lián)電路等），總的來說呈現(xiàn)出的是負(fù)載不均衡的情況，一般來說省級調(diào)度中心、備用調(diào)度中心的鏈路容量相對大。因此，本文以容量瓶頸節(jié)點周圍的波道數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析?？紤]到目前國內(nèi)用戶的使用習(xí)慣，采用光、電混合代替純光交叉，以光、電混合方式和純電交叉方案進(jìn)行比較，切合實際應(yīng)用場景。

（1）OTU數(shù)量對比

純電交叉應(yīng)用時，信號進(jìn)出電矩陣都需要光傳送單元（optical transport unit，OTU）的配置，而光交叉矩陣則沒有對OTU的要求，它是在光域進(jìn)行業(yè)務(wù)的調(diào)度，沒有光電轉(zhuǎn)換的需要。所以電交叉會比光交叉使用更多的OTU，而且隨著業(yè)務(wù)需求的增加，OTU數(shù)量的差異會越來越大。當(dāng)80波配置時，純電交叉比光、電混合方案的OTU使用量高出接近90%，如圖9所示。OTU的成本占到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的大部分，從這個角度而言，純電交叉的建網(wǎng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光電混合交叉。

圖9 兩種方案的OTU需求對比

（2）機(jī)房空間占用

由于機(jī)房空間占用和子架有關(guān)，一般來說，在業(yè)務(wù)需求較少的時候，光、電交叉區(qū)別不明顯，波道數(shù)越多的時候，光交叉的優(yōu)勢就越來越明顯。實際上，在電力行業(yè)應(yīng)用中，不同的節(jié)點位置情況差異也會比較大，依據(jù)節(jié)點業(yè)務(wù)處理功能的不同將其分為3類——省調(diào)（業(yè)務(wù)接入及傳送為主）、核心位置節(jié)點（業(yè)務(wù)電中繼比較多）和非核心位置（業(yè)務(wù)電中繼少）節(jié)點，兩種方案在不同場景下的機(jī)房占用空間對比如圖10所示。就平均情況而言，在波道數(shù)量較少時二者的差異相對較小，80波配置時，純電交叉比光、電混合交叉高出將近30%；其中省調(diào)和核心位置節(jié)點的情況差不多，由于大量的電中繼板卡和業(yè)務(wù)上下板卡的存在，使得兩種方案的差別非常??；差別最大來自于數(shù)量占比較大的非核心位置節(jié)點，差異甚至超過了50%。因此，需要將網(wǎng)絡(luò)中占比較大的非核心節(jié)點的機(jī)房空間消耗降下來就有必要采用光、電混合的方案，這也是和實際項目應(yīng)用需求是吻合的。

（3）網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展成本差異

由于光交叉初期有波長路由器，投入較大，對于平臺建設(shè)初期而言，光交叉成本略高于電交叉，但是當(dāng)業(yè)務(wù)需求增長到3個波長以上時，二者的成本趨于一致，隨著波長的繼續(xù)增加，純電交叉的成本越來越高于光電混合交叉。當(dāng)80波配置，純電交叉的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展成本相對于光、電混合方案高出60%左右，兩種方案的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展成本對比如圖11所示。

（4）能耗對比

兩種平臺在開通業(yè)務(wù)的初期，能耗沒有太大差異，但隨著業(yè)務(wù)的增加，電交叉的能耗就會明顯高于光交叉，二者的差別也會越來越大。作為能耗對比，本文以網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定工作時的功耗為基礎(chǔ)比較，但是在實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，設(shè)備供電常常要以最大的功耗為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，否則便會存在掉電重啟不正常的情況。

通過實際的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，就平均水平而言，在純電交叉方案中，當(dāng)業(yè)務(wù)需求達(dá)到10波的時候，單站的平均最大功耗需求會達(dá)到6 000 W以上，考慮主、備供電，需要提供四路63 A的?48 V電源，這對電力行業(yè)的機(jī)房提出了巨大的挑戰(zhàn)，使得全電交叉的應(yīng)用受到很大的限制。同樣的電源條件下，如果采用光交叉，可以滿足兩倍以上的波長的業(yè)務(wù)需求。

總體能耗方面，業(yè)務(wù)波長數(shù)越多，純電交叉的功耗優(yōu)勢越明顯，到80波配置時，純電交叉的功耗比光、電混合交叉高40%左右，和機(jī)房空間占用情況類似，對于省調(diào)和核心節(jié)點而言，兩種方案的功耗差別不大，但是對于非核心節(jié)點來說，功耗差別非常大，兩種方案在不同情況下的能耗對比如圖12所示。

圖10 兩種方案在不同場景下的機(jī)房占用空間對比

圖11 兩種方案的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展成本對比

圖12 兩種方案在不同情況下的能耗對比

數(shù)據(jù)分析表明，針對這個具體的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，光電混合交叉與純電交叉在各方面有著巨大的差別，特別是隨著波長數(shù)的增加，兩個方案的差別更加凸顯出來，光電混合交叉有效地降低了OTN交叉矩陣的容量和OTU 的數(shù)目，80波配置時純電交叉要多使用90%的OTU。光電混合交叉網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容成本明顯降低，80波配置時純電交叉比光、電混合交叉高出55%左右。運維成本也存在顯著差異，80波配置時純電交叉比光、電混合交叉多用40%的功耗。占用空間而言，80波配置時純電交叉也相較于光、電混合交叉高出將近30%。當(dāng)然，這個分析結(jié)果和具體的網(wǎng)絡(luò)模型有一定關(guān)系，對于網(wǎng)絡(luò)中超長距較多，業(yè)務(wù)電中繼需求多的應(yīng)用場景二者差別稍微小一點，反之則差別更大。

從這個真實網(wǎng)絡(luò)的分析對比，可以看出，純電交叉方案在面對大容量交叉連接、高速率的信號傳送等存在技術(shù)上的先天不足，應(yīng)將其定位于低速業(yè)務(wù)的匯聚和長途業(yè)務(wù)的再生。光電混合交叉可以有效降低網(wǎng)絡(luò)投資成本，縮減網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所占空間，降低網(wǎng)絡(luò)運維成本，并且使傳送網(wǎng)絡(luò)變得簡潔靈活，易于升級擴(kuò)展，契合網(wǎng)絡(luò)智能化的發(fā)展，有助于網(wǎng)絡(luò)向SDN的平滑演進(jìn)。

7 結(jié)束語

ROADM技術(shù)作為成熟的光交叉技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，隨著相干技術(shù)的不斷創(chuàng)新，100 Gbit/s的傳送距離已經(jīng)足以支持支持ROADM的應(yīng)用，先進(jìn)的CDC-FROADM技術(shù)已經(jīng)被廣泛地測試和應(yīng)用，為網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)帶來了方向，同時OTN電交叉已經(jīng)從交叉功能轉(zhuǎn)換為低速業(yè)務(wù)的匯聚和疏導(dǎo)。光電混合交叉有效發(fā)揮了光交叉和電交叉各自的優(yōu)勢，分層處理消除了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的瓶頸，帶來了智能管控的演進(jìn)可能。通過對電力真實光網(wǎng)絡(luò)的對比分析，光電混合交叉組網(wǎng)將帶來網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運維巨大的成本節(jié)省以及網(wǎng)絡(luò)智能的平滑演進(jìn)，本質(zhì)上這兩個技術(shù)并非競爭關(guān)系，而是互相配合、優(yōu)勢互補(bǔ)，為電力光網(wǎng)絡(luò)提供了優(yōu)化的應(yīng)用之道和升級之道。

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Optimization of power optical transmission network based on photo-electronic hybrid cross-connection technology

ZHAO Yang1, SONG Wei1, DUAN Chengyu1, SHEN Fang1, ZHANG Xiaohong2, ZHAO Jihua2

1. Information and Communication Branch of State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Beijing 100053, China 2. Nokia Shanghai Bell Co., Ltd., Shanghai 201206, China

A preliminary analysis to the current situation of the power grid optical transmission network was made. The power grid optical transmission network is facing huge challenges such as the increasing transmission capacity, the increasingly complex topology, the flexible scheduling of services and the evolution of network intelligence. By adopting photoelectric layered cross processing, electric layer cross focus on small particles business convergence and long distance electric regeneration, optical layer routing provides the flexible wavelength routing, based on colorless, directionless, and contention less flexible grid configurable add/drop architecture CDC-F ROADM technology to optimize network structure, improve the network transmission efficiency, reducing energy consumption and space, which also benefits the evolution of network intelligence, and greatly save the construction and operational costs.

ODUswitching, photonics switching, hybrid switching, flex grid

TN919.6+4

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021264

2021?09?17；

2021?12?08

趙陽（1987? ），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司工程師，主要研究方向為電力通信系統(tǒng)。

宋偉（1983? ），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司工程師，主要研究方向為電力通信系統(tǒng)。

段程煜（1989? ），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司工程師，主要研究方向為電力通信傳輸。

申昉（1990? ），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司工程師，主要研究方向為電力通信系統(tǒng)。

張曉宏（1971? ），男，上海諾基亞貝爾股份有限公司高級工程師，主要研究方向為光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

趙繼華（1972?），男，上海諾基亞貝爾股份有限公司高級工程師，主要研究方向為光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案設(shè)計。