传输网络架构演进思路探讨

  引 言

  国内运营商的传输网络普遍采用省际干线、省内干线、本地传输网三级架构，每一级的光层采用WDM建设，电层采用OTN建设。随着 5G、边缘计算、政企专线等业务的崛起，传统的架构和建设模式遇到了挑战。三级架构会带来路由绕转，增加业务传输时延， 层级间的协调影响业务快速开通;点对点WDM 建设模式不能满足业务灵活调度需求，业务在不同厂商设备之间穿通时需要额外的背靠背转接，增加了传输成本;OTN的最小容器为ODU0，承载GE以下速率业务时存在带宽浪费。

  要解决以上问题，一方面要改变传输网络的架构，另一方面要引入ROADM、PeOTN、OSU等新技术，增加传输网络承载和调度业务的灵活性。

  本文分析了业务网的发展趋势和对传输网络的诉求，从业务调度灵活、传输时延短、开通速度快的角度审视维持多年的传输网络架构、建设模式、业务承载方式，梳理出传输网在满足业务需求上的问题，通过模拟、论证，提出传输网络演进的思路——优化结构、改变建设模式、引入新技术、优化业务承载策略。第一，将传输网的三级架构扁平化为两级架构;第二在骨干层面全面引入ROADM技术组建骨干ROADM 和区域 ROADM;第三，通过 NNI接口互通快速实现省本一体化;第四，在本地范围内引入PeOTN、OSU，匹配小带宽高品质专线业务。

  01 传输网现状

  经过多年的发展，传输网络已经形成了稳定的省际干线、省内干线、本地传输网三级架构，本地网又分为核心层、汇聚层、综合业务接入层，层级间通过1~2 个节点衔接，如图1所示。

图1 传输网络三级架构

  从承载逻辑上，每一层级网络又可以分为光缆层、传输系统层，传输系统层又分为光层和电层，下层与上层属于服务与被服务的关系，光缆为光层提供纤芯，光层为电层提供波道，如图 2 所示，本文讨论范围为传输系统层。

图2 传输网络逻辑分层

  光层组网技术有WDM和ROADM 2种，WDM要求所有波长在OTM站必须先下路再上路，是2017年以前主要采用的技术，ROADM 可以只下路需要落地的业务，过路业务直接在光层穿通，是光层组网技术的演进方向[1]。近年来，各运营商已开始较大规模使用ROADM技术组网。OTN是当前电层的主要技术，其最小颗粒是ODU0，主要的演进方向是更小速率业务的承载能力、更高效的业务承载效率，比如已经成熟的PeOTN技术[2]、正在研究中的OSU技术等[3]。

  电层和光层的衔接模式有集成式和分离式2种。集成式即电层和光层采用同厂商设备，电层设备将业务整合成波长级后，通过线路侧板卡直接进入光层的合分波模块。分离式即电层和光层采用异厂商设备，受制于光网络封闭的特性和现状，异厂商电层和光层设备互通困难，分离式需要电层设备将小颗粒业务交叉整合后，通过线路侧灰光板与光层设备对接，光层设备将其调制成彩光后再进入合分波模块，如图3所示。

图3 集成式和分离式衔接的区别

  国内运营商省际干线传输网电层和光层多采用分离方式建设，电层采用单个厂商的设备组成一张逻辑上的端到端网络，光层采用点对点 WDM方式分段招标、建设。省内干线、本地传输网多采用光电集成方式建设，省内干线普遍采用1~2个厂商的设备，本地网普遍采用单个厂商设备，针对多厂商设备的情况，采用分平面或者分区域的方式建设。

  02 存在的问题

  2.1 无法满足政企专线业务发展需求

  近年，政企专线业务发展迅猛，成为各运营商重点争夺的对象，激烈的市场竞争对传输网络提出了超低传输时延、超短开通时间、超高安全保障等升级要求[4] 。

  对政企专线业务局向分布的统计发现，约80%的业务在地(市)内终结，约15%的业务分布在省内不同地(市)之间，剩余5%的业务需要出省。5%的出省业务局向主要分布在省会城市之间，行业集中在党政军、金融等高价值行业，对业务开通时间、传输时延要求极高。但在目前架构下，出省业务开通需要协调省际、省内、本地三级网络，很难快速开通，而且落地再转接的层间衔接方式也增加了业务的传输时延，因此亟需从架构上进行变革。

  对政企专线业务速率分布的统计发现，近年新增业务速率主要集中在10~100 Mbit/s。SDH网络已停止扩容多年，资源饱和且面临退网，而 OTN网络最小时隙为ODU0，在承载GE以下速率业务时存在较大的带宽浪费，因此从政企专线业务承载角度出发，需要升级OTN网络来适配小带宽、高品质专线业务[5] 。

  2.2 无法满足业务灵活调度的需求

  省际干线传输网因为覆盖范围广、线路距离长，光层采用点对点WDM 方式分段建设，通常在网络建设时将波道资源规划预留好，如须变更，就需人工现场跳纤，业务调度极不灵活。而且受制于传输网络的封闭现状，不同厂商的设备不能自由互通，如果业务途经的系统属于不同厂商，业务就需要落地转接，既浪费投资，又增加传输时延。图4所示为一条北京1节点到济南节点的业务，因为途经的3个系统属于不同厂商，需要占用6块支线路合一板卡，而实际北京1节点到济南节点的距离仅576km，以目前的技术，业务完全可以在光层直接穿通，仅占用2块支线路合一板卡。

图4 业务转接案例

  省内干线和本地传输网采用WDM建设，普遍采用单厂商设备建设，少量引入多个厂商设备的，将不同厂商分平面或者分区域，业务可以在光层直接穿通，跨厂商落地转接的情况较少，但业务调度不灵活，需要人工现场跳纤的问题依旧存在。

  2.3 与业务网络架构不匹配

  传输网络承载的业务主要有骨干互联网、城域网、宽带接入网、IDC、DC、核心网、IP承载网、IPRAN组网、政企专线业务等。主流业务网络均采用双节点双平面结构，传输网络则采用双节点单平面结构。

  如图5所示，骨干互联网河南2个节点分别为郑州、洛阳，山西2个节点分别为太原1和太原2，两省之间的互联网业务分担到2条链路郑州-太原1、洛阳-太原2承载，传输网络采用单平面覆盖以上4个节点。传输网单平面结构与业务网双平面结构不匹配，随着业务量的逐渐增大，单节点失效带来的损失也越来越大，比如，太原2或洛阳传输节点故障时，会导致郑州-太原1、洛阳-太原2两条互联网链路同时失效。

图5 传输网与骨干互联网结构不匹配

  综上，传输网的主要问题在于，省际、省内、本地传输网的分层结构造成政企专线业务开通时间长、传输时延大;采用的传统WDM技术无法满足业务灵活调度的需求，且易造成投资浪费;采用的传统OTN技术与政企专线业务的主流速率不匹配。

  针对传输网现有架构和技术存在的问题，本文旨在从架构演进和新技术引入上提出建议和解决办法，以更好地支撑各类业务的发展。

  03 传输网络架构演进思路

  3.1 减少层级，扁平化组网

  传输网络作为一张综合承载网络，在服务好内网业务的同时，也要直接面向用户，服务好政企专线业务。2.1节中提到，分层级的架构导致政企专线业务开通时间长，传输时延大，而政企专线业务主要分布在省内，因此综合考虑网络能力和投资能力，本文提出将省内干线传输网与本地传输网融合为一层。由此，传输网的三级结构演化为二级——骨干传输网和省 内传输网，如图6所示。

  二级架构下，本地网内业务、省内跨地(市)业务通过省内传输网承载，出省业务通过省内传输网、骨干传输网共同承载。骨干传输网和省内传输网在省会以及其他重要的业务网节点处衔接。

  骨干传输网和省内传输网从承载逻辑上，又分别可以分为光层和电层，下文就2个层级网络演进思路，分别从光层和电层进行描述。

图6 传输网两级架构

  3.2 骨干传输网演进思路

  3.2.1 骨干传输网光层演进思路

  ROADM是光层一个重要的演进方向，它可以远程控制光信号分插复用状态，实现对波长的重构。ROADM的核心器件是波长选择开关(WSS)，它能独立将任意波长分配到任意路径，实现波长级调度。目前可以成熟商用的WSS最高是20维，可以满足绝大多数骨干和省内应用场景，32维度的WSS研发已经完成，同时全光交叉的OXC也已有成熟产品，可以作为更高维度ROADM替代方案[6] 。

  在高维度ROADM 技术成熟、具备规模商用的条件下，针对骨干传输网点对点WDM 建设方式存在的问题，本文提出了一种新的架构——骨干ROADM打底，区域ROADM和直达WDM吸热，如图7所示[7] 。

  首先，在全国范围内，构建覆盖所有骨干互联网节点城市 、DC、IDC及 其 他 重 要 业务节点的骨干ROADM平面。骨干ROADM平面作为打底网络，负责疏通全国范围内的跨省业务;其次，在经济发达、业务繁荣且集中的京津冀、长三角、珠港澳大湾区等区域分别建设区域 ROADM吸收区域内的跨省业务，缓解骨干 ROADM的压力。不同于骨干ROADM，区域 ROADM覆盖节点可以更密集，根据区域内地(市)出省业务量来确定需要覆盖的节点;最后，在京沪、京穗、沪穗等业务量超大城市之间分别建设点对点直达WDM疏通热点局向的业务，进一步缓解骨干ROADM 的压力[8] 。

  适配业务网结构 ，骨干网光层(包含骨干 ROADM、区域ROADM、直达WDM)的目标架构按照双平面设计，各平面上传输网节点与业务网节点严格匹配。

  目标架构下，骨干传输网仍旧定位于承载跨省业务。其中，点对点直达WDM承载2点之间固定局向的业务，区域ROADM承载区域内节点之间的跨省业务，骨干ROADM承载其他跨省业务，业务在骨干层面不跨网。

图7 骨干传输网目标架构

  目标架构引入区域ROADM和直达WDM分担骨干ROADM的压力。我国东西部地区经济发展悬殊，造成业务差异也较大 ，如果用覆盖全国的骨干ROADM承载所有跨省业务，东部区域资源会很快耗尽，出现瓶颈，建设区域ROADM和直达WDM可以起到吸热的作用，保证骨干 ROADM资源的均衡使用。通过对某运营商近年跨省业务流量流向的分析发现， 京沪、沪穗、京穗之间的业务量占总业务量的7%，京津 冀、长三角、珠港澳大湾区内的跨省业务量占总业务量的34%，建设区域ROADM、直达WDM可以分流 41%的跨省业务。未来随着成渝、沈长哈等城市群、区 域一体化的发展，业务流向可能会随着变化，届时可 在新的城市群内建设区域ROADM吸收区域内跨省业 务，进一步缓解骨干ROADM的压力。

  目标架构在省际干线中全面引入ROADM，充分利用光层性能实现千公里一跳直达，解决了短距离业 务多次转接的问题。通过对某运营商近年跨省业务 的模拟发现，相比现有模式，目标架构采用ROADM可节约 20%的建设成本。光层直达随之带来时延的降 低，OXC和高维度 ROADM保证了光方向的灵活扩容 和业务的快速开通，通过加载SDN管控系统还可实现 光传输网络的灵活、智能调度。

  3.2.2 骨干传输网电层演进思路

  电层承载子波长级业务，主要是政企专线业务。电层的目标架构是在跨省专线业务较多的地(市)(如政企专线业务量TOP50城市)设置2个OTN节点，采用光电解耦的方式组织 2个覆盖全国的OTN 平面，实现政企专线业务的分担承载。骨干OTN节点就近和本地OTN节点互通降低时延，骨干OTN未覆盖城市通过省内传输网在省会城市与骨干OTN衔接。

  3.3 省内传输网演进思路

  3.1节提到的二级目标架构，将省内干线传输网与本地传输网融合为一级。

  对省内业务流向的分析发现，本地网内业务仍以向上汇聚为主，因此目标架构维持本地传输网核心层、汇聚层、综合业务接入层三级架构不动，将原来本地网的核心层与省内干线纳入一层组网。

  3.3.1 省内传输网光层演进思路

  光层覆盖所有核心层节点(包括核心节点、DC、 IDC节点、省干节点等)、汇聚节点、综合业务接入点，在核心层节点和汇聚节点引入 ROADM。与骨干传输网相同，省内传输网光层的目标架构也设计为双节点双平面立体结构，初期考虑业务量大小和投资能力，光层可以将所有节点纳入一个平面建设，未来抽取和业务网匹配的节点构建光层第2平面[9] 。

  目前省内干线和本地传输网均已部署了完善的100G WDM/OTN系统，受制于传输设备的封闭现状，不同厂商设备硬件互通有限且跨域跨厂家协同复杂，因此，现网向目标架构的演进近期可考虑单厂商组网为主，有 2 种方式，一种是自上而下，将省内干线延伸至本地范围内，一种是自下而上，将本地传输网延伸 至地(市)核心节点之间。

  上述2种方式投资都比较大，一种比较快速的方式是，将现有省干传输系统光层延伸到各本地网所有核心节点、DC 节点、IDC 节点，并对这些节点进行ROADM改造，形成局间中继系统，保证波长级业务在核心层一跳直达，如图8所示。此方案用最少的投资、 最快的速度解决2个最棘手的问题——业务开通的多级协调问题和业务经局间中继转接的问题，可作为省内传输网的近期发展方向。

图8 省内传输网近期架构

  3.3.2 省内传输网电层演进思路

  考虑到业务量等因素，在省内传输网目标架构中，电层采用单平面，与光层的一个平面集成式建设，未来随着光电解耦逐步实现异厂商光层和电层混合组网。在近期架构中，现有省干传输系统的电层随着光层一起延伸到各本地网的核心节点、DC节点和IDC节点，形成局间中继系统，在核心节点处，通过NNI端口实现局间中继系统与本地网系统的电层互通。

  另外，针对OTN 承载小颗粒业务浪费带宽的问题，建议在本地范围内部署已经成熟应用的 PeOTN，对GE以下速率的业务进行整合，提升带宽利用效率。架构更简洁、封装效率更高的OSU技术目前尚在标准制定阶段，须紧密关注其发展态势，待产品成熟时适时部署，替代PeOTN。

  3.4 SDN管控系统目标架构

  传输网络管控系统向SDN化、云化方向演进已是业内共识[10] 。

  目前，各运营商均按集团、省分二级架构维护网络，因此，SDN管控系统目标也采用集团、省分二级架构，各省部署SDN控制器和二级协同器，管理省内传输网，负责省内业务配置;骨干传输网作为一个单独的域，设置控制器和二级协同器;集团部署一级协同器，负责跨省业务配置。控制器由各设备厂商提供，协同器由各运营商自行开发。未来，光传输网SDN和IP网SDN协同，可以实现跨层级的路由资源优化和自动配置，进一步提升承载和业务开通效率。SDN管控系统规划部署在云上，向集约化的方向发展。

  目前，主流设备厂商单域控制器已基本成熟并在现网部署，各运营商需加紧开发、部署跨域跨厂商协同器，实现对网络的自主控制，也为将来传输网解耦做好准备。

  04 结束语

  随着业务需求的升级，传输网络下一步如何发展是每个运营商都面临的问题。本文提出将传输网络扁平化，全面引入ROADM来减少业务传输时延，缩短业务开通时间，同时，结合传输网络封闭的现状，提出骨干ROADM、区域ROADM、直达WDM协同承载的骨干传输网架构和省本一体化的省内传输网架构，以此作为近中期解决方案，支撑业务更好发展。但长远来看，推动光网络开放，构建解耦光网络，才更有意义。

  参考文献

  [1] 吕洪涛，肖家宾，臧志宏 . ROADM 技术的发展及应用趋势探讨 [J]. 邮电设计技术，2018(4)：7-11.

  [2] 黄铭锋，陆帅衡 . PeOTN 技术的大客户承载应用[J]. 通讯世界， 2019(8).

  [3] 黄康勇 . 基于块复用的 OTN 线路技术研究[J]. 电信技术，2019 (11).

  [4] 杨波，王晓媛，陈明华. 面向政企专线的承载方案和策略探讨[J]. 邮电设计技术，2017(9)：65-68.

  [5] 程功利，孙龙武. 分组增强型光传送网在政企专线中的应用探讨 [J]. 邮电设计技术，2019(3)：64-67.

  [6] 马亦然，CLARKE I. 使能全光网的 WSS 技术[J]. 电信科学，2019 (4)：41-46.

  [7] 刁兴玲. 全光网2.0时代全面开启 中国光通信产业链共绘宏伟蓝 图[J]. 通信世界，2019(17).

  [8] 郑波，杨伟，李乐坚，等 . 中国联通骨干传送网扁平化组网研究 [J]. 邮电设计技术，2018(10)：68-73.

  [9] 张鹏. 中国联通唐雄燕：聚焦企业客户构建SDN/NFV产业互联网 [J]. 通信世界，2016(33)

  作者简介：

  顾荣生，毕业于南京邮电大学，教授级高级工程师，工学学士，主要从事光传输网规划、 研究工作;

  尹祖新，毕业于哈尔滨工业大学，教授级高级工程师，硕士，主要从事光传输网规划、研究工作;

  王丽琼，毕业于北京邮电大学，高级工程师，硕士，主要从事光传输网规划、研究工作。