靈活透明光網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)傳輸控制策略

摘要：靈活透明光網(wǎng)絡(luò)是傳送網(wǎng)的發(fā)展演進(jìn)方向之一。目前，智能傳送網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要用于選路與交換過(guò)程的控制，若在自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）架構(gòu)基礎(chǔ)上引入對(duì)傳送平面物理特性的智能控制功能，基于損傷感知對(duì)控制平面進(jìn)行功能擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)端到端傳輸質(zhì)量最優(yōu)化。傳輸自適應(yīng)的控制過(guò)程可以用可調(diào)節(jié)補(bǔ)償單元信息搜集、鏈路傳輸性能監(jiān)測(cè)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)計(jì)算、可調(diào)節(jié)補(bǔ)償單元控制等4個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。支持光通路自適應(yīng)傳輸過(guò)程的協(xié)議擴(kuò)展可采用分布式路由方案和分布式信令方案兩種解決方案。

關(guān)鍵詞：透明光網(wǎng)絡(luò)；靈活；損傷感知；自適應(yīng)傳輸

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2006AA01Z244)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60772022)

1 光網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)傳輸?shù)墓δ苄枨?/p>

自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)通過(guò)引入智能控制平面，實(shí)現(xiàn)了連接的快速建立與拆除能力[1-2]。對(duì)于傳送平面功能，傳統(tǒng)ASON仍然假設(shè)：“光通道的信號(hào)質(zhì)量都是有保證的，所有光纖鏈路具有標(biāo)準(zhǔn)的傳輸特性”。但是未來(lái)基于格網(wǎng)的靈活透明光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使得上述假設(shè)將不再可行[3-4]。

一方面，在透明傳送過(guò)程中，溫度變化、色散、偏振模色散以及增益抖動(dòng)等各種損傷的積累無(wú)法避免，這些對(duì)光信號(hào)質(zhì)量的傳輸都會(huì)造成嚴(yán)重劣化[5-6]；另一方面，隨著可重構(gòu)光分插復(fù)用設(shè)備(ROADM)等技術(shù)的成熟[7-10]，不可避免地使光路動(dòng)態(tài)拆建和路由機(jī)制更加復(fù)雜，光信號(hào)傳輸性能更加難以預(yù)測(cè)和評(píng)估。盡管已經(jīng)推出各種具有自適應(yīng)補(bǔ)償能力的器件來(lái)解決這一問(wèn)題[11-13]，但是目前主要采用局部自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方案，各調(diào)諧器件不了解彼此的補(bǔ)償狀態(tài)，缺乏協(xié)同工作能力，從而造成不必要的調(diào)節(jié)開銷。

根據(jù)動(dòng)態(tài)靈活這一客觀需求，未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)不但要能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需要自動(dòng)建立連接，而且還要根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)元參數(shù)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的物理傳輸性能[14]。如果說(shuō)ASON通過(guò)引入控制平面使得網(wǎng)絡(luò)在資源發(fā)現(xiàn)、路由計(jì)算和連接拆建等方面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，那么光網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)功能則是在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了傳送平面性能的自動(dòng)化控制與管理，從而有效保障業(yè)務(wù)的傳送質(zhì)量。因此，本文提出了在靈活透明光網(wǎng)絡(luò)中支持端到端傳輸質(zhì)量(QoT)優(yōu)化的自適應(yīng)傳輸?shù)乃枷搿?/p>

自適應(yīng)傳輸是指由于光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)、快速重路由以及外界環(huán)境溫度變化等使光信號(hào)質(zhì)量發(fā)生動(dòng)態(tài)改變時(shí)，傳送網(wǎng)可以通過(guò)實(shí)時(shí)的光信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備感知到這種變化，從整個(gè)端到端傳輸光路角度出發(fā)進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)光路中存在的物理資源如各種可調(diào)節(jié)補(bǔ)償設(shè)備的調(diào)節(jié)能力和受限條件如接收端光信噪比(OSNR)要求、光放大器的輸入輸出功率范圍等，傳送網(wǎng)需制定出光路中各可調(diào)諧補(bǔ)償器件的待調(diào)節(jié)量方案，從而主動(dòng)且快速地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中傳送平面的傳輸性能，使外界感知不到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的性能變化過(guò)程。

圖1給出了靈活透明光網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)傳輸?shù)氖疽鈭D，傳統(tǒng)的ASON控制平面已經(jīng)被擴(kuò)展為同時(shí)具有交換與傳輸控制功能的新平面，不僅保留了原有ASON的自動(dòng)連接建立和拆除功能，還新增加了對(duì)傳送平面物理性能的調(diào)節(jié)控制能力。

2 基于損傷感知的控制平面擴(kuò)展方案

目前的ASON網(wǎng)絡(luò)還沒有考慮光路物理?yè)p傷的影響，為了實(shí)現(xiàn)端到端傳輸質(zhì)量最優(yōu)化，我們對(duì)ASON控制平面進(jìn)行了功能擴(kuò)展，引入了4類功能模塊，如圖2所示[15]。

●信息搜集模塊：用于搜集光路中光器件的性能參數(shù)，如光發(fā)送/接收機(jī)、光放大器、可調(diào)色散補(bǔ)償器等。隨后把這些信息傳遞給全局傳輸鏈路信息庫(kù)；

●性能評(píng)估模塊：用于計(jì)算和分析光通道的物理性能，為端到端QoT優(yōu)化提供評(píng)估根據(jù)；

●補(bǔ)償預(yù)算計(jì)算模塊：當(dāng)光通道傳輸性能不能滿足信號(hào)傳輸性能要求時(shí)，根據(jù)已獲得的狀態(tài)信息和自適應(yīng)算法，計(jì)算出所有的可調(diào)諧器件的補(bǔ)償值；

●性能控制模塊：沿光路將性能補(bǔ)償參數(shù)傳遞給相應(yīng)的可調(diào)諧器件，隨后各可調(diào)諧單元根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)處理。

通過(guò)引入上述模塊到智能控制平面，傳輸平面中各可調(diào)節(jié)器件的物理性能，如調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)步長(zhǎng)等被收集并儲(chǔ)存進(jìn)了全局傳輸鏈路信息庫(kù)中，光路的性能也得到有效的監(jiān)測(cè)。當(dāng)光路動(dòng)態(tài)再組織或重路由，或者環(huán)境的溫度等發(fā)生變化的時(shí)候，鏈路的衰減和色散將隨之改變。當(dāng)目前的QoT不能滿足傳輸性能要求時(shí)，補(bǔ)償預(yù)算計(jì)算模塊將被激活，用以計(jì)算各可調(diào)節(jié)器件的補(bǔ)償參數(shù)，隨后這些參數(shù)被傳遞給相應(yīng)的補(bǔ)償器件。各補(bǔ)償器根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)傳輸性能的優(yōu)化。

當(dāng)前所使用的通用多協(xié)議標(biāo)記交換(GMPLS)信令協(xié)議同樣也要做出相應(yīng)的擴(kuò)展，用以包含傳輸鏈路信息，如：光路性能、可調(diào)諧器件的物理參數(shù)和補(bǔ)償預(yù)算等，從而更好的支持這種變化。和現(xiàn)有的各種依賴自適應(yīng)補(bǔ)償器件實(shí)現(xiàn)局部動(dòng)態(tài)性能調(diào)節(jié)方法相比，可以從更高層面對(duì)傳送平面的物理傳輸性能全局控制，避免了傳送平面本身在底層傳輸時(shí)的無(wú)意識(shí)調(diào)節(jié)，并且可充分利用網(wǎng)絡(luò)中各種可調(diào)諧器件(如可調(diào)色散補(bǔ)償器、變?cè)鲆婀夥糯笃鞯?的物理?yè)p傷補(bǔ)償能力，從而實(shí)現(xiàn)低開銷高性能的端到端動(dòng)態(tài)QoT優(yōu)化。

包含在全局傳輸信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的物理參數(shù)信息可通過(guò)離線測(cè)量方式得到。另外由于部分參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間或光路的建立和拆除而發(fā)生改變，因此數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息也需要通過(guò)性能監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，并可通過(guò)路由協(xié)議進(jìn)行周期泛洪(數(shù)百毫秒)。盡管通過(guò)監(jiān)測(cè)方式可以得到精確的光路傳輸性能，但是由于目前對(duì)光域信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不成熟，對(duì)于某些物理性能指標(biāo)還不能通過(guò)監(jiān)測(cè)方式得到，對(duì)此可通過(guò)合理的假設(shè)來(lái)評(píng)估這些參數(shù)信息。

3 自適應(yīng)傳輸?shù)目刂七^(guò)程分析

根據(jù)上述分析，本文設(shè)計(jì)了自適應(yīng)傳輸控制的基本流程。如圖3所示。傳輸自適應(yīng)的控制過(guò)程可以用可調(diào)節(jié)補(bǔ)償單元信息搜集、鏈路傳輸性能監(jiān)測(cè)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)計(jì)算、可調(diào)節(jié)補(bǔ)償單元控制等4個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。

●可調(diào)節(jié)補(bǔ)償單元信息搜集

光通信鏈路中通常都存在著不同的可調(diào)節(jié)補(bǔ)償單元來(lái)實(shí)現(xiàn)因衰減、色散以及非線性等物理?yè)p傷因素所引起的信號(hào)質(zhì)量劣化，這些可調(diào)節(jié)單元包括動(dòng)態(tài)增益均衡器、可調(diào)色散補(bǔ)償器等。可調(diào)節(jié)單元信息包括性能可調(diào)節(jié)參數(shù)，如補(bǔ)償精度、補(bǔ)償范圍等，以及補(bǔ)償器的工作狀態(tài)(是否正在進(jìn)行性能補(bǔ)償)，控制平面需要了解這些信息并根據(jù)各補(bǔ)償單元的補(bǔ)償能力來(lái)為其制定合理的補(bǔ)償指標(biāo)，達(dá)到從端到端優(yōu)化補(bǔ)償并最大限度減小補(bǔ)償開銷的目的。

●鏈路傳輸性能監(jiān)測(cè)

鏈路傳輸性能監(jiān)測(cè)結(jié)果是進(jìn)行自適應(yīng)傳輸性能調(diào)節(jié)的依據(jù)，利用分布在光傳輸系統(tǒng)各光交換節(jié)點(diǎn)、可調(diào)節(jié)單元以及光線路終端處的性能監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)光傳輸性能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和測(cè)量。通過(guò)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的傳輸性能參數(shù)閾值進(jìn)行對(duì)比，如果超出設(shè)定范圍，則進(jìn)行傳輸性能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，否則繼續(xù)性能監(jiān)測(cè)。這里的傳輸性能參數(shù)閾值可以通過(guò)軟件動(dòng)態(tài)設(shè)置，以滿足不同格式和速率的信號(hào)的傳輸質(zhì)量要求。另外通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備得到的最新物理參數(shù)信息也需實(shí)時(shí)匯總到全局傳輸信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，為下一步制定自適應(yīng)性能調(diào)節(jié)方案提供參考依據(jù)。

●自適應(yīng)調(diào)節(jié)計(jì)算

在自適應(yīng)調(diào)節(jié)計(jì)算階段，控制平面根據(jù)已經(jīng)獲取的可調(diào)節(jié)單元的狀態(tài)信息以及可調(diào)節(jié)限制條件(如調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)精度等)，并利用預(yù)先設(shè)計(jì)好的優(yōu)化算法制定出全局優(yōu)化調(diào)節(jié)方案，得到各可調(diào)節(jié)單元器件需要調(diào)節(jié)到的性能指標(biāo)要求。

●可調(diào)節(jié)單元控制

在可調(diào)節(jié)單元控制階段，根據(jù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)計(jì)算過(guò)程已經(jīng)計(jì)算得出的性能指標(biāo)要求，通過(guò)信令把需要這些指標(biāo)告知各可調(diào)節(jié)單元，各調(diào)節(jié)單元把該指標(biāo)作為目標(biāo)值，進(jìn)行性能調(diào)節(jié)，從而從整個(gè)系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)端到端的鏈路性能優(yōu)化。

4 自適應(yīng)傳輸?shù)姆植际絽f(xié)議實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，支持光通路自適應(yīng)傳輸過(guò)程的協(xié)議擴(kuò)展可采用兩種解決方案，即分布式路由方案和分布式信令方案。

在分布式路由方案中，為了收集和傳送各鏈路物理信息及流量工程(TE)屬性，需要對(duì)當(dāng)前開放最短路徑優(yōu)先(OSPF)-TE路由協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展。因此，每個(gè)控制平面節(jié)點(diǎn)(CPE)都構(gòu)建一個(gè)全局的網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫(kù)(NID)。

當(dāng)連接請(qǐng)求到達(dá)源網(wǎng)元時(shí)，選路和波長(zhǎng)分配(RWA)模塊根據(jù)自己的NID和連接請(qǐng)求中的約束條件計(jì)算出符合端到端光信號(hào)質(zhì)量的路由。然后提交給基于流量工程擴(kuò)展的資源預(yù)留協(xié)議(RSVP-TE)，由信令完成建路過(guò)程。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量不符合要求時(shí)，性能監(jiān)測(cè)模塊告知控制平面，由控制平面節(jié)點(diǎn)重新計(jì)算和調(diào)節(jié)物理參數(shù)，并通過(guò)信令分發(fā)給傳輸設(shè)備，完成可調(diào)器件設(shè)置。

在分布式信令方案中，當(dāng)前的路由協(xié)議不需要做改動(dòng)，各節(jié)點(diǎn)只需存有本地信息數(shù)據(jù)庫(kù)(LID)，在RSVP-TE信令協(xié)議中引入包含網(wǎng)絡(luò)物理傳輸參數(shù)的對(duì)象。

當(dāng)收到建路請(qǐng)求時(shí)，源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行源路由計(jì)算，然后由信令從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)收集各節(jié)點(diǎn)、相關(guān)鏈路、以及可調(diào)器件的物理參數(shù)；目的端引入光路評(píng)估模塊，結(jié)合物理參數(shù)對(duì)光路的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和估計(jì)；如果計(jì)算出的傳輸損傷沒有超過(guò)可容忍范圍，建立連接同時(shí)回送響應(yīng)消息至源節(jié)點(diǎn)；回送過(guò)程中，按照光路評(píng)估模塊的計(jì)算結(jié)果設(shè)置可調(diào)器件。

下面以分布式信令過(guò)程為例，給出一種用于動(dòng)態(tài)信息搜集和補(bǔ)償量分發(fā)的解決方案，如圖5所示。

在發(fā)送Path消息之前，光路中的每一處節(jié)點(diǎn)都會(huì)將其自身的當(dāng)前狀態(tài)性能參數(shù)值加入到Path消息中，用于升級(jí)物理參數(shù)信息。

在目的節(jié)點(diǎn)傳輸性能評(píng)估模塊檢查總的物理?yè)p傷值是否滿足可接收的傳輸質(zhì)量范圍(比如從光信噪比靈敏度、色度色散容限和累積非線性效應(yīng)等角度)。如果傳輸損傷不超出這一范圍，則允許建立該連接。并沿途反向發(fā)送攜帶資源配置信息的Resv消息到源節(jié)點(diǎn)；如果傳輸損傷超出這一范圍，但是可以通過(guò)可調(diào)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償使其滿足傳輸要求，就可以激活動(dòng)態(tài)傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)化功能并通過(guò)補(bǔ)償預(yù)算計(jì)算模塊確定沿途每個(gè)可調(diào)補(bǔ)償器的調(diào)整量。

然后利用Resv消息攜帶這些優(yōu)化調(diào)節(jié)量并分發(fā)給反向光路中各節(jié)點(diǎn)的可調(diào)補(bǔ)償器。如果所有節(jié)點(diǎn)收到可調(diào)補(bǔ)償器配置成功的確認(rèn)信息，則傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)化過(guò)程完成并且該光路允許被建立；否則，如果沒有合適的補(bǔ)償調(diào)節(jié)方案或者部分可調(diào)補(bǔ)償器調(diào)節(jié)失敗，那么此光路將會(huì)被拒絕并嘗試選擇新的路由來(lái)建立連接。因此，該機(jī)制可以保證接收端接收到的信號(hào)質(zhì)量在允許的性能范圍，不會(huì)引起嚴(yán)重誤碼。

5 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)具有波長(zhǎng)可透明傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，研究光路的損傷限制對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供可靠連接的影響有著顯著意義。目前智能傳送網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要支持光層選路與交換過(guò)程的控制，針對(duì)物理?yè)p傷問(wèn)題的考慮將成為光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。尤其是隨著各類可調(diào)諧光器件在網(wǎng)絡(luò)中的普及應(yīng)用，如何在線優(yōu)化它們的參數(shù)配置來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，還存在許多研究問(wèn)題需要解決。

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收稿日期：2008-05-26

作者簡(jiǎn)介

張杰，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主持和參加國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部重點(diǎn)項(xiàng)目10余項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)，完成ITU-T標(biāo)準(zhǔn)提案13篇、專著6部、SCI/EI論文50余篇，獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)2項(xiàng)、教學(xué)獎(jiǎng)1項(xiàng)、榮譽(yù)稱號(hào)2項(xiàng)。主要研究領(lǐng)域?yàn)樽赃m應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)、分組傳送光網(wǎng)絡(luò)。

張華，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院在讀博士研究生，研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)，已發(fā)表論文6篇。