智能光網(wǎng)絡(luò)中的自感知技術(shù)

摘要：現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)雖然已經(jīng)能夠提供充足的傳輸容量，但其智能性仍然處于非常初級(jí)的階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足具有隨機(jī)性和突發(fā)性IP業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的需求。光網(wǎng)絡(luò)的自感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化自組織光網(wǎng)絡(luò)的首要條件。自組織光網(wǎng)絡(luò)作為各種業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)，不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)感知光鏈路物理參數(shù)、光信號(hào)質(zhì)量、光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼版溌坟?fù)載等光網(wǎng)絡(luò)自身特性，還需要感知所承載業(yè)務(wù)的屬性及其對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的傳送需求(延時(shí)、抖動(dòng)、丟包率等)，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高效靈活的“即插即用”自組織光網(wǎng)絡(luò)提供充足的信息。

關(guān)鍵詞：智能光網(wǎng)絡(luò)；自組織；自感知；物理層參數(shù)感知；光網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知；業(yè)務(wù)屬性感知

快速增長(zhǎng)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)提出了越來(lái)越高的要求，同時(shí)也極大地促進(jìn)了光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的初期，光纖通信技術(shù)以高速率、大容量、長(zhǎng)距離為導(dǎo)向目標(biāo)，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，成功地解決了指數(shù)增長(zhǎng)的容量需求。但是，如圖1(a)所示[1]，這個(gè)時(shí)期的光網(wǎng)絡(luò)僅能提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的大容量傳輸，通常稱(chēng)其為第一代光網(wǎng)絡(luò)。與第一代的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光網(wǎng)絡(luò)相比，可以把21初發(fā)展起來(lái)的基于光線路交換的波長(zhǎng)選路光網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為第二代光網(wǎng)絡(luò)，如圖1(b)。第二代光網(wǎng)絡(luò)不僅能夠滿足對(duì)容量的巨大需求，由于光交換技術(shù)的引入還變得更為靈活和透明，可以通過(guò)對(duì)光網(wǎng)元中光器件的重新配置，在數(shù)據(jù)平面內(nèi)不經(jīng)過(guò)光/電/光轉(zhuǎn)換就可以直接在光層上實(shí)現(xiàn)對(duì)光波長(zhǎng)通道的可重配置能力，支持對(duì)數(shù)據(jù)格式和協(xié)議的透明傳輸，同時(shí)也大大減少了硬件需求。基于光突發(fā)交換或光分組交換的第三代光網(wǎng)絡(luò)如圖1(c)所示，利用光波路由器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，直接在光層上對(duì)IP數(shù)據(jù)包或突發(fā)包進(jìn)行交換和選路，不需要額外處理，充分發(fā)揮了光網(wǎng)絡(luò)的真正優(yōu)勢(shì)，對(duì)光層提供的巨大帶寬具有更細(xì)粒度的快速可重配置能力。

在光網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)過(guò)程中，第一代光網(wǎng)絡(luò)雖然能夠提供充足的傳輸容量，但其智能化程度非常初級(jí)。第二代光網(wǎng)絡(luò)盡管開(kāi)展了一些關(guān)于光網(wǎng)絡(luò)智能化的研究，比如自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)，在傳統(tǒng)的傳送網(wǎng)中引入控制平面，使光網(wǎng)絡(luò)向著智能化的方向發(fā)展，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)光網(wǎng)絡(luò)智能化的需求。與第一和第二代光網(wǎng)絡(luò)相比，第三代光網(wǎng)絡(luò)具有更高的智能性和可重構(gòu)能力，能夠更好地滿足以IP為代表的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在帶寬提供上的動(dòng)態(tài)性、靈活性和實(shí)時(shí)性需求。光網(wǎng)絡(luò)的自感知技術(shù)是從更高的層次對(duì)第三代光網(wǎng)絡(luò)的高度智能化進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)自身特性和接入業(yè)務(wù)的特征屬性進(jìn)行自主感知，在此基礎(chǔ)上無(wú)需人工或網(wǎng)管干預(yù)，根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)自身特性和業(yè)務(wù)特征屬性選擇相適應(yīng)的光交換方式，完成自組織光選路，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的路由、交換、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、實(shí)時(shí)保護(hù)、動(dòng)態(tài)恢復(fù)等方面進(jìn)行自主控制，最終實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的自主優(yōu)化、自主運(yùn)行和自主管理。

1 自組織光網(wǎng)絡(luò)和自感知技術(shù)

與“即插即用”的Wi-Fi無(wú)線局域網(wǎng)相比，現(xiàn)階段的光網(wǎng)絡(luò)仍然處于相對(duì)初級(jí)的發(fā)展階段。當(dāng)通過(guò)Wi-Fi無(wú)線局域網(wǎng)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，一般不用考慮頻率分配和無(wú)縫的路由切換，也不必關(guān)心在目前的信噪比條件下的最大傳輸速率；而現(xiàn)階段的光網(wǎng)絡(luò)以一種相對(duì)靜態(tài)的工作方式進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)，光節(jié)點(diǎn)和光鏈路參數(shù)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。但是，實(shí)際上影響光網(wǎng)絡(luò)性能的這些鏈路參數(shù)并非一成不變，一條光鏈路的可用性會(huì)受到許多物理因素的限制。隨著光網(wǎng)絡(luò)中單光纖信道數(shù)的增加和傳輸速率的增大，色散、偏振模色散、非線性效應(yīng)等對(duì)光鏈路的可用性將會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越嚴(yán)重的影響，環(huán)境溫度、壓力、器件老化、濾波器等器件中心波長(zhǎng)的漂移等因素都會(huì)降低光鏈路的可用性，甚至?xí)沟霉怄溌纷兊貌豢捎肹2]。另外，先進(jìn)的光器件和靈活的光交換技術(shù)也使得光網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)能力，在使光網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越靈活高效地承載具有隨機(jī)性和突發(fā)性的IP業(yè)務(wù)的同時(shí)，也對(duì)光網(wǎng)絡(luò)自身的管理、控制、維護(hù)、安全等提出了挑戰(zhàn)。

自感知技術(shù)在智能化的自組織光網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，不僅僅是在監(jiān)測(cè)到光信號(hào)的劣化和網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)簡(jiǎn)單地給出告警指示，而是需要智能地對(duì)光網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)特性、影響自身性能的各種物理參數(shù)和傳輸信號(hào)的質(zhì)量、以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓妥罴芽捎寐酚傻冗M(jìn)行全方位感知，進(jìn)而能夠?yàn)楣饩W(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化提供充足的信息和依據(jù)。

2 物理層參數(shù)感知

光網(wǎng)絡(luò)物理層參數(shù)感知可以分為兩大類(lèi)：光信號(hào)特征感知和光信號(hào)質(zhì)量感知[3]。光信號(hào)特征感知主要包括信號(hào)光譜(波長(zhǎng)和光譜形狀)、光功率(平均功率和峰值功率)、光信噪比(OSNR)、定時(shí)抖動(dòng)、放大器噪聲、色散、偏振模色散(一階和高階)、偏振相關(guān)損耗、光信號(hào)啁啾和相位特性、串?dāng)_、非線性散射效應(yīng)、非線性效應(yīng)等等，光信號(hào)質(zhì)量感知主要包括誤碼率、Q值、眼圖、張開(kāi)度、同步和異步幅度直方圖等能夠直接用于信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的參數(shù)。

2.1 光信號(hào)特征參數(shù)感知

光功率、波長(zhǎng)、波長(zhǎng)間隔、OSNR等是最基本的描述物理層光信號(hào)的參數(shù)，對(duì)這些基本參數(shù)的監(jiān)測(cè)感知已有大量研究[4-7]。文獻(xiàn)[7]是應(yīng)用可調(diào)諧濾波器和高速電子器件對(duì)光信號(hào)基本參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，功能上相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)化的光譜分析儀，根據(jù)濾波器的調(diào)諧范圍可以對(duì)C波段、L波段、或C+L波段上對(duì)光信道的波長(zhǎng)、功率和OSNR進(jìn)行比較精確的監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)掌握光網(wǎng)絡(luò)的基本參數(shù)，為光節(jié)點(diǎn)提供反饋的控制信息，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行優(yōu)化。但是，這種監(jiān)測(cè)機(jī)制的響應(yīng)時(shí)間受濾波器調(diào)諧速度、光探測(cè)器響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理速度的限制，難以在光突發(fā)/分組網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。

2.2 光信號(hào)質(zhì)量感知

在全光網(wǎng)絡(luò)中，一條光通道由若干段點(diǎn)到點(diǎn)的光鏈路組成，業(yè)務(wù)從源節(jié)點(diǎn)全光地到達(dá)宿節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)若干個(gè)中間光節(jié)點(diǎn)。隨著光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和靈活性的提高，原來(lái)在靜態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中的路由選擇和波長(zhǎng)指配將會(huì)變得非常頻繁，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也變得越來(lái)越高。為了保證被傳送業(yè)務(wù)的質(zhì)量，首先需要對(duì)光通道上傳送的物理光信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行感知和評(píng)估。

誤碼率(BER)是評(píng)估光信號(hào)質(zhì)量的最終指標(biāo)，但是誤碼率是所有物理因素對(duì)光信號(hào)損傷的綜合體現(xiàn)，無(wú)法從中判斷究竟是由何種效應(yīng)引起的誤碼。眼圖是在一個(gè)比特寬度內(nèi)信號(hào)幅度的同步分布，是評(píng)估光信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要工具，從中可以獲得豐富的關(guān)于信號(hào)損傷的信息。獲得同步眼圖和幅度直方圖需要帶有時(shí)鐘提取的光接收機(jī)，而異步直方圖僅需要足夠的抽樣即可，不需要同步時(shí)鐘，對(duì)信號(hào)速率透明，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，是很有發(fā)展?jié)摿Φ墓庑盘?hào)質(zhì)量感知技術(shù)[8- 9]。

文獻(xiàn)[10]給出了一個(gè)典型的同步和異步觸發(fā)光信號(hào)眼圖及對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度直方圖，在沒(méi)有時(shí)鐘提取的條件下，根據(jù)接收端的異步信號(hào)幅度直方圖可以對(duì)眼圖張開(kāi)度、Q值和誤碼率等參數(shù)進(jìn)行估算。異步和同步抽樣獲得的信號(hào)幅度直方圖的區(qū)別在于高電平和低電平之間的那些抽樣點(diǎn)數(shù)。在高電平和低電平之間的交叉區(qū)域，同步抽樣直方圖基本沒(méi)有計(jì)數(shù)，而異步抽樣直方圖有相應(yīng)的計(jì)數(shù)。實(shí)際上，異步抽樣的幅度直方圖對(duì)色散、偏振模色散、OSNR等都有相當(dāng)?shù)拿舾卸龋梢杂脕?lái)評(píng)估光信號(hào)的質(zhì)量。文獻(xiàn)[11]利用異步抽樣的幅度直方圖的方法對(duì)通斷鍵控(OOK)和差分相移鍵控(DPSK)信號(hào)的Q值和OSNR進(jìn)行監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[12]利用對(duì)光信號(hào)波形按照一定的時(shí)間間隔成對(duì)異步抽樣，獲得所謂的相位圖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)物理?yè)p傷因素的監(jiān)測(cè)和感知。

3 光網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知

光網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)主要包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鏈路狀況、路由分布等信息。由于網(wǎng)絡(luò)是隨時(shí)發(fā)生變化的，為了更靈活高效地承載業(yè)務(wù)，必須采集網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)變化信息，根據(jù)這些信息來(lái)決定采用什么樣的優(yōu)化策略。

3.1 光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌坟?fù)載感知

實(shí)際中的光網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，光網(wǎng)絡(luò)自身狀態(tài)感知的對(duì)象包括網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和鏈路兩個(gè)方面，如節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、鏈路連接、路由表、交換設(shè)備性能等狀態(tài)及占用情況等。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的自感知可以通過(guò)監(jiān)控每一個(gè)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)獲得反饋信息，掌握網(wǎng)絡(luò)狀況和業(yè)務(wù)特征，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的權(quán)重進(jìn)行修改，為自主網(wǎng)絡(luò)控制提供條件。在反饋式的信息感知技術(shù)中，數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，都會(huì)向源路徑發(fā)送反饋信息，信息中包括需要采集的各種數(shù)據(jù)。上一級(jí)節(jié)點(diǎn)收到反饋信息，通過(guò)駐留的控制算法進(jìn)行處理，然后控制本節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

網(wǎng)絡(luò)中采用最短路徑優(yōu)先選路方式的出發(fā)點(diǎn)在于減小數(shù)據(jù)傳送時(shí)延和消耗的網(wǎng)絡(luò)資源，但這種方式容易引起某些鏈路的擁塞，造成網(wǎng)絡(luò)資源利用不公平。如果一條鏈路上承載的業(yè)務(wù)過(guò)多，當(dāng)這條鏈路發(fā)生故障時(shí)將影響很多的業(yè)務(wù)。因此將業(yè)務(wù)分擔(dān)到多條路徑上可以減少這種風(fēng)險(xiǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的生存性。自組織光網(wǎng)絡(luò)中需要綜合考慮鏈路承載的業(yè)務(wù)流量和總業(yè)務(wù)量進(jìn)行選路，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)行有效的業(yè)務(wù)分擔(dān)，減小鏈路發(fā)生故障時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)的影響。

3.2 基于物理參數(shù)感知的光網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)中的路由算法一般是基于最短路徑或者是某種QoS(時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等)的約束算法，沒(méi)有考慮光鏈路物理狀態(tài)對(duì)所選光通道性能的影響。但是實(shí)際上，由于放大器噪聲或殘留色散的累積等物理限制因素，或者是光鏈路和光節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的改變，可能會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)層路由算法選擇的最優(yōu)光通道不能滿足光信號(hào)質(zhì)量要求，造成在該光通道上傳送業(yè)務(wù)的丟失。在物理層參數(shù)感知的基礎(chǔ)上，光網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用路由算法進(jìn)行光通道選擇時(shí)，需要同時(shí)以物理參數(shù)與光信號(hào)質(zhì)量作為約束條件，判斷所選擇的光通道是否能滿足誤碼率要求[13]。

圖2是基于物理參數(shù)感知的光網(wǎng)絡(luò)路由算法的流程[14]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層接收到光通道建立請(qǐng)求時(shí)，先會(huì)從所有可用資源中計(jì)算一條最優(yōu)的光通道，然后在對(duì)物理層參數(shù)感知的基礎(chǔ)上對(duì)所選擇的光通道進(jìn)行光信號(hào)質(zhì)量評(píng)估，以判定該光通道的光信號(hào)質(zhì)量是否滿足要求。若滿足則接納該光通道建立請(qǐng)求，不滿足則把該光通道標(biāo)記為不可用，再對(duì)次優(yōu)光通道進(jìn)行光信號(hào)質(zhì)量評(píng)估。如果計(jì)算出來(lái)的所有光通道都不滿足光信號(hào)質(zhì)量要求，該光通道建立請(qǐng)求就會(huì)被阻塞。文獻(xiàn)[12]的仿真表明，與傳統(tǒng)最優(yōu)路徑(BP)和首次匹配(FF)算法相比，采用基于物理層參數(shù)感知的路由算法有助于光通道建立請(qǐng)求的阻塞率降低。

4 業(yè)務(wù)屬性感知技術(shù)

目前的光網(wǎng)絡(luò)作為承載網(wǎng)絡(luò)，對(duì)接入業(yè)務(wù)采取一視同仁的服務(wù)策略，雖然在上層可以采取業(yè)務(wù)分級(jí)或QoS的區(qū)分，但是光網(wǎng)絡(luò)作為底層傳送網(wǎng)絡(luò)并不能了解這些信息，因此可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先等級(jí)較高的業(yè)務(wù)在光網(wǎng)絡(luò)中并沒(méi)有得到相應(yīng)優(yōu)先級(jí)的傳送。為了更好地適應(yīng)上層業(yè)務(wù)的傳送需求，光網(wǎng)絡(luò)有必要對(duì)接入業(yè)務(wù)的屬性進(jìn)行自動(dòng)感知，對(duì)不同傳送需求的業(yè)務(wù)采取不同的傳送策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)化。

業(yè)務(wù)屬性包括業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)服從的概率分布種類(lèi)、業(yè)務(wù)流量、業(yè)務(wù)的QoS要求等，這些性能表征了接入業(yè)務(wù)的種類(lèi)以及對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳送質(zhì)量要求等信息，通過(guò)對(duì)這些性能的感知，可以為承載該業(yè)務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)選擇最優(yōu)傳輸、交換、路由等軟硬件配置提供參考依據(jù)。

業(yè)務(wù)屬性感知可以分為3個(gè)步驟：業(yè)務(wù)流區(qū)分、業(yè)務(wù)流屬性提取、業(yè)務(wù)類(lèi)型區(qū)分。業(yè)務(wù)屬性感知的過(guò)程是通過(guò)提取網(wǎng)絡(luò)中已知業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)訓(xùn)練的方法獲得這些已知業(yè)務(wù)的協(xié)議指紋，而后利用這些已知的協(xié)議指紋去判斷網(wǎng)絡(luò)中未知業(yè)務(wù)屬性這一過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

光網(wǎng)絡(luò)的自感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高度智能化的自組織光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)自身特性及所承載業(yè)務(wù)屬性的感知，光網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和管理將越來(lái)越不需要人工的干預(yù)。雖然目前光網(wǎng)絡(luò)的智能性尚十分有限，對(duì)自組織光網(wǎng)絡(luò)及其自感知理論和技術(shù)的研究尚處于探索階段，但是智能化將是光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要發(fā)展方向和努力目標(biāo)，更加高效、動(dòng)態(tài)、靈活的自組織光網(wǎng)絡(luò)將具有十分光明的發(fā)展前景。

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收稿日期：2008-05-26

作者簡(jiǎn)介

王宏祥，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院講師。博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，主要研究領(lǐng)域?yàn)樽越M織光網(wǎng)絡(luò)與全光標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)。先后主持和參加國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目、教育部重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目近10項(xiàng)，已發(fā)表論文30多篇，其中被SCI/EI檢索20余篇。