灵活透明光网络的自适应传输控制策略

基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(863计划)(2006AA01Z244)；国家自然科学基金资助项目(60772022)

1 光网络自适应传输的功能需求
    自动交换光网络(ASON)通过引入智能控制平面，实现了连接的快速建立与拆除能力[1-2]。对于传送平面功能，传统ASON仍然假设：“光通道的信号质量都是有保证的，所有光纤链路具有标准的传输特性”。但是未来基于格网的灵活透明光网络应用使得上述假设将不再可行[3-4]。
一方面，在透明传送过程中，温度变化、色散、偏振模色散以及增益抖动等各种损伤的积累无法避免，这些对光信号质量的传输都会造成严重劣化[5-6]；另一方面，随着可重构光分插复用设备(ROADM)等技术的成熟[7-10]，不可避免地使光路动态拆建和路由机制更加复杂，光信号传输性能更加难以预测和评估。尽管已经推出各种具有自适应补偿能力的器件来解决这一问题[11-13]，但是目前主要采用局部自适应调节的方案，各调谐器件不了解彼此的补偿状态，缺乏协同工作能力，从而造成不必要的调节开销。

    根据动态灵活这一客观需求，未来光网络不但要能够根据业务需要自动建立连接，而且还要根据实际网络运行状况自适应地调整网元参数、优化网络的物理传输性能[14]。如果说ASON通过引入控制平面使得网络在资源发现、路由计算和连接拆建等方面实现了自动化，那么光网络的自适应功能则是在此基础上，进一步实现了传送平面性能的自动化控制与管理，从而有效保障业务的传送质量。因此，本文提出了在灵活透明光网络中支持端到端传输质量(QoT)优化的自适应传输的思想。

    自适应传输是指由于光网络的动态重构、快速重路由以及外界环境温度变化等使光信号质量发生动态改变时，传送网可以通过实时的光信号质量监测设备感知到这种变化，从整个端到端传输光路角度出发进行调节。根据光路中存在的物理资源如各种可调节补偿设备的调节能力和受限条件如接收端光信噪比(OSNR)要求、光放大器的输入输出功率范围等，传送网需制定出光路中各可调谐补偿器件的待调节量方案，从而主动且快速地调整网络中传送平面的传输性能，使外界感知不到网络内部的性能变化过程。

    图1给出了灵活透明光网络中自适应传输的示意图，传统的ASON控制平面已经被扩展为同时具有交换与传输控制功能的新平面，不仅保留了原有ASON的自动连接建立和拆除功能，还新增加了对传送平面物理性能的调节控制能力。

2 基于损伤感知的控制平面扩展方案
    目前的ASON网络还没有考虑光路物理损伤的影响，为了实现端到端传输质量最优化，我们对ASON控制平面进行了功能扩展，引入了4类功能模块，如图2所示[15]。

• 信息搜集模块：用于搜集光路中光器件的性能参数，如光发送/接收机、光放大器、可调色散补偿器等。随后把这些信息传递给全局传输链路信息库；
• 性能评估模块：用于计算和分析光通道的物理性能，为端到端QoT优化提供评估根据；
• 补偿预算计算模块：当光通道传输性能不能满足信号传输性能要求时，根据已获得的状态信息和自适应算法，计算出所有的可调谐器件的补偿值；
• 性能控制模块：沿光路将性能补偿参数传递给相应的可调谐器件，随后各可调谐单元根据这些参数进行自动调节处理。
  

    通过引入上述模块到智能控制平面，传输平面中各可调节器件的物理性能，如调节范围、调节步长等被收集并储存进了全局传输链路信息库中，光路的性能也得到有效的监测。当光路动态再组织或重路由，或者环境的温度等发生变化的时候，链路的衰减和色散将随之改变。当目前的QoT不能满足传输性能要求时，补偿预算计算模块将被激活，用以计算各可调节器件的补偿参数，随后这些参数被传递给相应的补偿器件。各补偿器根据这些参数进行自动调节，从而实现传输性能的优化。

    当前所使用的通用多协议标记交换(GMPLS)信令协议同样也要做出相应的扩展，用以包含传输链路信息，如：光路性能、可调谐器件的物理参数和补偿预算等，从而更好的支持这种变化。和现有的各种依赖自适应补偿器件实现局部动态性能调节方法相比，可以从更高层面对传送平面的物理传输性能全局控制，避免了传送平面本身在底层传输时的无意识调节，并且可充分利用网络中各种可调谐器件(如可调色散补偿器、变增益光放大器等)的物理损伤补偿能力，从而实现低开销高性能的端到端动态QoT优化。

    包含在全局传输信息数据库中的物理参数信息可通过离线测量方式得到。另外由于部分参数会随着时间或光路的建立和拆除而发生改变，因此数据库中的信息也需要通过性能监测方式进行动态更新，并可通过路由协议进行周期泛洪(数百毫秒)。尽管通过监测方式可以得到精确的光路传输性能，但是由于目前对光域信号监测技术的不成熟，对于某些物理性能指标还不能通过监测方式得到，对此可通过合理的假设来评估这些参数信息。

3 自适应传输的控制过程分析
    根据上述分析，本文设计了自适应传输控制的基本流程。如图3所示。传输自适应的控制过程可以用可调节补偿单元信息搜集、链路传输性能监测、自适应调节计算、可调节补偿单元控制等4个步骤来实现。

• 可调节补偿单元信息搜集
  光通信链路中通常都存在着不同的可调节补偿单元来实现因衰减、色散以及非线性等物理损伤因素所引起的信号质量劣化，这些可调节单元包括动态增益均衡器、可调色散补偿器等。可调节单元信息包括性能可调节参数，如补偿精度、补偿范围等，以及补偿器的工作状态(是否正在进行性能补偿)，控制平面需要了解这些信息并根据各补偿单元的补偿能力来为其制定合理的补偿指标，达到从端到端优化补偿并最大限度减小补偿开销的目的。
• 链路传输性能监测
  链路传输性能监测结果是进行自适应传输性能调节的依据，利用分布在光传输系统各光交换节点、可调节单元以及光线路终端处的性能监测设备，实现光传输性能参数的实时监视和测量。通过测量得到的数据与预先设定的传输性能参数阈值进行对比，如果超出设定范围，则进行传输性能动态调节，否则继续性能监测。这里的传输性能参数阈值可以通过软件动态设置，以满足不同格式和速率的信号的传输质量要求。另外通过监测设备得到的最新物理参数信息也需实时汇总到全局传输信息数据库中，为下一步制定自适应性能调节方案提供参考依据。
• 自适应调节计算
  在自适应调节计算阶段，控制平面根据已经获取的可调节单元的状态信息以及可调节限制条件(如调节范围、调节精度等)，并利用预先设计好的优化算法制定出全局优化调节方案，得到各可调节单元器件需要调节到的性能指标要求。
• 可调节单元控制
  在可调节单元控制阶段，根据自适应调节计算过程已经计算得出的性能指标要求，通过信令把需要这些指标告知各可调节单元，各调节单元把该指标作为目标值，进行性能调节，从而从整个系统层面实现端到端的链路性能优化。
  

4 自适应传输的分布式协议实现
    如图4所示，支持光通路自适应传输过程的协议扩展可采用两种解决方案，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，为了收集和传送各链路物理信息及流量工程(TE)属性，需要对当前开放最短路径优先(OSPF)-TE路由协议进行扩展。因此，每个控制平面节点(CPE)都构建一个全局的网络信息数据库(NID)。

    当连接请求到达源网元时，选路和波长分配(RWA)模块根据自己的NID和连接请求中的约束条件计算出符合端到端光信号质量的路由。然后提交给基于流量工程扩展的资源预留协议(RSVP-TE)，由信令完成建路过程。当发现信号质量不符合要求时，性能监测模块告知控制平面，由控制平面节点重新计算和调节物理参数，并通过信令分发给传输设备，完成可调器件设置。
在分布式信令方案中，当前的路由协议不需要做改动，各节点只需存有本地信息数据库(LID)，在RSVP-TE信令协议中引入包含网络物理传输参数的对象。

    当收到建路请求时，源节点进行源路由计算，然后由信令从源节点到目的节点收集各节点、相关链路、以及可调器件的物理参数；目的端引入光路评估模块，结合物理参数对光路的性能进行评价和估计；如果计算出的传输损伤没有超过可容忍范围，建立连接同时回送响应消息至源节点；回送过程中，按照光路评估模块的计算结果设置可调器件。

    下面以分布式信令过程为例，给出一种用于动态信息搜集和补偿量分发的解决方案，如图5所示。

    在发送Path消息之前，光路中的每一处节点都会将其自身的当前状态性能参数值加入到Path消息中，用于升级物理参数信息。

    在目的节点传输性能评估模块检查总的物理损伤值是否满足可接收的传输质量范围(比如从光信噪比灵敏度、色度色散容限和累积非线性效应等角度)。如果传输损伤不超出这一范围，则允许建立该连接。并沿途反向发送携带资源配置信息的Resv消息到源节点；如果传输损伤超出这一范围，但是可以通过可调设备进行补偿使其满足传输要求，就可以激活动态传输质量优化功能并通过补偿预算计算模块确定沿途每个可调补偿器的调整量。

    然后利用Resv消息携带这些优化调节量并分发给反向光路中各节点的可调补偿器。如果所有节点收到可调补偿器配置成功的确认信息，则传输质量优化过程完成并且该光路允许被建立；否则，如果没有合适的补偿调节方案或者部分可调补偿器调节失败，那么此光路将会被拒绝并尝试选择新的路由来建立连接。因此，该机制可以保证接收端接收到的信号质量在允许的性能范围，不会引起严重误码。

5 结束语
    未来光网络具有波长可透明传输的特点，研究光路的损伤限制对网络提供可靠连接的影响有着显著意义。目前智能传送网的协议标准主要支持光层选路与交换过程的控制，针对物理损伤问题的考虑将成为光网络发展的重要趋势之一。尤其是随着各类可调谐光器件在网络中的普及应用，如何在线优化它们的参数配置来改善网络的传输性能，还存在许多研究问题需要解决。

6 参考文献

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收稿日期：2008-05-26

[摘要] 灵活透明光网络是传送网的发展演进方向之一。目前，智能传送网的协议标准主要用于选路与交换过程的控制，若在自动交换光网络（ASON）架构基础上引入对传送平面物理特性的智能控制功能，基于损伤感知对控制平面进行功能扩展，可以实现端到端传输质量最优化。传输自适应的控制过程可以用可调节补偿单元信息搜集、链路传输性能监测、自适应调节计算、可调节补偿单元控制等4个步骤来实现。支持光通路自适应传输过程的协议扩展可采用分布式路由方案和分布式信令方案两种解决方案。

[关键词] 透明光网络；灵活；损伤感知；自适应传输

[Abstract] Agile and transparent optical network is one of the significant directions for the evolution of Optical Transport Network (OTN). Presently, the protocol of smart transport network is mainly used on the control of routing and switching processes. A smart control function for the physical characteristics of transport plane is proposed based on the architecture of Automatically Switched Optical Network (ASON). Expanding the control plane functions considering physical impairments could realize the optimization of end-to-end transmission. The basic control procedure of adaptive transmission includes four steps: searching the information of adjustable compensated unit, monitoring the transmission of link, adjusting and calculating adaptively, and controlling the adjustable compensated unit. There are two solutions to expand the protocol that supports lightpath adaptive transmission, distributed routers solution, and distributed signals solution.

[Keywords] transparent optical network; agility; impairment awareness; adaptive transmission