《電子技術(shù)應(yīng)用》
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頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中基于帶寬壓縮的柔性保護(hù)技術(shù)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
李晨曦1,劉英挺1,毛 杰1,潘 瑩2,金紫蓮2,趙永利2
1. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司， 甘肅 蘭州730050； 2. 北京郵電大學(xué)， 北京1008
摘要： 頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中，為了降低業(yè)務(wù)保護(hù)路徑上所需的資源，提出基于可控調(diào)制階數(shù)的業(yè)務(wù)帶寬壓縮機(jī)制，根據(jù)業(yè)務(wù)的等級(jí)對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行靈活的柔性保護(hù)，提高網(wǎng)絡(luò)的生存性。仿真結(jié)果表明，當(dāng)路徑上的頻譜資源不足以恢復(fù)受損業(yè)務(wù)時(shí)，采用柔性保護(hù)技術(shù)在保證一定信號(hào)質(zhì)量的前提下，可以降低業(yè)務(wù)傳輸所需的帶寬，提高受損業(yè)務(wù)的恢復(fù)率。
中圖分類號(hào)： TN917.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)06-0106-03
Soft protection based on bandwidth compression in flexible spectrum optical networks
Li Chenxi1， Liu Yingting1， Mao Jie1，Pan Ying2， Jin Zilian2， Zhao Yongli2
1. State Grid Gansu Information & Telecommunication Company, Lanzhou 730050, China;2. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
Abstract： In order to minimize operational resources needed to protect the path, based on the controllable modulation order, a service bandwidth compression mechanism is proposed, according to the level of the business operations for flexible soft protection to improve network survivability in flexible spectrum optical networks. Simulation results show that when the path spectrum resources are insufficient to restore the damaged business, under the premise of guaranting the business signal quality, the usage of soft protection technology reduce the transmission bandwidth required and improve the recovery rate of damaged businesses.
Key words : flexible spectrum optical networks; spectrum resource allocation; modulation order; soft protection

       在頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中，通過采用正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)、帶寬可變光分插復(fù)用器BV-ROADM(Bandwidth Variable ROADM)技術(shù)、帶寬可變波長(zhǎng)選擇開關(guān)BV-WSS(Bandwidth Variable Wavelength Selective Switch)技術(shù)等，能夠基于一定的策略動(dòng)態(tài)地為不同粒度的端到端的業(yè)務(wù)選擇合適的調(diào)制格式，動(dòng)態(tài)地為業(yè)務(wù)分配相應(yīng)合適的資源,從而提高了網(wǎng)絡(luò)中資源的利用率和業(yè)務(wù)傳輸速率[1]。網(wǎng)絡(luò)處在重負(fù)荷的情況下，一旦出現(xiàn)故障，受損的業(yè)務(wù)將會(huì)因?yàn)橘Y源不足受到影響而無法繼續(xù)通信，網(wǎng)絡(luò)的生存性受到極大的挑戰(zhàn)。因此，在頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該盡可能降低業(yè)務(wù)保護(hù)路徑上所需的資源，根據(jù)業(yè)務(wù)的等級(jí)對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行靈活的柔性保護(hù)，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的生存性[2]。

        傳統(tǒng)的波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)以波長(zhǎng)為粒度進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳輸需求小于一段波長(zhǎng)的容量時(shí)，仍會(huì)通過分配全部波長(zhǎng)來滿足該需求，造成頻譜資源的浪費(fèi)。頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)利用光正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，將數(shù)據(jù)分布到若干子載波上進(jìn)行傳輸。靈活譜利用全光網(wǎng)絡(luò)給業(yè)務(wù)分配連續(xù)子載波，此處子載波相對(duì)于傳統(tǒng)波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)粒度更小，能更好地匹配大小不同的業(yè)務(wù)傳輸，提高頻譜利用率，降低阻塞率。

        本文提出頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中一種基于帶寬壓縮的業(yè)務(wù)恢復(fù)算法，解決了受損業(yè)務(wù)由于網(wǎng)絡(luò)帶寬不足而無法恢復(fù)的問題?；?a class="innerlink" href="http://m.ihrv.cn/tags/調(diào)制階數(shù)" title="調(diào)制階數(shù)" target="_blank">調(diào)制階數(shù)可控的壓縮業(yè)務(wù)帶寬機(jī)制，在保證一定信號(hào)質(zhì)量的前提下，盡可能地降低業(yè)務(wù)傳輸所需的帶寬，提高受損業(yè)務(wù)的恢復(fù)率。

1 頻譜分配

        隨著光網(wǎng)絡(luò)向靈活柵格的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)資源由波長(zhǎng)向頻譜的轉(zhuǎn)變，頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)在獲得高資源利用率和靈活性的同時(shí)給網(wǎng)絡(luò)的管理帶來了更高的要求。網(wǎng)絡(luò)在建路成功后要對(duì)路徑進(jìn)行資源分配，因此資源分配算法的優(yōu)劣直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能，頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法主要包括隨機(jī)分配算法、首次命中算法和最佳適應(yīng)算法。

2 調(diào)制階數(shù)

        定義調(diào)制階數(shù)為傳輸中每個(gè)符號(hào)所承載的比特?cái)?shù)。圖1是提高調(diào)制階數(shù)的示例，工作路徑中業(yè)務(wù)使用QPSK調(diào)制方式，每個(gè)符號(hào)2 bit，共使用4個(gè)子載波。網(wǎng)絡(luò)資源不足進(jìn)行業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)，備用路徑中業(yè)務(wù)使用16QAM調(diào)制方式，每個(gè)符號(hào)4 bit，共使用2個(gè)子載波。

3 基于調(diào)制階數(shù)可控業(yè)務(wù)帶寬壓縮機(jī)制

        隨著業(yè)務(wù)量增加，光纖故障會(huì)導(dǎo)致大量業(yè)務(wù)受損，由于傳統(tǒng)算法無法滿足業(yè)務(wù)恢復(fù)的帶寬需求，將大大降低恢復(fù)的成功率，基于帶寬壓縮的業(yè)務(wù)恢復(fù)算法，通過提高調(diào)制階數(shù)的方式，使用恢復(fù)路由策略進(jìn)一步壓縮通道間的保護(hù)帶寬，提高資源的利用效率，在保證一定的信號(hào)質(zhì)量的前提下，盡可能壓縮業(yè)務(wù)本身所需帶寬，進(jìn)一步降低阻塞率，有效提高業(yè)務(wù)恢復(fù)成功率[3]。

        基于可控調(diào)制階數(shù)業(yè)務(wù)帶寬壓縮機(jī)制通過犧牲一定的傳輸信號(hào)質(zhì)量，有效提高受損業(yè)務(wù)的恢復(fù)成功率，信號(hào)質(zhì)量的降低可以通過差錯(cuò)控制編碼等方式進(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)。由于調(diào)制階數(shù)越高，信號(hào)傳輸質(zhì)量越差，在實(shí)際傳輸時(shí)，必須對(duì)調(diào)制階數(shù)進(jìn)行一定控制，不能無限制的調(diào)高。為了在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)該方案，提出了兩個(gè)新的控制信息參數(shù)[3]：

        (1)最高調(diào)制階數(shù)：最高調(diào)制階數(shù)代表在資源不足情況下，業(yè)務(wù)進(jìn)行恢復(fù)時(shí)所能接受的最高調(diào)制階數(shù)。越高的調(diào)制階數(shù)在實(shí)際傳輸時(shí)信號(hào)的質(zhì)量越差，因此不能無限制地提高調(diào)制階數(shù)。

        (2)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)：業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)為需要對(duì)同一鏈路上的某些業(yè)務(wù)進(jìn)行壓縮帶寬時(shí)，高等級(jí)業(yè)務(wù)優(yōu)先獲得較高的傳輸質(zhì)量，即優(yōu)先對(duì)低等級(jí)業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬壓縮。

        該策略在對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行恢復(fù)時(shí)減少了恢復(fù)路徑所需要的帶寬，更為有效地利用了頻譜資源。在網(wǎng)絡(luò)遇到大型故障有大量業(yè)務(wù)需要進(jìn)行恢復(fù)時(shí)，該方案能對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存性有很大的提高。

4 柔性保護(hù)技術(shù)

        業(yè)務(wù)恢復(fù)技術(shù)是光網(wǎng)絡(luò)生存性的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了進(jìn)一步提高光網(wǎng)絡(luò)的生存性，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后，對(duì)受損業(yè)務(wù)重新請(qǐng)求路由計(jì)算與資源分配，恢復(fù)業(yè)務(wù)的傳輸。最常見的做法是，避開故障發(fā)生位置，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行重新選路和分配資源，一旦網(wǎng)絡(luò)中資源不足，受損業(yè)務(wù)將無法得到及時(shí)恢復(fù)。因此，如何解決受損業(yè)務(wù)由于網(wǎng)絡(luò)帶寬不足而無法恢復(fù)的問題，是光網(wǎng)絡(luò)多層網(wǎng)絡(luò)生存性研究的重點(diǎn)之一。

        出現(xiàn)故障業(yè)務(wù)(或受損業(yè)務(wù))時(shí)，故障業(yè)務(wù)所需帶寬超過網(wǎng)絡(luò)剩余資源，利用頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制階數(shù)可控的特點(diǎn)，壓縮業(yè)務(wù)本身所需要的帶寬對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行柔性保護(hù)。圖2是柔性保護(hù)技術(shù)的示意圖。在網(wǎng)絡(luò)中有AC、BC和AD三個(gè)業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)AD的帶寬需求是20個(gè)子載波，使用的調(diào)制方式為QPSK。在光纖AC、BC上由于存在已有業(yè)務(wù)，剩余可用資源均為10個(gè)子載波。假設(shè)在A和D節(jié)點(diǎn)間的光纖出現(xiàn)故障，A和D間的業(yè)務(wù)受到影響需要啟用其保護(hù)路徑及資源，業(yè)務(wù)將倒換到保護(hù)路徑A-C-D。如果使用常規(guī)的1+1保護(hù)方式，網(wǎng)絡(luò)中不存在擁有足夠帶寬的路徑供故障業(yè)務(wù)進(jìn)行保護(hù)。通過改變調(diào)制方式，調(diào)整AC業(yè)務(wù)以16-QAM調(diào)制方式，所需帶寬壓縮至10個(gè)子載波，可以通過備用路徑A-C-D進(jìn)行對(duì)業(yè)務(wù)的保護(hù)。

        當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制方式時(shí)，業(yè)務(wù)傳輸?shù)男旁氡葘l(fā)生變化，調(diào)高調(diào)制階數(shù)，將導(dǎo)致信噪比降低，相應(yīng)的傳輸距離也將減小。因此，當(dāng)進(jìn)行柔性保護(hù)，靈活調(diào)節(jié)調(diào)制方式、壓縮保護(hù)資源所占用的帶寬時(shí)，是以損失一定的信號(hào)質(zhì)量和傳輸距離的減小為代價(jià)。因此，在本文中討論的柔性保護(hù)技術(shù)在距離可接受的范圍內(nèi)，并以此為背景進(jìn)行仿真分析。

5 仿真及結(jié)果分析

        在仿真中，設(shè)置三種業(yè)務(wù)等級(jí)：最高等級(jí)的業(yè)務(wù)在保護(hù)路徑上分配資源時(shí)不進(jìn)行帶寬壓縮，保證其信號(hào)質(zhì)量；第二等級(jí)的業(yè)務(wù)在保護(hù)路徑上分配資源時(shí)改變調(diào)制格式，提高一階，表現(xiàn)在帶寬上是占用資源為原來的一半；第三等級(jí)的業(yè)務(wù)在分配保護(hù)資源時(shí)則提高兩階調(diào)制格式，占用資源壓縮為原來的四分之一。這樣通過根據(jù)業(yè)務(wù)等級(jí)進(jìn)行靈活保護(hù)的方式既保證了關(guān)鍵任務(wù)的順利進(jìn)行和其在遭遇故障時(shí)的保護(hù)，也保證了一定的業(yè)務(wù)通過率。仿真過程采用的拓?fù)鋱D是SMALLNET，故障類型采用鏈路型故障,業(yè)務(wù)量從20等差增加到260 Erlang。在相同情況下對(duì)1+1保護(hù)和柔性保護(hù)進(jìn)行分析比較。

        由圖3可知，傳統(tǒng)的1+1保護(hù)，隨著業(yè)務(wù)量逐漸增大，保護(hù)成功率將降低到40%左右;但是，采用柔性保護(hù)時(shí)，可以很明顯地看到，業(yè)務(wù)的保護(hù)成功率趨于90%左右，較1+1保護(hù)要高出很多，而且隨著業(yè)務(wù)量的增加，保護(hù)成功率趨于平穩(wěn)，保證大部分業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。故障個(gè)數(shù)為1時(shí)，兩種保護(hù)方式的阻塞率相差不大;故障個(gè)數(shù)為2時(shí)，柔性保護(hù)的阻塞率要明顯小于1+1保護(hù)的阻塞率。隨著業(yè)務(wù)量的增大，柔性保護(hù)的阻塞率增長(zhǎng)比1+1保護(hù)時(shí)要緩慢。

        柔性保護(hù)技術(shù)在對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行保護(hù)時(shí)減少了保護(hù)路徑所需要的帶寬，更為有效地利用了頻譜資源。在網(wǎng)絡(luò)遇到大型故障有大量業(yè)務(wù)需要進(jìn)行保護(hù)時(shí)，該方案能對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存性能有很大的提高。

        本文針對(duì)頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，基于調(diào)制階數(shù)可控帶寬壓縮的業(yè)務(wù)恢復(fù)算法，結(jié)合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)特性，對(duì)業(yè)務(wù)恢復(fù)算法進(jìn)行研究。從基于調(diào)制階數(shù)可控這個(gè)方面，提出了一種基于帶寬壓縮的柔性保護(hù)技術(shù)，通過提高調(diào)制階數(shù)的方式，盡可能壓縮業(yè)務(wù)恢復(fù)所需帶寬，有效地提高了業(yè)務(wù)恢復(fù)成功率。

參考文獻(xiàn)

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