智能光網絡中的自感知技術

    快速增長的互聯網業務對光網絡提出了越來越高的要求，同時也極大地促進了光網絡的發展。在光網絡發展的初期，光纖通信技術以高速率、大容量、長距離為導向目標，取得了長足的發展，成功地解決了指數增長的容量需求。但是，如圖1(a)所示[1]，這個時期的光網絡僅能提供點對點的大容量傳輸，通常稱其為第一代光網絡。與第一代的點對點光網絡相比，可以把21初發展起來的基于光線路交換的波長選路光網絡稱為第二代光網絡，如圖1(b)。第二代光網絡不僅能夠滿足對容量的巨大需求，由于光交換技術的引入還變得更為靈活和透明，可以通過對光網元中光器件的重新配置，在數據平面內不經過光/電/光轉換就可以直接在光層上實現對光波長通道的可重配置能力，支持對數據格式和協議的透明傳輸，同時也大大減少了硬件需求?；诠馔话l交換或光分組交換的第三代光網絡如圖1(c)所示，利用光波路由器作為網絡節點，直接在光層上對IP數據包或突發包進行交換和選路，不需要額外處理，充分發揮了光網絡的真正優勢，對光層提供的巨大帶寬具有更細粒度的快速可重配置能力。

 

    在光網絡的演進過程中，第一代光網絡雖然能夠提供充足的傳輸容量，但其智能化程度非常初級。第二代光網絡盡管開展了一些關于光網絡智能化的研究，比如自動交換光網絡，在傳統的傳送網中引入控制平面，使光網絡向著智能化的方向發展，但還遠遠不能滿足人們對光網絡智能化的需求。與第一和第二代光網絡相比，第三代光網絡具有更高的智能性和可重構能力，能夠更好地滿足以IP為代表的互聯網業務在帶寬提供上的動態性、靈活性和實時性需求。光網絡的自感知技術是從更高的層次對第三代光網絡的高度智能化進行研究，以實現對光網絡自身特性和接入業務的特征屬性進行自主感知，在此基礎上無需人工或網管干預，根據光網絡自身特性和業務特征屬性選擇相適應的光交換方式，完成自組織光選路，對光網絡的路由、交換、服務質量(QoS)、實時保護、動態恢復等方面進行自主控制，最終實現光網絡的自主優化、自主運行和自主管理。

    1自組織光網絡和自感知技術

    與“即插即用”的Wi-Fi無線局域網相比，現階段的光網絡仍然處于相對初級的發展階段。當通過Wi-Fi無線局域網訪問互聯網時，一般不用考慮頻率分配和無縫的路由切換，也不必關心在目前的信噪比條件下的最大傳輸速率；而現階段的光網絡以一種相對靜態的工作方式進行運行和維護，光節點和光鏈路參數都有嚴格的標準規范。但是，實際上影響光網絡性能的這些鏈路參數并非一成不變，一條光鏈路的可用性會受到許多物理因素的限制。隨著光網絡中單光纖信道數的增加和傳輸速率的增大，色散、偏振模色散、非線性效應等對光鏈路的可用性將會產生越來越嚴重的影響，環境溫度、壓力、器件老化、濾波器等器件中心波長的漂移等因素都會降低光鏈路的可用性，甚至會使得光鏈路變得不可用[2]。另外，先進的光器件和靈活的光交換技術也使得光網絡具有更強的動態可重構能力，在使光網絡越來越靈活高效地承載具有隨機性和突發性的IP業務的同時，也對光網絡自身的管理、控制、維護、安全等提出了挑戰。

    自感知技術在智能化的自組織光網絡中起著至關重要的作用，不僅僅是在監測到光信號的劣化和網絡故障時簡單地給出告警指示，而是需要智能地對光網絡所承載的業務特性、影響自身性能的各種物理參數和傳輸信號的質量、以及網絡拓撲變化和最佳可用路由等進行全方位感知，進而能夠為光網絡的資源優化提供充足的信息和依據。

    2物理層參數感知

    光網絡物理層參數感知可以分為兩大類：光信號特征感知和光信號質量感知[3]。光信號特征感知主要包括信號光譜(波長和光譜形狀)、光功率(平均功率和峰值功率)、光信噪比(OSNR)、定時抖動、放大器噪聲、色散、偏振模色散(一階和高階)、偏振相關損耗、光信號啁啾和相位特性、串擾、非線性散射效應、非線性效應等等，光信號質量感知主要包括誤碼率、Q值、眼圖、張開度、同步和異步幅度直方圖等能夠直接用于信號質量評估的參數。

    2.1光信號特征參數感知

    光功率、波長、波長間隔、OSNR等是最基本的描述物理層光信號的參數，對這些基本參數的監測感知已有大量研究[4-7]。文獻[7]是應用可調諧濾波器和高速電子器件對光信號基本參數進行監測，功能上相當于一個簡化的光譜分析儀，根據濾波器的調諧范圍可以對C波段、L波段、或C+L波段上對光信道的波長、功率和OSNR進行比較精確的監測，以實時掌握光網絡的基本參數，為光節點提供反饋的控制信息，對光網絡的性能進行優化。但是，這種監測機制的響應時間受濾波器調諧速度、光探測器響應速度和數據處理速度的限制，難以在光突發/分組網絡中得到應用。

    2.2光信號質量感知

    在全光網絡中，一條光通道由若干段點到點的光鏈路組成，業務從源節點全光地到達宿節點需要經過若干個中間光節點。隨著光網絡的動態性和靈活性的提高，原來在靜態光網絡中的路由選擇和波長指配將會變得非常頻繁，對實時性的要求也變得越來越高。為了保證被傳送業務的質量，首先需要對光通道上傳送的物理光信號質量進行感知和評估。

    誤碼率(BER)是評估光信號質量的最終指標，但是誤碼率是所有物理因素對光信號損傷的綜合體現，無法從中判斷究竟是由何種效應引起的誤碼。眼圖是在一個比特寬度內信號幅度的同步分布，是評估光信號質量的一個重要工具，從中可以獲得豐富的關于信號損傷的信息。獲得同步眼圖和幅度直方圖需要帶有時鐘提取的光接收機，而異步直方圖僅需要足夠的抽樣即可，不需要同步時鐘，對信號速率透明，且實現簡單，成本較低，是很有發展潛力的光信號質量感知技術[8- 9]。

    文獻[10]給出了一個典型的同步和異步觸發光信號眼圖及對應的信號幅度直方圖，在沒有時鐘提取的條件下，根據接收端的異步信號幅度直方圖可以對眼圖張開度、Q值和誤碼率等參數進行估算。異步和同步抽樣獲得的信號幅度直方圖的區別在于高電平和低電平之間的那些抽樣點數。在高電平和低電平之間的交叉區域，同步抽樣直方圖基本沒有計數，而異步抽樣直方圖有相應的計數。實際上，異步抽樣的幅度直方圖對色散、偏振模色散、OSNR等都有相當的敏感度，可以用來評估光信號的質量。文獻[11]利用異步抽樣的幅度直方圖的方法對通斷鍵控(OOK)和差分相移鍵控(DPSK)信號的Q值和OSNR進行監測。文獻[12]利用對光信號波形按照一定的時間間隔成對異步抽樣，獲得所謂的相位圖，可以實現對多個物理損傷因素的監測和感知。

    3光網絡狀態感知

    光網絡狀態主要包括網絡拓撲結構、鏈路狀況、路由分布等信息。由于網絡是隨時發生變化的，為了更靈活高效地承載業務，必須采集網絡的實時變化信息，根據這些信息來決定采用什么樣的優化策略。

    3.1光網絡拓撲和鏈路負載感知

    實際中的光網絡狀態是動態變化的，光網絡自身狀態感知的對象包括網絡中的節點和鏈路兩個方面，如節點數、節點狀態、鏈路連接、路由表、交換設備性能等狀態及占用情況等。網絡狀態的自感知可以通過監控每一個數據包的狀態獲得反饋信息，掌握網絡狀況和業務特征，進而對網絡參數的權重進行修改，為自主網絡控制提供條件。在反饋式的信息感知技術中，數據包到達網絡中的每一個節點后，都會向源路徑發送反饋信息，信息中包括需要采集的各種數據。上一級節點收到反饋信息，通過駐留的控制算法進行處理，然后控制本節點的動作，實現基于業務的網絡優化。

    網絡中采用最短路徑優先選路方式的出發點在于減小數據傳送時延和消耗的網絡資源，但這種方式容易引起某些鏈路的擁塞，造成網絡資源利用不公平。如果一條鏈路上承載的業務過多，當這條鏈路發生故障時將影響很多的業務。因此將業務分擔到多條路徑上可以減少這種風險，提高網絡的生存性。自組織光網絡中需要綜合考慮鏈路承載的業務流量和總業務量進行選路，充分利用網絡資源，進行有效的業務分擔，減小鏈路發生故障時對業務的影響。

    3.2基于物理參數感知的光網絡路由技術

    現有光網絡中的路由算法一般是基于最短路徑或者是某種QoS(時延、抖動、丟包率等)的約束算法，沒有考慮光鏈路物理狀態對所選光通道性能的影響。但是實際上，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點工作狀態的改變，可能會使得網絡層路由算法選擇的最優光通道不能滿足光信號質量要求，造成在該光通道上傳送業務的丟失。在物理層參數感知的基礎上，光網絡在應用路由算法進行光通道選擇時，需要同時以物理參數與光信號質量作為約束條件，判斷所選擇的光通道是否能滿足誤碼率要求[13]。

    圖2是基于物理參數感知的光網絡路由算法的流程[14]。當網絡層接收到光通道建立請求時，先會從所有可用資源中計算一條最優的光通道，然后在對物理層參數感知的基礎上對所選擇的光通道進行光信號質量評估，以判定該光通道的光信號質量是否滿足要求。若滿足則接納該光通道建立請求，不滿足則把該光通道標記為不可用，再對次優光通道進行光信號質量評估。如果計算出來的所有光通道都不滿足光信號質量要求，該光通道建立請求就會被阻塞。文獻[12]的仿真表明，與傳統最優路徑(BP)和首次匹配(FF)算法相比，采用基于物理層參數感知的路由算法有助于光通道建立請求的阻塞率降低。

    4業務屬性感知技術

    目前的光網絡作為承載網絡，對接入業務采取一視同仁的服務策略，雖然在上層可以采取業務分級或QoS的區分，但是光網絡作為底層傳送網絡并不能了解這些信息，因此可能會導致優先等級較高的業務在光網絡中并沒有得到相應優先級的傳送。為了更好地適應上層業務的傳送需求，光網絡有必要對接入業務的屬性進行自動感知，對不同傳送需求的業務采取不同的傳送策略，實現網絡資源的最優化。

    業務屬性包括業務統計參數服從的概率分布種類、業務流量、業務的QoS要求等，這些性能表征了接入業務的種類以及對光網絡傳送質量要求等信息，通過對這些性能的感知，可以為承載該業務的光網絡選擇最優傳輸、交換、路由等軟硬件配置提供參考依據。

    業務屬性感知可以分為3個步驟：業務流區分、業務流屬性提取、業務類型區分。業務屬性感知的過程是通過提取網絡中已知業務數據，通過訓練的方法獲得這些已知業務的協議指紋，而后利用這些已知的協議指紋去判斷網絡中未知業務屬性這一過程。

    5結束語

    光網絡的自感知技術是實現高度智能化的自組織光網絡的基礎，通過對光網絡自身特性及所承載業務屬性的感知，光網絡的運營、維護和管理將越來越不需要人工的干預。雖然目前光網絡的智能性尚十分有限，對自組織光網絡及其自感知理論和技術的研究尚處于探索階段，但是智能化將是光網絡的一個重要發展方向和努力目標，更加高效、動態、靈活的自組織光網絡將具有十分光明的發展前景。

    6參考文獻

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