弹性光网络（基础知识）

      这几天老师让看一些弹性光网络的文章，跟踪一些研究点，自己总结了一些资料。

一、光网络的发展：

传送网从准同步数字体系(Pseudo-synchronous DigitalHierarchy，PDH)发展到同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)、波分复用(Wavelength Division Multiplex，WDM)，再到分组传送网(Packet Transport Network，PTN)、光传送网(Open Transport Network，OTN)及自动交换光网络(Automatic Switch Optical Network，ASON)，光传输网已朝着大容量、智能化、IP化3个方向进行发展，但目前还没有1种技术具备全部这三个特点。不过可以预见，未来的传输技术，是向着具备这3个基本特点发展的。

SDH是现在主流的传输网技术，也是信息领域的研究热点。最初，为解决接入带宽不能满足用户需求和骨干网发展的问题，美国贝尔通信技术研究提出了同步光网络(SONET)，后来ITU-T接受了 SONET的概念。总的来说，SDH通过映射、定位和复用三步骤将不同速率的数字信号转换为标准的SDH帧结构，具有兼容性好、业务透明、可靠性高等优点。但是SDH技术也存在一些缺点，如有效性低、指针调制机制负责、安全性差等。尤其是安全性问题，由于SDH是集中式的，一旦中央控制节点发生故障，将不可避免的造成全网瘫疾。

OTN是以波分复用技术为基础的下一代骨干网传输技术。它具有组网灵活、大容量、较强的操作维护管理特点，同时具备提供40G、100G接入能力可应用于国家级和省级干线传送网、城域网和企业专有网络。相比于SDH技术，OTN增强了组网和保护能力，同时也具有兼容性好、透明度高和强大的运维管理能力等优点。经过多年的发展，OTN技术目前己趋于成熟，多数通信设备商一般都支持一种或多种类型的OTN设备。技术标准方面，ITU-T自1998年开始OTN系列标准制订，如今主要标准已基本完善。技术实施方面，目前美国和欧洲已有部分运营商开始应用OTN技术，例如美国的运营商Verizon、德国电信等都己建立了 G.709 OTN网络。国内的运营商也在进行重点研究。专家预计在未来几年OTN会得到大规模的发展。

PTN是在底层传输通道层（如SDH/以太网/OTN）和IP层之间的一个中间层，旨在以IP化的分组业务满足不同粒度、类型业务的要求，具有较高的可用性、可靠性和安全性，并具有QoS能力和带宽管理机制但目前PTN的商用化程度不高，国内只有中国移动进行规模使用，关于分组业务还存在PTN和路由器的路线争论。虽然PTN具有SDH系统的网管能力强、保护倒换功能强，缺点在于基于2层组网，不支持复杂的业务需求；路由器优点在于具有很强的组网能力，缺点在于网管能力弱、保护倒换机制不强。

传统光网络只包含传送平面和管理平面。ASON在此基础之上加入了控制平面，这种概念使传输、交换和数据网络结合在一起，可以实现真主的路由设置、端到端业务调度和网络自动恢复，即光网络的智能化。这种智能化的全自动交换的光网络具有灵活性和高可扩展性，可应用于国家级和省级骨干网、城域网和汇聚接入网等各层面。但ASON也有复杂度高、成本高等不足。

目前的传送网建设思路是：骨干层网络，由传统WDM建设过渡到OTN建设，汇聚层和边缘层，对现有多业务传送平台(Multi-ServiceTransport Platform，MSTP)设备进行有限的扩容及优化，满足业务需求，待技术成熟后，视情形引进PTN或其他技术。

二、弹性光网络的提出

IP数据业务对带宽的需求得越来越高，而IP业务本身的不确定性和不可预见性，也对网络带宽的动态分配越来越迫切，难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场的激烈竞争。光网络必须能够管理由WDM提供的巨大带宽容量，同时能够合理地指配用户业务，能够根据不同的用户需求提供不同QoS服务和业务类型。

随着因特网和视频等业务的爆炸式增长，如何提高频谱利用率已成为热门的研究课题。尽管传统的WDM网络在高速传输方面有很多优点，但是WDM网络缺点也比较明显。由于WDM网络是以固定大小的波长作为最小颗粒度给业务分配带宽。由于业务的多样性，WDM网络难以适应不同颗粒度的业务请求，导致频谱利用率偏低。如果业务请求带宽小于一个波长的容量时，我们不得不给其分配整个波长，而当业务请求带宽大于一个波长的容量时，我们又必须分配多个波长来承载该业务。由于业务需求数量和种类越来越复杂，业务多样性表现明显，我们在设计WDM网络时需要考虑到网络的鲁棒性、用户的公平性、网络的吞吐量等多方面因素，在这些因素之间根据需求做出衡量和比较，才能达成一个最为合理的分配结果。弹性光网络(SLICE, SpectrumSliced Elastic Optical Path Network )由此应运而生。弹性光网络不同于WDM网络之处在于：它可以根据业务的需求大小动态的给业务分配带宽，从而提高频谱利用率。

弹性光网络与WDM光网络相比有如下优势:

（1）可变颗粒度。由于WDM光网络的每个波长通道都具有较高速率，因此WDM光网络中的每个波长都能够提供较大带宽的颗粒度。然而波长上面的可用带宽往往远大于实际应用中业务的请求带宽。如果我们需要为每个低速业务都提供一条高速的专用波长，资源利用率显然很低且费用高，考虑到网络结点中光收发器数目和光纤中波长数目等限制，为每个业务连接请求都建立端到端的独立光路显得不太实际。而在弹性光网络能够为每个业务请求都提供可变颗粒度的带宽，它通过OFDM技术，光网络结点可以根据业务请求的大小，将业务信息调制到连续不同数量的OFDM载波上承载，从而实现了可变的颗粒度的带宽传输。

（2）超波长传输。在WDM光网络中，可以利用业务疏导技术将多个低速业务汇聚到一块，然后放在一个波长去传输；或者将高速业务分割成小块，由多个波长分别传输。这就是WDM光网络中的业务疏导。然而，由于WDM网络的设计，不同波长之间需要有保护带宽分隔开，称之为“频栅”。频栅的存在使得频谱利用率的提高遇到了瓶颈。在弹性光网络中，能够利用业务疏导技术，将多个业务汇聚到一块，经过调制器调制到连续的若千个OFDM载波形成超大波长（即承载多个业务的连续多个OFDM载波频隙，多个业务之间不需要保护带宽，且OFDM载波允许频谱有二分之一的重叠）去传输，减少了业务之间的保护带宽，从而进一步提高了频谱利用率。

如图1所示，假设现有三个业务，分别为20G的业务1， 10G的业务2以及120G的业务3。在传统的WDM网络中，将不得不给业务1分配40G的波长来传输，这将造成20G带宽的浪费，对于业务3，我们必须分配3个40G的波长，由于波长之间存在保护带宽，并且保护带宽无法用于承载业务，使得带宽资源无法充分利用；在弹性光网络中，假设每个经过OFDM技术调制产生的OFDM载波能承载10G大小的业务，对于业务1我们只需要2个载波来承载，对于120G的业务3，则可以用12个连续的载波汇聚成超大波长传输。弹性光网络不仅提供了可变粒度，而且消除了WDM网络中的频栅概念，使得像业务3这种大数据业务能够用一个大波长传输，节省了带宽资源。

弹性光网络的概念是相对于WDM网络不能动态变化而提出的，弹性光网络中的弹性包括两层含义：

第一层含义是指相对于WDM网络的固定频谱分割机制，弹性光网络采用的频谱分割机制是灵活可变的。

第二层含义是指弹性光网络中采用的带宽转换器（Bandwidth Variable Transponder, BVT）能建立弹性的光路径，即对于同一条端到端的光路径可根据实际连接环境和连接需求采用不同的比特率以达到高频谱效率。

研究点：

频谱灵活光网络实现了高效频谱资源利用率、适应动态带宽调整、灵活调度业务占用频谱资源以及整理业务传输速度与调制格式，给未来高灵活、高效率、高能效的全光网络带来了希望。然而，频谱灵活光网络中精细的频谱粒度导致频谱的复杂状态，从而加剧了频谱资源分配与优化技术的复杂性。与传统波长路由光网络相比，频谱灵活全光网在频谱资源分配与优化方面的关键问题主要表现在以下几个方面（如下三个研究点）。

网络频谱资源描述方法

频谱灵活全光网络采用精细频谱粒度的组合来实现可变带宽业务的承载。由于在业务建立过程中必须满足频谱连续性与邻接性的双重约束条件，网络中不可避免的产生频谱碎片现象，从而加剧了频谱状态的复杂性。传统WDM全光网络中网络资源模型基于波长颗粒度，不存在“资源碎片”问题，不再适用于频谱灵活全光网络。针对频谱灵活光网络中所特有的频谱碎片现象，如何描述新一代网络中频谱资源状态势在必行。针对频谱灵活全光网中资源切片粒度小以及状态复杂多样的特点，基于承载业务必须满足的频谱连续性和频谱邻接性双重约束条件，分析频谱碎片对网络性能的影响，描述由于业务需求多样化造成的频谱资源状态杂乱程度。高效合理的频谱资源描述方法综合考虑频谱状态复杂、业务带宽各异以及频谱连续性和频谱邻接性双重约束条件的频谱分配特点，为路径及频谱分配计算、频谱重构提供理论模型。

路由计算及频谱资源分配策略

随着光网络向着灵活栅格的方向发展，网络资源的实体由波长向着频谱的转变，使得资源管理与调控问题的复杂性明显提高，网络状态的描述参数种类增加，导致其不确定性显著突出，网络控制与管理的难度较WDM波分复用网络来讲发生了质的改变。路由和频谱分配问题(Routing and Spectrum Assignment，RSA) ，即以自适应业务带宽需求方式建立一条端到端的光路径并为其分配合适的通信参数，是频谱灵活全光网中一项非常重要的问题。与传统波长交换光网络相似，在频谱灵活光网络的管理和控制技术中也存在波长一致性的要求，并且，通常来说，RSA问题也被分为两个子问题：R-路由计算问题和SA-频谱分配问题。但是与之不同的是，这种波长一致性要求与传统的RWA问题相比更加严格。无波长变换能力的WDM网络中的RWA计算只需满足一个约束条件，即遵循波长一致性约束条件。相对比，RSA计算需满足频谱连续性和频谱邻接性双重约束条件。这种双重约束条件使得传统的RWA计算方法不在适用于RSA计算。并且，与之相比，频谱灵活光网络中的RSA问题更加复杂并更具挑战性。

频谱重构策略

在频谱灵活光网络动态运行过程中，由于动态业务的预留与释放的随机性，一段时间后网络各链路资源会处于一种杂乱状态，频谱资源不连续性引发频谱资源碎片。如果不对这些空闲的频谱碎片进行整理，那么由于频谱分配过程中必须满足频谱连续性和频谱邻接性的双重限制，较小的频谱碎片资源难以被利用，同时新的频谱碎片又不断生成，网络资源利用率将受到威胁，引发网络服务质量下降。

因此，有必要对已经杂乱的频谱碎片进行重新规划和整理，在不影响业务带宽需求的前提下将业务的频谱位置进行迁移与整合，通过一定的技术手段将频谱碎片整合成连续的频谱资源，使频谱碎片资源可以被新到来的业务所使用，从而减少对频谱资源的浪费。通过针对网络频谱资源优化的频谱重构机制，可实现动态探测网络资源，动态感知频谱资源状态，灵活及时调度业务的频谱资源，有规划有目的地整理杂乱的频谱资源。因此，基于频谱重构的资源优化成为频谱灵活全光网络的关键问题之一，其研究点主要包含三个方面：

1）频谱重构的判决机制；

2）频谱碎片调度与整理算法；

3）频谱重构的效益评估机制；

 

参考文献：

[1]王颖. 频谱灵活全光网中资源分配与优化关键技术研究[D]. 北京邮电大学, 2012.

[2]Jinno M, Takara H, Kozicki B, et al. Spectrum-efficient and scalable elastic optical path network: architecture, benefits, and enabling technologies[J]. Communications Magazine, IEEE, 2009, 47(11): 66-73.