頻譜靈活光網絡應用策略研究

盧　曌，楊燕萍（ 中國通信建設集團設計院有限公司，西安 709； 中國通信建設集團第二工程局有限公司，西安 709）

頻譜靈活光網絡應用策略研究

盧曌1，楊燕萍2
（1 中國通信建設集團設計院有限公司，西安 710119；2 中國通信建設集團第二工程局有限公司，西安 710119）

本文敘述了頻譜靈活光網絡的特點、功能和設備技術要點，結合1Tbit/s傳輸系統應用，為其采用12.5GHz頻譜隙進行了信道帶寬分配，又通過對比各類路由頻譜分配算法和頻譜資源重構方式的效果，提出了實際應用中的選擇建議，然后結合當前網絡情況，從網絡層次、結構、承載顆粒等方面出發，分析和論證了頻譜靈活光網絡的應用場景，以便指導其在實踐中的具體應用和功能發揮。

頻譜靈活光網絡；頻譜隙承載帶寬分配；路由頻譜連續度；頻譜資源重構

1　頻譜靈活光網絡的概念和特點

為了滿足未來傳送平臺高速、高效、智能、統一的特點，彌合“帶寬—收益”剪刀差，降低OPEX和CAPEX；同時適應超100 Gbit/s WDM系統大規模應用的環境；頻譜靈活光網絡應運而生。它改變了傳統DWDM/ OTN系統采用剛性、固定的頻譜配置，且信道利用率低下的特點；能夠與業務、網絡發展完美融合，代表著光網絡技術的發展趨勢；它的應用具有里程碑式意義，目前已經走向實踐階段。

頻譜靈活光網絡是從頻域上劃分最小顆粒單元即頻率隙，根據業務需求分配一定數量的頻率隙組成鄰接的頻譜單元，實現動態路由、頻譜分配和調制方式靈活選擇等功能的全光網絡。主要特點如下。

（1）可以根據實際業務量配置光層帶寬，頻譜利用高。

（2）便于實現由多個信道組合而成的超級信道技術，以承載400 Gbit/s、1 Tbit/s及以上大顆粒業務。

（3）可以動態調整各項信道參數，適應業務變化、路由更改、靈活組網和高效承載等要求。

（4）可根據控制平面，自動計算路由和配置頻譜；并能夠進行頻譜碎片整理，進行網絡資源重構。

2　設備組成和技術選型

頻譜靈活光傳輸設備主要由可變帶寬的發射機、相干接收機和可變帶寬的光交換單元（BV-OXC）組成。

在發送端，為便于調整信號速率和調制格式，需要為發射機配置DSP和ADC模塊，可以根據光傳輸系統距離、非線性影響等因素選擇不同的碼型和調制格式，提高系統頻譜效率和調制靈活程度；同時滿足光信道保護倒換或路由變化等情況對信道參數的要求。

收稿日期：2015-10-09

頻譜靈活光傳輸系統承載的電路顆粒伸縮范圍大，為了保證信號的傳輸質量，接收端須采用相干接收。相干接收機配置DSP和ADC模塊，采用電域濾波和均衡等措施，補償線路側CD、PMD等線性損傷；并通過算法在電域對非線性效應進行估計和補償，同時完成頻偏估算和相位恢復等功能。此外由于信道分離可以在電域通過濾波實現，在DWDM系統中，可以靈活配置相鄰通道間隔，從而提高系統的頻譜利用率，這對超100 Gbit/s系統的發展具有重要意義。

圖1　可變帶寬的光交換單元結構示意圖

可變帶寬的光交換單元（BV-OXC）由波長選擇開關（WSS）和分合波器組成，其構成方式如圖1所示。

WSS是光交換單元的核心器件，用于將不同波長的光信號靈活交叉到任意一個線路端口，實現可重構功能。

目前支持頻譜靈活光網絡的WSS主要有液晶（LC）和硅基液晶（LCOS）兩種。其中LCOS技術成熟，支持顆粒度達到6.25 GHz，但功耗高、集成度差，難以實現規模商用；而LC技術支持12.5 GHz顆粒，滿足目前頻譜靈活光網絡的要求，但功耗只為LCOS的1/7，不需要溫控，且集成度高，是未來光網絡建設可以選擇的重要器件。隨著技術的發展，LC支持的頻譜柵格會逐漸減小，理論上支持的最小顆粒可以達到1～3 GHz。

圖2　Nyquist-WDM和OFDM調制基本原理示意圖

3　信道承載帶寬分配方式

為了支持超級信道和靈活頻譜交叉，2011年通過的ITU-T G.694.1修訂版中增加了DWDM靈活柵格的定義，靈活柵格以12.5 GHz為頻率隙，以193.1+n×0.00625 THz為中心頻率（n為整數），頻譜帶寬可以表示為12.5×m（m為正整數）；頻譜靈活光網絡可以通過改變m、n的大小實現不同中心頻率的可變帶寬分配。

對于400 Gbit/s和1 Tbit/s系統，傳統的50 GHz/ 100 GHz頻率間隔已經難以滿足承載帶寬和頻譜效率的要求，因此引入頻譜靈活系統來承載這些大顆粒業務就迫在眉睫了。下面我們以1 Tbit/s系統為例，針對各類信號調各方式配置所需要的帶寬。

1 Tbit/s系統實際速率需要增加20%的開銷，即單波道速率為1.2 Tbit/s。目前信號其調制技術選擇尚有一定爭議，但綜合考慮頻譜效率、信噪比、建設成本和技術可實施性等因素的影響，主流技術主要包括Nyquist-WDM和E/O-OFDM 兩種，這兩種調制方式都是通過減少信道間隔來提高頻譜效率，具體原理如圖2所示。

對于1 Tbit/s系統，傳輸距離小于1 000 km時，采用Nyquist-WDM/OFDM結合16QAM進行調制。傳輸距離為1 000～2 000 km時，采用Nyquist-WDM/OFDM結合QPSK進行調制。對這兩種調制方式均劃分5個和10個信道進行承載帶寬分配和對比，具體情況如表1所示。

通過表1可以看出，頻譜效率與傳輸距離之間的關系是相互此消彼長的，體現出一對相互制衡的矛盾，始終將OSNR和BER保持在容限之內。采用N×12.5 G Hz頻譜隙靈活配置帶寬后，頻譜效率與傳輸距離之間相互調節的階梯變小，使二者配合的更加密切，更便于調節傳輸信道，獲得高品質的傳輸質量。

經過Nyquist-WDM濾波整形，消除了子波長間的頻率間隔，頻譜效率很高，且與劃分子波長的數量無關。而對于OFDM調制方式，劃分的子波長越多頻譜效率越高，可以近似達到Nyquist-WDM調制的水平。在實際應用中，Nyquist-WDM和OFDM各有優勢，Nyquist-WDM頻譜效率略高，誤碼容限低，但OFDM借助DSP模塊和反向傅立葉變換，在不改變調制硬件的情況下，頻譜組合、調制方式更加靈活，更能適應帶寬彈性可變的要求。二者在1 Tbit/s或超1 Tbit/s系統的應用中各有千秋，應根據實際業務和網絡建設需求情況進行選擇。

表11　 Tbit/s系統Nyquist—WDM和OFDM調制信號承載帶寬分配方式表

4　路由頻譜分配方式特點及對比

隨著頻譜靈活光網絡逐漸應用，網絡資源實體也由波長向頻譜轉變，這時路由頻譜分配成為搭建傳輸路徑最關鍵的工作。路由頻譜分配主要指以自適應帶寬的方式，建立一條端到端光通路，并結合總體頻譜資源為其分配合適的頻譜參數。

目前路由頻譜分配主流算法包括3種，即最大鏈路頻譜連續度算法（MTLSC）、最大路徑頻譜連續度算法（MPSC）和最大重載鏈路頻譜連續度算法（MHLSC）。這3種算法的特點如下。

MTLSC算法站在具體鏈路的角度上分配頻譜，并考慮在整條路徑上每條鏈路的頻譜碎片情況，能夠保證所有鏈路的頻譜鄰接性，特別是在可選頻譜段落較多情況下，效果更為明顯。

MPSC算法是將信息經過的各條鏈路作為一個集合，以鏈路集合的“與”值為基礎，計算頻譜連續度，而不需要考慮到各條路徑的特點；雖然算法較MTLSC簡單，但可能會因此出現個別鏈路頻譜連續度低，存在較多的頻譜碎片的情況。

MHLSC算法只考慮路徑上負載最重的鏈路的頻譜連續度，算法最為簡單，但這種局部視角很可能導致其它鏈路發生阻塞。

具體路由算法和擁塞率的關系如圖3所示。

從圖3中可以看出，在業務量較小的情況下，3種算法的差別不大；但隨著網絡流量的增加，MHLSC的劣勢明顯的顯現出來，MPSC的效果也逐漸被MTLSC拉開差距；但當網絡負荷較重時，各路徑分別判斷和以路徑集合“與”值判斷出的頻譜連續度幾乎相同，其對頻譜擁塞率的影響也非常接近，這時MPSC和MTLSC算法的效果趨近等同。因此，MHLSC實用意義不大，而MTLSC和MPSC都可以作為路由頻譜分配的算法；MPSC計算較為簡單、快捷，但MTLSC計算更為全面、細致、精確，實際頻譜分配效率也略高于MPSC，故一般情況下優先選擇MTLSC作為全網的路由頻譜分配方法。

圖3　頻譜路由分配方法比較示意圖

5　頻譜資源重構方式特點及對比

在為業務分配了連續的頻譜后，空余的頻譜段落會不可避免的出現，這些段落一般處于較為凌亂的分布狀態，從而形成了頻譜碎片。為了提高頻譜效率，增加鏈路的可用度，需要重構這些頻譜資源，即對頻譜碎片進行重新規劃和整理，在不影響業務的前提下將業務的頻譜位置進行遷移，并將頻譜碎片整合成連續的頻譜，用于承載新的業務。

目前常用的頻譜重構算法有2種，即最大化路徑頻譜連通度算法（MPC）和路徑頻譜連通度觸發算法（PCT）。MPC算法的目的是針對局部網絡資源進行優化配置，使網絡能夠容納當前受阻塞業務。而PCT算法面向網絡全面優化，通過設定性能參數值來實時反映網絡性能，目前該性能參數定義為全網頻譜聯通度。當網絡頻譜聯通度低于預設的門限值時，觸發頻譜重構，即對全網資源統一優化、整理，提高網絡性能；當頻譜聯通度恢復到性能門限范圍內時，頻譜重構過程結束。這兩種頻譜重構方式對網絡擁塞的改善效果如圖4所示。

圖4　頻譜重構改善擁塞效果示意圖

對比這兩種算法，當業務量較高時，由于PCT算法具備統一調度、管理全網資源的機制優勢，其對擁塞度的改善程度優于MPC算法。而在業務量較低時，網絡中有足夠的資源為受損業務提供備用路徑，此時MPC算法具備一定優勢，且該算法計算簡單，對網絡的影響僅限于局部區域。因此這兩種算法均具備實用價值，應根據網絡規模、業務流量、節點維度等因素的要求，因地制宜的選擇適合的頻譜重構算法。

6　靈活頻譜光網絡應用場景分析

6.1 應用網絡層次分析

對于一干線來說，主要承載各省核心路由器/IDC之間的業務，電路方向和容量需求相對固定，對光域靈活交叉的需求不夠迫切；對于超100 Gbit/s顆粒，可以采用頻譜可變的光收發信機組成點對點系統，實現頻譜拼接和業務傳送。此外，目前一干1 500 km以上的電路占60%，而超100 Gbit/s 系統無電中繼的實際傳輸距離難以超過 1 200 km，加上ROADM多級級聯后的損傷、串擾等因素限制，實際應用中頻譜靈活光網絡難以發揮光層靈活調度、智能配置路由/頻譜的優勢。

對于二干來說，由于IP/IT化大潮的沖擊，業務顆粒迅速增大，加之IP與光層協同的要求，使二干對光層調度能力提出了較為迫切的要求。從技術實現角度看，目前一般省份二干單系統傳輸距離大多在1 200 km以內，即使在西部地區，傳輸距離超過1 200 km的系統也較少，即便超過也可以在個別節點采用電域再生的方式增加覆蓋面積，而不會過多增加建設投資。因此頻譜靈活光網絡適應二干系統的要求，能夠從實質上提高二干靈活調度和高效傳輸的能力。

本地網是目前電路增長最迅速，電路方向變化最頻繁的領域。現有本地網波分系統大多配置6.4 Tbit/s左右的電交叉矩陣，進行10 Gbit/s以下小顆粒業務的調度，而40 Gbit/s、100 Gbit/s等大顆粒業務則采用點對點方式傳送，難以滿足網絡和業務對調度靈活性的要求。頻譜靈活光網絡傳輸和交叉容量巨大，調度快捷方便，頻譜分配靈活，帶寬承載高效，且本地傳送網幾乎不存在傳輸距離限制的問題，因此其應用非常適合目前激烈競爭的市場環境，是本地網核心/匯聚層建設的上佳選擇。

6.2應用網絡結構分析

從網絡結構來看，在網絡連接復雜，節點維度眾多的網狀網中，頻譜靈活光網絡的傳輸效率更高，各項性能指標更優秀；這是因為節點維度多，可選路徑多，使路由頻譜的連續度更高，頻譜碎片更加分散，避免頻譜擁塞的可能性更大。同時基于光層的調度省去了電域的再生和交叉功能，使業務調度更加簡潔、靈活，設備造價更為低廉。

6.3承載業務顆粒分析

從承載顆粒來看，靈活的頻譜隙組合可以適應從10 Gbit/s～1 Tbit/s以上各類速率的業務，但頻譜靈活光網絡還處于起步階段，路由和頻譜重構算法尚未經過網絡運營的檢驗；且從控制頻譜碎片，減輕收發兩端DSP負荷和軟/硬件實現難度來說，目前頻譜靈活光傳輸系統更傾向于承載400 Gbit/s以上的大顆粒業務，這能夠有效減少頻譜碎片，使系統獲得更高的頻譜效率和更好的路由頻譜連續度。

6.4與SDN融合分析

頻譜靈活光網絡收發兩端都配置DSP模塊，適應系統設計參數可編程的要求，可以通過軟件設計適應各類傳輸信道的編碼、調制和解調模式，并動態調整系統所需要的載波數，同時由于路由頻譜計算和碎片整理的要求，頻譜靈活光網絡也需要設置控制平面，這些理念和SDN不謀而合，代表著未來光網絡的發展方向。

7　頻譜靈活光網絡的應用展望

隨著運營商對網絡高效承載、靈活調度和智能管理等功能的要求不斷提高，同時伴隨著光器件和路由頻譜算法的逐步成熟，頻譜靈活光網絡不止會由于其支持超級信道功能而僅僅應用于1 Tbit/s及以上系統；面對各類業務顆粒不等且帶寬彈性變化的情況，其調度靈活、頻率效率高、光層交叉靈活和建設成本低等優勢會得到淋漓盡致的發揮，應用場景必將廣泛擴展。

中國電信攜手華為惠普等廠商成功完成ETSI NFV PoC驗證

日前，中國電信聯合華為、惠普、趨勢科技及Intel共同開展的PoC（概念驗證）項目“高可用性虛擬EPC和SDN控制的業務鏈演示”成功完成，成功對虛擬EPC的可靠性以及基于SDN（軟件定義網絡）的智能業務鏈進行驗證，并通過ETSI NFV（網絡功能虛擬化）標準工作組評審。

本次驗證項目在中國電信廣州研究院網絡與終端實驗室進行，采用了華為vEPC、虛擬化業務鏈、MANO（管理和編排）系統及基于OpenStack的FusionSphere云操作系統，趨勢科技VAS（增值業務）等VNF（虛擬化網絡功能）軟件，惠普BladeSystem c7000服務器搭建跨廠商分層的NFV驗證環境。

本次驗證基于NFV應用6種典型業務場景，分兩個階段進行。

第一階段：vEPC應用的功能與可靠性驗證。測試驗證了基于OVS（開放虛擬交換標準）和SR-IOV（單根輸入/輸出虛擬化）技術的vEPC網元可實現靈活彈性伸縮，同時還著重驗證了vEPC在多個虛擬機間的容災備份、數據遷移，確保基礎設施的單點故障不影響用戶感知，為LTE核心網的虛擬化商用部署積累了寶貴經驗。

第二階段：基于華為智能業務鏈架構，驗證趨勢科技VAS第三方業務的虛擬化部署和靈活編排。此項驗證中，采用了業務鏈技術構建基于NFV/SDN的集成業務平臺，實現多VAS的靈活部署、動態擴縮容、個性化編排，充分證實了NFV可幫助電信運營商使能業務創新、縮短TTM（Time To Market）、加速ICT業務轉型。

本次PoC項目證明了移動網絡基于NFV基礎架構和Gi-LAN智能業務鏈的部署模式的技術可行性，并驗證了NFV通過軟硬件解耦可以實現網絡部署更加敏捷、業務更快上線的能力。中國電信正在積極進行面向互聯網應用的網絡架構演進頂層設計，NFV技術通過CT和IT的深度融合，可實現跨專業、跨網絡、跨廠家的協同，以及端到端自動化的業務編排和管理，將成為中國電信目標網絡重構的核心技術。 （摘自：C114中國通信網）

The application strategy research of spectrum flexible optical networks

LU Zhao1， YANG Yan-ping2
（1 China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.， Ltd.， Xi'an 710119， China； 2 China Intnamtional Telecommunication Construction Corporation， Xi'an 710119， China）

This paper describes the characteristics， capabilities and equipment technical points of the flexible bandwidth optical network， combined with 1 Tbit/s transmission system applications， using the 12.5 GHz spectrum gap to distribute the channel bandwidth， and through comparing various types of routing and spectrum allocation algorithm and the effect of spectrum resources reconstruction methods， presents practical application selection recommendations； Then combined with the current network situation，from the network level， structure， carrier particles， analysis and demonstrates the flexible bandwidth optical networks of application scenarios demonstrated， in order to guiding their specifi c applications and functions in practice play.

flexible bandwidth optical networks； carrier bandwidth allocation； routing spectrum for degrees；reconstruction of spectrum resources

TN929.5

A

1008-5599（2015）12-0077-06