損傷感知的光鏈路傳輸質量優化控制研究

程鑠，趙冬巖，田晶

（東北石油大學 電子科學學院，黑龍江 大慶　163318）

損傷感知的光鏈路傳輸質量優化控制研究

程鑠，趙冬巖，田晶

（東北石油大學 電子科學學院，黑龍江 大慶163318）

為了優化光網絡中光信號傳輸質量，文中針對靈活透明的波長交換光網絡中傳輸信號物理損傷問題，將光鏈路作為控制研究對象，采用控制反饋系統確定光放大器的調節量，進而優化光信噪比和光網絡信號傳輸質量。本文采用Optisystem和MATLAB軟件對光鏈路進行仿真研究，基于控制調整手段優化光網絡信號傳輸質量。仿真結果表明，引入控制技術可以動態優化光信噪比，提高光鏈路的傳輸質量。

光傳輸網絡；傳輸質量；ASON；物理層損傷

隨著人們對于光網絡的容量、業務類型的不斷需求，大容量、靈活動態的全光網絡成為光網絡發展的必然趨勢［1］。隨著光網絡傳輸的不斷透明化和智能化，如何提高光網絡傳輸質量等問題成為人們研究的熱點。近年來，國內外研究者針對光網絡傳輸中遇到的傳輸損傷、傳輸質量無法保證的問題進行研究，其中物理損傷問題［2］、傳輸質量評估技術［3］、光網絡傳輸質量優化智能控制技術［4-5］等都是優化光網絡傳輸質量、改善光網絡傳輸性能的熱門話題。Pavel等人通過博弈論的方法提出一個用于優化光網絡光信噪比（OSNR）的架構［6］。基于對效用函數的合理假設，他們獲得了納什均衡的唯一條件和明確的表達式。基于信道參數的分散反饋，他們提出了一個迭代的光網絡功率控制算法來優化信道光信噪比，結果表明，該算法收斂于納什均衡。Yan Pan等人［7］從系統性能的角度研究光網絡中的光信噪比（OSNR）優化問題。在確定所有信道的光信噪比（OSNR）指標后，他們使用障礙函數，將原始約束系統優化問題轉換為無約束優化問題，并且通過分布式迭代算法求解系統優化問題，從而對光信噪比（OSNR）進行優化。人們正在不斷的完善、優化光網絡的各項技術，以實現靈活透明的全光網絡。

1　光網絡的發展及現狀

光網絡的發展過程可以分為三代。第一代光網絡是同步光網絡/同步數字體系（SONET/SDH）網絡，該網絡通過電處理器進行數據交換和處理操作。同步光網絡/同步數字體系（SONET/SDH）網絡在主要網絡節點之間提供固定的、已配置的、幾乎為非智能的服務。因此第一代光網絡缺乏靈活性，不能充分地利用網絡資源，不能動態、高速的傳輸數據。第二代光網絡是光傳送網（OTN），它是經過第一代光網絡發展后的新一代傳輸技術。通過光傳送網（OTN），我們可以在光層上傳送業務信號，且保證其性能指標。光網絡的資源利用率和帶寬利用率得到了顯著的提高［8］。光傳送網（OTN）是一種光電結合的、由不透明傳輸向透明傳輸發展的中間技術。第三代全光網絡將會滿足人們對于帶寬容量和傳輸速率的需求［9］，信號的傳輸和交換全部在光域中進行，不需要進行光電轉換。全光網絡具有更好的靈活性、透明性和可管理性［10］。目前光網絡正在由不透明光網絡向全光交換網絡演變，解決全光網絡中的傳輸損傷、優化光網絡傳輸質量成為人們研究的熱點問題。

2　自動交換光網絡（ASON）

光網絡技術正在飛速的發展，人們對網絡傳輸容量和帶寬的需求正在不斷增長。自動交換光網絡（ASON）是在這種環境下應運而生的新一代光網絡［11］。作為智能光網絡的代表，ASON是具備靈活高效性、擴展性和安全性的光傳輸網絡。當網絡發生異常時，它可以有效調制和維護光路，實現動態光路連接和動態傳輸控制。通過自動交換光網絡（ASON）我們可以實現動態光信道連接、動態業務連接和動態網絡資源分配。在自動交換光網絡（ASON）傳輸體系架構中，多個網絡連接節點使用光交叉連接、光分叉復用器、數字交叉連接等設備進行靈活的支路和分插，光信號可以在不同類型的光纖中進行無損傷傳輸。

ASON的體系架構如圖1所示，它由控制平面、管理平面和傳送平面構成，這3個平面通過接口來建立相互的聯系。ASON技術可以定義光學平面的組件和這些組件之間的相互作用。ASON技術對平面之間的數據傳送、通信量的處理方式進行綜合管理。光信道進行切換時，信號功率在交換過程中可能會發生變化。控制平面可以賦予傳輸節點新的功能，使傳輸節點可以自動建立、取消業務的連接，而且在網絡發生故障時傳輸節點可以恢復連接。管理平面負責傳送平面、控制平面間的協調和配合，管理平面可以動態配置和實時監測網絡管理資源，對傳送平面、控制平面和整個系統進行維護。傳送平面負責數據業務傳送，提供端到端的單向或雙向傳輸，其網絡節點具有很高的智能性，可以實時的監測通信性能。

圖1　自動交換光網絡（ASON）的架構

3　物理層損傷

相比于傳統光網絡的傳輸架構，自動交換光網絡（ASON）引入了控制平面進行動態的光路傳輸，然而隨著光網絡的不斷發展和透明化，物理層損傷會削弱光傳輸系統的信號質量［12］。物理層損傷分類如圖2所示。物理層損傷包括線性損傷和非線性損傷［13］。重要的線性損傷如放大的自發輻射噪聲（ASE）、色散（CD）、偏振模色散（PMD）、串擾（XT）等會導致光信號傳輸質量的下降［14］。主要的非線性損傷如自相位調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）、四波混頻（FWM）等會引起非線性效應，對光信道造成干擾，影響光網絡的傳輸特性［15］。因此，在控制平面引入控制技術，實時監控光網絡的傳輸質量，可以更好的滿足光網絡的傳輸需求，在靈活透明的光網絡中實現信號的無損傷傳輸。

圖2　物理層損傷分類

4　損傷感知的光鏈路傳輸質量優化控制技術

文中提出光網絡傳輸質量優化方案，根據進入功率放大器的光信號功率，引入控制機制來調節信號功率，得到放大器的調節量。控制的關鍵就在于調整鏈路中的信號功率，從而優化光信噪比。在靈活透明的光網絡中，信號的傳輸全在光域中進行，鏈路傳輸過程中對傳輸碼率、數據格式以及調制方式完全透明，可以保證連接建立和傳輸性能的可靠性，本文選擇在靈活透明的光網絡的傳輸平面進行研究。光路性能優化控制方案可以通過相關的功率動態調節來實現光路傳輸性能的優化控制；通過確定功率放大器的調節量來控制功率放大器，放大器通過調節量來調整每條信道的功率，在信號與噪聲之間達到平衡以滿足傳輸性能要求。本文首先動態調節進入各放大器的光信號功率；將鏈路E上各節點的功率放大器的功率調節量PN調節范圍初始化為Pmin到Pmax，按功率從低到高計算該鏈路的傳輸質量QN（PN，E），如果有滿足傳輸質量要求所對應的放大器的功率調節量，則建立該光路鏈接，更新數據庫信息，否則阻塞該建路請求，不更新相關信息。

文中涉及的光通信系統及控制反饋模塊如下。通過該控制反饋模塊系統，我們可以對傳輸功率進行調節。控制系統的結構如圖3所示，實驗裝置包括CW光源、光放大器、摻餌光纖放大器（EDFA）、分析器和控制反饋。CW光源作為發送端，用來發送光信號。我們通過調節光放大器參數來調節輸出功率。接收端的分析器可顯示輸出端的信道光信噪比（ONSR）。我們使用該控制模塊來控制信道的功率，優化光信噪比（ONSR）指標。

圖3　控制系統

5　實驗結果分析

文中基于智能光網絡中的功率傳輸損傷問題，采用Optisystem和MATLAB軟件來對光鏈路進行仿真研究。通過理論分析和所搭建的仿真平臺，我們首先設定5個信道的功率分別為0.216、0.221、0.226、0.231和0.236，如圖4所示。光信噪比（ONSR）是決定傳輸質量的必要因素。在滿足不同需求的5個信道集合內，我們設定最小可允許光信噪比（ONSR）為20 dB。

仿真結果如圖5所示，圖中顯示信道ONSR標準收斂為新的穩態值，經過整定補償之后光的信噪比總是優于原值，同時也滿足最小可允許ONSR范圍。通過仿真結果我們可以看出引入控制手段是有效可行的，控制后OSNR滿足傳輸性能要求，實現更好的傳輸效能。

圖4　信道功率圖

圖5　信道的光信噪比

6　結　論

文中基于靈活透明的光網絡，針對光鏈路中遇到的物理損傷問題，引入適當的控制機制，根據傳輸性能要求改善光信噪比（ONSR）來優化信號質量。基于光鏈路信道功率補償控制方案對傳輸系統進行信號調整，仿真結果顯示了較好的光信噪比（ONSR）結果。下一步的研究將考慮基于復雜巨系統的網絡控制策略，并考慮控制策略的穩定性，進而有效地使傳輸信號質量在穩定可控的基礎上滿足傳輸系統需求。

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Research on impairment awareness optical link transmission quality optimization control

CHENG Shuo，ZHAO Dong-yan，TIAN Jing
（College of Electronic Science，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

In order to optimize transmission quality of optical signal in optical network，in this paper，aimed at the physical impairment issue of transmission signal in flexible and transparent wavelength switched optical network，we made optical link as subject to control and research.We adopted control feedback system to confirm the amount of regulation of optical amplifier and then optimized ONSR（Optical Signal Noise Ratio）and the transmission quality of signal in optical network.In this paper，we used softwares such as Optisystem and MATLAB to simulate and research the optical link and optimized transmission quality of signal in optical network based on control adjustment means.The simulation results indicated that introducing control technology can optimize ONSR（Optical Signal Noise Ratio）dynamically and improve the transmission quality of optical link.

optical transmission network；quality of transmission；ASON；physical layer impairment

TN929.1

A

1674-6236（2016）14-0067-03

2016-01-22稿件編號：201601210

國家自然科學基金（61302064）；中國博士后科學基金（2013M540862）

程 鑠（1991—），女，黑龍江大慶人，碩士研究生。研究方向：光網絡傳輸質量優化技術。