程鑠，趙冬巖，田晶

（東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶　163318）

損傷感知的光鏈路傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)化控制研究

程鑠，趙冬巖，田晶

（東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

為了優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)中光信號(hào)傳輸質(zhì)量，文中針對(duì)靈活透明的波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)中傳輸信號(hào)物理?yè)p傷問題，將光鏈路作為控制研究對(duì)象，采用控制反饋系統(tǒng)確定光放大器的調(diào)節(jié)量，進(jìn)而優(yōu)化光信噪比和光網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸質(zhì)量。本文采用Optisystem和MATLAB軟件對(duì)光鏈路進(jìn)行仿真研究，基于控制調(diào)整手段優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸質(zhì)量。仿真結(jié)果表明，引入控制技術(shù)可以動(dòng)態(tài)優(yōu)化光信噪比，提高光鏈路的傳輸質(zhì)量。

光傳輸網(wǎng)絡(luò)；傳輸質(zhì)量；ASON；物理層損傷

隨著人們對(duì)于光網(wǎng)絡(luò)的容量、業(yè)務(wù)類型的不斷需求，大容量、靈活動(dòng)態(tài)的全光網(wǎng)絡(luò)成為光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1］。隨著光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟粩嗤该骰椭悄芑?，如何提高光網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量等問題成為人們研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳輸中遇到的傳輸損傷、傳輸質(zhì)量無(wú)法保證的問題進(jìn)行研究，其中物理?yè)p傷問題［2］、傳輸質(zhì)量評(píng)估技術(shù)［3］、光網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)化智能控制技術(shù)［4-5］等都是優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量、改善光網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的熱門話題。Pavel等人通過博弈論的方法提出一個(gè)用于優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)光信噪比（OSNR）的架構(gòu)［6］。基于對(duì)效用函數(shù)的合理假設(shè)，他們獲得了納什均衡的唯一條件和明確的表達(dá)式?；谛诺绤?shù)的分散反饋，他們提出了一個(gè)迭代的光網(wǎng)絡(luò)功率控制算法來(lái)優(yōu)化信道光信噪比，結(jié)果表明，該算法收斂于納什均衡。Yan Pan等人［7］從系統(tǒng)性能的角度研究光網(wǎng)絡(luò)中的光信噪比（OSNR）優(yōu)化問題。在確定所有信道的光信噪比（OSNR）指標(biāo)后，他們使用障礙函數(shù)，將原始約束系統(tǒng)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為無(wú)約束優(yōu)化問題，并且通過分布式迭代算法求解系統(tǒng)優(yōu)化問題，從而對(duì)光信噪比（OSNR）進(jìn)行優(yōu)化。人們正在不斷的完善、優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)靈活透明的全光網(wǎng)絡(luò)。

1　光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及現(xiàn)狀

光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程可以分為三代。第一代光網(wǎng)絡(luò)是同步光網(wǎng)絡(luò)/同步數(shù)字體系（SONET/SDH）網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過電處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理操作。同步光網(wǎng)絡(luò)/同步數(shù)字體系（SONET/SDH）網(wǎng)絡(luò)在主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間提供固定的、已配置的、幾乎為非智能的服務(wù)。因此第一代光網(wǎng)絡(luò)缺乏靈活性，不能充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源，不能動(dòng)態(tài)、高速的傳輸數(shù)據(jù)。第二代光網(wǎng)絡(luò)是光傳送網(wǎng)（OTN），它是經(jīng)過第一代光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展后的新一代傳輸技術(shù)。通過光傳送網(wǎng)（OTN），我們可以在光層上傳送業(yè)務(wù)信號(hào)，且保證其性能指標(biāo)。光網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)（OTN）是一種光電結(jié)合的、由不透明傳輸向透明傳輸發(fā)展的中間技術(shù)。第三代全光網(wǎng)絡(luò)將會(huì)滿足人們對(duì)于帶寬容量和傳輸速率的需求［9］，信號(hào)的傳輸和交換全部在光域中進(jìn)行，不需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。全光網(wǎng)絡(luò)具有更好的靈活性、透明性和可管理性［10］。目前光網(wǎng)絡(luò)正在由不透明光網(wǎng)絡(luò)向全光交換網(wǎng)絡(luò)演變，解決全光網(wǎng)絡(luò)中的傳輸損傷、優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量成為人們研究的熱點(diǎn)問題。

2　自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）

光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在飛速的發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸容量和帶寬的需求正在不斷增長(zhǎng)。自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的新一代光網(wǎng)絡(luò)［11］。作為智能光網(wǎng)絡(luò)的代表，ASON是具備靈活高效性、擴(kuò)展性和安全性的光傳輸網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常時(shí)，它可以有效調(diào)制和維護(hù)光路，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光路連接和動(dòng)態(tài)傳輸控制。通過自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）我們可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光信道連接、動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)連接和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源分配。在自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）傳輸體系架構(gòu)中，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)使用光交叉連接、光分叉復(fù)用器、數(shù)字交叉連接等設(shè)備進(jìn)行靈活的支路和分插，光信號(hào)可以在不同類型的光纖中進(jìn)行無(wú)損傷傳輸。

ASON的體系架構(gòu)如圖1所示，它由控制平面、管理平面和傳送平面構(gòu)成，這3個(gè)平面通過接口來(lái)建立相互的聯(lián)系。ASON技術(shù)可以定義光學(xué)平面的組件和這些組件之間的相互作用。ASON技術(shù)對(duì)平面之間的數(shù)據(jù)傳送、通信量的處理方式進(jìn)行綜合管理。光信道進(jìn)行切換時(shí)，信號(hào)功率在交換過程中可能會(huì)發(fā)生變化。控制平面可以賦予傳輸節(jié)點(diǎn)新的功能，使傳輸節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)建立、取消業(yè)務(wù)的連接，而且在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)傳輸節(jié)點(diǎn)可以恢復(fù)連接。管理平面負(fù)責(zé)傳送平面、控制平面間的協(xié)調(diào)和配合，管理平面可以動(dòng)態(tài)配置和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)管理資源，對(duì)傳送平面、控制平面和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。傳送平面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送，提供端到端的單向或雙向傳輸，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有很高的智能性，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)通信性能。

圖1　自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）的架構(gòu)

3　物理層損傷

相比于傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)的傳輸架構(gòu)，自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）引入了控制平面進(jìn)行動(dòng)態(tài)的光路傳輸，然而隨著光網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和透明化，物理層損傷會(huì)削弱光傳輸系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)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(fā)輻射噪聲（ASE）、色散（CD）、偏振模色散（PMD）、串?dāng)_（XT）等會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)傳輸質(zhì)量的下降［14］。主要的非線性損傷如自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻（FWM）等會(huì)引起非線性效應(yīng)，對(duì)光信道造成干擾，影響光網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性［15］。因此，在控制平面引入控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控光網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，可以更好的滿足光網(wǎng)絡(luò)的傳輸需求，在靈活透明的光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)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(zhì)量?jī)?yōu)化控制技術(shù)

文中提出光網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)化方案，根據(jù)進(jìn)入功率放大器的光信號(hào)功率，引入控制機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)功率，得到放大器的調(diào)節(jié)量?？刂频年P(guān)鍵就在于調(diào)整鏈路中的信號(hào)功率，從而優(yōu)化光信噪比。在靈活透明的光網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)的傳輸全在光域中進(jìn)行，鏈路傳輸過程中對(duì)傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式以及調(diào)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(wǎng)絡(luò)的傳輸平面進(jìn)行研究。光路性能優(yōu)化控制方案可以通過相關(guān)的功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)光路傳輸性能的優(yōu)化控制；通過確定功率放大器的調(diào)節(jié)量來(lái)控制功率放大器，放大器通過調(diào)節(jié)量來(lái)調(diào)整每條信道的功率，在信號(hào)與噪聲之間達(dá)到平衡以滿足傳輸性能要求。本文首先動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)入各放大器的光信號(hào)功率；將鏈路E上各節(jié)點(diǎn)的功率放大器的功率調(diào)節(jié)量PN調(diào)節(jié)范圍初始化為Pmin到Pmax，按功率從低到高計(jì)算該鏈路的傳輸質(zhì)量QN（PN，E），如果有滿足傳輸質(zhì)量要求所對(duì)應(yīng)的放大器的功率調(diào)節(jié)量，則建立該光路鏈接，更新數(shù)據(jù)庫(kù)信息，否則阻塞該建路請(qǐng)求，不更新相關(guān)信息。

文中涉及的光通信系統(tǒng)及控制反饋模塊如下。通過該控制反饋模塊系統(tǒng)，我們可以對(duì)傳輸功率進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)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(fā)送端，用來(lái)發(fā)送光信號(hào)。我們通過調(diào)節(jié)光放大器參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)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(lái)控制信道的功率，優(yōu)化光信噪比（ONSR）指標(biāo)。

圖3　控制系統(tǒng)

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

文中基于智能光網(wǎng)絡(luò)中的功率傳輸損傷問題，采用Optisystem和MATLAB軟件來(lái)對(duì)光鏈路進(jìn)行仿真研究。通過理論分析和所搭建的仿真平臺(tái)，我們首先設(shè)定5個(gè)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(zhì)量的必要因素。在滿足不同需求的5個(gè)信道集合內(nèi)，我們?cè)O(shè)定最小可允許光信噪比（ONSR）為20 dB。

仿真結(jié)果如圖5所示，圖中顯示信道ONSR標(biāo)準(zhǔn)收斂為新的穩(wěn)態(tài)值，經(jīng)過整定補(bǔ)償之后光的信噪比總是優(yōu)于原值，同時(shí)也滿足最小可允許ONSR范圍。通過仿真結(jié)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(shí)現(xiàn)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(jié)　論

文中基于靈活透明的光網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)光鏈路中遇到的物理?yè)p傷問題，引入適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)制，根據(jù)傳輸性能要求改善光信噪比（ONSR）來(lái)優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量?；诠怄溌沸诺拦β恃a(bǔ)償控制方案對(duì)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，仿真結(jié)果顯示了較好的光信噪比（ONSR）結(jié)果。下一步的研究將考慮基于復(fù)雜巨系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制策略，并考慮控制策略的穩(wěn)定性，進(jìn)而有效地使傳輸信號(hào)質(zhì)量在穩(wěn)定可控的基礎(chǔ)上滿足傳輸系統(tǒng)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(hào)：201601210

國(guó)家自然科學(xué)基金（61302064）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2013M540862）

程 鑠（1991—），女，黑龍江大慶人，碩士研究生。研究方向：光網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)化技術(shù)。