频谱灵活光网络应用策略研究

卢　曌，杨燕萍（ 中国通信建设集团设计院有限公司，西安 709； 中国通信建设集团第二工程局有限公司，西安 709）

频谱灵活光网络应用策略研究

卢曌1，杨燕萍2
（1 中国通信建设集团设计院有限公司，西安 710119；2 中国通信建设集团第二工程局有限公司，西安 710119）

本文叙述了频谱灵活光网络的特点、功能和设备技术要点，结合1Tbit/s传输系统应用，为其采用12.5GHz频谱隙进行了信道带宽分配，又通过对比各类路由频谱分配算法和频谱资源重构方式的效果，提出了实际应用中的选择建议，然后结合当前网络情况，从网络层次、结构、承载颗粒等方面出发，分析和论证了频谱灵活光网络的应用场景，以便指导其在实践中的具体应用和功能发挥。

频谱灵活光网络；频谱隙承载带宽分配；路由频谱连续度；频谱资源重构

1　频谱灵活光网络的概念和特点

为了满足未来传送平台高速、高效、智能、统一的特点，弥合“带宽—收益”剪刀差，降低OPEX和CAPEX；同时适应超100 Gbit/s WDM系统大规模应用的环境；频谱灵活光网络应运而生。它改变了传统DWDM/ OTN系统采用刚性、固定的频谱配置，且信道利用率低下的特点；能够与业务、网络发展完美融合，代表着光网络技术的发展趋势；它的应用具有里程碑式意义，目前已经走向实践阶段。

频谱灵活光网络是从频域上划分最小颗粒单元即频率隙，根据业务需求分配一定数量的频率隙组成邻接的频谱单元，实现动态路由、频谱分配和调制方式灵活选择等功能的全光网络。主要特点如下。

（1）可以根据实际业务量配置光层带宽，频谱利用高。

（2）便于实现由多个信道组合而成的超级信道技术，以承载400 Gbit/s、1 Tbit/s及以上大颗粒业务。

（3）可以动态调整各项信道参数，适应业务变化、路由更改、灵活组网和高效承载等要求。

（4）可根据控制平面，自动计算路由和配置频谱；并能够进行频谱碎片整理，进行网络资源重构。

2　设备组成和技术选型

频谱灵活光传输设备主要由可变带宽的发射机、相干接收机和可变带宽的光交换单元（BV-OXC）组成。

在发送端，为便于调整信号速率和调制格式，需要为发射机配置DSP和ADC模块，可以根据光传输系统距离、非线性影响等因素选择不同的码型和调制格式，提高系统频谱效率和调制灵活程度；同时满足光信道保护倒换或路由变化等情况对信道参数的要求。

收稿日期：2015-10-09

频谱灵活光传输系统承载的电路颗粒伸缩范围大，为了保证信号的传输质量，接收端须采用相干接收。相干接收机配置DSP和ADC模块，采用电域滤波和均衡等措施，补偿线路侧CD、PMD等线性损伤；并通过算法在电域对非线性效应进行估计和补偿，同时完成频偏估算和相位恢复等功能。此外由于信道分离可以在电域通过滤波实现，在DWDM系统中，可以灵活配置相邻通道间隔，从而提高系统的频谱利用率，这对超100 Gbit/s系统的发展具有重要意义。

图1　可变带宽的光交换单元结构示意图

可变带宽的光交换单元（BV-OXC）由波长选择开关（WSS）和分合波器组成，其构成方式如图1所示。

WSS是光交换单元的核心器件，用于将不同波长的光信号灵活交叉到任意一个线路端口，实现可重构功能。

目前支持频谱灵活光网络的WSS主要有液晶（LC）和硅基液晶（LCOS）两种。其中LCOS技术成熟，支持颗粒度达到6.25 GHz，但功耗高、集成度差，难以实现规模商用；而LC技术支持12.5 GHz颗粒，满足目前频谱灵活光网络的要求，但功耗只为LCOS的1/7，不需要温控，且集成度高，是未来光网络建设可以选择的重要器件。随着技术的发展，LC支持的频谱栅格会逐渐减小，理论上支持的最小颗粒可以达到1～3 GHz。

图2　Nyquist-WDM和OFDM调制基本原理示意图

3　信道承载带宽分配方式

为了支持超级信道和灵活频谱交叉，2011年通过的ITU-T G.694.1修订版中增加了DWDM灵活栅格的定义，灵活栅格以12.5 GHz为频率隙，以193.1+n×0.00625 THz为中心频率（n为整数），频谱带宽可以表示为12.5×m（m为正整数）；频谱灵活光网络可以通过改变m、n的大小实现不同中心频率的可变带宽分配。

对于400 Gbit/s和1 Tbit/s系统，传统的50 GHz/ 100 GHz频率间隔已经难以满足承载带宽和频谱效率的要求，因此引入频谱灵活系统来承载这些大颗粒业务就迫在眉睫了。下面我们以1 Tbit/s系统为例，针对各类信号调各方式配置所需要的带宽。

1 Tbit/s系统实际速率需要增加20%的开销，即单波道速率为1.2 Tbit/s。目前信号其调制技术选择尚有一定争议，但综合考虑频谱效率、信噪比、建设成本和技术可实施性等因素的影响，主流技术主要包括Nyquist-WDM和E/O-OFDM 两种，这两种调制方式都是通过减少信道间隔来提高频谱效率，具体原理如图2所示。

对于1 Tbit/s系统，传输距离小于1 000 km时，采用Nyquist-WDM/OFDM结合16QAM进行调制。传输距离为1 000～2 000 km时，采用Nyquist-WDM/OFDM结合QPSK进行调制。对这两种调制方式均划分5个和10个信道进行承载带宽分配和对比，具体情况如表1所示。

通过表1可以看出，频谱效率与传输距离之间的关系是相互此消彼长的，体现出一对相互制衡的矛盾，始终将OSNR和BER保持在容限之内。采用N×12.5 G Hz频谱隙灵活配置带宽后，频谱效率与传输距离之间相互调节的阶梯变小，使二者配合的更加密切，更便于调节传输信道，获得高品质的传输质量。

经过Nyquist-WDM滤波整形，消除了子波长间的频率间隔，频谱效率很高，且与划分子波长的数量无关。而对于OFDM调制方式，划分的子波长越多频谱效率越高，可以近似达到Nyquist-WDM调制的水平。在实际应用中，Nyquist-WDM和OFDM各有优势，Nyquist-WDM频谱效率略高，误码容限低，但OFDM借助DSP模块和反向傅立叶变换，在不改变调制硬件的情况下，频谱组合、调制方式更加灵活，更能适应带宽弹性可变的要求。二者在1 Tbit/s或超1 Tbit/s系统的应用中各有千秋，应根据实际业务和网络建设需求情况进行选择。

表11　 Tbit/s系统Nyquist—WDM和OFDM调制信号承载带宽分配方式表

4　路由频谱分配方式特点及对比

随着频谱灵活光网络逐渐应用，网络资源实体也由波长向频谱转变，这时路由频谱分配成为搭建传输路径最关键的工作。路由频谱分配主要指以自适应带宽的方式，建立一条端到端光通路，并结合总体频谱资源为其分配合适的频谱参数。

目前路由频谱分配主流算法包括3种，即最大链路频谱连续度算法（MTLSC）、最大路径频谱连续度算法（MPSC）和最大重载链路频谱连续度算法（MHLSC）。这3种算法的特点如下。

MTLSC算法站在具体链路的角度上分配频谱，并考虑在整条路径上每条链路的频谱碎片情况，能够保证所有链路的频谱邻接性，特别是在可选频谱段落较多情况下，效果更为明显。

MPSC算法是将信息经过的各条链路作为一个集合，以链路集合的“与”值为基础，计算频谱连续度，而不需要考虑到各条路径的特点；虽然算法较MTLSC简单，但可能会因此出现个别链路频谱连续度低，存在较多的频谱碎片的情况。

MHLSC算法只考虑路径上负载最重的链路的频谱连续度，算法最为简单，但这种局部视角很可能导致其它链路发生阻塞。

具体路由算法和拥塞率的关系如图3所示。

从图3中可以看出，在业务量较小的情况下，3种算法的差别不大；但随着网络流量的增加，MHLSC的劣势明显的显现出来，MPSC的效果也逐渐被MTLSC拉开差距；但当网络负荷较重时，各路径分别判断和以路径集合“与”值判断出的频谱连续度几乎相同，其对频谱拥塞率的影响也非常接近，这时MPSC和MTLSC算法的效果趋近等同。因此，MHLSC实用意义不大，而MTLSC和MPSC都可以作为路由频谱分配的算法；MPSC计算较为简单、快捷，但MTLSC计算更为全面、细致、精确，实际频谱分配效率也略高于MPSC，故一般情况下优先选择MTLSC作为全网的路由频谱分配方法。

图3　频谱路由分配方法比较示意图

5　频谱资源重构方式特点及对比

在为业务分配了连续的频谱后，空余的频谱段落会不可避免的出现，这些段落一般处于较为凌乱的分布状态，从而形成了频谱碎片。为了提高频谱效率，增加链路的可用度，需要重构这些频谱资源，即对频谱碎片进行重新规划和整理，在不影响业务的前提下将业务的频谱位置进行迁移，并将频谱碎片整合成连续的频谱，用于承载新的业务。

目前常用的频谱重构算法有2种，即最大化路径频谱连通度算法（MPC）和路径频谱连通度触发算法（PCT）。MPC算法的目的是针对局部网络资源进行优化配置，使网络能够容纳当前受阻塞业务。而PCT算法面向网络全面优化，通过设定性能参数值来实时反映网络性能，目前该性能参数定义为全网频谱联通度。当网络频谱联通度低于预设的门限值时，触发频谱重构，即对全网资源统一优化、整理，提高网络性能；当频谱联通度恢复到性能门限范围内时，频谱重构过程结束。这两种频谱重构方式对网络拥塞的改善效果如图4所示。

图4　频谱重构改善拥塞效果示意图

对比这两种算法，当业务量较高时，由于PCT算法具备统一调度、管理全网资源的机制优势，其对拥塞度的改善程度优于MPC算法。而在业务量较低时，网络中有足够的资源为受损业务提供备用路径，此时MPC算法具备一定优势，且该算法计算简单，对网络的影响仅限于局部区域。因此这两种算法均具备实用价值，应根据网络规模、业务流量、节点维度等因素的要求，因地制宜的选择适合的频谱重构算法。

6　灵活频谱光网络应用场景分析

6.1 应用网络层次分析

对于一干线来说，主要承载各省核心路由器/IDC之间的业务，电路方向和容量需求相对固定，对光域灵活交叉的需求不够迫切；对于超100 Gbit/s颗粒，可以采用频谱可变的光收发信机组成点对点系统，实现频谱拼接和业务传送。此外，目前一干1 500 km以上的电路占60%，而超100 Gbit/s 系统无电中继的实际传输距离难以超过 1 200 km，加上ROADM多级级联后的损伤、串扰等因素限制，实际应用中频谱灵活光网络难以发挥光层灵活调度、智能配置路由/频谱的优势。

对于二干来说，由于IP/IT化大潮的冲击，业务颗粒迅速增大，加之IP与光层协同的要求，使二干对光层调度能力提出了较为迫切的要求。从技术实现角度看，目前一般省份二干单系统传输距离大多在1 200 km以内，即使在西部地区，传输距离超过1 200 km的系统也较少，即便超过也可以在个别节点采用电域再生的方式增加覆盖面积，而不会过多增加建设投资。因此频谱灵活光网络适应二干系统的要求，能够从实质上提高二干灵活调度和高效传输的能力。

本地网是目前电路增长最迅速，电路方向变化最频繁的领域。现有本地网波分系统大多配置6.4 Tbit/s左右的电交叉矩阵，进行10 Gbit/s以下小颗粒业务的调度，而40 Gbit/s、100 Gbit/s等大颗粒业务则采用点对点方式传送，难以满足网络和业务对调度灵活性的要求。频谱灵活光网络传输和交叉容量巨大，调度快捷方便，频谱分配灵活，带宽承载高效，且本地传送网几乎不存在传输距离限制的问题，因此其应用非常适合目前激烈竞争的市场环境，是本地网核心/汇聚层建设的上佳选择。

6.2应用网络结构分析

从网络结构来看，在网络连接复杂，节点维度众多的网状网中，频谱灵活光网络的传输效率更高，各项性能指标更优秀；这是因为节点维度多，可选路径多，使路由频谱的连续度更高，频谱碎片更加分散，避免频谱拥塞的可能性更大。同时基于光层的调度省去了电域的再生和交叉功能，使业务调度更加简洁、灵活，设备造价更为低廉。

6.3承载业务颗粒分析

从承载颗粒来看，灵活的频谱隙组合可以适应从10 Gbit/s～1 Tbit/s以上各类速率的业务，但频谱灵活光网络还处于起步阶段，路由和频谱重构算法尚未经过网络运营的检验；且从控制频谱碎片，减轻收发两端DSP负荷和软/硬件实现难度来说，目前频谱灵活光传输系统更倾向于承载400 Gbit/s以上的大颗粒业务，这能够有效减少频谱碎片，使系统获得更高的频谱效率和更好的路由频谱连续度。

6.4与SDN融合分析

频谱灵活光网络收发两端都配置DSP模块，适应系统设计参数可编程的要求，可以通过软件设计适应各类传输信道的编码、调制和解调模式，并动态调整系统所需要的载波数，同时由于路由频谱计算和碎片整理的要求，频谱灵活光网络也需要设置控制平面，这些理念和SDN不谋而合，代表着未来光网络的发展方向。

7　频谱灵活光网络的应用展望

随着运营商对网络高效承载、灵活调度和智能管理等功能的要求不断提高，同时伴随着光器件和路由频谱算法的逐步成熟，频谱灵活光网络不止会由于其支持超级信道功能而仅仅应用于1 Tbit/s及以上系统；面对各类业务颗粒不等且带宽弹性变化的情况，其调度灵活、频率效率高、光层交叉灵活和建设成本低等优势会得到淋漓尽致的发挥，应用场景必将广泛扩展。

中国电信携手华为惠普等厂商成功完成ETSI NFV PoC验证

日前，中国电信联合华为、惠普、趋势科技及Intel共同开展的PoC（概念验证）项目“高可用性虚拟EPC和SDN控制的业务链演示”成功完成，成功对虚拟EPC的可靠性以及基于SDN（软件定义网络）的智能业务链进行验证，并通过ETSI NFV（网络功能虚拟化）标准工作组评审。

本次验证项目在中国电信广州研究院网络与终端实验室进行，采用了华为vEPC、虚拟化业务链、MANO（管理和编排）系统及基于OpenStack的FusionSphere云操作系统，趋势科技VAS（增值业务）等VNF（虚拟化网络功能）软件，惠普BladeSystem c7000服务器搭建跨厂商分层的NFV验证环境。

本次验证基于NFV应用6种典型业务场景，分两个阶段进行。

第一阶段：vEPC应用的功能与可靠性验证。测试验证了基于OVS（开放虚拟交换标准）和SR-IOV（单根输入/输出虚拟化）技术的vEPC网元可实现灵活弹性伸缩，同时还着重验证了vEPC在多个虚拟机间的容灾备份、数据迁移，确保基础设施的单点故障不影响用户感知，为LTE核心网的虚拟化商用部署积累了宝贵经验。

第二阶段：基于华为智能业务链架构，验证趋势科技VAS第三方业务的虚拟化部署和灵活编排。此项验证中，采用了业务链技术构建基于NFV/SDN的集成业务平台，实现多VAS的灵活部署、动态扩缩容、个性化编排，充分证实了NFV可帮助电信运营商使能业务创新、缩短TTM（Time To Market）、加速ICT业务转型。

本次PoC项目证明了移动网络基于NFV基础架构和Gi-LAN智能业务链的部署模式的技术可行性，并验证了NFV通过软硬件解耦可以实现网络部署更加敏捷、业务更快上线的能力。中国电信正在积极进行面向互联网应用的网络架构演进顶层设计，NFV技术通过CT和IT的深度融合，可实现跨专业、跨网络、跨厂家的协同，以及端到端自动化的业务编排和管理，将成为中国电信目标网络重构的核心技术。 （摘自：C114中国通信网）

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