损伤感知的光链路传输质量优化控制研究

程铄，赵冬岩，田晶

（东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆　163318）

损伤感知的光链路传输质量优化控制研究

程铄，赵冬岩，田晶

（东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆163318）

为了优化光网络中光信号传输质量，文中针对灵活透明的波长交换光网络中传输信号物理损伤问题，将光链路作为控制研究对象，采用控制反馈系统确定光放大器的调节量，进而优化光信噪比和光网络信号传输质量。本文采用Optisystem和MATLAB软件对光链路进行仿真研究，基于控制调整手段优化光网络信号传输质量。仿真结果表明，引入控制技术可以动态优化光信噪比，提高光链路的传输质量。

光传输网络；传输质量；ASON；物理层损伤

随着人们对于光网络的容量、业务类型的不断需求，大容量、灵活动态的全光网络成为光网络发展的必然趋势［1］。随着光网络传输的不断透明化和智能化，如何提高光网络传输质量等问题成为人们研究的热点。近年来，国内外研究者针对光网络传输中遇到的传输损伤、传输质量无法保证的问题进行研究，其中物理损伤问题［2］、传输质量评估技术［3］、光网络传输质量优化智能控制技术［4-5］等都是优化光网络传输质量、改善光网络传输性能的热门话题。Pavel等人通过博弈论的方法提出一个用于优化光网络光信噪比（OSNR）的架构［6］。基于对效用函数的合理假设，他们获得了纳什均衡的唯一条件和明确的表达式。基于信道参数的分散反馈，他们提出了一个迭代的光网络功率控制算法来优化信道光信噪比，结果表明，该算法收敛于纳什均衡。Yan Pan等人［7］从系统性能的角度研究光网络中的光信噪比（OSNR）优化问题。在确定所有信道的光信噪比（OSNR）指标后，他们使用障碍函数，将原始约束系统优化问题转换为无约束优化问题，并且通过分布式迭代算法求解系统优化问题，从而对光信噪比（OSNR）进行优化。人们正在不断的完善、优化光网络的各项技术，以实现灵活透明的全光网络。

1　光网络的发展及现状

光网络的发展过程可以分为三代。第一代光网络是同步光网络/同步数字体系（SONET/SDH）网络，该网络通过电处理器进行数据交换和处理操作。同步光网络/同步数字体系（SONET/SDH）网络在主要网络节点之间提供固定的、已配置的、几乎为非智能的服务。因此第一代光网络缺乏灵活性，不能充分地利用网络资源，不能动态、高速的传输数据。第二代光网络是光传送网（OTN），它是经过第一代光网络发展后的新一代传输技术。通过光传送网（OTN），我们可以在光层上传送业务信号，且保证其性能指标。光网络的资源利用率和带宽利用率得到了显著的提高［8］。光传送网（OTN）是一种光电结合的、由不透明传输向透明传输发展的中间技术。第三代全光网络将会满足人们对于带宽容量和传输速率的需求［9］，信号的传输和交换全部在光域中进行，不需要进行光电转换。全光网络具有更好的灵活性、透明性和可管理性［10］。目前光网络正在由不透明光网络向全光交换网络演变，解决全光网络中的传输损伤、优化光网络传输质量成为人们研究的热点问题。

2　自动交换光网络（ASON）

光网络技术正在飞速的发展，人们对网络传输容量和带宽的需求正在不断增长。自动交换光网络（ASON）是在这种环境下应运而生的新一代光网络［11］。作为智能光网络的代表，ASON是具备灵活高效性、扩展性和安全性的光传输网络。当网络发生异常时，它可以有效调制和维护光路，实现动态光路连接和动态传输控制。通过自动交换光网络（ASON）我们可以实现动态光信道连接、动态业务连接和动态网络资源分配。在自动交换光网络（ASON）传输体系架构中，多个网络连接节点使用光交叉连接、光分叉复用器、数字交叉连接等设备进行灵活的支路和分插，光信号可以在不同类型的光纤中进行无损伤传输。

ASON的体系架构如图1所示，它由控制平面、管理平面和传送平面构成，这3个平面通过接口来建立相互的联系。ASON技术可以定义光学平面的组件和这些组件之间的相互作用。ASON技术对平面之间的数据传送、通信量的处理方式进行综合管理。光信道进行切换时，信号功率在交换过程中可能会发生变化。控制平面可以赋予传输节点新的功能，使传输节点可以自动建立、取消业务的连接，而且在网络发生故障时传输节点可以恢复连接。管理平面负责传送平面、控制平面间的协调和配合，管理平面可以动态配置和实时监测网络管理资源，对传送平面、控制平面和整个系统进行维护。传送平面负责数据业务传送，提供端到端的单向或双向传输，其网络节点具有很高的智能性，可以实时的监测通信性能。

图1　自动交换光网络（ASON）的架构

3　物理层损伤

相比于传统光网络的传输架构，自动交换光网络（ASON）引入了控制平面进行动态的光路传输，然而随着光网络的不断发展和透明化，物理层损伤会削弱光传输系统的信号质量［12］。物理层损伤分类如图2所示。物理层损伤包括线性损伤和非线性损伤［13］。重要的线性损伤如放大的自发辐射噪声（ASE）、色散（CD）、偏振模色散（PMD）、串扰（XT）等会导致光信号传输质量的下降［14］。主要的非线性损伤如自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）等会引起非线性效应，对光信道造成干扰，影响光网络的传输特性［15］。因此，在控制平面引入控制技术，实时监控光网络的传输质量，可以更好的满足光网络的传输需求，在灵活透明的光网络中实现信号的无损伤传输。

图2　物理层损伤分类

4　损伤感知的光链路传输质量优化控制技术

文中提出光网络传输质量优化方案，根据进入功率放大器的光信号功率，引入控制机制来调节信号功率，得到放大器的调节量。控制的关键就在于调整链路中的信号功率，从而优化光信噪比。在灵活透明的光网络中，信号的传输全在光域中进行，链路传输过程中对传输码率、数据格式以及调制方式完全透明，可以保证连接建立和传输性能的可靠性，本文选择在灵活透明的光网络的传输平面进行研究。光路性能优化控制方案可以通过相关的功率动态调节来实现光路传输性能的优化控制；通过确定功率放大器的调节量来控制功率放大器，放大器通过调节量来调整每条信道的功率，在信号与噪声之间达到平衡以满足传输性能要求。本文首先动态调节进入各放大器的光信号功率；将链路E上各节点的功率放大器的功率调节量PN调节范围初始化为Pmin到Pmax，按功率从低到高计算该链路的传输质量QN（PN，E），如果有满足传输质量要求所对应的放大器的功率调节量，则建立该光路链接，更新数据库信息，否则阻塞该建路请求，不更新相关信息。

文中涉及的光通信系统及控制反馈模块如下。通过该控制反馈模块系统，我们可以对传输功率进行调节。控制系统的结构如图3所示，实验装置包括CW光源、光放大器、掺饵光纤放大器（EDFA）、分析器和控制反馈。CW光源作为发送端，用来发送光信号。我们通过调节光放大器参数来调节输出功率。接收端的分析器可显示输出端的信道光信噪比（ONSR）。我们使用该控制模块来控制信道的功率，优化光信噪比（ONSR）指标。

图3　控制系统

5　实验结果分析

文中基于智能光网络中的功率传输损伤问题，采用Optisystem和MATLAB软件来对光链路进行仿真研究。通过理论分析和所搭建的仿真平台，我们首先设定5个信道的功率分别为0.216、0.221、0.226、0.231和0.236，如图4所示。光信噪比（ONSR）是决定传输质量的必要因素。在满足不同需求的5个信道集合内，我们设定最小可允许光信噪比（ONSR）为20 dB。

仿真结果如图5所示，图中显示信道ONSR标准收敛为新的稳态值，经过整定补偿之后光的信噪比总是优于原值，同时也满足最小可允许ONSR范围。通过仿真结果我们可以看出引入控制手段是有效可行的，控制后OSNR满足传输性能要求，实现更好的传输效能。

图4　信道功率图

图5　信道的光信噪比

6　结　论

文中基于灵活透明的光网络，针对光链路中遇到的物理损伤问题，引入适当的控制机制，根据传输性能要求改善光信噪比（ONSR）来优化信号质量。基于光链路信道功率补偿控制方案对传输系统进行信号调整，仿真结果显示了较好的光信噪比（ONSR）结果。下一步的研究将考虑基于复杂巨系统的网络控制策略，并考虑控制策略的稳定性，进而有效地使传输信号质量在稳定可控的基础上满足传输系统需求。

［1］李履信，沈建华.光纤通信系统［M］.2版.北京:机械工业出版社，2011.

［2］赵继军，陈曦，王丽荣.透明光网络中多损伤约束物理层模型［J］.光通信技术，2011，35（1）:14-17.

［3］李炜，陈宝靖，柴京，等.100Gb/s PDM-QPSK系统传输性能评估技术研究［J］.光通信技术，2015，39（4）:15-17.

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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稿件编号：201601210

国家自然科学基金（61302064）；中国博士后科学基金（2013M540862）

程 铄（1991—），女，黑龙江大庆人，硕士研究生。研究方向：光网络传输质量优化技术。