频谱分片弹性光网络关键技术的探讨

李佳　董屹　肖何

摘要： 随着宽带网、物联网的迅速发展，以及各种新业务需求的不断增加，基于粗粒度分配的传统波分复用光网络已经不再适应未来网络的需求，频谱分片弹性光网络SLICE（Spectrum-Sliced “Elastic Optic Path”NetWork） 成为了研究热点。该文对SLICE的基本概念以及特点进行了简要概述，针对SLICE中的关键技术路由频谱分配和碎片重构等进行详细探讨。

关键词： 频谱分片弹性光网络；路由；频谱分配；碎片重构

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）18-0035-02

1 概述

近年来，随着互联网、物联网的快速发展，以及P2P应用、IPTV等各种新业务需求的不断增加，对网络带宽需求呈指数型上涨。光纤的大容量传输、频带宽、抗干扰能力强等特点，依旧是网络传输的主要方式。然而，光交换瓶颈间的不匹配，严重制约了光网络的数据传送能力，迫切需要一种新的传输体制，来动态、快速地建立连接链路，高效、灵活的实现业务承载。

传统的波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）技术不能为业务需求灵活分配合适的带宽，导致资源利用率低、业务容量扩展受限、速率灵活性差。频谱分片弹性光网络SLICE打破了传统固定栅格的限制，通过引入弹性粒度为不同速率的业务动态分配适合的频谱带宽，目前，频谱灵活光网络成为了国际国内研究机构和厂商的研究热点，

由于频谱分片弹性光网络要受到频谱一致性、频谱连续性等更多条件的约束，因此在路由、资源分配与优化等方面变得更为复杂。本文将对这些关键技术进行详细探讨。

2 频谱分片弹性光网络SLICE

2.1 SLICE简介

随着正交频分复用OFDM光技术以及可变速率的光收发器等光器件的迅速发展，SLICE网络被提出和逐步实现。频分复用技术（OFDM）将高速数据流分解到多个低速子数据流进行并行传输，不必预留带宽资源，并且OFDM中各子载波相互正交，减小了相邻信道间的保护带宽，提高了带宽资源的利用率，是实现弹性光网络架构的重要技术。频谱分片弹性光网络对频谱域进行精细分割，基于频分复用技术产生多个连续的、允许频谱重叠的子载波，能够根据业务流量大小和距离按需分配合适数量的邻接频谱单元，这是传统WDM难以实现的。

SLICE主要的特征包括：

（1） 灵活的传输粒度

SLICE网络将频谱划分为一定数量的频率栅格（SLOT），并采用适当连续的SLOT数目来承载用户业务，其带宽从Gb/s级至Tb/s级可调。由于信号子载波的正交性，频谱可以相互重叠，避免了频谱资源的浪费。

（2） 弹性带宽可变分配

SLICE光网络中，各光通路可以根据用户需要自适应的对带宽进行扩展或者缩减。动态光路径的扩展和缩减不仅可以帮助用户业务间实现基于时间性的共享带宽资源，通过对带宽的挤压和重建使得网络耗能得以有效降低。

（3） 基于距离自适应线速

当需要传送的信息距离较近时，可以通过较高的调试方式来减少传输带宽，由于信号本身在传输过程中的损耗小，接收端同样有较高的信噪比。当传输距离较远时，采用较低形式的调制方式，通过适当增加传输带宽，减少信号失真，保证在接收端的信噪比合格。

（4） 更加紧凑的频谱间隙。

相比于传统的WDM网络，由于OFDM中各个子载波之间的正交性，SLICE网络中的频谱之间的间隔变得更加紧凑。

2.2 SLICE中的关键技术

SLICE光网络涉及的关键技术很多，如网络层的路由频谱分配算法、资源的管理与优化、网络的保护与生存等，节点层提供高效的客户端协议数据单元的进程映射等，在控制层也还有许多关于标准化的研究正在进行，如为了支持新的谱槽规范。需要在现有路由、信号协议的基础上进一步扩展。本文将针对路由和频谱分配以及碎片重构技术等进行研究。

1）路由和频谱分配

路由与频谱分配问题（RSA）的核心是自适应的为业务需求建立一条端到端的光路径。SLICE的路由和分配受到两个约束条件的限制：频谱一致性和频谱连续性，即在光通路经过的每条链路必须采用相同序号的连续频谱资源。目前针对弹性光网络中基于静态和动态流量情形下的RSA问题已有大量的研究。常见的RSA算法有静态RSA ILP（整数线性规划）算法、静＼动态RSA启发式算法、可生存性RSA算法、距离自适应RSA算法等[1]。

静态RSA ILP（整数线性规划）算法在网络规划初期，根据业务需求离线计算路由并进行资源的分配。在满足约束的条件下，以某线性函数值为目标的线性规划算法。该算法仅适应于小型弹性光网络的静态配置。

静＼动态RSA启发式算法。针对适用环境不同，启发式算法被划分为一步式或者两步式。两步式中，将问题分解为路由和频谱分配两个子问题。在计算路由时，可采用最短路径路由算法或负载平衡路由算法。频谱分配时，采用首次适应算法或最低初始谱槽算法。在对大型弹性光网络进行静态或动态配置时，可采用静＼动态RSA启发式算法

可生存性RSA算法是指在路由与频谱分配过程中结合网络生存性展开研究。当网络发生故障时，能尽快恢复受损业务。可生存性RSA算法是一种同时兼顾两个关键问题的配置方案。

距离自适应RSA算法是一种结合传输距离来配置路由频谱的方案。能够根据传输距离的不同来选择合适的调制方式，为简化算法，通常忽略了非线性效应的影响。相比于单纯的RSA算法，能进一步提高频谱资源的利用率。

目前，许多新的RSA算法也相继被提出，如网络碎片整理RSA算法、自适应分布式子载波RSA算法、基于能量感知的RSA算法、基于碎片感知的RSA算法等[2]。

2）碎片重构

在动态网络环境中，随着光路被频繁的建立与拆除，残留了很多非连续性、不能再进行分配的频谱。因为波长连续性限制和频谱连续性限制，在SLICE 网咯中频谱碎片问题更加严重。碎片重构技术能有效及时地对网络进行清理，提高资源利用率，提升网络的性能。碎片重构研究的重点是在减小业务阻塞的同时，将现有业务的影响降低到最小，碎片重构技术主要包含三个方面的研究：触发机制、重构策略以及评价机制[2]。

（1）频谱重构触发机制

在进行频谱触发机制设计时，太低的触发阈值会增大网络的负担，过高的重构阈值又对网络性能的优化不明显。目前，针对重构对象来分，重构触发机制分为针对单业务受阻的触发机制以及针对整个网络的触发机制。针对网络的触发中，可以将网络的某一性能设置为触发重构的条件，或者设置固定的时间点来进行触发重构。针对单业务的触发机制又分为周期性触发、有连接请求失败时触发以及有连接完成时触发。

（2）重构策略

在碎片重构机制中，有很多研究是关于重构策略的。如在RSA问题研究过程中，引入了频谱碎片作为新的维度；通过贪婪算法对频谱碎片有顺序性的进行整理；基于图论的思想，把碎片重构问题转化为构造附属图的最大独立子集问题；基于频隙利用率的重构算法等。另外，结合业务优先级的剩余时间排序的资源重构策略能够对业务优先级进行区分服务的同时，实现空闲频隙数的最大连续性，降低业务阻塞率。

（3）评价机制

在目前的研究中，频谱重构的评价机制主要采用益损比的方式来衡量重构效益，使用频谱重构效益值作为重构过程的评估指标。频谱重构效益值通常由三部分之和构成，即网络性能的优化、重构前后传输时延改变引发的经济效益变化、重构前后业务质量的损伤。

3 总结

传统的WDM光网络已经不再适应未来网络灵活高效的特点，频谱弹性光网络SLICE是全光网络体系架构未来的发展趋势。它能提供更大的网络带宽、灵活的数据速率、更加紧凑的频隙间隔、高效的频谱效率，是一种切实可行的解决方案。同时，SLICE也存在一些亟待解决的问题，如路由与频谱分配、网络的恢复与生存性策略、网络的优化、流量自适应疏导等，尤其是网络控制层的标准化工作将是未来研究的热点问题。随着如软件定义网络、数据中心网络等技术的发展，各种网络之间的融合也将是未来的发展趋势。

参考文献：

[1] 严毅， 肖媚. 弹性光网络路由频谱配置算法研究[J]. 广西大学学报，2015（3）：722-726.

[2] 白文杰. 弹性光网络频谱分配和碎片重构技术的研究[D]. 南京：南京邮电大学，2014.

[3] 刘焕淋，徐一帆. 基于频谱感知的业务分割-合并的弹性光网络资源分配策略[J]. 电子与信息学报， 2016（4）：892-898.

[4] 冯海燕， 沈建华. 弹性光网络中支持虚级联的频谱分配算法[J]. 光通信技术， 2016（2）： 5-7.

[5] 冯海燕. 弹性光网络中支持虚级联的频谱分配算法[J]. 光通信技术， 2016（2）： 5-7.

[6] 张娟. 对弹性光网络中资源分配和碎片重构技术的研究[D]. 北京：北京邮电大学，2014.