弹性光网络非中断频谱碎片整理方法综述

孙伟伟

（南京邮电大学 电子与光学工程学院, 江苏 南京 210000）

一、引 言

弹性光网络与传统WDM网络相比，其优势在于拥有更加灵活的频谱资源分配能力，可以根据传输请求的需要更加合理的分配频谱资源。当一个传输请求到来时，EON分配一部分频谱资源用于建立传输光路，用于传输的频谱间隙（slot）必须满足连续性和相邻性规则；传输完毕后，拆除传输光路，此时就会出现空闲频谱间隙，当非连续、非相邻的频谱间隙达到一定数量的时候，就变成了频谱碎片，或者说阻碍传输请求建立的间隙也可以称为频谱碎片，频谱碎片的出现会导致传输阻塞，从而影响资源利用率和网络传输效率。图1展示了传输路径中的频谱间隙使用情况，此时有一个占用2个频谱间隙的请求需要在路径A→C→D→E中传输，所需要用到的间隙是①②③④⑤⑥，假设图中间隙④已被占用，间隙④成为了阻碍传输路径建立的障碍，间隙④就可以视为频谱碎片，需要对频谱碎片进行整理，从而提高频谱资源的利用率。

对频谱资源进行整理可以分为中断业务型和无中断业务型，本文介绍的三种方法都属于无中断业务型。

图1：（a）传输路径 （b）路径中频谱间隙使用情况

二、无中断频谱碎片整理方法简介

（一）跳跃重整

跳跃重整可以将光路重新调整到任何可用频谱间隙上，而不管它是否是连续的。

图2解释了跳跃重调的概念。这里考虑一个简单的三节点网络场景，如图2(a)所示。图2(b)显示了链路A-B和链路B-C在碎片整理过程之前和之后的情况，即对光路1、光路2和光路3的频谱进行重新分配。图2(c)表示了跳跃重新整理的原理和步骤。假设每个光路需要一个间隙，间隙1、2和3的中心频率分别是f1、f2和f3。光路请求4用于从节点A到节点C建立的光路。在链路A-B上，间隙1可用，但是在链路B-C上间隙1不可用。此时需要把路径B-C的间隙1转移到间隙3上去，这样频谱资源就可以在链路B-C上建立新光路4。

图2 跳跃重调的概念 (a)三节点网络场景 (b)碎片整理之前、碎片整理之后(c)碎片整理的原理和步骤

这种重新调整过程不会破坏任何现有的光路，只要硬件的精度足够就可以操作，所以此方法的缺点是需要灵敏的频谱感知，不易适用于细粒度系统。

（二）推挽重整

推挽重整可以覆盖整个频谱范围，需要逐步执行且不允许频谱跳跃。此方法的执行不涉及光路的重新路由，且操作之前对现有光路进行扫描，因此不会发生业务中断。图3演示了推挽技术的原理和步骤。

图3 推挽技术的原理和步骤 (a)初始状态 (b)对已建立光路进行扫描 (c)确定将要移至的位置 (d)将需要移动的光路移到相应位置

推挽重整的时间主要取决于(i)发射机与接收机之间的传播延迟(ii)波长扫描的信令方法(iii)可调激光器的扫描速度。

扫描时间是处理动态流量的重要系统参数之一。它是通过集中或分布式控制环境下的同步设备来执行的。由于频率的偏移，导致发射机与接收机之间存在时间偏差，所以在连续扫描期间，必须对可调发射机激光器和接收机振荡器激光器之间的频率偏移进行补偿。

（三）先接后断法

在先接后断技术中，当原光路保持活动时，在相同的源-目的地对之间设置备用光路，原光路和备用光路的路线不能相交。图4表示了先接后断法的概念和步骤。

图4 先接后断法的概念 (a)初始状态 (b)建立备用光路

三、仿真结果与分析

本节将从负载和阻塞概率方面对比三种非中断碎片整理方法的性能。

根据文献中的数据，由图5可以看出，当流量负载一定时，阻塞率：推挽＞先接后断＞跳跃。这是因为推挽法需要移动光路，此过程要求连续的频谱间隙，且会影响到其他光路，造成其余光路阻塞，从而增加阻塞率。使用先接后断法时，直接建立一条备用路径，把原路径转移到备用路径中，不存在光路之间的互扰，有效抑制了阻塞率。而跳跃重整法是将光路直接调整到指定位置，不管频谱间隙是否连续，因此阻塞率最低。

图5 三种碎片整理方法的流量负载-阻塞概率关系

对于跳跃重整法，如图6所示，对于不同的重整时间δ，流量负载较低时，阻塞率与理想重整时间对应的阻塞率有差别，随着流量负载的增加，阻塞率与理想重整时间对应的阻塞率相差无几。

图6 不同δ值时跳跃重整法阻塞概率与交通量的关系

对于推挽重整法，如图7所示，对于不同的重整时间α，只有当流量负载达到一定高的值时，阻塞率才向理想重整时间对应的阻塞率逼近，且不同α对应的阻塞率相差也较大。

图7 不同α值时推挽重整法阻塞率与交通量的关系

经过对比分析，可得出结论：与推挽重整法相比，跳跃重整法受重整速度的影响低于推挽重整法，换言之，跳跃重整法不像推挽重整法过度依赖重调速度。这是因为跳跃重整法将光路从初始位置直接移动到指定位置，而推挽重整法需要几个步骤。

四、结语

以上介绍的三种方法各有优缺点，根据其特点和需求在不同条件下使用。虽然相比于传统WDM网络，弹性光网络的传输性能和资源利用率提升很大，但是依然有不少问题需要解决。例如，对于先接后断法，在建立备用光路时，必须对原光路进行保护，避免出现业务中断现象。此外，在接通备用光路并且切断原光路后，还是会出现因光路拆除而引起的频谱碎片现象，因此不要忘记对原光路进行频谱碎片整理。