彈性光網(wǎng)絡(luò)非中斷頻譜碎片整理方法綜述

孫偉偉

（南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院, 江蘇 南京 210000）

一、引 言

彈性光網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡(luò)相比，其優(yōu)勢(shì)在于擁有更加靈活的頻譜資源分配能力，可以根據(jù)傳輸請(qǐng)求的需要更加合理的分配頻譜資源。當(dāng)一個(gè)傳輸請(qǐng)求到來時(shí)，EON分配一部分頻譜資源用于建立傳輸光路，用于傳輸?shù)念l譜間隙（slot）必須滿足連續(xù)性和相鄰性規(guī)則；傳輸完畢后，拆除傳輸光路，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)空閑頻譜間隙，當(dāng)非連續(xù)、非相鄰的頻譜間隙達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，就變成了頻譜碎片，或者說阻礙傳輸請(qǐng)求建立的間隙也可以稱為頻譜碎片，頻譜碎片的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致傳輸阻塞，從而影響資源利用率和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。圖1展示了傳輸路徑中的頻譜間隙使用情況，此時(shí)有一個(gè)占用2個(gè)頻譜間隙的請(qǐng)求需要在路徑A→C→D→E中傳輸，所需要用到的間隙是①②③④⑤⑥，假設(shè)圖中間隙④已被占用，間隙④成為了阻礙傳輸路徑建立的障礙，間隙④就可以視為頻譜碎片，需要對(duì)頻譜碎片進(jìn)行整理，從而提高頻譜資源的利用率。

對(duì)頻譜資源進(jìn)行整理可以分為中斷業(yè)務(wù)型和無中斷業(yè)務(wù)型，本文介紹的三種方法都屬于無中斷業(yè)務(wù)型。

圖1：（a）傳輸路徑 （b）路徑中頻譜間隙使用情況

二、無中斷頻譜碎片整理方法簡(jiǎn)介

（一）跳躍重整

跳躍重整可以將光路重新調(diào)整到任何可用頻譜間隙上，而不管它是否是連續(xù)的。

圖2解釋了跳躍重調(diào)的概念。這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，如圖2(a)所示。圖2(b)顯示了鏈路A-B和鏈路B-C在碎片整理過程之前和之后的情況，即對(duì)光路1、光路2和光路3的頻譜進(jìn)行重新分配。圖2(c)表示了跳躍重新整理的原理和步驟。假設(shè)每個(gè)光路需要一個(gè)間隙，間隙1、2和3的中心頻率分別是f1、f2和f3。光路請(qǐng)求4用于從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)C建立的光路。在鏈路A-B上，間隙1可用，但是在鏈路B-C上間隙1不可用。此時(shí)需要把路徑B-C的間隙1轉(zhuǎn)移到間隙3上去，這樣頻譜資源就可以在鏈路B-C上建立新光路4。

圖2 跳躍重調(diào)的概念 (a)三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景 (b)碎片整理之前、碎片整理之后(c)碎片整理的原理和步驟

這種重新調(diào)整過程不會(huì)破壞任何現(xiàn)有的光路，只要硬件的精度足夠就可以操作，所以此方法的缺點(diǎn)是需要靈敏的頻譜感知，不易適用于細(xì)粒度系統(tǒng)。

（二）推挽重整

推挽重整可以覆蓋整個(gè)頻譜范圍，需要逐步執(zhí)行且不允許頻譜跳躍。此方法的執(zhí)行不涉及光路的重新路由，且操作之前對(duì)現(xiàn)有光路進(jìn)行掃描，因此不會(huì)發(fā)生業(yè)務(wù)中斷。圖3演示了推挽技術(shù)的原理和步驟。

圖3 推挽技術(shù)的原理和步驟 (a)初始狀態(tài) (b)對(duì)已建立光路進(jìn)行掃描 (c)確定將要移至的位置 (d)將需要移動(dòng)的光路移到相應(yīng)位置

推挽重整的時(shí)間主要取決于(i)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳播延遲(ii)波長掃描的信令方法(iii)可調(diào)激光器的掃描速度。

掃描時(shí)間是處理動(dòng)態(tài)流量的重要系統(tǒng)參數(shù)之一。它是通過集中或分布式控制環(huán)境下的同步設(shè)備來執(zhí)行的。由于頻率的偏移，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間存在時(shí)間偏差，所以在連續(xù)掃描期間，必須對(duì)可調(diào)發(fā)射機(jī)激光器和接收機(jī)振蕩器激光器之間的頻率偏移進(jìn)行補(bǔ)償。

（三）先接后斷法

在先接后斷技術(shù)中，當(dāng)原光路保持活動(dòng)時(shí)，在相同的源-目的地對(duì)之間設(shè)置備用光路，原光路和備用光路的路線不能相交。圖4表示了先接后斷法的概念和步驟。

圖4 先接后斷法的概念 (a)初始狀態(tài) (b)建立備用光路

三、仿真結(jié)果與分析

本節(jié)將從負(fù)載和阻塞概率方面對(duì)比三種非中斷碎片整理方法的性能。

根據(jù)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，由圖5可以看出，當(dāng)流量負(fù)載一定時(shí)，阻塞率：推挽＞先接后斷＞跳躍。這是因?yàn)橥仆旆ㄐ枰苿?dòng)光路，此過程要求連續(xù)的頻譜間隙，且會(huì)影響到其他光路，造成其余光路阻塞，從而增加阻塞率。使用先接后斷法時(shí)，直接建立一條備用路徑，把原路徑轉(zhuǎn)移到備用路徑中，不存在光路之間的互擾，有效抑制了阻塞率。而跳躍重整法是將光路直接調(diào)整到指定位置，不管頻譜間隙是否連續(xù)，因此阻塞率最低。

圖5 三種碎片整理方法的流量負(fù)載-阻塞概率關(guān)系

對(duì)于跳躍重整法，如圖6所示，對(duì)于不同的重整時(shí)間δ，流量負(fù)載較低時(shí)，阻塞率與理想重整時(shí)間對(duì)應(yīng)的阻塞率有差別，隨著流量負(fù)載的增加，阻塞率與理想重整時(shí)間對(duì)應(yīng)的阻塞率相差無幾。

圖6 不同δ值時(shí)跳躍重整法阻塞概率與交通量的關(guān)系

對(duì)于推挽重整法，如圖7所示，對(duì)于不同的重整時(shí)間α，只有當(dāng)流量負(fù)載達(dá)到一定高的值時(shí)，阻塞率才向理想重整時(shí)間對(duì)應(yīng)的阻塞率逼近，且不同α對(duì)應(yīng)的阻塞率相差也較大。

圖7 不同α值時(shí)推挽重整法阻塞率與交通量的關(guān)系

經(jīng)過對(duì)比分析，可得出結(jié)論：與推挽重整法相比，跳躍重整法受重整速度的影響低于推挽重整法，換言之，跳躍重整法不像推挽重整法過度依賴重調(diào)速度。這是因?yàn)樘S重整法將光路從初始位置直接移動(dòng)到指定位置，而推挽重整法需要幾個(gè)步驟。

四、結(jié)語

以上介紹的三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)其特點(diǎn)和需求在不同條件下使用。雖然相比于傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡(luò)，彈性光網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和資源利用率提升很大，但是依然有不少問題需要解決。例如，對(duì)于先接后斷法，在建立備用光路時(shí)，必須對(duì)原光路進(jìn)行保護(hù)，避免出現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷現(xiàn)象。此外，在接通備用光路并且切斷原光路后，還是會(huì)出現(xiàn)因光路拆除而引起的頻譜碎片現(xiàn)象，因此不要忘記對(duì)原光路進(jìn)行頻譜碎片整理。