頻譜分片彈性光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的探討

李佳　董屹　肖何

摘要： 隨著寬帶網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，以及各種新業(yè)務(wù)需求的不斷增加，基于粗粒度分配的傳統(tǒng)波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不再適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的需求，頻譜分片彈性光網(wǎng)絡(luò)SLICE（Spectrum-Sliced “Elastic Optic Path”NetWork） 成為了研究熱點(diǎn)。該文對(duì)SLICE的基本概念以及特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，針對(duì)SLICE中的關(guān)鍵技術(shù)路由頻譜分配和碎片重構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞： 頻譜分片彈性光網(wǎng)絡(luò)；路由；頻譜分配；碎片重構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）18-0035-02

1 概述

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，以及P2P應(yīng)用、IPTV等各種新業(yè)務(wù)需求的不斷增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求呈指數(shù)型上漲。光纖的大容量傳輸、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，依舊是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕绞健Ｈ欢?，光交換瓶頸間的不匹配，嚴(yán)重制約了光網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送能力，迫切需要一種新的傳輸體制，來(lái)動(dòng)態(tài)、快速地建立連接鏈路，高效、靈活的實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)承載。

傳統(tǒng)的波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）技術(shù)不能為業(yè)務(wù)需求靈活分配合適的帶寬，導(dǎo)致資源利用率低、業(yè)務(wù)容量擴(kuò)展受限、速率靈活性差。頻譜分片彈性光網(wǎng)絡(luò)SLICE打破了傳統(tǒng)固定柵格的限制，通過(guò)引入彈性粒度為不同速率的業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)分配適合的頻譜帶寬，目前，頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)成為了國(guó)際國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和廠商的研究熱點(diǎn)，

由于頻譜分片彈性光網(wǎng)絡(luò)要受到頻譜一致性、頻譜連續(xù)性等更多條件的約束，因此在路由、資源分配與優(yōu)化等方面變得更為復(fù)雜。本文將對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探討。

2 頻譜分片彈性光網(wǎng)絡(luò)SLICE

2.1 SLICE簡(jiǎn)介

隨著正交頻分復(fù)用OFDM光技術(shù)以及可變速率的光收發(fā)器等光器件的迅速發(fā)展，SLICE網(wǎng)絡(luò)被提出和逐步實(shí)現(xiàn)。頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）將高速數(shù)據(jù)流分解到多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流進(jìn)行并行傳輸，不必預(yù)留帶寬資源，并且OFDM中各子載波相互正交，減小了相鄰信道間的保護(hù)帶寬，提高了帶寬資源的利用率，是實(shí)現(xiàn)彈性光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要技術(shù)。頻譜分片彈性光網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜域進(jìn)行精細(xì)分割，基于頻分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生多個(gè)連續(xù)的、允許頻譜重疊的子載波，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)流量大小和距離按需分配合適數(shù)量的鄰接頻譜單元，這是傳統(tǒng)WDM難以實(shí)現(xiàn)的。

SLICE主要的特征包括：

（1） 靈活的傳輸粒度

SLICE網(wǎng)絡(luò)將頻譜劃分為一定數(shù)量的頻率柵格（SLOT），并采用適當(dāng)連續(xù)的SLOT數(shù)目來(lái)承載用戶業(yè)務(wù)，其帶寬從Gb/s級(jí)至Tb/s級(jí)可調(diào)。由于信號(hào)子載波的正交性，頻譜可以相互重疊，避免了頻譜資源的浪費(fèi)。

（2） 彈性帶寬可變分配

SLICE光網(wǎng)絡(luò)中，各光通路可以根據(jù)用戶需要自適應(yīng)的對(duì)帶寬進(jìn)行擴(kuò)展或者縮減。動(dòng)態(tài)光路徑的擴(kuò)展和縮減不僅可以幫助用戶業(yè)務(wù)間實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間性的共享帶寬資源，通過(guò)對(duì)帶寬的擠壓和重建使得網(wǎng)絡(luò)耗能得以有效降低。

（3） 基于距離自適應(yīng)線速

當(dāng)需要傳送的信息距離較近時(shí)，可以通過(guò)較高的調(diào)試方式來(lái)減少傳輸帶寬，由于信號(hào)本身在傳輸過(guò)程中的損耗小，接收端同樣有較高的信噪比。當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，采用較低形式的調(diào)制方式，通過(guò)適當(dāng)增加傳輸帶寬，減少信號(hào)失真，保證在接收端的信噪比合格。

（4） 更加緊湊的頻譜間隙。

相比于傳統(tǒng)的WDM網(wǎng)絡(luò)，由于OFDM中各個(gè)子載波之間的正交性，SLICE網(wǎng)絡(luò)中的頻譜之間的間隔變得更加緊湊。

2.2 SLICE中的關(guān)鍵技術(shù)

SLICE光網(wǎng)絡(luò)涉及的關(guān)鍵技術(shù)很多，如網(wǎng)絡(luò)層的路由頻譜分配算法、資源的管理與優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)與生存等，節(jié)點(diǎn)層提供高效的客戶端協(xié)議數(shù)據(jù)單元的進(jìn)程映射等，在控制層也還有許多關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化的研究正在進(jìn)行，如為了支持新的譜槽規(guī)范。需要在現(xiàn)有路由、信號(hào)協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展。本文將針對(duì)路由和頻譜分配以及碎片重構(gòu)技術(shù)等進(jìn)行研究。

1）路由和頻譜分配

路由與頻譜分配問(wèn)題（RSA）的核心是自適應(yīng)的為業(yè)務(wù)需求建立一條端到端的光路徑。SLICE的路由和分配受到兩個(gè)約束條件的限制：頻譜一致性和頻譜連續(xù)性，即在光通路經(jīng)過(guò)的每條鏈路必須采用相同序號(hào)的連續(xù)頻譜資源。目前針對(duì)彈性光網(wǎng)絡(luò)中基于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流量情形下的RSA問(wèn)題已有大量的研究。常見(jiàn)的RSA算法有靜態(tài)RSA ILP（整數(shù)線性規(guī)劃）算法、靜＼動(dòng)態(tài)RSA啟發(fā)式算法、可生存性RSA算法、距離自適應(yīng)RSA算法等[1]。

靜態(tài)RSA ILP（整數(shù)線性規(guī)劃）算法在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃初期，根據(jù)業(yè)務(wù)需求離線計(jì)算路由并進(jìn)行資源的分配。在滿足約束的條件下，以某線性函數(shù)值為目標(biāo)的線性規(guī)劃算法。該算法僅適應(yīng)于小型彈性光網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)配置。

靜＼動(dòng)態(tài)RSA啟發(fā)式算法。針對(duì)適用環(huán)境不同，啟發(fā)式算法被劃分為一步式或者兩步式。兩步式中，將問(wèn)題分解為路由和頻譜分配兩個(gè)子問(wèn)題。在計(jì)算路由時(shí)，可采用最短路徑路由算法或負(fù)載平衡路由算法。頻譜分配時(shí)，采用首次適應(yīng)算法或最低初始譜槽算法。在對(duì)大型彈性光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)配置時(shí)，可采用靜＼動(dòng)態(tài)RSA啟發(fā)式算法

可生存性RSA算法是指在路由與頻譜分配過(guò)程中結(jié)合網(wǎng)絡(luò)生存性展開(kāi)研究。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，能盡快恢復(fù)受損業(yè)務(wù)?？缮嫘訰SA算法是一種同時(shí)兼顧兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的配置方案。

距離自適應(yīng)RSA算法是一種結(jié)合傳輸距離來(lái)配置路由頻譜的方案。能夠根據(jù)傳輸距離的不同來(lái)選擇合適的調(diào)制方式，為簡(jiǎn)化算法，通常忽略了非線性效應(yīng)的影響。相比于單純的RSA算法，能進(jìn)一步提高頻譜資源的利用率。

目前，許多新的RSA算法也相繼被提出，如網(wǎng)絡(luò)碎片整理RSA算法、自適應(yīng)分布式子載波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）碎片重構(gòu)

在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，隨著光路被頻繁的建立與拆除，殘留了很多非連續(xù)性、不能再進(jìn)行分配的頻譜。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)連續(xù)性限制和頻譜連續(xù)性限制，在SLICE 網(wǎng)咯中頻譜碎片問(wèn)題更加嚴(yán)重。碎片重構(gòu)技術(shù)能有效及時(shí)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行清理，提高資源利用率，提升網(wǎng)絡(luò)的性能。碎片重構(gòu)研究的重點(diǎn)是在減小業(yè)務(wù)阻塞的同時(shí)，將現(xiàn)有業(yè)務(wù)的影響降低到最小，碎片重構(gòu)技術(shù)主要包含三個(gè)方面的研究：觸發(fā)機(jī)制、重構(gòu)策略以及評(píng)價(jià)機(jī)制[2]。

（1）頻譜重構(gòu)觸發(fā)機(jī)制

在進(jìn)行頻譜觸發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)，太低的觸發(fā)閾值會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，過(guò)高的重構(gòu)閾值又對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化不明顯。目前，針對(duì)重構(gòu)對(duì)象來(lái)分，重構(gòu)觸發(fā)機(jī)制分為針對(duì)單業(yè)務(wù)受阻的觸發(fā)機(jī)制以及針對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的觸發(fā)機(jī)制。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的觸發(fā)中，可以將網(wǎng)絡(luò)的某一性能設(shè)置為觸發(fā)重構(gòu)的條件，或者設(shè)置固定的時(shí)間點(diǎn)來(lái)進(jìn)行觸發(fā)重構(gòu)。針對(duì)單業(yè)務(wù)的觸發(fā)機(jī)制又分為周期性觸發(fā)、有連接請(qǐng)求失敗時(shí)觸發(fā)以及有連接完成時(shí)觸發(fā)。

（2）重構(gòu)策略

在碎片重構(gòu)機(jī)制中，有很多研究是關(guān)于重構(gòu)策略的。如在RSA問(wèn)題研究過(guò)程中，引入了頻譜碎片作為新的維度；通過(guò)貪婪算法對(duì)頻譜碎片有順序性的進(jìn)行整理；基于圖論的思想，把碎片重構(gòu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為構(gòu)造附屬圖的最大獨(dú)立子集問(wèn)題；基于頻隙利用率的重構(gòu)算法等。另外，結(jié)合業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的剩余時(shí)間排序的資源重構(gòu)策略能夠?qū)I(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行區(qū)分服務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)空閑頻隙數(shù)的最大連續(xù)性，降低業(yè)務(wù)阻塞率。

（3）評(píng)價(jià)機(jī)制

在目前的研究中，頻譜重構(gòu)的評(píng)價(jià)機(jī)制主要采用益損比的方式來(lái)衡量重構(gòu)效益，使用頻譜重構(gòu)效益值作為重構(gòu)過(guò)程的評(píng)估指標(biāo)。頻譜重構(gòu)效益值通常由三部分之和構(gòu)成，即網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化、重構(gòu)前后傳輸時(shí)延改變引發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益變化、重構(gòu)前后業(yè)務(wù)質(zhì)量的損傷。

3 總結(jié)

傳統(tǒng)的WDM光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不再適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)靈活高效的特點(diǎn)，頻譜彈性光網(wǎng)絡(luò)SLICE是全光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。它能提供更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬、靈活的數(shù)據(jù)速率、更加緊湊的頻隙間隔、高效的頻譜效率，是一種切實(shí)可行的解決方案。同時(shí)，SLICE也存在一些亟待解決的問(wèn)題，如路由與頻譜分配、網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)與生存性策略、網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、流量自適應(yīng)疏導(dǎo)等，尤其是網(wǎng)絡(luò)控制層的標(biāo)準(zhǔn)化工作將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著如軟件定義網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，各種網(wǎng)絡(luò)之間的融合也將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)毅， 肖媚. 彈性光網(wǎng)絡(luò)路由頻譜配置算法研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（3）：722-726.

[2] 白文杰. 彈性光網(wǎng)絡(luò)頻譜分配和碎片重構(gòu)技術(shù)的研究[D]. 南京：南京郵電大學(xué)，2014.

[3] 劉煥淋，徐一帆. 基于頻譜感知的業(yè)務(wù)分割-合并的彈性光網(wǎng)絡(luò)資源分配策略[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2016（4）：892-898.

[4] 馮海燕， 沈建華. 彈性光網(wǎng)絡(luò)中支持虛級(jí)聯(lián)的頻譜分配算法[J]. 光通信技術(shù)， 2016（2）： 5-7.

[5] 馮海燕. 彈性光網(wǎng)絡(luò)中支持虛級(jí)聯(lián)的頻譜分配算法[J]. 光通信技術(shù)， 2016（2）： 5-7.

[6] 張娟. 對(duì)彈性光網(wǎng)絡(luò)中資源分配和碎片重構(gòu)技術(shù)的研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2014.