在频谱灵活光网络中，通过采用正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术、带宽可变光分插复用器BV-ROADM(Bandwidth Variable ROADM)技术、带宽可变波长选择开关BV-WSS(Bandwidth Variable Wavelength Selective Switch)技术等，能够基于一定的策略动态地为不同粒度的端到端的业务选择合适的调制格式，动态地为业务分配相应合适的资源,从而提高了网络中资源的利用率和业务传输速率^[1]。网络处在重负荷的情况下，一旦出现故障，受损的业务将会因为资源不足受到影响而无法继续通信，网络的生存性受到极大的挑战。因此，在频谱灵活光网络中，应该尽可能降低业务保护路径上所需的资源，根据业务的等级对业务进行灵活的柔性保护，进而提高网络的生存性^[2]。

        传统的波分复用网络以波长为粒度进行传输。当传输需求小于一段波长的容量时，仍会通过分配全部波长来满足该需求，造成频谱资源的浪费。频谱灵活光网络利用光正交频分复用调制技术，将数据分布到若干子载波上进行传输。灵活谱利用全光网络给业务分配连续子载波，此处子载波相对于传统波分复用网络的波长粒度更小，能更好地匹配大小不同的业务传输，提高频谱利用率，降低阻塞率。

        本文提出频谱灵活光网络中一种基于带宽压缩的业务恢复算法，解决了受损业务由于网络带宽不足而无法恢复的问题。基于调制阶数可控的压缩业务带宽机制，在保证一定信号质量的前提下，尽可能地降低业务传输所需的带宽，提高受损业务的恢复率。

1 频谱分配

        随着光网络向灵活栅格的方向发展，网络资源由波长向频谱的转变，频谱灵活光网络在获得高资源利用率和灵活性的同时给网络的管理带来了更高的要求。网络在建路成功后要对路径进行资源分配，因此资源分配算法的优劣直接影响网络的性能，频谱灵活光网络的资源分配算法主要包括随机分配算法、首次命中算法和最佳适应算法。

2 调制阶数

        定义调制阶数为传输中每个符号所承载的比特数。图1是提高调制阶数的示例，工作路径中业务使用QPSK调制方式，每个符号2 bit，共使用4个子载波。网络资源不足进行业务恢复时，备用路径中业务使用16QAM调制方式，每个符号4 bit，共使用2个子载波。

3 基于调制阶数可控业务带宽压缩机制

        随着业务量增加，光纤故障会导致大量业务受损，由于传统算法无法满足业务恢复的带宽需求，将大大降低恢复的成功率，基于带宽压缩的业务恢复算法，通过提高调制阶数的方式，使用恢复路由策略进一步压缩通道间的保护带宽，提高资源的利用效率，在保证一定的信号质量的前提下，尽可能压缩业务本身所需带宽，进一步降低阻塞率，有效提高业务恢复成功率^[3]。

        基于可控调制阶数业务带宽压缩机制通过牺牲一定的传输信号质量，有效提高受损业务的恢复成功率，信号质量的降低可以通过差错控制编码等方式进行一定程度的弥补。由于调制阶数越高，信号传输质量越差，在实际传输时，必须对调制阶数进行一定控制，不能无限制的调高。为了在实际网络实现该方案，提出了两个新的控制信息参数^[3]：

        (1)最高调制阶数：最高调制阶数代表在资源不足情况下，业务进行恢复时所能接受的最高调制阶数。越高的调制阶数在实际传输时信号的质量越差，因此不能无限制地提高调制阶数。

        (2)业务优先级：业务的优先级为需要对同一链路上的某些业务进行压缩带宽时，高等级业务优先获得较高的传输质量，即优先对低等级业务进行带宽压缩。

        该策略在对业务进行恢复时减少了恢复路径所需要的带宽，更为有效地利用了频谱资源。在网络遇到大型故障有大量业务需要进行恢复时，该方案能对网络生存性有很大的提高。

4 柔性保护技术

        业务恢复技术是光网络生存性的关键技术之一，为了进一步提高光网络的生存性，网络出现故障后，对受损业务重新请求路由计算与资源分配，恢复业务的传输。最常见的做法是，避开故障发生位置，对业务进行重新选路和分配资源，一旦网络中资源不足，受损业务将无法得到及时恢复。因此，如何解决受损业务由于网络带宽不足而无法恢复的问题，是光网络多层网络生存性研究的重点之一。

        出现故障业务(或受损业务)时，故障业务所需带宽超过网络剩余资源，利用频谱灵活光网络的调制阶数可控的特点，压缩业务本身所需要的带宽对业务进行柔性保护。图2是柔性保护技术的示意图。在网络中有AC、BC和AD三个业务。业务AD的带宽需求是20个子载波，使用的调制方式为QPSK。在光纤AC、BC上由于存在已有业务，剩余可用资源均为10个子载波。假设在A和D节点间的光纤出现故障，A和D间的业务受到影响需要启用其保护路径及资源，业务将倒换到保护路径A-C-D。如果使用常规的1+1保护方式，网络中不存在拥有足够带宽的路径供故障业务进行保护。通过改变调制方式，调整AC业务以16-QAM调制方式，所需带宽压缩至10个子载波，可以通过备用路径A-C-D进行对业务的保护。

        当调节调制方式时，业务传输的信噪比将发生变化，调高调制阶数，将导致信噪比降低，相应的传输距离也将减小。因此，当进行柔性保护，灵活调节调制方式、压缩保护资源所占用的带宽时，是以损失一定的信号质量和传输距离的减小为代价。因此，在本文中讨论的柔性保护技术在距离可接受的范围内，并以此为背景进行仿真分析。

5 仿真及结果分析

        在仿真中，设置三种业务等级：最高等级的业务在保护路径上分配资源时不进行带宽压缩，保证其信号质量；第二等级的业务在保护路径上分配资源时改变调制格式，提高一阶，表现在带宽上是占用资源为原来的一半；第三等级的业务在分配保护资源时则提高两阶调制格式，占用资源压缩为原来的四分之一。这样通过根据业务等级进行灵活保护的方式既保证了关键任务的顺利进行和其在遭遇故障时的保护，也保证了一定的业务通过率。仿真过程采用的拓扑图是SMALLNET，故障类型采用链路型故障,业务量从20等差增加到260 Erlang。在相同情况下对1+1保护和柔性保护进行分析比较。

        由图3可知，传统的1+1保护，随着业务量逐渐增大，保护成功率将降低到40%左右;但是，采用柔性保护时，可以很明显地看到，业务的保护成功率趋于90%左右，较1+1保护要高出很多，而且随着业务量的增加，保护成功率趋于平稳，保证大部分业务的正常运行。故障个数为1时，两种保护方式的阻塞率相差不大;故障个数为2时，柔性保护的阻塞率要明显小于1+1保护的阻塞率。随着业务量的增大，柔性保护的阻塞率增长比1+1保护时要缓慢。

        柔性保护技术在对业务进行保护时减少了保护路径所需要的带宽，更为有效地利用了频谱资源。在网络遇到大型故障有大量业务需要进行保护时，该方案能对网络生存性能有很大的提高。

        本文针对频谱灵活光网络的特点，基于调制阶数可控带宽压缩的业务恢复算法，结合频谱灵活光网络特性，对业务恢复算法进行研究。从基于调制阶数可控这个方面，提出了一种基于带宽压缩的柔性保护技术，通过提高调制阶数的方式，尽可能压缩业务恢复所需带宽，有效地提高了业务恢复成功率。

参考文献

[1] JINNO M, TAKARA H, TSUKISHIMA K B, et al. Spectrum-efficient and scalable elastic optical path network: architecture, benefits, and enabling technologies[J]. IEEE Communications Magazine, 2009,47(11):66-73.

[2] Yu Xiaosong, Zhang Jie, Zhao Yongli. Spectrum compactness based defragmentation in flexible bandwidth optical networks[C]. Optical Fiber Communication Conference and Exposition(OFC/NFOEC)， 2012 and the National Fiber Optic Engineers Conference, 2012(3):1-3.

[3] 赵永利，张杰，陈海宁，等. 基于带宽压缩的全光网业务恢复方法[P].中国专利:CN102347862A, 2012-02-08.