本发明公开了一种基于OFDM的可变带宽光网络的功率均衡方法及系统。本方法为：1）将可变带宽波长选择开关BV-WSS输出的光信号一部分输出到光谱探测模块；2）光谱探测模块对输入信号进行实时扫描并记录测量的光谱数据，将其发送至均衡控制模块；3）均衡控制模块根据节点控管系统的控制信令从接收到的光谱数据中提取出所有OFDM子波带中心频率点对应的光功率值；4）均衡控制模块将光功率值与基准功率值进行对比，得到所需衰减值，5）均衡控制模块将所需衰减值转换成控制指令，控制BV-WSS对各个频率点进行相应的光功率衰减。本发明通过光谱探测模块在同一探测点对所有子波带同时进行功率探测与均衡控制，降低功率探测复杂度。
1.一种基于OFDM的可变带宽光网络的功率均衡方法，其步骤为：
1)将可变带宽波长选择开关BV-WSS输出的光信号一部分输出到光谱探测模块；
2)光谱探测模块对输入信号进行实时扫描并记录测量的光谱数据，将其发送至均衡控制模块；其中，光谱数据中包含每个频率点所对应的光功率值，光谱探测模块的分辨率小于OFDM子波带的带宽；
3)均衡控制模块接收节点控管系统的控制信令，并根据控制信令从接收到的光谱数据中提取出所有OFDM子波带中心频率点对应的光功率值[P1，P2，P3，…，PN]；其中，控制信令包括OFDM子波带对应的中心频率[f1，f2，f3，…，fN]，N为子波带数量；
4)均衡控制模块将[P1，P2，P3，…，PN]与基准功率值Pb进行对比，得到所有OFDM子波带的所需衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]，其中，所述衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]的确定方法为：a)初始均衡状态：Pb＝P0，预设一均衡精度范围ΔP，使得第i个子波带中心频率点对应的光功率值Pi满足：P0-ΔP≤Pi≤P0+ΔP，i＝1,2,3，…，N，P0为一经验值；b)进入非均衡状态，即光谱数据中有一个或多个子波带的功率在[P0-ΔP,P0+ΔP]以外，则找出[P1，P2，P3，…，PN]中的最小值Pmin，然后根据最小值Pmin更新基准功率值Pb；均衡控制模块将[P1，P2，P3，…，PN]与更新的基准功率值Pb进行对比，得到所有OFDM子波带的所需衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]；
5)均衡控制模块将[Att1，Att2，Att3，…，AttN]转换成控制指令，控制BV-WSS对各个频率点进行相应的光功率衰减；其中，所述均衡控制模块对中心频率fi子波带中的各频率点，均采用第i个控制指令控制BV-WSS对中心频率fi子波带中各个频率点进行衰减。
2.如权利要求 1所述的功率均衡方法，其特征在于通过公式
确定衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]。
3.如权利要求1所述的功率均衡方法，其特征在于更新基准功率值Pb的方法为：若Pmin＞P0+ΔP，则Pb＝P0；若P0-ΔP≤Pmin≤P0+ΔP，则Pb＝P0；若Pmin＜P0-ΔP，则Pb＝Pmin。
4.如权利要求1所述的功率均衡方法，其特征在于利用一分光器将经BV-WSS进行光交换输出的信号一部分输出到所述光谱探测模块。
5.一种基于OFDM的可变带宽光网络的功率均衡系统，其特征在于，包括可变带宽波长选择开关BV-WSS、分光器、光谱探测模块和均衡控制模块，BV-WSS经分光器与光谱探测模块连接，光谱探测模块经均衡控制模块与BV-WSS连接，均衡控制模块与光网络交换节点的控管系统连接；其中：光谱探测模块，用于对输入信号进行实时扫描并记录测量的光谱数据，将其发送至均衡控制模块；其中，光谱数据中包含每个频率点所对应的光功率值，光谱探测模块的分辨率小于OFDM子波带的带宽；
均衡控制模块，用于接收节点控管系统的控制信令，并根据控制信令从接收到的光谱数据中提取出所有OFDM子波带中心频率点对应的光功率值[P1，P2，P3，…，PN]；将[P1，P2，P3，…，PN]与基准功率值Pb进行对比，得到所有OFDM子波带的所需衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]，并且将其转换成控制指令发送给BV-WSS；其中，所述均衡控制模块对中心频率fi子波带中的各频率点，均采用第i个控制指令控制BV-WSS对中心频率fi子波带中各个频率点进行衰减；所述衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]的确定方法为：a)初始均衡状态：Pb＝P0，预设一均衡精度范围ΔP，使得第i个子波带中心频率点对应的光功率值Pi满足：P0-ΔP≤Pi≤P0+ΔP，i＝1,2,3，…，N，P0为一经验值；b)进入非均衡状态，即光谱数据中有一个或多个子波带的功率在[P0-ΔP,P0+ΔP]以外，则找出[P1，P2，P3，…，PN]中的最小值Pmin，然后根据最小值Pmin更新基准功率值Pb；均衡控制模块将[P1，P2，P3，…，PN]与更新的基准功率值Pb进行对比，得到所有OFDM子波带的所需衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]；
BV-WSS用于完成可变带宽光交换，以及根据所述控制指令对OFDM子波带中各个频率点进行光功率衰减。
6.如权利要求5所述的功率均衡系统，其特征在于所述均衡控制模块通过公式确定衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]；其中，ΔP为预设的均衡精度范围。
7.如权利要求5所述的功率均衡系统，其特征在于所述均衡控制模块实时更新基准功率值Pb：若Pmin＞P0+ΔP，则Pb＝P0；若P0-ΔP≤Pmin≤P0+ΔP，则Pb＝P0；若Pmin＜P0-ΔP，则Pb＝Pmin；其中，P0为初始均衡状态Pb的初始值，ΔP为预设的均衡精度范围，Pmin为非均衡状态，即光谱数据中有一个或多个子波带的功率在[P0-ΔP,P0+ΔP]以外，[P1，P2，P3，…，PN]中的最小值Pmin。
基于OFDM的可变带宽光网络的功率均衡方法及系统
技术领域
[0001] 本发明针对基于正交频分复用(OFDM)技术的可变带宽光网络，提出了一种基于光谱分析和可变带宽波长选择开关(BV-WSS)的功率均衡方法及系统，属于光纤通信技术领域。
背景技术
[0002] (一)WDM光网络功率均衡概述
[0003] 功率均衡是实用化光网络必不可少的功能之一，其基本概念是指将光纤链路中的所有信道的光功率调整到同一功率水平。下面对其原理进行简要介绍。
[0004] 在传统的波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)光网络中各个信道之间的光功率存在失衡现象，主要来源于稳态WDM传输和动态全光交换路由两种情况。
[0005] 在第一种情况中，点到点WDM传输中的各个信道起始光功率相同，但是由于光传输链路和光交换节点中的各类光器件(如光放大器、复用/解复用器、光滤波器、光开关等)对各波长的响应略有不同，因此在传输过程中各信道功率可能不同，这其中最主要的来源是传输链路中掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical FiberAmplifier，EDFA)的增益谱不平坦特性，在长距离传输中多个EFDA级联时会有自滤波效应，各信道之间的光功率差会产生累积，使得某些信道的增益明显小于另一些信道的增益；在第二种情况中，由于WDM网络的动态重构性和光波长信道的上下路，会导致进入节点中的经历不同路由过程的波长信道的光功率水平参差不齐。
[0006] WDM传输链路中各信道之间的光功率失衡会带来严重的问题，主要包括：(1)信道间光功率的失衡会随着EDFA级联效应而进一步加剧，从而影响系统性能(主要包括三个方面：某些信道光功率值过高，最终导致接收端接收到的光功率超过接收机的动态范围；某些信道由于增益补偿不充分使得光功率值过低，最终导致接收端接收到的光功率低于接收机灵敏度；某些信道可能由于功率失衡的累积效应而达不到系统所需的误码率性能)；(2)波长信道间光功率失衡，可能会使得入纤功率过高(如网络动态重构导致节点输出端的入纤功率过高)，在长距离传输时会由于光纤非线性效应(如交叉相位调制XPM、四波混频效应FWM等)而导致系统传输性能劣化。
[0007] 因此，在WDM光网络中进行功率均衡是必不可少的。一方面，需要设计增益谱平坦的EDFA，但是这无法解决光网络动态重构所带来的功率失衡问题，因此更重要的一方面是需要针对整个网络进行信道光功率均衡。
[0008] 在传统WDM网络的功率均衡方案中，普通采用一种“节点隔离原理”，其基本原理是：让到达每个节点的每个WDM信道功率都达到一个预设值，避免之前由于传输和交换带来的功率不均衡性传递到之后的网络节点中。按照这个原理，系统需要在每个交换节点处进行功率均衡，使得节点输入信道的功率失衡(由上游链路EDFA级联效应以及节点上下路和分叉复用造成)现象得到补偿。
[0009] 图1所示为WDM网络节点中进行光功率均衡的典型方案。在光交换节点(如图1(a)所示)中，利用解复用器将所有波长信道分离出来进行光交换，然后每个波长信道接一个功率均衡模块。如图1(b)所示，在均衡模块内部，在每一个波长信道上放置一个可调光衰减器，并通过功率探测器分别探测各个波长信道的光功率水平，然后由均衡控制器根据各波长信道光功率探测结果，通过反馈调节各衰减器的衰减量对各信道的光功率水平进行衰减，使光交换节点输出端各个波长信道的光功率衰减至同一水平，达到均衡状态。
[0010] (二)可变带宽光网络概述
[0011] 随着互联网的高速发展，核心网中的数据流量正呈现指数型增长，另一方面，新型的互联网应用(如IPTV、云计算等)对带宽的需求具有不可预测性。这两方面因素驱动光网络朝着灵活、动态、高效的方向发展。在这种背景下，近年来业界提出了可变带宽光网络(Elastic Optical Networking)的概念，它克服了传统WDM光网络粗粒度、固定栅格的限制，可以动态灵活的分配带宽资源，能够承载从亚波长级到超波长级的业务需求，极大的提高了频谱资源利用率。
[0012] 从物理层角度来看，实现可变带宽光网络包含两方面的关键技术：可变速率收发机、可变带宽光交换。其中，前者的关键在于正交频分复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM)技术被引入光传输领域，而后者的关键在于新型的可变带宽光交换器件被用于节点的全光交换。下面分别对这两方面进行简要介绍。
[0013] OFDM是一种多载波调制技术，它通过多个低速的正交子载波来传输高速数据流信号。与一般的频分复用技术不同，OFDM则由于子载波之间的正交性，各个子载波之间可以有频谱交叠，无需保护带宽，因此极大提高了频谱利用率。OFDM技术被广泛应用于无线通信等领域，近年来，OFDM技术被引入光纤通信领域，极大的推动了光传输技术的发展，目前，单信道的传输速率已经能够达到1Tb/s以上。除了具有高频谱效率的优点以外，光OFDM技术还具有抗色散(chromatic dispersion，CD)和抗偏振模色散(polarization mode dispersion，PMD)能力强的特点，另外，由于光OFDM技术采用多载波复用机制并支持自适应的调制格式选择，因此能够实现多数据速率承载，支持从亚波长到超波长的带宽分配。
[0014] 从子载波信号合成的角度来看，光OFDM可以分为电域生成子载波和光域生成子载波两大类，本专利申请讨论的光OFDM技术特指前者。在产生光OFDM信号过程中，首先在电域通过射频OFDM发射机产生多个OFDM电子载波(subcarrier)，然后将电子载波调制到光载波上，实现上变频。在上变频的过程中，一般不是将所有电子载波调制到一个光载波上，而通常是采用正交波带复用(orthogonal band multiplexing，OBM)机制，其基本原理是将整个OFDM信号分割成多个OFDM子波带(subband)，每个子波带调制到一个光载波上，不同子波带包含的子载波之间仍然保持正交性，子波带之间没有或者只有很小的保护带宽(guard band)。这种由多个正交的子波带组成的光信道称为光超级信道(superchannel)。
[0015] 利用光OFDM技术，可以实现可变速率收发机，主要方式包括调整电子载波数量、调整光子波带数量、改变调制格式等。
[0016] 另一方面，为了支持端到端的可变带宽光路，光路中的每一个光交换节点都应该具备按需分配相应频谱带宽的能力，传统的光交换器件无法满足灵活调整交换窗口的要求。近年来，基于硅基液晶(LCoS)技术的可变带宽波长选择开关(bandwidth-variable wavelength-selective switch，BV-WSS)被广泛用作交换单元来实现可变带宽的光交换，它可以灵活的调节交换粒度，交换窗口从细粒度(小于50GHz的标准WDM栅格)到粗粒度灵活可调，而且中心频率可调，因此可以实现灵活可变的频谱分配。目前，商用化的BV-WSS已经能够支持1GHz频谱分辨率、最小操作带宽10GHz以下的光交换。典型的可变带宽光交换节点结构如图2所示，不同带宽的光超级信道可以在节点进行灵活的交换。
[0017] (三)可变带宽光网络功率均衡面临的瓶颈
[0018] 基于同样的原因，与传统的WDM光网络类似，在可变带宽光网络中也需要进行功率均衡。但是由于可变带宽光网络与WDM光网络在传输机制、网络架构和节点结构上都存在较大差异，因此在设计其功率均衡方案时需要考虑以下几个方面：
[0019] (1)信道间隔不固定(在WDM光网络中为50/100GHz的固定栅格)；
[0020] (2)信道带宽不固定(从10GHz以下到400GHz以上带宽可变)；
[0021] (3)单光纤信道数量众多，可达数百个以上(在WDM光网络中通常为80/40)；
[0022] (4)交换粒度不固定(在WDM光网络中为波长，栅格为50/100GHz)。
[0023] 因此，如果沿用WDM光网络中功率均衡所采用的“信道解复用+可调光衰减器”方案，将不可避免的面临以下瓶颈：
[0024] (1)端口数巨大且满足滤波特性的解复用器难以实现；
[0025] (2)数量众多的信道进行解复用带来的光功率损耗过大；
[0026] (3)数量众多的“功率探测+可调光衰减器”模块造成节点结构过于庞大，且成本过高，另外联控机制较为复杂，可能造成均衡时延过高；
[0027] (4)与WDM系统无需考虑信道内部的功率均衡不同，可变带宽光网络中需要考虑对带宽很大(可达400GHz以上)的光超级信道进行信道内部的功率均衡。
[0028] 因此，对于基于OFDM的可变带宽光网络而言，需要设计新的功率均衡方案。
发明内容
[0029] 针对传统光网络功率均衡方案中存在的技术瓶颈，本发明的目的在于为基于OFDM的可变带宽光网络提供一种基于光谱分析和BV-WSS的功率均衡方法及系统，能够在可变带宽光交换节点中以光OFDM子波带为单位，对所有光信道进行实时的功率均衡。
[0030] 本发明的技术方案为：
[0031] (1)基于OFDM的可变带宽光网络的功率均衡方案框图如图3所示。主要功能模块包括：可变带宽波长选择开关(BV-WSS)、光谱探测模块和均衡控制模块；
[0032] (2)BV-WSS除了完成可变带宽光交换功能以外，还需要完成信道光功率可调衰减的功能。目前商用化的BV-WSS(如Waveshaper)可以实现1GHz频谱分辨率、最小操作带宽10GHz以下的可调光功率衰减，可以同时对输出端口中的所有信道实现精细的光功率衰减(精确到0.1dB)，通过将输出端口的所有子波带衰减至同一功率水平达到均衡的目的；
[0033] (3)光功率监测点位于交换节点的输出端，利用分光器(可以采用5：95光耦合器)从输出光信号中分离出一部分光信号送往光谱探测模块；
[0034] (4)光谱探测模块可以采用商用的光谱探测设备(如光谱分析仪等)，它能够对输入信号的光功率谱进行实时扫描测量并记录采样的光谱数据(频率及对应的光功率值)，该设备的性能参数决定了光谱探测时的分辨率、光功率动态范围以及扫描时间(目前商用光谱分析仪可以达到10ms量级的扫描时间)；
[0035] (5)均衡控制模块分为数据处理模块和衰减控制模块两个子模块(如图4所示)。其中：数据处理模块接收光谱探测模块得到的光谱数据，并接收节点控管系统发送的控制信令(包含所有子波带的中心频率以及带宽等信息)，通过以上数据可以分析得到每个子波带的功率衰减数据；衰减控制模块接收功率衰减数据，经过处理之后通过相应的控制指令控制BV-WSS对所有子波带进行相应的光功率衰减。
[0036] 注：节点控管系统是光网络交换节点所必需的，不同的网络架构可能有不同的控制协议与信令格式。
[0037] 与现有技术相比，本发明的积极效果为：
[0038] 本发明可以克服传统功率均衡方案在可变带宽光网络中的瓶颈，主要有以下几方面显著优点：
[0039] (1)采用本方案无需将各个信道解复用并单独进行功率衰减，可以避免数量众多的信道进行解复用造成功率损耗过大；
[0040] (2)由于充分利用BV-WSS的可调功率衰减功能，无需外接可调光衰减器，节约了系统的成本和空间；
[0041] (3)通过光谱探测模块对节点输出的所有子波带进行光谱扫描，可以达到在同一探测点对所有子波带同时进行功率探测的目的，与传统功率均衡方案对每个信道单独进行功率探测的方式相比降低了功率探测复杂度；
[0042] (4)功率均衡以OFDM子波带为单位进行操作，无需区分信道，因此可以实现信道内部各个子波带之间的功率均衡。
附图说明
[0043] 图1 WDM光网络功率均衡典型方案：
[0044] (a)节点结构，(b)功率均衡模块；
[0045] 图2基于OFDM的可变带宽光交换节点典型结构；
[0046] 图3基于OFDM的可变带宽光网络的功率均衡方案框图；
[0047] 图4均衡控制模块示意图；
[0048] 图5基于OFDM的可变带宽光网络功率均衡方案流程图。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图详细描述本发明的具体实施步骤：
[0050] (1)功率均衡方案框图及各个功能模块如图3和图4所示，具体流程图如图5所示；
[0051] (2)将OFDM光信号(由光OFDM子波带组成)输入BV-WSS；利用分光器将BV-WSS输出光信号的一部分输出到光谱探测模块，分光器与光谱探测模块之间利用光纤连接；
[0052] (3)光谱探测模块对输入信号的光功率谱进行实时扫描并记录测量的光谱数据，光谱探测模块的分辨率应该小于OFDM子波带的带宽，以保证功率探测的准确性，得到的光谱数据中包含每个频率点所对应的光功率值(与分辨率相关)，光谱探测模块将得到的光功率谱数据发送至均衡控制模块，二者之间通过GPIB接口(通用接口总线)连接；
[0053] (4)数据处理模块是均衡控制模块的子模块，通过软件实现。数据处理模块接收到光功率谱数据后，对其进行处理，同时分析节点控管系统发送的控制信令(其中记录了所有OFDM子波带对应的中心频率[f1，f2，f3，…，fN]，其中N为子波带数量)，由此可以提取所有OFDM子波带中心频率点对应的光功率值[P1，P2，P3，…，PN]，由于光谱数据中包括了频率值与其对应的光功率值，因此根据子波带中心频率值即可直接从光谱数据中读取出相应的功率值。再将[P1，P2，P3，…，PN]与基准功率值Pb进行对比，得到所有子波带的所需衰减值[Att1，Att2，Att3，…，AttN]，其具体方法和步骤如下：
[0054] i.初始均衡状态：Pb＝P0，P0-ΔP≤Pi≤P0+ΔP(i＝1,2,3，…，N)，其中ΔP为事先选择的均衡精度范围；P0可以为一经验值，比如之前功率均衡操作后进入均衡状态时得到的基准功率值。
[0055] ii.进入非均衡状态，即有一个或者多个子波带的功率在[P0-ΔP,P0+ΔP]以外，此时首先需要找出[P1，P2，P3，…，PN]中的最小值Pmin，然后重新确定基准功率值，如下：若Pmin＞P0+ΔP，则Pb＝P0；
[0056] 若P0-ΔP≤Pmin≤P0+ΔP，则Pb＝P0；
[0057] 若Pmin＜P0-ΔP，则Pb＝Pmin。
[0058] 则可以得到： (i＝1,2,3，…，N)。由于BV-WSS只是对各个子波带进行衰减以达到各个子波带功率均衡的目的，因此如果Pmin超出最小边界值时调整，则是以最小功率值的子波带作为基准值。
[0059] 然后通过分析控制信令(其中记录了所有OFDM子波带对应的中心频率[f1，f2，f3，…，fN]以及每个子波带的带宽[B1，B2，B3，…，BN]，其中N为子波带数量)，由此可以得到功率衰减数据，其中包含所有N个子波带中各频率点所对应的光功率衰减值，如以下矩阵所示：
[0060]
[0061] 然后将功率衰减数据发送至衰减控制模块进行处理；矩阵中的省略号代表的是每一子波带中的所有频点，即对于子波带1中的所有频点，将其功率衰减值设为Att1；对于子波带N中的所有频点，将其功率衰减值设为AttN。
[0062] (5)衰减控制模块是均衡控制模块的子模块，通过软件实现。接收到功率衰减数据之后，对其进行处理，然后转换成控制指令，通过USB接口对BV-WSS进行相应的配置，以对各个频率点进行相应的光功率衰减；
[0063] (6)功率均衡的最终结果是使得所有OFDM子波带的中心频率点所对应的光功率值达到均衡状态，满足：Pb-ΔP≤Pi≤Pb+ΔP(i＝1,2,3，…，N)。
