用于光传输网的自适应数据传输格式

摘要

光信号的产生可能使用不同的调制和多载波方案以增加单个信道(载波)的频谱效率。使用相干检测的技术，甚至可以使传输需求、频谱可用性和传输距离的自适应变为可能。方案允许诸如发射机和接收机以及其他网络工作元件(OXC、ROADM)的物理层设备使用所述能力。基本思想是考虑到可能针对相同的数据速率的多种可能的频谱效率而定义ODU格式，从而产生用于相同业务需求的可变带宽部署。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有自适应数据传输格式的光网络的系统和方法。

背景

1.引言

A.相干检测的能力

通过数字数据处理启用的相干检测技术已经开辟光纤传输的新时代， 其有望使标准单模光纤(SSMF)在无色散补偿情况下将传输速度增加到 100G/s及高于100G/s。这种可能性给许多现有运营商提供了在无需光纤基 础设施的巨大的额外投资的条件下升级或扩展他们的网络容量的希望。此 系统的当前盛行的商业实施使用三个基本技术的进步：波特率，调制阶数 和光学子载波。提高波特率需要高速ADC/DAC，提高调制阶数需要先进 的系统设计和检测算法，以及增加每带宽的子载波需要先进的激光技术和 光滤波器。为了使所有这些技术协同工作以实现预期的高频谱效率、由强 大的DSP驱动的检测算法是必要的。当实际收发机现今变得越来越多地用 软件启用、或者甚至利用高性能IC制造工艺和先进的ASIC的优势进行定 义时，这对网络设计和协议设计提出了新的挑战。

新的相干检测技术的重要特征带来的不仅是高传输速率和高频谱效 率(SE)，而且还带来以前不可能的使用光谱的灵活性，并且同样的，其 提供了网络规划和网络性能的新的范例。例如，复杂的调制(其取代了传 统的通断调制)允许改变调制阶数，以提供不同的频谱效率。对固定带宽， 这意味着使频谱效率适应传输距离的能力。另一方面，由多个子载波启用 的信道引入增加频谱效率而不线性增加必要的带宽的可能性，使其对在标 准中引入灵活频谱网格有吸引力。这就是所谓的弹性光网络(EON)的想 法。提供了所有这些可能性，比起现在，运营商将以完全不同的方式规划 和操作光传输网(OTN)，也就是说，以更灵活地使用网络资源和更适应 于业务需求、同时最大化光纤基础设施的使用的方式。

B.从OTN到EON

弹性光网络(EON)是能够以下列这样的灵活方式使用光纤光谱的网 络，该灵活方式使在与以前一样的同一光纤基础设施中处理更高的业务量 成为可能。目标是通过增加频谱效率以提高网络容量。从可行性观点来看， 我们必须接受的事实是，在光传输网(OTN)的框架[2，3，4]内，频谱必 须以具有意义的有限粒度(即时隙)进行处理，使得即使在EON内，任 何资源管理方案也可以按照频谱时隙工作。在这个约束下，该光学频谱效 率可以被细分成两个部分：一个部分是基于收发机、交换机和其他网络元 件能力的单个信道的频谱效率。另一个部分是基于所有信道上的频谱管理 的频谱利用率。因此，在这个背景下，在EON有效部署中的两对矛盾成 为典型矛盾：频谱效率和分配灵活性之间的折衷，以及所提供的容量和传 输距离之间的折衷。能够针对这些折衷管理频谱将最终产生更好的整体频 谱利用率，前提是以下底层技术可以被引入光传输网体系结构的框架中：

实际信道可以就其在频谱上的实际位置和带宽大小被定义在不同星 座的光载波上。从固定的最小带宽(称之为基本载波)开始，人们 可以由多个基本载波构建更大的载波。多个基本载波构成的较大的 载波可以是连续或非连续的。因此，在该路径上，可以继续定义许 多不同类型的载波：单载波、复合载波、连续载波、非连续载波等。 基本的物理信道能够由基本载波上的特定数据速率来定义，例如每 50GHz是100G比特/s，以符合当前的DWDM网格。

每个信道的高频谱效率可以通过如CO-OFDM或奈奎斯特WDM或 其它的实施方法[1，7]的技术，使用光学子载波在光学层获得。这 种光学信道可占用比单个基本信道需要的带宽更大的带宽，但占用 的带宽比通过多个同步的基本信道[5]提供相同传输速率时的带宽要 小得多。每个信道的不同的频谱效率还可以通过不同的调制阶数提 供，例如QPSK、16QAM、64QAM等。使用不同的调制阶数，不同 的频谱效率可以用相同的带宽获得，对不同的传输距离是足够的。 这提供了基于光学子载波的信道的替代方案。因此，为了从可能的 不同频谱效率中获益，有必要规定不同的信道类型以允许对业务需 求的自适应：不同的业务要求不同的信道类型。

此外，应该能够构造感知频谱效率的ODU/OTU。一样大小但不同 特点的ODU可以被定义以负责不同的信道类型。因此，不同的ODU 特点可以被选择以适应所要求的必要的频谱效率和传输距离。

从物理层感知受益，ODU可以由对业务和基础的信道类型自适应的 FEC机制保护。从而，固定大小的ODU可以由不同的信道类型和不 同的FEC机制支持。这给ODU增加了更多特点。通过为ODU/OUT 引入类型和特点，人们得到了帧级别中的可用业务承载的更丰富的 储备，并最终提高了频谱使用的效率。

OTN架构总的说来基于通断技术，并且因此，假定了一个相当简单的 物理层。那时认为数字处理更可能发生在L2和高于L2的层。因此，由新 的相干检测技术提供的可能性和灵活性和现有严格的分层架构冲突。随着 越来越多的软件涉及相干检测技术，需要上层帧和底层复用之间的交互 (其中包括传输/接收)以充分利用新技术的优势。修改OTN架构以允许 跨层信息传输是必要的以释放EON的全部潜力。

C.对OTN架构的修改

当前的OTN架构总的来说是基于通断技术和基于上层的，这是因为 在那个时候认为数字处理仅发生在L2和高于L2的层。因此，其并没有考 虑到在L1和低于L1的层提供新的相干检测技术的可能性和灵活性。从而， OTN的现有的严格分层架构不允许涉及发射机和接收机的上层数据帧和 复用层之间的直接交互，因此使如上述设想的弹性操作变得困难。所以， 有必要修改OTN架构以允许从底部的WDM模块到ODU的组帧的跨层信 息传输，且反方向传输亦被允许。

附图简述

已经这样概况地描述了本发明，现在参照附图，这些附图不一定按比 例绘制。附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被并入且组成本 说明书的一部分。附图示出了所公开的实施例和/或方面，并且与说明书一 起，用于解释范围由权利要求书所确定的本发明的原理。

在附图中：

图1示出了在光传输网中的客户服务端的关联。

图2示出从ODU k到OTMn.m的各层的实例。

图3是截止到2012年向SG15提出的ODU到光学载波的映射的实例。

图4是光谱2上的信道载波星座的示意图。

图5是不同类型的(左)和特点(右)的灵活的数据单元格式。

图6是频谱效率和传输距离之间的等价性：DU＝有固定比特的通用数 据帧。

图7是各条线之间在线的一阶导数(斜率)方面的差异，其中，红线 对应于保护带被忽略时的多个平行频谱时隙。这造成最低的单信道频谱效 率。绿线说明对于给定SE不同带宽对应于不同的传输距离的选项，其可 以这样被选择；即在斜率和胜任距离之间存在映射。

具体实施方式

本发明现在将参照附图在下文中被更加充分地描述，本发明的实施例 的一些实例在附图中被示出。应该理解的是，在此提供的附图和描述可能 已被简化以说明与为了清楚地理解本发明相关的元件，同时为了清楚的目 的，去掉了在典型的自适应数据传输系统和方法中提供的其他元件。本领 域中的那些普通技术人员可认识到，其他元件和/或步骤可能是期望的和/ 或必要的以实现在此描述的装置、系统和方法。然而，因为这样的元件和 步骤在本领域中是众所周知的，并且因为它们不利于更好地理解本发明， 本文可不提供这些元件和步骤的讨论。本公开内容被认为是固有地包括所 有这些元件、变体以及对所公开的元件和方法的修改，这对在相关领域中 的那些普通技术人员是已知的。实际上，这些公开的发明可以体现为许多 不同形式，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例；实际上，这些实施 例是以示例的方式提供，使得本公开将满足适用的合法要求。贯穿全文相 同的数字指代相同的元件。

作为替代的标准，由新的传输引入的灵活性可以被实施为专有解决方 案且被声明作为OTN架构内的OCh的服务客户端。然而，如果没有跨越 不同实现域的能力，新的频谱效率和相关容量将受到严格限制和损害，除 非采取标准化的方法。即使是在专有解决方案的范围内，也有必要跨越域 的边界传输共同确认的信息，如LSA必需的信息。因此，引入架构修改 以利用由相干检测技术提供的机会似乎是有利的。

在下文中我们开始将难题分解成具体的问题，从而指导我们自己解决 上述提出的架构问题。

2.SG15的当前状态：50GHz时隙的动态分配讨论

针对当前架构，截止2012年我们给SG15提出了两项提案，以引进反 向复用方案，从而允许DWDM网格(50GHz)内的光谱的灵活利用。这 两项提案的状态很好地概括为以下几点：

在介质网络中的“层”不必考虑，即介质基本上是平的且没有层级 (OMS和OTS作为维护实体是有用的)。并且介质独立于数字信号结构。

定义OTUS帧的一个实用的方法是使用n*100Gb/s的帧。如果我们采 取这种方法，则我们就可以将n*100Gb/s的帧映射到k个承载m*100Gb/s 帧的光信号中。然后我们将在每个介质信道使用一个光信号。这使我们能 够灵活地使用：例如k＝1和m＝10，所以我们使用承载1T比特流的单个光 信号；或k＝10、m＝1时，其中我们将使用10个光信号(每个都具有FEC 并且进行组帧)，每个光信号承载100G，其通过接收机重新组合；或采用 任何其他合适的组合。

这种模块帧的定义方法将从光信号解耦数字格式，且我们可以基于应 用优化光学器件。其还将为允许我们利用实现更高的比特率和频谱密度的 光学技术或DSP中的改进的优势提供灵活性。最初，其将允许我们重新使 用现有的50GHz的固定网格的放大器链或优化新的弹性网格应用。在弹性 网格的情况下，我们可以优化每个光信号的比特率、介质信道(频谱分配) 和介质信道之间的保护带。

如果我们决定支持多介质信道方法，则根据我们应用的知识，我们应 该针对应被调节的差分延迟的量提交提案。这将允许我们表达我们对路由 灵活性和缓冲区大小之间折衷的观点。

值得注意的是，这种方法并没有改变单个信道的频谱效率 (100Gb/50GHz＝2)，但是其通过使用零散频谱提高了整个频谱带的利用率。 因此，其将仅解决整个频谱效率问题的一部分，并且可以被看作是相当大 的项目的第一步。

由于这是朝着长期演进的第一步，我们需要验证提案在前向兼容性方 面的影响。为此，关于在OTN框架内什么是可能的相当大的设想是必要 的。

3.开放式问题

为了在给定的性能目标下基于连续或离散光谱支持大有效载荷的 ODUS，哪些中间层要被修改？

或者，反过来，知道我们可以或者想改变架构，利用引入的ODUS， 我们可以实现什么样的性能值？

在每个系统设计开始时，这个问题都是典型的问题。在G.709中由图 6-6示出的在本设计中能够起作用的部件如本公开的图2所示。

至少以下30个问题需要考虑(下表中的非穷举列表)：

表格说明

行：

缩略语：E＝基本信道，WL＝宽带低频谱效率，WH＝宽带高频谱效 率(超级信道(supper channel))，c＝连续的，n＝非连续的

1.E(w，r，m，g)：标称名义单光载波，其中m是调制方案，w是 带宽，r数据速率，g必要的邻近的保护带(反映了过滤器的要求)。 假设从w＝50GHz开始看起来是合理的。

2.WLc(c，nxE)＝{E1，E2，...En}：复载波由位于连续频谱的n个 名义单载波组成。描述这种载波所需的参数应该是和情况1是相同 的。但是，不同之处可能在于，性能(色散引起的延迟)和后向兼 容方面、以及增加的保护带。因此，它应受特别的额外处理。在一 些实现中(例如，奈奎斯特WDM)允许在基本载波上的不均匀调 制是可能的，因此针对具体用途，可能有不同的分插(add-drop) 能力。

3.WLn(n，nxE)＝{E1，B，E2，...En}：复载波由n个有离散(非 连续)频谱的名义载波组成，其中B意味着未被这个载波使用的频 谱。针对情况2所做的附加注释都适用于这种情况。这种情况下可 以延伸超出现有技术的可行性。然而，通过适当限制参数，其在给 定的技术约束中应该是可行的，我们需要了解量化损失。

4.WH(w，r，m)＝[nxE]：超级载波由不可分离的光学子载波组成， 占用的带宽通常远小于nx50GHz，其中w是带宽且r是数据速率。

5.这是当WH和E被隔开超过必要的保护带的孤立情况。

6.这是当WH和WLc/n被隔开超过保护带的距离的最一般的情况，其 中，WLn包含WLc作为特例，WLc包含E作为特例。

注意：

●让R指载波的数据速率，R(E)＝r，其中E(m，w，r，g)，并 且F指的是被载波占据的频谱，F(E)＝w。然后我们有：

R(WL)＝R(WH)，但是F(WL)>F(WH)，因此SE＝R/F， WH有利。

●WH和WLc/n之间的区别是W由不可分离的光学子载波组成，而 WLn/C由可分离的独立的(子)载波组成。后者具有更多的灵活 性和后向兼容性，而前者具有更高的频谱效率。

列：

●A.)数据速率是指由载波启用的有效载荷(ODU)。为了一致计数， 需提出以下假设：带宽是指总占用频率。这里给定的数据速率被 固定以100G增加，但是基于从QPSK到64QAM的调制阶数的增 加，有可能按照2的乘方增加。已知更高调制阶数的性能与传输 距离呈反比，我们认为固定数据速率并使调制阶数自适应于传输 距离的操作是方便的。通过这种方式，网络规划可以基于频率的 固定增量和目标的传输距离进行，其中调制阶数变为嵌入到后者。

●B.)Ml：作为特殊情况，非均匀调制方案包括均匀的调制方案。 M2：作为特殊情况，可变调制方案包括固定调制方案。

●C.)功率等级/限制和可能的功率节省方案或要求。由于调制阶数 和相干检测技术本身可以是与功率有关的，由于光纤晶体与光子 的实际相互作用，指定的发送功率可能是性能的一个重要问题。 特别是，功率的范围需要针对网络规划的利益来指定，使得可以 做出功耗和性能之间的折衷。

●D.)帧显示ODU(S)具有或不具有(w/o)子结构。子结构可以 是ODUSi。而且，(例如为允许自适应FEC)其他子结构可以考虑， 这在下面被讨论。

●E.)pss/nm/km仍然可以应用，但鉴于超长距离应用，为此设定100G 及100G以上为目标，当然更长的参考距离可以是优选的。

●F.)单个的FEC表明该OTUS是彼此独立的。复合的FEC指ODUSi 可以通过单个FEC(如Reed-Solomon码已被定义)捆绑和保护的 可能性。引入后者的需要是因为，可能与相干检测技术结合的可 能的传输距离相关的保护方案。当能使FEC可自适应于传输距离 时，具有节省时间和节能的潜在好处。这需要ODUSi被透明地传 递到OTM且在接收机处被合并，然后应用单个FEC结合相干检 测。这要求在接收机构建Och的新程序，同样，可能需要OTN架 构中的改变/添加。

●G.)未放入表的是依照G.709框架内的网络管理对非相关联信道和 信令的可能的添加。对此的考虑将取决于其他因素如何得到解决。

●H.)作为接收机的添加，具有对性能的潜在影响，相干检测和后面 的DSP在一定程度上必须被指定，以允许同一支路的不同实现方 式的对准。这方面的信息可以帮助设置光纤损耗(PMD、CD、SPM、 非线性等)的实际容差的性能目标。

示图：光谱中载波的位置。

4.OTN的介质感知数据帧

基本上有两个参数，其将对弹性网络起到促进作用：

1.频谱效率(SE)

这里的传输数据速率是R＝W*S，其中W是带宽(赫兹)且S是 频谱效率(bit/s/Hz)。

2.SE距离折衷

这里数据速率和传输距离的乘积是A＝R*D。注意到传输距离是 SNR的单调函数，我们可以可替代地定义A＝R*SNR，其中SNR (dB)＝OSNR(dB)+G(dB)，G包括编码增益、开销损耗和电 增益。

实例1：单载波的SE(包括多子载波实现方式)具有典型的距离相关 性，例如如下面给出：

使用8*50＝400GHz带宽可以达到大于超越2000公里的距离与8* 50*2＝800Gb/s的数据传输，其依赖于同步时的多个信道(通过 N-WDM)，且SE＝2。但是，同样的容量可通过SE＝4的单个200GHz 的信道来提供，即4*200＝800Gb/s的。如果频谱效率是主要关注的 问题，则后者当然是优选的。如果可用频谱的灵活使用是需要的(8 个分离的带宽)，则前者的解决方案可能是有吸引力的。

这是关于SE的信息可如何被用于根据(连续或离散)频谱的可用性 和目标传输距离来构建期望的数据速率的合适信道的实例。

为了将两个重要约束合并到OTN以启用EON操作，接下来ODU的 新的报头和到介质层的相应映射是必要的。

1.对于每个固定数据有效载荷大小的ODU。相关信息包括各种SE， 对应不同的PHY实现，因此存在不同的带宽要求。标准化意味着 规定范围和粒度。因为ODU被定义为响应于固定的数据速率，每 个数据速率可以由几个SE构成。设允许的SE为SEi，其中i＝1、 2、3、4，对应于2比特/符号、4比特/符号、8比特/符号、16比特 /符号。那么，对于给定的R，存在i＝1、2、3、4个不同的带宽要 求，即Wi＝i*Wl，其中i＝1、2、3、4。网络元件应有添加和删除 不同大小的那些载波的能力，以增强客户端可以选择的ODU帧的 传输能力。为了这个目的，OUT中的ODU开销将需要额外的2比 特的信息。由2比特表示的所述4个状态中的每个状态被介质层映 射到特定的资源分配(n,m)。我们注意到，(n,m)指示SEi值实际 上由频谱分配反映，其依赖于载波类型：基本载波、WLS载波、 WHS载波和WHS+载波。这意味着，SEi(W)是带宽的函数，且 相同的SE可以根据带宽通过不同的载波分配来实现。从而，存在 查找表，以实现针对频谱载波分配的不同星座的恰当的SEi值。

2.客户端的期望传输距离应该被各节点的交换机获得，或至少被路径 原点的客户端获得。查找表将提供传输距离到不同的可用编码增益 G的映射，至于所采用的FEC编解码器，留给实现时考虑。根据所 需要的编码增益，FEC指示符(4比特)可以附加到OTU报头。指 示符FECj(其中j＝1、2、3、4)通知客户端/交换机：无FEC、低 FEC、中FEC和高FEC，以分别允许具有给定SEi的同一ODU传 输被传送到长距离、中等距离、短距离。从而，操作者和客户可以 选择使用哪个状态启动传输。

总体上，对于每个ODU，我们使用信息(SEi，FECj)，其中i，j＝1、 2、3、4。这种信息应在每个3R(再放大、再整形、再定时)节点被检查， 以通过从资源储备中查找到合适的资源来实现优化的资源分配，或通过修 改参数进行资源重新分配来实现可用资源的有效利用。

实例2：ODU应该知道其自身的频谱效率和其路径距离。为了便于实 现这样的范例，每个ODU的查找表应该如下引入：

索引i SE(i)(类型) FEC(i)(特点) 载波 1 2 无 E,WLSn 2 4 低 WLSc,WHS 3 8 中 WHS,E 4 16 高 WHS,E

此信息可被存储在交换机或控制和管理系统，因为其依赖于系统的实 现方式和本地频谱利用率。该信息也可在ONNI处进行交换，注意距离不 一定是一个段(span)的距离，其可以包括半透明网络中的多个段。

频率

实例3：通过保护切换，新的路径通常是不同的拓扑结构，同时需要 新分配上的资源的新分配以保持相同的频谱效率。因此，PCE有必要去确 定相同ODU在新的路径的类型和特点。在一般情况下，每个路径对同一 ODU有不同的映射。只能通过这种方式，整体频谱利用率才能被优化。为 了此目的，需要不同类型的SE(i)和不同特点的FEC(j)是显而易见的。

5.性能

假设在每个节点有分插能力。性能可根据分配成功的概率进行设置。 对于所有的客户端，相同的概率可以通过不同的资源分配来实现，因为对 业务量和距离有不同的要求，迫使不同的SE要求。事实上，其结果是线 路成本和设备成本之间的折衷。

通过线性化，SE可以实现为局部带宽的线性函数。然后同一SE将由 于由目标传输距离定义的不同斜率的相关性对应不同的带宽，如下所示：

提供的容量可以通过C＝B*SE被计算，其中B是频谱带宽，SE(B) 是频谱效率，并且由于硬件实现方式依赖于带宽。假设局部线性化，对于 固定数字a，我们可以得到SE(B)＝a*B。然后我们得到C＝B²*a，从而 (对于给定的频谱线性范围)容量变为通过常数a缩放的带宽的平方函数。

6.ODU(s，i，j)到OTM(n，m)的映射

首先看看由G.709给出的OTM n.m的当前定义。从ODU(s，i，j) 到OTM(n，m)映射的介绍可以按照同一思路或者考虑到相干检测的特 殊环境而需要创新。

该OTM-n.m的接口最高可支持n个单个光段或多个光段的光信道。该 接口不需要3R再生。

定义了几个OTM-n的接口信号。一些例子为：

-OTM-n.1(承载i(i≤n)OTUl[V]信号)；

-OTM-n.2(承载j(j≤n)OTU2[V]信号)；

-OTM-n.3(承载k(k≤n)OTU3[V]信号)；

-OTM-n.4(承载l(l≤n)OTU4[V]信号)；

-OTM-n.1234(承载i(i≤n)OTUl[V]，j(j≤n)OTU2[V]，k(k ≤n)OTU3[V]和l(l≤n)OTU4[Ⅴ]信号，其中i+j+k+l≤n)；

-OTM-n.123(承载i(i≤n)OTUl[V]，j(j≤n)OTU2[V]和k(k ≤u)OTU3[V]信号，其中i+j+k≤n)；

-OTM-n.12(承载i(i≤n)OTUl[V]和j(j≤n)OTU2[V]信号，其 中i+j≤n)；

-OTM-n.23(承载j(j≤n)OTU2[V]和k(k≤n)OTU3[V]信号，其 中j+k≤n)；

-OTM-n.34(承载k(k≤n)OTU3[V]和l(l≤n)OTU4[V]信号，其 中k+1≤n)，共同项标识为OTM-n.m。

OTM-n.m的接口信号，包含高至“n”个OCC，其与如通过m标示的所 支持的最低比特率关联，并且为OSC(见图8-4)。数目更少的具有更 高比特率的OCC可能被支持。“n”、“m”和OSC的值未在本推荐标准 中定义。

1.生成节点：在入口添加流量

至少应针对需要的SE和距离考虑直接链路。对于半透明网络，总 路径的OSNR也应该被知道以做出正确的决定。

2.交换节点：在节点转换流量，带有/不带有颜色转换

该ROADM可能是CDC(无颜色、无方向、无碰撞)。否则新的 ODU的容量是非常有限的。

3.中间节点：通过上层帧格式转换转发流量(3R)

3R应是光路的终端节点，其中具有不同的SE和距离的新信道能被 选择以传输相同量的数据和信道容量。

4.消耗节点：减少在出口处的流量

这也是ROADM或OADM或3R节点。

虽然已经以具有一定程度的特殊性的示例性形式对本发明进行了描 述和示例说明，但是应注意，所述描述和示例说明仅以示例的方式做出。 仅以通用和描述性的意义而不是出于限制的目的在本申请中使用特定的 术语。可对步骤和各部分的结构、组合和排列的细节做出许多变化。因此， 这些变化旨在被包括在本发明中，本发明的范围由权利要求定义。

7.参考文献

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