基于射频谱和二维相位图及控制平面协同的动态光网络跨层光性能监测

As the next generation Internet evolves to virtualization, the end-to-end light path in future fiber optical networks will be dynamically reconfigured, so the transmission quality of optical signals will be undetermined. Current optical performance monitoring (OPM) technique is based on analysis of the signal at the receiver end in static networks, which is unable to diagnose and locate the optical impairments in future reconfigurable optical networks. Therefore, based on our preliminary research results, this project is proposed to investigate cross-layer OPM strategy. Cross-layer OPM is an integrated monitoring strategy by co-working between hardware based monitoring on physical layer and software based monitoring on control plane, including: 1) multiple optical impairments (chromatic dispersion (CD), polarization mode dispersion (PMD) and optical signal to noise ratio (OSNR)) monitoring based on single 2-dimension (2-D) phase portrait generated by using single sampling channel technique; (2) multiple optical impairment monitoring based on RF spectrum analysis of passive FBG filtered signal; (3) control plane protocol extension based on GMPLS and software algorithm design of cross-layer OPM. Our techniques can achieve comprehensive monitoring on the whole network by the cross-layer OPM with high operating efficiency, flexible distribution and low cost, which can meet the target of OPM on future dynamic and reconfigurable optical networks.

网络向虚拟化发展，未来光网络光层路径动态重构，光信号传输质量存在不确定性，现有静态网络模式下光路径宿端单点光性能监测(OPM)无法定位传输损伤致因，为此，本项目研究光层OPM硬监测与控制平面协同OPM软监测相结合的跨层软硬一体化OPM模型、机制和方法：1）基于单采样结构时域二维相位图分析，同时监测色散(CD)、偏振模色散(PMD)、光信噪比(OSNR)；2）基于光纤光栅(FBG)无源滤波射频谱分析，同时监测CD、PMD、OSNR；3）基于通用多协议标记交换(GMPLS)控制平面协议扩展和跨层OPM软监测算法设计，实现端到端光路径的全网全程跨层软硬一体化OPM。单采样时域二维相位图识别和无源滤波射频谱分析方案成本低、效率高、可广布，控制平面协同跨层软监测可灵活实现光层路径传输损伤全网全程定位，因此，本项目适应未来动态光网络光性能监测需求。项目团队前期研究积累能保证研究任务完成质量。

未来光网络向虚拟化发展，光层按需动态优化重构，光信号传输质量会存在不确定性，现有静态网络模式下在光路径宿端单点的光性能监测(OPM)无法定位传输损伤致因；为此，本项目主要研究了： 1）OPM光层监测方法；2）控制平面协同的跨层OPM软监测机制。围绕该研究内容，我们取得如下典型成果：1）提出了基于Sagnac干涉的光损监测方法，该方法能排除色散、偏振模式色散的干扰，对OSNR进行实时的监测估计；2）针对高速光通信系统，提出了一种基于二维相位图的OSNR监测方法，该方法可基于低采样速率的ADC和软同步的方法，利用二维相位图，实现OSNR测量，该测量方法还可普适地用于多种调制格式光信号的光性能监测，且成本低；3）针对新型的偏振复用高速光纤通信系统，提出并仿真验证了基于斯托克斯空间参数分析的OSNR支持向量监测方法的可行性，也验证了把数据统计分析机器学习机制用于光性能监测的可行性；4）采用商用级SDN开源控制器OpenDaylight（ODL）和Mininet & VPI transmaker 搭建了支持跨层OPM软监测的仿真实验软件系统，可以将物理光层的光纤链路的光性能参数、光节点的资源状态和参数性能实时封装到控制协议的南向接口消息帧中，由此，在SDN控制器存储，构成可动态更新的数据集，基于数据集，可充分发掘各种机器学习人工智能算法机制，开展后续的OPM软测研究。.同时，基于我们在OPM研究中所积累的光信号处理技术和理论积累，用于光纤传感系统设计, 1) 取得了可对折射率、温度、应力三参数同时测量的光纤传感器系统; 2 )分别利用传统Mach-Zehnder干涉和in-fiber模间干涉，实现高灵敏度的非接触式心率和呼吸率监测的生命体征监测装置等一系列创新性成果。.上述研究成果形成了学术论文51篇、申请专利11篇。