（运筹学与控制论专业论文）wdm丢失网络若干问题的研究.pdf

摘要 近年来，对丢失网络数学理论的研究引起了越来越多研究者的兴趣。之所以 要研究丢失网络，一个主要的目的就是为了获得网络性能，例如阻塞概率的近似计 算。此外，对于w d m 光纤网络的研究，也是目前光纤通信领域的研究热点和前沿， 这是因为随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增，从而可以预言，对 w d m 全光网的研究和实用化进程必将使网络的性能和业务的提供能力跨上一个新 的台阶，特别是对我国这样一个幅员辽阔，具有庞大干线网的国家。 本地士论文主要包括以下三个部分的内容和结果： 一、研究了一般丢失网络中任播流的性能分析任播是一种新兴的网络服务，是 i i ，v 6 的一个新特征，作为下一代i n t c n m t 新兴的服务方式，任播为我们展开了广阔 的探索空间任播技术发展的时间比较短，但具有提高网络性能、效率以及可靠性等 优点。目的地选择是任播区别于单播和多播的一个特殊地方。根据不同的系统状态 信息，我们可以得到不同的目的地选择算法，从而得到不同的控制系统： ， ， 和 对于这四剃i 系统，在本文中， 我们首先分别建立了这四种系统的数学模型，然后分别给出了这四种系统的平稳分 布以及录取慨率的解析表达式 二、主要研究了w d m 光纤网络中任播形式请求的路由和波长分配算法问题 蹄f = | 和波k 分配( r w a ：r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ) 算法问题是光网络研究的 重要问题之一，r w a 算法问题解决的好坏直接影响到光路通信所需的波长数和光 路阻塞率目前，对w d m 光纤网络中单播和多播形式请求的r w a 算法问题已经 有了很多工作，并且一直是国内外这几年的研究热点但是对w d m 光纤网络中任 播形式请求的r w a 算法问题，这方面的工作还没有出现过。在本文中，我们首先 开展r 这办面的工作，研究了w d m 光纤网络中任播形式请求的r w a 算法问题。 在研究路由选择问题时，提出了一个新颖的方法：控制最大链路负荷方法，从而产 生p q 个赞法：b w c ，b w n c ，u w c ，u w n c 来分别研究静态形式和动态形式 任播请求的r w a 算法问题，并进行了计算机模拟分析通过模拟比较，我们发现 b w c 卿：法的结果最好，从而验证了我们所提出的控制最大链路负荷方法确实是有 效的。另外，在计算机工程上，由于对r w a 赞：法问题的数学分析很难，所以通常 是采用汁算机模拟来验证或比较不同的算法，但是我们在下面第三部分的研究工作 t j ，对于所提出的算法的性能进行了部分的数学分析一个值得注意的事实就是，当 任播的日的地只有一个时，任播就是单播，此时我们所提出的算法改进了传统单播 的最短路径算法 i i 三、主要对w d m 丢失网络进行性能分析，这可分为两方面的工作：一方面是 平衡分析，另一方面就是阻塞概率的计算对w d m 网络的研究比传统的电路转 换网络的研究更为复杂和困难，这是因为在电路转换网络中，每个链路上的信道 ( c h a n n e l ) 是没有区别的，而在w d m 网络中，每个链路上的不同信道意味着不同的 波长在这部分的工作中，我们对具有全波长转换能力的w d m 丢失网络中的单播 请求以及具有波长连续性限制的w d m 丢失网络中的单播请求进行了平衡分析，求 出了平稳分布同时，对于具有路由选择的任搔形式请求也进行了平衡分析，得到 了在u w n c 算法下的平稳分布对于全波长转换w d m 丢失网络和波长连续性限 制条件下w d m 丢失网络中单播请求阻塞概率的计算，我们也进行了相应的研究 此外，我们也给出了w d m 丢失网络任播请求在u w n c 算法下阻塞概率的计算， 关键词：马氏过程，平衡分布，阻塞率，生灭过程，丢失网络，w d m 网络，路由， 波长，任播 a b s t r a c t i i i i nr e c e n ty e a r s ，t i l em a t h e m a t i ct h e o r e t i c a ls t u d yo fl o s sn e t w o r k sh a sa t t r a c t e di f l o r e a n di n o lei n t e r e s t so fr e s e a r c h e r s o n eo ft h em a i nr e a s o n so ft h es t u d y0 1 1l o s sn e t w o r k si s t og a i nt h en e t w o r kp e lf o , m a n c e ，f o re x a m p l e ，t h ea p p r o x i m a t ec o m p u t a t i o no fb l o c k i n g p r o b a b i l i t y m o r e o v e r ，t h er e s e a r c ho nw d mo p t i c a ln e t w o r ki st h eh o t s p o ta n df r o n ti n t h ef i e l do f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n w i t ht h ec o m i n go fn e t w o r ka g e ，t h er e q u i r e m e n t so f i n f o r m a t i o na l ei n c r e a s e dd a yb yd a y t h e r e f o r ei tc a nb ep r e d i c t e dt h a tt h es t u d ya n dt h e 1 ) ta g l n a t i ci m p r o v e m e n to fw d ma l l o p t i c a ln e t w o r km u s tp u s ht h en e t w o r kp e r f o r m a n c e a l l ( 1i t sc a p a b i l i t yo fo p e r a t i o n a lp r o v i s i o nt oan e w s t a g e ，e s p e c i a l l yt oo u rc o u n t r yw i t h av a , s tt e lr i t o r ya n dai m g eb a c k b o n en e t w o r k t h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n t a i n st i l ef o l l o w i n gt h r e en l a t t e r sa n dt h e i r r e s u l t s t h ef i l 。s ti l i a ，t e li sa b o u tt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fa n y c a s tf l o wi nc o l n l n o nl o s s i l e t w o l k s a n y c a s t i s a i l e w f o r m o f n e t w o r ks e r v i c e ，a s w e l la sa n e wc h a r a c t e r i s t i co f i p v 6 a st h en e x tg e n e r a t i o ni nt h ef o r m so fi n t e n l e ts e r v i c e s ，t i l ea t w c a s tp r o v i d e sab r o a d d i s c o v e r ys p a c e t h o u g hi t sd e v e l o p m e n tp e r i o di sc o m p a r a t i v e l ys h o r t ，y e tt i l ea n y c a s t m si h ea d v a n t a g e so f i m l n e y i n g t h en e t w o r k p e r f o r m a n c e ，i t se f f i c i e n c ya n d i t sr e l i a b i l i t y t h ed c s t i n a t i o nc h o i c ei sas p e c i a lf e a t u r eo fa n y c a s t ，q u i t ed i f f e r e n tf l o l nt i l eu n i c a s ta n d l n u l t i c a s ，a c c o r d i n gt o d i f f e r c n ts y s t e ms t a t ei n f o r m a t i m _ l ，d i f f e r e n td e s t i n a t i o n c h o i c e a l g o i j ih m sc a nb ea c q u i r e d t h e nd i f f e i e n tc o n t r o ls y s t e m sa l s ov a i lb eg a i n e d n a m e l y ， ， a n d i n t h i sd i s s e r t a t i o n t h en l u h c m a t i em o d e l so ft h ef o u rc o n t r o ls y s t e m sa r ef i r s t l ye s t a b l i s h e d t h e nt h e i r e q u i l i b r i m ud i s l 1i b u t i o n sa n da n a l y t i c a le x p r e s s i o n s o fa d m i s s i o np r o b a b i l i t ya r eo b t a i n e d t h e , s e c o n dm a t t e ri sm a i n l ya b o u tt h er o u t i n ga n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n tr e , a n y c a s ti l lw d m o p t i c a ln e t w o r k s t h er o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n ti so n eo ft h em o s t i m l l o lt a t t tp r o b l e m si nt h es t u d yo fo p t i c a ln e t w o r k s t i l es t a n do rf a l lo ft h es o l u t i o no f t h ei d c ap t o b l c mw o n l dd i r e c t l ya f f e c tt i l em n n b e ro ft i mw a v e l e n g t h st h a tt h el i g h t p a t h c o t u l u l l u i c a t i o l ln e e d e da n dt h el i g h t p a t hb l o c k i n gp r o b a b i l i t y a tp r e s e n t jm a n yw o jk s h a v eb e e nd o n eo nt h er w a p r o b l e m sf o rt i l e u n i c a s ta n di n u l t i c a s ti nw d m o p t i c a l n e 【w o r k s a l l dt h e s ep r o b l e m ss t i l la r et h es t u d yh o t s p o ti nc h i n aa n da b r o a d b u tt h e l e i sn ol i t e r a fn r eo nt h er w a a l g o r i t h mf o ra n y c a s ti nw d mo p t i c a ln e t w o r k st h e r e f o r e ， t h er w a a l g o l i lh mf o l a n y c a s ti nw d mo p t i c a ln e t w o r k si sf i r s t l yd e v e l o p e di n t i f f sd i s - i v s e r t a t i o n u n d m 。t h es t u d yo fr o u t i n gc h o i c e ，an o v e lm e t h o di sp u tf o r w a r d ，t h a ti st h e c o n t r o lo fl i l ；l x i i n t l l l ll i n kl o a d ，f l o mw h i c hf o u ra l g o r i t h m sc a nb eo b t a i n e d ，n a m e l yt l m b w c ，b w n c ，u w c ，u w n c t h e y a r eu s e dr e s p e c t i v e l yt ot h es t u d yo ft h es t a t i ca n d d y n a m i cf o r u mf o rt h er w ap r o b l e m so fa n y c a s tr e q u i r e m e n t m e a n w h i l et l l ec o m p u t e r s i m u l a t i o na n a l y s i si sd e v e l o p e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h es i m u l a t i o n s ，w ef i n do u t t h ea l g o li t h mo fb w ci st h eb e s to n e ，t h e r e f o r ei t p r o v e st h a tt h ec o n t r o lo fm a x i l n u n i l i n kl o a dw ep u tf o r w a r di se f f e c t i v e ，m o r e o v e r ，i nt h ec o m p u t e re n g i n e e r i n g ，t h em a t h e ： m a t i ca n a l y s i sf o rt h er w a p r o b l e m si sv e r yd i f f i c u l t t h e r e f o r et h ec o m p u t e r s i m u l a t i o n i s a d o p t e df o r t h et e s t i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o no fd i f f e r e n ta l g o r i t h m s i n s t e a do ft h e d i f f i c u l t i e s ，u n d e rt h et l f i r dm a t t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed e v e l o pp a r t l yam a t h e m a t i c a n a l y s i so ut i l ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h m h o w e v e raf a c ts h o u l db en o t e dt h a tw h e n t h ed e s t i n a t i o no ft h ea n y c a s ti so n l yo l l e ，t h e ni ti su n i c a s t a n dt h ea l g o r i t h mt h a tw e p u tf o r w a r di m p r o v e dt i ms h o r t e s tr o u t i n ga l g o r i t h mf o rt r a d i t i o n a lu n i c a s t t h et h i r dm a t t e ri st h ea n a l y s i so ft i mw d ml o s sn e t w o r k sp e r f o r m a n c e t h i sa n a l y s i sc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ，t h ef i r s to n ei st h ee q u i l i b r i u ma n a l y s i s ，a n dt h es e c o n d o n ei st i l ec o m l m t a t i o no ft h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t y t h es t u d yo fw d mn e t w o r k si sm o r e c o m p l e xa n d l i h i c u kt h a nt h es t u d yo ft h et r a d i t i o n a lc i r c u i ts w i t c h e dn e t w o r k s t h e t e a s o ni st h a tt , h e i ei sd od i f i e r e n c ei nc h a n n e lo ne a c hl i n ko f c i r c u i ts w i t c h e dn e t w o r k s w h i l e t i l ed i l f e r e n tc h a n n e li nw d mn e t w o r k sp r e s e n t sd i f f e r e n tw a v e l e n g t h i l lt h i sm a t t e r ，w e d e v e l o pt i l ee q o i l i t m u ma n a l y s i sf o rt i l eu n i c a s tr e q u i r e m e n t si nw d m l o s sn e t w o r k st h a t i sc a p a b l eo fa l lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n dt h eu n i c a s tr e q u i r e m e n t si nw d m l o s sn e t w o r k st h a th l st 1 mc o n s t r a i n to fw a v e l e n g t hc o u t i n u i t y a n dg e tt h es t a t i o n a r yd i s t r i b u t i o n m e a n w h i l et i me q u i l i b r i u ma n a l y s i sf o rt h ea n y c a s tr e q u i r e m e n t so fr o u t i n gs e l e c t i o na s w e l la si t ss t a r i o n a r yd i s t r i b u t i o nu n d e rt h ea l g o r i t h mo fu w n c a r ew o r k e do u t i nt h e s a u l cn l a t t ，e r ，t l i e c o m p u t a t i o n so fb l o c k i n gp r o b a b i l i t yf o rt h eu n i c a s tr e q u i r e n m n t s i n t h ew d ml o s sn e t w o r k st h a ti sc a p a b l eo fa l lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n dt h ew d m l o s s n e t w o r k st h a i h * k st i l ec o n s t r a i n to fw a v e l e n g t hc o n t i n u i t ya r es t u d i e d f u r t h e r n l o r e ，t i l e c o m p t l t a t i o uo ft i l eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yu n d e rt h eu w n ca l g o r i t h mf o ra n y c a s tr e q u i i e i n c l l t si nw i ) ml o s sn c t w o lk si sa l s op r o v i d e di nt h i ss t u d y k e y w o r d s ：m a r k o v i a n p r o c e s s ，e q u i l i b r i u md i s t r i b u t i o n lb l o c k i n gp r o b a b i l i t i e s ，b i r t h d e a t hp r o c e s s l o s sn e t w o r k s ，w d mn e t w o r k s ，r o u t e ，w a v e l e n g t h ，a n y c a s t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 木人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借| ) 遣；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：j 姐日期： 第一章绪论 本章主要介绍了我们的研究背景， 原因，选题依据和拟研究的主要方向， w d m 的现状和发展，引入w d m 全光网的 最后列出了本文的研究内容和安排。 1 1w d m 的现状和发展 “千里眼，顺风耳”是古代人们在神话故事中的憧憬和向往“秀才不出门， 能知天下事”是人们长期以来的一种美好愿望，在信息技术高速发展的今天，都已 经变成了现实 在信息社会里，人类社会对信息的需求正爆炸式的增长，尤其是因特网的迅猛 发展以及万维网( w w w ：w o r l dw i d ew e b ) 、视频点播( v o d ：v i d e o o nd e m a n d ) 、网 络游戏以及各种新业务如网上购物、网络电话、高清晰电视( h d t v ：h i g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 等的出现，使带宽的需求成指数形式增长【1 l 】近几年来，传统的语音业 务的增长率只有5 一1 0 ，而以i n t e r n e t 为代表的数据业务的年增长率为2 0 3 0 数据通信业务量如此迅速、持续增长的最直接的动力就是来自i n t e r n e t 业务量持续 指数级的增长主要的i n t e r n e t 提供商给出的数据表明；系统带宽正以超摩尔的速 率增长，带宽大约每6 - 9 个月兢需要翻一番，比著名的c p u 性能进展的摩尔定律 ( 约1 8 个月翻一番) 还要快2 - 3 倍全球通信业务的迅速增长，出现了所滑的“光纤 耗尽”现象和对代表通信容量的带宽的“无限渴求”现象为提高通信系统的性价 比和经济的有效性，满足不断增长的电信和i n t e r n e t 业务需求，如何提高通信系统 的带宽已经成为焦点通信业务的爆炸式增长和对未来的理想通信形式的渴望，迫 使人们不断提高网络的传输速度和交换容量，因此提高骨干网的传输速率、增大传 输容量是光通信发展的大方向之一。提高传输速率的方式有很多种，如：电时分复 用( e t d m ：e l e c t r i c a l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，光时分复用( o t d m ：o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ， 光码分复用( o c d m ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 和分复用( s d m ：s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 等当前，最切合实际，发展最快的是波分复用( w d m ) ，尤 其是在光纤资源较为紧张的情况下，人们往往把w d m 作为目前系统升级扩容的首 选方案【3 3 】【3 4 】【4 8 】，这是由于w d m 技术能用相对简单的技术形式充分挖掘光纤 的可用带宽，且成本比较低廉，因而得到了迅猛的发展。 w d m 技术的发生与发展是和光纤技术、光纤通信系统的发生与发展紧密相关 1 2 w d m 丢失网络若干问题的研究 的光纤通信的诞生成为通信史上的一次重要革命，它极大的提高了传输带宽。1 9 6 6 年，英籍华裔学者高锟( c k k a o ) 和霍克哈姆( c a h o c k h a m ) 发表了关于传输介质 新概念的论文，指出了利用光纤( o p t i c a lf i b e r ) 进行信息传输的可能性和技术途径， 奠定了现代光通信光纤通信的基础1 9 7 0 年，光纤研制取得了重大突破，在当 年，美国康宁( c o r n i n g ) 公司第一次宣布它所研制的高纯度硅酸盐玻璃单膜光纤的 损耗小于2 0 d b k m ，从而打开了光纤通信走向实用化的大门，使光纤通信迅速发展 起来 在整个光纤通信的发展过程中，可将光纤通信的发展大致归纳为三个阶段【5 7 ： 第一阶段( 1 9 6 6 1 9 7 6 年) 这是从基础研究到商业应用的开发时期，在这个时 期，实现了短波段( 0 8 5 。m ) 低速率( 4 5 或3 6 m b s ) 多模光纤通信系统，无中继传 输距离为1 0 k i n 第二阶段( 1 9 7 6 1 9 8 6 年) 这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和 大力推广应用的大发展时期在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短 波长( o 8 5 # m ) 发展到长波长( 1 3 1 # m 到1 5 5 p r o ) 实现了工作波长为1 , 3 1 # m 传 输速率为1 4 0 - 5 6 5 m b s 的单模光纤通信系统，无中继传输速率为1 0 0 1 5 0 k m 第三阶段( 1 9 8 6 - 1 9 9 6 年) 这是以超大容量超长距离为耳标全面开展新技术研 究的时期，在这个时期，实现了1 5 5 m 色散移位单模光纤通信系统。利用外调制 技术，传输速率可达2 5 1 0 g b s ，无中继传输距离可达1 5 0 - 1 0 0 k m ，实验室可以达 到更高水平 简单来说，波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同 时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能同时应用的波长范围划分为若干 个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号其基本原理是 在发送端将不同波长的光信号组合( 复用) 起来，在接受端又将组合的光信号分开 ( 解复用) 并传输到不同的终端通常将波分复用缩写为w d m 光波分复用的实质 是在一根光纤上进行光频分复用，只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述， 监测与控制在波分复用技术高速发展，以及每个光载波占用的频段极宽，光源发 光频率及其精确的前提下，或许使用光频分复用( o f d m ) 来描述更恰当写。 这里可以将一根光纤看作是一个“多车道”的公用道路，传统的e t d m 系统只 不过是利用了这条道路上的一条车道。提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度 来增加单位时间内的传输量而利用w d m 技术类似于利用公用道路上尚未使用的 车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力【1 6 】。采用w d m 技术来扩容是当前唯 2 0 0 4 上海大学博士学位论文 3 一实现的超大容量传输技术，它不仅可以节约大量光纤而迅速扩容，而且还可以节 约大量再生中继器以降低整个系统的成本，奠定了未来全光网络的基础。 按信号的复用方式对光纤通信系统进行分类，光纤通信系统可以分为光频分复 用( o f d m ) 系统，电时分复用( e t d m ) 系统，光时分复用( o t d m ) 系统，波分复 用( w d m ) 系统，光码分复用( o c d m ) 和空分复用( s d m ) 系统f 4 8 j 在本文中，我 们将主要研究w d m 系统，w d m 系统的基本构成主要有两种形式：双纤单向传输 和单纤双向传输【4 8 单向w d m 是指所有的光通路同时在一根光纤上沿同一方向 传送，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的光信号通过光复用器组合在一 起，并在一根光纤中单向传输由于各信号是通过不同光波长携带的，所以彼此之 间不会混淆，在接受端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传 输的任务，反方向通过另一根光纤传输，原理相同；双向w d m 是指光通路在一根 光纤上同时向两个不同的方向传输，所用波长相互分开 概括来说，w d m 系统的主要特点为： ( 1 ) ，充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本 ( 2 ) 对各信道传输的速率、格式等具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的 兼容使用不同的波长，快或慢的异步和同步数字数据及模拟信息，可以在一根光 纤上同时独立发送，而不需要一致的信号结构 ( 3 ) 可提供波长选路，使用多个波长来增加链路的容量和灵活性，使建立透明 的、具有高度灵潘性的w d m 全光通信网成为可能 ( 4 ) 可节省光纤和光中继器，便于对已建成系统进行扩容 w d m 具有广阔的发展前景，特别是对于我国这样一个幅员辽阔，具有庞大干 线网的国家1 9 9 6 年全球w d m 设备市场约为l l 亿美元，到2 0 0 0 年超过1 5 亿美 元，预计到2 0 0 5 年将猛增到1 2 5 亿美元2 0 0 1 2 0 0 6 年是w d m 技术迅猛发展的时 期，运营公司将大量采用w d m 光网络技术作为宽带网络的基础结构，基于波长选 路及波长变换的光网络将大量应用，以保证网络的快速恢复及高可靠性 4 8 1 2w d m 全光网的引人 随着光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接设备( o x c ) 的出现，使得w d m 技 术从最初的点到点传输技术逐渐转变为一种网络技术 6 2 ，w d m 宽带光联网已经 成为继s d h 电联网后的又一次新的光通信发展高潮从当前信息技术发展的潮流 来看，建设高速大容量的宽带综合业务数字网( b - 1 s d n ) 已经成为现代信息技术发 4 w d m 丢失网络若干问题的研究 展的必然趋势而波分复用技术( w d m ) 的实现化，可使光纤的传输容量极大的提 高，为高速大容量的宽带综合业务网的传输提供了有效的途径， 2 0 世纪7 0 年代，美国未来学家托夫勒在第三次浪潮中首次描述了信息社 会的美好前景，揭开了信息时代的序幕在人类信步迈向新世纪的同时，以信息经 济和知识经济为核心的“新经济”成为世界经济发展的最主要的增长点因此，具 有极丰富带宽资源和优越性能的多波长性能的多波长光通信网络因其在国家信息架 构中的基础地位而备受关注f 3 3 1 人们设想在不久的未来可拥有一个更为理想的通信环境，即在任何时间，任何 地点，可以使用非常便宜且安全的通信方式进行互相联系与交流这个目标支持并 推动着现代通信网络技术的不断演进和持续发展此外，诸如可视图文，远程教育， 远程医疗，电视购物，电视会议，高清晰电视( h d t v ) ，交互式有线电视等数字或 模拟图像通信新业务的出现，提出了进一步实现网络高速化和宽带化的迫切要求 高宽带网络逐步展示出它在信息技术中的核心地位 自9 0 年代初以来，人类社会进入了一个前所未有的信息爆炸时代，其中最具 影响的三大事件是：伴随着个人电脑普及而来的i n t e r n e t 的飞速发展，由数字移动 通信业务导向个人通信而引发的常规通信的革命，以及多媒体通信业务的出现信 息爆炸刺激了全球通信业务的疯狂增长，而这种疯狂增长的最直接的后果就是出现 了所谓的”光纤耗尽”现象埋下去的光纤都用玩了以美国为例，从1 9 9 4 年起， 几个主要的长途电信业务承载商的光纤通信系统都持续出现了负荷能力接近饱和的 问题 9 1 1 4 8 】 就建设资金而言，光纤通信系统的初期投资是非常大的，主要原因是光缆线路 的敷设费用很高。那么如何利用现有光缆系统实现最大限度的扩容呢? 传统的扩容 方法是采用t d m ( 时分复用) 方式，即对电信号进行时间分隔复用无论是p d h 的3 4 m b i t s ，1 4 0m b i t 8 ，5 6 5m b i t s 还是s d h 的1 5 5m b i t s ，6 2 2m b i t s ， 2 4 8 8m b i t s ，9 9 5 2m b i t s 。都是按照这一原则进行的据统计，当系统速率不高 于2 4 8 8m b i t s 时，系统每升级一次，每比特的传输成本下降3 0 左右因此，在 过去的系统升级中，人们首先想到的并采用的是t d m 技术采用这种时分复用方 式固然是数字通信提高传输效率，降低传输成本的有效措施，但是随着现代通信网 对传输容量要求的急剧提高，利用t d m 方式已日益接近硅和砷化镓技术的极限， 并且传输设备的价格越高，允许色散色度和极化模色散的影响也日益加重，因此人 们正越来越多的把兴趣从电时分复用转移到光复用，即从光域上用波分复用方式来 2 0 以上海大学博士学位论文 5 提高传输效率，提高复用速度其突出特点是：能在一根光纤中同时传输不同波长 的几个甚至百个光载波信号，不仅能充分利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容 量，而且能提高系统的经济效益。从世界范围来看，目前正在建设或将要建设的商 用光纤通信系统，基本上都是w d m 光纤通信系统，原有的光纤通信系统也将陆续 改造成w d m 系统【4 8 9 0 年代初，国际上对光子交换的研究集中在a t m 和分组交换上，采用高速光 开关，在时域实现光子交换但这种光交换并没有迅速发展起来，因为目前光存储 器件尚不成熟，不能在光上识别a t m 信头国内外通用的方法是用光分路器将光 信号分下- 4 , 部分，将其转换为电信号，在电上识别信头，再控制光开关动作，这 样就失去了光上的透明性，也突破不了电子瓶颈对速率的限制 9 0 年代中期以后，w d m 光纤传输系统的应用前景已经很明朗，我国已开始 引进w d m 系统，国际上也已开始进行w d m 光网络的实验研究，在点对电w d m 系统的基础上，以波长路由为基础，引入光交叉连结( o x c ) 和分插复用( o a d m ) 节点，建立具有高度灵活性和生存性的光网络。被认为是可行的且有发展前途的方 案，w d m 全光网络具有如下特点【3 3 】， ( 1 ) 可以极大的提高光纤的传输容量和节点的吞吐容量，适应未来高速宽带通 信阿的要求全光网可以与现有的通信网络兼容，由于全光网是基于w d m 传输以 及波长路由方式的光通信网，它可以比较容易与现有的通信网络兼容，并且支持未 来的综合业务数字网以及网络的低成本升级 ( 2 ) o x c 和o a d m 对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种电通信 格式的，透明的光传送平台在全光网络中，高比特的用户信息在中间节点处不需 要经过光电和电光转换以及电子处理，这就克服了“电子瓶颈”问题，不仅可 以大大提高容量，而且使网络可以支持各种标准的业务，这是因为如果在某个波长 上建立了连接，那么任意格式和速率的信号都可以在两个节点之间传送，与其他连 接上传送的内容没有关系 ( 3 ) 以波长路由为基础，可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具 有高度灵活性和生存性的光传送网在网络控制管理系统的调度下，全光网可以根 据不同的情况( 如统计规律、突发性业务、网络局部节点坏损、光纤连接中断等) 通信业务的变化，动态的改变网络的结构以满足实际通信网的要求，充分利用网络 资源，减少网络闲置的现象，提高网络的可靠性 ( 4 ) 全光网还具备可扩性( s c a l a b l e ) ，即在新的节点加入时，不影响原有的网络 6 w d m 丢失网络若干问题的研冤 结构和原有各节点的设备，世界许多国家在现有的通信网络系统中已投入大量的人 力、物力和财力，原有的电通信系统也具有庞大的基础在网络的扩建时可以对原 有的通信网络做尽量少的改动，降低网络维护成本 全光网已经被i t u t 定义为光传送网“全光网络”是光纤通信发展技术的最 高阶段，也是理想阶段实现透明的、具有高度生存性的全光通信网是宽带通信网 未来的发展目标 w d m 全光冈由于具有可重构性，可扩展性，透明性，兼容性，完整性和生存 性等特点，因此一经问世，就引起了人们的极大的兴趣，各国投入大量的人力，物 力进行研究和现场实验，i t u t 也抓紧研究有关光网络的建议，w d m 全光网络 被认为是通信网向宽带，大容量发展的首选方案，是目前光纤通信领域的研究热点 和前沿 近年来，由于w d m 技术的成熟，点对点的系统已大量应用国内外的通信网 同时光分插复用设备和交叉链接设备的开发，在国际上掀起了一个研究全光通信网 的热潮欧、美、日等发达国家都投入大量的人力、物力和财力对全光网络，尤其 是光传送网络进行了详细的研究，目前许多研究成果都已经商用化，产生了巨大的 经济效益在美国和欧洲还进行了系统性的大规模网络，加拿大的c a + n e t 3 试验网 络也已引起业界极大的关注我国自1 9 9 6 年开始建立国家级项目，研究波分复用 全光网下面我们来简单介绍一下美国、欧洲和国内的相关试验计划进行的情况 2 0 世纪9 0 年代初，美国国防部高级研究计划局( d a r p a ：d e f e n s ea d v a n c d r e s e a r c hp r o j e c ta g e a t ) 即着手部署光网络及其支持技术方面的重大研究计划该计划 分两期进行，第一期着眼于验证光网络在技术上的可行性，并形成两个研究集团： a o n 和o n t c 第二期研究从1 9 9 4 年底、1 9 9 5 年初开始，d a r p a 支持了四个新 的集团；m o n e t 、t n t o n 、w e s t 和i c o n 目前他们已在器件技术、网络结 构、网络管理和控制，以及现场试验等领域取得了显著的进展 在欧洲，现今通信技术的研究经历了由r a c e ( 欧洲先进通信方式的研究与技术 开发) 计划到a c t s ( 先进的通信技术和服务) 计划的转变，在r a c e 计划和a c t s 计划中，将光传送网络和光交换网络等技术列为主要研究目标在光网络研究领 域，r a c e 计划着眼于建设宽带网络用到的基础技术的开发工作；而a c t s 计划 把目光更多的投向光网络的应用技术领域，它的一个重要目标是通过现场试验把分 布于欧洲各国的国家主要通信信息设施利用起来，以此为基础展示光网络实用技术 的应月j ，并进一步推动关于未来先进通信技术的研究目前，a c t s 计划在欧洲各 2 0 0 4 上海大学博士学位论文 7 地建立了一系列试验性的w d m 光传送网，主要进行的有代表性的研究项目有泛 欧光子传送网( p h o t o n ：p h o t o n i ct r a n s p o r tn e t w o r k s ) 、泛欧光网