（光学工程专业论文）wdm全光通信网中的若干重要问题研究.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 摘要 摘要 w d m 全光网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整 性和生存性等优点，是当前光纤通信领域的研究热点和前沿，本文对 w d m 全光网的一些重要方面进行了研究。 本文首先介绍了全光网的发展历程，接着分析了全光网的结构特 点和关键器件，并讨论了光交换及路由与波长分配技术，重点分析了 全光网的节点结构和光网络的生存性问题，对光交叉连接器和光分插 复用器进行了仔细的比较研究，提出了多种保护倒换方案，最后简单 地介绍了串扰对光网络的影响。 关键词： 波分复用、全光网络、路由和波长分配、光交叉连接器、光分插复用 器 堕塑型逐壁堂生一 塑 a b s t r a c t w d ma l l 。o p t i c a l n e t w o r ki s p r o v i d e d w i m r e c o n f i g u r a t i o n 、e x t e n s i o n 、 t r a n s p a r e n c y 、c o m p a t i b i l 时a 1 1 ds u b s i s t e n c e ，e t c ，i s h o t s p o ta n df o r e p a r ti n 舶e r c o m m u n i c a t i o n c u 玎e n t l y t h i sp 印e re x p l o r e sw d m a l l o p t i c a ln e t w o r k 矗o md i 仃e r e n t a s p e c t s f i r s t l y ，w ei m r o d u c ed e v e l o p mc o l l r s eo f a 1 1 一o p t i c a ln e t 、o r k s e c o n d l y ，w ea 1 1 a l y s e c o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dk e yc o m p o n c n t so fa 1 1 o p t i c a ln e t w o r k ，a n dd i s c u s s t e c h n o i o g y o fo p t i c a i s w i t c h j n g a i l d 刚忪( r o u t i n g 姐dw a v e l e n g ma s s i g m e n t ) ， e m p h a t i c a l l ya a l y s e n o d e c o n f i g u r a t i o n a n ds u b s i s t e n c eo fa n o p “c a 】n e t w o r k e s p e c y ，e x p l o f eo x c ( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t e r ) 棚1 do a d m ( o p t i c a la d da 1 1 dd r o p m u l t i p l e x e r ) ，p u tf o 刑a r ds o m es c h e m eo fs 疵g u a r d 姐dr e a r r a n g e l a s n y ，w es i m p l y i n t r o d u c ei n f e c t i o no f c r o s s 协i kt oa i l o p t i c a ln c t w o r k k e y w o r d s ： w d m 、a l l o p t i c a jn e t w o r k ( a o n ) 、r w a 、o x c 、o a d m i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的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。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期 南京邮电学院硕士学位论文 第一章w d m 全光网概述 第一章w d m 全光网概述 随着不断向信息社会的推进，人们对网络的依赖性也在不断增加。尤其是在 近几年i n t e m e t 业务量持续以指数级增长和i p 已经成为信息通信技术( i c t ) 的 核心协议的情况下，更是如此。下一代网络面临的一个重要挑战是容量压力。 1 0 0 年来，电信网的主要业务一直是电话业务。传统的电话网设计都是以信 道对称且流量恒定的话音业务为主要服务对象，这种以话音为主的网络随着时间 的推移，业务量和网络规模均呈稳定低速增长态势。近1 0 年来，全世界电话用 户的年增长率平均为5 1 0 左右。然而，近年来，由于计算机的广泛应用和普 及，数据业务正呈现高速增长态势，平均年增长率达2 5 - 4 0 ，远高于电话业 务。按此趋势，用不了几年，网上的数据业务将会超过电话业务。从全世界范围 看，估计在未来l o 年内，包括中国电信网在内的世界主要网络的数据业务量都 将先后超过电话业务。 接入网方面，由于一系列宽带接入技术的应用，例如电缆调制解调器 ( m o d e m ) 、非对称数字用户线( a d s l ) 、以太网和a t m 无源光网络( a p o n ) 接入等，使接入速率增加了数十至数百倍，导致核心骨干网上的业务流量大幅度 增加。另外，在网络业务组成中将占主导地位的i p 业务量的分布模式将使未来 的网络业务量分布大幅度向核心网转移，进一步加剧了骨干网容量需求的压力。 个人计算机和国际互联网( i n t e m e t ) 的普及、数据业务与电子邮件通信的 飞速发展使得人类社会对通信及信息的需求呈几何级数增长；而且，i p 业务量 的高度不确定性使不同路由的负荷会随时发生变化，造成网络资源利用的高度不 平衡。所以要求网络，尤其是骨干网应该从网络拓扑到网络设备等诸方面充分考 虑数据业务的特性，更加有效快速地传送数据业务，从而产生了基于w d m 技术 的全光网络 1 】。 1 1 网络的发展历史和新一代光纤通信系统 1 1 1 网络的发展历史 通信网络的发展历史悠久，经历了现在已开始逐步淘汰的电通信网络、目前 正在广泛使用的光电混合网络，正朝着全光网络迈进【2 】。 一、电网络 电网络采用电缆将网络节点互连在一起，网络节点采用电子交换节点，是一 南京邮电学院硕士学位论文 第一市w d m 全光网概述 种相当成熟的网络，如图1 1 ( a ) 所示。作为电信号承载信道的电缆有同轴( 大、 中、小) 电缆和对称电缆之分，是一种损耗较大、带宽较窄的传输信道，主要采 用了频分复用( f i ) m ) 方式来提高传输的容量。电网络具有以下特点：( i ) 信 息以模拟信号为主：( 2 ) 信息在网络节点的时延较大：( 3 ) 节点的信息吞吐量小； ( 4 ) 信道的容量受限、传输距离较短等。这些特点都由于电网络完全是在电领 域完成信息的传输、交换、存储和处理等功能，因此，受到了电器件本身的物理 极限的限制。 口 。电节点光节点 电缆 ( a ) 电网络( b ) 光电网络 图1 1三代通信网络简示图 ( c ) 全光网络 二、光电混合网 光电混合网在网络节点之间用光纤取代了传统的电缆，实现了节点之间的全 光化。这是目前广泛采用的通信网络，如图1 1 ( b ) 所示。光纤和电缆相比有如 下优点：( 1 ) 通信容量大、传输距离远；( 2 ) 信号串扰小、保密性能好：( 3 ) 抗 电磁干扰、传输质量佳；( 4 ) 光纤尺寸小、重量轻、便于敷设和运输；( 5 ) 节约 有色金属。这是一个数字的网络采用了时分复用( t d m ) 来充分挖掘光纤的宽 带资源进行信息的大容量传输，采用时分交换网络( 结合空分) 实现信息在网络 节点上的交换。t d m 有两种数字系列，即基于点到点准同步数字系列( p d h ) 和基于点到多点、与网络同步的同步数字系列( s d h ) ，由于s d h 优于p d h ， 因而目前广泛用s d h 取代p d h 。 三、全光网络 全光网以光节点取代电节点，并用光纤将光节点互连在一起，实现信息完全 在光领域的传送和交换，是未来信息网的核心，如图l - 1 ( c ) 所示。全光网络最 重要的优点是它的开放性。全光网络本质上是完全透明的，即对不同速率、协议、 2 蔓塑塑塑塑! ! 塑主兰垡笙塞 苎二主! 里竺全鲞塑塑堕 调制频率和制式的信号同时兼容，并允许几代设备( p d h s d h a t m ) 共存于同 一个光纤基础设施。全光网的结构非常灵活，因此可以随时增加一些新节点，包 括增加一些无源分路合路器和短光纤，而不必安装另外的交换节点或者长光缆。 全光网络与光电混合网络的显著不同之处在于它具有最少量的电光和光，电转 换，没有一个节点为其它节点传输和处理信息服务。 1 1 2 新一代光纤通信系统 为了全面利用光子作为信息载体的优越性，以充分开发光纤通信的雄厚资 源，近年来已提出和开拓出多种通信新模式，为新一代光纤通信的发展奠定了坚 实基础。 一、复用光纤通信 主要有两种复用通信方式：波分复用和时分复用。其中发展最快的是波分复 用w d m ，近来时分复用t d m 也开始被看好，它与w d m 结合，开拓出t b ，s 量 级的系统，已引起广泛关注。由于复用光源( 如复用u ) 、复用e d f l 等) 在研 制中有重要进展，高密集型的复用与解复用技术及相关器件也逐渐成熟，因此近 年来，高密集型波分复用( d w d m ) 、t b s 量级的光通信系统不断涌现，而且有 望很快转入实用化。在一定意义上讲，超高速率、超大容量的d w d m 光通信系 统的开拓，为人类进入高度信息化的二十一世纪提供了信心和基础。 空分复用( s d m ) 光通信利用的是光的并行性，而光纤复用，即光缆，不是 严格意义下的s d m 。用光的空间相干度调制与解调机制建立起来的光通信系统 属于真正的s d m ，但由于光纤中相干性在传输中变坏，这种系统的长距离传输 在短期内难以得到解决。偏振复用也遇到类似的问题。 二、光孤子通信 利用光纤具有的丰富的非线性效应，变不利因素为有利因素，一直是人们追 逐的目标。光孤子通信就是个成功的实例。它是利用光纤中产生的一种三阶非 线性一自相位调制( s p m ) 效应来补偿传输过程中光脉冲的群色散，二者的平衡 相抵导致光信号的无失真传输，即光孤子传输。光孤子的丰富内涵和诱人的应用 前景，引起了极为广泛的关注，不断地有高水平的研制成果报道。当前在光孤子 通信的研制方面取得优异成就的主要集中于三家：美国的b e l l 、日本的n t t 和 英国的b t r l 。实验中已获得的最高码速典型值为1 0 0 g b ，s ，传输距离最高到达 南京邮也学院硕士学位论文 第一章w d m 全光网概述 1 0 6 k m 以上，因此，码速距离积可达1 0 t b k i l l s 以上。 我国最早的光孤子通信试验工作是在国家自然科学基金的支持下进行的，近 期己成功地完成了光孤子的传输实验。当然，光孤子这种现象也可以很好地为目 前的光通信所利用，特别是在高速长途通信系统中应用 3 。 三、相干光通信 相干光通信的特点是：在发射端，除使用幅度调制外，还使用频率调制、相 位调制等，充分利用光子载体的相干性，挖掘其荷载潜力；在接收端，则采取相 干检测，即引入一本地光，与信号光进行外差检波，将幅度、频率、相位等方面 荷载的信息分别检测出来，完成通信的职能。显然，这种系统在传输的信息容量、 检测灵敏度等方面具有很大优势，例如，在接收灵敏度上，它比i m d d 系统起 码高出2 0 2 5 d b 。系统的高性能是靠以下苛刻条件来保障的：首先，作为载体的 激光源和本地光源应具有相当高的频谱纯度，即非常窄的线宽，而且温度稳定性 极高；其次，混频外差时要保证偏振关系确定，因此要求光纤是偏振保持的。 七十年代后期，相干光通信引起广泛关注，人们做了大量出色的研究工作： 研制出了性能优异的动态单模半导体激光器( d s m d f b l d ) ，其线宽可达l k h z 以下，插入自动频率控制装置后，频率稳定性能达到1 0 - 1 2 ，即温漂在1 k h z 以下。 同时，还先后研制出各种类型的保偏光纤。有了这样的基础，在八十年代相继推 出诸多相干光通信实验系统。这些系统分别采用了a s k 、f s k 、p s k 、d p s k 等 调制方式以及包络检波、同步检波与双滤波等检测方式，获得了一系列出色的结 果。系统的码速在1 0 g b s 以上，接收灵敏度达一5 0 d b m ，传输距离在数百公里。 特别要指出的是，近年来，光子集成( p i c ) 与光电子集成( p e i c ) 的发展迅速， 已研制出由p i c 与p e i c 技术制作的相干光通信系统发射机和接收机，为相干光 通信系统的小型化、高性能化创造了有利条件。 相干光通信与复用通信，特别是w d m 系统相比较，毕竟因结构复杂、运行 条件苛刻等而显得逊色，因此在目前正当w d m 得势的情况下，相干光通信则显 得缺乏竞争力。如果由p i c 与p e i c 技术制作的相干光通信系统能够尽快地达到 实用化水平，其地位将会迅速得到改观。但是其经济可行性仍然有待于进一步的 证实 4 。 四、量子光通信 4 南京邮电学院硕士学位论文 第一章w d m 全光网概述 从通信的物理观念上讲，上述所有通信，包括i m d d 通信、复用通信、光 孤子通信、相干光通信等均属于经典模式，在这里，光子虽作为信息的载子，但 没有顾及它的量子特性。在经典通信模式里，其通信容量最终受到量子噪声极限 的限制。这也可能是未来高速信息化社会中通信系统将要遇到的最严峻的挑战。 为此，人们非经典地研究了光子的量子特性，并开辟了基础光子学的研究领 域。至今，已提出了一种称之量子光通信的通信模式。它的发射端是一种新型的 非经典激光器( 或称亚伯松态，或称光子数态光子源) ，发射出均匀的光子流， 经光子调制器，对每个光子编码载入信息。信道仍然是光纤，但它是非经典信道。 接收端是由量子非破坏测量( q n d m ) 装置与光子计数器构成。由于是光子数态， 并对光子与光子数编码，不再受量子噪声限制，因此信息效率与信噪比大幅度增 长。又因为使用q n d m 解调，光子计数器接收，不但进一步提高了信噪比，而 且由于不再需要从信号中吸取能量，因此接收灵敏度也有实质上的提高。形象地 讲：量子光通信即为光子通信，在这里，一个光子有可能将大量的信息长距离地 传送给大量的收信者。 显然，光子通信的开拓，将在观念上、原理上引起通信领域的一场深刻变革。 庆幸的是，近年来，光子通信各个环节的研究均有实质性进展。压缩态、光子数 态激光器已有成功的实验实例，为了能适宜于实用化要求，压缩态、光子数态的 半导体激光器成为研究热点。用光纤作克尔介质研制出小型q n d m 器件、用a p d 作探测器研制出小型光子计数器等也均有实验报道。可见，光子通信已不再是理 论家的、也不是遥远未来的事情了。不过，实事求是地讲，光子通信虽属最理想 的通信模式，前景诱人，但与上述几种光通信模式比较，条件苛刻，技术难点多， 因此，在今后一段较长的时间里尚处于基础研究阶段 6 。 1 2w d m 全光网的提出 光通信的复用技术已有1 0 多年的历史了，其中波分复用( w d m ) 技术已成 为复用技术中实用化最高的一种。w d m 技术是利用一根光纤同时传输多个不同 波长的光载波，并通过具有波长选择作用的器件( 如干涉滤光膜、光栅等) 进行 合波或分波，用以提高光纤传输容量的一种技术。w d m 不仅能实现点到点的传 输，还具有上下波长和交叉波长的能力，能够在对原有系统改动较小的情况下， 充分利用光纤的带宽资源来提高传输速率和扩大通信容量，因而在远距离的通信 南京邮电学院坝上学位论文 第一章w d m 全光嘲概述 过程中显示出了巨大的优越性。 但目前，w d m 的潜力还没有被完全挖掘出来，这是因为w d m 是在现行光 通信系统之中应用的，现行光通信系统是光电结合的系统，所传输的原始信号必 须是电信号，然后通过电光( e ，o ) 转换为光信号，再由光端机发射并进入光纤 线路传输出去。在接受端，还需由光接收机通过光，电( o e ) 转换将光信号再变 换为电信号传送给收信者。 正是由于这些转换的环节限制了光纤通信优越性的发挥，比如在基于电子技 术的网络中会受到串行电信号传输速率的限制，其上限仅为4 0 g b i t ，s ，因而难以 实现高速率宽带综合业务的传送和交换，对宽带信号产生“瓶颈”效应。因此只 有基于光纤的全光网络才能提供高速率、大容量的信息传输处理能力和打破对宽 带信号的“瓶颈”效应，并可在长时间内适应高速宽带业务的发展。“全光网络 ( 全光通信网络) ”正是在这样的背景下，随着w d m 技术的日益成熟而提出来 的。 全光网络，就是信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号传输、 再生和交换，选路的，也就是说光信息流从信源到信宿的整个传送过程都始终在 光层面上进行，中间不需要任何e o 、o e 的变换，就可达到在任意时间、任意 地点、传送任意格式信号的全光透明通信的目的。全光网络在复用方式上可以分 为：w d m 、光时分复用( o t d m ) 、光空分复用( o s d m ) 、光码分多址复用 ( o c d m a ) 、光频分复用( o f d m ) 以及上述各种方式组合的复用方式。但从 目前的技术条件看，基于w d m 的全光网络技术最为成熟，最具有实用性，前景 也最为诱人。 1 3w d m 全光网的技术特点 7 ( 1 ) 利用光波长选取路由 在传输高速率的数据信息时，w d m 的每个光波长都会载荷许多路的t d m 电信号。在传输网的内部由光波长起控制作用，避免了高比特率用户信息在中间 节点进行光电光( o e ，o ) 的转换及处理，因而不会产生类似电子网络中的那 种“瓶颈”效应。同时，由于其采用全光路由器，能同时处理多路w d m 信号， 而且允许使用o a d m 和o x c ，其所用的重要网络单元都能受光波长的控制等等。 ( 2 ) 透明传输 6 塑塑塑茎塑至壁兰竺堡苎 苎二童! 望坚全鲞堕堑垄 由于采用了由波长选寻路由和操纵各种网络单元，以及光分组交换的方式， 因而使传输网络无需o e 或e 0 转换设备，就能将光信号和光波长融通。即只 要在某个波长上建立连接关系，就能在两个节点问透明地传递任何协议、任意格 式和码速的信号。 ( 3 ) 有可扩展性 即在加入新节点时，对原有的网络和节点设备不会有任何影响或影响很小， 因此在扩建网络时，无需铺设新的光纤线路，也不必对原系统作较大的改动，只 需接入w d m 器件和端机，再生器( 光放大器) ，就可实现扩容，从而大大降低 了网络建设和维护工作的费用及成本。 ( 4 ) 有可重构性 在网管系统的调度下，能根据通信业务量的变化，动态地改变网络的结构， 用以满足实际通信的需要和充分利用网络的资源，能够实现网络在光层上的自 愈，进而提高了网络的可靠性。 1 4 本文工作简介 第一章回顾了网络的发展历史和新一代光纤通信系统，指出在当今社会对 信息的需求急速增加的情况下，基于w d m 技术的全光网才是最有前途的解决方 案。并着重介绍了w d m 全光网的概念和技术特点。 第二章简要介绍了光网络分割和分层的概念，详细阐述了全光网的网络结 构，并建立了一个全光网的结构模型，以待后续章节对实现全光网的功能进行分 析研究；另外也介绍了全光网中的关键器件，包括光源、光放大器、光转发器、 光分插复用器、光交叉连接器、光开关、交换路由器。 第三章全面分析了光开关技术，在此基础上介绍了光交换的种类，并阐明 其发展前景：然后讨论了全光网的路由和波长分配的概念、意义以及r w a 算法， 并提出一种新的r w a 算法。 第四章着重分析了w d m 全光网的节点结构，详细讨论了光交叉连接器 o x c 中波长变换器的增减对节点性能的影响。并且还讨论光分插复用器o a d m 的结构特点和基于a w g 的o a d m 的结构性能。 第五章从光网络管理和控制机制的演变和发展提出了光信令网的概念，然 后分析了光信令网链路及节点的实现方式：最后着重分析了全光网生存性问题， 南京邮电学院硕士学位论文 第一章w d m 全光网概述 包括生存性的概念、故障的检测和定位、故障信息的传送以及保护倒换和路由恢 复的具体实现方法。 第六章分析了w d m 全光网中的串扰问题，从串扰的产生到同频串扰和异频 串扰的不同特点都作了具体讨论，并利用数学公式和理论模型进一步分析了0 x c 的结构对系统串扰的影响。 最后本文的结束部分，并对全文进行了总结。 本章参考文献： 【1 】徐荣、龚倩，高速宽带光互联网技术，人民邮电出版社。 2 】张肇仪等译，光纤通信系统，人民邮电出版社。 3 】蔡炬，杨祥林，光孤子通信技术现状与未来，半导体光电，2 0 0 3 ，1 ：6 “7 0 。 【4 刘喜斌，相干光通信，现代通信，1 9 9 8 ，6 ：4 5 。 【5 纪越峰等编著，光波分复用系统，北京邮电大学出报社。 【6 1 韦乐平编著，光同步数字传送网，人民邮电出版社。 7 i t u t r e cg 8 0 6 “g e n e r i cf u n c t i o na r c h i t e c t u r eo f t r a n s p o r t n e t 、v o r k ，2 0 0 0a 南京邮电学院硕士学位论文 第二章w d m 全光网的网络结构和关键器件 第二章w d m 全光网的网络结构和关键器件 传统的电话网( 基于电路交换的) 和数据网( 基于分组包交换的) 都是经 过专门的设计以便为语音用户和数据用户分别提供这种共享服务，例如a t m 交 换和i p 路由器网络都是为许多宽带的多媒体业务提供非常相似的资源共享的网 络设备。而且网络呈现多种接入方式并存的状况，语音通过t i ) m 网络、i p 通过 以太网或a t m 、视频通过h f c 网络。在这种情况下，针对某一种业务的通信连 接在逻辑上就构成了一种独立的网络结构，任何一种网络都不能很好地同时适用 于其它类型的业务类型，于是就形成了分别面向单一业务的多种业务网络相互重 叠的结构形式，从而导致整体通信网络架构呈现业务专门化、结构重叠化和功能 重复化等特点。这种多种网络同时并存的“大网套小网”结构使得网络的运营和 维护繁杂且昂贵，而且资源利用率十分低。因此，迫切需要一种能综合多重业务、一 提供多重用途、结构统一、十分灵活的通用网络结构。w d m 全光网正好承担起 了这一艰巨的任务【l 】。 2 1 全光网的分割和分层 基于w d m 的光网络总体结构图2 1 所示，它是由光分插复用器( o a d m ) 、 光交叉连接器( o x c ) 和各种接入方式以及光放大器( o a ) 等；按照分层分割的 原理，光网络可横向分割为核心网、城域本地网和接入网 2 3 。 i t u t 的g 8 7 2 为光传送网( o t n ) 的分层结构作了定义。由一系列光网元 经光纤链路互联而成，能按照g 8 7 2 的要求提供有关客户信号的传送、复用、选 路、管理、监控和生存性功能的网络称为光传送网。如图2 2 所示。o t n 将整 个光层细分为光通路( 0 c h ) 、光复用段( o m s ) 和光传输段( o t s ) 三层。0 c h 层直接与各种数字化的用户信号相连接，它为透明地传送s d h 、p d h 、a t m 、 i p 等业务信号提供点到点的以光通路为基础的组网功能。o c h 指单一波长的传 输通路。o m s 为经w d m 复用的多波长信号提供组网功能。o t s 经光接口与传 输媒质相接，它提供在光介质上传输光信号的功能。相邻的层网络形成所谓的客 户，服务者关系，每一层网络为相邻的上一层网络提供传送服务，同时又使用相 邻的下一层网络所提供的传送服务。光传送网络的各子层功能如下： ( 1 ) 客户层： 由各种不同格式的客户信号( 如s d h 、p d h 、a t m 、i p 等) 组成： 9 南京邮电学院硕士学位论文 第二章w d m 全光网的网络结构和关键器件 城 客户层 光层 1弋、 - 。 ， 、一 、 。 飞、 123 黜 图3 3 空分交换 ( 2 ) 时分光交换技术 图3 4 时分交换 时分光交换方式采用光器件或光电器件作为时隙交换器，时隙交换网络由光 读写门和光存储器组成。光写入门将输入时分复用信号中的各路分开，分别写 入相应存储器，光读出门按照控制指令顺序逐比特读出后合为一路输出，达到交 换目的。 时分光交换网络由时分复用器解复用器、时间复用的空间开关( s s ) 和时 隙互换器( 时间开关( ，r s ) ) 组成，这些器件可以由高速光开关矩阵构成。图3 4 所示为s t s ( 空一时一空) 结构的光时分交换网络原理。 时分光交换的关键器件是光开关和光存储器。光读写门可由定向耦合器担 南京邮电学院硕士学位论文 第三章光交换和波长路由与分配技术 当，光存储器可使用光纤延时线、双稳态激光二级管等，如自电光效应器件、非 线性法布里埃光逻辑器件。 ( 3 ) 波分光交换技术 波分交换是频分交换的扩展。波分交换即信号通过不同的波长，选择不同的 网络通路来实现，由波长开关进行交换。 波分光交换网络由波长复用器解复用器、波长选择空间开关和波长互换器 ( 波长开关) 组成。波长开关是完成波长交换的光键器件。可调波长滤波器和波 长变换器是构成波分光交换的基本元件，图3 5 所示为s w s ( 空一波一空) 结构的 光波分交换网络原理。 图3 ，5 波分交换 ( 4 ) 复合光交换技术 该技术是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。空分+ 时 分，空分+ 波分，空分+ 时分+ 波长等都是常见的复合光交换方式。例如，极有 前途的波分+ 时分技术结合起来的复合型光交换，其复用度是时分多路复用度与 波分多路复用度的和乘积。如它们的复用度分别为1 6 ，则可实现2 5 6 路的时分 波分复合型交换， ( 5 ) 光突发数据交换技术 该技术是针对目前光信号处理技术尚未足够成熟而提出的，在这种技术中有 两种光分组技术：包含路由信息的控制分组技术和承载业务的数据分组技术。控 制分组技术中的控制信息要通过路由器的电子处理，而数据分组技术不需光，电、 电光转换和电子路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。控制分 组在w d m 传输链路中的某一特定信道中传送，每一个突发的数据分组对应于一 雾 西婴 愀夯希l 谧鬻 南京邮电学院硕士学位论文 第三章光交换和波长路由与分配技术 个控制分组，并且控制分组先于数据分组传送，通过“数据报”或“虚电路”路 由模式指定路由器分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。数据信道 与控制信道的隔离简化了突发数据交换的处理，且控制分组长度非常短，因此使 高速处理得以实现。同时由于控制分组和数据分组是通过控制分组中含有的可重 置的时延信息相联系的，传输过程中可以根据链路的实际状况，随时对控制信元 作调整，因此控制分组和信号分组都不需要光同步。可以看出，这种路由器充分 发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相对较低、非常适合于在承 载未来高突发业务的局域网( l a n ) 中应用，超大容量的光突发数据路由器同样可 用于构建骨干网。 展望：市场上出现的光交换机大多数是基于光电和光机械的，随着光交换技 术的不断发展和成熟，基于热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机将会逐步 被研究和开发出来。由光电交换技术实现的交换机通常在输入和输出端各有两个 有光电晶体材料的波导，而最新的光电交换机则采用了钡钛材料，这种交换机使 用了一种分子束取相附生的技术，与波导交换机相比，该交换机消耗的能量比较 小。随着液晶技术的成熟，液晶光交换机将会成为光网络系统中的一个重要设备， 该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成，而液晶在交换 机中的主要作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片的光 线极化角为9 0 。，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化 状态不变。另外，市场上目前又开发了基于不同类型的特殊微光器件的光交换机， 这种类型的交换机可以由小型化的机械系统激活，而且它的体积小，集成度高， 可大规模生产，我们相信这种类型的交换机在生产工艺水平不断提高的将来，一 定能成为市场的主流。 33 路由和波长分配技术 全光网中任意两节点之间的通信是靠光通道完成的，光通道的建立需要在两 点之间在物理网上选择一条全光路由，并为其分配一定的波长( 或时隙，码字) ， 因此全光网中为了满足一定的业务需求，建立光通道实质上是全光路由和波长 ( 或时隙，码字) 资源的分配，由于波长( 或时隙，码字) 资源的有限，因而全 光路由的选择与优化对光层的设计显得很重要。在图2 7 中。如果需要从节点1 上路的信息从节点3 下路，经过怎样的路由选择和波长分配，就是此类问题。 南京邮电学院硕士学位论文 第三章光交换和波长路由与分配技术 3 3 1 全光网路由和波长分配( r w a ) 的概念和意义 路由和波长分配( r 、a ) 是指：在给定一套需要在网络上建立的光通道， 和给定最大可用波长数量限制的情况下，如何来决定具体的路由和分配合适的波 长以使可建立的光连接最多( 或使所需的波长数量最少或连接的拥塞概率最低) 。 在波长通道( w p ) 和虚波长通道( v w p ) 的情况下，这个问题又有不同的 解决方案，如在波长通道网络中，由于必须满足波长连续性的原则，即对任意一 条全光路径，在它经过的所有链路上必须占用同个波长，相邻通道分配不同的 波长，因此路由选择和波长分配问题可以分解成两个独立的子问题： ( 1 ) 选路问题：按照某种优化目标寻找从源节点到目的节点的路由； ( 2 ) 波长分配问题：在满足一定优化性能的情况下为这些路由分配波长： 而在虚波长通道网络中，采用波长转换技术可以在同一个路由上分配不同的 波长，故不存在波长分配问题，这样的r - w a 问题就可简化为只考虑选择路由的 问题了。虚波长通道网络可以大大提高波长的重用率，被认为是未来全光网络的 关键技术之一，但由于涉及到波长转换且成本高，实用化的道理仍很漫长。 332r w a 算法的功能分类与性能分析 目前已有大量的r l w a 算法，按照算法所共有的特征对其进行分类，以总结 研究的现状，对进一步研究更优性能的算法具有启发意义。 算法分类结果如图3 6 所示，首先按照实际中的求解过程把问题分成选路和 波长分配两部分。每一个子问题中又分成两步，即寻找与选择，最后按照所用的 具体算法进行分类。当采用最短路或加权最短路算法时，为每一个光连接寻找到 一条路由时，就得到了选路子问题的解。当采用k 一最短路时，得到了k 条路由， 需要从中选择一条最佳路由，即图3 6 中“选择路由”框以下的算法。在波长分 配中，所有可用的波长都是选择对象。表3 1 和表3 2 中分别给出了一些主要算 法在选路和波长分配中所采用的具体实现方法，下面对其中的算法功能块进行解 释 3 】【4 】。 南京邮电学院硕士学位论文 第三章光交换和波长路由与分配技术 选路与波长分配( r w a ) 二蒸磊击下 j 寻找路由jl 三孑i 一个路由l1 多个路由ll 表3 1 选路算法 选择路由ll 选择波长 磊森辛蕊面万 新7 矗舂溉 贪婪式算法ll 启发式算法ll 优化算法 图3 6 算法分类 混合算法 顺序算法( 贪婪算法)启发式算法优化算法 选择顺序随机固定最长路优先最短路优先随机循环整数线性规划 选择规则随机以概率链路权最小f i r s t ( f f )随机循环( 多商品流问题) 一、选路算法 最短路算法( s p ) ：是指在给定的网络图中为给定的源和目的节点寻找最短 路径。该路径的连接成本比其它任何路径都低。 加权最短路算法( w s p ) ：也是一种最短路径算法，但是链路成本可以根据 已经建立的路由数量而动态地进行调节。因此，该算法需要按照一定的搜索次序 来执行。例如：最大业务流量优先策略或按随机次序进行搜索。 表3 2 波长选择算法 混合算 去 顺序算法( 贪婪算法)启发式算法优化算法 选择顺序邻居数最可用波长业务量最路由最长路由最短随机循环 大优先最大优先大优先优先优先遗传算法穷尽式搜索 选择规则随机最少使用最多使用f i 哑模拟退火算法 随机优先优先 f j t ( f f )禁忌搜索算法 k 最短路径( k - s p ) ：该算法为每一对源和目的对都寻找不止一条的光通道。 南京邮电学院硕上学位论文 第三章光交换和波长路由与分配技术 k 条可替换通道增加了路由选择的灵活性。然而它将选路问题转化为多路选择问 题，通过在k 条通道中进行选择来获得所需的最小成本( 总跳数和总链路成本最 小) 的连接通道。 在选路算法中，最短路算法和加权最短路算法直接得到了每一个连接的路 由，没有路由选择，表3 1 中没有列出，表中都是在k 最短路算法的结果中选择。 选择顺序是指先为哪一个光连接选择路由，选择规则决定了以何种方式从k 条待 选路由中选择最后的使用路由。在组合算法( c o m b i n a t i o n a la l g o r i t h m ) 中，需要 多次循环，选择顺序和规则是相互关联的。 ( 1 ) 顺序算法( 贪婪算法) ( s e q u e n t i a la l g o r i t h m ) a 、选择顺序 随机( r a l l d o m ) 顺序从所有未建立路由的光连接中以随机的方式选择： 固定( f i x e d ) 机制把光连接按某种规则排序( 如按链路数降序) ，然后依次选 取； - 最长路优先( l o n g e s t 一矗r s t ) 机制把光通路按通路的长度( 跳数或代价) 由大 到小排序，先选长路路由； 最短路优先( s h o r t e s t f i r s t ) 机制与最长路优先恰好相反。 b 、选择规则 随机机制从k 条备选路由中随机地选择一条作为光连接的路由； f f ( f i r s t f i t ) 机制从备选路由中选取第一个满足条件的路由； 以概率( p r o b a b i l i t y ) 机制以一定的概率从备选路由中选择： 链路权最小优先( m i n i m u m w e i 曲t e d l i l l kf i r s t ) 选择所有链路上已经建立起 的路由数最小的路由。 ( 2 ) 组合算法 启发式算法( h u r i s t i ca l g o r i t l l r n ) 在所设计的规则指导下修改所选的路由， 多次循环以靠近优化目标，直到循环无法得到更优结果为止。 优化算法( o p t h i l a la l g o 州l i l l ) 一般使用整数线性规划，建立多商品流模型 来求解，可得到最优解，但运算量最大。 二、波长分配算法 波长分配算法也分为顺序和组合算法，顺序算法中分为选择顺序和选择规 南京邮电学院硕士学位论文 第三章光交换和波长路由与分配技术 则，这两者在组合算法中相互依赖。下面解释路由算法中没有用到的实现方法。 ( 1 ) 顺序算法 a 、选择顺序 邻居数最大优先( l a r g e s tn u m b e ro f n e i 曲b o r - n r s t ) 机制选择邻居数最大的路 由首先分配波长； 可用波长最大优先( l a 玛e s ta v a i l a b l e 、a v e l e n g t h f i r s t ) 机制把路由按可用波 长数多少从大到小排序； 业务量最大优先( l a r g e s tt r a f ! i c r s t ) 机制按路由业务量需求大小确定波长 分配顺序。 b 、选择规则 最少使用优先( l e a s tu s e df i r s t ) 机制为当前路由选择最少使用的波长； 最多使用优先( m o s tu s e df i r s t ) 机制为当前路由选择最多使用的波长。 ( 2 ) 组合算法 优化选择算法建立多商品流问题的数学模型，采用穷尽式搜索的办法得 到最优结果，但对于较大的网络不定能得到结果。启发式算法通过设计一 定的搜索规则，缩小了搜索的空间范围，能够很好地解决类似波长选择这样 的图染色问题。遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法在波长选择中应用 得到了广泛的研究。 三、r w a 算法的性能分析 对算法性能的评价包括算法复杂性和计算结果两个方面，假设网络中有n 个节点，m 条链路。 在选路算法中，两个节点之间的最短路可以由著名的d 日k s t r a 或f l o y d 算法 得到，两个算法的计算复杂性均为o ( 吖2 ) ；加权的最短路算法是一种动态地考 虑了链路代价的最短路算法，与最短路算法的唯一区别是考虑了链路代价( 如带 宽的使用率，链路上的连接数) 变换；第三种算法是k - 最短路算法，它放宽了路 由选择的条件，性能更优，但计算复杂性变为o ( k 们2 ) 【5 】。在k 最短路算 法中利用多商品流问题建立的优化模型可咀找到最优解，但当网络规模较大时， 运算时间太长而无法接受。为此提出了一些启发式算法，大大降低了运算需要的 时间，且结果和最优解比较接近。运算次数最少的是顺序算法( 如贪婪算法) ， 3 0 南京邮电学院硕士学位论文 第三章光交换和波长路由与分配技术 它和启发式算法相比没有循环。 在波长分配中，当以波长数最少为优化目标时，选择哪些连接共享同一波长 是一个复杂的组合问题。同样，顺序算法比启发式算法速度快，最优化算法速度 最慢，但所得到的结果性能恰好相反。利用遗传算法、模拟退火算法和禁忌搜索 算法构成的启发式算法能得到良好的结果，且计算时间不随网络规模的增大而呈 指数增长。在所有算法中，禁忌搜索算法的性能最好，运算时间和模拟退火算法 相当。 虽然顺序搜索的贪婪式算法性能没有这三种优化算法的性能好，但运算时间 最短。在这些算法中，邻居数最大优先是选择顺序机制中性能最优的，该方法基 于光通路之间共享链路的数目，当某条光通路的邻居最多时，则它在所有光通路 中与其他通路的共享链路最多，当然，要在更多的光通路中寻找一条没有使用且 满足一致性约束的波长会更加困难。因此邻居数最大优先的方法能提高波长的复 用率，从而得到最小的波长数。最长光通路优先方法能得到相似的结果，因为长 的光通路有更多的邻居。 当波长数较小时，最多使用优先、最少使用优先、第一适配优先和随机选取 等机制的性能差别很小，但当波长数增大时，最多使用优先的性能要略胜一筹， 随机选取的方法平均了同一波长上的光通路数，其性能比最少使用优先稍好。 四、一种新算法 已提出的w r a 算法大都只考虑了某一个方面的优化问题【6 】【7 8 】，要么考 虑的是网络占用资源最少，要么考虑的是通讯的延迟最短，从而忽略了网络的平 衡，忽略了通讯时时延和网络资源有限所带来的性能下降，在网络负载较重的情 况下导致总阻塞率上升：同时r w a 算法的规则使得长通道遇到阻塞的可能性大 于短的通道，这便导致相对较远的节点对之间连接的不公平对待问题。下面提出 的自适应路出算法，充分考虑路径的长短和负载平衡问题。本算法的思想基于 d i i k s t r a 算法，链路权重用下式设定： c q = d q + a 6 u ( t ) 其中以为节点对i ，j 之间的链路实际距离，当将每条链路的距离权重定为 1 时，节点间的距离就等同于节点对问路由经过的跳数；6 9 为当前时刻链路上已 南京邮电学院硕士学位论文 第三章光交换和波长路由与分配技术 被占用的信道数，也就是链路的负载，如果该链路上已无可用的波长信道，置6 ，； 为o o ，为一个加权系数，它用于表征路径距离和负载平衡各自在链路代价选取 中所占的比重，在进行算法设计过程中，可以根据实际需求进行选取。链路权重 的设定保证算法在为某一连接请求选择路由时不仅仅考虑最短路径或最小跳数， 同时兼顾网络负载平衡。 在波长分配问题上，首先将网络可用的波长分为n 个优先等级，再根据网络 的具体情况适当地设置通道长短的优先级别，将不同长度的通道划分到各个优先 级中，一般长通道具有较高的优先级。 具体流程如下： 首先为网络预热，根据( 1 ) 式设置链路权重； 第一步：等待光路请求，如果请求为建立连接转到第二步，如果请求为拆除 连接，转到第五步； 第二步：根据到达请求的节点对，按公式( 1 ) 计算各节点对之间的最轻链路 权重；如果找到的路径上经过的链路总权重为m ，则拒绝请求，转到第五步，如 果找到的路径上所经过的链路总权重为有限值，则接收请求，转到第三步； 第三步：根据所分配的路由通道长度来确定波长分配的优先级别，在相应的 级别中为连接请求分配一个波长；如果此级别中有空闲波长，就为此请求分配一 个波长，转第四步；如果此级别中无可用的波长，可以考虑低优先级别的波长， 如果仍没有，拒绝请求，转到第一步： 第四步：根据公式( 1 ) 刷新链路，转到第一步等待下一个请求： 第五步：释放电路，根据公式( 1 ) 刷新链路权重，转到第一步等待下一个请 求。 小结：以上的动态r w a 算法，不仅能有效地利用网络资源，而且保证了负 载分布的平衡，同时兼顾了网络资源分配的合理性。但这个算法仅仅是一种思路， 具体实现起来