（通信与信息系统专业论文）时隙波分复用网光收发器配置方法的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，波分复用) 是利用多个激光器在单 根光纤上同时发送不同波长激光的技术。数据( 文本、语音、视频等) 调制后在 它独有的波段上传输。 就目前成熟的技术而言，光收发器工作的波长通常都是固定的，即只能在一 个波长上面工作。通常而言，一个w d m 系统内会使用多个波长。那么在一个网 络节点中，如果使用固定的光收发器，分配给该节点可用波长数越多，需要配置 的光收发器数目也随之增加，网络的成本会大幅度提高。而节点如果使用可调谐 的光收发器，该设备可在不同的波长上工作，故节点只需配置一套可调谐设备， 但是就目前而言，可调谐设备很昂贵。 此外如果把整个波长都分配给某个连接，当该连接并不需要整个波长带宽时， 剩余的带宽资源就被浪费掉了，信道利用率低下。而把单个波长细分为时隙，单 个连接需要多少带宽资源就分配相应的时隙数，这样就提高了信道利用率。 正是在以上前提下，本文研究w d m 网络的光收发器配置方案。目的在于使 用少数固定光收发器前提下，通过合理的分配有限的波长以及时隙，使得信道能 够实现较高的共享，同时网络成本也经济。 关键词：w d m ，光收发器配置方法，波长时隙分配 a b s t r a c t w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) i ss u c hat e c h n i q u et h a tc a l lt r a n s m i t l a s e rs i g n a l so nd i f f e r e n tw a v e l e n g t h si nas i n g l ef i b e r m o d u l a t e dd a t a ( t e x t ，v o i c e , v i d e oe t c ) c a l lt r a n s m i t si ni t so w n w a v e l e n g t h a tp r e s e n t , t h eo p t i c a lt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra r ef i x e dw h i c hm e a n si tc a no r d v w o r k so no n ew a v e l e n g t h g e n e r a l l y , t h e r ei sm o r et h a no n ew a v e l e n g t hi naw d m s y s t e m s oan o d ei nt h ew d m s y s t e mh a st oi n s t a l le n o u g hf i x e dt r a n s m i t t e r sa n d r e c e i v e r st ou s et h o s ew a v e l e n g t h s t h ec o s to fb u i l d i n gt h es y s t e mi n c r e a s e s 嬲t h e i n c r e a s i n go ft h en u m b e r so fw a v e l e n g t h o nt h eo t h e rw a y , t u n a b l et r a n s m i t t e rc a n w o r ko nd i f f e r e n tw a v e l e n g t h s ，b u ti ti st o oe x p e n s i v et ou s e i fa l le n t i r ew a v e l e n g t hi sa s s i g n e dt oag i v e nc o n n e c t i o n , i tc a l ll e a dt ol o w e r c h a n n e lu t i l i z a t i o nw h e nt h ec o n n e c t i o nd o e s n tn e e da l lt h eb a n d w i d t h i tc a l lb es o l v e d b yd i v i d i n gt h ew a v e l e n g t hi n t of e dl e n g t ht i m es l o t s w h e nac 0 衄e c 啊o nc o m e s 廿l e s y s t e mp r o v i d e si te n o u g hs l o t s ，t h ee x a c tt h en u m b e r sa c c o r d i n gt ot h ec o n n e c t i o n s b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t s a n dt h er e s tt i m es l o t sc a l lb ea s s i g n e dt od i f f e r e n tc o n n e c t i o n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o n f i g u r a t i o no f o p t i c a lt r a n s m i t t e r sa n dr e c e i v e so f w d mn e t w o r k a l t h o u g h u s i n g af e wf i x e dt r a n s m i t t e r sa n dr e c e i v e r s n l i s c o n f i g u r a t i o n c a l la c h i e v el l i 曲c h a n n e l u t i l i z a t i o n t h r o u g hp r o p e r l ya s s i g n i n g w a v e l e n g t h sa n ds l o t s k e y w o r d s ：w d m ，o p t i c a lt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，w a v e l e n g t ha n dt i m es l o ta s s i g n i n g 主要数学符号表 主要数学符号表 符号类别 说明 “ 服务率 九 业务到达率 p服务强度 平均等待时间 形 在系统中时间 n 平均等待队长 n s 系统队长 p o排队系统为空时概率 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学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 确的说明并表示谢意。 虢婺吻隰w 年6 月尹曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：7 彳年月牛日 第一章绪论 第一章绪论 波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是一项2 0 世纪9 0 年代在 通信网中己经扮演重要角色的技术，它的兴起反映了人类向信息社会迈进的过程 中对通信容量和带宽日益增长的需要。自2 0 世纪9 0 年代以来数据业务( e g 子信函、 会议电视、点播电视、传真等) 爆炸式地增长，计算机互联网( i n t c r n e t ) 的流量迅猛 增长，人们对网络带宽和容量的需求持续稳定地增长。当传统的技术难以胜任的 时候，w d m 适应这种需求而迅速发展起来的。 w d m 技术是一根光纤中同时传输多个不同波长光信号的技术。具体而言，就 是在光纤通信的低损耗窗口的可使用光谱带宽划分成若干个较窄的频带，不同的 光信号分别调制到各个不同的中心波长的子频带内，然后在发送端将这些不同波 长的光信号进行组合，并耦合到同一根光纤中进行传输；经过光纤传输到接收端， 在接收端又将这些复用波长的光信号分解开来，最后通过进一步处理恢复出原始 信号送到不同的终端。 图1 - 1 波分复用系统基本组成 w d m 可复用信道数主要取决于光纤信道之间的波长间隔，即信道间隔。根据 不同的信道间隔的大小可将w d m 分为三种，即稀疏w d m ，d w d m 和超密集 w d m 。 信道间隔的大小主要取决于光源波长稳定性，允许的信道间线性或非线性串 泡子科技大学硬圭学馥论文 扰等因素，并且与复用技术，解复用技术有关。 1 。1 光网络器件 光联网关键器件主要包括：光源、光电检测器、光纤连接器、光耦合器、光隔 离器、光衰减器、光开关、光波分复用器、光波长转换器、光放大器【l j 。 其中光源是光纤通信系统中重要器件，它的作用是把电信号转换为光信号，并 将此光信号送入光纤中进行传输。曩翦普遍采用的光源为半导体激光器( l d ) 与 半导体发光二极管( 雎d ) 。 光电检测器主要完成光信号向电信号的转换功能。要具备灵敏度高、相虚时阕 短、嗓声小、功耗低、可靠性高的优点。在实际应用中，光电检测器有两种类型， 一是p i n 光电二极管；另一种是雪崩光电二极管。 光纤连接器用于设备和光纤之间的连接或光纤与其它无源器件的连接。它是组 成光纤通信系统的不可或缺的一种重要无缘器件。 光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入及分配的种器件。光耦含器按其 结构不同可分为棱镜式和光纤式两类。其中光纤式耦合器体积小，工作稳定可靠， 与光纤连接比较方便，是目前常用的一种。 光隔离器是保证光信号单向传输的器件。某些光器件，特别是激光器和光放大 器，对线路中由予各种原因蔼产生的反射光菲常敏感。因此需要这类器件消除反 射光，使系统稳定地工作。 光衰减器是光纤透信线路或测试技术中不可缺少的光器件，主要作用是对输入 地的光信号功率进行一定程度的衰减，以满足各种需要。 光开关可对光传输线路或集成光路中的光信号进行楣互转换或逻辑操作。光开 关可用于光纤通信系统、光纤测量系统，以及光纤传感系统中，起到切换光路的 作用。光开关一般分为机械式开关和非机械式开关。机械式光开关是依靠光纤或 光学元件移动，使光路发生变化。此类光开关技术比较成熟。非机械式光开关主 要依靠物理效应来改变波导折射率，使光路发生改变，完成开关的功能。 光波分复用器的功能就是把多个不同的波长光信号复合在一起，并注入到一根 光纤中传输。解复用器的功能正好与复用器相反。根据其制造方法不同，波分复 用器可以分为以下四类：角色散型波分复用器、介质膜干涉型、光纤耦合型和集 成光波导型。 光波长转化器是把光信号从一个波长转换菊另努一个波长的器件。依据波长变 2 第鬻绪论 换的原理，波长交换器可以分为光电再生型、增益饱和型、相位调制型和四波混 频型。光波长转换器主要应用予w d m 系统中，在该系统中，可用波长数有限， 不足以支持大量节点的应用。滏有相同的波长的信道选通同一输出端口时，由于 可能的波长竞争而出现阻塞。为了克服这种情况，可以采用波长转换器将波长进 行转换。 光放大器是可对微弱光信号直接进行放大的器件，葵主要功能是提供光信号的 增益，以补偿光信号在传输中的衰减，增加传输距离。 光分插复用雕霹( o a d m ) 能够从一个波分复用信号中分下和插入选定数霹的 波长，同时允许其余的波长通过。一般而言，o a d m 的结构通常包含：平行结构、 串联结构和波段分下结构。o a d m 可以处理简单的网络拓扑，比如说线状拓扑和 环状拓扑，以及相对来说中等数量的波长情况。当需要处理更加复杂的网络拓扑 和大量波长时，则需要使用o x c 。 o x c 是全光网中位于网络节点处进行全光信号交换的核心器件，与光纤组成了 一个全光网络，具有上下路复用麓力。它有效地剩用波长资源，实现波长重用，使用较 少数量的波长，互连较大数量的网络节点。当光网故障时，o x c 能够自动完成故障隔 离、秀度选择路由和网络重新配置，使系统不中断。它具有高速光信号的路由选择、 网络恢复功能，允许光信号插入或分离出网络层，是实现可靠的网络保护恢复以及 自动配线和监控的重要器件。 1 2 本论文研究背景介绍 在w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ) 网络中，系统使用多波长进行数据传 输。节点的光信号的发送和接收，需要使用到光发射器和光接收器。晷前光收发 器分为固定和可调谐两种。固定的光收发器，由于只能在一个波长内工作，不能 使用其它波长。节点螺果要使用多个波长，就不得不配置多套收发器，这样带来 了网络成本激增的问题。如果一个节点只配置个固定的光发射器，成本固然能 够降低，但代价就是一个节点只能使用嬲络中一个波长，信道的共享能力的降低。 如果在光网络中采用可调谐的光收发器，一个节点只需要使用一套该设备，就 可使用系统内所有波长，节点设各简单。但是，目前面言，可调谐的光收发器昂 贵，在网络中使用必然导致成本大幅提高，所以在目前而言在网络中使用很少。 关于收发器配置问题前人做了相关的研究：由j c a i ，a f u m a g a l l i 和i c h a l m t a c 等人提出f t ( n ) f r ( n ) ( nf i x e dt r a n s m i t t e r - nf i x e dr e c e i v e r ) 配置方案 4 1 ，该 3 电子科技大学硕士学位论文 方案网络中有多少波长就使用多少发送器和接收器。通常在网络中使用的波长数 很多，如果采用这种结构，节点结构复杂，而且成本也不低，所以这种结构很少 使用。 由m a r s a n 提出的t t - f r ( t u n a b l et r a n s m i t t e r - f i x e dr e c e i v e r ) 一这种配置每个 节点都能使用所有的波长进行传输，但是只能接收一个波长的数据。该方案使用 了可调谐的光发射器，网络成本很高。 此外c h r i s t o p h es j e l g e r 提出了使用f t o t r ( f i x e dt r a n s m i t t e r - t u n a b l er e c e i v e r ) 【6 】，由于节点中只采用了一个光发射器，该配置方案即使网络中其它波长是空闲的， 也不能使用，信道不能共享，信道利用率低下。 而f t - f r ( n ) 6 1 的结构，该结构等同于f t - t r ，但是同前一种相比，稍微有 点区别。 传统的w d m 网络，当有连接请求时，是把整个波长都分配给该连接，由于 受网络软硬件影响，一个系统中可用波长数受限。业务繁重时，有可能因为波长 数不够而导致连接失败。 通常而言，并不是所有的连接都需要整个波长的带宽，于是人们也作了大量 的研究，如何在w d m 网络中采用基于时隙的帧结构，以时隙作为最小的连接单 元，提高信道利用率。关于这部分的研究，可见【7 6 1 。 1 3 本论文工作 本论文正是基于以上的背景，提出了一种光收发器配置方案，该方案在使用 少量固定光收发器的前提下，可以使信道利用率提高同时网络成本比较经济。 这涉及到两方面工作：一是固定光收发器的配置问题，即对于每个节点而言， 配置多少个固定光发射器和多少个固定光接收器的问题； 其二，对于整个网络而言，如何合理的给各节点分配波长，以及波长中的时 隙如何分配，才能使得网络信道能够公平和高效的利用。 具体而言，本论文中使用到三种光收发器配置方案：其中方案三为本论文的 创新，而方案一和方案二为对比方案。 ( 1 ) 方案一，f t ( 1 ) f r ( n ) ( 1 血e dt r a n s m i t t e r - nf i x e dr e c e i v e r ) ，对于一个节 点而言只有一个固定的光发射器，故只能使用一个波长。网络中有多少可用波长 就配置多少个固定的光接收器。 ( 2 ) 方案二，佴t r ( 1t u n a b l et r a n s m i t t e r - 1t u n a b l er e c e i v e r ) 单个节点配置可调 4 第一章绪论 谐光收发器，这样每个节点都能使用所有信道资源。本方案同第一方案相比，在 选择波长方面，有了很大的余地。 ( 3 ) 方案三，本文提出的光收发器配置方法，f t ( 2 ) t r ( n ) ( 2 触e dt r a n s m i t t e r - n f i x e dr e c e i v e r ) 。每一个节点配置2 个固定的光发射器，同样为了能够接收数据， 网络中有多少波长就配置多少固定的光接收器。 1 4 本论文章节安排 本论文一共分为五章。第一章主要绪论。主要介绍了本论文研究的背景，以 及说明了本论文的工作。第二章主要对现有配置方案进行了介绍和分析。第三章 主要介绍了本论文提出的光收发器配置方案。第四章主要介绍仿真的网络的拓扑 结构，中心节点、接入节点以及它们对应的进程。最后第五章分别在平衡和非平 衡业务下，通过网络仿真，分析收集的结果，验证本论文提出的配置方案优点。 电子科技大学硕士学位论文 第二章现有方案的介绍及分析 网络的拓扑结构有多种，包括星型，环形，树型等，为了方便讨论，在后续章 节中所有的光收发器配置方案均在环网条件进行研究。下图为w d m 环网结构图。 w d m 融b r e 图2 - 1 波分复用网结构图 其中a n ( a c c e s sn o d e ) 为接入节点，起到连接整个环网和局域网，完成环网 内数据的插入和接收的作用。 r ( r o u t e r ) 为路由器，局域网通过路由器与a n 连接。 局域网是数据产生源，其拓扑结构可为星型，总线型等。 传统的w d m 网络，是把整个波长资源都分配给一个连接。那么当该连接并不 需要整个波长的带宽时，上述做法必然导致信道的利用率低下。采用将单个波长 继续细分为固定长度的时隙的方法，解决了信道利用率低的问题。 举例说明，如下图所示，下图中a ，b ，c ，d 四个节点均使用相同的波长。 现在一个m 比特的数据需要从节点a 传输到节点d ，如果是以波长作为最小 的连接单元，那么当节点a 向节点d 传输数据的过程中，由于该波长已经被占用， 所以节点b 不能进行数据传输，直到a o d 数据传输完成后。 假设数据传输率为r 比特秒，a d 之间的距离为k 公里，光信号在光纤中传 6 第二章现有方案的介绍及分析 播速度为c 公里惩。那么至少在m r + k c 的时闻内，节点b 都不能向外传输数 据。 图2 2 环网结构图 丽以时隙作为最小的信道资源则能解决上述闯题。假设一个时隙大小为s 比 rl ，1 特，则节点a 向节点d 传输数据，所需要的时隙数为l 芸1 个。而此时，如果节点 l si b 也有业务时，也能够串请时隙进行传输。 此外时隙的大小对信道的利用率也有一定的影响。如果把时隙大小设定为8 0 0 0 比特，对于一个1 0 0 0 0 毖特的业务面言，则需要2 个时隙来传输。在传输嚣重，节 点首先把1 0 0 0 0 比特分割为8 0 0 0 比特和2 0 0 0 比特。对于第二个时隙，它的业务 数据只有2 0 0 0 比特，剩余的容量6 0 0 0 比特就被浪费搏了。 而如果时隙大小设定为4 0 0 0 比特，则对于1 0 0 0 0 比特的数据而言，需要3 个 时隙来装。丽浪费的容量只有2 0 0 0 比特。 但是，时隙的大小也不是越小越好。时隙越小，浪费的容量虽然减少了，但是 对于节点而言，对数据进行的分段重组操作也越多。而且，时隙头部都必须有一 定的开销，完成数据传输的控制等功能，该开销一般丽言长度固定，当时隙越小 时，开销同负载之比重增加，从而降低了的信道利用率。 ? 电予稀技_ 丈学 羲士学位论文 2 。1f t - f r 配置方案介绍 f t - f r ( f i x e dt r a n s m i t t e r - f i x e dr e c e i v e r ) ，收发器只能固定的在一个波长上工作。 节点可以配嚣个或多个固定光发射器和接收器，并且发射器翻接收器的数冒并 不一定要求相等。 逶常丽言，其典型配置结构有潋下2 种： l ，f t ( 1 ) 一f r ( n ) 结构 通常面言，n 荛系统中可震波长数。f t ( 1 ) 表示一个节点只配置了一个固定 的光发射器，f r ( n ) 表示这个节点配置n 个固定的光接收器。该种结构，在发 射时，只允许该节点在一个波长土发射数据；接收对，则能够接收其它任何波长 来的数据。 该结构的优点在于由于节点只配置了一个固定的光发射器，所以设备体积比较 小，节点成本比较低廉。但是一个节点只配置了一个固定的光发射器，故不能使 用系统中其它的波长，信道利用率比较低，共摩能力差。 下图为该种结构，a n 的结构图。 墼2 3 鞭1 ) 一f r ( 瓣) 结构鲻结构豳 2 ，f t ( n ) - f r ( n ) 结构 f t ( n ) f r 甜) 表示，个节点配置n 个固定的光收射器和n 个固定的光接收器。 它允许节点使用系统中任何的波长传输数据，同时能够接收任何波长上的数据。 该种结构，解决了f t ( 1 ) ，f r ( n ) 结构信道利用率低，共享性能差的闷题，但是 同时也带来了节点体积大，成本昂贵的问题。 并且在不考虑可调谐光收发器调谐时间的条件下，该配置方案等同予佴t r 这种光收发器配置方案。 第二章现有方案的介绍及分析 2 1 ，1 波长配置 圈2 - 4f t ( n ) - f r ( n ) 结构碰结构蘸 节点的光收发器配置数目确定后，如何给节点配置波长，则是下一步需要解决 的问题。对于不同豹固定收发器配置方案面言，波长配置方法会不同，下蘧将主 要分析f t ( 1 ) f r ( n ) 这种结构下的波长配置方法。 假设网络禽有n 个波长，m 个节点。当节点数大于系统内可用波长数时，则 在传输数据时，多个节点将共事一个波长。 l ，首先把所有的节点编号，假设第一个节点编号为n o d e1 ，以此类推，最后 一个节点编号为n o d em 。 2 ，系统内的所有波长也编号，设第个波长的编号为1 ，最后一个为n 。 3 ，波长配置如下所述： n o d e1 配置波长为l ； n o d e2 配置波长为2 ； n o d en 配置波长为n ： n o d en + 1 配置波长为1 ： 4 ，把相同波长的节点归类。如所有使用波长l 的节点，统一称为第一组节点， 把如上所述的n o d el 和n o d en + 1 由于它们都是使用波长1 ，则这两个节点归于第 一组节点；瑟把所有使用波长2 的节点，统一称为第二组节点。以此类推，所以 使用波长n 的节点，统一成为第n 组节点。其具体配置如表2 1 所示。 9 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 1f t ( 1 ) - f r ( n ) 波长配置表 节点组节点编号可用波长 第一组节点 n o d e _ l ，n o d e _ n + l ， 1 第二组节点 n o d e 2 ，n o d e n + 2 ， 2 第n 组节点 n o d en ，n o d e2 n n 一一 。 2 1 2 时隙分配 由于本论文的中最小的连接单元为时隙，所以时隙分配的问题是本论文的重 点问题。时隙的分配一般分为两种：集中式和分散式分配。 ( 1 ) 集中式分配，时隙分配由中心节点统一安排，其它节点只有使用该时隙的权 利而没有管理的权利。边缘节点有业务时，向中心节点发送请求，中心节点在接 收到该请求后，然后根据时隙分配算法，如l l t ，f f t ，l l t a w 等，给边缘节点分 配时隙。分配后，边缘节点利用分配的时隙传输数据。 f f t ( f i r s tf i tt i m e s l o ta s s i g n m e n t ) ，本算法在可用的波长集合中，寻找可用 的时隙，当找到第一个可用的时隙时，就把该时隙分配给该请求。本算法优点在 于计算量较小。 l l t ( l e a s tl o a dt i m e - s l o t a s s i g n m e n t ) ，该算法在所有可用波长中，寻找负载 最小的时隙，找到后就把该时隙分配给请求。该算法优点在于能够把业务平均分 配到所有时隙中，因此不会出现单个时隙负载过重的现象。缺点在于分配时隙时， 需要了解整个网络的时隙分配情况，计算量偏大。 l l t a w ( l l t w i t h a l t e r n a t e w a v e l e n g t h ) ，该算法基本同于l l t ，区别在于多 了备用波长可供选择使用，所以计算量要高于l l t ，但是能够减少没有足够的时 隙，而导致不能建立连接的概率。 ( 2 ) 分散式分配，网络中并没有中心节点，每个节点都能决定时隙是否能由自己 使用。 当节点有数据业务时，节点会监听可用波长的每一个时隙，一旦监测到有空时 隙时，则利用该时隙进行数据传输。 时隙从源节点到达目的节点后，目的节点接收该时隙中的数据。完成了数据传 送的时隙，将清空以便为其它的节点服务。而清空操作一般是在源节点或者目的 l o 第篡章现育方案的介绍及分析 节点处完成。 源节点清空描述如下，一个装有数据的时隙在返回源节点前，无论是否完成 了数据的传送，都不能被其它节点所使用。到达源节点后，源节点清空该时隙， 清空后其它节点才能使用该时隙。该方案所有的时隙都需要绕环网运行圈，所 以其信道利用率不高，两目的节点清空时隙则解决了这个问题。 目的节点清空时隙为，一题时隙到达目的节点，哥的节点接收数据以后，该 时隙就能被下个节点所利用。方案的信道利用率要高于前一个方案，但是有可 能会导致时隙利用的不公平问题。 2 1 ，3 f t - f r 配置方案举例 节点收发器配置结构为f t ( 1 ) f r ( n ) 。工作网络为环网，该环网含有1 6 个节点，4 个波长，每个波长禽有1 6 个时隙，时隙的分配采用集中式。则壶以上 分析每四个节点共享一个波长，其中节点1 ，5 ，9 ，1 3 四个节点共享波长一；而 节点2 ，6 ，1 0 ，1 4 共享波长二；节点3 ，7 ，l l ，薹5 共享波长三；节点4 ，s ，1 2 ， 1 6 共享波长四。 表2 - 2 第一方案的各分组情涅 节点组可用波长可用时隙数目 第一组节点 ( 1 ，5 ，9 ，1 3 ) l 1 6 第二组节点( 2 ，6 ，1 0 ，1 4 )21 6 第三组节点( 3 ，? ，l | ，1 5 )31 6 第四组节点 ( 4 ，8 ，1 2 ，1 6 ) 41 6 节点传输数据首先要向中心节点发送请求，巾心节点获得该请求后，首先判断 该节点是属于第几组节点，然后通过查找算法，找到该组节点可用波长中等待队 长最短的一个时隙，将该请求摆在这个时隙后。 具体过程如下所述。比如节点1 有数据要求传输，一共需要n 个时隙。此时会 向中心节点发送一个申请冀个时隙的请求包。中心节点在收到该请求包焉，献包 中信息判断出该节点是属于第一组节点，可用波长为1 。于是开始查找波长1 的时 隙排队情况。 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 3 波长一的时隙负载图 时隙1时隙2时隙3时隙4 时隙5时隙6时隙7时隙8 排队数 1ol24567 时隙9时隙1 0时隙1 1时隙1 2 时隙1 3 时隙1 4 时隙1 5时隙1 6 排队数1 5 3l5873 通过查找发现，波长一的第2 个时隙排队数目为0 ，则把这n 个请求全部安排 在第二个时隙。然后更新数据，更新后，波长一的时隙负载情况变为： 表2 4 波长一时隙负载图( 更新后) 时隙1时隙2时隙3时隙4时隙5时隙6时隙7时隙8 排队数 1n124567 时隙9 时隙1 0时隙1 1时隙1 2 时隙1 3 时隙1 4 时隙1 5 时隙1 6 排队数 l531 5 873 尔后，中心节点通知该边缘节点，为这n 个请求分配的时隙为第二个时隙。此 时由于时隙2 的排队数目为0 ，所以该请求不需要等待，就能直接传输数据。 而如果把该请求分配到了时隙1 ，由于时隙1 此时已经排了一个需要1 个时隙 的业务。那么这n 个时隙的请求需要等待一帧的时间才能开始传输，其等待数为l 。 而如果把该请求分配到了时隙1 0 ，由于时隙1 0 此时已经排了一个需要5 个时 隙的业务。那么这n 个时隙的请求需要等待5 帧的时间才能开始传输，其等待数 为5 。 2 2 t t - t r 配置方案介绍 第二种配置方案为丌- t r ( 1t u n a b l et r a n s m i t t e r - 1t u n a b l er e c e i v e r ) ，在这种配 置方案下，允许接入节点在发射时，使用系统中任何波长传输数据；接收时，能 够接收任何波长来的数据。 此时，每一个节点都能使用w d m 网络中所有的信道资源，所以信道共享能力 很高。下图为该配置方案下的a n 结构图。如下图所示，该配置方案只有一个可 调谐的发射器和一个可调谐的接收器。 1 2 第二章现有方案的介绍及分析 2 2 1 波长配置 图2 5t t - t ra n 结构图 该配置方案，可以使用系统中所有的波长，所以当有业务时，中心节点根据一 定算法，为节点分配波长，常用的波长分配算法分为两类： l ，静态波长分配算法 波长已经提前分配好，其优点在于算法简单，不需要整个网络的连接信息，计 算量较少。常用波长分配算法中，静态算法包含：波长随机分配法( r a n d o m ) 【1 7 1 、 首次适用( f i r s tf i t ) 1 8 j 。 ( 1 ) 波长随机分配法( r ，r a n d o m ) ：该算法首先遍历所有波长，确定可用波长集 合，再从中随机选取一个分配。这种算法不必考虑当前网络资源的占用情况，所 以时间复杂度低，为o ( w ) ，但对于网络性能改善不明显。 ( 2 ) 首次适应( f f ，f i r s tf i t ) 算法：将所有波长按某种规则统一编号，在可用波长 集中搜索编号最小的波长来建立光路。与随机波长分配算法相比，f f 不必搜索全 部波长，而是找到可用波长就停止，计算量更小，且算法的阻塞性能要好于随机 分配。其时间复杂度为o ( w ) 。 2 ，动态波长分配算法 动态波长分配算法，每次连接都需要先对网络状况进行分析，计算后才能分配 波长。该类算法，计算量偏大。动态算法包含以下：最小使用( l u ，l e a s tu s e d ) 刿 算法、最大使用( m u ，m o s tu s e d ) 2 0 1 算法、最大总和( m s ，m a xs u m ) t 2 1 】算法、最小 影响( l i ，l e a s ti n f l u e n c e ) 2 2 1 算法、相对容量损失( r c l ，r e l a t i v ec a p a c i t yl o s s ) t 2 3 】 算法、相对最小影日f l ( r l i ，r e l a t i v el e a s ei n f l u e n c e ) 2 4 】算法等。 ( 1 ) 最小使用( l u ，l e a s tu s e d ) 算法：该算法统计网络中所有波长的使用率，并 选择波长使用率最小的可用波长分配给节点。即根据波长被占用的情况的统计， 电子科技大学硕士学位论文 优先选取被最少链路占用的波长。这种算法的出发点是使网络流量均匀分摊到各 个波长上。但是在l u 算法下，较长的光通道( 即跨越链路数较多的光通道) 往往被 拆开，只有较短的光通道容易保持波长一致性。除了计算复杂外，还需要设置专 门的存储单元记录波长使用信息，因此这种方法很少被采用。 ( 2 ) 最大使用( m u ，m o s tu s e d ) 算法：这种算法与l u 算法相反，优先选用被最 多链路占用的波长。实践证明这种算法的效率明显优于前面的算法，它有助于将 流量集中在少数波长上，这样可以减少网络的波长需求。 ( 3 ) 最大总和( m s ，m a xs u m ) 算法：经该算法选择波长后，网络中其它通路的剩 余可用信道数总和最大。 ( 4 ) 最小影响( l i ，l e a s ti n f l u e n c e ) 算法：l i 算法选择波长的目标是对全网其它相 关光路建立请求造成的瓶颈总和最小( 即对其他通路的影响最小) 。 ( 5 ) 相对容量损失( r c l ，r e l a t i v ec a p a c i t yl o s s ) 算法：类似于m s 法。m s 法致 力于将绝对空闲容量最大化，r c l 则致力于将相对空闲容量最大化。他们都适用 于流量非标准的网络，r c l 算法的效果更好些。 ( 6 ) 相对最小影响( r l i ，r e l a t i v el e a s ei n f l u e n c e ) 算法：类似于l i 算法。r l i 为 新的光路建立请求分配波长，其目标是对网络其他光路建立请求所造成的相对瓶 颈总和最小。r l i 算法的效果比u 更好。 2 2 2 时隙分配 t t - t r 这种配置方案，其时隙分配同2 1 2 节介绍的时隙分配。 2 2 3 t t t r 配置方案举例 在一个含有1 6 个节点，网络中共有4 个波长，一个波长细分为1 6 个时隙的环 网中，波长和时隙统一由中心节点分配。 该配置方案，在上述网络情况中，每个节点都能使用所有的波长，可用时隙数 为6 4 。时隙的选择较f t ( 1 ) f r ( n ) 而言，有了更大的余地，所以信道资源的 共享能力比f t ( 1 ) f r ( n ) 这种配置方案要高。 当接入节点有数据传输业务时，首先会向中心节点发送请求包。中心节点根据 一定时隙分配算法为该请求分配时隙。下面将以l l t a w 为例说明，在t r - t r 配 置方案下，时隙是如何分配的。 现假设某边缘节点有新的数据业务产生，该业务需要n 个时隙时。于是该节 1 4 第二章现有方案的介绍及分析 点向中心节点发送一个申请n 个时隙的请求。中心节点在收到该请求后，开始查 找当前时间的各个波长时隙排队数目表。该表如下图2 5 所示。 表2 - 5 各波长时隙排队数目 时隙1时隙2时隙3时隙1 5时隙1 6 波长1 3l513 波长2 234 56 波长31o1 11 68 波长4 l67 89 表2 5 为各波长时隙排队数目表，由于受篇幅限制并没有画出波长1 _ 4 ，时隙 4 1 4 的排队数目，现假设它们的排队数目均大于1 。 则通过查找发现波长3 的第二个时隙排队数为0 ，于是把这n 个请求均安排在 此时隙中。 表2 6 各波长时隙排队数目( 更新后) 时隙1 时隙2 时隙3时隙1 5时隙1 6 波长13 1 513 波长2 23456 波长3 1n1 1 1 68 波长4 16789 2 3 网络性能的理论推导 对于f t ( 1 ) - f r ( n ) 这种收发器配置而言，由前面分析可知，它的信道共享能力 比较差；而佴t r 这种配置方案，信道共享能力高。本节将通过理论分析和对比， 证明上述论断。为了能够进行对比，上述两种配置方案，要求其工作的网络条件 相同，现设定网络参数如下： 1 ，网络拓扑结构为环网。 2 ，网络中节点数为1 6 个。 3 ，波长数为4 个。 4 ，每一个波长分为1 6 个时隙。 5 ，服务率相同，服务时间为负值数分布。 6 ，业务到达率相同为柏松分布。 无论是f t ( 1 ) - f r ( n ) 这种配置结构，还是耵- t r 这种结构，信道的共享能力越 魄子稀菽大学颈圭学镘论文 高的情况下，业务的平均等待时间和平均等待队长均越小。 下面将利用排队论相关知识，分别推导平均等待队列的长度，平均等待时闯的 理论计算公式。 具体而言： 令f t ( 1 ) 一f r ( 4 ) ( 1f i x e dt r a n s m i t t e r - 4 f i x e dr e c e i v e r ) 这种配置结构为第一方案。 由前所知，该种结构含有西组节点，每组节点所含节点数为4 ，其服务窗翻数冒为 n = 1 6 个。整个网络的理论模型可以看作4 个m m 1 6 。 令朝) 豫( t u n a b l et r a n s m i t t e r - t u n a b l er e c e i v e r ) 这种配置结构为第二方案，由 于节点可以使用网络中所有的波长传输数据，故服务窗阴数目为n = 4 * 1 6 = 6 4 。整个 网络药m m 6 4 。 ( 1 ) 等待队长推导： 图2 - 6m f m 1 1 模型状态流图 其中状态k ( o = k - - n ) 表示系统内有k 个服务窗口忙着服务客户，其余n k 个 窗e t 空闲；当状态觳( 即到达系统躲蹶客k 超过由时，那么，1 1 个服务窗口均忙 着接待顾客，而余下的k - n 个顾客排队等候服务。又约定此处只允许派一个队等候， 那个窗口服务完空闲时，等候中的顾客按先后顺序前往空闲服务窗口接收服务。 有状态流图可见，当系统处于平衡时，可列出以下代数方程。 对于状态0 ，有兄鼠= a ，得a = 砖风= n p p o ； ( 2 - 1 ) 对于状态l ，有五髓= 2 , t t p 2 ，得见= 等p 2 p o ； ( 2 2 ) 总之，可写 孰= 县k - i 志岛= 去c 争 c 胁， c 弱， 版2 i ( 考) 2 岛 ，1 ) ( 2 _ 4 ) 令p = 三，则有 n j u 黼胪i 协艺( n p ) k 嘻等 - 1 e 2 ， 第：章现有方案的介绍及分析 基于以上分析，平均排队队长计算如下； 丙= 薹( 后一h ) a = 孟爱宇竺圣矿风 c 2 - 6 ， 平均忙着的服务窗口个数 = k * p k + 刀p k = n p ( 2 - 7 ) 所以系统队长( 或者说系统中的平均顾客数) 的均值为 越= + 玛蛔 ( 2 8 ) ( 2 ) 等待时间 而等待时闻分布啡) = 罗( w ) ， 其中w ( o ) = p ( w = 0 ) = p ( n m ) ( 2 9 ) = k = o 觳小k = 热- 1 _ 尚q-lo)n 尸 从f ) = p ( w t ) = p ( w = 0 ) + p ( o w f ) ( 2 - 1 1 ) 1 ，平均等待时闻为 岷2 e 【叫2 矗( 2 - 1 2 ) 2 ，顾客在系统内逗留时间 形= 吃+ i 1 ( 2 - 1 3 ) 根据以上理论计算公式，在如上所述的网络条件下，计算两种配置方案在不 同强度下的平均等待队长和等待时间。 表2 - 7 方案各强度下等待队长和等待时间 服务窗口 强度服务率等待队长等待时间 1 6 o 81 2 0 0 4 81 2 1 9 5 47 9 3 6 5 1 0 e - 0 6 1 6o 。91 2 0 0 4 85 3 2 2 0 9 3 0 7 8 6 8 0 e - 0 5 1 6o 9 5 1 2 0 0 4 81 4 8 2 3 78 1 2 3 7 5 0 e 0 5 表2 - 8 方案二各强度下等待驮长和等待黠闻 服务窗 强度服务率等待队长 单个波长等待队 等待时间 口长 6 40 。81 2 0 0 4 8 0 。2 2 4 2 2 65 6 0 5 6 5 0 e 一0 23 6 4 8 0 4 c i e - 0 7 6 4o 91 2 0 0 4 82 7 9 5 9 76 9 9 8 9 9 3 e 一0 14 0 4 3 4 7 0 e 一0 6 6 40 。9 51 2 0 0 4 。81 1 1 7 2 22 7 9 3 0 5 0 e + 0 01 5 3 0 6 7 0 e 0 5 1 7 奄予科按犬学矮二圣学位论文 2 。4 两种方案理论值的比较 圈2 7 方案一、二等待队长对比( 理论) 由图中可知，方案二的平均等待队长，在业务强度为o 8 时，基本上为0 ； 在业务强度为0 9 时，平均等待队长低于1 ；业务强度为0 9 5 时，平均等待队 长低予3 。 而方案一，在三种业务强度下，其平均等待长度都高于方案二。其数值大 约药方案二的醒一五倍。 图2 8 方案一、二等待露闯对比( 理论) 1 8 第二章现有方案的介绍及分析 由图中可知，方案二的平均等待时间，在业务强度为0 8 时，基本上为0 。在 业务强度为0 9 时，为4 0 4 3 4 7 0 e - 0 6 ；在业务强度为o 9 5 时，也只有i 5 3 0 6 7 0 e - 0 5 。 而方案一，在三种强度下，其平均等待时间都高于方案。大约为方案二的四倍 左右。 方案一在业务强度越接近1 的时侯，平均等待时间和平均等待队长其增长速率 也越快。 2 5 本章小结 本章介绍了现有的光收发器配置方案中，两种典型配置方案。其中第一种配置 方案，每个节点只使用固定的光发射器和光接收器，这种配置方案，如果采用f t ( 1 ) f r ( n ) 这种结构，在传输时只能使用一个波长，所以其信道共享能力比较 差。而如果采用f t ( n ) f r ( n