（光学工程专业论文）wdm光网络中波长转换器配置算法的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向：光通信与光信息处理 f j j i i ii ii ifi i i j irfi i r i f l l f f l l i f r l l 0 y 17 5 4 918 题目：w d m 光网络中波长转换器配置算法的研究 英文题目：t h e l s e a r c ho f a l g o r i t h mf o rw a v e l e n g t h 主题词：波分复用，波长转换器，子图，a d d 算法 k e y w o r d s ：w d m ，w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ，s u b g r a p h ， a d d a l g o r i t h m 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 以波分复用( w d m ) 技术为基础的光传送网络，由于其巨大的带宽和良好的灵活性而 成为目前光通信领域研究的热点。波长转换器作为w d m 光网络中的关键器件之一，在提高 波长利用率、降低网络阻塞率方面有着重要作用。本文主要针对如何配置波长转换器从而 得到最佳网络阻塞特性的算法进行了研究，主要内容包括： ( 1 ) 在查阅国内外文献的基础上，论述了波长转换器在w d m 光网中的应用前景及重要作 用；分析了w i ) m 光网络中影响波长转换器配置问题的多种网络参数；研究了波长转换器在 规则1 | | d m 光网络中配置方式及其对规则w d m 网络阻塞率的影响。 ( 2 ) 针对波长转换器在不规则w d m 光网络中的配置问题，在深入分析已有算法的基础 上，结合优先配置最短路径总长度较长节点的启发式思想，提出了一种新的算法( 搿子图+ 路径长度排序( p l s ) 算法) 。在多种网络模型上的仿真结果表明，新算法在保证配置结 果准确的同时能明显的降低计算的时间复杂度。并且新算法受网络类型限制较小，具有更 好的普遍适用性。 ( 3 ) 利用优先配置度数较大节点的启发式思想对新提出的_ 子图+ p l s 算法进行了进 一步改迸，得到了一种新的改进算法，并对改迸算法进行了仿真结果显示，改进算法在 保证配置结果准确的同时比膏子图+ p l s 静算法计算的时间复杂度更低，并且具有相同是普 遍适用性。 关键字：波分复用，波长转换器，子图，a d d 算法 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 a b s t r a c t o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r kb a s e do nw 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 ( w d m ) t e c h n i q u eh a sb e c a m eah o tr e s e a r c hf i e l dn o w ，b e c a u s eo fi t sl a r g ec a p a c i t ya n da g i l i t y a s o n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h ew d mo p t i c a ln e t w o r k , t h ew a v e l e n g t h - c o n v e r t e rp l a y s a ni m p o r t a n tr o l e i ni m p r o v i n gw a v e l e n g t hu t i l i z a t i o n , a n dr e d u c i n gt h e c o n g e s t i o nr a t e o fn e t w o r k s t h i sa r t i c l er e s e a r c h e da l g o r i t h m sf o rw a v e l e n g t hc o n v e r t e ra s s i g n m e n ti nw d mn e t w o r k sw h i c hb a s e so ng e tt h eb e s tc h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r kc o n g e s t i o n t h em a i n w o r ki s 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z e dt h ea p p l i c a t i o n sa n dt h ei m p o r t a n c eo fw a v e l e n g t h - c o n v e r t e r si nt h e w d mo p t i c a ln e t w o r k d i s c u s s e dt h ei m p a c t sf r o mav a r i e t yo fn e t w o r kp a r a m e t e r so nc o n _ f i g u r a t i o ni s s u e so fw a v e l e n g t hc o n v e r t e ri nw d mn e t w o r k a n a l y z e dt h ea s s i g n m e n ta l g o r i t h mo fw a v e l e n g t hc o n v 枷e ri nr e g u l a rw d m 联出( d 御i t si n 蝉o nc o n g e s t i o nr 捌晒孓 圆f o c u so nt h ea s s i g n m e n ta l g o r i t h mo f 啊r a v e l e n g t hc o n v e r t e ri ni r r e g u l a rw d m n e t w 班i ( ，愉a n a l y z e de x i s t i n ga l g o r i l h m s , c o m b i n e dw i t ht h eh e u r i s t i ct h 试l d n go f s h o r t e s t p i l hl o n g e rn o d et i m ，p r o p o s ea 删a l g o r i t h mw h i c hn a m e d s u b g r a p h + p l s a l g o f i t h n ls i m u l a t e dt h en e wa l g o r i t h mo nd i f f e r e n tn e t w o r km o d e l s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h en o wa l g o r i t h mn o to n l yh a daa c c u r a t er e s u l tb u ta l s oh a dal o w e rt h et i m ec o m p l e x i t yo f c o m p u t i n g a n dt h en e wa l g o r i t h mw a sl e s sr e s t r i c t e db yt h et y p eo fn e t w o r k sh a sab e t t e rg e n e r a la p p l i c a b i l i t y ( 3 ) u s i n gt h e h e u r i s t i ct h i n k i n go f b i g e rd e g r e en o d ef i r , i m p r o v i n gt h e “s u b g r a p h + p l s ”a l g o r i t h m a n dg o tan e wi m p r o v e da l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a dal o w e rc o m p u t i n gt i m ec o m p l e x i t yt h a n “s u b g r a p h + p l s ”a l g o r i t h m a n da l s oh a st h es a m eg e n e r a la p p l i c a b i l i t y k e yw o r d s ：w d m ；w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ；s u b g r a p h ；a d da l g o r i t h m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i ：【 目勇乏i i i 第一章绪论1 1 1本文研究背景l 1 - 2本文的主要工作及创新点2 1 3 本文的组织结构3 第二章w d m 光网络中的波长转换技术4 2 1w d m 技术与w d m 光网络4 2 1 1w d m 技术4 2 1 2w d m 光网络5 2 1 3w d m 技术的发展前景6 2 2 波长转换技术的应用及其对网络性能的改善7 2 2 1 基本原理7 2 2 2 波长转换器在删光网中的应用8 2 2 3 波长转换节点对网络性能的改善9 2 3 波长转换的实现9 2 4 本章小结1 0 第三章影响波长转换器配置方式的网络参数1 1 3 1 网络拓扑结构及其数学表示1 1 3 1 1 网络拓扑形状与特点1 l 3 1 2 网络拓扑中的常用概念1 2 3 1 3 网络拓扑的图论表示法1 2 3 2 光网络的路由和波长分配1 4 3 2 1 常用的路由选择算法15 3 2 2 常用的波长分配算法】6 3 2 3r w a 问题中的波长变换问题：l8 3 3 网络阻塞率模型18 i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 3 3 1 链路负载不相关模型1 8 3 3 2 链路负载相关模型2 1 3 3 3 链路负载相关模型的仿真与分析2 2 3 4 本章小结2 4 第四章规则w d m 网络波长转换器的配置2 5 4 1 波长转换器配置问题研究背景2 5 4 2 单路径网络中波长转换器配置问题2 5 4 3 几种常见的规则网络中波长转换器配置问题2 8 4 3 1 总线型网络2 8 4 3 2 环型网络2 9 4 3 3m e s h t o r u s 网络3 0 4 4 本章小结3 l 第五章不规则w d m 网络波长转换器配置3 2 5 1 研究背景3 2 5 2 辅助定向子图3 2 5 3 计算网络阻塞率的数学模型3 4 5 4 配置波长转换器的几种常见启发式算法3 4 5 5 新的“子图+ p l s ”算法3 7 5 5 1 新的“子图+ p l s 算法的提出3 7 5 5 2 新的“子图+ p l s ”算法描述3 8 5 5 3 新算法的仿真结果及分析3 9 5 6 “子图+ p l s 算法的改进算法4 5 5 6 1 改进算法的描述4 5 5 6 2 改进算法的仿真与分析4 6 5 7 本章小结4 8 第六章总结与展望4 9 参考文献5 0 致谢5 5 攻读学位期间所发表的学术论文5 6 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 波分复用( 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 ，w d m ) 技术的使用使光纤的传输容量得 到了极大的提高，然而波长一致性的限制使删全光网的波长资源利用率较低。波长转换 器可以使光通道在各段链路上利用不同的波长，从而提高了波长资源的利用率，降低了网 络阻塞率。而在使用该器件的过程中，如何通过合理的配置来降低网络建设和运营的成本 是一个重要的理论和实践问题。 1 1 本文研究背景 随着近年来通信业务突飞猛进的发展，人们对通信系统在传输距离、交换容量等方面 的要求不断提高。而光纤具有巨大的带宽和优异的传输性能，为了在一根光纤中传输更高 速率的数据，己经提出了包括光时分复用( o t d m ) 、光波分复用( 1 j l d m ) 、光频分复用( 0 f 蹦) 以及光码分复用( o c d m ) 等技术。其中仰m 技术最为成熟，并因其具有传输容量巨大、传输 效率高等诸多优点获得了极其广泛的应用。而删传送网和高速交换路由器技术的发展对 建设宽带通信骨干网提供了有力的支持n 1 日。 近年来，以波分复用为基础的光网络近发展非常快，被用于海底、陆地长途干线、本 地网甚至接入网，因此w d m 光网络已经成了全光网络的代名词，提起光网络都是指w d m 光网 络。从不同的角度w d m 光网络可有多种分类眵1 从承载的业务角度看，w i ) m 网络可分为静态业务网络和动态业务网络，静态业务网络 类似与永久式虚电路( p v c ) ，两个节点间的路由及分配的波长都是固定的，而动态业务网 络则像半永久式虚电路( s p v c ) 或交换式虚电路，适合于承载突发业务的网络中，两点问的 路由和波长需要动态地选择和分配。 从数据流在信源到信宿的传输过程中有无光电转换过程这一角度看，w d m 网络又可以 分为单跳网络和多跳网络，单跳网络中信号从信源到信宿无需光电转换进行中继就像一个 光流一样穿过网络，而多跳网络中，信号可在中间节点进行再生及波长交换，因此信号必 须经过多个节点的中继后方能达到信宿节点，类似于信号在多个网络节点间跳跃前进，称 之为多跳网络，它可以不需要昂贵的可调谐的光收发器就能得到较高的连接率通过在电酌 逻辑网( 覆盖层) 上加上包交换机或者信元交换机来减轻光层的连接瓶颈。 从波长交换的角度看，w d m 网络又可以分为无波长交换和有波长交换网络，在无波七 rr一 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 交换的w d m 网络中，只有所选择的路由经过的所有节点都有相同的空闲波长情况下，才能 建立连接，而有波长交换的网络无此限制。 波长转换器晦1 ( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ，w c ) 是将一个波长( 一个波段) 光波载运的 信息变换到另一波长( 一个波段) 光波上的器件。波长变换器在网络中起着重要的作用： 其一，可以改进网络中波长资源的利用。 其二，减少光通道请求建立的阻塞率( 解决了波长一致性限制) 。 其三，当请求建立一个横跨不同网络运营者管辖的区域时无须协调各自的波长分配。 其四，有利于不同厂商提供的设备互连( 由于不同的厂商的产品采用了不兼容的波 长) 。 波长转换器的成本非常高，并且大量文献已经证明在网络中部分结点上配置波长转换 器，几乎可以达到在所有的结点上都放置波长转换器相同的性能。波长转换器的放置问题 主要研究在给定网络拓扑、波长数、业务需求和需要放置波长转换器的结点数目后，网络 的哪些结点上放置波长转换器可以使得网络总体阻塞概率最小的问题。 对于结构对称的规则网络，已经证明如果业务均匀分布，那么波长转换器的均匀放置 是最优的；不规则网络中的波长转换器的最优放置则是n p l c 唧l e t e 问题跚，主要采用启发 式算法求解。而本文的主要工作重点就是在分析现有的启发式算法的基础上提出新的性能 更好的算法。 1 2 本文的主要工作及创新点 本文主要研究了肋m 光网络中波长转换器的配置问题。在分析和研究适用于任意拓扑 结构网络的现有算法的基础上提出了一种新的算法，并对其进行了改进。主要工作及创新 点如下： ( 1 ) 提出了新的基于节点权值排序的“子图+ p l s ( 路径长度排序) 算法。在不同的网络 模型中对该算法进行仿真。结果显示，新算法在保证结果准确的同时，较有效地降低了运 算的时间复杂度。并且相对于已有的“子图+ a d d ( 代数决策图) 一算法随1 ，新算法受网络 节点特性的限制较小，更具有普遍适用性。 ( 2 ) 对新算法( “子图+ p l s 移算法) 进行了改进，提出了一种新的改进算法。并对改进 算法进行了计算机仿真。结果显示，改进算法在保证配置结果准确的同时，比“子图+ p l s 算法更能降低运算的时间复杂度。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 本文的组织结构 第一章，绪论，概述了本文的主要工作。 第二章，论述了波长转换技术及其在w d m 光网络中的应用问题。 第三章，探讨了影响波长转换器配置问题的网络参数。首先，论述了网络的拓扑结构 及其数学表示。其次，阐述了耶m 光网络中常见的路由及波长分配算法。最后，分析前人 提出的网络阻塞概率的数学模型。证明了为节点增加波长转换能力在降低网络阻塞率方面 有明显的作用。 第四章，分析了规则w d m 光网络中波长转换器的配置问题。分别对单路径网络、总线 型网络、环型网络和m e s h - t o r u s 网络模型中的波长转换器配置问题进行了分析，验证了前 人提出的在规则w d m 光网络中均匀配置5 0 节点是最优配置方法的正确性。 第五章，针对不规则w d m 光网络中波长转换器的配置问题提出了一种新的“子图+ 路径 长度排序( p l s ) 一算法；为了进一步降低计算的时间复杂度对“子图+ p l s 一算法进行了进 改进，得到一种新的改进算法：在不同拓扑的网络上运用两种新算法进行了计算机仿真。 结果表明，两种新算法都能得到正确的配置方案，有效降低所需计算的网络阻塞率的次数， 同时能够较好的打破网络类型的限制，具有较好的普遍适用性。 第六章，对全文进行了总结，提出了以后的研究方向。 r f 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w d m 光网络中的波长转换技术 第二章w d m 光网络中的波长转换技术 2 1w d m 技术与w d m 光网络 2 1 1 w d m 技术 w d m ( 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，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，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。 光波分复用的实质是在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，在波分复用技术高度发展，以及每个光载波占用的频度极窄、光 源发光频率极其精确的前提下，或许使用光频分复用来描述更恰当些。波分复用技术的基 本原理是在传输系统的发送端采用复用器将不同波长的光信号组合起来进行复用，并把信 号耦合到光缆线路的一根光纤中进行传输，在接收端采用解复用器分离出不同波长的光信 号，并把恢复出的信号送入不同的终端。波分复用通信传输系统主要有双纤单向传输和单 纤双向传输两种结构 9 。在双纤单向传输系统中，所有的光通路同时在一根光纤上沿同一 方向传送，反方向通过另一根光纤传输。而在单纤双向传输系统中，光通路在一根光纤上 同时向两个不同方向传输，所有波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。单向 的w d m 系统在开发和应用方面都比较广泛。双向w d m 系统得开发和应用相对来说要求 更高，这是由于双向w d m 系统在设计和应用时必须考虑到几个关键的系统因素，如要抑制 多通道干扰，同时要使用双向光纤放大器。 w d m 技术之所以在近几年得到迅猛发展，因为它具有如下巨大优点 1 0 ： ( a ) 可以利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十 倍。w d m 技术可以充分利用单模光纤的巨大带宽，从而一劳永逸地解决传输的带宽问题。 ( b ) w d m 系统多用于大容量长距离传输，以便多信道复用光放大器，简化系统结构和设 计，减少投资和维护费用。 ( c ) 使n 个波长复用起来在单模光纤中传输，则在大容量长途传输时可以节约大量光 纤。另外，对于早期安装的芯数不多的光缆，利用w d m 技术可以不必对原有系统做较大的 改动，进行扩容比较方便。 ( d ) 由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号， 4 l入，。，0。、? y 一 iki l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w d m 光网络中的波长转换技术 包括数字信号和模拟信号，以及p d h 信号和s d h 信号的完成各种电信业务的综合和分离， 综合与分离。 ( e ) w d m 技术对数据格式是透明的，即与信号速率及点调制方式无关。一个w d m 系统可 以承载多种格式的“业务”信号，以及a t m 、i p 或者将来有可能出现的信号。w d m 系统完 成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，w d m 的每个波长就像“虚拟的光纤一样。 ( f ) 在网络扩充和发展中，w d m 是理想的扩容手段，也是引入宽带业务的方便手段，增 加一个附加波长即可引入任意想要的新业务和新容量。 ( g ) 利用w d m 技术选路来实现网络的交换和恢复，从而可以实现未来透明的，具有高 度生存性的光网络。 ( h ) w d m 系统可方便地增加波长信道，既有利于实现网络的光交换和恢复，又有利于网 络扩容升级，从而可进一步实现适用未来需求的、透明的、有高度生存性的光网络 2 1 2w d m 光网络 w d m 光传送网目前主要有两种主要形式n ，1 刳：广播与选择网( b r o a d c a s ta n ds e l e c t 0 p t i c a ln e t w o r k s ，b s o n s ) 和波长选路网( w a v e l e n g t hr o u t e d0 p t i c a ln e t w o r k s ，w r o n s ) 。 b s o n s 的物理拓扑是星形，中心节点使用无源光耦合器进行光信号的复合和分离，其 他每个网络节点和中心节点之间都有一条光纤链路相连。节点间进行通信时，源节点产生 的信号会被中心节点向其他所有节点广播，目的节点使用光滤波器选择出希望接收的信 号。这种网络结构的最大缺点在于：由于固有的星型结构，使得b s o n s 缺乏波长重用的能 力；当网络节点数( n ) 较多时，每个接受节点接收到的功率只有原信号的1 n ，对激光器和 光滤波器的稳定性要求很高；中心节点一旦失效，会使全网陷入瘫痪状态。基于这些问题， b s o n s 只适合于节点数较少并且对网络生存性要求不高的局域网和城域网。 w r o n s 主要用于长距离、大范围骨干网，考虑到网络建造成本，网络节点之间一般用 点到点的光纤链路任意相连而构成连接度较低的网状网。在w r o n s 中，网路节点3 0 0 x c o a d m ，利用它们就能在接入节点对间建立端到端的光路。所谓光路就是指两个节点间的一 条全光通路，它可能经过一条或者多条光纤链路。在w r o n s 中，数据在光路上进行透明传 输，光路上的中间节点不进行任何电层的存储转发或者交换处理，从而可以大大提高网络 的数据吞吐能力、简化网路管理和减少电层的网络设备。另外，w r o n s 特有的波长重用能 力也使它具有良好的可扩展性。由于现阶段这种w d m 光网络主要作为各类数据业务( f l 口s d h 帧、a t m 信元或i p 分组) 的传送平台，因此又被称为w d m 光传送网( o p t i c a lt r a n s d o r t 5 j lr 【 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w d m 光网络中的波长转换技术 n e t w o r k ，0 t n ) ， 图2 1 表示一个波长选路的w d m 光传送网n 3 3 的示意图。图中a 到h 为接入节点，1 一l o 为 波长路由节点( w a v e l e n g t h r o u t e dn o d e s ，w r n s ) ，它可以是光交叉连接器( 0 x c ) 或光分插 复用设备( 0 a d m ) ，完成波长选路功能。接入节点及其相应的波长路由节点统称为网络节点。 图中表示接入节点对a - c 之间在波长a ，上建立光路，而接入节点对b f 、h - g 之间建立的光 路分别使用波长a2 和a1 。 ( ) 被妖鼯出钳点 2 1 3w d m 技术的发展前景 图2 1 波长选路的w d m 光传送网示意图 以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心并面 向i p 互联网的w d m 技术已经成为了今天的光纤通信的研究热点，在未来的一段时间里， 人们将继续建设各种实验网络，并在验证有关新概念和新方案的同时，对下一代光传送网 的关键技术进行更全面、更深入地研究。从发展趋势来看，w d m 传送系统将朝着更多的 信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展，光网络则朝着面向i p 互联网、能 融入更多业务、能进行灵活的资源配置和生存性更强的方向发展【1 4 】。为了适应通信网络发 展的需要，w d m 技术在沿革过程中呈现出一些新的特点【1 5 】： ( 1 ) w d m 向更大容量更透明传输发展 传输容量和效率正进一步提高。为了更充分利用光纤低损耗带宽，人们在w d m 的基 础上又提出了密集波分复用技术( d w d m ) 。d w d m 技术指在当前1 5 5 p m 波段密集放置更 多信道，同时在同一芯光纤中传输。然而，人们现在已不满足这样的密集度，开始想方设 法寻找更窄的信道间隔，使传输容量进一步加大，力求更充分地利用光纤的可用带宽。 另外，w d m 对各种类型的业务透明传输的优势正越来越明显。w d m 技术具有很多 ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w d m 光网络中的波长转换技术 优势，在近几年得到快速发展。多波长复用在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可大 量节约光纤，由于同光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信 号，完成各种电信业务信号的综合与分离；包括数字信号和模拟信号，以及p d h 信号和 s d h 信号的综合与分离；波分复用通道对数据透明传输。现在，一个w d m 系统可以承载 多种格式的业务信号，如a t m 、i p 业务等；在网络扩充和发展中，借助w d m 系统不仅 是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务，如c a t v 、h d t 等的有利手段。我们可以利用 w d m 技术实现网络交换和恢复，从而可以实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。 ( 2 ) w d m 应用范围将更加广泛 首先，长途骨干传输网对于波长的需求正在不断增加，随着业务的不断增加，对传输 距离、波长数量和传输速率的要求不断提高，使得d w d m 系统在骨干网层面的应用正不 断走向深化。目前，常规长距离w d m 传输系统在我国的干线网络上已经有大量的应用， 亚超长距离系统的标准化也已经完成，超长距离的技术和标准都在研究当中，已经有相当 多的厂家有了商用化产品。超长距离w d m 系统可以减少电再生站、光放站的数量，扩大 光放站之间的距离，有效降低系统成本，尤其对于我国这样幅员辽阔的国家，w d m 系统 的应用将更具有实际意义。因此，在未来，尤其是超长距离w d m 系统的应用将更加全面。 其次，城域d w d m 是近年来的新兴应用。随着长途传输骨干网的大规模建设、用户 接入及驻地网的宽带化技术的普及，网络的瓶颈逐渐转移到了城域网，原先以承载话音为 主的城域传输网络，已无法适应城域数据业务的快速增长，城域网络环境发生了很大变化。 由于城域d w d m 系统具有大容量、光层面保护、支持多业务、后向兼容性等特点，使得 城域d w d m 成为未来城域光网的很重要的发展方向之一。 2 2 波长转换技术的应用及其对网络性能的改善 2 2 1 基本原理 为了把数据从一个节点传到另一节点，需要在光学层建立一条连接。这可以由选择 一条在此通道所有链路上共同空闲的一个波长来完成。像这样的全光通道叫做光路。这条 光路在建立时间内完全由此连接占用，不能分配给其它的连接。当连接结束时，这条光路 撤销：同时，这个波长在此路由的所有的链路上再次变得空闲。在大规模使用w d m 光通 路组网时，往往需要把某一波长变换为另一波长，或者需w d m 光网络中的波长数量决定了 具有独立地址的节点数或可选路由数，虽然w d m 网的传输带宽可以满足每个用户的要求， 7 大学硕：t r 谚f 究生学位论文第二章w d m 光网络中的波长转换技术 的可用波长数目却大大少于实际所需的数量。可用波长的缺乏使基于波长选路和交 叉连接的w d m 光网络的阻塞率大大提高。同时，当两个或多个波长信号在相同的路由上连 接时，就会造成波长竞争。如果没有波长变换器，若要在两节点之间建立光连接，则光路 上的所有连接必须采用同一个波长，这就是光网络的所谓“波长连续性”制约，这也是波 长路由网络和电路交换网络的根本差别。在电路交换网络中，仅当为呼叫安排的链路容量 都被占用时才会发生阻塞；而对于波长交换网络，却不是有了空闲的链路就一定能够建立 光通路( 因为各段空闲链路的波长不同) 。但如果引入波长变换，可以把波长由全局分配变 为本地分配和实现波长的再利用，从而有效解决光交叉连接中的波长竞争、动态路由选择 问题，以降低网络的阻塞率，最终提高w d m 网络的灵活性和可扩展性。 考虑图2 2 中无波长转换器的情况。图中建立了两条光路：节点1 和节点2 中使用波长 力2 ，节点2 和节点3 之间使用兄t 。现在假定要在节点1 和节点3 之间建立一条光路。如果这里 只有两个波长可以使用，那么节点1 到节点3 的连接是不能建立的，虽然在节点l 到节点3 的 路径中，每一条链路上都有一个波长可以使用。这是因为在这两条链路上可使用的波长不 同。因此，一个波长连续网络可能有更高的阻塞率。如果在网络中引入波长转换的话，很 容易消除波长连续性限制。使用波长转换的波长路由网络叫做波长可转换网络。在图2 2 中，有转换节点时，节点2 是一个波长转换节点，可以把波长五z 转换到波长旯- 。这样便 可以在节点1 和节点3 之间建立一条光路：在节点1 和节点2 之浏的链路上使用波长兄z ， 在节点2 和节点3 之间的链路上使用允一。注意在波长可转换网络中，一条光路在不同链路 上可以使用不同波长。因此，波长转换可以解决光路的波长冲突，从而提高网络的使用效 率。 n 。d c ln o d e 2n o d e 3 圭工 二兰 无波长转换 波长转换器 如 图2 2 波长路由网络中的波长连续性限制 2 2 2 波长转换器在w d m 光网中的应用 w d m 系统要求有很好的灵活性、可扩性和自愈性。随着单信道速率的提高，依靠电路 进行网络管理必然会使整个网络变得相当复杂以及运行成本的提高。而用波长转换器能实 8 学硕士研究生学位论文第二章w d m 光网络中的波长转换技术 现全光数字交叉连接( o d x c ) “6 | ，构成简单灵活的w d m 网络，有效减少w d m 网络中所需波 长的数量，从而放松对参与复用波长的精度要求。它能在网络的不同接点处重复使用某一 波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效率和整个网络的运行效率。如图2 3 所 示，同一波长可以在不同的子网中重复利用。w 是波长转换器构成的全光数字交叉连接器。 楚冀避拨孙 口够点a 图2 3w d m 系统中波长的重复利用 波长转换器的应用主要有：波长转换器重构网络、波长转换器构成路由器、波长转换 器实现中途谱反转、波长转换器构成空间开关等。 2 2 3 波长转换节点对网络性能的改善 网络的性能参数有很多，其中有一些比较重要的指标如网络的阻塞率，网络的负载能 力和波长利用率等等值得研究。w d m 光网络中四个重要的性能指标是：网络的平均阻塞率、 波长利用率、网络自愈能力和网络通信的公平性。本研究中，主要集中在波长转换节点对 全光网络阻塞概率的影响。 由于具有较长路径的两节点之间比具较短路径的两节点之间更容易产生通信阻塞。主 要原因是在一条长路径中，很难在所有的链路上找到一条有一个共同空闲波长信道的路 由，这样建立通信的概率大大降低。而引入波长转换节点，便可以在不同的链路上使用不 同的波长，从而降低网络的阻塞率。 2 3 波长转换的实现 理想的波长转换器应用到w d m 网络中具有各种调制方式的信号透明、高速的变换速率、 消光比无劣化等特性。但是就目前实际研究，所有波长转换的方法只能满足其中的几个要 求，这就是说对于特定的网路需要选择特定的波长转换器。 目前主要有以下三类技术可以实现波长转换n 力： 9 堕室些皇奎堂堡主塑壅生堂垡笙塞 蔓三童! 旦坚垄堕笙! 竺鲨篓整垫垫垄 1 ) 使用电光转换的方法，这是最为直观、简单并且实用的方法，光电型波长转换器( w c ) 可以将输入波长转换到任意输出波长上，我们称为具有任意转换能力的波长转换器为全范 围波长转换器( f u l lw a v e l e n g t hc o n v e r t e r s ，f w c ) 。但是这种方法对信号不透明，而e d f a 在光纤通信中的大量使用使得网络运营者迫切需要尽量保持光层的透明性，因而目前研究 热点集中在全光波长转换上。 2 ) 光阀( o p t i c a lg a t i n g ) 型波长转换，这类转换器利用了一些器件( 主要是半导体光放 大器s o a ) 的特性随输入信号的强度而改变的特点，当强度调制的信号光连同另一个波长上 的连续探测光一起射入到s o a 后，输出的探测光强度将跟随输入信号光的强度变化而变化， 但是这种波长转换只适用于强度调制的光信号，而且其工作速率不超过l o g p b s ，因而不具 有完全的透明性。 3 ) 基于四波混频效应的波长转换器，当信号光z 和探测光l 在非线性中介中传输时， 由于非线性作用将产生新的波长2 z 一和2 一丘，其强度正比于信号光强，其波长与信 号光波长成线性关系，并且包含了信号光的相位信息。这种w c 只能将输入波长转换到部 分输出波长上，转换到其他波长上造成的失真太大。只具有有限转换能力的w c 称为转换 范围受限的波长转换器( l i m it e d r a n g ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r sl w c ) 。 总的说来，实现全光的f w c 难度较大。有资料显示，在2 5 g b s 的全光网中不加波长 转换器会比加波长转换器的网络大概损失2 3 倍的容量。如果在2 1 的节点上加波长转换 可以减少一半的损失；如果在3 5 的节点上加波长转换可以减少7 5 的容量损失。实际上， 转换器的作用大小与w d m 光网络节点数、波长数、光路跳数以及业务量有密切关系。在以 后的章节我们将还可以看到，如果全部网路节点都配置了波长转换器，即虚波长通道，将 能大大地降低网络的阻塞率。但波长转换器的价格昂贵，在每个节点都使用波长转换器会 增加网络成本，作为介于f w c 和无波长转换之间的一种情况，l w c 部分消除了w c c 约束， 因而其性能介于两者之间，实现了既节约又充分的使用w c ，因此如何在部分网络节点中配 置波长转换器成为了一个备受关注的问题，这个即为后面章节将要讨论的转换器配置问 题。 2 4 本章小结 本章论述了w d m 技术及其发展前景；阐述了波长转换器在全光网中的应用及其对网络 性能的影响；概括了波长转换器主要类型。 l o ri警_le ；”k t 、1 1 flk卜一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章影响波长转换器配置方式的网络参数 第三章影响波长转换器配置方式的网络参数 波长转换在w d m 全光网中的潜在好处主要集中在两个方面：在固定的网络负载下降低 网络的拥塞率；在给定的网络拥塞率下，增加网络的负载n 嗍。研究表明，对于在w d m 光网 络中如何配置波长转换器以获得网络性能改善，很大程度上都依赖于w d m 全光网的一些指 标，包括：网络的拓扑结构和规模、链路上使用的波长数和网络负载、使用的路由和波长 分配算法以及所使用的网络阻塞率模型等。 3 1 网络拓扑结构及其数学表示 网络有二种实际含义：一是现实中的物理网络，其主要元素包括节点信号处理设备， 物理传输信道和其他辅助电气及机械设备；二是数学上的逻辑网络，其主要元素为从物理 网络中抽象出的一些表征网络性能的各种参数，如带宽、链路长度、节点流量等。下面主 要从研究逻辑网络拓扑的角度来说明网络模型中各个参数的表述。 3 1 1 网络拓扑形状与特点 通俗的说，拓扑就是网络的形状。物理拓扑表征网络节点的物理结构；逻辑拓扑表征 网络节点间业务的分布情况。大多数情况下两者是相近并且有紧密联系的。按照网络的物 理拓扑结构网络可分为总线形网络，环形网络，星形网络，树形网络，网孔形网络等咧。 各种网络拓扑结构都有着各自的特点。总线形网络常用于局域网的构建中；星形网络在 p o n ( 无源光纤接入技术) 中有广泛的应用；而树形网络( 如无源光网络) 是本地接入网中 的最佳方式。由于网孔形网络的高可靠性，目前一些网络规划常把主要的骨干网络做成分 布式的；而非主干网络则视具体环境做成其他几种形式的。 特别值得一提的是环形网络结构在光网络当中的应用口1 ，它可以通过区段保护或环回 倒换，在无须人为干预的情况下，在极短的时间内( 1 0 m s 量级) 从失效故障中自动恢复中 断的业务。比如基于传统s d h 传输方式的自愈环形网和采用o a d m 和o x c 设备组成的 w d m 光自愈环形网目前在城域网方面就占有重要的市场份额。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章影响波长转换器配置方式的网络参数 3 1 2 网络拓扑中的常用概念 下面说明一些网络中常用的概念。 节点：网络中产生、处理、转发或终结信息的地方。根据网络的层次规模可能为某设 备，某局或某些局的抽象。这样，节点可能具有各种不同层次，不同水平的功能。一般把 节点的功能抽象为处理信息的地方。 链路：网络中相邻两节点间的直接物理连接。链路根据物理介质分类有很多种，比如 光纤，电缆，大气等。一般把链路的功能抽象为节点间信息的传递，因此，链路上可能含 放大器等物理层设备。 路径：网络中两节点间若干相邻连续链路的集合。表示任意两节点间信息传递的通 路。需要指出的是，由于网络的连通性，节点间的可能路径往往不是唯一的，必须按问题 的要求选择合适的路径。 子路径：子路径的概念与波长转换相关。假设我们知道某个路径上的波长转换节点分 布状况：该路径上除去源( u a a t e ) 和端( d e s t i n a t i o n ) 节点外另有露个波长转换节点，将该 路径分成k + 1 个子路径。每个子路径最多含有两个波长转换节点，并且只可能分布在子路 径的首尾两节点上。 节点连通度：直接与该节点连通的节点数。 单跳网络：网络中不含有光信号转换设备，信号从信源到信宿无需光电变换进行中继， 就像一个光流一样穿过网络。 多跳网络：网络中含有光信号转换设备，信号在中间节点进行再生及波长变换，因此 信号必须经过多个节点的中继后方能到达信宿节点，类似于信号在多个网络节点间跳跃前 进。 3 1 3 网络拓扑的图论表示法 如果把网络的信息看作常见数据结构中的一张图，该图由两部分组成：一部分是顶点； 另一部分是顶点之间的逻辑连接，称之为边。通常，图的任意一对顶点间都允许有一条边。 图可用g = ( v ，e ) 来表示，每个图都包括一个顶点集合( 记为v ) 和一个边集合( 记为e ) ， 其中e 中每条边都是v 中某一对顶点的连接。顶点总数记为ivi ，边的总数记为iei 。边数 较少的图称为稀疏图，边数较多的图称为密集图，包括所有可能边的图称为完全图。 如果图中的边限定为一个顶点指向另一个顶点，则此图称为有向图。如果图中的边没 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章影响波长转换器配置方式的网络参数 有方向性，则称之为无向图。如果图中各顶点均带有标号，则称之