（通信与信息系统专业论文）wdm网络中波带疏导算法研究.pdf

摘要 随着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 ) 技术的快速发展，光电交叉连接 器的数目和尺寸( 端口) 持续增长，不但增加了交换节点的复杂度，而且大幅度提高 了节点成本以及相关的控制管理费用，阻碍了w d m 技术的进一步发展。从而对 w d m 光网络中的交换结构和业务疏导算法提出了更高的要求，多粒度光交换技术 因此应运而生。多粒度光交换技术的研究主要集中在多粒度光交叉连接结构和波 带业务疏导算法。 多粒度光交换技术可以减少d w d m 系统中波长交换平面的端口数量，但是传 统的多粒度光交换结构中波带交换平面与波长交换平面之间需要大量的交换端 口，使得多粒度光交换的结构比较复杂。为此，本文提出了一种新的多粒度光交 换结构。在新的结构中，波长交换平面与波带交换平面完全独立，从而可以有效 地简化多粒度光交换的结构并减少波长交换平面的端口数量。为了提高新结构中 波带利用率，本文也提出了与新结构相适应的业务疏导算法。仿真结果表明，算 法可以有效地降低业务阻塞率，提高网络性能。 此外本文对波带交换技术中同目的波带汇聚策略进行了优化，并且加入一种 新的业务预测思想，即基于a r m a 预测的同目的业务疏导策略。根据计算机仿真 结果表明，新业务疏导策略有效地提高了波带利用率，改善了同目的业务疏导策 略的性能。 关键词：多粒度光交换波带交换多粒度光交叉连接结构业务疏导算法 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw 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 ) t e c h n o l o g y ，t h eg r o w i n gn u m b e ro fo p t i c a l c r o s s - c o n n e c t sn o to n l yi n c r e a s e st h e c o m p l e x i t yo fs w i t c h i n gn o d e s ，b u ta l s os u b s t a n t i a l l yi n c r e a s e sc o n t r o lc o s t sa n dr e l a t e d a d m i n i s t r a t i v ec o s t so ft h en o d e ，t h e s eh i n d e rt h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to fw d m t e c h n o l o g y s oh i g h e rr e q u i r e m e n t s a r ep u tf o r w a r df o rs w i t c h i n ga r c h i t e c t u r ea n d t r a f f i cg r o o m i n gi nw d mo p t i c a ln e t w o r ka n dm u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g yc o m e s i n t o b e i n g r e s e a r c ho nt h i st e c h n o l o g yi sm a i n l y a b o u tt h e a r c h i t e c t u r eo fm u l t i g r a n u l a r i t yo x c ( m g - o x c ) a n dw a v e b a n dt r a f f i cg r o o m i n g a l g o r i t h m s m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n g c a l lr e d u c et h en u m b e ro fw a v e l e n g t h s w i t c h i n gp o r t sf o rd w d ms y s t e m s ，b u tw eh a v eo b s e r v e dt h a tt o om a n ys w i t c h i n g p o r t sb e t w e e nt h ew a v e b a n ds w i t c h i n gp l a n ea n dt h ew a v e l e n g t hs w i t c h i n gp l a n ea r e n e e d e di nt r a d i t i o n a lm g o x c ，w h i c ha d d sc o m p l e x i t yt os w i t c h i n ga r c h i t e c t u r e so f m g - o x c an e wm u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n ga r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e di nt h i s p a p e r i nt h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r e ，t h ew a v e l e n g t hs w i t c h i n gp l a n ea n dt h ew a v e b a n d s w i t c h i n gp l a n ea r ec o m p l e t e l yi n d e p e n d e n tf r o me a c ha n o t h e r , w h i c hs i m p l i f i e st h e s w i t c h i n ga r c h i t e c t u r ea n dr e d u c e ss w i t c h i n gp o r t so ft h ew a v e l e n g t hs w i t c h i n gp l a n e e f f i c i e n t l y t oi m p r o v et h ew a v e b a n du t i l i z a t i o n ，t r a f f i cg r o o m i n ga l g o r i t h m sf o rt h e p r o p o s e dn e wa r c h i t e c t u r e a r e p r e s e n t e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tp r e s e n t e d a l g o r i t h m sd e c r e a s et h et r a f f i cb l o c k i n gp o s s i b i l i t ye f f i c i e n t l y ，a n dh e n c ei m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k i na d d i t i o n ，b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no fs a m ee n dt r a f f i cc o n v e r g e n c es t r a t e g y , a n e ww a v e b a n dg r o o m i n ga l g o r i t h mb a s e do na l m ap r e d i c t i o ni sp r o p o s e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws t r a t e g i e sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ew a v e b a n d s u t i l i z a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo ft r a f f i cg r o o m i n gs t r a t e r y k e y w o r d s ： m u l t i - g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n g w a v e b a n d s w i t c h i n g m u l t i - - g r a n u l a r i t yo x c ( m g - - o x c ) t r a f f i cg r o o m i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1w d m 技术概述 随着人类社会信息化时代的不断发展，我们的学习、生活和工作方式每时每 刻都在发生着巨大的变化，信息的沟通和交流方式也日新月异。i n t e m e t 接入、电 子商务、多媒体应用、数字电视等新型数据业务不断涌现，使得网络业务量呈现 爆炸式增长，因此人们对通信网络的传输容量及交互性提出了更高的要求。此外， 像网络游戏、网络视频、多媒体通信以及网格计算等各种新型业务层出不穷，使 得对光通信网络的传输能力有了更苛刻的要求，这对传统的骨干光网络 s o n e t s d h ( s y n e h r o n o u so p t i e a ln e t w o r k s y n e h r o n o u sd i g i t a lh i e m r e h y ) 技术提出 了巨大的挑战，面对这个难题在光纤通信中产生了各种复用技术【l j 。 在这种背景下，先进的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 ) 波分复用技术 以其大容量、透明性、可重构性、易扩容性等明显特征而为世人瞩目，逐步得到 了广泛的认可和大力的发展。它在长途骨干网上己经基本取代了s d h 技术，成为 光通信网络中大容量传输系统的首选扩容方案1 2 儿3 1 。 1 1 1w d m 技术的发展状况 波分复用技术的最早使用是在美国，2 0 世纪8 0 年代建设的被称为“东北走廊” 的光缆干线工程就采用了w d m 技术。w d m 技术既可以用在光纤的某一波长窗口 内，也可用在不同的波长窗1 2 1 1 4 j 。而后直到2 0 世纪9 0 年代中期，w d m 技术的发 展并不为大部分人所重视，其发展速度十分缓慢，其主要原因是：t d m ( 时分复用) 技术的迅速发展以及w d m 技术中的关键器件的发展和研究并没有完全成熟。然 而从9 0 年代中期开始，w d m 技术迎来了全新的发展机遇：首先，掺饵放大器( e d f a ) 的发明及发展大大促进了w d m 技术的发展。其次，随着t d m 单信道系统的不断 扩容，其速率已经发展到了l o g b i t s 。这样一来电处理技术瓶颈就日渐明显，增加 了系统的复杂度和成本。此外，通信网络中一系列新型业务层出不穷，导致业务 量快速增长，从而无法满足用户对带宽的需求，也大大推动了w d m 技术高速、 全面地发展。正是由于以上原因使得w d m 技术在2 0 世纪9 0 年代中期开始得到 了迅猛的发展，世界各国在其骨干网建设中迅速部署并实施了一系列w d m 的建 设，其所建网络也多为一些点到点的光网络1 5 】。 从w d m 技术产生以来，其发展可分为三个阶段： ( 1 ) 第一代w d m 设备已经成为长途网的首选技术。这些相对简单的点对点系 统已经由o c 4 8 的几个波长迅速扩展到o c 1 9 2 的1 0 0 个以上波长的系统，提供 的总容量相当于每纤6 0 g b i 体。 ( 2 ) 第二代w d m 设备是准备为城域网的业务提供商提供d w d m 的容量。在 2 w d m 网络中波带疏导算法研究 城域网中引入小容量的d w d m 设备，可以如同在长途传输中一样有助于解决光纤 耗尽的问题。此外，当今第二代w d m 系统的网络结构能支持有保护的环形结构， 并且提供多种业务接口，如吉比特以太网、e s c o n 、f i c o n 、光纤通道和o c 3 到o c 4 8 的各种接口。 ( 3 ) 第三代w d m 网络提供可升级的、全光的、分布式的波长交换。同第二代 结构相比，第三代w d m 网络在成本、可扩容性和可管理性方面有了很大的改进。 而且第三代网络可以使业务提供商从新的有特色的服务中获取最大利润，同时降 低运营成本。此外，在城域网和局域网情形下，应用全光的波长交叉连接器( o x c ) 、 可动态配置的o a d m 、可调激光转发器以及可以动态控制光层的高级管理软件， 可以对环间互联和逻辑格形网进行优化设计1 5 j 。 随着d w d m 技术的日趋成熟，光网络的传输容量不断提升。正在建设中的 d w d m 系统将采用8 0 0 g b i t s 的速率，甚至在不远的未来升级到1 6 t b i t s ，这样才 能够满足业务传输对带宽和容量的要求1 6 】。然而，在传输能力提高的同时，网络节 点处理速度慢而且开销高导致高成本，又成为了光网络发展新的制约因素，也阻 碍着通信网络的高速发展。下一代光网络节点应该具有的t b i t 级处理能力，也对 节点的交换结构提出了更高更严格的要求。 1 1 2w d m 技术的原理及关键技术 w d m 技术是指：将两种或多种不同波长的光载波信号( 携带各种信息) 在发送 端经复用器( 亦称合波器) 汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的 技术；在接收端，经解复用器( 亦称分波器或称去复用器) 将各种波长的光载波分离， 然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号【j 7 1 。这种在同一根光纤中同时传输两个 或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。w d m 技术本质上是光域上的频分 复用f d m 技术。每个波长通路通过频域的分割实现，每个波长通路占用一段光纤 的带宽。w d m 系统采用的波长都是不同的，也就是特定标准波长，为了区别于 s d h 系统普通波长，有时又称为彩色光接口，而称普通光系统的光接口为“白色 光口 或“白光口 。 此外，通常来讲，将波长间隔小于等于8 n m 的w d m 系统称为密集波分复用 ( d w d m ) 系统，波长间隔小于5 0 n m 的w d m 系统称为粗波分复用( c w d m ) 系统， 而波长间隔大于等于5 0 n m 的w d m 系统称为宽波分复用( w w d m ) 系统。 w d m 的关键技术包括三个方面：合分波器、光放大器和光源器件。 合分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与 解复用。对它们的基本要求是：插入损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、 温度稳定性好、复用通路数多和具有较高的分辨率等。 第一章绪论 光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大，以解决w d m 系统的 超长距离传输问题。一般来讲，合分波器的插入损耗较大，大大减小了w d m 系 统的传输距离( 仅为三四十公里左右) ，满足不了实际需求。使用光放大器后，不仅 可使w d m 系统的传输距离达到常规要求，而且还可以实现超长距离传输，达到 6 4 0 k m 无电中继传输。因此对光放大器的要求是：有很高的增益、很宽的带宽和 较低的噪声系数等【5 】。目前在1 5 5 0n m 波长范围皆采用掺饵光纤放大器( e d f a ) ， 但是在1 3 1 0 n m 波长范围尚无实用化的光放大器，所以目前w d m 技术主要用于 1 5 5 0 n m 波长范围。最近半导体光放大器( s o a ) 技术已经比较成熟，这种放大器具 有高增益、低噪声等特点，并能够对1 3 1 0 n m 窗口的光信号进行放大，有望在近期 得到商用。 w d m 系统的超长距离传输对光源器件提出了非常苛刻的要求，光源器件必须 具有十分狭窄的谱宽和非常稳定的发射波长。光纤通信系统的传输距离可能会受 到系统损耗的限制，也可能会受到系统色散的限制，而在高速率传输的情况下， 往往是色散受限占主要地位。光放大器的使用只是解决了损耗受限的问题，而色 散受限的问题则需要选择谱宽极窄的半导体激光器来解决【_ 7 1 。实践证明，采用传统 的直接调制方式会使半导体激光器在高速率条件下工作时产生所谓啁啾声，它极 大地限制了系统的传输距离。要想实现超长距离传输，必须减小或避免啁啾声现 象，所以w d m 系统使用的光源器件必须放弃传统的直接调制方式而改用外调制 方法，即所谓外调制型光源。此外，i t u t 对w d m 系统的工作波长及其偏差( 频 偏) 作了严格的规定，如系统工作光波波长的偏差在士o 0 8 n m 范围，这就要求光源 器件的发光波长非常稳定，否则复用光通路的信号可能会串到相邻的光通路之中， 在解复用时会产生混乱。 1 2w d m 光网络中的多粒度交换技术 多粒度光交换技术的概念最早是在2 1 世纪初提出的。其核心思想是指：在 个光节点内可同时进行光纤交换、波带交换和波长交换这三种粒度的交换。多粒 度光交换技术可以在多个粒度交换结构的各个层面之间相互交换，在满足系统交 换容量的需求同时，对节点的交换结构进行了优化设计并且改进其性能。这样既 降低了交换结构的成本，又符合下一代光网络发展的趋势和未来光网络技术的应 用，是下一代光网络传输系统的关键技术。 纵观国内外的研究情况，多粒度光交换技术的研究热点集中在多粒度交换的 节点结构和波带交换的疏导策略两个方面。在节点结构方面，国内外的研究大多 关注节点内部结构的设计优化；而在业务疏导策略方面，研究重点放在成本和阻 塞率上，很少考虑到波带利用率问题。本文针对节点结构和业务疏导算法现有研 究的不足，提出了一种新的多粒度交换结构和与新结构相匹配的波带交换业务疏 4 w d m 网络中波带疏导算法研究 导算法。 1 2 ，1 波带交换技术的概念 随着波分复用( w d m ) 特别是密集波分复用( d w d m ) 技术从2 0 世纪9 0 年代中 期以来的高速发展，单光纤中可同时承载的信道数目与日俱增。然而，随之而来 的问题也日趋突出。例如核心骨干网交换能力有限的问题：假设一个普通o x c 节 点输入输出端口为1 5 个，每根光纤承载1 6 0 个波长，在o x c 内的交叉矩阵将需 要2 4 0 0 x2 4 0 0 个交换端口，而就目前的光开关技术而言难以实现。因此，在w d m 光网络中随着光电交叉连接器的数目和尺寸( 端口数) 的增长，不但使交换节点的复 杂度增加，更是大幅提高了节点的成本费用和相关的控制管理的费用。 根据统计，在传统波长光网络中，旁路业务占据整个骨干网业务的6 0 8 0 ， 如此巨大的业务量在传统o x c 节点都需要进行波长交换，不但增加了交换矩阵的 复杂度，更导致整个网络成本的浪费。另外，光网络传输能力的大幅度增长一方 面满足了互联网业务爆炸式发展对网络带宽的需求，但是同时也对网络节点的交 换能力提出了更高的要求。传输带宽的激增使得网络中节点的光交叉连接矩阵规 模( f l l j 交换端口数目) 迅速增加，造成节点交换成本和对节点的管理和控制难度也随 之增加。然而，传统的光网络一般采用基于纯波长粒度的单级交换结构。在不成 熟的技术水平制约下，无法设计制造出单粒度的大容量光交叉连接矩阵。因此， 只支持单粒度的光节点交叉连接结构规模有限，并且交换成本高，扩展能力差， 灵活性低，根本无法满足用户对大容量，高速度，灵活性高的光网络的传输要求。 在这个应用背景下，一种波带交换( w b s ) 技术得n - r 及其广泛的关注。 波带交换技术的基本思想就是把w d m 网络中具有相同特性的若干个波长组 合在一起形成一个波带，每个波带当做一个整体在多粒度交换节点使用波带级的 交叉连接端口进行波带级交换，无需再进行波长级的交换。这样使得大量波长业 务复用成一个波带在波带级交叉连接端口进行波带交换，从而减少了传统的波长 级交换，进而减小了波长级o x c 的交换端口数，因此大大降低了整个网络的交换 成本和控制的复杂性【8 。1 们。 1 2 2 波带交换的机制 w b s 的机制：根据光纤中波带数目是否可变可分为固定数目波带和可变数目 波带( 如图1 1 ) 。而可变数目波带有根据波带内波长的数目是否可变分为可变数目 的波长和固定数目的波长两类。同时，一个波带内的波长又可分为连续波长号波 长和可动态调整波长号波长( 如图1 2 ) 。假设1 个波带由5 个波长组成，由连续波 长号组成的波带为 ，五，如，五，五) ，在这个波带中的波长号是一组连续的号 码。由可动态调整波长号波长组成的波代为 ，五，丑， 。， ，) p ，在这个波带 内的波长号可以根据需要进行配置_ 引。 第一章绪论 图1 1 波带交换机制分类 图1 2 波带内波长分布分类 波长分组策略：w b s 波长分组策略是指根据一定的方式把具有相似的一系列 波长分为一组，复用成一个波带。通常所使用的波长策略有3 种：第1 种是端到 端的分组策略，即将具有相同的源和宿的波长业务作为一组；第2 种是终端分组 策略，即将在同一个源节点或者宿节点上下路的波长作为一组；第3 种是子通道 分组，即将从任何源到任何宿的具有相同子通道的业务分为一组i l l j i l 引。 1 3 本文主要内容安排 论文整体结构包括五章，其中： 第一章是绪论其内容首先介绍w d m 技术的发展、原理以及关键技术，然后 概述了多粒度光交换技术的产生背景和波带业务交换的基本知识。 第二章主要介绍了w d m 光网络中波带交换的业务汇聚策略、多粒度光交换 技术中波带路由的基本算法以及业务流量预测的相关知识。 第三章在研究现有的多粒度光交换节点结构的基础上，提出了一种新的能够 降低节点开销的多粒度光交换结构；并在此基础上，提出了一种适应新结构的全 向汇聚的业务疏导算法。 第四章在研究传统波带路由算法的基础上，提出了一种新的基于a r m a 预测 的波带业务疏导算法，并通过仿真验证该算法性能。 第五章对整篇论文进行知识总结并提出论文的不足以及需要进一步研究的方 6 w d m 网络中波带疏导算法研究 向。 第二章w d m 网络中的波带交换技术 7 第二章w d m 网络中的波带交换技术 2 1 多粒度光交换的概述 近年来，在急速增长的互联网i p 数据业务的强大推动下，光交换技术得到了 众多学者和研究机构的重视，得到了飞速的发展。随着d w d m ( 密集型光波复用) 技术的快速发展，一根光纤中复用的载波数量也越来越多，现在一根光纤中已经 可以复用几千路载波，而一根光缆中可以包含数百芯光纤。因此一根光缆中包含 的载波数量可以达到几十万。传统的光交换大都是基于波长的交换，因此要对一 根光缆中的载波进行交换，需要数量巨大的交换端口，这就会导致交换设备成本 高、管理控制复杂。为了减少光交叉连接器的端口数、控制复杂性和连接费用， 人们提出了多粒度光交换这个概念。 2 1 1 多粒度光交换技术 多粒度光交换技术其基本思想是指在某一光节点内可以同时进行光纤、波带 和波长三种粒度的交换，所以称为多粒度交换1 9 】。一根光纤包含若干波带，一个 波带由若干波长组合构成，波带中包含的波长数称为波带的粒度。传统的交换系 统中，交换结构只支持纯波长级的波长交换，而多粒度交换技术则把现有交换结 构扩展到波带交换和波长交换并存的多粒度交换，这样一来必然会大大减少交换 端口的数量。而多粒度光交叉连接结构是多粒度光交换的核心器件，通过在光纤、 波带和波长三个粒度之间进行有选择的分层交换，大大简化了光节点的交换结构， 使得端口数减少，并且缩减了设备规模，使得整个网络的交换成本显著降低【1 引。 在多粒度光交换中，多粒度光交叉连接器可通过增加波带交换方式来减少波 长级交叉连接器的数目，从而节省交叉连接器的成本开销。对于一些无需经过波 长级交换的业务，可以直接通过较大粒度进行交换传输，这样不仅降低了节点的 交换复杂度，同时实现了多粒度层面之间灵活的交换。 2 1 2 多粒度光交换的研究现状 在技术和市场的双重驱动下，多粒度交换技术以其独有的优势正逐步成为光 通信领域的热点。由于多粒度交换网络巨大的市场潜力及多个标准化组织的先期 工作，国际上许多通信设备制造商相继投入力量开发此类产品【l4 1 。比如，朗讯公 司作为多粒度交换技术积极倡导者之一推出了智能全光交换机l a m b d a r o u t e r ，基 于m i c r o s t a r3 dm e m s 技术，实现了多粒度的光交换，能够随时动态地提供服务 和波长管理功能；c i e n a 公司的m e t r o d i r e c t o r 和c o r e d i r e c t o r 智能交换机，分别 用于城域网和长途骨干网，这种交换遵循o i f 的u n l l 0 和i e t f 的g m p l s r s v p t e 标准，支持从t d ms t s 1 到波长级的多粒度上的交换；加拿大a c c e l i g h t 8 w d m 网络中波带疏导算法研究 网络公司以及日本的n t t 公司在s u p p e r c o m m 上推出的太比特g m p l s 光交换机， 支持来自租用线、光波长、s o n e t 环的信号的优先级划分和交换；在多粒度光交 叉连接设备方面，阿尔卡特公司也研制出能够支持波长、波带以及光纤级交换的 交叉连接结构，这种交叉连接设备的样机已经在丹麦、比利时和法国的实际网络 中得到应用。 在国内，多所著名高校以及大型通信公司也正在从事多粒度交换光网络设备 的跟踪研究与开发工作。北京大学提出了一种基于标签的多粒度光交换机结构， 由多粒度光交换模块、电的控制器以及信令代理组成，可以实现l x l 的光纤交换， p x ( l 1 ) 个波带或波长的交换以及n x ( l 1 ) 个波长的交换，还可以实现若干波带及 波长上下路。上海交通大学研究了种多粒度混合光网络的自动交换控制方法， 采用多个接口交换能力描述符表示链路的多粒度疏导能力，各结点的链路状态使 用路由协议通告【l 制。 此外，由于多粒度交换技术的前赡特性，国内外的理论研究也在多方面展开， 主要围绕多粒度交换的节点结构和基于交换结构的业务疏导算法展开研究。 爹墓忑 第二章w d m 网络中的波带交换技术 9 点均为d l ，那么t 1 和t 2 可以绑定到波带通道b 1 进行业务传输) 。 _ 岛 波长通道( w 2 ) ( 2 ) 同源一不同目的( s s d d ) ：把具有相同的源而目的不同的业务绑定到相同的 波带通道中。如图2 2 所示( 业务请求t 1 的源节点为s 2 ，目的节点为a 2 ，业务请 求t 2 的源节点为s 2 ，目的节点为d 2 ，t 1 和t 2 具有相同的源节点，那么在路径 s 2 a 2 ，可以把t l 和t 2 绑定到波带通道b 2 进行传输) 。 d 一已z i l 图2 3d s s d 示意图 ( 3 ) 不同源- 同目的( d s s d ) ：把具有相同的目的而源不同的业务绑定相同的波 带通道中。如图2 3 所示( 业务请求t 1 的源节点为a 3 ，目的节点为d 3 ，业务请求 t 2 的源节点为s 3 ，目的节点为d 3 ，t 1 和t 2 具有相同的目的节点，那么在路径 a 3 一d 3 ，可以把t l 和t 2 绑定到波带b 3 进行传输) 。 7 波长通道( w 4 )波带通道( b 4 ) 图2 4d s d d 示意图 ( 4 ) 不同源不同目的( d s d d ) ：也叫做子路径组合，即把具有相同的子路径的 业务分为一组，绑定到同一条波带通道中。如图2 4 所示( 业务请求t 1 的源节点为 a 4 ，目的节点为b 4 ，业务请求t 2 的源节点为s 4 ，目的节点为d 4 ，那么在路径 a 4 b 4 段，可以把t l 和t 2 绑定在波带通道b 4 中进行传输) 。 在上述四种组合策略中，前三种波带成组策略建立的波带通道实现比较容易， 算法复杂度很小，但是并不是最优化的。只有当光通道能组合成较长的波带通道 时，这些组合策略节约的端口数才会大大减少，其优势才能体现出来。第四种 d s d d 策略实际上包含了前三种策略中通道的组合方式，它是最有效的，因为它 更具有灵活性，并且可实现资源的最优化，能够体现w b s 的最大优势，但同时它 也是复杂度最高的的一种算法策略。 1 0 w d m 网络中波带疏导算法研究 2 3 波带交换网络中的路由和波长分配算法 由于m g o x c 引入多粒度的多层交换功能，因此它比传统波长交换网络采用 的波长分配和路由选择( r w a ) 算法有所不同。在m g o x c 中主要研究波带交换、 业务疏导及减少交换端口数等问题，而在传统波长交换网络中的研究通常以减小 总的波长跳数或波长数为目标。因此采用传统的波长交换网络的算法已经不能满 足多粒度交换的性能需要，为了达到减少o x c 数目并降低阻塞率的目标，我们需 要研究适合于多粒度交换结构的波带交换( b r 、) 业务疏导算法【l l l 【1 2 1 。 2 3 1 波带交换中的波长分配算法 当波带路由选定以后，波带交换的业务疏导算法中同样需要波长分配算法， 需要运用波长分配算法在选定的路由上的波带内进行波长分配。常见的波长分配 算法有以下几种：随机波长分配法( r a n d o m ) 1 ”】、波长预留算法( r s v ：w a v e l e n g t h r e s e r v a t i o n ) 1 16 1 、保护门限算法( t h r ：p r o t e c t i o nt h r e s h o l d ) 1 16 1 、f i r s t f i t 法( f f ) 1 1 7 】【1 8 】、 l e a s t u s e d 法( l u ) 、m o s t u s e d 法( m u ) 、m o s t p r o d u c t 法( m p ) 、l e a s t - l o e d e d 法( l l ) 、 最大空闲容- 瞅( m a x s u l n ) 1 1 9 】等。 下面着重介绍本文应用的的首次命中( f i r s t f i t ) 波长分配算法。 在传统波长交换网络中，f f 基本思想是：首先把所有的波长从低到高进行编 号。当有新的业务请求到达时，开始搜寻可用的波长。首先寻找编号比较低的波 长，按照序号从低到高的顺序查找。通过这种方式，查找到最先可用的波长便可 以选中进行光路建立，承载业务请求。 新请求 图2 5f f 波长分配算法 而在多粒度交换网络中的波带交换中，也是先为波带中的波长从低到高进行 编号。例如图2 5 中各链路中波带b 0 存在波长九一五，当节点1 有到节点7 的新 的业务建立请求时，那么就在波带b 0 中把波长从小到大进行编号，并按顺序查找 当发现为波长厶空闲时，将选取厶建立路由；如果查找发现矗已被占用，那么将 选取丑建立路由，依此类推。 第二章w d m 网络中的波带交换技术 2 3 2 波带交换算法的研究现状 自从波带交换( w b s ) 的概念提出以来，提出了不同的m g o x c 结构以及相应 的波带交换业务疏导算法。 k h a r a d a 比较早的研究了波带交换的问题，他在o f c 9 9 上提出讨论了实现 波带交换的两层交换的网络节点结构，他还对波带的组成问题进行了研究1 2 0 】。r a o l i n g a m p a l l i e t a l 在o f c 2 0 0 2 中采用了s i n g l e l a y e rm g o x c 的结构作为波带疏导 问题研究的网络节点结构模型，并提出了一种基于静态的业务矩阵的波长和波带 的疏导算法。e m e s t oc i a r a m e l l a 研究了使用波带交换降低网络节点复杂度的问题 1 2 。作者设想通过采用波带交换的方式减少o p t i c a lg a t e 和f i l t e r 的使用数量，同 时降低网络节点结构的复杂度和成本。通过仿真分析验证了这一想法。r a u f l z m a i l o v 在i n f o c o m 2 0 0 3 上首次研究了h y b r i do p t i c a ln e t w o r k s 中基于n o n u n i f o r m w a v e b a n dh i e r a r c h y 的波带疏导问题，提出了多种启发式算法分别对环网和网格网 两种网络拓扑进行了仿真计算，结果表明采用n o n u n i f o r m 的波带分配方式比采 用u n i f o r m 的波带分配方式能提供更高的网络流量而且节约更多的网络成本1 2 2 1 。 l n o i r i e 和j f a u r e 研究了在大容量的网络q b ( 1 0 0 t b s 、4 0 0 t b s 甚至1 p b s ) 采用端 到端光路的路由策略的情况下使用波带疏导带来的网络端口数目的节省【2 3 1 。 x i a o j u nc 研究了多纤全光网络中的波带交换问题【1 1 1 ，主要研究了w a v e b a n d o b l i v i o u so p t i m a lr w a 问题，研究表明在多纤网络中，使用波带交换方法可以获 得很好的网络性能，可以比传统的波长交换方法节省近7 0 的端口资源。s y a o 在 o f c 2 0 0 3 上也给出了一种t h r e e l a y e rm g o x c 节点结构图，总结了几种典型的 波带路径选择方法。p i n h a nh o 在文献【2 4 】中也提出了一种可以完全实现光纤、波 带、波长交换的t h r e e l a y e rm g o x c 网络节点结构，并提出了两种解决r w a 问 题的路由分配算法，在网络运行时将两种算法混合使用可以得到很好的性能。在 文献【2 5 】中，作者针对同目的节点光路组成波带的策略，提出了一种i l p 模型解决 多粒度交换的问题，仿真结果显示波带交换将大大节省网络光交叉连接器的需求， 从而减少了o x c 的交换复杂度。 由于本文提出的波带交换算法是基于动态业务情形，所以接下来着重介绍动 态业务疏导算法。 在文献【2 6 】中提出一种有效的适用动态业务的启发式算法m a x i m u m i n t e r f e r e n c el e n g t hi n b a n d ( m i l b ) ，将网络按不同的波带分层，并优先选择与已建波 长通道能组成更长波带的路径。 m i l b 算法首先建立个网络辅助图，辅助图中的各个节点表示为网络拓扑中 的各个节点；然后根据已经建立的波带路径建立波带辅助图模型，将建立好的波 带在辅助图中表示出来。如图2 7 所示，图中的品，s 等表示的是网络实际拓扑中的 节点，节点间的链路对应的是实际网络中节点间存在的波带。 1 2 w d m 网络中波带疏导算法研究 假设m g o x c 中没有波长转换功能，当新的业务请求到达时，在波带平面选 择k 条最短路径，确定第i 条路径的权值( i 条路径中至少有一个空闲波长) ，用g 表示权值。令纠为重叠长度，即波带b 中新建波长通道和所有己建波长通道有交 集的链路数。选择权值最大路径来传送新业务请求，如图2 7 所示，假设从节点 到节点s 7 有o ：s o 一而一s 2 寸s 3 8 7 和： g o s 4 一岛一s 6 岛两条路径，有两条 波带路径6 0 和6 1 ，每个波带中有两个波长，波带6 0 从节点s ：到屯已有链路，波带包 从节点毛到s ，已有链路，业务请求新建的链路是从到曲，如图可见，波带6 0 和 新建链路的公共链路有一条，而新建链路和波带6 1 的公共链路是三条，所以破= l ， 而鳓= 3 ，所以选择波带反中的波长来为新业务请求建立路径。其核心思想是：尽 可能地让新业务使用已有波带，并且使得新业务的路径和已有波带的路径有尽量 多的重叠，从而提高已有波带的利用率。 一一，7 ( a ) 已存在路由 新请求 【b ) 图2 7m i l b 算法 采用m i l b 算法，网络资源被充分地利用。所以采用m i l b 算法，网络阻塞 率比f f 算法的网络阻塞率都低得多。并且在相同情况下，采用m i l b 算法需要 的交换端口数少，这样一来可以减小网络开销并且能够有效地改善网络性能。 利用辅助图是一种解决r w a 问题的很有效方法。在文献【2 7 】中，提出了一种 适合波带交换网络的辅助图模型，根据两层m g o x c ( 不包含f x c 层) 结构将网络 分层，如图2 8 所示，两个m g o x c 节点a 和b 之间有一条双向光纤链路，不同 的节点间与不同层都有辅助线连接。w i n 、b i n 分别表示w x c 层和b x c 层入口， w o u t 、b o u t 分别表示w x c 层和b x c 层出口，从a d d 上路业务，从d r o p 下路业 务。 第二章w d m 网络中的波带交换技术 图2 8 w b s 网络辅助图 在这个辅助图中一根光纤中可以同时承载波长和波带业务，一条端到端的波 长通道连接可以经过波长路由、波带路由或波长波带混合路由三种方式建立，即 业务请求可以通过波带交换和波长交换并存的方式进行传输。例如从a 到b 的波 长路由：a d d ( a ) w i n ( a ) w o u t ( a ) - w i n ( b ) 一w o u t ( b ) 一d r o p ( b ) ；从a 到b 的波带路由： a d d ( a ) b i n ( a ) - b o u t ( a ) - b i n ( b ) 一b o u t ( b ) 一d r o p ( b ) 。 文献【2 7 】借助辅助图提出了两种不同策略的启发式算法：波长优先和波带优先 策略，仿真结果显示波长优先策略阻塞率更低，性能更好。 除了以上介绍的波带路由算法以外，还有一些波带路由算法1 2 ，都从各个不 同的角度考虑了波带路由的建立与资源分配的问题，但是它们都是为了相同的目 的：减少光交换矩阵的端口数、减少开销、降低网络的阻塞率和提高网络性能， 尽可能地提供更加优化的波带交换业务疏导算法。 2 4 业务流量预测的方法 网络流量模型是理解和预测网络行为、分析和评价网络性能、设计网络结构 的基础。在通信网络技术发展的3 0 多年里，关于网络流量建模及预测的研究一直 受到人们的关注。只有基于网络特性的建模方法才能准确描述网络行为的多个特 性。网络中的流量模型可以分为平稳的和非平稳的两种，平稳流量模型又分为两 类：短相关和长相关。短相关模型包括马尔可夫过程和自回归模型( a r ) ，自回归 滑动平均模型( a r m a ) ，以及自同归求和滑动平均模型( a r i m a ) 等传统模型，长相 关模型则包括分数自回归滑动求和平均模型( f a r i m a ) ，分形布朗运动( f b m ) 等自 相似模型。而非平稳模型包括神经网络模型、混沌模型等。 由于本文后面章节采用的是自回归移动平均模型，所以本小节着重介绍该预 测模型。 a r m a 模型( a u t o r e g r e s s i v ea n dm o v i n ga v e r a g em o d e l ) 是研究时间序列的重 要方法，由自回归模型( 简称a r 模型) 与滑动平均模型( 简称m a 模型) 为基础“混合” 1 4 w d m 网络中波带疏导算法研究 构成1 2 8 】。自回归移动平均模型，即a r m a 模型，该模型描述的系统在时刻t 的响 应x 不仅与其以前时刻的自身值有关，而且还与其以前时刻进入系统的扰动存在 一定的依存关系。要拟合这样的系统，也即将相关序列转换为独立序列，不仅要 消除x ，依赖于t 时刻以前的自身部分，而且还必须消除置依赖于t 时刻以前进入 系统的扰动的部分。 a r m a ( 2 ，1 ) 模型可以表示为： 工= 死置一t + 欢五一2 + q 一岛臼f 一- 式( 2 1 ) 由上式看出，a r m a ( 2 ，1 ) 模型把五分解成了独立的四个部分，其结构概括 地讲是由一个a r ( 2 ) 和一个m a 0 ) 两部分构成。相关序列五的独立化过程，就是 从置中消除置对五- l ，五一：以t a a , ，q 一，的依赖，是相关序列五转化成为独立序 列口，的过程。独立化过程表示为： a t = 五一磊五一l 一欢五一2 + 岛口f 一， k ( 2 2 1 a r m a ( p ，q ) 模型可以表示为： x = 破置一l + 欢五一2 + + 砟五一，+ 口r 一岛口，一- 一岛q 一2 一一岛q 一， 式( 2 3 ) 将公式变换一下，可以得n - 五一磊工一- 一晚五一z 一一力工一，2 口f 日口f 一一岛口，一z 一一岛口r 一一 式( 2 4 ) 在这里我们可以引入后向算子b ，它的运算有b x , = 王_ l ，b 2 葺= 五一：以此类 推，。那么上式可以变换为： ( 1 一磊b 一欢曰2 一一砟b p ) k = ( 1 一q b 一岛b 2 一一纬丑，) 口 式( 2 5 ) 再令后向算子b 的多项式 ( 1 一磊b 一晚一一以) = ( b ) 式( 2 6 ) ( 1 一q 曰一岛炉一一巳b ，) = o ( b ) 式( 2 7 ) 从而公式可以写为