（通信与信息系统专业论文）wdm光传送网保护设计的研究.pdf

电子科拄大学博士论文 摘要 进入九十年代以来，随着网络技术的发展以及新的l a t c - n c t 应用的出现，全 球i n t e a n e t 业务呈现出一种爆炸式增长的趋势由此对传输网络的带宽要求越来 越高。有些传统的球骨干网是基于s o n e t ( s d h l 的i p a t m s o n e t 网络。 s o n e t ( s d i - i ) 目前常用的传输速率为2 ，5 g b i t sf o c - 4 8 通道) 和1 0 g b i t s ( o c - 1 9 2 通道) ，由于电领域的技术限制，进一步提高s o n e t ( s d m 的传输速率已 非常困难，然而一根光纤可提供的理论传输带宽约为5 0 t h z ，可见光纤的容量 还远远没有得到充分的利用。波分复用技术( 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 w d m ) 允许在一根光纤中同时传输若干路不同波长的光信号，是目前充分利用 光纤容量的方法中摄具吸引力的一种。利用w d m 传输技术和波长路由选择在 物理嗣络上构架光层( o p t i c a ll a y e r ) 或虚拓扑层，对高层( 例如坤层) 提供大容 量且结构灵活可变的传输通道，将成为未来1 1 1 t e m e t 骨干网的核心传输方式，本 文主要研究和w d m 光传送网生存性有关的问题，主要集中在以下几个方面： 抗毁w d m 网络中的基于优先级的波长分配算法，网状w d m 网络的抗毁设 计，不考虑波长连续性限制时w d m 网络的保护设计，以及考虑波长连续性限 制时w d m 网络的保护设计和波长转换器的合理放置。 第二章研究了抗毁w d m 光传送网络中支持多优先级的波长分配算法。i 本 章首先说明如何在动态业务下为每一光路请求提供可靠的连接，然后提出了两 种基于优先级的波长分配方法。首次研究了动态业务环境中，在考虑网络生存 性的前提下，基于优先级的波长分配算法的性能，并分析了业务量负载，单光 纤链路中的可用波长数和每条链路包含的光纤数对嗣络性能的影响。少， 第三章研究了网状多光纤w d m 网络的抗毁设计和性能分析首先针对新 的优化目标，建立整数线性规划( 1 l p ) 模型，对多光纤网状w d m 网络进行抗 毁设计，使用的保护策略包括共享通道保护和共享链路保护。然后以类 c e r n e t 网为例，给出求解结果并研究了不同保护策略的特点和波长转换对目 标函数值的影响。最后用仿真的方法研究了动态业务并提供可靠连接的情况 下，波长转换对连接请求阻塞率性能的影响。 第四章针对虚拓扑设计问题中的子问题2 一如何在物理网络上合理放置光 路以避免可能出现的失效扩散进行了深入研究。本文作者提出的v t m p d 算法 弥补了已有文献中的保护设计算法的不足，计算结果表明在负载均衡、实用性 方面都有明显提高。 【目前具各全波长转换能力的波长路由节点仍然相当昂贵，所以实际应用中 为所有网络节点装配垒波长转换器的作法尚不现实。困此有必要研究网络节点 无波长转换能力和只有部分节点具有波长转换能力情况下的保护设计问题第 五章首先针对过去已有文献在保护设计时没有考虑波长连续性限制的不足，给 出一种全新的保护设计算法。这种基于分层图的用于保护设计的虚拓扑映射算 i i i 捕要 法除了以保护设计为目标外，将同时处理为光路寻找路由和为光路分配波长两 个子问题，并尽量均衡物理链路的负载和严格遵守链路的容量限制。然后作者 又在这一算法的基础上提出了一种有效放置波长转换嚣的算法，只使用少量的 波长转换器就能获得与不考虑波长连续性限制时相近或相同的性能。这种保护 设计算法更加灵活和经济，实用性也更强) f 作者在对本文提出和研究的各种算法进行性能测试和比较时，主要使用了 三类方法：( 1 ) 离散事件系统的计算机仿真。主要针对动态业务下的各种选路和 波长分配算法的研究，用于本文第二章和第三章。( 2 ) 使用整数线性规划法建立 网络模型然后使用数学软件包求解此模型，用于本文第三章。( 3 ) 编写专用的 启发式算法解决复杂的网络设计问题，用于本文第四章和第五章。本文将在第 六章详细介绍作者进行的仿真和计算工作给出本文提出的各种算法的伪码。 第七章分析了当前w d m 网络研究领域的一些趋势指出了一些熟点问题。最 后是全文总结， j ( 关键词渡分复用光传送网选善 融波长分配算法，生存性。保护设计 i v 电子科技大学博士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e sa n dn e w s f , r v i c c so fi n t e m e t , t h e r ei sm e x p l o s i v eg r o w t ht r e n do fi n t e r n e tt r a f f ；c w k i c hn e e d st r e m e o d o n s c 咖r kb 跚】d w i d t hs o m e t r a d i t i o n a l 工pb a c k b o n en e t w o r k sa r ei p a t m s o n e ta r o h i t e c t a r e c u r r e n tl m s p o r tr a t eo f s o n e to rs d hi sm o s f l y2 5 g b sa n dl o g b s i ti sd i f f i c u l tt oi n c r e a s e 啪丑s p 础t a t eo f s o n e t f 1 1 1 也e rb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fe l e c m m i cd o m a i n a sw ek n o w , as i n g l ef i b e rc a ns u p p o r t m o r et h a n5 0 t f i zl o w c r - i n s sb a n d w i d t hi nt h e o r y t h e i rb a n d w i d t hi ss t i l la n d e r a t f l z e d 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 ( w d m 、i sap r o m i s i n ga p p r o a c ht h a tc a ol i s e t h ee n o r m o u s b a n d w i d t ho ft h e o p t i c a l f i b e r a s i n g l e f i b e rc a nb ee m p l o y e df o rm u l t i p l ed a t as t r e a m s s i m u l t a n e o u s l y a l l - o p t i c a ln e t w o r k se m p l o y i n g t h ec o n c e p to fw d ma n dw a v e l e n g t hr o u t i n go r e c o n s i d e r e da st h et r a n s p o r tn e t w o r k sf o rt h ef h 咖i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ec o n s i d e rf o 1 0 w i n g p r o b l e m s ：p r i o r i t y - b a s e dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h mi nn ：s t o m b l ew d m t r a n s p o r tn e t w o r k s ， d e s i g no f r e s i l i e n tw d m m e s hn e t w o r k s ，d e s i g np r o t e c t i o nf o rw d mn e t w o r k sw i t h o u ta n dw i t h c o n s i d e r i n g w a v e l e n g t hc o n t i n u i t yc o n s 订a i n t , e f f i c i e n t p l a c e m e n t o f w a v e l e n g t h c o n v e r t e r s w d mn e t w o r kw i l lp l a yi m p o r t a n tr o l e i nf u t u r eb a c k b o n en e t w o r k s i ti sn e c e s s a r yt h a t w d mn e t w o r k sh a v et h ec a p a b i l i t ya g a i n s tc o m p o n e n tf a l l u r oa n ds u p p o r tm u l t i - p r i o r i t y t w o p r i o r i t y - b a s e dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n tm e t h o d s ，w a v e l e n g t hn u m b e rm e t h o ds o da s s i g n m e n t q u o t am e t h o d , a c ep r o p o s e di nc h a p t e r2 w es t u d yn e t w o r kp e r f o r l n a i l c ew h e n t h e s ew a v e l e n g t h a s s i g n m e n tm e t h o d sa r eu s e df o rs u r v i v a b l ew d m n e t w o r ki nd y n a m i cl a a f f i cp a t t e r n , c o n t e n t s i n c l u d ei n f l u e n c e so nb l o c k i n gp r o b a b i l i t yf r o m 岫i m cl o a d t o t a ln u m b e r o f a v a i l a b l ew a v e l e n g t h s p e r l i u k , a n d t h e n u m b e r o f f i b e r s p e r l i n k i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ( i l p ) m e t h o df o rd e s i g n i n gr e s i l i e n tw d m m a s hn e t w o r k si s g i v e ni nc h a p t e r3 t w ot y p e so fp r o t e c t i o ns i r a t e g i e s ，s h a r e d - p a t hp r o m o t i o na n ds h a r e d - l i n k p r o t e c t i o n , a r ou s e d t h eo p t i m i z a t i o no b j e c f i v e i st om i n i m i z et h et o t a lf i b e rl e n g t hn e e d e d c e r n e ti su s e da sa ne x a m p l e b ys o l v i n gi l pm o d e l s ，t h ef e a t o r c so fd i f f e r e n tp r o t e c t i o n s t r a t e g i e sa r ea n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fw a v e l e n g t hc o n v e r s i o no n t h eo p t i m i z a t i o no b j - t i v ei s a l s oi n v e s t i g a t e d i nn e t w o r ka r c h i t e c t u r eu s i n go v e r l a ym o d e , i n t e r n a ld e p e n d e n c eo fl i g h t p a t h ac o u l dl e a dt o t h ec r i t i c a ls t a t u st h a tt h ef a i l u r eo fap h y s i c a lt i b e rl e a v e st h ev i r t u a lt o p o l o g yu n c o n n e c t e d t h i s m a ym a k et h er e s t o r a t i o no f s e r v i c eb yt h eh i d e rl e v e ln e t w o r k su s i n gt h ew d m n e t w o r k ( s u c h v b 耕限a c t s d h a t mo ri p ) i m p o s s i b l e i ti sn e c e s s a r yt oa v o i dt h ea b o v ec a s e sw h i l ee m b e d d i n gv i r t u a l t o p o l o g yi n t op h y s i c a lt o p o l o g y v t m p da l g o d t h mp r o p o s e di nc h a p t v r4a i m s a t d e s i g n p r o t e c f i o n , c o n s i d e r i n gl o a db a l a n c ea n dc a p a c 畸c o n s t r a i n to f p h y s i c a ll i n k ss i m u l t a n e o u s l y w e a l s oc o m p a r et h ep e r f o r n m n c eo f v t m p dw i t ht h ee x i s t e n td a p a l g o r i t h n lt h e n u m e r i c a lr e s u l t s s h o wt h a tv t m p d a l g o r i t h i ni sb e t t e rt h a n d a p a l g o r i t h m d a p a l g o r i t h ma l w a y sa s s i l m t h a t a l ln e t w o r kn o d e sh a v e f u l l - r a n g ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n p a b n 崎h o w 口c c r , f u r l r a n g ec o d v c i 时 s 口es t i l le x p e n s i v e an e w h e u r i s t i ca l g o r i t h m c a g e d v i r t u a lt o p o l o g ym a p p i n gf o rd e s i g np r o l e c f i o nb a s e do i ll a y e r e dg r a p h ( l gv t m d p ) ，u s e di n d e s i g np r o t e c t i o nf o rw d m o p t i c a ln e t w o r k si sp r o p o s e di nc h a p t 日5 t h ea l g o r i t h mc o n s i d e r s t w o p r o b l e m so f r 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 ts i m u l t a n e o u s l y l o a d b a l a n c i n g mc a p a c i t y c o n s t r a i n t so f p h y s i c a ll i n k sma l s oc o n s i d e r e d t h el g _ v td p a l g o r i t h mi ss h o w n t op e r f o r m b e t t e rt h a nt h ec o m b i n a t i o no f t h ed a p a l g o r i t h m a n de x i s t e n tw a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m s b a s e d0 1 1t h er e s u l to ft h el g _ v t m pa l g o r i t h m a ne f f i c i e n tw a v e l e 口i g 凼c o n v e r t e rp l a o e m e n t ( w c p ) a l g o r i t h m i sp r e s e n t e d “b s c q u c n t l y w eh a v e u s e dt h r e em e t h o d st oe v a l u a t ea nt h ea l g o r i t h m sm e n t i o n e di nt h i sd i s s e r t a t i o r b t h e m a i n6 1 o ft h e s em e t h o da n dp s e u d oc o d e so f t h ea l g o r i t h m sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r e g i v e ni nc h a p t e r 6 k e y w o r d sw d mo p x i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k , r o u t i n g a n da s s i g r a n e mo f w a v e l e n g t h ，s u r v i v a b i l i t y d e s i g np r o t e c t i o n v i 电子科技大学博士论文 第一章绪论 1 1w d m 光传送网概述 1 1 1w d m 光传送网出现的历史背景 全球网络用户的大量增长和丈容量业务的发展使得带宽需求量成线性增长， 如何有效地增加骨干网的传输能力成为众多i n t e m e t 服务提供商( l , a t e m e ts e r v i c e p r o v i d e r , i s p ) 必须面对的重要问题。虽然目前的骨干网多数已使用光纤链路来 传输数据，但是传统的s d i ，s o n e t ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u s o p t i c a ln e t w o r k ) 技术只能阻特定的传输速率( 如2 5 g b i t s ) 在光纤中的单个波长 通道上传输数据。单纯依靠增加单波长传输速率的方法，例如使用更高速的时分 复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , t d m ) 技术，将碰到诸如因传输速率逼近电层 处理极限而使设备成本迅速增加等问题波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l 邱l e x i n g ，w d m ) 技术可以充分利用光纤的低损耗带宽，在一根光纤中的不同 波长上异步、高速传输多种格式的信号。使用光分插复用器( o p t i c a la d d d r o p m u r i p l c x e r , o a d m ) 和光交叉连接( o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t , o x c ) 的w d m 光传 送网将逐渐在骨干网中占据主导地位曲“。q o 晰。肺。9 “翩m 9 “。 w d m 首先是作为一种传输技术提出的，它可以充分利用光纤的巨大带宽资 源( 多于5 0 t h z 的理论可用带宽【”“印，使一根光纤的传输容量比单波长传输 时的容量增加几倍、几十倍甚至几百倍。光纤链路中的波长通道对它承载数据的 格式是透明的即与承载信号的速率和电调制方式无关因此可以在一根光纤中 的不同波长上同时传输不同协议的数据( 包括模拟信号) ，这也是w d m 网络最 重要的特性之一，通常称为光透明性( o p t i c a l t r a n s p a r e n c y ) 在网络扩充和发展 中，w d m 技术是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务的方便途径，印通过增 加波长就可以引入新业务或新容量蹄m j 。 耳前点到点的w d m 传送技术已经成熟，并已应用于长途干线和海底光缆系 统。自1 9 9 5 年以来，美国的各大长途电话公司已经在其干线网络中逐步引入 w d m 设备【“恻，到1 9 9 9 年底已在其干线上基本实现w d m 传输。w d m 设 备自1 9 9 7 年进入中国市场。1 9 9 8 年1 9 9 9 年度中国电信在多条省级光缆干线 上使用了w d m 技术。2 0 0 0 年6 月，南京一武汉光缆干线3 2 0 1 3 波分复用实验工 程正式开工，这标志着我国建设超大容量传输骨干阚正式拉开了帷幕。中国电信 准备在2 0 0 0 - 2 0 0 4 年问，采用w d m 技术对我国“八纵八横”光缆网进行改造、 扩容和升级i l 。2 0 0 0 年1 0 月2 8 日，中国网通宽带高速互联网c n c n e t 一期工 程正式开通试运营，该工程一期工程已建成8 4 9 0 公里，1 0 6 个中继站，1 7 个节 第一章蟹论 点，贯通了东南部的1 7 个重点城市，网络总传输带宽高达4 0 g b p s l c r 4 c l 。这标志 着中国信息业务己从窄带逐步发晨到宽带同时也拉近了中国信息基础设施建设 与国外的距离，为中国信息产业进一步繁荣与发展奠定了基础。 w d m 技术虽然能极大地增加线路的传输容量，但同时也对交换系统提出了 更高的要求。目前的电子交换的发展已逼近电子速率的极限为解决电层交换瓶 颈的制约问题，引入光交换已成为必然。相对光分组交换( o p a c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 而言，采用光路交换( o p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ) 的w d m 光传送网比 较容易实现，其特有的波长重用( w a v e l e n g t h r e u s e ) 能力也使之具有良好的可扩 展性。因此采用波长分配和路由选择的w d m 光传送网( o t n ，o p t i c a lt r a n s p o r t n e t w o r k ) 技术被认为是未来骨干通信网向宽带、大容量发展的首选方案”“” k m 碱m 岫司她洲响。 9 0 年代以来w d m 光传送网已成为网络界的研究热点。早在9 0 年代初， 欧洲就已经在其r a c e ( 欧洲先进通信方式的研究与技术开发) 计划中将多波长 传送网列为研究目标。在后续的a c t s ( 先进的通信技术和服务) 计划中，又在 欧洲各地建立了一系列实验性的w d m 光传送网，如o p e n ，p h o t o n 和m e t o n 等 c h k l l e 9 4 “3 嘶 ，“n 9 5 鼬蝴“。美国在d a r p a ( 国防部高级研究计划局) 的资助下，组建了多个研究团体，建立了一系列光传送实验网，如由a t & t 、 b e l l c o r e 和朗讯科技牵头建设的m o n e t ( 多波长光网络) 实验网用于实验和验 证各种新技术阻“。q ”嗍m o n c 3 。1 9 9 7 年开始建设并由加拿大政府资助的 加拿大研究和教育i n t c m c t 骨干网( c a n a d ar e s e a r c ha n de d u c a t i o ni n t e r n e t b a c k b o n e ) c a n e t 3 采用高速路由器和w d m 设备直接相连的i p - o v e r - w d m 结构 开创了光互联网( o r l t i c a li n t e r n e t w o r k i n g ) 建设的先例i c , “z o m n 唧j 。日本则是以 大公司的投资建设为主，如n r t 建立的o p n 州f 0 5 - 9 6 , 。国际标准化组织 1 1 u 玎也正在积极制定有关光传送网的建议i m e g u “g 8 7 2 。 我国的一些研究机构也开展了光传送网的研究工作 ”“g 峨。御t ”州1 9 9 8 年 5 月国家自然科学基金委员会发布了重大项目“w d m 全光网基础研究”，由我 国的一些知名高校，如清华大学、北京大学、北京邮电大学、上海交通大学和电 子科技大学以及其它一些单位共同承担，将为我国全面推广w d m 光传送网技 术奠定坚实的理论基础。1 9 9 9 年6 月，国家高技术项目智能计算机主题、光电 子主题和通信主题联合提出实施“中国高速信息示范网( c a i n o n e t ) ”研究开 发项目i 踟嘲建立一个基于光因特网技术的高速信息网实验环境，为以光因特 网技术为代表的先进网络技术的研究、开发和测试提供一个实验平台。 从以上国内外的研究进展情况可以看出，基于w d m 技术的光传送网已在世 界范围内引起了广泛关注。在未来的一段时间里人们将继续对光传送网的关键 技术进行全面、深入研究。这些关键技术包括：业务接入和一体化技术 ( i p - o v e r - w d m , s d h - o v e r - w d m 等1 ；光分插复用技术；光交叉连接技术：光放 大技术；全光的波长转换技术：波长选路和波长分配技术：光网络重构技术以及 光网络的管理和控制技术等 2 电子科技大学博士论文 1 i 2w d m 技术实现简述 单模光纤的低损耗波长范围大约在1 2 朋一1 6 a m ，对应相当于5 0 t h z 以上 的光纤带宽如果端用户的光收发器0 a s e r 嘶s 。c i v e r s ) 足够稳定并且发射的光 信号的波长不会漂移标称操作波长太多，那么相邻信道的间隔可以做得相当小， 其最小值和信道间的信号串扰( c r o s s t a l k ) 特性有关。采用d f b ( d i s t r i b u t e d - f e e d b a c k ) 、d b r ( d i s t r i b u t e d - b r a g g r e f l e c t o r ) 或者其它窄线宽的激光 器，可以获得小于或等于ln m 的信道间隔这样的波分复用系统通常称为密集 渡分复用( d e n s ew 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 ，d w d m ) 系统e b 删柳”目。如没 有特别说明本文中的w d m 都是指密集波分复用d w d m 。 w d m 技术的一个重要特性是各个波长信道可以独立地进行路由、交换，互 不影响。为了建造一个高效的w d m 网络，端用户必须具备向多个w d m 信道注 入信号或从多个w d m 信道中抽出期望信号的能力。因此，工作范围大、调节速 度快的可调光收，发器的设计和实现显得尤为重要。 目前已有的可调光收，发嚣可以基于激光的机械调节、热调节、声光调节、 电调节和注入电流调节。热调节光收，发器的波长可调范围为1n m 机械调节的 光收发器的波长可调范围可以达到1 0 0n m 。这些光l l 殳，发器的信道切换速度在几 个毫秒，利用调节注入电流来选择信道的半导体光收，发器可以有更快的信道切 换速度但是可调节的波长范围不是太宽田“吲。卵“h 明 可调光滤波器可以分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器的优点是容易 实现、可以进行很精细的滤波( 特别是f a b r y - p c t o t 滤波嚣) ，存在的主要缺点是 调节速度太慢( 达到毫秒的数量级) 基于发光二极管放大器的有源滤波器可以 获得纳秒级的调节速度但是能够分辨的波长信道数有限口”嘶d 9 8 b 。”1 1 1 9 ”。 设计和建造光通信网的另一种重要器件是光放大器它们可以直接再生光信 号而无需光- 电转换，并且可以同时对数条波长信道的信号放大而无需解复用。 工作在1 5 n n ，带宽达到3 5n m 的掺铒光纤放大器( e r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r s ，e d f a s ) 使长距离传送光信号领域发生了重大变革一光信号可以传送 很远的距离。有实验报道2 0 信道、每信道容量5 g b s 的w d m 系统的传输距 离达到了9 1 0 0 k m l 8 ”“。 如果是构建基于w d m 技术的光网络，而不仅仅只是点到点的传输系统，最 重要的还是具备波长选路和交换功能的节点设备，如装配光交又连接设备的波长 路由节点。有关这方面的细节将在本文下面关于光传送网的章节中近一步阐述。 1 1 3w d m 光传送网概述 光纤目前被广泛认为是长距离、太容量传送信息最有效的物理介质。最近掺 铒光纤放大器( e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r s , e d f a s ) 技术方面的新进展使得在 长距离上波分复用地透明传送大容量的数据成为可能。到目前为止多家已投入 第一章绪论 商用的w d m 产品都是用于点到点的数据传输主要都是针对骨干网但是这 种w d m 的点到点应用只能单纯地增加光纤链路的传输容量，而不能增加全网的 吞吐能力原因是数据的路由和交换仍然是在电领域中完成的，当网络承载的数 据量很大时这种路由方式报容易使某些网络节点中的电层设备成为数据传输的 瓶颈。因此在光领域中完成路由和交换的思想应运而生。直接在光领域中完成 分组一级的交换目前仍然受成本和技术方面的一些问题制约，最主要的问题是 缺少光随机访问存储介质，并且光分组头的同步也很困难“”“9 0 0 】。因而有望在 短时期内商用的是基于光路交换的w d m 光传送网。 w d m 光传送网目前主要有两种形式：广播与选择网( b r o a d c a s t - a n d - s e l e c t o 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 do 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( p a s s i v e o p t i c a lc o u p l e r ) 进行光信号的复合和分离( c o m b i n a t i o na n ds p l i t ) ，其它每个网 络节点和中心节点之闯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它所有节点广播，目的节点使用光滤波器选择出希望接 收的信号因为固有的星形结构使得b s o n s 缺乏波长重用( w a v e l e n g t hr e u s e ) 的能力全网需要的波长数精于需要建立的光通道数，通常与网络中节点的 数目n ( 不包括中心节点) 相当。当网络节点数增加时，b s o n s 会暴露出以下 弱点呻珊1 ：( 1 ) 中心节点只有广播信号的能力，因而信号接收端需要在所有到 达的信号中选择希望得到信号，这使系统对激光器和光滤波嚣的稳定性要求会根 严格；( 2 ) 由于中心节点对光信号的分路和广播，每个接收节点收到的信号功 率只有原信号的i n ，当较大时会使节点收到的信号功率大大下降；( 3 ) 虽然 收发信号节点的失效不会危及全网的通信，可是中心节点的失效会使网络陷于瘫 痪并且无法自动恢复。基于这些限制，b s o n s 只适用于节点数较少并且对网络 生存性的要求不是特别高的局域网或城域网。主要用于长距离、大范围骨干网的 w r o n s ，考虑到铺设光纤的高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。波长选路机制支持网络节点问建立端到端的 光领域通道一般称为光路( i i 曲t p a 山) 。在这种情况下，波分复用带来的巨大好 处可以通过光领域中的波长选路得到充分体现：( 1 ) 在w r o n s 中，光路信号不 会被广播，而是沿选定的路由传送信号，这样同一波长可以应用在网络的不同部 分，全网使用的波长数帆大大减少，而m 的大小和网络的建设成本密切相关： 佗1 消除了b s o n s 中存在的i n 倍功率分离问题，接收端对光滤波器性能的要 求也可以降低不少因为只有特定光路的信号抵达接收节点；( 3 ) 高层网络( 如 s d h 、a t m 或i p l 的数据将在光路中尽可能远地传送，只有在必要的时候才进 行电层的存储转发或交换( 侧如通信的源目的节点对之间没有光路直接相连) 这样可以大大提高网络的数据吞吐能力、简化网络管理和减少电层的网络设备： f 舢w r o n s 可虬在光层提供基于光路的保护，恢复机制以防止物理网络的链路节 点失效，这样做的好处是只需要在网络中预留少量的大容量光路资源就可以构建 具备相当抗毁能力的传送网络，而毋需象传统数据网络在电层重新配置大量低带 宽的数据通道，从而恢复速度快( 几十毫秒以内) 和恢复效率高，网络配置的复 电子科技太掌博士论文 杂性也降低了。另外，w r o n s 特有的波长重用能力也使之具有良好的可扩展性。 因此基于光路交换的w r o n s 非常适合于在覆盖区域较大的广域骨干网中使用。 本文的研究都是针对这种具有波长选路功能的w r o n s 在现阶段，这种w d m 光网络主要作为各类数据业务( 如s d h 帧、a t m 信元或口分组) 的传送平台， 因此也被称为w d m 光传送网曲”埘d m ”阱o m “蹦”。 图1 1 波长选路的w d m 光传送网示意图 图1 1 所示是波长进路的w d m 光传送网示意图。网络节点被称为波长路由 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 ) 或光交叉连接( o p t i c a lc r o s s - c o n n c g t , o x c ) 若将输入波长信号转换到不同的输出波长上，称为渡长转换( w a v e l e n g t h c o n v e r s i o no rw a v e l e n g t ht r a n s l a t i o n ) ，波长转换需要引入额外的代价，技术实 现也比较复杂。无波长转换能力的路由节点称为波长选择交叉连接器 ( w a v e l e n g t h s e l e c t i v ec r o s s c o n n e c t , w s x c ) ，有波长转换能力的路由节点叫波 长转换交叉连接器( w a v e l e n g t hi n t e r c h a n g i n gc r o s s - c o i r l e c i ，w l x c ) 路由节点 x 、y 通过光纤互连，接八节点a b c d e 通过光纤连接到路由节点。在接入节点， 多个端用户( e n d - u s 岫可复接到同一波长信道通常情况下我们将路由节点和与 之相连的接入节点看作一个整体，通称为网络节点。图1 2 所示为一种w s x c 的原理图。任一输入光纤上的任一波长信号可队经过解复用器( d c m u l t i p l c x e r ) 解复用、相应波长的光空分交换器交换，最后复用( m u l t i p l e x i n g ) 输出到任一输 出光纤的同一波长上。利用w s x c 就能在不同的端用户之间建立端到端舶光路。 当路由节点没有波长转换能力时，光路必须在其路由经过的光纤链路上使用同一 波长，如图1 1 中a 到c 的光路采用五，d 到e 和a 到b 采用石，这一限制称 为波长连续性限制( w a v e l e n g t hc o n t i n u i t yc o n s t r a i n t ) 波长连续性限制也是波长 路由网络区别于传统的电路交换( c i r c u i ts w i t c h e d ) 网络的特性之一。 5 黧一章靖论 2 输 光纤 n 图1 2 波长选择光交叉连接器结构示意图 2 辅出光纤 n 波长连续性带来的限制使得波长资源的利用率下降。尤其是在动态业务下会 增加光路的阻塞率( b l o c k i n g p r o b a b i l i t y ) 。如图1 - 3 ( a ) 所示，当节点a 到b 在 上、b 到c 在k 上已建有光路时，尽管a 到b 和b 到c 的链路上分别有空闲波 长k 和k ，仍无法建立从a 到c 的光路。如果在节点b 中引入波长变换，将输 入的k 波长信号变换到输出光纤的波长九。上，就能够克服波长连续性限制建立 a 到c 的光路。在很多文献中呻p 螂n q p m 9 6 1 , n | 畔眦j 这种含有不同波长的光路 被称为虚光路f v m u a lw a v e l e n g t hp a t h ，v w p ) ，而相应的遵守波长连续性限制 的光路则被称为w p ( w a v e l e n g t hp a t h ) 。在w s x c 的光空分交换器的输入或输出 端口配置波长变换器就可以得到具有波长变换能力的w i x c 。如果路由节点都 是w i x c 并且都能实现任意输入波长到任意输出波长的全范围波长变换 ( f u l l - r a n g ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ) ，则相应的w d m 网络模型等价于传统的电路 交换网络 ( - ) 无波长变抉 有波长变换 图1 3 波长连续性限制造成的波长冲突 6 电子科技大学博论文 除o x c 外目前己广泛使用的一种具有波长选路功能的w d m 设备是光分 摘夏用器( o p t i 叫a d d d r o pm u l t i t l l e x e r , o a d m ) 。o a d m 的作用是从光纤的_ 众 多波长中解出任意一路，或者向光纤中加入新的波长，其结构如图1 4 所示。 o a d m 为w d m 光传送网提供了异步接入的功能，使得光网络设备可以提供与 各种业务的直接接口。例如，s d h 、a t m 、帧中继和i p 等各种业务可通过占用 o a d m 提供的某个波长接口直接进入w d m 光传送网进行传输。当然，a t m 信 元或i p 分组要直接在波长上传送仍需要类似s d f i 一样的成帧协议对之进行封 装，例如c i s c o 公司开发的d p t ( d y x l b i n i cp a c k e t t r a n s p o r t ) 协议。 图1 , 4 0 a i ) m 功能框图 光传送网是在光领域对客户信号提供传送、复用、选路、监控和生存性功能 的综合实体。i m tg 8 7 2 建议( 草案) 已明确在光传送网加入光层( o p t i c a l l a y e r ) ，按照建议，光层由光信道层、光复用段层和光传输段层组成呤m 1 ，如图 1 5 所示。 电路层 l 电路层 l 虚通道 p d h 通道层is d h 通道层 i虚通道 电复用段层 i 电复用段层 l( 没有) 光信道层o c h 光复用段层o m s 光传输段层o t s 物理层( 各种光纤如g 6 5 2 ，g 6 5 3 g 6 5 5 等) 图1 5 光传送网分层结构示意图 光信道层( 0 p i c a lc h a n n e ll a y e r , o c a ) 负责为来自电复用段层的各种格式 的客户信号( 如s d h 、a t m 、i p ) 建立端到端的光信道连