（通信与信息系统专业论文）wdm光网络中不精确网络状态信息下的rwa研究.pdf

重庆邮电大学硕十论文 摘要 摘要 随着光电子器件技术的飞速发展，波分复用光传输系统通过光节点设备连接 构成的全光网络是未柬通信网络的发展方向。信号流的传输和交换始终以光的形 式进行，无需光电、电光转换。因此，全光网络有效地克服了复杂的电数字交 叉互连设备的“电子瓶颈”，实现高速率、大容量、高质量通信，并且对信号速 率、数据格式和调制方式透明。然而，基于光波长通道的直接联网有它特有的局 限性。首先，同一条光纤复用波长数量有限使得以波长为通道标识的网络的通道 数量较少，特别是规模较大的网络。再者，波长转换技术和成本限制使得网络节 点一般没有波长转换能力，源目的节点间的通信连接必须始终承载在同一波长通 道上，产生了所谓的波长连续性限制。为了充分有效地利用网络资源，必须针对 光波长网络执行有效的路由和波长分配( r w a ) 算法。 目前提出的r w a 算法大多数都是基于精确网络状态信息下的，但是这种精 确的网络状态需要频繁地进行网络信息的互换，这特别是对于大型的网络，是不 现实的。还有许多其他因素，如不可忽略的传输延迟、网络层次汇聚等等，都会 导致网络状态信息的不精确性，当网络状态信息不精确时，阻塞率就会提高，鉴 于此，本文对如何克服网络状态信息带束的阻塞率的影响进行了研究，研究如何 通过改善r w a 算法，来使算法在不精确的信息下仍能保证一定的质量。本文的 主要工作包括： 1 简略介绍了光网络中的复用技术，并引出不精确网络状态信息下的路由 和波长分配，对其研究意义进行了概述。 2 详细介绍了波分复用( w d m ) 系统和网络，这是路由和波长分配的平台。 对其概念、主要特点、结构原理、拓扑等问题进行了一一介绍。 3 介绍了路由和波长分配的概念，并对前人所做的工作进行了分析，介绍 了几种路由和波长分配算法并对他们的优缺点进行分析。 4 提出用重用光路、考虑网络更新策略到路由和波长分配中、旁路瓶颈路 段等方法来抵消网络状念信息的不精确性带来的影响，并在此基础上对经典算法 提出一个改进算法t b r 算法。仿真结果证明，这种算法有效地降低了网络阻塞 率，提高了网络的性能。 关键词：w d m 光网络、自动交换光网络、不精确网络状态信息、重用光路、阻 塞率 重庆邮电人学硕十论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo p t i c - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , i ti sn e c e s s a r yt h a t a l l o p t i c a ln e t w o r k ，w h i c hb ec o m p o s e do fo p t i c a lw 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 r a n s m i s s i o ns y s t e m sa n do p t i c a ln o d ee q u i p m e n t s ，h a sag r e a tp r o m i s ef o rt h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i g n a ls t r e a mi sa l w a y st r a n s m i t t e da n ds w i t c h e db yt h e m e a n so fl i g h t ，a n dd on o tn e e do ea n de oc o n v e r s i o n t h e r e f o r e ，a l l o p t i c a l n e t w o r ke f f e c t i v e l yo v e r c o m e st h ee l e c t r o n i cb o t t l e n e c ki n t r o d u c e db yc o m p l i c a t e d d i g i t a lc r o s sc o n n e c t i o ne q u i p m e n t s ，a c c o m p l i s h e sf a s tb i tr a t e ，g r e a tc a p a c i t ya n d g o o ds e r v i c eq u a l i t yc o m m u n i c a t i o n , a n dp o s s e s s e st h et r a n s p a r e n c yf o rb i tr a t e ，d a t a f o r m a ta n dm o d u l a t i o nm e a n so fs i g n a l h o w e v e r , o p t i c a li n t e m e t w o r k i n gd i r e c t l y b a s e do p t i c a lw a v e l e n g t hh a si t si n t r i n s i cd e f e c t s f i r s t l y , t h en u m b e ro fw a v e l e n g t h s t h a tc a l lb em u l t i p l e x e di nt h es a m ef i b e ra n dr e g a r d e da si d e n t i f i e r so fw a v e l e n g t h p a t h se s t a b l i s h e di n w a v e l e n g t h - r o u t e dn e t w o r ki ss m a l l ，p a r t i c u l a r l yi nl a r g e s c a l e o n e s e c o n d l y o p t i c a ln o d e su s u a l l yd on o tp o s s e s st h ea b i l i t y o fw a v e l e n g t h i n t e r c h a n g ef o rt h er e s t r i c t i o no fc o s ta n dt e c h n o l o g y , o p t i c a ln e t w o r kb r i n g so u t s o c a l l e dw 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 tb e c a m ec o n n e c t i o nm u s tb ee s t a b l i s h e do n t h ep a t ht h a tb ec a r r i e db yt h es a m ew a v e l e n g t hb e t w e e ns o u r c ea n dd e s t i n a t i o nn o d e s f o rt h ep u r p o s eo fe f f e c t i v e l yu t i l i z i n gr e s o u r c eo fn e t w o r k ，i ti sg o o dm e t h o dt h a t r w a a l g o r i t h mb ep e r f o r m e di no p t i c a ln e t w o r k t h em a j o r i t yo fr o u t i n ga n 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 sb a s eo np r e c i s e n e t w o r ks t a t ei n f o r m a t i o n , a n dt h ep r e c i s i o nn e e d 台e q u e n ti n t e r c h a n g eo fs i g n a l b e t w e e nn o d e s i t sn o tp r a c t i c a le s p e c i a l l yf o rl a r g e s c a l en e t w o r k s m a n yo t h e r f a c t o r s ，s u c ha sn o n - n e g l i g i b l ep r o p a g a t i o nd e l a y , h i e r a r c h i c a lt o p o l o g ya g g r e g a t i o n ， c a na f f e c tt h ep r e c i s i o no ft h en e t w o r ks t a t ei n f o r m a t i o n t h ei m p r e c i s i o nw i l l l c a dt o h i g h e rb l o c k i n gi n c r e m e n t ，i nt h i sp a p e r ，h o wt o r e d u c et h ee f f e c t so fn e t w o r k i n f o r m a t i o nt o b l o c k i n g i sd i s c u s s e d h o wt og u a r a n t e ec e r t a i nq u a l i t yu n d e r i m p r e c i s en e t w o r ki n f o r m a t i o n i ss t u d i e di nd e t a i l si sa sf o l l o w s ： i t h ew a v e l e n g t hm u l t i p l e xt e c h n o l o g yi no p t i c a ln e t w o r k si ss i m p l yi n t r o d u c e d ， a n dt h ep r o b l e mo fr w au n d e ri m p r e c i s en e t w o r ks t a t ei n f o r m a t i o ni sb r i n g i n go u t ， a n dt h em e a n i n go f i ti sd i s c u s s e d 2 t h ew a v e l e n g t hm u l t i p l e xs y s t e ma n dn e t w o r ki si n t r o d u c e di nd e t a i l s ，w h i c h i st h ep l a t f o r mf o rr w a c o n c e p t i o n , s t r u c t u r e ，p r i n c i p l ea n dt o p o l o g ya r ed i s c u s s e d i i 里壅塑坐叁兰堕堡奎 一塑里 r e s p e c t i v e l y 3 t h ec o n c e p t i o no fr w ai si n t r o d u c e d ；t h er e s e a r c h e dt h a th a sa l r e a d yb e e n d o n ei n c l u d i n gs o m ea l g o r i t h m si sa n a l y z e d 4 l i g h t p a t hr e u s i n g ，c o n s i d e r i n gt h eu p d a t i n gp o l i c y i nr w a a l g o r i t h ma n d b y p a s s i n gt h eb o t t l e n e c kl i n ka l ep r o p o s e d t or e d u c et h ee f f e c t so fi m p r e c i s en e t w o r k s t a t ei n f o r m a t i o n a n dan e wa l g o r i t h mu s i n gt h o s em e t h o d sn a m e dt b r a l s oi s p r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti te f f e c t i v e l yg e th i g h e rr e q u e s ta c c e p t a n c e r a t i oa n di m p r o v et h ea v a i l a b i l i t yo f n e t w o r kr e s o u r c e k e y w o r d s ：w d mo p t i c a ln e t w o r k ；a s o n ；i m p r e c i s en e t w o r k s t a t ei n f o r m a t i o n ； l i g h t p a t hr e u s e ；b l o c kr a t i o 1 1 1 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。掘我所知，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，也不包含为获得重庆鲣血盔堂或 其他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。 学位论文作者签名：骗 签字日期：五 d 年字月2 d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞鲣壹太堂有关保留、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。本人授权重庆整电盘堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数掘库进行检索，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适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：锄年芗月如日 签字日期：斫夕月忑日 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 第一章绪论 本章主要是光网络简要的发展历程概述、介绍光网络中几种常用的复用技 术、展望波分复用技术的发展i i 景和引入不精确网络状态信息环境下的路由和波 长分配问题。最后是本文的组织安排。 1 1 光网络概述 2 l 世纪是一个以网络为核心的信息时代，人们对信息的需求与f 1 俱增。一些 与人们视觉有关的图像信息，诸如付费电视、可视电话、数字图象( d v d ) 、高 清晰度电视( h d t v ) 等宽带业务市场正在迅速扩大，各类新型业务，诸如远程 教育、远程医疗、家庭购物、家庭办公等正蓬勃发展，i n t e m e t 业务也按指数规 律逐年增长。这些都必须依靠完善的网络，网络已经成为信息社会的脉搏，它正 在改变着社会生活的很多方面。 随着i n t e r a c t 业务( i p 业务) 的出现，其业务范围已从初期单纯的e m a i l 发 展成商务和多媒体服务。这些多媒体应用都依赖于光网络的巨大带宽的支持。随 着光器件的发展和光系统的演进，以光纤作为基本传输链路，并充分利用光纤所 独具的特性而组成的种通信体系光通信网络逐渐成为现代通信网的基础 平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从2 0 世纪8 0 年代末的准同步数字系 列( p d h ：p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 系统，2 0 世纪9 0 年代中期的同步数字系 列( s d h ：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 ) 系统，以及近来风起云涌的波分复用 ( w d m ：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 ) 系统，光纤通信系统自身在快速地更新 换代，光传输系统的容量己从m b i t y s 发展到t b i t s ，提高了近1 0 万倍。采用w d m 系统改变了光传输系统容量的增长方式，极大地突破了“电子瓶颈”或电子极限 的限制。 1 2 光网络中的复用技术 人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方 式柬改进传输效率，提高复用速率，在光纤通信中，复用技术被认为是扩展现存 光纤网络工程容量的主要手段。复用技术主要包括时分复用( t d m ：t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术、空分复用( s d m ：s p a c ed i v i s i o nm u t t i p l e x i n g ) 技术、波分复用 w d m 技术。 重庆邮电大学硕十论文第一蠢绪论 1 t d m 技术 t d m 时分复用技术就是将传输时问分割成若干个时隙，将需要传输的多路 信号按一定规律插入相应时隙，从而实现多路信号的复用传输。t d m 技术在电 子学通信中已经是很成熟的复用技术。但是，这种技术在电子学通信使用中，由 于受到如制造工艺、电子速度、容量和空间兼容性诸多方面的限制，使得电子时 分复用速率不能太高。另一方面，在光纤中，由于光信号产生的损耗、反射、颜 色色散及偏振模式色散等现象都将严重影响高速率调制信号的传输。据分析， t d m 方式的1 0 g b i t s 光传输设备己非常接近目前电子器件的工作速率极限，再 进一步提高速率是相当困难的( 至少目前的技术水平如此) 。 2 s d m 技术 s d m 空分复用技术是指多条光纤的复用即光缆的复用。在某些地方，有现 成的光纤通信网管道，并且还有空余的位置，所以为了增加容量，可以在管道中 拉入更多光纤。对于空分复用的另一种理解是：在一根光纤中实现空分复用，即 对于光纤的纤芯区域光束的空间分割。因为单模光纤纤芯部分芯径仅有9 1 0 r a m ，而且传输的光束波面各点相位要存在涨落，因而这种波面的空间分割是 极为困难的。尽管最近有人提出了相干度的理论分割方法，但是距离实用化还有 漫长的道路要走。 3 。w d m 技术 w d m 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 波长而不是频率来描述、监测与控制，同时由于在光的频域上信号频率差别比较 大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而称这样的复用方法称为波分 复用。 w d m 技术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，让数据传输速度和容量获得倍增。w d m 各通道对数据 格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关运用w d m 技术通过增加一个 附加波长即可以引入任意的新业务或新容量，且w d m 技术是目前能够商用化最 简单的光复用技术，因而在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽 带新业务的方便途径。w d m 技术的应用已经铺开，无论是陆地线路、新建光缆 线路，都在采用w d m 技术进行扩容和提速。另外，作为超高速、大容量的w d m 配套技术也已相当成熟，如多信道的w d m 传输设备、宽带放大器、放大器的增 益均衡器、增益功率的控制技术等已经完成，宽带波长可变滤波器、光交叉连接 等已取得了一定的成果，目静的数据编码技术也已成功地应用于w d m 系统中， 以提高传输距离以上这些成果为超高速、大容量的w d m 技术全面应用打下了 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 良好的基础。采用w d m 技术来扩容是当| ；i 唯一现实的超大容量传输技术。它不 仅可以节约大量光纤而迅速扩容，而且可以节约大量再生中继器，以降低整个系 统的成本。从长远意义来看，它奠定了未来全光网络的基础。 1 3w d m 技术的发展前景 目前光纤通信的研究热点之一就是以高速光传输技术、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m 互联网的w d m 技术，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问隔的 方向发展，光网络则朝着面向口互联网、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。 w d m 技术作为最引人注目的高速宽带传输技术，其应用已开始铺丌。无论 是陆地线路、海底光缆线路，还是已建光缆线路、新建光缆线路，都在享用w d m 技术进行扩容。因此，w d m 产品的销售剧增。 作为超高速、大容量的w d m 配套技术也已相当成熟，如多信道的w d m 传 输设备、采用衍射光栅精密控制电子来扫描的不同波长d f b - l d 一次成形的技 术、宽带放大器、放大器的增益均衡器、增益功率的控制技术等已经完成，宽带 波长可变滤波器、光交叉连接等已取得了一定的成果，先进的数据编码技术也己 成功地应用于w d m 系统中，以提高传输距离。以上这些成果也为超高速、大容 量的w d m 技术全面应用打下了良好的基础。 采用w d m 技术来扩容是当前比较现实的超大容量传输技术之一。它不仅可 以节约大量光纤而迅速扩容，而且还可以节约大量再生中继器，以降低整个系统 的成本。从长远意义来看，它奠定了未来全光网络的基础。 2 0 0 1 2 0 0 6 年，是w d m 技术迅速发展的时期，运营公司大量采用w d m 光 网络技术作为宽带网络的基础结构。基于波长选路及波长变换的光网络将大量采 用，以保证网络的快速恢复及高可靠性。同时，w d m 系统的价格大幅度下降， 低费用的光设备大批量生产，使用波长可调谐光源的s d h 终端被采用，平面波 导技术也成熟起来，这将有利于光波线路、可调谐激光器阵列、低费用的光路由 及交换机的产品发展。w d m 技术将进一步走向成熟。 ， w d m 网络是光纤通信技术发展的下一个目标，特别是对于我国这样一个幅 员辽阔、具有庞大干线网的国家。w d m 技术的建立将在于线网的交叉节点上引 入光交叉连接设备( o x c ) ，光分插复用设备( o a d m ) 和光波长变换，从而形成端 到端之间的“虚波长”通路，实现用户端到端的全光信号连接。这将使电路之间 f ， 重庆邮电人中硕十论文 第一章绪论 的调配和转接变得简单和方便。从发展趋势看，形成一个真正的、以w d m 技术 及光交换技术为基础的光网络层，建立纯粹的w d m 光网，接入i p 等多种业务 信号己成为光通信发展的必然趋势，它完全符合“传送网”的分层化，并简化了 网络结构，提高了网络的可靠性，并且与业务和承载信号无关，尤其是自动交换 光网络( a s o n ) 技术的引入更是赋予了w d m 光网络优异的性能，具有重要的现 实和长远意义。 当然，从整体看，w d m 光网络的发展目前还处于初级阶段，但它已显示了 良好的发展前景，已成为新世纪引人瞩目的新一代传送网。 1 4 不精确网络状态信息下的路由和波长分配( r w a ) 以下几种因素会导致网络状态信息的不确定性：分层网络中拓扑状态的聚 合、传输时延及触发策略( 建立触发策略的目的是减少信令消息的数量，这些信 令用于更新网络状态数据库) 。为了在动态网络中正确实现路由和波长分配，必 须找到新的路由机制，在选择光路径时，必须考虑网络状态信息的不精确佳。在 m 域，对路径选择过程中不精确路由信息的影响已进行广泛分析，并提出了一些 机制来解决问题，然而，旨在解决光网络中相似问题的却不多。 考虑到拥塞的可能性，选择光路径时，人们对不精确路由信息进行研究，给 出了仿真结果。将拓扑信息更新间隔增加到1 0s ，会产生一定程度的不确定性， 仿真结果证实，不精确路由信息下的路由过程会增加固定拓扑的拥塞率。其他一 些仿真实验表明，链路上的光纤数目发生变化也会影响拥塞率。要开发在不精确 全局网络状态信息下能工作的新r w a 算法，就必须考虑w d m 网络中的动态连 接管理。通过修改光路径控制机制，能解决路由不精确闯题，可以采用基于目的 地址路由方法的分布式光路径控制机制。该机制根据目的节点选择物理路由和波 长，增加了中间节点的重路由能力，避免了光路径中间节点所选波长不可用情况 下的连接拥塞。这种机制的主要缺点是在建立过程中实时执行重路由，波长使用 率退化与中间节点的个数直接成比例，中间节点又必须重路由，信令总的使用量 没有减少，r w a 判决是基于目的节点维护的全局网络状态信息，它必须及时更 新。本文基于以荫研究的成果，对不精确网络状态信息下的r 、问题进行探讨。 1 5 本文的组织安排 本文的第一章概述了光网络的现状和发展，引出三种光复用技术和全光网 络，并且提出了动态选路和波长分配考虑不精确网络状态的必然性，由此引入本 文讨论的问题，不精确状态下的路由和波长分配第二章介绍了光网络中的 4 重庆邮电人学硕十论交 第一章绪论 w d m 系统的概念，引入w d m 系统的原因，w d m 技术的主要特点，w d m 的 结构和原理，全光网络的结构、网络拓扑等基本问题，最后着重介绍了自动交换 光网络a s o n ，它是光网络的发展方向，也是动态r w a 的平台。第三章丌始介 绍路由和波长分配算法问题，分路出和波长分配两个方面对前人做出的成果进行 讨论，然后介绍一种把波长和路由分配结合在个模型里的方法，接着介绍了波 长变换器，最后总结了影响r w a 的一些因素。第四章先介绍了解决网络状态信 息的不精确性的几个切入点，并在切入点上提出新的想法，然后根据这些想法综 合起来提出了一种新的r w a 算法一t b r 算法，详细描述的算法步骤，用简单的 例子演示了算法的实现，最后是仿真试验和数值分析，先对不精确网络状态信息 环境对经典算法阻塞率的影响进行仿真，然后再在不精确网络状态环境下对t b r 算法和经典算法进行比较，这一章也是本文的重点。 重庆邮电大学硕十论文第二章w d m 系统与w d m 光网络 第二章w d m 系统与w d m 光网络 光波分复用( w d m ) 系统是最具代表性的新一代的光纤通信系统。其突出特点 是可有效地利用单模光纤低损耗区所带来的巨大带宽资源，明显提高系统的传输 容量，同时只需要增加很低的成本，本章在讨论w d m 概念和w d m 技术的主 要特点的基础上，介绍w d m 系统的结构和原理、w d m 光网络的结构、拓扑等 相关问题，并对自动交换光网络a s o n 进行了简要的介绍。 2 1 光波分复用( w d m ) f 1 9 概念 光波分复用( 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 ) 技术是在一根光纤 中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信 号组合起来( 复用) 。并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端 又将组合波长的光信号分丌( 解复用) ，并作进一步处理，恢复出原信号后送入 不同的终端，因此将此技术成为光波长分割复用，简称光波分复用技术。 由于目前一些光期间与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光 频分复用还较为困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分 复用称为密集波分复用( d w d m ：d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 。目前 该系统是在1 5 5 0 h m 波长区段内( 见图2 i ) ，同时用8 ，1 6 或更多个波长，在一 对光纤上( 也可采用单光纤) 构成的光通信系统，其中每个波长之间的间隔为 1 6 r i m ，0 8 r i m 或更低，对应约2 0 0 g h z ，l o o g h z 或更窄的带宽。图2 1 所示损 耗谱中的尖峰是由光纤中的o h 根所致，若能消除，则可在1 2 8 0 1 6 2 0 r i m 波段 内充分利用光纤的低损耗特性( 称之为全波光纤) ，使波分复用系统的可用波长 范围达到3 4 0 n m 左右，可大大提高传输容量。其中1 5 2 5 1 5 6 5 n m 一般称为c 波段，这是目前系统所用的波段，而正在研究与开发的波段是l 波段( 1 5 7 0 一 1 6 2 0 n m ) 和s 波段( 1 4 0 0 n m ) 。目前一般系统应用时所采用的信道波长是等间 隔的，即k x 0 8 n m ，k 取正整数。以往技术人员习惯采用w d m 和d w d m 来区 分是由1 3 1 0 1 5 5 0 n m 的简单复用还是1 5 5 0 n m 波长区段内的密集复用，但目前在 电信界应用时，都采用d w d m 技术，1 3 1 0 1 5 5 0 r i m 的复用由于超出了e d f a 的 范围，只用在一些专门场合，所以一般说w d m 这个更广义的名称都是说的 d w d m 技术。 6 重庆邮电大学硕十论文第二章w d m 系统与w d m 光网络 2 2 引入w d m 的原因 图2 1 光纤损耗谱图 自2 0 世纪9 0 年代初以来，人类社会进人了一个前所未有的信息爆炸时代， 其中最具影响的三大事件是：伴随着个人电脑普及而来的i n t e r n e t 的飞速发展， 由数字移动通信业务导向个人道信而引发的常规通信的革命，以及多媒体通信业 务的出现。信息爆炸刺激了全球通信业务的疯狂增长，而这种疯狂增长的最直接 后果是出现了所谓的“光纤耗尽”现象埋下去的光纤都用完了。以美国为例， 从1 9 9 4 年起，几个主要的长途电信业务承载商的光纤通信系统都持续出现了负 载能力接近饱和的问题( 见表2 1 ) 。 表2 1 美国五大主要电信业务承载商的光纤利用率 承载商 1 9 9 4 ( )1 9 9 5 ( )1 9 9 6 ( ) a t & t5 04 76 0 m c i 7 57 8 8 4 s p r i n t 6 57 78 3 w o r 】d e o m6 96 97 0 s t e n t o r 7 7 7 7 7 9 就建设资金而占，光纤通信系统的初期投资是非常大的，主要原因是光缆线 路的敷设费用很高，那么如何利用现有光缆系统实现最大限度的扩容昵? 传统的扩容方法是采用t d m ( 时分复用) 方式，即对电信号进行时日j 分隔复 用。无论是p d h 的3 4 m b i t s ，1 4 0 m b i t s ，5 6 5 m b i t $ ，还是s d h 的1 5 5 m b i t s ， 6 2 2 m b i t s ，2 4 8 8 m b i t s ，9 9 5 2 m b i t s ，都是按照这一原则进行的据统计，当系 统速率不高于2 4 8 8 m b i t s 时，系统每升级一次每比特的传输成本下降3 0 左 右因此，在过去的系统升级中，人们旨先想到并采用的是t d m 技术。 采用这种时分复用方式固然是数字通信提高传输效率、降低传输成本的有效 重庆邮电人中硕十论文第一二章w d m 系统与w d m 光网络 措施，但是随着现代电信网对传输容量要求的急剧提高，利用t d m 方式已只益 接近硅和砷化镓技术的极限，并且传输设备的价格也很高，光纤色度色散和极化 模色散的影响也开益加重。因此人们正越来越多地把兴趣从电时分复用转移到光 复用，即从光域上用波长复用方式束改进传输效率，提高复用速率。其突出优点 是：能在一根光纤中同时传输不同波长的几个甚至百个光载波信号，不仅能充分 利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容量，而且还能提高系统的经济效益。从 世界范围来看，目前正在建设或将要建设的商用光纤通信系统，基本上都是 w d m 光纤通信系统，原有的光纤通信系统也都将陆续被改造成w d m 系统。 2 3w d m 技术的主要特点 l ，充分利用光纤的巨大带宽资源 w d m 技术充分利用了光纤的巨大带宽资源( 低损耗波段) ，使一根光纤的传 输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本， 具有很大的应用价值和经济价值。以前光纤通信系统只在一根光纤中传输一个波 长信道，而光纤本身在长波长区域有很宽的低损耗区，有很多的波长可以利用， 如；以前人们所利用的只是光纤低损耗频谱中极少的一部分，即使全部利用掺铒 光纤放大器( e d f a ) 的放大区域带宽( 1 5 3 0 - 1 5 6 5 n m ) ，也只是占用它带宽的1 6 左 右。所以w d m 技术可以充分利用单模光纤的巨大带宽，从而在很大的程度上解 决了传输的带宽问题。 2 ，同时传输多种不同类型的信号 由于w d m 技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不向的信 号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及p d h 信号和s d h 信号，实现多媒体信号( 如音频、视频、数据、文字、图像等) 混合 传输。 。 3 ，实现单根光纤双向传输 由于许多通信( 如：打电话) 都采用全双工方式，因此采用w d m 技术可节省 大量线路投资。 4 ，多种应用形式 根据需要，w d m 技术可有很多应用形式，如长途干线网，广播式分配网络， 多路多址局域网络等，因此对网络应用十分重要。 5 ，节约线路投资 采用w d m 技术可使n 个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传 输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统 的功率富余度较大，就可进一步增容而不必对原系统做大的改动。 8 重庆邮电人学硕+ 论文 第二章w d m 系统与w d m 光网络 6 ，降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足。使用w d m 技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。 7 ，i p 的传送通道 波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。在网 络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务( 例如i p 等) 的方便手 段。通过增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量，如目前或将要 实现的i p o v e r w d m 技术。 8 ，高度的组网灵活性、经济性和可靠性 利用w d m 技术选路，实现网络交换和恢复，从而实现未来透明、灵活、经 济且具有高度生存性的光网络。 2 4w d m 系统的结构和原理 殷来说，w d m 系统主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光 接收机、光监控信道和网络管理系统( 见图2 2 ) 。光发射机是w d m 系统的核心， 根据i t u t 的建议和标准，除了对w d m 系统中发射激光器的中心波长有特殊 的要求外，需要根据w d m 系统的不同应用( 主要是传输光纤的类型和无电中继 传输的距离) 来选择具有一定色度色散容限的发射机。在发送端首先将来自终端 设备( 如s d h 端机) 输出的光信号，利用光转发器( o t 0 3 把符合i t u tg 9 5 7 建议 的非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号；利用合波器合成多 通路光信号：通过光功率放大器( b a ) 放大输出多通路光信号。 幽f jf 幽 网络管理系统 图2 2w d m 系统总体结构示意图( 单向) 经过长距离光纤传输后( 8 0 1 2 0 k m ) ，需要对光信号进行光中继放大目前使 用的光放大器多数为掺饵光纤光放大器( e d f a ) 。在w d m 系统中，必须采用增 9 重庆邮电人中硕十论文 第二章w d m 系统与w d m 光网络 益平坦技术，使e d f a 对不同波长的光信号具有相同的放大增益，同时，还需要 考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，能够保证光信道的增益竞争不影 响传输性能。在应用时，可根掘具体情况，将e f d a 用作“线放( l a ) ”、“功放( b a ) ， 和“前放( p a ) ”。 在接收端，光前詈放大器( p a ) 放大经传输而衰减的主信遁光信号，采用分波 器从主信道光信号中分出特定波长的光信道。接收机不但要满足一般接收机对光 信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足 够的电带宽性能。 光监控信道主要功能是监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本节 点产生的波长为 s ( 1 5 1 0 n m ) 的光监控信号，与主信道的光信号合波输出：在接 收端，将接收到的光信号分波，分别输出xs ( 1 5 o n m ) ；、玻长的光监控信号和业务 信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信 道来传递的。 ； 网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他节点或接收来自 其他节点的丌销字节对w d m 系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管 理、安全管理等功能，并与上层管理系统( 如t m n ) , 帽连。 2 5w d m 全光网络结构 基于w d m 技术的全光网络根据其采用的交换器件和组网的方式的不同可以 分为点到点结构、环形结构、广播选择网络结构、波长路由结构几种。 1 ，点到点结构 点到点结构是w d m 全光网的基本连接方式，根据在单根光纤中不同波长信 号能够传输的方向，具有单向传输和双向传输两种结构，图2 3 给出了单向传输 w d m 点到点系统的结构示意图，载有各种信息的、具有不同波长的n 路已调光 信号 x 。 。波，在发射端通过波分复用器( 合波器) 被藕合到一根光纤中传输， 由于各信号是通过不同的波长来传送。因面不会引起彼此的混淆，在接收端则通 过解复用器( 分波器) 将n 路不同波长的光信号分开，经光电转换后接收，从而完 成n 路信号的并行传输。在传输过程中采用e d f a 对信号进行放大，以补偿信 号在耦合与传输等各环节中引起的损耗。 1 0 重庆邮叱人学硕十论文 第一章w d m 系统与w d m 光网络 2 ，环形结构 通过在各节点处接入o a d m ，可将点到点结构的w d m 全光网络扩展成环 形的w d m 全光网络。图2 4 为一个由0 a d m 组成的包含5 个节点的w d m 环 形网络结构示意图。在每个节点处设有一个o a d m 交换机，这样在节点处可以 插入或分离某一特定的信道，并准许其他的信道无阻碍地通过此节点。由于在节 点处引入了o a d m ，便可实现特定波长通道的信号通过分接器分出，或将特定 的波长通道信息插入复接器，从而使网络成为完整的环形。如果单个并行光信道 能很容易地分离出来，并且重新插入的话，在传输的光链路上实现光载波信号的 上厂f 信道，即可分支出另一个完整的光传输系统，可应用于多信道传输系统， 这对于扩展网络是十分重要的。 节点l ( 放大) 图2 4 环形结构w d m 全光传输系统 3 ，广播选择网络结构 广播选择网( b r o a d c a s ta n ds e l e c tn e t 、v o r k ) 是通过无源星型耦合器件将多个节 点按照星型拓扑结构连接起来的。其结构示意图如图2 5 所示广播选择网基本 原理是以广播形式发送，接收端有选择地滤波接收，每个节点被分给不同的波长， 各节点以自己特定的波长发出的信息经星型耦合器汇集，再由星型耦合器将所有 重庆邮电大学硕十论文 第一二章w d m 系统与w d m 光网络 的信号分送到每一个节点。 广播选择型网络主要用于高速局域网或广域网。有两种工作方式：固定波长光 发送而使用可调谐的光接收或者接收波长固定而发送波长可调。广播选择网有两 个不足之处：其一是浪费了光功率。发射的光功率送到所有的接受器，不管这个 接收器是否是通信对象。这样，对实现通信节点来说，增加了光分流引起的损耗。 其二是可扩展性差。n 个节点至少需要用n 个波长，增加一个节点要增加一个 波长，每一个接收器的可调谐范围也要相应增加一个波长，而且不能执行波长重 用。 眉迎波长j 发射机广播式晕晕耦合嚣调谐接牧机 图2 5 广播选择全光传输系统 4 ，波长路由结构 波长路p h ( w a v e l e n g t hr o u t e dn e t w o r k ) 选择指光信号通过信源和目的地之间 的网络部件时，光信号按波长设定可选择的路由。波长路由决定光信号所选取得 光信道，由某个确定节点发出多个光波长信号，每个光信号可通过波长路由通向 不同的目的地，同时因为每个光信号限于一特定的光通道，每一波长在网络中的 非重叠部分可以多次重复使用，这样避免了不必要的信号损耗，并能同时实现同 一个波长在网络非重叠部分的重复使用，在信道光波波长有限的情况下，可提高 信道光波波长的利用率，增加网络节点的数日。图2 6 显示出一个采用路由器的 简单w d m 系统的结构，通过路由器可实现通信两端对信号九。 ：分别下行并插 入新的信号 ， 在这种网络结构中恰当的路由和波长分配算法是其中最为重 要的问题。 图2 6 波长路由全光网络 重庆邮电大学硕士论文第二章w d m 系统与w d m 光网络 波长路由网具有的波分重用能力使其具有良好的可扩展性，因此波长路由的 w d m 全光网被视为是下一代高速广域骨干网的最具竞争力的候选者。本文将着 重讨论的是具有波长路由功能的w d m 全光网。 2 6 光网络拓扑 光网络互联的拓扑特性是决定网络性能最基本的性能指标，它将影响光信号 质量、光谱效率、潜在的连接、网络最大吞吐量和网络