（物理电子学专业论文）光网络可靠性及其相关技术研究.pdf

摘要 摘要 随着通信业务量的高速增长以及通信网络规模的日益扩大，建立高可靠性、 高生存性的光网络已经成为当今通信网络研究的热点问题。为了能满足通信业务 对光网络可靠性和生存性方面的要求，建立详细的分析评估模型，对网络进行模 拟计算，具有很重要的实用意义。 本文第一章介绍了光网络的基本拓扑结构、特点、发展情况以及它的一些关 键光器件，评价了光网络可靠性和生存性发展的现状与发展。第二章从网络可靠 性研究的最基本工具( 可靠性数学和图论) 入手，介绍了网络可靠性研究的基本 理论，并对当今网络可靠性研究的各种方法做了总结。在第三章中对光网络常用 的关键元器件产品性能参数，尤其是可靠性参数进行了评估。在第四章中从一个 简单通信网络评估模型入手，详细介绍了网络评估的一般步骤。然后，具体介绍 了光网络可靠性评估的步骤。接着，重点考察和评估了光网络中有重要地位的光 交叉连接设备，并详细讨沧和分析了其有保护下的设各可靠性。接下来，提出了 一种可用于光网络内部各器件可靠性权重分配的灵敏度分析法。最后，给出了一 种基于最小路集的可靠性评估模型，并进行了模拟汁算和结果分析。第五章中由 网络生存性的一般概念入手，阐述了可靠性与生存性的关系，并评价了光网络生 存性的发展及其主要技术。最后对全文总结。 【关键词】：光通信网络，可靠性，生存性，交叉连接设备 堕! 型 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n g o fc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e sa n dt h e e n l a r g i n g o f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks c a l e ，s t u d i e so nh i g h - r e l i a b l ea n dh i g h - s u r v i v a b l eo p t i c a l n e t w o r k sh a v eb e e na h i g h l i g h t f o rs a t i s f y i n gt h er e q u e s ti nt h ea s p e c t so fr e l i a b i l i t y a n d s u r v i v a b i l i t y , i t i s i m p o r t a n t t oe s t a b l i s ht h e i re v a l u a t i o n m o d e l sf o rt h e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n so f o p t i c a ln e t w o r kp a r a m e t e r s i nt h ef i r s t c h a p t e ro ft h i sp a p e r , t h eb a s i cs t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c s , a n dt h e d e v e l o p m e n t a sw e l la ss o m ek e y o p t i c a lc o m p o n e n t s o fo p t i c a ln e t w o r k sa r e i n t r o d u c e d ，a n dt h em a i ni s s u e so fr e l i a b i l i t ya n ds u r v i v a b i l i t yo f t h eo p t i c a ln e t w o r k s a r er e v i e w e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h eb a s i ct h e o r e t i c a li m p l e m e n t so ft h en e t w o r k r e l i a b i l i t ys t u d i e s ，n a m e l y , r e l i a b i l i t ym a t h e m a t i c sa n dg r a p h i ct h e o r y , a r eb r i e f l y g i v e n ，a n dm e t h o d so fr e l i a b i l i t ya n a l y s e s a r es u m m a r i z e d i nt h et h i r d c h a p t e r , p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o fk e yc o m p o n e n t si n o p t i c a ln e t w o r k s ，e s p e c i a l l yt h e i r r e l i a b i l i t yp r o p e r t i e s ，a r ee v a l u a t e da n da n a l y z e d i nt h e f o u r t hc h a p t e r , as i m p l e m o d e li si n t r o d u c e d ，a n dt h e n ，a ne v a l u a t i o nm o d e lf o rt h eo p t i c a ln e t w o r k si sg i v e n a f t e rt h a t ，t h er e l i a b i l i t yo fo p t i c a lc r o s s - c o n n e c td e v i c e s ，w h i c hp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei no p t i c a ln e t w o r k s ，i sd i s c u s s e da n da n a l y z e d i na d d i t i o n ，柚a n a l y t i c a lm e t h o d o fs e n s i t i v i t yi s p r e s e n t e dt oa s s i g nt h ew e i g h t so ft h ec o m p o n e n t si n t h eo p t i c a l n e t w o r k s o nt h eb a s i so fs h o r t e s t p a t h ，a r e l i a b i l i t ye v a l u a t i n g m o d e lf o r c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si sc r e a t e d ，a n dt h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fr e l i a b i l i t y p e r f o r m a n c eo f an e t w o r k b ym a k i n g u s eo ft h i sm o d e la r eg i v e n i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ec o n c e p to f s u r v i v a b i l i t ya n d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nr e l i a b i l i t ya n ds u r v i v a b i l i t ya r e i n t r o d u c e d ，a n dt h e n ，t h ed e v e l o p m e n ta n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e s o ft h eo p t i c a l n e t w o r ks u r v i v a b i l i t ya r ee v a l u a t e d k e yw o r d 】：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，r e l i a b i l i t y ，s u r v i v a b i l i t y ，o p t i c a l c r o s s - c o n n e c t ( o x c ) 东南大学硕士学位论文光网络可靠性及其相关娃术研舞 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。沦文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： - 井、? 、j 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的迅速发展信息量的极大膨胀，信息技术在其应用中所赋有的强渗透性 和高附加值，己成为信息时代的核心力量，它影响和决定着现代化技术总体的走向。信息化 摄重要的内容是建立一个现代化的信息网络，结合光通信技术的迅猛发展，光通信网络得到 了越来越广泛的应用，并且随着网络规模的日益扩大以及业务的日益增多实现一个安全可 靠的光网络成了一个重要问题因此，光网络的可靠性就成了一个非常值得研究的课题。本 章1 1 节对光网络的发展做了一个概述。1 2 节讲述了光网络的基本结构。1 3 节列出了 光蚓络中的关键光器件( 包括有源和无源) 。1 4 节介绍了光网络可靠性技术的发展及其主 要问题。1 5 节主要介绍了有关光网络生存性的一些发展情况。1 6 节是对本章的小结并 对全文的内容做了个概述。 1 1 光网络概述 长期以来，所有的通信系统一直都利用电的传输和电的交换方式通过传送电信号来实 现信息的传递和存取，从而组成电通信网。以电话通信来说，模拟话音信号经过脉码调制变 成数字信号，电通信网就成为数字化的电通信网，它不仅用于实现电话通信，还可以用于数 据通信和视频通信，包括可视电话和可视会议等等。大家熟悉的公共交换电话网p s t n 就是 蠼基本的电通信网。它将发展成为综合业务数字网i s d n 提供用户使用各种不同的通信业 务，包括上述的电话、数据和视频通信。 但是，随着2 0 世纪9 0 年代中期i n t e r n e t 的开放使用，用户通过计算机上网索取大量 的信息，因此通信领域的数据通信业务快速增长，并且随着社会经济的发展数据通信业 务总量必将超过传统业务的总量。这就意味着，当通信业务量增加到一定程度，以致传统的 电通信恻难以适应所需时只能考虑让通信网从电通信i 习进化为光通信网。 现有网络由光传输系统和电子节点组成光技术用于两个电子节点阃的点对点传输，在 每个电子节点巾光信号都要转换成电信号由电子节点进行电处理，两个l 网络边缘节点之间的 连接通常为多跳连接这将会增大传输时延使电子节点的处理负担过重，限制网络节点 的吞吐量。随着光纤通信技术的迅速发展许多学者提出了“全光网络”的概念，其本意足 信号阻光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换选路，中问不 第一苹绪论 经过任何光电转换t 以达到全光透明性实现在任意时问、任意地点、传送任意格式信号的 理想目标。 全光例络由光传输系统和在光域内进行交换选路的光节点组成。光传输系统正从传统 的利用时分复用( t d m ) 技术逐步向利用波分复用( w d m ) 技术的方向发展，w i ) m 光传输系统 以其强大的技术优势领导了当今光通信技术的潮流。仰h 技术在光纤网中的应用正在经历一 个从“线”到“面“的发展过程，即从点对点的w d m 系统到环形网，再到网状嘲的方向发 展。点对点的w d m 传输技术目前已比较成熟。现在关于w d m 技术的研究方向主要有两个：一 个是朝着更多波长、单波长更高速率的方向发展：另一个是朝着w d m 联网方向发展，联网更 能体现w d m 技术的优越性。普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量，但只提 供了原始的传输带宽，需要有灵括的节点才能实现高效的灵活组刚能力。因此大家更加差 注光节点即光分插复用( o a 洲) 和光交叉连接器( o x c ) 的性能。由于o 删和o x c 技术的 成熟，它们与w 1 ) m 技术相结合后，不但能够从任意一条线路中任意上下一路或几路波长，而 且可以灵活地使一个节点与其它节点形成连接从而形成w d m 光网络“。 光传输系统的容量和光节点的处理能力非常大，电子处理通常在边缘网络进行边缘网 络中的节点或节点系统可采用光通道通过光网络进行直接连接，光节点不需要进行按信元或 按数据包的电子处理，因而具有很大的吞吐量，可大大地降低传输时延。不同类型的信号可 以直接接入光网络。光网络具有光通道的保护能力，以保证网络传输的可靠性。为了提高传 输效率，也可以简化或去掉s d h 和a t m 等中有关网络保护的功能，避免各个层次的功能重复。 由于光器件技术的局跟性，目前全光网络的覆箭范围还很小，要扩大网络覆盖范嗣必 须要通过光电转换来消除光信号在传输过程中积累的损伤( 色散、衰减、非线性敬应等) ， 进行网络维护、控制和管理。因此，目前所说的“光网络”是由高性能的光电转换设各连接 众多的全光透明子网的集合，是i t u t 有关“光传送网”概念的通俗说法。i t u t 在g 8 7 2 建议中定义光传送网为一组可为客户层信号提供主要在光域上进行传送、复用、选路、监控 和生存性处理的功能实体，它能够支持各种上层技术，是适应公用通信网络演进的理想基础 传送网络。塌近提出的自动交换光网络( a s o n ) 也属于光传送网的范畴“1 。 光网络有几个基本问题： i ) 光纤技术：由于光纤是光传输系统中主要的信息承载物质，所以- 它的性能对整个 光网络都有着很大的影响。光纤从最早的g 6 5 2 ( 普通光纤) 、g 6 5 3 ( 零色散位移光纤) 、 g 6 5 5 ( 非零色散位移光纤) ，到康宁和朗讯公司分别推出的l e a f 光纤以及全波光纤和 r s t r u ew a v e 光纤等等光纤的损耗、色散、非线性效应等性能在不断地被改善，对提高 2 第一章绪论 光网络的通信性能意义重大。 2 ) w d m 系统：研制高速率的w d m 系统已经成为了当今光网络研究中的热点，由于速率 的提高入纤功率的增加，系统复杂度变太系统中的非线性效应的影响逐渐变得不可忽略。 要适应光网络发展的趋势，必须很好的处理好这个问题。 3 ) 光网络的透明性：未来的光网络将由许多本地透明的“子网”构成的，而整个光网 络将不透明。在每一个子网内部，信号格式是透明的，各子网通过网关相连整个核心网将 继续向光网络演化，基于w d m 技术的光网络成为核心网。 4 ) i po v e rx 问题；i p 是网络层协议s d h 、1 i y d m 是物理层传送技术，在两层之间需要 一个数据链路层。数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络层所需要的信号，目前屠 流行的i p 传送技术有三种。即i po v e ra t m ，i po v e rs d h 或者i po v e r w d m 这也正好是 光网络发展的趋势，晟终能够胜任现代通信业务要求的方式也就三i po v e rw d m 技术”。 5 ) 光网络的可靠性和生存性：随着光网络规模的不断扩大，光网络的可靠性和生存性 也越来越为人们所重视网络的评估规划技术对于建立可靠的光网络构架起着至关重要的作 用，网络的保护和恢复技术尤以应用比较多的自愈技术的发展保证了通过光网络所传输 的业务的准确性和及时性。 由上述的讨论可见，光网络并不能依靠某一项技术或者光器件的研究创新而发展，它的 发展是一种包括了器件、系统、协议、结构和许多未知技术的综合发展过程，只有广泛了解 各方面的知识，增强对整个光网络的判断能力并且深入研究某以方面，这样才能使我们的 研究更加有意义。 1 2 光网络的结构 光网络的基本结构类型有星形、总线形( 含环形) 和树形等3 种，可组合成各种复杂的 网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域本地网和接入网。如图1 1 所示- 图中o x c 、 o a d m 等在核心网中倾向于采用网状结构，在城域本地网中多采用环形结构，在接入网中将 是环形和星形相结合的复合结构。光网络可纵向分层为客户层、光通道层( o c i ) 、光复用段 层( o m s ) 和光传送段层( o t s ) 等。如图1 2 所示，两个相邻层之间构成客户搬务关系“。 客户层：由各种不同格式的客户信号( 如s d h 、p d h 、a 叫、i p 等) 组成： 光通道层：为透叫传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光通路联l 嘲功能，这一 层也产生和插 有关光通道配置的开销，如波长标记、端口连接性、载荷标志( 速率、 一塑二兰堕笙 格式、线路码) 以及波长保护能力等，此层包含o x c 和o a d m 等相关功能： 光复用段层：为多波长光信号提供联网功能包括插入确保信号完整性的各种段层开销， 并提供复用段层的生存性，波长复用器和高效交叉连接器属于此层： 光传送段层：为光信号在各种不同的光媒体( 如g 6 5 2 、g 6 5 3 、g 6 5 5 光纤) 上提供功 能，光放大器所提供的功能属于此层。 彳_ 二二= = = = = - ：涠、 量竺三：一一，乒 乜蜜口f 酊p 一+ 。 一一、堕y 一( i 多 图1 1 光网络的横向分层结构 s o n e t s d ha t mf d d ii pp d h 其它 光通道o c h ) 层 光复用段( o m s ) 层 光传送段( o t s ) 层 圈i 2 光传送网分层结构 4 兰二里竺笙 1 3 w d m 光网络中的关键光器件 光纤通信网络技术与光器件的发展是相辅相成的。光通信网络的发展既受限于光器件 的发展，同时又对光器件的发展提出更新更高的要求；而光器件的发展又必将推动光通信 劂络快速发展。在目前技术状况下。构成全光网的光器件大致可分为三大类，即；有源光 器件、无源光器件和光子集成器件。 1 3 1 有源光器件 激光器w d m 系统是构成全光霹| 的基础。w d m 要求的激光器，应能满足多波长、可调谐、 高功率等要求。w d m 光网络有非常严格的波长问鞴和标准波长已实用的l d 器件输出光 波长包含了c 波段( 1 5 3 0 1 5 7 0 ) 和l 波段( 1 5 7 0 - 1 6 1 0 ) 。波长可调光源可任意控制波道波 长。方便准确地控制频道间隔，其特性要求包括快速调谐速率、宽的调谐范围、低功率消耗 和低成本等，主要有机械调谐激光器、声光和电光调谐激光器、注入电流调谐激光器、光子 集成多量子阱快速交换光源和阵列光源等多种实现方式。 探测器满足全光网要求的光探测器应该在工作波长上光电转换效率高，检测过程中的附 加噪声尽可能要小同时还应具有高灵敏度、宽带接收和商响应速度。目前符合要求的光 探测器由两种：p i n 光电二极管喝雪崩光电二极管( a p d ) 。 光放大器光放大器是解决光网络长距离无中继的关键器件。目前已实用化的光放大器有 掺铒光纤放大器( e d f a ) 、半导体激光放大器( s o a ) 和光纤拉曼放大器。e d f a 主要是解 决增益平坦问题和降低噪声问题。代表e d f a 器件摄高水平的是已做出在c 和l 波段的3 5n m 窗口增益平坦度均优于1 5 d b ，新一代改进的e d f a 的放大范围将大于5 0n t a ，最终目标是 研制出可放大整个c + l 波段的光放大器。随着通信系统容量的增加对放太器的质量要求 也在不断提高，即要设法降低光放丈器的噪声。有关研究表明，拉曼放大器与e d f a 器件的 结合可能提供虚拟的无噪声光放大器。增益为l o d b 左右的半导体激光放大器s o a 芯片已 面世多年，目前正向着构筑i n ps o a 芯片阵列来完成光选路功能( 无损交换) ，此类器件 的交换速度可达秒级，最大优点是阵列规模可变，且当它与平面封缒技术结合时，可大大 降低成本。 路由选择器全光路由选择和保护是真正实现全光交换的关键。这种关键器件包括光分插 单元( o a d m 它可以抽出和或插入一个或多个波长) 和光交叉连接( o x c 用光交换提供比 特率和协议透明性) 设备。全光交换机的主要优点在于它具有可扩展性，能降低成本，并 5 第一章绪论 能提高业务速度- 全光交换机能够在一个端口透明地交换一个任意速率和协议的波长，或 一束波长甚至是包括所有波长的整根光纤，目前的技术进步正在促进光交换技术的不断 成熟和向高可靠性和可扩展性方向发展使之更易于管理。 波长选择器波长选择器主要是要完成在多个波长选出某个特定波长功能。目前在w d m 系 统中多数采用的是选择滤波器，新型的可调谐滤波器将采用s o a 列阵与阵列波导技术来制 作有报道这种新型波长选择器可以在1 6 个信道中选择一个或多个信道每个信道问隔为 】o o g h z ，损耗为0d b 。 波长转换器波长转换器是解决相同波长竞争同一个端口时的信息阻塞的关键。波长转换 将成为光捌络节点中的一个基本功能，可进行透明豹互操作，解决波长争用、波长路由选 定以及在动态业务模式下较好地利用网络资源。尤其是对大容量、多节点的网状网，采 用波长变换器能大大降低网络的阻塞率。波长转换有光电光波长转换和全光波长转换两 大类型目前的发展趋势是全光波长转换。全光波长转换主要是依靠光的非线性效应实现。 主要类型有基于光调制原理的波长变换器基于光混频原理的波长转换器和光纤光栅外腔 波长转换器等三种。理想的光波长转换器应具备有较高速率( 1 0 g b s 以上) 、较宽的波长 转换范围、高的信噪比、高的消光比且与偏振无关。 1 3 2 光无源器件和光子集成 在全光网络巾。光无源器件包括常规的光连接器、耦合器、光开关、光纤光栅器件和w 蹦 器件。其中最重要的器件是用作传输和路选帅m 信号的光滤波器。目前己开发出来的这类 器件有以下四种， 由多叠层介质构成的介质滤波器采用层的结构使滤波器工作在特定波长： 光纤布拉格光栅( f b g ) 滤波器； 阵列波导滤波器； 法珀微光腔滤波器： 平面光波导技术、光纤光栅及其光子集成技术的出现，使应用于基于w d m 系统的全光 网络的光学器件朝着全光纤化和系统集成化方向发展。 光纤光栅是利用光纤的光敏特性在诱导光的作用下，使光纤内部折射率发生变化而形 成的光栅。光纤光栅可分成固定周期光栅和可变周期光栅两类。光纤光栅的周期、长度和 调制强度决定光纤光栅的反射率和带宽。由于光纤光栅具有有效的选频特性，故光纤光栅 6 第一章绪论 在频域中呈现出丰富的传输特性。自1 9 7 8 年h i l l 等人用阶跃单模光纤率先制出窄带高反 射率b r a g g 光纤光栅滤波器后由于光纤光栅与光纤通信系统易于连接且耦合损耗小等优 点，而使其成为光纤器件的研究热点。目前用于光纤通信系统中，由光纤光栅构成的光学 器件有：光纤激光器、光纤放大器、光纤调制器、光纤滤波器、光纤选频耦合器、可调谐 光纤滤波器以及啁啾光栅色散补偿器等。 目前利用光子集成技术已制成了应用于w d m 系统的多波长激光器列阵、光探测器列阵、 硅基平面波导光耦合器、波导光山路由器等光学器件。使用这样的i c 芯片不仅可以合用周 一温度控制，而且还可以将复用解复用器都集成在同一芯片上。如果把光纤放大器与波导 星行耦合器集成在一起则可以制成无损耗的集成星形耦合器。如果进一步把这种无损耗的 集成星形耦合器与d f b 激光器列阵集成在一起，则可以制成多波长激光器列阵星形耦合器， 这种器件在光传送网和未来的全光网络中将发挥重要的作用。和用平面光波导技术可以 制成波导调制器、薄膜波导光隔离器等。 利用光纤光栅可以制成具有各种功能的全光器件如果再将这些器件集成在一根光纤 中就可构成具有相关性能的光子器件或光子系统这就是全光纤一维光子集成。这是一 种具有响应速度快、信息容量大、功能全、效率高以及可超微型化、能与光通信光纤兼容、 无插入损耗等一系列优异特性的全光纤器件。应用这样的器件构成光纤通信系统与常规的 光纤通信系统相比，在组网方式上必将发生深刻的变化。作为应用的例子，t m o r i o k a 等 人报导了从超连续w d m 光源发出的光信号( 1 0 0 g b s ) 成功地在一个使用4 0 0 g h z 信道间 隔的阵列波导光栅构成的波分复用解复用的w 删系统中传输了4 0 k m 。系统中使用的是色 散位移光纤。i p k a m i n o * 等人也报导了用光子集成器件构成的w d m 系统在宽带城域删中 的试验情况。这些是光子集成器件的典型应用，随着光子集成器件的不断成熟。将会有更 多的实际应用。 可以说，光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现是光纤通信发展 史上的一个重要里程碑，在未来的光通信、光计算及正开始实施的信息高速公路计划中将 有j “阔的应用前景”。 1 4 光网络可靠性技术的发展 由于劂络规模的日益扩大以及通信业务的迅猛增长网络可靠性已经成为网络发展中所 必颁关注的问题。建立可靠的网络是准确及时进行信息交换的基础。因此通信涮的可靠性 第一章绪论 是一个具有重大意义和深远影响的课题- 是目前通信网技术发展和应用中亟待解决的关键问 题之国外在通信网可靠性研究方面已经做了很多工作，近年来涌现了大量研究成果。然 而国内的研究工作从八十年代末九十年代初才剐刚开始，还很不成熟。 7 0 年代以来通信网可靠性的研究进入了一个新里程。发展了许多理论，提出了不少 通信网可靠性的评估方法”，并提出了相应的可靠性指标测度方法，测度方法可分类为： 确定性测度、概率性测度和完成性测度。 各种掼9 度方法都是围绕通信网的可靠性、抗毁性和网络服务性能的评估而开展研究的。 确定性测度是在给定的网络拓扑结构中节点和链路完全可靠的情况下评估拓扑结构抗毁的 能力“1 i 概率性测度是在给定的网络拓扑结构中节点和链路以一定概率失效的情况下评估网 络节点间的可靠连通能力9 1 ；完成性测度是在给定的嗣络拓扑结构中节点和链路处于a i 可 靠工作状态下评估耐络完成通信业务性能的能力。由于通信网可靠性评估涉及的因素多，且 彼此相关主要因素有网络拓扑结构，节点和链路设备的可靠性，以及网络的路由技术和控 制策略等，使得网络可靠性的评估算法复杂许多评估算法的计算复杂度都属于n p h a r d 问题。为此，人们开展了许多近似评估网络可靠性的算法研究。如网络可靠性的上、下界评 估研究，以及其它一些快速评估算法的研究，但这些方法在应用到网络拓扑的可靠性设计中 仍存在计算量大的缺点。 如果网络的连通性变坏则不管采取什么样的通信协议、路由选择算法、维护策略，都 将导致网络的拥塞，网络时延和吞吐量等性能指标下降，使网络的服务质量( o o s ) 下降， 所以从实际的观点来看网络的连通性是进行通信网可靠性的设计、验证、评价时必须首 先考虑的因素。我们必须保证网络的连通度然后再考虑业务性能及其它影响通信网可靠性 的因素，这是首先要明确的问题“。 迄今为止很少有研究涉及到了网络部件可靠性和通信网控制软件可靠性的问题。虽然 实际上很少发生由于网络部件失效和控制软件故障而引起的连通性故障，即使发生这种故 障，一般也只涉及到少数用户。但是由于劂络部件功能的退化或软件缺陷所引起的吞吐量下 降、时延增长、网络阻塞等却经常发生并且严重地影响通信网的有效性。所以今后的研 究巾。部件可靠性和软件可靠性建模、分析、设计等问题需要被置于非常重要的位置来考察 【l li ” 总之随着通信网技术的飞速发展，网络用户需求蛋的逐步提高，通信网可靠性的研究 将展现出非常广阔的发展前景。 8 第一章绪论 1 5 光网络生存性技术的发展 通信网络的生存性，根据通信标准词典“”定义为：通信系统在部分遭到破坏后能继续有 效地工作的能力。保持通信系统生存能力的方法包括分散路由设施，采用多种不同的传输媒 质，采用冗余设备以及对所在地进行物理加固( 能抗御自然灾害、战时的物理攻击、电磁 攻击及核攻击一核电磁脉冲效应等) 。 l 嘲络生存性策略包括恢复技术、控制管理技术等。恢复技术包括保护切换、重选路由、 自愈等。通常将恢复技术统称为白愈技术。自愈技术的性能有：恢复率、恢复时问、冗余度 ( 常指空闲容量率) 、开销及复杂度等。完善的性能监测和波长分配与路由算法是光网络高 生存性的保证。 波长分配与路由算法解决怎样通过光交叉连接或其它设备构成业务信号的光通道并合 理地分配通道所使用的波长。使有限资源能提供尽量大的通信容量。波长路由分配( r a w ) 问题由两部分组成：1 ) 为每个源节点寻找到达目的节点的路径；2 ) 在这些路径上分配波长。 r a w 问题可分为动态r a w 和静态r a w 。动态r a w 一般是考虑建立光连接的请求随机到达，静 态r a w 则是考虑在进行路由和波长分配前已知所有的希望建立的光连接1 。 造成网络故障的因素概括起来主要有： 随着光电子器件以及大规模集成电路技术的进步，网络所支持的业务量越来越大，性 能不断完善，设备的集成度越来越高使得主要功能和容量集中在更少的节点和线路上，单 个节点或链路的失效将波及到相当大的范围。 作为传输媒介，光纤具有卓越的技术性能以及良好的经济性而成为信息高速公路的主 要载体。但足大容量光纤比电缆更容易受人为事故以及自然灾害的损坏：据b e l l c o r e 报告， 在网络故障中光纤切断是最主要的系统故障。在美国。实用光纤网络中光缆的可用度为9 6 5 ，而无线网络的可用度为9 9 9 8 5 。一根4 8 芯光缆的毁坏将影响几百万甚至上千万个话 路。 软件在给电信网络带来智能化和灵活性的同时。也给系统带来整体崩溃的可能性。而 且软件测试的不可遍历性，使这种情况出现的概率较小，但是无法从根本上避免- 自然灾害如地震、洪水、火灾、暴风雪以及认为因素，如盗窃和挖掘导致光缆断裂和 交换局被破坏。 9 第一章绪论 人类社会对通信的依赖性越来越太，通信中断所带来的经济损失和所造成的社会影响极 为严重因此为了实现信息的安全传送对电信运营商而言，提供全程全嗣的生存性是绝对 必要的。 1 6 本文的研究内容 在本章的介绍中，讲到了光网络的发展、结构、基本特点以及光网络中作为网络结点的 关键光器件并且考察了当前通信网可靠性评估的现状最后引出了光网络生存性技术的发 展，同时讲述了其在光通信领域的重要性。 对嘲络性能的评价有两种方法，一种是网络构建了之后，用一系列的方法对网络性能进 行测试然后得出数据从而对网络性能做出评价；另一种就是在网络构建之前依据实际网 络建立其数学模型，然后对此模型进行分析，可以预估网络性能。本文主要针对通信删络 的可靠性进行了具体的讨论，建立了网络评估的模型并进行模拟分折，文章将通信网络可靠 性评价的方法应用在光网络中。建立准确有效的可靠性评估模型，对有助于光网络的运行和 促进光网络的发展具有实用意义。在后面的几章中， 第二章主要介绍了当前网络可靠性评估的基本数学理论。包括可靠性数学和图论等，同 时也搜集和整理了当前通信网可靠性研究的一些主要方法。 第三章对光网络中的部件产品的性能参数进行了搜集整理并列出，还给出了光列络可靠 性评价的一些主要的性靛参数标准，作为可靠性网络评估的参考。接着，针对一个典型的接 入刚结构。列出了网络内部部件的可靠性参数，由此分析了这些对于整个接入网的影响。 第四章可靠性评估模型的建立从一个简单的通信冈可靠性评估模型入手，逐渐引出有 关光嗵络可靠性评估方法。接着，针对光网络中地位非常重要的光交叉互连结构进行了可 靠性分析，并对其进行了加以保护装置前后的可靠性分析比较。然后，给出了一种可以用于 光网络内部部件可靠性权重分配的可行性方法。最后文章给出了一个基于最小路集的通信 网可靠性评估模型及其模拟仿真并给出仿真结果的分折。 第五章引出光网络生存性的研究，介绍了有关光网络生存行的概念、分类和发展，同时 引出了光网络生存性技术中非常重要的自愈技术、自愈环技术等等。接着，就具体的光传送 网的生存性做了些讨论，然后给出了有关光网络多层结构生存性的概念以其一些研究发展n 晟后是对光网络生存性发展趋势的展望a 在全文的攮后对本论文的全部内容进行总结。 璺三兰垄型堡里壅丝堂苎茎查差型 第二章光网络可靠性评估技术基础 在光网络可靠性f f j 珂i ：究中，出现了许多数学方法。实际上通信网络可靠性理论研究的 两个最核心的问题，一是如何计算鼹络保持连通的概率，即可靠性的计算问题；二是系统可 靠性的最优化问题。网络连通概率的计算是个n p 完全问题。在计算机学科中，存在多项 式时间算法的一类问题称之为p 类闯题；两像梵塔问题、推销员旅行闰题、( 命题表达式) 可满足问题这类，至今没有找到多项式时间算法解的类问题称之为n p 类问题。如果判 定问题n p 并且对所有其他判定问题e n p ，都有多项式变换到硝记为叫嘎则称 判定问题是n p 完全的，即n p 完全问题。因此对这一论题的研究目前基本上还j = 限于几 粪节点数很少豹特殊网络这就严重影响了相关成果的实际应用。弥补这缺陷的主要途径 有二，一是利用近似分析的方法给出系统可靠性的上界与下界；二是利用概率统计技术对系 统可靠性做出估计。系统可靠性昂优化问题也称网络综合性分析传统的研究方法有动态规 划，l a r a n g e 乘子法，梯度法启发式方法几何规划以及整数规划等。近年来随着神经 网络与进化计算技术的发展网络综台性分析的研究得到了长足发展。本章，2 1 节介绍了 可靠性数学的基础理论。2 2 节介绍了研究网络可靠性所需的图论的原理。2 3 节针对当今网 络可靠性研究的现状，对研究通信网可靠性的数学方法做了一个归类。2 4 节是对本章小结。 2 1 可靠性数学基础 一个产品的可靠性定义为产品在给定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。 研究可靠性的对象大致可分为两类：一类为不可修复系统：另一类为可修复系统。所谓 不可修复系统就是该系统一旦启用。直到损坏或失效为止。这种系统只有两个状态：一为运 行，另一为失效：而且只有运行状态向失效状态转移一种可能。一旦失效，就不会再回到运 行状态。这是最基本也是屉简单的研究对象。一般元器件属于这一类，但也不排除某些部件 或更大的系统。但是，一般来说对于一个大型的设备而言，不能一出故障就丢弃t 而且要把 它修复再使用。这就是所谓的可修复系统，状态仍可规定为两个即正常运行和出故障或失 效。此时，h i 但能从运行状态转移到失效状态而且还能从失效状态转移到正常运行状态“。 第二章光网络可靠性评估技术基础 2 1 1 可修复系统可靠性 可靠度为在给定条件下和规定时间内产品完成规定功能的概率。一个可修复产品的可靠 度可以用r 表示，它是时间的函数故也记为r ( t ) 。称为可靠度函数。可用度为a ，不可 用度u = 1 a 。 已工作到时刻t 的产品，在时刻t 后的单位时间内发生失效的概率称为该产品在时刻t 的失效率函数，简称失效率，记为a ( f ) 。 如图2 1 所示如果用随机变量t 表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，其概 率密度为f ( t ) 如a ) 图所示，若用t 表示某一指定时刻则该产品在该时刻的可靠度为 r ( t ) = p ( t t ) ；r “f ( t ) d t ( 2 1 1 ) j t 对于不可修复的产品，可靠度的观测值是指直i 规定的时间区问终了为止，能完成规定 功能的产品数与在该区间开始时投入工作产品数之比。即 噼等卟半 c zm ， 式中：n 开始投入工作产品数。 n 。( t ) 到t 时刻完成规定功能产品数即残存数。 m ( t ) 到t 时刻未完成规定功能产品数。即失效数。 l 0 0 f ( t ) t b ) 平均寿命是寿命的平均值，对不可修复产品常用失效前平均时间，一般记为m t t p 。它 表示无故障工作时间t 的期望e ( t ) 或简记为t 。 如已知t 的概率密度函数为f ( t ) ，则 1 2 、一 叠 第二章兆网络可靠性评估技术基础 经分部积分后也可求得 i = e f r ) t ”t f ( t ) d t 孓r ( t ) d t ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 2 1 2 可修复系统可靠性 对于可修复产品，我们常用平均无故障工作时阃来表示它的平均寿命，一般记为m t b f 。 计算方法与不可修复产品的刊算方法一样 m t b f = e f r ) 2 上。t f ( t ) d t 。平均故障修复时 间则用m t t r 最述。 已工作到时刻t 的产品，在时刻t 后的单位时间内被修复的概率称为该产品在时刻t 的 修复率函数，简称修复率记为“t ) 。 如若产品的失效率和修复率都为常数的情况下。部件的可靠度可记为： r = 击雕r = 而面m t 丽b f 丽 ( 2l 入+ um 。i b f + m 。i “i 。r 由上述公式可看出，要增大系统的可靠度，降低a 或增加m t b f 非常重要但是降低 m t t r 或增加“也会起到重要作用“”。 2 1 3 系统的可靠性 一个系统，如果至少一个部件故障即导致整个系统故障，或者说只有全体部件都正常系 统才正常，这样的系统就叫做串联系统。假若串联系统共有n 个部件且各部件相互独立， 则有串联系统可靠度为： r s = 兀r ( 2 1 - 6 j 2 i 对于n 个部件构成的系统，若至少一个部件正常系统即正常，或言，必须n 个部件都故 障系统才故障，这样的系统就叫做n 部件并联系统。则有n 部件并联系统的可靠度为： r s = l 一兀 1 - r 。】 ( 2 l 7 ) i - ! 对于一个n 部件系统而言，若至少有r 个部件正常系统即正常的系统，这种系统即在许 第二章光剧络可靠性评估技术基础 多工程领域都能经常碰到的所i 日n 中取r 系统对于n 个部件相同时，可靠度均为r 。则 此系统的可靠度为“： r s = c ：r ：( 1 一r 。) ”。 ( 2 1 8 ) k 。r 2 1 i4 产品的失效规律 人们经过各种产品的使用和实验得到了大量失效数据资料，对这些资料进行统计分析 后，发现产品的失效率曲线与人的死亡率曲线相似：两头高，中间低，如图2 2 所示： 失效率 0 早期失效期偶然失效期耗损失效期 图2 2 浴盆曲线 t 浴盆曲线明显地分为兰段对应着产品的三个时期： ( 1 )早期失效期 早期失效期出现在产品开始工作时期，其特点是产品的失效率比较高，但随 着产品工作时间的增加，产品的失效率迅速降低这一时期产品失效的原因 主要有设计错误、工艺缺陷、装配上的问题或是由于质量检验不严等。新产 品在研究和试制阶段所出现的失效多数是早期失效。由于早期失效期阶段产 品的失效率比较高所以工厂中采用筛选的方法剔除一批不合格品以减少 出一产品的早期失效。 ( 2 )偶然失效期 偶然失效弼是产品的正常工作时期其特点是产品的失效率较低且稳定，可 近似地把它看成一个常数。在这个时期内产品失效常常是由于条件的突变 促使潜在的隐患突发所致。在这一阶段要尽力做好产品的维护和保养工作， 1 4 第二章光网络可靠性评估技术基础 使这一段时问尽量延长。 ( 3 ) 耗损失效期 耗损失效期是在产品的使用后期。产品由于长期消耗、磨损、疲劳和老化， 使产品的性能下降，失效迅速增加。这一时期的特点是产品的失效率随时间 的延长而急速增长。预防损耗失效的办法是掌握元部件损耗期进行定期更换， 努力发展长寿命的元部件。以延长产品的使用寿命期“”。 由于系统元部件的这种浴盆效应厂家经常通过加电等手段促使产品在出，一时就已经进 入稳定的偶然失效期。系统元部件的失效。有几种常见的分布如：二项分布、泊松分布、 指数分布、正态分布、对数正态分布、伽马分布和威布尔分布等等，在考虑一般情况下的网 络可靠性时，都可以借助这些常见的数学分布模型来计算。 2 2 图论基础 2 2 1 基本概念 在图论中所谓的图是指某类具体事物和这些事物之问的联系。如果我们用点表示具体事 物，用线段表示两个具体事物之间的联系。那么，一个图就是由一个表示具体事物的点的集 合和表示事物之间骚系的线段的集合所构成。这些点称为图的顶点或节点，线段称为边或支 路。假设i ，j 是两个顶点。如果i 。j 之间有联系，那么i 和j 之问有一条边用( i j ) 或i j 表示这条边，i j 称为这条边的端点。 图的定义：一个图g 定义为一个偶对( v ，e ) 记作g = ( v ，e ) 其中 1 ) v 是一个集合，它的元素称为顶点； 2 ) e 是无序积v & v 的一个子集合。其元素称为边。集合v & v 中的元素可在e 中出现不 止一次。 我们分别用v ( g ) 和e ( g ) 表示图g 的顶点集合与边集合。如果v ( g ) 和e ( g ) 都 是有限集合则g 称为有限图；否则称为无限图“。 设g - = ( v ne 1 ) g z = ( v ：，) ，若有矿l c v 2 和e lc e