（通信与信息系统专业论文）光传送网资源规划算法的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的高速发展，用户对图像、音频、视频等多媒体信息的需求量 急剧上升，对网络带宽的需求和对网络的高速互联正在成为令人瞩目的问题。光 传送网( o p t i e a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 由于能够提供大量的带宽和高速的传输 速率而得到了快速的发展和广泛的应用。对光传送网的网络规划也成为了一个研 究的热点。光传送网是一个多层的网络，在各个层次有不同的网络技术。其中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 ，同步数字体系) 和w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 是光传送网使用的主要技术。如何对s d h 网络和w d m 网络进行容 量设计成为网络规划的一个重点。 本文针对多模块条件下的s d h 网络容量设计问题，w d m 网络中层间容量混 合共享的问题进行了相关研究。 在本文第二章，作者研究了网状s d h 网络中多模块下的最优容量设计问题： 包括多模块的优化组合，路由与模块化的关系对成本的影响。并提出了基于多模 块的最优容量设计算法，该算法能够快速计算一种优化的多模块组合，通过引导 业务路由来产生这种优化组合以达到减少成本的目的。 在本文第三章，作者研究了多层网络中层间容量混合共享的机制，给出了上 层保护业务的备份l s p ( b a c k u pl a b e ls w i t c h i n gp a t h ) 与工作光路( w o r k i n g l i g h t p a t h ) 共享的约束条件，并提出了相应的算法。该算法通过引导上层保护业务 的备份l s p 路由来使其与工作光路共享资源，从而达到节省网络资源，提高网络 性能的目的。 在本文第四章，作者研究了多层网络中保护光路( b a c k u pl i g h t p a t h ) 的层间 共享机制，给出了保护光路可以与上层保护业务的工作l s p 实现容量共享的约束 条件，并提出了相关的算法。该算法通过合理设计链路权重使保护光路尽可能与 工作l s p 共享，从而有效地节省备份资源。 本文对所提出的三种算法都进行了仿真，仿真结果表明三种算法性能良好。 在第五章，叙述了作者进行光网络资源规划研究时开发的仿真软件平台，给 出了重要模块结构以及伪码。最后是全文总结。 关键词：容量设计，多模块化，层间混合共享，网络规划，生存性 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 fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l e sd e m a n d so fm u l t i m e d i a i n f o n u a t i o ns u c ha sg r a p h i c s ，a u d i oa n dv i d e oi n c r e a s ei nah i g h l ys p e e d h o wt os a t i s f y t h en e e df o rh u g en e t w o r kb a n d w i d t hi sa l li m p o r t a n tp r o b l e m f o rt h i sr e a s o n , o t n ( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 、加也h u g eb a n d w i d t hd e v e l o p sr a p i d l y h o wt op l a no t n i na l le c o n o m i ca n de f f e c t i v ew a yi sah o ts p o ti nr e s e a r c hf i e l d a sam u l t i l a y e r n e t w o r k , o t ni n c l u d e sd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e so nd i f f e r e n tn e t w o r kl a y e r s ，e g ，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 ) ，m p l s ( m u l t i p l ep r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n g ) ，a n d 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 ) i no t n n e t w o r kp l a n n i n g , t h ep r o b l e mo f c a p a c i t yd e s i g nf o rm u l t i - l a y e rn e t w o r k sn e e d s t ob ec a r e f u l l yc o n s i d e r e d i f lt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o rs t u d i e st w oc a s e si no t nn e t w o r kp l a n n i n g ：s d h n e t w o r kc a p a c i t yd e s i g nu n d e rt h ec o n s t r a i n to fm u l t i - m o d u l a rr e s t r i c t i o na n di n t e rl a y e r m i x e ds h a r i n gi nm p l so v e rw d mn e t w o r k s i nc h a p t e r2 ，t h ea u t h o rs t u d i e ss d hm e s hn e t w o r kc a p a c i t yd e s i g na sf o l l o w i n g ： p o s t - m o d u l a r i z a t i o n , p r o g r e s s - m o d u l a r i z a t i o n a n dm u l t i - m o d u l a r o p t i m i z e d c o m b i n a t i o n t h ea u t h o rp r o p o s e saf a s th e u r i s t i ca l g o r i t h mn a m e dm u l t i - m o d u l a r o p t i m a lc a p a c i t y ( m m o c ) i nc h a p t e r3 ，t h ea u t h o ri n v e s t i g a t e sb a c k u pr e s o u r c e sm i x e ds h 撕n gb e t w e e nt w o d i f f e r e n tl a y e r s ，p r e s e n tt h er u l e so fc o m n l o nw a v e l e n g t hr e s o b i c e ss h a r i n gb e t w e e n b a c k u pl s pa n dw o r k i n gl i g h t p a t h ，a n dp r o p o s e san o v e la l g o r i t h mn a m eb l s w l ( b a c k u pl s ps h a r i n gw o r k i n gl i g h t p a t h ) i nc h a p t e r4 ，t h ea u t h o rp r o p o s e san e wa l g o r i t h mc a l l e dw l s b l ( w o r k i n gl s p s h a r e db a c k u pl i g h t p a t h ) ，i nw h i c hb a c k u pl i g h t p a t hc a ns h a r er e s o u r c ew i t hw o r k i n g l s eb yd e s i g nt h el i n kw e i g h tr e s o n a b l e l y , w l s b lm a k eb a c k u pl i g h t p a t hs h a r e r e s o u r c ew i t hw o r k i n gl s pa sf a ra sp o s s i b l ea n df i n a l l ya c h i v et h eg o a lt os a v et h e b a c k u pr e s o u r c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h ep r o p o s e da l g o r i t h m sp e r f o r m a n c e w e l l c h a p t e r5d e s c r i b e st h es i m u l a t i o np l a t f o r ms o f t w a r ew h i c hi sd e v e l o p e db yt h e i i a b s t r a c t a u t h o r m o d a ls t r u c t u r ea n ds o m ep s e u d oc o d e sa r eg i v e nt o o k e y w o r d s ：c a p a c i t yd e s i g n , m u l t i - m o d u l e ，i n t e rl a y e rs h a r i n g , s u r v i v a b i l i t y i i i 缩略语表 a g a r m b l s p b l p b l s w l w l s b l b l s p s b l s d 、v d m e d 王0 f m m c o 口 i t u i l p i e t f l s p m p l s m m o c o t n p d h p m m h n r q o p q o s s t m s o n e t 缩略语表 a u x i l i a r yg r a p h a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b a c k u pl a b e ls w i t c h e dp a t h s 辅助图 异步传输模式 备份l s p b a c k u pl i g h t p a t h 保护光路 b a c k u pl s ps h a r i n gw o r k i n gl i g h t p a t h备份l s p 共享工作光路 w o r k i n gl s p s h a r e db a c k u pl i g h t p a t h工作l s p 共享保护光路 b a c k u pl s ps h a r i n g备份l s p 共享 b a c k u pl i g h t p a t hs h a r i n g保护光路共享 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 密集波分复用 e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r 掺铒光纤放大器 f a s tm u l t i m o d u l a rc o m b i n a t i o n 多模块组合快速优化 o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m 算法 i n t e r n e tp r o t o c o l 网际协议 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电信联盟 i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g 整数线性规划 i n t e r n c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i n t e r n e t 工程任务组 l a b e ls w i t c h e dp a t h s 标签交换路径 m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g 多协议标签交换 m u l t i m o d u l a ro p t i m a lc a p a c i t y 多模块最优容量设计 a l g o r i t h m 算法 o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k 光传送网 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 准同步网 p o s t m o d u l a r i z e dm i n i m u mh o p 基于最小跳路由的 n u m b e rr o u t i n g 后模块化算法 q u a l i t yo fp r o t e c t i o n 保护优先级 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 同步转移模式 s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k 同步光网络 v 缩略语表 s d h s s r t d m v p n w d m w l s p 唧 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 u c c e s s i v es u r v i v a b l er o u t i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g v l r t u a lp f i v a t en e t w o r k 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 o r k i n gl a b e ls w i t c h e dp a t h s w o r k i n gl i g h t p a t h v i l l 同步数字体系 可生存路由 时分复用 虚拟专用网 波分复用 工作l s p 工作光路 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。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名： 导师签名：查至：鱼 日期：弘乃夕年月厂 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着互联网的快速发展，对以电话为主的传统电信网络带来了巨大的冲击。 传统网络的速率和带宽已不能满足迅速增长的用户需求和适应多媒体通信的应 用，光传送网由于能够能提供大容量、高速率、长距离的信息传输而得到了迅猛 的发展。 光传送网( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k , o t n ) 使用的主要技术是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 ) 和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。s d h 偏重于业务的电层处理，具有灵活的调度、管理和保护能力。w d m 技 术以业务的光层处理为主，多波长通道的传输特性决定了它具有提供大容量传输 的天然优势。 在光传送网中，s d h 和w d m 都已经应用的十分广泛。本章首先简要介绍了 s d h 网络，m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b ds w i t c h i n g ) 网络和w d m 网络，然后叙述 了s d h 网络的容量设计问题和w d m 网络的生存性问题，最后是全文的组织结构 和在s d h 网络容量设计以及w d m 网络生存性方面的研究贡献。 1 2 传送网络简介 1 2 1s d h 网络 近年来，i n t e r n e t 的迅猛发展带了了一场革命，推动了音频、视频、数据业务 的融合统一。随着信息技术的高速发展，用户对多媒体信息的需求量急剧上升， 对网络带宽的需求和对网络的高速互联成为令人瞩目的问题。以光纤为代表的大 容量传输技术，要求准同步网( 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 ，p d h ) 向更高的 速率发展，但实践中也暴露出来p d h 的局限性，其表现为： ( 1 ) p d h 是逐级复用的，当要在传输节点从高速数字流中分出支路信号时， 虚配备背对背的各级复分接器，分支插入电路不灵活； ( 2 ) p d h 各级信号的帧中预留的开销比特很少，不利于传送操作管理和维护 电子科技大学硕士学位论文 信息，不适应电信管理网的需要； ( 3 ) p d h 中1 5 m b i t s s 与2 m b i t s s 两端系列难以兼容互通； ( 4 ) 更高次群如继续采用p d h 将难以实现； ( 5 ) p d h 在各支路信号同源时仍需塞入脉冲来调整速率，不能从将来的p d h 网络过渡到同步网而得到好处，也不利于向宽带综合业务数字网发展。 2 0 世纪8 0 年代以来，光纤通信技术发展循序，已达到的传输容量越来越大， 但就其潜力而言也仅仅是开发了很小的一部分，带宽的节省不再是选择速率的主 要出发点，重要的是网络运用的灵活性、可靠性、维护管理方便以及对未来发展 的适应性。基于这一想法并针对p d h 的缺点，美国b e l l c o r e 在1 9 8 5 年提出了同步 光纤网( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ，s o n e t ) 的设想，在此基础上i t u t ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 于1 9 8 8 年提出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 ) 的建议，并与1 9 9 0 年和1 9 9 2 年两次修订完善，形成一套s d h 的标准。 s d h 帧结构克服了p d h 的不足，与传统的p d h 相比较，s d h 有如下的特点： ( 1 ) 统一的比特率：在p d h 中，世界上存在着欧洲、北美及日本三种体系的 速率等级。而s d h 中实现了统一的比特率。此外还规定了统一的光接口标准，因 此为不同厂家设备间互联提供了可能。 ( 2 ) 极强的网管能力：在s d h 帧结构中规定了丰富的网管字节，可提供满足 各种要求的能力。 ( 3 ) 自愈保护环：在s d h 设备还可组成带有自愈保护能力的环网形式，这样 可有效地防止传输媒介被切断，通信业务全部终止的情况。 ( 4 ) s d h 技术中采用的字节复接技术。 基于s d h 体制所开发的各种传输设备，能够从根本上解决网络中面临的容量、 质量、网管、安全等问题。由于s d h 设备具有种类多样，电路调度管理灵活，网 管能力强等优点，使得在网络组织上有了更多的选择余地。 改善服务质量和降低维护成本一直是电信运营部门所追求的目标。电信部门对 新入网设备的操作灵活性、设备可靠性及维护自动化程度等方面都较以前有了更 高的要求。s d h 传送网做为电信基础网，完善的s d h 管理系统对全网的服务质量 和维护成本有着深刻的意义。和以往的p d h 传输系统相比，s d h 技术在起帧结构 中安排了相当丰富的开销字节用于网络的管理。 2 第一章绪论 由于以上所述的s d h 的众多特性，使其在城域网领域和专用网领域得到了巨 大的发展。各大电信运营商都已经大规模建设了基于s d h 的骨干光传送网络。利 用大容量的s d h 环路承载i p ( i n t e i - n e tp r o t o c 0 1 ) 业务、a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e r m o d e ) 业务或直接以租用电路的方式出租给企、事业单位。而一些大型的专用网 络也采用了s d h 技术，架设系统内部的s d h 光环路，以承载各种业务。比如电 力系统，就利用s d h 环路承载内部的数据、远控、视频、语音等业务。 而对于组网更加迫切、而又没有可能架设专用s d h 环路的单位，很多都采用 了租用电信运营商电路的方式。由于s d h 基于物理层的特点，单位可在租用电路 上承载各种业务而不受传输的限制。承载方式有很多种，可以是利用基于t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的综合复用设备实现多业务的复用，也可以利 用基于p 的设备实现多业务的分组交换。s d h 技术可真正实现租用电路的带宽保 证，安全性方面也优于v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) 等方式。在政府机关和对安 全性非常注重的企业，s d h 租用线路得到了广泛的应用。一般来说，s d h 可提供 各种接口，完全可以满足各种带宽要求。同时在价格方面，也已经为大部分单位 所接受。 s d h 作为光传送网的重要部分，具有路由自动选择能力，上下电路方便，维 护、控制、管理功能强，标准统一，便于传输更高速率的业务等优点，能很好地 适应通信网飞速发展的需要。迄今，s d h 得到了广泛的应用与发展。在标准化方 面，已建立的一系列建议已经基本上覆盖了s d h 的方方面面。在干线网和长途网、 中继网、接入网中它都得到了广泛应用。 近些年，点播电视、多媒体业务和其他宽带业务如雨后春笋般纷纷出现，为 s d h 应用在接入网中提供了广阔的空间。s d h 技术应用于接入网的好处是：1 ) 对于要求高可靠、高质量业务的大型企事业用户，s d h 可以提供较为理想的网络 性能和业务可靠性。2 ) 可以将网管范围扩展至用户端，简化维护工作。3 ) 利用 s d h 固有灵活性，可使网络运营者更快、更有效地提供用户所需的长期和短期业 务需求。 随着网络的发展，s d h 技术已经为终端用户提供了各种宽带服务，并且在迎 接多媒体、因特网、全光网络带来的机会和提出的挑战中，将得到更加广泛的应 用。 综上所述，s d h 已成为传送网的重要组成部分。s d h 技术与一些先进技术相 结合，如光波分复用( w d m ) 、a t m 技术、i n t e r n e t 技术( i po v e rs d h ) 等，使 电子科技大学硕士学位论文 s d h 网络的作用越来越大。 1 2 2m p l s 网络 多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，简称m p l s ) 是一种在开放的 通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。多协议的含义是指m p l s 不但可以支持多种网络层层面上的协议，还可以兼容第二层的多种链路层技术。 它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式的特性；其主要优点是减 少了网络复杂性，兼容现有各种主流网络技术，能大大降低网络成本，在提供口 业务时能确保q o s 和安全性，具有流量工程能力。此外，m p l s 能解决v p n 扩展 问题和维护成本问题。m p l s 属于第三代网络架构，是新一代的p 高速骨干网络 交换标准，由t f 所提出，由c i s c o 、a s c e n d 、3 c o r n 等网络设备大厂所主导。 在m p l s 里数据包通过虚拟电路来传送，只须在o s i 第二层( 数据链结层) 执行 硬件式交换( 取代第三层( 网络层) 软件式路由) ，它整合了p 选路与第二层标记 交换为单一的系统，因此可以解决i n t e r n e t 路由的问题，使数据包传送的延迟时间 减短，增加网络传输的速度，更适合多媒体信息的传送。因此，m p l s 最大技术特 色为可以指定数据包传送的先后顺序。m p l s 使用标记交换( l a b e ls w i t c h i n g ) ， 网络路由器只需要判别标记后即可进行转送处理。 m p l s 的技术特点： ( 1 ) m p l s 简化了分组的转发：基于定长短标签定完全匹配，使得m p l s 易 制造高速路由器。 ( 2 ) m p l s 支持有效的显式路由( e x p l i c i tr o u t i n g ) 显式路由在网络负荷调 节，保证o o s 要求等方面起着重要作用；传统i p 网络中，每个分组头都携带显式 路由是不可能的；m p l s 只是在l s p 建立时使用使得m p l s 显式路由可行。 ( 3 ) m p l s 有利于实现流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) ( 4 ) m p l s 支持q o s 选路：q o s 选路是指对特定的数据流，按其q o s 要求来 为它选择路由的方法。 ( 5 ) 从口分组到转发等价类的映射：m p l s 只需要在其域的入口进行次从 i p 分组到f e c ( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ，转发等价类) 的映射，使得p 分组 到f e c 的复杂转换得以简化。 ( 6 ) m p l s 支持多网络功能划分：m p l s 引入了标记粒度的概念，使其能分 4 第一章绪论 层地将处理功能划分给不同的网络单元，让靠近用户的网络边缘节点承担更多的 工作；与此同时，核心网络则尽可能地简单。 ( 7 ) m p l s 实现了用户不同服务级别要求的单一转发规范。 ( 8 ) m p l s 提高了网络扩展性：传统的口与a t m 结合是依靠中间层的翻译， 这种方式带来了一系列的后果，如虚电路的“n 的平方问题，m p l s 通过减少对 等实体的数量、去掉路由器之间全网格状的n 频繁逻辑链路连接，提高了可扩展 性。 m p l s 作为网络的核心技术已经被大量运用到网络运营商的全国骨干网及各 省市的城域网建设中，一些大型的园区网、企业网甚至也将m p l s 技术用于组建 v p n 网络等应用中。 随着光波长路由技术的进一步发展，以及标准化工作的不断深入，光波长路由 器间交换控制信息和建立光通路所用的协议m p 入s ( 多协议波长交换) 将逐渐可 以与口层面的m p l s ( 多协议标记交换) 互通，从而为光网络网络建立起统一的、 开放的、标准的控制平面提供了可能。运营商也已纷纷在其网络中部署m p l s 设 备，以适应城域网数据业务的需求以及未来承载3 g 业务的需求。 1 2 3w d m 光网络 s d h s o n e t 是一个流行的光网络，但是，随着波分复用技术的飞速发展和应 用，s d h s o n e t 系统的缺点变得越来越明显，即它是单波长系统。 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 i n g ) 技术是把不同波长的光信号复用到 一根光纤中进行传送( 每个波长承载一个t d m 电信号) 。 波分复用是一种光纤传输技术，这种技术在一根光纤上使用不同的波长传输多 种光信号。现在，在为远程通信设计的高端w d m 系统中，每种光信号( 通常是 指一个信道或一种波长) 最多可以达到2 5 0 p s 或1 0 g b p s 的传输速率。当前的系 统能够支持3 2 到6 4 个信道，厂商承诺将在不久的将来提供支持9 6 信道或1 2 8 信 道的系统。这将使得一根光纤就能够传送几百g p s 的信息。密集波分复用( d w d m ) 一词经常被用来描述支持巨大数量信道的系统，在这里，“密集”没有明确的定义。 相反，在一根光纤上使用两个或者四个信道有时也被称为w d m 。 波分复用( w d m ) 是光纤通信中的一种传输技术，它利用了根光纤可以同 电子科技大学硕士学位论文 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。通信系统的设 计不同，每个波长之间的间隔宽度也有差别，按照通道间隔差异，w d m 可以细分 为w - w d m 、m w d m 、d w d m 。 可以将一根光纤看作是一个多车道的公用道路，传统的t d m 系统只不过利用 了这条道路上的一条车道，而使用d w d m 技术，类似于利用公用道路上尚未使 用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。 w d m 发展迅速的主要原因在于： ( 1 ) 光电器件的迅速发展。 ( 2 ) t d m1 0 g b s 面临着电子元器件响应时间的挑战。 ( 3 ) 光纤色散和偏振模色散限制了1 0 g b s 的传输。 9 0 年代初，e d f a ( 掺铒光纤放大器) 的迅速商用化解决了w d m 复用器带来 的插入损耗问题。e d f a 能提供的功率增益约为4 0 d b ，更重要的是，e d f a 放大 的波长窗口，足以容纳很多路相互间隔的不同波长一同得到功率增益，这对波分 复用( w d m ) 系统的应用非常有益。 经过多年的发展，制造商已推出了w d m 系统，也叫d w d m ( 密集波分复用) 系统。d w d m 可以支持1 5 0 多束不同波长的光波同时传输，每束光波最高达到 1 0 g b s 的数据传输率。这种系统能在一条比头发丝还细的光缆上提供超过1 t b s 的数据传输率。 d w d m 技术奠定了由电网络演进至光网络之基础，传统的电网络( e l e c t r o n i c n e t w o r k i n g ) 无法直接在光层( o p t i c a ll a y e r ) 进行多工( m u l t i p l e x i n g ) 、切换 ( s w i t c h i n g ) 、或路由改接( r o u t i n g ) 等动作，在网络节点需使用光电转换设备将光信 号转换为电信号再将电信号转回光信号，如此一来总体传输速率会因使用光电转 换设备而受到限制，无法将光纤与生俱来无限频宽的潜力好好发挥。 以d w d m 为机制之光网络可直接在光层作信号之运作来解决上述问题，因此 克服了传统传输瓶颈而带来了“v i r t u a lf i b r e 的观念，将既有光纤作最有效率的利 用。 d w d m 有以下的优点： ( 1 ) 网络多样化的服务：d w d m 和传送速率( b i t er a t e ) 及规约( p r o t o c o l s ) 无关， 也就是说可提供和服务形式完全无关的传送网络，例如：一个对传送速率及规约 6 第一章绪论 完全透通( t r a n s p a r e n t ) 的d w d m 网络可和a t m 、i p 、s d h 等信号介接，提供网络 多样化的服务。 ( 2 ) 降低成本、提升服务品质：由于在光层进行信号的指配或调度，相较于 传统上在电层的频宽调度来的更简单而有效率，可减少费用支出。另外在网络上 光纤被切断( c a b l ec u t ) 或光信号故障时，可在光层进行信号保护切换或网络路由回 复( r e s t o r a t i o n ) 的动作，相对于传统上在电层作回复的动作其切换时间较短，使网 络的可用度( a v a i l a b i l i t y ) 提高而改善服务品质。 ( 3 ) 提升传输距离及增加网络容量：高速的s t m 6 4 ( s y n c h r o n o u st r a n s f e r m o d e ) t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 传输上的最大问题在于光纤的分散 ( d i s p e r s i o n ) 现象严重，对于传送的光信号会产生劣化效应，因此，若不使用电子 式再生器或其他补偿技巧，理论上s t m 6 4 信号可在g 6 5 2 光纤内传送约6 0 公里。 若以8 个波长的d w d m 技术传送，每个波长为2 5 g b s 的信号，其传输容量可为 2 0g b s ，其传输距离可达6 0 0 公里以上而不需电子式再生器，而需要光放大器。 服务供应商使用d w d m 系统更可以带来以下好处： ( 1 ) 解决带宽危机：面对通信中的闽题：日益增长的服务需求、光缆余量用 尽、统一的层次型带宽管理等。服务供应商必须找到一条在经济上可行的解决方 案。降低光缆耗用率的一个显而易见的措施就是铺设更多的光缆，对那些铺设新 光缆的成本可以保持最低的网络来说，这一措施可以证明是最为经济的解决方案。 但是，铺设新光缆却并不能促使服务供应商一定能提供新型服务，或者也不能让 运营商们获得光传输层带宽的统一管理能力。 ( 2 ) 容量扩充和灵活性：d w d m 服务供应商还可以选择的方式就是密集波分 复用_ d w d m 技术。d w d m 首先把引入的光信号分配给特定频带内的指定频 率( 波长，l a m b d a ) ，然后把信号复用到一根光纤中去，采用这种方式就可以大大 增加已铺设光缆的带宽。由于引入信号并不在光层终止，接口的速率和格式就可 以保持独立，这样就允许服务供应商把d w d m 技术和网络中现有的设备集成起 来，同时又获得了现有铺设光缆中没有得以利用的大量带宽。 ( 3 ) 容量扩充潜能：采用d w d m ，服务供应商可以建立一种“随心所欲增长 带宽 的网络，可以让他们增加当前和未来新一代t d m 系统以实现事实上无休止 的网络扩张。d w d m 还可以让服务供应商灵活地扩充其网络中的任意部分，这是 任何其他技术所不能提供的绝对优势。运营商还可以籍此解决因为高带宽需求而 产生网络拥塞地区的带宽问题。在两节点之间存在多环交叉而产生光纤冗余的地 7 电子科技大学硕士学位论文 区，该技术大有用武之地。 ( 4 ) d w d m 增量性增长：d w d m 网络设计目标是：为急于解决用户日益增 长的带宽需求问题的服务供应商提供漂亮的网络拓展方案。由于d w d m 网络可以 实现必要的容量扩张能力，所以。铺设该技术下的基础网络可以视为解决以上问 题的最佳解决方案。对d w d m 采用增量增长步骤，服务供应商就有可能在部署长 期运营的网络同时减低其初始成本。 总之，w d m 光网络一直是研究的热点，而w d m 光网络的生存性更是研究的 重点。 1 3s d h 网络规划问题 要讨论网络容量设计问题，就要先讨论网络规划( n e t w o r kp l a n n i n g ) 。网络 规划这个术语本身在文献中没有明确定义。但它跟文献中讨论的网络设计 ( n e t w o r kd e s i g n ) 问题和网络路由( n e t w o r kr o u t i n g ) 问题都相关。而从数学上 讲，这两种问题都可归结为多商品流( m u l t i c o m m o d i t y n e t w o r kf l o w ，简称m c n f ) 问题。 有两个重要的区分这些模型的参考指标。一是看网络的拓扑是否给定：二是 看边的容量是否给定( 即有无容量约束，有容量约束称为e a p a c i t a t e d ，反之，称为 u n c a p a e i t a t e d ) 。如果网络拓扑给定，边的容量给定，优化目标是路由的代价最小， 这就是“网络路由 问题。如果网络的拓扑没有给定，边的容量没有给定，优化 目标是使得最终求解出来的网络拓扑以及边的建设代价最小，并且在这个拓扑上 求出的路由代价最小，这就是“网络设计”问题。本文中的“网络规划 问题是 在给定网络拓扑、但不给定边的容量的情况下，求解最佳路由，使得在满足给定 业务需求的条件下，网络建设代价( 实际上是边的容量建设代价，没有考虑从无 到有地建设这条边的代价) 最小化。 从数学上讲，多商品流问题至少有两种不同的模型。一种称为最大m c n f 问 题，即最大化所有节点对之间的商品流的总流量( 这实际上是单商品流情况下最 大流问题的拓展) ；另一种称为最小代价m c n f 问题，即寻找满足所有节点对之 间需求的最佳的流量安排方式，并且不能超过每条边上的预设容量限制。从这两 个定义不难看出，本文所讨论的网络规划问题与最小代价m c n f 问题相关。另外， 需要指出的是，最小代价m c n f 问题从本质上看是“网络路由”问题，不是“网 第一章绪论 络设计问题。但是，从下面的模型描述中可以看到，通过适当的拓展，最小代 价m c n f 模型也可以用于描述网络设计问题。 最小代价m c n f 问题有许多可能的变形。其中比较重要的两个特殊形式是“非 线性 规划问题和整数规划问题。非线性的m c n f 问题是指优化目标是决策变量 的非线性函数。这种情况下，许多针对线性规划的方法不能使用，必须发展新的 优化技术。另一种特殊形式是决策变量都必须是整数的情况。这种情况下的求解 往往借助传统的求解整数规划的方法( 例如分支定界、割平面等) 来划分子问题。 而对每个子问题都按照无整数约束的方法来求解。 s d h 网络规划问题是一个线性代价的最小代价m c n f 问题，即已知网络拓扑 和业务需求，在满足网络设备约束下使得网络的总成本最小。优化目标网络总成 本最低包括链路成本和节点设备成本。其中链路成本取决于链路上所使用的光纤 类型、光纤数目、光纤长度、光纤的成本和光纤终端的成本。节点设备成本取决 于交叉容量矩阵。 s d h 网络中业务类型分为级联和虚级联业务，每个业务的保护类型可以为专 用保护、共享保护和无保护。每个业务的大小是不同的，可以是1 个v c 4 或者多 个v c 4 。每个业务需考虑路径约束、分离约束和路由约束。整个网络需考虑节点 的设备能力限制和链路资源利用率限制。 其中，业务的多约束路由限制包括：幻工作路或保护路的单条路由需要满足 的约束b ) 同一业务的工作路与保护路间需要满足的约束c ) 关联业务工作路与工 作路间需满足的约束。 s d h 网络规划问题的几个难点t 1 级联业务和非级联业务的混合存在：级联业务需捆绑寻路和分配连续时隙， 不允许跨不同的光纤；非级联业务捆绑寻路和分配任意时隙。链路的模块化就使 得级联业务的连续时隙分配变得困难，装到哪条光纤上使得碎片少是个策略。所 以非级联业务的时隙分配很好处理，但级联业务就需要仔细设计。 2 多种业务类型、业务大小混合存在下的共享保护：同种业务类型下相同业务 大小的静态共享保护最优资源分配问题就是一个技术难点。而在不同需求大小的 级联业务之间、非级联业务之间、级联业务与非级联业务之间都存在备份资源的 共享。这种级联与非级联以及不同业务大小的混合存在就给共享保护设计带了更 多的问题：级联业务的备份资源必须是连续时隙的，因此对级联业务而言，备份 资源能否共享除了判断对应的工作路是否分离外，还需看备份资源是否是连续时 9 电子科技大学硕士学位论文 隙的。这个要求使得级联业务之间共享和级联与非级联业务之间的共享需要仔细 考虑。业务大小的不同使得一个大业务的备用资源可能被分成多个碎片与其他小 业务之间共享资源。需要记录的信息很多。 3 链路容量的离散化和多种光纤类型的混用：导致链路的代价结构不是一个线 性函数；给级联业务的时隙分配带来了困难。原因在于：级联业务的时隙分配不 允许跨光纤，所能分配时隙不是s p a n 的整个容量，而是每根光纤上的容量；如 何用不同的光纤类型来组装用户所需要的链路容量。比如，4 8 的容量是配置一根 s t m 6 4 光纤还是用3 根s t m 1 6 光纤。这个与不同光纤类型价格比有关；还与交 叉容量有关；跟设备的交叉容量相关；急剧增加了问题的复杂度。在i l p 描述和 启发式计算时对每个业务需要指定到哪条s p a n 上的哪根光纤上的哪些时隙。 s d h 网络资源规划中，对共享容量的设计是值得