（通信与信息系统专业论文）wdm全光传送网关键算法的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 因特网上用户量的剧增以及视频会议，视频点播等一些大容量通信业务迅猛增 长对信息高速公路的传送网提出了更大的带宽需求。w d m 全光网给出了一个非常有 前景的解决方案，成为了目前的一个研究热点。本文研究了与w d m 全光网的设计 与操作相关的一些关键算法。 首先用分层的观点叙述了w d m 全光传送网的基本概念，主要器件，设备结构， 网络保护，网络管理等方面的内容，为后面章节的叙述奠定了基础。 在w d m 全光网上建立连接的问题称为路由和波长分配问题，是w d m 全光网 的基本问题。通过对已有算法的分析和比较，提出了一种自适应最小跳数路由算法 ( a d m h ) 。此算法以最小跳数路由为基础，同时考虑网络状态的变化，因而不仅能 尽量使用最少网络资源，也能使网络资源的分布保持均衡。通过计算机模拟仿真表 明，在各种网络参数条件下，a d m h 算法性能都优于或等于d m h 和m u 算法。在 链路光纤对数目多，复用波长数少时，性能明显优于另两种算法。设网络节点数为 n ，复用波长数为w 。最坏情况下，a d m h 算法的时间复杂度为0 ( w n 2 ) ，是d m h 算法的1 w 倍，是m u 算法的w 倍。因此，a d m i - i 算法是一种有效的针对n c w d m 全光网的资源分配算法。通过对a d m h 在不同保护方案情况下的模拟仿真表明，保 护的引入会大大增加阻塞率。保护波长可变需要可调谐激光器，会增加网络成本， 在复用波长数大的时候应用效果明显一些。而保护调整可以降低大约5 左右的阻塞 率，但要耗费更多的计算时间。因此在实际使用中，应该根据业务的服务级别要求 ( s l a ) 提供不同类型的保护，这样才能不浪费资源同时又满足业务对服务质量 ( q o s ) 的要求。保护调整适合于业务请求变化较慢的场合，这时保护调整导致的建 立连接的延时就不会有什么影响。 除了在w d m 全光网上建立单个的连接外，更多的情况是要在其上构建一个或 多个上层网络，即所谓的i po v e rw d m ，s d h o v e rw d m a t mo v e rw d m 等。不 过上层网络的构建并不是单个连接的简单叠加，而要考虑上层网络自身的保护机制。 在w d m 全光网络上构建上层网络的问题实际上是n p 完全问题。i l p 方法难以求解 大规模问题。本文针对不同类型的上层网络提出了不同的构建算法。对于最大故障 链路数保护上层网络，算法的时间复杂性优于t a b o o 搜索算法，对于连通保护上层网 络，算法的时间复杂性与t a b o o 搜索算法相同，不过本文算法逻辑简单，更容易实用 l 华中科技大学博士学位论文 化。因为是启发式算法，所以有可能在运算过程中陷入一个局部最小区域内，如果 与遗传算法，模拟退火算法结合就能扩大搜索空间，找到更优的解，当然也会增加 搜索时间。 要想满足给定的流量需求同时又希望网络的成本最小，这就需要网络的优化设 计。本文针对w d m 全光网络的一种费用模型给出了三种设计最小费用全光网络的 算法，分别是启发式算法、遗传算法、遗传启发式混合算法。对算法进行了详细描述， 并对同一个网络问题进行了设计。对这三种全光网络设计算法的模拟计算表明。启 发式算法收敛快，速度快，能很快得到一个较好的结果。遗传算法的收敛速度慢， 虽然其算法设计比较通用但难以用于实际网络的设计中。混合算法结合了启发式算 法快速和遗传算法随机搜索的特性，性能明显优于普通遗传算法，但与启发式算法 相比，其算法和时间复杂性的增加得到的目标的改进并不是很大，只有1 0 左右。 w d m 全光网的故障定位是在网络实际操作运营中的一个非常重要问题，只有准 确的定位网络故障才能正确完成保护功能。针对如何根据网络当前告警分析定位出 网络的故障点的问题本文提出了一种简洁有效的基于因果链和集合论的故障定位方 法。详细分析了故障模型，证明了用于故障定位的公式，进行了算法时间和空间复 杂性分析，还给出了通常设备的告警和故障的详细描述。通过证明，举例和复杂性 分析表明这是一种简洁有效的方法，容易实现和应用到实际工程中去。当然，在实 际应用中还需加入更多的容错处理和智能分析。 在前面这些研究的基础上，设计开发了一套w d m 全光网连接管理系统，并应 用到一个w d m 全光试验网中。除了应用了改进的a d m i - i 算法外，还给出了故障定 位算法的具体实现。此方法以前面提出的故障定位算法理论为基础，采用面向对象 的思想将网络的配置模型和故障模型融为一体，只需在已有的配置模型中增加与告 警故障相关的一些标识和属性，在搜索时也是对这个统一模型进行的，从而不仅减 少了存储空间，也提高了搜索速度。试验结果证实了这些算法的正确性和可行性。 故障定位时间平均约为9 秒，总的恢复时间平均约为1 4 秒。另外，还对系统的设计 进行了框架结构，设计模式等方面的分析和总结，能为类似系统的开发提供好的借 鉴。 关键词：波分复用全光传送网路由算法 网络设计遗传算法启发式算法 、 故障定位设计模式 【i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i di n c r e a s i n go ft h en u m b e ro ft h ei n t e r n e tu s e r sa n dh i g h - c a p a c i t ys e r v i c e s s u c ha sv i d e om e e t i n ga n dv i d e oo nd e m a n d r e q u i r e sm o r e a n dm o r eb a n dw i d t hf r o mt h e t r a n s p o r tn e t w o r k s a st h ei n f o r m a t i o nh i g h w a y w d m a l l o p t i c a ln e t w o r k s ，w h i c ha r en o w ar e s e a r c hh o t s p o t a r eap r o s p e c t i v es o l u t i o n t 1 1 i sd i s s e r t a t i o nc o n c e r n sa b o u tt h ek e y a l g o r i t h m sa b o u t t h ed e s i g na n d o p e r a t i o no f w d ma l l - o p t i c a ln e t w o r k s f i r s t l yt h eb a s i cc o n c e p t s ，m a i no p t i c a lc o m p o n e n t s ，e q u i p m e n t s ，n e t w o r kp r o t e c t i o n a n dn e t w o r km a n a g e m e n ta b o u tw d m a l l o p t i c a ln e t w o r k sa r ed e s c r i b e du s i n gl a y e r i n g m e t h o dw h i c ha r et h eb a s eo f t h ef o l l o w i n gc o n t e n t s t h ep r o b l e mo fs e t t i n gu pe n d - t o - e n dc o n n e c t i o n so nw d m a l l - - o p t i c a ln e t w o r k si s c a l l e dr o u t ea n dw a v e l e n g t ha l l o c a t i o np r o b l e m ，w h i c hi st h eb a s i cp r o b l e mo fw d m a l l o p t i c a l n e t w o r k s an e wa d a p t i v em i n i m u mn u m b e ro fh o p sa l g o r i t h m ( a d m h ) i s p r o p o s e db yt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fe x i s t i n ga l g o r i t h m s 1 1 1 i sa l g o r i t h mi sb a s e d o ns h o r t e s tp a t ha l g o r i t h ma n dt a k e st h en e t w o r kd y l l a m i cs t a t ei nc o n s i d e r a t i o n ，s oi tc a n n o to n l yu s em i n i m u mn e t w o r kr e s o u r c e sa sp o s s i b l e ，b u tc a na l s ob a l a n c et h en e t w o r k l o a d s t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w st h a ta d m hi se q u a lt oo rb e t t e rt h a nd m h a n d m u a l g o r i t h mu n d e rd i f f e r e n tn e t w o r kp a r a m e t e r s w h e nt h en u m b e ro ff i b e r - p a i r s i s b i g g e ra n dt h en u m b e ro fm u l t i p l e x i n gw a v e l e n g t hi s s m a l l e rt h ea d v a n t a g ei sm o r e o b v i o u s s u p p o s e t h a tt h en u m b e ro fn o d e si sna n dt h en u m b e ro fm u l t i p l e x i n g w a v e l e n g t hi s w i nt h ew o r s tc a s e ，t h et i m ec o m p l e x i t yo fa d m hi s0 ( w ) w h i c hi s 1 ，、t i m e st h ed m ha n dwt i m e st h em u t h es i m u l a t i o no fa d m hu n d e rd i f f e r e n t p r o t e c t i o nm e t h o d ss h o w s t h a tt h ei n t r o d u c t i o no f p r o t e c t i o nw i l li n c r e a s eb l o c k i n gr a t e g r e a t l y c h a n g e a b i ep r o t e c t i o nw a v e l e n g t hn e e d st u n a b l el a s e rw h i c hw i l l i n c r e a s et h e n e t w o r kc o s ta n di t s a d v a n t a g ei so n l y o b v i o u sw h e nt h en u m b e ro fm u l t i p l e x i n g w a v e l e n g t hi sb i g g e r p r o t e c t i o na d j u s t m e n tc a l lr e d u c e t h eb l o c k i n gr a t eb y5 b u tw i l l c o l l s n l t l em o r ec o m p u t a t i o nt i m e i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n sd i f f e r e n tp r o t e c t i o ns t r a t e g i e s s h o u l db e p r o v i d e d f o rd i f f e r e n ts e r v i c el e v e la g r e e m e n t ( s l a ) s oa s t on o tw a s t e r e s o u r c e sa sw e l la ss a t i s f yt h eq o s p r o t e c t i o na d j u s t m e n ti ss u i t a b l ef o rs i t u a t i o ni n w h i c hs e r v i c ed e m a n d sc h a n g es l o w l ya n dt h ea f f e c t i o no ft h ed e l a yo fs e t t i n gu p 1 i i 华中科技大学博士学位论文 c o n n e c t i o n sr e s u l t e di nb y p r o t e c t i o na d j u s t m e n tw i l lb es m a l l b e s i d e st h ec a s eo fe s t a b l i s h i n g s i n g l ec o n n e c t i o no nw d mn e t w o r k st h em o r e c o m l t i o l lc a s ei st oc o n s t r u c to n eo rm o r e u p p e rn e t w o r k s ，t h a ti ss oc a l l e dm o v e rw d m s d ho v e rw d ma n da t mo v e rw d me t c h o w e v e rt h ec o n s t r u c t i o no fa nu p p e rn e t w o r k i sn o tt h es i m p l es u mo f m a n ys i n g l ec o n n e c t i o n s ，t h ep r o t e c t i o nm e c h a n i s mo f t h eu p p e r n e t w o r km u s t b et a k e ni nc o n s i d e r a t i o n t h i s p r o b l e m i sn p c o m p l e t e i l pm e t h o di sh a r d t os o l v el a r g e s c a l ep r o b l e m d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e df o rd i f f e r e n t t y p e o fu p p e rn e t w o r k si n t h i s p a p e n f o rt h ef i r s tc l a s s u p p e rn e t w o r k s t h et i m e c o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m i sl e s st h a nt h a to ft a b o os e a r c h a l g o r i t h m f o r t h e s e c o n d - c l a s s u p p e rn e t w o r k s ，i t s s a m ea s l a t t e r 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l g o r i t h m s ，h e u r i s t i c ，g e n e t i c a n dh e u r i s t i c g e n e t i c h y b r i da l g o r i t h m s ，a r e d e s c r i b e di nd e t a i l a ni d e n t i c a ln e t w o r k d e s i g np r o b l e mi ss o l v e db yt h e s et h r e ea l g o r i t h m sa n dt h ed e s i g nr e s u l t sa r ec o m p a r e d h e u r i s t i ca l g o r i t h mc o n v e r g e sf a s ta n di tc a r l g e ta r e l a t i v e l yg o o d r e s u l tq u i c k l y g e n e t i c m g o r i t h r nc o n v e r g e ss l o w l y , a n d i ti sd i f f i c u l tt oa p p l yt on e t w o r k d e s i g ni np r a c t i c ee v e n t h o u g hi t sa l g o r i t h md e s i g ni sm o r eg e n e r a l h e u r i s t i c g e n e t i ch y b r i da l g o d t h m c o m b i n e s t h e s p e e d i n e s s f e a t u r eo fh e u r i s t i c a l g o r i t h m a n dr a n d o ms e a r c hf e a t u r eo fg e n e t i c a l g o r i t h m i t sp e r f o r m a n c ei so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h a to f t h en o r m a 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a c ec o m p l e x i t y , a n dg i v et h e l v 华中科技大学博士学位论文 d e t a i la l a r m sa n df a u l t sd e s c r i p t i o nf o rt h er e a le q u i p m e n t b a s i n g o nt h ea b o v er e s e a r c h e sw e d e s i g na n dd e v e l o po n ew d m a l l o p t i c a ln e t w o r k c o n n e c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m t h es y s t e mi sa p p l i e dt oat e s t - b e do fw d m a l l - o p t i c a l n e “v o r k ad e t a i l e df a u l tl o c a t i o na l g o r i t h mi si m p l e m e n t e db a s e do nt h ea l g o r i t h m t h e o r y m e n t i o n e da b o v e t h i sm e t h o dc o m b i n e st h en e w o r k c o n f i g u r a t i o nm o d e lw i t ht h e n e t w o r kf a u l tm o d e lu s i n go b j e c t o r i e n t e di d e a s o m et a g sa n da t t r i b u t sr e l a t e dt of a u l t a n da l a r ma r ee x t e n d e di nc o n f i g u r a t i o nm o d e lw h i c hr e d u c e st h em e m o r ys p a c ea n d q u i c k e n st h es e e k i n g t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sa r ec o r r e c t a n df e a s i b l e t h ea v e r a g et i m ef o rf a u l tl o c a t i o ni s9s e c o n d sa n dt h ea v e r a g et i m ef o r r e s t o r a t i o ni s1 4s e c o n d s w ea l s oa n a l y z ea n ds u m m a r i z et h ef r a m e w o r ka n dd e s i g n p a t t e r n so ft h es y s t e md e s i g nw h i c hw i l l b eag o o dr e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f s i m i l a rs y s t e m k e yw o r d s ：w d ma l l o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k s r o u t ea l g o r i t h mn e t w o r kd e s i g n g e n e t i ca l g o r i t h m h e u r i s t i ca l g o r i t h mf a u rl o c a t i o n d e s i g np a t t e m v 华中科技大学博士学位论文 1 引言 社会越发展，人们对通信容量和速度的要求就越高；而当人们提高了技术满足 了自己的要求后，社会就会更发展，人们就会有更大的胃口。这种“恶性循环”至 少在短期内将一如既往。特别是在这个继往开来的世纪之交，知识经济的时代已经 到来。知识经济社会中巨量知识的生产、存储、分配所依赖的正是信息高速公路。 目前，因特网充当着信息高速公路的角色，然而，随着用户量和一些大容量通信业 务，如视频会议，视频点播等的迅猛增长，网络流量也爆炸增长，当前的因特网已 不堪重负，人们在网上等得毛焦火燎之即，也在翘首祈盼新的曙光。 研究光通信的科学家和工程师们也在为实现他们的梦想进行着艰苦而卓越的奋 斗。早在6 0 年代就已提出在单根光纤中传送多个波长光波的设想。然而，在那个时 候，通过不断提高单波长光调制速率的方法( t d m ) 能够更容易和更经济地提高通 信容量。所以直到8 0 年代中期，w i ) m 系统才首次有了商业规模的使用。于是，专 家们在t d m 和w d m 两个方向上齐头并进，使复用速率和波分复用的数目不断增大。 不幸的是，当复用速率达到1 0 g b s 后，要想再提高就很难突破电子瓶颈的限制，而 且，传送设备的升级换代也花费昂贵。而w d m 不仅能利用现有的传送链路光纤， 也能利用现有的传送设备，在光纤中用不同波长的光透明地传送不同速率和格式的 信号。实际上，w d m 向t d m 提供了更多层的复用，从而进一步提高了光纤传送 的容量。 以上所述只涉及到点到点的传送问题，当点连成片时，网络就形成了。在t d m 网中，有由s d h a d m 组成的环网，也有用s d h d x c 组成的纵横网，或将多个s d h 环连起来的混合网。这些网络早已进入商业运作。波长路由w d m 网的思想最早是 在1 9 8 8 年提出来的【1 1 ，当时似乎存在着难以克服的技术限制。但很快随着实用化的 掺铒光纤放大器 2 】和光交叉连接开关1 3 的出现，各国各大公司和实验室纷纷合作，制 定计划，投入大量资金进行w d m 全光网的设计和演示，使全光网的发展迅猛有力。 著名的有，由b t 实验室、爱立信等联合进行的r a c e i i 计划中的m w t n 项目，由 a r p a 部分赞助、a t & t 、d e c 和m i t 合作进行的m o n e t 项目，由西门子公司等 协作进行的a c t s 计划中的p h o t o n 项目 4 1 1 5 1 6 】1 7 】【引。这些项目基本启动于9 0 年代 初，在9 0 年代中期取得了实验网的成功，而在9 0 年代后期一些实验网己进入实用 阶段，投入商业运营中。它们的成功验证了建构可灵活配置的、波长路由的、透明 华中科技大学博士学位论文 传送的光网络层的可行性，为以后大规模、大范围的信息高速公路的建设奠定了基 础。 w d m 全光网指的是，网络的用户网络接口( l i n d 是光接口，网络中数据的 传送和交换不经历任何光到电和或电到光的转换。由于它的处理对象是某一波长的 光，因而全光网可以透明地传送不同速率和格式的信号。它的用户可以是s d h a d m 、 a t m 交换机、口路由器等更高层网的网络设备，也可以是工作站和视频服务器等端 用户。可以说，全光网是可以提供网络的网络。 w d m 全光网可分为局域网，城域网和广域网三种类型。 局域网通常采用星状结构【叼，如图1 1 ( a ) 。核心器件是n x n 的无源星形耦合器。 它在输入端口处从n 个接入节点处接收不同单波长的光信号，将这些光信号合在一 起成为个多波长的光信号，然后再将此合波光信号分裂成n 份从输出端口发送到 n 个接入节点。与无源星形耦合器相连的光接入节点包含可调谐激光器或和可调谐 接收器。在两节点之间建立连接是通过将源节点的激光器和宿节点的接收器波长调 成相同来实现的。由于要支持n 个用户需要n 个不同波长的光，而且信号在接收端 的强度只有发送端的1 n ，所以这种结构只适合较少的用户和较小的区域范围。 城域网通常采用环状结构i 1 0 1 ，如图1 1 ( b ) 。网络中的节点为o a d m ( 光波长上 下话复用器) ，由o a d m 节点组成的环称为o a d m 环。o a d m 内部通常采用多个2 x 2 的光开关，当光开关为交叉状态时，与此光开关相连的光波就处于上下话状态， 否则这个光波在此节点直通。通过使某光波在源节点和宿节点上下话，而在中间节 点直通，就能建立这两点间的一条光通道。基本思想与s d h 自愈环是一样的。 广域网通常采用网状结构1 1 1 ，如图1 1 ( c ) 。网络中的节点为o x c ( 光交叉连接 器) 【1 2 ，网络结构可以是任意的网状。o x c 内部采用n n 的光交叉矩阵，可将任 意输入口的光交叉到任意输出口上。通过多个o x c 中光交叉矩阵的设置，可以建立 任意节点间的光通道，非常灵活。 这三种类型的光网络并不是孤立的，只是应用领域不同，它们具有如图1 2 所 示的层次结构。 整个全光网络是由3 级层网络组成的分层体系。底层是光局域网，众多光局域 网通过其上层的光城域网连在一起，众多光城域网最后通过顶层的光广域网连在一 起。每个子网都是自治系统，这样网络故障或变动就不会牵一而动全身。 2 华中科技大学博士学位论文 ( b ) ( c ) 图1 1( a ) 局域网拓扑图( b ) 城域网拓扑图( c ) 广域网拓扑图 图1 2w d m 光网络层次结构图 1 9 9 9 年9 月，国家“8 6 3 ”项目组设立了一个重大科研项目一中国高速信息示范 网( c a i n o n e t ) 。此项目由包括武汉邮电科学研究院，中兴通讯，北京邮电大学在 内的国内多家著名通信企业和高等院校联合承担，目前已成功构建了用自主研发的 o x c 设备组成的w d m 全光试验网络，通过了8 6 3 项目鉴定。虽然试验网结构比较 简单，但这为以后的进一步研究提供了试验平台和基础。 本论文主要研究与电路交换的广域w d m 全光传送网相关的算法问题。在后文 中，如无特殊说明，w d m 全光传送网或光网络指的都是广域w d m 全光传送网。 全文安排如下。 第2 章从分层的观点叙述了w d m 全光传送网的基本概念，主要器件，设备结 构，网络保护，网络管理等方面的内容，为后面章节的叙述奠定了基础。 华中科技大学博士学位论文 第3 章研究了无波长转换w d m 全光网的路由和波长分配算法( r w a ) 。通过对 已有算法的分析和比较，提出了一种自适应最小跳数路由算法( a d m h ) 。此算法以 最小跳数路由为基础，同时考虑网络状态的变化，因而不仅能尽量使用最少网络资 源，也能使网络资源的分布保持均衡。r w a 是w d m 全光网的基本算法，后面几章 的内容都涉及到它。 第4 章研究了在w d m 全光网上构建上层网络的问题。目前的通信网具有p o v e r a t mo v e rs d ho v e rw d m ，i po v e rs d ho v e rw d m ，do v e rw d m 等多种分层结构。 w d m 网在这些结构中都是处于最底层，因而要向上层提供端到端连接服务。此章提 出了在考虑上层网络自身保护机制的情况下构建各种类型上层网络的有效方法。 第5 章研究了根据网络流量需求设计最佳网络结构的问题。针对w d m 全光网 络的一种费用模型给出了三种设计最小费用全光网络的算法，分别是启发式算法、遗 传算法、遗传启发式混合算法。对算法进行了详细描述，并对同一个网络问题进行 了设计，比较了设计结果。 第6 章研究了在网络实际操作运营中非常重要的一个问题，即w d m 全光网的 故障定位。故障定位对于w d m 全光网络的保护非常重要，只有准确的定位网络故 障才能正确完成保护功能。本章给出了一种简洁有效的基于因果链和集合论的故障 定位方法。详细分析了故障模型，证明了用于故障定位的公式，进行了算法时间和 空间复杂性分析，还给出了通常设备的告警和故障的详细描述。 第7 章综合应用了本论文提出的一些算法，如路由算法，故障定位算法等。分 析，设计和实现了一套w d m 全光传送网光通道管理系统。用设计模式和u m l 规范 描述了软件分析设计文档。给出了软件系统关键部分的详细算法描述。最后还给出 了在实际网络上运行时的测试结果。 第8 章总结了全文及作者所做的工作，并讨论了今后的研究方向和内容。 4 华中科技大学博士学位论文 2 w i ) m 全光传送网概述 w d m 全光传送网的研究对象按分层模型从低层至高层的顺序可分为物理器件、 网络节点设备、网络以及网络管理。 2 1 主要光器件 物理器件是一切的基础，没有器件就做不出设各，组不成网络，网管更是一纸 空文。当然，上层的一些要求对器件的发展也起着导向和促进的作用。 下面简要介绍w d m 光网络中的一些主要器件。前面3 种与传输有关，后面4 种与转换处理有关。 1 1 光纤 由于很多情况下是在现有的光骨干传输网基础上进行扩容，因此组网的光纤为 标准单模光纤g 6 5 2 或色散位移光纤g 6 5 3 。不过，以后光网络使用的光纤将是非零 色散位移光纤( l e a f ) g 6 5 5 ，这种光纤既具有较小的色散，又能降低四波混频效应的 影响，适合传输多波长光信号。 2 ) 光放大器 由于要进行全光的传输，因此对于跨越远距离的光链路特别是跨越多段光链路 的光信号必须使用光放大器恢复光信号的强度，否则必须进行o e o 的转换再生光 信号。目前通常使用工作于1 5 5ur n 的掺铒光纤放大器( e d f a ) 或半导体激光放大 器( s o a ) 。要求具有宽带增益平坦和高饱和功率的特性。 3 ) 色散补偿器 由于标准单模光纤零色散点在1 3pm 处而并非1 5 5un l 处，因此必须进行色散 补偿以避免信号畸变。可采用色散补偿光纤( d c f ) ，啁啾光纤光栅。 4 ) 光波分复用解复用器 这是w d m 的基础器件。复用器用来将多个分离的不同波长的光信号复用到同 一根光纤中传输；解复用器用来将多波长复用信号分离成多个空间上隔离的单波长 光信号。可采用棱镜、光栅、星形耦合器，阵列波导等来实现。 5 1 光滤波器 5 华中科技大学博士学位论文 光滤波器用于从波长复用信号中滤出所需要的某一波长的光信号。主要有光纤 f a b r yp e r o t 、光纤光栅、多层干涉、磷化铟多级光栅、a w g 和声光器件等类型。滤 波器应具有尽量小的串音以及可调的中心频率。 6 ) 光交换器 光交换分为时分光交换、空分光交换和波分光交换三种。这样的分类只是按实 现原理不同来划分的，实际上它们最终都是为了达到在空间上将信号交换的目的。 有基于l i n b 0 3 的集成波导光开关，有基于半导体光放大器( s o a ) 的开关阵列， 还有基于微电子机械系统( m e m s ) 的光开关等等。 7 ) 光波长转换器 光波长转换器能将输入光信号的波长转换成另一种波长，同时对信号的格式和 速率透明。要想实现用光控制光的全光的波长转换，必须应用非线性效应。目前不 同类型的器件所应用的非线性效应有，克尔效应( 交叉相位调制) 、四波混频以及s o a 的增益饱和损耗特性等等。 2 ，2 光交叉连接设备 w d m 全光网络的节点设备主要是光交叉连接设备( 0 x c ) q x c 的功能是将任 意光输入端中的任意一路光通道交换到任意光输出端中的任意一路光通道上。( 当 然，这种映射只能是点到点或点到多点，而不能是多点到点。) o x c 主要由光放大 器、波分解复用器、光交换矩阵、波长转换器、波分复用器组成。另外还包括监控 部分和网管接口等。波分解复用器将输入光纤中的复用光信号从空间上解复用，然 后各单波长的光信号进入空分光交换矩阵进行交换，最后通过波分复用器将几路不 同波长的光信号复用到输出光纤中。波长转换器可放在交换矩阵的输入端或输出端， 用来防止阻塞。光放大器可放在光纤输入或和输出端放大已经衰减的多波长光信号。 0 x c ( a ) 1 - 由h 1 _ 与h 6 f - - f 华中科技大学博士学位论文 ( b ) ( c ) 华中科技大学博士学位论文 n k x n k s w ( d ) 图2 1( a ) 0 x c 外部特性图 ( c ) 波长选择0 x c ( * s x c ) ( b ) 固定波长路由0 x c ( 盯x c ) ( d ) 波长互换0 x c ( w l x c ) 图2 1 ( a ) 是o x c 的外部特性图( 黑盒图) ，o x c 具有n 个输入光纤口和n 个输出光纤口，每根光纤中可传输k 个波长的单波长光信号。o x c 按其交叉能力可 分为固定波长路由o x c ( w f x c ) t b l ，波长选择o x c ( w s x c ) t 1 4 1 ，波长互换 o x c ( w i x c ) 0 4 和混合型o x c ( w h x c ) ”“。 固定波长路由o x c 如图2 1 ( b ) 所示，输入光纤中的多波长光信号经过波长 解复用器分成多个单波长光信号后，直接用光纤连到波长复用器的输入端上。o x c 内部的波长交叉是由这些内部光纤的连接决定的，不能通过控制的方法改变。这种 结构所需器件少，成本低，但要想改变波长的交叉配置就必须手工改变内部光纤的 连接关系。比较适合网络业务较长时间无变化的情况。 波长选择o x c 如图2 1 ( c ) 所示输入光纤中的多波长光信号经过波长解复用 器分成多个单波长光信号后，不同波长的光信号进入不同的光交换矩阵进行交叉， 总共需要k 个n x n 的光交换矩阵。波长选择o x c 实际上等价于k 个单波长的o x c ， 因为各个波长之间是相互独立不相关的。 波长互换o x c 如图2 1 ( d ) 所示，输入光纤中的多波长光信号经过波长解复 用器分成多个单波长光信号后，各种波长的光信号都进入一个n k n k 的光交换矩 阵进行交叉。在光交换矩阵的输出端经过波长转换器( w c ) 转换成特定的波长输入 华中科技大学博士学位论文 到波长复用器。这种结构的o x c 可以实现任意波- k g q 任意波长的交换，能充分利用 波长资源，不会出现阻塞现象。不过它需要一个大的n k x n k 光交换矩阵，成本比 k 个n x n 的光交换矩阵大得多，另外还需要n k 个波长转换器，因而总成本大大 提高。 混合型