（物理电子学专业论文）波长转换全光网阻塞概率性能的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在w d m 全光网中引入波长转换节点，对网络的性能，尤其是对阻塞概率性能有 较大的改善。波长转换技术在w d m 全光网中有着广泛的应用，是目前人们研究的热 点之一。作者在攻读硕士期间，围绕波长转换节点对w d m 全光网的阻塞概率性能改 善的作用，开展了较深入而广泛的研究工作，提出了若干新方案，获得了一些创新 研究成果。概括全文，在研究中开展的工作及取得的主要成果有： 1 查阅国内外文献的基础上，论述了波长转换研究的重要性：阐述了波长转换 节点在全光网中的应用前景及重要作用；讲述波长转换节点对w d m 全光网络性能的 影响；总结了前人对波长转换节点在全光网中作用的分析模型及结果。 2 网络节点间最短路径的选择采用d i j k s t r a 算法和f l o y d 算法实现：从文中 可以看出在此研究中，f l o y d 算法比d i j k s t r a 算法更加简化和有效；对f l o y d 算法 进行改进，不仅保留了各对顶路径最短路径的长度，并且记录下了最短路径所含节 点的次序和节点是否具有波长转换功能的信息，便于网络的阻塞概率分析。 3 研究了在不同复用波长数目、负载强度和节点数目的情况下，单路径和总线 型、环形和网孔型网络的阻塞概率性能。并且分别与网络中不具有波长转换节点时 的网络阻塞概率性能进行比较。为网络的优化配置提供了一定的依据。分析表明： 网络中的节点是否具有波长转换功能，会对网络的性能，如网络的阻塞概率有一定 的改善。这和网络的拓扑结构和规模及网络的负载有关。 4 研究了稀疏波长转换节点对单路径和网络的阻塞概率的影响；提出了使用遗 传算法实现w d m 全光网中波长转换节点最优放置。分析表明，在一定条件下，可以 得到比启发式算法更优的结果。研究了波长转换节点的不同数目和不同位置对w d m 、一 全光网的阻塞概率性能的影响。y 关键词：波长转换，波分复用，遗传算法，阻塞概率 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a v e l e n g t hc o n v e r t e r sc a np r o v i d eg r e a ti m p r o v e m e n ti nt h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f t h ew d mn e t w o r k s n l i st h e s i sc o n t a i n s 、i d er e s e a r c ho nt h e i m p r o v e m e n ti n t h e b l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f t h ew d mn e t w o r k sp r o v i d e db yt h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r s n l e m a i n p a r t sa r e a sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h e l e a r n i n g o fr e f e r e n c e s ，t h e i m p o r t a n c e o ft h er e s e a r c ho ft h e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni sa d d r e s s e d ，t h ep r o m i s i n ga p p l i c a t i o na n di m p o r t a n c eo ft h e w a v e l e n g t hc o n v e r t e r sa r ed i s c u s s e d ，t h ee f f e c to n t h ep e r f o r m a n c eo f t h ew d mn e t w o r k s p r o v i d e db yt h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r si se x p a t i a t e d ，a n dt h ea n a l y s i sm o d e l sa n dr e s u l t s p u r e d f o r w a r d e d b y o t h e rr e s e a r c h e r sa r es u m m a r i z e d 2 n l ea l g o r i t h m so f d i j k s t r aa n df l o y dt oc h o o s et h es h o r t e s tp a t hc o n n e c t i n gt w o n o d e si nt h en e t w o r k sa r eu s e d n 圮f l o y da l g o r i t h mi si m p r o v e dt or e c o r dt h el e n g t ho f t h es h o r t e s tp a t h ，t h en o d e so r d e ri nt h ep a t ha n dt h ei n f o r m a t i o nt h a tw h e t h e rt h en o d e h a st h ef u n c t i o no fw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，i no r d e rt oa n a l y z et h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f t h ew d mn e t w o r k sm o r e c o n v e n i e n t l y 3 n l ed i f f e r e n c ea n di m p r o v e m e n to f t h eb l o c k i n g p r o b a b i l i t yw h e n a l lt h en o d e si n ap a t ho rn e t w o r k sh a v eo rh a v en o tt h ef u n c t i o no fw a v e l e n g t hc o n v e r s i o na r es t u d i e d t h e a n a l y s e si n d i c a t et h a tw h e t h e r t h en o d e si nan e t w o r kh a v et h ef u n c t i o no f w a v e l e n g t h c o n v e r s i o nw i l li m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ks u c ha st h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t y t h ei n f l u e n c ei sr e l a t e d 、i t l lt h es t r u c t u r ea n ds c a l eo ft h en e t w o r k a n dt h e1 0 a dm o d e l i n t h en e t w o r k 4 n l ei n f l u e n c e so f b l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f a p a t ho rn e t w o r k sp r o v i d e dt h es p a r s e w a v e l e n g t hc o n v e r t e r sa r es t u d i e d n l cg e n e t i ca l g o r i t h mi sp u tf o r w a r dt or e s o l v et h e p r o b l e m o f o p t i m a lp l a c e m e n t o f s p a r s ew a v e l e n g t h c o n v e r t e r si nw d mn e t w o r k si no r d e r t om i n i m i z et h e b l o c k i n gp r o b a b i l i t y 1 1 1 e r e s u l ti n d i c a t e s t h a tu n d e rc o n d i t i o n a l c i r c u m s t a n c e w ec a ng e tb e t t e rr e s u l t s t h ei m p r o v e m e n to ft h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t y p r o v i d e db yt h ed i f f e r e n tn u m b e r o ft h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r sa n dd i f f e r e n tp l a c ei na p a t h o ran e t w o r ka r ec o m p a r e da n da n a l y z e d k e yw o r d s ：w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，w d m ，g e n e t i ca l g o r i t h r n s ，b l o c k i n gp r o b a b i l i t y i l 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 波分复用( w d m ) 有效的利用了光纤的巨大带宽，是一种很有希望的技术。在 w d m 全光网中，通过使用不同波长，传输通道可以对不同的数据格式进行调制，包括 数字和模拟信号，因此，可以不用关心所传输数据的格式，能够允许各种不同的协 议和编码形式。 在w d m 全光网中，可以通过数据使用的不同波长而进行路由。使用波长来对数据 进行路由叫做波长路由，使用波长路由的网络叫做波长路由网络”1 。这样的网络由光 交叉( o x c ) 节点组成，并且可以把来自不同端用户的数据复用进一个w d m 通道。 为了把数据从一个节点传到另一节点，需要在光学层建立一条连接。这可以由 选择一条在此通道所有链路上共同空闲的一个波长来完成。像这样的全光通道叫做 光路。这条光路在建立时间内完全由此连接占用，不能分配给其它的连接。当连接 结束，这条光路撤销，同时，这个波长在此路由的所有的链路上再次变得空闲。 图1 1 波长路由网络。 考虑图1 1 的网络。它是含两个光交叉连接节点( s i 和5 2 ) 和五个端点a 至e 的波 长路由网络。有三条光路被建立( c n a 使用波长a 。，c 至i j b 使用五：，d 至f j e 使用五) 。 为了建立一条光路，我们需要在该路径的每一条链路上使用同一个波长。这个需求 华中科技大学硕士学位论文 称为波长连续性限制。有该限制的波长路由网络叫做波长连续网络。考虑图1 2 ( a ) 中的网络的一部分。图1 2 中建立了两条光路：1 ) 节点l 和节点2 中使用丑：2 ) 节点 2 和节点3 之间使用五：。现在假定要在节点l 和节点3 之间建立一条光路。如果这里只 有两个波长可以使用，那么节点l 到节点3 的连接是不能建立的，虽然在节点t n 节点 3 的路径中，每一条链路上都有一个波长可以使用。这是因为在这两条链路上可使用 的波长不同。因此，一个波长连续网络可能有更高的阻塞率。 k “ln 目o ：h “k3 ( a ) 不具有波长转换功能 】n m 2 ( b ) 具有波长转换功能 图1 2 波长路由网络中的波长连续性限制。 如果在网络中引入波长转换的话，很容易消除波长连续性限制。使用波长转换 的波长路由网络叫做波长可转换网络。在图1 2 ( b ) 中，节点2 是一个波长转换节点， 可以把波长兄：转换到波长五。这样便可以在节点l 和节点3 之间建立一条光路：在 节点l 和节点2 之间的链路上使用波长兄。，在节点2 和节点3 之间的链路上使用五。 注意在波长可转换网络中，一条光路在不同链路上可以使用不同波长。因此，波长 转换可以解决光路的波长冲突，从而提高网络的使用效率。 1 2 波长转换器在全光网中的应用 全光波长转换器将成为全光通信中的关键器件，自八十年代末期以来一直是国际 上研究的热点，而且有愈演愈烈之势。波长转换器在全光网中有着重大的作用。尤 其是在w d m 全光网中”1 “。 波长转换器可分为全光波长转换器和光电式波长转换器。光电式波长转换器技 术较为成熟，已经在目前的波分复用系统中广泛采用，但它需经过光一电一光的转换 2 华中科技大学硕士学位论文 过程，显然不符合全光通信的要求。本章着重讨论全光波长转换器在全光通信网络 中的应用。波长转换器能够实现信号从一个波长向另一个波长上转换，能实现波长 的再利用，构成全光路由开关，增加w d m 系统的灵活性和可靠性，并可补偿光纤中 的色散，提高通信系统的容量。下面来具体讨论它在光纤通信系统中的应用。 1 2 1w d m 系统要求 w d m 系统要求有很好的灵活性、可扩性和自愈性。随着单信道速率的提高，依靠 电路进行网络管理必然会使整个网络变得相当复杂以及运行成本的提高。而用波长 转换器能实现全光数字交叉连接( o d x c ) ，构成简单灵活的w d m 网络，有效减少w d m 网络中所需波长的数量，从而放松对参与复用波长的精度要求。它能在网络的不同 接点处重复使用某一波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效率和整个 网络的运行效率。如图1 3 所示，同波长可以在不同的子网中重复利用。w 是波长 转换器构成的全光数字交叉连接器。理论上只需8 个波长就可以支持1 0 0 0 万个节点。 交她接器 田蛳 图1 3w i ) m 系统中波长的重复利用。 节点一节点二 节点三 - ) 无波长转换器 节点一节点二 节点三 b j 有波长转换器 图1 4 波长转换器解决波长阻塞问题。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 波长转换器重构网络 利用波长转换器重构网络的能力，能将某一业务拥挤、阻塞或暂时失效的信道( 波 长) 转移到另一信道上，这不但能提高网络效率，而且提高了网络的可靠性，也使 网络易于管理。如图1 4 所示。 1 2 3 波长转换器构成路由器 如图1 5 所示信号要从节点1 传输到节点a ，可以先通过波长转换器构成的路 由器传输到节点j 上，再经一路由器将信号选择到节点a 上。这种路由选择中无需 电信号的引入，有利于传输速率的提高。 兰。二i ：1 c x 2 卜_ - _ - + c j _- c k 。 j ：o 孟- 咖t 【i r 1 为第i 个节点 图1 5 波长转换器作路由选择。 1 2 4 波长转换器实现中途谱反转 利用波长转换器能实现中途谱反转( m i d s p a ns p e c t r u mc o n v e r s i o n ) ，即利用 波长转换器中的光相位共轭( o p c ) ，将系统中某一具有正色散的波长上的信息在系 统的中点转换到另一具有负色散的波长上，实现色散补偿，使高速光纤通信系统的 色散受限距离提高。如图1 6 所示。 r r _ = r it x 卜_ _ 1o w - _ 一i ) 【 。 l 一 九2 全光波长转换器 图1 6 波长转换器实现中途频谱反转。 1 2 5 波长转换器构成空间开关 如图1 7 ( a ) ( b ) 所示。图1 7 ( a ) 地址分配器，利用可调输出波长转换器的不 同输出，将信号分配到不同地址。图1 7 ( b ) 是n 选1 地址选择器，由n 个固定输出 的波长转换器输出n 个波长，再利用可调滤波器选择一路信号。这种简单的光子开 关便于集成，在光交换、光计算技术中都可以发挥重要的作用。 华中科技大学硕士学位论文 石娈输出 渡长转换器 固定输出滤波嚣 l = ：_ 一一 1 1 = = 广沁 网“3 、。网 n ( a ) 波长转换嚣 r 二；? 三】 要，： 兰 一 t = i 曲 ( b ) 图i 7 波长转换器用作空间开关。 综上所述，波长转换器能构成全光数字交叉连接器( o d x c ) ，减少参与复用的波 长数目；能解决波长阻塞问题，增加通信网络的灵活性；能实现中途频谱反转，提 高通信系统的容量；能构成全光开关和全光路由器。总之，波长转换器将在未来的 高速大容量通信中发挥重要的作用，成为光子交换领域中的关键器件。 1 3 波长转换节点对网络陛能的改善 网络的性能参数有很多，其中有一些比较重要的指标如网络的阻塞率，网络的 负载能力和波长利用率等等值得研究。全光网络中四个重要的性能指标是：网络的 平均阻塞率、波长利用率、网络自愈能力和网络通信的公平性。本研究中，主要集 中在波长转换节点对全光网络阻塞概率的影响。 1 3 1 网络通信的公平性 图1 8 网络公平性示意图。 为了说明这个问题，还是先举一个简单的例子。如图1 8 所示：假设这里只有一 个波长可以使用，可以看到，从节点x 到x 建立通信时，a 到a 、b 到b 、c 到c 的通 信将受阻。同样，只要节点a 到a 、b 到b 、c 到c 之间，只要有一路建立通信的话， 那么，节点x 到x 的通信将受阻。这说明一个很简单的道理，具有较长路径的两节 点之间比具较短路径的两节点之间更容易产生通信阻塞“。这就是所谓的网络通信 华中科技大学硕士学位论文 的非公平性。为了改善网络通信的公平性，我们可以引进波长转换器。通过波长转 换器，便可以在每一条链路上使用不同的波长，使得较长路径的路由也可以有很高 的连通性。 1 3 2 波长利用率 怎样提高波长利用率呢? 考虑一有五个节点的网状网络，拓扑结构如图1 9 所 示：假设这里只有两个波长可以使用。当节点1 不是波长转换节点的时候，如果在 链路5 和链路l 上已经分别使用了波长1 和波长2 ，那么，如果要在节点5 、2 之间 建立通信的话，就不能再使用路径5 1 2 了。但是，如果我们还是希望使用此路 径，因为在上一节中我们举了一个很简单的例子说明了具有较长路径的两节点之间 比具较短路径的两节点之间更容易产生通信阻塞。在这里，此路径最短，因此，网 络阻塞率也就可达到最小。但是如何才能使用此路径，方法是引入波长转换节点， 即只要把节点1 换成波长转换节点便可。其实，还有一种说法就是，怎样减少整个 网络的最大波长需求量。还是以图1 9 所示的网络为例，但这里假设网络的可使用 的波长数不受限制。在不含波长转换节点时，如果要在路径5 1 2 上建立通信的 话，则可以新添一个波长。但这肯定是要以增加网络开支为代价的。引入波长转换 节点便能不用增加这个波长而达到同样的效果。 图1 9 删网络拓扑示例。 1 3 3 网络阻塞概率 前面讲到网络通信的公平性时谈到，具有较长路径的两节点( 如x 和x ) 之间比 具较短路径的两节点( a 和a ) 之间更容易产生通信阻塞。主要原因是在一条长路径中， 6 华中科技大学硕士学位论文 很难在所有的链路上找到一条有一个共同空闲波长信道的路由这样建立通信的概 率大大降低。而引入波长转换节点，便可以在不同的链路上使用不同的波长，从而 降低网络的阻塞率。 1 3 4 网络的自愈能力 全光w d m 网络可靠运行的保证是全光网具有极高的传输速率，因此探索能在尽 可能短的时间内为被中断的业务寻找新的传输路由和自愈方案是十分必要的。网络 生存性属于网络完整性的一部分。完整性包括通信质量、可靠性和生存性等，涉及 通信系统多方面的技术。网络生存性泛指网络遭受各种故障仍能维持可接受的业务 质量的能力。网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自愈技术，而自愈和网络生存性 也混用。自愈技术的性能有：恢复率、恢复时间、冗余度( 常指空闲容量率) 、开销 及复杂度等。当网络当中有一条链路出现问题时，则应该在规定的时间内，重选路 由，重新建立一条连接，以确保通信的正常进行。还是以图1 _ 9 为例，当链路l 出 现故障时，为了重新确定节点5 和2 之间的路由，最简单的方法是在节点l 寻找一 条链路，查找1 - - 2 的替代路由信息，这里最短的路由为l 一3 2 。在这里波长转换 节点的作用显而易见。如，当节点5 和节点2 之间使用的是波长1 的话，而节点l 和节点3 之间已经使用了波长l 了，那么，便可以利用波长转换，把波长l 转换成 波长2 ，从而使用链路l 一3 ，建立5 一l 一3 2 的路由。 1 4 本课题研究的内容 在w d m 全光网中引入波长转换节点，对网络的性能，尤其是对阻塞概率性能有 较大的改善。波长转换技术在w d m 全光网中有着广泛的应用，是目前人们研究的热 点之一。本文围绕波长转换节点在w d m 全光网中的作用，主要对w d m 全光网的阻塞 概率性能改善为研究对象，开展了较深入而广泛的研究工作，提出了若干新方案， 获得了一些创新研究成果。 全文的内容组织如下： 第一章概述了波长转换研究的重要性：阐述了波长转换节点在全光网中的应用 前景及重要作用；讲述波长转换节点对w d m 全光网络性能的影响以及本课题的研究 内容。 华中科技大学硕士学位论文 第二章建立了分析波长转换节点在w d m 全光网中作用的模型，以及介绍别人的 工作及模型。 第三章讲述了路由的实现方法及算法改进，用于分析网络的阻塞概率性能。 第四章仿真分析w d m 网中所有节点具有和不具有波长转换功能时网络阻塞概率 性能。 第五章实现稀疏波长转换节点的放置，简介遗传算法，讲述放置具体实现方法 以及软件仿真，分析稀疏波长转换节点对路径和网络阻塞概率的影响。 第六章总结和探讨。 华中科技大学硕士学位论文 第二章w d m 全光网性畿分析 2 1 引言 在光通信系统中，波分复用技术得到了很大的运用。虽然无波长转换的波长路 由网络可以简化路由和管理开销并省去了波长转换和交叉连接的环节，但是在这类 系统中，整个网络的特性与实际用于满足网络连接需要的资源条件密切相关。有效 的设计网络拓扑结构和合理的波长分配算法，可以满足较小网络的需求，而对较大 规模的网络，为了使网络的性能得到优化，更有效地利用波长等网络资源，降低网 络的最大拥塞率，有必要引入波长转换机制。研究表明，波长转换的作用很大程度 上都是依赖于网络的拓扑结构、节点数目和可使用的波长数目。波长转换的引入， 对提高网络的性能有很大的潜力。 2 2w d m 网络简介 随着信息时代的来临，通信业务逐年迅速增长，为了适应通信网传输容量的不 断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。在数字光纤通信 中除了大家熟知的时分复用( t d m ) 技术外，还出现了其它的复用技术，例如光时分 复用( o t d m ) 、光波分复用( w d h ) 、光频分复用( f d m ) 及微波副载波复用( s c m ) 等 技术。这些复用技术的出现，使通信网的传输效率得到了很大的提高。 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 波长的光信号分开( 解复用) ，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端， 因此将此项技术称为光波长分隔复用，简称光波分复用技术“。 就发展而言，如果某一个区域内所有的光纤传输链路都升级为w d m 传输，我们 就可以在这些w d m 链路的交叉处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉 连接设备( o x c ) ，或进行光上下路的光分插复用器( o a d m ) ，则在原来由光纤链路 组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长 通道可以连接起来，形成一个跨越多个0 x c 和o a d m 的光通路，完成端到端信息传送， 9 华中科技大学硕士学位论文 并且这种光通路可以根据需要灵活动态地建立和释放，这个光层就是目前引人注目 的、新一代的w d m 全光网络。 2 2 1w d m 全光网络的两种交换形式 光波分复用网络有两种交换形式：光路交换( c i r c u i t - s w i t c h i n g ) 和光分组交 换( p a c k e t s w ir c h i n g ) ，由此形成了两种光波分复用网络的网络形式，即光路交换 w d m 网( c i r c u i t - s w i t c h e dw d mn e t w o r k ) 和分组交换w d m 网( p a c k e t - s w i t c h e dw d m n e t w o r k ) 。 光路交换w d m 网是目前研究得最多，也是最接近实用化的一种网络。在美国、 日本以及欧洲的一些国家已经建立了基于光路交换的w d m 实验网络。 从拓扑结构上看，光交换的全光w d m 网络有两种主要的形式：其一是广播和选 择网络，也就是常说的星形结构的网络；其二是波长寻径网络。 1 广播和选择网络 广播和选择网络中各个节点通过光纤和无源星形耦合器连接，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耦合器汇集，分流后到达各节 点的收信端，每个节点利用可调谐接收器选择接收。其中各节点的发射器是固定频 率的，接收器是可调谐的( 实际上也可以有相反的情况) 。 由于星形耦合器和光纤链路都是无源的，所以这种网络很可靠，而且易于控制。 但是广播和选择网络有两个明显得不足之处：其一是这种网络非常浪费光能，因为 每一个要传输信号的光能几乎都被平分到网络中的所有节点上去了；其二是每一个 节点都需要一个不同的传输波长，而目前光波波长数目有限，所以网络中的节点数 目也就有限了。因此广播和选择网络较适合用作局域网。 2 波长寻径网络 波长寻径网络中，特定波长上的信号被直接寻径到目的节点，而不是向全网广 播。这样就减少了不必要的信号光能损失，同时又能使一个波长在网络的非重叠部 分被多次使用。 本研究中涉及的都为波长路由网络，所以分组交换w d m 网在此不予介绍。下面着 重讲讲波长路由网络。 2 2 2 波长路由网络 随着w d m 技术日趋成熟，w d m 传输技术已经进入实用化和商业化阶段。如何利用 1 0 华中科技大学硕士学位论文 现有的和即将敷设的光纤连网，构成未来高速、大容量、多业务的w d m 网络已经成 为光通信领域中的一个重要问题。在w d m 光网的实现中，如何合理地规划网络的波 长资源，是决定网络资源利用效率的关键问题，波长路由的光网络可以大大简化路 由原则算法和网络的控制和管理，不需要在交换时预处理路由信息，从而更有利于 实现高速、大容量的通信网络，提高网络的可靠性和稳定性，而这种组网的可行性 在很大程度上受到了网络所需波长数目的限制。 如前所述，光层可进一步细分为光通路层、波长复用段层和多波长放大层。其 中光通路可以看作是光通路层上的端到端的连接。建立或释放一条光通路意味着在 电通路层上增加或减少一条虚连接。一个经过优化的光通路层网络，不仅可以用来 建立适应给定的业务需求的最佳电通路层拓扑，而且通过光通路层的恢复和保护机 制可以直接解决由于光纤切断或节点故障等物理层原因造成的通信中断问题，而不 必改变电通路层的拓扑结构。这种光通路层的连接被称为网络的逻辑拓扑，对比于 反映实际光纤连接关系的物理拓扑。 光通路层能为光通路选路和分配波长。电信号经过本地的接入设备转换为某一波 长的光信号，在经由多个o x c 节点的交叉连接建立起一条光通路。根据o x c 节点是 否提供波长转换功能，光通路可以分为波长通路( w a v e l e n g t hp a t h ) 和虚波长通路 ( v i r t u a lw a v e l e n g t hp a t h ) 。 波长通路是指o x c 节点没有波长转换功能，某一个光通路在不同波长复用段中必 须使用同一波长。如果在它所经过的所有链路中，找不到一个条有一个共同空闲波 长信道的路由，就会发生波长阻塞。虚波长通路是指o x c 节点具有波长转换功能， 光通路在同一波长通路的不同波长复用段中可以占用不同的波长，从而提高了波长 的利用效率，降低了阻塞发生的概率。 在波长通路网络中，由于每个通路都与一个固定的波长关联，要求光通路层在选 路和分配波长时，必须采用集中控制方式，即在掌握整个网络中所有波长复用段的 占用情况后，才可能为新的呼叫请求选一条合适的路由。而在虚波长通路网络中， 波长是逐个链路进行分配的，因此可以进行分布控制，这可以大大降低光通路层选 路的复杂性和选路所需的时间。由于可用的波长数是有限的，为了优化网络性能， 无论哪种类型的光通路层网络，都需要根据网络的网络拓扑结构和各节点间的业务 需求，设计最佳的网络拓扑连接方案。 设计拓扑结构时，还与路由选择和波长分配( r a w ) 有关。r a w 是重要的应用基 础性研究问题，它解决怎样通过光交叉连接或其他设备构成运载信号的光通道，并 华中科技大学硕士学位论文 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。 r a w 问题由两部分组成：其一是为每个源节点寻找到达目的节点的路径；其二是 在这些路径上分配波长，因为波长数目有限，不可能在每对节点间建立光通路。 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是 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希望建立的光连接。 本研究中主要在动态r a w 的基础之上，研究波长转换节点对网络阻塞概率的影 响。 2 3 网络性能分析模型 在较早的研究中，大多数都只是对波长转换对w d m 全光网性能改善的作用进行了 分析。这些研究都表明，波长转换的作用很大程度上都是依赖于网络的拓扑结构， 节点数和可使用的波长数。波长转换的引入，有很大的潜力来提高网络的性能。但 是，这些研究都是建立在这样的一个假设之上的：使用的波长转换器为理想的，即 可以把任何输入波长转换到任何输出波长上。近年来，在非理想波长转换方面，也 有人作了这方面的研究。 在具有波长连续性限制的网络中，网络的连接必须建立在，所选择的路由的每 一个链路上使用同一个波长的情况之下。这是由波长连续性限制的。然而，在w d m 中引入波长转换，则可以解决这样的波长连续性限制。对理想的波长转换器，可以 把任何输入波长转换到任何输出波长上。这样，便可以在当路由的每一个链路上只 要有一个波长空闲时，建立一个连接。波长转换的使用增加了网络的费用和网络连 接的复杂性，但是另一方面也带来了网络其它性能的改善。 引进波长转换器以后，网络的管理更加简单，因为每一个波长都可以视为是平 等的。但是，波长转换对网络的阻塞率的减少，和对其它网络性能的改善却不是很 普遍和明显的。又很多都是和网络的参数如连接度和业务量有关的。使用分析模型 和数值模拟对网络性能进行分析是很有效的。表2 1 便是一些人进行的工作。 在网络中，波长转换功能对网络阻塞概率和网络其它性能的改善效果不是普遍 地和明显的。波长转换消除了网络的波长连续性限制，但是，网络性能的改善和网 络的具体参数有关，例如：网络的连接度、负载强度等等。世界上已经开始了这方 面的研究，使用不同的分析模型，进行了仿真。先来看看目前正在从事的一些工作。 华中科技大学硕士学位论文 表2 i 分析模型比较。 k 啪 w 督d1 1 f s n b r a m a n i a me ，, i r i f m a nb h t ve id l 7 i r a m c d y n a m k聊 n a m l cn y n a m i ( s l 朔f l v i t p r r i v a lp n ) c f s sp o 醅p 商帑o np o h ni _ s d 陬i f 柄k i i n gt i m e f x n o m ”t i 硝 p x p o n o m i a f x l ) 0 l 静n j i a li - n s r m d f b t j r o l h i 咄 玎x 刚f i x n f i x e ( i f i x e ( i t l o l “j 、 h p b _ 羽l i r a r g l o mr a l n ( 1 0 n lr a l l d o i 3 1r a n d o m a s s i g n m e n t t i n kt o a d s h l ( 1 e p e w t e n l c o r r e l a t e ( 1 d e p e n d e n ! r w 咿1 羽r l fm a r k o v 协n 1 ( m a r k o v i a n ) 、1 斯e l p 嚷慨0 1 1 i n ( j e ! i ) p 球k 州 l p e n d e n t f w j e d e 球j 硼t n e p e n d e n t a d j a c e n l b p e f f o r n m n c e r i o e k i n g8 1 k i 峭b l 4 d n g1 a h , , , e l e n 仨1 h 、一l e _ r i c p r o b a l i l i t yp m b a b i l t yp m b a h i l i l 3 ,m i l i 蹄t t i o n g a i n c o r n p n t a l i o m a l m o ( 1 e r a l f、4 “k r am i e h i g h t f m r c o m p l e x i y 已经有一些分析模型来评价波长转换对网络性能的改善。先来看看一些基本的 模型。这些模型都建立了如下的假定： 1 每条光路占用一个光通道； 2 每根光纤上使用相同的波长数目； 3 网络只支持点到点通信： 4 连接请求不排队，遇到阻塞后，便取消，并且不再进入系统。 2 3 1 链路负载不相关的概率模型 假定链路上的负载和波长使用概率无关，考虑在任意网络的拓扑中，分析网络 中所有节点具有和不具有波长转换功能的两种情况时，网络阻塞概率的不同。路由 算法不采用替代路径算法，波长分配算法采用随机从空闲的波长中选择的方法来建 立一条光路。阻塞概率用来作为网络的性能指标n “。 首先，考虑网络当中没有波长转换的情况。这种情况下，当没有一个波长可以 在路径上的所有链路获得的时候，便产生阻塞。这里定义路径长度为该路径上链路 的总数，既有 个链路的路径，路径长度为n 个“跳跃”( h o p ) ，单位定义为“跳”。 模型首先决定长度为2 跳的路径上有七个波长可以使用的条件概率，然后扩展到长度 华中科技大学硕士学位论文 为行跳的路径。 让表示每根光纤上使用的波长数目，r 为平均的光路建立时间，五为路径上 第f 个链路上的负载到达率。l ，为路径上第f 个链路上的平均负载，这里有l 。= 丑r 。 令p 。为路径上第f 个链路上有七个波长使用的概率。假定负载模型为p o i s s o n 到达 和负指数保持时阃，可以得到： 譬 露k 黝素 1 ) 对于长度为1 跳的路径，阻塞概率等于p ，即连接源节点和目标节点的路径链 路上的所以对矽个波长都被使用时的概率。令g p 为路径上前长度为月跳的子路径上 有k 个波长被使用的概率。对于长度为1 跳的路径路径，有g ) - 硝1 ，k 1 ，w 。 对于长度为2 跳的路径，当有n 。和个波长在链路和链路6 上空闲时( 假设链路a 眦h ：掣 ” 哪m ：。， = r ( 形一七l w i ，w 一- ，驴j 1 ( 2 3 ) 长度为2 跳的路径的阻塞概率为p 牡= g 譬。因此，对于长度为疗跳的路径，用 = z r ( w 一七l w f ，w 一_ ，) p p p p ( 2 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 和 尸= g ( 2 5 ) 接下来，考虑网络具有波长转换节点的情况。这时只有当每个链路上的波长都 被使用的时候才会产生阻塞。因此，此时的阻塞概率为： n p ”) - 1 一几( 1 一p ) ( 2 6 ) j i 采用这种方法，网络的阻塞概率可以由解决一系列的非线性方程递归得到，实 现比较简单。但是，以上阻塞概率的分析假定路径上的链路负载已经知道。然而， 实际上只知道每对节点对的负载，而不是链路的整个负载。所以在估计的时候会产 生误差。对一个具有波长转换功能的网络来说，链路s 的到达过程和该路径上的建 立的连接对相互独立( 假定链路负载不相关) 。因此到达链路的负载可以看成是 p o i s s o n 到达。然而，分析不具有波长转换功能的网络时，使用了同样的p o i s s o n 到 达的近似，这样将会产生较大的误差。另外，这种模型不能用于环形网络，因为环 形网络路径上链路负载有很高的相关系数，这使得链路负载无关的假定无效。 2 3 2 稀疏的波长转换节点模型 模型假定在给定某条路径上的链路1 ，2 ，i 一1 ，的时候，链路f 上的负载只和 i 一1 上的有关“。首先，用以下的符号，演化了长度为2 跳的路径上的空闲波长的 条件分布： q ( w ，) = p r 某一链路上有w ，个波长空闲) ； s ( y | 工) = p r f y ，个波长在某一链路上空闲ix o f 个波长在前一个链路上空闲 ： u ( z 。l _ y ，x ) = p r z 。个呼叫从上一链路继续到本链路ly 个波长在某一链路上 空闲，工个波长在前一个链路上空闲) ； r ( n ，i 工，y f , = 。) = p r n ，个波长在一条2 跳的路径上空闲 b 个波长在第一个链 路上空闲，y ，个波长在第二个链路上空闲，z 。个呼叫从第一 个链路继续到第二个链路) ； 华中科技大学硕士学位论文 丁气n ，_ y ，) = d r ”，个波长在一条长l 跳的路径上空闲iy ，个波长在第一个链路 p ，= p r 长度为l 跳的路径被选择的概率) 。 现在考虑一条长度为2 跳的路径，从节点0 ，经过节点l 到节点2 。让c ，表示从 节点0 进入路径的光路数目，e 表示从节点0 进入路径，并且继续到第二个链路的 光路数目，c 。表示从节点l 进入路径的光路数目。令丑，t 和九分别为各条光路的 到达率。这样，使用第一个链路的光路有c f + c c ，使用第二条的有e + c 。假定 负载均衡，从l 进入的光路的到达率等于从i 离开的光路的到达率，即 = 以。这 样，c ，c 。c 。可以表示成三维的马尔可夫链。这样便可以得到r ( n ，lb ，y ，z 。) ， u ( z 。iy f , x ) ，s ( y ，ix ) ，q ( w ，) ，如下公式所示。此方法可推广到任意长度的 路径，来路径的计算阻塞概率。 r c 门，ix ，少厂，z 。，= ! 兰 譬i 。：， 驯枘，= 刮黯高蒜 汜s ， 跏小护菱祭警 汜， q ( w ，) = n ( f - h x cx 。，矗) ( 2 1 0 ) 华中科技大学硕士学位论文 t u ) ( 疗，y ，) = 壹圭咧差f 砌- y ：) 小亿iy f , 训跏小小i ) ( 哳训 - u r ( 甩， z ，y ，= 。) u ( 乙 工) s ( j ，x ) r “1 ( x ，工) 。，0 x b 一o5 0 t 1 = q ( n ，) 当n ，= y ，时 ( 2 1 2 ) 只= t 1 ( o ，y ，) p ， ( 2 1 3 ) 其中，3 维马尔可夫链的状态概率为： p ：? p ：、p ： 兀(c，cc，c一)2：；：i；：j!：；勉。c，+ccf，。cc+cnf(2-14) 。i 。二一“o 。f ! 艄 其中成= x , , u ，p 。= 以，) - c = ，半，t 中五，万= h ，y = 半， l 是网络的总链路数，n 是总节点数，五是每一个节点的呼叫到达速率。 此模型分析网络中有稀疏的波长转换节点，即网络中只有某些节点具有波长转 换功能。网络中具有两种不同的节点，一种是不具有波长转换功能的节点，另一种 是具有波长转换功能的节点。这里假定波长转换是完全的，可以把任意一输入波长 转换成一输出波长。建立了一个评价路径阻塞概率的分析模型，并且，对于许多网 络来说是正确的。此模型比上面一个有了改善，因为它没有链路负载无关和波长使 用概率无关的假设。研究表明，波长转换的作用和网络的连接度有关。波长转换在 网络是低连接度的时候，像环形网络这样，作用不是很明显，因为它的链路的负载 相关系数很大。另外，在高连接度的网络当中，波长转换的作用也不是很大，因为 路径的长度很短。然而，波长转换在中等长度路径的网络中，有很大的效果，原因 是在路径长度较长的情况下，链路负载相关又比较小。另外，只要网络中的少数节 点具有波长转换功能，便可以获得较小的网络阻塞概率。 在此模型当中使用了网络中波长转换节点的密度( q ) 为参数。在一个个节点 的网络中，具有波长转换功能节点的个数为w ，这样在稀疏波长转换节点的网络中 的阻塞概率，可以递归算出。但是这里给出的只是波长转换节点的密度，并没有给 1 7 华中科技大学硕士学位论