（光学工程专业论文）动态光网络中网络负荷对光脉冲传输的影响.pdf

i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 自 20 世纪末以来，光纤通信与互联网成为世界上发展最快、市场潜力最大、前 景最诱人的两大领域。将两者结合的 ip over optical技术现在已经成为骨干光传输网 络上的主要传输和交换技术。ip over optical技术就是将 ip(internet protocol，网际协 议) 业务通过通用多协议标签交换(gmpls，general multi- protocol label switch) 协 议直接架构到光网络中，光网络是基于波分复用(wdm，wavelength division multiplexing) 技术的。网络负荷具有突发性，其特定的性能必将影响光网络中光链 路上的传输性能。 本文先从光脉冲传输的非线性薛定谔方程入手，探讨网络负荷影响光脉冲传输 的机理。文中采用了一种简化的方法求解多信道非线性薛定谔方程，应用服从泊松 分布的网络负荷突发模式，并将其引入到方程的求解过程中，仿真分析了网络负荷 突发模式下四波混频(fwm，four wave mixing) 和交叉相位调制(xpm，cross- phase modulation) 等非线性效应对光脉冲传输的影响。基于方程的求解仿真分析了突发模 式 下 fwm 和 xpm 对 于 传 输 眼 图 的 影 响 。 另 外 ， 根 据 im- dd(intensity modulation direct detection) 系统中误码率的计算公式研究了 xpm 效应所导致的强 度噪声的原理以及对误码率的影响，以及动态光网络中的 fwm 效应。通过分析发 现当单个波长的光功率小于 0dbm 时，网络负荷对于非线性效应影响不大，对传输 眼图变化也不明显，但是，当单波长光功率大于 5dbm 时，网络负荷对于非线性影 响非常大，导致传输眼图的恶化；fwm 的平均功率与网络负荷突发概率的三次方成 正比； 只有在探测波长附近的 8 个波长(左右各 4 个) 引起的 xpm 效应对该波长的影 响较大，而其他波长影响很小，可以忽略不计。 关键词：动态光网络 非线性薛定谔方程 网络负荷 交叉相位调制 波分复用 四波混频 ip over wdm ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract since the end of the 20th century, optical fiber communications and the internet have become two of the worlds fastest growing technologies, the most promising fields in market. the ip over optical technology which combines both of them now becomes the main transmission technology of the backbone optical transmission network and is very promising. ip over optical technology is to map the ip packets directly onto the optical networks through gmpls (general multi- protocol label switch). the optical network is based on wdm. the network load is paroxysmal, and is bound to affect the transmission performance of its optical network. starting with the nonlinear schrodinger equation (nlse), we research the effects of network load on the optical pulse transmission in this paper. a simplified method is used in the solution of the multi- channel nlse, and the burst traffic load model obeying poisson distribution is involved in solving the equation. we research the networks load effects of fwm and xpm on the transmission performance of the optical pulses. through simulation and analyzing the eye diagram, we get the impact of network load on the transmission performance of optical networks. in additional, based on the formula for calculating the bit error rate, we research the intensity noise caused by xpm and bit error rate in the im- dd system, and the fwm effect in the dynamic optical networks. through analysis we find that when the input light power of each signal channel is less than 0 dbm, networks load effects on fwm and the eye diagram is small, but when the input optical power is more than 5 dbm, network load has great effect on the fwm and results in the deterioration of eye diagram. and according to numerical calculation of the formula, we find that fwm is proportional to cube of the network load, and the xpm effect induced by the 8 channels near the probe channel is obvious, while the effect induced by other channels could be ignored. key words: dynamical optical network nlse (non- linear schrodinger equation) network load xpm (cross- phase modulation) wdm fwm (four- wave mixing) ip over wdm 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 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 概论 1.1 光网络的发展 2005 年，光纤通信被美国科学家团体评选为全世界二战以来最有意义的四大科 技发明之一。光纤通信技术在整个基础网络的建设中处于无可替代的主导地位。据 统计，在全球各种信息交流和传送过程中，超过 95%以上的信息量通过光纤来传送， 信息传送网络的“ 光纤化” 正在逐步走向现实。资料表明，到 2007 年 6 月，全球移动 用户超过 29 亿，互联网用户达到 11.7 亿；中国移动通信用户数在 2007 年 12 月突破 5.45 亿，互联网网民在 2007 年 6 月超过 1.62 亿，仅次于美国 2.11 亿的网民规模， 位居世界第二位。中国已经快速发展成为世界通信大国，光纤通信技术已经成为中 国当代信息基础设施建设的重要支撑技术之一1。 目前，随着单通道传输速率的提高和密集波分复用技术的广泛应用，光纤通信 在进一步追求高速大容量干线传输的同时，逐步向以智能化、集成化、低成本和高 可靠性为特征、以城域网和接入网为发展重点、以全光通信为远景的新一代光通信 网络演进24。 光网络发展到今天，大致可以分为三代5： 第一代光网络是以同步数字序列/同步光网络(sdh/sonet，synchronous digital hierarchy/synchronous optical network) 为代表，它在历史上第一次实现了全球统一 的光网络互联技术，规范了光接口，而且定义了对光信号质量的远程监控、故障定 位和远程配置等重要的网络管理功能。 sdh/sonet 采用光传输系统和电子节点的组 合，光技术用于实现大容量传输，光信号在电子节点中转换成电信号，在电层上实 现交换、选路和其他智能。随后发展的 wdm 光网络技术进一步挖掘了光纤的带宽 潜能，提高了网络的传输性能，但在联网技术上没有实现统一，网络件能仍然没有 改善。 第二代光网络是 itu- t 提出的光传送网(otn，optical transmission network) ， 主要特点为：以 wdm 技术作为传输的技术。所谓 wdm 技术，就是在单一光纤内 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增。它充分利用单模 光纤的低损耗区的巨大带宽资源，采用复用器在发送端将不同波长的光载波进行合 并，然后传入单模光纤，在接收端再出解复用器将不同波长的光载波分开。wdm 系 统构成如图 1- 1 所示。 图 1- 1 dwdm 系统构成 采用不同的波分复用器，可以复用不同数量的波长。由于目前一些光器件与相 关技术还不十分成熟，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 (dwdm，dense wdm) 。目前 dwdm 采用 1550nm窗口，因为这个窗口正好对应 edfa增益平坦的放大区。dwdm单纤所能复用的波长数不断攀升，从最初的 8 波、 16 波，到 32 波、64 波，甚至达到 256 波、1024 波等。 波分复用技术的突出优点在于充分利用了光纤的带宽资源，增加了系统的传输 容量，而是还能提高系统的经济效益。它的主要特点为： (1)极大地提高了光纤的传输容量，使单纤传输容量增加几倍至几十倍，大量节 约光纤，是在现有光纤紧张的情况下最经济的扩容方案。并且相对于 tdm(time division multiplexing，时分复用) 方式来讲，扩容的技术难度大大减小。 (2)波分复用通道各波长相互独立并对数据格式透明，可同时承载不同格式、信 号速率及电调制的信号，如 sdh、pdh(plesiochronous digital hierarchy，准同步数 字系列) 、atm(asynchronous transfer mode, 异步传输模式) 、ip 等格式信号。只 要增加一个附加波长，就可以引入不同新业务，如：catv(community antenna television，有线电视) ，hdtv(high- definition tv,高清晰度电视) ，b- isdn(broad band integrated services digital network，宽带综合业务服务网) 等，极其方便。 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (3)dwdm+edfa(erbium- doped fiber amplifier，掺铒光纤放大器) 技术应用在 长途骨干网时，可大大延长无电中继距离，并且减少中继器的数目，降低成本。 (4)利用 wdm 波长路由技术来实现网络交换和恢复，可以实现透明的具有高度 生存性的光网络。 第三代光网络是在 dwdm 技术上的发展。以自动交换光网络 (ason, auto- switching optical network) 作为骨干光传输网络，引入交换的功能，使之满足 面向交换 ip 业务的需要和发展。在这种形式下，ip 业务正在通过 gmpls 协议直接 架构到 ason 网络中。ip 与光网络结合的发展过程如图 1- 2 所示。 电 话 数 据 图 像 ip atm sdh wdm 电 话 数 据 图 像 ip/mpls sdh wdm 电 话 数 据 图 像 ip/mpls wdm 图 1- 2 ip 业务通过 gmpls 协议映射到 ason 网 1.2 ip over wdm 动态光网络 ip 技术具有众多优点，它简单，灵活，控制粒度细，可扩展性好，极具智能性。 最重要的是， 随着 internet 业务的爆炸件增长， 传统网络在向多业务网络的方向发展， 而综合近几年的网络发展趋势来看，ip 成为适合于各种业务的首选技术。ip 与光网 络的融合可实现优势互补：结合光层和 ip 层的路由功能，能提供动态的波长路由； 结合光层的保护功能和 ip 层的恢复功能，能提供多种保护恢复方案，提高网络生存 性；ip 智能控制协议丰富而且标准化程度高，又有多年实践经验，等等。而在光网 络中，wdm 技术提供了巨大的带宽，已经无可争议地成为骨干网络中最为主要的传 输技术。显然，ip over wdm 的应用与发展势在必行610。 ip over wdm 技术使 ip 数据流直接进入了光通道，有利于充分综合 wdm 技术 大容量与 ip 技术统计复用的优势。从图 l- 2 可以看出，由于中间省略了 atm 层和 sdh 层，它能充分利用带宽资源，在 ip 层与光层之间实现流量工程、保护恢复、 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 qos(quality of service, 服务质量) 和网络管理等的优化配置，整个网络体系结构简 单而高效。 目前的 ip over wdm 解决方案实际上提供了一种简单的数据接口。它引入了适 配层，提供 ip 包在 wdm 上传输的组帧操作，以及数据网运行维护的管理信息到光 网络相应信息的映射。这样简化了适配过程，减少 sdh、atm 和 ip 等各层间的功 能重叠，避免了多层映射的重复操作与开销浪费，从而大大节省了网络运营成本。 显然，这是一种最直接、最简单、最经济的网络体系结构。 ip over wdm技术不仅是 ip 与光网络在传输形式上的融合， 而且体现了 ip 控制 功能向光网络的渗透。图 1- 3 显示了两种基本的控制模型；重叠模型和对等模型5。 图 1- 3 ip over wdm 的控制模型 在重叠模型中，ip 业务层和光层是完全独立的两层，ip 层网元和光网络设备处 在两个独立的管理、控制和选路区域内，这两个层面拥有各自独立的控制面，它们 通过一个公共的用户网络接口(uni, user network interface)协议来完成互联，而边缘 客户层设备与核心网络层设备之间不交换网络内部信息(例如光网络拓扑信息等)。 此 外，ip 层可和光网络层独立演进。 在对等模型中，ip 层网元和光网络设备处在同一个管理、控制和选路区域内。 ip 层网元和光网络设备自由交换各种信息，运行同样的路由和信令协议，使用单一 的地址结构。两个层面上采用统一集成的控制面。 ip over wdm 开创了 ip 智能技术与光层技术融合的新局面，对网络的发展具有 启迪意义。由于网络运营商大多希望保持核心光网络的独立，不愿意让用户了解其 重叠模型 对等模型 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 业务的提供方式，故较多选用重叠模型。因此，实际的网络中多将 ip 层和光传送层 分别置于不同的控制平面控制之下(准确地说目前的 ip 层是由控制平面控制， 而光传 送层只受管理平面控制) ，ip 选路与光域选路是独立进行的，路由器并不了解光域 的拓扑。然而，这不能阻止人们对 ip 智能技术与光层技术融合的深入探索。两层独 立控制不仅管理上复杂而且光传送层的配置与业务基本脱节，通过光传送层网管实 现的大容量 vc(virtual container, 虚拟容器) 或波长的调配需时较长，无法适应突发 业务，在故障时单纯靠 ip 层恢复太慢，靠光传送层恢复虽然较快但需预留较多资源。 而以对等模型为代表的统一的控制平面方案不仅减少复杂性且能有效地利用网络资 源，为采用传令实现对全网控制提供了可能，为网络运营者提供动态配置光传送层 的能力，实现了对难以预测业务的快速响应，在故障情况下自动调整网络资源达到 快速的保护与恢复等。可见，对等模型应该是网络发展的最终方向1114。 总之，ip over wdm 技术将伴随新型网络控制协议的完善和多波长光网络技术 的进步而不断发展。ip over wdm 网络模型为面向数据业务的光网络发展提供了有 益的思路。ip over wdm 网络将在今后成为骨干网的主角，它的大发展将会对全球 it 业的发展产生重大而深远的影响。我国应该充分重视这方面的研究和开发工作， 抓住 it 业发展的契机。 1.3 网络负荷对光网络的光脉冲传输的影响 在 ip over wdm 系统中，ip 包通过 gmpls 协议直接映射到光通道，通过这种 方法，网络负荷的突发性就反映在光通道上，引起了光传输过程中的光学参数的改 变。而这些光通道的特性与网络负荷的统计流量相关联。另一方面，光通道的特性 也反过来影响了 ip 业务在光网络中传输时的服务质量。因此，在 ip 与 wdm 集成的 时代，理解网络负荷特性和光通信系统性能的相互作用变得越来越重要。而在这些 相互作用中，主要起作用的因素有四波混频，交叉相位调制和受激拉曼散射(srs, stimulated raman scatter) 等。因此在考虑网络负荷的情况下，研究这些非线性因素 对信道脉冲的影响是非常有意义的。 对于一般的传输光纤，光纤材料是具有各向同性的石英光纤，引起非线性效应 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的主要来源是三阶电极化率，而与之相关的非线性光学效应主要有：四波混频、自 相位调制(spm, self- phase modulation) 、交叉相位调制、受激拉曼散射，受激布里渊 散射(sbs, simulated brillouin scattering) 等。 尽管光纤的非线性效应是三阶极化过程，它们的影响应该是小量的，然而由于 光纤的对光波的限制作用，使得光波高度集中于光纤纤内，因而即使很小的光功率 也能产生很大的光强，引起很大的非线性极化；加上现代光纤的损耗低，光波传输 过程的衰减很小，这就使非线性作用的有效距离足够长，并且随着光纤内传输光功 率的增大以及 wdm 技术和 edfa 的应用，光纤的非线性就显著的增强，成为限制 wdm 系统的主要因素。光纤中的非线性效应不仅带来能量的耗散、信号的失真，还 会使得通信系统中某一信道信号的强度和相位调制受到其它信道的影响，形成串扰， 从而对光纤通信系统的性能造成不良的影响。 而服从泊松分布的网络负荷突发模式会引起在一条光链路上传输的波长和信道 数量的动态改变，这些动态改变光纤中光功率的分配，而光功率的动态改变就会引 起在光纤中传输的光脉冲的非线性(fwm、xpm 和 srs 等) 的改变，而这些非线性 参数的改变会导致光脉冲传输性能，比如传输眼图等的变化，导致传输速率和距离 的下降。 所以， 很有必要来研究网络负荷突发模式对于非线性参数(如： xpm 和 fwm 等) 的影响，以及通过这些效应作用于传输眼图上的影响。 1.4 课题来源 本课题来源于：国家自然科学基金项目动态光网络中主动路由的基础问题研 究(60772013) 本文所研究的内容和所完成的工作是研究 ip over wdm 网络的特性与性能，网 络负荷作用于 dwdm光网络的机理，并深入的研究考虑网络负荷作用时，fwm 和 xpm 对信号光脉冲传输的影响。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.5 本文的研究内容 第一章绪论对研究背景进行了简要介绍分析，并且概括了当今光网络发展状况 与趋势，说明了本文的研究任务及研究的意义。 第二章对 ip over wdm 技术进行的详细介绍， 阐述了 ip over wdm 网络的特点， 以及基于 gmpls 协议的流量工程，并分析了将 ip 业务直接映射到 wdm 系统上之 后给光网络物理层带来的新的挑战。 第三章先介绍了单信道和多信道中光脉冲传输的非线性薛定谔方程的数值求 解。给出一个简化的求解多信道脉冲传输的非线性薛定谔方程的模型。引入了满足 泊松分布的网络负荷突发模式。 第四章研究了动态光网络中 xpm 对光脉冲传输的影响。分析了 im- dd 系统中 xpm 导致的强度噪声以及对误码率的影响，仿真分析了 xpm 效应对 wdm 系统的 影响。 第五章研究了动态光网络中 fwm 对光脉冲传输的影响。并根据第三章对 nls 方程的求解，仿真分析了考虑网络负荷时，fwm 和 xpm 对传输眼图的影响。 第六章是总结和展望。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 ip over wdm网络 2.1 ip over wdm 的基本原理 现有的各种承载网络呈现一定的多样性，如话音业务主要通过智能网实现，宽 带业务通过宽带业务平台实现， phs(personal handyphone system)业务通过 phs 增值 业务平台实现等。从业务演进的角度来说，各种电信业务逐渐向 ip 网络迁移是不可 扭转的发展趋势，ip 网络逐渐成为电信业务提供的主要承载平台。基于此，研究新 一代基于 ip 网、支持多样化业务的通用业务平台，将是我们要面对的重要课题。 ip 业务的爆炸式增长对通信网的传送承载能力提出了越来越高的要求。波分复 用系统 wdm 能在同一条光纤上提供多条传输不同波长光信号的信道。利用高速 tdm技术与 wdm 相结合，能最有效地利用网络带宽。因此，利用波分复用(wdm ) 系统承载 ip 业务的 ip over wdm 光网络成为一种必然选择。 未来网络的数据平台 趋于 ip 化，传输平台趋于 wdm 化，ip over wdm 必将成为新一代因特网的支柱。 2.1.1 ip over wdm 的基本原理、结构以及网络管理协议 ip over wdm 也称光因特网。其基本原理和工作方式是：在发送端，将不同波 长的光信号组合(复用) 送入一根光纤中传输；在接收端，将组合光信号分开(解复用) 并送入不同终端。ip over wdm 是一个真正的链路层数据网，其分层模型和网络结 构如图 2- 1 与图 2- 2 所示。 (应用层) 语音、视频、数据、图像 ip 适配层 wdm 层 图 2- 1 ip over wdm 分层模型 光分组交换网络参考模型如图 2- 1 所示， 共 4 层，第 3 层对应 ip 层，也被称为 电交换层。第 1 层为光传输层， 对应由 wdm、otdm(optical time division multiplexing，光时分复用) 技术构成的透明、可重构的光传送网络，具有波长交换 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 功能，可按需提供高速率的波长通道。由于光传送层和电交换层的带宽不匹配， 所 以需要在两层之间引入第 2 层 光分组交换层来完成流量汇聚和带宽适配，以提高 光传送网的带宽利用率和资源分配的灵活性。从这一角度看，光分组交换层可被看 作是电业务层(ip 层)与光传送层之间的适配层。 图 2- 2 ip over wdm 网络结构 光网络由光交叉连接器(oxc，optical cross connecter)或光分插复用器(oadm， optical add/drop multiplexing)组成，在分布式控制平面的控制下， 具有波长交换功 能，可为边缘路由器动态提供端到端的光通道；边缘路由器通过光接口直接与 oxc 相连，负责汇聚流量、实现 ip 层与光层之间的带宽适配。汇集到边缘 ip 路由器的 分组流通过 oadm 到波长上， 然后由 oxc 的访问端口注入 wdm 网络。 由于 ip 路 由器和 oadm 直接相连， 可以在两个访问端口之间建立端到端的光路传送 ip 分组 流，如果由于物理网络的限制(如光收/发器数目限制、链路容量限制) 无法在源- 目的 路由器之间建立直接的光路，分组就需要经过若干条首尾相连的光路到达目的路由 器，光路与光路之间需要在电层相连(通过光/电/光转换实现)，如 e 和 c 上的路由器 要通信就得经过 d 中转。 wdm 网络中所有光路构成的逻辑图被称为虚拓扑。ip over wdm 网络中的分组业务都由虚拓扑来支持。 访问端口 标记交换 路由器 光路 光纤链路 ip 路由器 标记交换 路由器 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.1.2 ip over wdm 的网络管理协议 为了实现在光纤上直接传输 ip 数据，要解决的关键问题之一是设计出一种合理 的帧格式(物理层接口)，即制定一种新的最佳的 ip 对光路的适配接口规范。目前， 主要使用以下两种格式：sdh 帧格式和千兆比特以太网帧格式(简化) ，即 ip/sdh/wdm 和 ip/ethernet/wdm。wdm 提供了接口的协议和速率的无关性，在一条 光纤上，可以同时支持和千兆比以太网，保护了已有投资，并提供了极大的灵活性。 波长交换光网络的关键问题是引入智能化的控制平面，使网络能够根据业务的 波动和网络拓扑的实时变化动态调整和分配网络资源，从而提高效率和可靠性。一 般而言，智能化的控制平面有两种实现方式：集中控制和分布控制。前者便于实现 网络资源的统一调度，收敛快，但灵活性差、扩展性不好；后者则具备更好的灵活 性、扩展性和可靠性。波长交换光网络倾向采用分布式控制平面，主要因为：首先， 以 mpls 为代表的分布式控制技术日趋完善，光网络通过重用成熟的功能实体，可 以缩短研发周期。其次，用一套统一的语法和语义实现对 ip 层和光层的跨层控制， 可使光网络的资源调度与 ip 业务的分布相关联，从而实现两层网络的有机结合。当 然，将 mpls 应用于光层必须充分考虑光层与 ip 层不同的特点，做必要的修改和增 强。ieee提出的多协议波长标签交换(smp)，就是一种将 mpls 流量工程控制与 波长交换光网络相结合的新技术，它将标签交换的概念扩展至包括波长选路和波长 交换的光通道。smp的交换颗粒是波长，标签是信道或者波长，利用 ip 选路协议 来发现和广播网络拓扑，利用smp信令协议来实现波长通道的自动指配。这种方 法可以使边缘路由器动态地要求光网络提供所需波长，实现统一的网络控制和快速 的业务供给，使网络资源得到最佳利用； 同时，它也简化了跨层的网络管理和控制， 降低了网络运行和业务拓展成本，利于网络扩展。 在 ip over wdm 波长交换光网络中，随着smp和波长交换技术的应用，传统 的 ip over wdm多层协议栈将逐渐坍塌，网络结构也会得到很大程度的简化。然而， 多层协议栈的坍塌并不是简单地丢弃某些层，而是通过引入 mpls 和smp等技术， 对原来 atm、sdh 等每一层的功能进行了重新分解与整合：在 ip 层，由 mpls 来 支持标签交换，执行流量工程；在光层，由smp控制光节点为承载 ip 业务提供波 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 长路由，由光层开销整合 sdh 的网络管理和性能监测能力。这种更加紧密的 ip 到 wdm 的集成网络结构简化了层间管理与控制， 提高了操作效率， 增加了节点吞吐量， 并使光层能够快速响应 ip 层的带宽需求14- 19。 图 2- 3 基于 gmpls 的 ip/wdm 网络分层图 2.2 ip over wdm 对光网络的挑战 ip 直接基于 wdm 的网络构架有利于充分利用光纤带宽、减小处理延时和节约 网络建设成本，ip over wdm 很有希望成为今后若干年 internet骨干网的主要形式。 多协议波长交换(mpls)和多协议波长标签交换(smp)是最近才提出的新概念， 它们 可能是 ip over wdm 网络的未来发展方向。但是，波分复用的做法使 wdm 网络在 网络部件失效时可能遭受比传统网络更大的损失，比如一根光纤断裂会使经过它的 所有光路同时失效，因此抗毁机制对于 ip over wdm 网络显得更加重要。 传统的 ip 动态路由机制虽然有失效恢复能力，但是存在以下缺点： (1) 传统的 ip 路由机制依靠路由器之间定时交换网络状态信息，并且可以采用重选路由的方式 绕过出故障的链路或节点，恢复受影响的业务，但是由于 ip 层的重选路由必须等待 路由表收敛以后才能进行，因此对于规模较大的网络失效恢复的延时相当大(一般会 光环路层1 逻辑ip网络层3 外部系统 occs occs occs occs occs ip gmpls 控制平面 ip ip ip 网络管理平面 信号控制层2 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 达到秒的数量级) 。(2) 传统 ip 网络采用的动态路由协议，在网络部件出现故障需 要重选路由时并未考虑保证备用路由上已存在业务流的服务质量，因此路由改变之 后的业务流可能损害已存在业务流的服务质量，导致网络已不再是真正意义上的自 愈网络了。因此有必要结合 ip 网络和 wdm 网络各自的特点来研究 ip over wdm 网 络的生存性。 ip over wdm网络在设计和运营时的两个关键问题是路由和生存性， 这两个问 题涉及的内容有所不同但互相之间又有着紧密联系。 2.2.1 ip over wdm 网络的路由问题 目前有两种方式解决 ip over wdm 网络的路由问题20,21。 (1) 分离路由方式 ip 网络和 wdm 网络仍使用各自的路由机制，即 ip 网络使用传统的动态路由协 议路由 ip 分组。如果 ip 网络使用了后面提到的 mpls 技术也可以使用与之相关的 协议， wdm 网络则使用路由和波长分配(rwa，routing and wavelength assignment) 算法为光路确定路由和波长，两者互不干扰。虽然现在还没有哪种 rwa 算法成为国 际标准，但是这方面的研究已有很多年，有不少性能不错的静态/动态 rwa 算法可 供选择。这种路由方式是目前比较现实的做法。 (2) 整合路由方式 ip 网络和 wdm 网络使用统一的路由机制，ip 路由器在确定路由时应能知道 wdm 网络甚至物理网络的参数信息。使用整合路由方式对 oadm、oxc 等器件的 要求也更苛刻了，因为虚拓扑的改变可能相当频繁，不像目前的 wdm 传送网，虚 拓扑是在相对较长时间内缓慢变化的。整合路由方式目前仍处在研究阶段。 2.2.2 ip over wdm 网络的生存性问题 所有的生存性机制都要求网络预留足够的空闲资源(光纤、波长、带宽等等)，而 网络运营者通常又希望能够以尽量少的空闲资源保护尽量多的业务，最好的解决办 法是在网络规划建设阶段使用网络设计手段优化资源配置。具体到 ip/wdm 网络， 最好的网络设计方法应该是 ip 网络和 wdm 网络的联合设计8,22。 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 网络采用的生存性机制一般可以分为两大类23： (1) 保护机制 采用预先规划(pre- planed)的方法分配网络资源，防止未来预期可能出现的网络 失效。优点是由于保护通路的路由和需要的资源已预留，失效恢复时间很短；缺点 是灵活性不足，无法恢复预期范围以外的失效，如保护机制是针对防止单链路失效 而网络出现多处失效的情况。考虑抗毁需求的静态网络设计就是为了解决这一问题 而提出的。 (2) 恢复机制 在网络出现失效后，动态寻找可用资源并采用重选路由的方法绕过失效部件。 恢复机制能比保护机制更有效地利用网络资源但失效恢复时间较长，恢复机制的灵 活性强于保护机制，可用于网络出现预期范围以外失效时的业务恢复。 因此，我们采取加速 ip 层的失效恢复。正如前面提到的原因，传统 ip 网络的失 效恢复是相当慢的，加速 ip 层失效恢复的方法是使用 mpls(多协议标签交换)技术。 mpls 技术被认为是 ip 路由技术和 atm 交换技术的完美结合，最大的特点是拥有 强大的业务工程能力。另一方面，我们采用 ip over wdm 网络自愈机制和网络操作 和管理(oam，operation and management)。 2.3 小结 本章说明了未来网络的数据平台趋于 ip 化，传输平台趋于 dwdm 化，ip over wdm 必将成为新一代因特网的支柱。接着从原理上介绍了 ip over wdm 的结构、 分层以及网络管理协议。最后，叙述了 ip over wdm 对光网络的挑战以及面对这些 挑战所提出的解决方案。 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 动态光网络中光脉冲传输方程 3.1 单信道光脉冲传输 nls 方程 对于单模光纤24，从描述光在光纤中传输的波动方程： 0 )( 2 22 2 =+e c wwn e (3- 1) 开始，我们能得到一个基本的方程，描述脉冲包络光场慢变复振幅的变化，也 就是非线性薛定谔方程(nlse) ： () () ()()() ()() 23 2 123 23 , 1 , 226 a z ta z ta z ta z t i a z tia z ta z t zttt += (3- 2) 式中(),a z t 是脉冲包络光场慢变复振幅，a(1/km)是光纤损耗系数， 1 是光波传 输常数， 2 (单位是 2 /pskm )和 3 分别代表二阶色散和三阶色散，而( 11 wkm ) 是 光纤非线性系数，i 是虚单位。 采用新的时间参考量 t，t 是随脉冲以群速度 vg移动的参考系中的时间量度 1 ttz= 为了明确计算光纤损耗，我们用(),a z t替代函数()() ()2 , z a z ta z t e =， 这时 nls 方程变为： ),(| ),(| ),( 6 ),( 2 ),( 2 3 3 3 2 2 2 tzatzaei t tza t tza i z tza z = + (3- 3) 式(3- 3)即为单模光纤中，仅考虑光纤损耗，二阶、三阶色散以及自相位调制的 光脉冲传输方程。 3.1.1 非线性薛定谔方程的数值求解 非线性薛定谔方程是非线性偏微分方程，在一般情况下不适于解析求解。为阐 明光纤中的非线性效应，通常需做数值处理25- 27。一种已广泛地应用到解非线性色 散介质的脉冲传输问题的方法是分步傅立叶方法，这种算法相对于大多数别的算法 有较快的速度，部分原理是采用了有限傅立叶变化(fft)算法。下面重点介绍分步傅 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 立叶方法，它是文章后面数值计算和模拟仿真的理论基础。 用分步方法将线性和非线性部分分开，则方程(3- 3)可改写为： () a nd a z =+ (3- 4) 其中，d 是光脉冲在光纤中传输时的色散效应，n 是非线性效应。分别表示为： 23 32 23 26 di tt = + (3- 5) 2 z ni ea = (3- 6) 图3- 1 用于数字模拟的对称分布傅立叶方法示意图 一般来说，沿光纤的长度方向，色散和非线性是同时作用的。分步傅立叶算法 通过假定在传输过程中，光场每通过一小段距离z，色散和非线性效应可分别作用， 得到近似结果。更准确地说，从 z到 z+z的传输过程分两步进行。第一部仅有非线 性作用，方程中的d =0；第二步，仅有色散作用，方程中的n =0。其数学表达式如 下所示： ),()(),( tzafwhwzza d =+ (3- 7) 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ),( )|),( |exp(),( 121 wzzafwzzafezitzza z +=+ (3- 8) (3- 7) 式里面的频域传递函数由下式给出 ) 6 1 2 1 ( 3 3 2 2 )( zwzwi d ewh = (3- 9) 式中f和 1 f代表傅立叶变换和傅立叶反变换。方程(3- 7) (3- 9) 就是分步傅 立叶算法。 这个算法是非常直接的： 将时域包络在 z的位置转换到频域， 然后应用(3- 7) 式，仅仅只考虑线性部分，得出了在zz+位置的频域包络；将频域包络再变换回时 域，(3- 8) 式是用于计算zz+位置的非线性效应；这样一个过程被不停地重复，直 到抵达指定距离。 图 3- 2 算法流程示意图 虽然用此方法运算相对简洁，但需要小心选择 z 和 t 的步长，以保证精确度。 分段初始化参 数 本段输入= 上段输出 傅立叶变换 色散操作 傅立叶反变换 非线性操作 计入损耗 到达输出 结束 y n 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 最佳步长的选择往往依赖于问题的复杂程度，但有时仍需要减小步长重复计算来保 证数值模拟的精度，但这不利于提高算法的效率。而在多信道模型仿真中，不恰当 的步长选择则可能会引起伪边带抖动和伪四波混频等失真现象。另外，我们应选择 足够宽的时间窗口，以保证脉冲能量一直限制在窗口内，典型的窗口尺寸是脉冲宽 度的 1020 倍。 3.2 多信道光脉冲传输 nls 方程 wdm 系统中一根光纤中是有多个波长信道同时传输的， 所以需要分析研究多信 道传输时的非线性薛定谔方程。下面先介绍光纤中的非线性效应的原理。 3.2.1 光纤中的非线性效应 非线性光学介质中，介质的折射率与光强有关。所以光纤的非线性效应即折射 率的功率相关性。虽然石英材料的非线性系数不高，但由于在现代光纤通信系统中， 传输距离长，而且光场被限制在一个很小的区域中传输，因而非线性的影响不可忽 略。另外，为了提高光通信的通信容量，一般可采取提高发射光功率、提高单信道 传输速率、减小波分复用的信道波长间隔以及开辟新的通信窗口等不同技术。随着 这些新技术的应用，非线性效应对通信容量的影响越来越显著。可以说，光纤的非 线性是光纤通信系统的最终限制因素。光纤中的非线性效应主要有 fwm、spm、 xpm、srs 和 sbs 几种机制。接下来，我们分别简单介绍 spm、xpm、fwm 产生 的机制和原理，以及各种非线性效应对非线性薛定谔方程的影响。 srs 和 sbs 是两种非弹性散射。要发生受激拉曼散射和受激布里渊散射都需要 很大的入射光功率，即要超过它们的阈值功率。光纤通信系统中，我们的入射光功 率均远小于这个阈值功率。所以，本文暂不考虑受激拉曼散射和受激布里渊散射。 (1) 自相位调制(spm) spm 是光场在光纤内传输时光场本身引起的相移。折射率的功率相关性可通过 下面公式表示 () 2 eff nnnp a=+ (3- 10) 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 n是非线性折射率系数(对于石英光纤，其值约为wm /103 220 )。对应式(3- 4)， 非线性状态下的传播常数也表示为 p+= (3- 11) 其中， 02eff k na =为光纤的非线性系数。光纤模式的相位随着距离 z而线性增 加，因而非线性折射率变化引起的非线性相移可表示为： effin ll nl lpdzzpdz=)()( 00 (3- 12) 其中)exp()(zpzp