（光学专业论文）wdm光网络路由与波长分配技术研究.pdf

w d m 光列络路壶与拔比打鸵设术j t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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；尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 蟹盔1 日期： 2 ：竺： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：墨! ：l ：红：1 日期：! ! ! ：垒兰= w d m 光叫终路由与波k 分自：拉术酬， w d m 光网络路由与波长分配技术研究 摘要 波长路由算法是w d m 光网络关键技术之一。本论文对w d m 光网 络中的波长路由算法进行研究：从算法的目的、性能评价、影响算法 的因素等方面出发，对静态业务模型和动态业务模型下的波长路由算 法进行了分析和研究，并在前人研究的基础上，提出了改进的解决方 案。论文的主要工作及成果如下： 1 、对波长路由算法进行了整体分析，系统地讨论了w d m 光网络中与 r w a 算法相关的多种因素，并用数学方法对这些因素进行了描述和 分析。 2 、对静态波长路由算法进行了研究，在前人研究的基础上，经过综 合、改进，提出了一种新的静态波长路由算法eg r e e d 算法，并进行 了计算机仿真。 3 、对动态自适应波长路由算法进行了研究，分析了已有的动态自适 应r w a 算法，结合其优点，提出了一种改进的动态自适应波长路由 算法一i a m m a 算法，并用计算机进行了模拟仿真。 关键词：w d m 光网络路由和波长分配波长通道算法 北京邮电、学坝j j 学位论文 w d m 光叫络路由与波长分配技术研究 r e s e a r c ho nr o u t i n ga n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n ti nw d m o p t i c a ln e t w o r k a b s t r a c t r o u t i n g a n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m ( r w a ) i so n eo f k e yt e c h n o l o g i e so fw d m n e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h e r w a a l g o r i t h mf o rw d mn e t w o r k s ：a n a l y s e sa n d r e s e a r c h e st h er w a a l g o r i t h mo f s t a f f ca n dd y n a m i cb u s i n e s s m o d e l ，c o n s i d e r i n g t h e p u r p o s e o f a l g o r i t h m ，p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n df a c t o r sa f f e c t i n ga l g o r i t h m t w o i m p r o v e da l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d m a i n r e s e a r c hw o r ko f t h i s d i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 t h er w a a l g o r i t h m i so v e r a l l d i s c u s s e d m a n y r e l a t e df a c t o r sa f f e c t i n g a l g o r i t h m a r ea n a l y s e d ，a n dd i s c u s s e dw i t hm a t hm o d e l 2 t h es t a t i cr w a a l g o r i t h m i nw d m o p t i c a ln e t w o r k i ss t u d i e d t h r o u g hs y n t h e s i z i n g a n d i m p r o v i n g ，a no p t i m a la l g o r i t h m eg r e e d i s p r o p o s e db a s e d a n ds i m u l a t e dw i t h c o m p u t e r 3 t h ed y n a m i cr w a a l g o r i t h m i nw d m o p t i c a ln e t w o r k i ss t u d i e d a f t e ra n a l y s i n ga l g o r i t h m s b e f o r ea n d e x t r a c t i n gt h e i ra d v a n t a g e s ，a i m p r o v e dd y n a m i ca l g o r i t h m - - i a m m a i sp r o p o s e d ，a n ds i m u l a t e d w i t hc o m p u t e r k e y w o r d s ：w d mo p t i c a ln e t w o r kr o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t w a v e l e n g t hp a t ha l g o r i t h m 3 此京n i l ；i 也，、掌坝上学位论文 w d m 光删络路由被k 分配拙术研究 1 1w d m 技术 第一章引言 1 11w d m 技术简介 在当今信息化的时代中，人们对信息的需求日益上升，迫切的需要大容量的 通信网络。w d m 光网络以高速的信息传输速率逐渐成为骨干网的主要传输方式。 波分复厍j ( w d m ) 技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。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) ，并藕合到光纤线路上 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) ，并做 进步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。这样来，充分的利用了光纤的 带宽潜力，通信容量增加了几倍至上百倍，具有极大的应用价值和经济价值。 由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此耍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( d w d m ：d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，目前 该系统是在1 5 5 0 n m 波长区段内，同时使用8 、1 6 或更多个波长在一对光纤上( 也可 采用单条光纤) 构成的光通信系统，其中每个波长之间的间隔为1 6 n m 、o 8 n m 或 更低，对应约2 0 0 g h z ，1 0 0 g h z 或更窄的带宽。其中1 5 2 5 n m - 1 5 6 5 哪一般称为c 波 段，这是目前系统所用的波段，而正在研究和开发的波段是l 波段 ( 1 5 7 0 n m 一1 6 2 0 r i m ) 和s 波段( 1 4 0 0 r a n ) 。目前在实际应用时大都采用1 5 5 0 n m 波长区 段内的密集波分复用技术i ”。 w d m 技术对网络的扩容丹级、发展宽带业务( 如c a t v 、h d t v 和b i p i s d n 等) 、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速通信等具有十分重要的意义。如果某 一区域内所有的光纤传输链路都升级为w d m 传输，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 o 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o x c 和o a d m 的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种 光通路可以根据需要灵活动态地建立和释放，具有一定的路由能力，这个光层也 就是w d m 网络。 1 1 2w d m 系统的基本形式 为了满足网络传输容量的不断增长，产生了各种复用技术以扩容网络容量。 北糸州l l j 、学珂! i 学位论文 w d m 光嘲络路由与波分a 二投术硐芰 主要育时分复用( t d m ) 、波分复用( w d m ) 、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，使网络的传输效率得到了很大的提高。其 中利用w d m 技术进行数据传送的光纤通信系统被称为w d m 系统似j 。 w d m 系统的基本构成主要有以下两种形式： 、 1 双纤单向传输方式 + 固 ! 区丑 图1 1 双歼单向俦输示意图 单向w d m 是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送f 如图1 1 所 示) ，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的己调光信号，通过光复用器 组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同光波长携带的， 所以彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成 多路光信号传输的任务；反方向通过另一根光纤传输，原理相同。 2 单纤双向传输 单纤双n w d m 是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输( 如图 1 2 所示) 。所用波长相互分开，以实现彼此双方全取工的通信。 北京蛳电、学谢! l 学位论文 w d m 光络路血与坡k 舒自! 投术矾允 图1 2 单纤双向传输示意图 单向w d m 系统在开发和应用方面都比较广泛。双向w d m 系统的开发和应用 相对来说要求更高，这是由于双向w d m 系统在设计和应用对必须要考虑到几个 关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰( m p i ) ，必须注意到光反射的影响、双 向通路之间的隰离、串话的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的 依赖性以及自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。但与单向w d m 系统相比，双向w d m 系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。另外通过在 中间设置光分插复用器( o a d m ) 或光交叉连接器( o x c ) ，可使各波长光信号进行 合流和分流。实现光信息的上下通路与路由分配，这样就可以根据光纤通信线路 和光网的业务量分布情况，合理地安排插入和分出信号。 1 1 。3w d m 系统的纂本结构和工作原理 一般来说，w d m 系统主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光接 收机、光监控信道和网络管理系统( 见图1 3 ) 。光发射机是w d m 系统的核心，根 据i t u t 的建议和标准，除了对w d m 系统中发射激光器的中心波长有特殊的要 求外，还需要根据w d m 系统的不同应用( 主要是传输光纤的类型和无电中继传输 的距离) 来选择具有一定色度色散容限的发射机。在发送端首先将来自终端设备 ( j h s d h 端机) 输出的光信号，利用光转发器( o t u ) 把符合i t u tg 9 5 7 建议的非特 定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号：利用台波器合成多通路的 光信号；通过光功率放大器( o a ) 放大输出多通路光信号。 w d m 光叫络路工l 与【：丹酣技术i 究 l 光劐蹴 上 i 光蠊控信道接收器 图1 3w d m 系统总体结构示意图( 单向) 经过长距离传输后( 8 0 一1 2 0 k m ) ，需要对光信号进行光中继放大。目前使用的 光放大器多数为掺饵光纤放大器( e d f a ) 。在w d m 系统中，必须采用增益平坦技 术，使e d f a 对不同波长的光信号具有相同的放大增益，同时，还需要考虑到不 周数量的光通信同时工作的各神情况，+ 能够保证光通道的增益竟争不影响传输性 能。 在接收端，光前置放大器( p a ) 放大经传输丽衰减的主信道光信号，采用分波 器从主信道光信号中分出特定波长的光信道。接收机不但耍满足一般接收机对光 信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有定光噪声的信号，要有足 够的电带宽性能。 光监控信道主要功能是监控系统内各信道的传输情况。在发送端，插入本节 点产生的波长为a 。( 1 5 l o 如：1 ) 的光监控信号，与主信道的光信号合波输出：在接收 端，将接收到的光信号分波，分别输出五。( 1 5 1 0 r i m ) 波长的光监控信号和业务信 道光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道 来传递的。 网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点或接收来自其他节 点的开销字节，从而对w d m 系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管 理、安全管理等功能，并与上层管理系统( 如t m n ) 相连。 1 1 4w d m 系统在传送网中的位置 就目前的技术与应用状况来看，w d m 系统在传送网中的位置如图1 4 所示， 其s d h $ 1 1 w d m 之间是客户层与服务层的关系。相对于w d m 技术而言，s d h 、 p d h 和a t m 信号都只是w d m 系统所承载的业务信号。从层次上看，w d m 系统 w d m 光络路由1 j 汝k 分配投4 、研咒 更接近于物理媒质层光纤，并在s d h 通道层下面构成“光通道”层网络。 电路层 s d h 通道层 w d m 光路层 la t m 、i p 路由器 d x c 、a d m io x c 、w d m 系统、o a d m 图1 4 w d m 系统在传输网中的位置 从w d m 系统发展方向来看，光分插复用器( 0 a d m ) 和光交叉连接器( o x c ) 结合将形成一个光层网络光传送网，今后传送网的发展就应是在s d h 电层面以 下建设光网络层面，即传送网将在拓扑上分为光、电两层面，而w d m 系统则是“光 网络层”的核心。 】，】5 使用w d m 的意义 自9 0 年代初以来，人类社会进入了一个前所未有的信息爆炸时代。伴随着个 人电脑普及而来的i n t c r n e t 的飞速发展，由数字移动通信业务导向个人通信而引发 的常规通信的革命。以及多媒体通信业务的出现刺激了全球通信业务的疯狂增 长，而这种疯狂增长的最直接后果是出现了所谓的“光纤耗尽”现象每融设的光纤 都用完了。以美国为例，从】9 9 4 年起，几个主要的长途电信业务承载商的光纤通 信系统都持续出现了负载熊力接近饱和的问题( 见表1 1 1 。 表1 1 关国五大主要电信业务承载商的光纤利用率 运蕾商 1 9 9 4 ( )1 9 9 5 ( )1 9 9 6 ( ) i ia t & t 5 04 76 0 m c i 7 57 88 4 s p r i n t 6 5 7 78 3 w o r l d c o w t6 9 6 97 0 s t e n t o r7 77 77 9 就建设资金而言，光纤通信系统的初期投资是非常大的。主要原因是光缆线 路的敷设费用很高，那么必须考虑利用现有光缆系统实现最大限度地扩容。另外， 因为网络中的终端用户是一些工作站或连接低速子网的网关，所以终端用户的最 1 0 北飘峨l ，、掌 _ 、l 学位论义 w d m 光m 络路由与波k 分配投1 ：i ”) l 大传输率受到电信号传输率( 几个g b p s ) 的限制，而一根单模光纤的理论带宽接近 5 0 t b p s 这比电信号的最大传输率高出4 个数量级，因此必须设法尽力消除这种 光电带觉的巨大不匹配。解决上述问题的方法是在网络体系结构和网络协议中引 入并发机制，将多个用户的应用复用到一根光纤中。在光通信网络中，这种并发 机制可通过波长、频率和相位三种方式来实现，即波分复用( w d m ) ，时分复用 f t d m ) 和码分复用( c d m ) 。 传统的扩容方法是采用t d m 方式，即对电信号进行时间分隔复用。无论是 p d h 的3 4 m b p s 、1 4 0 m b p s 、5 6 5 m b p s ，还是s d h 的1 5 5 m b p s 、6 2 2 m b p s 、2 4 8 8 m b p s 、 9 9 5 2 m b p s ，都是按照这一原则进行的。据统计，当系统速率不高于2 4 8 8 m b p s l n ， 系统每升级一次，每比特的传输成本下降3 0 左右。因此，在过去的系统升级中， 人们首先想到并采用的是t d m 技术。 采用这种时分复用方式固然是数字通信提高传输效率、降低传输成本的有效 措施，但是随着现代通信网对传输容量要求的急剧提高，利用t d m 方式已日益 接近硅和砷化稼技术的极限，并且传输设备的价格也很离，光纤色度色散和级化 模色散的影响也日益加重。因此人们正越来越多地把兴趣从电时分复用转移到光 复用，即从光域上用波长复用方式来改进传输效率，提高复用速率。其突出优点 是：能在一根光纤中同时传输不同波长的几个甚至几百个光载波信号，不仅能充 分利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容量，而且还能提高系统的经济效益。 从世界范围来看，目前正在建设或将要建设的商用光纤通信系统基本上都是 w d m 光纤通信系统，原有的光纤通信系统也都将陆续被改造成w d m 系统。 1 1 6w d m 技术的主要特点 1 充分利用光纤的巨大带宽资源 w d m 技术充分利用了光纤的巨大带宽资源( 低损耗波段) ，使一根光纤的传 输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本， 具有很大的应用价值和经济价值。原来的光纤通信系统只在一根光纤中传输一个 波长信道，而光纤本身在长波长区域有很宽的低损耗区，有很多波长可以利用， 如：现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱中极少的一部分，即使全部利用掺饵 光纤放大器( e d f a ) 的放大区域带竟( 1 5 3 0 - 1 5 6 5 m n ) ，也只是占用它带宽的】6 左 右。所以w d m 技术可以充分利用单模光纤的巨大带宽，从而在很大程度上解决 了传输的带宽问题。 2 同时传输多种不同类型的信号 由于w d m 技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信 号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及p d h u + d m 光恻络路田勺被k ，一盎术1 扎 信号和s d h 信号，实现多媒体信号( 如音频、视频、数据、文字、图象等1 混合传 输。 3 实现单根光纤双向传输 由于许多通道( 如：电话) 都采用全双工方式，因此采用w d m 技术可节省大量 的线路投资。 4 具有多种应用形式 根据需要，w d m 技术可有很多应用形式，如长途干线网、广播式分配网络、 多路多址局域网络等，因此对网络应用十分重要。 5 节约线路投资 采用w d m 技术可使n 个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传 输时可以节约大量光纤。另外，对己建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统 的功率富余度较大，就可进一步增容而不必对原来的系统做大的改动。 6 降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光器件的响应速度己明显不足。使用w d m 技术可降低对些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传送。 7 实现l p 的传送通道 波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及调制方式无关。在网络 扩充与发展中，是理想的扩容手段，也是引入带宽新业务( 例如冲等) 的方便手段。 通过增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量，如目前或将要实现 的i po v 钉w d m 技术。 8 具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性 利用w d m 技术进行路由选择，实现网络交换和恢复，从而实现未来透明、 灵活、经济且具有高度生存性的光网络。 】3 w d m 网络 计算机网络技术的快速发展把人类推向一个高度信息化的社会，人们希望能 够按3 w 方式( w h e n e v e r ，w h e r e v e r , w h a t e v e r ) 随心所欲地传输、使用信息，满足这 一条件的关键是需要有一个高速通信网络。 按照使用通信介质的方式，计算机网络经历了两个价段，并正向第三个阶段 迈进”“4 1 。第一阶段是使用铜线阶段。铜线成本高，速率低，易受干扰。第二 阶段是使用光电阶段。这一阶段的通信系统在主干线路上使用光纤，在每个中间 节点都将光信号还原为电信号。然后重新转换为光信号发送给下一节点。每路信 号占用整根光纤的容量，光纤所具有的巨大的容量没有得到充分利用。第三阶段 北京邶l 己，、， 坝_ _ l 学位论立 u d m 光叫端蹈函o 波 _ = = 分配投不 亢 是全光w d m ( w a v e l e n g t h d j v i s i o nm u l l e x i n g ) 阶段。w d m 方式将光纤的容量分 为多个互不重叠的波段，不同的信号占用不同的波长，多路信号同时在光纤网上 传输，中间节点直接进行光交换，无需进行光电转换。 、光纤是迄今所发现的最高速的通信介质，也将是未来骨干网络的最主要通信 介质1 4 1 5 】【6 】 7 1 【8 】【”。 光纤可利用带宽约为5 0 t b p s 蚓”】i “j ，而目前计算机设备处理信号的速度都在 2 5 g b p s 以下，一般在几百m b p s 。要充分利用光纤的通信能力，就需要将光纤带 宽按波长划分为多个信道，每个信道使用一个波长，以与设备的处理速度相匹配 的速度传送路信号，各路信号按波分多路复用w d m ( w a v e t e n 垂t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 的方式同时在光纤上传送。尽管目前可以使用多根光纤或更高速的 接口设备如达至e j o c 一19 2 ( 1 0 g b p s ) 的交换设备等方法来提高光纤的通信能力，但 使用w d m 方式将是性能最好、价格最低的种方式t 4 。 目前1 2 8 波分复用技术已经实用化，在实验室环境下已经可以制造出用于 w d m 通信的1 0 0 0 种波长的光源并能实现超过i 0 0 0 路信号的波分多路复用。骨干 通信网络使用w d m 方式将是未来高速通信网络的必然选择1 5 】。 在网络内部以光纤为传输介质、使用w d m 方式传输信号、并以全光 ( a u o 鲥c a l ) 方式迸行交换的网络称为w d m 全光网络，简称为w d m 网络。w d m 网络有两种基本形式f 3 】，即广播一选择网络( b r o a d c a s t - a n d - s e l e c to p t i c a ln e t w o r k ) 和波长路由网络( w a v e l e n g t h - r o u t e do p t i c a ln e t w o r k ) 。 1 2 1 广播- 选择网络 广播选择网络是一种星型网络。所有节点都连接到一个称为无源星型耦合 器的中心设备上，各节点所发送的信息被星型耦合器合并( 复用) 后。广播到所有 节点，各节点只接收约定波长的信号，过滤掉其它波长的信号。源节点和目的节 点在通信前要通过某种机制确定通信所用的波长，并把发送器、接收器调谐到给 定的波长，从而实现通信的目的。 广播一选择网络主要适用于局域网络。 1 2 , 2 波长路由网络 波长路由网络是用有源光交换器连接光纤而构成的任意拓扑结构的网络。渡 长路由网络的基本通信机制是光路( l i g h t l m t h ) 。光路是源节点和目的节点之间的 一条全光通信通道，可以跨越多条光纤链路。光路的建立以可用波长为基础，按 给定的规则为每条链路分配一个可用波一长，中间节点直接使用光交换而不进行 光电转换。当在中间节点没有波长转换- 器( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 时，光路上连续 w d m 光删络蹿由，与锨k 骨s ：投术_ i l j l j ( 的多条链路必须使用同一波长，这种条件称为波长连续性约束，这样的光路称为 纯光路( p u r el i g h t p a t l a s ) ，简称为光路。使用多种波长的路径称为半光路 ( s e m i l i g h t p a t h s ) ，也称为波长路径( w a v e l e n g t h p a t h s ) 。在不致引起混淆的情况下， 将它们统称为光路。使用同一波长的一条光路称为一段( h o p ) ，亦称一跳。由于 这种网络的路由不是汉以链路而是以链路上的可用波长为基础，因此被称为波长 路由网络。 由于波长路由网络是种更普遍的网络形式，也是骨干网络的主要形式，更 是未来骨干网络必然采用的通信方式，因此本文将这种网络作为研究的对象，并 将其简称为w d m 网络。 1 2 3w d m 光网络若干技术热点 w d m 光网络在传送网中增加了光层，从而使信号的交叉连接和分叉复用得 以在光域上直接完成，能够减轻电交换节点的压力、提高节点的吞吐量和整个网 络的传输容量，成为网络升级的首选方案。在w d m 光网络中，有以下一些关键 的技术和研究热点： 1 w d m 技术 w d m 技术的发展和成熟是推动w d m 光网络发展的重要因素。w d m 技术有 助于骨干网络设备提高传输容量、延伸传输距离以及降低传输成本等。 在w d m 中，关键的技术有：光源技术、波长可调谐滤光器技术、光波分复用 复用器技术、光转发器技术、光纤放大器技术、光纤传输技术以及w d m 系统的 监控技术等。 2 光节点技术 w d m 光网络中的光交换节点不需要进行光电转换，而是通过光交换技术， 直接在光域上进行波长交换。光交换节点是构筑w d m 光网络的核心设备，目前 有两种主要的光节点设备，分别是光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接器( o x c ) 。 光节点的关键技术主要包括：光的复用，j 睥复用技术、光交换技术、波长转换 技术、可调谐光滤波器技术、功率和色散管理技术、管理控囊4 软件等。 3 自动交换光网络( a n o n ，a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ) w d m 光传送网络技术的出现为进步提高信息传输的速率和效率都产生了 很大的影响，光传送网将从过去的仅仅提供传送容量的角色，转向在提供传送容 量的同时也可以提供端到端连接的重要角色。因此，能够充分利用网络资源进行 动态地分配各用户通道路由、并确保网上业务的恢复及保护等多项功能，以智能 为核心的光网络概念开始形成。智能光网络是一个可以进行端到端光信号传送的 光路的动态、灵活的网络。i t u t 将智能光网络称之为自动交换光网络( a s o n ) ( 在 4 w d m 光叫络路由。j 波长力l 二投术 l 】f 艽 g 8 0 7 中定义为通过控制平面来实现配置连接管理的光传送网”) 。 智能光网络的实现罴要两项关键技术：硬件光交叉技术及软件选路算法。光 的硬件设备是指创建并完成光的传送的技术，如光放大嚣和激光器、o x c 、 o a d m 等：光的软件系统是一些可以列光信号进行控制的信令以及软件算法，其 中光路由算法是智能光网络提供端到端连接的关键。 4 波长路由算法 通过在光层上的联网，w d m 光网络为上层业务网络提供了一个高速、透明、 统一的光传送平台。波长路由算法的重要意义之一是为w d m 光网络的提供最佳 联网性能的理论依据。 1 4 小结 本章首先介绍了w d m 技术定义、概况及其特点。通过介绍w d m 的优点以及 发展概况，展现t 丑w d m 技术的巨大优势和前景。 然后简要介绍了w d m 系统的基本结构，以及它在传送网中所处的位置。 最后介绍t w d m 发展中一些关键技术。 北尔 牝电j 。事砸al 学位论义 w d m 光州络路由与被k 分配拄爿：卅宄 第二章w d m 路由与波长分配算法 w d m 光网络与传统网络相比，、在物理基础和技术条件上的限制因素不同， 业务应用不同，因此在w d m 光网络中进行波长路由算法的研究有重要的意义， 许多w d m 光网络独有的特性与r w a 问题密切相关。本章将重点对这些相关的因 素进行探讨，用数学方法对部分算法模型进行描述。本章将系统的讨论影响r w a 算法的因素、算法的数学描述以及算法的功能分类等。 2 1 影响波长路由算法的因素 w d m 光网络中，连接的建立是由一个一个的波长建立的，信息的传送都被 限制在波长范围内。在这样一个波长域一光域的范围内为上层的业务应用进行选 路连接操作，必然有许多不同于传统的电t d m 网络的特点。本节主要介绍在 w d m 光网络中，对r w a 算法的一些重要影响因素。 2 1 1 ，流量类型与波长路由 流量的类型对研究r w a 问题有很大的影响，w d m 光网络承载主要有两种类 型的流量，分别是静态的业务流量和动态的业务流量，针对不同的业务流量， r w a 算法有不同的算法模型、不同的算法条件及优化目标。 1 静态流量 静态业务流量是指网络所有节点对之闯的连接请求是预先绘定、且不随时间 变化的，即源节点和目的节点的连接关系是给定不变的。当所有的连接建立好之 后，连接将保持不变，网络不再接纳新的连接请求，同时也不拆除已经建好的连 接。 静态流量的r w a 问题，一般都给出连接请求矩阵，在满足此连接矩阵条件 下，优化配置网络资源，如使光纤数最少、波长数最少、波长转换器最少等等。 2 动态流量 动态业务流量是指网络所有节点对之间的连接请求不是预先给定的，而是随 着时间的变化动态地到来，当连接建立好之后保持一段时间之后又会被拆除，被 拆除的连接将释放所占用的资源。即不断有连接请求到来、也不断有已建立好的 连接被拆除，网络中的连接状况处于一个动态的变化之中。目前通常假设的连接 请求的到达符合泊松过程，连接的保持时间符台指数分布。 北乐邮屯人掌磺j 学位讫文 w d m 光嗍络龉由与被托分配技术 j j 气 研究动态流量的r w a 问题，一般的算法优化目标都是网络阻塞率，即在相 同的网络负载下优化算法以便网络阻塞率最小。网络负载般用爱尔兰表示，返 罩借用了话务工程的术语，因为在动态流量中光网络的连接特性与传统电路交 换网有相似之处，例如两者都是面向连接的电路交换、都是动态的业务流量。 2 1 2 波长转换与波长路由问题 波长转换器( w c ，w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 是w d m 光网络中重要的器件之一 1 1 2 ，光转换器的主要功能是波长转换如在o x c引入波长转换器，则可以将 输入光纤上的某个波长丑转换到输出光纤的另一个波长丑上。是否引入波长转 换，以及波一长转换器的性能，对于波长路由算法具有很大的影响。 1 波长通路与虚波长通路 w d m 光网络中的连接是由波长建立的。在无波长转换器的光网络中，从源 节点到目的节点之间，不论经过几条链路，光信号都保持相同的波长，如图2 1 a 所示，从源节点a 到宿节点c ，信号始终占用相同的波长。这样的连接形成的通 路，称之为波长通路( w p ，w a v e l e n g t hp a t h ) 。 弓 入波长转换器之后，光信号在传输的过程中，由于种种原因有可能在 a矗 e h 曰匹卜 三r 曰 斗 a 波长通路b 虚波长通路 图2 1v p 、w v p 示意图 不同的链路使用不同的波长，如图2 1 b 所示，从源节点a 到宿节点c ，信号经过 了一次转换( 链路a b 上使用波长 ，节点b 处引入波长转换，从 转换到如在链 路b e 上继续传输) 这样的光通路称之为虚波长通路( v w p ，v i r t u a lw a v e l e n g t h p a t h ) 。 无波长转换的w d m 光网络存在波长连续性限制，所谓波长连续性限制指的 是在整个连接路径的所有链路上都必须使用相同波长。如果链路上没有相同的波 长空闲，即使有其他的空闲波长，仍然无法建立连接，如图2 1 所示的网络拓扑 中，如果链路a b 上只有波长 空闲，链路b c 上只有波长如空闲，则此时a 、c 之间是无法建立连接的。但是有波长转换的w i ) m 光网络则可以解决这个问题， 如图2 1 b 。 北京睥i t j 、学坝l 学位论文 v 。q ) m 光咧络路由抽l 二分虬披术1 u ：笼 2 波长转换的能力 如前所述，引入波长转换的w d m 光同络不受波长连续性限制，能够提高网 络中资源的利用效率，但是在实际应用中，受技术、资金、业务需求、网络拓扑 等等的不同，w d m 光网络具有的波长转换特性又分为以下几种m 】。 完全波长转换。在全部光节点处。所有输入端的任意波长的光信号可以 在输出端转换成任意波长。此种情形下，网络在功能上等同于传统的电路交换网， 完全不存在波长连续性限制的问题。 二部分波长转换。由于波长转换器仍然是种较昂贵的器件，因此如果想 在网络中大规模的应用，目前还不现实，因此入们提出了部分波长转换”4 所谓 部分波长转换可以理解为以下三种情况1 卸： a 有限数目的节点具有全转换能力。w d m 光网络中只有部分节点配置了波 长转换器，在这些节点处可以实现任意的波长转换，但在没有配置波长 转换器的节点，仍然需要满足波长连续性限制的要求。 b 在所有的节点上放置有限数目的波长转换器。节点中不是给每个信道都 放置波长转换器而是放置部分波长转换器，再通过交换机构把需要进 行波长转换的信道输入到波长转换器模块中进行波长转换。 c 每个节点只具有有限范围的转换能力。节点中的波长转换器不能实现整 个波长范围的转换，针对某个特定波长，只能实现某个波长范围之内的 波长转换。 3 波长转换与r w a 算法 有无波长转换能力，以及波长转换能力的大小，在r w a 算法中影响巨大。 只要引入了波长转换，不论是全波长的转换还是部分波长转换，都能全部或者部 分地减小波长连续性限制的制约，直接的好处就是提高了波长资源的利用率，改 善网络的性能。 对于全波长转换的w d m 光髓络，其r w a 算法相对简单。因为在这种网络中 完全不受波长连续性限制的制约，在从源节点到宿节点的路径上，只要备链路部 有空闲的波长信道( 波长可以不同) 就能够建立起虚波长通路，在这种情形下，波 长转换对系统性能的改善取决于很多因素，包括网络拓扑( 网络规模和连接度) 、 每根光纤中的波长数、每链路的光纤数、流量负载、路由和波长途择算法。例如， 在全连接网或环形网中，波长转换器对系统阻塞率的改善是微不足道的，但是在 网格环形( m e s h - t o u r s ) 网中，波长转换器对阻塞率可以有很大的改善：网络中的波 长数越多，波长转换的带来的收益( 以下简称为“增益”) 就越小；链路中的光纤数 越多，波长转换的增益越小；流量负载比较小时，波长转换器的增益比较大，但 j e 氖邮i 也，、掌饥上学位论文w d m 光络龉由与被k 分b i 披求、h ： 是流量负载很大时，波长转换的增益就会降低，这主要是因为波长资源不足引起 的。波长转换的增益与路出和波长分配算法也有很大关系，因为不同的路由和波 长分配算法得到的光路长度以及于涉长度( 光路干涉长度指的是两条光路经过的 相同的链路数目) 不一样，这对波长转换的增益有很大的影响【l “。 对于部分波长转换的w d m 光网络，网络的具体情况不同时r w a 算法有不 同的性能1 “1 1 ”1 1 ”】【”】【”】。总的说来，在部分波长转换的光网络中，波长转换能力 大小对于r w a 算法性能的影响主要表现在：重要节点放置波长转换器带来的效益 更大；光纤中复用波长数与放置波长转换器的效益成正比：正确地设置波长转换 器能够接近全波长转换时的网络性能。 2 2 波长路由问题的一般数学描述 一般来说，r w a 问题可以看作一个线性规划的问题，但是由于在w d m 光网 络环境下，往往是一个n p c ( n o n d e t e r m i n i s f i c p o l y n o m i a l c o m p l e t e ) l b 7 题f 2 0 。在 合理的运算时间内解决大型w d m 光网络的r w a 问题常常是不可能的，常用的解 决方法是将r w a 分成两个子闻题路由子闯题辛秘波长分配予闯题，再分别加以解 决，同时还将会用到各种启发式算法以提高算法效率。本节主要用数学分析的方 法描述了r w a 问题。 221 相关概念 首先给出在描述和研究波长路由算法时一些通用的术语说明，这些术语在本 文中将一直出现： 节点( n o d e 、：网络链路的端点，也是多条链踌的汇合点。从信息流角度看又是 信息流的源或转接交换点。它是网络构成的关键要素，缺少了它就构不成网络。 在w d m 光网络中指的是o x c o a d m 或者波长路由器。在网络图论中节点被抽象 成顶点( v e r t e x ) 。 链路( 1 i 1 1 心：网络中连接节点的线路( 1 i n e ) g 邑踣( c i r c u i t ) 。是承载信息流的通路， 传送信息流的途径。它是网络构成的又一关键要素。在网络图论中链路对应于边 ( e d g e ) 。 w d m 光网络中每条链路有可能包含多个光纾对。 信息流传送单位( 妞l n k ) ：网络链路中传送的信息流的单位。比如s d h 网络中的 s t m 。1 、s t m _ 4 或s t m - 1 6 等。w d m 光网络里信息流单位是单个波长。链路中承 载的信息流由信息流传送单位组成。 信道f c h a n n e l ) ：链路中承载信息流传送单位的通路。即一条链路中有多条信 道，每一条信道承载一个信息流单位。w d m 光网络中信道特指波长信道。 1 9 j l 京i t l l _ ：咆，、学佩士学位论文 w d m 光f 叫络路出。波长分目投d 、：彳。 通道( p a t h ) ：y 于始于信息流的源点，结束于信息流的终点，出一条或多条信道 首尾相连构成的传送信息流的通路。一条通道经过的首尾相连的链路就构成了一 条路径。 路径( r o u t e ) ：开始于源点，结束于终点，由条或多条链路首尾相连构成的传 送信息流的通路。如果该路径的源点与终点重合，就构成了一个回路。 节点的度( d e g r e e ) ：与该节点相连链路的数量。 波长通道( w p ) ；f t l 虚波长通道( v w p ) ：前者满足波长连续性限制，后者无此限 制。 链路、光纤和信道：w d m 光网络中，每个链路包含多个光纤对，其中每个光 纤对由两个相向的单向光纤组成，每根光纤复用多个波长信道。 波长信道( w c ，w a v e l e n g t hc h a n e l ) 年l l 波长通道( w e ，w a v e l e n g t hp a t h ) ：波长信 道是指建立在单个光纤链路上、仅仅用于连接这条链路两端节点的通信信道，每 根光纤可以提供多个波长信道，其数目与此根光纤中复用的波长数目相同；而波 长通道波长通路特指一个波长连接，两个连接节点可能由多条首尾相连的光纤 链路连接，因此可以认为一个波长通路由多个首尾相连的波长信道组成1 两者共 同之处都是由波长作为信息传送的通道。 2 2 2 数学模型 网络中的节点和边可表示为 v = v 1 ，v 2 ，v 。) e = 和l ，e 2 ，e 。) e ，2v p v 日 1 f s 玎 1 _ ，m ，1 p ，q 胛 网络的容量用矢量k ( 埘”代表，m 是边的维数。每个边的容量等于光纤