（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)論文）優(yōu)化波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法研究.pdf

摘要 隨著光通信技術(shù)的快速發(fā)展，光纖通信已從單純的傳輸技術(shù)逐步演化為重要的組網(wǎng) 手段。以波長(zhǎng)路由為基礎(chǔ)的光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)于提高設(shè)備利用率，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本有著 至關(guān)重要的意義。本文研究了優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，主要有以下貢獻(xiàn)： 1 ) 在分路由和單一路由策略下的流量路由優(yōu)化問題 利用勢(shì)函數(shù)將網(wǎng)絡(luò)擁塞優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)換為連續(xù)可微的數(shù)學(xué)表達(dá)式，使得目標(biāo)函數(shù)能夠 反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各鏈路負(fù)載狀況。討論了如何調(diào)整勢(shì)函數(shù)構(gòu)造參數(shù)，控制不同負(fù)載鏈路 在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重表達(dá)，縮短算法的收斂時(shí)間。 根據(jù)一定的數(shù)學(xué)分析，利用微分方法設(shè)計(jì)了以當(dāng)前解為基礎(chǔ)的最佳優(yōu)化操作。 提出了虛擬鏈路利用率 。的概念，用來松弛可行解的限制條件，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié) ?？梢?靈活適配流量需求矩陣和鏈路帶寬設(shè)定之間的差異，并使得搜索算法可以在更大的廣度 上選擇初始方案。 2 ) 光通道路由優(yōu)化問題 對(duì)光通道路由優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析，將其分解為特定邊權(quán)值下的最短路徑問 題和可控規(guī)模的線性規(guī)劃模型，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于當(dāng)前解鄰域變換的快速搜 索算法。 考慮波長(zhǎng)一致性限制條件，將r w a 問題轉(zhuǎn)換為更大規(guī)模拓?fù)渖系膯渭兊耐ǖ缆酚?問題，使得以降低網(wǎng)絡(luò)擁塞為目標(biāo)的光通道優(yōu)化路由算法可以很好的應(yīng)用于r w a 問題 的求解。 3 ) 在邏輯拓?fù)湓O(shè)計(jì)方面 設(shè)計(jì)了一個(gè)遺傳算法來優(yōu)化設(shè)計(jì)，同其他此類方法相比，該算法不同之處在于以高 質(zhì)量的初始解群為基礎(chǔ)，通過在遺傳操作中引入較多的啟發(fā)規(guī)則，加快“劣質(zhì)”基因的 淘汰，提高算法的收斂速度。 為了在邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)物理光網(wǎng)絡(luò)的影響，提出了源宿節(jié)點(diǎn)對(duì)之間光通道友好 度lf 的概念，并利用公式“略= + 盧知”生成加權(quán)后的流量矩陣r ，有效避免了在 優(yōu)化算法中引入新的獨(dú)立參數(shù)。 4 ) 在物理光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，以前述高效的路由方案求解算法為基礎(chǔ)，根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓 撲的快速評(píng)估，提出了一個(gè)由高連接度的基準(zhǔn)拓?fù)渲鸩竭M(jìn)化為目的拓?fù)涞奈锢砉饩W(wǎng)絡(luò)設(shè) 計(jì)方法。通過基準(zhǔn)拓?fù)浯_定、冗余鏈路刪除等規(guī)則的設(shè)置，可以在求解過程中方便的引 入工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)算法進(jìn)行高效搜索，避免考察工程上“無效( 或低效) ”的解空間。 關(guān)鍵詞：波分復(fù)用、光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、流量路由、波長(zhǎng)路由和分配、邏輯拓?fù)湓O(shè)計(jì) a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n ti nw d mi sm a k i n gt h et r a n s f o r m a t i o no ff i b e rc o m m u n i c a t i o n f r o mat r a n s m i s s i o nm e t h o dt ot h en e t w o r k i n gt e c h n o l o g y t h eo p t i m a ld e s i g no fo p t i c a l n e t w o r k s ，w h i c h a l eb a s e do n l i g h t p a t h sr o u t i n g ，i sb e c o m i n g av e r yi m p o r t a n ti s s u et oi n t e m e t s e r v i c ep r o v i d e r s i nt h i sp a p e r , t h em e t h o d sf o r o p t i c a ln e t w o r kd e s i g n i n ga r er e s e a r c h e d ，t h e m a i nc o n t r i b u t i o n sa r el i s t e db e l o w ： 1 ) t h ep r o b l e m so f t r a f f i co p t i m a lb i f u r c a t e da n d n o n b i f u r c a t e dr o u t i n g t h r o u g hp o t e n t i a lf u n c t i o n ，t h eo b j e c t i v e m i n i m i z a t i o no fn e t w o r kc o n g e s t i o n i s c o n v e r t e dt oac o n t i n u e d i f f e r e n t i a le x p r e s s i o ni nw h i c hl o a d so fa l ll i n k si nt h en e t w o r ka r e c o n s i d e r e d w ea l s o p r e s e n tt h ew a yt o t u n ep o t e n t i a lc o n s t r u c t i o na r g u m e i i t st oc o n t r o l d i f f e r e n tl o a d e dl i n k s v o i c e ”i nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n da c c e l e r a t et h ec o n v e r g e n c e p r o c e s s b a s e do nt h ef l o wd e v i a t i o nm e t h o d ，o p t i m a lo p e r a t i o n s ，w h i c ha r et h em a i np a r to ft h e o p t i m a lp r o c e s s e s a r ed e s i g n e d f o rt h et w o 姐伍c r o u t i n gp r o b l e m s t h ev i r t u a lb a n d w i d t h u s a g ei sp r e s e n t e dt ol o o s et h ec o n s t r a i n t sf o rv a l i ds o l u t i o n sa n d s m o o t ht h ed i f f e r e n c eb e t w e e nr e q u i r e m e n tm a t r i xa n dl i n kb a n d w i d t h 2 ) t h ep r o b l e mo f l i g h t p a t h so p t i m a lm u t i n g l i g h t p a t h so p t i m a lm u t i n gi sa n a l y z e dm a t h e m a t i c a l l ya n dd i v i d e di n t ot w os u b - p r o b l e m s ， s h o r t e s t p a t hp r o b l e m a n ds m a l l - s c a l el i n e a r p r o g r a m m i n gm o d e l ab i f u r c a t e dr o u t i n g a l g o r i t h m i s d e v e l o p e da n dt h es u b - p r o b l e m s a r es o l v e dt of m da n o p t i m a l s o l u t i o ni n m i n u t e s c a l er u n n i n gt i m e c o n s i d e r i n gt h ew a v e l e n g t hc o n t i n u i t yc o n s t r a i n t , t h er w a ( r o u t i n ga n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t ) p r o b l e mi s t r a n s f o r m e di n t o l i g h t p a t h sm u t i n gp r o b l e mo v e ral a r g e r - s c a l e n e t w o r kt h a tc o n s i s to f m a n y c o p i e so f t h eo r i g i n a ln e t w o r k s o ，i ti sr l a t n l 試a n dr e a s o n a b l e t o a p p l yl i g h t p a t l a so p t i m a lr o u t i n ga l g o r i t h m t or w a p r o b l e m 3 ) l o g i c a lt o p o l o g yd e s i g n w e p r e s e n tag e n e t i ca l g o r i t h mt or e a l i z et h eo p t i m i z a t i o n t h ea l g o r i t h m ，d i f f e r e n tf r o m o t h e rs i m i l a r m e t h o d s ，g e t se x c e l l e n tc o n v e r g e n c ec h a r a c t e r i s t i c f r o mh i g h - q u a l i t yi n i t i a l p o p u l a t i o n ，a n dm o r e h e u r i s t i cg e n e t i co p e r a t o r st h a tq u i c k e nt h ee l i m i n a t i o n o f b a d g e n e s t om a k et h el o g i c a lt o p o l o g yd e s i g nt ot a k et h ec o n s i d e r a t i o no f p h y s i c a ln e t w o r k ，w e p r e s e n tl i g h t p a t hl i a b i l i t y ef ，w h i c hi si n c o r p o r a t e di n t or e q u i r e m e n tm a t r i xu s i n ge q u a t i o n “r 0 = r d + 8 d ” 1 1 1 4 ) f o rp h y s i c a lo p t i c a ln e t w o r kt o p o l o g yd e s i g n ，b a s e do nr a p i dn e t w o r kp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n ，w ep r e s e n tad e s i g nm e t h o d ，i nw h i c ht h em a i no p t i m a lp r o c e s si sa ne v o l u t i o n f r o mh i g h e r - c o n n e c t e db a s i ct o p o l o g i e st ot h et a r g e tt o p o l o g i e s w i t hr u l e sf o rb a s i ct o p o l o g y i d e n t i f i c a t i o na n du n d e r u t i l i z e dl i n k se l i m i n a t i o n ，t h ee n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ec a nb ei m p o r t e d i n t ot h ea l g o r i t h mt og u i d et h es e a r c h i n gf o rp r a c t i c a l l yo p t i m a ls o l u t i o n k e y w o r d s ：w d m ，o p t i c a l n e t w o r k d e s i g n ，t r a f f i cr o u t i n g ，r w a ，l o g i c a lt o p o l o g yd e s i g n i v 聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。就我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做 的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名：弘署址日期：2 。印，f 扣 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所有權(quán)處理、保留送交論文的復(fù)印件，允許論 文被查閱和借閱；并可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印 或其它復(fù)制手段保存該論文。 作者簽名：匆l 叛導(dǎo)師簽名：三行曰7 日期：協(xié)牛，f ，扣 1 1 課題的研究背景 第一章緒論 信息社會(huì)的迅猛發(fā)展給人類帶來的前所未有的機(jī)遇和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，人們希望實(shí)現(xiàn)無論 何時(shí)、無論何地、無論通過何種方式都能夠方便的獲取需要的信息，信息爆炸刺激了全 球通信業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，其直接后果就是出現(xiàn)了所謂的對(duì)代表通信容量的帶寬的“無限 渴求”現(xiàn)象。 光通信技術(shù)由于有著巨大的潛力一一帶寬資源龐大( 約5 0 n i t s ) 、損耗極低( 0 2 d b k m ) 、信號(hào)傳輸形變小、所需功率低，成本低廉，因此在滿足信息化社會(huì)各種帶寬需 求方面扮演了極為重要的角色。 當(dāng)電子設(shè)備逐步達(dá)到其物理極限時(shí)，光波分復(fù)用( w 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 ， w d m ) 、光交換技術(shù)以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和多波長(zhǎng)特性，正在向人們展示通過光波長(zhǎng)通 道直接互聯(lián)的巨大潛力和光明前景。光放大器和波分復(fù)用等新技術(shù)的不斷進(jìn)步，不僅強(qiáng) 化了光聯(lián)網(wǎng)的重要地位，而且將光域逐漸擴(kuò)大到網(wǎng)絡(luò)邊緣。 w d m 技術(shù)由于能夠成倍的增加光纖帶寬，并最大限度地解決光電帶寬不匹配問題， 向上層提供較細(xì)粒度的、透明的傳輸信道，而被廣泛的用于骨干光纖網(wǎng)絡(luò)和城域各級(jí)網(wǎng) 絡(luò)中。同時(shí)，以o a d m ( o p t i c a l a d d d r o p m u l t i p l e x e r ) 、o x c ( o p t i c a l c r o s s c o n n e c t o r ) 為代表的智能光分插交換設(shè)備的出現(xiàn)使得光纖通信從單純的傳輸手段演變?yōu)槲锢斫M網(wǎng)技 術(shù)【龔0 2 。 w d m 首先是作為種傳輸技術(shù)提出的，它可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，使 一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸時(shí)的容量增加幾倍、幾十倍甚至幾百倍。光纖鏈路中 的波長(zhǎng)通道對(duì)它承載數(shù)據(jù)的格式是透明的，即與承載信號(hào)的速率和電調(diào)靠4 方式無關(guān)，因 此可以在一根光纖中的不同波長(zhǎng)上同時(shí)傳輸不同協(xié)議的數(shù)據(jù)( 包括模擬信號(hào)) ，這也是 w d m 網(wǎng)絡(luò)最重要的特性之一，通常稱為光透明性( o p t i c a it r a n s p a r e n c y ) b d 0 1 。在網(wǎng)絡(luò) 擴(kuò)充和發(fā)展中，w d m 技術(shù)是理想的擴(kuò)容手段，也是引入寬帶新業(yè)務(wù)的方便途徑，即通 過增加波長(zhǎng)就可以引入新業(yè)務(wù)或新容量。 目前點(diǎn)到點(diǎn)的w d m 傳送技術(shù)己經(jīng)成熟，并己應(yīng)用于長(zhǎng)途干線和海底光纜系統(tǒng)。自 1 9 9 5 年以來，美國(guó)的各大長(zhǎng)途電話公司己經(jīng)在其干線網(wǎng)絡(luò)中逐步引入w d m 設(shè)備 f k o t 9 6 ，到1 9 9 9 年底，己在其干線上基本實(shí)現(xiàn)w d m 傳輸。w d m 設(shè)備自1 9 9 7 年進(jìn)入 中國(guó)市場(chǎng)。1 9 9 8 1 9 9 9 年度，中國(guó)電信在多條省級(jí)光纜干線上使用了w d m 技術(shù)。2 0 0 0 年6 月，南京一武漢光纜干線3 2 0 6 波分復(fù)用實(shí)驗(yàn)工程正式開工，這標(biāo)志著我國(guó)建設(shè)超大 中國(guó)科學(xué)院博七學(xué)位論文一優(yōu)化波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法研究 容量傳輸骨干網(wǎng)詐式拉開了帷幕。中國(guó)電信準(zhǔn)備在2 0 0 0 - - 2 0 0 4 年問，采用w d m 技術(shù) 對(duì)我國(guó)“八縱八橫”光纜網(wǎng)進(jìn)行改造、擴(kuò)容和升級(jí) w e i 9 9 。2 0 0 0 年1 0 月2 8 日，中國(guó)網(wǎng) 通寬帶高速互聯(lián)網(wǎng)c n c n e t 一期工程正式開通試運(yùn)營(yíng)，該工程一期工程己建成8 4 9 0 公里、 1 0 6 個(gè)中繼站、1 7 個(gè)節(jié)點(diǎn)，貫通了東南部的1 7 個(gè)重點(diǎn)城市，網(wǎng)絡(luò)總傳輸帶寬高達(dá) 4 0 g b p s c n c 。這標(biāo)志著中國(guó)信息業(yè)務(wù)己從窄帶逐步發(fā)展到寬帶，同時(shí)也拉近了中國(guó)信 息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與國(guó)外的距離，為中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步繁榮與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 w d m 技術(shù)雖然能極大地增加線路的傳輸容量，但同時(shí)也對(duì)交換系統(tǒng)提出了更高的 要求。目前的電子交換的發(fā)展已逼近電子速率的極限，為解決電層交換瓶頸的制約問題， 引入光交換己成為必然。相對(duì)光分組交換( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 而言，采用光路交換 ( 即o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 的w d m 光傳送網(wǎng)比較容易實(shí)現(xiàn)，其特有的波長(zhǎng)重用 ( w a v e l e n g t hr e u s e ) 能力也使之具有良好的可擴(kuò)展性。因此以波長(zhǎng)通道為傳輸交換單位的 w d m 光傳送網(wǎng)( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 技術(shù)被認(rèn)為是未來骨干通信網(wǎng)向?qū)拵А?大容量發(fā)展的首選方案。 1 2 課題的研究意義 1 2 1 智能光網(wǎng)絡(luò) 智能光網(wǎng)絡(luò)( a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a l n e t w o r k , a s o n ) 的出現(xiàn)是傳送網(wǎng)發(fā)展的歷 史性突破。所謂a s o n 就是指在選路和信令控制之下完成自動(dòng)交換功能的新一代的智能 光網(wǎng)絡(luò)，也可以看作是一種具備標(biāo)準(zhǔn)化智能的光傳送網(wǎng)。在傳統(tǒng)的傳送網(wǎng)中引入動(dòng)態(tài)交 換的概念是傳送網(wǎng)技術(shù)的一次重要突破。引入智能光網(wǎng)絡(luò)與目前國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商廣泛運(yùn) 用的s d h 組網(wǎng)方式相比，a s o n 的好處主要有：允許將網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)地分配給路由， 縮短了業(yè)務(wù)層升級(jí)擴(kuò)容時(shí)間，明顯增加了業(yè)務(wù)層節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量負(fù)荷；具有可擴(kuò)展的信令 能力集；快速的業(yè)務(wù)提供和拓展；降低了維護(hù)管理運(yùn)營(yíng)費(fèi)用；快速的光層業(yè)務(wù)恢復(fù)能力； 降低了對(duì)用于新技術(shù)配置管理的運(yùn)行支持系統(tǒng)軟件的要求，只需維護(hù)一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)， 減少了人工出錯(cuò)機(jī)會(huì)：還可以引入新的業(yè)務(wù)類型，如按需帶寬業(yè)務(wù)、波長(zhǎng)批發(fā)、波長(zhǎng)出 租、分級(jí)的帶寬業(yè)務(wù)、動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)分配租用業(yè)務(wù)、帶寬交易、光撥號(hào)業(yè)務(wù)、動(dòng)態(tài)路由分配、 光層虛擬專用網(wǎng)( v p n ) 等，使傳統(tǒng)的傳送網(wǎng)向業(yè)務(wù)網(wǎng)方向演進(jìn)。智能光網(wǎng)絡(luò)的靈活組網(wǎng) 和擴(kuò)展能力也能夠?yàn)殡娦胚\(yùn)營(yíng)商節(jié)約網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的費(fèi)用。正因?yàn)槿绱?，適時(shí)引入智能光網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)已被認(rèn)為是目前解決基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)商所面臨問題的唯一可行辦法。a s o n 將以其 獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)必將在未來的光網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)極其重要的地位【張9 9 】。 光網(wǎng)絡(luò)作為提供各業(yè)務(wù)傳送通道的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作 用。傳送網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)往往要適度超前于業(yè)務(wù)發(fā)展的需要；進(jìn)行傳送網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化將為網(wǎng)絡(luò)的 第一章緒論 長(zhǎng)期發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 1 2 2 光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì) 光纖作為一種傳輸介質(zhì)，雖然具有種種優(yōu)良特性，但是只有通過合理和科學(xué)的體系 結(jié)構(gòu)互聯(lián)后才能組成真正理想的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，才能提供高效、寬帶、高質(zhì)量的業(yè)務(wù)傳輸服 務(wù)。 合理科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須能夠在一個(gè)地理區(qū)域上相對(duì)分散的區(qū)域之間以比較簡(jiǎn)單和 方便的方式共享通信資源和其他的可利用資源。傳統(tǒng)的基于電路交換的電話網(wǎng)和基于分 組包交換的數(shù)據(jù)網(wǎng)都要經(jīng)過專門的設(shè)計(jì)以便為話音用戶和數(shù)據(jù)用戶分別提供這種共享 服務(wù)。 在電路交換網(wǎng)絡(luò)中，所有交換電路都是平等的而且完全相同，雨在波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)中 卻存在著諸如“波長(zhǎng)連續(xù)性”、“波長(zhǎng)相異性”等特殊信道分配原則的約束，兩者之間有 著很大區(qū)別，這也就導(dǎo)致了在波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)中必須采用一種科學(xué)的、合理的通道選路與 波長(zhǎng)分配算法來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、減少波長(zhǎng)阻塞，降低運(yùn)營(yíng)和設(shè)備成本。 光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)就是通過深入分析光網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)模型，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、承載 業(yè)務(wù)、帶寬管理和調(diào)度等多方面，提出對(duì)新建網(wǎng)絡(luò)的合理規(guī)劃方案，或者針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò) 的優(yōu)化整改方案，達(dá)到充分挖掘網(wǎng)絡(luò)資源、最大限度的利用網(wǎng)絡(luò)資源、提高網(wǎng)絡(luò)的安全 性、可靠性和利用率的目的，滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。 通常網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣最終是由實(shí)際使用的物理資源和相關(guān)支撐技術(shù)所能提供的功能 以及技術(shù)發(fā)展水平所共同決定的。一個(gè)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是在合理價(jià)格的基礎(chǔ) 上既要得到高的吞吐量又能得到高的連接率。 對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說，大多數(shù)情況下，光網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率僅為全部可用帶寬的5 0 7 0 ，這是因?yàn)楣歉删W(wǎng)絡(luò)需要具有很高的負(fù)載冗余量來保證網(wǎng)絡(luò)的安全可靠。而通過網(wǎng)絡(luò) 優(yōu)化技術(shù)可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，優(yōu)化技術(shù)可以幫助運(yùn)營(yíng)商制訂網(wǎng)絡(luò)處理能 力的最優(yōu)方案。以便更有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行路由管理，規(guī)劃峰值處理周期，并且保證 網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定可靠以及具有更好的處理能力，因此可以幫助運(yùn)營(yíng)商降低運(yùn)營(yíng)成本。 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)不僅能夠幫助運(yùn)營(yíng)商降低構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的投資成本，還能夠減少 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本，特別是網(wǎng)絡(luò)管理成本。今天各大運(yùn)營(yíng)商們都在嘗試降低在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 建設(shè)方面的投資，但是這并不意味著他們會(huì)停止在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容方面的投資。關(guān)鍵目的是在 正確的地方擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，并且能夠滿足實(shí)際需求。達(dá)到這些目標(biāo)的重要途徑，是使用優(yōu)秀 的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具，同時(shí)也要特別注意對(duì)于需求的更準(zhǔn)確預(yù)測(cè) t r m 。 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)是一個(gè)工具，運(yùn)營(yíng)商可以用它將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)旌水平調(diào)整到所期望的服 務(wù)需求水平 d b 9 8 。在電信業(yè)從當(dāng)前的窘境中恢復(fù)并且恢復(fù)到更高的增長(zhǎng)速度時(shí)，光網(wǎng) 中國(guó)科學(xué)院博f ：學(xué)位論史一優(yōu)化波分復(fù)用光嘲絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法研究 絡(luò)優(yōu)化技術(shù)將是保證電信業(yè)供應(yīng)鏈能夠以合適節(jié)奏運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。越來越多的運(yùn)營(yíng)商認(rèn)識(shí) 到，光傳送網(wǎng)絡(luò)目前比以往任何時(shí)候都需要優(yōu)化技術(shù)。 但網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作不像有些工作那樣見效快，它必須經(jīng)過一個(gè)長(zhǎng)期的過程，而且必須 認(rèn)真解決所有涉及的問題以后，才能夠真正產(chǎn)生效果。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要運(yùn)營(yíng)商和制造商的 密切配合，才能最終完成。 1 2 3 光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化應(yīng)該遵循的原則 規(guī)劃內(nèi)容符合i n j t 建議以及國(guó)家頒布的通信政策和技術(shù)體制、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，保證 全程全網(wǎng)的通信質(zhì)量。 充分考慮目前的傳送網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)開通情況，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，盡量減 少對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)的改動(dòng)，以減少對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的影響，。 充分考慮今后傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)以及業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)，將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為一 個(gè)具備強(qiáng)大的后向兼容性的全能網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)科技以及業(yè)務(wù)飛速發(fā)展的需求，給網(wǎng) 絡(luò)一個(gè)平滑演進(jìn)的空間。 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，要分步進(jìn)行，逐漸深入，最終達(dá)到全9 目的合理優(yōu) 化。 1 2 4 光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的性能評(píng)估指標(biāo)及需要解決的問題 業(yè)務(wù)及資源利用率 主要解決帶寬不足與利用率不高的矛盾，以及業(yè)務(wù)調(diào)度優(yōu)化等問題。 網(wǎng)絡(luò)安全可靠性 主要解決的問題有設(shè)備硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)安全性考慮、時(shí)鐘同步規(guī)劃、機(jī)房環(huán)境，包 括電源、溫度、濕度等。 維護(hù)效率 主要解決工程維護(hù)、故障修復(fù)等問題。 多廠家環(huán)境 主要解決互聯(lián)互通、設(shè)備兼容技術(shù)等問題。 網(wǎng)絡(luò)管理 主要解決集中網(wǎng)管、統(tǒng)一網(wǎng)管、資源管理系統(tǒng)等問題。 這五個(gè)方面的性能指標(biāo)是我們進(jìn)行光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基礎(chǔ)，只有通過對(duì)以上五大性能指 標(biāo)進(jìn)行充分的數(shù)據(jù)采集、分析和調(diào)研，才能對(duì)一個(gè)光傳送網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估和規(guī)劃。 第一章緒論 1 2 5 光傳送網(wǎng)優(yōu)化的實(shí)踐 光傳送網(wǎng)的優(yōu)化是通過建立上述五個(gè)方面性能指標(biāo)之間的相關(guān)性，來建立一個(gè)數(shù)學(xué) 模型，利用數(shù)學(xué)中最優(yōu)化的理論和方法對(duì)現(xiàn)有光傳送網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合的評(píng)估。實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 針對(duì)現(xiàn)有光傳送網(wǎng)建立特定的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)模型的分析以及對(duì)一些參數(shù)的調(diào) 整，來反映網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的問題所在，從而找到對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化 調(diào)整的依據(jù)；也可以在網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃初期，通過考察規(guī)劃方案的性能指標(biāo)需求，來分析網(wǎng) 絡(luò)規(guī)劃的合理性、安全性可擴(kuò)展性。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，還應(yīng)該注意： 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化必須與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃相結(jié)合； 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化應(yīng)該廣泛的與骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)等多種類型網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合； 目前國(guó)外已經(jīng)有類似的優(yōu)化模型和分析軟件 i s 0 1 c b 0 1 1 ，國(guó)內(nèi)僅限于少量通訊設(shè) 計(jì)院所使用，還缺乏比較適應(yīng)中國(guó)實(shí)際的應(yīng)用。對(duì)于不同運(yùn)營(yíng)商的本地網(wǎng)，包括電信、 網(wǎng)通、移動(dòng)、聯(lián)通等，雖然各自的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、傳輸容量及業(yè)務(wù)發(fā)展?fàn)顩r各不相同，但光 傳送網(wǎng)都可以歸結(jié)為是各種通信業(yè)務(wù)的承載體( 公共平臺(tái)) ，是各種網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，因 此光傳送網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化適應(yīng)范圍非常廣泛，未來發(fā)展前景廣闊。當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商應(yīng)該能夠未雨 綢繆，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，也要預(yù)先想到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，以網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的思想來指 導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，著眼于長(zhǎng)遠(yuǎn)和長(zhǎng)期發(fā)展的需要，建立一個(gè)高效、優(yōu)化、增值的光傳送網(wǎng)絡(luò)。 1 3 論文的結(jié)構(gòu) 論文第一章介紹了課題研究背景和意義。第二章從網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的角度對(duì)光纖傳輸技術(shù)、 光聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及口o v e r w d m 技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，介紹了光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和步驟。 第三章中，我們討論了分路由和單一路由策略下流量的路由規(guī)劃問題，給出了以微分操 作為基礎(chǔ)的優(yōu)化算法和相應(yīng)的性能評(píng)價(jià)。第四章研究了光網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)湓O(shè)計(jì)，提出了一 個(gè)用于邏輯拓?fù)湓O(shè)計(jì)的遺傳算法；第五章中我們給出了在具有完全波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換能力和無波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換能力兩種情況下，通道路由和波長(zhǎng)分配問題的求解算法。第六章試驗(yàn)論證了在一 定需求模式下，網(wǎng)絡(luò)中重負(fù)載和輕負(fù)載鏈路分布的穩(wěn)定性，研究了光物理拓?fù)湓O(shè)計(jì)問題， 給出了相應(yīng)的優(yōu)化方法。最后，在第七章對(duì)論文進(jìn)行了總結(jié)，并指出了以本文工作為基 礎(chǔ)進(jìn)一步研究的方向。 第二章光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) w d m 光傳送系統(tǒng)在一根光纖中同時(shí)收發(fā)多個(gè)波長(zhǎng)的光束，能夠方便的在一個(gè)物理 鏈路上實(shí)現(xiàn)多個(gè)彼此獨(dú)立的信道。光纖物理特性和端設(shè)備中的波長(zhǎng)復(fù)用解復(fù)用能力決 定了一根光纖上能夠同時(shí)承載多少波長(zhǎng)通道。隨著光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)可 以做到在一條光纖中加載1 0 0 個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)?，F(xiàn)在的密集波分復(fù)用系統(tǒng)( d e n s e 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 ，d w d m ) 常用的復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)量是8 、1 6 、3 2 、6 4 乃至 更多，單通道速率多為2 5 g b i t s 和1 0 g b i t s ，單波長(zhǎng)4 0 g b i t s 的系統(tǒng)也即將開始商業(yè)化， 而上百個(gè)通道的d w d m 系統(tǒng)也已經(jīng)能夠無電中繼傳送幾千公里。 w d m 技術(shù)不僅僅被視為可以大規(guī)模成倍增加光媒介傳輸能力的手段，還是一種有 效利用光通信巨大帶寬潛力的方法。由于路由器、交換機(jī)等電交換設(shè)備在信號(hào)處理能力 上存在著極限瓶頸，w d m 以波長(zhǎng)為單位將光纖帶寬分成細(xì)粒度的信道，可以很好的彌 補(bǔ)電設(shè)備與光設(shè)備的性能差別。典型的d w d m 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)是由發(fā)射機(jī)、波分復(fù)用器、 波分解復(fù)用器、摻鉺光纖放大器( e d f ：a ) 、光纖和光接收機(jī)等設(shè)備組成。 2 1w d m 組網(wǎng)技術(shù) 目前w d m 技術(shù)正從點(diǎn)到點(diǎn)傳輸系統(tǒng)向真正的光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，基于w d m 的全光 網(wǎng)絡(luò)( 全光通信網(wǎng)絡(luò)) 是指光信息流在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸及交換時(shí)始終以光的形式存在，而 不需要經(jīng)過光電、電光變換。也就是說，信息從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程中始 終在光域內(nèi)。波長(zhǎng)成為全光網(wǎng)絡(luò)的最基本積木單元。以波長(zhǎng)為單位進(jìn)行尋路、保護(hù)和恢 復(fù)、業(yè)務(wù)量工程控制，還可以利用保護(hù)方式的不同來實(shí)現(xiàn)等級(jí)服務(wù)，以及組建光虛擬專 用網(wǎng)等，為光網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供更多的盈利模式。由于全光網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)傳輸全部在光域 內(nèi)進(jìn)行，因此，全光網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)信號(hào)的透明性，它通過波長(zhǎng)選擇器件實(shí)現(xiàn)路由選擇。全 光網(wǎng)絡(luò)以其良好的透明性、波長(zhǎng)路由特性、兼容性和可擴(kuò)展性，成為下一代高速( 超高 速) 寬帶網(wǎng)絡(luò)的首選 e m 9 9 1 。 光交換、光路由屬于全光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵光節(jié)點(diǎn)技術(shù)，主要完成光節(jié)點(diǎn)處任意光纖端口 之間的光信號(hào)交換及選路，它所完成的最關(guān)鍵工作就是波長(zhǎng)變換。由于實(shí)質(zhì)上是對(duì)光的 波長(zhǎng)進(jìn)行處理，所以更確切地說，光交換、光路由應(yīng)該稱之為波長(zhǎng)交換、波長(zhǎng)路由。全 光網(wǎng)絡(luò)的幾大優(yōu)點(diǎn)如帶寬優(yōu)勢(shì)、透明傳送、降低接口成本等都是通過該技術(shù)體現(xiàn)的。 波長(zhǎng)的交換和路由是在光分插和復(fù)用器( o a d m ) 、光交叉連接設(shè)備( o x c ) 等智 能光交換設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。 中周科學(xué)院僻1 學(xué)位論文一優(yōu)化波分復(fù)用光嘲絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法研究 2 1 1o a d m o a d m 具有選擇性，可以從傳輸設(shè)備中選擇下路信號(hào)或上路信號(hào)，也可僅僅通過某 個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)，但不影響其他波長(zhǎng)信道的傳輸。o a d m 在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了s d h 中的分插復(fù) 用器在時(shí)域內(nèi)完成的功能，且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號(hào)，能提高網(wǎng) 絡(luò)的可靠性，降低節(jié)點(diǎn)成本，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率，是組建全光網(wǎng)絡(luò)重要設(shè)備。 目前有多種q a d m 方案，總的來說可以分為非可重構(gòu)和可重構(gòu)兩類。前者主要采 用復(fù)用器以及固定濾波器等無源光器件，在節(jié)點(diǎn)上下固定的一個(gè)和多個(gè)波長(zhǎng)，也就是說 節(jié)點(diǎn)的路由是確定的?？芍貥?gòu)型o a d m 采用光開關(guān)、可調(diào)諧濾波器等光器件，能動(dòng)態(tài) 調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)上下光通道的波長(zhǎng)，從而達(dá)到光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的能力。相比較而言，前者缺乏 靈活性，但性能可靠、沒有延時(shí)，后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有一定的延時(shí)，但可以使網(wǎng)絡(luò)的波 長(zhǎng)資源得到更好的利用。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的w d m 信道應(yīng)允許重新配置以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件的變化，這需要有可 以熏構(gòu)的o a d m 的支持。可重構(gòu)o a d m 主要有兩大功能，一方面是靈活的光層配置， 可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量需求建立或撤銷波長(zhǎng)連接最大效率的利用系統(tǒng)容量，另一方面 是提供光層保護(hù)，當(dāng)線路或節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)重新形成業(yè)務(wù)的路由。 2 1 2 w d m 環(huán)網(wǎng) 在光網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)中，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是最簡(jiǎn)單也是最重要的拓?fù)湫问?。?dāng)發(fā)生物理網(wǎng) 絡(luò)故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)可以通過區(qū)段保護(hù)或環(huán)回倒換，在無需人工干預(yù)的情況下在極短的時(shí) 間內(nèi)( 1 0 m s 量級(jí)) 自動(dòng)恢復(fù)被中斷的業(yè)務(wù)，用戶幾乎無法感覺到故障的出現(xiàn)?；趥鹘y(tǒng) s d h 技術(shù)的自愈環(huán)形網(wǎng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，它只能提供小于1 0 g b i t s 的速率，且設(shè)備 復(fù)雜、升級(jí)困難。采用光交叉連接和光分插復(fù)用設(shè)備的w d m 自愈環(huán)網(wǎng)由于容量大、易 于平滑升級(jí)，已經(jīng)引起了廣泛的重視并逐漸開始商用。 按照波長(zhǎng)通道中業(yè)務(wù)允許的傳輸方向?？梢詫 d m 環(huán)網(wǎng)分為單向環(huán)和雙向環(huán)兩種。 對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在同一條波長(zhǎng)通道中，如果來業(yè)務(wù)的波長(zhǎng)傳輸方向和去業(yè)務(wù)的波長(zhǎng)傳輸 方向相同，則這種環(huán)稱為單向環(huán)；如果傳輸方向相反，則為雙向環(huán)。按照連接相鄰節(jié)點(diǎn) 的光纖數(shù)目，環(huán)網(wǎng)可以分為單纖環(huán)、兩纖環(huán)、四纖環(huán)和多纖環(huán)。單纖環(huán)由于不易實(shí)施保 護(hù)，實(shí)際中較少采用。 兩纖環(huán) 在兩纖環(huán)中相鄰節(jié)點(diǎn)由兩根傳輸方向相反的光纖連接，當(dāng)一個(gè)方向的光纖用作工作 光纖時(shí)，另一個(gè)方向的光纖就作為保護(hù)光纖。在組織方式上，兩纖環(huán)既可以是單向環(huán)， 也可以雙向環(huán)。 笫二章光| 卅絡(luò)改計(jì)捧礎(chǔ) 單向環(huán)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制方便。但是在提供保護(hù)時(shí)，單向環(huán)的一個(gè)通道要占用整個(gè)環(huán) 路的一個(gè)等效波長(zhǎng)，波長(zhǎng)的使用效率較低。雙向環(huán)的控制復(fù)雜，一對(duì)節(jié)點(diǎn)之問的通道只 占用該通道所在區(qū)段的一個(gè)等效波長(zhǎng)資源，在其他區(qū)段，該波長(zhǎng)可以重復(fù)分配，大大提 高了波長(zhǎng)使用效率。 四纖環(huán) 四纖環(huán)通常以雙向環(huán)的方式組織。線路節(jié)點(diǎn)由傳輸方向相反的兩對(duì)光纖連接，一對(duì) 為工作光纖，另一對(duì)為保護(hù)光纖。 與兩纖雙向環(huán)類似，四纖環(huán)也具有波長(zhǎng)復(fù)用能力。在相同的網(wǎng)絡(luò)配置下，四纖環(huán)的 最大容量比兩纖環(huán)提高了一倍。在保護(hù)方式上，除了可以提供兩纖環(huán)的通道保護(hù)和環(huán)路 保護(hù)外，四纖環(huán)中相鄰節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)可以由同區(qū)段的保護(hù)光纖提供保護(hù)，這種方式被稱為 區(qū)段保護(hù)。它比環(huán)路保護(hù)更容易實(shí)施，倒換時(shí)問更短。但相應(yīng)的控制更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)投 資成本加大。 多纖環(huán) 多纖環(huán)是指環(huán)路節(jié)點(diǎn)使用多于四根光纖連接的網(wǎng)絡(luò)。所有環(huán)路光纖可以按信號(hào)傳輸 方向分為順時(shí)針和逆時(shí)針兩組，每組n 條光纖。根據(jù)不同的保護(hù)要求，可以用兩纖環(huán)的 方式組織，也可以用四纖環(huán)的方式組織。多纖環(huán)實(shí)際上是用空間復(fù)用的方式減少對(duì)單纖 復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)目的要求，這同時(shí)也降低了系統(tǒng)對(duì)光器件和光源的要求，但代價(jià)是系統(tǒng)控制 的復(fù)雜化和工程造價(jià)的提高。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中，需要協(xié)調(diào)好這兩方面的矛盾。 w d m 環(huán)網(wǎng)雖然物理連接上是環(huán)狀的，但是邏輯結(jié)構(gòu)( 即：邏輯拓?fù)? 并不受環(huán)形 的約束，可以是任意拓?fù)湫螤睢?2 1 3o x c o x c 是全光網(wǎng)中的核t l , 器件。o x c 交換的是全光信號(hào)，它在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處對(duì)指定波 長(zhǎng)進(jìn)行互連，從而有效地利用波長(zhǎng)資源，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)重用，也就是使用較少數(shù)量的波長(zhǎng)互 連較大數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)光纖中斷或業(yè)務(wù)失效時(shí)，o x c 能夠自動(dòng)完成故障隔離、重新 選擇路由和網(wǎng)絡(luò)重新配置等操作，使業(yè)務(wù)不中斷，即它具有高速光信號(hào)的路由選擇、網(wǎng) 絡(luò)恢復(fù)等功能。o x c 除了提供光路由選擇外，還允許光信號(hào)插入或分離出電網(wǎng)絡(luò)層，它 好像s d h 中的d x c f c 9 9 。 相對(duì)于o a d m 來說，o x c 的功能更強(qiáng)，它通常有3 種實(shí)現(xiàn)方式：光纖交叉連接、 波長(zhǎng)交叉連接和波長(zhǎng)變換交叉連接。其中，光纖交叉連接以一根光纖上所有波長(zhǎng)的總?cè)?量為基礎(chǔ)進(jìn)行交叉連接，容量大但不靈活；波長(zhǎng)交叉連接可將任何光纖上的任何波長(zhǎng)交 叉連接到使用相同波長(zhǎng)的任何光纖上。如圖2 ，l 所示，波長(zhǎng) 1 、 2 從輸入端l 號(hào)纖進(jìn) 入，波長(zhǎng)交叉連接可以在不影響其他輸入端口波長(zhǎng)的情況下，獨(dú)立的將這2 個(gè)波長(zhǎng)選路 中網(wǎng)科學(xué)院博i ：學(xué)位論文一優(yōu)化波分復(fù)用光嘲絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法研宄 到輸出端口的l 、2 和3 號(hào)纖上去?，F(xiàn)在也有人將這種波長(zhǎng)交叉連接稱為無源光路由器， 它的波長(zhǎng)可以通過空問分割實(shí)現(xiàn)重用。波長(zhǎng)的選路路出出內(nèi)部交叉矩陣決定，一個(gè)n n 的交叉矩陣可以同時(shí)建立n 2 條路由。它的其他幾個(gè)別名是拉丁路由器( l a t i n r o u t e r ) 、 波導(dǎo)光柵路出器w g r ( w a v e g u i d eg r a t i n gr o u t e r ) 和波長(zhǎng)路由器w r ( w a v e l e n g f l a r o u t e r ) ；波長(zhǎng)變換交叉連接可將任何光纖上的任何波長(zhǎng)交叉連接到使用不同波長(zhǎng)的任何 光纖上，具有最高的靈活性。它和波長(zhǎng)交叉連接的區(qū)別是可以進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。 圖2 1 0 x c 結(jié)構(gòu)框圖 如圖2 1 所示，一個(gè)具有n 個(gè)輸入端1 2 1 、n 個(gè)輸出端口、能處理w 個(gè)波長(zhǎng)的o x c ， 可以被認(rèn)為是擁有w 個(gè)獨(dú)立的n n 的交換矩陣。這些交換矩陣前接波長(zhǎng)解復(fù)用器，后 連波長(zhǎng)復(fù)用器。 o x c 除了能夠執(zhí)行波長(zhǎng)的路由功能，也可以連接接入節(jié)點(diǎn)，在本地上下路波長(zhǎng)通 道。為此，o x c 需要能夠終止一條波長(zhǎng)信道，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電形式傳遞給上層。o x c 可以通過執(zhí)行“光一 電一 光”的轉(zhuǎn)換，將某些信道變換波長(zhǎng)后向下一跳傳輸。 光交叉連接設(shè)備o x c 包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、波長(zhǎng)復(fù)用、波長(zhǎng)解復(fù)用、交叉連接、控制單 元和網(wǎng)絡(luò)管理單元等功能模塊。o x c 用到的關(guān)鍵部件有光開關(guān)矩陣、光衰減器、光濾波 器、波長(zhǎng)變換器和全光再生器。光開關(guān)作為實(shí)現(xiàn)交叉矩陣的關(guān)鍵部件，一直是決定o x c 整體性能的主要因素?；谖C(jī)械技術(shù)、機(jī)電技術(shù)、磁光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和平面波導(dǎo) 技術(shù)的光開關(guān)都在o x c 產(chǎn)品中有實(shí)際的應(yīng)用。追求低成本是各種技術(shù)的共同方向。一 般衡量一個(gè)o x c 設(shè)備性能的因素主要有：總的交換能力容量和交換帶寬顆粒、光連 接接口的開放性、保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制、智能程度、業(yè)務(wù)提供能力和速度、可靠性。 o x c 是全光網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)交換平臺(tái)。它的最重要的作用是交換和疏導(dǎo)各種顆粒度的 光信號(hào)。o x c 由于它的交換容量、多業(yè)務(wù)能力和智能化。在核心網(wǎng)、長(zhǎng)途傳輸網(wǎng)和城域 網(wǎng)中都可以得到廣泛的應(yīng)用。例如，在城域網(wǎng)中，o x c 可以和路由器一起組成所謂的光 因特網(wǎng)；而在長(zhǎng)途網(wǎng)中，o x c 可以具有光層恢復(fù)功能、s d h s o n e t 傳送網(wǎng)關(guān)。此外， 光交換o x c 還可以用于帶寬管理、網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)和光通道管理。 第二章光明絡(luò)蛙計(jì)基礎(chǔ) o x c 的交換帶寬粒度可以是線路級(jí)的光纖或光纖束、波長(zhǎng)級(jí)的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)束、分組 級(jí)的光分組、比特級(jí)的光比特。后面的實(shí)現(xiàn)難度大于前面的。目前商用技術(shù)水平達(dá)到了 波長(zhǎng)級(jí)。o x c 今后的發(fā)展方向應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)分組級(jí)交換和比特級(jí)的交換。 2 1 4 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的作用是將從波分復(fù)用終端或其他設(shè)備來的光信號(hào)進(jìn)行變換，一是將承 載于某波長(zhǎng)上的光信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換使之轉(zhuǎn)載于其他波長(zhǎng)上，或是將非匹配波長(zhǎng)上的光信號(hào) 轉(zhuǎn)換到符合i t u 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)上然后插入到光耦合器中，以滿足系統(tǒng)的波長(zhǎng)兼容性， 從而實(shí)現(xiàn)靈活的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的再利用，解決o x c 中的波長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)問題，有效的進(jìn) 行路由選擇，降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，提高w d m 網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。同時(shí)，也有利于 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理、控制以及光通道層的保護(hù)倒換。因此波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是解決光網(wǎng)絡(luò)中波 長(zhǎng)路由競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵器件，是充分發(fā)揮w d m 帶寬資源的必要手段 n r 9 8 1 。 般情況下，波長(zhǎng)變換技術(shù)的引入，在某種條件下可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和管理，大 大改善網(wǎng)絡(luò)的性能。但波長(zhǎng)變換的好處與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)。較小的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模， 不需要波長(zhǎng)變換也能夠保持較小的業(yè)務(wù)阻塞率，而較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模采用波長(zhǎng)變抉技術(shù)將 可以大大降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，但并不是使用的波長(zhǎng)變換器數(shù)量越多網(wǎng)絡(luò)性能的改善就越大， 其中存在一個(gè)閥值范圍。 ( ) 無轉(zhuǎn)換( b ) 匿定轉(zhuǎn)換 圣j # 圣圣j j 罄圣 ( c ) 受艱轉(zhuǎn)巍( d ) 完全轉(zhuǎn)抉 圈2 2 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 圖2 2 給出了單輸入端口、單輸出端口情況下，不同類型的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換能力。完全轉(zhuǎn) 換( f u l lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ) 能力意味著一個(gè)輸入波長(zhǎng)都可以被變換為任意其他波長(zhǎng)； 受限轉(zhuǎn)換( 1 i m i t e dw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ) 是指一個(gè)輸入波長(zhǎng)可以被交換為特定子集中的 任一波長(zhǎng)：固定轉(zhuǎn)換( f i x e dw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ) 說明輸入波長(zhǎng)只能被變換為固定的一 個(gè)輸出波長(zhǎng)；如果波長(zhǎng)只能“轉(zhuǎn)換”為其自身，則意味著無波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換( n o c o n v e r s i o n ) ， 中圓科學(xué)院博二1 學(xué)位論文一優(yōu)化被分復(fù)用光州絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法研究 在這種情況下，對(duì)于多輸入輸出端口配置，類似于路由器只需要考慮針對(duì)端口的交 換。 2 2 l p o v e r v v d m 近年來，寬帶l p 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速。在光網(wǎng)絡(luò)上適配i p 業(yè)務(wù)的技術(shù)，最初經(jīng)歷了 a t m 和s d h 階段，分別稱之為基于a t m 的i p 網(wǎng)( i po v e r a t m ) 和基于s d h 的i p 網(wǎng) ( i po v e rs d h ) ，兩者各有特點(diǎn)。i po v e ra t m 利用a t m 多業(yè)務(wù)支持能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)及i p 簡(jiǎn)單、靈活、易擴(kuò)充和統(tǒng)一性的特點(diǎn)，可以達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。但當(dāng)i p 業(yè)務(wù)繁忙時(shí)或 出現(xiàn)大量不均衡、突發(fā)性業(yè)務(wù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生a t m 降載。另外，i p o v e r a t m 還具有網(wǎng)絡(luò)體 系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸效率低和開銷損失大等缺點(diǎn)，這就使人們把眼光轉(zhuǎn)向i po v e rs d h 。i p o v e rs d h 是直接在s d h 上傳送i p 業(yè)務(wù)，它提高了傳輸效率，易于實(shí)現(xiàn)i p 多路廣播。 但它不適于多業(yè)務(wù)平臺(tái)，不能完全保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量( q o s ) ，這又促使人們努力尋找 另一種新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)來替代上述兩種i p 傳送技術(shù)。隨著波分復(fù)用設(shè)備、吉比特和太 比特路由交換機(jī)相繼問世，i po v e rw d m 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 i p o v e r w d m 也叫光因特網(wǎng)或i p 優(yōu)化光互連網(wǎng)，是指直接在光網(wǎng)上運(yùn)行的因特網(wǎng)。 它是一種由高性能w d m 設(shè)備、吉比特和太比特路由交換機(jī)組成的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，綜合 利用i p 技術(shù)和基于w d m 的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，交換機(jī)與路由器之間可通過光纖直接相連或連 至光網(wǎng)絡(luò)層。i p o v e r w d m 充分利用w d m 技術(shù)所帶來的巨大傳送帶寬和高速路由交換 機(jī)的強(qiáng)大交換能力，合理地在i p 層與光學(xué)層之間實(shí)現(xiàn)流量工程、保護(hù)恢復(fù)、q o s 和網(wǎng)絡(luò) 管理等的優(yōu)化配置，形成一種簡(jiǎn)單高效的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) n g o o 】。這里，高性能網(wǎng)絡(luò)路由 器替代了傳統(tǒng)的提供控制波長(zhǎng)接入、交換、選路和保護(hù)倒換等功能的a t m 和s d h 交換 和復(fù)用設(shè)備。在0 x c 等智能光交換設(shè)備的支持下，光網(wǎng)絡(luò)層( 即服務(wù)層) 可為包括s d h 網(wǎng)元和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備在內(nèi)的客戶層設(shè)備提供波長(zhǎng)路由。采用i p o v e r w d m 技術(shù)，可減少 網(wǎng)絡(luò)各層間的中間冗余部分，避免s d h 、a t m 和i p 等各層問的功能重疊，減少設(shè)各操 作、維護(hù)和管理費(fèi)用。同日寸，由于省去了a 1 m 層和s d h 層，所以傳輸效率高，額外開 銷低，簡(jiǎn)化了網(wǎng)管，并可與i p 的不對(duì)稱業(yè)務(wù)量特性相匹配。充分利用帶寬，大大節(jié)省網(wǎng) 絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的成本，從而間接地降低了用戶獲得多媒體通信業(yè)務(wù)的費(fèi)用。顯然，這是一種 最直接、最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的i p 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，非常適用于超