论文总字数：28045字

摘 要

：本文主要的研究目的是在波分复用光网络中进行静态业务资源配置以获得优化的网络性能。研究的前提是基于无色无向可重构光插分复用器（CD-ROADM），而下一代ROAD结构还需要具有无竞争性的特征。因此，我们首先提出了一个静态路由和波长分配（RWA）的启发式算法，通过这个静态RWA算法我们可以简化MATLAB程序的复杂程度和仿真时的总计算量，从而更加容易得到资源利用率，阻塞率和导致阻塞率的原因，还有各个模块中收发机的使用数目等性能指标。然后，通过第一次仿真对ROADM结构中的模块数进行优化，得到第一个结论：当ROADM中至少存在两个模块数时能够实现无竞争性网络性能。接下来，第二次仿真为了研究主副模块中当收发机数等于波长数时，各个模块中收发机使用情况，我们发现模块中收发机的使用率远低于主模块。于是，研究深入到副模块中数中配置的收发机数目对网络性能的影响，第三次仿真结果发现当副模块中至少配置波长数的37.7%时的收发机数目，网络性能不会受到影响。仿真四则为验证当模块中配置的收发机数目达到37.7%后，造成网络阻塞的原因仅变成了波长连续性限制，而与收发机的缺少可能造成的阻塞率无关。

关键词：静态业务资源分配；可重构光分插复用器；无竞争性

Research on the Resource Allocation of the Static Traffic in Wavelength Division Multiplexing (WDM) Optical Network

Abstract: In order to study how to achieve a better performance in Wavelength Division Multiplexing (WDM) Optical Networks by allocating the static traffics, which is based on the colorless and directionless reconfigurable optical add/drop multiplexers (CD-ROADMs), CD-ROADMs require extra contentionless in the next generation, this paper proposes a Routing and Wavelength Assignment (RWA) heuristic algorithm in the WDM optical networks first and then analyzes the quantity of the bank and the usage in each bank in ROADMs. We comes to a result that only when ROADMs equip no less than two banks, can the WDM optical networks get contentionless performance .What’s more, the usage of transponders (TPs) in voice bank is much less than that in the vital bank. Then we make a research into the number of TPs’ effect on the WDM optical networks in the voice bank, and it turns out that the performance won’t be disturbed when the quantity of transponders reaches up to 37.7% of the quantity of wavelength in the voice bank. At last, we continue to make a simulation on the change of blocking probability in the WDM optical networks following the increase of the quantity of TPs of the voice bank, and then we verify that when the quantity of transponders reaches up to 37.7% of the quantity of wavelength in voice bank, the main reason causing the blocking probability in the WDM optical networks is the limitation of the wavelength continuity constraint rather than the lack of the quantity of TPs of the voice bank.

Key Words: statistic traffic assignment; reconfigurable optical multiplexers; contentionless;

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 波分复用光网络概述 1

1.2 ROADM结构 2

1.2.1 基于OXC的上下路结构 4

1.2.2 基于MCS的上下路结构 4

1.2.3 同时使用低损耗高密度的OXC与WSS的上下路结构 5

1.3 资源配置的问题 5

1.4 RWA算法概述 6

1.4.1 整体分析算法 7

1.4.2 拆分分析算法 8

1.5 本毕业设计的主要内容和安排 8

第二章 研究方法和算法介绍 10

2.1 研究方法 10

2.1.1 数学表达式 10

2.1.2 辅助图表法 10

2.2 网络模型 12

2.2.1 数学建模 12

2.2.2 网络设定 13

2.2.3 参量描述 14

2.3 算法中变量和函数介绍 15

2.3.1 算法概述 15

2.3.2 算法中变量总结 16

2.3.3 算法中所用函数总结 19

2.3.4 静态RWA启发式算法 21

第三章 仿真和结果分析 23

3.1 拓扑模型和业务矩阵的产生 23

3.1.1 网络拓扑模型 23

3.1.2 业务矩阵的产生 24

3.2 仿真 24

3.2.1 网络性能与收发机模块数目的关系 25

3.2.2 收发机利用效率 26

3.2.3 网络性能与副模块中收发机数的关系 28

3.2.4 导致网络阻塞的原因 30

3.2.5 仿真结论 33

第四章 总结和展望 34

参考文献 35

致谢 37

引言

波分复用光网络概述

上世纪60年代末期，“光纤之父”高锟博士在《光频率介质纤维表面波导》中开创性地提出了光纤通信理论，即只要控制好玻璃中纤维和成分就可以利用玻璃制作光纤并且高效地传输信息，而这极大的促进了全世界光纤通信的发展[1]。光纤即光导纤维，采用非金属高纯净的石英（SiO2）材料，相比于铜质电缆等其它材质，它尤其突出具有以下3个主要优点：1、传输频带宽通信容量大。2、信号损耗低且不受电磁波的干扰。3、线径细质量轻而且资源丰富。随着1981年世界上第一个光纤系统问世，数十年间社会对光纤的投入持续加大和科学研究不断深入，同时新的技术不断产生，光纤制作的难度和成本迅速降低，质量和性能显著提高，光纤开始走向实际商业应用并且逐步取代电缆成为当今社会通信最主要的传输媒介。为了满足当今飞速发展的社会需求和各种基于IP的新型通信业务的呈爆炸式增长，波分复用光网络成为了解决问题关键[2]。

刚开始出现的是点对点传输系统的光网络，这种光网络结构简单而且易于实现。早期的光纤传输中继距离短，由于光信号会随距离衰减而且人们无法直接对光信号进行放大，所以信号每到一处节点后都需要光再生器对信号进行光-电-光进行中继，即光信号传输到一处节点后进行光电转换变成电信号，再对通过对这个电信号进行放大然后转换成光信号传输到下一处节点。这样的传输系统需要大量的光再生器导致成本高昂，而且光-电-光之间的转换使得传输效率低下。1987年光通信领域中发生了一件里程碑的事件：英国南安普顿大学发明了掺铒光纤放大器，这种放大器工作波长正好对应单模光纤的最低衰耗窗口1550nm从而极大地延长了光信号传输的中继距离，同时光纤放大的技术使得光信号不需要进行光-电-光信号转换，即可以在传输过程中对多个波长直接进行光信号的放大[3]。光网络从此开始走向商用。伴随而来的是在传输过程中各种复用技术的出现，目前光通信主要的复用技术有三种：码分复用技术[4]、时分复用技术[5]和波分复用技术。其中时分复用技术和码分复用技术在单个波长信道上的传输速率是固定的（世界用的比较多的是2.5Gbit/s, 10Gbit/s, 40Gbit/s,100Gbit/s）。如果要求得到更高的传输效率就需要更快的速率，而更快的速率就对电子器件的性能提出了更高的要求。从目前最高的100Gbit/s来看，通过时分复用技术来提高通信容量的剩余的空间很小，如果要继续往上提高速率，实现起来的性能与价格比不高。但是如果考虑到波分复用技术，对电子器件没有强烈的限制条件，也就意味着传输速率可以任意选择，这点极大提高系统的传输距离和容量。

之后，对某些波长信道进行传输而对另外一些波长信道内的信息进行分离的内在需求动力产生了光插分复用器。从此，波分复用技术与光插分复用器结合形成的光网络能够在任意传输线路上对业务请求进行分离，而不需要对所有的业务中继，这样可以很大程度上节约网络运营的成本。然后由于业务请求的不确定性，早期的光插分复用并不能区分哪些信道上的业务需要分离，因此可配置光插分复用器和可重构光插分复用器（Reconfigurable optical add/drop multiplexer, ROADM）依次被提出，其中可重构光插分复用器是可配置光插分复用器的改进版，其中的区别在于可重构光插分复用可以对所有波长信道而可配置光插分复用器只可以对部分波长信道进行动态分配。

ROADM结构

为了应对超大规模的业务量，下一代ROADM已经被提出，这种ROADM有三个主要的特征无色（colorless）、无向（directionless）和无竞争性（contentionless），也被称为CDC-ROADM[6]。无色性是指任何一个收发机端口可以上路或下路任一波长；无向性是指任何一个接收机端口可以下路来自任一方向的波长信道并且任何一个发射机端口可以将本地业务上路到到任一方向的波长信道；无竞争性是指任意多个具有相同波长的信道可以同时上路和下路业务。在CDC-ROADM网络中ROADM的结构如图1所示，左边部分为积极收发模块（Active TP Bank）为主模块，另外一部分为备用收发模块（Standby TP Bank）为副模块。主模块和副模块的结构一模一样，都是由多个发射机（Transmitter）和接收机（Receiver）组成。要使得业务能够在信道中传输需要两个条件：1、每一个光通路所使用的波长在从源节点到目的节点上的所有链路都是相同的，这一限制是由物理规律造成的波长连续性限制条件。我们假定这种ROADM结构能够满足无色性和无向性。2、同一光纤中的不同光通路必须分配不同的波长，即源节点的发射机模块中至少有一个空闲的发射机可以分配波长，同时目的节点的接收机模块中至少有一个接收机可以用于接收发送过来的波长。根据已有的文献调查得知当收发机模块数目与节点度相等时，ROADM结构可以获得无竞争特性。

1. ROADM结构

目前，N×M波长选择开关（Wavelength Select Switch, WSS）是实现下一代CDC-ROADM的关键元件，但是目前的技术水平无法实现N×M的WSS，于是研究人员提出了多种基于目前可用的元件构造ROADM的结构。现在主要有两种结构正在走向市场，它们各有优缺点。第一种结构使用了带有光放大阵列的光组播交换机，第二种结构使用了低损耗高密度的光纤交叉连接机（Optical Cross Connect, OXC）和阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Gratin, AWG）。对于直通光路，每种ROADM结构都使用了相同的功分器（Power Splitter, PS）和1×N的WSS结构，所以它们之间的主要区别在上下路的结构上。以下将主要介绍ROADM结构中三种上下路结构：1、基于OXC的上下路结构。2、基于组播开关（Multi-Cast Switch, MCS）的上下路结构。3、同时使用低损耗高密度的OXC与WSS的上下路结构[7-8]。

基于OXC的上下路结构

1. 基于OXC的上下路结构

当低损耗高密度的OXC逐步商用，尺寸高达192×192，384×384尺寸的OXC也将实现。图2展示了一个使用M×M的OXC、AWG和PS的经典的上下路结构。下路时，来自所有方向的所有波长经AWG分离后都进入OXC的上部端口，PS连接到OXC的下部端口使得用户侧的接口可以接收任意的波长。上路具有类似的结构。

通过使用更大尺寸的OXC或者使用PS将多个OXC连接的方法可以实现对上下路端口数量的扩展，如果扩展的数目较多，就需要光放大阵列对功率进行补偿。虽然这种结构的上下路端口实现了完全的无色无向，但是在每个端口都使用了一个PS，这会使得该结构很难集成，不过通过合适的RWA可以降低该结构的阻塞率。

基于MCS的上下路结构

1. 基于MCS的上下路结构

MCS是一种内部集成了PS和N×1光交换机的光学模块。目前可用的MCS尺寸为8×8、8×16和8×24，MCS必须使用光放大阵列来补偿PS造成的功率损耗，如图3所示的上下路结构使用了MCS、光放大阵列和可调滤波器。由于多个波长会到达相同的ROADM下路端口，所以需要在下路端口使用可调滤波器，也可以使用相干调制和相干探测的方法来替代可调滤波器，这样可以降低成本。

同时使用低损耗高密度的OXC与WSS的上下路结构

1. 同时使用低损耗高密度的OXC与WSS的上下路结构

图4使用AWG复用/解复用器替代无色复用/解复用器，同时使用上述结构中的使用过的1×N的 WSS、AWG和OXC的上下路结构。由于WSS使用单光纤连接到收发机块导致了节点内部的波长竞争，所以需要使用合适的RWA算法从而合理地利用收发机块减小阻塞率，而且当有两个收发机模块时，光路阻塞率在大部分的情况下都小于0.1%。因此在实际应用中，这种结构可以实现“无阻塞”。同时还可以通过使用尺寸更大的WSS，AWG和OXC和使用多个上下路块这两种方法用来扩展上下路端口数。

资源配置的问题

波分复用光网络中的波长数是一定的，如何通过这些固定的波长数来进行最优化的传输效率便成为一个新的课题。不仅如此，随着光网络行业的飞速发展，新的研究和技术的层出不穷，很多关于波分复用光网络中的资源分配问题和最优化解的问题也不停出现。因此，光网络中资源分配的问题便显得十分重要，具体来说主要包括两方面的问题：1、节点资源的分配。2、链路资源的分配。节点资源的分配是指对在物理层面上对用于光网络节点或者终端的设备仪器资源进行分配，其中包括光放大器、分光器、波长转换器和光插分复用器等。链路资源的分配主要是在网络层面上对波长数、频带宽度等进行分配。关于光网络中的资源分配的算法有很多，简而言之可以分为两类：1、使用数学建模得到最优解。2、利用启发性算法得到近似解。顾名思义，最优解即是准确且唯一的结果，这种解的优点是通用性且性能良好，缺点是数学建模的过程复杂，求解数据量大难度大，因此耗时也会比较长，而且对于复杂的光网络甚至无法得到最优解。为了克服这种缺点，很多种启发性算法被提出来了。启发性算法通过简化数学建模的过程或者减少一些严格的限制条件，同时在满足一定的误差范围内，加快求解速度得到近似于最优解的近似解。

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