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多粒度光网络中交换结构和波长/波带路由研究

祁永敏  
【摘要】: 随着密集波分复用(DWDM)技术的发展,单根光纤中可以传输的波长数目越来越多,目前,160个波长的DWDM系统已经走向商用,实验室里已经完成了1022个波长的复用试验。多粒度光交换节点作为光网络中的重要网元,为使用、管理大量波长的DWDM光网络提供了一种有效、经济且便于升级的方案,因此,交换结构的研究显得十分重要。此外,在多粒度光网络中,一方面需要有效的路由来合理地利用网络中的交换资源,实现高效的交换互联;另一方面需要有效地分配波长波带来合理地使用网络中的带宽资源,因此,路由波长/波带分配(RWA)是研究多粒度光网络的重要内容。 本论文的研究工作以多粒度交换结构和多粒度光网络中的路由波长波带分配研究为主。每个章节主要完成的研究内容如下: 第一章绪论介绍了国内外多粒度相关研究背景。 第二章提出了两种新型多粒度光交叉连接(MG-OXC)结构,包括并联和互联MG-OXCs。在此基础之上,对几种不同的MG-OXC结构进行了相关物理性能分析,并在端口数目和阻塞性能方面做了比较。对于提出的跨级粒度之间具有快速通道的互联三阶MG-OXC结构,我们将其扩展成任意阶的n-stage互联MG-OXC结构,n个多粒度交换结构之间按照一定的连接比例通过适配单元互联。与传统的串联结构和单层结构相比,本文提出的两种MG-OXC结构能够更为灵活地处理动态到达的业务,并能够更有效地减少使用的端口数、降低光信号的插入损耗和级联滤波效应,从而改善光信号的传输性能,降低组网成本。最后,我们在一个10 Gbit/s WDM系统中,对串连三阶MG-OXC和提出的互联MG-OXC进行了本地下路功能的实验演示。 第三章,针对全光网络中的动态业务模型,我们重点研究MG-OXC节点内部的交叉连接配置问题。首先,我们用一个具有二值阵列的二部图G (X, Y, E)来描述多粒度光交叉节点结构。基于这种模型,我们提出了一种多粒度节点内部的交叉连接配置算法来满足动态到达的不同带宽的业务请求。此外,我们执行了算法仿真并在多功能光交换测试平台(MOST)上进行了波长疏导实验验证。由于串联三阶MG-OXC结构是可以动态配置的,通过优化一些内部参数可以降低它的端口数目并提高其性能。因此,我们对串联三阶MG-OXC节点中的结构参数和系统参数进行了分析和优化研究。仿真结果表明,提出的优化设计方案可以显著地减少节点复杂度并改善节点的阻塞性能,使得设备的尺寸和成本都能得到有效的减小和降低。 第四章主要研究了DWDM多粒度光网络中的RWA算法和两种不同多粒度网络的性能。首先,我们详细给出了波带分层图,业务请求的捆绑策略和路由选择策略,接着我们提出一种在线的RWA启发式算法,称之为最大波带路由算法(MNWR),来处理多粒度波带交换光网络中动态到达的业务请求。基于波带路由的特点和优点,MNWR算法能够获得高的带宽利用率和端口利用率,因此可以改善网络的阻塞性能。我们在由串联三阶MG-OXC和互联三阶MG-OXC组成的网络中分别应用提出的MNWR算法来仿真比较两种不同多粒度网络的性能。仿真结果表明:对于动态到达的业务请求,和串联型MG-OXC相比,互联型MG-OXC结构上的完整性和灵活性帮助它取得了较好的阻塞性能,从而大大降低了整个网络的实现成本。最后,通过仿真研究了网络中部分结构参数与网络阻塞概率的关系。研究表明,不同的参数对串联和互联MG-OXC构成的网络性能的影响程度不同;通过优化网络中节点的结构参数不仅可以显著的改善网络性能,而且可以节约网络成本。 第五章研究了静态业务模式下,并联多粒度光分插复用器(MG-OADM)环网中的RWA问题。首先,我们介绍了并联MG-OADM的节点结构及其相关研究工作。在静态MG-OADM环网中,RWA问题的优化目标是使得MG-OADM网络中所需的控制单元数最少。然后,我们建立整数线性规划(ILP)模型来取得优化目标的下界。然而,对大规模网络进行求解时,在计算时间方面,用ILP模型得到优化目标的最优解是不可接受的。因此,我们提出一种有效的启发式算法——全局带宽资源分配(GBRA)来快速的完成大规模网络中的波长波带资源的分配,它通过在带宽资源分配的过程中考虑全局的资源,有效地利用现存的非空波带来尽可能的减少波带碎片,从而获得近似最优解的性能,即:使得网络中需要的控制单元数更少、成本更低,同时取得了和Y. Su等人提出的节点分配优先NAF启发式算法相同的计算复杂度。最后,我们给出不同业务模式下,不同规模并联MG-OADMs环网的数值仿真结果。结果表明,和NAF算法相比,GBRA算法能够更有效地利用网络中的带宽资源。


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