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　　典型网状拓扑全光网设计及配置性能分析,本期优秀论文,何炜,杨铸,张晓吟,刘武

　　,武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉430074,

　　摘要,基于一种结构简单、成本低廉的波长转换节点共享型光交叉连接设备建立起一个极具代表性的典型四节点四维度网状拓扑全光试验网,利用排队理论方法构建其数学模型,分析研究了光交叉连接节点配置对试验网性能的影响。数值结果表明,在网络受限波长转换条件下,合理配置的该光交叉连接节点设备具有一定的工程应用前景。

　　光交换技术作为全光网系统中的一个重要支撑种简单、低成本、支持虚波长通道的波长转换节点共技术,在某种程度上决定了全光通信的发展。其中光享型OXC结构,并依据排队理论方法为该OXC结构路交换,OpticalCircuitSwitching(OCS)方式以其技术建立了数学定量分析模型,数值分析了基于此OXC节和器件成熟度,最有希望实现规模化商用。当前较为点的典型网状拓扑全光网系统的性能。

　　和全光网络性能的目的[1]。因此,基于典型网络,研究全光网,All-OpticalNetwork(AON)广义上是指信和分析具备虚波长通道能力的光交叉连接,Optical号以光的形式穿过整个网络,直接在光域内实现信号Cross-Connect(OXC)节点结构及其配置对网络性能的的传输、放大、再生、交换/选路、多路复接,分插和自愈影响显得尤为必要。本文从工程实际出发,搭建了一保护等功能,而仅在信号进,出网络时才进行必要的电,光、光,电的转换处理[2]。狭义上,全光网已被ITU-T义为光传送网,OpticalTransportNetwork(OTN),是稿日期(2),,-,,-2,。金项目,国家863计划,新型超大容量全光交换网络架构及关键技术在现有传送网中加入光层,提供光交叉连接和分插复究,资助。用功能,使其由“线”发展到“面”,即从点到点的者简介,何炜,(98)-,,男,博士,高级研究员,主要从事全光通信网和DWDM线状网演进到多点到多点的网状网[3]。接入网技术方面的研究。基于参阅相关文献,选取搭建一个极具代表性的子邮箱,

　　典型四节点四维度网状拓扑全光网,其网络结构如图1所示。该网络包含甲乙丙丁四个光交叉连接节点设备,分为东南西北四个方向维度。任一节点设备分别通过双纤双向链路与其余三节点设备相连,链路每隔

　　8,km跨距经由一个线路放大器,LineAmplifier(LA)中继,此外,每节点设备还具备一对远端业务输入/输出端口和多对本地上/下业务接口。此全光网系统支持光纤级、波长级以及子波级三层次、不同粒度的信号交叉连接或交换,工作波长λx,x=1,2……2n,n自然数,覆盖C波段,并可依据系统扩容需求适当增加工作波长数目,减小波长间隔,

　　OXC设备是全光网的核心节点设备,通过对光信号进行交叉连接,能够灵活有效地管理光纤传输网络,是实现可靠的网络保护/恢复,以及自动配线、监控和网管的重要手段,OXC主要由输入部分,前置放大器PA和可调功率解复用器VDMUX,、光交叉连接部分,光开关矩阵和波长转换器WC,、输出部分,可调功2012年第4期輴訛

　　率复用器VMUX和功率放大器BA,、本地上下业务接口,光发送/接收模块和子波交叉连接DXC模块,和控制管理单元这五部分组成,如图2所示,

　　根据典型四节点四维度网状拓扑全光试验网的结构,其中每一光交叉连接节点设备的输入/输出光纤端口数目为N=4,每根光纤中复用ω=2n个波长,均为单向光纤链路,输入光纤中经长距离传输的波分复用光信号首先进入前置放大器PA放大,然后通过可调功率解复用器VDMUX把每一路光纤中的复用光信号分解为单波长信号,λ,~λ2n,,N条光纤可分解出N×2n个单波长光信号,将这些单波长光信号根据其承载的波长值分为ω=2n个组,每组波长相同光信号连接到同一光开关矩阵,虽然光开关矩阵具备强大的连接能力,能够将任意输入端口的信号配置到任意空闲输出端口,但当一个连接请求需要使用一个已经被占用的输出端口时,阻塞现象依然会发生,为了避免阻塞并提供波长转换能力,为每个OXC设备配置了一个波长转换池,其中容纳ω×d个固定全光波长转换器,All-OpticalWavelengthCon-verter(AOWC),d表示每个波长的光开关矩阵所能提供连接全光波长转换器的端口数量,图2中d=,,这些固定AOWC的输入端口与一个2n×2n规模的光开关矩阵各输出端口相连接,当对应λi,i=,(2)…( 2n)编组的光开关矩阵输出波长发生阻塞时,可以利用波长转换池,将信号波长转换为λj,j=1(2)…(2n)j≠i, ,然后将转换后的光波长信号环回馈入相应于该波长编组λj 的光开关矩阵,并且重新寻路到输出,经交叉连接后的单波长光信号通过可调功率复用器VMUX复用到相应的输出光纤中,并由功率放大器BA预补偿到线路所需的功率值,完成信号的汇接,上下业务经光发送、光接收和子波交叉连接DXC模块完成本地业务,如IP、SDH、GFP等,的分插,控制管理单元通过编程对光开关矩阵、输入接口、输出接口模块进行监测和控制[4],

　　在以上假设条件的前提下,定义每条光纤链路中的波长利用率, 即负载是ρ,C和T分别为OXC节点设备支持的最大通信容量和其波长转换池中AOWC 的数量,则两者比值γ=T/C,针对某一连接的波长资源预留请求到达OXC节点时,OXC为其分配使用某一波长的过程遵循到达率参数为τ、服务时间参数为均值μ的指数分布的泊松过程,可以利用计算机通信领域中的排队理论M/M/T/T模型来模拟OXC波长转换池的变化过程,某一波长信号以τ速率被请求使用,如果在OXC转发表中获知该波长在其目的输出端口已被占用,对于所有光纤输入链路该事件发生的概率为ρN, ,将会请求波长转换,此时OXC波长转换池中的某个AOWC被请求的概率是τρN, 由此推之,OXC波长转换池中由状态k ,k个AOWC被占用,到状态k+,,k+,个AOWC被占用,的迁移概率近似为(C-k)τρN,则该OXC波长转换池中有m,m≤T,个AOWC被占用的概率为,

　　当m=T时,即OXC波长转换池中所有AOWC均被占用,紧接着到达的某一连接的波长资源预留请求将因为无波长可以分配而引起阻塞,该通信连接无法建立而被丢弃,此时,OXC节点设备的阻塞率可根据下式计算得出[5] ,

　　P= ,- ,-ρN ,+ρN ,-P(T , ,-ρC-N , (h )ω (4,其中h表示某一连接的波长资源预留请求在端到端的网络传输过程中经历的OXC节点跳数,ω表示每根输入/输出光纤中复用的光波长数量,

　　根据式,,,~式(4) ,可以计算出基于图2中波长转换节点共享型OXC结构的典型四节点四维度网状

　　拓扑全光网在各种不同网络配置条件下的阻塞率。如图1所示,每个OXC节点的输入/输出光纤端口数目N=4,任一端到端的光连接请求途经的OXC节点跳数h=2。依据变量之间的关系式γ=T/C=d/N、T=ω·d,在OXC中每个波长的光开关矩阵所能提供连接全光波长转换器的端口数量d恒为, ,每根输入/输出光纤中复用不同波长数ω的条件下,网络的阻塞性能P相对于网络所能提供载荷的变化曲线所示。从该数值结果可以看出,随着网络负载的增加,网络阻塞的可能性必然增大,尤其是在载荷ρ接近于,时,阻塞率P陡然上升。另外也不难发现,d值恒定的情况下,每根输入/输出光纤中复用的波长数ω越多,全网端到端的光连接请求的连通性越好。就图3中d=,的情况而言,当复用波长数ω≥8时较为理想,因为在网络负载达到,.9时,网络的阻塞率依然接近于0,但是实现的系统代价并不高,仅需要为OXC中每个波长的光开关矩阵配备一个AOWC即可。

　　为了更深入地研究全光波长转换器的配置数量对网络性能的改善程度,设定每根输入/输出光纤中恒定复用ω=4个波长,改变OXC中每个波长的光开关矩阵所能提供连接全光波长转换器的端口数量d,得到另一组网络的阻塞性能P相对于网络所能提供载

　　图3 d值恒定,不同ω取值情况下,网络阻塞率P与网络负载ρ之间的关系曲线

　　荷,的变化曲线所示。结果表明,增加连接全光波长转换器的端口数量可以明显改善网络的连通性能,但改善效果随着d值的增大趋于越来越不明显,因此并不是为OXC中每个波长的光开关矩阵配置越多的全光波长转换器越好,而是应该依据全网性能需求追求一个最佳的性能配置比。此外,在网络负载较小,,≤,.8,的情况下,增加连接全光波长转换器的端口数量,对网络性能的改善效果不大,而当网络负载较大,0.8≤,≤,,时,影响相对明显。就图4中ω=4的情况而言, 当连接全光波长转换器的星空体育 星空体育平台端口数量d=2时较为理想,因为在网络负载达到0.9时,网络的阻塞率依然较小,系统的性能配置比较高。

　　本文结合当前通信领域光电子器件实际状况,立足于波长转换节点共享机理,设计了一种新型结构的光交叉连接节点设备,基于此搭建起一个典型四节点四维度网状拓扑全光试验网,并根据排队理论建立起该OXC结构的数学模型,从复用波长数和波长转换配置数两方面定量分析了此OXC节点配置参数对典型网状拓扑全光试验网系统性能的影响。结果表明,增加光交叉连接节点的输入/输出光纤中复用波长数和全光波长转换器配置数均能适度改善网络系统的性能,但改善效果越趋减小,系统代价逐渐增高,即系统存在一个最佳的性能配置比。

　　综上所述,在特定网络的受限波长转换条件下,本文提出的光交叉连接节点依靠固定波长器件和巧妙的结构设计, 同样获得了灵活的波长转换能力,不但避免了系统因价格昂贵的可调谐器件精确调谐所开销的时间,而且所有管控均可通过简单的开关控制实现,保证了其工程实现上的可操作性。

　　[1]吴青萍全光网络中光交换技术的研究现状与发展趋势[J]光通信(2008)3(8):74-81

　　[3]纪越峰,李慧,陆月明,等 自动交换光网络原理与应用[M]北京:北京邮电大学出版社,2006