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波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing，WDM）作为现代光纤通信网络系统的主流技术，已经是国内外学者研究的热点和方向。如何更进一步地扩大光纤网络系统的容量，适应复杂的光纤网络结构，成为通信网络的首要问题。本文首先了解光纤网络的发展和波分复用网络的结构、特点，掌握路由选择和波长分配的原理，并针对 WDM 波分复用光纤网络的载波分配协议目标节点初始预留协议（Destination Initiated Reservation，DIR）和源节点初始预留协议（Destination InitiatedReservation，SIR），通过学习 DIR 和 SIR 二者的理论原理，了解 DIR 和 SIR 之间的相同点和不同点， 并通过 MATLAB 仿真， 实现源节点初始预留协议和目标节点初始预留协议。引入阻塞概率的问题，通过掌握SIR 和 DIR 的本质以及实现过程，了解引起阻塞的原因。最后经过MATLAB 仿真 SIR 和 DIR 的阻塞概率，并对两者的性能进行比较。27399
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毕业论文关键词 WDM 波分复用 路由选择 波长分配 DIR SIR 阻塞概率
Title A Simulation Study on Wavelength Reservationin WDM Optical Networks
Abstract As the mainstream technology of modern optical communication networksystem ,wavelength pision multiplexing (WDM) has been a hot topic and directionamong the research scholars at home and abroad . How to further expand the opticalnetwork system capacity, adapt to the increasingly complex optical fiber networkstructure,becomes the primary problem today.In this paper,we first study the development of optical network and the structureand characteristics of the WDM optical network.Then we grasp the theory ofRWA(Routing and wavelength assignment).Point to the DIR and SIR(DestinationInitiated Reservation and Source Initiated Reservation),we study theirprinciples,and know the differences between DIR and SIR.We use MATLAB to simulatethe DIR and SIR .By introducing the Blocking Probability of optical network andstudying the realization of DIR and SIR,we can know the cause of blocking.In the end,we obtain the block probability of SIR and DIR through the simulationresults,and compare their performance.Keywords WDM Route and Wavelength Assignment DIR SIR Blocking Probability
目 次
1 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 光网络以及波分复用光纤网络体系结构的发展 1
1.1.2 波分复用光纤网络的研究意义 2
1.2 国内外研究现状及发展趋势 3
1.2.1 研究现状 3
1.2.2 发展趋势 5
1.3 论文结构与主要工作 5
2 波分复用光纤网络技术原理 7
2.1 波分复用光纤网络概述 7
2.2 波分复用光纤网络典型特征 8
2.3 波分复用光纤网络结构模型 10
2.4 波分复用光纤网络关键技术 12
3 波分复用光纤网络中波长资源的分配与调度 14
3.1 资源分配问题的提出 14
3.2 SIR 资源预留方案 16
3.2.1SIR 的概述 16
3.2.2SIR 的具体实现过程 16
3.2.3SIR 过程中的阻塞 18
3.3 DIR 资源预留方案 18
3.3.1DIR 的概述 18
3.3.2DIR 的具体实现过程 19
3.3.3DIR 过程中的阻塞 22
3.4 SIR 与 DIR 的比较 22
4 SIR 与 DIR 仿真分析 24
4.1 仿真工具 24
4.2 仿真方法 25
4.3 仿真场景 26
4.4 仿真结果与分析 27
4.4.1 前向预约失败率 27
4.4.2 后向预约失败率 32
4.4.3 总预约失败率 33
4.5 改进措施 36
4.6 本章小结 36
5 总结与展望 38
结论 39
致谢 40
参考文献 41
1 引言1.1 研究背景及意义1.1.1 光网络以及波分复用光纤网络体系结构的发展科学的发展离不开人类的文明进步。从人类早期的烽火台报警通信，到 1837 年莫尔斯发明了电报，标志着人类走向电通信时代，随着人们对通信容量要求的提高，为了利用更多波段的电磁波频段，微波通信技术得到了飞速的发展。60 年代之后，因为移动通信和卫星通信的创新和发展，更进一步地刺激了电通信技术的提高。[1]虽然卫星通信可以说是人类通信史上一次很大的跨越，但由于它工作于有限的微波频段，不能大量满足人类对于高容量、高速度的通信要求。因此，开发毫米波、亚毫米波就成了当务之急。然而，由于开发毫米波和亚毫米波的过程中出现了理论和技术上难以跨越的鸿沟，人们又将目光投入到频率远超毫米波的光波[2]。以光波作为传播信息的载体，较传统电通信相比具有难以比拟的超高潜在通信容量。1966 年，英籍华人高锟发表了一篇著名的论文《光频介质纤文表面波导》，这篇论文，解决了石英光纤损耗的理论问题。高锟提出，用石英玻璃纤文来传送光信号，可以实现超大容量和超长距离的通信。这种石英玻璃纤文即“光纤”，高锟的研究论文为大批科学家研究和研制低损耗光纤提供了可能。[3]光纤通信作为 70 年代以后是主流技术，到 90 年代时，光纤传输已经取代了除用户线以外的全部的传统电缆通信。作为优越于传统通信方式的光纤通信，它具有以下得天独厚的优势：1)、光纤通信适应很宽的工作频率带宽，可以传输的容量很大。2）、光纤通信在传输过程中损耗较小，且中继距离很长。 3） 、 光纤通信节省了大量有色金属， 节约资源。 因为制造光纤的原材料石英 （SiO2）资源丰富且价格便宜，而制造普通电缆则需要消耗大量的铅、铜等有色金属。4）、光纤通信抗电磁干扰能力很强。由于制造光纤的原材料 SiO2不受各种电磁场（包括强电、雷击）的干扰，它在电力输配、电气化铁路、雷击多发地区以及核试验等环境中扮演者不可或缺的角色。5）光纤的重量轻，安全、容易进行敷设。得益于 SiO2不导电、无电流电压干扰、不会引起爆炸起火以及重量轻、体积小的优势，光纤通信对于军事航空以及宇宙飞船方面的应用有着举足轻重的意义。6）光纤适应环境、使用寿命长。[4]相较于金属设施而言，光缆更强的卡腐蚀性以及适应温度和环境变化的能力很明显溢于言表。近几年来，由数字、图像和多媒体视频内容构成的新型IP 业务量和信息量呈现出爆炸式增长，网络性能提高的需求伴随着信息风暴的到来也变得日益迫切，传统的光纤通信在这日新月异的科技时代已经暴露出力不从心的形势。尽管现代光纤网络较之传统光网络而言具有高容量、高速度、高安全度和低损耗度等优点，但随着信息化、数字化、全球化和网络化社会的飞速发展的进程，当前的光纤网络技术显然不能满足人类的需求。光纤的 20nm 可用带宽资源利用率尚不足 1%，剩余的 99%资源生生被浪费；多数通信（如打电话）采用全双工方式，需要两根光纤，浪费大量的线路投资；使用电时分复用的光纤网络通信受到电子器件速率瓶颈的限制。面临着这一系列挑战，波分复用（WDM）以自己的独特的技术优势和良好的经济性能在这样的风暴中脱颖而出，它既能满足爆炸性增加的市场网络信息的需求，又有充分广阔的发展前景。不同波长的光波彼此之间可以独立传输，所以在同一根光纤中可以有多个不同波长的光波。[5]这种在单根光纤中同时传输多个波长信道的技术称为波分复用（WDM），可分为稀疏型波分复用(CDWM)和密集型波分复用（DWDM）。WDM 技术是在发送端将不同波长的光信号进行复用，然后在同一根光纤上进行耦合并传输，当光信号到达接收端时，将波长复用的光信号解复用，并做进一步地处理，恢复出原信号后送入不同的终端，这项技术大大提高了单根光纤的信息传输容量，也被称为光波长分割复用，简称 WDM。[6]WDM 网络可以不受带宽限制的条件下灵活地传送所有种类的业务。WDM 波分复用技术的实用化，为充分利用光纤带宽提供了有效途径，节点到节点之间光纤容量的提高，促进了高速大容量宽带综合业务传输网的发展。[7]波分复用的发展：早在二十世纪八十年代时，波分复用技术首次被提出，并且美国的AT&T 网络已经开始将双波长的 WDM 系统投入使用。到了 1995 年，波分复用技术开始进入崭新的时代，尤其是在北美，WDM的发展的上升高度是历史性的，LUCENT 也开始将密集WDM 系统投入商用。由于波分复用系统的商业大规模发展以及掺铒光纤放大器的推广使用，波分复用的发展研究得到了更进一步的提高。1997 年开始，北美的所有电信营运商都将DWDM 系统引入了工作平台。90 年代以后，波分复用系统在美国、加拿大和欧洲等其他地区得到了广泛的使用和推广。 我国在 1996 年设立了国家级的项目来对波分复用全光网进行研究并取得了卓越成果。1.1.2 波分复用光纤网络的研究意义波分复用技术在 1977年首次被提出，三十多年来，经过无数杰出科学家孜孜不倦、锲而不舍的研究探索，WDM 波分复用技术已经得到了极大的发展，在现代光纤通信系统中占据着不可或缺的重要位置。在这信息爆炸的数字网络时代，通信系统和经济的发展、社会的进步以及精神文明的升华息息相关。如何在充斥着纷繁复杂、日新月异的科学技术，资源日趋匮乏、环境日益恶劣的社会中寻找到人类发展的方向，如何寻找到既经济合理，又不浪费资源，并且能够满足通信需求的通信技术，成为当代热血青年和知识渊博的科学家们的沉重任务。WDM 波分复用技术是在光纤通信系统中使用光波的频分复用（通过频域分割实现每个波长通路占用一段光纤带宽），在发射端通过光波分复用器将不同频率的光波信号复用起来，在同一条光纤中传输，最后在接收端通过解复用器将不同频率的光波信号分解开来，最终实现光纤通信系统容量的扩展。[8]因为光频域上的信号频率变化比较大，所以通常用波长表示其频率差别。相对于传统的同轴电缆频分复用技术，WDM 波分复用系统是对光信号进行频率分割，而同轴电缆系统则是对电信号进行频率分割；当同轴电缆传输模拟信号 4kHz 的语音信号是，WDM 系统通道上的数字信号的速率是 2.5Gb/s甚至更高，其传输速率并不是同轴电缆系统可以比拟的。[9]在传统光纤通信系统中，很多时候仅仅只传输一个光波长的光信号，在光纤频谱带宽中占据了很小的一部分，大部分网络资源被浪费。而 WDM 波分复用技术利用光纤的低损耗区波段，极大的增加了光纤传输的容量，充分利用了光纤巨大的带宽资源。在大容量、超长距离传输光信号时，WDM 波分复用技术将很多波长复用在一根单模光纤中传输[10]，减少了敷设新的光纤线路的需要，在保证扩大光纤通信容量的前提下，削减了光纤建立和传输的成本。随着光信号传输速率的增大，高速率传输对光电器件产生影响，因此需要研发和配备更好更贵的光电器件，而 WDM 技术在一定程度上降低了对器件性能的要求，减少了人力物力，节省了成本，节约了自然资源和人才资源。实现 WDM 波分复用技术的关键器件是一个无源光波分复用器，它结构简单可靠，易于和光纤耦合，能够将不同波长的光信号组合起来进行传输，也可以将组合起来的光信号分解开来，实现网络交换和恢复，具有高度的灵活性和经济性，在光网络中体现出其较 SDH更为透明、更具生存性的优势[11]，给予人类对实现全光网络的完美时代更大更多的希望。因此，WDM 波分复用技术被公认为是下一代高速光域骨干网的杰出贡献者。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 研究现状光通信的出现可谓是人类文明和通信史上最重要的里程碑了，而光纤通信作为光通信中的一种新型通信技术而言，其对通信信息的发展有着举足轻重的地位。从 1966 年英籍华人高锟提出建议使用光纤（石英玻璃纤文）来作为光传递信号的载体，光纤通信正式登上光纤通信网络时代的舞台。尽管光纤通信给人类带来的大容量、长距离的通信传输，保密性能好、抗干扰能力强的通信环境，也节约了大量的有色金属，但是光纤系统中也存在着很多不足之处：将光纤接入到电子设备上时，一般的借口器是不能满足光纤极高的条件的，而要使用非常精密而又昂贵的接口仪器，这使得光纤传输系统的成本造价大大提高。光纤线路上的各个接口器不仅仅是昂贵的问题，而且这些接口器有的需要供电，距离近的还可以，如果是距离比较远的接口器，则需要使用电缆进行供电，因为光纤不能够对其进行供电。光纤缆线的强度远远不如电缆，所以光纤线缆的强度还是比较堪忧的。最后，由于光纤线缆也会出现故障问题，所以当光纤线缆需要检测和文修的时候，需要配备专业的、接受过专业训练的文修工人，这使得光纤的成本又向上提高了不少。人类总是精益求精的，有了缺点就会想方设法去弥补和研究。近年来，针对光纤网络不足的研究，在国内外的科学家从来没有停止过步伐。在我国，光纤通信技术的发展表现出卓越的成效。直到今天，我国的光纤通信系统已经有了单模光纤系统模式、室内光缆系统模式、塑料光缆系统模式、通信光缆系统模式以及接入网光缆系统模式，并且我国的光纤通信技术已经在向光器件集成化和光网络智能化的全光网络通信网络系统的方向发展。[12]波分复用技术的出现，极大的提高了光纤网络通信系统的运行速度和承载容量。WDM波分复用光纤网络系统的基本构成主要有双纤单向传输、 单纤双向传输和光分路插入传输[13]。而光发送机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统则是光波分复用的总体结构部分[14]。目前，WDM 波分复用技术中的很多技术都仅限于理论研究和实验实现，所以国内外的各专家、科学家正在致力于将所有理论成果实现实用化，进一步扩大波分复用光纤网络通信系统的容量和传递速度，降低通信成本，提高灵敏度和业务透明度，增强光纤通信系统网络的动态重构和故障自动恢复功能，促使组网高度灵活、生存性更强的全光网络时代的到来和成熟发展[15]。1999 年，WDM 在中国山东被大范围内投入使用。目前，我国的WDM 波分复用光纤网络技术已经涵盖了国家干线网和教育网以及本地网，同时也已经在向着集成式和半开放式、开放式的方向发展，并取得了很大的进展。根据 WDM 波分复用光纤网络上所承接的通信信息业务，WDM 波分复用业务主要分为静态 WDM 业务和动态WDM 业务。顾名思义，静态 WDM 业务就是路由固定，动态 WDM业务就是路由不固定。具体来讲，当我们提前了解连接请求，预先在从目标节点到目标节点之间建立合适的链路路径，当连接请求来临时，目标节点根据特定的波长分配算法选择一个或者多个波长，WDM 光网络系统直接根据提前设定好的链路路径和波长通道进行操作[16]。业务终止后，之前预先建立的链路路径不会消失，依然保持在相应的源节点和目标节点之间。动态 WDM 业务，即预先并不知道连接的请求是什么，当有业务来临时，WDM 光纤网络临时从源节点到目标节点之间建立一条合适的链路路径，由目标节点根据特定的波长分配算法选择一个或者多个波长，WDM 光网络系统根据预定好的链路路径和波长通道进操作。业务终止后，之前建立的链路路径消失。显而易见，WDM 动态业务网络系统可以很自由地、随机的寻找和建立链路路径以及撤销路径。刚开始国内外的研究只限于静态 WDM，近几年来，动态 WDM 业务的研究越来越火热，其中，动态WDM 业务主要需要解决的问题就是网络阻塞概率的问题。目前，以美国、日本、英国等欧洲其他国家为首的一些国家，都在致力于使用试验网方法来研究 WDM波分复用光纤网络技术。欧洲已经在进行的试验有 RACE、ACTS、OPEN、METON和PHOTON等计划，美国也在积极进行一些WDM 技术的研究如 OPN计划等[17]。波分复用技术的发展是日新月异的。近年来，光纤网络容量平均以每九个月就翻一番的速度飞速增长[18]，可以预见，未来的几年，人类的光纤通信网络容量绝对会得到巨大的成果。1.2.2 发展趋势随着光纤网络的飞速发展和通信网络大容量、超高速的要求，人类迫切需要进入新一代的光纤时代。目前的 G.652 单模光纤已经不能满足通信系统的高速度和长距离传输的要求，而现如今已经研发出的全波光纤和G.655光纤可以适应我国国家干线网和城域网对速度和距离的需要[19]。并且，今后对新一代的更多的其他光纤的研究，也将会成为国内外工作人员研究和实验的热点内容。传统的电时分复用技术为光纤网络通信的容量扩展已经不能够再现如今的通信时代继续如鱼得水，作为可以大大提高光纤网络容量的 WDM 波分复用技术显然成为光纤通信网络系统的香饽饽。很多关于 WDM 光纤网络的技术仍然处于试验或理论状态，对其进行继续深入研究并完全实现 WDM 波分复用技术的实用化，成为 WDM未来发展的方向，对 WDM 波分复用光纤网络的阻塞概率的减少也需要投入大量的研究和实验。1.3 论文结构与主要工作本文主要研究 WDM 波分复用光网络中静态路由中光路建立和波长分配的问题。在静态路由中光路建立主要有两种方式：第一种是连接复用，即利用不同的波长，在沿路径上的不同环节中进行光路的建立。第二种是光路复用，即利用同一波长在沿着路径上所有链路上进行光路建立。光路复用的情况下，节点没有波长转换器。若节点上没有配备有波长转换器，虽然链路上有空闲波长资源，但是由于波长连续性条件的限制，使得不存在可以分配的有效波长资源[20]。波长预留协议为波长路由光网络提供了建立光路的网络控制方案，使得波长可以预先被预定，然后再有连接请求时占用预先预定的波长并进行数据传输。波长预留协议分为中心控制和分布式控制两种方案[21]。以前很多文献中针对中心控制方案进行过很深的研究，但是随着网络规模的增大和复杂度的提高，中心控制方案的研究和使用遇到了瓶颈。分布式控制方案则可以很轻易地解决这个瓶颈问题，然而事物都具有两面性，优缺点往往同时并存，分布式控制方案在解决超大规模网络结构问题的同时，也存在着传播延迟，使得整个系统受到影响。本文针对分布式控制中的分布式预留协议的两个主要分类进行研究：由源节点初始预留协议:SIR（Source Initiated Reservation）以及由目标节点初始预留协议:DIR （DestinationInitiated Reservation），并通过对 SIR 和 DIR 的阻塞概率的分析，比较二者的性能。第二章简述波分复用光纤网络通信原理，了解和研究 WDM 波分复用光纤网络的典型特征和其网络结构，深入探索WDM 波分复用光纤网络的关键技术。第三章是本文的重点，主要针对分布式预留协议提出光路建立和波长分配的问题，并具体详细地学习研究和掌握DIR 和 SIR 的实现原理本质和实现过程。 同时将 DIR 和 SIR 的原理和实现过程进行对比，通过其实现步骤以及过程中造成的连接阻塞概率的比较，找出二者之间存在的不同以及各自的优缺点。第四章介绍实现 DIR 和 SIR 的仿真工具。本文是通过 MATLAB 对 DIR 和 SIR 进行仿真实现。在具体实现过程中，将整个运行过程分为前向预约过程（forward progress）和后向预约过程(backward progress)，分别对DIR 和 SIR 研究其在源节点发起连接请求、在前向预约过程和后向预约过程的具体实施，并且记录在一定连接请求数目的条件下，发起预约成功和失败的次数，算出前向阻塞概率、后向阻塞概率和整体的阻塞概率，对仿真结果进行对比分析。第五章总结整个研究过程， 进一步深入了解 WDM 波分复用光纤网络的优势， 总结 WDM光网络中建立路由和波长分配的原理，掌握分布式波长预留协议 DIR 和 SIR 的本质、实现过程及其各自的优缺点，并对整个研究做出思考和展望。
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