WDM光網絡生存性技術的研究.pdf

1、隨著波分復用(WDM)技術的不斷進步，WDM光網絡得到了廣泛應用，并且已經成為現代通信基礎設施的重要基石。WDM光網絡具有高速度大容量的特點，即使單個網絡故障也會造成大量的信息丟失，因此確保網絡的健壯性顯得尤為重要。生存性技術，也就是保護和恢復方法，可以有效地增強網絡抵御故障的能力，在高可用性WDM光網絡設計中發(fā)揮著重要作用。 本文對WDM光網絡的生存性技術進行了深入的理論研究，目的是提出新的保護恢復方案及其相關算法，以優(yōu)化網絡

2、性能，提高網絡的生存能力。主要研究內容包括動態(tài)共享通道保護方法性能分析、區(qū)分通道可用度保護方法、鏈路保護P圈優(yōu)化配置以及故障獨立通道保護P圈設計算法，并進行模擬仿真。 第一章介紹了相關的研究背景。 第二章分析自相似業(yè)務下共享通道保護WDM光網絡性能。利用隨機中點置換-分形高斯噪聲方法合成自相似業(yè)務序列，通過分層圖方法記錄WDM光網絡狀態(tài)，提出了一種鏈路狀態(tài)描述模型。通過對5×5 Mesh Torus網絡進行仿真，研究泊松

3、業(yè)務和自相似業(yè)務對共享通道保護算法的影響。仿真結果表明，在相同的平均到達速率下，泊松業(yè)務和自相似業(yè)務得到的阻塞率并不相同。對于自相似業(yè)務，當自相似系數H或方差V變大時，也就是說業(yè)務的突發(fā)程度變大時，阻塞率增大，網絡的性能下降。增加單纖波長數W，可以降低阻塞率，提高網絡性能。當波長數從8增加到24時，阻塞率從0.45減少到了0.009。 第三章提出了一種WDM光網絡的區(qū)分通道可用度保護方法。每個連接由業(yè)務層分配一個最大不可用度指標

4、，如果連接的工作通道不可用度大于其不可用度指標，則需要分配保護通道，否則，無需保護。提出了一種重用保護波長機制：無保護連接的工作通道可以重用有保護連接保護通道的波長，如果兩個連接的工作通道不可用度之和不超過無保護連接的不可用度指標。根據區(qū)分通道可用度保護思想，WDM層可以向業(yè)務層透明地提供滿足不同可用度要求的連接，這就簡化了多層網絡生存性設計的難度。利用區(qū)分通道可用度方法設計WDM環(huán)型光網絡，給出了一種基于馬爾可夫過程的多修復條件下環(huán)網

5、通道可用度計算方法，提出了一種啟發(fā)式路由和波長分配(Routing andWavelength Assignment，RWA)算法.最難重用優(yōu)先算法。對12節(jié)點環(huán)網仿真發(fā)現：利用最難重用優(yōu)先算法，可以在滿足每個連接可用度要求的同時，減少環(huán)網所需的波長里程數。在均勻業(yè)務和非均勻業(yè)務下，隨著連接的可用度要求降低，環(huán)網使用的波長里程數減少，重用的波長里程數增加，也就是節(jié)約的保護容量增多，可以節(jié)約大約24％的保護容量。 第四章研究無波長

6、變換WDM多纖網絡的鏈路保護P圈靜態(tài)保護優(yōu)化方法。提出了兩種新的RWA算法：最短路徑.負載均衡(Shortest Path-Load Balanced,SP-LB)和動態(tài)分層-負載均衡(DynamicLayered-Load Balanced，DL-LB)。首先利用保護工作容量包封(Protected Working Capacity Envelope，PWCE)方法計算波長層中各鏈路的預留工作容量上限；接著利用最短路徑(SP)或動態(tài)分

7、層(DL)方法確定網絡中的工作波長，然后在各波長層中為連接請求分配工作通道，采用負載均衡(LB)的思想，將工作容量近似均勻分配在各條鏈路和各波長層中；最后求解整數線性規(guī)劃(Integer LinearProgramming，ILP)模型進行P圈優(yōu)化。對SmallNet和NSFNET兩種網絡進行了仿真，結果表明，與東南大學博士學位論文DL方法相比，DL-LB方法減少了工作容量，因此網絡總容量(保護容量與工作容量之和)降低。與SP方法相比，

8、SP-LB方法在各波長層均勻分配工作容量，可以在不大幅增加工作容量的前提下，降低網絡冗余度(保護容量與工作容量之比)，因而可以減少網絡總容量。在不同的網絡拓撲、圈跳數上限以及光纖數條件下，SP-LB方法需要的網絡總容量都是最少的。而且它們隨著圈跳數上限的變大，網絡總容量都逐漸降低。與有圈跳數上限相比，無圈跳數上限可以減少11％以上的網絡總容量。 第五章提出了一種通道保護P圈啟發(fā)式-ILP混合設計方法：故障獨立通道保護-互不相關通

9、道組(FIPP-Mutually Disjoint Path Group，FIPP-MDPG)。該方法首先利用Johnson方法列舉網絡中存在的簡單圈；然后對于任意簡單圈，將所有適合被該簡單圈保護的通道分成若干個互不相關通道組(MDPG)，每個MDPG和該簡單圈都組成一個通道保護P圈；最后求解基于MDPG的ILP模型。與已有的ILP方法相比，FIPP-MDPG的lLP模型無論是變量數還是約束條件數都大幅減少。在7n12s、Cost239

10、、15節(jié)點網絡家族中對FIPP-MDPG方法進行了仿真。仿真結果表明，FIPP-MDPG方法的結果接近于其它ILP方法，但是計算時間大幅減少，可以從ILP方法需要的2天減少到17秒。同時，FIPP-MDPG方法可以在相對較短的時間內得到接近于最優(yōu)解的結果，對計算時間的敏感度不高。增加圈跳數上限，可以減少P圈的保護容量成本，但是計算時間大幅提高。通道保護P圈的保護通道成本小于鏈路保護P圈。 第六章研究通道保護P圈快速啟發(fā)式算法。提

11、出了兩種新的純啟發(fā)式方法：故障獨立通道保護-迭代式聯合設計-最難共享優(yōu)先(FIPP-Iterative Joint Design-Difficult Share First,FIPP-IJD-DSD)和故障獨立通道保護-迭代式聯合設計-完全保護(FIPP-IJD-Full Protection，FIPP-IJD-FP)。這兩種方法都結合了迭代算法和聯合設計的優(yōu)點，基本步驟相同：首先利用Johnson方法列舉網絡中存在的簡單圈：然后利用D

12、SF方法或FP方法為每個簡單圈尋找一個或多個不相關路由集合；接著迭代選擇最優(yōu)的P圈作為使用的P圈，并刪除其保護的業(yè)務請求：迭代不斷重復，直到所有業(yè)務請求都得到保護。在尋找不相關路由集合前，每個業(yè)務請求預選K條最短路徑作為候選工作路徑，并且每次迭代尋找最優(yōu)P圈時，提出用標準保護效率作為評價度量，標準保護效率最高的P圈是最優(yōu)的P圈。為了加快迭代速度，每次迭代使用多容量P圈，即P圈的容量不再是單位帶寬，而是刪除對應的業(yè)務請求后會引起P圈標準保

13、護效率發(fā)生變化的下限帶寬。在7n12s、Cost239、15節(jié)點網絡家族以及USA網絡中對FIPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP進行了仿真。仿真結果表明，與已有的ILP設計方法需要的標準保護容量成本相比，FIPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP方法最多只增長了不到12％的成本，在部分例子中，兩種方法甚至減少了約10％的成本；與此同時，它們的計算時間卻減少了2～3個數量級，可以從ILP方法需要的2天減少到1秒。在大多數例

14、子中，FIPP-IJD-FP方法需要的成本略小于FIPP-IJD-DSF方法，但是計算時間卻增大了若干倍。觀察到了候選路由數對標準保護容量成本的偽閾值效應，即只需要較少的候選路由數就可以有效地降低成本，而更多的路由只能增長計算時間，對減少成本作用不大。總的來說，候選簡單圈越多，也就是允許的簡單圈越長，FIPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP的結果越好，但是只使用部分簡單圈而不是全部簡單圈，不但有助于減少計算時間，同時又不過分影響