文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
光波分多路复用网络中关于提高带宽利用率问题的研究
姓名:李燕
申请学位级别:博士
专业:计算机软件与理论
指导教师:许胤龙;徐云
2011-04-26
摘要
摘要
光波分多路复用(WDM-wavelength division multiplexing) 技术被公认为是
构建下一代核心网和接入网的重要技术之一。它通过在光纤上开拓出多个可以独
立运行的波长,从而大大增加了光纤的传输容量。
在过去的数十年中,很多研究者们都致力于提高光波分多路复用网络中的带
宽利用率从而获得较好的网络性能。然而,在光波分多路复用核心网络中,每个
波长所提供的巨大带宽和每个网络连接所请求的较低带宽之间的不匹配使得在
该网络中较好的满足各种不断变化的网络服务请求变得十分的困难。类似的问题
也存在于光波分多路复用接入网络中。在现今的接入网构建中,为了能够以较经
济的铺设代价来获得充足的接入带宽,光纤-无线混合接入网络被认为是未来接
入网络的一种理想选择。一个典型的光纤-无线混合接入网络通常包含一个光波
分多路复用接入子网作为后端同时包含一个无线接入子网作为前端。在这样一个
光纤-无线混合接入网络中,由于无线前端的网络吞吐量较低,从而使得光波分
多路复用接入子网所提供巨大带宽不能被充分利用。
在这篇论文中,我们将研究如何充分利用光波分多路复用核心网络和光波分
多路复用接入网络中所提供的巨大带宽进而获得理想的网络性能。本文的主要研
究问题以及主要贡献可以归结如下:
首先,我们将研究基于 light-trail 的光波分多路复用核心网络中的多播路由
问题。现如今,light-trail 已经成为了光波分多路复用核心网络中用于实现数据
传输的一种理想的体系结构。由于 light-trail 这一体系结构自身的特性,在其上
实现多播数据传输变得非常简单。因此,在本文中,我们将研究在给定多播传输
请求的情况下,如何使用最少数量的 light-trail 来为这一多播请求构建多播传输
树从而使得网络带宽能够被充分利用。我们将证明在一般的基于 light-trail 的光
波分多路复用核心网络上的该问题是 NP-hard 的。因此,两个辅助图被提出用
于将这一问题转换为经典的 minimum Steiner tree (MST) 问题,这样一般的基于
light-trail 的光波分多路复用核心网络上的多播路由问题就可以使用已有的用于
MST 问题的方法来解决。与此同时,我们还将论述基于 light-trail 的光波分多路
复用环网上的多播路由问题可以在多项式时间内得到解决。我们会通过实验来论
证我们所提出的方法的有效性。
其次,我们将提出一种自适应的主动的连接重路由机制用于光波分多路复用
核心网络上的流量疏导。在光波分多路复用核心网络上,正如前面所提到的那样,
每个波长所提供的巨大带宽和每个网络连接所请求的较低带宽之间的不匹配限
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摘要
制了网络中的带宽利用率。因此,人们提出了一种称为“流量疏导”的技术来提
高网络资源的利用率。借助于这一技术,多个连接请求将被整合到一个波长上从
而使得带宽能够被充分利用。然而,由于流量请求的不可预测性,网络中的剩余
资源可能不能够满足一些新到达的连接请求。“重路由”是一种通过对已有的连
接进行重新安排从而使得新到达请求能够被满足的有效方法。通过这一方法,网
络吞吐量可以得到进一步的提升。在这篇论文中,我们将以生物学中的 attractor
selection 方法为基础,研究自适应的主动的连接重路由问题。我们将根据网络状
态来启动主动的连接重路由算法从而为未来的连接请求预留最多的网络资源。这
样,网络的阻塞概率可以通过适当的重路由得到降低,也就是说光纤带宽可以得
到充分的利用。有鉴于所提出的重路由机制的自适应性,网络的健壮性还将得到
提高。我们最后会通过实验来验证所提出的重路由机制的有效性。
最后,我们将研究如何利用光纤-无线混合接入网络中光波分多路复用子网
所提供的巨大带宽。在光纤-无线混合接入网络这一平台上,来自一个源无线终
端的网络流可以先被送至一个入口光网络单元(ONU-work unit), 然后
送至一个接近目的无线终端的出口 ONU,最后由该出口 ONU 将网络流送至目的
无线终端。通过这种“无线-光-无线”的传输模式,无线终端之间的点到点通讯
的吞吐量有望得到提升。如果能够在光波分多路复用子网中实现 ONU 之间的直
接通讯,那么光波分多路复用子网所提供的带宽可以被充分利用从而提高无线终
端之间的点到点通讯的吞吐量。在这篇论文中,我