文档介绍：WDM 光网络上的波长分配研究

重庆大学硕士学位论文
(学术学位)

学生姓名:杨泛舟
指导教师:杨小帆教授
专业:计算机软件与理论
学科门类:工学

重庆大学计算机学院
二 O 一三年五月
Research of Wavelength Assignment on
WDM works

A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Master’s Degree puter
By
Yang Fanzhou

Supervised by Prof. Yang Xiaofan
Specialty: Computer Software and Theory

College puter Science
Chongqing University, Chongqing, China
May, 2013
重庆大学硕士学位论文中文摘要

摘要

计算机网络的主要任务是承载世界范围内的信息传输与通信,目前而言,大
多数计算机网络上实现通信的传输媒介是电。随着人类社会的发展和文明的进化,
尤其是大数据时代的来临,以电能为基础的计算机网络越来越无法满足需求。一
方面,世界范围内的通信业务持续增长,造成现有网络的流量拥塞和性能下降;
另一方面,电本身具有的物理特性也限制了计算机网络在性能上的进一步优化和
提高。
目前针对该问题的一种研究方向是用光替代电,作为信息传输的媒介,即构
建光网络。光作为信息的载体,具有以下诸多优点:极高的时空带宽积,低时延,
通道等程,无干扰,低能耗等。全光网络是光网络的一种理想状态,指网络中的
所有处理操作都由光学器件完成,没有电子器件的参与。可以想象,全光网络的
性能十分出众,但是目前还没有任何一种建成的全光网络,因为光虽然在数据传
输上各项指标都优于电,但是在数据存储上不如电行之有效。所以目前已有的光
网络其实都是光电混合网络,用电网络存储信息,用光网络传输信息,从而发挥
各自的优势。目前最常见的光网络是基于波分复用技术(WDM),它可以在单通
道上实现极高容量的信息并行传输,从而突破传统电网络在提高带宽时碰到的瓶
颈。WDM 技术是指用不同波长的光载波信号携带信息,由于各个波长之间没有干
扰,所以可以在光纤上并行传输,从而提高了吞吐量。
WDM 光网络上一个周期内的通信过程为:首先进行选路,即为每一个需要通
信的源-目的节点对选定通信路径,这条路径又叫光路,本质上就是路由问题;然
后为该条光路分配一个波长用来传输信息,在分配时需要遵循两个原则,一是该
波长在光路中不发生改变,即波长一致性原则,二是共享同一条光纤的光路不能
使用同一个波长,即波长差异性原则;最后是信息传输和光路撤销,等待下一个
周期的通信请求。
目前而言,可用的波长资源是有限的,所以在大规模的 WDM 光网络上会出
现波长资源不足的情况,这就意味着本周期内的若干光路请求无法建立,需要延
迟到下周期进行,即出现了拥塞问题。可见,WDM 光网络上的路由问题,波长分
配问题和拥塞问题不是相互独立的,而是需要统筹考虑。本文将在考虑路由和拥
塞的情况下,围绕波长分配问题展开讨论。具体而言,本文针对如下三类 WDM
光网络展开研究。
(1) 具有经典拓扑结构的 WDM 光网络。由于这四种经典拓扑具有规则结
构,所以容易运用图论对其进行理论推导,本文推导出了具有 N 个节点的各个经
I
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典拓扑上实现广播通信时所需要的最少波长数的公式;同时分析了波长转换器对
所需最少波长数的影响。
(2)具有不规则拓扑结构的 WDM 光网络。给定一组需要建立的光路集和一
组可用波长集,完成不规则拓扑光网络上的波长分配是图染色问题,即 NP 难问题。
本文针对已有的波长分配算法(First-fit 算法)进行两个方向的改进:一是降低波
长分配的时间;二是降低阻塞的发生。本文提出来若干改进算法,仿真实验表明
能较好的提高波长分配的效率。
(3)WDM-PON 网络。本文介绍了目前在工程应用方面已经十分普及的无源
光网络(PON),并引出了新型的一种 PON——WDM-PON。这也是一种基于 WDM
技术的光网络,其最常见的拓扑为树形,虽然看似可以划分到经典拓扑结构中,
但是 WDM-PON 本身的物理细节决定其无法简单