波长路由光网络中快速动态光链路建立的研究

摘要

本论文从理论和实践上研究了波长路由光网络（WRON: Wavelength Router Optical Network）中快速动态光链路建立问题，重点探讨了三个问题：波长路由算法（RWA:Router Wavelength Assignment）、呼叫连接建立信令过程和波长路由器的优化设计，探索如何从这三个方面来实现快速、动态、低成本光链路建立的有效方法。 主要的工作有： 首先，基于分层图原理，分析了光链路建立过程中三种情况下（具有完全、部分和没有波长转换能力）的网络和链路阻塞率，得出了阻塞率计算公式。研究了波长转换器在WRON中的使用策略，提出了降低阻塞率和减少波长转换器使用数量的放置方法。研究利用如何利用遗传算法快速求解RWA中非完全多项式-完全问题（NP-C: Nondeterministic Polynomial-Complet）包括网络阻塞率的快速计算、快速低阻塞率的波长分配以及波长转换器的优化放置策略等；并针对遗传算法的收敛性进行了研究，得到了一种快速遗传算法。研究如何实现快速低阻塞率的路由查找。 对于信令过程，研究了基于资源预留协议的快速信令以及如何实现具有服务等级（QoS: Quality of Service）的光链路建立。设计了一种快速信息传输帧结构，可以提高波长路由器对于控制和网管信息的处理速度。 其次，在波长路由器的结构上，研究了如何实现低成本、低阻塞率和低串扰的路由器结构设计。 最后，通过实践，设计并实现了一种低成本、低串扰、低延迟和无阻塞的智能全光波长路由器，总交换容量达到960Gb/s，交换端口是24个波长，得到了具有全无阻塞的三种具有QoS的光链路建立，最快的链路建立时间可以达到22毫秒。 本论文取得的主要研究成果包括： (1) 分析了由N′N阵列波导光栅器件（AWG: Array Waveguide Grating）组成光开关矩阵（OSM: OpticalSwitch Matrix）的性能，分析了AWG型器件在生产过程中不可避免地会导入随机相位误差而产生非相邻信道的串扰，提出了两个计算串扰的公式。 (2) 创新地设计了一种利用小端口数量的光开关矩阵代替大容量交换矩阵的新颖波长路由节点结构，可以降低成本30％，有效地减少信号在波长路由器件中进行交换时的串扰和延迟。 (3) 分析并得出了WRON中三种波长转换器配置条件下的链路建立阻塞率的计算公式，并把它作为遗传算法的适应度函数，用于网络设计的优化目标。 (4) 创新地设计并实现了一种变速变异交叉遗传算法（VMCR-GA:Varible Mutuation Cross Rate-Genetic Algorithm），通过动态调整遗传算法中两个算子——变异和交叉算子的数值，形成搜索过程中正反馈机制，提高了遗传算法的收敛性。并把这种快速的遗传算法应用：波长转换器的优化使用策略、波长的快速分配。得到了一种快速波长分配算法，可以减少网络的阻塞率60％，提高算法的速度数倍以上。 (5) 创新地提出并实现了一种与网络流量负荷关联的动态权值最短路径查找算法，根据路径被选中的次数来动态调整路径的权值，可以减少网络的阻塞率10％~30％。 (6) 在波长分配问题上，基于图着色原理提出了减少网络中波长使用数量的两个新原则，通过减少波长分配关系图生成过程中的孤点数来减少波长使用数量，提高网络的连通率30％。 (7) 提出并实现了两种通过缩短资源在呼叫过程中被节点锁定时间的资源处理策略——提前释放和超时释放机制，提高了网络资源的利用率，减少网络的阻塞率10％~15％。 (8) 提出了一种简化的具有QoS 的光链路建立方法，通过设置资源被锁定的类型和时间门限来实现三种光链路的建立。 (9) 提出了一种简化的一体化网管控制信息传送数据帧结构。