Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор методов оптимального построения маршрутов в оптической сети со статической маршрутизацией длин волн 13
1.1 Оптимизация маршрутов в оптической сети с волновым уплотнением 13
1.1.1 Проблемы оптимального построения маршрутов 15
1.1.2 Методы и техника, используемые для решения проблем оптимизации маршрутов при конструировании оптической сети со статической маршрутизацией 22
1.2 Искажение сигнала в оптической сети с маршрутизацией длин волн .29
1.3 Выводы по главе, цели и задачи исследования 30
2 Анализ оптического отношения сигнал/шум транспортной сети с маршрутизацией длин волн при реальных параметрах передачи 34
2.1 Введение 34
2.2 Анализ OSNR для линии передачи без промежуточных узлов 35
2.3 Анализ переходных помех в кросс-коммутаторах 42
2.3.1 Оптические переходные помехи в сетях с WDM и их классификация 42
2.3.2 Гетеродинные и гомодинные переходные помехи 45
2.3.3 Когерентные и некогерентные переходные помехи 47
2.3.4 Штраф мощности, вызванный переходными помехами в полностью оптических ОХС 48
2.3.5 Статистическое воздействие когерентных и некогерентных переходных помех 59
2.3.6 Штраф мощности, вызванный переходными помехами, после прохождения нескольких ОХС 62
2.4 Анализ OSNR для светового пути с каскадным соединением оптических усилителей и кросс-коммутаторов 68
2.5 Выводы по главе 76
3 Оптимизация маршрутизации полностью оптической сети с WDM. Моделирование реальной сети 78
3.1 Описание применяемых алгоритмов 78
3.2 Оптимизация маршрутизации на реальной сети 83
3.3 Определение характеристик маршрутизации 87
3.4 Определение параметров передаваемого сигнала 94
3.5 Выводы по главе 110
4 Методика исследовательского моделирования 116
4.1 Функциональное назначение программы 116
4.2 Алгоритмы моделирования 118
Заключение 139
Литература
- Методы и техника, используемые для решения проблем оптимизации маршрутов при конструировании оптической сети со статической маршрутизацией
- Выводы по главе, цели и задачи исследования
- Оптические переходные помехи в сетях с WDM и их классификация
- Определение характеристик маршрутизации
Введение к работе
Актуальность темы. Транспортные сети следующего поколения будут широко использовать архитектуру оптической сети с маршрутизацией длин волн [30, 31, 50, 56, 57, 60]. Это объясняется тем, что они предлагают несколько привлекательных особенностей.
Первое — это масштабируемость, то есть способность быстро поддержать увеличение нагрузки. Высокоплотное мультиплексирование с разделением длин волн (Dense wavelength division multiplexing - DWDM) [27, 32, 44, 55] дает возможность увеличения трафика за счет одновременного использования нескольких длин волн в том же самом волокне.
Второе — это пространственное многократное использование длин волн.
Третье — это прозрачность услуг (служб). Сетевое оборудование не анализирует содержание клиентского сигнала, что приводит к более низкой стоимости организации сети. Весь трафик передается посредством оптических сетевых элементов (транспондеров, перестраиваемых оптических мультиплексоров ввода-вывода, кросс-коммутаторов), а процесс ввода/вывода трафика осуществляется только в маршрутизаторах IP/ATM/Ethernet/T-MPLS [31].
Четвертое - это будущая безопасная и надежная инфраструктура. В таком случае сеть не зависит от формата сигнала, скорости, размера пакета, и т.д., следовательно, может формироваться (логически) в любой конфигурации и может поддерживать любой протокол.
Пятое — это живучесть сети. Защита длины волны улучшает надежность сети.
Реализация оптической транспортной сети в действительности является очень сложной задачей. Здесь требуется поддержка расширяющееся разнообразия клиентских сигналов с одновременно изменяющимися требованиями, такими как гарантируемое качество обслуживания (Quality Of Service - QoS), гибкость, мас-
штабируемость и живучесть, связанную со скоростью передачи данных и независимостью протокола.
Чтобы экономически выгодно создать новую оптическую сеть или увеличить существующую пропускную способность действующей сети с учетом высокой производительности, решающими факторами в выборе архитектуры сети и оптимизации маршрутизации являются ограничения параметров основных физических уровней. Доступные методы оптимизации маршрутизации опубликованы в [5, 6, 11, 12, 17, 21, 24, 33, 39-41, 47, 58, 59, 64, 75-84], и с их помощью создаются другие методы, обеспечивающие оптимизацию стоимости сети с точки зрения различных критериев. Решением проблем по оптимизации маршрутов занимались многие специалисты и ученые, такие как R. Ramaswami, К. Sivarajan, Y. Hamazumi, N. Nagatsu, S. Baroni, P. Bayvel. Однако все известные публикации не содержат решения задачи оптимизации маршрутов оптических каналов по критерию минимизации стоимости сети с заданной вероятностью ошибки.
Поэтому при проектировании оптической сети с маршрутизацией длин волн наилучшим и эффективным способом необходимо учесть технологию сети и влияния физических параметров сетевых элементов. Требуются не только сведения для оптимального конструирования маршрута, а также данные об ограничениях по маршрутам, которым будет придаваться особое значение. Это делает проект более перспективным.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов и методов для оптимального конструирования маршрутов при статическом варианте трафика в полностью оптической транспортной сети, учитывающих влияние физического уровня сети. Для достижения этой цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследование существующих методов и критериев оптимизации оптической сети с волновым уплотнением.
Исследование влияния физического уровня оптической сети посредством анализа оптического отношения сигнал/шум в каналах сети с маршрутизацией длин волн при реальных параметрах передачи.
Разработка алгоритмов для оптимизации маршрутизации полностью оптической сети с мультиплексированием длин волн по критерию минимизации искажения сигнала в сетевых элементах.
Разработка алгоритмов и программы для решения автоматизированным способом задач поиска маршрутов и назначения длин волн, а также расчета основных параметров маршрутов и характеристик сигнала.
Моделирование разработанных алгоритмов для участка оптической сети с реальными параметрами.
Методы исследования. Для достижения поставленных задач использовались методы теории графов, целочисленного линейного программирования и комбинаторики. При создании программы использовалось объектно-ориентированное программирование.
Научная новизна работы.
Получена аналитическая модель оптического отношения сигнал/шум, позволяющая учитывать помимо шумов оптических усилителей еще помехи в оптических кросс-коммутаторах.
Предложены новые алгоритмы маршрутизации пути в оптической сети, позволяющие учитывать искажения сигнала в элементах сети. При решении задачи маршрутизации и назначения длин волн методом целочисленного линейного программирования эти алгоритмы значительно упрощают ее путем сокращения количества подходящих путей, а, следовательно, уменьшается время выполнения алгоритма.
Предложен способ решения задачи поиска маршрутов и назначения длин волн методом целочисленного линейного программирования с применением разработанных алгоритмов поиска маршрутов, назначения длин волн и использованием различных вариантов поиска и правил выбора волновых путей.
Получено решение задачи поиска маршрутов и назначения длин волн при проектировании участка оптической сети с волновым уплотнением с использованием реальных параметров и применением разработанных алгоритмов.
Практическая значимость работы
Разработаны методы и алгоритмы поиска пути, позволяющие решить задачу маршрутизации с учетом особенностей прохождения сигнала на физическом уровне оптической сети.
Разработана программа для оптимизации маршрутизации оптической сети с мультиплексированием длин волн (Свидетельство об отраслевой регистрации разработки в "Отраслевом фонде алгоритмов и программ" №11681, Извещение о государственной регистрации разработки в "Национальном информационном фонде неопубликованных документов" № 50200802174).
Эта программа позволит облегчить проектирование оптических сетей автоматизированным способом. Помимо расчета минимального количества волновых каналов положительными эффектами данной программы являются:
осуществляется наглядное отображение маршрутов на участках сети;
сохранение в файл / чтение из файла топологии сети и результатов;
расчет некоторых параметров сигнала и характеристик маршрутизации.
3. Разработана последовательность действий, осуществляющая решение за
дачи поиска маршрутов и назначения длин волн с использованием пред-
ложенных алгоритмов, которую можно реализовать на любом языке программирования. 4. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ) на кафедре «Многоканальной электросвязи и оптических систем», Межрегиональном учебном центре переподготовки специалистов при ГОУ ВПО «СибГУТИ», а разработанные алгоритмы и программа внедрены в работу предприятий ОАО «Гипросвязь-4», Сибирский филиал ОАО «Ростелеком», МП г. Новосибирска «Городская электросвязь» и подтверждены актами внедрения. Основные результаты и положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты:
Результаты исследования существующих методов оптимального построения маршрутов в оптической сети со статической маршрутизацией длин волн.
Аналитическое выражение оптического отношения сигнал/шум (OSNR) светового пути, содержащего оптические усилители и оптические кросс-коммутаторы.
Разработанные алгоритмы поиска маршрутов.
Результаты моделирования оптимизации маршрутов на реальной сети.
Разработанная методика для программирования при решении задачи поиска маршрутов и назначения длин волн.
Достоверность результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные данные согласуются с результатами, полученными другими исследователями.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, среди них:
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.
Международная научно-техническая конференция «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Новосибирск, 2005 г.
Публикации:-Результаты диссертации, отражены в 15 публикациях, в том числе три публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения; списка используемых источников и приложений. Работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 10 таблиц, 55 рисунков, список литературы включает 97 источников, из них 65 иностранных. Приложения представлены на 92 страницах.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель и методы исследования, научная новизна, обоснована практическая ценность полученных результатов, представлены сведения об апробации и публикации основных положений диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту, дается краткое содержание диссертационной работы.
В первой главе диссертации проводится литературный обзор оптимизации маршрутизации оптической сети со статической маршрутизацией длин волн. Рассматриваются различные методы оптимизации маршрутизации, выделяются основные целевые функции при поиске решения. Далее рассматриваются основные методы, используемые для решения задачи оптимизации маршрутов по различным критериям. На основании приведенного обзора сделаны выводы и сформулированы основные задачи для исследования.
Во второй главе диссертации осуществляется анализ отношения сигнал/шум (OSNR) для оптической сети с маршрутизацией длин волн при каскадном включении оптических усилителей и оптических кросс-коммутаторов, установленных между узлами источника и пункта назначения. Для этого, сначала OSNR анализируется для линии передачи, содержащей оптические усилители. Затем моделируются переходные помехи в оптических кросс-коммутаторах, в результате влияния которых появляется дополнительный штраф мощности. Результатом этой главы является аналитическое выражение для определения OSNR для реальной оптической сети с учетом вычисленных влияний в сетевых элементах. Также приводятся результаты, полученные путем компьютерного моделирования параметров этого выражения.
В третьей главе осуществляется моделирование оптимальной маршрутизации полностью оптической сети с WDM. Для этого используется сеть с реальными характеристиками. При моделировании задача поиска маршрутов и назначения длин волн разделяется на отдельные подзадачи. Для решения задачи маршрутизации предлагаются новые алгоритмы, учитывающие искажения сигнала в сетевых элементах. Для сравнительного анализа используются еще два ранее известных алгоритма поиска маршрутов. По итогам моделирования помимо основной цели -минимизации количества необходимых волновых каналов, рассчитываются параметры маршрутизации и характеристики сигнала, и осуществляется анализ полученных результатов. В результате моделировании показано превосходство одного из предложенных новых алгоритмов.
В четвертой главе приведена методика исследовательского моделирования. Она включает в себя функциональное описание возможностей программы, написанной специально для диссертационного исследования, и приводятся алгоритмы моделирования.
В заключении приведены основные результаты работы.
Методы и техника, используемые для решения проблем оптимизации маршрутов при конструировании оптической сети со статической маршрутизацией
Авторы Darren L. Deeter и Alice Е. Smith предлагают эвристический генетический алгоритм (GA) в [47] для проектирования надежных сетей с минимальной стоимостью, если задается множество узлов и их топология, а также дается множество возможных двунаправленных линий связи, соединяющих эти узлы. Следующие предположения были сделаны в [47]: каждое волокно имеет ограничение пропускной способности; узлы надежны и не выходят из строя; линии связи выходят из строя независимо.
Экономика практического построения сети рассматривается в [47], поэтому допускается проектирование сети с различной стоимостью единицы линии связи и различной ее надежностью. Несмотря на то, что в [47] рассматриваются некоторые экономические факторы и практические вопросы, отказ и стоимость сетевого оборудования, как например усилителей и регенераторов, не были рассмотрены.
Подводя итог рассмотрения методов оптимизации маршрутов в оптической сети можно сделать вывод о том, что в предыдущих работах каждая оптимизация маршрутизации сосредоточена на уменьшении одного элемента стоимости, игнорируя другие элементы стоимости согласно определенным предположениям. Однако в действительности, предыдущие подходы оптимизации маршрутизации не могут привести к рентабельному решению. В действительности, отказавшись от нереалистичных предположений, оптимизация только одного критического элемента стоимости могла бы привести к недопустимому (неприемлемому) решению.
Для решения проблем оптимизации маршрутов обычно используются два подхода: первый - применение целочисленного линейного программирования, который дает точное оптимальное решение, но требующий вычислений, особенно при оптимизации маршрутов большой оптической сети; другой является эвристическим, который находит хорошее решение при умеренной стоимости вычисления без гарантии оптимальности. В этом разделе сначала рассматривается метод целочисленного линейного программирования, примененный в предыдущих работах, а затем анализируются эвристические алгоритмы, также примененные в предыдущих работах. Для каждого из рассмотренных методов указываются их достоинства и недостатки.
Формулировка целочисленного линейного программирования
Точное оптимальное решение для данной проблемы маршрутизации и назначения длины волны (RWA) может быть получено при решении соответствующих комбинаторных задач RWA в терминах целочисленного линейного программирования. Однако эти формулировки, если они применяются при решении больших задач, становятся дорогостоящими в вычислительном отношении, несмотря на использование современных методов, как например, методов ветвей и границ. Время вычисления линейной программы может быть показательной функцией числа пар г- t{N {N-l))/2 источник - пункт назначения, где область поиска — это к. для полносвя занной сети с N узлами и к возможными дугами. Далее представлен один простой пример, чтобы показать сложность вычисления комбинированной задачи RWA: Обозначим: ііл]- исходящий и входящий узлы, соответственно, в световом пути; svi.d — узел источник и узел назначения; Xsd - трафик (в терминах светового пути) из любого узла источника s к любому узлу назначения d. Рассматривается не менее чем один световой путь от любого узла источника к любому узлу назначения. Следовательно, Xsd = 1, если существует световой путь от s до d, иначе Xsd = 0; FijSd - трафик (в терминах количества световых путей), который передается от узла источника 5 к узлу назначения d по линии связи ij (по участку ij).
Формулировка линейной программы записывается следующим образом [6,42]. Цель: минимизировать количество световых путей, проходящих по отдельной линии связи
Число уравнений и число переменных в формулировке быстро растет с размером сети. Например, если предположить, что есть 10 узлов, 30 линий связи (у-пар). В самой простой и самой общей формулировке, количество переменных Xsd получается 10 х 9 = 90, то есть 90 sd-nap. Количество переменных F,/d будет 90 sd-пар х 30 у-пар = 2700. В целом, существуют одно выражение (1.1), 30 выражений (1.2), 90 х 10 = 900 выражений (1.3), 90 выражений (1.4), и 2700 выражений (1.5). Таким образом, количество уравнений будет 3 721. Это приводит к чрезвычайно большому количеству переменных, проблема является NP-полной и трудно решаемой для больших сетей.
Когда численно требуется решить совместную задачу маршрутизации и назначения длины волны, используются формулировки целочисленного линейного программирования. Затем эта формулировка упрощается, уменьшая целочисленные ограничения при получении линейной программы для достижения верхнего предела решения [81, 84].
В [39] логическая проблема разделяется на множество меньших подпроблем, позволяющих каждую решать независимо и эффективно. Определены три под-проблемы, и результаты одной подпроблемы передаются к следующей. Первая, размер линейной программы значительно сокращается как в количестве переменных, так и уравнений. Техника сокращения основана на прослеживании только ограниченного числа альтернативных путей при поиске в ширину. (Как правило, алгоритм поиска в ширину (breadth-first search - BFS) заканчивается после обнаружения пути с наименьшим числом скачков между двумя узлами. Расширенный BFS заканчивается только после того, как найдено требуемое (определенное) число альтернативных путей.)
Выводы по главе, цели и задачи исследования
В общем, из описания и анализа предыдущих работ, проделанного выше, можно прийти к следующим заключениям:
1. Из предположений, сделанных в оптимизации маршрутизации: Во многих вариантах оптимизация маршрутов выполнялась в идеаль ных условиях без учета ряда алгоритмических и физических ограниче ний в оптических каналах.
2. Из формулировки проблемы оптимизации маршрутизации: раньше вся оптимизация маршрутизации всеобъемлюще не включала ограничения от физического уровня в проблему оптимизации маршру тизации; предыдущие методы оптимизации маршрутизации всеобъемлюще не объединяли все элементы стоимости сети в функцию стоимости опти мизации маршрутизации.
3. Из методов решения проблем оптимизации маршрутизации: хотя целочисленное линейное программирование [22, 35] может выдать точные результаты задачи оптимизации маршрутизации, оно затратное в вычислительном отношении при дизайне большой оптической сети, а также получается смешанное и сложное решение нелинейной задачи оптимизации; хотя эвристические алгоритмы маршрутизации эффективно вычисляют и им не трудно решить нелинейную задачу оптимизации, легко попасться в ловушку с решением в «локальном минимуме», при определенном фиксированном наборе правил в алгоритмах. Эвристические алгоритмы маршрутизации, описанные в этой главе, не содержат метод, который может помочь избежать «местного минимума».
4. Из анализа искажения сигнала: хотя анализ искажения сигнала был впервые выдвинут на первый план в [63, 86], качество передаваемого сигнала зависело только от конвертера длины волны и уровня неравномерности канала, и не зависело от того, как световые пути маршрутизируются на физическом уровне.
А также можно добавить еще несколько проблем, которые все еще остаются нерешенными особенно в контексте рентабельного дизайна оптических сетей совместно с физическими уровнями. Дополнительные усилия в этой области все еще необходимы для характеристики оптической сети с маршрутизацией длин волн, используя интеллектуальный дизайн и методы оптимизации маршрутизации. В частности ниже можно выделить некоторые области будущего потенциального исследования.
1. Рентабельность проектирования оптической сети, связанную с различным требованием качества обслуживания (Quality Of Service - QoS). Этот способ позволит избежать дорогого решения при конструировании оптической сети с требования низкого качества обслуживания и представит неоднородные подходы дизайна сети в той же самой сети, чтобы приспособить различные требования качества обслуживания.
2. Рентабельность проектирования оптической сети, связанную с технологиями оптической передачи, которая определяется различными физическими устройствами на участках и в узлах. Этот способ позволит разместить соответствующие действующие физические устройства на различных участках сети. Например, разместить соответствующие ОХС в различных узлах, в зависимости от некоторых критериев (дистанции линии связи, нагрузки участка сети, сквозного трафика ОХС, полного трафика ОХС и так далее).
3. Рентабельность проектирования оптической сети, использующую различные волокна, различные физические устройства, чтобы обеспечивать экономическое решение для сети с неоднородными элементами сети.
4. Рентабельный проект широкополосной оптической сети посредством применения решения оптических подсетей. Каждая оптическая подсеть прозрачна без перехода О-Е-О, но соединение различных оптических подсетей имеет переход О-Е-О, чтобы восстановить искаженные оптические сигналы. Этот путь уменьшит стоимость перехода от О-Е-О, и в то же самое время это будет держать преимущество прозрачности в оптических подсетях.
Задачи исследования В диссертационной работе исследуются: помехи, возникающие в сетевых элементах, и их влияние на качество сигнала; оптимизация маршрутизации с учетом влияния физического уровня оптической сети. В частности при поиске маршрута между заданными пунктами учитывается качество сигнала, основным параметром которого является оптическое отношение сигнал / шум (Optical Signalo-Noise Ratio - OSNR);
оптимизация способа решения задачи поиска маршрутов и назначения длин волн. Хотя в исследовании предполагается использовать метод полного перебора «подходящих» маршрутов, область выбора сокращается за счет наложения дополнительных условий (выбираются только те маршруты, определенные между заданными пунктами, которые будут содержать на своем пути одинаковое количество сетевых элементов и будут иметь одинаковую величину OSNR в канале).
Еще одно направление диссертационного исследования — это создание алгоритмов и программы для решения автоматизированным способом задач оптимизации маршрутизации со статическим трафиком, которые позволят находить оптимальное решение без больших вычислительных затрат.
Оптические переходные помехи в сетях с WDM и их классификация
Переходные помехи - это эффект интерференции других сигналов с полезным сигналом [83], и они долго признавались как проблема в системах с WDM [34]. Есть два типа переходных помех, которые возникают в указанных сетях; в этом исследовании они упоминаются как гетеродинные переходные помехи и го-модинные переходные помехи [51, 70]. Гетеродинные переходные помехи имеют место, если сигнал переходной помехи и полезный сигнал имеют различные длины волн. Это также обычно упоминается как линейные переходные помехи или межканальные переходные помехи. Гомодинные переходные помехи имеют место, если переходные помехи и полезные сигналы имеют ту же самую номинальную длину волны. Эта форма переходных помех также обычно упоминается как внутриканальные переходные помехи [51, 70, 83, 92]. Из двух типов переходных помех, гомодинные переходные помехи вообще имеют намного больше последствий. Гетеродинные переходные помехи могут быть уменьшены, применяя оптические фильтры в точке приема сигнала. Гомодинные переходные помехи, с другой стороны, на той же самой длине волны, что и полезный сигнал, в настоящее время пока не могут быть отфильтрованы. Влияние гомодинных переходных помех на вероятность ошибок по битам (BER) более неблагоприятно, чем для гетеродинных переходных помех [53, 83].
Гомодинные переходные помехи могут быть далее классифицированы как некогерентные переходные помехи и когерентные переходные помехи, в зависимости от изменений во времени фазовых соотношений между полезным сигналом и переходной помехой [51, 70]. Некогерентные переходные помехи возникают, если относительные оптические фазы полезного сигнала и переходных помех изменяются в пределах [0,2л] беспорядочно во времени, которое является сопостави мым со временем когерентности оптического генератора полезного сигнала. С другой стороны, когерентные переходные помехи образуются, если относительные оптические фазы полезного сигнала и переходных помех фиксированы, или изменяются во времени намного медленнее, чем время когерентности оптического генератора. Некогерентные переходные помехи были рассмотрены в литературе [37, 38, 46, 52, 70, 92, 93]. Однако когерентные переходные помехи были только недавно признаны как потенциальная проблема [48, 49, 70, 88, 95].
Характер некогерентных и когерентных гомодинных переходных помех очень похож. Оба типа переходных помех происходят из-за интерференции между со-поляризованными (поляризованными в одной плоскости) компонентами двух или более оптических полей на той же самой номинальной длине волны, с некоторой разностью фаз между ними [54, 70]. Особенность, которая отличает их друг от друга - это скорость, с которой изменяется оптическая разность фаз, приводя к различным последствиям при детектировании полей.
Понятные определения некогерентных и когерентных переходных помех даются авторами в [70] и [51]. Когерентные переходные помехи имеют место, если разность фаз между со-поляризованными компонентами двух интерферирующих полей постоянна или изменяется на более длительном интервале времени, по сравнению со временем когерентности оптического генератора(ов), то есть сигналы являются фазо-коррелироваными. Это обычно проявляется при участии одного оптического сигнала, интерферирующего с задержанной, уменьшенной версией самого себя, если величина задержки находится в пределах времени когерентности оптического генератора. Некогерентные переходные помехи возникают, если разность фаз изменяется беспорядочно на интервале времени, который меньше, чем время когерентности оптического генератора(ов) [37]. Другими словами, оптические фазы интерферирующих сигналов независимы. Это также может быть вызвано одним оптическим сигналом, который интерферирует с ослабленной копией самого себя, но величина задержки между ними намного больше, чем время когерентности лазера. Более общий случай — это интерференция между оптическими сигналами, которые были сгенерированы различными источниками. Также существуют частично-когерентные переходные помехи, но не обсуждаются в пределах этого исследования. Это соответствует промежуточному случаю оптического сигнала, интерферирующего с задержанной, уменьшенной версией самого себя, если задержка схожа со времени когерентности оптического генератора.
И когерентные, и некогерентные переходные помехи имеют максимальный эффект, когда два интерферирующих поля полностью со-поляризованы. Наоборот, если направления поляризации этих двух полей ортогональны, тогда не получатся эффекты некогерентных или когерентных переходных помех, и взаимодействие между полями возвращается к гетеродинному случаю [54]. В действительности, часто направления поляризации случайные и изменяются во времени. Однако в [54] показано, что беспорядочно поляризованные области имеют статистическую тенденцию к выравниванию (или ориентации), так что, предположив худший случай поляризации, можно оценить характеристики системы в целом [54]. Если интерферирующие поля, как всегда предполагают, со-поляризованы, то эффекты го-модинных переходных помех оценены слишком завышено. Однако в [54] показано, что степень переоценки является маленькой (в пределах нескольких дБ для произвольно поляризованной волны). Направления поляризации изменяются сравнительно медленно, так что, однажды выровняв поляризацию волн, они останутся так некоторое время, в течение которого система должна все еще иметь приемлемую вероятность ошибок по битам.
Определение характеристик маршрутизации
Программа для моделирования оптической сети с маршрутизацией длин волн написана на языке Delphi [2-4, 8,18, 20, 23, 26, 28, 29]. Она позволяет определить: минимальное количество длин волн (волновых каналов), необходимых для осуществления связи между заранее определенными пунктами; маршрут следования каждого пути (через какие участки и узлы проходит маршрут); номер задействованной длины волны (волнового канала) каждого пути; число и номера транзитных ОХС, которые содержит каждый путь; длину пути в км, вычисляемую для каждого пути; число волновых путей на каждом участке сети.
Помимо основных возможностей программа также осуществляет расчет параметров маршрутизации и характеристики сигнала. В качестве параметров маршрутизации выбраны: - требуемое количество длин волн; - максимальное число скачков; - среднее число скачков; - максимальное число путей на участке; - среднее число путей на участке; - минимальное число путей на участке; - суммарный трафик на всех участках. А в качестве характеристик сигнала используются: - максимальная длина пути; - средняя длина пути; - суммарная длина всех путей; - максимальный OSNR; - минимальный OSNR; - число путей с OSNR меньше требуемого; - процент путей с OSNR меньше требуемого.
Методика для определения указанных характеристик приведена в предыдущей главе.
Дополнительной возможностью является отображение маршрутов после оптимизации маршрутизации на физической топологии сети, а также сохранение в файл и чтение из него как созданной топологии, так и самих результатов вычислений (найденные маршруты, число необходимых волновых каналов, присвоенный номер волнового канала для каждого пути). В качестве входных данных используется физическая топология (число пунктов, физические соединения между ними, расстояния) и логическая топология (логические соединения между пунктами). Очень часто при конструировании сети на логической топологии используется связь «каждый с каждым». В данном диссертационном исследовании применяется как раз этот вариант. Для облегчения создания полностью связанной сети на логической топологии имеется специальная кнопка. После этого осуществляется выбор алгоритмов маршрутизации и назначения длин волн, а затем запуск оптимизации маршрутов.
Тексты программы приведены в приложении.
При написании программы большая часть алгоритмов является новыми, разработанными специально для данного диссертационного исследования. Поэтому далее приводятся новые алгоритмы, описывающие оптимизацию маршрутизации (алгоритмы, относящиеся к отображению путей, рисованию топологий сети, сохранения в файл, чтения из файла не приводятся, так как не являются непосредственной целью исследования).
При разработке алгоритмов использовалась теория графов и анализ, проведенный в предыдущих главах. Все описания алгоритмов и используемых переменных приводятся в тексте программы в виде комментариев. В алгоритмах поиска пути использован алгоритм Дейкстры, [10, 15, 16, 19, 25]. На следующих рисунках приводятся алгоритмы, описывающие следующие виды подпрограмм, приведенных на рисунке 4.2: - запуск оптимизации; - расчет параметров маршрутизации; - расчет OSNR.
В диссертационном исследовании проведено изучение проблем, связанных с оптимальным проектированием полностью оптических сетей с маршрутизацией длин волн при статическом трафике. Проведенные исследования показывают недостаточное освещение данного вопроса в отечественной литературе, а также недостаточного пояснения в зарубежной литературе. При этом в данной работе поставлена и решена задача разработки нового метода оптимального конструирования маршрутов в сетях с WDM, учитывающего влияние физического уровня сети. Это подтверждается результатами исследования и успешной апробацией на модели реальной сети в специально разработанной программе.
В ходе исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, получены следующие основные результаты:
1. Проведен анализ оптического отношения сигнал / шум транспортной сети с маршрутизацией длин волн при реальных параметрах передачи, в результате которого установлено, что наибольшее влияние на величину OSNR оказывают оптические усилители. Показано, что при определенной скорости передачи в канале, чтобы значение OSNR находилось в пределах нормы, тракт должен содержать определенное количество оптических усилителей и оптических кросс коммутаторов.
2. В ходе анализа переходных помех в оптических кросс-коммутаторах установлено, что ОХС, изготовленный в интегральном исполнении, меньше влияет на полезный сигнал, чем выполненный из отдельных компонентов. Также показано, что для достижения штрафа по мощности за счет переходных помех в ОХС в 1 дБ технические требования с точки зрения величины переходных помех (є) для интегрированных ОХС менее жесткие ( = -44 дБ) по сравнению с неинтегрированными (є = -55 дБ).
3. Предложены новые алгоритмы для поиска маршрутов, позволяющие минимизировать искажения, возникающие в сетевых элементах. Достоинством этих алгоритмов является значительное сокращение пространства поиска при решении задачи методом целочисленного линейного программирования за счет сокращения количества подходящих путей.
4. Осуществлено модельное проектирование полностью оптической сети с реальными параметрами, применяя разработанные алгоритмы. Произведено сравнение результатов маршрутизации и характеристик сигнала, полученных с применением разработанных алгоритмов с результатами, полученными с применением двух ранее известных алгоритмов. По итогам сравнения установлено, что разработанные алгоритмы приводят к лучшим характеристикам как с точки зрения параметров маршрутизации, так и характеристик сигнала. Первое позволяет сократить расходы на оборудование (потребуется меньшее количество транспондеров, уменьшится емкость кросс-коммутаторов, сократится потребляемая мощность оборудования), второе позволяет принимать сигнал с наименьшей вероятностью ошибок по битам. Используя для реализации данной сети оборудование фирмы Cisco ONS 15454 и применяя разработанные алгоритмы поиска маршрутов получено сокращение затрат на оборудование на 4.24% по сравнению с применением алгоритма с минимизацией числа скачков и на 1.44% -для алгоритма с минимизацией расстояния.
5. Разработана методика для программирования, позволяющая перевести созданные алгоритмы в машинный код.
