RWA算法的研究

RWA算法的研究摘要：本文研究了WDM网中的选路与波长分配（RWA）问题。

主要针对的是有波长一致性限制的网络。

首先简单介绍了WDM光传送网的一些基本概念。

然后对WDM传送网的选路与波长分配(RWA)问题进行了分类，并综述了各种条件下的RWA算法，对其进行了分类、比较。

最后在对以往算法分析和比较的基础上，提出了一个新的RWA算法。

新算法中考虑了多个网络设计优化目标，对网络运营商有一定的参考价值。

关键词：WDM；选路与波长分配；优化算法；启发式算法AbstractThis study focuses on the routing and wavelength assignment (RWA) problem in WDM networks. Most of the attention is devoted to such networks operating under the wavelength-continuity constraint. Some concepts on WDM optical networking are studied first. Then we studied the associated research problems and challenges. Various RWA approaches are examined and compared. Finally, we proposed a new RWA algorithm, which include many factors of the WDM network and may be useful to a network maker.Keyword：WDM ；RWA；optimal algorithm；heuristic algorithm第一章引言波分复用（Wavelength Division Multiplexing—WDM）网络利用了光纤传输链路的巨大带宽，随着WDM技术日趋成熟，WDM传输技术已经进入实用化和商用化阶段。

WDM全光通信网是光纤通信未来发展的主要方向之一。

由于光网络对传输信号的速率和格式透明，具有灵活的波长选路和动态资源配置能力，可以实现网络的动态重构，被认为是通信网络升级的首选方案。

如何利用现有的和即将敷设的光纤连网，构成未来高速、大容量、多业务的WDM网络已经成为光通信领域中的一个重大问题。

WDM网络节点处采用光分插复用器（OADM）或光交叉连接设备（OXC）在光层建立光连接，即光通道（optical path），为高层的多个逻辑电网络提供了高速、大容量的信息传送平台。

光通道的建立，要求在传送网的物理结构中选择一条由业务源点到宿点的路由，并为其分配一定的波长信道（参见图1.1）。

考虑到波长资源的重利用以及提高网络的阻塞性能，优化光通道的选路和波长分配（Routing and Wavelength Assignment —RWA）方案成为光通道层设计的核心问题。

RWA解决如何寻找一条合适的光通道并合理地分配通道所使用的波长，使有限的资源充分发挥作用，以提供尽可能大的通信容量。

图1.1 WDM网建立的光通道在以下的文章中，首先介绍了WDM网络中与RWA问题有关的一些基本概念。

然后对RWA问题进行了分类讨论，并对已提出的RWA算法进行了研究、总结。

在文章最后针对网状网提出了一种新的RWA算法、详细描述了该算法，并把它和其它算法进行了比较。

第二章WDM传送网的一些基本概念2.1 WDM的定义光波分复用（WDM：Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。

其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

WDM 技术相当于在同一根光纤上创造了许多虚拟光纤，从而数倍乃至数十倍的提高了传输容量。

2.2 WDM光传送网的分层结构分层结构是定义和研究光传送网的基础。

已发布的G.872建议（草案），以明确在光传送网络加入光层，按建议，光层由光信道层，光复用段层和光传输层组成，如图2.2.1。

光传送网络图2.2.1光通信网的分层结构2.2.1光信道层光信道层(optical channel layer)负责为来自电复用段层的客户信息选择路由和分配波长，为灵活的网络选路安排光信道连接，处理光信道开销，提供光信道层的检测，管理功能。

并在故障发生时，通过重新选路或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护倒换和网络恢复。

2.2.2光复用段层光复用段层(optical multiplexing section layer)保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输，为多波长信号提供网络功能。

其主要包括：为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段功能；为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销；为网络的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能。

2.2.3光传输段层光传输段层(optical transmission section layer)为光信号在不同类型的光传输媒质（如G.652,G.653,G.655光纤等）上提供传输能力，同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等。

通常会涉及以下问题：功率均衡问题、EDFA增益控制问题和色散的积累和补偿问题。

2.3 WDM光传送网的拓扑结构任何通信网络都存在两种拓扑结构，即物理拓扑和逻辑拓扑（也称为虚拓扑）。

其中物理拓扑表征网络节点的物理结构；逻辑拓扑表征网络节点间业务分布情况。

图2.3.1中网络物理结构的一个例子。

l1—l6为物理链路，每根光纤上可采用多个波长。

图2.3.1网路的物理拓扑图 2.3.2(a)为上图建立光路的例子。

在一根光纤上不能为不同光路分配相同波长。

图2.3.2(a)的光路连接用图2.3.2(b)表示即为逻辑拓扑。

例如图2.3.2(a)中，节点B与节点E间的光路是经过节点A中的OXC转接的，在图2.3.2(b)中用O4表示。

图2.3.2(b)中，O4,O1是中间有OXC转接的；O2,O3,O5是直接光路。

(a)路由和波长分配(b)逻辑结构图2.3.2 光路举例实际设计中，一种RWA情况是：提出所需建立的光路，为这种光路选取物理路由并分配相应的波长。

例如，图2.3.2(b)中提出要建立5条光路，图2.3.2(a)就是一种选路和波长分配方案。

2.4 WDM光传送网拓扑结构的主要议题在研究RWA问题的文献中，通常将网络支持的业务分为两类：1）静态业务：给定一组连接建立请求，需要为这些请求寻找路由并在其路由上分配波长，以使某些性能指标达到最优（如全网吞吐量最大、所需波长数和光纤数最少等等）；2）动态业务：光路请求随机到达和离开网络，相应当性能指标通常是光路的阻塞率。

因此按照所支持的业务类型划分，RWA问题可分为静态RWA问题和动态RWA问题。

在研究WDM全光网的拓扑结构时，有两类相关的主要问题需要解决。

第一类问题称为“网络设计”问题，即通过网络的业务需求分布（可以使业务流分布）和物理拓扑，确定网络的配置，包括光纤对数、节点交叉连接的规模、需要的光放大器以及光载波分插复用器等。

研究该问题可以在静态业务条件下优化波长资源，使网络需要的波长数目最小。

由于在大多数实际场合中每根光纤复用的波长数目是固定的，如果一对光纤（双向传输）不能传输某链路上所有预分配的业务，那么在该线路方向上将需要更多的光纤对，因此问题研究的优化目标转化为最小化光纤数目或交叉连接节点的规模等内容，或者是上述两方面的组合。

最终的优化测度应当是网络的成本相应可以通过每条链路需要的光纤数目以及光纤链路长度等参数来衡量。

如果从光通道层来建立的角度分析，静态业务下的选路和波长分配（RWA）问题相当于这一类“网络设计”问题。

第二类WDM全光网的拓扑结构问题成为“网络运营”问题。

即对给定的网络（已知拓扑和资源），在已知和可以预测业务量的平均分布情况下，假设实际业务需求的变化是随机的，则网络可能存在一定的阻塞率。

反应动态的选路和波长选择算法质量的指标是在给定利用度条件下的阻塞概率。

由于具有波长变换功能的节点可以提高光通道中波长的选择能力，因此在波长资源相同的情况下，VWP网络比WP网络具有更好的性能。

“网络运营”问题可以看作动态业务条件下的RWA问题。

2.5基于光路的RWA与基于运送分组业务的RWAWDM光传送网既可以支持传送电路交换方式的业务，又可以支持传送分组交换方式的业务。

在传送不同类型的业务时，光通道层拓扑结构设计有着不同的特点。

当光传送网用于传送电路交换型业务时，和传统当电话交换网的接续比较类似。

此时，业务需求以单一波长信道的容量为单位，通过路由选择和配置波长建立用于业务传送的端到端光连接。

电路交换型光传送网面向的是连接型业务，而未来的光网络还需要支持支持分组数据（无连接型业务）的传送。

由于两种业务类型有着本质的区别，因此在光层网络的优化目标和优化策略方面存在明显不同。

支持分组交换业务的光传送网，其设计的核心是解决最优化网络虚拓扑的问题。

2.6波长通道网络和虚波长通道网络电复用段一个单位的信息（如SDH信号、PDH信号甚至模拟视频信号）在光网络中传送始，需要为它选一条路由并分配波长(RWA)。

由于一根光纤中能够复用的波长数有限，且任何两路信号在一根光纤中不能使用相同波长，所以波长资源的分配是光层管理的一项重要内容。

根据OXC能否提供波长转换功能，光通道可以分为波长通道(WP: Wavelength Path)和虚波长通道(VWP: Virtual Wavelength Path)。

波长通道是指OXC没有波长转换功能，光通道在不同的波长复用段中必须使用相同波长实现。

为了建立一条波长通道，光通道层必须找到一条链路，在构成这条链路的所有波长复用段中，存在一个共同的空闲波长。

如果找不到这样一条链路，该通道创建请求失败。

虚波长通道是指利用OXC的波长转换功能，使光通道在不同的波长复用段可以占用不同的波长，从而提高了波长的利用率。

建立虚波长通道时，光通道层只需找到一条链路，其中每个波长复用段都有空闲波长即可。

波长通道方式要求光通道层在选路和分配波长时采用集中控制方式，因为只有在掌握了整个网络所有复用段占用情况后，才可能为一个新传送请求选一条合适的路由。

在虚波长通道运作方式下，确定通道的传送链路后，各波长复用段的波长可以逐个分配，因此可以进行分布式控制。

这种方法可以大大降低光通道层选路的复杂性。