基于自适应FEC分配策略的光网络的优化设计和实现网络工程管理专业.docx

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1、目录摘要1Abstract2第一章绪论31. 1研究背景31.2本文研究内容和章节安排4第二章网络模型52. 1弹性光网络52.2光通道路由，调制格式和频谱分配(RMSA)问题52. 3光通道OSNR评估模型7第三章自适应FEC选择策略103. 1基于调制格式不可调的FEC自适应选择策略103. 2基于调制格式可调的FEC自适应选择策略123. 3启发式算法13第四章结果和性能分析16第五章总结与展望19参考文献20致谢错误!未定义书签。摘要前向纠错编码(FEC)技术由于可以用于补偿光信噪比(OSNR)的恶化，被广泛应用于光传输系统。通常，为满足所有光通道需求，网络会选择同一类型性能最高的FE

2、C,这将导致频谱资源的浪费。而且，在弹性光网络中，由于可以灵活的选择调制格式，这种固定的FEC选择策略将更严重的影响网络的频谱使用效率。因此，本文基于调制格式可调的弹性光网络，提出了一种自适应FEC分配策略，并为光通道路由，调制格式选择和频谱分配问题，提出了高效的启发式算法。仿真结果表明，FEC选择策略可以显著提高网络频谱使用效率。关键词:弹性光网络，前向纠错编码，光信噪比AbstractForwarderrorcorrectioncoding(FEC)technologycanbeusedtocompensateforthedeteriorationofopticalsignaltonois

3、eratio(OSNR),whichhasbeenwidelyappliedinthetransmissionsystem.However,tomeettheOSNRrequiredofeachopticalchannel,currentopticaltransmissionsystemsoftenselectthesametypeofFECforalltheopticalchannels,resultinginawasteofspectrumresources.Inaddition,intheelasticopticalnetworks(EONs),themodulationformatsc

4、anbeadaptivelyselectedforeachopticalchannel,whichwillgreatlyincreasetheefficiencyofnetworkspectrumusage.Therefore,fortheelasticopticalnetwork,weproposeanadaptiveFECselectionstrategyandevaluateitsperformancebyanefficientheuristicalgorithm.SimulationresultsshowthattheproposedadaptiveFECselectionstrate

5、gycansignificantlyimprovetheefficiencyofnetworkspectrumusage.Keywords:Elasticopticalnetworks,forwarderrorcorrection(FEC),opticalsignaltonoiseratio(OSNR)第一章绪论1.1 研究背景随着骨干网络流量需求的不断增加，光传输系统正朝着超长距离、超高速率的方向发展。然而，诸如光纤色散，非线性效应，信道噪声和其他因素的物理层损伤将会降低光信号的光信噪比(OSNR),严重限制传输数据速率和距离。前向纠错编码(FEC)技术由于成本低、纠错性能好等优点，被认为是

6、补偿OSNR恶化的有效方法之一，在光纤传输系统中已得到广泛应用。目前，根据净编码增益(NetCodingGain,NCG)的差异，前向纠错编码技术主要可以分为三代川。第一代FEC基于使用分组码的硬判决解码技术，其中典型的例子是具有5.8dB的净编码增益(NCG)(BER=IOT3)的RS(255,239)码。第二代FEC主要集中在级联码上，例如RS(239,223)+RS(255,239)和RS+BCH,NCG(10-13)为7-9dB0而第三代FEC所采用的技术是基于更加强大的软判决码，最典型的例子是低密度奇偶校验码(LDPC)和块TUrbo码，他们的NCG(10-13)都大于10dB。根据

7、冗余位的位置,FEC编码技术也可以分为带内和带外编码的类别。带内编码技术使用帧的开销字节来存储FEC冗余位。SONET/SDH帧就是这种带内编码的典型例子。然而，帧中有限的开销字节(例如，SONET/SDH帧)限制了FEC的最高编码性能。相反，正如ITU-TG.975和G.709所建议的那样，带外编码技术允许我们使用额外的FEC编码开销来增加线路数据速率，因此可以通过增加冗余位的数量来进行FEC编码，使性能优势最大化。在网络中，根据传统的固定FEC分配策略，网络使用相同类型的FEC,通常是由网络中OSNR最差的光通道决定。往往为了满足具有最差OSNR的光通道，选择了性能最高且报头开销(OH)最

8、大的第三代FEC。这种方法对于某些OSNR较高的光通道，不必要地增加其FEC编码开销从而导致了频谱资源的浪费。此外，传统的FEC选择策略往往会使得光通道的成本更为昂贵，从而增加网络硬件成本。止匕外，在弹性光网络中，由于光通道的调制格式可调，我们可以灵活的为每一条光通道选择频谱效率最高的调制格式。因此，基于这种调制格式可调的弹性光网络，本文提出了一种自适应的FEC选择策略。同时，针对路由，调制格式和频谱分配问题(RMSA),提出了启发式算法，以评估该策略的性能。1.2 本文研究内容和章节安排本文主要基于调制格式可调的弹性光网络,提出了一种自适应的FEC选择策略，并针对路由，调制格式和频谱分配问题

9、展开了研究，并提出了相应的启发式算法。本文的其余部分安排如下：第二章：弹性光网络的介绍。介绍弹性光网络的优点及结构，光通道路由，调制格式和频谱分配问题；通过放置掺饵光纤放大器的方法建立模型，评估光通道的光信噪比。第三章：自适应FEC选择策略的介绍。首先提出了自适应FEC选择策略，然后基于调制格式不可调的弹性光网络，介绍了自适应FEC选择策略的应用，基于调制格式可调的弹性光网络，介绍了自适应FEC选择策略的应用。最后在这两种情形下，分别针对RMSA问题，提出了基于频谱窗平面的启发式算法，以评估自适应FEC选择策略的高效性能。第四章：仿真与结果分析。分别针对6节点9链路网络以及24节点43链路进行

10、仿真,仿真结果表明调制格式可调的FEC选择策略可以显著提高网络频谱使用效率。第五章，总结与展望。总结本次毕业设计的主要工作，以及对未来的工作进行的展望。第二章网络模型2.1 弹性光网络弹性光网络由于能够更为灵活的为频谱带宽进行分配，并且具有更高的频谱利用率而成为了下一代光网络的重要选择之一。日本NTT公司的Jinn。等人首次提出了弹性光网络的架构和相关概念网，他们将其命名为SLICE光网络，并在此基础上展开了深入的研究UU”M2,参考文献13详细介绍了SLICE光网络作为一种可扩展的光传输网络架构，可以提供子波长业务信道和超长波业务信道，从而满足动态高效的带宽业务需求。具体而言，弹性光网络在光

11、纤频谱上的频谱分配方式使用了比传统WDM光网络更小的单位，光通道的中心频率不再固定于某个频率，并且根据实际带宽需求为每条光通道分配足够的相邻频隙(FrequencySlot),通过这种方式可以使得光通道带宽的分配更加灵活，频谱利用率更高，更加合理。如图1弹性光网络的结构示意图，为了承载不同的业务，带宽可变的收发机被用于分配足够的频谱资源，从而使得多个光通道组合成了一个超级光通道。宽带可变WXC图1弹性光网络结构示意图2.2 光通道路由，调制格式和频谱分配(RMSA)问题目前，对于弹性光网络提高频谱利用率的问题已有了相当多的研究，其中路由选择问题，调制格式自适应问题，频谱资源分配的问题成为了研窕

12、过程中需要重点解决的方面，这类问题统称为路由，调制和频谱分配(RSMA)问题首先我们需要解决的是路由选择问题，在文献15中，为我们提供了三种路由选择的方式：固定路由的方法，可选固定路由的方法以及自适应路由的方法。本文采用的是固定路由的方法，即利用DijkStra最短路径算法来进行路由选择，确定节点对之间的最短路由。接着我们需要解决的是调制格式自适应的问题，这里我们采用的是根据选择出的最短路由的传输距离来自适应选择调制格式，这样我们就可以最大化的利用频谱资源叫最后我们需要解决的是频谱分配问题，由于弹性光网络缺乏频谱转换能力，因此在频谱分配问题中有三个约束条件：频谱邻接性，频谱连续性，频谱不冲突性

13、。(1)频谱邻接性：为了最小化频谱碎片，必须分配相邻的带宽资源给子载波。(2)频谱连续性：光信号在路由中传输时需要使用相同的一组FS构成的频谱,这就会使得信号在传输过程中强制使用链路的源节点和目的节点之间的频谱资源。(3)频谱不冲突性：不同的请求在其持续时间内，同一链路上不能分配相同的频隙。我们使用图2所示的网络示例来说明这个问题，假设网络中有三种流量需求，分别是A-B,160Gb/s),(A-C,180Gb/s)和(C-D,17OGb/s)。计算出的最短路由分别是A-B,A-C和C-B-D。根据各自的最短路由之间的传输距离为每个通道分配最有效的调制格式并对其进行频谱分配。图2RMSA示意图2

14、.3 光通道OSNR评估模型光信噪比的定义是在有效带宽为Slnm内光信号功率和噪声功率的比值。光信号的功率一般取峰值，而噪声的功率一般取两相临通路的中间点的功率电平。光信噪比是一个十分重要的参数，对估算和测量系统有重大意义。OSNR=Iologa+IOlog詈（1）公式（1）中Pi是第i个通路内的信号功率；斗是参考光带宽，通常取O.lnm；Bm是噪声等效带宽；M是等效噪声带宽Bm范围内窜入的噪声功率。光通道传输中所使用的放大器为掺饵光纤放大器（EDFA）,掺饵光纤放大器是英国南安普顿大学和日本东北大学首先研制成功的光放大器，其特点是其在使用光纤的通信系统中，直接对光信号进行放大的一种技术,它是

15、光纤通信中最伟大的发明之一。掺饵光纤放大器的核心是掺银光纤，其成分是掺入了少量的稀土元素银（Er）离子的石英光纤。由于WDM技术的迅猛发展，使得光纤通信的容量大大增加，从而成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。在光通道传输过程中会对OSNR造成影响的因素有很多，以下几种便是最为常见的类型。（1）光纤色散：由于在光纤中传输的信号频率不同，传输的信号能量模式不同，这些信号会因为在传输过程中的群速度不一致而分散开，这就会导致传输信号的波形产生失真现象，这种现象便被称为色散。光纤色散会使得传输信号发生畸变，这会限制光纤的传输容量与带宽。光纤色散也分为很多种类，例如材料色散，模式色散以及波导色散，材料

16、色散和波导色散是由传输信号的频率不同所造成的，模式色散是由传输信号的能量模式不同所造成的，这里就不详细介绍了。（2）非线性效应：由于强光的作用，介质的非线性极化会产生各种各样的效应，包括受激拉曼散射，倍频，双光子吸收，光学谐波，饱和吸收等，而光纤网络的传输介质为光纤，光纤的非线性效应包括与克尔效应，散射效应（受激拉曼散射SRS和受激布里渊散射SBS）。（3）信道噪声：信道噪声产生的原因有很多，例如系统外部以电磁波干扰为主所产生的噪声，系统内部器材材料本身引起的噪声等。（4）放大器自发辐射噪声（ASE）：当激活过的粒子从激发态返回基态的过程中，放大器不但会放大光信号，同时这些粒子也会产生随机自发的辐射，这种自发的辐射完全随机，可以辐射向任何一个方向，并且可以进一步引发新的辐射