本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，更準(zhǔn)確地說涉及一種光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法。

背景技術(shù)：

隨著光信息技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)流量的需求也在不斷增長。隨著光纖網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展完善，如何實現(xiàn)光纖高帶寬遠距離信息傳輸成為了信息技術(shù)領(lǐng)域一個至關(guān)重要的問題，解決這一問題的關(guān)鍵就在于改善光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的光信噪比，而改善光信噪比的有效方法之一為使用超低損耗光纖替代現(xiàn)在常用的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。光纖的損耗是由其材料中所含的雜質(zhì)引起的，如果能夠?qū)⒉牧现械碾s質(zhì)含量降低，則損耗程度也會相應(yīng)地降低，而損耗程度的降低即意味著傳輸速度的提升以及傳輸距離的增長，同時傳輸距離的增長還意味著建立光網(wǎng)絡(luò)所需的基站的減少，可以有效地降低建設(shè)光網(wǎng)絡(luò)的成本?；谏鲜鲈?，現(xiàn)在已有很多關(guān)于超低損耗光纖的光纖特性和傳輸性能的研究，康寧公司生產(chǎn)的超低損耗光纖及長飛公司生產(chǎn)的遠貝超低損耗光纖已經(jīng)可以商用。同時，相比普通光纖和低損耗光纖，超低損耗光纖的研發(fā)難度更大。超低損光纖的剖面結(jié)構(gòu)、制造工藝完全不同，研發(fā)人員重新設(shè)計剖面結(jié)構(gòu)、研發(fā)新的制造工藝都需要一定的研發(fā)周期，這會使成本相對較高。相比普通單模光纖，超低損耗光纖的生產(chǎn)加工成本也較高，而且衰減系數(shù)越接近其理論極限的超低損耗光纖價格愈加昂貴。

對于大規(guī)模的光網(wǎng)絡(luò)，同時將所有的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖替換為超低損光纖在技術(shù)和成本上都不合適，網(wǎng)絡(luò)運營商更偏向于隨著原有光纖的壽命周期逐步將現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖替換為超低損耗光纖?；谏鲜?，本領(lǐng)域缺乏對光網(wǎng)絡(luò)中光纖替換方法的研究，即沒有根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)的性能改善來選取有效的替換方法，從而造成光網(wǎng)絡(luò)性能提升效果差或者光纖替換成本過高等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法，所述光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法以由光信噪比引起的阻塞為基礎(chǔ)，將現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖依次替換為超低損耗光纖。采用所述光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法能夠在逐步替換光纖的過程中，最大程度的提高光網(wǎng)絡(luò)的性能，同時保持替換成本較低。

根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法，包括步驟：

(A)為光網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路設(shè)置一個初始為零的阻塞計數(shù)器；

(B)對未更換過光纖的光網(wǎng)絡(luò)進行光信噪比自適應(yīng)算法的動態(tài)仿真；

(C)當(dāng)光網(wǎng)絡(luò)中的一個請求由于光信噪比的限制而被阻塞，通過光網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湔业奖蛔枞埱蟮墓?jié)點對之間的最短路徑；

(D)將被阻塞請求的節(jié)點對之間的最短路徑通過的每條鏈路的阻塞量加一：

(E)將具有較大光信噪比阻塞量的鏈路中的普通單模光纖替換為超低損耗光纖。

優(yōu)選地，所述步驟(B)中的光信噪比自適應(yīng)算法具體包括步驟：

(B1)基于流量需求的帶寬，判斷每個調(diào)制模式的頻隙數(shù)目，設(shè)定第一個調(diào)制格式為當(dāng)前調(diào)制格式；

(B2)基于當(dāng)前調(diào)制格式，建立相應(yīng)的頻譜窗序列，并將不滿足頻譜窗要求的鏈路從相應(yīng)的頻譜窗移除；

(B3)基于頻譜窗平面查找路徑；

優(yōu)選地，所述步驟(B3)之后還有一步驟(B4)，所述步驟(B3)為：使用迪杰斯特拉算法查找出每個頻譜窗平面基于跳數(shù)的最短路徑，當(dāng)每一個頻譜窗下的路徑均可找到時，進行步驟(B4)。

優(yōu)選地，所述步驟(B3)之后還有一步驟(B5)，所述步驟(B3)為：使用迪杰斯特拉算法查找出每個頻譜窗平面基于跳數(shù)的最短路徑，當(dāng)無法找到每一個頻譜窗下的路徑，進行步驟(B5)。

優(yōu)選地，所述步驟(B4)為：檢查步驟(B3)中的每一條路徑是否滿足在相應(yīng)的調(diào)制格式下的光信噪比閾值，在不滿足的情況下移除該路徑。

優(yōu)選地，所述步驟(B4)為：檢查步驟(B3)中的每一條路徑是否滿足在相應(yīng)的調(diào)制格式下的光信噪比閾值，當(dāng)存在多條路徑同時滿足光信噪比閾值要求，比較它們的跳數(shù)，選擇跳數(shù)最少的路徑建立一條光路。

優(yōu)選地，所述步驟(B4)之后還有一步驟(B5)，所述步驟(B4)為：檢查步驟(B3)中的每一條路徑是否滿足在相應(yīng)的調(diào)制格式下的光信噪比閾值，當(dāng)沒有路徑滿足時，進行步驟(B5)。

優(yōu)選地，所述步驟(B5)為：判斷當(dāng)前調(diào)制格式是否為最后一個調(diào)制格式，當(dāng)當(dāng)前調(diào)制格式為最后一個調(diào)制格式時，阻塞當(dāng)前請求。

優(yōu)選地，所述步驟(B5)具體為判斷當(dāng)前調(diào)制格式是否為最后一個調(diào)制格式，當(dāng)當(dāng)前調(diào)制格式不是最后一個調(diào)制格式時，更新表格中下一個調(diào)制格式為當(dāng)前調(diào)制格式然后進行步驟(B2)。

優(yōu)選地，所述超低損耗光纖的損耗系數(shù)為0.168dB～0.17-dB/km。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的一種光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法的優(yōu)點是：采用所述光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法能夠在逐步替換光纖的過程中，最大程度的提高光網(wǎng)絡(luò)的性能，同時保持替換成本較低。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為常見光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為以光信噪比引起的阻塞為基礎(chǔ)進行光纖替換方法的流程示意圖。

圖3為調(diào)制格式表。

圖4為光信噪比自適應(yīng)算法的流程示意圖。

圖5為在NSFNET網(wǎng)絡(luò)中帶寬阻塞率隨著替換超低損耗光纖百分比變化的示意圖。

圖6為80％光纖替換為超低損耗光纖情況下，NSFNET網(wǎng)絡(luò)中帶寬阻塞率隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的示意圖。

圖7為所有光纖均替換為超低損耗光纖情況下帶寬阻塞率隨著光纖損耗系數(shù)的變化示意圖。

具體實施方式

如圖1所示為常見光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1中光網(wǎng)絡(luò)包括0至7共8個節(jié)點，節(jié)點之間根據(jù)具體需求通過光纖組成鏈路，而實際的大型光網(wǎng)絡(luò)可能由大量的節(jié)點和鏈路組合而成，對光網(wǎng)絡(luò)中的光纖全部同時進行替換工作量相當(dāng)大，耗時也較長，在更換光纖時整個光網(wǎng)絡(luò)處于癱瘓狀態(tài)，難免會對使用該光網(wǎng)絡(luò)的用戶造成一定的影響。鑒于上述原因，運營商通常會逐個將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖更換為超低損耗光纖。圖1中所示包括三種替換方法：

一、以物理長度(Physical Length，簡稱PL)為基礎(chǔ)(圖中PL)：該替換方法，需要將光網(wǎng)絡(luò)中所有的光纖鏈路按照其物理長度由長到短依次排列，選取距離較長的光纖鏈路優(yōu)先進行替換。該替換方法的依據(jù)為：光信號在光纖中傳播距離越長衰減越多，通過將較長鏈路中的普通單模光纖替換為超低損耗光纖，可以有效地減小光系統(tǒng)中的信號衰減。如圖1中所示，鏈路(5-6)為物理長度最長的鏈路，因此該方法中首先替換鏈路(5-6)的光纖。

二、以最短路徑(ShortestRouting Tree，簡稱SRT)為基礎(chǔ)(圖中SRT)：該替換方法需要通過最短路徑算法找出每個節(jié)點對之間的最短路徑(即物理長度)，計算每條鏈路所經(jīng)過的路徑總數(shù)，將所有鏈路按照其經(jīng)過的路徑總數(shù)由大到小排列，選取有最多的最短路徑經(jīng)過的鏈路優(yōu)先進行替換。該替換方法的依據(jù)是：當(dāng)較多的路由經(jīng)過一條鏈路時，說明該鏈路通信量較大，通過將該鏈路的普通單模光纖替換為超低損耗光纖，能夠有效地提高光網(wǎng)絡(luò)的整體性能。如圖1中所示，鏈路(4-5)有最多的最短路徑經(jīng)過，因此該方法中首先替換鏈路(4-5)的光纖。

三、以光信噪比(Optical Signal Noise Ratio，簡稱OSNR)引起的阻塞(OSNRBlocking，簡稱OB)為基礎(chǔ)(圖中OB)：該替換方法需要分別為每條鏈路設(shè)置一個初始化為零的阻塞計數(shù)器，然后對于一個全部鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的網(wǎng)絡(luò)進行一次路徑和頻譜安排(Routing and WavelengthAssignment，簡稱RSA)算法的動態(tài)仿真，如果光網(wǎng)絡(luò)中的一個請求由于光信噪比的限制而被阻塞，即可通過光網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湔业奖蛔枞埱蟮墓?jié)點對之間的最短路徑，隨后將上述最短路徑通過的每條鏈路的阻塞量加一，而當(dāng)光路通過一個擁有較大阻塞量的鏈路時，極有可能會由于光信噪比的限定而被阻塞，該擁有較大阻塞量的鏈路即為提高該光網(wǎng)絡(luò)性能的一個瓶頸，為了降低光路阻塞，需要對該擁有較大阻塞量的鏈路進行優(yōu)先替換。如圖1中所示，鏈路(4-5)的光路阻塞最大因此該方法中首先替換鏈路(4-5)的光纖。

上述三種方法中，方法三，即以光信噪比引起的阻塞為基礎(chǔ)進行光纖替換能夠在最大程度上改善光網(wǎng)絡(luò)的性能，也是本發(fā)明所采用的方法。

如圖2所示為方法三，即以光信噪比引起的阻塞為基礎(chǔ)進行光纖替換方法的流程示意圖，具體包括以下步驟：

(A)為光網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路設(shè)置一個初始為零的阻塞計數(shù)器；

(B)對未更換過光纖的光網(wǎng)絡(luò)進行光信噪比自適應(yīng)算法的動態(tài)仿真；

(C)當(dāng)光網(wǎng)絡(luò)中的一個請求由于光信噪比的限制而被阻塞，通過光網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湔业奖蛔枞埱蟮墓?jié)點對之間的最短路徑；

(D)將被阻塞請求的節(jié)點對之間的最短路徑通過的每條鏈路的阻塞量加一：

(E)將具有較大光信噪比阻塞量的鏈路中的普通單模光纖替換為超低損耗光纖。

在用超低損耗光纖替換光網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖時，光網(wǎng)絡(luò)中的各項設(shè)備保持位置不變。例如光網(wǎng)絡(luò)中的光放大器，每一個光放大器的間隔是80km，更換光纖的過程中光放大器的位置保持不變。在光網(wǎng)絡(luò)的鏈路中，除了每80km設(shè)置的光放大器，鏈路兩端還分別設(shè)置一前置放大器和一后置放大器?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)設(shè)置，計算光網(wǎng)絡(luò)中每條光路的光信噪比(OSNR)的公式如下：

其中每個放大器后面的光功率假設(shè)為一個常量。OSNR_total是一條光路的總光信噪比(不考慮由非線性帶來的附加損耗)。L是經(jīng)過當(dāng)前光路的鏈路集。A^s是鏈路s上的放大器集合，OSNR_s是在光路上的第s個鏈路的光信噪比。對于每條鏈路s，(dBm)是在0.1-nm頻譜上第i個放大器引起的放大器自發(fā)輻射噪聲(Amplifier SpontaneousemissionNoise，簡稱ASE)功率，(dB)是第i個放大器的增益，(dB)是在當(dāng)前增益下第i個放大器的噪聲指數(shù)。這里OSNR_total和OSNR_s是線性值。當(dāng)替換為新型超低損耗光纖時，每80km間隔的放大器增益會明顯降低。這會降低放大器噪聲，因此會改善鏈路上的光信噪比。需要注意到光信噪比的計算，我們只考慮光纖損耗和放大器噪聲。由于其他非放大器引起的放大器自發(fā)輻射噪聲因素引起的對光信噪比影響將估算為2.5dB。

如圖4所示為本發(fā)明的一種光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法所采用的光信噪比自適應(yīng)算法的流程示意圖。所述光信噪比自適應(yīng)算法以路徑和頻譜(RSA)算法為基礎(chǔ)，除了在不同的頻譜窗下尋找足夠的頻譜窗資源外，進一步地估算所查找出路徑的光信噪比在指定的調(diào)制格式下是否滿足閾值要求。不同調(diào)制格式所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率容量和光信噪比閾值見圖3。所述光信噪比自適應(yīng)算法最先嘗試最高的調(diào)制格式，然后從不同的頻譜窗平面中的所有合格路徑中選擇最少跳數(shù)的建立一條光路，能夠最大化網(wǎng)絡(luò)頻譜資源利用率。所述光信噪比自適應(yīng)算法具體包括如下步驟：

(B1)基于流量需求的帶寬，判斷每個調(diào)制模式的頻隙數(shù)目，設(shè)定第一個調(diào)制格式為當(dāng)前調(diào)制格式；

(B2)基于當(dāng)前調(diào)制格式，建立相應(yīng)的頻譜窗序列，并將不滿足頻譜窗要求的鏈路從相應(yīng)的頻譜窗移除；

(B3)基于頻譜窗平面查找路徑；

(B4)如果每一個頻譜窗下的路徑都可以找到，則基于光信噪比找出最佳路徑；

(B5)判斷當(dāng)前調(diào)制格式是否為最后一個調(diào)制格式，如果是，則阻塞當(dāng)前請求。

其中，所述步驟(B3)具體為：使用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法查找出每個頻譜窗平面基于跳數(shù)的最短路徑，并且當(dāng)每一個頻譜窗下的路徑均可找到時，則進行步驟(B4)，當(dāng)無法找到每一個頻譜窗下的路徑，則進行步驟(B5)。

所述步驟(B4)具體為：檢查步驟(B3)中的每一條路徑是否滿足在相應(yīng)的調(diào)制格式下的光信噪比閾值，如果不滿足則移除該路徑；如果存在多條路徑同時滿足光信噪比閾值要求，則比較它們的跳數(shù)，選擇跳數(shù)最少的路徑建立一條光路；當(dāng)沒有路徑滿足時，進行步驟(B5)。

所述步驟(B5)具體為判斷當(dāng)前調(diào)制格式是否為最后一個調(diào)制格式；如果是，阻塞當(dāng)前請求；否則，更新表格中下一個調(diào)制格式為當(dāng)前調(diào)制格式然后進行步驟(B2)。

為了更好地對比說明本發(fā)明所采用的一種光網(wǎng)絡(luò)中的光纖替換方法，即采用以光信噪比引起的阻塞為基礎(chǔ)(OB)方法的優(yōu)良性能，下面對上述的三種方案進行對比測試。選取包含14個結(jié)點，21條鏈路的NSFNET網(wǎng)絡(luò)和包含24個結(jié)點，43條鏈路的USNET網(wǎng)絡(luò)作為測試網(wǎng)絡(luò)，測試所考慮的動態(tài)流量需求其到達服從泊松分布，持續(xù)時間服從一個負(fù)指數(shù)分布，每一個業(yè)務(wù)請求的帶寬在10-400Gb/s之間隨機分布。其中，帶寬阻塞率(BandwidthBlocking Probability，簡稱BBP)是光網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要評估標(biāo)準(zhǔn)。帶寬阻塞率的定義為總阻塞帶寬與總業(yè)務(wù)帶寬之比。為了計算帶寬阻塞率，測試仿真了總數(shù)目為10⁶的業(yè)務(wù)請求，在整個網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定每條光纖鏈路有320個頻隙。每個頻隙的帶寬設(shè)定為12.5GHz。除此之外，考慮四種調(diào)制格式(如BPSK，QPSK，8-QAM和16-QAM)。

圖5所示為在NSFNET網(wǎng)絡(luò)中帶寬阻塞率隨著替換超低損耗光纖百分比變化的示意圖。這里使用的超低損耗光纖類型為康寧公司生產(chǎn)的衰減系數(shù)為0.168dB/km的超低損耗光纖。通過全網(wǎng)為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和全網(wǎng)替換為超低損耗光纖的比較，我們發(fā)現(xiàn)帶寬阻塞率明顯的從0.211降低到0.0216。通過對比三種光纖替換方法，我們發(fā)現(xiàn)考慮光路的光信噪比瓶頸問題而不是每條鏈路最短路徑數(shù)目的以光信噪比引起的阻塞為基礎(chǔ)方法是最佳的?；谧疃搪窂椒椒ǖ男阅茉谌齻€方法中處于中間，而基于物理長度方法由于只簡單的考慮每條鏈路的物理長度因此性能最低。

圖6所示為在80％替換為超低損耗光纖的情況下，對三種方法進行比較。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，三個方法的帶寬阻塞率逐漸增加。然而在這些策略中，以光信噪比引起的阻塞為基礎(chǔ)方法的性能是最佳的，基于物理長度方法是最差的，基于最短路徑方法處于中間。

圖7所示為所有光纖均替換為超低損耗光纖情況下帶寬阻塞率隨著光纖損耗系數(shù)的變化示意圖。替換更低損耗系數(shù)的光纖將帶來更大的挑戰(zhàn)和高昂的花費。雖然隨著損耗系數(shù)的降低帶寬阻塞率有明顯的下降趨勢，但當(dāng)損耗系數(shù)下降到一個定值時(0.168dB/km附近)，再一步下降損耗系數(shù)不能夠明顯的降低帶寬阻塞率，因此不必要將超低損耗光纖損耗系數(shù)降低到理論極限(0.146dB/km)；損耗系數(shù)為0.168dB～0.17-dB/km的超低損耗光纖足夠改善網(wǎng)絡(luò)的阻塞性能。

綜上，測試結(jié)果顯示通過在光網(wǎng)絡(luò)中替換超低損耗光纖能夠有效地改善帶寬阻塞率性能并且以光信噪比引起的阻塞為基礎(chǔ)的光纖替換方法能夠得到最佳的網(wǎng)絡(luò)性能改善。除此之外，為了改善制作成本的高昂花銷，不必將超低損耗光纖的損耗系數(shù)降低到光纖損耗系數(shù)理論最低門限；最重要的是，光纖損耗系數(shù)為0.168～0.17-dB/km的超低損耗光纖較達到理論最低門限的光纖在較好的帶寬阻塞率性能改善上已經(jīng)足夠。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。