光网络规划与优化(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：黄善国等

出版社：人民邮电出版社

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光网络规划与优化试读：

前言

近年来，我国加快了信息网络建设的步伐。据统计，2000年以来我国干线业务量和带宽的实际年增长率均超过了200%。来自中国电信、中国联通等公司的数据表明，“十一五”期间随着清晰度高、交互性强的视频通信，实时流畅的流媒体点播，高可靠性、安全性和实时性的远程服务，虚拟现实环境，网格计算等网络新业务的兴起，以话音、视频、数据和交互业务为主流的四重播放业务，已逐步在现网中大量应用。2010年，我国主要城市（如上海、广州）网络单节点的交换容量已达到数Tbit/s乃至几十Tbit/s以上。这将对信息网络的传送能力提出重大的挑战。在日益增长的业务流量中，不收费和低收费的IP业务越来越占据绝对的优势，P2P的广泛应用，进一步导致业务流量的剧增，使得网络的建设和扩容的成本与运营效益的矛盾日益突出。因此，研究新的业务模式和网络流量模式给网络资源利用带来的影响，探讨网络规划与资源优化的新方法，以较少的投资满足日益剧增的带宽需求，成为网络发展重要的研究课题，也吸引了国内外众多的关注。

当前网络建设取得了大量优秀成果，但也存在着一些问题：（1）在建设初期缺乏整体规划，通信建设主要为速度型、粗放型。往往重视通信能力的增强而缺乏对全网发展细致、周详的规划、协调，对通信发展需求分析深度不够，估计不足，不少工程的配套项目未能同步建设；（2）网络大、机型多，信号配合不畅，影响了全网电话接通率的提高；（3）管理意识、管理方式、管理手段和管理机制及支撑网建设仍跟不上电话业务高速发展的要求，网络运行维护技术和维护手段仍较落后。为了克服以上困难，更好地使用新兴技术，同时考虑业务分布模式、变化的经济条件，以及新的网络概念，有效的网络规划和设计是必要的。所谓规划与优化，是指为实现一个系统的总目标及其变动所需要使用的资源、能源、信息，以及全面指导获得使用和配置这些资源、能源、信息的政策所作出决策的全过程。其目标是减少投资和运营费用，同时改善业务质量和灵活性。为了传送有竞争力的业务，有效的方案必须能平衡各种优化标准，如费用经济性和网络可靠性等。在网络规划与资源优化的具体实现中，目前一般是离线进行的，把优化后的数据逐条下载到网管上实现对网络的优化管理。在引入自动交换光网络（ASON）后，自动交换功能改变了传统光网络的业务配置方式。通过控制平面的引入，由路由控制器（RC）和连接控制器（CC）分别完成路由的动态计算和配置，能够实现实时、在线的资源优化。

应该说，正是通信技术的复杂性以及更新快的特点，推动着传送网的发展。光网络规划与优化问题必须解决和克服以下几种新的特点。

1．网络所承载的业务已从单一业务向多业务的方向发展，不仅要传送话音、数据业务，还要传送图像等多媒体业务，分组业务需求的日益显现，需要在SDH/WDM网的基础上研发分组传送网（PTN）技术，以满足各种业务所要求的不同的服务质量（QoS）。在此背景下，网络传送信息容量的消耗迅速增大，为满足在带宽上的要求，原有的以SDH为物理层的网络应该被光传送网（OTN）/波分复用（WDM）光网络所取代，并正向ASON以及波分交换网络（WSON）的方向演进。由于业务转型的基础在于网络转型，其特点是从目前传统网络结构向弹性网络结构转变。传送网的转型以前主要关注速率、容量、距离，现在重点关注业务、智能、管理，主要是外在指标的转型，尤其需要考虑针对业务的动态、突发、分布式等特性的有效承载技术，因此，考虑如何满足多业务、高带宽的智能光组网的规划与优化是当前的重要内容。

2．网络技术日趋复杂，支撑这样一个网络的技术也从单一技术向多种技术共存的方向发展，呈现出多层面的网络结构。当前已经形成了：接入网中的光进铜退无源光网络（PON）新技术，包括EPON、GPON、10G PON以及WDM PON等；城域中原来基于SDH的多业务传送平台（MSTP）与支持分组传送的分组传送网（PTN）（T-MPLS/PBT/MPLS-TP）混合组网；骨干网中OTN以及WSON组成的大容量光传送组网。因此，光缆网、SDH、PTN、WDM/OTN和ASON/WSON 等技术在同一个多层传输网中的综合，使得多层之间的资源协调问题日益明显；如何在新网络技术形势下，降低传送成本，提升网络管理和维护能力，又是一个亟待解决的问题。

3．传送网/光网络规划通常包含着多学科的综合，并涉及大量各种类型的设计变量和约束。采用传统的整体优化方法求解这样一种大型规划问题，将是非常困难和耗时的。同时，规划问题的标准会因网络的技术体制、管理运维条件等不同而有所不同，这使得对传送网的统一的规划与优化工作更加复杂，在规划过程中往往陷入局部或部分的最优解，难以达到规划的最优结果。而如果简单地将问题划分为小的子问题来解决，当子问题较多时，很难控制规划问题的全局最优解，因为在这种情况下，优化不仅依赖于解决子问题算法的效率，而且依赖在全局优化过程中子问题的协调关系。

4．在具体的规划与优化因素中，规划活动受网络层特征的影响很大，例如选定的体系、可用的功能和设备、技术限制、应用的选路、保护恢复方案及资源部署策略等。集中体现在两个重要的方面：路由及生存性。由于规划问题的复杂性，导致传送网选路和资源分配多采用启发式算法，而保护恢复的计算中，则多考虑单层中的可靠的保护恢复资源的利用。因此，存在多层网络的资源联合路由及生存性问题，使得网络资源能够更有效的利用，同时，应该降低启发式算法的复杂度，提高规划路由算法的准确性。要求规划具有前瞻性和超前建设性，这就需要根据网络的动态性对网络进行评价与评估，设定最新的、合适的评价标准，包括设置网络各元素的权重，以及经济性分析等，以便网络规划的执行结果能够更加准确和可靠。

综上所述，需要深入研究和探讨光网络的规划与优化技术，揭示其原理与规律，给出相应的方法和策略，以应对未来高速信息网络对于光网络的要求，指导传送网的演进与建设。

全书以最新国际标准和研究资料为基础，辅以作者多年对光通信技术的研究成果和参与国家相关重大项目的经验，系统全面地介绍了光网络的规划与优化所涉及的各关键问题。全书共分8章。第1章概述了光网络的发展历程和演进方向，介绍了光网络规划与优化技术；第2章深入阐述了光网络的规划与优化原理；第3～5章则从光网络规划与优化的具体实现技术及其应用角度，详细介绍了光网络的资源优化、网络评估与评价、多层联合规划与优化等内容；第6章则介绍了城域分组传送技术的主要内容及组网规划；第7章重点关注接入网的规划与优化；第8章介绍了光网络的规划与优化工具，对其主要形式及内容等进行了阐述。

作者所在课题组自20世纪90年代中期开始研究全光通信网，先后承担并圆满完成过多项国家关于光网络的科研项目和实验示范网的建设，在研究中积累了较丰富的经验。本书就是在承担国家“973”计划、国家“863”计划和国家自然科学基金等的研究过程中完成的。 在此，作者对国家“973”计划、“863”计划和国家自然科学基金委员会等多年的资助表示最衷心的感谢。

本书还凝聚了作者所在单位，包括信息光子学与光通信国家重点实验室（筹）和所在课题组等近年来的研究成果，这里需要感谢研究室的各位博士和硕士们，特别是参与资料提供与整理的所有同事和同学包括赵永利、曹徐平、郑滟雷、尹珊、李新、吕琳、韩娟、刑迎新、黄浩天等。同时，还要感谢顾畹仪教授和陈雪教授的审阅和大力支持。

本书作者和北京大学、清华大学、上海交通大学、北京交通大学等多所高校，以及中国电信、中国移动、工业和信息化部传输标准所与规划所、华信设计院、交通部科学研究院、朗讯贝尔实验室、中兴、华为等单位的相关研究组一直保持良好的合作关系，并得到了他们的大力支持。在长期的合作过程中，他们为本书的完成提供了大量有益的建议和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。

光网络的规划与优化涉及网络的各个方面，内容繁杂。由于作者水平有限，难以做到一书概全，疏漏与不足之处，恳请同行和读者批评指正。作者2011年10月于北京邮电大学

第1章 光网络的发展与规划

随着互联网与物联网技术的飞速发展，传送网的规模不断扩大，业务种类不断增多，组网模式日益复杂。为了适应这种变化，光网络也正朝着更加高速、智能、灵活、透明、优质和安全的方向加速演进。

本章首先介绍了光网络的基本概念和构成，给出了光网络近年来的特征和发展趋势，回顾了近年来光网络的发展历程，并对其涉及的关键技术进行了探讨，同时介绍了当今国内外对光网络的研发概况，最后着重对光网络的规划与优化问题进行了重点阐述。

1.1 光网络基本概念与构成

21世纪之初，网络泡沫的破灭使全球电信业陷入空前的困境，光纤通信首当其冲。幸运的是，电信的内在需求没有根本改变，人们没有少打电话，也没有少上网，移动短信业务如火如荼，网络电视（IPTV）业务蓄势待发，电信业务市场仍然继续成长，全球网络带宽需求的年增长率依然高达50%～100%，我国在过去几年里的干线业务量和带宽需求的年增长率也超过了200%。显然，当前的困境只是放慢了发展的速度，绝不会也不可能停止电信技术和业务的发展。电信业经过几年的调整后正开始步入正常的理性发展轨道。

从光纤通信技术本身的发展看，光网络是当前最活跃的领域。然而，“光网络”不是一个严格意义上的技术术语，而是一个通俗用语。光网络（Optical Network）是一个简单通俗的名称，包容十分广泛。仅从字面上理解，它兼具“光”和“网络”两层含义：前者代表由光纤提供的，大容量、长距离、高可靠的链路传输手段；后者则强调在上述媒质基础上，利用先进的电子或光子交换技术，引入控制和管理机制，实现多节点间的联网，以及针对资源与业务的灵活配置。从历史上看，光网络可以分为三代。第一代光网络中光仅仅是用来实现大容量传输，所有的交换、选路和其他智能化的操作都是在电层面上实现的，SDH 就是这种第一代光网络中的典型代表，而光传送网（OTN）和全光网络（AON）可以认为是第二代光网络。OTN在功能上类似于SDH，其出发点是在子网内实现透明的光传输，在子网边界处采用光/电/光（O/E/O）的3R再生技术，从而构成一个完整的光网络，而AON则不同，此时传送、复用、选路、监控和有些智能将在光层面上实现。从更广义的角度看，光网络还应该覆盖城域网和接入网领域，这两个领域的光网络则不仅具有更加丰富多彩的技术选择，而且技术特征上也有很大的不同。最近几年，OTN和AON又由于器件和交换技术的不断完善，包括智能光网络的发展，而又成为研发的热点之一。第三代 光网络则应该为以自动交换光网络（ASON）为代表的智能光网络。智能化的 ASON 在ITU-T的文献中定义为：通过能提供自动发现和动态连接建立功能的分布式（或部分分布式）控制平面，在OTN或SDH网络之上，实现动态的、基于信令和策略驱动控制的一种网络。1.1.2 光网络的基本构成

光网络由光传输系统和在光域内进行交换/选路的光节点构成，光传输系统的容量和光节点的处理能力非常大，电子处理通常在边缘网络进行，边缘网络中的节点或节点系统可采用光通道通过光网络进行直接连接，如图1.1所示。图1.1 多波长光网络网络结构示意图

光网络节点（ONN，Optical Network Node）提供了交换和选路功能，它们控制、分配光信号的路径和创建希望的源和目的之间的连接。网络中的光电和光子器件主要集中在业务上路和下路节点上，主要有激光器、检测器、耦合器、光纤、光交换和放大器等。这些器件同光纤一起协同工作以产生某个连接所需要的光信号。这些潜在的光电和电子技术目前还没有很好地得到发展，因此还不很成熟，也没有像电器件那样的便宜。但是这些领域正在不断取得巨大的进步，随着相关光子技术的逐渐成熟，组建规模较大的光网络在经济上必将是可行的。

随着波长/光分插复用器WADM/OADM（Optical Add/Drop Multiplexer）和波长/光交叉连接器WXC/OXC（Optical Cross-connector）技术的成熟，当与WDM技术相结合后，不但能够从任意一条线路中任意上下一路或几路波长，而且可以灵活地使一个节点与其他节点形成连接，从而形成WDM光网络。另外，动态、可重构型OADM和OXC能够使WDM 光网络对不同输入链路间的波长在光域上实现交叉连接和分插复用的动态重构能力，增加网络对波长通道的灵活配置能力，提高网络通道的使用效率。总之，OADM和OXC的使用使得光纤通信逐渐从点到点的单路传输系统向WDM联网的光网络方向发展。多波长光网络的基本思想是，将点到点的波分复用系统用光交叉互连节点和光分插复用节 点连接起来，组成以端到端为基础的光传送网。波分复用技术完成OTN节点之间的多波长通道的光信号传输，OXC 节点和OADM节点则完成对光通道的交换配置功能。OXC相当于一个模块，它具有多个标准的光纤接口。图1.2所示为两种基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构，它们利用波分解复用器将链路中的WDM信号在空间上分开，然后利用空间光开关矩阵在空间上实现波长交换，完成空间变化后各波长信号直接经波分复用器复用到输出链路中，结构（a）中无波长变换器，因此它只能支持波长通道。结构（b）中每个波长的信号经过波长变换器实现波长交换后，再复用到输出链路中，因此它支持虚波长通道。OXC 可以把输入端的任一光纤信号（或其各波长信号）可控制地连接到输出端的任一光纤（或其各波长）中去，并且这一过程是完全在光域中进行的。通过使用光交叉连接设备，可以有效地解决现有数字交叉连接（DXC）设备中的电子“瓶颈”问题。图1.2 两种基本的OXC结构

OADM是构成全光网的重要器件，使用OADM可以减少光通道上信息的处理和等待时间，减少节点设备的复杂性，还可以使光信号透明地传输和上下路，特别是应用在光环网上，还增加了生存性。OADM的主要功能是从传输设备中有选择地下路（DROP）通往本地的光信号，同时上路（ADD）本地用户发往另一节点用户的光信号，而不影响其他波长信道的传输。如图1.3所示，OADM在节点上对上下路波长进行复用和解复用处理，通过节点的波长同样在光层进行一次复用和解复用过程。从功能上看，OADM可以看作是OXC的特例。图1.3OADM结构示意图

以上所述的光网络节点也称为固定光分插复用器（FOADM），它仅能实现固定波长上下，在上下波长改变时，需更换设备，升级困难，因此随着光器件的发展，近年来出现了灵活波长上下的可重构分插复用（ROADM）设备。它可灵活地进行波长调度，节点的集成度提高，ROADM设备已经开始商用。

从器件实现方式上来分，目前有波长阻断（WB）型、波长选择开关（WSS）型和集成平面光波电路（PLC）型ROADM3类ROADM器件。其中，WB是通过设置器件的不同波长的阻断/直通状态实现ROADM中波长上路/直通设置。WSS是通过设置器件的不同波长上/下路的端口实现ROADM中波长上下路设置。PLCROADM与ROADM最初思路类似，用DEMUX ＋光开关＋MUX实现，通过设置光开关的状态进行波长上路/直通设置。与以前不同的是，光开关是用PLC技术，将DEMUX ＋光开关＋OMU全部集成在光波导上实现。下面简略介绍。

1．波长阻断（WB，Wavelength Blocker）型ROADM器件

波长阻断型ROADM可将任意波长阻断，通过其他波长并使之功率均衡，如图1.4所示。目前WB实现技术主要为基于自由空间的体光栅和液晶技术。一般WB器件与耦合器、AWG型的分波器（OMU）和合波器（ODU）配合实现ROADM功能。如图1.5所示。图1.4 波长阻断型ROADM原理

2．波长选择开关（WSS，Wavelength Selective Switch）型ROADM器件

WSS型ROADM首先把波长分开，然后经过独立的衰减器和切换开关。通过独立的衰减器可以对每一个波长进行功率调整。通过切换开关可以把任意一个波长指配到任意一个输出端口。由于图1.6所示的9个输出端口任一波长均可输出，一般称WSS的端口为colorless。实现原理如图1.7所示。图1.5 WB型ROADM模块图1.6 WSS型ROADM模块图1.7 WSS型ROADM原理

一般，WSS与耦合器、耦合型OMU配合实现ROADM功能。

3．集成平面光波电路（PLC）型ROADM器件

PLC型ROADM将公共输入光从功率上分成下路光和直通光两部分，如图1.8所示。直通输入光利用解复用器将各波长分开，用光开关选择直通光或上路光通过，经光开关选择后的各波长光再经复用器合波后输出到公共输出口。PLC型ROADM采用平面波导技术实现，MUX和DEMUX为AWG。图1.8 PLC型ROADM原理

以上3种ROADM中，基于WSS型的ROADM由于器件的成熟度、成本、交换容量等方面的原因，是当前主流的ROADM实现技术。

总之，通过多波长光路来联网的光网络利用波分复用和波长路由技术，将一个个波长作为通道，全光地进行路由选择。通过可重构的选路节点建立端到端的“虚波长”通路（由一系列不同波长连接起来的一条光路），实现源和目的之间端到端的光连接，这将使通路之间的调配和转接变得简单和方便。在多波长光纤网络中，由于采用光路由器/光交换机技术，极大地增强了节点处理的容量和速度，它具有对信息传输码率、调制方式、传送协议等透明的优点，有效地克服了节点“电子瓶颈”的限制。因此，只有WDM多波长光纤网络才能满足当前和未来通信业务量迅速增长的需求。也正基于这些原因，近年来在国际上形成了对高速宽带光网络的研究热潮，其中尤以美国、欧洲最为突出。美国在美国国防部先进研究项目署（DARPA，Defense Advanced Research Project Agency）的资助下，组成一系列协作集团，建设国家规模的全光网；欧洲正在实施欧洲“先进通信技术和业务”（ACTS，Advanced Communications Technologies and Services）计划，根据这一计划要建设连接欧洲各主要城市，直径3000km的光纤通信网。与此同时，包括国际电联电信标准化部门（ITU-T）、ANSI T1X1.5协会、光互联网论坛（OIF，Optical Internetworking Forum）和因特网工程任务组（IETF）在内的标准化组织也都积极致力于对可重构型多波长光纤网络的研究。

1.2 未来传送网的发展需求

信息技术是当今世界创新速度最快、通用性最广、渗透性最强的高技术之一，并已渗透到各个学科和领域，有力地带动着物质科学、生命科学以及新能源、新材料、航空航天等工程技术的进展，促进了各学科广泛交叉、融合发展。目前我国已经拥有世界上最大的固定电话网（4亿用户）、最大的移动电话网（8.3亿用户）、最大的互联网（网民3.9亿），已敷设的通信光缆总长度超过 600 万公里，所用光纤总长度超过1亿公里。网络通信已经从人到人（P2P）的通信发展到人与机器之间以及机器与机器之间（M2M），人们将生活在无所不在（Ubiquitous）的网络中，物联网技术将成为互联网大发展的有力助推器。而作为承载网的未来光传送网必将面临着规模化的需求。

1．超高速率与超大容量

未来光传送网规模化体现在广覆盖（Ubiquitous）、超高速（Tbit/s）、大容量（Pbit/s）、多粒度（1～100Gbit/s）等方面。目前，电信网中以 GE/10GE、2.5G/10G/40GPOS 接口为代表的大颗粒宽带业务大量涌现，SAN领域也出现了1G/2G/4G/10GFC的大带宽传送需求。飞速增长的IP流量需求直观地反映在了光传送网层面。根据市场预测，在未来5年之内，光传送网的带宽将以每年50%以上的速度增长；2010年，骨干网截面带宽流量已达到50Tbit/s以上，其中97%以上为数据带宽。超长距离、超大容量和超高速率是骨干网络层面上的必然发展趋势。图1.9给出了光传输技术的发展趋势图。图1.9 光传输技术的发展趋势

同时，随着“光进铜退”的发展，光纤将逐步取代其他的有线传输手段，并延伸到每一个角落，大到跨大陆、跨海域的光缆，小到片上光互连，而随之带来的是光纤链路和光传送节点的非线性增长，最终形成规模异常庞大的网络群体，呈现广覆盖的态势。而随着用户带宽需求的爆炸式增长，传送网的链路和节点面临着巨大考验，预计未来10～15年干线节点容量将达到Pbit/s量级，链路速率达到Tbit/s量级。另外，未来业务的多样性和时变性要求传送网具有更加灵活的带宽接入能力，这就意味着未来传送网需要提供多种粒度的业务接口。

伴随着2004年左右路由器40Gbit/s POS接口的推出和传送网络带宽的持续增长，40Gbit/s技术已经逐步成熟并走向规模商用，前两年国内运营商在传送网上开展了不同规模的试验和小规模商用，从2010年开始，中国电信和中国联通等运营商相继在干线网络上大规模引入40Gbit/s WDM系统，标志着基于40Gbit/s的WDM系统已经逐步进入规模商用阶段。随着100GE标准的确立，100Gbit/s的高速传输技术成为业界关注的下一个高速速率平台。100GE的标准已于2010年6月17日正式通过，100GE的信号速率为103.125Gbit/s±100ppm，需要满足10×10G信号在屏蔽铜缆上至少传输7m，在多模光纤上至少传输100m；4×25G信号在单模光纤上至少传输10km和至少传输40km这两种传输距离的需求。

40Gbit/s和100Gbit/s等高速传输在技术上给网络的传输与交换带来了很多要求。从调制格式和复用方式来看，100Gbit/s除了基于偏振复用结合多相位调制的调制方式，如偏振复用—（差分）四相相移键控（PDM-（D）QPSK）之外，还包括多级相位和幅度调制的调 制码型，如8/16相相移键控（8PSK/16PSK）、16/32/64级正交幅度调制（16QAM/32QAM/64QAM），以及基于低速子波复用的正交频分复用（OFDM）。从调制编码解调来看，目前主要可采用直接解调和相干解调两种方式，其中相干解调主要采用数字信号处理（DSP）技术来实现，显著降低了相干通信中对于激光器特性的要求。综合考虑系统性能要求、实现复杂性和性价比等多种因素，对于100Gbit/s传输商用设备，业界一般看好的长距传输码型为采用相干接收的PDM-QPSK。另外，由于目前模/数转换器（ADC）和DSP芯片等处理技术水平的限制，几乎所有高速电信号处理芯片都没有商用解决方案，目前基于100Gbit/s信号的实时相干接收处理等尚待技术突破，这是100G WDM系统走向商用的最大技术瓶颈。

2．多层多域大规模组网

在网络向超高速率和超大容量演进的同时，随着电信IP化、宽带化、移动化成为全球发展趋势，网络视频、实时流媒体通信、大容量文件传输、存储区域网络等各种宽带数据业务迅速兴起，电信用户的数量和带宽需求也在不断增长，这就导致光网络的规模和传送容量飞速发展。而随着光网络的大规模扩展，一系列问题就会不断涌现。比如：大量路由和信令对网络资源的共享冲突；大量信息泛洪对网络设备造成冲击；跨运营商的网络控制与管理困难；仅支持有限的分级分层，难以体现多约束和优先策略；分布式资源调度、负载均衡与保护恢复困难，等等。这一系列问题将会导致光网络趋向层次化、区域化。

多层多域大规模智能光网络是未来传送网的发展趋势，在大规模光网络中，对“域”的分割一般都依据不同运营商或同一运营商网络的不同地理位置，或者是不同的交换技术而定。而对“层”的划分则存在两种方式：一种是从流量工程的角度，将小交换粒度相关的实体抽象成一个层网络，而将较大交换粒度的实体抽象成较低的层网络，即所谓的“Multi-Layer”（多层）；另一种是从拓扑抽象的角度，将网络的一组物理或逻辑节点抽象成一个上层实体进而构成高层网络，即所谓的“Multi-Level”（多级），如图1.10所示。两种层次划分技术是针对路径计算复杂化和路由控制分级化问题而提出的，二者互不矛盾反而相辅相成。图1.10 多层多域光网络示意图1.2.2 动态化需求

长期以来，骨干网分为两层：骨干路由器IP承载网（IP层）和骨干光传送网（光层），两层一直分别独立地发展。两者的联系集中在光层为IP层提供静态配置的物理链路资源，其他的联系却很少。IP层看不到光层的网络拓扑和保护能力；光层也无法了解IP层的动态业务需求。随着业务的迅速增长，IP层的路由器面临着巨大的扩容与处理压力。

这一现象的存在与光层在智能方面的发展滞后于IP层密切相关。我们看到，目前智能光网络的发展十分迅速。业界在大容量的SDH骨干传送网上支持通用多协议标签交换（GMPLS）智能调度后，新一代的OTN/DWDM系统又实现了跨越多层、对不同颗粒（波长/子波长）的动态与智能化调度。一些运营商业已明确提出了对基于 OTN/DWDM 的GMPLS/ASON 智能控制平面的需求；多个厂家也宣称已能支持基于 OTN/DWDM 的GMPLS/ASON智能控制平面。这一切都为在IP层和光层之间实现基于智能控制平面的统一调度奠定了基础。

另外，目前大型骨干IP承载网的组网模式一般是边缘路由器PE双归属到核心节点的P路由器上，P路由器完成PE路由器之间的业务转发和疏导。通过对骨干网络流量的分析，发现在经过P路由器的业务流量中，大约有50%以上属于“过境”的转发流量。这些“过境”流量大大加重了P路由器的负担。而且，这些“过境”流量对本地来说是不增值的。使用昂贵的路由器线卡处理这类流量，造成了网络成本和功耗的快速增长。实际上，这些“过境”流量完全可以通过光传送管道进行旁路，以降低P路由器的处理压力。这一切都必须实现IP层和光层的协作互动来解决。目前，这种IP层与光层之间的融合与统一调度已经成为一种趋势。由此可见，在IP业务多样性和突发性的驱动下，未来的光传送网必然面临着动态化需求，迫切需要增强光网络的智能性。1.2.3 优质化需求

在光传送网规模化和动态化的同时，传送网本身也面临着优质化需求。传送网本身的资源总是有限的。在现有的网络资源情况下，如何最优化网络资源的使用，不但关系到是否能够为更多的用户提供高质量的服务，还关系到网络的发展稳定。

另外，能耗问题已经成为全球各个领域科研人员最为关注的热点问题之一，也是目前超大规模电路由器遇到的瓶颈问题之一。以Cisco CRS-1为例，从表面上看，CRS-1拥有高达92Tbit/s的系统容量，可是仔细分析就会发现，92Tbit/s的系统容量只是理论上的或者峰值的，而不是实际容量。实际中因为耗能问题不可能达到92Tbit/s的容量。在能量效率方面Juniper公司走得更远，他们已经在节能领域进行了深入的研究并把他们的研究成果应用到Juniper T1600核心路由器（系统容量1.6Tbit/s）的设计中，使T1600的比特能耗达到了创纪录的6.2nJ/bit。而光学技术被认为是解决未来电耗能的主要技术手段[2]。所以，未来的光传送网也面临着绿色低能耗的需求。在资源和能耗限制因素的驱动下，网络的优质化需求日益凸显，迫切需要增强光网络的智能性来对两个方面的性能进行优化。

总之，未来光传送网面临着规模化、动态化、优质化的需求，而这些需求必然驱动未来 的光传送网向着更加智能化的方向发展，如图1.11所示。图1.11 承载网络技术演进路线

1.3 网络形式及关键技术

SDH 网络可以算是第一代的光网络，它的特点是以点到点波分复用（WDM）传输系统为基础，提供大容量、长距离、高可靠的业务传送，但所有的交换和选路在电层实现。20世纪 90年代中期发展的密集波分复用（DWDM）光网络技术进一步挖掘了光纤的带宽潜力，提高了网络的传输性能，但在联网技术上没有实现统一。ITU-T于20世纪末提出的OTN可以认为是第二代光网络，主要特点是在光层实现交换、选路等功能，从而成为真正意义上的“光”网络。OADM、OXC等光节点技术的成熟为OTN的发展铺平了道路，光网络的拓扑形式从环网向格形网演化，一些复杂的网络功能（如保护和恢复）也随之得以实现。目前，实际运营中的光网络正处于这一阶段。理论上讲，WDM、光时分复用（OTDM）、光码分复用（OCDM）等各种复用方式都可以用作OTN的实现手段。由于WDM应用的显著优势和已取得突破性进展，选择基于WDM的OTN方案最具发展前景，也是当前标准化的焦点。WDM光传送网采用光波长作为最基本的交换单元，以波长为单位完成对客户信号的传送、复用、选路和管理。

当前，在互联网业务高速增长所带来的巨大冲击下，光网络的变革正在深入，其发展的一个重要方向是IP层和光层技术的智能融合。这一点可以从各大标准组织的近期工作动向看出端倪。ITU-T酝酿并提出了“自动交换光网络（ASON）”的概念，其核心思想是在光网络中引入独立的控制层面。另外，IETF 将多协议标签交换（MPLS，Mutli-Protocol Label Switch）技术与光交换技术的有机结合，发展了GMPLS技术，其实质是想将日益成熟的IP协议族应用于光网络。这些不谋而合的举措显示了光网络朝着智能化方向发展的一个新趋势。

光传送网由于ASON技术的引入，其分层模型正在从传统的两层结构（管理平面和传送平面）向三层结构（控制平面/管理平面/传送平面）转变，控制平面具备传统光传送网管理面的智能控制，业务提供由集中式人工配置演变为分布式自动提供。1.3.1 同步数字体系（SDH）

随着光纤通信在电信网中的普及应用，开发高速数字系列的光纤同步网成为世界各国的共识。1985年，美国贝尔通信研究所（Bellcore，后更名为 Telcorida）最早提出同步光网络（SONET）的概念；1988年原国际电报电话咨询委员会（CCITT，即ITU-T的前身）将其发展成为同步数字体系（SDH），并建立了世界性的统一标准。此后，SDH/SONET开始在各国大规模建设，它标志着现代光网络的兴起。

SDH由一整套分等级的标准数字传送结构组成，称为同步传送模块STM-N（N＝l，4，16，64，…）。其中最基本的模块为STM-1，传输速率为155.520Mbit/s；相邻等级的模块速率之间保持严格的4倍关系。SDH具备块状帧结构，每帧包含9270N字节，帧重复周期固定为125s，按功能划分成段开销、净负荷和管理单元指针3 个区域。段开销区存放与网络运行、管理、维护和指配功能相关的附加字节；净负荷区存放用于电信业务的比特及少量用于通道维护管理的通道开销字节；管理单元指针用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置，以便接收时能正确分离净负荷。指针技术是SDH的重要创新。

SDH规范了一整套特殊的复用方法，描述现有的各种数字信号，包括PDH、ATM和IP等，以及将来未知格式的新的信号类型可能采取何种路线、经历怎样的途径被载入同步传送模块中，因而具有广泛的兼容性。如图1.12所示，不同业务在进入SDH帧结构时需要经过3个基本步骤，即映射、定位和复用。映射是一种在SDH网络边界处使各支路适配进虚容器的过程，其实质是各支路信号与相应的虚容器同步，以便使虚容器成为可以独立地传送、复用和交叉连接的实体；定位是一种将帧偏移信息收进支路单元或管理单元的过程，它通过支路单元指针或管理单元指针功能来实现；复用是一种把多个低阶通道层信号适配进高阶通道层，或者把多个高阶通道层信号适配进复用段层的过程。图1.12 SDH的复用结构

SDH提出了一套完整而严密的传送网解决方案，是目前传送网应用最成功的范例。SDH传送网指由一些SDH网元组成的，在传输媒质上（如光纤、微波等）进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络。SDH通道层支持一个或多个电路层网络，为电路层网络节点之间提供透明的通道连接。包括低阶通道层和高阶通道层，其传送实体分别是不同种类的虚容器。传输媒质层支持一个或多个通道层网络，为通道层网络节点之间提供合适的传输容量。包括段层和物理层，前者涉及为提供通道层节点间信息传递的所有功能，又可细分为复用段层和再生段层；后者涉及具体支持段层网络的物理媒质类型，与开销无关。

综上所述，SDH既是一套新的国际标准，又是一个组网原则，也是一种复用方法。最重要的是，它提供了一个在国际上得到广泛认可的标准框架，在此框架基础上可以构建出灵活、可靠、易管理和可持续发展的新型电信传送网络，不仅为新业务的开发提供了兼容的传输解决方案，还使得不同厂商设备之间的互通成为可能。

SDH体系以其良好的性能得到了大家的公认，但它代表的毕竟是一项发起于20世纪80年代末的传送技术，在今天看来它的很多做法都明显带有那个时代的印迹以及认知上的局限性。SDH之所以10多年来一直焕发着勃勃生机，一个原因应归功于其优异的性能表现、业界的一致认同和广泛应用，另一个重要原因就是SDH拥有“自身造血”的本领，其开放化的体系结构、层次化的组织方式、模块化的处理过程，都保证了能够在SDH已有范畴之内，通过直接引入新的技术，或者与其他一些先进技术相融合，提供原先不具备的网络传送功能，开辟出新的应用领域，从而推动了SDH技术的可持续发展。SDH未来的演变趋势可以概括为如下3个方面。（1）高速化。光电器件的最新进展加快了SDH迈向超高速应用领域的步伐，大容量和高速化的新一代SDH设备成为主流。10Gbit/s系统已完全成熟并大量商用，人们正在围绕40Gbit/s技术展开激烈竞争。（2）数据化。IP业务爆炸式增长的势头不容小觑，业务天平已经开始由传统的话音服务向数据方向倾斜，主体业务的易位可能只是一个时间早晚的问题。为了满足SDH网同时支持分组数据传输的要求，POS、VCAT、GFP、LCAS等一系列技术概念和解决方案脱颖而出，正推动SDH向新一代的数据化多业务传送平台（MSTP）的方向不断发展。（3）智能化。随着ASON概念的提出，支持自动交换的智能新型传送网解决方案逐步形成，并且在全球开始掀起一场新的高潮。这种影响对SDH而言将是深远和革命性的，其作用现在还无法完全估量。1.3.2 光传送网（OTN）

SDH属于第一代光网络。其本质上是一种以电层处理为主的网络技术，业务只有在再生段终端之间转移时保持光的形态，而到节点内部则必须经过光/电变换，在电层实现信号的分插复用、交叉连接和再生处理等。换句话说，在SDH网络中，光纤仅仅作为一类优良的传输媒质，用于跨节点的信息传输，光信号不具有节点透过性。此时，整根光纤被笼统地视为一路载体，就像是一条宽阔的高速公路，由于没有划分车道，所以只能安排一组车流的通过。信号传输与处理的电子“瓶颈”极大地限制了对光纤可用带宽的挖掘利用。

第二代光网络的核心是解决上述电子“瓶颈”问题，20世纪90年代中期，人们首先提出了“全光网”的概念。发展全光网的本意是信号直接以光的方式穿越整个网络，传输、复 用、再生、选路和保护等都在光域上进行，中间不经过任何形式的光/电转换及电层处理过程。这样可以达到全光透明性，实现任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。全光网络能克服电子瓶颈，简化控制管理，实现端到端的透明光传输，优点非常突出。然而，由于光信号固有的模拟特性和现有器件水平，目前在光域很难实现高质量的3R再生（再定时、再整形、再放大）功能，大型高速的光子交换技术也不够成熟。人们已逐渐认识到全光网的局限性，提出所谓光的“尽力而为”原则，即业务尽量保留在光域内传输，只有在必要的时候才变换到电上进行处理。这为二代光网络—“光传送网”的发展指明了方向。

1998年，ITU-T正式提出了OTN的概念。从功能上看，OTN的出发点是在子网内实现透明的光传输，在子网边界处采用光/电/光（O/E/O）的3R再生技术，从而构成一个完整的光网络。OTN开创了光层独立于电层发展的新局面，在光层上完成业务信号的传送、复用、选路、交换、监视等，并保证其性能指标和生存性。它能够支持各种上层技术，是适应各种通信网络演进的理想基础传送网络。全光处理的复杂性使得光传送网成为当前历史时期的必然选择，随着技术和器件的进步，人们期待光透明子网的范围将会逐步扩大至全网，在未来最终实现真正意义上的全光网。

OTN是由功能结构的描述提出的一种网络模型，与所采用的具体技术无关。理论上讲，WDM、OTDM、OCDM等各种复用方式都可以用作OTN的实现手段。由于WDM应用的显著优势和已取得突破性进展，选择基于WDM的OTN方案最具发展前景，也是当前标准化的焦点。WDM 光传送网采用光波长作为最基本的交换单元，以波长为单位完成对客户信号的传送、复用、选路和管理。

根据传送网的通用原则，OTN被分解为若干独立的层网络，为反映其内部结构，每一层网络又可分割成不同子网和子网间链路。一般分为全功能和弱化功能光传送模块（OTM）接口，如图1.13所示，OTN中的光层结构自底向上依次为光传输段层（OTS）、光复用段层（OMS）和光信道层（OCH）。ITU-T G.709建议进一步规定，基于数字包封技术的OCH层又可细分为光信道的净荷单元（OPU）、数据单元（ODU）和传输单元（OTU）。这种面向子层的划分方案既是出于多协议业务适配到光网络传输的实际需要，也是考虑到网络维护管理的简单性而得出的必然结果。图1.13 OTN的分层结构（1）光传输段层。该层为光复用段信号在不同类型的光媒质（如 G.652、G.653、G.655光纤等）上提供传输功能。由光复用段和光监控信道（OSC）构成，OSC用来支持光传输段开销信息、光复用段开销信息，以及非随路的光信道层开销信息。整个光传送网架构在最底层的物理媒质基础上，即物理媒质层网络应当是光传输段层的服务者。（2）光复用段层。该层保证相邻两个波长复用传输设备之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。它可以处理光复用段开销，保证多波长光复用段适配信息的完整性；实施对光复用段的监控，支持段层的维护和管理；解决复用段生存性问题等。OADM、OXC等OTN设备的线路端口均工作在此层。（3）光信道层。该层通过位于接入点之间的光信道路径给客户层的数字信号提供传送功能，负责为不同类型的客户建立连接并维护端到端的光通道，处理相关的光信道开销，如各类连接监视、自动保护倒换等信息。光信道层是支持上层业务透明适配的关键层次，其灵活的组网能力也是OTN最重要的一项功能。

严格地说，凌驾于光层之上的业务层网络不是OTN的组成部分，但作为一种多协议兼容的综合化网络平台，OTN应当支持各种客户类型的传送。这些客户对象包括SDH/SONET、ATM、Ethernet、IP、帧中继、FDDI等，可以归为面向连接和面向无连接两类情况。

2004年以前定义的OTN能够为客户层信号提供传送、复用、保护和监控管理等功能，支持STM-N、ATM和通过GFP映射支持吉比特以太网（GE）信号。不久，人们发现OTN在承载以太网业务时表现出不适应。第一，针对GE业务没有相匹配的速率等级，若将两个GE映射到一个ODU1中进行调度，则要求两个GE业务同时终结。第二，OTN不能很好地满足10GE的比特透明传送，10GE的线路速率为10.312 5Gbit/s，而相应速率等级的ODU2的净负荷速率只有9.995Gbit/s，低于10GE信号的速率。为此，2006年ITU-T制定了补充文件来定义OTN传送10GE信号，包括超频和采用GFP-F等5种解决方案。但要么破坏了信号的比特透明性，对未来的业务（如同步以太网等）带来了隐患，运营商不能接受，要么存在与STM-N互联互通问题。

随着如ETH、GPON等多业务接口的应用，现有的OTN容器以及传统的映射方式（AMP和BMP）已经不能满足OTN全业务承载需求。2007年，华为首次提出了灵活的传送容器ODUflex概念，为IP业务和将来业务的承载提出了新思路。同年，提出了数据时钟分离和多字节映射的全新GMP架构，简化了ODUflex设计的复杂度。经过多次会议的讨论，ODUflex和GMP方案于2009年10月被ITU-T正式接纳。ODUflex提供灵活可变的速率适应机制，使得OTN能够高效地承载包括IP在内的全业务，并最大限度地提高线路带宽利用率。目前ITU-T定义了两种形式的ODUflex，一种是基于恒定比特速率（CBR）业务的ODUflex，速率可以是任意的，CBR业务通过同步映射封装到这种 ODUflex；另一种是基于包业务的ODUflex，这种ODUflex的速率为HOODU时隙的N倍，包业务通过GFP封装到ODUflex。ODUflex的提出使得OTN具备了将来业务的承载能力。GMP解决了客户信号到LOODU及LOODU到HOODU的映射，如STM-1/STM-4、GE等信号通过GMP映射到LOODU0，以及ODUflex映射到HOO-DUk（k＝2，3，4）等。

OTN是一项年轻的新技术，与SDH相比，OTN在大颗粒度的带宽利用方面更具潜能。在未来较长的一段时间内，SDH和OTN技术将互为补充、共存发展。如何协调二者的关系，甚至做到集成一体应用，是光网络建设过程中必须解决的现实问题。1.3.3 自动交换光网络（ASON）

无论是SDH还是OTN，都是典型的传送网技术。所谓传送网，是指完成电信传送功能的具体手段的集合构成的逻辑网络，它可以将客户信息双向或单向地由一点传递到另一点或其他多点，也可以转移各种类型的网络控制信息。传送网的体系结构实质上包含了传送功能和控制功能两大主线。从传送功能的实现手段来看，围绕通道层的实现技术，具体形成了SDH传送网、光传送网等类型；从控制功能的实现手段来看，下一代传送网已经将关注的焦点由传送的“宽带化”逐步向控制的“高性能”方向转变，形成了ASON、自动交换传送网（ASTN）等全新的概念。ASON已经实现了大规模的商用。

ITU-T建议G.8080和G.807分别定义了一个与具体技术无关的ASON/ASTN光网络体系结构。以ASON为例（如图1.14所示），它包括3个独立的平面，即控制平面（CP）、传送平面（TP）和管理平面（MP）；3个平面之间通过DCN相连，DCN是一个负责路由、信令、链路资源管理以及网络管理信息传送的信令通信网。图1.14 ASON的体系结构

传送平面由一系列的传送实体组成，用来为不同的用户传递业务信息。这些信息的发送可以是单向的，也可以是双向的，为此传送平面需要实现客户信号的适配、随路开销信息的插入和提取、传输链路上的功率均衡、色散补偿以及链路和通道性能的监测等。除了传递用户信息以外，传送平面还可以传递部分控制信息和网络管理信息。

控制平面是整个ASON的核心部分，它主要执行呼叫控制和连接控制的功能。ASON控制平面具有智能性，这些智能包括自动发现功能、路由功能和信令功能。另外，在连接出现故障的时候，控制平面能够进行快速而有效的恢复。

管理平面用来对传送平面和控制平面进行管理并对各平面的操作进行协调。管理平面可以对网元、网络进行管理，也可以对业务进行管理。通常，管理平面在智能性上不如控制平面，其部分的管理功能已被控制平面所取代。ASON的管理平面与控制平面互为补充，可以实现对网络资源的动态配置、性能监测、故障管理以及路由规划等功能。可以说，ASON的管理系统是一个集中管理与分布智能相结合，面向运营商的维护管理需求与面向用户的动态服务需求相结合的综合化的光网络管理方案。

虽然各个平面的功能独立，但由于它们都是对某些共同的资源进行操作，因此彼此间也必然存在一定的相互操作。由图1.14可以看出，这种平面之间的功能联系分为以下3种类型：（1）管理平面与传送平面的互操作；（2）控制平面与传送平面的互操作；（3）管理平面与控制平面之间的互操作。

管理平面与传送平面之间的交互是通过对一套信息模型进行操作来完成的，此信息模型反映了管理平面对设备的管理范围。管理平面的管理对象通过管理信息接口与各种 ITU-T G.805所定义的原子功能模型进行交互，而每个原子功能模型代表了网元内特定传送处理功能的集合，管理对象和管理信息接口在物理上处于相同的传送资源中。控制平面与传送平面之间交互的信息模型与管理平面类似，而且，控制平面的这些信息模型与管理平面的信息模型还存在部分的重复。

控制平面中的每个组件都有一套接口来对相关策略进行监测和设置，以及对组件内部行为进行影响，这些接口都是通过管理平面来配置的。值得注意的是，管理平面并不会通过控制平面的这些组件来访问相关的资源，而只是对组件本身进行管理维护。管理平面和控制平面之间也是通过一套特定的信息模型来实现彼此之间的互操作。

为了保证智能光网络各个实体之间信息的传递，ITU-T 定义了不同的逻辑接口来规范通信规则。图1.14 中定义了连接控制接口（CCI）、网络管理 A 接口（NMI-A）和网络管理T接口（NMI-T）。CCI是控制平面和传送平面之间的接口，它负责将交换控制指令从控制平面发送到传送平面网元，以及将资源状态信息从传送平面网元发送到控制平面。NMI-A和NMI-T是实现管理平面对控制平面和传送平面管理的接口，其中对控制平面的管理主要是对信令、路由和链路资源等功能模块进行配置、监视和管理，而对传送平面的管理包括基本的传送平面网络资源的配置，日常维护过程中的性能检测和故障管理等。1.3.4 波长交换光网络（WSON）

波长交换光网络（WSON，Wavelength Switched Optical Network）是IETF标准组织倡导的目前OTN的骨干传送网和第三代全光网的智能波分智能波分标准，也就是基于WDM传送网的ASON。除了传统ASON的功能外，主要解决波分网络中光纤/波长自动发现、在线波长路由选择、基于损伤模型的路由选择等问题。

其中，WSON控制技术，实现了光波长的动态分配。WSON是将控制平面引入到波长网络中，实现波长路径的动态调度。通过光层自身自动完成波长路由计算和波长分配，而无需管理平面的参与，使波长调度更智能化，提高了WDM网络调度的灵活性和网络管理的效率。目前WSON可实现的智能控制功能主要包括以下几项。

①光层资源的自动发现：光层波长资源发现，主要包括各网元各线路光口已使用的波长资源、可供使用的波长资源等信息。

②波长业务提供：自动、半自动或手工分配波长通道，并确定波长调度节点，避免波长冲突问题。路由计算时智能考虑波长转换约束、可调激光器、物理损伤和其他光层限制。

③波长保护恢复：支持抗多点故障，可提供OCH 1＋1/1∶N保护和永久1＋1保护等，满足50ms倒换要求；可实现波长动态/预置重路由恢复功能，但目前恢复时间可实现秒级。

目前，WSON是ASON控制技术的一个研究方向。IETF CCAMP工作组在制定WSON 的需求草案，主要实现光层资源发现、波长路由计算和信令协议扩展等方面内容。目前已完成了WSON架构和需求，以及支持WSON的协议扩展等标准化工作。表1.1所示为WSON与传统WDM网络在系统管理上的区别。虽然WSON还属于正在标准化的技术，其成熟和应用还需要一定时间，但它的应用给网络带来的增加值是值得肯定的。首先，提供自动创建端到端波长业务，路由计算时自动考虑各种光学参数的物理损伤和约束条件，一方面大大降低了人工开通的复杂度，另一方面，路由计算更加合理优化，有效提高了网络资源的利用率。其次，提供较高的生存能力，可以抗多次故障，在网络运行中，降低了故障抢通时间的要求，大大缓解了日常故障抢修给维护人员带来的压力。表1.1 WSON与传统WDM系统管理对比

目前ASON设备的传送平面相对成熟，主要是基于SDH的ASON设备，它的交叉矩阵从160Gbit/s到Tbit/s不等，主要是320Gbit/s和640Gbit/s，处理的颗粒为VC-4-nC/V，部分支持G.709。在OTN中，核心交叉还是基于SDH-VC交叉，只是增加了OTN封装，电层带宽颗粒为光通路数据单元（ODUk，k＝1，2，3），即 ODU1（2.5Gbit/s）、ODU2（10Gbit/s）和 ODU3（40Gbit/s），光层的带宽颗粒为波长，相对于SDH的 VC-12/VC-4的调度颗粒，OTN 复用、交叉和配置的颗粒明显要大很多，对高带宽数据客户业务的适配和传送效率显著提升。目前的ASON/GMPLS控制平面技术还是以SDH-VC粒度的交叉为交换对象，研究业务快速配置、网络生存性以及互联互通等问题。而在波长交换光网络中交叉连接的对象是光层波长通道，控制平面在基于波长级别路径的选路和分配资源上存在两方面的挑战。（1）波长一致性约束

在波长交换光网络中，由于全光波长交换器技术的不成熟以及造价太高，导致波长交换光网络交换节点还是以不具备全光交换能力的ROADM（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer）设备为主。在这种不具备全光交换能力的波长交换光网络中，任何两条光路在它们共同经过的光纤链路上，不能使用相同的波长，这种约束称为波长一致性约束。（2）物理损伤约束

波长交换光网络面临着光纤信道中模拟传输所要遇到的各种问题，特别的，在选择一个波长通道时，各种物理层的约束因素都需要考虑到，如源节点启动的功率预算、偏振模色散、色度色散、放大器自发辐射、信道间的串扰和其他非线性效应。在路径计算过程中，通常假设所有的路由都能满足信号质量，因此不需要考虑物理损伤约束。一个光网络可以分成区域大小有限的几个子网，然而，随着网络规模的扩大、传输距离的增大，一个区域太大，以至各种物理损伤将被累积，不能保证所有的波长通道都满足信号传输质量。在这种情况下，物理损伤约束应该直接包括在路由状态信息、信令信息和相关的路由算法中。这种约束被称为物理损伤约束。

当前，WSON网络及节点设备的研发正在进行，主要是为了满足光网络规模化、动态化以及优质化的需求，实现透明的大容量光组网与光交换。1.3.5 分组传送网（PTN）

分组传送网（PTN）是又一个智能光网络的重要发展方向。基于分组交换、面向连接的多业务统一传送技术，不仅能较好地承载电信级以太网业务，满足业务标准化、高可靠性、灵活扩展性、严格的服务质量（QoS）和完善的运行管理维护（OAM）等5个基本属性，而且兼顾了支持传统的时分复用（TDM）和异步传输模式（ATM）业务，继承SDH网管的图形化界面、端到端配置等管理功能。目前，PTN应用在城域网范围，承载移动回传、企事业专线/专网等有QoS要求的业务，实现中国运营商城域传送网从TDM向分组化的逐步演进。

PTN有以下两类具体实现技术。

一类是从IP/MPLS发展来的传送多协议标记交换（MPLS-TP）技术。该技术抛弃了基于IP地址的逐跳转发机制，并且不依赖于控制平面来建立传送路径；保留了MPLS面向连接的端到端标签转发能力；去掉了其无连接和非端到端的特性，即不采用最后一跳弹出（PHP）、标记交换路径、合并等价多路径等，因此具有确定的端到端传送路径，并增强了满足传送网需求；且具有传送网风格的网络保护机制和OAM能力。另一类是从以太网发展而来的面向连接的以太网传送技术，如IEEE 802.1Qay规范的运营商骨干桥接—流量工程（PBB-TE）。该技术在IEEE 802.1ah运营商骨干桥接（PBB，即MAC in MAC）基础上进行了改进，取消了媒体访问控制（MAC）地址学习、生成树和泛洪等以太网无连接特性，并增加了流量工程（TE）来增强QoS能力。目前PBB-TE主要支持点到点和点到多点的面向连接的业务传送和线性保护，暂不支持面向连接的多点到多点之间的业务传送和环网保护。

这两类PTN实现技术在数据转发、多业务承载、网络保护和OAM机制上有一定差异。从产业链、标准化、设备商产品及运营商应用情况来看，MPLS-TP 技术发展趋势要优于PBB-TE，因此，MPLS-TP是目前业内关注和应用的PTN主流实现技术。

PTN具有以下技术特征。

①采用面向连接的分组交换（CO-PS）技术，基于分组交换内核，支持多业务承载。

②严格面向连接。该连接应能长期存在，可由网管手工配置。

③提供可靠的网络保护机制，并可应用于PTN的各个网络分层和各种网络拓扑。

④为多种业务提供差异化的QoS保障。

⑤具有完善的OAM故障管理和性能管理功能。

⑥基于标签进行分组转发。OAM报文的封装、传送和处理不依赖于IP封装和IP处理。保护机制也不依赖于IP分组。

⑦支持双向点到点传送路径，并支持单向点到多点传送路径；支持点到点（P2P）和点到多点（P2MP）传送路径的流量工程控制能力。

分组传送网络包括3个PTN层网络（如图1.15所示），分别是PTN虚通道（VC）层网络、PTN 虚通路（VP）层网络和 PTN 虚段层（VS）层网络。PTN 的底层是物理媒介层网络，可采用IEEE 802.3以太网技术或SDH、OTN等面向连接的电路交换（CO-CS）技术。图1.15 PTN的网络分层结构

由于客户业务层（也称为传送业务层）与VC层之间的不同关系，多采用客户/服务层业务模型：将用户信号作为PTN VC层的客户层信号，并封装进PTN的VC信号；PTN的VC和VP层之间、VC和VS层之间、VP和VS层之间、PTN VS和物理媒介层之间是客户/服务层关系。对于没有PTN VS层的情况，PTN VC和物理媒介层以及PTN VP和物理媒介层之间是客户/服务层关系。

当前MPLS-TP的标准化和产业化都在快速推进，IETF和ITU-T将已基本完成MPLS-TP各关键技术的标准化。相信基于MPLS-TP技术的PTN可以较好地满足3G无线基站回传、高品质数据业务以及企事业专线/专网等电信级的业务承载需求，实现我国城域传送网从传统TDM机制向分组化的演进，特别是受我国运营商3G RAN IP化市场需求的进一步推进，PTN产业链将走向成熟，设备性价比不断提高，逐渐达到与现有MSTP相当的价格水平，在我国运营商的城域传送网中进入“大规模应用”阶段。

1.4 国内外最新研究现状

关于光网络国际标准的相关进展，将主要从以下几个方面进行简要介绍。

1．ASON标准进展

ITU-T对智能光网络的关注始于1999年，由Nortel和Lucent作为主要发起者，在T1X1.5会议上提出了 ASON的研究点和要求，初步确定了 ASON控制平面独立于传送平面的基本框架。之后，随着ASTN和OTN的概念的提出，ASON被定义为“适于OTN的ASTN”。迄今为止，涉及ASON标准化工作的组织有ITU-T、OIF、IETF等，一系列的ASON建议被制定，定义了ASON的总体体系结构，规范了通用功能，并给出了ASON核心技术（如数据通信网、分布式呼叫和连接管理、自动发现、路径计算等）的实现需求，标志着ASON已经酝酿成熟。ASON标准架构如图1.16所示。图1.16 ASON标准架构

2．OTN标准进展

1998年ITU-T提出OTN的概念取代过去AON的概念。从OTN功能上看，OTN的一个重要出发点是子网内全光透明，而在子网边界处采用O/E/O技术。于是ITU-T开始提出一系列的建议，以覆盖光传送网的各个方面。由于OTN是作为网络技术来开发的，许多SDH传送网的功能和体系原理都可以效仿，包括帧结构、功能方案、网络管理、信息方案、性能要求、物理层接口等系列建议。2000年之前，OTN标准化基本采用了与SDH相同的思路，以G.872光网络分层结构为基础，分别从物理口、节点接口等几方面定义了OTN。2000年以后，由于ASTN的出现，OTN的标准化发生了重大变化，标准中增加了许多智能控制的内容，例如自动路由发现、分布式呼叫连接管理等被引入了控制平面，以利用独立的控制平面来实施动态配置连接管理网络。另外，对G.872也作了比较大的修正，针对ASON引入的新情况，对一些建议进行了修改。涉及物理层的部分基本没有变化，例如物理层接口、光网络性能和安全要求、功能方案等。涉及G.709光网络节点接口帧结构的部分也没有变化。变化大的部分主要是分层结构、网络管理。另外引入了一大批新建议，特别是控制层面（Control Plane）的建议。迄今为止，随着一系列的OTN标准和草案被制定，OTN技术逐渐成熟。如图1.17所示。图1.17 ITU-T OTN标准体系结构（传送平面和管理平面）

3．WSON标准进展

2007年6月华为首次正式提出WSON的概念，向IETF组织提交WSON框架和需求草案，并被采纳。华为主导完成了3篇WSON重要[52]标准草案和7篇WSON系列标准文稿。在 IETF草案中，介绍了基于GMPLS和路径计算单元（PCE，Path Computation Element）的控制平面框架，详细描述了波长交换光网络下关键的子系统和处理过程。子系统包含波分复用链路、可调节激光收发器、ROADM和波长转换器。同时，对路由和波长分配过程需要的信息进行分类，提出几种备选控制平面方案。但在该草案中，没有考虑物理损伤因素。在 IETF[53]草案中，介绍了扩展 GMPLS信令协议支持 WSON。在IETF草案[54-58]

中，介绍了扩展路由协议（OSPF）支持WSON网络，包括支持物理损伤信息的泛洪、支持信号的兼容性、定义链路信息方案、支持[59]路由计算和波长分配算法。在IETF草案中，介绍了WSON中RWA[60-62]方案建立的相关信息，并规范了具体的编码格式。在 IETF草案中，介绍了扩展 PCEP（Path Computation Element communications Protocol）支持 WSON，包括路由计算和波长分配算法、物理损伤信[80]息、信号兼容性限制。ITU-T G.680标准根据放大的自发辐射（ASE）噪声、非线性损伤、色度色散、偏振模色散等因素定义了光网络单元（ONE）的物理功能转移函数。当光信道被激活或者重路由时，基于规范的各 ONE 转移函数分析得到相应劣化量，从而估算出信道误码率以判断是否满足系统性能要求。该标准的制定为未来的[81]光网络智能连接和自适应传输提供了基础保证。ITU-T G.667标准定义了与自适应色散补偿器有关的要求和关键参数，由中兴公司负责起草。该标准的制定和实施能很好地提高光网络的自适应性能以及网络的工作效率和动态性能指标。1.4.2 研发进展

下面简要介绍近年来国内外典型的光网络重点研究项目。1.4.2.1 国外重点项目

1．美国（1）GENI（全球网络创新环境）项目

2005年1月，由Tom Anderson、Larry Peterson等30位美国互联网专家人发起，向美国NSF提交了试图重构下一代互联网的建议报告，于是GENI项目浮出水面。2005年8月底，NSF专家将该项目目标定为创建一个新的互联网和分布式系统架构，耗资3亿美元，为期10年。该项目的目标是利用现有网络探索新的网络架构、交换模式、控制管理及协议、算法，通过可编程、可重构的光网络设备和网络节点，支持未来各种业务，并催生新的业务和应用，从而诱导新的产业链的产生。该项目提出面向新型增值业务的智能业务提供技术，其中详细论述了网络管理系统与控制技术相结合对支撑增值业务的必要性，构建创新的互联网试验环境，为大规模和长期的互联网试验提供一个共享性、专用性和基础性的试验平台。（2）美国CORONET（动态多太比特核心光网络）项目

2006年8月，美国国防部先进研究项目署（DARPA）发布了Dynamic Multi-Terabit Core Optical Networks: Architecture，Protocols，Control and Management（CORONET）“动态多太比特（Tbit）核心光网络”研究项目。目的是彻底改变美国全球互联网络基础设施的可操作性、性能、生存性和安全性。更确切地说，就是寻求改善高度动态、多太比特（multi-terabit）核心光网络体系结构、协议、控制和管理的方案，并在美国建立一个面向全球范围内的网络，支持多种业务的能力是现有网络的10倍以上，每比特费用、设备大小和功耗将大大减小，并极大地简化网络操作程序。快速建/拆链使当前需要几天甚至几周的光链路建立缩短为100ms，从而对网络故障和被攻击做出快速应急，保障快速、有效的网络保护和多点故障恢复，支持跨全球的各种业务和应用，使目前光网络的容量提升数10倍。

2．欧洲（1）NOBEL（下一代光宽带网络在欧洲）

欧盟于2004年启动的NOBEL，分3个阶段实施，计划将持续到2015年。其目标是为灵活的智能光网络的发展和演进探索出一种创新的网络解决方案和措施。使未来的网络技术能够支持任何时候任何地点的业务接入和传送、业务服务管理和多业务综合、动态分配带宽、基于分布式的控制等，通过扩展现有协议，实现多层流量工程和保护恢复。其中，在该项目的第二阶段中针对目前多层多域光网络控制面和管理面在多业务支撑中存在的问题，明确提出了管控进行协同的目标，并且设计了管理信息模型和策略信息模型，初步实现了有效的管理面和控制面的信息交互。（2）欧盟BONE（构建欧洲未来光网络）项目

欧盟于2008年1月1日新启动的BONE（Building the future Optical Network in Europe）项目，是欧盟重大光网络专项e-Photon/ONe ＋与NOBEL（Next generation Optical network for Broadband European Leadership）项目之后的滚动项目，其目的是继续推进光网络基础研究，不仅仅为了推进欧盟国民经济的发展，更是为了抢占在该领域的科技制高点。该项目的目标是探索创新的光网络解决方案，研究内容包括光网络体系、快速光交换机制、宽带接入、动态流量工程、多业务、网络生存性、控制管理等角度，利用现有欧洲各国网络基础设施，探索和建立适合欧盟的下一代光网络体系新架构，支持未来的各种新业务。（3）其他相关项目

早在2002年，欧盟资助的WINMAN（WDM andIPNetwork Management）项目在IP overWDM框架下，提出了通过统一的管理体系架构来实现两层网络融合的思路，旨在提供一种快速、可靠的，支持区分业务的连接建立能力。其中提出了一种管理面对控制面操作的触发机制，以此来实现管理面特定的请求。基于XML和CORBA IDL语言来实现对异构网络间接口的描述，目的在于实现开放的、可扩展的网络管理系统，进而在IP over WDM网络中，基于业务的SLA实现通道的提供和维护。

2002年启动的ADRENALINE（All-optical Dynamic REliable Network hAndLIng IP/Ethernet Gigabit traffic with QoS）实验平台的研究，采用基于GMPLS的分布式控制平面和分布式的管理平面结构，结合管理面和控制面的交互机制，并且融合了标准的SNMP和基于XML的通信机制，目的在于到2010年能够建立起一套完整的动态业务管理体系，实现传统运营商管理型的网络到允许新用户参与业务提供的转变。2003年，西班牙实施的 NetCat（Intelligent optical Network for advanced networks in Catalonia）项目，旨在设计和测试一个区域性的 DWDM 光环网和GMPLS 控制面，以实现在多用户（可以参与光路管理）情况下的实时的、动态的光通道配置。通过平面间的交互，初步实现了毫秒级动态带宽按需提供（BoD）。

3．日本NWGN（新一代网络）项目

日本从2007年已经开始标准化并建设下一代网络（NXGN，NeXt Generation Network）。为了推进日本在光网络研究领域继续位于国际领先行列，日本已经开展 NWGN（ NeW Generation Network）计划，主要应用于2015年之后的光网络，为未来的光网络发展预作准备。NWGN项目的主要目的是实现光网络的控制由电层逐渐向光层转移，为后IP时代作技术准备。

1.4.2.2 国内研究现状

国内方面，一些大型相关的网络研究项目一直得到有关部门的高度重视。包括早期的中国高速互连研究试验网（NSFCNET），国家自然科学基金委资助；《网络与信息安全重大研究计划》，2001年由国家自然科学基金委组织实施；2003年启动的中国下一代互联网示范工程（CNGI），国家发改委牵头等。进入“十一五”以来，也先后启动了多项有关光传送网的重大专项，包括高可信的网络在内的一大批科技攻关项目相继实施。我国目前已经攻克了40Gbit/s的关键技术，在国际上首次实现了40Gbit/s SDH在G.652或G.655光纤上传送560km、80×40Gbit/s信号传送800km。一些厂商的吉比特级的OTN设备已经商用，如Infinera公司的DTN WDM设备交叉容量达到400Gbit/s，华为的OSN6800设备交叉容量可达到320Gbit/s，太比特级的OTN设备也正在研发当中。国内运营商对OTN技术的发展和应用也颇为关注，从2007年开始，中国电信、中国联通和中国移动等已经或者正在开展OTN技术的应用研究与测试验证，而且部分省内或城域网络也局部部署了基于OTN技术的（试验）商用网络，组网节点有基于电层交叉的OTN设备，也有基于ROADM的OTN设备。

早在“十五”期间“863”计划就支持建立了高性能宽带信息网（3Tnet），引入ASTN功能解决网络高带宽、可运营、可管理等问题；国家发改委启动中国下一代互联网示范工程（CNGI），研究IPv6等新一代的互联网体系与应用；自然科学基金委发起“网络与信息安全”重大研究计划，研究太比特级WDM光网络及其智能节点功能。

光网络领域的研究也是“十二五”的重要研究内容。2010年发布了“863”计划“三网 融合演进技术与系统研究”重大项目的研究指南，项目的总体目标是以自主创新为核心，引领和支撑三网融合发展、推动国家信息化、培育战略性新兴产业。在网络带宽、网络安全、网络技术、新兴产业带动和试验示范等方面能与发达国家宽带计划竞争，实现我国信息网络产业从跟踪到引领的跨越。项目重点研究内容包括：面向三网融合的新型网络体系架构；支持用户带宽演进到 100Mbit/s 的光纤、无线、同轴接入网络的体系标准、核心装备和核心技术；面向三网融合的网络安全体系；面向三网融合的业务网络体系和支撑广播电视网和电信网络向三网融合演进的试验示范。

同时，国家重点基础研究计划（“973”计划）2006年部署了“新的网络体系基础研究”重要支持方向，包括多层多域多颗粒光传送网内容；以及“十五”国家重大科技专项“重要技术标准研究专项”之一的“自动交换光网络和宽带IP技术的研究”，旨在提出ASON和宽带IP系列标准，用于指导自动交换光网络和宽带IP领域中相关设备的研制、开发与测试。值得提出的是，“973”计划2009年启动了两个关于光网络的研究项目，项目关注超高速光传输与光波交换/路由的基础研究，主要研究：大容量、智能化的光网络体系和光波交换/路由理论；适于长途干线超高速光传输的具有高谱效率的新型光调制/解调方式、非线性效应的抑制方法和色散管理机制；可支持 Tbit/s 速率和 Pbit/s容量的光节点实现的关键科学问题和组网方式及路由算法，建立灵活配置、可控可管的光网络模型。

应该说，近年来，对于传送网/光网络方面的研究已成为我国信息领域的投资和研究的重点之一。通过多个国家级重大、重点项目的顺利实施，建立了高效率、可扩展、低功耗、安全性要求的超大容量光网络体系，以满足我国网络基础设施建设的重大需求。

1.5 光网络的规划与优化问题

近几年来，光通信技术取得了飞速发展，作为下一代光传送网的主流方向之一，以ASON为代表的智能光网络主要采用网状网结构，通过引入控制平面完成连接的自动建立、维护与删除，从而实现网络的智能化。目前，ASON技术已逐渐走向成熟，开始在国内外的电信网中大量应用，并取得了很好的应用效果。在传送技术不断发展的今天，为了更好地引入新兴技术，同时考虑业务分布模式、变化的经济条件，以及新的网络概念，有效的网络规划和设计是必要的，这也是未来智能光网络发展的重要技术课题之一。所谓规划，是指为实现一个系统的总目标及其变动所需要使用的资源、能源、信息以及全面指导获得使用和配置这些资源、能源、信息的政策所做出决策的全过程。其目标是减少投资和运营费用，同时改善业务质量和灵活性。而为了更好地传送网络中的业务，有效的光通信网络规划方案必须能平衡各种优化标准，如经济性和网络可靠性等。网络优化通常指根据一定的约束条件，对现网中存在的问题，比如资源利用、性能参数等方面进行优化计算，提高网络的整体运行效率。

在传送网规划与优化研究方面，目前国内外的研究成果大多基于未来业务的增长考虑，并集中于解决网络规划与优化中的最优化函数建模问题、规划与优化算法等方面，比如利用 整数线性规划理论，完成网络中不确定因子的函数建模，并提出主要用于最小化目标函数以及建网设备成本的最优化路由策略；将光纤成本、WDM 节点设备成本作为网络规划的限制条件，建立相应的优化函数。由于网络规划建模是典型的多目标复杂优化过程，而规划算法的有效性与建模的全面性一样都属于评判规划方法优劣的标准之一。

在网络规划算法方面，国内外研究较少并主要集中在解决路由与资源的计算与选择问题上。在此方面，已有文献大多先利用最大不相交路径（MDP）算法、K最短路径算法等路由搜索算法扩大路由解空间，然后利用启发式的解搜索算法在路由解空间中寻找目标函数值最优的路径，这类规划方法受限于解空间的大小，解空间的形成没有考虑规划与优化的特征，并且在规划效率方面也受到所采用路由搜索算法的效率明显制约。

在相关的专利知识产权方面，尤其在国内，已有的研究成果大多集中在网络数据处理与梳理方面，另外一些则专注于网络规划实现设备方面，比如有专利研究了如何通过有效的网络划分方法，将大规模网络的规划问题分解，从而应对大规模网络的规划与优化问题。有专利则提出了在所需区域中实现无线系统网络规划的一种方法和设备，并专注于减少网络规划所需的计算时间。有专利公开了一种网络路由管理方法，实现网络路由根据用户的规划自动调整，并根据网络规划制定控制策略并配置到路由交换设备上，然后所述路由交换设备根据所述控制策略调整路由。该方法主要用于使路由可以根据控制策略实现动态调整，细化网络管理的同时减少网络配置量和复杂度。有专利将业务选择路由与业务加载资源分步实施，预先为业务设置路由表并将具有相同属性和要求的业务绑定在相同的路由，实现业务的批量加载，而后对业务路由和资源加载分别进行优化。应该说，对于系统的网络规划与优化的理论及其应用方面的专利，包括当前多层网络演进过程中涉及的相关的国际标准方面，还需要做大量的工作。

同时，在规划与优化工具方面，现有的传送网规划软件种类繁多，比较常用的有 VPI、OPNET和 DETECON 等，国内也有一些优秀的网络规划与优化软件。当前软件需要改进的重点是，针对网络整体做多目标的设计，在路由时不能仅简单地运用最短路径算法，要根据网络资源、业务情况灵活地改善。在进行网络模拟时存在一些与实际情况相出入的假设，因此情形被理想化。也有一些软件是从事计算机编程人员设计的，缺乏通信方面的专家级知识。

从研究现状来看，目前在光网络规划与优化方面的研究工作中，不论是研究方法、具体的关键技术，还是规划工具方面，都取得了大量的研究成果。但同时，新的问题，包括复杂化网络的规划算法、网络经济性分析、实际的软件验证与应用等方面，也有较大的研究和完善的空间。1.5.2 智能光网络规划与优化

我们主要以ASON为例来阐述智能光网络的规划与优化问题。

1．ASON网络规划

鉴于ASON网络的智能特性，在网络规划上，同传统的传送网规划（如SDH）比较，具有如下区别与特点。（1）承载粒度不同

ASON同SDH网络相比承载与可交换的粒度更加灵活复杂，但最小颗粒为155Mbit/s。（2）保护方式

ASON提供更加丰富多样的保护恢复策略，如永久1＋1、1＋1、1∶1、1∶N等，而SDH网络则主要以环保护策略来实现保护。（3）智能策略丰富

作为智能网络，ASON在算法策略上更加丰富，相较于其他网络支持多种算法策略。这影响到了网络规划的拓扑构建、资源管理、容量测算、生存性等各个方面。（4）多层多域策略

ASON支持多层次网络（MLN）和多区域网络（MRN），在层、域问题上有着更加丰富与复杂的使用场景，支持多种路由模式和生存性策略，并承载多层次业务，相较于其他网络有着其固有的复杂性，需要进行联合规划与优化。（5）循环网络规划

ASON网络规划需要采用动态和全网的整体优化，根据业务需求、业务等级以及节点线路等要求，建立ASON网络模型，依据网络模型建立ASON网络规划的多目标函数，并设立各种约束条件。根据实际需要选用一种或几种优化算法进行网络规划和优化。

同时，ASON投入运行后，需要借助网管系统实时监测网络资源使用状态，采集现网业务应用、网络资源占用、设备可用资源等数据，分析并提出网络优化方案，及时调整组网方案。（6）网络规划复杂度高

ASON通常具有业务量大、网络节点数多（最少4个）、节点连通度高（大于2个）等特点。采用传统方法进行ASON网络规划设计，会带来人力资源效率低、网络资源利用率低、业务负载均衡性差、缺乏网络生存性评估等问题。此外，对于较大规模网络，手工方式无法准确安排通路。

2．ASON网络优化

随着各种业务的不断增加和网络事件的不断出现，在规划阶段处于最佳状态的智能光网络会逐步偏离最佳状态，可利用网络资源的利用率逐步下降，迫切需要定期对其进行网络优化调整，从而确保网管系统对网络资源的有效管理和网络资源的最佳利用。一般的网络优化工作包括以下几个方面。（1）负载均衡

将业务量尽量均匀地分布到整个网络中，使得每个节点和线路的业务量较为平均，从而达到均衡的目的。为了进一步实现全网负载的均衡分布，还需要引入业务分担机制。业务分担机制是指若存在若干具有相同源宿节点和属性（保护恢复方式和可用资源类型）的业务，在规划过程中，即使存在一条路由能同时满足这批业务，也尽量避免这批业务集中在同一路由，而是将它们分担到两条或多条路由上。（2）时隙碎片整理

一般有3种方式来处理该问题：一是通过提前设定的通道编制原则，按照一定的间隔进行通道排列，如4、16等，预留一定的传输通道用作级联通道；二是对空闲的通道进行捆绑处理，保证通过不相邻的多个VC-4通道实现传输通道的级联；三是通过网管系统采用类似计算机碎片整理的技术，采用人工或定期的方式对传输通道重新梳理，保证传输通道的可管理性。从网络实际应用来看，采用第一种方式有助于传输网络的通道管理。（3）同源同宿同属性的低速业务汇聚

也可以称为业务归并。同源同宿同属性的低速业务可以汇聚成为同一高速通道，极大地提高了系统的可管理性。（4）业务路径优化

在网络资源变化或业务情况发生变化后，业务路径可以进行调整，保证网络资源的合理利用。事实上，随着ASON技术的出现，对传输网络的规划提出了更高的要求，需要管理者不断地进行网络规划，才能确保整个网络的优化运行。网络规划、网络优化、系统仿真、网管系统等一起配套工作，才能保证整个系统运行在最佳状态。网络中各种组件之间的关系如图1.18所示。图1.18 网络规划、网络优化、系统仿真、网管系统之间的关系1.5.3 路由与资源分配问题

1．路由与波长分配（RWA）

路由与波长分配（RWA）问题是典型的路由规划与优化问题，它主要实现在有光路径的建立请求时，计算如何在网络的物理拓扑结构中选择一条从业务源节点到目的节点的路由，并为路由经过的链路分配波长。在具体解决时可以综合考虑，统筹解决，但这样解决难度较大，尤其当网络规模较大时，问题更加突出。由于 RWA 问题是 NP 完备问题（NPC，Non-deterministically Polynomial Complete），为了简化问题，降低复杂性，一般将RWA问题分为路由问题和波长分配问题来分别研究。

针对不同的业务特性和连接请求方式，RWA 问题的研究主要可分为静态光路建立（SLE，Static Lightpath Establishment）问题和动态光路建立（DLE，Dynamic Lightpath Establishment）问题两种，简称为静态和动态RWA问题。如果网络中的连接请求是预先知道的，只需为这些连接计算路由和分配波长，而且计算可以是离线的（off-line），即不需要实时的计算，这类称为静态RWA问题；如果网络中连接请求是动态达到，而且连接在保持一定的时间后才拆除，因而光路径的建立和拆除也是动态的，即要求实时进行计算路由和分配波长，这类称为动态RWA问题。对于静态RWA，其解决的核心是波长优化问题，对于动态RWA，其解决的核心问题是连接请求的阻塞性能。在静态RWA问题（即SLE问题） 中，网络内各节点间的连接请求是已知的，对各条连接的路由和波长分配计算是非实时（off-line）的。它的优化目标可以总结为：以有限的波长数尽可能地建立更多的连接，或是使用最少的波长建立一定数目的连接。对于静态RWA问题的研究，或者将其归结为整数线性规划（ILP，Integer Linear Programming）问题，或者依赖启发式算法以最小化需要的波长数为目标建立给定光路集合。由于ILP问题是 NP 完备问题，计算比较复杂，因此只适用于小规模网络，对大规模网络，必须采用启发式算法。静态RWA问题主要适用于长期、稳定的连接请求，因此对传统的话音业务支持较好。但随着Internet的飞速发展，数据业务的带宽需求正迅速增加，在这种情况下，连接建立请求和连接拆除请求的到达可能会更加频繁，因此动态RWA问题更显得重要了，故下面我们着重讨论动态RWA问题。在动态RWA问题中，由于连接的建立和拆除都是动态的，所以网络状态处于不断的变化之中，为了提高W D M网络的资源利用率，降低连接建立的阻塞率，RWA算法应尽量有效地利用网络状态信息。

所谓动态光路建立，就是说各节点间建链请求和拆链请求的到达都是随机的。当节点收到连接建立请求后，根据当前网络的状态信息，实时地为连接选择路由并分配波长，建立光路连接。如果网络资源不足以支持连接的建立，则此请求将被拒绝，这种情况称为阻塞。在动态 RWA 问题中，路由波长分配算法的阻塞率是衡量此算法优劣的重要指标。动态的 RWA 问题是非常复杂的，因此一般都将其拆分为路由选择和波长分配两个子问题。

路由子问题的典型算法包括固定路由（FR，Fixed Routing）、固定备选路由（FAR，Fixed Alternate Routing）、备选路由（AR，Alternate Routing）等，波长分配子问题主要包括首次命中（FF，First Fit）、最小负载（LL，Least Loaded）等方法，限于篇幅不再详细介绍，请参见本书第3章。

2．约束路由和损伤感知

下面我们专门针对路由与资源分配中的约束路由和损伤感知问题进行简要阐述。

我们已经提到，波长一致性约束的路由计算通常分为两个子过程：路由选择和波长分配。在智能光网络的路径计算单元（PCE）概念提出之前，网络的路由计算主要是在分布式的控制平面内完成，根据路由选择和波长分配（RWA）是否在分离完成，有路由方案（R&WA）和信令方案（R＋WA）。在PCE的概念被提出后，网络的路由计算可以在PCE集中完成，路由选择和波长分配算法类似。在分布式路由计算的控制平面，由于路由方案依赖全网波长信息的准确性，在网络规模较大、业务到达率高时，路由方案的网络阻塞率要高于信令方案。而信令方案因为采用多次反向信令尝试预留策略，它的建路时延要高于路由方案。由于基于PCE的集中式路由计算的控制平面是对全网波长通道集中式选路和分配波长，因此它比分布式控制平面有较优的网络性能。

在物理损伤约束的路径计算过程中需要对所建光路进行物理损伤评估，满足信号传输质量的光路才能被建立，因此物理损伤感知的路由计算和波长分配（IA-RWA，Impairment-Aware RWA）方案相对要复杂，Siamak Azodolmolky对目前研究中的IA-RWA方案做了总结，主要研究了网络离线时的IA-RWA计算问题。上述研究没有考虑动态网络中物理损伤信息通过泛洪机制或信令机制在控制平面数据通信网（DCN，Data Communication Network）发布时对网络整体性能的影响。2001年M. Ali等提出扩展标准的GMPLS路由机制，以包含链路的物理 损伤参数，并在路由计算中考虑这些损伤的约束代价来选择优化路径。2007年，意大利的P. Castoldi等人又提出了基于PCE的集中与分布式相结合的物理损伤感知控制平面方案，以改进网络性能。2010年欧洲DICONET项目组的F.Agraz等人通过仿真试验分析了集中式和分布式控制平面下网络性能，仿真结果显示，基于PCE集中式的物理损伤感知控制平面有较低的网络阻塞率和相对高的建路时延。

随着在WSON中引入物理损伤作为路径计算的约束条件，使得原本只考虑波长一致性约束的 WSON 控制平面 RWA 问题变得复杂起来，这种考虑物理损伤约束的 RWA 被称为IA-RWA[20]，IA-RWA过程可以分解成3个子过程：路由计算、波长分配、物理损伤评估。这3个子过程主要有以下3种组合方案：（1）计算一条路由并分配波长，然后通过物理损伤评估选择的路由是否满足传输质量；（2）在路由计算过程或波长分配过程中考虑物理损伤评估，确定一条路由并指定一个波长通道；（3）在路由计算过程或波长分配过程考虑物理损伤评估，选出K条路由，最后确认一条路由并指定一个波长通道。在（2）和（3）方案中，物理损伤评估值作为路由计算的一个权重被引入，如在最简单的SPF算法中是以跳数为权重，在这里可以用Q值作为权重。多种IA-RWA方案如图1.19所示。图1.19 多种IA-RWA方案1.5.4 生存性问题

网络的生存性（Survivability）定义为网络抵制故障业务中断或干扰的能力，即在网络发生任何故障后能尽快将受影响的业务重新选路到空闲资源，以减少因故障造成的社会影响和经济损失，使网络维护一个可以接受的业务水平的能力。无论是传统光网络，还是下一代智能光网络，生存性一直是一个重要指标，它对保障网络正常运行、保护和快速恢复受损业务具有重要意义。据美国FCC报告，每两天就有一次影响30000个客户的网络故障发生，而故障修复的平均时间是5～10个小时。此外，传输容量达Tbit/s的单根光纤的失效，将影响1200万对以上的电话业务。所以在通信日益发展的今天，对网络的生存性进行深入研究不仅 具有重要的实用价值，而且具有深远的理论意义。

与传统网络相比，智能光网络的一大特点就是在 Mesh（格状/网状）网拓扑的基础上支持多种生存性机制。而目前我国省际、省内骨干传送网和城域传送网的核心层向 Mesh 网演进的趋势越来越明显。与传统的环形拓扑相比，格状网络连通度大，网络的抗毁性好，但由于格状拓扑的复杂性，网络中的生存性机制也更为灵活、复杂。比如首都北京作为我国通信网的核心节点之一，对信息的带宽、传输质量、安全等方面的需求迅猛，近年来，骨干网已经建起了超过3个大型的枢纽楼，并在城市内部和出城链路上都已形成了网状的链路连接，随着目前光设备和器件技术及其性能的提高，北京的很多 Mesh 结构的传输链路开始配置光传送单元（OTU），相信不久就能实现Mesh光网络的全覆盖。而且，区分生存性业务的出现也对智能光网络中的生存性机制提出了新的要求。根据业务的服务等级要求，智能光网络需要能够提供包括专用保护、共享保护、共享恢复、重路由恢复以及无保证服务在内的多种生存性机制，具体的策略与算法内容请参见本书第3章。

需要指出的是，现代网络正逐步朝着大容量、高速度以及多适应的（如网络业务适应、通信协议适应、传输载体适应等）综合宽带网络方向发展，为了兼容原来已经有的各种网络资源，现在网络必须接纳并拓展传输网络设计的关键技术—分层机制，将各种复杂的网络功能和服务的具体实现定位到不同的网络层次中，通常情况下，还必须向其他层次提供或者要求一定的接口以传递网络服务，根据服务的供给可以在不同网络层次之间构成“客户机/服务器”关系。实际上，结构复杂的网络中的层次经常处于不同的服务供给/功能调用关系以向用户提供各种网络应用，它的角色往往是根据当前的相关活动服务在不停地变更的。

网络生存性的实现可以基于两种策略：单层生存性和多层生存性，前者是指在整个网络中使用单一的端到端生存性技术，后者则使用了两个或多个嵌套生存性技术。网络生存性策略与网络层次的组合模式之间并不存在固定的对应关系，究竟选择哪种生存性策略仅仅与网络的实现技术、层次数目、层内复杂度以及所供给的业务种类等因素有关。那么如何针对一个具体的网络模式进行生存性策略的选择呢？

一般而言，针对层次结构简单、异构程度较低、业务种类单一的网络，首先应考虑使用单层生存性策略，这是因为：（1）相同或者相近的网络技术对于生存性要求是一致的；（2）结构简单的网络使得不同层次间的生存实体相互作用而失去意义；（3）网络业务是依靠QoS来获得保证，不同业务的QoS不尽相同；若网络提供的业务单一，则根本无需其他业务生存性技术来提供对QoS的保障。

尽管单层生存性能够保证简单网络的生存性，但它能否满足复杂的多层次结构网络的生存性要求却值得仔细研究和考虑。例如，传输层上的生存实体能够快速有效地发现和恢复传输层与媒体层上的故障，但它不能检测业务层上的故障；相应地，业务层上的生存实体可以检测和恢复网络的所有故障，但它所需要的开销，如恢复时间、保护容量等要比传输层的生存实体大得多，使得它满足不了某些业务（如视频传输业务对恢复时间要求很短）的生存要求。多层生存性综合了不同层次的生存性实体所带来的性能优势，从而克服了单层生存性的不足。它在不同层次上根据需要配置不同的生存性实体，由于这些实体仅仅保证本层的生存性要求，因此对它们的实现技术不能施加任何限制。值得注意的是，多层生存性不是简单地将不同层次的生存实体简单叠加而成，否则多层生存性就不一定能够快速、高效、低廉地实 现全局网络生存性，根本原因在于单个故障可能触发多个层次的生存实体，而这些实体又可能激活更高层次的生存实体，从而产生大量不必要的冗余生存实体套链，导致网络处于失控状态。

为了定量或者定性的分析多层生存性在现代网络中的应用，必须定义一些适当的参数以描述一个成功的多层网络生存性的策略。具体来说，多层网络生存性策略的根本目的就是能够提供比单层网络生存性更好的QoS保证，因此，它的基本指标参数包括以下几项。

①恢复时间：维护可接受的QoS所需要的时间。

②效率：用于实现网络生存性所需要的备份容量。

③维护性：生存性策略必须支持网络的正常维护操作，例如：故障环境下能够保证业务的连续性等等。

④扩展性：新的网络层次的引入不能受到网络生存性的阻碍，但它也不能对现行业务产生任何负面的影响；尤其是新业务和新的生存性的加入更不能影响现有的业务和生存性方案。

⑤灵活性：不能将网络操作人员局限于单一的解决办法，而且恰恰相反，它应该支持一系列的解决办法供操作人员重组以满足各种需求。

⑥成本：这是网络设计和规划自始至终必须关注的焦点，尽量在其他性能指标和价格之间寻求平衡以便获得最大的性价比。

其中，在IP over WDM网络中，网络的生存性问题变得尤为重要。原因是一条光路往往承载了大量的IP业务，光路途径的物理链路出现故障可能导致大量的损失，网络部件失效（如光纤链路断裂）对网络的影响远大于传统网络部件失效带来的影响。同时，网络结构的变化，对网络生存性也提出了许多新的要求和技术问题。1.5.5 经济性规划方法

从语音为核心的网络到数据为核心的网络的转变，以及新技术如 DWDM和光互联网的引入，促进了对核心和城域基础传送网络的投资热潮。当前光传送网络建设取得了大量优秀成果，但也存在着一些问题，主要体现在建设初期缺乏整体规划，通信建设主要为速度型、粗放型。往往重视通信能力的增强而缺乏对全网发展细致、周详的规划、协调，对通信发展需求分析深度不够，估计不足，不少工程的配套项目未能同步建设。为了更好地使用新兴技术，而同时考虑业务分布模式、变化的经济条件，以及新的网络概念，有效的网络规划和设计是必要的。其目标是减少投资和运营费用，同时改善业务质量和灵活性。为了传送有竞争力的业务，有效的方案必须能平衡各种优化标准，特别是网络的经济性。

光网络的经济性规划主要包括对网络结构和网元的经济性建模以及以经济性为目标的业务规划。其中，以经济性为目标的业务规划是指在网络环境与业务矩阵确定的条件下，以包含网络建设和维护成本的经济性目标函数为优化目标，为业务矩阵中的每个业务计算工作或者保护路由并配置资源，在满足业务需求的前提下最小化网络的建设成本。经济性规划是一个复杂的多目标优化问题，解决多目标优化问题的传统方法有加权法，约束法，整数线性规划法等，这些方法大多时间复杂度较高，因此在实际应用中逐渐被一些启发式算法所取代，如有文献采用遗传算法、人工免疫算法等解决通信网络的规划与优化问题。

规划经济性建模需包括网络链路成本建模和网络节点成本建模。由于网络在正常情况下 的运行和损耗费用与建设费用相比很小，在规划阶段一般可忽略，所以模型中主要考虑网络的建设成本。其中，链路成本与单位长度光纤的造价相关，节点成本与节点处交换设备的结构和设备单元造价相关。

下面我们以ASON的经济性分析为例来介绍网络经济性分析的流程和参数，智能光网络技术经济分析的流程如图1.20所示。图1.20 智能光网络技术经济分析流程

首先是数据的收集、整理和分析。包括历年的业务需求矩阵、业务等级、现有网络OLS（Optical Line System）剩余容量统计，以及网络各链路的历史故障数据统计，各种电路的价格以及设备报价，包括ASON与SDH设备和OLS系统的报价等。

在网络业务模型方面，首先对目标网络的历史业务需求数据进行统计，在分析现有业务矩阵的基础上，根据预测业务模型对各年的业务矩阵进行预测，得到各年的电路需求矩阵。

网络层次划分方面，考虑将整个长途骨干网划分为两个网络层次：核心层和接入层。接入层实现本地域内（例如省内或临近省之间）的电路调度，而核心层主要由网络的枢纽节点组成，实现业务的跨域调度。智能光网络建网方案为，逐步在网络中引入ASON节点，第一期首先在6～8个骨干节点上引入ASON设备，第二期在全网约50%的节点上引入ASON设备。ASON节点之间通过WDM链路互联，构成Mesh的骨干网核心调度层，负责业务的汇聚和调度。骨干接入层仍使用SDH设备组网。而且，在组网时充分考虑目前技术路线的平滑升级。与智能光网络进行参照对比的参考建网方案为，全网均使用现有的SDH设备进行优化的网络设计。

网络的生存性分析是指，根据现有的光纤路径、业务需求、网络拓扑以及历史故障信息对整个网络的生存性进行评估，确保网络的可靠运行。

在网络设计方面，我们首先对所有的接入层业务和核心层进行业务疏导，优化目标为最大化波长信道的利用效率。然后对接入层环和核心层网络分别进行优化设计。在完成核心层网络设计之后，根据建网方案进行系统配置分析。

1．成本分析

对ASON设备组网和SDH设备组网两种方案下网络的CAPEX进行了分析。图1.21对核心层网络的CAPEX以及OPEX进行了较为详细的分析，并对ASON组网与SDH组网两种方案进行了比较。可以看出，与传统的SDH组网方案相比，ASON组网方案在节点设备和光传输设备两方面，都可以不同程度地降低网络投资成本。除设备直接投资以外，在机房租金以及设备耗电方面，ASON也可有效降低运营商的运营成本。

其中，网络的累加CAPEX投资主要包括构建核心层网络所需的OLS系统投资（DWDM设备）、节点设备投资（ADM/ASON设备）以及工程/辅助/安装服务支出。在设备投资方面，假定在规划期内设备价格每年将降低10%。此例的分析显示，与SDH组网方案相比，ASON 组网方案在整个规划期内，可为运营商节省约16%的CAPEX成本。

网络的OPEX主要包括网络的市场推广/日常支出/行政管理费用SGA（Sales，General &Administration）、网络的运营维护费用、运营人员工资支出以及机房租金支出等。对于ASON组网方案，还需要增加人员的培训费用（CAPEX的1%）。其中，SGA支出与网络的运营收入有关，因此ASON组网方案略高于SDH组网方案。而在人员工资支出、运行维护支出以及机房租金支出方面，ASON组网方案都可有效降低成本。此例分析显示，与SDH组网方案相比，ASON组网方案在整个规划期内可为运营商节省约6%的OPEX成本。图1.21 网络CAPEX与OPEX成本分析

2．收入分析

图1.22给出了一个对规划期内网络运营累计收入的分析结果。仍然把SDH网络中的租用线路业务作为运营商的主要收入来源（在ASON方案中，租用线路业务收入占到了总累计收入的89%），而其中2M租用线路业务又在其中占有相当大的比重（在ASON方案中，2M租用线路业务收入占到了总累计收入的79%）。除2M与155M租用线路业务之外，其他粒度的租用线路业务在运营收入中所占的比例非常小。数据业务收入占到全部运营收入的11%。与租用线路业务不同，155M、622M、2.5G以及10G数据业务在全部数据业务收入中都占有一定比例，而其他粒度的数据业务收入所占比例相对较小。图1.22 网络累计收入分析

与SDH组网方案相比，如果使用ASON组网方案，全网的累计收入可提高6%。其中5%来自于具备灵活的控制管理技术和多种生存性机制，智能光网络可以更加灵活地支持具有不同服务质量要求的新业务；1%来自于网络的快速带宽提供能力。

3．敏感性分析

敏感性分析是指，比较各种因素变化对两种组网方案净现值（NPV，Net Present Value）所产生的影响，预测单个或多个因素变化所引起的分析结果变动，同时确定哪些因素是影响两种组网方案经济性能的主要因素，从而推动这些因素朝着有利于行业发展的方向变动。其中，NPV是指，在考虑贴现的情况下，在规划期内所有支出（负值）和收入（正值）的代数和。NPV是组网方案经济性能的直接体现。

图1.23列出了对ASON组网方案NPV影响最大的8个因素。在图中，假设所有因素的变化幅度都为±20%。从图中可以看出，影响NPV的最主要因素是2M租用线路业务的月收入，如果2M租用线路业务的月收入在（20%，20%）之间波动，则ASON组网方案的NPV将在（37%，37%）之间波动。在经济性分析中，假定每年的服务价格都在下降，从图中可以看出，服务价格的下降同样是影响NPV的重要因素。如果假定的服务价格年均降幅减小20%，则网络的NPV将提升约21%。设备价格是影响NPV的第三大因素，以后依次为 SGA、人员工资支出、155M 租用线路业务收入、ASON 带来的业务收入增长以及网络运营维护支出。图1.23 ASON组网方案NPV敏感性分析

ASON组网方案与SDH组网方案相比，可以有效地降低网络的CAPEX与OPEX，同时增加网络的运营业务收入，因此，ASON组网方案在网络的NPV方面具有明显的优势。为了对ASON组网方案在NPV方面的性能优势进行进一步的分析，图1.24中列出了影响两种组网方案NPV差值的主要因素。从图1.24中可以看出，影响两种组网方式NPV差值的首要因素为网络设备的价格。设备价格的上升会造成网络NPV绝对值的下降（如图1.23所示），但同时，两种组网方案的NPV差值却会随设备价格的上升而上升，也就是说，ASON组网方案在NPV上的优势会随着设备价格的上升而更加明显，即如果设备价格上升，SDH组网方案的NPV下降幅度将会更大。这说明，与SDH组网方案相比，ASON组网方案通过共享保护/恢复和动态带宽调配，可有效提高网络资源的利用效率，降低建网所需的设备数量。除设备价格之外，影响两种组网方式NPV差值的另一个主要因素是ASON支持新业务所带来的收入增长。图1.24 ASON组网方案与SDH组网方案NPV差值的敏感性分析1.5.6 业务流量预测

业务预测是确定基本建设规模的重要依据，它关系到工程建设的规模和投资以及工程建成投产后的经济效益。它既要反映客观需要，又要考虑现实条件的可能。科学、有效、准确的业务预测将会对通信运营商发展新业务、扩展传统业务、迅速占领市场、在竞争中确立领先地位产生举足轻重的影响。面对新世纪日益复杂的通信网络建设和通信运营商之间的竞争，决策者想正确确定网络建设的容量规模，果断确定市场运作的重点和方向，就必须依靠可靠的业务预测结果为依据。因此，研究各种科学的业务预测方法，开发业务预测软件不仅是通信技术发展的需要，也是一个有重要社会价值的研究课题。

电信业务的预测是编制电信专业网络规划工程可行性研究和初步设计的重要内容。预测结果是否符合客观实际，正确反映未来的发展趋势，直接关系到拟建的网络结构、工程规模、投资的大小以及经济效益的优劣，因此它是网络建设和业务运营的重要基础。电信业务预测主要内容包括电信业务量和业务种类预测。业务量预测又分为各类业务的业务总量和业务量的流量流向预测，对于不同的业务种类预测的内容也不同。目前常用的电信业务预测技术主要有以下几种：直观预测技术、时间序列预测技术、相关分析预测技术及其他预测技术。直观预测技术又称为专家预测法，主要通过专家的直观判断进行预测，其中较为常用的有专家会议法、特尔裴法和综合判断法。这种方法主要是作为定性分析之用。时间序列预测技术用于预测分析统计数据根据时间变化的规律。在电信业务预测中常用的有“趋势外推法”、“平滑预测法”、“成长曲线法”。这种方法主要是根据历史资料和不同时期电信业务的发展作为定量预测。相关分析预测模型分为线性和非线性、一元或多元，变量也可以为随机变量等。这种方法是根据各经济变量之间的相互关系，利用历史数据建立起回归方程进行预测的一种方法。除了上述几种较为常用和经典的预测分析方法外，还发展了几种新的预测模型，如灰色预测模型、马尔可夫预测模型、模糊预测模型和系统动力学模型等。在进行业务预测时，最好多种方法并用，以便综合分析比较得出最佳方案。具体请参见本书第2章的内容。

由于目前电信网络建设周期短、规模大、投资高，因此对网络容量预测的准确性和时效性提出了更高的要求，在实际工作中往往需要用多种方法进行预测，并对预测结果进行综合比较，繁复的工作量在短时间内用人工计算的方法效率是不高的，所以预测方法软件化是使计算提高效率和精度的有效途径。软件应充分体现工程软件的特点，对预测结果可以用图形、 表格等多种形式表达，同时对各种方法的预测结果的可信程度作出一定的评价，供使用者选择合适的结果；同时软件还应当界面友好，操作简便，对系统的配置要求不高，运行速度快，一般熟悉机算机的操作人员在前期数据整理完毕的情况下即可快捷地完成全部计算和结果输出，同时程序还应采用模块化的系统结构，以便进行升级和优化。

业务流量预测的实现平台采用模块化、可视化和逐步化的设计思想，可包含用户视图模块，软件视图模块以及数据视图模块这3个相对独立的功能实体。图1.25给出了一个完整的业务预测软件平台的流程。图1.25 业务预测软件流程图

通过3个视图模块之间的数据交互，规划者可以将软件的对网络基础数据的在线分析功能与业务预测策略库的动态调整功能联系起来，有助于提高业务预测结果准确度并降低采用不同预测方法预测业务时的解波动幅度。同时，软件还将提供严格的输入完整性检验以及结果可信度分析，一方面提高了软件的智能化水平；另一方面则为规划人员提供了相对客观的业务预测计算结果。1.5.7 网络评估技术

光网络作为为通信业务提供承载的基础网络，承担着传输通信网络中80%以上的流通信 息量，其质量对承载的通信业务起着至关重要的作用。其安全性、业务配置及资源利用的合理性，对后期网络的发展至关重要，同时影响所承载的业务网络的发展和安全。在进行网络规划时，掌握全网资源现状，发现网络中的风险点，并通过优化改造来提高现有网络的资源利用率和维护效率，是有着重要意义的。因此，评估、分析光网络存在的各种问题，有针对性地提出网络建设和整改建议显得非常必要。依据网络评估结果，通过网络优化调整，可整合现有的各方面优势和解决存在问题。提高网络的可用性，使网络的资源潜力得到充分的发挥，网络结构更清晰、网络运行更可靠、网络资源利用更高效。一个光网络建成之后，根据业务需求和发展，要经历多次的扩容升级改造。在这个过程中，网络结构的安全性不能保证、资源利用率和配置不成比例等情况日趋突出。另外，在维护过程中，由于缺乏对网络性能质量的全面、深入了解，始终维持的是一种简单的维护模式，造成的结果就是网络维护效率低下，因此，进行光网络的评估优化工作有着非常重要的意义。

所谓网络评估，简单地说就是对现有网络各项指标进行量化考查，找出网络的弱点并提出参考性解决方案。通过量化手段，从而对现网的资源利用情况、网络的合理性和安全性有一个直观的、全面的了解。采用具体的指标对网络资源利用、网络安全、故障响应及业务提供等方面进行评估，以相对精确的数字，针对性地查找现网存的安全隐患和瓶颈点，并依据评估结果制定相应的优化方案，以实现网络安全运行。任何一个网络的建设规划都要考虑投资收益比，光网络的建设也不例外。在光网络的建设和运用中，如何以最小的投入取得最大的效益，如何通过合理的配置达到最大的利用，如何通过优化网络来降低运行维护成本和提高网络使用效率，是网络规划的重点，这也正是网络评估和优化的最终目的。

现存的网络评估主要分为两种：一种是对已存在的网络进行评估；另一种是对还未建设的网络方案进行评估。对于前一种已经存在的网络，评估的意义更多的在于维护。评估因素多包括网络运营环境（如机房温度等），评估过程中使用大量的实际测试数据。对于后一种准备建设网络，评估的意义更多在于为规划提供判定标准，进行进一步的优化等。评估因素会包括建设费用等费用因素，评估因素多是可用计算机模拟计算得到的。更多的网络评估的介绍请参考本书第3章的内容。

网络评估现有技术包括以下几种。（1）因素分别讨论

在这种方法中，模型一般不会设立一个最终目标值，所有指标基本都是在分别考虑，也就是说，对每个指标分别进行参考指标的探讨等。

优点：方便针对每个指标进行探讨，找到对应的解决方案。

缺点：相对来说，可能有一定的烦琐性和在多个方案选择时的最终指标确定困难。

使用该方法的多是对已有网络进行评估，由于现有网络评估往往只是给网络维护以指导，不需要在多个网络建设方案中进行选择，所以该方法往往不会给出量化的综合评估指标。（2）线性加权考虑

在这种方法中，模型将各种因素综合考虑，以一个加权结果作为最终评估的标准。

优点：这种方法最终评估参考明确，且同时也可以参考每个指标单独考虑。

缺点：在各个因素综合考虑时由于需要人为引入权重参量，该参量的引入多是依靠经验，尤其在一些文章中考虑因素很多，可能不能找到极为科学、准确的权重值，所以对结果的准确性有所影响。

该方法的使用在对已有网络评估和网络设计阶段都有使用。（3）最优化模型

该方法建立最优化模型进行评估，但其虽然使用最优化模型，但实际上相当于一种分别讨论的特例，对于不同因素的考虑有了分层分重点。并没有使用最优化模型的精髓进行最优化求解。

1.6 本章小结

随着智能光网络的不断发展，新业务和新需求不断涌现，光网络正迎来一个新的发展时期，朝着规模化、动态化和优质化的方向演进，各种技术层出不穷，包括三网融合以及物联网环境中的新型的光网络体系，大规模多层域传送网技术、新型的宽带光接入体系乃至基于毫米波ROF的宽带传输技术等各关键问题的研究都在如火如荼地进行，这同时也对光网络的规划与优化提出了更高的要求，在网络架构、规划方法、资源分配、生存性、业务预测、网络评估乃至规划工具等方面都具有新的特点，本书后续章节将陆续介绍这些相关的理论和技术。

参考文献

[1]王光全．智能光网络规划与优化．邮电设计技术，第8期，2007年8月．

[2]王郁．WSON：打造面向业务的波分管理．通信产业报，2009年7月27日．

第2章 光网络规划与优化原理

网络规划与优化问题是一项复杂的系统工程，涉及技术、管理、组织、经费等各种复杂问题，因此对网络的设计必须遵守一定的系统分析和设计方法。光网络作为网络业务的基础传送平台，其规划与优化则有其特殊的属性，包括规划与优化流程、体系设计、关键技术等各个方面。

本章首先对网络规划与优化的基本概念和一般方法进行了介绍，然后给出了光网络规划与优化的体系与流程，并从业务需求预测、拓扑设计、分层网络设计、路由和容量规划等各个关键方面进行了详细阐述。

2.1 网络规划与优化概述

网络规划与优化，即在一定的方法和原则的指导下，对网络进行分析、逻辑设计及物理设计。为了对传送网络的术语有一个大概的概括，下面首先给出一系列的定义和相关的数据结构。

网络节点：传输节点可以实现基本的网络功能。节点通过某些特定的功能进行描述，这些功能应该在网络层中完成。网络节点的功能由节点中所装入的器件提供，网络节点的功能可以定义网络的访问，在网络节点中不同器件的相互连接，在不同网络节点之间的相互连接，网络中的路由以及业务在输入和输出之间的交换保护等。为了规划的目的，对于规划层网络，可以考虑一些具体的器件。在规划项目中所考虑的器件的模型一般有下述的功能：

①物理传输和段中止；

②路径连接中止；

③路径连接路由，修饰和合并。

除了用在网络节点中逻辑功能以外，器件的技术的细节对于描述网络节点来说也是基本的信息。这些技术的细节包括容量、性能和器件的损耗等。网络节点的地理分配也是与描述相关的。一般的节点原型包括线性放大器、再生器、终端复用设备、分插复用器和交叉连接等。将一些细节罗列如下。

网络的群组：网络的群组由网络的节点和网络的链路所决定，这些可以是一个结构原形的例子。结构原形提供节点信息和它们的实现与路由相关的网络群组结构及在它们上面的保护和恢复的实现技术上的和物理上的限制，例如相互连接节点的最大数目，工作和保护路由的最大长度，考虑对网络损耗和网络性能的影响，例如额外方法的需要等。一般来说，网络的群组是在物理层中定义的。

描述的参数：网络节点和链路的收集，所实现的结构原形。

网络的结构：网络结构提供了网络中的逻辑信息。对于分等级的网络，这些信息包括网络层和群组的描述，群组中网络节点的分配和带有群组相互连接功能的节点的定义。网络的结构和实现结构的体系详细说明了对于需求质量的基本条件。

描述的参数：层，群组，体系的实现，对于不同群组的节点的分配。

网络连接：网络连接代表着在网络层中连接的可能性。谈到了物理层，网络连接是与相关构架有关的传输的媒介，至于是否带有线性的器件取决于网络的节点模型。一般来说，一条链路由它的终端节点来确定，并且有媒介、所覆盖的长度和容量等属性。

描述的参数：终端节点，长度和容量。

传输需求：传输需求由容量的需求所决定，这些容量需求又是由不同的电信服务所决定的。传输需求由如下的属性：它们的终端节点，带宽（每单位的容量）大小，与技术相关的服务质量（例如传输延时、误比特率、翻转时间等）。这对于我们所涉及的各种传输需求的类型是很有用的，这些类型一般包括一般需求或者需要额外保护的需求，而后者往往需要另加一个恢复机制，这个机制由需求对应的传输组来提供。

描述的参数：终端节点，带宽（每单位的容量）大小，与技术相关的服务质量（例如传输延时、误比特率、翻转时间等）。

传输需求的路由：通过简化传输需求的路由定义，可以给出一条在网络中需求路由的路径。这条路径有网络中的一系列的邻居节点所确定。在一般广义化的路由信息中，不仅包括路径，而且有传输系统中需求的详细实现，这个传输系统是与交叉连接相关的。路由信息还可以包括恢复的路由，以及额外保护的机制等。

描述的参数：路径，保护，恢复。

传输系统中的复用：复用通过传输机制给出了一种复用段的结构。分清两种复用段的类型是十分重要的，一个是虚拟的复用段（如从VC12到VC14），这个由它们的端节点和传输体系所决定，另一个是传输线路的实现（从STM-1到STM-16）。

描述的参数：端节点，传输体系和内容。

物理层：网络结构中的最底层，它提供关于网络中节点、传输媒质及其相关的一些信息。

描述的参数：媒质和链路。

描述的参数：节点功能的描述，路由和保护结构，技术和物理的限制。

器件：这里所说的器件是可以或者已经被安装到网络节点中的组件。有很多不同类型的网络器件，当完成一个网络规划的时候，可以通过器件分配支流，交叉连接的交换。

描述的参数：分配支流，交叉连接的交换。2.1.2 网络规划的目标

在传输网络规划中，详细说明从不同的电信传输服务中所得到的确定性的容量需求。规划过程的目标是详细制定一个最优的计划，以满足在给定技术和经济条件限制下的需求。一般情况下，规划过程的输入包括：

①在计划阶段，传输需求的广播；

②所使用的可改变的结构：每一个所包含的结构的详细说明和管理规则；

③传输基础结构和器件的技术和损耗信息。

最优的网络规划描述了网络的各种信息，包括：

①在需求的实现和恢复中的逻辑层面的信息（例如网络的结构、传输路由的保护等）；

②在器件建立和定位时物理层面的信息；

③网络的损耗。

在网络实现的基础上，其他一些网络规划的输入和输出，还包括：

①与网络节点定位相关的物理数据；

②在节点之间的链路上描述的拓扑数据。

网络设计的目标是减少资金和运营费用，改善网络的灵活性和可用性。传送网设计需要解决的问题是：

①定义目标网络结构；

②网络保护的多样性方法；

③保证网络资源的最大使用；

④决定需要的传送网基础结构。

另外，网络设计必须考虑各种规划限制、参数和需求，如：

①内嵌的网络约束；

②业务层网络约束；

③设备约束；

④保护恢复需求。2.1.3 一般网络模型

一般规划的方法是基于网络的层模型，这个想法最先起源于G.805和M1400。在分等级的层结构中，每一层组成一个网络。第N层的网络由第N−1层网络中的资源所组成。

如图2.1所示，在第N−1层的连接与图的边缘相联系，这些图的边缘可以描述给定网络的第N−1层，并且在第N层尾节点之间的连接定义了路经第N−1层图的路由。图2.1 一般网络模型

为计划层网络所固有的资源可以用以下方面来区分：

①逻辑资源；

②物理资源。

N层逻辑资源由以下组成：子网络的部件（逻辑节点）、网络连接、没有被使用的连路连 接（可以用来进行新的网络连接）、访问节点（在第N层和第N−1层之间）。

所有的网络物理资源可以在物理层中被定位。一个物理资源的例子就是网络的节点，这些节点所起的功能与一些逻辑层网络的功能有关（例如，一个ATM的DXC可以用来进行虚通道（VP）路由，中断跳和传输光信号的功能等）。

除了网络节点之外，可在网络规划中考虑其他物理资源：

①交换或者节点；

②为物理传输而构架的结构；

③物理传输者。

交换节点是物理结构，即从网络中任何层的物理节点开始，终止于物理传输者。为物理传输所架构的结构铺设光纤提供帮助（比如沟渠等）。物理传输者例如光纤或者波长链路，为所有传输层提供普通的传输资源。

上述方法是规划过程的一个基本的步骤，这个规划过程沿着层从上到下进行。许多不同的层问题可以被确认为一个给定的层。在每一层中，新的需求、已经存在的网络、所允许的技术和规划的条件都被考虑在内。这样就建立了一个一般的网络模型，这个模型可以为了分析的工具或者使用的接口或者优化目的组成一个一般的接口。使用一般的网络模型，优化只依靠于模型，而不直接依赖于网络规划的任务。在每一层中，相近的任务都可以进行分类。将它们总结如下。

路由：在图2.1中，第N层上的连接路径的确定是在较低层上完成的。通常，在物理层或者是第N−1层。优化的条件一般由从路由要求（例如边或者节点连接）得到的目标函数确定，或者由损耗确定（例如容量的限制、跳数等）。

分配：所允许位置的段点的分配一般在给定层中。优化的条件由各个层的功能所决定。段点可以是业务传输的节点或者是用于传输需求的比较灵活的节点（例如交叉连接、复用或者线性终端设备）。

段：连接段的确定一般考虑第N层或第N−1层中新的连接。

分组：传输需求的复用是为了决定第N−1层连接的大小。分组的功能也就是将不同层的复用集中到复用段层。

2.2 网络规划的一般方法

这一节主要概括一个单独层中资源的不同规划方法（无论其他层网络在本层之上还是之下）。2.2.1 规划时间：长期、中期、短期

网络规划是指为了满足对预期业务需求量的传输，考虑了一系列要求和限制后，与对网络发展进行限定相关的一切行为。按照所考虑的网络发展问题的时间跨度，规划行为可分为3种。（1）长期规划（LTP）。它的目标是确定并划分（dimension）出以使用期长和部署投资量 大为特征的网络部分。（2）中期规划（MTP）。它的框架强调网络实体（节点、链路、子网）之间的动作行为和关系，以及为保证向已确定的长期规划靠拢而规划网络时涉及的规划动作和步骤的列表。因此，MTP应该将网络节点和链路的容量升级作为一个目标，而且这个目标总是遵循光网络长期（LT）部署策略的（这个策略是在长期规划过程中提出的）。（3）短期规划（STP）。它确定支持需求的路由和传输系统。也就是说，网络不得不在只使用已安装的容量而无附加投资的情况下，满足目前的传输需求。

1．LTP

LTP的目标是确定并划分出以使用期长和部署投资量大为特征的网络部分；因此主要处理拓扑和技术上的决议和光纤容量的问题。尔后，LTP为中期规划详细拟订一个预期网络的目标，进入通常的单阶段（single-period）过程。

在LTP中一般考虑两种不同的阶段/途径（如图2.2所示）。图2.2 总体和基础规划（1）总体（strategic）规划，其目的在于通过比较不同的选项，确定应用于网络中的技术和结构体系。它一般基于绿地（greenfield）方法，使用参数模型和典型值解决相关网络参数。（2）基础（fundamental）规划，它将由总体规划选择的技术和网络结构体系作为输入，确定出网络的结构（一般在基础规划中也使用greenfield法）。基础规划中要面对的问题通常是网络节点中的功能定位、拓扑规划、光层和客户层间的功能分摊、最佳网络结构的确定等。

更具体地讲，LTP明确了以下几方面。（1）网络节点的位置和技术发展。（2）子网划分（确定范围）。在此，应确定用于互连不同域的中心节点。另外，不同域之间的等级，如果有的话，也应该建立起来。（3）网络层的逻辑网络结构。最终给出在物理传输基础结构上的传输系统图。

LTP的结果是得到划分好的网络结构，它用来作为输入的数据包括以下几个。（1）单阶段长期需求预测。（2）节点可能的位置设置。甚至在新运营者处于一个greenfield区域开始业务的情况下，提前确定可能位置的最初设置也是很常见的（自己或结盟公司的前提常常被作为最初设置）。当然，这些设置可能需要尽量的大，甚至是无限的（即是说在节点位置中是没有限制的）。（3）传输基础结构的物理通道可能的设置。（4）用于每个域的结构体系：环状，格状。这方面包括保护/恢复系统和通常的路由/汇聚准则。（5）传输基础结构成本的组成和成本。一般将预算目标的不能删减的成本作为最小化函数（这意味着随时间而变的成本变化被忽略了）。用于不同成本计算的成本组成应该与长期需求预测有相同的精确度。因为这些预测通常不是太可靠，所以不值得用太复杂的成本模型，以及进行过于详细的计算。

LTP 的时间跨度一般是几年（3～5年）。不管怎样，LTP运用于更新结果，尤其是需求预测显著改变时和运营商不得不实行传输建设计划（典型的是一年一次）。LTP也会在一旦预见到技术分裂时进行。

2．MTP

MTP的目标是遵循光网络长期布署策略，对网络节点和链路进行升级。尔后MTP的目的就是决定路由图和节点容量。MTP通常应用于多重阶段的起始，设置从建设计划到长期网络目标（LTP计算得到的）的不同步骤。

因为MTP更加具体，它应为每一规划阶段得到以下结果。（1）每个需求（业务关系）详细的路由和汇聚途径。它不能与已确定的LTP规则相冲突。（2）在所有阶段中要安装或卸载的传输系统。它必须根据中期预测，并且在节点和LTP提供的传输基础体系中进行。（3）在所有阶段中要安装、升级或卸载的设备。这必须与中期预测相符，并在LTP确定的节点设置中进行。（4）按照预算限制衡量布署/安装新的网络单元中可能的延时。

为了得到这些结果，MTP需要以下输入信息：（1）网络节点（从LTP中得到）；（2）当前的和潜在的光纤路由（从LTP中得到）；（3）正在使用的传输系统；（4）每个节点中安装的设备；（5）对每个规划阶段预计的需求；（6）构成成本，它必须考虑到不同系统中的安装、升级和卸载的成本。

每个阶段中都用到了折扣（discount）成本。MTP可将预算限制作为一个附加限制考虑，所以每个网络资源的MTP是一个时间的函数，考虑到了由于普及或资源在商业/技术上的成熟而带来的贬值。它是每个阶段中对于安装/升级/卸载设备使用的预算的限制。这个限制可能会导致部署/安装新网络单元中的延时。

MTP的时间跨度等于LTP的一个阶段，并且它被再分为多个更短的阶段（一般是一年左右一个阶段），如图2.3所示。在第一步中，进行LTP过程从而得到LTP的目标网络（如图2.3（a）所示）。第一步用到需求预测和安装的设备。在第二步中进行 MTP 过程，计算出要 达到LTP目标网络所需的步骤。这个过程中需要MTP多重阶段的需求预测、安装的设备和LTP计划（在第一步中产生的）作为已知输入。这两个步骤在每一次需求预测出现较大变化时都必须重复进行一次。不管怎样，一般每个规划阶段（T，T，…）都要重复一次，通常是01一年。当需求预测出现显著变化时，每个阶段的 LTP 目标也要变。在这种情况下，MTP每年的规划（步骤）计算要面向不同的目标，这一点有些像朝着“移动”靶迈进步伐。图2.3 LTP和MTP过程

在非常不确定的情况下，运营商可以采用另一种MTP方式（如图2.3所示），将MTP部分地与其LTP相分离。这样，LTP的结果可以看作是一系列有价值的限制条件，而不是要达到的绝对目标。这种选择的主要重要原因是：（1）运营商认为时间尚早的阶段规划没有用处，因为很有可能会由一个不可靠的预测导致一个不可靠的结果；（2）在静态LTP中之所以能得到最优化的结果，是因为利用了能够在一个较长的时间和 阶段中选择使用最适合增长业务的网络资源的能力。遗憾的是，业务需求受时间限制约束，同时，网络资源的部署受预算限制约束。因此，经过几个月和几个阶段后，网络就会变得不像LTP预期的那样优化了，即使MTP规划算法再可靠也不可能坚持LTP的安排。

3．STP

除上述之外，还有一个与规划活动相关的第三组，它可以被认为是STP。在STP中，路由和传输系统必须被定义。也就是说，网络必须满足已经进行容量安装的当前的传输需求，而同时不进行额外的容量投资。

下面举例简单说明3种规划方式的区别。例如：当一个节点位于一个体系之中，这个体系中没有数字交叉连接功能，在这个节点之上安装一个 DXC，节点功能应该被定义在 LTP中；当在两个存在的节点之间有一段空闲光纤，已有的线性系统已经饱和，并且路由标准允许在两个节点之间有直通路径但LTP不能提供一个新的线性系统。在此情况下，可以对增加的业务装入一个新的线性系统：这是一个典型的 MTP 的例子；当产生新的业务时，升级环网，使SDH网络中的STM-4升级为STM-16，已经存在的设备的升级应该为MTP。而对一个新业务进行路由时，面对突然请求的情况下，在设备上安装新的端口：这个属于STP过程；在相同的物理链路上通过LTD预测产生一个环，减少ADM的数量，因为有预算限制：MTP过程；在不同的物理链路上通过预算限制产生一个环，并且由于在业务预测中的可变性，有不同类型的ADM属于这个环：LTP过程。2.2.2 单期/多期规划

将一个问题分成几个简单的子问题被认为是解决传送网规划复杂问题的一个有效方案。这种规划方法我们称之为分解法。

1．LTP中的分解法

对传送网/传输网的LTP是一个非常复杂的问题，因为实际网络规划任务的规模很大而且很复杂。使规划问题复杂化来源于很多限制因素，例如可用的计算资源有限、常用统一的最优化问题的实际可用性有限等。将整个规划问题划分成几个小的子问题降低了规划活动的复杂度，且能产生很多有益的结果，比如简化方案算法、缩短研究时间、对软件可再利用等。

虽然确定规划过程中的子问题比较麻烦，但分解法的主要不足是随着子问题数目的增多，要控制规划问题的整体最优化越来越困难。这是因为最优化不只是依赖于用于解决子问题的算法的效率，还依赖于在整个过程中子问题的协调性。实际上，由于一个子问题的结果成了另一个子问题的已知，解决子问题的顺序在LTP过程中必须确定好。但同时，现实网络规划问题非常复杂，采用分解法是不可避免的（尽管它有缺陷）。这也就是为什么这个方法被广泛地应用于网络规划问题。

2．MTP中的分解法

传送网的MTP显然要比LTP更复杂。单独一个MTP过程的一般表述是：如何使成本最小化的程度最大。要解决这个问题，MTP将时间段再细分为时隙，每个时隙都需要需求矩阵，且网络成本是和时间相关的。因为在LTP中有技术限制，但是MTP的附加限制可以以最大预算以及使用已有的资源而不是未安装的设备的形式出现。同时，MTP的决策（一年期间）将会总是制约未来网络的收益。因此，规划者在他的MTP决策中应该也要考虑LTP。如果考 虑了技术突破，附加的困难会增加，就像升级传统SDH网络的无限制选项一样。因为存在临时成本渐进和机会投资成本，出现了两种不同的选项：何时变成最新的技术（哪一个阶段），全部变还是部分地变，等等。

MTP的附加限制可以通过分解法控制，所以通常解决MTP范围内规划问题的方法都是把MTP分割成两个分离且相关的部分：单期（single-period）和多期（multi-period）。

单期规划过程的目标是确定网络资源的质量和成本，以满足单期需求增长的预测。图2.4简要展示了单期规划过程。这个过程可以像在LTP中那样进一步细分子问题。但是，这个问题一般比LTP的单期规划更加复杂，不仅因为要考虑进来更多限制，已存在的资源及其使用和有效的未使用资源，而且需要更详细的输出结果。图2.4 MTP中的单期过程

为了使所有阶段中的整个网络成本最小化，建立起单期和多期规划的关系，目标是整体最优化。由单期网络规划过程得到的结果是每个阶段中所需的网络资源，每个阶段和它的下一个阶段之间是有联系的。多期规划过程需要不同阶段中所需购买的、配置的（从购买时起新资源不能被使用）资源的全部数量信息，因为这些资源是下一个阶段的输入信息。

每个阶段都应该建立适当的网络模型。此外，需要考虑所采取的方案中涉及的各成本。采用的方案具体包括：使用已安装的和未使用的设备（解除安装和新安装的成本），为了利用规模经济使用未安装但已购进的设备（安装成本）和使用已购进的设备（包括安装的置新成本）。有必要注意确保每个阶段包括它的临时过渡期中的设备成本，及各阶段中的全部投资正确的折扣。这种方案可以被看作是时段决定过程。每一步需要在可用的选项中做出决定，每个决定影响着未来的决定以及整个解决方案。当方案树迅速成长并有许多可能的分支时，就找到了减小决议树的不同办法（由整个解决方案构成）。删减决议树的典型工具是应用网络发展策略，考虑技术—经济限制及削减考虑的时隙的数量。

通过上述过程就得到了最佳网络方案。有3种可能的整体最优化目标，它们导致不同的网络结果：（1）同时最优化各个阶段的网络成本；（2）最优化从开始到正在考虑的阶段的投资折扣总和；（3）最优化下一MTP阶段，只将LTP结果中的结构上的部分（网络体系、网络结构） 作为一个弱限制来考虑。

这3种目标是由对MTP的3种不同的理解而产生的。第一种目标很适合图2.3（b）中描述的MTP过程，而第三种目标适合于图2.3（c）中描述的MTP过程。这两种对MTP的理解都可以采用第二种目标。在各种情况下，每个阶段考虑的成本包括：（1）相应阶段已获得的资源的成本；（2）相应阶段所用的资源的成本；（3）相应阶段的网络运行成本；（4）通过部署相应阶段未使用的资源节省的净成本；（5）通过在相应阶段之前部署已用资源节省的净成本。图2.5 MTP中的多期过程

这样，当找到一个最佳解决方案时，就有可能明确在 MTP 单期和多期规划阶段中出现的困难。特别是在单期规划中：（1）不得不使用先前安装的和未付清款的设备；（2）有限的预算很难用，需要建立网络单元优先级标准；（3）MTP需与LTP相一致；（4）子网确定的标准；（5）最优化的内在问题。

而对于多期规划：（1）不得不确定网络单元的临时成本渐进。（2）存在需求不确定性。此外，需求变化随着临时标准线的增长而增长。当选定一个网络解决方案时，规划者应考虑到这一点。（3）要考虑技术上的突破。比如特别要考虑到从SDH网络向WDM网络以及智能光网络等的升级（使成本和风险最小化）。（4）每一步中都要解决单期规划问题。（5）要对比不同的选项。由于要求的投资不是同时进行的，需要有一个财务评估，可能要用到NPV。

总而言之，MTP一般可以通过两次应用分解法来解决：第一次通过时间分解将单个多期问题分成几个单期问题，然后应用类似LTP分解的方法把每个单期问题分解成一些更简单、易解决的子问题。2.2.3 绿地规划/非绿地规划

下面简要对绿地规划问题进行阐述。绿地规划的意思就是，在基建即将规划的网络中，没有资源被认为是可用的。而非绿地规划的意思就是，现有的网络资源都将被考虑进去。

对于在N层网络中的资源来说，绿地规划的方法就是被用来进行长期的规划，详细说明了网络层中的总体的结构，并且特别定义了引进新技术时的策略（例如：带有特定技术的新的网络层的建立）。特别考虑了物理传输的绿地规划的方法确定了网络资源的需求，这对于网络资源的分配是需要一个很长的时间（例如子光缆）。两种类型的资源应该被考虑以区分不同的子问题：在规划层网络的资源，以及在较低层网络的资源。（1）在规划层网络的资源

考虑到在规划层网络中物理和逻辑资源的可用性，有两种情况：不存在的资源，可用的资源。

在规划层网络中，资源的缺乏意味着层网络将引进新的技术（例如ASON）。在低于规划层网络的层网络上，一些信息能否可用取决于特定的情况。（2）在较低层网络的资源

在这种情况下，在较低层网络中，资源可以被分为：可应用于第N层的网络和不可应用于第N层的网络。如果在较低层网络中的资源可用，第N层连接应该被进行路由，并考虑空闲容量的当前可用率。当空闲容量在第N−1层连接中被用光，这些连接对于传输来说是不可用的：这样就将产生一定数量的路由，并且以更有效率地使用当前的资源为目标。一般来说，一旦可用的容量被用光，剩下的第N层连接将被路由，以满足网络需求的增长。如果在第N−1层网络中的资源不能被使用，那么在第N层网络中将需要拓扑规划，通过识别在较低层网络中的潜在的连接，在第N−1层网络连接的基础上对第N层连接进行路由以及丢弃没有优化的第N−1层连接。

在较低层网络中的规划情况下，还应考虑对于潜在的物理资源例如节点和结构来说不同的情况：

①没有存在的物理资源；

②存在的节点；

③对于物理传输者来说存在的节点和结构。

其中，没有存在的物理资源的情况有机会从头开始建立自己的网络。对于物理传输者来说，节点位置和结构都将被详细说明。节点位置的选择需要对规划的地域以及它的地理结构和对连接的需求有一个详细的了解。

第二种只有节点位置给定的情况也可以认为是一种新的情况。这意味着规划活动需要对规划地域有详细的了解。同样，在这种情况下，一定数量的新增节点位置将会被引入并被使 用，如果规划认为它们是不方便的，也可将它们移走。

最后，当节点和结构对于物理传输者来说都是被给定的，那么规划活动将被限定于较低层的网络规划和物理传输。同样，一定数量的新增的物理结构也将被引入和使用。如果认为它们是不方便的，也可以将它们移走。

2.3 光网络规划与优化流程

2.3.1.1 流程概述

上一节给出了网络规划的一般方法，这一节将具体给出传送网规划与优化的大体流程。网络规划优化应该从全网的角度来组织通路，一般是以最优化理论为基础，根据实际需要选用一种或几种优化算法进行网络的规划和优化，网络规划结果能较好地趋于全网最优。网络规划与优化是一个很复杂的问题，通常用分解法把整体规划问题分成若干子问题，从而降低规划过程的复杂度，分解法被认为是一种切实可行的并广泛应用于SDH、WDM传送网的解决方案。我们首先描述了单层网络规划优化流程，然后对多层网络规划问题进行探讨。传输网络规划与网络优化的总流程如图2.6所示。图2.6 网络规划与网络优化总流程注：网络规划遵循边建设边优化的原则。

简要来说，一般网络规划优化的周期包括如下环节：业务预测、网络规划（包括网络结构设计、业务路由计算及容量分配、冗余容量分配、规划结果分析）、网络优化等，如图2.7所示。对于网络规划的基本流程如下：首先用户要预测未来业务量的变化，给出未来的业务矩阵；然后用户构建一个传送网络来传输这些业务。这时需要一个评估检测模块来评价这个网络，然后用户决定是否优化这个网络。如果用户对这个网络结构不满意，就调用网络优化模块，然后再进行评估，周而复始；如果用户得到了满意的网络结构，就直接输出结果。

这个过程看起来并不复杂，但是要实现这个流程并不简单，因为存在以下问题。

①如何进行业务预测？对未来业务发展进行业务预测是该流程的第一步，该步结果直接影响了后面的结果。现在网络发展迅速，业务量越来越大，业务种类日益繁多，如何进行业务预测变得十分困难。所以我们要尽可能多地考虑各方面的因素，包括经济、文化各方面的情况，构建业务发展模型，进行业务预测。

②如何构建传送网络？在得到未来的业务矩阵后，如何构建传送网也十分困难。例如，在一个只有4个节点的网络中，我们可以构建的环网络的总数是：，如果我们构建的是一个N节点总数是：，对于一个十几个节点的网络，这个 数目将极其巨大，直接构建网络将不现实，因此我们只能采用一些间接的方法来构建这个网络。

③如何评估这个网络？可以构建很多的网络来承载给定业务，但是如何评估这些网络，选出一个最优的结果却并不容易。通常我们选择网络建设运营成本和网络生存性作为我们的评价指标。

④如何优化这个网络？在构建了一个网络后，采用完全组合的方式遍历所有的架构模型是不现实的，因此普遍采用对原有网络结构进行优化的算法对网络进行优化，提高网络规划速度。

网络规划是一个循环的过程，按照给定的网络结构和业务需求矩阵，其间通过不断地对网络结构进行调整实现网络的规划设计，包括实现业务选路、网络容量规划以及业务保护设计等内容。一次网络规划循环可分为以下几个步骤：输入参数（业务需求分析）、网络结构设计、业务路由计算及容量分配、冗余容量分配及规划结果分析等。图2.7 网络规划与优化基本流程图2.8 网络规划流程

步骤1：业务需求分析

要使网络的设计更加有效，对未来网络主导业务类型和业务流量的正确预测是非常重要 的，因此规划人员自己必须要把握业务的分布和演进趋势。

首先从物理拓扑确定各节点位置信息，然后确定业务状况，包括业务矩阵（每一个节点汇集和终结的流量和节点对之间的流量关系）、业务关系的进展、新型业务区域以及重要区域的修正等。

步骤2：网络结构设计

主要是基于网状网结构设计的，能够依据网络物理联通性、业务流量分布情况，从所有节点之间的一系列待选链路中选择要使用的链路。通过网络结构设计可以得出网络的拓扑结构、容量配置、节点配置和链路配置等初始方案。当网络规模扩大时，很多路由算法的效率急剧下降，而且从网管的角度看，网络规模过大也会造成管理上的问题。目前解决这个问题的方法是对网络进行划分，主要包括路由层次的划分和控制域的划分。这一规划过程主要通过人工完成，此阶段的网络拓扑设计只是初始值，要逐步通过后期调整来达到最优目标。

这一步主要是定义网络的结构形式，确定网络结构的参数包括：

①物理拓扑：节点位置和节点间互联关系。

②业务矩阵：按照局部所采用的技术差异将网络分割成多个级或多个管理域和层。以便决定：每一级、每一层的节点划分；每一层、每一级的网络拓扑（链形、环形和网状拓扑）等。

针对必须通过多层执行路由的每一条端到端的业务需求，确定具体需要经过的层和需要执行层间交换的节点。

同时，完成在以上条件下每一层的拓扑设计。以确定网络的所有设备需求，例如光缆、光纤、分插复用器、交叉连接节点等的具体数量和配置状况。这一步又可被细分为：SDH/SONET层设计、WDM/OTN光层设计、物理层设计、全局优化。

完成网络结构设计之后，根据业务量需求在对容量优化的目标下对业务进行选路，并得出业务的速率、数量、类型、路由等参数。这一步主要为网络中的各种业务计算路由并分配波长资源，路由计算和分配波长都有很多种算法。另外，每一种生存性策略都会得到不同的空闲容量分配方案。对于传输网络，其采用的生存性策略是非常重要的，例如对应铂金级和黄金级的业务，需要为其预留保护容量，对于白银级的业务，也要有足够的冗余容量来确保故障发生时恢复路由的正常建立。网络规划初始通常使用静态业务的 RWA 算法，其优化目标是用最小的网络资源（光纤/波长）为静态业务建立光通道。通常采用的路由算法包括：Dijkstra算法、负载均衡算法或其他性能较优的启发式算法，以及整数线性规划（ILP）算法等。容量分配是指在链路中有多条波长可用的情况下，波长分配算法将负责从中选择一条最合适的波长建立光路，比较常用的算法有Random（随机分配）、FF（首次命中）、LU（最少使用）、MU（最多使用）、RCL（相对容量损失）、RLI（相对最小影响）算法等。

在冗余容量分配中，每一种生存性策略都会得到不同的空闲容量分配方案。对于传输网络，其采用的生存性策略是非常重要的，例如对应铂金级和黄金级的业务，需要为其预留保护容量，对于白银级的业务，也要有足够的冗余容量来确保故障发生时恢复路由的正常建立。

保护也有两种情况：链路保护和通道保护。在链路保护情况下，链路中的每一条光纤都必须有备份光纤，并且要确保它们的路由不同。在通道保护情况下，则针对某一条业务通道在源节点和宿节点之间必须能够找到另一条与之不相交的通道作为它的保护通道。在专有保护和共享保护情况下，应该使用优化算法使得所需要的保护容量最小化。

对于恢复容量的计算，可以对网络可能发生的故障进行预测和分析，来决定网络所需要 预留空闲容量的大小。通过模拟全网任意单点故障（包括单节点、单光纤、单链路故障等），或者多点故障所影响的业务，可以得出要提供全部业务或者部分业务的恢复操作，网络所需要配备的空闲容量。

规划结果分析是指对光网络组网方案进行总体分析，具体可从多个角度考虑，包括资源利用率分析、生存性分析、经济成本分析，以及网络的可操作性、可扩展性、可靠性等。其中后者主要包括：

①网络成本：基于每一种解决方案所需要的网络设备数量和计算网络成本；

②连通性：每一条端到端连接的可用性；

③可升级性：当某些连接的业务量增加时对网络性能的影响以分析其可升级性；

④可重构性：当业务在数量和分布模式方面发生变化时，网络应该具有一定的灵活性以便具备能够自动地随着业务的变化做适当调整的能力。

下面从资源利用率分析、生存性分析、经济成本分析等几个方面进行阐述。（1）资源利用率分析

资源利用率的指标在各层有不同的定义和含义。在波分复用层，利用率是指对波道的利用情况，即波道利用率。考虑到各光复用段之间的长度不同，而不同长度波道的剩余对网络而言是有不同意义的，因此该指标应该是和光复用段的距离相关联的。例如，对一个 WDM网络而言，假设有n段波分链路，那么波道利用率定义为

其中，Y为波分链路i承载业务的波长数，L为链路i的物理长度，iiZ为链路i可配置的总波长数。i

网络资源利用率使用越高越好。从理论上来讲，最理想的情况是利用率达到100%，但实际的情况是不可能达到这种水平的。网络的利用率是随着时间的变化而逐渐变化的，在网络的建设/扩容初期，一般来说利用率较低，但随着时间的推移，对网络的资源不断的使用，利用率会逐步上升到一个理想的水平，直到网络需要扩容，网络扩容后网络的利用率又下降到一个相对低的水平。（2）生存性分析

生存性分析包括单次故障恢复时间、网络故障恢复时间、网络故障恢复效率等。单次故障恢复时间是指当网络发生指定的故障引起业务中断时，该业务从中断到完全恢复正常所经历的时间，其基本数学表达式为

其中，T为单次故障中断时长，t为故障检测时间，tNR为保护RA恢复时间，tSR为业务恢复时间。网络故障恢复时间指从第一条业务中断到通过恢复策略使最后一条受影响业务被恢复所经历的时间。

根据各大运营商的实际网络运营数据，对于总光缆长度约100000km的光传输网络，每年大约会发生150～300次光缆单点故障；两点同时故障事件也大约会有4～10次。因此，单 点故障是网络中高概率的故障模式，所设计出来的网络必须能够完全抵御；两点同时故障也是网络中不可忽视的故障模式，对于影响较大的两点同时故障也应有一定程度的抵御能力。

通过故障模拟和网络仿真，即逐次模拟指定故障，在故障条件下根据预先规划的恢复顺序、生存性策略、路由安排等对每个受影响的业务进行保护倒换或恢复，可以得到故障恢复时间、业务恢复率等网络性能参数，从而检验网络配置和业务安排是否有效。（3）经济性分析

网络建设成本分析是网络规划问题中极其关键的步骤，它决定了整个规划方案是否具有可行性，是运营商在规划时最为关注的评估指标。网络建设成本包括网络的建网费用CAPEX和运营成本 OPEX。网络的投资成本包括构建核心网络所需的光通路系统投资（DWDM 设备）、节点设备投资（ROADM/OADM设备、OXC设备、DXC设备、ADM设备、ASON设备等）以及工程/辅助/安装服务支出等。网络的运营成本主要包括网络的市场推广/日常支出/行政管理费用SGA（Sales，General＆Administration）、网络的运营维护费用、运营人员工资支出以及机房租金支出等。

网络建设的根本原则是利润最大化，这个原则可以等价地描述为网络总成本现值最小化，即

其中，C为网络的初期建设成本，C为第i年因业务质量不满足itSLA所产生的成本（收入的损失）；C为第i年的维护成本；d为第i年mi的折现系数。因为满足SLA对业务质量的要求是网络规划设计的基本约束条件，因此这里C是不存在的，下文我们只讨论初期建设成本和t维护成本。

网络的建设成本包括链路成本和节点成本。链路成本包含了中继链路在服务层传输网中各层面的成本，其定义如下：

其中，C为承载中继链路的SDH层成本，由SDH复用设备和再S生设备成本构成，C为承载中继链路的OTN层成本，由OTN复用设O备和再生设备成本构成，C为承载中继链路的WDM层成本，由WWDM复用设备和光放大设备成本构成，C为承载中继链路的光缆层F成本，由光缆和光缆分配架成本构成。节点成本指构成节点传输能力的所有成本，其定义如下：

其中，C为局房成本，应采用经济评价中再分配收人的方法进H行测算；C为配套设备成本，可简化为传输设备成本的一定比例；CC为传输设备成本，可简化为以电路数量为自变量的函数：D

其中，C为业务板成本，N为在该节点所下电路数量，C为设esXeo备其他部分及公用板件成本，C为设备安装费用，C为工程其他费eiO用。（4）需求变化容忍性

需求变化容忍性是指在业务需求发生变化时，网络的适应能力，定义如下：

其中，F为新的业务需求中所有业务的带宽之和；F为新业务中TS被阻塞的业务的带宽之和。需求变化容忍性相比资源利用率指标，更真实地反映了网络的业务扩展能力。

在规划结果分析后，可以得出业务对网络中节点和链路容量的需求状况，然后可以根据对结果的分析对网络结构做出调整，若某些链路使用率过高，则可以考虑为链路扩容，若某些业务工作或保护路由配置不合理，则可以手工为其指定。通过网络规划，最终可以得出满足要求的网络拓扑结构设计。

2.3.1.2 规划算法

规划算法包括遗传算法、模拟退火算法、双种群进化规划算法、免疫算法、蚁群算法等很多种，这些基本的算法理论在网络规划的体系与模型分析、选路、生存性策略等方面都可以有很重要的应用。下面我们只简要介绍3种典型的规划算法：模拟退火法、遗传算法和蚁群算法。

1．模拟退火法

就像名字中所表达的，模拟退火法采用了一种模拟金属冷却直至冻结成最小能量状态的晶体结构的过程，在一个更为普遍的系统中寻找一种最小值。由于该算法适合较大范围内的优化问题，故而引起了广泛的关注，特别是当所求的全局最大/最小解隐藏在很多的局部最大/最小解中时。令人惊讶的是，该算法的实际操作是相对简单的。

该算法基于 Metropolis 等人所著文献。算法采用随机搜索，这使得有些变化可以减少目 标函数的个数，有些则会使目标函数个数增加。算法一定要能够提供以下要素。

①可行解或系统结构的描述。系统结构可用一系列的结构参数来描述{x，x，…，x}。12n

②变换解的随机发生器。解的发生器应当可以引入小的随机变化并允许搜寻所有可行解。通常，这种变化是通过对结构参数的修改而完成的。

③评价问题函数的一种方法是建立目标函数 E，其最小值就是该程序的最终目标。就优化算法来说，对目标函数的评估从本质上讲是一个“黑盒”的操作过程。

④退火时间表—初始温度 T 以及以不断降低温度为目标的搜索过程。这要求精通基本的物理过程并采用反复试验的方法。首先要产生一些随机重排，并以此来决定E值的范围，这就推动了变化的进程。然后要为参数T选择一个起始值，该值一般要比最大的E 还要大得多。接下来要执行一个不断倍乘的步骤，每次要将T的乘数因子减小10%。常量T的每一个新值会持续一段时间，直至对从最初的结构开始的100次变化的配置的试验，或是10次成功的配置试验。当E的值无法进一步减小时，循环停止。

图2.9给出了模拟退火算法的基本结构。

模拟退火法的效率主要由临接函数图2.9 模拟退火法非独立域的定义而决 定。此外，冷却进度表有时也很重要。如果温度降低过快，找到较好解的可能性会大大减小。但另一方面，温度降低的越慢，算法的执行时间就会越长。

尽管模拟退火法无法避免产生局部最小值，但从总体上说，该算法还是能够给出较优解的。在优化过程中，解容易产生在低开销区域而非高开销区域中。模拟退火法实现简单，与边缘改良法相比，该算法的临接测试比较容易，所以在组合优化问题中模拟退火法比较受欢迎。该算法的缺点是对CPU的要求高，且对一个已存在的较好解来说很难进行额外的改善。

模拟退火实例如下：

为了形象地说明算法的操作过程，下面给出在“退火”的各个阶段中网络的具体情况。在这里需要说明的是，虽然演示中只给出了7个节点的情况，但是这并不是说在节点增加的情况下算法就出问题了，而是考虑到节点多了以后反而会给演示带来不便。（1）初始阶段

此时，网络结构由一个个三角形环网组成，网络的成本最高，其造价为3 240万元。对应退火过程中温度最高的情况。此时的网络结构如图2.10所示。（2）降温阶段

根据算法的设计，网络是按照每次删减一条边的顺序逐渐降低冗余度的，且每次删减的边保证是使网络成本下降最大的。这对应着温度逐渐下降的情况。这一过程可以从图2.11至图2.13所示的网络结构中形象地看出。它们对应的网费分别是2880万元、2520万元和2160万元。图2.10 网络结构一图2.11 网络结构二图2.12 网络结构三（3）最终结晶体

在设定的基本限定条件下，当网络的结构精简到图2.14所示的情况时便再也无法继续精简了，这对应着降火所最终得到的结晶体。这就是我们想要的最终网络拓扑结构，其费用为1800万元。图2.13 网络结构四图2.14 网络结构五

由于所列节点个数较少，所以随着边数的减少，网费也是逐渐降低的。其实，在节点结构较多的情况下，边数减少所降低的费用可能比它所造成的波长增加所带来的费用增加要少，这样边数的减少并不一定就会带来费用减少，而是存在一个低谷的情况，这个低谷就是我们所得的最后结果。图2.15中定性的成本变化曲线可以对此进行说明。图2.15 网络成本变化曲线

有可能在这个低谷之后还有更低的情况，但是就该算法而言这个更低的情况我们是无法得到的。这是因为，我们所采用的规划算法是一个“贪婪算法”，它只能求得每一步的最优，并不一定能得到整体的最优。我们每一步只砍掉一条边，当边数砍到一定的数量后，可能随着波长数的增加，网络的成本不会再降低了；但是如果我们同时砍掉两条或更多数量的边的话，网络费用的变化将是一个怎样的情况，这点我们无法说清楚。这正是我们所采用的这种规划算法的局限性。

2．遗传算法

遗传算法（GA）（参看文献[11]、[12]和[13]）尝试模拟由达尔文首先提出达芬奇详细阐述的自然进化现象。在自然进化理论中，每个物种都在努力适应不断变化的外界环境。随着物种的进化，这些新的特性会在个体成员的染色体中重新编码。这种信息通过随机突变产生变化，但在进化发展背后的最终推动力量是繁殖过程中染色质的结合和交换。

遗传算法与传统优化算法的区别主要表现在以下4个方面：

①该算法并不是直接处理各变量，而是对控制变量进行编码；

②该算法的搜索着眼于解的全域而不是个体；

③该算法只利用目标函数本身的信息而不去考虑它的导数；

④该算法使用概率转移规则而非确定性规则。

当然，遗传算法的后两种属性与模拟退火法一致，因而它们在某些应用领域是一致的。遗传算法的基本结构如图2.16所示。与标准优化流程图稍有不同，该算法用“种群”代替“解”。比较大的区别是，新解产生的常用步骤被3个连续的动作取代—群体选择、再结合和基因突变。

候选解必须进行二进制编码（称为染色体）。由于编码适用于整数和决策变量，所以连续控制变量必须近似为整型变量。然后通过随机方式或根据待解决问题的精确信息对染色体的原始种群进行选择。在该算法中，对每一代的种群的选择都是基于适者生存的原则，而且图2.16 遗传算法流程图要将待解决问题的本质抽象成一个公式。选择最佳染色体，对 其进行派生以产生下一代，且下一代要继承祖先最好的特征。经过很多代的遗传变异之后，最终的种群要比最初的种群优秀得多。

算法在结合阶段尝试创造新的改良解。关键之处在于对现有优秀种群的特性进行交叉重组，以构建更为优秀的解。通过在随机点切断母体连和对这些母体连的交换完成交叉重组过程。通过这种方式产生的新子链偶尔会发生突变，这种突变中的随机因素可能会改变原有的数值。突变阶段的目的是确保不会产生无法挽回的遗传信息的损失，以此保持种群的多样性。举例来说，如果种群中的每一个解都以0作为一个特殊比特值，再怎么交叉也不会产生1。

就遗传算法而言，对新串的评估从本质上讲是一个黑盒操作。那样，新的种群会被接受或是遗弃。该过程会不断重复，直至产生令人满意的进度表或是资源被耗尽。通常，遗传算法需要经过多次反复以找到高质量的解，也就是说，要花费很长的时间来产生优秀解。当各子串在构造上存在相似的阻塞性时，向全局解的收敛就会变得很困难。另一方面，该算法允许在较大空间内进行搜索。认识领域在对问题的描述和对参数、操作的选择过程中起到了很重要的作用。

对任何可以产生多种解的网络结构优化方法来说，都可以采用遗传规划来做加速优化器。如果问题的公式化表示是一个多商品流问题，且该问题的限制条件只涉及边缘的流量，我们可以采用以下方法：对一对解我们要寻找一个切点（将一个网络划分为两个子网的一系列网络元素），在该切点，两个解流量相同，但切点两侧两个子网内的解是不同的。这样，我们就可以通过将切点两侧的两个不同解相结合产生新的可行解。

3．基于蚁群算法的分布式网络规划

在现代化理论优化算法中，蚁群算法是常用的一种，它可以用于求解最优路径等。蚁群算法是人们受自然界中真实蚂蚁的群体行为的启发而提出的一种基于种群的模拟进化算法，属于随机搜索算法的一种。最早由意大利学者M. Dorigo等人首先提出来，他充分利用蚂蚁群体搜索食物的过程和著名的旅行商问题（TSP）的相似性，通过人工模拟蚂蚁搜索食物的过程求解TSP问题，获得了成功，故称之为“人工蚁群算法”，简称“蚁群算法”。其基本原理是：在较优的路径上的蚂蚁信息对于后来的蚂蚁起引导的作用较大。最初选择两条路径的概率是相等的，但是途中路径101通过的时间比较短，因此路径101上的生物信息的积累也就很快，随着路径102上的生物信息的挥发，最后，所有的蚂蚁都会选择较短路径101通过。Dorigo等人提出的蚂蚁群体优化的元启发规则，较好地描述了蚁群算法的实现过程，其过程可表示为：①当没有达到结束条件时，执行以下活动：蚂蚁在一定限制条件下寻找一条路径；②轨迹（即外激素，又称生物信息）浓度的挥发；③后台程序处理，处理任务主要是单个蚂蚁无法完成的任务，比如根据全局信息对外生物信息浓度进行更新；④达到条件，结束。下面我们给出一种利用基于蚁群算法的分布式网络规划方案。图2.17 蚁群选路示意图

本方案主要解决以下两个方面的问题。

①利用修正的蚁群算法在网络中实现SLA（服务等级协定）需求，同时实现负载均衡，防止收敛为局部最优解。利用这种现代优化算法解决网络中动态资源分配的问题，在优化资源的利用率的同时降低网络的阻塞率。

②对具有控制平面的智能光网络给出一种分布式优化的解决方案。采用分布式策略解决网络规划中多等级业务的连接、建立、拆除，且需要按照多个QoS等级和生存性需求进行网络的业务等级规划。简化智能网络中的复杂的路由技术和信令技术，节省了控制协议对于资源的耗费。借鉴蚁群算法思想，提出联合路由和信令的选路以及建立连接的控制技术，减少控制带宽的需求，以便留有更多的控制带宽来应对突发性事件带来的网络控制信息风暴。

下面进行简要描述。（1）采用的模型与策略

我们采用基本蚁群算法中的 AntC 模型。这样可以根据花费的实时变化进行动态的网络规划，同时全局更新的策略可以加快算法的收敛速度。在每次循环结束后，更新相应的生物信息量。由于蚁群算法易收敛于局部最优解，所以按照MAX-MIN模型设计整个流程，也就是说需要将生物信息浓度限制在一个范围内，小于下界或者大于上界均以下界或者上界计算。这么做的原因是如果控制参数α过大，算法会过早收敛，不能得到全局最优解；而α过小，蚁群运动的随机性会过大，收敛过程会过慢，甚至于不能收敛，也不能的到最优解。在本方案中，限定生物浓度信息Φ的范围为[Φ，Φ]之间，其中minmax，Φ＝Φ/2n，n为节点个数，f为最优minmaxbest路径花费的目标值，这里我们采用本次迭代的值作为最优值使用，这样既可以防止次优路径被最优路径完全屏蔽，在最优路径存在的同时仍然可以保证有较小的概率选择次优路径，以实现业务的负载均衡，又可以防止算法收敛于局部最优解。

另外，对于超大规模网络，由于计算量的增加，收敛时间通常会比较长。为了减少算法的收敛时间，本方案将整个网络划分为多个搜索子区域进行并行的搜索，过程如下：每次蚂蚁在搜索区域和可行集合的交集中选择下一跳，注意对于每个区域的禁忌表并不同于整体禁忌表的处理。在子区域搜索不到可行路径时，需要向外部区域发送请求，以保证连接建立的成功。（2）基于蚁群算法的一般网络规划

由于承载业务的多样性，在网络规划中必须要考虑到QoS问题。常见QoS参数分为3类：可加性类型，可乘性类型，瓶颈类型。对应于可加性类型的参数如时延、成本、延时抖动、跳数；对应于可乘性类型的参数如丢包率、链路利用率，此种类型可以通过取对数的方法来进行特殊的处理。瓶颈类型，也就是平时所谓的最大最小性，短板效应，如瓶颈带宽，可用CPU资源，整条路径受限于瓶颈的链路。对于误码率等直接取对数即可，而对于优势评价参数则对数取负，对于可用带宽的处理方法参考 OSPF 的花费计算模型，108/可用带宽。我们采用取倒数的方法，系数可以自定。不难看出，多种花费开销还可以考虑实际物理传输媒质的限制，如色散D、光纤的非线性效应等。

为了解决QoS问题，在本方案中我们提出一个多约束函数：，f（e）表示多种标准处理后的量化参数，为网络性i能参数。对应于上述几种评价，构建实际的度量函数向量。。其中为调整向量。调整的原则是使最后的实际评价标准在同一个数量级，防止某个参数的影响过大。其中对应于每种评价标准设定权重向量，ω，ω，…，ω分12n别对应各个性能参数的权重，可以根据不同运营商的喜好来修改相应的权重值。，为多约束函数的搜索函数，选择使该函数值最小的路径。不同于的是，仅能作为归一化的因子，该值大小限制决定其不能作为唯一的调整参数。，相应的1/d可以看成是相关的代价。ij

另外，为了保证更好的QoS，需要对网络的性能进行实时的监测。我们将蚂蚁在网络的节点之间的选路和QoS的变化紧密相连，根据网络的利用情况进行实时的调整，动态的规划路由和资源的使用。影响转移概率有多种因素，其中也包括链路占用情况、延时、抖动、阻塞率等统计参量。由于瞬时的统计往往带有很大的随机性，需要一个有效的方法来对网络的实际性能有一个准确的评估，采用统计平均与历史记录加权平均的方法，充分地利用现有的信息和预测的方法，同时二者所占有的权重比例关系可调。

在SLA问题中，每一种组合的QoS标准对应于一种等级的业务。对应于多等级业务，将蚁群种族分为多组蚁群，需要保证等级高的业务分到较好的路由。因此，可以认为，等级高的业务对于其他的业务排斥性大，对于一个具有M级等级业务的排斥权重为{ε，ε，…，ε}，12M通过吸引系数和排斥权重联合为蚁群j选择链路l的概率，其中ε为常数。可以看出，若吸引权重增大，则转移概率增大；若排斥权重增大，则转移概率减小。首先，优先级最高的蚂蚁开始建立连接以确保高效直通路由的建立，形成稳定解后依次排序继续其他优先级业务的连接建立，其中，在为业务选择路由的同时我们为其分配资源。

可以看出，针对上面所述规划问题的特殊要求，可行集不仅要考虑已经搜索过的节点，还要考虑受限路由、相应的QoS以及SLA的约束。因此本方案定义：对于第k只蚂蚁，其在节点i向节点j转移的概率为

{Allowedk}为第k只蚂蚁的可行集，{Neighbork}为邻居节点集合，{rtetabuk}为搜索过的节点集合，{contabuk}为不符合限制要求的节点集合；d表示可达性信息，1/d为相关代价 Lk，（t）为i到j的路由ijij转移概率。对于s到d路由的路径（s，…，i−1，i，…，d）而言，蚂蚁访问到节点i，则更新它的邻居i−1的概率，而其他邻居节点的概率相应地减小。，，n≠i-1且n∈Allow（s），δγ是生物信息的加强增量，随路径长度增大而减小，可用资源数增多而增大，，其中μ为路径和可用资源变化的相对重要权重，用来进行性能调节，δl对应于相应的路径长度，δw对应于路径上可用资源的百分比，，其中θ，γ为修正参数，w是路径中可 用资源的百分比，Δl＝l-l，和最优路径进行比较，进行更新。min（3）基于蚁群算法和控制协议的智能网络优化

下面给出基于蚁群算法和控制协议的智能网络优化方案。首先定义支持本方案的蚂蚁格式包，通过其中的一些必要的属性项来完成这个功能。在一个连接发起时，采用蚂蚁信令在每个节点逐跳地计算路由，向下一跳发送连接请求消息，每个节点根据现有的可行集中的邻居链路上的生物信息及其他等级业务的排斥因素独立地计算下一跳可用路径。每次计算后的节点加入节点禁忌表中，防止再次搜索。同时按照前述更新策略更新生物信息因素和路由可达性信息以及随着链路的实时性能变化动态更新链路的花费。目的端在收到一条可以建立的连接后，对该连接进行有效性检查，也即该路径是否有足够的资源来建立连接，尤其是在标签连续性限制条件下，物理路径的存在往往不一定真实可达。进一步，我们根据蚁群算法和智能网络的控制协议的结合，设计分布式路由及资源分配信令流程如图2.18所示。

在图2.18中，进行标签分配过程的同时，更新路径上的所有信息，包括统计的链路性能参数，标记该链路已被占用。通过蚁群方法建立一个通路，当搜索到桩节点或者出现路由环路时，支持动态回溯，可以通过回退搜索来返回之前搜索的路径，直到找到一个可行集后才可继续向下游发送标签分配消息，继续建路。注意：在建路的同时会受到其他蚁群，也就是其他等级的义务的干扰，在SLA策略的限制下动态地分配资源。此处的路由方式不同与以往的源端路由模式，而是分布式计算的逐跳路由，目的节点收到建立连接请求时，向源端发送一个连接消息，按照相同的路径返回。连接拆除时与建立过程类似。标签分配确认消息确认 一条LSP的建立，并且在拆除前发送一个预拆除指令。资源释放从目的到源逐跳释放，释放完成后，源端显式确认。图2.18 基于蚁群算法和控制协议联合的分布式路由及资源分配信令流程

在分布式路由和资源分配过程中，可能存在以下3种情况。

情况1：如果目的端收到一条物理可达路径后，进行反向资源分配时在某一节点处出现资源不足时，应当首先标记该节点，并从该节点向目的端发送资源不足的消息，由目的端直接释放反向的连接。由于源端发出标签分配请求时，并没有收到标签分配确认消息，源端收到标签释放消息时可以判断，在中间的连接建立过程中出现了错误，响应目的端的标签释放消息，发送标签释放确认消息指示释放已经正常完成。

情况2：在某个LSR按照生物信息等多种因素计算出来的转移概率进行标签分配消息进行连接时，在某个节点出现端节点，通过其所有邻居也无法到达目的端，此时采用回退消息回退搜索，之后的每个回退节点均进行标签分配的尝试，直到可行为止，目的端收到标签分配消息后的过程正常建立该连接。

情况3：建立连接时即不可达。此种情况比较罕见，通常发生在连通度较低的网络中，或者回退搜索也无法在发送标签分配消息时找到可行路径，也就是说，无法到达目的端的LER，此时无需分配资源，直接反向发送给源端LER一个故障指示，释放标记的链路即可。（4）具体实施步骤

①初始化：区域划分为N个子集搜索，，第i个区域有ik个点，lk条链路的网络，采用M个蚁群，，对应于MPLS/GMPLS 网络中M个等级的业务，其中k＞k＞k。设定各个链路的12M指标，诸如带宽、延时、丢 包率等，如无则设为0，及相应的权重，计算每条链路的d。ij

②启动迭代计数器迭代次数，用CycleNum表示（CycleNum＜MaxCycleNum）。

设共有M个蚁群，对每个蚁群m进行遍历（m＜M）。

③将整个网络划分为N个搜索区域子集，对于每个搜索区域子集n（n＜N）进行搜索。

④初始设定t＝0，，其中ε为很小的正数值，防止开始计算即出现较大的偏差。

⑤对于蚁群m，其蚂蚁总数为km，对于每只蚂蚁k遍历（同类蚂蚁并行计算）k＜kM并 设定FindNextNum，对于每个蚂蚁k，，计算相应的转移概率，判断下一跳，发送SetUp消息。同时，将访问的节点加入节点禁忌表 Route_TabuList，对于某一段链路进行可用标签的计算。Path_List记录相应的节点。

⑥假设区域n中存在in个节点，遍历区中每个节点（i＜in），更新生物信息因素，确保不收敛一条路径，以实现负载均衡，采用MMIN更新生物信息策略。

⑦计算相应的路由变化参数，对于未作为路由的其他邻居节点，则更新路由信息参数。如果j属于可行集，则更新相应的转移概率，否则转移概率应为0，更新对应的cost[]的值。

⑧ 统计链路的性能参数，同时包括统计时间窗的范围修正。动态实时的监测网络性能的变化，以便快速响应网络负载的变化而不带来过大的额外的负荷开销。

⑨ 如果陷入环路或者端节点，则向上一跳发送回退命令，进行回退搜索，同时Path_List中的相应元素出栈，如果搜索次数FindNextNum＜0，则结束本域搜索，否则FindNextNum--，步骤6（下一个节点）。

⑩如果节点搜索完成，则反向向本域入口LER发送标签分配消息，分配的标签加入Label_List，对于有连续性标签要求的网络还需要一个波长禁忌表来控制标签的分发。如果中间某个LSR判断没有标签可用，则重试本域的同一入口LER的另一条路径，如果仍然不可，则重试本域其他入口LER，否则重试下一个域。如果仍然不可行，且超过了最大回退次数，则发送标签分配失败消息给本域目的LER，也即本域的出口LER。如果标签分配成功，即本域的完整 LSP 已经建立完成，由LER节点负责归纳本域路由信息和标签分配的情况，作为通告路由器和其他域进行交互，区别于单个域搜索，如果本域的路由禁忌表为满或者找不到可行集中的节点时，应当在它域内寻找。否则步骤4（下一个域）。

⑪此时在所有域的搜索下，已经建立完成一条完整的LSP，从源LER发送标签分配确认消息给目的 LER，同时更新链路上的生物信息。在业务建立完成后，源端 LER 发送预拆除指令，目的端LER收到后进行标签释放过程，在源端LER发送对于标签释放进行显示确认保证释放的完成。即对于等级较高的业务建立完毕，继续建立下一等级的业务，更新业务排斥参量γ，并重新计算转移概率，至步骤ijMk3。

⑫如果CycleNum＜ MaxCycleNum（最大迭代次数），结束，否则步骤2（下一个迭代次数）。2.3.2 优化流程

网络优化的主要任务是在网络运行过程中，对网络结构、资源配置、通路组织和保护恢复设计进行优化，以提高网络利用率、质量和鲁棒性等。例如，网络运行过程中，其配置并不一定是最佳的，例如存在负载不均衡、鲁棒性差等问题，可以通过网络优化工具进行分析，然后再对实际网络进行调整，以提高网络性能。此外，当新业务到达时，可能需要对现有业务的路由和波长重新进行分配，以满足其业务建立的需要。网络优化首先是基于对网络性能的评估，针对发现的问题，提出网络优化方案。为了准确掌握网络的配置和资源利用情况，通常要求网络优化工具能够实时获取网络数据。通过对实际网络数据进行分析，使用户真实、客观地了解网络整体情况，并提供对网络容量瓶径的预测。我们将在第3章详细阐述网络资源优化的内容。

网络优化主要有如下3种方式。（1）网络结构优化

对网络结构进行优化，包括网络拓扑的优化、网络分域和分区的调整等。这个过程相对比较复杂，往往需用人工智能的干预，不是一个简单的纯计算过程就可以实现的。（2）路由优化

网络优化讨论路由算法问题，需要区分动态业务和静态业务。静态业务的 RWA 算法通常是建网初始的规划方法，通常以容量优化为目标，这个功能同样可以用于网络规划模块。动态业务 RWA 算法通常在网络运行期间，其算法的优化目标通常是网络的阻塞率。路由优化包括局部优化和全局优化。局部优化主图2.19 网络优化的简单流程要是释放出链路中的不连续带宽资源，进行带宽碎片整理，从而达到允许网络建立新的大颗粒业务的目的，这时不必要对所有业务的波长路由分配进行调整，其调整原则可以是对网络业务影响最小。全局优化是根据当前的网络结构和运行状况，优化调整业务路由。当网络运行了一段时间后，整个网络的配置性能较差，可以根据当时的业务分布，根据优化目标利用 RWA 算法重新进行优化。这个过程需要对所有允许被调整业务进行调整，其优化目标可以是最大资源利用率。

路由优化的策略主要包括最少资源使用和负载均衡等策略，具体算法包括最短路径算法、负载均衡算法、多约束分离路径算法、链路碎片整理算法等。对于路由算法而言，还应该指定物理网络特性和限制条件，以WDM环网的优化为例，则为拓扑结构、波长资源、节点特性、是否指定了部分或全部路由、是否有波长变换能力、采用什么保护方案等，然后以此为基础，选择并配置波长路由算法，最后对算法模拟的结果进行分析。（3）保护恢复优化

随着网络业务的增加，网络的冗余容量会逐渐减少。通过网络分析，可以提醒用户到什么程度网络还可以作 100%保护恢复，并在必要时提出要保证一定的保护恢复率，需要增加哪些网络资源。保护恢复优化还具有强大的故障模拟能力，通过模拟网络中的节点、链路故障，分析网络安全的瓶颈，计算网络保护恢复的性能。

2.4 业务需求预测

网络规划与优化问题首先需要解决的问题是对其客户层产生的业务需求的预测。业务预测是指以调查资料、经济信息和业务信息为依据，从经济现象的历史、现状和规律性出发，运用适当的方法和技巧，对业务未来发展的分析、估算和推断。业务需求预测涉及的基本问题包括：

①基础资料的收集和信息资源的充分利用；

②基本参数的设定；

③预测基础量和派生量的选择确定；

④预测结构所处范围的合理性分析；

⑤预测结果的分析和修正。

如图2.20所示，业务需求与其他约束条件一起为网络规划重要的输入参数。其中，技术 约束决定了可供选择的传输层技术，比如规定在 SDH、WDM/OTN和ASON中选择其中的一种或几种。基础网络约束则限制了网络规划的基础拓扑模型，网络的演进一般应服从平滑演进的图2.20 网络规划输入参数模式，所以网络规划的进行应在原基础网络拓扑上进行扩展，然而，对于绿地规划，则不用考虑这个问题。物理约束包括链路容量限制、节点设备终结限制、节点交叉连接容量限制、通路长度限制等。经济性约束则给出了运营商对新建网络的投资上限。

业务需求分析是网络规划的基础和前提，它通过科学的方法和手段对各类业务对未来变化的趋势做出定量估计，其目的是为网络规划提供科学计算的依据，由此 来确定下一步的组网方案。由于现在的物理网络上所承载的业务种类很多，各种业务具有不同的组网方式和发展规律，因此必须针对不同业务分别进行预测，然后将所有的带宽需求综合起来，统一规划。具体可从以下几个方面对业务需求进行分析。

①业务节点：确定哪一些节点用来承载业务，确定业务节点与光网络节点的映射关系。

②业务需求流向：是集中型业务、相邻型业务、均衡型或其他业务模型，一般可以采用业务矩阵进行描述。

③业务需求带宽：指对传输带宽的需求，及业务的粒度（2M、155M、622M、2.5G、10G、40G等），以及是否可拆分等。

④业务对光网络的要求：如QoS方面的要求等。2.4.2 体系及预测模型

业务预测可按预测的时间长短分为长期业务预测、中期业务预测、短期业务预测以及近期业务预测等，也可按预测方法的性质分为定性业务预测和定量业务预测。业务预测体系如图2.21所示。

应该说，业务需求预测是一个复杂的过程，其中所牵扯的因素很多，包括国家政策影响、地区经济发展、技术进步等。按照业务是否已知，业务可以分为现有业务和新电信业务。现有业务是指现网中运行的业务，新电信业务则是指随着网络技术的进步所产生的新的电信业务。由于网络规划对业务带宽的需求是敏感的，所以带宽需求的预测方法十分重要。对于现有业务，带宽预测相对较为容易，可以从历史数据中预测，或者通过市场调研或用户人口估计，也可以一些额外的工具预测一些位置业务，比如通过泊松业务模型来预测语音业务，通过自相似模型来预测IP业务。对于新电信业务带宽的预测则比较复杂，这些新业务由于缺乏或根本没有实质数据，因此不易采用数学模式预测，通常采用类比法或调查分析法来解决。但文献中给出了一种可供参考的数学模式预测方法。它首先对电信业务分类，对不同类别的业务根据其自身特点分别预测其带宽需求，然后把这些结果相加得到整体带宽需求。如图2.22所示，该方法考虑了新业务和现有业务之间的相互关系，并把该新业务分为3种不同的类型：另加的新业务、替代的新业务和增强的新业务。对第一种新业务的增长预测采用扩散模型，对第二和第三种新业务的增长则采用替代模型。采用新技术的增长预测可以假定服从一个 S形曲线。根据该假设，业务增长可以用下面的数学公式来描述：图2.21 业务预测体系图2.22 带宽预测方法

下面再介绍几种常用的业务预测模型。（1）相关因素回归预测

①基本原理：根据业务发展的不同影响因素（社会经济指标），在相关分析的基础上，采用多元回归预测。

②预测模型：，其中Y表示所预测的业务，x表示不同的影响因素，a为回归系数，为预测误差。

③适用范围：有多年相关历史数据积累的传统业务；受相关社会经济因素影响的行业发展趋势。（2）时间序列—时间趋势回归

①基本原理：假定相关影响因素不出现很大的变化，根据历史发展趋势预测未来基本走势。

②预测模型：一元线性回归：

平方曲线回归：

指数曲线回归：

对数曲线回归：

③适用模型：有多年相关历史数据积累的传统业务；传统行业的发展趋势；社会经济指标的发展趋势。（3）时间序列—ARIMA（移动平均和自回归）

①基本原理：根据发展趋势，调整季节性变化，从月度数据预测年度数据。

②预测模型：ARIMA（p，d，q），其中p为自回归 的阶数，q为移动平均的阶数，Φ为自回归的系数，θ为移动平均的系数，c为常数。

③适用范围：大量数据累积的业务，对月度量收数据进行，预测结果不佳。对发生时间间隔短的随机事件更加有效。2.4.3 业务等级

从使用网络的高层用户的角度来说，业务可分为IP、ATM、语音、VPN、租用电路等。当然在现有网络中，很多高层业务并非直接由传输网络承载的，仅仅对于这些业务进行带宽需求预测还是不够的，还需要对业务网络进行梳理、汇聚，确定其表现在传输网络上的业务需求分布状况。通过对原始业务进行路由处理、绑定等，就像MPLS网络一样，把一些属性相似的业务归纳到同一个转发等价类中绑定处理。最终确定为传输网络节点间波长级别或VC通道级别的业务需求。

从业务的QoS等级来说，可以将业务分为几个不同的优先级。对于高优先级的业务，要优先为其提供服务，针对不同的业务等级还要采取不同的保护措施。表2.1为Mesh网服务等级的分类，可见有的采用保护策略，有的采用恢复策略，有的则无保护，等级最低的业务为额外业务，可被高优先级的业务抢占。表2.1 Mesh网服务等级的分类

经过业务需求分析后，对应光网络所提供的业务等级分类指标，将业务需求映射为光网络指定的业务类型，最终给出不同等级业务各自对应的光层业务需求矩阵。

2.5 传送网的拓扑设计

网络拓扑是标识网络分段、互联位置和用户群体的网络结构体，主要用于显示网络的几何形状而并非实际的地理位置和技术实现。在网络规划过程中，拓扑设计是最基础的一步。

任何通信网络都存在两种拓扑结构：物理拓扑和逻辑拓扑（也称为虚拓扑），其中物理拓扑用来表征网络节点的物理结构，而逻辑拓扑则用来表征网络节点间业务的分布情况。光传送网结构设计的核心是虚拓扑的最优化问题，这也是本节的重点内容。

WDM光传送网的基本结构是一组节点集合和一组点到点的光纤链路集合，如图2.23所示。节点的结构划分为光部件和电部件两个部分：光部件是一个由波分复用器/解复用器和光开关矩阵构成的波长选路开关（WRS），它能够选择某些光通道全光地通过该节点，另外一些光通道在本地上路或下路；电部件即指电的分插复用和交叉连接设备，它通过有限数目的光发射机/接收机连接到节点的光部件上。这里光通道是指两个节点之间一条双向的由光载波构成的光连接。光网络的物理拓扑是指由网络节点和波分复用链路构成的网络物理连接结构，在图2.23中用细实线表示，物理拓扑与光缆线路的敷设路由直接相关，通常不可能随业务改变而任意改变。而逻辑拓扑是利用光通道的概念建立的，它是介于物理拓扑与节点的通信业务需求之间的缓冲，与节点之间业务分布情况密切联系，通常可以根据需要通过软件配置而随时改变，在图2.23中用虚线表示。图2.23 物理拓扑和逻辑拓扑

物理拓扑和逻辑拓扑之间的区别主要有以下几点：（1）物理拓扑面向节点的物理连接，逻辑拓扑面向节点的逻辑连接；（2）从传送网络层次模型上看，物理拓扑位于传输媒质层，逻辑拓扑位于通道层；（3）物理拓扑中的选路节点视为波分复用网络节点光部件的抽象，边代表光纤链路；逻辑拓扑中的终端节点视为波分复用网络节点电部件的抽象，边代表光通道；（4）物理拓扑中节点的物理度取决于和该节点有链路连接的节点数目及波长选路开关的端口数量，逻辑拓扑中节点的逻辑连接度由该节点光发射机/接收机数目以及电开关的端口数量决定；（5）逻辑拓扑的结构可以不同于网络的物理拓扑，但是必须以一个物理拓扑作为基础；（6）物理拓扑设计是在保证网络传输性能的前提下，根据节点位置和可用部件选择使建设费用和综合效益最适合的方案；逻辑拓扑设计是在物理拓扑基础上考虑节点的业务分布情况，选择通道构成方案使信息传送性能达到最佳。2.5.1 传送网的物理拓扑设计

在波分复用技术发展的早期，点到点的链接是网络物理连接的唯一方式。随着节点技术的发展，OADM以及OXC设备的出现推进了传送网组网技术的发展，使各种物理拓扑的实现成为可能。除点到点连接方式外，基本的物理拓扑有以下几种。

1．线性拓扑

当所有的网络节点以一种非闭合的链路形式连接在一起时所形成的拓扑就是线性拓扑。通常这种结构的端节点是波分复用终端（光部件），中间节点是光分插复用设备（电部件）。线性拓扑的优点是可以灵活地上下光载波，但它的生存性较差，因为节点或链路的失效将把整个系统割裂为独立的若干部分，而无法有效进行通信。

2．星形拓扑

星形拓扑中，网络中有一个特殊节点与其他所有节点都有物理连接，而其他各节点之间都没有物理连接。其中这个特殊节点称为中心节点，通常由具有OXC功能的节点承担；而其他节点称为从节点，可以使用波分复用终端设备。星形拓扑可以更加有效的对网络带宽进行管理和利用，但对中心节点的要求很高，因为它的失效将导致整个网络的瘫痪。同时还要求中心节点有很强的业务处理能力，以疏导各从节点与中心节点以及从节点之间的业务。

3．环形拓扑

若线形拓扑的两个端节点也使用光分插复用设备并用光缆线路连接，就形成了环形拓扑。环形拓扑实现简单，并且任何两个节点之间都有两条传输方向相反的路由，使网络具有良好的保护性能和生存性，因此是光网络最简单也最重要的一种拓扑结构。

4．网孔形拓扑

在保持连通的情况下，所有网络节点之间至少存在两条不同的物理连接的非环形拓扑就是网孔形拓扑。为实现网络的强连通要求，网孔形网络的节点至少应该是OADM，通常使用OXC。网孔形拓扑的可靠性最高，但结构和相应的控制管理都较为复杂，通常仅用于要求高可靠性的骨干网中。2.5.2 传送网的逻辑拓扑设计

网络的逻辑拓扑即虚拓扑，它与节点之间业务分布情况密切相关。引入虚拓扑可以克服业务需求与网络物理设计在目标和效能上存在的矛盾，对业务需求变化提供较强的适应性，并且能够有效节约网络资源。

虚拓扑的设计问题是伴随着支持分组业务（无连接的业务）的网络产生的。由于目前在光域识别地址信息的技术不够成熟，因此要在光网络上支持无连接业务一般采用光电结合的 方式，在光网络层建立光路进行透明传输，在电网络层读取地址进行路由计算。由于电节点的处理能力远低于光节点，而且光电/电光转换代价较高，因此我们希望信号尽量在光域进行处理，减少电节点的转发次数。但是在所有电节点之间都建立光路是不现实的，设一个具有N 个节点的网络，如果要在所有节点之间建立光路连接，则共需要建立 N（N−1）条光路，因此每个节点的出度和入度必须均为N−1，但网络中光节点的发射机和接收机个数有限，不可能随着网络节点的个数增加而无限增加，而且当N很大时，为了支持N（N−1）条光路，每根光纤中所要求复用的光波长数也会很大，实现上也有困难。因此，如何充分利用有限数量的光收发机和可用的波长资源，最大可能地减少电节点上的存储转发操作，使网络的性能指标得到优化，就归结为虚拓扑的设计问题。

虚拓扑的设计是根据物理网络的拓扑结构、网络资源和网络业务分布情况决定的。一般已知条件为：①光纤网络的物理拓扑；②每根光纤最多可以复用的波长数目；③网络的业务需求分布；④每一节点处实际配置的波长可调谐光发送机和光接收机数目。而优化目标通常是最小化端到端的分组延迟，或者获得尽可能高的网络吞吐量，以满足业务增长的需要。因此，虚拓扑的最优化设计有一个或两个可能的目标函数：（1）对给定的业务矩阵最小化网络范围的平均分组延迟（可用于优化当前业务需求状况下的解决方案）；（2）最大化业务规模的扩展因素（提供适应未来业务容量升级需要的最优方案）。针对上述两种应用，可以提出评价网络性能的两项重要指标作为优化判据，即网络的平均分组延迟和拥塞（congestion）。

虚拓扑的设计是一类复杂的NP-hard组合优化问题，一般解决这类问题的方式是将它分解为几个子问题，目前较为广泛认同和使用的文献中提出的对虚拓扑设计问题的划分方法得到了，它将虚拓扑的优化设计问题分为4个子问题：拓扑生成子问题，拓扑映射子问题，波长分配子问题和流量路由子问题，即可按以下4个步骤解决虚拓扑设计问题。

步骤1：随机生成一个虚拓扑连接，使每个节点都满足接收机和发射机限制。

随机产生的虚拓扑必须满足3个限制条件：①它必须是连通的，即在任何一对节点间至少有一条路径；②每个节点的出度必须小于等于该节点可用的发射机的数量；③每个节点的入度必须小于等于每个节点的接收机的数量。

目前用于随机生产虚拓扑连接的算法主要有WDM网络中的虚拓扑算法等。

步骤2：在物理拓扑上路由光路，即将光路映射到物理拓扑上。

随机虚拓扑产生后，应该将它嵌入到物理拓扑之中，虚拓扑嵌入至物理拓扑的主要思想是：为每一条逻辑链路（i，j）寻找一条物理拓扑，使得从节点i到节点j的路由代价最小。其限制条件为：每条物理光纤上的波长数是固定的，采用基于启发式评估函数可以找出代价最小的最佳路径，其定义为，式中，NoPathlight（l）指的是算法执行的每一点已经有多少条虚链路使用物理链路l来嵌入，而一条链路的规范化长度L可以定义为链路的长度除以最长链路的长度；W和W是两个权值，在实际的操作中应合理选择。12

式中的第一项是指当一个虚链路使用一个物理链路来嵌入的时候，该物理链路的代价变大，从而使没有嵌入的虚链路只要能找到更好的路径就应避开这条物理链路；式中第二项的L用于评估函数，目的是要把随着链路长度增长而变大的传输延迟考虑在内。

步骤3：按照上一步路由的结果，给光路分配波长，这也是一个NP-hard问题。

当虚拓扑嵌入到物理拓扑之后，可以知道所有的通过一条物理链路的虚链路，而且需要 对虚链路指定波长，并保证给任何通过同一物理链路的逻辑链路分配不同的波长。假设可用的波长数是不受限制的，只是尽量减少使用的波长数。在不违反物理限制的情况下优化地[5]将波长分配给各个光路径，根据点的顺序着色算法的原则，可以采用波长按照不相交的光通道（即不使用相同物理路径的光通道）数递减的顺序分配给光通道。

步骤4：在虚拓扑上进行路由，一般使用分流算法。

虚拓扑上的路由包应使用分流算法，该算法先对流量矩阵中的源目节点对按照流量递减的顺序排序，之后从排序的源宿节点对中一个一个地取出，并在最少链路数和最短路径上分配流量。如果所有的流量不能分配在最短路径上，那么就有可能在路径上分配到最大的流量。此时，那些完全饱和的链接则被标记为删除，而余下的流量则被继续分配给其他链接的最短路径。显然，这种方式能够使吞吐量最大化，因为它可以尽量地将更多的流量分配在尽可能少的链接上。2.5.3 虚拓扑重构问题

在实际应用中，网络业务矩阵一般会随时间缓慢变化，因此虚拓扑也面临着根据业务量变化而重构的问题。虚拓扑重构需要考虑3个问题：确定在什么情况下需要重构的策略；确定新的虚拓扑，既考虑满足新的业务量需求，同时又使原来的虚拓扑改变尽量少；如何切换到新的虚拓扑结构而又不使正在运行的分组数据有任何损伤（或损伤小），即实现无损伤重构。

虚拟拓扑重构可以分为离线（off-line）和在线（on-line）两种模式。在离线拓扑重构过程中，原有的虚拟拓扑暂时完全中断，新的虚拟拓扑根据改变的业务量重新建立，在这种模式下，网络中现有的业务连接在重构过程中会受到严重的影响；在线拓扑重构是指网络虚拟拓扑不全部中断，重构拓扑根据当时网络资源和业务流量的改变情况决定，当已建立的部分光路在重构中需要被拆除时，被拆除光路上的业务传输会受到影响，因此，进行在线拓扑重构既要使重构的虚拟拓扑能适应业务量动态变化，又要使重构中受影响的业务量尽可能小。

2.6 传送网分层网络设计

对多层网络的规划优化是一项非常困难的工作，通常是将其分解为一系列独立的子问题分别处理。因此，我们在对图2.24所示的多层传送网络进行规划时，一般采取客户层/服务层模型。其中客户层相当于服务层的直接业务层，定义了点到点的业务需求，服务层则负责传送客户层业务。服务层可以是从光缆层、WDM层、SDH层到ASON层中的任何一层，对于给定的一个服务层，客户层可以是它上面的任何一层，但不能在这个服务层的下面。那么多层网络的规划可以用两种方法来解决：一种是分层规划（Multi-Single-Layer）方法，它首先对客户层进行规划，然后将客户层的规划结果作为服务层的业务需求从而对服务层进行优化；另一种是联合规划（Multi-Layer Unified）方法，它将客户层和服务层两层网络统一起来进行考虑。图2.24 长途传输网分层结构

下面以ASON/WDM多层网络规划为例，对多层规划问题进行说明。图2.25所示为基于ASON的传送网络分层，整个网络分为业务层、网络层（ASON层、WDM层）、光缆层3个层次，相邻层之间为客户层/服务层的关系，上层为客户层，下层为服务层。图2.25 基于ASON网络的传送网分层（1）分层规划法

对于分层规划法，可以将问题分解为两步：客户层规划，服务层规划。

这里，我们将ASON层作为客户层，WDM层作为服务层。ASON层规划时，业务需求是基于根据业务层所得业务需求矩阵，在此基础上对ASON层进行规划。WDM层规划时，ASON层规划产生的结果，为WDM层提供业务需求矩阵，然后进行WDM层规划。对于每一层的规划流程，可参考前面所描述的单层规划流程。（2）联合规划法

联合规划法将客户层的业务需求与服务层的规划结合起来进行考虑。对于 ASON/WDM多层网络，以业务层的业务需求矩阵为输入，同时设计两个服务层，通过基础数据的关联，在设计服务层的同时也设计好客户层，从而实现业务层、网络层和光缆层的同步设计。2.6.1 业务层的规划

在网络设计中，业务网络设计是网络规划的关键，是传送网络设计的前提。业务信息是网络设计的基本驱动力。由于在现在的基础物理上要承载的业务种类很多，网络的业务流量计算也很复杂，按各种标准可以分成各类业务。如按业务是否已知，我们假设两种情形，即一些业务是已知的，一些业务是未知的，必须进行预测。

1．确定性业务需求分析

在网络的中、短期规划时，网络所承载的业务是确定的，此时业务需求分析包括确定业务的属性（源目节点、电层或光层业务等）、业务的类型（普通业务、组播业务、OVPN业务、BoD业务等）、业务的粒度（2M、155M、622M、2.5G、10G等）、以及业务对网络的要求等。其中业务对网络的要求反映在业务的服务等级上，即服务水平协议（SLA，Service Level Agreement）分级。

SLA是指电信服务提供商（SP）或电信网络运营商（NO）和客户（也可以是其他的SP或 NO）之间通过协商，在服务品质、优先响应和责任义务等方面达成的协议，是国际通行的电信服务评估标准。SLA的具体条款内容及施行的可行性依赖于网络的品质和状态。实际中对于不同类型的用户（如电信运营商、ISP、集团用户、个人用户等），SLA的具体条款会有所区别。

在光网络规划过程中，SLA 的等级划分最直接的表现方式就是故障后的保护恢复时间，通常有50ms以内、200ms以内、1s以内、1s以上等多个级别。针对不同的组网结构，这种区别常常被映射为不同的保护恢复方式，即反映在网络所提供的生存性策略上。比较一致的看法是环网或线网的保护时间较短，优先级从高到低依次是环网＞线网＞格网，见表。表2.2 智能光网络中的服务等级映射方式（CIENA）

针对每一种具体的组网结构，保护恢复机制所对应的SLA又有所区别。从保护恢复方式角度出发，环网中常见的组网方式包括BLSR2/4（双向线路倒换环）、BPSR2/4（双向通道倒换环）、ULSR（单向线路倒换环）、UPSR（单向通道倒换环）。环网中的通道保护实现的是1＋1或1∶1保护，而复用段保护则是1∶1或是M∶N的保护。一般优先级从高到低依次是1＋1＞1∶1＞M∶N＞无保护＞额外业务。额外业务的服务等级是最低的，因为一旦承载它们的线路有其他更高级别的业务要通过时，这些额外业务需要马上强行拆除。在现有的实际环形网 络中，通常采用的都是1＋1或1∶1保护。表2.3所示为环网的服务等级。表2.3 环网服务等级分级

在Mesh网中，有保护也有恢复，保护包括1＋1保护、1∶1保护、M∶N共享保护；恢复的机制包括基于路径的恢复和基于链路的恢复等多种方式。在 Mesh 网结构中，恢复时间较长而保护较为迅速，从故障后业务恢复时间的角度来考虑，优先级一般为保护＞恢复。具体来说：1＋1保护＞1∶1保护＞M∶N保护＞基于链路的恢复＞基于路径的恢复＞无保护＞额外业务，具体分级见表2.4。表2.4 Mesh 网服务等级分级（NORTEL，恢复）

在ASON中，由于控制平面的引入及其所支持业务种类的不断增加，SLA机制变得更为灵活。特别是对动态业务来说，其SLA除了映射在生存性机制的区别上以外，还要更多地考虑其阻塞率的大小。控制平面中的连接接纳控制（CAC）可以根据网络可用的且符合SLA要求的空闲资源、优先权和其他策略，决定是否应用户请求建立新的连接。即要么授权用户接入网络资源，要么告诉连接请求的发起者该请求被拒绝。

目前在光网络中应用的 RWA 算法都假设所有光路建立请求具有相同的服务等级，但是由于实时和多媒体等新兴业务的出现，使得整个网络中不再是单一的“尽力传送”业务（Best-effort Service），因此不同级别的动态业务要求我们必须考虑到达接入节点的业务流主干的优先权属性问题。在建立光路时，应保证不同业务流主干对应的光路建立请求具有不同的阻塞率。比如由IP电话、视频会议以及VoD等业务聚合成的业务流主干，它们的优先权属性应该高于文件传输等业务聚合成的业务流主干。优先权属性越高，所对应的光路建立请求的优先级就越高，相应地就应该保证它的阻塞率越低。

2．业务预测

如果业务不可得，就可从历史数据中预测，或者通过市场调研和用户人口估计。也可以通过额外的软件工具预测一些未知业务，比如通过泊松的业务模型来预测语音业务，通过自相似模型来预测IP业务。业务预测相关内容已在2.4节中进行了详细介绍，在此不再赘述。

业务网的目标网规划顺序采用“先两头后中间”的规划过程，即先对现状网作全面分析了解，在此基础上制定目标网规划，最后从现状网和目标网之间，提出逐年或者逐个规划期的网络过渡规划，如图2.26所示。图2.26 目标网规划顺序2.6.2 ASON层的规划

从目前中国骨干网络的发展现状来看，大规模重新部署ASON设备已经不太现实，因此，对于网络运营商来说，必须考虑在已有的网络上，即WDM网络或者SDH网络的基础上，在部分节点逐步引入ASON设备，并在条件允许的时候，将其他节点也升级为ASON节点，以下就是基于这种思想所提出的一种在已有WDM网络基础上对ASON进行规划的方案。

从技术角度来看，ASON 主要为网络带来的优势主要在于：（1）提高网络生存性；（2）提高带宽利用率；（3）减轻运行维护工作量。目前中国骨干网络的网络资源有待完善，现有复杂的组网主要出现在几大核心节点之间，在这些节点之间，业务也相对趋于集中，因此，对于ASON网络的规划可以首先着眼于在部分业务量大、枢纽复杂的节点上引入ASON设备，我们称这些节点为A类节点，之后，如果时机成熟，可以逐步在B类、C类节点中引入智能设备。图2.27 WDM网络拓扑

图2.27示出了某传统WDM网络的示意图，在该网络上，包含了19个节点，我们的目的就是通过分析该WDM网络的网络结构以及网络中的业务需求矩阵来说明如何在WDM网络中，实现对ASON网络的规划。

基于以下思想，ASON网络规划包含如下几个步骤。

步骤1：ASON节点位置选择

一般来说，在WDM网络中对ASON网络进行规划，需要考虑一些关键性的主要因素，其中包括光纤路径、WDM 或者 DWDM 系统带宽、网络拓扑节点等。因此，我们从如下几个方面来说明如何选择ASON节点位置。（1）光缆结构的分析

根据图2.27所示的网络拓扑结构可以看出，网络中一共包含了19个WDM节点，本着“选取度比较大的节点”的原则，选择那些连接WDM链路比较多的节点，例如选择度大于4的节点，如2、4、7、11、14、16和19，我们可以从这些节点中考虑选择部分作为ASON节点，如图2.28所示。图2.28 ASON节点选择（2）业务需求的分析

根据过去5年以及未来3年的业务需求矩阵，我们可以了解每个节点所包含的业务数目，为了简单起见，我们假设每一个波长代表一个业务。因此，在选择ASON节点的时候，我们需要选择那些包含业务数目比较多的节点作为ASON候选节点，只有这样，将来ASON设备才能够真正对大业务量的区域实现灵活、自由的调度。通过表2.5可以看出，2、4、7、10、14、15、16、19节点是业务量比较大的节点，因此我们可以优先考虑在这些节点上引入ASON设备。表2.5 业务量最大的8个骨干节点波长业务统计（单位：波长）

在本方案举例中，我们只考虑了WDM层网络，如果我们在考虑WDM层的同时，还要兼顾上层的IP网络以及SDH网络，这就需要引入一些流量疏导的策略来保证上层业务汇聚到WDM网络上。根据经验，我们将整个通信网络中的业务进行了等级分类，见表2.6。表2.6 业务等级分类

步骤2：ASON网络拓扑结构的确定

基于以上3个选取原则，我们选择了2、4、7、14、16和19作为ASON节点，即在这些节点上引入ASON设备，考虑到ASON设备灵活的交叉连接特点，因此，将这些节点之间设备为全连通的方式。

模型中ASON节点与普通业务节点采用就近接入的原则，整个网络形成类似分层的结构，所选择的X个节点为整个大网的核心骨干层。非智能节点间以及非智能节点到所归属智能节点外的其他智能节点的业务，全部通过X个节点的核心层统一调配。主要的业务调配将体现为X个节点间的业务调配。

步骤3：网络生存性模型分析

由于本小节所采用的规划方案是在原有WDM网络基础上，逐步引入ASON设备，因此在网络生存性策略方面，需要兼顾WDM网络生存性和ASON网络生存性。一般来说，我们可以考虑有如下生存性策略：永久1＋1保护、ASON 1＋1保护、ASON 1∶1保护、ASON 1∶N保护、ASON M∶N保护、多约束条件恢复、保护＋恢复、尽力而为的恢复。

步骤4：ASON网络跨域规划

分域是ASON区别于其他传统骨干网络的一大特色。正是由于引入了分域的概念，才允许按照区域对ASON网络进行管理，因此，在ASON网络规划阶段，如何对域进行划分是必 须要考虑的问题。

由于目前ENNI接口并不完善，因此，在ASON分域问题上，需要考虑如下几种情况。（1）通过ENNI接口实现对ASON分域的规划（如图2.29所示）；在这种情况下，需要ENNI接口比较成熟，规划人员按照网络的实际情况，直接对ASON进行分域。在域内，使用SPC/SC连接。图2.29 ENNI接口实现分域（2）当ENNI互联互通不理想的时候，ASON 的分域通过IP路由器来完成（如图2.30所示），业务自动通过客户端发起连接或者拆除，在每一个ASON域内，可以存在多种独立的保护与恢复方式。图2.30 IP路由器实现分域（3）当ENNI互联互通不理想的时候，除了通过（B）方式分域以外，还可以通过 UNI接口进行域的划分（如图2.31所示）。图2.31 UNI接口实现分域（4）当ENNI互联互通不理想的时候，除了通过（B）、（C）方式分域以外，还可以通过永久连接（PC）进行域的划分（如图2.32所示）。图2.32 PC实现分域（5）传统的SDH网络也可以将两个ASON域连接在一起，带外IP网络完成两个ASON网络间的信令/路由交换（如图2.33所示）。

步骤5：工作、保护和恢复容量的确定

确定ASON网络拓扑结构以后，就开始需要对业务进行具体的路由计算和资源分配，在分配的过程中，包含两个阶段。图2.33 带外IP网络实现分域

第一阶段：在ASON节点之间进行计算。当业务属于ASON节点之间的网内业务，则只需要在ASON节点之间进行路由计算和资源分配。

第二阶段：在WDM和ASON混合网络中进行计算。很多业务的源、目节点并不只位于ASON节点之上，这就需要考虑在传统的WDM网络中，对这些业务进行路由计算和资源分配。（1）工作路由和保护路由的计算

业务路由规划选取了如下几个因素作为权值：源和宿之间的距离、跳数、带宽资源。最终业务路由取决与几个权值的函数计算值。对每一个业务进行计算，需要分为工作路由计算和保护路由计算。在计算过程中，我们使用最传统的D算法作为路由策略。在路由计算完毕以后，使用首次命中算法为工作路由和保护路由分配资源。

需要说明的是，在工作路由和保护路由计算完毕以后，需要对相应的路由结果进行人工调整，这是因为我们所使用的策略并没有考虑中实际网络环境的需要，有可能在拓扑图上相隔很近的两个节点之间，实际地理位置上存在一些可能的障碍物，这样会大大影响整个规划的最终性能，所以对路由结果进行相应的人工调整是非常有必要的。（2）工作容量和保护容量的确定

当以上过程计算完毕以后，就可以统计每条链路上所使用的工作容量和保护容量，并根据具体的情况，确定该条链路或该套WDM系统是否需要进行扩容或者新建。如图2.34所示，每条链路上的数字分别代表工作容量和保护容量。（3）恢复容量的确定

当工作容量和保护容量确定以后，就需要确定每段链路上的恢复容量，这主要由路由计算方式、所选择的恢复策略等一些限制条件所决定的。经典的恢复容量计算一般包含如下几个步骤。

步骤1：选定一条链路，将其设置为故障状态；

步骤2：从业务矩阵中，找出所有与该模拟故障链路相关的业务，标记出来；

步骤3：将所有标记出来的业务按照业务等级的要求，为其计算恢复路由并根据网络中实际的资源情况，分配资源；

步骤4：重复步骤1，直至每一条链路都被设置为故障状态。

完成上述全部步骤以后，就可以统计每条链路中的恢复容量，得到如图所示的示意图。其中最后一个数字即为该条链路上的恢复容量。如图2.35所示。图2.34 工作、保护容量示意图图2.35 恢复容量示意图

步骤6：ASON网络滚动规划分析

从规划的分类来看，可以分为短期规划、中期规划和长期规划。在以上描述的过程中，如果只进行一次规划，则可以称为短期规划，一次规划所得到的结果一般情况下并不是十分准确的。而中长期规划则是由多个短期规划所组成，可以通过循环反复的方式来实现，但具体的实现方式可以多种多样，滚动规划就是其中的一种。图2.36给出了课题组ASON网络滚动规划的大体流程图。图2.36 滚动规划流程示意图2.6.3 SDH层的规划

SDH和WDM之间在体系、功能、寻路和恢复方案及分配策略方面可能存在严格的类似。表2.7总结了这些类似之处。表2.7 SDH和WDM的相似点

ITU-T 使用相同的正规描述对SDH和WDM进行标准化的事实，进一步确定了SDH/WDM的类似。

对于光网络规划者，由这些类似产生的最重要的结果是，在SDH和WDM中，规划化问题能够以相似的方式进行描述并以相似的规划模型来解决。实际上，SDH网络规划和WDM网络规划都受着同一套特征的影响。此外，在两个层中的大多数特征都可以用相似的方式描述。虽然SDH和WDM这两层在大部分技术限制中有区别。但幸运的是，那不影响以上与规划相关的表述的正确性。事实上，技术限制一般成为规划中的算法限制，并不真的影响规划方法。因此，对SDH层的规划问题可参见以下WDM层规划方法的阐述。2.6.4 WDM/OTN层的规划

WDM/OTN光网络设计的过程中，成本的最小化、所选定的网络结构能够提供预期的路由能力和保护恢复能力永远是我们进行网络设计和规划的主要奋斗目标。通过与预期的网络成本、功能特征的对比最终确定网络的结构和可用性。

假设已知给定的一系列的POP（Points Of Presence），即业务汇集点和这些节点之间基于对未来若干年业务量预测的流量分布状况，网络设计与规划的任务就是寻找一种高性价比的网络结构和组成形式以有效地传送这些业务。

在开始一个实际的网络设计时，首先必须从战略上确定网络结构、节点功能结构和网络所必须具有的生存能力，这些参数从本质上就决定了网络所使用的节点设备的功能和保护恢复的结构。一旦做出了决定，就可以通过网络设计确保所有节点之间的业务流量能够被正确路由，同时还能够抵抗物理层某种程度上的传输损伤的影响，并确保网络能够在给定的故障条件下正确地执行保护恢复。通常在设计时都是在假设网络只会发生单故障的条件下进行的，但是也必须使其具有对多故障的抗毁性。

要设计的网络结构一旦确定下来采用哪种结构形式，网络设计人员首先就要决定为了满足承载一定业务量要求所需要的网络资源的多少，所需要的网络资源包括位于不同节点的OXC的规模、光纤数量和节点之间的波长需求，图2.37将网络规划分为3大步：拓扑设计（即确定链路的具体使用状况）；业务路由和容量分配（即确定节点之间的业务传送状况）；空闲容量分配（即确定当网络出现故障时，网络的抗毁性应对措施和资源占用状况）。图2.37 WDM网络的规划过程图2.38 WDM光网络规划流程

在拓扑设计阶段，主要是从传送网中所有节点之间的一系列待选链路中选择要使用的链路，这时的选择依据可以是地域上的可用性、对业务分布和流量的合理预测、结构方面的限制或者是拓扑连通性方面的考虑。

当在一个网络结构已经基本确定的网络中考虑业务路由和波长分配问题时，选路由算法的目标就是在给定业务量情况下使网络的吞吐量最大。由于在网络中存在多个业务需求同时竞争相同链路的容量资源，所以选路算法必须处理这种竞争以获得比较优化的选路结果。研究波长分配问题的目的就是使网络在满足一定的业务量情况下所需要的波长数量最小化。

对于空闲容量的分配来说，网络中所使用的生存性策略是很重要的，因为每一种生存性策略都使用不同的空闲容量分配方案。在链路保护情况下，链路中的每一条光纤都必须有备份光纤，并且要确保它们的路由路径不同。在通道保护情况下，则针对每一条业务通道在源节点和目的节点之间必须能够找到另一条与之不相交的通道作为它的保护通道。在恢复或共享保护情况下，应该使用优化算法使得所需要的共享空闲容量最小化。同样，对网络可能发生的故障情况的假定也决定了网络所需要的空闲容量。以下是WDM传送网规划过程的普遍存在的几个子问题，在进行网络规划的开始应该提前考虑这些问题的解决方法。表2.8 光WDM传送网规划过程的几个子问题2.6.5 光缆层的规划

光缆层的规划是指物理光缆网结构的规划，包括光缆干线路由、敷设方式、光缆长度、光纤类型、纤芯数量、纤芯使用情况、投产时间等内容。对已建光缆干线还应包括如全阻记录、光纤性能等运维指标的描述。光缆网结构是光网络拓朴结构规划的基础，它不包括有关传输系统方面的信息。

长途光缆骨干传输网的物理平台是由若干光纤组成的光缆，光纤的选择与长途光缆骨干传输网长远发展和工程投资建设紧密相关，是在网络规划和建设阶段应特别注意的主要问题之一。根据ITU-T相关建议的规定，光纤类型分为G.651～G.655 5种，长途骨干传输网一般应用G.652和G.655两种光纤。G.652光纤为一般的单模光纤（SMF），其应用最为广泛，我国“九五”计划以前所敷设的基本上为G.652光纤，各厂家产品的主要技术规格相差不多，在1310nm窗口处色散较小；G.655光纤为非零色散位移光纤（NZDSF），在1550nm窗口处色散较小，各厂家产品的主要技术规格存在一定的区别，目前市场上G.655光纤的价格要高于G.652光纤。

光缆的线路铺设时间长，投资大，工程浩大，涉及范围广、部门多，建设程序复杂，线路建成后一般不易增加光缆，也很难进行光缆资源的再调配，所以提前做好光缆的规划就显得尤为重要。光缆的线路铺设和光缆资源的利用受地理条件限制较大，为了更加合理、有效、准确地规划光缆路由和建设规模，应采用现代的 GIS（地理信息系统）技术，对光缆资源进行地理空间的管理和统计分析，以全面地反映光缆资源量的情况以及占用情况等。

对于省内长途传输网的光缆物理网络，应强调研究对象是各本地网的省内长途传输节点之间的光缆干线系统，将出省长途传输节点、省内各个长途传输节点连接起来。对于属国家一级的光缆干线系统，可在省际长途光缆的层面进行统计分析；而连接本地网内的本地传输节点与省内长途传输节点之间的光缆系统及本地网内各传输节点间的光缆系统则应在本地中继光缆的层面中考虑。

第3章 光网络的资源优化技术

传输网络作为承载各类业务的基础网络，各电信运营商都在积极地进行建设。如何有效、综合、充分地利用传输网络资源，使之能发挥最大的效益，建设成网络结构更清晰、支持业务更丰富、运营维护更方便、电路开通更高效、网络服务更可靠、扩容升级更平滑的传输网络，成了网络建设和网络维护着重考虑的问题。由此，传输网络优化的重要性日渐突出起来。本章将从网络资源优化的基本内容着手描述如何对传送网进行优化，并重点从路由、生存性及经济性3个方面展开论述。

3.1 网络优化的内容

传输网作为各种业务网的传送载体，是整个电信网络的基础。各电信运营商为了吸引更多的用户而不断推出各种新业务，所以它的建设和发展必将受到业务网络发展的影响。

本节基于对本地传输网的总结、认识，通过对目前国内的传输网的需求和存在问题的分析，提出传输网优化的必要性，并对优化的流程、实施思路等进行探讨。重点介绍了光网络优化的目标和内容，以及光网络优化的方法和措施。3.1.1 传送网现状及存在的问题

目前典型的本地传输网存在以下问题。（1）可靠性

对传输网络质量可靠性的要求严格，需为客户提供满足SLA（服务等级协议）规定的各种服务质量等级的电路需求，如有些客户需要高达 100%的可靠、可用性。个别网络结构安全性差，结构合理性需提高；骨干设备尤其是中心局房设备关键板件存在不安全隐患；电路运行负荷分担不均衡，个别设备业务过于集中；同步链路的传送主备用链路规划欠合理，存在过长同步链路，造成同步质量欠佳；光缆线路仍存在大的故障点，如存在关键节点单路由引入、较长链状结构等。（2）可控性

上层网络需满足大容量的各种业务的汇聚、疏导，而下层接入网络需满足各用户对业务的个性化需求，提供丰富业务接口和带宽分配。由于分期建设和设备招标等诸多因素的影响，存在不同厂家相互对接的情况，虽不影响电路的开通，但在电路调度、运行维护的可控性方面存在不足，影响到了数据等新业务的接入，即设备环境欠佳。网管系统的错误检查和纠正（ECC）网络欠规划，使网管信息传送、开销字节的传送解读等速度欠佳，造成管理的时效性低。对电路的通道规划缺乏对电路等级的分级管理考虑，实现SLA的电信服务较为困难。（3）高效性

网络通道利用率偏低，特别是综合业务运营商存在不同业务网的不同传输网时，通道大量闲置；因前期设备性能的局限造成的对新业务接入能力的不足，也是通道利用不高的原因；通道使用缺少整体规划或在整体规划下由于电路的紧急开通，而造成的电路运行混乱，致使电路调配日益复杂，局端上下电路难度增加，交叉矩阵浪费严重且使用不均衡，电路运行的清晰度低；线路纤芯的规划分配不合理，限制了设备组网的灵活性，存在大范围纤芯迂回的现象；管理不到位，纤芯使用混乱。对客户的激烈争夺，要求传输网络满足业务电路开通的时间需求，更迅速地接入新用户，并可随时根据客户需求对电路进行调整。（4）扩展性

网络结构的整体规划不彻底或达不到长远发展演进的需求，网络的延续建设性差；通路的安排和使用欠合理，新电路的开通接入维护复杂；个别设备性能升级扩展性差，对接入新技术、新业务的适应能力差。

上述种种问题，对网络的资源优化提出了更高的要求。任何一个网络都有其不足，都有需要优化的地方，传输网络也是如此。对传输网络而言，经过多年的建设和运行总会存在一些问题，如设备老化，传输质量和传输速率都无法满足业务需求；网络拓扑不科学，网络维护困难，不能满足业务的安全性要求；网络资源利用率低；网络管理手段有待加强等。

目前，单一业务经营的电信企业应朝着全业务经营的方向发展，这样势必要求电信运营环境向着竞争规范化、服务质量化、业务个性化的方向发展，在这种新的形式下电信网络对传输网相对以往有更高的要求。为降低运营商的投资、运营成本和提高竞争力，传输网需要由以前的单纯支持TDM业务的传输网转向支持TDM、数据等综合业务的传输网。由此，网络优化对现有传输网进行优化显得非常必要。通过优化使传输网络结构清晰化，有利于提高网络利用率，发挥设备的功用，有利于网络的扩容、升级以及网络的演进。保证各种业务的开通，便于各种新业务接入。通过优化使传输网的资源潜力得到充分的发挥，整合现有各方面优势和解决存在问题，建设成网络结构更清晰、支持业务更丰富、运营维护更方便、电路生产更高效、设备环境更合理、扩容升级更平滑的传输网络，降低网络建设成本和维护成本。3.1.2 网络优化的含义与目标

网络优化，它是一门管理上的科学，在数学上可以将这个问题演算成（最）优化（optimization）问题。因此，我们可以将网络优化定义为针对某种存在的网络，如交通运输网、物质分配网、电力网、电信网等，从若干可能的安排或方案中寻求网络在某种意义下的最优安排或方案。在网络正常运营的同时，通过对网络现状、业务需求的深入分析，以提高资源利用率，减少建设、运行维护成本为目标，提出对新建网络的合理规划方案以及对现有网络的优化改造方案，使优化后的网络结构更合理、系统安全、应用灵活、满足多业务接入，从而达到提升服务质量的目的。网络优化是针对现网某一时段的状况，对网络安全、资源利用、故障响应及业务提供等方面进行量化分析，相对精确地分析网络的现状并有针对性地查找现存的问题和“瓶颈”点；同时根据分析结果制定相应的优化方案并进行实施，以实现业务和网络的安全、高效和低成本持续发展。传输网络优化一般流程包括数据收集、网络评估分析、网络优化方案工程实施、优化前后网络评估分析对比、网络优化方案改进等。

目前，传输网络的资源优化工作，大致可以分为两个方面，一是对已投入运行的网络进行参数采集、数据分析，找出影响网络质量的原因，通过各种技术手段调整，使网络达到最佳运行状态，从而最大限度地发挥网络能力，使网络资源获得最佳效益；二是通过了解网络的发展趋势，从安全性、利用率等角度出发，在网络优化技术的指导下，为网络扩容或新建提供最优方案。而且，优化过程是一个长期的过程，它贯穿于网络发展的全过程。因此，只要有网络存在，只要网络不断发展，网络优化就永远存在。只有这样，才能不断提高网络的质量，才能不断提高网络的可靠性，才能最终使企业受益，使用户满意。3.1.3 传输网优化策略的指导思想

传输网优化是在保证业务网不间断业务应用和不断发展的前提下进行优化，因此，在实行网络优化时应坚持以下原则。

①应该坚持走网络建设和网络优化相结合的原则。

②应在保障运营电路的安全性和新业务的正常接入运营下，完成网络的优化。

③充分分析和利用现有资源，挖掘现网潜力，充分分析前期网络运行、维护中存在问题，研究造成网络故障的原因并对其进行解决。

④充分分析中远期业务的流量、流向，完善和优化网络结构、通路组织，达到网络的高效、高产出能力；以全局的角度、全网的高度进行传输网络优化；确保传输网络发展的连续性。

⑤传输网核心层和汇聚层设备、光缆的优化思路应该是层次清晰、结构合理、安全可靠。

⑥应注意节约投资和充分发挥资金效率的原则、根据实际情况充分利用管道和光纤光缆等基础资源，除了自建外，还可采用租用、置换等方式建设。应该坚持走网络建设和网络优化相结合的原则。3.1.4 网络优化内容

网络的优化规划工作一般是离线进行的，但是它有和现网的接口，可以在线把现网上的数据采集过来进行分析和处理，利用这些资料对现网进行优化分析，并把优化后的数据逐条下载到网管上，动态实现对网络优化的管理。

ASON的自动交换功能改变了传统光网络的业务配置方式。在传统的网络规划中，业务的路由和网络拓扑设计都是在网络规划阶段同时完成，所以可以在网络规划的同时完成网络的优化。引入控制平面之后，连接的建立和拆除都是动态过程，由控制平面的路由控制器RC完成路由计算的功能。虽然可以通过固定路由表的方式限制业务的选路，但是这种模式使得动态连接建立不是基于网络的现状进行，故无法保证其路径是否优化。所以ASON网络优化可以分解成3个部分：路由优化、网络结构优化和容量优化。每个最优化问题都包含一组限定条件和一个优化函数，符合限制条件的问题求解方案成为可行解，使优化函数取得最佳值的可行解称为最优解，通过对限制条件和优化函数的设计，可实现不同类型的优化算法。按照限制条件和优化目标，可将ASON优化问题划分成若干领域，这些领域之间存在相互交叉的关系，如图3.1所示。

从图中可以看出，路由优化主要是面向业务的，它可以分解为两个子问题：业务建模和负载均衡，前者解决的是“业务是什么”的问题，后者是解决“如何在网络中传送业务”的问题。同时还要考虑流量疏导。图3.1 智能光网络优化的研究领域

在光网络中，业务是具有动态特性的，因此其容量优化一般发生在网络增量阶段以及备份路由再优化阶段。其中，在这两阶段中都可以采用以下两种设计方式：受限的链路优化（RLO，Restricted Link Optimization），即只对现有的链路进行容量增加，不引进新的链路；不受限的链路优化（ULO，Unrestricted Link Optimization），即在对现有链路进行扩容的同时还可以增加新链路以满足流量需求。

网络结构优化主要解决拓扑设计和网络划分的问题。前者解决的是“网络是什么样”的问题，后者解决“如何分解大网络”的问题。

由于对网络进行优化规划的目标有很多，包括提高网络生存性、提高资源利用率、降低投资、提高投资收益比等，例如资源的优化，即对使用不合理的资源进行重路由，以使得全网的资源利用趋于合理，还可以进行碎片整理，节约网络资源。而具体优化可以按照单目标进行，也可以按照多目标的方式进行，常用的应该是多目标优化，即把最重要的目标作为优化目标，其他目标作为约束条件来进行综合的优化和规划。图3.2所示为光网络优化技术的方案流程图。

综合来说，传输网优化的内容主要包括三大要素：网络结构、传输设备、光缆线路，此外还有网络的同步、网络管理等。（1）网络结构的优化

网络结构的优化包括结构拓扑的优化、通路组织的优化、网管结构的优化、同步方案的优化等。根据我国网络结构体系总体的思路，传输网结构总的是采用分层、分区、分割的概念进行规划，就是说从垂直方向分成很多独立的传输层网络，具体对某一区域的网络又可分为若干层，例如本地传输网可分成核心层、汇聚层、接入层3层。这样有利于对网络的规划、建设和管理。图3.2 网络优化模块流程图（2）核心层网络的优化

核心层网络是沟通各业务网的交换局（局间电路需求比较大、电路种类比较多，多为平均型业务）的核心节点的网络。核心层网络的核心节点通常不会很多，在通信发达地区，如北京、上海、广州、深圳等地区通常将有10个左右（一般按平均20万线设置1个），如果在西部欠发达地区，一个行政区域内通常只有2～3个节点，根据局间业务量的大小可组织1个或多个传输速率建议为2.5Gbit/s 或10Gbit/s的环路可满足要求。核心层的环可以考虑二纤或四纤的复用段保护环，容量相同的情况下，四纤环比二纤环更经济，保护方式更灵活。如果光缆资源比较丰富，相邻2个节点间具有2条不同光缆路由，建议采用四纤环，它可以容忍系统多点故障，以提高网络生存性。（3）汇聚层网络的优化

汇聚层节点的选择。一般依据地理区域的分布或行政区域的划分将本地传输网划分为若干个汇聚区，选择一些机房条件好、业务发展潜力大、可辐射其他节点的站点设置汇聚点。

汇聚环上节点数量的调整，节点数不宜太多，一般为4～6个。（4）接入层网络的优化

一般的业务接入站（如基站、数据POP点）至汇聚节点的传输系统称为接入层，接入层涉及站点数量多，结构也复杂，是网络优化中工作量最大的层面。接入层网络的优化主要考虑以下内容：环路上节点数量的控制，环路容量的扩容，链路的改造，尽量少用微波设备组网。（5）核心节点设备落地电路的保护

一般核心节点传输设备有大量的电路需要落地，目前多数厂家已经可以提供对支路板件的1∶N保护，但从负荷、风险分担的角度讲，在核心节点的传输设备一般采用光、电分离的方式配置，即主子架完成群路、支路等光接口接入和核心控制、交叉功能，E1支路等电接口采用专用的扩展子架来完成上下。为提高电路保生存性，对扩展子架与主机架的连接可进行保护。（6）网管系统的优化

网管系统的优化可分为两个方面：一方面是网管信息传送的优化；另一方面是网管系统职能的优化。

网管信息的优化。一般通过设备环境及网络结构优化后，网管信息应可在网络上进行透明的传送。应避免网管信息在不同设备厂家间进行传送，确实需要时，应保证网管信息传送的可靠性、透明性。

网管系统职能的优化主要指对网管系统安全管理级别和权限划分，及多网管下的管理范围、职责分工进行优化配置，发挥网管设备管理潜力，提高网络的可运营性、可控性。（7）同步方案的优化

主要指根据同步时钟的传送要求，对网络主、备用同步链路时钟信号的传送、倒换等进行优化，设定SSM字节，避免出现同步环路。应减小同步链路长度尤其是主用情况下的链路长度，保证同步定时传送的可靠、精准。

3.2 路由优化

对于光网络来说，如何能够使有限的资源满足业务要求并更加有效地传送信息，是光网络资源优化的一个重要内容。路由方法的优化正是解决这一问题的重要方法。通过路由方法的优化更加高效、快速地进行信息传送，提高资源利用率。3.2.1 光缆物理路由优化

1．物理路由问题基本描述

物理拓扑优化体现着网络基础设施的设计，传输网的最底层资源为光缆拓扑路由，传输网络物理拓扑是战略性的优化问题，因为光缆拓扑的物理拓扑将在较长时间保持一定的稳定性，中、短期优化只能在相对固定的光缆拓扑上，部署建设不同的传输系统，改变光缆物理拓扑的投资巨大，并且光缆敷设受外界因素制约，建设期和投资回报周期都很长。

关于光缆物理拓扑优化的问题，近年来人们已经作了大量研究，提出了许多著名的路由优化算法，如Dijkstra算法和Warshall-Floyd算法，在通信网中，路由选择策略一般是以降低路由代价为优化目标。

光缆物理拓扑优化首先从网络节点、边可能形成的最大拓扑图出发，排除一些边，以得到优化解，从图论角度，光缆拓扑路由为平面图，边成本为线性函数。己知传送业务需求、所有可能节点和边形成的最大图以及每条边的成本函数，寻求最小成本满足业务传送需求，得到节点、边最大图的一个子集。

已知最大可能的物理拓扑图G（V，E），节点V＝1，2，…，N，边E＝1，2，…，M。业务传送需求，业务的路由集，表示组成节点，i和j之业务第k条路由的 边集，它由源宿端点i和j之间的一系列连续的边组成；表示节，i和j之间业务的分离路由业务需求，总业务需求

每条物理拓扑边上传输的容量等于所有业务经过由该边的路由容量之和，即

第一条边的成本函数φ＝φ（l，χ），式（3.3）为边的物理距离llllll和传输容量χ的函数，首先从业务需求出发，进行业务路由选择及路l由容量配置，然后计算物理拓扑边的容量，建立层层递进的关系，目标函数为最小化成本

这是一个多商品流问题，边的总成本φ为一凹函数，成本函数的凹函数性质反映了通信行业的规模经济性现象，边容量的边际成本dφ/dx不断下降，总流量的平均成本φ/x也呈现下降趋势。llll

在实际中，还经常会遇到一些在一定的限制条件下，求解最短路由的问题。（1）节点不相交的和链路不相交的路由，解决这些问题的基本思路是：每次求解之前，在网图中去掉受限制的节点或边（不允许重复通过的公共节点或链路），再利用相应的最短路由求解方法求解。（2）第k条最短路由，在通信网中，常需要了解两个节点间的次最短路由和第3、第4，…，第k条最短路由。一般分两种情况：边不相交的和边相交的。求边不相交的k一最短路由非常容易：先求最短路由，将该最短路由中的边删去，再用上述算法可求次最短路由，依次类推。

2．分支限界法求解光缆环路由

分支限界法是利用计算机工具进行优化的直接方法，采用这种方法减少了大量需要人工处理数据的问题，有效提高了工作效率，这里用图3.3所示的SDH网中的5个ADM节点来说明用分支限界法实现最经济的方案连成二纤复用段保护图3.3 网络拓扑倒换环。数字表示链路的长度，假设规定安装再生设备的阈值是70km，业务需求矩阵为D。

边权值即光缆连接的链路成本，与节点对间的距离有关，因为距离与光缆费用和敷设光缆的费用成线性关系，C为单位长度光缆的费用，c为单位长度光缆的敷设费用；不同路段地理环境差异和敷设光缆方式的不同，用一个参数R来修正不同路段上的建设成本；当两节点之间的距离超过了一定的阈值D时，权值中要加入再生器的费用，设加入一套再生器的费用，如果有些节点对之间己经存在光缆，利用它可以减小建设成本，则设该边权值为0，对于不适合敷设光缆的路段，将权值设定为∞。对于节点对之间业务量大的节点，尽量使它们之间有连接的光缆，这样可以使网络的资源利用率提高，将节点对之间的业务量也考虑进去，定义R为业务量分配对网络路由规划造成的影响因子，P表示i，j节点对之间业务量与总业务量的比值，即

则边权值为

光缆路由费用矩阵为

分支限界法搜索过程如图3.4所示。图3.4 分支限界算法过程

利用分支限界法，得出复用段保护倒换环的最佳路由的环成本为380万元。节点间的连接顺序如图3.5所示。图3.5 最佳路由策略

上述采用的分支界限算法针对实际工程光缆施工问题，如两个 ADM 节点之间因为地理位置关系（施工难度太大、距离太远、可以通过其他的ADM节点连通等原因），在实际工程中铺设光缆是不合理的问题，还有铺设光缆的费用最优化问题，都得到较好的解决和应用。3.2.2 静态路由算法

静态选路和资源（波长）分配问题简称静态RWA，是指对于一组预先确定的需要建立的光连接请求选择路由并分配资源（波长）。因此对于静态业务的计算时间要求不是很高，而计算结果优化程度是其目标。此外，由于业务已经是先确定，因此可以从整体的角度考虑为业务分配路由和波长，从而使整个资源优化效果达到最佳。静态业务可以牺牲算法的时间复杂性来换取算法的性能。

静态RWA问题的线性规划模型属于一个NP-Complete（完备）问题，对于较小规模的网络可以直接采用，对于较大规模的网络则不太适合。另外用线性规划的方法来求解，优化目标比较固定，且灵活性较差。为了解决这些问题，人们还提出了一些启发式的算法。

在基于波分的光网络中，解决 RWA 问题就是为每一个光连接发现一个光通道。这意味着不但要发现一个光纤通道（路由）而且还要寻找一个波长（信道或波长分配）。对于静态业务，就是在假设已知网络的物理连接拓扑的条件下，对一组确定的、需要建立的光通道选择路由并分配波长，其实质是通过使用各种各样的成本函数来对资源进行优化的问题。众所周知，RWA问题是一种 NP-C 的问题。RWA问题可分为两个子问题：路由问题和波长分配问题，每一个子问题又是一种NP-C问题，路由和波长分配二者密切相关。在解决静态RWA问题时，常见的有两种方式。（1）结合法：将路由选择和波长分配同时加以考虑，在解决路由选择问题的同时波长分配问题也得到了解决。如各类文献中常提到的分层图法，就是将RWA问题构建成一个三维模型—分层图，分层图上每一层对应一个波长，也称为一个波长平面，此时相应的 RWA 问题简化为在分层图中寻找从源到目的节点的最小代价通路问题。结合法资源优化效果较好，但在解决大型网络问题时耗费时间较长。（2）分离法：将路由选择和波长分配分别处理，一般是先处理路由选择子问题，再解决波长分配子问题，虽然这种分离方法所获得的路由结果一般并不太理想，但它易于实现而且也能满足一般工程要求。下面讨论时采用分解法中比较常见的思路，将 RWA 问题分为两步来处理：第一步，计算路由；第二步，进行波长分配。而每一步又分为两个过程：搜索和选择。具体分类如图3.6所示。

1．路由问题

从图3.6 可知，路由问题可以分为搜索和选择两个部分，关于路由算法的搜索功能，实际上就是为业务需求计算路由的过程，比较常见的思路主要有下列几种。

最短路径（SP）：最短路径算法在给定的网络图中为给定的源和目的节点寻找最短路径。该路径的连接成本比其他任何路径都低。一般情况下，通道的权重是静态的而且与链路上路由数量无关。因为最短路径算法所产生的路由与其他任何路由都是无关的，因此，SP不需要任何的搜索次序或选择规则，计算的结果就是最后的唯一选择。

基于权重的最短路径（WSP）：权重最短路径算法是一种最短路径算法，但是链路成本可能根据已经建立的路由数量而动态地进行调节。该算法需要按照一定的搜索次序来执行。图3.6 路由与资源（波长）分配算法分类

K-最短路径（K-SP）：该算法为每一对源和目的节点都寻找不止一条的光通道。K 条可替换通道增加了路由选择的灵活性。然而，它将路由问题转化为了多路由选择问题，通过在K 条通道中进行选择来获得所需的最小成本的连接通道，从而不仅增加路由搜索的计算量，也额外增加了路由选择的计算量。

而关于选择功能，又可以分为顺序选择和混合优化选择两种方法。顺序选择（渴望算法）算法分为选择顺序和选择规则两个部分。首先确定选择顺序，即各业务需求的选择顺序，先为哪一条业务确定路由，常见的方式有随机顺序选择、固定顺序选择。然后是选择规则，即对于某业务需求的多条可用路由，按照何种规则为其确定一条路由，常见的规则有：随机选择，随机在可用路由中选择一条；首次命中（First-Fit）策略，在所有可用路由中选择第一个满足条件的；按照使用概率选择，在所有可用路由中根据使用概率进行选择；最小权重链路优先，选择包含最小数量的已建立路由的链路。

对于混合优化选择，可以分为优化算法和启发式算法两类。前者使用混合整数规划（MIP，Mixed Integer Program），采用多商品流（multi-commodity flow）模型来模拟实现设定的优化目标。后者则往往是先按照比较简单的顺序选择的方法确定一组初始解，然后按照某种优化目标，不断循环修改各业务的路由直到达到优化目标为止。优化算法最终得到的是关于优化目标的全局最优解，而启发式算法则有可能得到的是局部最优解，不过在运算规模和计算时间上则要节省得多。（1）ILP算法

在解决路由问题时，常见的优化目标有：使用最小波长建立所有连接（即最繁忙链路上的连接数目最少）；使用最小通路长度建立所有的连接；波长或路由的限制下，建立最大连接数目。

由于我们仅在此解决 RWA 中的路由子问题，因此在约束条件方程中并未包括波长连续性限制条件方程，如需要同时解决R问题和W问题，相应整个问题的复杂度也会大大增加。

在解决线性规划问题时，单纯形方法也是得到最优基本可行解的常用方法。其基本思想为首先选择一个基本可行解，计算其相应的目标函数值，根据一定的判决条件，可确定它是否为最优解，若不是，转换到另一个可行解，并使目标函数的值逐渐增大。通过不断改进基 本可行解，力图使目标函数达到最大，此时对应的就是最优可行解。（2）最大概率算法

最大概率算法是一种启发式算法，该算法的优化目标和上面的ILP算法一样，也是使各链路上通过的最大光通道数目最少，但计算复杂度大大下降。

对最繁忙链路上的一条业务进行重路由，即为该业务寻找一条最大概率路径（注：如网络中某路由经过的各链路权值之积最大，则表示该路由上资源剩余最丰富，该路由应该以最大的概率被选中，即为最大概率路径）。求最大概率路径的问题实际上可以看作是Dijkstra算法的一个变形。在 Dijkstra 算法中，是将组成路由的各段链路的权重相加，找出权重和最小的一条路径；而求最大概率路径实际上是求一条各链路权值之积最大的一条路由。（3）单环优化算法

单环优化算法的基本思路是，寻找环内最繁忙的一段链路，将该链路上的部分业务调整到环内的相反方向链路上，以均衡各条链路上的负载量。

2．资源分配问题

对于资源（波长）分配问题，也可以分为搜索和选择两个过程。搜索过程很简单，只需确定业务路由上的可用波长即可。选择过程和路由问题的选择过程类似，也分为顺序选择和混合优化选择两类。顺序选择仍是先确定各路由的波长分配次序，然后按照某种规则为各路由分配一个可用波长。常用的选择次序有：随机路由选择、最短跳数优先、最长路径优先、最大流量优先、最大可用波长优先、邻居数量最多的路由优先。常用的选择规则有：随机（Random）波长选择、首次命中（First-fit）波长选择、使用率最高的（Most-used）波长优先、使用率最低的（Least-used）波长优先等。在此不再赘述，感兴趣的读者可参考相关资料。

3．静态RWA问题的启发式算法

目前已经提出很多解决静态RWA问题的启发式算法，主要可分成以下几类。（1）定序路由、波长算法

这类算法将 RWA 问题分成路由和波长分配两个问题。具体过程为：对于一组业务，将其按某种策略排序，接着顺序为业务确定路由、波长，在为业务确定路由、波长时首先以一定策略为一业务确定路由，接着在确定的路由上为业务分配波长。分配波长一般采用解决动态 RWA 问题的波长分配算法。这类算法的特点是简单、迅速，对于小规模的网络，其性能与其他算法相差不大，且比较灵活。（2）着色图算法

静态的着色图算法也是讲路由和波长分配问题拆分成两个子问题，其中路由选择策略可以采用固定路由选路策略或备用路由选录策略。静态的波长分配问题则采用着色图算法：着色图算法将光通道映射成着色图上的顶点，通过对着色图上的项链顶点着色，完成路由和波长选择算法。着色的要求是项链的节点不使用相同的颜色，意义为网络所用的波长数最少。

这类算法考虑到选路和波长分配在 RWA 问题求解过程中的密不可分性，因此采取“先分拆求解，之后再统一迭代”的思路，优化性能很好，但是时间复杂度较高，对于解决大型网络问题需要耗费较多的时间。

着色图算法将为光通道分配波长转换为对顶点的着色，该问题仍然是NP-Complete问题。顺序着色算法是一种高效的算法。顺序着色算法（Sequential Graph-coloring Algorithm）中，逐一将顶点加入到着色图中并进行着色，在每步中，使得着色数最小。（3）基于分层图模型算法

由于 RWA 问题需要同时考虑路由和波长分配，因此用一个二维平面图更加清晰地描述出RWA问题。分层图的建立方案是将RWA问题构建成一个三维模型—分层图，分层图上每一层对应一个波长，也称为一个波长平面，此时相应的 RWA 问题简化为在分层图中寻找从源到目的节点的最小代价通路问题。由于在分层图上每一层代表一波长平面，因此，如果一级光连接没有公用变的话，则所有的光连接请求都可以建立。

分层图是针对 RWA 问题提出的新的数学模型的算法，资源优化效果好，但在解决大型网络问题时耗费时间长。下面给出基于分层图模型的算法，分为均匀流量和非均匀流量两类情况，其中均匀流量是指每个节点接入的业务量相同，而非均匀流量则是指每个节点接入的业务量不同。

4．静态RWA算法性能比较

我们对4种静态RWA算法的性能进行了研究，这4种算法分别是：①ILP算法（对于路由子问题和波长分配子问题，均通过求解ILP方程来加以解决）；②定序路由、波长算法（采用顺序选择的方法解决路由子问题和波长分配子问题，其中波长选择规则采用简单的First-Fit原则）；③通道图染色模型（采用顺序选择的方法解决路由子问题和波长分配子问题，其中波长选择采用通道图着色法加以解决）；④分层图模型（采用结合法的思路，增加波长一维从而构建三维模型图，同时解决路由和波长分配问题）。这4种算法的性能比较见表3.1。表3.1 算法性能比较

一般来说，对于小型拓扑，由于可能的选择比较少，4 种算法均能得到最优的结果；随着拓扑的增大，ILP 算法和分层图模型的计算时间呈指数增长，但仍能得到最优解，通道图染色模型的运算时间相比要增加得少一些，结果也很逼近最优解；定序路由、波长算法时间增加最少，但结果会与最优解有一定的偏差，但可以灵活的通过选择策略和选择顺序的修订来加以调整。总之，在静态 RWA 算法中，性能的优越是以牺牲算法复杂度，耗费计算时间为代价的。3.2.3 动态路由算法

动态路由和波长分配问题简称动态 RWA，是其在实时业务条件下的光通道路由选择和波长分配优化问题。此时光通道的连接请求是随机到达的，并且已建立的连接在维持一段时间后会被撤销，故动态业务的 RWA 算法要求具有实时性。由于需要建立的光通道的数量和位置是不固定的，并且随时不断改变，因此以资源优化为目标已不能反映实际情况的要求，一般是以业务的阻塞率作为动态RWA问题的优化目标。

对于动态 RWA 问题，由于不存在混合优化选择算法，同时即使在顺序选择算法中，选择顺序也是由业务需求的到达顺序来决定的，无需单独编写算法来实现，因此动态 RWA算法相对简单，一般的方法是设计若干的自适应规则，当业务需求到来时，为业务计算可用路由及波长，按照预先确定的自适应规则进行选择即可。

1．路由问题

在解决动态 RWA 问题时，如果路由的计算是在业务请求到来前进行，称之为预计算路由，如果是在业务请求到来时进行计算，称之为实时计算路由。为了减少连接建立过程中路由计算的时间，我们在进行路由计算时常采用预计算的方式，因此本节主要讨论各种基于预计算方式的路由算法，并对各种算法的性能进行比较。（1）固定路由算法

这是一种最简单直接的路由方案。在全网拓扑已知的情况下用某种最短路径算法为每一源宿节点对预先计算出一条路由，连接这两个节点。当连接请求到达时，即在这条预先计算好的路由上为连接请求分配波长，建立连接。

在固定路由算法中，也可以预先为每一源宿节点对计算多条备选路由，构成备选路由集，且预先设定各路由的优先级，如较短的路由具有较高的优先级。当请求到达时，按照预先排定的优先级顺序确定路由，即当优先级较高的路由阻塞时，才会考虑优先级较低的路由。考虑到网络的抗毁性，多条备选路由一般是无重边（edge-disjoint）的（注：这里“最短”的含义是指该路由所经过的各段链路的权重总和最小）。

下面介绍两种典型的固定路由算法。

①Dijkstra算法，该算法在计算节点之间的最短路径方面是目前最优秀的算法。若各条边的权重设为相等，此时用 Dijkstra 路由算法基本上只考虑了跳数，在跳数相同的情况下，采用First-Fit方法确定路由。因而，直接使用Dijkstra算法在路由预计算部分就会导致业务流量的不均衡，而且在某些情况下比较严重。

②平衡最短路算法（BSP，Balanced Shortest Path），BSP算法是在传统最短路径算法的基础上经过扩展的一种算法，它的思路就是在路由预计算的过程中就尽量实现各潜在业务之间的均衡。BSP算法的优化思想为：如果对于某业务，其最短路径不止有一条，那么在这些最短路径集合中选择通路复用度最小的一条。如果满足上述条件的路由仍不止一条，则选择其中通路复用度方差最小的一条。（2）自适应路由算法

下面介绍3类典型的动态固定路由算法。

最小负载路由算法（LLR，Least Loaded Routing）。LLR是一种同时解决路由波长问题的方案，也针对多纤网络设计的，在单纤网络中相当于首次命中（FF）算法。

最小阻塞通路优先算法（FPLC，First Path Least Congest）。WT-FPLC（Wavelength Trunk based FPLC）和LP-FPLC（Lightpath based FPLC）是两种相似的FPLC算法。在单纤网络中，LP-FPLC将退化成WT-FPLC；而在多纤网络中，LP-FPLC的性能要优于WT-FPLC。

在网络中，即使业务分布是均匀的，各链路的负载强度仍存在较大差异。这种负载的不均衡是由于网络本身不规则的拓扑结构造成的。而且，在实际网络中，业务分布将是一种不均匀分布，在一个不规则的网络中，业务分布的不均匀很可能加剧各链路流量负载的不均衡。

因此，我们认为，根据当前网络状态对网络流量进行均衡（例如FPLC算法）可以降低 业务的阻塞概率，但如果算法在考虑当前网络状态的同时，还能够对链路的潜在业务强度进行分析，并根据潜在业务强度对网络流量进行均衡，则将可以获得更优的网络性能。由此，我们提出了一种新的自适应路由与波长分配算法—MinSum 算法。在路由选择部分设立了一种机制，在考虑链路容量的同时鼓励选择跳数较少的路由，并通过引入链路复用度的概念，将各条链路上的业务强度的潜在的不均衡纳入到考虑范围之内。

关于LLR、FPLC以及本课题组提出的Minsum算法的详细描述如下。

为了准确描述各种自适应路由算法，首先要建立数学模型：

假设一个网络包含N个网络和E条光纤链路，每条链路上敷设F根光纤节点定义假设网络当前处于任意状态ψ，当前到达的连接请求为*r，受限AR算法将根据网络当前状态ψ，从连接请求r的备选路由集*A（r）中选出一条路由p。定义状态ψ条件下链路l上波长λ上的空闲信道数（即空闲光纤数）为c（ψ，l，λ）。

①最小负载路由算法（LLR）

LLR是一种同时解决路由波长问题的方案，也针对多纤网络设计的，在单纤网络中相当于首次命中（FF）算法。*

算法思路：遍历 A（r）中每一条路由上的所有波长，选择可用信道数最大的波长以及这个波长所在的通路。

数学描述：

②最小阻塞通路优先算法（FPLC）

WT-FPLC和LP-FPLC是两种相似的FPLC算法。*

算法思路（WT-FPLC）：比较备选路由集A（r）中每一条路由上的可用波长数，只要波长没有被阻塞，无论此波长平面内还包含有多少空闲信道，都只记为一个可用波长，最后选择可用波长数最大的那条路由。

数学描述（WT-FPLC）：

其中U（t）为单位阶跃函数，其定义为

算法思路（LP-FPLC）：比较备选路由集A（r*）中每一条路由上的可用信道数，选择可用信道数最多的那条路由。

数学描述（LP-FPLC）：

在单纤网络中 LP-FPLC 将退化成 WT-FPLC，而在多纤网络中 LP-FPLC 的性能要优于WT-FPLC。

③一种新的路由算法：MinSum

在网络中，即使业务分布是均匀的，各链路的负载强度仍存在较大差异。这种负载的不均衡是由于网络本身不规则的拓扑结构造成的。而且，在实际网络中，业务分布将是一种不均匀分布，在一个不规则的网络中，业务分布不均匀很有可能加剧各链路流量负载的不均衡。

因此，我们认为，根据当前网络状态对网络流量进行均衡（例如FPLC算法）可以降低业务的阻塞概率，但如果算法在考虑当前网络状态的同时，还能够对链路的潜在业务强度进行分析，并根据潜在业务强度对网络流量进行均衡，则将可以获得更优的网络性能。由此，提出一种新的自适应路由与波长分配算法—MinSum 算法。在路由选择部分设立了一种机制，在考虑链路容量的同时鼓励选择跳数较少的路由，并通过引入链路复用度的概念，将各条链路上的业务强度的潜在的不均衡纳入到考虑范围之内。

数学描述（MinSum）：

通道p上平面λ的可用信道数为c（ψ，p，λ）为

定义Ω（ψ，p）表示当前状态下通道p上的可用波长集

则将链路权重C（ψ，l）定义为链路最大可用容量与当前可用容量的比值，

其中，C表示链路l上的最大可用容量。l

定义链路l的复用度M为l

而χ（p，l）为指数函数，如果链路l在最短路p上，则为1，否则为0。即

定义相对容量函数C`（ψ，p）为*

那么当A（r）≠∞时，MinSum路由选择策略可以被描述为**

其中p表示算法中选中的路由，并有p∈A（r）。如果，则表示当前状态下A（r）所有备选路由上均不存在可用波长，业务请求被阻塞。

2．资源分配问题

常用动态资源（波长）分配算法可以分为3类：基于局部信息的波长分配算法，基于全局资源信息的波长分配算法以及基于全局通路信息的波长分配算法。（1）基于局部信息的波长分配算法

该类算法仅考虑待分配业务路由上的资源使用信息，是最简单的一种算法。常见算法有：

随机算法：首先遍历所有波长，确定在选定路由上的可用波长集合，接着从可用波长集合中随机等概率地选取一波长。随机分配算法不考虑当前的网络资源的占用情况，所用时间复杂度低。但其对网络性能的改善不明显。

首次命中算法，该算法在网络的规划阶段，所有的波长都被统一编号。该编号可以按波长的大小顺序编号，也可以随机编号，一般按波长的大小顺序编号，接着选用可用波长集（即还有剩余信道的波长的集合）中编号最小的波长来建立光路。同随机分配算法一样，首次命中算法也不考虑当前的网络状态，由于是按顺序检查波长集合，将发现的第一个空闲波长分配给呼叫。从文献的比较结果看，首次命中算法的阻塞性能要好于随机分配，而且时间复杂度的最差情况才能与随机分配相同。（2）基于全局资源信息的波长分配算法

该类算法对全网所有波长资源的使用情况进行分析，根据分析的结果选取最适合全网的一个可用波长。常见的算法有：

最大使用（MU，Most-Used）算法：该算法统计全网中所有波长的使用率，选择使用率最大的可用波长。最大使用算法需要利用目前的网络资源的占用情况，其时间复杂度与最小使用算法一样。

最小使用（LU，Least-Used）算法：该算法同样统计全网的所有波长的使用率，并选择波长使用率最小的可用波长分配。由于每次都是选择使用率最低的可用波长，因此最小使用算法趋向于使得各波长使用率平均。但是，也正是由于这种趋向，也使业务在建立波长通道时更容易被阻塞。最小使用算法需要利用目前的网络资源的占用情况，其时间复杂度要高于首次命中与随机分配。（3）基于全局通路信息的波长分配算法

该类算法在为新业务需求分配波长时，必须考虑原有的业务波长通道的建立情况，根据对其的影响来选择一个可用波长。常见的算法有：最大总和（MS，Max-Sum）算法、最小影响（LI，Least Influence）算法、相对容量损失（RCL，Relative Capacity Loss）算法、相对最小影响（RLI，Relative Lease Influence）算法。

目前，已提出的算法中，性能较好的算法为RCL算法和RLI算法。RCL算法优于在其之前的算法。RLI算法描述的网络状态比RCL更准确，其性能也更优于RCL算法。（4）一种新的波长分配算法：RCI算法

采用基于全局通路信息的波长分配算法的思路，提出了一种新的波长分配算法：RCI算法。当为新到达的业务对应的固定光通道分配波长时，RCI算法在RCL和RLI算法的基础上，考虑了不同波长λ间具有相同瓶颈链路的状况，因此，其描述网络的资源状态比RCL和RLI更准确，有更优的性能。RCI算法的计算时间，同RCL和RLI计算时间复杂度相同。3.2.4 动态算法性能比较

在各种路由算法中，两条备选路由的算法的性能要优于固定路由的算法，同时MinSum算法在各种算法中是性能最好的。从MinSum算法的设计思路我们可以看出，它实际上是继承了Dijkstra算法和LLR算法的优点，即一方面考虑采用跳数较短的路由，减少绝对资源的使用量，同时又考虑到资源使用的均衡，尽量使得在全网各链路上均能剩余相对较多的波长资源，避免出现瓶颈链路。正是因为MinSum算法充分考虑了这两方面的因素，在这两者之间找到了一个良好的均衡点，才使得性能比现有的其他算法优越，当然，性能的改善是以算法的时间复杂度为代价的。

1．路由算法的仿真分析

为了验证MinSum算法的性能，将其与其他几种典型的路由算法，比如FPLC、LLR等进行实验仿真，并对结果进行分析比较。网络拓扑分别为NSFNET（如图3.7所示）和一个33节点的格状规则拓扑（如图3.8所示）。图3.7 NSFNET网络拓扑图3.8 节点格状规则拓扑

选择这两个拓扑的原因是：（1）这两个拓扑分别代表了规则和不规则拓扑结构；（2）这两个拓扑分别反映了不同的连接度，在 33 节点格网中，节点的平均连接度为2.18，而在NSFNET中，节点的平均连接度为3；（3）在这两个拓扑中，平均路由长度存在明显的区别。仿真中我们使用Dijkstra算法为每一对源宿节点计算2条无重边的备选路由，即K＝2。当K＝2时，在33节点格网中，最大路由长度为12跳（hop），平均路由长度为8.19 跳，而在NSFNET中，最大路由长度为5跳，平均路由长度为2.88跳。

考虑到真实网络中的业务为非均匀模型，因此，在业务模型方面，我们分别基于均匀泊松业务模型和非均匀泊松业务模型进行了仿真。在均匀业务模型中，所有节点的业务到达强度均相等，而在非均匀业务模型中，我们假设节点i与j之间的业务到达强度λ均匀分布于i，j与之间，其中，，。在仿真中，我们假设

在单纤网络仿真中，假设链路在每个方向上铺设1根光纤，光纤中复用16个波长（F＝1，W＝16）；在多纤网络仿真中，假设链路在每个方向上铺设8根光纤，每根光纤中复用16个波长（F＝8，W＝16）。在仿真中，除 MinSum 算法外，我们还对另几种自适应路由选择算法进行了仿真，包括FAR、LLR、WT_FPLC和LP_FPLC算法。在单纤网络中，LLR算法退化成为FAR算法，LP-FPLC退化成为WT-FPLC算法，而LL波长分配将退化成为FF波长分配。因此，在单纤网络中，我们将只看到LLR、FPLC以及MinSum算法的仿真结果。

图3.9和图3.10给出了在33节点格网中的仿真结果。其中AP_MinSum代表基于链路潜 在负载近似计算模型的MinSum算法，AN_MinSum 代表基于链路潜在负载分析模型的MinSum算法，而ST_MinSum表示基于链路负载统计计算模型的MinSum算法。

图3.9 多纤33节点格网均匀业务模型仿真结果（使用FF算法进行波长分配）图3.10 多纤33节点格网非均匀业务模型仿真结果（使用FF算法进行波长分配）

可以看出，在路由选择算法中，LLR算法要优于FAR算法，FPLC要优于LLR算法。无论在单纤网络中还是在多纤网络中，MinSum都是性能最优的算法。

图3.10是非均匀业务模型下的仿真结果。可以看出，在非均匀业务模型下，由于业务的非均匀分布影响了网络业务流量的均衡，因此，在全网平均业务强度不变的情况下，网络业务的平均阻塞率上升了。或者说，如果业务的平均阻塞率保持在某一个范围内不变，则在非均匀业务模型下，网络所能承载的业务强度要小于均匀业务模型下网络所能承载的业务强度。

通过仿真结果我们发现，无论是在均匀业务模型还是在非均匀业务模型下，图3.9和图3.10是各种路由选择算法与 FF 波长分配算法组合时的仿真结果。单纤网络中这两种波长分配方案是完全相同的，从多纤网络的仿真结果中可以看出，与FF波长分配算法相比，LL算法以有效提高网络性能。同时可以看出，无论与LL算法还是与FF算法组合，MinSum都优于其他几种代表性自适应路由选择算法。

图3.11至图3.16给出了在NSFNET拓扑上进行的仿真结果。比较NSFNET和33节点格网的仿真结果可以发现，由于 NSFNET 的连通度较高，因此在业务负载相同的情况下，NSFNET中业务的平均阻塞率较低，或者说，在业务平均阻塞率大致相当时，NSFNET可承载更多的业务。不同拓扑、不同业务模型下的仿真结果说明，MinSum 算法可适用于多种网络拓扑以及多种网络环境，通过在路由选择过程中引入链路潜在负载，MinSum 算法更好地实现了网络流量的均衡，从而降低了网络的整体阻塞率。而在AP_MinSum、AN_MinSum以及ST_MinSum中，性能最优的是ST_MinSum，原因在于，统计模型对潜在业务负载的计算是最准确的，AN_MinSum 稍逊于 ST_MinSum，但优于 AP_MinSum，这说明文中提出的分析模型可以较为准确地反映链路的潜在负载。虽然 AP_MinSum 在阻塞率性能方面不及AN_MinSum和ST_MinSum，但差距并不明显，而且AP_MinSum要明显优于文献中提出的各种算法。考虑到近似计算法是一种非常简单的链路潜在负载分析方法，适用于各种网络环境，因此AP_MinSum是一种很具有实际意义的自适应路由选择算法。图3.11 单纤NSFNET均匀业务模型仿真结果图3.12 单纤NSFNET非均匀业务模型仿真结果图3.13 多纤NSFNET均匀业务模型仿真结果（使用LL算法进行波长分配）图3.14 多纤NSFNET非均匀业务模型仿真结果（使用LL算法进行波长分配）图3.15 多纤NSFNET均匀业务模型仿真结果（使用FF算法进行波长分配）图3.16 多纤NSFNET非均匀业务模型仿真结果（使用FF算法进行波长分配）

2．波长分配算法的仿真分析

为了验证提出的RCI算法的性能，将其与介绍的几种波长分配算法：FF、MU、LU、MS、RCL、LI、RLI、RCI一并进行实验仿真，并对结果进行分析比较。

仿真环境如下：图3.17 仿真环境的网络拓扑结构

我们选用25节点Mesh网、20节点环网、10节点类教育网结构的不同算法进行仿真。节点对间的业务分配均匀，动态业务按泊松分布逐条到达。将算法α的阻塞概率记为：B（α），当算法α的性能优于算法β的性能（B（α）＜B（β）），我们定义算法α相对与算法β的优化因子为[B（β）−B（α）]/B（β）。用F代表每条链路包含的光纤数，W代表每条光纤可支持的波长数。Load 代表网络的负载。路由选择算法采用FPLC算法。仿真结果如下：

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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