Дослідження методів маршрутизації з конверсією довжини хвилі

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Національний університет “Львівська політехніка”

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дослідження методів маршрутизації з конверсією довжини хвилі

Ахмад Мохаммад Мустафа Фрейхат

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка”

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Тимченко Олександр Володимирович,

Українська академія друкарства, м. Львів,

професор кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Лісовий Іван Павлович

Одеська Національна академія зв'язку, м. Одеса,

професор кафедри Телекомунікаційні системи

кандидат технічних наук, доцент

Стрепко Ігор Теодорович,

Українська академія друкарства, м. Львів,

декан факультету комп'ютерної поліграфічної інженерії

Захист відбудеться “19“ листопада у 2010 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 в Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою вул. С.Бандери,12, м. Львів, 79013, Україна (ауд.218 ХІ навчального корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (вул. Професорська 1, м. Львів, 79013).

Автореферат розісланий 15 жовтня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., доцентА.П.Бондарєв

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні роки знаходять все більше застосування технології оптичної передачі даних. Це пов'язано з високим потенціалом волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ), які мають ширину смуги пропускання до 26 ТГц, малі втрати (0,2 дБ/км) і дуже малу кількість помилок - 10-9-10-15 на біт. В даний час, як правило, ВОЛЗ застосовуються для побудови мереж високої пропускної здатності спільно з електронним устаткуванням (електронними комутаторами, повторювачами, регенераторами і т.д.). У таких мережах сигнал під час передачі зазнає ряд оптоелектронних перетворень, що погіршує параметри продуктивності мереж.

Значно більші можливості обіцяє використання повністю оптичних мереж (All-optical Networks - AON), в яких інформація проходить по оптичному середовищу впродовж всього шляху за винятком крайніх пунктів. Повністю оптичні мережі претендують на роль головної мережевої технології, здатної забезпечити стрімко зростаючі потреби в збільшенні ширини смуги пропускання.

В даний час існує потреба в розробці нових математичних моделей, які зважали б на специфіку повністю оптичних мереж і сприяли підвищенню їх продуктивності. Основною технологією, що забезпечує велику пропускну здатність оптичних мереж, є технологія мультиплексування з розділенням довжин хвиль (Wavelength Division Multiplexing - WDM). Проте використання електронних і електронно-оптичних пристроїв і елементів істотно знижує потенційно високу ефективність технології WDM через проміжне перетворення і обробку оптичної несучої в електронному вигляді.

Реалізація повністю оптичних мереж, що дозволяють позбавитись від вказаних недоліків, стримується відсутністю методів і пристроїв повністю оптичної обробки і маршрутизації повідомлень. Основними такими елементами є хвилеві конвертери, які дозволяють здійснити перетворення довжин хвиль, що поступають, в новий набір, що може істотно збільшити пропускну здатність AON шляхом адаптивної маршрутизації по вільних довжинах хвиль за рахунок зменшення вірогідності блокувань.

У останні роки проводяться інтенсивні розробки в області оптимізації AON для підвищення їх продуктивності. Серед вчених, які вирішували окремі завдання в цій області, можна назвати таких відомих зарубіжних і вітчизняних вчених: Agraval G.P., Chen C., Li L., Kleinrock L., Ramamurthy B., Waitzman D., Стеклов В.К., Захарченко М.В., Безрук В.М., Беркман Л.Н., Башарін Г.П., Вишневський В.М., Галкін В.А., Іванов А.Б., Оліфер Н.А, Оліфер В.Г., Поповський В.В., Семенов Ю.А., Слєпов Н.Н., Убайдуллаєв Р.Р., Тимченко О.В. та ін. Проте методи маршрутизації в повністю оптичних мережах з використанням конверсії довжини хвилі, а також методи оптимального розташування конвертерів для мінімізації їх числа, не зважаючи на величезне число робіт, в даний час відсутні.

Тому розробка методів і математичних моделей маршрутизації з використанням конверсії довжини хвиль є актуальним науковим завданням, вирішення якого сприяє мінімізації числа конвертерів та зменшення вірогідності блокувань за рахунок перерозподілу навантаження по вільних довжинах хвиль.

Зв'язок роботи з науковими програмами планами і темами.

Робота виконувалась в рамках держбюджетної теми кафедри „Телекомунікації” Національного університету „Львівська політехніка” „Розробка і дослідження методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних мереж шляхом обробки і ущільнення мультимедійних даних”, номер державної реєстрації 0102U001205, 2003-2005 рр., в якій автор брав участь як виконавець.

Результати дисертаційних досліджень впроваджено в навчальний процес кафедри „Телекомунікації” в лекційному курсі та лабораторному практикумі з дисципліни „Канали та системи передавання”, та при проведенні курсів „Телекомунікаційні системи та мережі”.

Метою роботи є розробка методів і математичних моделей маршрутизації для мінімізації числа конвертерів довжини хвилі в повністю оптичних мережах передачі даних та зменшення вірогідності блокувань.

Досягнення поставленої мети здійснюється вирішенням таких завдань:

1.Системний аналіз сучасних вимог і елементної бази для побудови повністю оптичних мереж.

2.Розробка методу і дослідження продуктивності конверсії довжини хвилі з використанням ефекту чотирьоххвилевого змішування.

3.Розробка методів знаходження місць розташування конвертерів довжини хвилі для розв'язку задачі маршрутизації в повністю оптичних мережах.

4.Розробка методів мінімізація числа конвертерів довжини хвилі для AON з довільною і кільцевою топологією.

5.Дослідження вірогідності блокувань в повністю оптичних мережах з фіксованою маршрутизацією і обмеженим діапазоном перетворення довжин хвиль у вузлі.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Отримав подальший розвиток метод конверсії довжини хвилі з використанням ефекту чотирихвилевого змішування, для дослідження продуктивності оптичних конвертерів.

2. Отримали подальший розвиток методи знаходження місць розташування конвертерів довжини хвилі для маршрутизації у повністю оптичних мережах.

3. Вперше розроблена і досліджена модель мінімізації кількості конвертерів довжини хвилі для мереж з довільною і кільцевою топологією.

4. Вперше створена і досліджена математична модель визначення інтенсивності блокувань в повністю оптичних мережах з фіксованою маршрутизацією і обмеженим діапазоном перетворення довжин хвиль у вузлі, що дало можливість визначити вірогідність втрат пакетів.

Об'єкт дослідження: маршрутизація в повністю оптичних мережах з конверсією довжини хвилі.

Предмет дослідження: методи і математичні моделі маршрутизації в повністю оптичних мережах з конверсією довжини хвилі.

Методи дослідження: методи системного аналізу, математичного апарату лінійного програмування, методи оптимізації, систем масового обслуговування та методи математичної статистики для перевірки адекватності отриманих результатів реальним даним.

Практичне значення отриманих результатів

Практичне значення має розроблений метод і проведені дослідження продуктивності конверсії довжини хвилі з використанням ефекту чотирихвилевого змішування для реалізації повністю оптичних конвертерів і перерозподілу навантаження по вільних довжинах хвиль. Використання конвертерів довжини хвилі дозволяє реалізувати маршрутизацію оптичної несучої без перетворення в електронну або електронно-оптичну форму. Вирішена задача знаходження місць розташування конвертерів довжини хвилі для розв'язку задачі маршрутизації в повністю оптичних мережах, що дозволяє мінімізувати число конвертерів довжини хвилі для мереж з довільною і кільцевою топологією, визначити вірогідність блокувань в повністю оптичних мережах з фіксованою маршрутизацією і обмеженим діапазоном перетворення довжин хвиль у вузлі і, зрештою, приводить до підвищення ефективності роботи AON шляхом перерозподілу навантаження по вільних довжинах хвиль.

Особистий внесок здобувача полягає в самостійному отриманні основних наукових результатів, проведенні експериментальних досліджень та апробації результатів.

Внесок претендента в опублікованих роботах полягає в наступному: в [1] - запропонував метод розв'язку задачі розташування конвертерів довжини хвилі; в [2] - запропонував метрику маршрутизації з урахуванням конверсії; в [3] - запропонував використовувати ефект чотирихвилевого змішування для конверсії довжини хвилі; в [4, 5] - провів імітаційне моделювання; в [6] - розробив архітектуру мережі з конверсією довжин хвиль; в [7] - дослідив продуктивність чотирихвилевого змішування; в [8, 9] - запропонував модель оптичної мережі з конверсією довжин хвиль; в [10] - запропонував методику моделювання комп'ютерних мереж; в [11, 12] - розробив метод дослідження архітектури мережі з конверсією довжин хвиль.

Апробація результатів дисертації

Основні результати досліджень були представлені і всебічно обговорені на наступних науково-технічних конференціях:

ХХVIIІ Науково-технічна конференція “Моделювання“. ІПМЕ НАН України. 15-16 січня 2009 р., м.Київ.

Науково-практичні конференції „Сучасні проблеми телекомунікацій - 2007, 2009”. 18-20 жовт. 2007 р., 29-31 жовтня 2009 р., м.Львів.

Науково-методичні конференції „Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій”. 17-20 жовтня 2007 р., 28-30 жовтня 2009 р., м.Львів.

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковано в 12 наукових працях, з них 7 статей у фахових виданнях згідно переліку ВАК України, 5 - у матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел (118 найменувань). Загальний обсяг роботи 163 сторінки, з яких основний текст 138 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть і стан проблеми, обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна, практичне значення, наведені короткі анотації розділів дисертаційної роботи.

У першому розділі «Аналіз технології повністю оптичних мереж» проведено системний аналіз сучасних вимог для побудови систем передачі даних. Показано, що передача інформації по волоконно-оптичних лініях зв'язку має цілий ряд переваг в порівнянні з іншими методами, до яких відносяться: широка смуга пропускання, висока завадостійкість, мале загасання, висока захищеність, мала вага і об'єм. Повністю оптичні мережі (AON) претендують на роль мережевої технології, здатної забезпечити гігантські швидкості передачі цифрових потоків, як для сьогоднішніх, так і для наступних мережевих інформаційних застосувань.

Розглянуті типові схеми повністю оптичних мереж і принципи функціонування їх основних елементів - оптичні передавачі, приймачі, повторювачі, підсилювачі, розгалужувачі, конвертери та мультиплексори. Використання хвилевих конвертерів, що здійснюють повністю оптичне перетворення довжини хвилі сигналу, що приходить, в іншу довжину хвилі, дозволяє реалізувати принципи повністю оптичних мереж в повному обсязі.

Найважливішим елементом в технології щільного хвилевого мультиплексування (DWDM) є мультиплексор/демультиплексор, а також пристрої, що працюють в режимі додавання або виводу одного або більше каналів основного мультиплексного потоку. Оскільки вихідні порти демультиплексора закріплені за певними довжинами хвиль, то такий пристрій здійснює пасивну маршрутизацію по довжинах хвиль.

Проведена класифікація AON. Для широкомовної AON центральний вузол і всі оптичні елементи є чисто пасивними, тому така мережа має дуже високу надійність. AON з пасивною хвилевою маршрутизацією (рис.1) дозволяє економити енергію оптичного сигналу через відсутність розгалужувачів і допускає одночасне використання сигналів однієї і тієї ж довжини хвилі в різних непересічних частинах мережі. AON з активною хвилевою маршрутизацією (рис.2) вимагає використання оптичних комутаційних вузлів. При цьому у вузлах комутації (ВК), крім функції маршрутизації, повинна здійснюватися хвилева конверсія, яка дозволяє встановлювати з'єднання між хвилевими каналами з різними довжинами хвиль. Хвилева конверсія дозволяє ефективно використовувати обмежене число хвилевих каналів за рахунок використання однієї довжини хвилі в різних з'єднаннях.

Рис.1. AON з пасивною хвилевою маршрутизацією	Рис.2. AON з активною хвилевою маршрутизацією (ПЗР - пасивний зіркоподібний розгалужувач)

Основною перевагою розглянутої мережі є те, що її вартість при дуже великих швидкостях (1 Гбіт/с і більше) значно нижча за мережу з чисто електронним комутатором в центральному вузлі.

У другому розділі «Частотне розділення каналів і стандартизація DWDM» проведений аналіз частотного плану DWDM-системи, зокрема, сітки плану 100 ГГц з різним ступенем розрідженості каналів. Всі сітки, окрім однієї 500/400, мають рівновіддалені канали. Рівномірний розподіл каналів дозволяє оптимізувати роботу хвилевих конвертерів, перелаштовуваних лазерів та інших пристроїв AON , а також дозволяє легше виконувати її нарощування.

Реалізація вибраної сітки частотного плану залежить від трьох основних чинників: типу використовуваних оптичних підсилювачів (кремнієвого або фтор-цирконатного), швидкості передачі на канал, впливу нелінійних ефектів, причому всі ці чинники взаємозв'язані між собою.

На основі детального порівняльного розгляду основних пристроїв і елементів оптичних мереж показано, що для реалізації систем з хвилевою маршрутизацією слід використовувати одномодові лазерні діоди, в яких спектральна смуга випромінювання менша 0,1 нм, що дозволяє реалізувати мультиплексори DWDM з малою відстанню між каналами =0,4 нм.

Проведений порівняльний аналіз характеристик ОВ за дисперсією і загасанням. У магістралях великої довжини застосовуються виключно одномодові волокна через кращі дисперсійні характеристики. Найбільшого поширення набули три типи одномодового волокна: одномодове волокно із ступінчастим профілем (стандартне волокно, standard fiber, SF), волокно із зміщеною дисперсією (dispersion shifted fiber, DSF), волокно з ненульовою зміщеною дисперсією (non-zero dispersion shifted fiber, NZDSF), а також два типи градієнтного багатомодового волокна стандартів 50/125 і 62,5/125. У волокон з ненульовою зміщеною дисперсією величина дисперсії достатня для придушення чотирихвилевого змішування і реалізації високої швидкості передачі інформації без компенсації хроматичної дисперсії. Тому волокна такого типу найкращим чином підходять для використання в системах передачі даних зі спектральним розділенням каналів.

У третьому розділі «Дослідження взаємних впливів в спектральних каналах системи DWDM» проведено аналіз нелінійних ефектів в оптичному волокні, що обумовлені нелінійним відгуком оптично прозорої речовини на збільшення інтенсивності світлового потоку. Нелінійні ефекти, які виникають в ОВ, є фундаментальними обмеженнями щодо обсягу інформації, яка може бути передана окремим ОВ DWDM-системи за одиницю часу.

Існує декілька видів нелінійних ефектів, кожен з них різною мірою впливає на поширення сигналів по волокну. В результаті цих ефектів, виникають хвилі із зміщеною частотою, які поширюються у ОВ.

Аналіз видів нелінійних ефектів, зокрема: стимульоване Бриллюенівське розсіювання (SBS - Stimulated Brillouin Scattering), стимульоване Раманівське розсіювання (SRS - Stimulated Raman Scattering), фазова самомодуляція (SPM - Self - Phase Modulation) і перехресна фазова самомодуляція (CРМ - Cross - Phase Modulation), інтермодуляція (IM - Inter Modulation), модуляційна нестабільність (MI - Modulation Instabliting), чотирихвилеве змішування (FWM - Four Wave Mixing), показали їх істотний негативний вплив на швидкість передачі даних в системах DWDM через появу нових гармонік і перехресних завад.

FWM приводить до появи нових гармонік, частина яких потрапляє в канали системи DWDM і викликає перехресні перешкоди, які мають заважаючий вплив на передачу основного сигналу. Поява таких гармонік відбувається за законом:

wijk=wi+wj-wk, (1)

де: i?k і j?k, .

В системі через нелінійність передавальної функції генерується велика кількість гармонік. Досліджено положення і розподіл продуктів FWM для рівномірного і нерівномірного розподілу каналів (табл. і рис.3).

Кількість і розподіл продуктів FWM для чотирьох нерівномірно розміщених вхідних сигналів

Канал	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Частоти користувача	0	0	0	0	0	0	1	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Продукти FWM	1	2	1	3	4	2	1	0	3	2	4	3	1	2	2	3	0	1	1

Рис.3. Розподіл продуктів FWM для чотирьох нерівномірно розміщених вхідних сигналів

Потужність однієї гармоніки на частоті fijk обчислюється за формулою:

,(2)

де - потужність хвиль з частотами ;

- груповий коефіцієнт заломлення;

- довжина хвилі;

- швидкість світла;

- постійна загасання;

- довжина світлопроводу;

- коефіцієнт генерації: для , для ;

- нелінійність третього порядку;

- поверхня моди;

- ефективна довжина світлопроводу;

- продуктивність чотирихвилевого змішування.

Ефективна довжина світлопроводу знаходиться з виразу:

.(3)

Продуктивність чотирихвилевого змішування можна обчислювати за формулою:

,(4)

де - фазова неузгодженість.

Значення . Розкладаючи постійну розповсюдження у ряд в околі частоти , маємо:

(5)

Для , для якої , отримуємо:

.(6)

Коли , остаточно отримуємо:

.(7)

Як випливає з (7), величина залежить від відстані між каналами і величини дисперсії. Змінюючи ці параметри, можна легко регулювати величину , а значить і продуктивність чотирихвилевого змішування, яке може бути використано для конверсії довжини хвилі оптичної несучої (рис.4).

Рис.4. Отримана залежність продуктивності FWM від міжканального інтервалу для трьох типів світловодів SMF, DSF, NZDSF однакової довжини

Таким чином, для конверсії довжини хвилі в системах DWDM пропонується застосовувати нелінійний ефект чотирихвилевого змішування, оскільки продукти змішування можуть з'являтися в необхідних каналах, що дозволяє управляти маршрутизацією повідомлень в системах DWDM. Потужність сигналу на виході змішувача залежить від таких факторів, як спосіб розміщення вхідних каналів, потужності випромінювання, виду світлопроводу. Чим більший коефіцієнт дисперсії світлопроводу, більша потужність передачі в одному каналі, або густіше розміщені канали передачі, тим більшу потужність продуктів чотирихвилевого змішування можна отримати в даному типі конвертерів на заданій довжині хвилі.

Розглянуто реалізацію повністю оптичного маршрутизатора, який, як показано раніше, є основним елементом в AON з конверсією довжини хвилі. У його конструкції можна виділити три основні частини: система вводу/виводу, оптична комутуюча матриця і блок управління елементами мережі (рис.5).

Система вводу/виводу забезпечує доступ до оптичної матриці через стандартні оптичні інтерфейси і відповідає за перетворення довжин хвиль. До неї також можна віднести і оптичні підсилювачі.

У блоці керування елементами мережі реалізована система хвилевої маршрутизації, котра управляє комутуючою матрицею, яка є повністю оптичною і неблокуючою. Маршрутизатор комутує хвилі різної довжини прозоро, забезпечуючи регенерацію сигналу за допомогою оптичних підсилювачів.

Рис. 5. Повністю оптичний маршрутизатор

Для реалізації алгоритму хвилевої маршрутизації необхідно, щоб у кожному маршрутизаторі була відома вся топологія мережі. Окрім інформації про стан з'єднань маршрутизатор повинен мати інформацію про зміну ресурсів, щоб перемаршрутизація стала можливою. У зв'язку з цим маршрутизація в AON повинна базуватися на протоколі про стан з'єднань OSPF (Open Shortest Path First) і протоколі IS-IS (Intermediate System to Intermediate System).

У четвертому розділі «Методи підвищення ефективності повністю оптичних мереж з конвертерами довжини хвилі» розглянуто методи маршрутизації в повністю оптичних мережах за рахунок перерозподілу потоків по вільних довжинах хвиль шляхом використання оптичних мультиплексорів вводу/виводу та конвертерів довжини хвилі.

Під підвищенням ефективності AON в роботі розуміється максимально можливе завантаження всіх оптичних несучих, яке досягається різними шляхами. Одним з них є використання перебудовуваних оптичних мультиплексорів вводу виводу (ROADM), що забезпечують гнучкість роботи мережі на кожному вузлі DWDM-мережі шляхом вводу і виводу заданого числа каналів (регулювання пропускної здатності) безпосередньо в оптичному вигляді (рис.6).

оптичний мережа маршрутизація

Рис. 6. Схеми перебудовуваних оптичних мультиплексорів вводу/виводу (ROADM): Broadcast and Select (а); Demux, Switch, Mux (б).

Створена і досліджена математична модель мережі з шаруватою структурою (рис.7) як суперпозиція K мереж (шарів), кожна з яких має точно ту ж топологію, що і початкова мережа, але переносить сигнал на іншій довжині хвилі . Вважаємо, що AON містить обмежене число конвертерів довжини хвилі (менше кількості вузлів ), а модель мінімізує їх кількість. Конверсія дозволяє реалізувати маршрутизацію оптичної несучої без перетворення в електронну або електронно-оптичну форму, перетворюючи світловий шлях на напівсвітловий, приводячи до ефективнішого використання ресурсів AON (вільних довжин хвиль).

Рис. 7. Модель AON з шаруватою структурою, K=2 довжини хвилі

Сигнал розповсюджується через мережу, починаючи від джерела s, де він входить в мережу як електричний сигнал, пересилається через перший (вищий) шар в оптичному виді (з довжиною хвилі ); після того, як пройде перші два з'єднання, перетворюється на сигнал з іншою довжиною хвилі і опускається вниз до другого шару. Там проходить ще один зв'язок і досягає вузла призначення t, де знову перетворюється на електричний сигнал (повний сигнальний шлях показаний на рис.7 більш товстою лінією).

Критичний пункт - вузол у верхньому шарі, де виконується конверсія довжини хвилі. Якщо алгоритм маршрутизації вибирає цей шлях для сигналу, то вузол, в якому сигнал, який переходить від одного до другого шару мережі (з однієї до іншої довжини хвилі), повинен бути здатним виконати конверсію.

Фактично розмір шаруватої мережі набагато більший, ніж оригінальної мережі: число вузлів дорівнює , а число зв'язків зростає від до (враховані вертикальні зв'язки, які сполучають кожен вузол з сусідніми шарами). Оскільки в графі с n вузлами число шляхів між двома кінцевими точками росте як (n-2)!, це зростання складності проблеми істотно ускладнює вирішення задачі маршрутизації.

Тому слід обмежити кількість конвертерів в моделі, або використовувати обмежену конверсію, при якій сигнал, який входить у вузол на довжині хвилі , може бути переведений на обмежений набір сусідніх довжин хвиль, розташованих в межах . Рис. 8 показує структуру перетворюючого вузла з =1, де не всі довжини хвиль використовуються, а можлива лише конверсія з довжини хвилі до іншої сусідньої або .

Відомо, що пряма оптична конверсія всіх довжин хвиль в реальній мережі завжди буде обмежена. Для того, щоб пристосувати модель до таких конвертерів, в моделі введено обмеження на конверсію.

Рис. 8. Обмежена конверсія довжин хвиль

Сформульована математична модель мережі з обмеженою конверсією на основі описаної шаруватої моделі. Топологію мережі представлено графом G = (V; E), де кожний канал містить ряд волокон, кожне з яких переносить K довжин хвиль; набір довжин хвиль визначено як . Набір захищених шляхів трафіку q дається трійкою , що позначає місце походження (джерело), місце призначення і об'єм трафіку q.

Для зменшення складності моделі прийнято, що трафік орієнтований і існує на одній довжині хвилі; збільшення вимог може бути реалізовано за рахунок розщеплення в одному окремому вузлі, з якого трафік, можливо, посилається по різних шляхах.

Використовуємо додатково такі двійкові змінні:

= 1, якщо трафік q посилається на довжині хвилі для зв'язку між вузлами (i; j);

=1, якщо вузол і виконує конверсію довжини хвилі, тобто всі сигнали можуть залишити перетворюючий вузол на різній довжині хвилі (рис. 8).

Розв'язана задача визначення місць розташування конвертерів довжини хвиль: при відомих топології мережі передачі даних і матриці трафіку знайти місця розташування всіх конвертерів довжин хвилі, причому потрібно виконати вимоги по трафіку, а число конвертерів довжин хвиль повинно бути мінімальним.

Таким чином, модель повинна мінімізувати число вузлів, в яких здійснюється перетворення довжин хвиль:

,

враховуючи, що:

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

Формула (8) забезпечує збереження потоку у вузлі i; робочий і захищений потоки, залишаючи джерело , слідують двома шляхами у напрямі призначення . Формула (9) обмежує число конверсій: сигнал вводиться в проміжний вузол i на довжині хвилі і залишає вузол на іншій довжині хвилі , тільки якщо . Обмеження (10) здійснює захист шляху: тільки одна довжина хвилі може переносити певний трафік в будь-якому напрямі (вважаємо, що помилка впливає на обидва напрями зв'язку). Обмеження (11) забороняє довжину хвилі на певному зв'язку, щоб забезпечити використання більш ніж однієї довжини хвилі. Змінні , визначені в обмеженні (12), показують, що трафік q не починається або закінчується у вузлі i, коли конвертований потік не тримається довжини хвилі . Нарешті (13) - це визначення цілих змінних для обох класів.

Зазначимо, що дана математична модель є NP-повною.

Результати розв'язку моделі дозволяють реалізувати маршрутизацію в AON з використанням незначного числа конвертерів довжини хвилі. На основі доведених теорем про необхідну кількість довжин хвиль і відповідних конвертерів запропонований алгоритм вибору довжини хвилі і маршрутизації в двосторонній кільцевій мережі з конвертерами довжини хвилі. Розроблені алгоритми маршрутизації, які вимагають меншого числа конвертерів (у 3,5 рази) при незначному збільшенні числа використовуваних довжин хвиль (на 25 %) у порівнянні з відомими в мережах з однопортовими вузлами. Показано, що кожний з вузлів кільцевої мережі вимагає використання не більше, ніж одного конвертера.

Запропонований алгоритм обчислення імовірності блокувань BR в AON з фіксованою маршрутизацією і обмеженим діапазоном перетворення довжин хвиль у вузлі. Доведена теорема, в якій досліджено розподіл числа вільних світлових каналів на ланках мережі. Проведений числовий аналіз фрагмента AON, що складається з двох ланок (рис.9), показав зменшення імовірності блокувань приблизно в два рази при зміні інтенсивності навантаження в межах та інтенсивності неблокованих потоків (рис.10).

Рис. 9. Приклад мережі з двох ланок

Рис. 10. Результати моделювання імовірності блокувань BR від інтенсивності надходження потоку заявок на маршрут

Також на основі розрахунку імовірності блокувань BR маршрутів визначено кількість вільних довжин хвиль в АОN та запропонована методика їх перерозподілу для зменшення навантаження маршрутів R.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ

На основі теоретичних і експериментальних досліджень розв'язане важливе наукове завдання в області телекомунікацій - розробка методів і математичних моделей маршрутизації для мінімізації числа конвертерів довжини хвилі в повністю оптичних мережах передачі даних та зменшення вірогідності блокувань.

При цьому можна зробити наступні висновки:

1. Проведений системний аналіз сучасних вимог і елементної бази для побудови оптичних мереж показав можливість підвищення ефективності їх роботи у разі використання методів і пристроїв повністю оптичної обробки і маршрутизації повідомлень, тобто переходу до повністю оптичних мереж. Основними елементами цих мереж є хвилеві конвертери, які дозволяють виконати перетворення довжин хвиль, які поступають, в новий набір, що різко збільшує пропускну здатність завдяки реалізації адаптивної маршрутизації по вільних довжинах хвиль за рахунок зменшення вірогідності блокувань.

2. Аналіз видів нелінійних ефектів ОВ (SBS, SRS, SPM, CРМ, IM, MI, FWM) показав їх істотний негативний вплив на швидкість передачі даних в системах з DWDM через появу нових гармонік і перехресних завад, проте дозволив отримати метод конверсії довжини хвилі з використанням ефекту чотирихвилевого змішування, використаний для реалізації конвертерів. Показано, що збільшення коефіцієнта дисперсії світлопроводу, потужності передачі в одному каналі, густе розміщення каналів передачі, дозволяє отримати велику потужність продуктів чотирихвилевого змішування на заданій довжині хвилі. Це дозволило запропонувати виконання конверсії довжини хвилі на основі FWM та реалізацію повністю оптичного маршрутизатора AON.

3. Підвищення ефективності AON забезпечується максимально можливим завантаженням всіх оптичних несучих і може досягатися різними шляхами. Одним з них є використання перебудовуваних оптичних мультиплексорів вводу/виводу (ROADM), що забезпечують гнучкість роботи мережі на кожному вузлі DWDM-мережі шляхом введення і виведення заданого числа каналів (регулювання пропускної здатності) безпосередньо в оптичному виді.

4. На основі створеної і дослідженої математичної моделі повністю оптичної мережі з шаруватою структурою отримали подальший розвиток методи знаходження місць розташування конвертерів довжини хвилі для маршрутизації в повністю оптичних мережах і перетворення світлового шляху на напівсвітловий, що приводить до ефективнішого використання ресурсів мережі (вільних довжин хвиль).

5. Вперше розроблена і досліджена модель АОN дозволила розв'язати задачу маршрутизації з мінімізацією числа конвертерів довжини хвилі з однієї довжини хвилі до іншої сусідньої вищої або нижчої (при обмеженій конверсії) для виявлення випадків, коли кількість конвертерів і їх використання дадуть відчутну перевагу для мереж з довільною і кільцевою топологією, забезпечуючи збереження потоків і число використаних довжин хвиль.

6. Запропонований алгоритм вибору довжини хвилі і маршрутизації в двосторонній кільцевій мережі з конвертерами довжини хвилі. Розроблені алгоритми маршрутизації, які вимагають меншого числа конвертерів (у 3,5 рази) при незначному збільшенні числа використовуваних довжин хвиль (на 25 %) в порівнянні з відомими в мережах з однопортовими вузлами.

7. Вперше створена і досліджена математична модель визначення блокувань в АОN з фіксованою маршрутизацією і обмеженим діапазоном перетворення довжин хвиль у вузлі, досліджений розподіл числа вільних світлових каналів в ланках мережі, що дало можливість визначити вірогідність блокувань залежно від інтенсивності надходження потоку заявок на маршрут. Проведений числовий аналіз фрагмента AON, що складається з двох ланок, показав зменшення імовірності блокувань приблизно в два рази при зміні інтенсивності навантаження в межах та інтенсивності неблокованих потоків .

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Тимченко О.В. Розв'язок задачі розташування конвертерів довжини хвилі для підвищення ефективності повністю оптичних мереж / О.В.Тимченко, Фрейхат Ахмад, Альбдур Нашат // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип.42. - К.: 2007. - С.170-176.

Тимченко О.В. Дослідження метрик маршрутизації мобільних комп'ютерних мереж / О.В.Тимченко, Алхіхі Мухамад, Фрейхат Ахмад // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип.47. - К.: 2008. - С. 147-151.

Тимченко О.В. Застосування ефекту чотирихвильового змішування в світлопровідних системах WDM для трансформації довжини хвилі / О.В.Тимченко, Фрейхат Ахмад, Альбдур Нашат // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип.51. - К.: 2009. - С. 204-213.

Верхола Б.М. Аналіз методів і протоколів для забезпечення потокового мультимедіа / [Б.М.Верхола, А.Т.Ратич, Алхіхі Мухамад, Фрейхат Ахмад] // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип.54. - К.: 2009. - С. 237-247.

Кирик М.І. Експериментальні дослідження якості відеотрафіку / [М.І.Кирик, Б.М.Верхола, Фрейхат Ахмад, Альбдур Нашат] // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип.52. - К.: 2009. - С. 196-201.

Верхола Б.М. Розробка архітектури для передачі відеотрафіку MPEG-4 в домені MPLS / [Б.М.Верхола, А.Т. Ратич, Алхіхі Мухамад, Фрейхат Ахмад] // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип.53. - К.: 2009. - С. 216-221.

Тимченко О.В. Конвертери довжини хвилі на основі ефекту чотирихвилевого змішування для WDM систем / О.В.Тимченко, Фрейхат Ахмад, Альбдур Нашат // Радіоелектроніка та телекомунікації. Вісник НУ “Львівська політехніка”, №645. - Львів: 2009. - С.125-131.

Тимченко О.В. Модель оптичної мережі з обмеженою конверсією довжин хвиль / О.В.Тимченко, Фрейхат Ахмад // Науково-практична конференція „Сучасні проблеми телекомунікацій - 2007”. Матеріали конференції. 18-20 жовтня 2007 р. - Львів: 2007. - С.40-42.

Тимченко О.В. Модель оптичної мережі з обмеженою конверсією довжин хвиль / О.В.Тимченко, Фрейхат Ахмад // Науково-методична конференція „Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій - 2007”. Матеріали конференції. 17-20 жовтня 2007 р. - Львів: 2007. - С.40-42.

Тимченко О.В. Методи і застосування технології багатоадресної передачі мультимедійного трафіку / [О.В.Тимченко, М.І. Кирик, Б.М.Верхола, Фрейхат Ахмад] // ХХVIIІ Науково-технічна конференція “Моделювання“. ІПМЕ НАН України. Тези конференції. 15-16 січня 2009 року. - К.: 2009. - 62 с. - С. 54-56.

Верхола Б.М. Особливості методів і протоколів для забезпечення потокового мультимедіа / [Б.М.Верхола, А.Т.Ратич, Алхіхі Мухамад, Фрейхат Ахмад] // Науково-практична конференція „Сучасні проблеми телекомунікацій - 2009”. Матеріали конференції. 29-31 жовтня 2009 р. - Львів: 2009. - С.63-65.

Верхола Б.М. Особливості методів і протоколів для забезпечення потокового мультимедіа / [Б.М.Верхола, А.Т.Ратич, Алхіхі Мухамад, Фрейхат Ахмад] // Науково-методична конференція „Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій”. Матеріали конференції. 28-30 жовтня 2009 р. - Львів: 2009. - С.63-65.

АНОТАЦІЯ

Ахмад Мохаммад Мустафа Фрейхат. Дослідження методів маршрутизації з конверсією довжини хвилі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2010.

Роботу присвячено розробці та дослідженню методів і математичних моделей маршрутизації в AON з конверсією довжини хвилі. Хвилеві конвертери виконують перетворення довжин хвиль, що поступають у вузол, в новий набір, що збільшує пропускну здатність завдяки реалізації адаптивної маршрутизації по вільних довжинах хвиль. Аналіз нелінійних ефектів в ОВ дозволив рекомендувати метод конверсії довжини хвилі з використанням ефекту чотирихвилевого змішування для реалізації маршрутизаторів. Показано, що продукти змішування можуть з'являтися в необхідних каналах, що дозволяє управляти маршрутизацією повідомлень в таких системах. Вперше створена і досліджена математична модель АОN з шаруватою структурою дозволила мінімізувати число конвертерів з однієї довжини хвилі до іншої сусідньої (обмеженої конверсії) для мереж з довільною і кільцевою топологією, забезпечуючи збереження потоків і мінімізуючи число використаних довжин хвиль. Доведені теореми про необхідну кількість довжин хвиль і відповідних конвертерів дозволили запропонувати алгоритм вибору довжини хвилі і маршрутизації в двосторонній кільцевій мережі, які вимагають меншого числа конвертерів (у 3,5 разу) при незначному збільшенні числа використовуваних довжин хвиль (на 25 %) в порівнянні з відомими, в мережах з однопортовими вузлами. Вузол кільцевої мережі вимагає використання не більше, ніж одного конвертера. Створена і досліджена математична модель визначення блокувань в повністю оптичних мережах з фіксованою маршрутизацією і обмеженим діапазоном перетворення довжин хвиль у вузлі. Доведена теорема, яка визначає розподіл числа вільних світлових каналів. Проведений чисельний аналіз фрагмента повністю оптичної мережі, що складається з двох ланок, показав зменшення імовірності блокувань приблизно в два рази при зміні інтенсивності навантаження в межах та інтенсивності неблокованих потоків .

Ключові слова: повністю оптична мережа, маршрутизація, конвертери довжини хвилі.

АННОТАЦИЯ

Ахмад Мохаммад Мустафа Фрейхат. Исследование методов маршрутизации с конверсией длины волны. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2010.

Работа посвящена разработке и исследованию методов и математических моделей маршрутизации в полностью оптических сетях с конверсией длины волны.

Проведен системный анализ современных требований для построения оптических сетей, их классификации, типичных методов построения показал возможность повышения эффективности работы сетей в случае использования методов и устройств полностью оптической обработки и маршрутизации сообщений, то есть переходу к полностью оптическим сетям (АОN). Основными элементами таких сетей являются волновые конвертеры, которые позволяют выполнить преобразование поступающих в узел длин волн в новый набор, что увеличивает пропускную способность, благодаря реализации адаптивной маршрутизации по свободным длинам волн.

Проанализированы модели частотного плана DWDM систем, в частности рассмотрены сетки с разной степенью разреженности каналов. Показано, что равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, лазеров и других устройств АОN. Также детально рассмотрены основные устройства и элементы оптических сетей и проведен сравнительный анализ характеристик ОВ по величине дисперсии и затуханию.

Анализ нелинейных эффектов ОВ, которые обусловлены нелинейным отзывом оптически прозрачного вещества на увеличение интенсивности светового потока, позволил рекомендовать метод конверсии длины волны с использованием эффекта четырехволнового смешивания для реализации маршрутизаторов. Показано, что продукты смешивания могут появляться в необходимых каналах, что позволяет управлять маршрутизацией сообщений в таких системах. Мощность результата смешивания зависит от таких факторов, как способ размещения входных каналов, мощности излучения, вида ОВ. Чем больший коэффициент дисперсии ОВ, большая мощность передачи в одном канале, или гуще размещены каналы передачи, тем большую мощность продуктов четырехволнового смешивания можно получить в данном типе конвертеров на заданной длине волны. Это позволило предложить реализацию полностью оптического маршрутизатора AON.

Рассмотрены методы повышения эффективности полностью оптических сетей, в частности с использованием оптических мультиплексоров ввода/вывода и конвертеров длины волны. Впервые создана и исследована математическая модель АОN со слоистой структурой позволила минимизировать число конвертеров длины волны с одной длины волны на другую соседнюю (ограниченная конверсия) в сетях с произвольной и кольцевой топологией, обеспечивая сохранение потоков и число использованных длин волн.

На основе доказанных теорем о необходимом количестве длин волн и соответствующих конвертеров предложен алгоритм выбора длины волны и маршрутизации в двусторонней кольцевой сети с конвертерами длины волны. Разработаны алгоритмы маршрутизации, которые требуют меньшего числа конвертеров (в 3,5 раза) при незначительном увеличении числа используемых длин волн (на 25 %) по сравнению с известными, в сетях с однопортовыми узлами. Показано, что любой узел кольцевой сети требует использования не более чем одного конвертера.

Впервые создана и исследована математическая модель определения блокировок в АОN с фиксированной маршрутизацией и ограниченным диапазоном превращения длин волн в узле, исследовано распределение числа свободных световых каналов на звеньях сети, что дало возможность определить вероятность блокировок в зависимости от интенсивности поступления потока заявок на маршрут. Доказана теорема, которая определяет распределение числа свободных световых каналов. Проведенный численный анализ фрагмента АОN из двух узлов, показал уменьшение вероятности блокировок приблизительно в два разы при изменении интенсивности нагрузки в пределах и интенсивности неблокированных потоков .

Ключевые слова: полностью оптическая сеть (АОN), маршрутизация, конвертеры длины волны.

ABSTRACT

Ahmad Mohammad Mustafa Fraihat. Research of methods of routing with conversion of wave-length. Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of candidate of technical sciences in telecommunication systems and networks, speciality 05.12.02. Lviv polytechnic National University , Lviv, 2010.

Work is devoted development and research of methods and mathematical models of routing in AON with conversion of wave-length. Wave converters execute transformation of lengths of waves which enter knot, in a new set which sharply increases a carrying capacity due to realization of the adaptive routing on free lengths of waves. The analysis of nonlinear effects of OV allowed to recommend the method of conversion of wave-length with the use of effect of the four wave mixing for realization of routers. It is rotined that the products of mixing can appear in the necessary ductings, that allows managing routing of messages in such systems. The mathematical model of Aon is first created and investigational with the stratified structure allowed to minimize the number of converters from one wave-length to other nearby (limited conversion) for networks with an arbitrary and circular topology, providing the maintainance of streams and minimizing the number of the utilized lengths of waves. Theorems are well-proven about the necessary amount of lengths of waves and proper converters the algorithm of choice of wave-length and routing in a bilateral ring network, which require the less number of converters (at 3,5 time) at the insignificant increase of number of in-use lengths of waves (on 25 %) as compared to known, allowed to offer, in networks with one port knots. The knot of ring network requires the use no more than one converter. The mathematical model of determination of blocking is created and investigational in fully optical networks with the fixed routing and limited range of transformation of lengths of waves in a knot. A theorem which determines distributing of number of the free light ductings is well-proven. The numerical analysis of fragment is conducted all-optical network.

Keywords: all-optical network (AON), routing, converters of wave-length.

Размещено на Allbest.ru

...