無源光網絡及其光子網格應用的關鍵技術研究.pdf

1、隨著帶寬密集型應用，如互動視頻和多媒體業(yè)務的普及，網絡帶寬需求不斷增長，波分復用無源光網絡(WDM-PON)被視為實現下一代光接入網很有潛力的備選方案之一。WDM-PON提供給每一個用戶專用的波長帶寬，并具有靈活帶寬管理能力。本論文的前半部分將涉及到WDM-PON中三種技術:組播傳送機制、保護切換機制和可調FP-LD自激勵技術。后半部分，我們提出將波分復用光接入網與網格應用相結合，利用光接入網來連接廣泛分布在網絡中豐富的計算資源，作為網

2、格應用的虛擬計算平臺，形成所謂的“光子網格”系統(tǒng)，以實現大規(guī)?？茖W、工程或商業(yè)網格計算應用。網格應用可以是大數據量的簡單匯聚傳輸，也可以是一組相互關聯(lián)任務集的復雜執(zhí)行。由于光子網格系統(tǒng)涉及到許多不同種類異構的網格資源和網絡資源，這些資源發(fā)生故障似乎不可避免。本論文也研究了在實時的光子網格系統(tǒng)中資源容錯的調度技術，最大化網格應用的可靠性。
　　 具體研究工作可分為以下幾個方面:
　　 1.光組播傳送機制
　　 在W

3、DM-PON系統(tǒng)中，光組播傳送機制是在光物理層上建立一對多的光路徑，這不僅降低了網絡層中電的網絡處理器或路由器的處理負載，還可以達到較高的處理速率。本論文提出兩種新穎的光組播傳送機制:
　　 1)基于波長反射器的動態(tài)波長偏射機制。該機制結構簡單，在每一個波長通道中配置一個波長反射器，選擇性疊加組播數據。在OLT處完成動態(tài)、快速、有效的組播重配置操作，對所有ONU完全透明，管理方便。而且ONU采用重調制機制，避免了使用光源和有色器

4、件，大大降低網絡成本和設備復雜度。
　　 2)基于集成的DPMZM的射頻信號控制機制。通過簡單的打開或關閉每一個波長通道中施加在DPMZM一個驅動臂上的射頻控制信號，可以實現動態(tài)、靈活的組播傳送技術，也便于集中式管理。由于下行單播和組播信號分別承載于同一波長通道中的不同子載頻，這不僅消除了可能的瑞利反射效應，而且不需要射頻信號的相位精確匹配，容易控制，大大降低了配置成本和系統(tǒng)實現的復雜度。
　　 2.自動保護切換機制

5、r>　　 具有自動保護切換功能的WDM-PON系統(tǒng)可以避免由于光線鏈路故障而導致的巨大數據損失，增強了PON體系結構的生存性能。本論文設計并實驗演示了兩種新穎的自動保護切換機制，一個應用在單PON結構中，另一個適用于雙PON系統(tǒng):
　　 1)單PON系統(tǒng)中集中式控制的智能保護切換機制。它同時監(jiān)控著工作路徑和保護路徑上的光功率，并對兩路檢測結果進行邏輯判斷，這使得該保護切換機制能夠應用在更加實際的操作環(huán)境中，實現有效的保護切換操

6、作。根據功率檢測單元記錄的檢測結果，可以具體了解哪一根光纖鏈路發(fā)生故障，這有利于實現快速的故障修復。ONU采用重調制技術，結構簡單、成本低廉。
　　 2)雙PON系統(tǒng)中分布式控制的互保護機制。它能夠提供1+1下行保護和1(∶)1上行保護能力，并利用鄰近PON中的光纖鏈路和RN處的AWG同時保護饋入光纖和分布光纖的鏈路故障。相比于其他的保護結構，該雙PON體系結構使用的額外的保護光纖數量最少，波長資源利用率最高。
　　 3

7、.上行多波長共享PON系統(tǒng)設計及其應用
　　 基于我們設計的可調FP-LD自激勵模塊，提出了一種新穎的UMWS-PON系統(tǒng)方案，實現了上行多波長共享和靈活調度，大大提升了上行傳輸能力，并提出將光接入網與網格應用相結合，實現大數據量文件的資源調度算法。本研究工作涉及到三個方面:
　　 1)可調自激勵FP-LD模塊的輸出及傳輸性能:實驗研究了單模激勵的邊模抑制比，波長和功率穩(wěn)定性，可調諧范圍等。實驗測量了1.25Gbit/s

8、上行數據的誤碼率傳輸性能。
　　 2)上行波長共享的性能增益及波長通道切換延遲對網絡性能的影響:仿真實驗結果表明，在ONU業(yè)務負載的異構性較大或通道切換時間較小的情況下，提出的UMWS-PON的性能優(yōu)勢變得更加明顯。
　　 3)將光接入網UMWS-PON與網格應用相結合，實現大數據量文件的資源調度算法:分析及建模大文件匯聚的數學問題，提出“最大文件優(yōu)先和首次合適優(yōu)先機制”算法，有效地提升PON系統(tǒng)的吞吐率和最小化文件匯聚

9、的完成時間。
　　 4.光子網格系統(tǒng)中的資源容錯調度技術
　　 光子網格一直被視為支持大規(guī)模分布式計算應用很有潛力的虛擬計算平臺。本研究工作分別針對網絡鏈路故障和網格資源故障，提出了兩種資源容錯調度算法:
　　 1)基于光鏈路保護的可靠性驅動調度算法。提出的調度算法在滿足DAG應用實時性要求的前提下，試圖用一種成本有效的方式不斷迭代地提升應用的可靠性。仿真實驗結果表明，該算法在應用可靠性、網絡資源利用率等方面都取

10、得良好的性能，并對DAG應用最晚完成時間要求具有一定的自適應性。特別是在應用有著較高的實時性要求時，該算法可以給光子網格系統(tǒng)帶來更多的性能增益。
　　 2)基于網格資源保護的容錯性調度算法。采用主、備保護方法，將一個計算任務的兩個拷貝同時分配到兩個不同的網格資源節(jié)點上。這大大提升了應用的可靠性，并且仿真表明在可利用的網絡資源較多的情況下，引入的調度長度開銷也較小。論文最后，總結了主要的研究成果及其創(chuàng)新點，提出了還有待進一步研究的