無源光網(wǎng)絡(luò)及其光子網(wǎng)格應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著帶寬密集型應(yīng)用，如互動視頻和多媒體業(yè)務(wù)的普及，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求不斷增長，波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)被視為實現(xiàn)下一代光接入網(wǎng)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(shù):組播傳送機制、保護切換機制和可調(diào)FP-LD自激勵技術(shù)。后半部分，我們提出將波分復(fù)用光接入網(wǎng)與網(wǎng)格應(yīng)用相結(jié)合，利用光接入網(wǎng)來連接廣泛分布在網(wǎng)絡(luò)中豐富的計算資源，作為網(wǎng)

2、格應(yīng)用的虛擬計算平臺，形成所謂的“光子網(wǎng)格”系統(tǒng)，以實現(xiàn)大規(guī)?？茖W(xué)、工程或商業(yè)網(wǎng)格計算應(yīng)用。網(wǎng)格應(yīng)用可以是大數(shù)據(jù)量的簡單匯聚傳輸，也可以是一組相互關(guān)聯(lián)任務(wù)集的復(fù)雜執(zhí)行。由于光子網(wǎng)格系統(tǒng)涉及到許多不同種類異構(gòu)的網(wǎng)格資源和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)格系統(tǒng)中資源容錯的調(diào)度技術(shù)，最大化網(wǎng)格應(yīng)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(wǎng)絡(luò)層中電的網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)。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(diào)制機制，避免了使用光源和有色器

4、件，大大降低網(wǎng)絡(luò)成本和設(shè)備復(fù)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(guān)閉每一個波長通道中施加在DPMZM一個驅(qū)動臂上的射頻控制信號，可以實現(xiàn)動態(tài)、靈活的組播傳送技術(shù)，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(yīng)，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(xiàn)的復(fù)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(dǎo)致的巨大數(shù)據(jù)損失，增強了PON體系結(jié)構(gòu)的生存性能。本論文設(shè)計并實驗演示了兩種新穎的自動保護切換機制，一個應(yīng)用在單PON結(jié)構(gòu)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(jié)果進行邏輯判斷，這使得該保護切換機制能夠應(yīng)用在更加實際的操作環(huán)境中，實現(xiàn)有效的保護切換操

6、作。根據(jù)功率檢測單元記錄的檢測結(jié)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(xiàn)快速的故障修復(fù)。ONU采用重調(diào)制技術(shù)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，該雙PON體系結(jié)構(gòu)使用的額外的保護光纖數(shù)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(shè)計及其應(yīng)用
　　 基于我們設(shè)計的可調(diào)FP-LD自激勵模塊，提出了一種新穎的UMWS-PON系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了上行多波長共享和靈活調(diào)度，大大提升了上行傳輸能力，并提出將光接入網(wǎng)與網(wǎng)格應(yīng)用相結(jié)合，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量文件的資源調(diào)度算法。本研究工作涉及到三個方面:
　　 1)可調(diào)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(diào)諧范圍等。實驗測量了1.25Gbit/s

8、上行數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)性能的影響:仿真實驗結(jié)果表明，在ONU業(yè)務(wù)負載的異構(gòu)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(wǎng)UMWS-PON與網(wǎng)格應(yīng)用相結(jié)合，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量文件的資源調(diào)度算法:分析及建模大文件匯聚的數(shù)學(xué)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(wǎng)格系統(tǒng)中的資源容錯調(diào)度技術(shù)
　　 光子網(wǎng)格一直被視為支持大規(guī)模分布式計算應(yīng)用很有潛力的虛擬計算平臺。本研究工作分別針對網(wǎng)絡(luò)鏈路故障和網(wǎng)格資源故障，提出了兩種資源容錯調(diào)度算法:
　　 1)基于光鏈路保護的可靠性驅(qū)動調(diào)度算法。提出的調(diào)度算法在滿足DAG應(yīng)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(yīng)用的可靠性。仿真實驗結(jié)果表明，該算法在應(yīng)用可靠性、網(wǎng)絡(luò)資源利用率等方面都取

10、得良好的性能，并對DAG應(yīng)用最晚完成時間要求具有一定的自適應(yīng)性。特別是在應(yīng)用有著較高的實時性要求時，該算法可以給光子網(wǎng)格系統(tǒng)帶來更多的性能增益。
　　 2)基于網(wǎng)格資源保護的容錯性調(diào)度算法。采用主、備保護方法，將一個計算任務(wù)的兩個拷貝同時分配到兩個不同的網(wǎng)格資源節(jié)點上。這大大提升了應(yīng)用的可靠性，并且仿真表明在可利用的網(wǎng)絡(luò)資源較多的情況下，引入的調(diào)度長度開銷也較小。論文最后，總結(jié)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