一种光网络中的光纤替换方法与流程

本发明涉及光通信领域，更准确地说涉及一种光网络中的光纤替换方法。

背景技术：

随着光信息技术的不断发展和广泛应用，各领域对网络流量的需求也在不断增长。随着光纤网络的不断发展完善，如何实现光纤高带宽远距离信息传输成为了信息技术领域一个至关重要的问题，解决这一问题的关键就在于改善光纤网络系统中的光信噪比，而改善光信噪比的有效方法之一为使用超低损耗光纤替代现在常用的标准单模光纤。光纤的损耗是由其材料中所含的杂质引起的，如果能够将材料中的杂质含量降低，则损耗程度也会相应地降低，而损耗程度的降低即意味着传输速度的提升以及传输距离的增长，同时传输距离的增长还意味着建立光网络所需的基站的减少，可以有效地降低建设光网络的成本。基于上述原因，现在已有很多关于超低损耗光纤的光纤特性和传输性能的研究，康宁公司生产的超低损耗光纤及长飞公司生产的远贝超低损耗光纤已经可以商用。同时，相比普通光纤和低损耗光纤，超低损耗光纤的研发难度更大。超低损光纤的剖面结构、制造工艺完全不同，研发人员重新设计剖面结构、研发新的制造工艺都需要一定的研发周期，这会使成本相对较高。相比普通单模光纤，超低损耗光纤的生产加工成本也较高，而且衰减系数越接近其理论极限的超低损耗光纤价格愈加昂贵。

对于大规模的光网络，同时将所有的标准单模光纤替换为超低损光纤在技术和成本上都不合适，网络运营商更偏向于随着原有光纤的寿命周期逐步将现有光网络中的标准单模光纤替换为超低损耗光纤。基于上述，本领域缺乏对光网络中光纤替换方法的研究，即没有根据光网络的性能改善来选取有效的替换方法，从而造成光网络性能提升效果差或者光纤替换成本过高等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光网络中的光纤替换方法，所述光网络中的光纤替换方法以由光信噪比引起的阻塞为基础，将现有光网络中的标准单模光纤依次替换为超低损耗光纤。采用所述光网络中的光纤替换方法能够在逐步替换光纤的过程中，最大程度的提高光网络的性能，同时保持替换成本较低。

根据本发明的目的提出的一种光网络中的光纤替换方法，包括步骤：

(A)为光网络中每条链路设置一个初始为零的阻塞计数器；

(B)对未更换过光纤的光网络进行光信噪比自适应算法的动态仿真；

(C)当光网络中的一个请求由于光信噪比的限制而被阻塞，通过光网络物理拓扑找到被阻塞请求的节点对之间的最短路径；

(D)将被阻塞请求的节点对之间的最短路径通过的每条链路的阻塞量加一：

(E)将具有较大光信噪比阻塞量的链路中的普通单模光纤替换为超低损耗光纤。

优选地，所述步骤(B)中的光信噪比自适应算法具体包括步骤：

(B1)基于流量需求的带宽，判断每个调制模式的频隙数目，设定第一个调制格式为当前调制格式；

(B2)基于当前调制格式，建立相应的频谱窗序列，并将不满足频谱窗要求的链路从相应的频谱窗移除；

(B3)基于频谱窗平面查找路径；

优选地，所述步骤(B3)之后还有一步骤(B4)，所述步骤(B3)为：使用迪杰斯特拉算法查找出每个频谱窗平面基于跳数的最短路径，当每一个频谱窗下的路径均可找到时，进行步骤(B4)。

优选地，所述步骤(B3)之后还有一步骤(B5)，所述步骤(B3)为：使用迪杰斯特拉算法查找出每个频谱窗平面基于跳数的最短路径，当无法找到每一个频谱窗下的路径，进行步骤(B5)。

优选地，所述步骤(B4)为：检查步骤(B3)中的每一条路径是否满足在相应的调制格式下的光信噪比阈值，在不满足的情况下移除该路径。

优选地，所述步骤(B4)为：检查步骤(B3)中的每一条路径是否满足在相应的调制格式下的光信噪比阈值，当存在多条路径同时满足光信噪比阈值要求，比较它们的跳数，选择跳数最少的路径建立一条光路。

优选地，所述步骤(B4)之后还有一步骤(B5)，所述步骤(B4)为：检查步骤(B3)中的每一条路径是否满足在相应的调制格式下的光信噪比阈值，当没有路径满足时，进行步骤(B5)。

优选地，所述步骤(B5)为：判断当前调制格式是否为最后一个调制格式，当当前调制格式为最后一个调制格式时，阻塞当前请求。

优选地，所述步骤(B5)具体为判断当前调制格式是否为最后一个调制格式，当当前调制格式不是最后一个调制格式时，更新表格中下一个调制格式为当前调制格式然后进行步骤(B2)。

优选地，所述超低损耗光纤的损耗系数为0.168dB～0.17-dB/km。

与现有技术相比，本发明公开的一种光网络中的光纤替换方法的优点是：采用所述光网络中的光纤替换方法能够在逐步替换光纤的过程中，最大程度的提高光网络的性能，同时保持替换成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为常见光网络的结构示意图。

图2为以光信噪比引起的阻塞为基础进行光纤替换方法的流程示意图。

图3为调制格式表。

图4为光信噪比自适应算法的流程示意图。

图5为在NSFNET网络中带宽阻塞率随着替换超低损耗光纤百分比变化的示意图。

图6为80％光纤替换为超低损耗光纤情况下，NSFNET网络中带宽阻塞率随着网络负载变化的示意图。

图7为所有光纤均替换为超低损耗光纤情况下带宽阻塞率随着光纤损耗系数的变化示意图。

具体实施方式

如图1所示为常见光网络的结构示意图，图1中光网络包括0至7共8个节点，节点之间根据具体需求通过光纤组成链路，而实际的大型光网络可能由大量的节点和链路组合而成，对光网络中的光纤全部同时进行替换工作量相当大，耗时也较长，在更换光纤时整个光网络处于瘫痪状态，难免会对使用该光网络的用户造成一定的影响。鉴于上述原因，运营商通常会逐个将标准单模光纤更换为超低损耗光纤。图1中所示包括三种替换方法：

一、以物理长度(Physical Length，简称PL)为基础(图中PL)：该替换方法，需要将光网络中所有的光纤链路按照其物理长度由长到短依次排列，选取距离较长的光纤链路优先进行替换。该替换方法的依据为：光信号在光纤中传播距离越长衰减越多，通过将较长链路中的普通单模光纤替换为超低损耗光纤，可以有效地减小光系统中的信号衰减。如图1中所示，链路(5-6)为物理长度最长的链路，因此该方法中首先替换链路(5-6)的光纤。

二、以最短路径(ShortestRouting Tree，简称SRT)为基础(图中SRT)：该替换方法需要通过最短路径算法找出每个节点对之间的最短路径(即物理长度)，计算每条链路所经过的路径总数，将所有链路按照其经过的路径总数由大到小排列，选取有最多的最短路径经过的链路优先进行替换。该替换方法的依据是：当较多的路由经过一条链路时，说明该链路通信量较大，通过将该链路的普通单模光纤替换为超低损耗光纤，能够有效地提高光网络的整体性能。如图1中所示，链路(4-5)有最多的最短路径经过，因此该方法中首先替换链路(4-5)的光纤。

三、以光信噪比(Optical Signal Noise Ratio，简称OSNR)引起的阻塞(OSNRBlocking，简称OB)为基础(图中OB)：该替换方法需要分别为每条链路设置一个初始化为零的阻塞计数器，然后对于一个全部铺设标准单模光纤的网络进行一次路径和频谱安排(Routing and WavelengthAssignment，简称RSA)算法的动态仿真，如果光网络中的一个请求由于光信噪比的限制而被阻塞，即可通过光网络物理拓扑找到被阻塞请求的节点对之间的最短路径，随后将上述最短路径通过的每条链路的阻塞量加一，而当光路通过一个拥有较大阻塞量的链路时，极有可能会由于光信噪比的限定而被阻塞，该拥有较大阻塞量的链路即为提高该光网络性能的一个瓶颈，为了降低光路阻塞，需要对该拥有较大阻塞量的链路进行优先替换。如图1中所示，链路(4-5)的光路阻塞最大因此该方法中首先替换链路(4-5)的光纤。

上述三种方法中，方法三，即以光信噪比引起的阻塞为基础进行光纤替换能够在最大程度上改善光网络的性能，也是本发明所采用的方法。

如图2所示为方法三，即以光信噪比引起的阻塞为基础进行光纤替换方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

(A)为光网络中每条链路设置一个初始为零的阻塞计数器；

(B)对未更换过光纤的光网络进行光信噪比自适应算法的动态仿真；

(C)当光网络中的一个请求由于光信噪比的限制而被阻塞，通过光网络物理拓扑找到被阻塞请求的节点对之间的最短路径；

(D)将被阻塞请求的节点对之间的最短路径通过的每条链路的阻塞量加一：

(E)将具有较大光信噪比阻塞量的链路中的普通单模光纤替换为超低损耗光纤。

在用超低损耗光纤替换光网络中的标准单模光纤时，光网络中的各项设备保持位置不变。例如光网络中的光放大器，每一个光放大器的间隔是80km，更换光纤的过程中光放大器的位置保持不变。在光网络的链路中，除了每80km设置的光放大器，链路两端还分别设置一前置放大器和一后置放大器。基于上述结构设置，计算光网络中每条光路的光信噪比(OSNR)的公式如下：

其中每个放大器后面的光功率假设为一个常量。OSNR_total是一条光路的总光信噪比(不考虑由非线性带来的附加损耗)。L是经过当前光路的链路集。A^s是链路s上的放大器集合，OSNR_s是在光路上的第s个链路的光信噪比。对于每条链路s，(dBm)是在0.1-nm频谱上第i个放大器引起的放大器自发辐射噪声(Amplifier SpontaneousemissionNoise，简称ASE)功率，(dB)是第i个放大器的增益，(dB)是在当前增益下第i个放大器的噪声指数。这里OSNR_total和OSNR_s是线性值。当替换为新型超低损耗光纤时，每80km间隔的放大器增益会明显降低。这会降低放大器噪声，因此会改善链路上的光信噪比。需要注意到光信噪比的计算，我们只考虑光纤损耗和放大器噪声。由于其他非放大器引起的放大器自发辐射噪声因素引起的对光信噪比影响将估算为2.5dB。

如图4所示为本发明的一种光网络中的光纤替换方法所采用的光信噪比自适应算法的流程示意图。所述光信噪比自适应算法以路径和频谱(RSA)算法为基础，除了在不同的频谱窗下寻找足够的频谱窗资源外，进一步地估算所查找出路径的光信噪比在指定的调制格式下是否满足阈值要求。不同调制格式所对应的标准频率容量和光信噪比阈值见图3。所述光信噪比自适应算法最先尝试最高的调制格式，然后从不同的频谱窗平面中的所有合格路径中选择最少跳数的建立一条光路，能够最大化网络频谱资源利用率。所述光信噪比自适应算法具体包括如下步骤：

(B1)基于流量需求的带宽，判断每个调制模式的频隙数目，设定第一个调制格式为当前调制格式；

(B2)基于当前调制格式，建立相应的频谱窗序列，并将不满足频谱窗要求的链路从相应的频谱窗移除；

(B3)基于频谱窗平面查找路径；

(B4)如果每一个频谱窗下的路径都可以找到，则基于光信噪比找出最佳路径；

(B5)判断当前调制格式是否为最后一个调制格式，如果是，则阻塞当前请求。

其中，所述步骤(B3)具体为：使用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法查找出每个频谱窗平面基于跳数的最短路径，并且当每一个频谱窗下的路径均可找到时，则进行步骤(B4)，当无法找到每一个频谱窗下的路径，则进行步骤(B5)。

所述步骤(B4)具体为：检查步骤(B3)中的每一条路径是否满足在相应的调制格式下的光信噪比阈值，如果不满足则移除该路径；如果存在多条路径同时满足光信噪比阈值要求，则比较它们的跳数，选择跳数最少的路径建立一条光路；当没有路径满足时，进行步骤(B5)。

所述步骤(B5)具体为判断当前调制格式是否为最后一个调制格式；如果是，阻塞当前请求；否则，更新表格中下一个调制格式为当前调制格式然后进行步骤(B2)。

为了更好地对比说明本发明所采用的一种光网络中的光纤替换方法，即采用以光信噪比引起的阻塞为基础(OB)方法的优良性能，下面对上述的三种方案进行对比测试。选取包含14个结点，21条链路的NSFNET网络和包含24个结点，43条链路的USNET网络作为测试网络，测试所考虑的动态流量需求其到达服从泊松分布，持续时间服从一个负指数分布，每一个业务请求的带宽在10-400Gb/s之间随机分布。其中，带宽阻塞率(BandwidthBlocking Probability，简称BBP)是光网络性能的一个重要评估标准。带宽阻塞率的定义为总阻塞带宽与总业务带宽之比。为了计算带宽阻塞率，测试仿真了总数目为10⁶的业务请求，在整个网络中设定每条光纤链路有320个频隙。每个频隙的带宽设定为12.5GHz。除此之外，考虑四种调制格式(如BPSK，QPSK，8-QAM和16-QAM)。

图5所示为在NSFNET网络中带宽阻塞率随着替换超低损耗光纤百分比变化的示意图。这里使用的超低损耗光纤类型为康宁公司生产的衰减系数为0.168dB/km的超低损耗光纤。通过全网为标准单模光纤和全网替换为超低损耗光纤的比较，我们发现带宽阻塞率明显的从0.211降低到0.0216。通过对比三种光纤替换方法，我们发现考虑光路的光信噪比瓶颈问题而不是每条链路最短路径数目的以光信噪比引起的阻塞为基础方法是最佳的。基于最短路径方法的性能在三个方法中处于中间，而基于物理长度方法由于只简单的考虑每条链路的物理长度因此性能最低。

图6所示为在80％替换为超低损耗光纤的情况下，对三种方法进行比较。随着网络负载的增加，三个方法的带宽阻塞率逐渐增加。然而在这些策略中，以光信噪比引起的阻塞为基础方法的性能是最佳的，基于物理长度方法是最差的，基于最短路径方法处于中间。

图7所示为所有光纤均替换为超低损耗光纤情况下带宽阻塞率随着光纤损耗系数的变化示意图。替换更低损耗系数的光纤将带来更大的挑战和高昂的花费。虽然随着损耗系数的降低带宽阻塞率有明显的下降趋势，但当损耗系数下降到一个定值时(0.168dB/km附近)，再一步下降损耗系数不能够明显的降低带宽阻塞率，因此不必要将超低损耗光纤损耗系数降低到理论极限(0.146dB/km)；损耗系数为0.168dB～0.17-dB/km的超低损耗光纤足够改善网络的阻塞性能。

综上，测试结果显示通过在光网络中替换超低损耗光纤能够有效地改善带宽阻塞率性能并且以光信噪比引起的阻塞为基础的光纤替换方法能够得到最佳的网络性能改善。除此之外，为了改善制作成本的高昂花销，不必将超低损耗光纤的损耗系数降低到光纤损耗系数理论最低门限；最重要的是，光纤损耗系数为0.168～0.17-dB/km的超低损耗光纤较达到理论最低门限的光纤在较好的带宽阻塞率性能改善上已经足够。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。