可生存光纤—无线融合宽带接入网中保护机制研究

发布时间：2017-04-11 04:01

  本文关键词：可生存光纤—无线融合宽带接入网中保护机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,云计算、移动互联网和大数据应用等新兴业务的日益繁荣及通信技术的长足进步,共同促进了电信网中骨干传送网向大容量高速率的方向发展。然而,连接骨干传送网与用户本地网的接入网部分发展相对滞后,成为信息高速公路上“最后一英里’的瓶颈。目前,采用无源光网络(Passive Optical Network, PON)技术的光接入网能提供大容量带宽,然而其网络建设成本高并且不能很好地支持高灵活性的泛在接入等功能；采用全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMax)、无线保真(Wireless Fidelity, WiFi)等技术的无线接入网成本相对低廉,并能提供便捷的移动漫游等功能。尽管如此,由于频谱受限,无线接入网无法为用户提供大容量的无线宽带接入。多样化业务需求的膨胀与创新技术理念的涌现推动了新型宽带接入网的演进步伐。鉴于光接入网技术与无线接入网技术潜在的优势互补特征,学术界提出了一种新颖的光纤-无线(Fiber-Wireless, FiWi)融合宽带接入网结构,目前已成为国内外研究的热点。网络生存性指网络在遭遇意外故障情况下,仍然能维持业务正常传输的能力。近年全球范围内地震、海啸等自然灾害频发为可生存网络规划及抗毁通信基础设施建设提出严峻挑战。通信网络一旦发生故障不仅导致用户和运营商的极大经济损失,更制约着灾难营救效率。如何提高网络生存能力、保障业务连续性成为学术界和工业界共同关注的焦点。作为极具前景的宽带接入技术之一,FiWi接入网不仅集成了光纤接入网容量大、可靠性强和无线接入网成本低、灵活性好等技术优势,其潜在的业务倒换能力更为下一代可生存接入网设计提供了研究契机。因此,可生存FiWi接入网中保护机制的研究对于建设新一代抗毁通信基础设施具有重要的理论价值和现实意义。本文聚焦可生存FiWi接入网中保护机制研究。结合FiWi接入网拓扑结构复杂、故障类型多样、网络资源异质等典型特征,分别从分段内故障保护、单分段故障保护、多分段故障保护及连接可用性保护等方面展开具体的研究工作。纵观FiWi接入网保护机制研究现状,主要存在以下问题：分段内故障保护优化范畴片面、单分段故障保护资源利用不足、多分段故障保护理论与方法有待探索、连接可用性保护尚存研究空白。针对这些问题,本文立足下一代可生存宽带接入网学术研究前沿,围绕光纤-无线融合总体发展趋势,剖析当前技术难点并挖掘问题本质,进而提出一系列新颖的解决思路与有效的实施方法,目的是为可生存FiWi接入网未来建设提供必要的理论指导和技术支撑。(1)分段内故障保护机制部分研究采用无线重路由的方法进行单分段内分支光纤链路或ONU (Optical Network Unit)故障的保护。这种业务恢复方法无需部署额外的光纤链路,因此具有显著的成本效益优势,尤其适用于业务量较低且恢复延迟不敏感的网络场景中。尽管如此,以往研究工作大多集中在可生存路由算法的设计,对于可生存FiWi网络规划问题涉及较少。网络规划是支撑整个FiWi接入网高效运维的前提和基础,尤其对于FiWi接入网生存性保证有着至关重要的意义。为此,作者提出一种针对单分支光纤链路故障的备份射频无线重路由保护机制WRBR (Wireless Rerouting with Backup Radios)。以最小化网络部署成本为目标,引入备份无线路径长度、备份ONU容量及备份射频容量等约束条件,WRBR机制重点解决无线路由器放置与备份射频配置的联合优化问题。相对比传统的光纤复制(Fiber duplication)保护方法,WRBR机制能显著降低网络部署成本。在大规模业务转移场景中,无线重路由保护方法通常面临严重的带宽压力,无法满足高级别业务的带宽需求和恢复时间约束。相比之下,备份光纤保护方法带宽资源丰富,保护倒换速度快,更适于解决FiWi接入网大规模业务情况的生存性问题。为此,作者研究了针对单分支光纤链路故障的备份光纤保护方法,并从理论上分析了光纤部署成本与恢复效率之间存在折中关系,在此基础上提出连续邻居迁移保护机制CNT(Continuous Neighbor Transferring)。在CNT保护机制中,通过在相邻ONU之间进行连续的业务迁移促进每个直接备份ONU“腾出”更多可用的带宽容量接纳来自故障ONU的业务,因此能提高直接备份ONU的带宽容量利用率,从而节省更多备份光纤。为了有效应对更为严重的同分段内多分支光纤链路同时故障的情况,作者进一步提出面向单共享风险链路组(Shared Risk Link Group, SRLG)故障的备份光纤保护机制,构建了基于SRLG的可靠性评估模型,通过整数线性规划(Integer Linear Programming,ILP)方法获得了备份ONU容量分配与备份光纤部署联合优化问题的最优解,同时提出适用于大规模网络且近于最优的启发式算法。(2)单分段故障保护机制无线重路由保护方法虽然在应对分段内故障方面具有突出的成本效益优势,但是在主干光纤故障引起的分段失效情况下,不同分段之间通过无线重路由进行大规模业务转移是不切实际的。一方面,不同的分段很可能相距甚远,彼此间不存在可用的无线路径；另一方面,将整个分段内大量业务通过带宽受限的无线信道传输将引起较大的恢复时延。考虑到这些问题,作者提出在不同分段之间部署备份光纤和选择备份ONU的保护机制。针对传统保护方法备份光纤利用率低的问题,作者提出了远端备份ONU的解决思路,允许故障分段将业务转移到一跳范围内的邻居分段,同时可转移到一跳范围外的远端分段。凭借备份光纤高效利用的突出优势,该保护机制能极大地降低备份光纤部署成本。考虑到上述保护方法中长距离多跳光路传输不利于时延敏感业务的恢复效率,作者进一步提出备份光环路保护机制。将整个网络中所有分段划分成若干个簇,并通过部署备份光纤在每个簇内形成保护环,保证同一簇内任意一对分段之间存在两条反向的备份光路径。当任意分段失效,它可通过两条反向的备份光路同时将业务转移到其他可用分段上,因此能有效降低业务转移引起的恢复时延。(3)多分段故障保护机制在多分段FiWi接入网中,为缓解施工难度和地理环境制约,不同分段的主干光纤可能经过同一根光缆或隧道,这导致不同分段同时失效的潜在风险。尤其在大规模灾难或并发故障场景中,多分段同时失效将导致更大数据量丢失和大面积业务中断的复杂情况,因此多分段故障是FiWi接入网不可忽视的一种故障场景。尽管如此,以往研究很少涉及多分段同时故障的保护方法。由于多分段故障保护要求更高的生存性保证和更大的带宽容量,并且大规模业务转移和连接恢复不可避免地增加网络的管理开销,传统的分段内故障保护和单分段故障保护方法很难直接应用到多分段故障场景中。基于上述考虑,作者首先提出基于群簇的多分段故障保护机制。通过网络分簇的方法抑制任意X个分段同时故障情况下业务恢复的额外开销。以最小化备份网络部署成本为目标,引入单簇最大分段数量限制、业务完全保护、备份光路长度限制等典型约束,通过ILP对备份ONU选择、分段群簇及备份光纤部署的联合优化问题进行了规范的数学描述,并获得小规模网络的最优解,同时为支持保护机制在大规模网络规划场景中的应用,作者也提出了高效的近于最优的启发式算法。针对SRLG故障场景中不同分段之间的故障相关性问题,作者进一步提出基于共享风险链路组的故障相关性保护机制。在满足故障相关性要求的约束下,重点解决备份容量分配与备份光纤部署的优化问题,通过ILP对优化问题进行规范的数学描述,并提出适于分段密集且负载较高的大规模网络应用的启发式算法。在启发式算法中,采用迭代优化的资源分配机制,保证每单位带宽容量及每单位长度备份光纤尽可能多地保护新增业务量,因此能在极短的运行时间内产生近于最优的解。(4)连接可用性保护机制现有的FiWi接入网生存性研究大多集中于路由算法、网络规划等关键问题,对网络生存性的量化评估模型涉及较少。因此,这些保护方法的执行通常缺乏准确可靠的生存性依据,而只能从广义上提供定性的生存性保证,其结果是资源分配表现出明显的粗放型特征,资源利用率较低,不利于网络的可扩展能力。FiWi接入网的设计初衷是支持多样化用户终端的泛在宽带接入,各种类型业务在网络故障情况下对服务连接的可用性要求不尽相同,如何从网络生存性的角度对不同类型业务进行严格有效的区分,进而实现按需的资源分配是提高网络服务能力的关键问题之一。可见,生存性量化评估模型的设计已成为FiWi接入网未来建设的迫切需求之一,并且对网络资源优化分配具有至关重要的研究意义。基于上述研究动机,作者针对FiWi接入网两种典型的生存性保护方法：无线重路由保护及备份光纤保护,分别设计出有效的连接可用性评估模型,充分考虑光纤链路故障及资源争用对连接可用性的影响。首先,作者提出基于无线重路由的连接可用性保护机制,将连接可用性要求引入到后端ONU带宽容量与前端射频容量两种类型资源分配的优化问题中。在满足连接可用性要求的前提下,通过备份ONU容量与备份射频容量的联合优化分配,实现备份资源消耗最小化。其次,作者提出基于备份光纤的连接可用性保护机制,通过分配备份ONU容量和配置备份光路进而构建备份光连接,在保证备份连接可用性要求的情况下,解决备份ONU容量分配与备份光纤部署的联合优化问题。由于FiWi接入网仍处于理论研究阶段,协议架构和技术体系尚不完善,专业的网络仿真软件(包括OPNET, QualNet等)大多未提供FiWi接入网仿真所需的基本模块。因此,本文采用VC++6.0软件自主搭建仿真平台,对文中提出的保护机制进行验证和性能分析,整个仿真在Intel Core i5 2.30 GHz CPU、GB RAM、Windows 7操作系统的PC机上进行调试运行。结果表明,文中提出的保护机制在降低网络部署成本、改善资源利用率、节省带宽容量等方面具有显著优势。
【关键词】：光纤-无线融合宽带接入网 网络生存性 网络保护 网络资源备份
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN915.6
【目录】：

• 摘要5-9
• Abstract9-18
• 第1章 绪论18-40
• 1.1 FiWi宽带接入网的研究背景18-27
• 1.1.1 无线接入网18-19
• 1.1.2 光纤接入网19-24
• 1.1.3 光纤-无线融合宽带接入网24-27
• 1.2 FiWi宽带接入网中生存性问题27-29
• 1.3 FiWi宽带接入网生存性研究现状29-36
• 1.3.1 PON备份资源保护方法30-33
• 1.3.2 基于无线重路由的保护方法33-34
• 1.3.3 FiWi接入网生存性研究面临的挑战34-36
• 1.4 本文的创新贡献和内容安排36-38
• 1.5 课题来源38-40
• 第2章 FiWi接入网分段内故障保护机制研究40-74
• 2.1 引言40-41
• 2.2 备份射频无线重路由保护机制41-51
• 2.2.1 保护机制概述41-42
• 2.2.2 联合优化问题的ILP描述42-45
• 2.2.3 启发式算法45-47
• 2.2.4 仿真结果与性能分析47-51
• 2.3 连续邻居迁移保护机制51-57
• 2.3.1 保护机制概述51-53
• 2.3.2 基于ILP的最优备份光纤部署53-55
• 2.3.3 仿真结果与性能分析55-57
• 2.4 面向单SRLG故障的备份光纤保护机制57-71
• 2.4.1 符号定义57-58
• 2.4.2 可靠性模型58-59
• 2.4.3 保护机制概述59-61
• 2.4.4 联合优化问题的ILP描述61-62
• 2.4.5 启发式算法62-64
• 2.4.6 仿真结果与性能分析64-71
• 2.5 本章小结71-74
• 第3章 FiWi接入网单分段故障保护机制研究74-108
• 3.1 引言74-75
• 3.2 备份ONU选择与备份光纤部署联合优化保护机制75-96
• 3.2.1 保护机制概述75-76
• 3.2.2 符号定义76-77
• 3.2.3 备份ONU选择的MRC问题77
• 3.2.4 备份光纤部署的MPMC-RBS问题77-78
• 3.2.5 启发式算法78-87
• 3.2.6 仿真结果与性能分析87-96
• 3.3 备份光环路保护机制96-107
• 3.3.1 保护机制概述96-97
• 3.3.2 问题描述97-98
• 3.3.3 启发式算法98-102
• 3.3.4 仿真结果与性能分析102-107
• 3.4 本章小结107-108
• 第4章 FiWi接入网多分段故障保护机制研究108-156
• 4.1 引言108-109
• 4.2 基于群簇的多分段故障保护机制109-134
• 4.2.1 保护机制概述109-113
• 4.2.2 联合优化问题的ILP描述113-117
• 4.2.3 启发式算法117-125
• 4.2.4 仿真结果与性能分析125-134
• 4.3 故障相关性保护机制134-154
• 4.3.1 故障概率模型134-136
• 4.3.2 保护机制概述136-138
• 4.3.3 备份容量分配问题的ILP描述138-140
• 4.3.4 备份光纤部署问题的ILP描述140-141
• 4.3.5 备份容量分配的启发式算法141-144
• 4.3.6 备份光纤部署的启发式算法144-146
• 4.3.7 仿真结果与性能分析146-154
• 4.4 本章小结154-156
• 第5章 FiWi接入网连接可用性保护机制研究156-184
• 5.1 引言156-157
• 5.2 基于无线重路由的连接可用性保护机制157-169
• 5.2.1 保护机制概述157-158
• 5.2.2 符号定义158-159
• 5.2.3 备份ONU容量分配的问题描述159-160
• 5.2.4 备份射频配置的问题描述160-161
• 5.2.5 备份ONU容量分配的启发式算法161-163
• 5.2.6 备份射频配置的启发式算法163-165
• 5.2.7 仿真结果与性能分析165-169
• 5.3 基于备份光纤的连接可用性保护机制169-181
• 5.3.1 保护机制概述169-171
• 5.3.2 符号定义171-172
• 5.3.3 连接可用性模型172-173
• 5.3.4 联合优化问题的ILP描述173-175
• 5.3.5 启发式算法175-178
• 5.3.6 仿真结果与性能分析178-181
• 5.4 本章小结181-184
• 第6章 全文总结184-186
• 参考文献186-198
• 致谢198-200
• 作者简介200-202
• 作者攻读博士学位期间的研究成果202-204

  本文关键词：可生存光纤—无线融合宽带接入网中保护机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：298241