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图论Dijkstra模型-光传送网建模与价值评估 (2).pdf
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究
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学
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建
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模
模
竞
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赛
赛
题 目 光传送网建模与价值评估
摘 要:
本文对光纤通信的调制方式,光链路传输模型以及网络规划问题进行了建
模、求解和分析。主要完成了如下工作:
对于问题 1:本文首先建立 MQAM 调制解调模型,得出 MQAM 的 BER 和 SNR 关
系曲线。计算结果表明,BER=0.02 时,QPSK、8QAM 以及 16QAM 三种调制方式对
应的 SNR 容限点分别为 6.2851dB,10.502dB 和 12.7108dB。其次,通过光链路
传输模型,建立了 SNR 与光纤跨段数
N
之间的关系式。单跨距离为 80km 和 100km
两种情况下,三种调制方式的最远传输距离分别为 1760km,640km,400km 和
800km,300km,200km。
对于问题 2:本文分为三部分进行网络规划设计。第一部分首先构建最小生
成树来连通 12 个城市节点,为了保证网络价值最大,在剩余未连接的 55 条链路
中分别选取 5 条和 22 条价值最大的链路接入网络,得出 16 条、33 条连接数下
最大网络价值分别为 5270.2331mTb/s 和 8677.9152mTb/s 。 第二部分采用
Dijkstra 算法将网络划分为若干个由起点、中间点、终点构成的最短路径,同
时考虑了直接连接和间接连接两种情况,选择目标函数最大的连接方式。对网络
单波传输容量和拓扑结构进行不断更新迭代,合理解决了有中间结点的网络规划
问题。第三部分考虑到不同城市经济差异大,将 GDP 指标引入到链路权重矩阵,
重新进行网络规划。
对于问题 3:本文采用控制变量法,分别建立了星座图的概率分布模型,位
置分布模型以及联合分布模型。在调制格式信源熵保持 3bit 的题目要求下,我
们发现星座点的概率分布满足
11111111
0,0,0,0....
88888888
,,,,,,,,
时具有最佳的抗误码性
能。在此基础上,利用位置分布模型,通过梯度下降算法得到最佳星座图方案。
关键词:MQAM,SNR 容限,最小生成树,Dijkstra 算法,控制变量
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2
目录
问题背景 ................................................................................................... 1
1.1 研究背景 ....................................................................................................................................... 1
1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................................... 1
问题描述 ................................................................................................... 3
专业术语及符号说明 ................................................................................ 4
专业术语 .............................................................................................................................................. 4
符号说明 .............................................................................................................................................. 4
问题一 ....................................................................................................... 6
4.1 问题分析 ...................................................................................................................................... 6
4.2 模型建立 ...................................................................................................................................... 6
4.2.1 子问题 1 模型建立 .................................................................................................................. 6
4.2.2 子问题 2 模型建立 .................................................................................................................. 9
4.3 实例求解 .................................................................................................................................... 11
4.3.1 子问题 1 实例求解 ................................................................................................................ 11
4.3.2 子问题 2 实例求解 ................................................................................................................ 13
4.4 本章小结 ..................................................................................................................................... 16
问题二 ..................................................................................................... 17
5.1 问题分析 ..................................................................................................................................... 17
5.1.1 子问题 1 分析 ......................................................................................................................... 17
5.1.2 子问题 2 分析 ......................................................................................................................... 17
5.1.3 子问题 3 分析 ......................................................................................................................... 18
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3
5.2 模型建立 ..................................................................................................................................... 18
5.2.1 子问题 1 .................................................................................................................................. 18
5.2.2 子问题 2 .................................................................................................................................. 20
5.2.3 子问题 3 .................................................................................................................................. 26
5.3 本章小结 ..................................................................................................................................... 27
问题三 ..................................................................................................... 29
6.1 问题分析 .................................................................................................................................... 29
6.2 模型建立 .................................................................................................................................... 29
6.2.1 星座点概率分布模型 ............................................................................................................ 29
6.2.2 星座点位置分布模型 ............................................................................................................. 31
6.2.3 星座点概率-位置联合分布模型 ........................................................................................... 32
6.3 实例求解 .................................................................................................................................... 32
6.4 本章小结 ..................................................................................................................................... 33
总结及展望.............................................................................................. 35
参考文献 ................................................................................................. 36
附录 ......................................................................................................... 37
A. 城市网络价值表 ..................................................................................................................... 37
B. 城市与人口/距离关系表 ....................................................................................................... 38
B-1.城市人口 .................................................................................................................................. 38
B-2.城市距离 .................................................................................................................................. 39
致谢 ......................................................................................................... 41
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1
问题背景
1.1 研究背景
20 世纪末以来,随着电信通信网的日渐成熟、互联网的迅猛发展以及物联网
技术的兴起,三网融合的时代悄然到来。光传送网的传输介质光纤提供大容量、
长距离、高可靠的链路传输手段,在此传输介质上利用先进的电子、光子交叉技
术,引入控制与管理机制,可实现多节点间的联网以及针对资源和业务的灵活配
置。然而不断增多的全业务种类、持续扩大的网络规模、日益复杂的组网模式,
对光传送网的通信容量提出了更高的要求和挑战。光网络的规划与优化,无论在
如何高效可靠地提升网络传输业务能力的方面,还是在如何减少网络建设和运维
成本的方面,一直以来都受到电信运行商、设备商和政府的重视。对光传送链路
进行建模,分析不同调制格式下误码率与信噪比之间的关系,对提升光链路性能,
降低误码率会有很好的建设性作用。
在光纤通信系统中,光纤就是信道,光纤传输的光波就是信息的载体。数字
传输系统中,将任何消息数字化为一串“0101…”二进制比特序列,经过编码并
调制为某个“载体信号”,由发送端通过信道传输到接收端,这过程中无法避免要
引入干扰噪声,可能导致最终接受的二进制序列中比特出错,即产生误码。
光传输利用光波的复振幅承载信号,因此可用复平面上不同的点来对应不同
的符号状态,这种将符号状态华仔复平面上的图称为“星座图”。星座图的编码分
布模式也称为调制格式,对于给定的调制格式,误码率和信噪比呈一一对应的关
系。误码率是衡量通信系统性能的最根本指标,因此子问题 1 和子问题 3 的关键
就是对不同星座图下误码率与信噪比关系的研究,并且从中得到启发,改善星座
图探索更高效率的调制方式。
此外,通信网络的目的是把更多的人更充分地连接到一起,网络规划的目标
就是网络的建设者和运营者在真正地投资建设和运营实际的网络之前,通过建模
来了解和预测网络和需要承载的业务的情况,做到业务传输可靠性和建网成本经
济性之间的均衡。保证网络中业务的服务质量,同时提高网络资源的利用率,这
也就意味着网络规划方案的制定必须在遵循流程和标准的前提下去最大限度地平
衡高效性、可靠性、可实现性、以及经济性的要求。网络规划者需要在有限资源
的条件下,综合考虑传输距离,传输容量,网络拓扑等各种因素,以最大化网络
的价值。
1.2 国内外研究现状
从 20 世纪 90 年代开始,许多国家和地区规划了 WDM 光传送网,并建立了许
多实验平台和现场试验,目前研究开发中的 WDM 全光传送网络主要集中在北美、
欧洲和日本,其中包括下列重大项目:
(1)美国 DARPA 实施的 WDM 光网络研究项目:
光网技术联盟(ONTC);
全光网络(AON);
多波长光网(MONET);
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2
国家透明光网络(NTONC);
(2)欧洲通信委员会设立的 RACE 和 ACTS 重大研究项目:
多波长光网(MWTN);
泛欧光子传送网(PHOTON);
泛欧光网(OPEN);
城域光网络(METON);
波长捷变(agility)传送接入网(WOTAN);
光网络管理(MOON)。
(3)加拿大研究和教育 Internet 骨干网 CA*net3。
(4)日本 NTT 的企业光纤骨干网 COBNET 和光城域网 PROMETEO 等。
(5)中国国内 WDM 光网络研究:
“863”计划项目:全光通信试验网;
“863”重大计划项目:中国高速信息示范网(CAINONET)。
光传送网(OTN)技术由国际电联(ITU-T)在 1998 年左右提出,是同步数字体系
(SDH)和波分复用(WDM)之后新一代基于更大带宽粒度的光网络传送和组网技术。
OTN 技术并不是最近提出的创新概念,但 OTN 逐步步入初具规模的应用并引起业界
的关注则是最近 3-4 年的时间,其中基于 ODUk 电交叉或光电混合交叉的 OTN 设备
的推出和应用则是 OTN 技术发展过程中最为典型的事例,而国内华为公司在此过
程中的推动作用尤为明显。目前国内的华为、中兴、烽火,国外的泰乐、阿朗(宣
布支持)、诺西(宣布支持)等支持基于 ODUk 电交叉或光电混合交叉的 OTN 设备,
其中最大的交叉容量已经达到 3.2Tb/s,为 OTN 技术在大规模应用创造了积极有力
的条件。
OTN 技术的国际国内标准目前趋于基本成熟,最近几年己引起国内外运营商的
强烈关注,相应实际的网络应用也已初具规模。从今后的发展趋势来展,作为高
速传输大粒度调度传送网络的主要组网技术,OTN 技术的多个网络层面的规模应用
将逐步全面展开,同时将在新型接口规范(OTUS)、光层性能监控与智能控制、与
其他传送网技术融合等方面重点发展并规范。
光传送网技术近年来在大量的业务需求驱动之下,也在不断地发展和演进过
程中,主要呈现三个方面的发展趋势:一是大容量光传送系统,如 DWDM, ROADM, OTN
等;第二是分组传送,面向更小颗粒的处理技术;第三是智能化的发展方向,主
要在于控制平面的发展基于前两个方面述及的技术作为传送平面。
分组传送网(PTN)作为传送网满足下一代网络分组传送需求的解决方案,目前
主要关注的是 TMPLS 和 PBT 技术,T-MPLS 选择了 MPLS 体系中有利于数据业务传送
的一些特征,抛弃了 IETF 为 MPLS 定义的繁复的控制协议族,简化了数据平面,
去掉了不必要的转发处理。PBT 技术则是关闭传统以太网的地址学习、地址广播以
及 STP 功能,以太网的转发表完全由管理平面(将来控制平面)进行控制。具有面
向连接的特性,使得以太网业务具有连接性,以便实现保护倒换、OAM, QoS、流
量工程等传送网络的功能。PBT 技术的缺点是标准化工作刚刚开始,标准化的程度
较低。未来分组传送网的技术拟在城域的汇聚和接入层开始应用,同时还取决于
产品化、实用化的程度和如何适应网络的应用。
光传送技术多年来进展相当之快,将传送速率数十上百倍地提高,为上层网
络提供了大传输管道,为此在大幅提高传输容量的基础之上,传送网也开始面向
更加精细的处理功能和智能化的方向发展,但是向全光网络和分组传送过渡的过
程中在技术等方面还面临着一些亟待解决的问题,这也是今后传送网发展的热点。
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