本文關(guān)鍵詞：可生存光纖—無線融合寬帶接入網(wǎng)中保護(hù)機(jī)制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用等新興業(yè)務(wù)的日益繁榮及通信技術(shù)的長足進(jìn)步,共同促進(jìn)了電信網(wǎng)中骨干傳送網(wǎng)向大容量高速率的方向發(fā)展。然而,連接骨干傳送網(wǎng)與用戶本地網(wǎng)的接入網(wǎng)部分發(fā)展相對(duì)滯后,成為信息高速公路上“最后一英里’的瓶頸。目前,采用無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network, PON)技術(shù)的光接入網(wǎng)能提供大容量帶寬,然而其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高并且不能很好地支持高靈活性的泛在接入等功能；采用全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMax)、無線保真(Wireless Fidelity, WiFi)等技術(shù)的無線接入網(wǎng)成本相對(duì)低廉,并能提供便捷的移動(dòng)漫游等功能。盡管如此,由于頻譜受限,無線接入網(wǎng)無法為用戶提供大容量的無線寬帶接入。多樣化業(yè)務(wù)需求的膨脹與創(chuàng)新技術(shù)理念的涌現(xiàn)推動(dòng)了新型寬帶接入網(wǎng)的演進(jìn)步伐。鑒于光接入網(wǎng)技術(shù)與無線接入網(wǎng)技術(shù)潛在的優(yōu)勢互補(bǔ)特征,學(xué)術(shù)界提出了一種新穎的光纖-無線(Fiber-Wireless, FiWi)融合寬帶接入網(wǎng)結(jié)構(gòu),目前已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)生存性指網(wǎng)絡(luò)在遭遇意外故障情況下,仍然能維持業(yè)務(wù)正常傳輸?shù)哪芰�。近年全球范圍�?nèi)地震、海嘯等自然災(zāi)害頻發(fā)為可生存網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及抗毀通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通信網(wǎng)絡(luò)一旦發(fā)生故障不僅導(dǎo)致用戶和運(yùn)營商的極大經(jīng)濟(jì)損失,更制約著災(zāi)難營救效率。如何提高網(wǎng)絡(luò)生存能力、保障業(yè)務(wù)連續(xù)性成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。作為極具前景的寬帶接入技術(shù)之一,FiWi接入網(wǎng)不僅集成了光纖接入網(wǎng)容量大、可靠性強(qiáng)和無線接入網(wǎng)成本低、靈活性好等技術(shù)優(yōu)勢,其潛在的業(yè)務(wù)倒換能力更為下一代可生存接入網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了研究契機(jī)。因此,可生存FiWi接入網(wǎng)中保護(hù)機(jī)制的研究對(duì)于建設(shè)新一代抗毀通信基礎(chǔ)設(shè)施具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文聚焦可生存FiWi接入網(wǎng)中保護(hù)機(jī)制研究。結(jié)合FiWi接入網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障類型多樣、網(wǎng)絡(luò)資源異質(zhì)等典型特征,分別從分段內(nèi)故障保護(hù)、單分段故障保護(hù)、多分段故障保護(hù)及連接可用性保護(hù)等方面展開具體的研究工作�？v觀FiWi接入網(wǎng)保護(hù)機(jī)制研究現(xiàn)狀,主要存在以下問題：分段內(nèi)故障保護(hù)優(yōu)化范疇片面、單分段故障保護(hù)資源利用不足、多分段故障保護(hù)理論與方法有待探索、連接可用性保護(hù)尚存研究空白。針對(duì)這些問題,本文立足下一代可生存寬帶接入網(wǎng)學(xué)術(shù)研究前沿,圍繞光纖-無線融合總體發(fā)展趨勢,剖析當(dāng)前技術(shù)難點(diǎn)并挖掘問題本質(zhì),進(jìn)而提出一系列新穎的解決思路與有效的實(shí)施方法,目的是為可生存FiWi接入網(wǎng)未來建設(shè)提供必要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。(1)分段內(nèi)故障保護(hù)機(jī)制部分研究采用無線重路由的方法進(jìn)行單分段內(nèi)分支光纖鏈路或ONU (Optical Network Unit)故障的保護(hù)。這種業(yè)務(wù)恢復(fù)方法無需部署額外的光纖鏈路,因此具有顯著的成本效益優(yōu)勢,尤其適用于業(yè)務(wù)量較低且恢復(fù)延遲不敏感的網(wǎng)絡(luò)場景中。盡管如此,以往研究工作大多集中在可生存路由算法的設(shè)計(jì),對(duì)于可生存FiWi網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題涉及較少。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是支撐整個(gè)FiWi接入網(wǎng)高效運(yùn)維的前提和基礎(chǔ),尤其對(duì)于FiWi接入網(wǎng)生存性保證有著至關(guān)重要的意義。為此,作者提出一種針對(duì)單分支光纖鏈路故障的備份射頻無線重路由保護(hù)機(jī)制WRBR (Wireless Rerouting with Backup Radios)。以最小化網(wǎng)絡(luò)部署成本為目標(biāo),引入備份無線路徑長度、備份ONU容量及備份射頻容量等約束條件,WRBR機(jī)制重點(diǎn)解決無線路由器放置與備份射頻配置的聯(lián)合優(yōu)化問題。相對(duì)比傳統(tǒng)的光纖復(fù)制(Fiber duplication)保護(hù)方法,WRBR機(jī)制能顯著降低網(wǎng)絡(luò)部署成本。在大規(guī)模業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移場景中,無線重路由保護(hù)方法通常面臨嚴(yán)重的帶寬壓力,無法滿足高級(jí)別業(yè)務(wù)的帶寬需求和恢復(fù)時(shí)間約束。相比之下,備份光纖保護(hù)方法帶寬資源豐富,保護(hù)倒換速度快,更適于解決FiWi接入網(wǎng)大規(guī)模業(yè)務(wù)情況的生存性問題。為此,作者研究了針對(duì)單分支光纖鏈路故障的備份光纖保護(hù)方法,并從理論上分析了光纖部署成本與恢復(fù)效率之間存在折中關(guān)系,在此基礎(chǔ)上提出連續(xù)鄰居遷移保護(hù)機(jī)制CNT(Continuous Neighbor Transferring)。在CNT保護(hù)機(jī)制中,通過在相鄰ONU之間進(jìn)行連續(xù)的業(yè)務(wù)遷移促進(jìn)每個(gè)直接備份ONU“騰出”更多可用的帶寬容量接納來自故障ONU的業(yè)務(wù),因此能提高直接備份ONU的帶寬容量利用率,從而節(jié)省更多備份光纖。為了有效應(yīng)對(duì)更為嚴(yán)重的同分段內(nèi)多分支光纖鏈路同時(shí)故障的情況,作者進(jìn)一步提出面向單共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組(Shared Risk Link Group, SRLG)故障的備份光纖保護(hù)機(jī)制,構(gòu)建了基于SRLG的可靠性評(píng)估模型,通過整數(shù)線性規(guī)劃(Integer Linear Programming,ILP)方法獲得了備份ONU容量分配與備份光纖部署聯(lián)合優(yōu)化問題的最優(yōu)解,同時(shí)提出適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)且近于最優(yōu)的啟發(fā)式算法。(2)單分段故障保護(hù)機(jī)制無線重路由保護(hù)方法雖然在應(yīng)對(duì)分段內(nèi)故障方面具有突出的成本效益優(yōu)勢,但是在主干光纖故障引起的分段失效情況下,不同分段之間通過無線重路由進(jìn)行大規(guī)模業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移是不切實(shí)際的。一方面,不同的分段很可能相距甚遠(yuǎn),彼此間不存在可用的無線路徑；另一方面,將整個(gè)分段內(nèi)大量業(yè)務(wù)通過帶寬受限的無線信道傳輸將引起較大的恢復(fù)時(shí)延�？紤]到這些問題,作者提出在不同分段之間部署備份光纖和選擇備份ONU的保護(hù)機(jī)制。針對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)方法備份光纖利用率低的問題,作者提出了遠(yuǎn)端備份ONU的解決思路,允許故障分段將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到一跳范圍內(nèi)的鄰居分段,同時(shí)可轉(zhuǎn)移到一跳范圍外的遠(yuǎn)端分段。憑借備份光纖高效利用的突出優(yōu)勢,該保護(hù)機(jī)制能極大地降低備份光纖部署成本�？紤]到上述保護(hù)方法中長距離多跳光路傳輸不利于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的恢復(fù)效率,作者進(jìn)一步提出備份光環(huán)路保護(hù)機(jī)制。將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有分段劃分成若干個(gè)簇,并通過部署備份光纖在每個(gè)簇內(nèi)形成保護(hù)環(huán),保證同一簇內(nèi)任意一對(duì)分段之間存在兩條反向的備份光路徑。當(dāng)任意分段失效,它可通過兩條反向的備份光路同時(shí)將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到其他可用分段上,因此能有效降低業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移引起的恢復(fù)時(shí)延。(3)多分段故障保護(hù)機(jī)制在多分段FiWi接入網(wǎng)中,為緩解施工難度和地理環(huán)境制約,不同分段的主干光纖可能經(jīng)過同一根光纜或隧道,這導(dǎo)致不同分段同時(shí)失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)。尤其在大規(guī)模災(zāi)難或并發(fā)故障場景中,多分段同時(shí)失效將導(dǎo)致更大數(shù)據(jù)量丟失和大面積業(yè)務(wù)中斷的復(fù)雜情況,因此多分段故障是FiWi接入網(wǎng)不可忽視的一種故障場景。盡管如此,以往研究很少涉及多分段同時(shí)故障的保護(hù)方法。由于多分段故障保護(hù)要求更高的生存性保證和更大的帶寬容量,并且大規(guī)模業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移和連接恢復(fù)不可避免地增加網(wǎng)絡(luò)的管理開銷,傳統(tǒng)的分段內(nèi)故障保護(hù)和單分段故障保護(hù)方法很難直接應(yīng)用到多分段故障場景中�；谏鲜隹紤],作者首先提出基于群簇的多分段故障保護(hù)機(jī)制。通過網(wǎng)絡(luò)分簇的方法抑制任意X個(gè)分段同時(shí)故障情況下業(yè)務(wù)恢復(fù)的額外開銷。以最小化備份網(wǎng)絡(luò)部署成本為目標(biāo),引入單簇最大分段數(shù)量限制、業(yè)務(wù)完全保護(hù)、備份光路長度限制等典型約束,通過ILP對(duì)備份ONU選擇、分段群簇及備份光纖部署的聯(lián)合優(yōu)化問題進(jìn)行了規(guī)范的數(shù)學(xué)描述,并獲得小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解,同時(shí)為支持保護(hù)機(jī)制在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃場景中的應(yīng)用,作者也提出了高效的近于最優(yōu)的啟發(fā)式算法。針對(duì)SRLG故障場景中不同分段之間的故障相關(guān)性問題,作者進(jìn)一步提出基于共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組的故障相關(guān)性保護(hù)機(jī)制。在滿足故障相關(guān)性要求的約束下,重點(diǎn)解決備份容量分配與備份光纖部署的優(yōu)化問題,通過ILP對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行規(guī)范的數(shù)學(xué)描述,并提出適于分段密集且負(fù)載較高的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的啟發(fā)式算法。在啟發(fā)式算法中,采用迭代優(yōu)化的資源分配機(jī)制,保證每單位帶寬容量及每單位長度備份光纖盡可能多地保護(hù)新增業(yè)務(wù)量,因此能在極短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生近于最優(yōu)的解。(4)連接可用性保護(hù)機(jī)制現(xiàn)有的FiWi接入網(wǎng)生存性研究大多集中于路由算法、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等關(guān)鍵問題,對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存性的量化評(píng)估模型涉及較少。因此,這些保護(hù)方法的執(zhí)行通常缺乏準(zhǔn)確可靠的生存性依據(jù),而只能從廣義上提供定性的生存性保證,其結(jié)果是資源分配表現(xiàn)出明顯的粗放型特征,資源利用率較低,不利于網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展能力。FiWi接入網(wǎng)的設(shè)計(jì)初衷是支持多樣化用戶終端的泛在寬帶接入,各種類型業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)故障情況下對(duì)服務(wù)連接的可用性要求不盡相同,如何從網(wǎng)絡(luò)生存性的角度對(duì)不同類型業(yè)務(wù)進(jìn)行嚴(yán)格有效的區(qū)分,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按需的資源分配是提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的關(guān)鍵問題之一�？梢�,生存性量化評(píng)估模型的設(shè)計(jì)已成為FiWi接入網(wǎng)未來建設(shè)的迫切需求之一,并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化分配具有至關(guān)重要的研究意義�；谏鲜鲅芯縿�(dòng)機(jī),作者針對(duì)FiWi接入網(wǎng)兩種典型的生存性保護(hù)方法：無線重路由保護(hù)及備份光纖保護(hù),分別設(shè)計(jì)出有效的連接可用性評(píng)估模型,充分考慮光纖鏈路故障及資源爭用對(duì)連接可用性的影響。首先,作者提出基于無線重路由的連接可用性保護(hù)機(jī)制,將連接可用性要求引入到后端ONU帶寬容量與前端射頻容量兩種類型資源分配的優(yōu)化問題中。在滿足連接可用性要求的前提下,通過備份ONU容量與備份射頻容量的聯(lián)合優(yōu)化分配,實(shí)現(xiàn)備份資源消耗最小化。其次,作者提出基于備份光纖的連接可用性保護(hù)機(jī)制,通過分配備份ONU容量和配置備份光路進(jìn)而構(gòu)建備份光連接,在保證備份連接可用性要求的情況下,解決備份ONU容量分配與備份光纖部署的聯(lián)合優(yōu)化問題。由于FiWi接入網(wǎng)仍處于理論研究階段,協(xié)議架構(gòu)和技術(shù)體系尚不完善,專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件(包括OPNET, QualNet等)大多未提供FiWi接入網(wǎng)仿真所需的基本模塊。因此,本文采用VC++6.0軟件自主搭建仿真平臺(tái),對(duì)文中提出的保護(hù)機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證和性能分析,整個(gè)仿真在Intel Core i5 2.30 GHz CPU、GB RAM、Windows 7操作系統(tǒng)的PC機(jī)上進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。結(jié)果表明,文中提出的保護(hù)機(jī)制在降低網(wǎng)絡(luò)部署成本、改善資源利用率、節(jié)省帶寬容量等方面具有顯著優(yōu)勢。
【關(guān)鍵詞】：光纖-無線融合寬帶接入網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)生存性 網(wǎng)絡(luò)保護(hù) 網(wǎng)絡(luò)資源備份
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN915.6
【目錄】：

• 摘要5-9
• Abstract9-18
• 第1章 緒論18-40
• 1.1 FiWi寬帶接入網(wǎng)的研究背景18-27
• 1.1.1 無線接入網(wǎng)18-19
• 1.1.2 光纖接入網(wǎng)19-24
• 1.1.3 光纖-無線融合寬帶接入網(wǎng)24-27
• 1.2 FiWi寬帶接入網(wǎng)中生存性問題27-29
• 1.3 FiWi寬帶接入網(wǎng)生存性研究現(xiàn)狀29-36
• 1.3.1 PON備份資源保護(hù)方法30-33
• 1.3.2 基于無線重路由的保護(hù)方法33-34
• 1.3.3 FiWi接入網(wǎng)生存性研究面臨的挑戰(zhàn)34-36
• 1.4 本文的創(chuàng)新貢獻(xiàn)和內(nèi)容安排36-38
• 1.5 課題來源38-40
• 第2章 FiWi接入網(wǎng)分段內(nèi)故障保護(hù)機(jī)制研究40-74
• 2.1 引言40-41
• 2.2 備份射頻無線重路由保護(hù)機(jī)制41-51
• 2.2.1 保護(hù)機(jī)制概述41-42
• 2.2.2 聯(lián)合優(yōu)化問題的ILP描述42-45
• 2.2.3 啟發(fā)式算法45-47
• 2.2.4 仿真結(jié)果與性能分析47-51
• 2.3 連續(xù)鄰居遷移保護(hù)機(jī)制51-57
• 2.3.1 保護(hù)機(jī)制概述51-53
• 2.3.2 基于ILP的最優(yōu)備份光纖部署53-55
• 2.3.3 仿真結(jié)果與性能分析55-57
• 2.4 面向單SRLG故障的備份光纖保護(hù)機(jī)制57-71
• 2.4.1 符號(hào)定義57-58
• 2.4.2 可靠性模型58-59
• 2.4.3 保護(hù)機(jī)制概述59-61
• 2.4.4 聯(lián)合優(yōu)化問題的ILP描述61-62
• 2.4.5 啟發(fā)式算法62-64
• 2.4.6 仿真結(jié)果與性能分析64-71
• 2.5 本章小結(jié)71-74
• 第3章 FiWi接入網(wǎng)單分段故障保護(hù)機(jī)制研究74-108
• 3.1 引言74-75
• 3.2 備份ONU選擇與備份光纖部署聯(lián)合優(yōu)化保護(hù)機(jī)制75-96
• 3.2.1 保護(hù)機(jī)制概述75-76
• 3.2.2 符號(hào)定義76-77
• 3.2.3 備份ONU選擇的MRC問題77
• 3.2.4 備份光纖部署的MPMC-RBS問題77-78
• 3.2.5 啟發(fā)式算法78-87
• 3.2.6 仿真結(jié)果與性能分析87-96
• 3.3 備份光環(huán)路保護(hù)機(jī)制96-107
• 3.3.1 保護(hù)機(jī)制概述96-97
• 3.3.2 問題描述97-98
• 3.3.3 啟發(fā)式算法98-102
• 3.3.4 仿真結(jié)果與性能分析102-107
• 3.4 本章小結(jié)107-108
• 第4章 FiWi接入網(wǎng)多分段故障保護(hù)機(jī)制研究108-156
• 4.1 引言108-109
• 4.2 基于群簇的多分段故障保護(hù)機(jī)制109-134
• 4.2.1 保護(hù)機(jī)制概述109-113
• 4.2.2 聯(lián)合優(yōu)化問題的ILP描述113-117
• 4.2.3 啟發(fā)式算法117-125
• 4.2.4 仿真結(jié)果與性能分析125-134
• 4.3 故障相關(guān)性保護(hù)機(jī)制134-154
• 4.3.1 故障概率模型134-136
• 4.3.2 保護(hù)機(jī)制概述136-138
• 4.3.3 備份容量分配問題的ILP描述138-140
• 4.3.4 備份光纖部署問題的ILP描述140-141
• 4.3.5 備份容量分配的啟發(fā)式算法141-144
• 4.3.6 備份光纖部署的啟發(fā)式算法144-146
• 4.3.7 仿真結(jié)果與性能分析146-154
• 4.4 本章小結(jié)154-156
• 第5章 FiWi接入網(wǎng)連接可用性保護(hù)機(jī)制研究156-184
• 5.1 引言156-157
• 5.2 基于無線重路由的連接可用性保護(hù)機(jī)制157-169
• 5.2.1 保護(hù)機(jī)制概述157-158
• 5.2.2 符號(hào)定義158-159
• 5.2.3 備份ONU容量分配的問題描述159-160
• 5.2.4 備份射頻配置的問題描述160-161
• 5.2.5 備份ONU容量分配的啟發(fā)式算法161-163
• 5.2.6 備份射頻配置的啟發(fā)式算法163-165
• 5.2.7 仿真結(jié)果與性能分析165-169
• 5.3 基于備份光纖的連接可用性保護(hù)機(jī)制169-181
• 5.3.1 保護(hù)機(jī)制概述169-171
• 5.3.2 符號(hào)定義171-172
• 5.3.3 連接可用性模型172-173
• 5.3.4 聯(lián)合優(yōu)化問題的ILP描述173-175
• 5.3.5 啟發(fā)式算法175-178
• 5.3.6 仿真結(jié)果與性能分析178-181
• 5.4 本章小結(jié)181-184
• 第6章 全文總結(jié)184-186
• 參考文獻(xiàn)186-198
• 致謝198-200
• 作者簡介200-202
• 作者攻讀博士學(xué)位期間的研究成果202-204

  本文關(guān)鍵詞：可生存光纖—無線融合寬帶接入網(wǎng)中保護(hù)機(jī)制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：298241