在波分复用光通信网络中用于业务减损的自动评估的方法

摘要

本发明涉及在波分复用光通信网络中用于业务减损的自动评估的方法。在波分复用光网络的源接入节点和目的地接入节点之间选择单波长光路，包括选择光路的照射波长，并且选择将不会干扰其他数据传输的数据传输的开始时间和持续时间。如果在足以传输数据的持续时间内，无开始时间/波长组合可用，则基于建模，自动选择不会减损网络中的其他波长所承载的业务的额外的波长，并且不需要现有技术的耗时的手动过程。调度过程可以包括选择光纤集、波长、开始时间和结束时间来传输提出的业务。新颖的调度器避免检查每个可能开始时间，从而节省大量的处理时间。调度器调度单波长光路，而不是依赖于复杂的波长移位方案。

权利要求

1.一种用于管理波分复用光通信网络的方法，所述波分复用光通信网络包括多个光放大器和互连所述多个光放大器的多个光纤，所述方法包括：在电子存储器中存储表征对于多个波长中的每一波长，由所述多个光放大器中的一个以及由所述多个光纤中的一个施加的信道减损的信息；

接收第一电子信号，所述第一电子信号指示在所述波分复用光通信网络上传输提出的业务的请求；

接收第二电子信号，所述第二电子信号指示用于所述提出的业务的提出的路由，所述第二电子信号标识将通过其承载所述提出的业务的所述多个光纤的子集，其中，经由所述提出的路由承载所述提出的业务将需要在所述多个光纤的所述子集中的至少一个光纤中照射在所述至少一个光纤中当前未被照射的光的波长；

使用表征所述信道减损的信息和当前未被照射的光的波长的指示，自动地计算由将承载所述提出的业务的光纤和光放大器对于经由其他波长承载的其他业务的间接减损，其中，所述间接减损由照射当前未被照射的光的波长产生；

将所述间接减损与预定极限比较以确定所述间接减损是否将超过所述预定极限；

如果作为比较的结果，确定所述间接减损将超过所述预定极限，则发送指示拒绝所述提出的路由的第三电子信号；以及；

如果作为比较的结果，确定所述间接减损不会超过所述预定极限，则发送指示接受所述提出的路由的第四电子信号。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

接收所述第三电子信号；以及

响应于接收到所述第三电子信号：

自动为所述提出的业务选择不同的提出的路由；以及发送另一第二电子信号，所述另一第二电子信号包含用于所述提出的业务的不同提出的路由。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

接收所述第四电子信号；以及

响应于接收到所述第四电子信号：

在所述至少一个光纤中照射当前未被照射的光的波长；以及经由所述提出的路由承载所述提出的业务。

说明书

在波分复用光通信网络中用于业务减损的自动评估的方法

[0001] 本申请是2017年12月1日提交的国际申请日为2016年6月2日的申请号为201680032084.4(PCT/US2016/035528)的，原发明名称为“光网络中的调度的光路切换和在波分复用光通信网络中添加或删除信道导致的业务减损的自动评估”后修改为“用于波分复用光通信网络中的方法和装置”的专利申请的分案申请。

[0002] 相关申请的交叉引用

[0003] 本申请要求2015年6月2日提交的，题为“Algorithms for Scheduled Light Path Switching in Optical Networks with Channel Impairments”的美国临时专利申请No.62/169,759的优先权，其全部内容在此引入以供参考。

[0004] 关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

[0005] 本发明是在国家科学基金资助项目1111383的政府支持下完成的。美国政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

[0006] 本发明涉及光网络，更具体地说，涉及基于预测光路的信道质量的模型来调度通过这样的网络的光路。

背景技术

[0007] 光通信网络使用光纤来承载光学数据信号。为了避免在放大器、路由器、开关等中由光电转换和电光转换造成的瓶颈，许多现代光通信网络采用端对端的全光连接。光分路器将来自一个光纤的光信号分到多个光纤上，这些光纤在各个方向中延伸以实现网络的分支。类似地，光合路器将来自各个网络分支的多个光纤的光信号合并到单个光纤上。光放大器补偿穿过光纤、光分路器、合路器等的光信号所经历的损耗。在诸如全国网络的远程网络中，端对端连接可以包括串联的40个或以上光纤和相应数量的光放大器。

[0008] 掺铒光纤放大器(EDFA)通常用在光网络中。能在单个光纤上复用和一起传送许多带内波长的光，每个波长承载不同的业务。通过带外激光泵浦，EDFA放大所有带内波长。因此，如上所述，由于信号被组合和/或分离，来自许多用户的业务在光网络上被波长复用、放大并且同时被承载。另外，可以使用光交叉连接(OXC)和波长选择开关来通过光网络路由业务。

[0009] “光流切换”(OFS)是为用户提供端对端全光连接的网络架构，通常具有非常大的数据事务。用于数据流的光路被调度到(可能将来的)时隙中。然而，即使使用超级计算机，用于具有完全可切换性的广域网状光网络的现有技术调度器也花费约12分钟来计算用于一个数据传输请求的分配。另外，为了实现端对端的全光路，沿路径采用复杂的波长移位方案。

[0010] 此外，在许多情况下，在给定的光纤中只照射可能波长的子集，诸如为了节能或避免不必要的热量产生。如果调度器不能使用已经照射的波长来调度期望的源节点和期望的目的地节点之间的光路，则照射一个或多个光纤中的光的另外的波长可以增加足够的带宽以适应数据传输请求。然而，照射波长会不利地影响在网络的同一分支或其他分支中已经照射的波长正在承载的业务。类似地，熄灭照射的波长会不利地影响由网络的同一分支或其他分支中的其他波长正在承载的业务。

[0011] 当在网状网络中开启和关闭光的波长时，同一光纤中的现有信道(照射波长)经历两种类型的减损：快速瞬变和稳态信道质量变化。这些减损中的一些是源自多种原因的组合，包括EDFA增益的随机性、放大的自发噪声的累积以及由EDFA中的恒定增益控制电路引起的问题。跨信道功率耦合也会导致减损。

[0012] EDFA采用反馈电路来保持恒定的增益或恒定的功率输出。但是，这些反馈电路的响应时间约为1ms或更长。如上所述，EDFA放大所有带内波长的光。因此，对放大器的输入的功率突然变化，诸如是由于信道(波长)增加或减少，导致放大器输出的所有信道中的高达几个dB的大的瞬变，直到反馈电路恢复标称操作为止。这种瞬变会导致一个或多个使用中的信道被过放大或欠放大，并因此在下游，诸如在后续放大器或光接收器的输入处变得不合规范。在典型的光网络速度下，至少有数千万个数据符号在1ms内传输。因此，在反馈电路恢复标称操作所花费的时间内，会丢失大量的数据。

[0013] 用于在光通信网络中添加或删除信道(照射或熄灭波长)的现有技术方法涉及耗时的手动过程，逐步增加或删除信道，一次一跳，渐升或渐降光信号水平，并且手动地检查光纤该跳和光学地连接到该跳的其他跳中的现有信道的不可接受的减损。目前，该过程大约需要17分钟来添加或删除用于海岸间连接的信道。因此，在现有技术中，一旦建立，信道通常留在原处数天并且处理多个事务。显然，期望用于添加和删除波长(信道)的更快和更有效的机制。

发明内容

[0014] 本发明的实施例提供一种用于经由波分复用光通信网络调度数据传输的方法。该网络包括多个节点和互连节点的多个链路。每个链路包括至少一个链路长度光纤，并且至少一些节点是接入节点。

[0015] 该方法包括在电子存储器中存储关于光通信网络的拓扑的信息。该方法还包括在电子存储器中存储指示下述的信息：(i)哪些波长在链路长度光纤的每一个中被照射；(ii)在链路长度光纤的每一个中哪些波长被分配承载业务，以及(iii)对被分配承载业务的每个波长/链路长度光纤组合，分配的开始时间和分配的结束时间。

[0016] 该方法还包括接收第一电子信号。该第一电子信号指示：(a)在源接入节点和目的地接入节点之间的光通信网络上传送提出的业务的请求以及(b)提出的业务量。

[0017] 该方法包括使用提出的业务量来计算足以承载提出的业务的分配持续时间。

[0018] 该方法还包括在电子存储器中自动搜索链路长度光纤集的信息。链路长度光纤集在源接入节点和目的地接入节点之间连续地延伸。此外，在该集合中的所有链路长度光纤当中公共的至少一个波长被照射。此外，至少一个波长和该集合的链路长度光纤的每个组合可用于在某公共开始时间处以及此后在至少所计算的分配持续时间内承载业务。

[0019] 如果找到链路长度光纤集，则该方法自动地选择至少一个波长中公共的波长并且改变存储在电子存储器中的信息，以便对该集合中的每个链路长度光纤，指示所选择的波长被分配以从公共开始时间开始以及此后在所计算的分配持续时间内承载业务。此外，发送指示链路长度光纤集、所选波长和公共开始时间的第二电子信号。

[0020] 使用提出的业务量来计算足以承载提出的业务的分配持续时间可以包括将分配持续时间计算为不同于固定时隙持续时间的整数倍。

[0021] 在接收到第一电子信号时，在电子存储器中自动地搜索链路长度光纤集的信息，而不等待下一固定时隙发生。

[0022] 公共开始时间与下一固定时隙发生的时序无关。

[0023] 可选地，如果没有找到光纤集，则该方法可以包括自动发送第三电子信号，第三电子信号指示调度提出的业务的传输的失败。

[0024] 在电子存储器中自动搜索链路长度光纤集的信息可以包括：自动地(a)确定包括多个链路的子集的路径，使得子集的链路在源接入节点和目的地接入节点之间连续地延伸；(b)设置等于初始时间的下限；(c)对路径的每个链路，自动地确定不早于下限的最早开始时间，在最早开始时间，链路的至少一个链路长度光纤可用于承载业务，从而总体上识别至少一个第一可能开始时间；(d)选择至少一个第一可能开始时间中的最近的一个，从而选择第一候选开始时间；(e)对路径的每个链路，自动地确定不早于第一候选开始时间的最早开始时间，在最早开始时间处，链路的链路长度光纤可用于承载业务，由此总体上识别至少一个第二可能开始时间；(f)选择至少一个第二可能开始时间中的最近的一个，从而选择第二候选开始时间；(g)将第一候选开始时间与第二候选开始时间比较；(h)如果作为比较的结果，发现第一候选开始时间等于第二候选开始时间：则(i)将第一候选开始时间选择为公共开始时间；以及(ii)对路径的每个链路，选择可用于承载业务的链路的链路长度光纤，从而总体上选择链路长度光纤集；否则，如果不满足预定的停止准则：则(i)将下限设置为等于第二候选开始时间；以及(ii)重复(b)至(h)。

[0025] 确定不早于下限的最早开始时间可以包括自动地确定最早开始时间，而不考虑下一固定时隙发生的时序；以及确定不早于第一候选开始时间的最早开始时间包括自动地确定最早开始时间，而不考虑下一固定时隙发生的时序。

[0026] 识别至少一个第一可能开始时间可以包括：对路径的每个链路，自动地确定不早于下限的最早开始时间，在最早开始时间处，包括此后至少在所计算的分配持续时间内，链路的至少一个链路长度光纤可用于承载业务；以及识别至少一个第二可能开始时间包括：对路径的每个链路，自动地确定不早于第一候选开始时间的最早开始时间，在最早开始时间处，包括此后至少在所计算的分配持续时间内，链路的至少一个链路长度光纤可用于承载业务。

[0027] 初始时间可以表示当前时间。初始时间可以表示将来时间。

[0028] 确定路径可以包括自动地查找源接入节点和目的地接入节点之间的最低成本路径。

[0029] 最低成本路径可以包括具有源接入节点和目的地接入节点之间最少链路数量的路径。

[0030] 多个链路中的每个链路可以与相应的链路成本相关联。确定路径可以包括自动地确定具有最低总链路成本的最小成本路径。

[0031] 每个链路成本可以至少部分地基于沿关联的链路设置的光放大器的数量。

[0032] 确定路径可以包括从另一系统接收电子信号，其中，电子信号指示路径的链路。

[0033] 可选地，对路径的每个照射波长，该方法包括重复(b)至(h)。自动地确定最早开始时间可以包括：自动地确定根据情况不早于下限或第一候选开始时间的最早开始时间/波长组合，在该最早开始时间/波长组合处，具有照射波长的至少一个链路长度光纤可用于承载业务。至少一个第一可能开始时间可以包括至少一个开始时间/波长组合。至少一个第二可能开始时间可以包括至少一个开始时间/波长组合。选择至少一个第一可能开始时间中的最近的一个可以包括选择最近开始时间/波长组合。第一候选开始时间可以包括第一候选开始时间/波长组合。第二候选开始时间可以包括第二候选开始时间/波长组合。将第一候选开始时间选择为公共开始时间可以包括将第一候选开始时间/波长组合中的开始时间选择为公共开始时间，以及将第一候选开始时间/波长组合中的波长选择为公共波长。

[0034] 多个链路中的至少一个链路长度光纤可以共同形成多个光纤。波分复用光通信网络可以包括多个光放大器。多个光纤互连多个光放大器。该方法进一步包括在电子存储器中存储表征针对多个波长中的每一波长，由多个光放大器中的一个以及由多个光纤中的一个施加的信道减损的信息。该方法还包括接收指示用于提出的业务的提出的路由的第四电子信号，第四电子信号标识将承述提出的业务的多个光纤的子集，其中，经由提出的路由承载提出的业务将需要在多个光纤的子集中的至少一个光纤中照射在至少一个光纤中当前未被照射的光的波长。

[0035] 可以使用表征信道减损的信息和当前未被照射的光的波长的指示，自动地计算由承载提出的业务的光纤和光放大器对于经由其他波长承载的其他业务的间接减损(consequential impairment)。间接减损由照射当前未被照射的光的波长产生。

[0036] 将间接减损与预定极限比较以确定间接减损是否将超过预定极限。

[0037] 如果作为比较的结果，确定间接减损将超过预定极限，则可以发送指示拒绝提出的路由的第五电子信号。

[0038] 如果作为比较的结果，确定间接减损不会超过预定极限，则可以发送指示接受提出的路由的第六电子信号。

[0039] 该方法还可以包括响应第六电子信号，在多个光纤的子集的至少一个光纤中，自动地照射当前未被照射的光的波长。

[0040] 该方法还可以包括响应第六电子信号，经由提出的路由，自动地承载提出的业务。

[0041] 该方法还可以包括接收第五电子信号，以及响应接收到第五电子信号，自动为提出的业务选择不同的提出的路由。另一第四电子信号可以被发送，包含用于提出的业务的不同提出的路由。

[0042] 该方法还可以包括使用所选择的波长来从公共开始时间开始，在源接入节点和目的地接入节点之间的链路长度光纤集上，自动地承载提出的业务。

[0043] 本发明的另一实施例提供一种用于波分复用光通信网络的业务调度器。该网络包括多个节点和互连节点的多个链路。每个链路包括至少一个链路长度光纤。至少一些节点是接入节点。

[0044] 调度器包括存储关于光通信网络的拓扑的信息的数据库。该数据库还存储指示下述的信息：(i)哪些波长在链路长度光纤的每一个中被照射；(ii)在链路长度光纤的每一个中哪些波长被分配承载业务，以及(iii)对被分配承载业务的每个波长/链路长度光纤组合，分配的开始时间和分配的结束时间。

[0045] 业务请求接收器被配置为接收指示下述的第一电子信号：(a)在源接入节点和目的地接入节点之间的光通信网络上传送提出的业务的请求以及(b)提出的业务量。

[0046] 持续时间计算器被配置为基于提出的业务量，自动算出所计算的分配持续时间。

[0047] 链路长度光纤搜索引擎被配置为在数据库中自动地搜索链路长度光纤集的信息。该链路长度光纤集在源接入节点和目的地接入节点之间连续地延伸。照射在该集合中的所有链路长度光纤中公共的至少一个波长。至少一个波长和该集合的链路长度光纤的每个组合可用于在某公共开始时间处以及此后在至少所计算的分配持续时间内承载业务。

[0048] 波长选择器被配置为如果找到链路长度光纤集，则自动地选择至少一个波长中公共的波长。

[0049] 数据库更新器被配置为，如果找到链路长度光纤集，则改变存储在电子存储器中的信息，以便对该集合中的每个链路长度光纤，指示所选择的波长被分配以从公共开始时间开始以及此后在所计算的分配持续时间内承载业务。

[0050] 成功/失败信号发送器发送指示链路长度光纤集、所选波长和公共开始时间的第二电子信号。

[0051] 链路长度光纤搜索引擎包括路径确定器，路径确定器被配置为确定包括多个链路的子集的路径，使得子集的链路在源接入节点和目的地接入节点之间连续地延伸。下限设置器被配置为将下限设定为初始时间。第一最早开始时间查找器被配置为，对路径的每个链路，自动地确定不早于下限的最早开始时间，在最早开始时间，在所计算的分配持续时间内，链路的至少一个链路长度光纤可用于承载业务，从而总体上识别至少一个第一可能开始时间。第一候选开始时间选择器被配置为选择至少一个第一可能开始时间中的最近的一个，从而选择第一候选开始时间。第二最早开始时间查找器被配置为，对路径的每个链路，自动地确定不早于第一候选开始时间的最早开始时间，在最早开始时间处，链路的至少一个链路长度光纤可用于承载业务，由此总体上识别至少一个第二可能开始时间。第二候选开始时间选择器被配置为选择至少一个第二可能开始时间中的最近的一个，从而选择第二候选开始时间。

[0052] 比较器被配置为将第一候选开始时间与第二候选开始时间比较。公共开始时间选择器被配置为，如果第一候选开始时间等于第二候选开始时间，则将第一候选开始时间选择为公共开始时间。链路长度光纤选择器被配置为，对路径的每个链路，选择可用于承载业务的链路的链路长度光纤，从而总体地选择链路长度光纤集。循环控制器被配置为，如果第一候选开始时间不等于第二候选开始时间并且不满足预定的停止准则，则将控制返回给下限设置器，下限设置器被配置为将下限设置成等于第二候选开始时间并且将控制传递给第一最早开始时间查找器。

[0053] 本发明的又一实施例提供一种用于管理波分复用光通信网络的方法。该网络包括多个光放大器和互连多个光放大器的多个光纤。该方法包括在电子存储器中存储表征信道减损的信息。减损由多个光放大器中的一个以及由多个光纤中的一个施加。对多个波长的每一波长存储减损。

[0054] 接收指示在波分复用光通信网络上传输提出的业务的请求的第一电子信号。接收指示用于提出的业务的提出的路由的第二电子信号，第二电子信号标识将承载所述提出的业务的多个光纤的子集，其中，经由提出的路由承载提出的业务将需要在多个光纤的子集中的至少一个光纤中，照射在至少一个光纤中当前未被照射的光的波长。

[0055] 使用表征信道减损的信息和当前未被照射的光的波长的指示，自动地计算由承载提出的业务的光纤和光放大器对于经由其他波长承载的其他业务的间接减损，其中，间接减损由照射当前未被照射的光的波长产生。

[0056] 将间接减损与预定极限比较以确定间接减损是否将超过预定极限。如果作为比较的结果，确定间接减损将超过预定极限，则发送指示拒绝提出的路由的第三电子信号。如果作为比较的结果，确定间接减损不会超过预定极限，则发送指示接受提出的路由的第四电子信号。

[0057] 可选地，可以接收第三电子信号，并且响应于接收到第三电子信号，可以自动为提出的业务选择不同的提出的路由，以及可以发送包含用于提出的业务的不同提出的路由的另一第二电子信号。

[0058] 可选地，可以接收第四电子信号，并且响应于接收到第四电子信号，在至少一个光纤中照射当前未被照射的光的波长，以及可以经由提出的路由承载提出的业务。

附图说明

[0059] 通过参考结合附图的具体实施方式的下述详细描述，将更全面地理解本发明，其中：

[0060] 图1是根据现有技术，示出典型的美国运营商骨干波分复用光网络的美国地图。本发明的实施例可以被部署在这样的网络内并且用来通过这样的网络管理和调度数据传输。

[0061] 图2是可以在图1的光网络的节点处找到的假设的光学组件集的示意图。

[0062] 图3是根据本发明的实施例，用于诸如图1的光网络的光网络的控制方案的示意性框图。

[0063] 图4是根据本发明的实施例的图3的调度器的示意性框图。

[0064] 图5是示出根据本发明的实施例，存储在图3或4的数据库中的信息的示意图。

[0065] 图6是示出根据本发明的实施例，对网络(诸如图1的网络)的每个节点，在图5的数据库中存储的信息的示意图。

[0066] 图7是示出根据本发明的实施例，对网络(诸如图1的网络)的每个链路，在图5的数据库中存储的信息的示意图。

[0067] 图8是示出根据本发明的实施例，对网络(诸如图1的网络)的每个光纤，在图5的数据库中存储的信息的示意图。

[0068] 图9是图8的信息中的光纤分配矩阵的示意图。

[0069] 图10是示出根据本发明的实施例，对网络(诸如图1的网络)的每个光放大器，在图5的数据库中存储的信息的示意图。

[0070] 图11是图10的信息中的光放大器减损矩阵的示意图。

[0071] 图12是示出根据本发明的实施例，对网络(诸如图1的网络)的每个光分路器、光合路器、OXC等，在图5的数据库中存储的信息的示意图。

[0072] 图13是根据本发明的实施例，示意性地示出由图3和4的调度器执行的操作的流程图。

[0073] 图14是根据本发明的实施例，示意性地示出由图3和图4的调度器执行的操作的流程图，特别是为了有效地搜索可用分配，在该分配期间，路径中的所有链路具有用于承载路径上的提出的业务的可用(即，不被调度来承载其他业务)公共波长。

[0074] 图15是根据本发明的实施例，示意性地示出在图14的一部分中执行的可能操作以确定路径的流程图。

[0075] 图16是根据本发明的实施例，示意性地示出如何修改图14的操作以遍历所有照射波长的流程图的流程图。

[0076] 图17是根据本发明的实施例，示意性地示出在图14的一部分中执行的操作以查找用于提出的流的可用开始时间的流程图。

[0077] 图18,19和20示意性地示出在假设的一组现有分配的场境中，如参考图14-17所述，用于将业务从源接入节点传输到目的地接入节点的假设示例性请求的假设示例性请求的波长调度。

[0078] 图21是示出根据本发明的实施例，示出包含提出将在三跳中被照射以承载提出的业务的波长以及已经调度承载其他业务的三个其它波长的假设情形的示意性时序图。

[0079] 图22A、22B和22C(统称为图22)根据本发明的另一实施例，包含示出对由图3和4的调度器执行以搜索可用分配的操作的改进，同时考虑业务的可能减损的示意性流程图。

[0080] 图23A和23B(统称为图23)根据本发明的实施例，包含示出在图22的一部分中执行以计算和检查波长的减损的幅度的操作的示意性流程图。

[0081] 图24是根据本发明的实施例，可以在图1的光网络的节点处找到的假设的一组光学开关和虚拟激光器的示意图。

[0082] 图25、26和27根据本发明的实施例，示意性地示出响应在光纤中被照射和熄灭的业务承载波长的变化，图24的虚拟激光器中的一个的示例性操作。

[0083] 图28是根据本发明的实施例，通过调度保持器的OFS调度的图示。

[0084] 图29是根据本发明的实施例，合并到路径中以及从路径发散的业务的图示。

[0085] 图30是根据本发明的实施例，链路状态的马尔可夫链模型的示意图。

[0086] 图31是根据本发明的实施例的光路的示意图。

[0087] 图32是可以阻止请求的情况的示意图。

[0088] 图33是根据本发明的实施例，用于架构M的阻塞概率的曲线图。

[0089] 图34是根据本发明的实施例，用于架构M的阻塞概率的图。

[0090] 图35是根据本发明的实施例，相对于波长数量的阻塞概率的图。

[0091] 图36是根据本发明的实施例，相对于调度保持器和波长信道的数量比的阻塞概率的图。

[0092] 图37是根据本发明的实施例，相对于调度保持器的数目的比率的吞吐量的曲线图。

[0093] 图38是根据本发明的实施例，示意性地示出算法FIFO-EA的操作的流程图。

[0094] 图39是根据本发明的实施例，示意性示出算法FIFO-EA的操作的流程图。

[0095] 图40是根据本发明的实施例，示意性地示出子例程ColorPath-EA的操作的流程图。

[0096] 图41是根据本发明的实施例，示意性地示出子例程LatestMin-oaLinks的操作的流程图。

[0097] 图42是根据本发明的实施例，示意性示出子例程Min-oaFiber的操作的流程图。

[0098] 图43是示出用在与本发明的实施例相关的实验中的EDFA的架构的示意性框图。

[0099] 图44是根据本发明的实施例，具有随机增益G和ASE噪声Psp的EDFA的示意图。

[0100] 图45是根据本发明的实施例的具有光纤损耗l的模式模型1-g。

[0101] 图46是根据本发明的实施例，k个放大器的级联的示意性框图，每个k个放大器由具有损耗为l的光纤跨度分开。

[0102] 图47是根据本发明的实施例，当lg＝β时，模型k-g的特殊情形的示意性框图。

[0103] 图48是根据本发明的实施例的模型k-G的示意性框图。

[0104] 图49是根据本发明的实施例，用于模型k-G和模型k-g的ESNR的倒数的曲线图。

[0105] 图50和51根据本发明的实施例，分别以正常标度和对数-对数标度绘制根据放大器的数量的误比特率(RER)。

[0106] 图52根据本发明的实施例，绘制根据放大器的数量的模型k-G和模型k-g的BER比率。

[0107] 图53根据本发明的实施例，绘制根据放大器增益的方差与均方根的比率的模型k-G的BER。

[0108] 图54是根据本发明的实施例，模型k-G的BER与模型k-g的BER的比率的曲线图。

[0109] 图55是根据本发明的实施例，示出实验装置的示意性框图。

[0110] 图56是根据本发明的实施例，升余弦函数的(a)阶跃切换函数和(b)绝热切换函数的示意图。

[0111] 图57根据本发明的实施例，图57(a)是探测信道输出的曲线图，图57(b)是具有扩展时间的初始开启瞬态的曲线图。

[0112] 图58和59是根据本发明的实施例，示出在许多EDFA的链上的瞬态持续时间的曲线图。

[0113] 图60是根据本发明的实施例，在9个EDFA的链之后的通信链路的“眼图”，其显示出明显的闭眼。

[0114] 图61示出根据本发明的实施例，“1”和“0”比特的高斯统计。

[0115] 图62示出根据本发明的实施例，根据放大器的数量的方差/均方。

[0116] 图63是根据本发明的实施例，在每个放大器处，根据信道配置，“1”比特的方差/均方的曲线图。

[0117] 图64是根据本发明的实施例，以dB为单位绘制的，在链路中的9个放大器之后测量的“1”比特和“0”比特的方差/均方的曲线图。

[0118] 图65是根据本发明的实施例，在放大器7和10的输出处，由图62中的方差计算出的误差概率的曲线图。

[0119] 图66是根据本发明的实施例，根据存在于链路中的信道的误比特率概率BER的曲线图。

[0120] 图67是根据本发明的实施例，根据信道配置的“1”比特的方差/均方的图。

[0121] 图68和69示出根据本发明的实施例，使用模型k-G的匹配信号方差/均方根。

[0122] 图70A和B：根据本发明的实施例，具有由算法4.1给出的伪代码的IA-FIFO-EA算法的流程图。

[0123] 图71是根据本发明的实施例，示意性地示出KWC-FIFO-EA的操作的流程图。

[0124] 图72是根据本发明的实施例，使用虚拟激光器来确保光纤中的总光功率保持在最小值以上的示意性框图。

[0125] 图73是根据本发明的实施例，具有非相等均值和方差的两个高斯随机变量的双阈值检测模型的图。

[0126] 图74是根据本发明的实施例，具有非相等均值和方差的两个高斯随机变量的单阈值检测模型的曲线图。

具体实施方式

[0127] 根据本发明的实施例，公开了用于选择波分复用光网络的源接入节点和目的地接入节点之间的单波长光路的方法和装置，包括选择光路的照射波长，以及选择不会干扰其他数据传输的数据传输的开始时间和持续时间。所公开的方法和设备可以比现有技术快许多倍地选择光路，从而显著提高网络的效率。

[0128] 如果不具有足够的持续时间的可用开始时间/波长组合，即阻止在光网络上传输数据的请求，并且需要照射附加波长的光以增加网络的带宽，则本发明的实施例提供自动的方法和装置以在几毫秒内快速地选择和照射附加波长，而不会减损网络中的其他波长承载的业务，也不需要现有技术的耗时的手动过程。

[0129] 本发明的一些实施例将新颖过程用于调度波长分配。在一些实施例中，调度过程包括选择传输提出的业务的光纤集、波长、开始时间和结束时间。一些实施例包括避免检查每个可能开始时间的新颖调度器，从而节省了大量的处理时间。此外，本发明的实施例调度单波长光路，而现有技术的调度器依赖于复杂的波长移位方案。

[0130] 本发明的一些实施例维护存储关于被用来实现光网络的光放大器、光纤等的信息的数据库。每个这样的数据库存储关于当前在光网络中被照射的波长的信息，以及关于放大器等将在波长和功率水平的各种组合下导致的对光信号的减损的信息。该信息使得实施例能够自动地计算由于照射或熄灭网络的光纤中的波长而引起的对当前业务的减损的大小。如果减损的大小是可以容忍的，则视情况而定，自动地照射或熄灭波长，而不需要现有技术的手动试错法。然而，如果减损的大小是不可容忍的，则波长不被照射或熄灭，而是产生故障指示。无论哪种情况，都可以在几毫秒内快速获得结果，从而提高网络的效率。

[0131] 光网络

[0132] 图1是示出代表性的美国运营商骨干波分复用光网络100的美国地图。网络100具有由节点102,104和106表示的60个节点。如本文所使用的，“节点”包括诸如经由光合路器、光分路器或OXC，两个或以上光纤加入或分开的网络内的位置。本发明的实施例可以被部署在光网络100或另一光网络中并且被用来通过光网络100或另一光网络管理和调度数据传输。为了便于解释，参考光网络100描述示例性实施例，然而，这些和其他实施例可以与其他光网络一起使用。

[0133] 节点102-106由链路108、110和112表示的77个链路互连。每个链路108-112在两个相邻节点102-106之间延伸。平均链路长度为约450公里。每个链路包括至少一个链路长度光纤，如由链路长度光纤114、116和118示意性地所示。

[0134] 如本文中所使用的，“链路长度光纤”是指在链路的各个端部之间延伸的单个光纤，或者总体上在链路的各个端之间延伸、端对端布置的一系列两个或以上连续光纤。“连续”是指在相邻光纤之间可选地与有源或无源光学装置，诸如光放大器、分路器、合路器或OXC光学地端对端耦合。连续的一组光纤提供穿过整个光纤集的全光路。为了提供足够的带宽，链路可以包括一个以上链路长度光纤。给定链路的所有链路长度光纤基本上平行，并且每个链路长度光纤在链路的相应端之间延伸。为了简化起见，链路长度光纤114-118在本文中被简称为光纤114-118。

[0135] 光放大器(未示出)可以被设置在节点102-106中的一些或全部处。可选地或替选地，取决于链路的长度，可以沿链路的长度设置一个或多个光放大器(未示出)。在图1的网络中，光放大器间隔约80公里。然而，节点、链路、光放大器、它们之间的距离等的数量是光网络的示例。可以使用本发明的实施例的其它光网络可以具有其它数量的节点、链路、光放大器、间隔等

[0136] 每个光纤114-118能够承载至少一个波长(“颜色”)的光，在本文中被称为“信道”。在网络100中，每个光纤114-118能够承载约200个信道，尽管信道的数量与本发明的实施例无关。通常，光纤114-118可以被用于光纤端部之间的单向或双向通信。通过调制光，在光纤
114-118上承载业务(数据、语音、视频等)。代表性的调制方案包括，但不限于，用于直接检测和相干检测的相移键控(PSK)、开关键控(OOK)和正交幅度调制(QAM)。使用OOK和直接检测来描述示例性实施例。然而，可以修改这些和其他实施例以使用相干检测和/或其他调制方案。

[0137] 尽管诸如城域网(MAN)(未示出)的较小的网络可以被耦合到网络100，并且可以通过隧穿网络100来实现其他网络(未示出)，为了简化说明，假设终端用户直接耦合到网络100的一些或全部节点102-106。终端用户耦合到的节点被称为“接入节点”。因此，例如，俄勒冈州的用户计算机120可以耦合到接入节点122，并且可以请求将业务传输到耦合到纽约的接入节点126的另一用户计算机124。

[0138] 为了避免波长移位，使用单波长，在从诸如接入节点122的源节点到诸如接入节点126的目的地节点的若干跳上，发送给定用户的业务。总而言之，由跳定义的链路被称为“路径”。路径从源接入节点延伸到目的地接入节点。用户计算机120和124之间，即接入节点122和126之间的业务的示例性路径128用粗线表示。

[0139] 有时基于成本选择路径，其中，每个链路具有关联的成本。在这种情况下，选择最低成本路径。可以诸如通过将路径的链路的成本相加来计算或分配路径的成本。成本可以基于沿着链路的链路长度光纤安装的光放大器的数量、链路的长度、安装和/或维护链路的实际成本、链路的业务容量和/或需求、一天中的时间、星期几、路径中的链路的数量或其他准则或其组合。

[0140] 如果路径的每个链路仅具有一个光纤，则路径和沿整个路径使用的单波长的组合被称为“光路”。如果路径中的至少一个链路具有1个以上光纤，术语光路是指延伸该路径的整个长度的一系列连续的链路长度光纤和沿光纤的整个系列使用的单波长。

[0141] 使用光路来实现数据传输的单个请求，通常是被称为“流”或“事务”的单个大数据传输。光路被专门分配给流，诸如在整个预定的传输时间期间。只要该流完成，光路的资源可用于其他流。应当指出，其他流可以沿其他路径。也就是说，只要流完成，光路的链路和波长不必再次一起用于后续的流。

[0142] 然而，单个用户的业务可能不合理地将光路分配给业务。在这种情况下，多个用户的业务可以诸如通过MAN或接入网聚合，并作为单一流呈现给骨干网100。另一方面，单个用户的业务可能超过单个光路的容量。在这种情况下，可以分配不一定沿相同的路径的多个光路以承载用户的业务。为了描述简单，假设没有用户聚合，并且假定单个光路足以用于用户的业务。

[0143] 如上所述，光放大器(未示出)被设置在节点102-106处和/或沿着链路108-112，以在光网络100中维持期望的光信号水平，特别是在光信号进入其他光放大器和光接收器(未示出)的情况下。另外，可以在节点102-106处设置OXC、光信号分路器、光信号合路器等(未示出)。总而言之，光纤114-116、OXC、光信号分路器、光信号合路器等定义光网络100的拓扑结构。

[0144] 图2是可以在网络100的节点102-106处找到的假设的一组光学组件的示意图。来自各个链路108-112的两个光纤200和202终止在第一OXC204的相应输入端口处。OXC的输出端口光学地耦合到光放大器206的输入端口。光放大器206可以包括由激光器210泵浦的EDFA208。光放大器206的输出端口光学地耦合到第二OXC212的输入端口，并且OXC212的相应输出端口光学地耦合到相应其它链路108-112的光纤214、216和218的末端。

[0145] 波长调度器

[0146] 图3是用于诸如光网络100的光网络的控制方案300的示意性框图。光网络100的节点102-106经由控制平面306可通信地耦合到网络控制器308。网络控制器308向节点102-106发送命令以控制网络100的光放大器、OXC等，诸如设置通过OXC的路径并且照射或熄灭由光发射器产生的光的波长。网络控制器308还向网络100的接入节点发送命令，诸如允许来自用户计算机、耦合到网络100的MAN等的业务。网络控制器308的这些操作中的至少一些操作由数据库310中的数据驱动。可选地，网络运营中心312可以将信息存储在数据库310中，诸如通过网络100建立长期光学连接。网络控制器308读取和写入数据库310中的信息以改变网络100的组件的状态或者反映组件的当前状态。

[0147] 根据本发明的实施例，调度器314接收在光网络100上传输业务的请求316。请求316以电子信号的形式，诸如导线上的电压、光纤上的光信号、经由有线或光学介质接收的消息分组或者任何其他适当的方式。例如，消息分组可以经由IP网络传送。该请求可以经由控制平面接收。调度器314还发送电子信号318，例如成功或失败指示。

[0148] 在一些实施例中，调度器314自动地将波长(信道)分配给业务。在一些实施例中，调度器314自动地确定波长是否可以被照射或熄灭，而不会不可接受地减损当前业务。在任一情况下，调度器314读取存储在数据库310中的信息以确定光网络100的当前状态，并且调度器将信息写入数据库310以命令改变网络100的状态。如上所述，网络控制器308使用数据库310中的信息，包括由调度器314写入的信息来控制网络100的组件的操作。

[0149] 在一些实施例中，调度器314排队请求以传输业务，诸如，如果传输业务的多个请求在相对较短的时间段内到达，诸如在调度器314正尝试调度一个这种请求时。为此，调度器314维护FIFO队列320。可选地，调度器314可以使如由标志或其他适当的指示符标识的传输业务的紧急请求不按次序，抢占其他请求，诸如在FIFO队列320上排队的请求。

[0150] 在一些实施例中，调度器314被实现为中央调度系统，并且在其他实施例中，调度器314被实现为分布式调度系统。例如，在分布式调度系统中，每个节点可以包括本地分布式调度器和数据库310的本地版本或数据库310的一部分。本地分布式调度器协作来共同调度光网络100上的业务。本地数据库可以通过任何传统的分布式数据库同步机制来同步。

[0151] 在任一情况下，通过写入数据库310，调度器314使网络控制器308经由控制面306发送信号以指示节点102-106。这些指令可以包括在节点102-106处配置诸如OXC(诸如图2中的OXC204或212)光学组件的指令。例如，这些指令可以指定通过OXC切换路径。作为执行指令的结果，节点102-106从源用户计算机(诸如用户计算机120(图1))接受数据，并且使用指定的波长，从指定的开始时间开始，在指定链路108-112中的指定光纤114-118上，在指定的持续时间内，将数据传送到诸如用户计算机124的目的地用户计算机。图4是调度器314的示意性框图。在本文中更详细地描述调度器314的组件。

[0152] 数据库

[0153] 数据库310存储关于光网络100的信息，其使得调度器314能够自动地将波长(信道)分配到业务和/或自动地确定波长是否被照射或熄灭，而不会不可接受地减损当前业务。

[0154] 图5是示出根据本发明的实施例，存储在数据库310中的信息500的示意图。信息500包括关于网络100的节点102-106的信息502、关于网络100的链路108-112的信息504、关于网络100的光纤114-118的信息506、关于网络100的光放大器，诸如放大器206的信息508以及关于网络100的其他光学组件，诸如光分路器、光合路器、OXC(OXC204和212)等的信息
510。

[0155] 关于节点102-106的信息502包括关于光网络100的每个节点102-106的信息。虽然图5示出每个节点在数据库310中的单独条目，但是可以不同地组织信息502，只要能够从信息502自动地确定关于每个节点的信息即可。例如，类似地配置的节点的条目都可以指描述节点的公共方面的单个区域。

[0156] 图6是示出根据本发明的实施例，对每个节点102-106，存储在数据库310中的信息600的示意图。图6的信息600对应于关于图5的信息502中的一个节点的信息。节点标识符
602唯一地标识节点102-106。节点位置604包含实现节点102-106的物理设备的地理位置，诸如城市、街道地址、楼层、岛屿、服务器等。二进制接入节点标志606指示节点102-106是否是接入节点。

[0157] 关于链路108-112的信息504(图5)包括关于光网络100的每个链路108-112的信息。尽管图5示出每个链路的数据库310中的单独条目，但是可以以不同方式组织信息504，只要能够从信息504自动地确定关于每个链路的信息即可。例如，类似地配置的链路的条目可以都指描述链路的公共方面的单个区域。

[0158] 图7是示出根据本发明的实施例，对每个链路108-112，存储在数据库310中的信息700的示意图。链路标识符702唯一地标识链路108-112。开始节点标识符704标识链路开始的节点102-106，并且结束节点标识符标识链路结束的节点102-106。总而言之，信息502和
504(图5)定义了直到链路级粒度的光网络100的拓扑结构。

[0159] 关于光纤114-118的信息506包括关于每个光纤114-118的信息。尽管图5示出每个光纤在数据库310中的单独条目，但是可以不同地组织信息506，只要能够从信息506自动地确定关于每个光纤的信息即可。例如，用于具有类似的特性的光纤的条目都可以是指描述光纤的公共方面的单个区域。

[0160] 图8是示出根据本发明的实施例，对每个光纤114-118，存储在数据库310中的信息800的示意图。光纤标识符802唯一地标识光纤114-118。链路标识符804标识该光纤是其一部分的链路。在一些情况下，若干光纤串联连接以从链路的一端延伸到链路的另一端，即形成一根链路长度光纤，可能具有安装在相邻的光纤之间的光放大器。在这些情况下，每个光纤被分配段号806。

[0161] 对在光纤114-118中可被照射的每个波长，信息800包括由标志808和810示例的二进制波长照射标志。每个标志具有当前状态，并且每个标志的状态指示是否在光纤中照射相应的波长。在812处存储光纤114-118的长度。对于可以在光纤114-118中照射的每个波长，信息800包括由因子814和816例示的波长衰减因子。如果用于在光纤114-118中可被照射的所有波长的衰减因子相同或相似，则可以仅存储一个衰减因子。类似地，如果波长范围具有相同或相似的衰减因子，则对每个这样的波长范围，存储一个衰减因子。因此，取决于光信号的波长，通过将光纤114-118的长度812乘以适当的衰减因子814-816，由调度器314计算穿过给定光纤114-118的光信号的衰减。

[0162] 调度器314将光网络资源分配给流以使光网络承载流。因此，调度器314调度路径的光纤114-118。隐含地，调度这些光纤包括沿路径调度光放大器、OXC等。该调度还包括配置要求配置的任何组件，诸如OXC。配置OXC包括定义将OXC的给定输入端口上的哪个波长切换到给定的输出端口。

[0163] 因为每个光纤114-118可以同时承载一个以上波长的光，所以调度器314调度每个光纤114-118上的各个波长。因为每个流表示有限数据量，所以每个流要求有限的时间量来在光网络100上传输。时间量至少部分地取决于网络的信令速度。因此，调度器314在足以传输流的时间量(持续时间)内，调度每个光纤/波长组合。

[0164] 例如，调度器314可以通过将待传输的数据量(诸如千字节)除以网络的速度(诸如每秒字节数)来计算持续时间，诸如以毫秒为单位。可选地，调度器314可以将持续时间舍入为任何期望的粒度级，例如达到最接近的5毫秒。可选地，可以将预定时间量或者预定的一小部分所计算的持续时间与该持续时间相加。这样的舍入或相加可以被用于诸如在传输错误的情况下包括重新发送一些数据的足够的时间(安全余量)。

[0165] 因为给定的光纤/波长组合不能被两个流同时共享，所以调度器314为每个流分配开始时间和持续时间。调度器314确保没有两个流同时使用相同的光纤/波长组合，即，没有两个流部分或完全重叠。应当注意，开始时间不一定与任何时钟同步，并且持续时间不一定是任何固定大小时隙的整数倍。因此，分配可能是相互不同步的。另外，一些分配可能比其他任务更长，即，其持续时间可能更长。

[0166] 光纤分配矩阵818存储识别哪些波长被分配以承载业务的信息，特别是用于每个这样的分配的开始时间和结束时间。通过从结束时间减去开始时间，可以计算分配的持续时间。图9是光纤分配矩阵818的示意图。在图9所示的实施例中，光纤分配矩阵818具有存储关于固定数目(N)分配的信息的空间。然而，在其他实施例中，光纤分配矩阵818的大小可以是动态的，以便于存储关于可变数目的分配的信息。

[0167] 如图9所示，光纤能够承载的每个波长由行902、904和906例示的行表示，以及可能的分配的数目由列908、910和912所示的列数(N)表示。行902-906在由单元914、916和918表示的各个单元处与列908-912相交。每个单元914-918表示分配。每个单元914-918具有存储分配的由开始时间920表示的开始时间和分配的由结束时间922表示的结束时间的空间。

[0168] 一旦分配期满，即在分配的结束时间922之后的时间，表示分配的单元可以被清零以指示该单元不再表示分配，或者该单元可以被立即重用以表示另一分配。因此，由光纤分配矩阵818中的条目表示的时间是光纤的各个波长不能用于承载其他业务的时间，并且光纤分配矩阵818中的任何条目未表示的时间分别是光纤的各个波长可用于承载业务的时间。在其他实施例中，每个单元包括指示相应的时间段是否是(a)被分配给流还是(b)可用于分配给流的标志。

[0169] 虽然行902-906被示意性地示出为连续单元，但是分配的每个行902-906可以被实现为单独元素的链路列表，每行具有头部(未示出)。指针可以被用来访问链表的元素。可选地或替选地，每行902-906可以被实现为数组，并且可以使用索引来访问该数组的各个元素。如本领域技术人员所知，任何其他适当的数据结构也可以被用于实现行902-906。

[0170] 开始时间920和结束时间922可以使用任何适当的系统时间和/或持续时间表示来表示。例如，开始时间920可以由自任意开始日期，诸如1970年1月1日00:00:00000以来的毫秒数来表示。这些表示可以具有任何适当的粒度，诸如1毫秒。

[0171] 注意，不是由行902-906表示的所有波长当前都可以在光纤中被照射。然而，当前未被照射的波长可以被调度以在将来被照射。在这种情况下，光纤信息(图8)还包括每个波长被调度以照射的时间(未示出)。未被照射的波长可以不被分配承载业务，至少在波长将被照射之前不具有开始时间920。因此，当前未被照射的波长可以被调度以在将来承载业务。

[0172] 可选地或替选地，指示哪些波长被分配以承载业务的信息以及相应的开始时间可以被存储为哪些波长可用以及可用时间的，而不是分配的时间的，对应开始和结束时间和/或持续时间。换句话说，光纤分配矩阵818可以存储关于光纤何时可用的信息，而不是关于光纤何时被分配的信息。可选地或替选地，对每个调度流，数据库可以存储指示哪些光纤和哪个波长被分配以承载流的信息。可选地或替选地，关于哪些波长被分配以承载业务的信息和分配的开始时间可以被组合在数据库中。

[0173] 分配持续时间的指示可被存储为例如分配将持续的时间量、分配结束的时间或提出的业务中的数据量，分配的持续时间可以通过提出的业务中的数据量除以预期的数据速率来计算。无论信息如何存储在数据库中，只要这些数据可以直接从数据库中读取或者由直接从数据库中读取的信息计算，信息就表示分配的开始时间和分配的结束时间。类似地，被称为“指示”某事的数据库中的其他信息可以被直接存储在数据库中，或者由存储在数据库中的信息计算。

[0174] 总的来说，信息502,504和506(图5)定义直到波长级粒度的光网络100的拓扑结构。

[0175] 关于光放大器的信息508包括关于每个光放大器，诸如参考图2讨论的光放大器206的信息。尽管图5示出每个光放大器在数据库310中的单独条目，但是可以不同地组织信息508，只要能够从信息508自动地确定关于每个光放大器的信息即可。例如，具有相似特性的光放大器的条目都可以指描述光放大器的公共方面的单个区域。典型地，给定品牌型号组合的光放大器实例具有相似的特性。

[0176] 图10是示出根据本发明的实施例，存储在数据库310中的用于每个光放大器的信息1000的示意图。光放大器标识符1002唯一地标识光放大器。节点/链路标识符和标记1004标识该光放大器是其一部分的节点或链路。如果光放大器被设置在节点中，则节点/链路标识符1004存储节点的标识符，并且标记被设置为指示标识符1004表示节点。另一方面，如果光放大器被设置在链路中，即在两个节点之间，则节点/链路标识符1004存储链路标识符，并且设置标志以指示标识符1004是链路。

[0177] 制造商/品牌/型号字段1006存储关于光放大器的信息。如上所述，给定制造商/制造商-型号组合的光放大器通常具有相似的特性。然而，例如，随着泵浦激光器210老化，这些特性可能随时间而改变。如果是这样，则字段1008存储安装光放大器或最近替换泵浦激光器的日期，以较晚者为准。可选地，泵浦激光器210的功率随时间降低的速率(未示出)可以被存储在信息1000中。因此，调度器314可以计算或估计泵浦激光器210的预期功率输出，由此，光放大器的功率输出。当前的激光器泵浦功率水平被存储在字段1014中。

[0178] 每个光放大器被耦合在两个光纤114-118之间，尽管一个或多个OXC、光分路器、光合路器等可以被耦合在光纤和光放大器之间，如参考图2所述。光放大器的网络拓扑位置由字段1010和1012表示，包含分别被耦合到光放大器的输入和输出的两个光学部件，即光纤、OXC等的标识符。

[0179] 对可以在光放大器的输入处被照射的每个波长，信息1000包括由标志1016和1018例示的二进制波长照射标志。每个标志指示相应的波长是否目前在光放大器的输入处被照射。如上所述，每个波长的光放大器提供的增益量取决于几个因素，包括在光放大器的输入处照射哪个和/或多少波长、每个照射波长的功率水平以及泵浦激光器的功率水平。信息1000包括总结该信息的减损矩阵1020。

[0180] 如图11中示意性所示，减损矩阵1020存储关于波长和功率水平的组合的信息。减损矩阵1020的行表示可以在光放大器的输入处被照射的波长的组合。例如，第一行1100代表被照射的波长1(λ1)。后续行1102表示与波长2(λ2)到波长n(λn)中的每一个组合，被照射的波长1(λ1)。后续行1104表示被照射的三个波长的所有组合。后续行1106表示被照射的四个波长的所有组合等等，直到代表所有波长被照射的行1108为止。

[0181] 由减损矩阵1020的列1110表示在光放大器的输入处被照射的波长的功率水平的所有可能的组合。减损矩阵1010的每个单元存储用于照射波长和功率水平的相应组合的减损特性。如在光放大器的输出处所看到的，减损特性可以是用于被照射的波长的功率输出水平的形式。

[0182] 在一些情况下，可以压缩或简化减损矩阵1020，诸如如果波长1100-1108和/或功率水平1110的若干组合具有相似的减损特性。在这些情况下，可以组合减损矩阵1020的行、列和/或单元。因此，存储在数据库中的信息可以仅用于一个或几个波长，只要可以从信息中导出对其他波长的减损。可选地或替选地，在一些实施例中，一个或多个公式被存储在减损矩阵1020中，并且公式被用于计算减损特性，而不是在表格中查找它们。

[0183] 可以诸如通过测量输入波长和/或功率水平的各种组合的输出功率水平，经验地确定减损特性的值。这些测量可以对预期用在光网络100中的光放大器品牌和型号的代表性样本来执行。代替测量用于输入波长和功率水平的所有组合的输出功率水平，可以测量由输入的代表性组合产生的输出的度量，并且可以从测量值推断或估计其他组合的减损特性。可选地，该信息可以从光放大器的制造商处获得。类似地，如果使用公式，则可以从制造商经验地确定、估计、外推和/或获得公式。

[0184] 在一些情况下，一个外壳包围多个光放大器。每个这样的光放大器应当被视为数据库500中的单独的光放大器。

[0185] 关于光分路器、光合路器、OXC等的信息510包括关于每个光分路器、光合路器、OXC，诸如参考图2所述的OXC204和212等的信息。虽然图5示出用于每个光分路器、光合路器、OXC等的数据库310中的单独条目，但可以不同地组织信息510，只要关于每个光分路器、光合路器、OXC等的信息可以自动地从信息510中确定。例如，被类似地配置或设置的光分路器、光合路器、OXC等的条目均可以指描述光分路器、光合路器、OXC等的公共方面的单个区域。

[0186] 图12是示出根据本发明的实施例，存储在数据库310中的用于每个光分路器、光合路器、OXC等的信息1200的示意图。单元标识符1202唯一地标识光分路器、光合路器、OXC等。编码类型字段1204指示信息1200表示哪种设备，即光分路器、光合路器、OXC等。节点标识符
1204标识该单元被布置在其中的节点。

[0187] 字段1208和1210分别存储单元具有的输入数和输出数。对于单元的每个输入，由字段1212和1214例示的各个字段存储耦合到单元的输入的光学上最接近的光纤、光放大器，OXC等的标识符。类似地，对于单元的每个输出，由字段1218和1220例示的相应字段存储耦合到单元的输出的光学上最接近的光纤、光放大器、OXC等的标识符。对于可能穿过该单元的每个波长，由字段1224和1226表示的各个字段存储可归因于该单元的衰减因子。如果所有或几个波长将被类似地衰减，则可以组合所有或者几个字段1224-1226。

[0188] 波长调度器操作

[0189] 如上所述，图4是根据本发明的实施例，调度器314的示意性框图。图13是根据本发明的实施例，示意性地示出由调度器314执行以经由波分复用光通信网络(诸如光网络100)，调度数据传输的操作的流程图。调度器314或者调度器314的组件可以由组合逻辑实现，并且操作可以由组合逻辑，由现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、执行在存储器中存储的指令(软件)的专用处理器或通用处理器执行。在1300处，关于光网络的拓扑的信息被存储在诸如数据库310(图4-12)的数据库中。该信息包括关于每个光纤中的哪个(哪些)波长被照射以及哪个被照射的波长被分配以承载业务的信息。对于每个分配，数据库310存储开始时间和结束时间，如参考图9所述。

[0190] 可选地，关于当前未被照射但是被调度将来被照射的波长的信息可以被存储在数据库中。该信息包括关于哪个光纤将具有被照射的波长以及何时波长被照射的信息。如果将这样的将来照射信息存储在数据库中，则关于分配的信息可以包括关于将要求将来被照射的波长的将来分配的信息。

[0191] 在1302处，诸如由业务请求接收器400(图4)接收传送提出的业务的请求。该请求可以经由诸如导线上的电压、光纤上的光信号、经由有线或光学介质接收到的消息分组等的电子信号或任何其他适当的方式来接收。例如，消息分组可以经由IP网络传送。该请求可以经由控制平面来接收。

[0192] 请求指示业务将在其间承载业务的源接入节点和目的地接入节点以及待传输的数据量。无论用户希望传输多少数据，待传输的数据量可以由传输数据所需的时间量或用户请求的时间量来表示。每个指示可以通过消息中的字段或标志、特定导线或导线组合上的电压，或通过任何其他适当的机制。如果调度器314忙，则业务请求排队器401可将业务请求排入FIFO队列320中。

[0193] 在1304，分配持续时间计算器402(图4)计算提出的传输的持续时间(提出的分配)。如上所述，可以通过将传输大小除以网络信令速率，可选地，舍入和/或相加安全余量，计算持续时间。

[0194] 在1306处，链路长度光纤搜索引擎404搜索在足够长时间段内可用于适应所计算的提出的业务的持续时间的第一(即，最早的)可用照射光路(波长/光纤组合集合)。光路包括从源接入节点连续地延伸到目的地接入节点并且都具有至少一个被照射的公共波长，但是当前没有被分配以至少在计算的持续时间内承载业务的一系列光纤。如果找到这样的可用光路，则记录其开始时间。

[0195] “公共”是指在所有光纤中都是相同的。因此，如果找到该光路，则在光路的所有光纤中当前照射公共波长。在光路的光纤中可能有一个以上公共波长被照射。插入在光纤端部之间的光放大器、OXC、光分路器、光合路器等不被认为是破坏光纤的邻接性，只要公共波长可以通过光放大器、OXC、光分路器、光合路器等等传递到到下一光纤上。

[0196] 可选地，调度器还可以搜索被调度以在将来被照射并且将能够适应所计算的持续时间的光路。

[0197] 在1308处，如果调度器发现至少一个这样的光路，则控制转到1310。在1310处，如果一个波长在光路的所有光纤中被照射并且当前未被分配以承载业务，则波长由波长选择器406(图4)选择。如果找到一个以上这样的波长，则由波长选择器406(图4)选择其中一个波长。选择可以是任意的。替选地，可以选择最低编号的波长或最短波长，或者可以使用一些其他选择准则。例如，可以选择波长以使得所分配的波长尽可能地在波长上“聚拢”在一起，或者波长可以被分开以使串扰最小化。

[0198] 在1312处，通过数据库更新器408(图4)，在数据库310中存储(更改)信息，以指示所选的波长被分配以从所提到的开始时间开始承载光路的每个光纤上的业务。通过将计算的业务的持续时间与所提到的开始时间相加，计算分配的结束时间，并且该结束时间也被存储在数据库310中。

[0199] 在1314，成功/失败信号发送器410发送指示成功的电子信号。该信号指示选择哪些光纤以及选择哪个波长来传输提出的业务。该信号还可以指示开始时间和持续时间或结束时间。与请求传输业务的信号一样，成功信号可以被发送为导线上的电压、光纤上的光信号，通过有线或光学介质发送的消息分组或任何其他适当的方式发送。消息分组可以在控制平面上，经由IP网络传输。

[0200] 返回到1308，如果调度器没有找到适当的光路，则控制转到1316或1318，这取决于如何实现调度器314。

[0201] 在一个实施例中，如果调度器314无法找到适当的光路，则在1316，成功/失败信号发送器410发送指示调度提出的业务的传输失败的电子信号。与请求传输业务的信号和成功信号一样，失败信号可以被发送为导线上的电压、光纤上的光信号、通过有线或光学介质发送的消息分组或任何其它适当的方式发送。消息分组可以在控制平面，经由IP网络传输。可以通过消息中的字段或标志、导线上的电压、对请求的响应(诸如根据协议)或任何适当的方式来指示失败。

[0202] 在另一实施例中，如果调度器314不能找到适当的光路，则在1318，尝试照射光网络中的另一波长，以增加足以传输提出的业务的网络的带宽。下文介绍这样的实施例的描述，涉及自动地评估在波分复用光通信网络中增加或删除信道所导致的业务减损。

[0203] 根据本发明的实施例，可以根据图14中的流程图，执行搜索可能的光路的至少一部分，即操作1306。由图14的流程图概括的过程有效地找到波长和开始时间，而不用检查提出的路径的所有可用波长-开始时间组合，从而与现有技术相比，提高调度光网络中的业务的计算机系统的效率。

[0204] 在1400处，由路径确定器414(图4)确定光路的路径。如上所述，路径从源接入节点连续地延伸到目的地接入节点。路径包括从源接入节点延伸到目的地接入节点的连续的一系列链路。具体地，路径链路包括被耦合或切换，或者可以诸如通过改变一个或多个OXC的设置而被切换的光纤，以形成从源接入节点到目的地接入节点的连续光路。

[0205] 如图15中的流程图所示，可以通过选择最短路径1500，即，具有源接入节点和目的地接入节点之间的最少链路数的路径，进行路径的确定。可选地或替选地，可以通过选择最低成本路径1502，即，具有最低总链路成本的路径来进行确定，其中，每个链路与相应的成本相关联。链路成本可以反映：在链路上传输数据的货币成本，诸如安装、运营和维护链路的分摊成本；在链路上承载业务的平均需求；与链路相关的资源稀缺；链路的物理长度；沿链路设置的EDFA的数量；任意值；另一度量；或其组合。可选地或替选地，可以通过从另一系统或子系统接收诸如IP消息的电子信号1504来进行确定，其中，电子信号指示路径的链路。可选地或替选地，该确定可以通过一些其他选择准则来进行。

[0206] 在任何情况下，在实施例中，考虑一条路径。在其他实施例中，如果使用根据图15确定的路径不能进行适当的分配，则自动地选择另一潜在路径，并且调度器尝试在另一潜在路径中找到适当的分配。该过程对于预定多个路径或对于所有可能的路径重复，或者直到满足一些其他停止准则为止。可选地或替选地，调度器可以同时考虑一个以上的路径，因为它尝试为提出的业务找到适当的分配。

[0207] 回到图14，在1402处，由下限设置器416(图4)设置用于开始时间的下限。下限被设定为考虑的最早开始时间，诸如当前时间或将来的时间。然后，调度器进入循环。该循环搜索路径可用于传送提出的业务的开始时间，包括可用于所需的持续时间或直到计算的结束时间(开始时间加持续时间)为止。但是，调度器并没有详尽地检查每个波长/开始时间组合。替代地，该循环包括两个阶段(1404-1406和1408-1410)，其使得该循环的一个遍历跳过几个不能用于承载提出的业务的开始时间。这两个阶段有助于所公开的系统和方法的效率，并且与现有技术相比，构成显著的改进。

[0208] 为了简化起见，在以下描述中，假设光网络100仅以一个波长操作，尽管每个链路108-112可以包括一个或多个光纤114-118。然而，随后，该描述被扩展到覆盖多个波长。

[0209] 在1404处，对于路径的每个链路，第一最早开始时间查找器418找到最早的，但不早于下限的，链路的任何链路长度光纤可用于承载提出的业务。也就是说，对于路径的每个链路，当该链路中的光纤没有被分配以承载业务并且在所需持续时间内可用时，调度器找到最早开始时间。如上所述，链路108-112可以包括一个以上的光纤114-118。因此，搜索找到每个链路中的流的最早可能开始时间。搜索可以对路径的每个链路，产生不同的最早可能开始时间。最早可能开始时间的集合被称为“第一开始时间集”。

[0210] 流不能在最早的链路变得可用之前开始。此外，整个路径在最新的链路变为可用之前不能变得可用，因为直到最后一个链路可用为止，整个路径都不可用。在1406，第一开始时间集中的最近开始时间被第一候选开始时间选择器420(图4)认为是“第一候选开始时间”。这是路径可用的最早时间。但是，不能保证在第一候选开始时间整个路由将可用。

[0211] 当路径的所有链路都可用时，调度器314寻找开始时间。因此，调度器314可以通过第一候选开始时间继续搜索。也就是说，调度器可以安全地忽略比第一候选开始时间更早的开始时间。导致选择第一候选开始时间的方式的洞察使得调度器能够快速跳过不能被用于承载提出的业务的开始时间，并且与现有技术相比，构成调度器效率的显著提高。

[0212] 在1408处，调度器314再次找到路径的每个链路的最早未分配开始时间，这次通过第二最早开始时间查找器422(图4)找到不早于第一候选开始时间的最早未分配开始时间。这有效地跳过了不能被用来承载提出的业务的开始时间。对于路径的每个链路，当该链路中的光纤未被分配承载业务并且在所需持续时间内可用时，调度器查找最早开始时间(不早于第一候选开始时间)。同样地，搜索可以对路径的每个链路产生不同的最早可能开始时间。在该阶段期间找到的最早可能开始时间的集合被称为“第二开始时间集”。

[0213] 如在第一阶段中那样，流不能在最早的链路变得可用之前开始，并且整个路径在最近的链路变得可用之前不可用。因此，在1410，通过第二候选开始时间选择器424(图4)，将第二开始时间集中的最近开始时间视为“第二候选开始时间”。这是路径能可用的最早开始时间。但是，不能保证整个路径在第二候选开始时间可用，除非第一和第二开始时间相等。如果第二阶段找到与第一阶段找到的相同的开始时间，则第一候选开始时间既是路径中的任何链路可用的最早开始时间，也是路径中的任何链路都可用的最近开始时间，这意味着该路径在该开始时间可用，调度器成功。

[0214] 因此，在1412，比较器426(图4)将第一候选开始时间与第二候选开始时间比较。在1414处，如果候选开始时间相同，则控制转到1416，其中，第一候选开始时间由公共开始时间选择器430(图4)选择以承载提出的业务。

[0215] 在1418处，对路径的每个链路，由链路长度光纤选择器432(图4)选择在所选的开始时间处、并且在所计算的持续时间内可用的光纤，从而聚合选择从源接入节点连续地延伸到目的地接入节点的一组光纤。从每个链路中的一个或多个可用光纤中选择可用光纤可以是任意的，因为每个链路中的可用光纤基本上是可替换的。然而，光纤的选择可以包括诸如在可用光纤中有多少和/或哪些波长(信道)被照射的考虑因素，以便在可用光纤之间均等地分配业务，或替选地，将业务编组在一起。

[0216] 在1420，调度器发送指示成功的电子信号，包括指示选择的开始时间持续时间和所选的一组光纤。与其他信号一样，成功信号可以发送为导线上的电压、光纤上的光学信号、通过有线或光学介质发送的消息分组或任何其他适当的方式发送。消息分组可以在控制平面上，经由IP网络传输。

[0217] 然而，如果在1414，第一候选开始时间和第二候选开始时间不相等，则控制转到1422，其中，循环控制器428(图4)检查停止准则。在1424，如果不符合停止准则，则控制转到
1426，其中，由下限设置器416(图4)将下限设置为第二候选开始时间，然后控制返回到
1404。操作1404-1414和1422-1426形成循环。停止准则(1422)可以包括通过循环的最大迭代次数。可选地或替选地，当第二候选开始时间达到预定最大值，诸如将来的预定时间量时，可以满足停止准则(1422)。

[0218] 在1414处，如果满足停止准则，则控制转到1428，其中，成功/失败信号发送器410(图4)发送指示失败的电子信号，即，不能找到可用的分配。与其他信号一样，失败信号可以发送为导线上的电压、光纤上的光学信号、通过有线或光学介质发送的消息分组或任何其它适当的方式发送。消息分组可以在控制平面上，经由IP网络传输。

[0219] 如上所述，为了简化起见，图14的描述假定光网络100仅以一个波长操作。然而，对光网络100中的每个可能波长、每个被照射波长或者被调度以照射的每个波长，重复参考图14所述的操作。图16是示出根据本发明的实施例，可以如何改进图14中的操作以遍历所有照射波长的流程图。在1600处，将索引设置为表示第一照射波长。在1602处，执行图14的操作1402-1412。在1604，如果更多的照射波长存在，则控制转到1606，其中，索引增加以表示下一照射波长，然后控制返回到1602。

[0220] 图16的流程图可以被修改以对每个可能的波长或者对被照射或者被调度以照射的每个波长，重复操作1402-1412。在后一种情况下，操作1404和1408被修改以当波长被照射或被调度以照射时，找到最早未分配开始时间。

[0221] 可选地或替选地，操作1404和1408可以被修改为也遍历所有可能波长或被调度以照射的波长。

[0222] 图17是根据本发明的实施例，示意性地示出由调度器314执行以找到用于提出的流的可用开始时间的操作的流程图。操作1404和1408(图14)可以包括图17中图示的操作。

[0223] 在1700处，如果波长/光纤组合不具有当前分配，则控制转到1702，其中，返回可以使用任何开始时间的指示。另一方面，如果在1700处，波长/光纤组合具有至少一个当前分配，则控制转到1704。

[0224] 图17的流程示出循环。循环的每次遍历检查现有的分配，检查足够大以适应提出的业务的分配之间的“间隙”。在遍历循环期间使用变量T来表示考虑的开始时间。另一变量I被用于索引或指向波长/光纤组合的现有分配中的一个，诸如参考图9所述的单元914-918中的一个。D表示适应提出的业务所需的分配的持续时间。在1704处，将T设定为等于待考虑的初始开始时间，诸如当前时间。在1706，I被设置以索引或指向第一分配。

[0225] 在1708处，将变量TS设置为正被检查的分配的开始时间，并且将另一变量TE设置为正被检查的分配的结束时间。在1710，将T与TS比较。如果T小于TS，即，如果正考虑的开始时间(T)早于正被检查的分配的开始时间(TS)，则控制转到1712。在1712，如果(T+D)小于TS，即，如果提出的业务持续时间(D)在被检查分配之前适合，则控制转到1714。如果在被考虑的开始时间(T)和被检查的分配的开始时间(TS)之间有足够的时间(D)，则提出的业务持续时间(D)在被检查的分配前适合。在1714，提出的开始时间(T)被选择为用于提出的业务的开始时间。

[0226] 另一方面，如果判定操作1710或1712中的任一个的结果为否定，则控制转到1716，其中，计算待考虑的下一开始时间(T)。待考虑的下一开始时间(T)被设定为等于TE，即，被检查的分配的结束时间。然后控制前进到1718，其中，索引(I)被提前到待检查的下一分配(如果有的话)。在1720，如果还有至少一个待考虑的分配，则控制返回到1708，否则控制转到1722。

[0227] 在1722处，如果提出的业务在上次分配之后合适，则控制转到1724，其中，在1716处，被设置为最后分配的结束时间(TE)的最近提出的开始时间(T)被选定为提出的业务的开始时间。另一方面，如果提出的业务在上次分配后不适当，则控制转到1726，其中，返回失败指示。

[0228] 示例：调度波长

[0229] 图18、19和20示意性地示出在假设的一组现有分配的场境中(图19)，对在由三个链路1808、1810和1812组成的假设路径上，将业务从源接入节点1800(图18)传送到目的地接入节点1802的假设示例性请求，如参考图14-16所述的波长调度。假设业务在由线1900的长度所示的持续时间内需要光路。当然，本发明的实施例能够处理更长和更短的路径以及其他持续时间。

[0230] 在图19中，时间向右推进，如箭头1902所示。对该示例，假定三个链路1808-1812中的光纤已经被分配以承载业务，如图19所示。例如，链路1(1808，图18)被分配在T5和T6之间、T9和10之间并且从T13开始承载业务。链路2(1810，图18)被分配在T2和T4之间、T7和T8之间并且从T12开始承载业务。如前所述，为了简化起见，该示例假定网络以每个链路仅一个波长和仅一个光纤工作，并且停止准则，即操作1422和1424，被忽略。

[0231] 图20(图20A和20B)概括图14的操作的各个阶段的关键变量的状态。假设在循环的开始处，即操作1404-1414和1422-1426(图14)，下限是T0(2000，图20)。操作1404的结果如下：找到的最早开始时间为：T0(对链路1)、T0(对链路2)和T3(对链路3)(2002)。因此，根据操作1406，这些“最早”开始时间的最近开始时间为T3(2004)，因此第一候选开始时间是T3。

[0232] 在操作1408中，搜索从第一候选开始时间(T3)开始(2006)。操作1408的结果如下：找到的最早开始时间是：T3(对链路1)、T4(对链路2)和T3(对链路3)。因此，根据操作1410，这些“最早”开始时间中的最近开始时间是T4(2008)，因此第二候选开始时间是T4。

[0233] 在操作1412中，比较第一和第二开始时间(2010)。此时，T3和T4不相同，因此控制转到1426。将下限设置为第二候选开始时间(T4)(2012)，并且重复操作1404-1412。注意，作为调度器如何有效地搜索所有链路1708-1712可用的开始时间的示例，跳过两个可能开始时间，即T1和T3。

[0234] 在通过循环第二次开始时，下限是T4。操作1404的结果如下：找到的最早开始时间是：T6(对链路1)、T4(对链路2)和T4(对链路3)。因此，根据操作1406，这些“最早”开始时间中的最近开始时间为T6(2014)，因此，第一候选开始时间是T6。

[0235] 在操作1408中，搜索开始于第一候选开始时间(T6)。操作1408的结果如下：找到的最早开始时间是：T6(对链路1)、T8(对链路2)和T6(对链路3)。因此，根据操作1410，这些“最早”开始时间的最近开始时间是T8(2016)，因此，第二候选开始时间是T8。

[0236] 在操作1412中，比较第一和第二开始时间(2018)。此时，T6和T8不相同，因此，控制转到1426。将下限设置为第二候选开始时间(T8)(2020)，并且重复操作1404-1412。注意，作为调度器如何高效地搜索所有链路1708-1712可用的开始时间的示例，跳过两个开始时间，即T4和T6。

[0237] 在通过循环的第三次开始时，下限是T8。操作1404的结果如下：找到的最早开始时间是：T8(对链路1)、T8(对链路2)和T8(对链路3)。因此，根据操作1406，这些“最早”开始时间中的最近开始时间是T8(2022)，因此，第一候选开始时间是T8。

[0238] 在操作1408中，搜索在第一候选开始时间(T8)开始。操作1408的结果如下：找到的最早开始时间是：T8(对链路1)、T8(对链路2)和T8(对链路3)。因此，根据操作1410，这些“最早”开始时间中的最近开始时间是T8(2024)，因此，第二候选开始时间是T8。

[0239] 在操作1412中，比较第一和第二开始时间(2026)。此时，T8和T8相等，所以控制转到1416。因此，调度器仅需要循环的三次遍历以确定T8是所有链路1708-1712至少在所需持续时间内均可用时的最早开始时间。

[0240] 在随后的文本中提供了对上述实施例的附加描述。

[0241] 由添加或删除光信道而导致的业务减损

[0242] 如上所述，如果调度器314(图3)无法找到用于提出的业务的适当光路，则在1318(图13)，调度器尝试照射光网络中的另一波长(“提出的波长”)，从而增加网络的带宽以传输提出的业务。然而，照射提出的波长会使得当前正在被承载或者被调度在将来承载的其他业务受到已经被照射的波长和/或被调度将来被照射的波长不利地影响。该其他业务可以遍历与提出的业务相同的分支或者光学地连接到承载提出的业务的分支的网络的其他分支。照射一条光纤中的提出的波长会不利地影响其他光学连接的光纤中的业务。类似地，熄灭照射的波长会不利地影响正由网络的相同分支或其他分支中的其他波长承载的其他业务。这些不利影响在本文中被称为“减损”或“间接减损”。

[0243] 本发明的实施例自动地计算将施加于两类业务上的减损：(a)提出的新业务和(b)当前或已经调度的业务。本发明的实施例自动地计算由照射提出的业务的提出的波长，然后熄灭波长，即建立和拆除提出的信道，而导致的其它业务的间接减损的程度。另外，这些实施例自动地计算将由其他业务，包括将来被调度以处理的其他业务，引起的提出的业务的减损程度。请注意，被调度以在将来处理的其他业务可以包含在调度的时间照射，然后可能熄灭又一波长。

[0244] 基于由调度器314(图3)选择的光路和数据库500(图5)中关于所选择的光路的信息，对用于承载提出的业务的提出的光路计算减损。类似地，基于它们各自的光路和关于这些光路的信息，计算当前或将来调度业务的减损。如上所述，数据库500包括关于沿着光路设置的光纤、光放大器、OXC等的信息，包括衰减因子和由各种组件施加的减损，基于这些照射波长。因此，对提出的光路以及对承载或被调度以承载其他业务的光路，计算误比特率(BER)和/或信道质量的任何其他适当的度量。可以根据沿每个光路设置的组件(诸如光纤114-118和EDFA)的衰减和/或增益来计算信道质量。

[0245] 所计算的间接减损的程度被自动地与可接受的阈值比较。选择阈值，使得处于或低于阈值的减损不会不利地影响网络操作。例如，在减损不超过阈值的情况下，所有光学检测器的光信号水平仍然在可接受的范围内。然而，超过阈值的减损导致这些光信号水平中的至少一个变得不符合规范，例如，在一些链路上不可接受地增加期望的误比特率。没有或者可接受的低减损的光路称为“合格”，而具有不可接受的减损的光路称为“不合格”。

[0246] 如果间接减损未超过可接受的阈值，则波长被照射或被调度以照射(为了简化说明，统称为“被照射”)。也就是说，如果：(a)提出的光路(具有被照射以承载提出的业务的波长)将在其整个提出的持续时间内合格，不管目前和调度的其他业务，以及(b)在各个调度的时间建立和拆除提出的光路将不会取消任何其他当前或将来的调度光路的资格，则波长被照射。然而，如果任何间接的减损将超过可接受的阈值，则波长不被照射，并且在一些实施例中，检查待照射的不同的提出的波长和/或检查不同的提出的光路，或者拒绝或推迟提出的业务。

[0247] 这些计算和比较可以非常快速地以数十毫秒或更少的速度由计算机执行，比现有技术的添加或删除信道的试错处理快得多，并且肯定远快于由人执行。如上所述，现有技术的过程包括在跳变中手动地渐升或渐降光信号水平，并且手动地检查提出的路由的现有信道和与提出的路由光学连接的其他跳中的不可接受的减损。“渐变”是指逐渐地单调改变光信号水平。

[0248] 目前，该现有技术过程花费约17分钟来添加或删除用于海岸间连接的信道。该时间长度的一个原因是在每个渐变期间需要多次测试减损的水平，以确定是否有任何减损正在接近阈值。如果达到阈值，则中止渐变，以避免不可接受地减损任何正在进行的业务。因此，本发明的实施例显著地提高了光通信网络承载业务的效率，包括网络添加承载提出的新业务的信道的响应性。实际上，本发明的实施例使得使用现有技术的手动过程不可能的网络操作成为可能。例如，本发明的实施例使得有可能在需要时自动地照射另外的波长并且在不再需要时熄灭波长，即，本发明的实施例使得可以自动地动态管理光网络中的带宽。

[0249] 添加或删除照射波长所需的计算和比较不能在所需的时间范围内由人来执行。以数十或数百毫秒为单位指定所涉及的许多光路的调度开始和结束时间，并且每个调度的业务传输通常涉及约10个链路，可能更多。当人类能够计算即使一条链路的减损时，其他业务就已经被网络承载，使得人类的计算太迟而无法确定提出的波长是否在不影响其他业务的情况下被照射。因此，只能诸如通过计算机自动地完成信道(波长)的计算和比较以及随后的设置和拆除。

[0250] 此外，这些实施例不同于现有技术的过程操作。这些实施例不简单地自动化现有技术的步骤。替代地，这些实施例计算在没有实际上对网络中的光信号水平进行任何改变的情况下，添加或删除信道(波长)是否会不可接受地减损其他业务。只有确定这样做不会不可接受地减损网络中的其他业务并且其他网络业务不会不可接受地减损提出的业务时，才改变光信号水平，例如，照射波长。

[0251] 另外，如果波长被照射，则波长可以初始地以其最终功率水平照射。如在现有技术中那样，不需要渐变功率水平。

[0252] 调度器314和参考图13所述的处理可以被修改以使其“减损感知”。假设每个OXC引入小于约1dB的损失，则与总的预期路径损耗约20分贝或以上相比，OXC损失可以被忽略。在该假设下，EDFA是网络中的增益噪声的主要来源。沿链路的EDFA的数量通常与链路的长度成正比。因此，物理上较短的链路可能包括比物理上较长的链路更少的EDFA。因此，物理上较短的链路可能具有比物理上较长的链路更少的增益噪声。在网络逻辑拓扑图中，可以根据沿着网络的对应链路设置的EDFA的数量，加权图的每个边。这样的图可以被用在选择路径，诸如操作1500、1502或1504(图15)中。

[0253] 如上所述，避免不可接受的减损要求提出的光路在其整个提出的持续时间内是合格的，不管其他当前的业务和调度的将来业务，即第一类业务必须不被不可接受地被减损。图21被用于解释确定提出的光路是否合格的过程。图21包括示意性时序图2100，示出包括在三跳h1、h2和h3中被提出的照射以承载提出的业务的波长ω的假想情况。波长将在每一跳中被照射的时间量由相应的条2102、2104和2106的长度指示。

[0254] 当提出的波长ω被开启时，每个条2102-2106具有各自的开始时间Ts，并且当波长ω被提出的关闭时，具有各自的结束时间Te。实际情况是，给定光速和光穿过典型网络100(图1)所花费的时间量，用于条2102-2106的所有开始时间Ts可以相同，并且用于这些条2102-2106的所有结束时间Te可以相同。然而，在大型光网络中，开始和结束时间Ts和Te对连续跳h1-h3可以是错开的。为了简化说明，假设相同的开始时间Ts和相同的结束时间Te。

[0255] 假定沿与提出的业务的光路相同或至少光学耦合到提出的业务的光路的光路，三个其它波长ω1、ω2和ω3当前正用来承载业务和/或被调度承载业务。为了简化起见，假设其他三个波长ω1、ω2和ω3被用在与提出的业务相同的三个跳h1-h3中。诸如条2108、2110、2112、2114和2116的条表示在三个跳h1-h3中，照射或被调度照射ω1-ω3的时间跨度。例如，波长ω1被调度以在条2108的开始(左端)被开启，并且在条2108的末端(右端)被关闭。但是，注意，给定波长ω1-ω3的所有条不需要与单个业务事务(流)相关联，即，给定波长ω1-ω3的所有条不需要表示业务在两个给定接入节点之间流动的时间。例如，条2108可以表示包括一对接入节点的一个流，并且条2110可以表示包括不同接入节点对的完全不同的流。

[0256] 从图21，可以看出由条2108表示的波长ω1将在时间Ts和Te之间被照射和熄灭，即，波长ω1将在波长ω开启的同时建立和拆除并且将承载提出的业务。换句话说，由条2108表示的、在跳h1上由波长ω承载的业务与提出的业务重叠。因此，开启波长ω1或关闭波长ω1将会影响提出的业务的光路质量。因此，应当计算在跳1上，即在条2108的开始和结束处，建立和拆除波长ω1所引起的提出的业务的减损。

[0257] 由条2112表示的波长ω2将在时间Ts和Te之间熄灭。因此，在条2112的末端拆除波长ω2会减损由波长ω承载的提出的业务。应当计算这由该拆除造成的减损。

[0258] 由条2114表示的波长ω2将在时间Ts和Te之间开启。因此，在条2114的开始处建立波长ω2会减损波长ω承载的提出的业务。应当计算由该建立造成的减损。

[0259] 在时间Te之后开启由条2110表示的波长ω1。因此，在条2110开始处建立波长ω1不会导致对由波长ω承载的提出的业务的任何减损。因此，不需要与该建立有关的减损计算。

[0260] 在时间Ts和Te之间开启由条2116表示的波长ω3。因此，在条2116的开始处建立波长ω3会减损由波长ω承载的提出的业务。应当计算由该建立导致的减损。

[0261] 因此，当由于同一光纤或光学耦合到该光纤的光纤中的另一波长(例如，ω1-ω3)的状态变化导致配置改变时，通过(a)在提出的业务开始时，即，在Ts，以及(b)Ts和Te之间的每个时刻，检查波长ω的信道质量，能检查上文所述的第一条件，即在其整个提出的持续时间内，用于提出的业务的光路是否合格，不管当前和调度的其他业务。“配置改变”是指在光纤中照射的波长的组合变化，或一个波长的功率水平变化。“状态改变”是指开启或关闭波长(例如，ω1-ω3)。

[0262] 通过验证对重叠提出的光路，即，在Ts和Te之间开启的每一当前或将来调度的光路，当前或将来调度的光路在光路的配置的每一变化时是合格的，来检查上述第二条件，即建立和拆除提出的光路将不会取消任何其他当前或将来的调度光路的资格。换句话说，对与提出的光路重叠的每个当前或将来调度的光路，在提出的光路或另一当前或将来调度的光路被照射或熄灭的每个时间点检查质量。

[0263] 减损感知波长调度器操作

[0264] 可以改进参考图14-16所述的操作，以使得已知这些操作减损。图22包含示意性地示出用于确定提出的业务的光路的减损感知过程2200的流程图。图22的过程2200调用参考图14-16所述的过程的至少一些。

[0265] 在2201处，路径确定器414(图4)自动地确定从源接入节点到目的地接入节点的用于提出的业务的光路的可能路径。操作2201基本上与先前参考图14所述的操作1400相同。

[0266] 在2202，路径确定器414(图4)查询包括光纤分配矩阵818(图9)的数据库310以自动地确定最后一个已经调度的业务(流)将结束的时间，即，已经调度的事务中的最近结束时间。最后结束时间被存储在名为tmax的变量中。

[0267] 在2204，路径确定器414为提出的业务(流)选择初始候选开始时间(t0)。初始候选开始时间(t0)可以是例如当前时间。控制传递到包含操作2206到2238的循环的开始。在循环的每次遍历中，处理考虑用于提出的业务的连续的候选(提出的)开始时间(t0)，直到找到适当的光路，即，无减损的光路，或未找到适当的光路为止。变量t0在循环的每次遍历之前被提前。

[0268] 在2206，执行图16的操作1600-1606。如前参考图16所述，执行操作1600-1606。操作1602执行图14的操作1402-1412。如前参考图14所述执行操作1402-1412。假定将在时间t0开始发送提出的业务，执行操作1600-1606和1402-1412。操作1600-1606和1402-1412自动地确定可用于在处理提出的业务所需的整个持续时间内，处理沿在操作2201中确定的光路，所有链路上的提出的业务的最早可用波长(如果有的话)。如果操作1600-1606和1402-1412成功，则这些操作返回能处理提出的业务的事务的波长、开始时间和结束时间，否则这些操作返回失败指示。

[0269] 在2208处，将用于提出的业务的提出的开始时间(t0)与最后一个已经调度的事务的结束时间(tmax)比较。如果用于提出的业务的提出的开始时间是在所有已经调度的事务已经结束之后，即如果t0大于tmax，则控制转到2210，否则控制转到2218。如果用于提出的业务的提出的开始时间在所有已经调度的事务已经结束之后，不需要进行进一步的检查，因为提出的业务不会减损任何其他业务，并且没有其他业务会减损提出的业务。因此，如果光路在所建议的开始时间(t0)是合格的，则在提出的事务的持续时间内该光路将是合格的。

[0270] 在2210，检查提出的事务路径的质量。检查光路的质量可以包括计算光路的每个光纤的误比特率，假定在提出的业务开始时，即在时间t0，点亮或将要点亮的波长的组合。如本文所述，可以使用其他质量度量。

[0271] 如上所述，数据库500(图5)包括关于网络100(图1)中的光纤的信息506。光纤信息800(图8)包括用于光纤814-816的衰减因子以及参考图8和9所述的光纤分配矩阵818。光纤分配矩阵818存储识别哪些波长被分配以承载光纤业务的信息，特别是用于每个这种分配的开始时间和结束时间。放大器信息1000(图10)包括减损矩阵1020(图11)。分路器/合路器OXC信息510(图5和12)包含关于沿路径设置的其他光学组件的衰减和其它信息。

[0272] 计算光路的质量包括访问数据库500以确定哪个波长、光纤、放大器等被包含在光路中，然后，提取并且使用关于该波长和这些组件的衰减和减损信息，以计算误比特率或其他质量度量。例如，可以计算路径的每个链路或光纤的误比特率或其他质量度量，然后可以聚合这些值以确定整体路径质量度量。

[0273] 在2212处，如果光路是合格的，例如，没有光路的光纤的误比特率超过预定阈值，则控制转到2242，否则控制转到2216。

[0274] 在2242，如参考操作1314(图13)所述，成功/失败信号发送器410发送指示成功的电子信号。另一方面，在2216，如参考操作1316(图16)所述，成功/失败信号发送器410发送指示调度提出的业务的传输失败的电子信号。

[0275] 如果提出的开始时间(t0)不晚于所有已经调度的事务已经结束(tmax)，则执行操作2218。在2218，给定提出的事务的提出的波长、提出的路径、开始时间、结束时间和持续时间，执行检查以确定任何已经调度的事务是否会减损提出的事务。操作2218返回提出的波长是否将被不可接受地减损的指示以及开始时间。如果波长不会被不可接受地减损，则开始时间是在无不可接受减损的情况下进行的事务的开始时间。另一方面，如果将不可接受地减损波长，那么由操作2218返回的开始时间是尚未被检查的事务的较近开始时间。参考图23，本文提供操作2218的更详细的描述。操作2218可以被实现为子例程。

[0276] 在2220，如果由操作2218返回的指示是将减损波长，则控制转到2222，其中，选择用于提出的事务的稍后的提出的开始时间(t0)。稍后的提出的开始时间(t0)可以是由操作2218返回的开始时间。然后，控制返回到2206以进行循环的另一次迭代。

[0277] 另一方面，如果在2220处，不会出现对提出的波长的不可接受的减损，则控制转到2224。在2224处，过程2200开始对每个已经调度的事务执行操作2226-2238的循环。在2226，假设会找到不可接受的减损，临时变量(Pass)被设置为假。

[0278] 在2228，执行检查以确定已经调度的事务，即，循环的当前迭代的主体在时间上是否与提出的事务重叠。已经调度的事务从T's开始，并且在T'e结束。提出的事务将在Ts开始，并且将在Te结束。如果已经调度的事务的任何部分与提出的事务的任何部分重叠，则控制转到2230。然而，如果已调度的事务不与提出的事务重叠，则跳过操作2230和2232，并且控制转到2234。

[0279] 在2230处，给定提出的事务的提出的波长、提出的路径、开始时间、结束时间和持续时间，执行检查以确定提出的事务是否会减损任何已经调度的事务。操作2230返回提出的事务是否会不可接受地减损已经调度的事务的波长和开始时间的指示。如果不会不可接受地减损波长，则开始时间是在无不可接受减损任何已经调度的事务的情况下进行的事务的开始时间。另一方面，如果提出的波长将不可接受地减损已经调度的事务，则由操作2230返回的开始时间是稍后的开始时间。操作2230可以被实现为子例程。具体地，子程序可以是与操作2218中调用的相同的子程序。因此，参考图23，本文提供操作2230的更详细的描述。

[0280] 在2232处，如果由操作2230返回的指示是将减损已经调度的事务，则控制转到2222，其中，选择用于提出的事务的稍后的提出的开始时间(t0)。稍后的提出的开始时间(t0)可以是由操作2230返回的开始时间。然后，控制返回到2206，以用于循环的另一次迭代。

[0281] 另一方面，如果在2232处，不会发生对已经调度的事务的不可接受的减损，则控制转到2234。在2234处，变量Pass被设置为真，表示关于当前已经调度的事务，未找到减损，并且控制转到2236。在2236，进行检查以确定是否还有更多的已经调度的事务还有待检查。如果至少还有一个已经调度的事务还有待检查，则控制转到2238，索引到待检查的下一已经调度的事务，然后将控制交还给2226。然而，如果不再有已经调度的事务有待检查，控制转到2240。

[0282] 在2240，检查变量Pass。如果变量Pass是假，即变量表示找到了不可接受的减损，则控制返回到2222，其中，选择另一提出的开始时间(t0)。另一方面，如果变量Pass是真，即该变量表示没有找到不可接受的减损，则控制转到2242。在2242，信号指示成功，即找到了不会不可接受地减损任何已经调度的事务，并且不会受任何已经调度的事务不可接受地减损的提出的事务(波长、开始时间和结束时间)。

[0283] 尽管在图22中未示出，但是可以例如在操作2222中检查停止准则。如果满足停止准则，则可以通过错误指示退出循环。因此，可以拒绝或推迟提出的业务。

[0284] 如上所述，给定提出的事务的波长、提出的路径、开始时间、结束时间和持续时间，操作2218和2230可以调用子例程来检查是否会减损给定的波长。子程序执行的操作在图23的流程图中示意性地示出。

[0285] 图23包含根据本发明的实施例，示意性地示出过程2300的流程图，以确定任何已调度的事务或提出的事务是否会减损给定的波长(ω)。如在2302处所指示的，过程2300的输入包括将待检查的波长(ω)、波长将被照射的路径(P)、(提出的)使用波长的开始时间(Ts)和结束时间(Te)以及假定在路径(P)的至少一跳或者光学地耦合到路径(P)的跳上被调度的其他事务的列表(Lpsch)。

[0286] 如上所述，操作2218和2230(图22)调用过程2300。然而，操作2218和2230通过待检查的不同波长，调用过程2300。操作2218(图22)将提出的事务的波长指定为待检查减损的波长(ω)，而操作2230指定已经调度的事务的波长。

[0287] 在2304处，计算被检查的波长(ω)的减损的大小。如上所述，可以将减损的大小计算为预期由在开始时间(Ts)、在路径(P)上、由波长(ω)承载的业务经受的误比特率或者任何其他适当的质量度量。在2306处，如果计算的减损超过预定阈值，则控制转到2308。在2308，找到开启或关闭波长的下一时间，即，找到路径中的波长的“开”设置变化的下一时间。因为仅当开启或关闭波长时，减损的大小才改变，所以当“开”波长的设置保持不变时，不需要计算大小。

[0288] 然后控制转到2310，其返回失败指示符，其指示将不可接受地减损波长。还返回在“开”波长的设置的下一变化发生的时间(t'0)。

[0289] 另一方面，在2306处，如果所计算的减损不超过预定阈值，则控制转到2312。在2312处，子例程进入循环。循环检查假定待调度的事务的列表(Lpsch)。对在列表(Lpsch)中每个事务遍历循环一次，并且包括操作2314至2332。

[0290] 在2314，执行检查以确定列表中的事务(Lpsch)(即，循环的当前迭代的主体(“当前事务”))是否被调度以在包含正被检查的波长(ω)的事务的开始(Ts)和结束(Te)时间之间开始。如果是，控制转到2316，否则跳过操作2316和2318，控制转到2322。

[0291] 在2316处，计算当前事务的开始(ts)处的路径(P)中的波长(ω)的减损的大小。该计算在波长(ω)被调度或提出在开始当前事务时开启的情况下被执行。

[0292] 在2318处，如果所计算的减损大小超过预定阈值，则控制转到2320，否则控制转到2322。在2320处，过程2300返回失败指示符，即将会不可接受地减损波长(ω)。另外，过程
2300返回当前事务的开始时间，其可以被用作后续搜索的开始时间。

[0293] 在2322，执行检查以确定当前事务是否被调度以在包含被检查的波长(ω)的事务的开始(Ts)和结束(Te)时间之间结束。如果是，则控制转到2324，否则跳过操作2324和2326，控制转到2330。

[0294] 在2324处，计算在当前事务结束(te)时，路径(P)中的波长(ω)的减损的大小。该计算在波长(ω)被调度或提出在结束当前事务时开启的情况下被执行。

[0295] 在2326处，如果所计算的减损大小超过预定阈值，则控制转到2328，否则控制转到2330。在2328处，过程2300返回失败指示符，即将会不可接受地减损波长(ω)的指示。另外，过程2300返回当前事务的结束时间，其可以被用作后续搜索的开始时间。

[0296] 在2330，执行检查以确定至少一个以上事务是否仍然在待处理的列表(Lpsch)。如sch果是，则控制传递到2332，其将当前事务推进到列表中的下一事务(Lp )，然后将控制返回到2314，以便该循环的另一迭代。另一方面，在2330，如果列表(Lpsch)中不再有事务，则控制转到2334。在2334，返回成功指示，即不会不可接受地减损波长(ω)的指示。另外，返回涉及波长(ω)的事务的开始时间(Ts)。

[0297] 减损感知波长调度器的简化

[0298] 忽略光纤对光信号的非线性影响，并且假设光信号噪声由EDFA产生的噪声主导，我们的研究表明，当首先在暗(未被照射)光纤中照射波长时，发生沿给定路径的最差情况下的信道质量减损。换句话说，通过在光纤中开启第一波长引起的减损大于在光纤中开启另外的波长引起的减损。基于这种认识，本文所述的减损感知波长调度器操作可以被简化如下。如果光路是合格的，那么基于已经调度的事务，光路在将来将保持合格，因为当计算减损时，将来照射的波长可能比已知或调度的更多，而不是更少。此外，已调度的事务将不会通过调度与已调度的事务重叠的更多事务而被取消资格，也因为额外的重叠事务不能减少照射波长的数量。

[0299] 调度器314和参考图22所述的处理可以通过消除虚线框2244内的操作来改进。

[0300] 减损补偿网络

[0301] 由于当波长首先在黑暗(未照射的)光纤中被照射时，发生沿给定路径的最坏情况的信道质量减损，本发明的一些实施例将一些光引入到每根光纤中，即使光纤没有被调度传输业务，从而防止从没有波长被照射到一些波长被照射的转变。

[0302] 在一些实施例中，对于耦合到光开关的输出端的光网络2400的每个光纤，虚拟激光器将光功率注入到光纤中，如图24中示意性所示。这里的“虚拟”是指激光器的输出未被用来承载业务。虚拟激光器的波长应当在由网络的EDFA放大的带宽内。在一些实施例中，虚拟激光器的波长没有与承载或可能承载业务的任何波长足够接近而与业务混淆或干扰业务。然而，在其他实施例中，虚拟激光器的波长是未使用的信道的波长。在后一种情况下，虚拟激光器可以是以其他方式将用于照射将在未使用的信道中承载业务的波长的激光器。

[0303] 光网络2400包括由光纤2402、2404和2406例示的光纤。光纤2402-2406耦合到由光开关2408、2410和2412例示的各个光开关的输出。由激光器2414、2416和2418例示的虚拟激光器被光学地耦合到每根光纤2402-2406。

[0304] 可以控制每个虚拟激光器的输出功率水平，使得(在由EDFA放大的带宽内的)所有波长的总光功率保持在预定的最小功率水平之上或者在预定的功率水平的范围内。可以选择或根据经验确定最小功率水平，使得除了虚拟激光器之外，照射一个信道波长不会不可接受地减损业务。

[0305] 响应于光纤中当时的功率水平，随时间控制每个虚拟激光器的输出功率水平。可以通过诸如利用光学传感器测量功率水平来确定光纤中的功率水平。替选地，可以由数据库500中指示照射哪些波长的信息(例如，图8中的800、810和/或图10中的1016、1018)、产生照射波长的光发射器的输出功率水平、光放大器增益、由光学组件(例如图8中的814、816，图12中的1224、1226)产生的衰减等来计算光纤中的功率水平。

[0306] 图25、26和27示意性地示出响应在光纤中被照射和熄灭的业务承载波长的变化，虚拟激光器的示例性操作。

[0307] 图25是随着时间由光开关输出的假设光功率的曲线图。在时间段2500期间，相对较少的业务承载波长在光纤中处于开启。因此，在时间段2500期间，相对较小的光功率2501被引入到光纤中。在时间2502，开启几个另外的波长。因此，在时间段2504期间，与在较早的时间段2500期间相比，相对更多的光功率2505被引入到光纤中。在时间2506，一些波长被关闭。因此，在时间段2508期间，与在时间段2504期间相比，较少的光功率2509被引入到光纤中，但是比在时间段2500期间引入更多光功率。在时间2510，更多的波长被开启，因此在时间段2512期间，更多的功率2513被引入到光纤中。

[0308] 假定如上文所确定的最小功率水平由虚线2514表示。图26是根据本发明的实施例的操作，在与如由图25中所示的相同时间段上，由虚拟激光器输出的假设光功率的图。图27是光纤中的假设光功率的图，即图25和26的功率水平之和。

[0309] 因为在时间段2500期间，业务波长的功率2501(图25)低于最小功率水平2514，所以虚拟激光器引入足够的光功率2600，使得照射业务波长2501和虚拟激光器功率2600的总和超过最小功率水平2514。

[0310] 在时间段2504期间，照射业务波长功率水平2505超过最小功率水平2514。因此，虚拟激光器不需要开启。

[0311] 在时间段2508期间，照射业务波长功率水平2509低于最小功率水平2514。因此，开启虚拟激光器以引入足够的光功率2602，以至少弥补照射业务波长功率2509和最小功率水平2514之间的不足。

[0312] 在时间段2512期间，照射业务波长功率级别2513超过最小功率级别2514。因此，虚拟激光器不需要开启。

[0313] 关于公开实施例的附加细节

[0314] 已经表明对大规模事务的用户采用灵活的端对端光路切换的光流切换(OFS)具有成本效益和能量效率。但是，是否有可能在全球范围内，协调每个会话的光路切换和调度，以及控制平面和数据平面的性能如何相关仍然没有得到解决。在此，解决了OFS的网络管理和控制方面，并且设计了实现可扩展的控制平面和高效的数据平面的网络架构。已经给出了基本的网络管理和控制实体和功能的概述。我们关注的是OFS的调度问题，因为其处理能力和产生的控制业务随着业务需求、网络规模的增加而增加，而且与数据网络架构密切相关，而其他日常维护类型的控制平面功能对整体工作的贡献是固定的或者可以忽略不计。

[0315] 我们考虑了两种可能的广域网架构：网状或隧道，并且开发了用于数据平面性能的统一模型以为控制平面的性能比较提供通用的平台。结果显示，通过聚合至少两个波长的业务，并且允许将来调度每个波长的两个事务，隧道式架构提供了与网状架构相当的数据平面性能。

[0316] 我们已经开发了根据网络架构和业务需求，分析控制平面的处理复杂度和业务的框架。为了保证在存在物理层减损时的光路质量，对两种情况，a)已知信道质量的最坏情况是当在光纤中没有“开”信道时，以及b)需要光纤的详细信道配置以确定信道质量，开发了用于掺铒光纤放大器(EDFA)放大光学链路的质量的模型和减损感知调度算法。没有物理层减损，隧道式架构会使控制平面业务和处理复杂度降低数个数量级。在具有减损感知调度的情况下，详细的信道配置信息报告导致繁重的控制业务(～250Gbps/边)；而已知的最坏情况和隧道效应导致可管理的控制业务(～36Gbps/边)和处理能力(1-4个i7 CPU)。

[0317] 1数据平面性能分析

[0318] 数据平面性能通过网络拓扑和网络控制算法(路由，调度等)与控制平面性能相结合。这还取决于网络资源和网络负载(以及业务需求)。假设波长连续性约束由调度算法来考虑，因为当前的波长移位技术不具有成本效益，我们也不能预见它很快就会成熟。在[3]中，Barry和Humblet研究了在具有或不具有波长移位器的情况下，非调度的电路切换全光网络的阻塞概率。我们将他们的模型命名为Barry-Humblet模型。他们介绍了三个独立的模型，分别研究路径长度、开关大小和干扰长度对阻塞概率的影响。在他们的模型中，如果对没有波长移位器的全光网络，所有光路(每条光路由相同波长的信道组成)被阻塞，或者对于具有波长移位器的全光网络，存在具有所有使用的波长的跳，则阻塞A和B之间的会话请求。然而，他们分别研究的三个参数都是网络拓扑结构和光路切换机制的表现，并且是相关的，Barry-Humblet模型没有给出网络拓扑对阻塞概率的整体影响的分析。在本章中，我们将开发统一的模型来研究无波长移位器的电路切换全光网络的阻塞概率的网络拓扑，并将其扩展到具有调度的流切换光网络。

[0319] 1.1具有调度保持器的OFS调度

[0320] 如图28所示，当请求到达时，调度器将首先尝试利用在请求时沿候选路径(此处的路径是指逻辑网络拓扑中的路径)可用的网络资源来适应它。如果此时没有可用的资源，则调度器将会话调度到具有将来第一可用时间的光路上。将来的调度事务由沿链路的“调度保持器”存储(链路是指连接逻辑网络拓扑中的两个节点的边)，架构M中的链路对应于连接物理拓扑中仅相隔1跳远的节点对的所有波长信道。在架构T中，链路对应于在相邻节点对之间连接物理拓扑中相隔一跳或多跳远的节点对的隧道光路。在隧道式架构的情况下，调度保持器仅位于入口WAN节点。调度保持器可以被看作以<波长,tstart,tend>的形式，指定该波长信道的未来分配和使用时间的相应波长信道的标记。它有两个状态，“可用”或“占用”。只有可用的调度保持器可以被分配新的事务，并且在分配后，其状态从“可用”变为“占用”。
如果每个链路只有有限的Ns个调度保持器，则会话将不会调度在无限的将来。假设每条链路有Λ个波长信道。将调度容量定义为Ns/Λ的比。如果在持续时间内，至少有一个沿光路的每跳可用的调度保持器，则光路可以在将来一段时间内可用。如果当前没有可用的网络资源并且将来没有可用的光路，则会阻止请求。

[0321] 图28是具有调度保持器的OFS调度的示意图。

[0322] 图29是合并入路径和从路径发散的业务的示意图。

[0323] 考虑对称或接近对称的网络拓扑，并且假设网络在以下分析中处于稳定状态。定义ρ为网络链路负载。由于网络处于稳定状态，ρ也是链路被占用的概率。将Pn定义为会话进入链路的概率，将Pl定义为现有会话离开链路的概率(图29)。使用两态(“可用”或“占用”)马尔科夫链(图30)来建模链路的状态(链路的状态通常被建模为马尔可夫过程，可以使用抽样的马尔可夫链逼近)。则从状态“可用”到“占用”的转变概率是Pn，从状态“占用”到状态“可用”的转变是Pl(1-Pn)。因此，

[0324]

[0325] 图30是链路状态的马尔可夫链模型的示意图。

[0326] 图31是通过链路Lij的光路、在节点j处终止的光路，以及在节点j处从路径1→i→j→4发散的光路的示意图。Nth是通过链路Lij的光路总数，Ntm是在节点j处终止的光路数量，以及 是节点j处发散的光路的数量。在图中，Δ＝6。

[0327] 1.2架构M的阻塞概率

[0328] 考虑具有NV节点、NE边和Δ平均节点度的网状网络图。在沿着光路的一个中间节点处，将Pλl定义为传输离开该光路的概率，并且将Pλn定义为新事务进入该光路的概率(Pλn和Pλl分别是Pn和Pl的特例)。为了导出Pλl，考虑在给定路径上，连接节点i到节点j的链路Lij。将Nth定义为经过Lij的光路数量，以及将Ntm定义为在节点i进入Lij并终止于节点j的光路数目。假设统一的全对全(all-to-all)业务模型，并且存在从一个节点到另一节点的业务的一个单元，并且每个节点使用相同的路由策略。那么，

[0329]

[0330]

[0331] 其中， 是所有路径上的平均跳数。因为平均Pλl等于在节点j上终止或切换到其他路径的光路数量与通过Lij的光路总数之比，

[0332]

[0333] 将ρλ表示为波长信道的负载。那么，方程(1.1)变为

[0334]

[0335] 对Pλn，求解上面的方程，得到

[0336]

[0337] 假定最短路径路由。将PλB定义为在请求的时间不能沿指定路径通过网络资源服务请求的概率。将PsB定义为在请求的时间网络资源不能服务的请求由于至少一个链路上的所有调度保持器为满(图32)而在将来也不能被调度的条件概率。

[0338] 图32是请求被阻止的情况的示意图。

[0339] 假设沿着相同路径的光路间独立(当对低到中等负载，有很多波长信道时，这是一个很好的假设，如[16]中预测的情形)。由于波长连续性约束，PλB等于对沿指定路径的任何光路，存在干扰会话的概率。因此，

[0340] PλB＝Pr{沿路径的所有Λ波长不可用}

[0341] ＝(Pr{沿路径的给定波长不可用})Λ

[0342] ＝(1-Pr{沿路径在所有跳上给定波长可用})Λ

[0343] ＝[1-(1-Pλn)H]Λ

[0344] 其中，Λ是链路上的总波长数。这是关于H的分布的期望PλB的合理近似。会话进入调度保持器的概率也是将来调度请求并且由特定调度保持器处理的概率，以及[0345]

[0346] 由于波长连续性也受到调度会话的影响，现有会话离开相应波长信道的调度保持器的概率与调度会话离开该光路的概率相同，即Psl＝Pλl。将ρs定义为调度保持器的负载，从方程(1.1)，得到

[0347]

[0348] 假设在同一个链路上的调度保持器间独立(当调度保持器的负载较低时，该假设良好，这对于大的网络需求是这样，参见第4节)，以及相邻跳中的马尔可夫无关性(与[3]相同的假设)(指定链路的状态，假定其之前的第一相邻链路的状态与其第一相邻链路之前的所有其他链路的状态无关)。将POB定义为请求被阻止的总概率。则，

[0349] POB＝PλBPsB

[0350] 为了获得PSB，注意到，仅当沿指定路径，存在所有调度保持器被占用的跳时，才会阻止在请求时不能由网络资源提供服务的请求。定义指示符随机变量Ii，如果跳跃hi上的所有调度保持器都被占用，则等于1，否则为0。那么，

[0351]

[0352] 假设请求在第一跳的调度保持器处遇到稳定状态。则，

[0353]

[0354] 从

[0355] P{Ii＝1}＝P{Ii＝1|Ii-1＝0}P{Ii-1＝0}+P{Ii＝1|Ii-1＝1}P{Ii-1＝1}[0356] 获得，

[0357]

[0358] 其中，ρsi是跳hi上的调度保持器的负载。将方程(1.8)和(1.9)代入方程(1.7)，得到，

[0359]

[0360] 由于请求在跳h1处遇到调度保持器的稳定状态，在下面的定理中表明在沿着指定路径的以下跳中，也遇到调度保持器的稳定状态。

[0361] 定理1对具有统一的全对全业务的对称网络中的 跳路径，如果在h1上的调度保持器的负载是ρs，则h2、h3、....、hH的调度保持器的负载也是ρs。

[0362] 在附录1中证明了定理1.1，并且方程(1.10)被简化为：

[0363]

[0364] 其中

[0365] Psl＝Pλl

[0366]

[0367] 则，总阻塞概率POB可被写为：

[0368] POB＝PλB·PsB·   (1.12)

[0369] 由于上述推导是基于网状网络的，为了与隧道情况区分，将架构M的网络的总阻塞概率表示为POBM(下标M或T被用来区分架构M或T)，则

[0370] POBM＝PλB·PsB   (1.13)

[0371] 图33根据网络负载ρ和Ns/Λ＝1，绘制POBM。

[0372] 图33是对于不同的Λ值，关于网络负载ρ和Ns/Λ＝1，用于架构M的阻塞概率POBM的图。Ns是每个链路的调度保持器的总数，Λ是每个链路的波长数。

[0373] 1.3用于架构T的阻止概率

[0374] 对于架构T，由于任何两个节点之间的连接都是隧道的，因此所有WAN路径的跳数都是1，而调度保持器则位于WAN的入口节点处(在隧道式架构的情况下，由于只有一跳，在同一波长隧道中将来调度的所有请求可以背靠背排列，因此请求的排队延迟可以近似为每个波长的占用调度保持器的平均数量乘以平均事务时间)。因此，得到

[0375] H＝1

[0376] NE＝NV(NV-1)

[0377] Δ＝NV-1

[0378] 因此，

[0379] Pλl＝1

[0380] Pλn＝ρ

[0381]

[0382] Psl＝1

[0383] 将D定义为物理网络拓扑中链路上的源-目的地会话的平均数量。则，[0384]

[0385] 假设使用最短路径路由，物理网络拓扑中的一个链路上的波长信道在通过该链路的所有源-目的地会话之间均匀共享，则

[0386]

[0387]

[0388] 其中，NsT是每个隧道的调度保持器的数量，ΛT是每个隧道的波长的数量。

[0389] 将上面的方程代入方程(1.5)、(1.6)和(1.11)，得到

[0390]

[0391] 将POBT表示为架构T的总阻塞概率，则

[0392]

[0393] 图33根据网络负载ρ和Ns/Λ＝2，绘制POBT。

[0394] 图34是对不同的ΛT值，相对于网络负载ρ和Ns/Λ＝2，用于架构M的阻塞概率POBT的图。Ns是每个链路的调度保持器的总数，Λ是每个链路的波长的数量，并且ΛT＝Λ/92是对每个边具有92个隧道的情形，每个隧道的波长的数量。

[0395] 1.4架构M和T的性能比较

[0396] 为了比较架构M和T的数据网络性能，考虑美国骨干网络并且分析网络资源和调度保持器的影响。图1[22，图8.1]示出美国骨干网络的物理拓扑结构，表1.1概括其参数。美国骨干网是由60个节点组成的网状网络。图中的每个链路代表约100个光纤链路，对每个光纤链路，约有200个波长信道。端对端连接的平均跳数为4。平均节点度为2.6，而最大节点度为5，最小节点度为2。因此，骨干网中的典型路径平均包含四条链路，并且在连接节点处互连，引入业务合并和发散。

[0397] 如上所述，图1是美国的光学骨干网络的图。转载自[22，图8.1]。

[0398]

[0399] 对架构M，获得

[0400] NV＝60

[0401] NE＝77

[0402]

[0403]

[0404] 对架构T，由于

[0405]

[0406] 物理拓扑的每个链路上的波长信道被均等分配给92个源-目的地对的隧道。因此，[0407]

[0408] 使用方程(1.13)和(1.16)，以及上述数值，绘制阻塞概率，吞吐量与业务需求、调度能力和网络负载。图35绘制对网状或隧道式架构，对于固定调度容量Ns/Λ＝1和三种不同的网络负载条件(ρ＝0.6，ρ＝0.7，以及ρ＝0.8)，阻塞概率与波长信道的数量。对于每个固定网络负载(0.6、0.7或0.8)，当业务需求增加时，网络资源(波长信道)也相应地增加。图35示出，即使在中等到高负载情况下，当业务需求增加时，两种架构的阻塞概率都会迅速下降。当有约三个波长信道且Ns/V＝1时，两种架构均能实现小于10-4的阻塞概率。

[0409] 图36对固定的网络负载ρ＝0.7，绘制对不同业务需求关于调度容量的两种架构的阻塞概率。这表明，两种架构的网络阻塞概率都会随着调度容量的增加而降低。具体而言，在高业务需求(ΛT＝16)下，即使Ns/Λ小到0.1时，阻塞概率也会急剧下降。事实上，当Ns/Λ≈1时，logPOBT关于NsTΛT近似线性地减小。考虑图36中的点A(以红色字体颜色)。在A点，获得

[0410] Λ＝194

[0411] ΛT＝2

[0412] Ns/Λ＝2

[0413] ρ＝0.7

[0414] 通过上面的值，得到NsTρs<1。因此，在0.7的网络负载，并且每个源-目的地对的网-3络资源有两个波长信道的情况下，隧道式架构实现小于10 的阻塞概率，并且网络延迟小于一个事务时间(会话花在调度保持器中的时间量a与Little的理论的平均延迟成比例。对于大多数应用，延迟一个传输时间是合理的，因此Ns/Λ的可接受值从1到4。当Ns/Λ＝1，平均延迟小于一个事务时间)。

[0415] 对于10-4的固定阻塞概率，图37绘制对三个不同的Λ值(网络资源)关于调度容量Ns/Λ的吞吐量。当系统中允许更多调度保持器时能快速地增加架构T的吞吐量，并且当业务需求高时(例如，Λ＝1000或3000)，两种架构均能实现高负载和小调度容量(<1)。因此，当业务需求较高、中高负载时，具有相同网络资源量的两种架构的阻塞概率均远低于10-4，这是很好的用户协议的目标阻塞概率。并且通过在系统中允许更多的调度保持器，能大大地改善架构T的性能。

[0416] 图35是相对于波长信道数和Ns/Λ＝1的阻塞概率的曲线图，其中，Ns是每个链路的调度保持器的总数，Λ是网状网络拓扑中的每个链路的总波长数，“M”是用于架构M，而“T”是用于架构T。因为在隧道逻辑网络拓扑中，一条链路上的波长被平均分配给通过该链路的所有D个源-目的地隧道，所有用于每个源-目的地隧道的平均波长数是ΛT＝Λ/D。因此，使用两个x轴，一个用于架构M中的每个链路的波长数，另一个用于架构T的每个隧道的波长数量。

[0417] 图36是分别在用于架构T的每个隧道的波长数ΛT＝1、2、16和28，以及用于架构M的每个链路的波长数Λ＝92、184、1472和2600的情况下，相对于调度保持器与波长信道的数量的比以及网络负载ρ＝0.7的阻塞概率的曲线图。对Λ＝1472和Λ＝2600的网状情形的阻塞概率低于10-12以下，图中没有示出。橙色实线曲线(T，ΛT＝28)的网状对应物对应于Λ＝2600，[16]中每个WAN节点的预计业务需求。

[0418] 图37是分别在用于架构T的每个隧道的波长数ΛT＝2、11和33，以及用于架构M的每个链路的波长数Λ＝184、1000和3000的情况下，相对于调度保持器与波长的数量的比以及POB＝10-4的吞吐量的曲线图。请注意，并非每个链路的所有波长数量均被分配给隧道，可以以获得实际吞吐量的数量的方式，选择图中的波长数量。

[0419] 2调度算法

[0420] 当请求到达调度器时，调度器运行调度算法以判定何时、沿哪个路径、在哪个波长信道中将传送该请求。假设沿传输路径没有波长移位器，并且在沿该路径的所有跳上使用相同的波长。因此，以在网络中使用相同波长信道使得没有传输冲突的方式，完成调度。在第2节中，简要讨论第2.1节中的相关文献。在2.2节和2.3节介绍光流切换的调度，在2.4节中论述最优调度波长分配问题，并且在2.6节提出一种用于调度波长分配的启发式算法。然后，在2.7节中分析控制业务。

[0421] 2.1全光网络中的路由和波长分配

[0422] 当在20世纪90年代，需要更高带宽的新兴应用要求更有效利用网络资源时[5]，全光网络中的路由和波长分配(RWA)问题出现，而RWA是为业务需求提供光路连接的网络优化环节，同时最小化用于给定的一组约束的网络成本。假定网络拓扑和一组业务需求(以光路为单位)，RWA问题确定用于网络中的每个业务需求的路径和波长信道。如果没有波长移位器，则对于光路建立，即沿着从源节点到目的地节点的路径，有波长连续性约束，需要将相同的波长分配到所有的链路上的光路。如果对某个请求，在源节点和目的地节点之间的候选路径上不能建立光路，则认为该请求被阻止。许多研究将RWA问题转化为具有目标变量的整数线性规划(ILP)问题，诸如最小化用于满足目标阻塞概率的波长信道的数量，或者通过有限网络资源最小化阻塞概率[19，28等]。但是，ILP问题是常见的NP难问题[10]，需要花费太多时间来解决。因此，许多研究中的RWA问题被分解成光路路由问题和波长分配问题。前一光路路由问题取决于目标，通常被转化成网络流问题。具有整数约束的网络流问题也是NP难问题，并且已经开发了各种启发式算法，例如参见[20，14]。当波长分配问题被转化以最小化波长信道的数量或最小化阻塞概率时，则是NP完全问题[6]。因此，对于大中型网络，已经研究了试探法[2，28]。大部分关于RWA的文献都研究了网络规划阶段的问题，即预先已知光路需求，并且通常在网络规划阶段期间，离线完成该计算。这种类型的RWA问题被称为静态RWA问题。在光路请求随机到达的情况下，RWA问题会在运行中计算光路分配，如果在请求时没有可用的网络资源，则请求将被阻止。后一情形通常被称为动态光路建立问题[30]。对于有兴趣了解更多RWA文献的读者，[30]和[9]都提供了关于该主题的综合文献回顾。

[0423] 大多数文献通过已知传输时间解决光路需求(光路请求伴随何时光路需要建立以及何时被拆除的信息)。在文献[9]中，Gagnaire等人研究了三种混合业务的光路建立问题：永久光路需求(PLD)、调度光路需求(SLD)和随机光路需求(RLD)。PLD是指永久的光路连接并且在网络规划阶段期间被离线计算。SLD是指具有已知建立和拆除时间的连接请求。已经研究了启发式算法以在全局优化问题公式中离线计算SLD，或按每个SLD开始时间排列的顺序计算SLD。RLD是指随机出现的请求，并且预先未知到达时间，但是一旦RLD业务到达网络，持续时间是已知的。因此，一旦RLD到达发生，RWA问题需要在运行中计算可以从到达时间到声明的生命期适应该请求的光路分配。请注意，虽然，Gagnaire等人将光路需求定义为调度的或随机的光路需求，但是他们设想的问题不同于光流切换中的调度问题。因为在他们的设想中，在请求中声明业务传输时间，因此是固定的(由于开始时间的不灵活性，易于导致所有负载水平的高阻塞概率)。在我们的调度问题中，就传输时间而言，用户请求仅声明文件大小(或者等效地，传输持续时间)，并且由调度器分配光路和每一请求的预定传输时间(开始时间和结束时间)ALSO。因此，文献中的RWA问题的变体不同于我们在这里研究的光流切换的问题。

[0424] 2.2光流切换的调度问题

[0425] 在[26]中，Weichenberg等人首先研究了用于光流切换的调度算法，其中，用户请求可以容忍一定量的延迟，并且如果在请求时不能被服务，则在将来的某个时间调度该请求。认识到优化调度算法的复杂性，Weichenberg等人提出了一种在具有隧道式WAN和广播MAN以及接入网的网络拓扑上的启发式调度算法。请求在入口WAN节点处排队，并且分两个阶段，基于先进先出处理，即首先考虑WAN资源，然后考虑MAN和接入网。由于WAN资源成本较高，因此WAN中的资源被设计为更高效地使用(以高负载)，并且其可用性指示可以选择哪个波长信道。然后，调度算法检查并且等待源和目的地MAN和接入网络中的相同波长信道的可用性，并且只要该信道变得可用于该请求，则预留该信道。

[0426] 此时，我们关注广域网中的OFS调度，并且不仅相对于业务需求、网络资源，而且相对于网络拓扑，研究算法复杂性和控制业务工作。具体来说，分析两个示例性拓扑，网格拓扑和隧道拓扑对调度复杂性和控制业务工作的影响。

[0427] 2.3最短路径路由算法

[0428] 如在将RWA问题分解为路由问题和波长分配问题以使问题易于处理的文献中，在我们的启发式算法中，还将OFS调度问题分解为路由问题和调度波长分配问题。

[0429] 对路由问题，使用最短路径路由(SPR)，其中，最短路径是跳数最少的路径(将最短路径选择为跳数最少的路径，因为当最小化需要配置的开关的数量时，这会导致用于光路建立和拆除的最少控制业务量)。选择最短路径路由算法是因为其简单性，我们认为，随着自适应业务需求的网络资源部署或点亮新光纤，最短路径路由也是能源和成本效益。对于短时间内业务不可预见地快速增长，并且如果不能立即部署新的网络资源，则可以使用第二最短路径来路由增量业务。请注意，通过仔细的规划和业务监控，该难以预料的快速业务增长应当是罕见的情形。由于WAN拓扑不会频繁变化，所以SPR算法仅在逻辑网络拓扑发生变化时运行，并且所有对最短路径均在集中算法时被集中存储，否则存储在每个节点处。我们使用Floyd-Warshall算法[8，第25.2章]来通过运行时间 计算用于图G(V,E)的全对最短路径，其中，NV是以V为单位的节点数。

[0430] 2.4调度波长分配问题

[0431] 通过在第3节中由Floyd-Warshall算法确定的光路路由，还有待解决的是调度波长分配问题(SWA)。光流切换的调度波长分配问题必须满足以下约束条件：

[0432] 1.传输时间重叠的两个请求不能被分配给定的链路上的相同的波长。

[0433] 2.在没有波长移位的情况下，必须将相同的波长分配给沿其路径的所有链路上的光路。

[0434] 文献中的波长分配问题在被转化为最小化所需的总波长数时已被证明是NP完全问题[14]。在此简要地概述该证明。证明的本质在于下述之间的等效：

[0435] ·ω波长分配问题，即，是否使用≤ω波长，实现用于网络拓扑图G上的一组路由光路的波长分配，以及

[0436] ·n图可着色性问题，即，是否使用≤n颜色着色图(将其命名为路径图GP)，从而不会为共享边的两个顶点分配相同的颜色。

[0437] 证明包括两部分：

[0438] (a)ω波长分配问题可以在多项式时间内简化为ω图可着色性问题，因此解决ω图可着色性问题就解决了ω波长分配问题。这通过对网络拓扑G上的给定路由光路L的列表来实现，以如下方式创建路径图GP(VP,EP)：

[0439] -对于L中的每个光路l，在VP中创建相应的顶点vl。

[0440] -对于VP中的两个顶点vi和vj，如果L中相应的光路i和j在G上共享某链路，则在EP中创建边ei-j。

[0441] (b)n图可着色性问题可以在多项式时间内被简化为n波长分配问题，因此解决n波长分配问题则解决了n图可着色性问题。

[0442] 因此，在(a)和(b)部分后，已经证明了ω波长分配问题和n图可着色性问题之间的等效性。由于n图可着色性问题是NP完全问题[18,15]，所以ω-波长分配问题也是如此。

[0443] 将最佳调度波长分配定义为最小化用于在感兴趣的时间范围Th期间到达的一组请求所需的波长的总数的分配。在光流切换中，由于用户请求以具有不同的到达时间ta的的形式随机到达。因此，请求可以由四元组指定。将R定义为在时间Th期间的所有请求到达的列表。实际上，任何在线调度波长分配算法对于随机到达的所有可能实例都不是最佳的。理论上，假设最优算法在完全了解将来业务到达，即，到达的列表R的情况下执行波长分配。定义列表 为最优调度结果的调度传输时间的列表，其中，|L|是Th期间请求到达的总数。注意，如果已知最佳Tt，那么我们也可以在调度波长分配问题和图着色问题之间建立等效性。证明类似于上文的证明，有两点区别：

[0444] (a)已知的Tt的调度的ω-波长分配问题可以在多项式时间内被简化为ω图可着色性问题，其方式如下：

[0445] -对于L中的每个光路l，在VP中创建相应的顶点vl。

[0446] -对于VP中的两个顶点vi和vj，如果L中相应的光路i和j在G上共享某链路并且在传输时间不重叠，则在EP中创建边ei-j。

[0447] (b)n图可着色性问题可以在多项式时间内被简化为调度的n-WA问题。注意，WA问题是所有光路的传输时间重叠的调度WA问题的特殊情形。

[0448] 因此，已知Tt的调度的ω波长分配问题是NP完全问题。因此我们有下面的定理。

[0449] 定理2具有已知将来业务到达的最佳调度波长分配问题至少是NP完全问题。

[0450] 2.4.1具有已知将来业务到达的最佳调度波长分配算法的复杂性

[0451] 虽然最优调度WA问题是NP完全问题，但可以近似复杂性的大小以解决该问题。定义Λ为网络中波长的总数，然后，用|L|表示在Th期间请求到达，可能的波长分配的总数是Λ|L|。因此，计算所有可能的波长分配的最佳的优化算法需要运行时间O(Λ|L|)。因此，Th上的平均处理能力至少是O(Λ|L|)/Th。

[0452] 对于架构T，由于隧道效应导致问题解耦，因此其复杂度为 其中，如方程(1.14)中定义的，D是一个链路上的源-目的地隧道的平均数。对于图1中的WAN拓扑，D≈92和NV＝60。假设Λ＝200，那么 如果|L|不是太大则可解答。因此，通
过 的大小，隧道效应大大地简化优化算法。

[0453] 2.5用于调度波长分配的数学优化算法

[0454] 当将来的业务到达是随机的且未知的时，设想调度波长分配问题的一种常见方式是(在工业界和学术界)对每个新请求，通过搜索所有可能的路由和波长分配并且选择最佳的调度分配来最小化在网络中分配的波长的数量。命名通过上述公式，找到数学上最佳的调度分配的算法，数学优化(MO)算法。然而，因为使用网状图，即使查找最长的简单路径(如果路径没有任何重复的顶点，则路径是简单的)的问题也是NP难问题[33]，搜索所有可能的路由和波长分配以找到数学上最优的调度分配的问题至少是NP难问题。

[0455] 2.5.1数学优化算法的复杂性

[0456] 通过具有网络逻辑拓扑图G(V,E)的网状架构，在源和目的地节点之间有总共个可能的路径，其中，NE是G(V,E)中的边的数量。因此，具有架构M的数学优化算法的运行时间为 其中，FM和ΛM为光纤和每个边的波长的数量。但是，对于隧道式架构，用于一个源-目的地对的业务调度与其他源-目的地业务的业务解耦，路由和波长分配问题简并，并且数学优化算法只需要搜索被分配给该特定的源-目的地对的波长隧道。因此，具有架构T的数学优化算法的运行时间为O(FTΛT)，其中，FT和ΛT是每个隧道的光纤和波长的数量。

[0457] 2.6用于调度波长分配的FIFO-EA算法

[0458] 调度的波长分配问题在调度的传输时间的整个周期期间选择沿着最短路径的所有链路上可用的波长信道。为了简化起见，采用先入先出(FIFO)原理，并且选择具有最早可用时间的最小编号的波长信道。将该波长分配算法命名为先入先出最早可用(FIFO-EA)算法，以及整体调度算法SPR-FIFO-EA算法。

[0459]

[0460] G(V，E)表示WAN的逻辑拓扑。请求R是以的形式，其中，vs是源节点，vd是目的地节点，td是请求的连接持续时间。P是从vs到vd的最短路径，并且由包括的H跳组成。假设Λ0是沿着一条路径的波长信道的数量(Λ0M，架构M中的Λ0，与每个边的波长数量Λ相同；而Λ0T，架构T中的Λ0，与每个隧道的波长的数量ΛT相同)。令 为具有波长ω的链路 上的光纤数量，令F为链路上的光纤总数。在链路的特定光纤上的特定波长的S(S≤Ns)段的时间使用是以 的形式，在算法2.1中给出FIFO-EA算法的伪代码。

[0461]

[0462]

[0463]

[0464]

[0465] 图38是示意性说明算法FIFO-EA的运算的流程图。

[0466] 图39是示意性地示出算法FIFO-EA的运算的流程图。

[0467] 图40是示意性示出子例程ColorPath-EA的操作的流程图。

[0468] 图41是示意性地示出子程序LatestMin-oaLinks的操作的流程图。

[0469] 图42是示意性地示出子例程Min-oaFiber的操作的流程图。

[0470] 图38和图39、40、41和42中的流程图示出FIFO-EA算法的流程。例程FIFO-EA采用输入(R,P,td)，并且遍历所有的Λ0个波长，并输出在每个波长信道上的各个最早可用时间之中的最早可用时间的调度(如果请求可以被接纳)，否则，输出“∞”(请求被阻止)。一个波长上的最早可用时间由子例程COLORPATH-EA(算法2.2)确定。COLORPATH-EA背后的直觉是，如果路径P的第i条链路在时间τ之前不可用，那么路径P在时间τ之前不可用。换句话说，路径P的最早可用时间不能早于路径上任何链路的最早可用时间。如果链路i在时间τ之前不可用，则为了检查任何其他链路的可用时间，只需要检查从时间τ起的使用时间。另一方面，如果τ是路径P的最早可用时间，则τ也是路径上至少一条链路的最早可用时间，并且从τ开始的路径P上的任何链路的最早可用时间是τ。因此，在COLORPATH-EA中，首先确定从请求时间开始的路径上的每个链路上的最早可用时间中的最近时间(令其为Sch1.Ts)，然后确定从Sch1.Ts开始的路径上的每个链路的最早可用时间中的最近时间(令其为Sch2.Ts)。如果Sch1.Ts与Sch2.Ts相同，则所有链路从Sch1.Ts开始可用，并且其是该路径的最早可用时间。否则，在Sch2.Ts之前路径不可用，并且从Sch2.Ts开始递归地调用COLORPATH-EA。

[0471] 子例程LATESTMIN-OALINKS(算法2.3)首先计算每个单独链路上的最早可用时间，目的地节点的最早可用时间，然后输出所有链路和目的地节点上的最早可用时间中的最近可用时间。通过子例程MIN-OAFIBERS(算法2.4)确定各个链路上的最早可用时间，其中，对相应波长的链路上的每个光纤确定最早可用时间，并且输出每个光纤的最早可用时间中的最早可用时间。由MIN-OATIMESEGMENTS(算法2.5)确定在相应波长的链路上的一条光纤上的最早可用时间，其中，检查使用情况以输出当该光纤上的信道在持续时间td内可用时的最早可用时间。

[0472] 2.6.1 FIFO-EA算法的运行时间分析

[0473] 设T1(S)为FIFO-EA的运行时间，T2(S)为COLORPATH-EA的运行时间，T3(S)为LATESTMIN-OALINKS的运行时间，T4(S)为MIN-OAFIBERS以及T5(S)是MIN-OATIMESEGMENTS的运行时间。最坏的情况发生在路径上的每个时间段被检查时。因此，对于最坏的情况，[0474] T1(S)＝Λ0T2(S)+Λ0   (2.1)

[0475] T2(S)≤2T3(S)+T2(S-δ)   (2.2)

[0476]

[0477] T4(S)＝FT5(S)+F   (2.4)

[0478] 其中，δ是已经检查过的时间段的数量。将方程(2.3)和(2.4)代入(2.2)，得到T2(S)＝O(SHF)。因此，

[0479] T1(S)＝O(SHFΛ0)   (2.5)

[0480] 将 定义为架构X(X可以是M或T)的FIFO-EA算法的运行时间。对于架构M，[0481]

[0482] 对于架构T，由于WAN节点对是隧道式，因此在连续的时间段之间没有间隙，并且FIFO-EA算法只需要找到每个波长信道上的最后一次分配的结束时间ts中的最早时间。因此，

[0483]

[0484] 表2.1列出了最短路由算法、数学优化算法和FIFO-EA算法的运行时间结果。NV是WAN中的节点数量。NE是WAN中的边的数量。S是链路上的一个波长上调度的事务的时间段的数量(对架构M，S≤Ns)。 是所有路径的平均跳数。F是每个链路的光纤的数量。 是用于架构M的每个光纤的波长的数量，以及 是用于架构T的每个光纤的每个隧道的波长的数量。

[0485]

[0486] 运行时间系数分析

[0487] 正如在[16，第25.2章]中所述，隐含在用于Floyd-Warshall算法 的运行时间的Θ符号中的常量很小。如果仅考虑比较、求和和赋值操作，则用于Floyd-Warshall算法的系数，包括计算最短路径权重和构建最短路径为6。

[0488] 在推导FIFO-EA算法的运行时间中，O(SHFΛ)中省略的常量是3，并且2SHFΛ＜T1(S)＜3SHFΛ。在执行算法FIFO-EA的最坏情况期间，对于每个时间段，存在四个指令：存储、加载、比较和删除，结果，

[0489] 2.6.2 FIFO-EA算法的处理能力分析

[0490] SPR算法仅在网络拓扑发生变化时才运行，比FIFO-EA算法少得多。因此，关注FIFO-EA算法的处理能力要求。

[0491] NV是WAN中节点的数量，ρ是每条链路的平均负载因子，Δ是WAN中的平均节点度。令Np是连接到一个WAN节点的平均群体大小，λ是终端用户的请求到达率， 是平均传输时间。那么对集中调度，用于架构X所需的处理能力为 对分布式调度为
对于小于1的ρ，从Little的定理可知，

[0492]

[0493] 因此，

[0494]

[0495] 因此，用于架构X的总处理能力可以重新表示为，对集中式调度，

[0496]

[0497] 而且，对分布式调度，

[0498]

[0499] 业务模型

[0500] 为了获得 和 的数值，引用[26]中的业务模型，其中，作者基于预计的美国人口，以及用户活跃于网络的可能性为0.1，当用户处于活动状态时，10％的时间他或她以100Mbps的速率发送或接收数据，来估计不久的将来的业务模式。从他们的结果来看，根据预计的美国人口和网络使用情况，来自一个WAN节点(例如芝加哥)的估计业务需要2526个
10Gbps的全波长。因此，ρΔFΛ0≈2600。此外，选择ρ＝0.7，Ns/FΛ0＝2，Δ＝2.6以及从图(36)中可以看出，具有上述参数的架构M和T的阻塞概率都小于10-3。从方程(1.6)和(1.15)，得到用于M和T的S的平均整数值均为1。

[0501] 平均处理能力

[0502] 上述业务模型值是指网络稳态值。把它们代入方程(2.8)和(2.9)，得到FIFO-EA算法所需的平均处理能力。用数学优化算法的运行时间代入 还得到数学优化算法的平均处理能力。在表2.2中概述数值。

[0503] 峰值处理能力

[0504] 设计系统不仅能够维持平均需求，而且还能维持对应于我们问题中的峰值业务到达的峰值需求是常见的工程实践。峰值业务到达定义为极少数情形，其中，在1ms期间(选择1ms内是因为处理请求应该在 内完成)超出平均到达的到达发生的概率<10-3(丢弃高于峰值业务到达的业务到达，由于更多业务到达的阻塞概率小于10-3，这是一个合理的目标阻塞概率)。将N定义为Poisson随机变量，其均值为在1ms内，来自MAN内的所有用户的业务到达的平均数。利用在1ms内的平均业务到达率，在1ms内业务到达的平均数为将Npeak定义为1ms内峰值到达的最小数量，使得

[0505] P(N＞Npeak)＜10-3

[0506] 和Npeak＝9。在方程(2.8)和(2.9)中，令ρΔFΛo＝9并且 得到用于FIFO-EA算法和数学优化算法的峰值处理能力，表4.3中概述如下。

[0507]

[0508] 在表2.2中，[*]表示该表中的值是每个调度器的处理能力。通过集中式调度，这些值也是调度的总处理能力。但是，对分布式调度，表值需要乘以NV才能获得用于调度的所有调度器的总处理能力。

[0509] 在表2.2中，表示GIPS是用于每秒千兆指令简称。

[0510] 在表2.2中， 表示MIPS是每秒百万指令的简称。

[0511]

[0512] 在表2.3中，[*]表示该表中的值是每个调度器的处理能力。在集中式调度的情况下，这些值也是调度的总处理能力。但是，在分布式调度的情况下，表值需要乘以NV才能获得用于调度的所有调度器的总处理能力。

[0513] 在表2.3中，表示GIPS是每秒千兆指令的简称。

[0514] 在表2.3中， 表示MIPS是每秒百万指令的简称。

[0515] 从表2.3可以看出，通过对WAN节点对进行隧道传输，使对集中式和分布式调度，经由FIFO-EA算法的每个调度器的峰值处理能力可以降低三个数量级。将用于预测编码的广泛应用的Intel核心处理器，i7至尊版3960X(十六核)的处理能力作为参考，它可以在3.33GHz执行177.73GIPS。对于架构M和T，通过每个调度器的一个这样的CPU，能处理集中式或分布式调度的FIFO-EA算法。但是，对于架构M，用于分布式调度的数学优化算法需要超级计算机12分钟来计算用于一个请求的调度，而对于架构T，对集中式和分布式调度，数学优化算法可以由每个调度器的一个i7 CPU处理。

[0516] 2.7光流切换的调度的控制业务分析

[0517] 用于光流切换的调度的控制业务分析涉及包含用户请求连接、在调度器和开关之间的命令交换以建立或拆除连接的控制业务。控制业务分析适用于优化调度算法和启发式算法。

[0518] 2.7.1集中式调度

[0519] 在集中式调度中，所有请求被发送到一个调度器，并且调度器决定何时以及沿哪个光路开始传输。因此，调度器知道网络中的每个事务(假定网络中没有故障)。重新配置命令从调度器发送到开关以及需要重新配置以建立端对端光路的源节点和目的地节点。对具有 跳(下标dp和cp被用来区分数据平面的 和控制平面的 注意，对于架构M，均等于网络逻辑拓扑上的所有路径的平均跳数，而对于架构T， 以及等于网络逻辑拓扑上的所有路径的平均跳数)的光路，存在需要重新配置的 个开关。
连接请求以的形式，其中，vs和vd是源和目的地节点的128比特IPv6地址。重配置命令是以的形式，其中，ω给定光路的波长，Ts和Te给定传输的开始和结束时间。

[0520] 假设使用TCP/IPv6，在互联网上承载控制业务(IPv6被用来将来兼容性)。使用一个TCP会话，将开关重新配置命令从调度器发送到相应的开关。在一个TCP会话中，在网络上发送至少八个IP数据分组：三个用于TCP初始化，三个用于TCP会话关闭，一个用于开关的命令，以及一个用于从开关到调度器的ACK。对于TCP会话初始化和会话关闭，IP数据分组中不携带有效载荷，因此，最小IP数据分组大小为40个字节(头部大小)。为了承载数据，需要 比特，其中，LF和LΛ0分别是用来给定光纤和波长的比特数，以及αFEC表示前向纠错的开销与有效载荷的实际长度的百分比。因此，用于承载调度数据的IP数据分组的最小大小为 比特。将 定义为用于具有重新配置或调度数据的一个TCP会话的总控制业务，则

[0521]

[0522] 其中，320·8比特占一个TCP会话中的八个IP数据分组的IPv6头部的比特数。类似地，用于从源节点到调度器的请求的一个TCP会话的总控制业务是：

[0523]

[0524] 对于架构M和T， 和 是相同的。注意，在将调度命令发送到开关后，当建立或拆除相应的配置时，开关通知调度器成功地执行所需的配置。因此，包含在一个请求的集中式调度中的控制业务的总量是：

[0525]

[0526] 其中，乘法因子3解释在调度计算后将配置命令从调度器发送到开关的业务，以及在建立和拆除连接后从开关到调度器的反馈业务。上标X可以是M或T来表示正在研究的具体架构M或T。

[0527] 因此，集中式调度的控制业务的总量 是：

[0528]

[0529] 并且利用方程(2.6)，

[0530]

[0531] 为了获得 的数值，引用4.2节中的相同业务模型和1.4节中的网络拓扑参数。表2.4列出了用来计算用于架构M和架构T的控制业务的参数。对架构T，因为逻辑数据网络拓扑是隧道式，因此， 并且其他参数与架构M中的相同(注意，用于架构M和T的 F和Λ是不同的。然而，由于它们使用相同的物理拓扑结构，所以对这两个不同架构， 是相同的，并且这两个架构之间的F和Λ的差别不会影响 的值，因为使用一个字节的比特串来标记不同的光纤和波长)。将表2.4中的值代入方程(2.10)、(2.11)和(2.12)，得到表
2.5中用于架构M和架构T的每会话控制业务值。

[0532]

[0533]

[0534] 在表2.4中，表示在2.6.2节中将峰值业务到达定义为在1ms内比平均到达更多的到达发生的概率<10-3的极少数情形。

[0535] 由于在集中式调度控制下，调度器知道整个网络的配置，所以在连接建立或拆除时不需要链路状态更新。因此，与链路状态更新相对应的控制业务对架构M和T的调度控制业务来说是相同，因此不需要在集中调度控制下分别计算链路状态业务。

[0536]

[0537] 2.7.2分布式调度

[0538] 在具有架构M的分布式调度中，当连接请求到达节点时，该节点在本地运行调度算法，并将调度结果立即广播到整个网络，使得每个其他节点获得整个网络的更新视图。因此，开关重新配置控制业务可以被链路状态更新控制业务所取代。在这种情况下，请求的控制业务 与 相同，并且用于调度以发送到另一节点的控制业务 与 相同。在一个请求的分布式调度中涉及的控制业务量 是

[0539] 对于架构M。

[0540] 架构M中的总控制业务量是：

[0541]

[0542] 在架构T中，由于WAN节点对是隧道式的，一个请求的调度信息只需要广播到源和目的地节点，并且

[0543] 对架构T，

[0544] 架构T的总控制业务量是

[0545]

[0546] 类似于4.2节的分析，使用表2.4中的数值来计算平均情形 和高峰业务到达情形 的控制业务。表2.6概括在集中式调度和分布式调度
下，用于架构M和T的平均控制业务，同时表2.6概括了峰值控制业务。为了更好地理解加上控制平面的的控制业务负担，将表2.6和2.7中的控制业务分解为平均边负载和最重边负载。通过将总业务除以WAN中的双向边的总数(即77)来获得每条边的平均双向负载。对于集中式调度，控制业务发生在中央调度器与用户或开关之间。考虑中央调度器具有2.6的平均节点度，则连接中央调度器的边上的负载是最重的，并且可以从 获得。对于分布式调度，业务在所有调度器与用户和用户和开关之间，假设统一全对部业务和对称的网络拓扑，每边的平均双向负载也是最重的边负载。

[0547] 在分布式调度的情况下，考虑到表2.7中的最重边上的峰值控制业务，隧道效应导致最重边控制业务减少两个数量级。

[0548]

[0549] 在表2.6中，表示在分布式调度的情况下，在使用最短路径路由的对称WAN拓扑中，所有控制业务均匀分布到所有链路。因此，在分布式调度的情况下，每个边的平均双向负载也是最重的边负载。

[0550]

[0551] 在表2.7中，表示在分布式调度的情况下，在使用最短路径路由的对称WAN拓扑中，所有控制业务被均匀分布到所有链路。因此，在分布式调度的情况下，每边的平均双向负载也是最重的边负载。

[0552] 3 EDFA放大的OFS网状网络中的物理层减损

[0553] 目前的光网络主要采用静态连接，光路准静态变化，可能保持几个月不变。当前建立波长路径的方法导致网络缓慢变化( 分钟设置)，因为沿着路径的每个网络元件被逐渐调谐到最终设置，以避免由于将另一光信道快速地引入网络引起的不稳定性。所有相邻链路的链路质量都会在光路开启时分几步被监控。光流切换实现和协调网状物理拓扑的光网络上的每个会话端对端的所有光路切换。无论逻辑拓扑结构是网状还是隧道式的，合并和分流所有链路中的业务是不可避免的，除非MAN拥有整个光纤隧道。因此，不同的源-目的地对的光路可以共享同一条中跨光纤链路，并且在MAN的聚合站点和远程骨干网络中，都有网络上的动态光路切换。

[0554] 在当今光网络中的远程光纤连接中，在光信号降低之前放大光信号的一种常见方式是使用EDFA。通过带外激光泵浦，EDFA可以对所有带内波长信道提供放大。为了减轻远程网络的长距离光纤损耗以及避免光信号的频繁再生，10个EDFA的级联可以被用于放大光信号。但是，由于EDFA的基本限制和增益控制，当光路在网状网络中被动态地开启/关闭时，同一光纤中的现有信道经历快速瞬态和跨信道功率耦合，然后由下游EDFA放大和控制，进一步劣化该问题。在[35、45、36、29、30]中，作者研究了光网络中，在EDFA的恒定增益控制下，跨信道功率瞬变和偏移。然而，这些工作只研究了对每个信道的平均光功率的影响，不足以分析对信道质量的影响。信道质量的相关度量是误比特率(BER)，其是来自EDFA和接收器的随机噪声中的损坏信号的检测结果。在贝尔实验室完成的Junio[23]的实验中，检验了快速瞬变和稳态信道质量变化。可以使用“绝热”切换和[21]中的新传输层协议来抑制前者的减损，而从调度的角度来看，假设传统调制和传输层协议完全考虑了快速瞬态。二次减损直接影响信道质量，这是由于若干因素：EDFA增益的随机性、放大自发噪声(ASE)的累积、EDFA的恒定增益控制以及接收器噪声的结果。切换引起的信道质量变化影响调度，即，在调度传输时间期间的最坏情况信道质量需要被估计以保证性能和到达(如果使用灵活传输速率，用于选定的传输速率)。

[0555] 3.1检测模型

[0556] 假设信号是开关调制的(在实验中为10Gb/s)，并且在接收器处使用匹配滤波器来获得符号的“充分”统计。设X表示匹配过滤器输出的随机变量。设假设“1”(H1)为接收比特为“1”的情形，而假设“0”(H0)是接收比特为“0”的情形。通过链路上的累积噪声随机化“1”和“0”水平的信号波动。信号幅度的累积噪声和波动将在级联放大器上复合。来自匹配滤波器的接收输出X可以在每个假设下，建模为高斯随机变量，

[0557]

[0558] 由于假设“1”和“0”等同，P(H1)＝P(H0)＝1/2。对于检测到的信号，比特“1”的方差的方差大于比特“0”的方差 并且μn＜μs。已经被广泛研究高斯噪声中的高斯信号的检测，例如，在[37]中。使用[37]中的相同技术，对附录B中的问题，重新推导最优检测器。附录B示出最优阈值检测器是双阈值检测器，在大多数实际情况下，近似单阈值检测器。在附录B中，概述了在下述两个命题中的结果。

[0559] 命题1检测方程式中(3.1)中的假设的最优双阈值检测器是：

[0560] 如果 或 则H1为真

[0561] 如果 则H0为真   (3.2)

[0562] 其中，

[0563]

[0564] 具有该双阈值检测器的最小错误概率是：

[0565]

[0566] 其中，Q(x)是Q函数，以及

[0567]

[0568] 命题2如果，

[0569]

[0570] 则方程(3.2)中的双阈值检测器可以近似下述的单阈值检测器，

[0571] H1为真，如果

[0572] H0为真，如果

[0573] 其中，在方程(3.3)中定义 该单阈值检测器的错误概率是，

[0574]

[0575] 在研究光接收器的BER的文献[3，第4章]中，经常使用单阈值模型。通过忽略方程(3.3)中的项 来进一步简化单阈值模型。如果 和 是可比的，这是有意义的。注意，如果 则

[0576]

[0577] 显式地解出阈值为

[0578]

[0579] 定义，

[0580]

[0581] 该参数Q(与命题1和命题2中的Q函数不同)通常被用来表示BER[3,第4章][0582]

[0583] 然而，在我们的分析中，考虑在检测器中，由于通过多个EDFA的噪声累积，“1”比特的方差 的方差远大于“0”比特的方差 (在该实验中，消退比不为零(以dB为单位，16:1)，但是在许多放大器后， 受累积的放大器噪声控制)。因此，不能忽略项 并且不能使用方程式(3.6)和(3.7)来计算BER。

[0584] 3.2 EDFA放大光链路中的噪声源

[0585] 3.2.1放大的自发发射

[0586] 自发发射是激光器和放大器中的主要噪声源。这主要是由于激光离子的随机去激发的结果，这已经被量子力学所了解[20,43]。在放大器中，自发发射噪声在经过剩余的放大媒介时被进一步放大，因此被称为放大自发发射(ASE)。

[0587] 对具有光学带宽Bo的光放大器，ASE噪声可被写为，

[0588] Psp＝2SspBo   (3.8)

[0589] 其中，Bo是光滤波器的带宽。参数Ssp是ASE噪声的频谱密度，其可以被看作几乎不变，并且可以被写成[3]，

[0590] Ssp＝(G-1)nsphv   (3.9)

[0591] 其中，ν是入射光子的光学频率，h是普朗克常数。参数nsp是自发发射因子，以及[0592]

[0593] 其中，N1和N2分别是基态和激发态的原子种群。因此，方程式(3.8)中的ASE噪声可以被重写为，

[0594]

[0595] 3.2.2检测噪声

[0596] 散粒噪声和热噪声是限制光接收器的BER的两个基本噪声源。对由于沿着传输的噪声累积而自身波动的入射光信号，在接收器处会产生包括差拍噪声和强度噪声的附加噪声[1]。以接收器电流的形式表示它们，光接收器的电流可被写为

[0597] I(t)＝Ip+is(t)+isig-sp(t)+isp-sp(t)+iI(t)+iT(t)   (3.12)

[0598] 其中，is(t)是来自散粒噪声的零均值电流波动，isig-sp(t)+isp-sp(t)来自差拍噪声，iI(t)是来自入射光信号强度噪声，iT(t)来自热噪声。IP是平均光电二极管电流，[0599]

[0600] 其中，Pin是平均入射光功率。参数R是光电探测器响应度，并且

[0601]

[0602] 其中，η是光检测器的量子效率。

[0603] 散粒噪声

[0604] 散粒噪声是接收器处的电子产生构成随机过程的事实的表现，导致光电二极管中的电流波动。响应恒定的光信号Pin而产生的光电二极管电流可以被写为，

[0605] I(t)＝Ip+is(t)   (3.13)

[0606] 其中，Ip＝RPin是平均光电二极管电流，is(t)是由于散粒噪声引起的电流波动。散粒噪声的噪声方差是，

[0607]

[0608] 其中，Be是接收器的有效噪声带宽。

[0609] 来自EDFA增益随机性的强度噪声

[0610] 入射光信号的强度波动导致光电探测器中的强度噪声。在该分析中，关注由EDFA增益的随机性引起的强度波动，因为k个放大器链指数地放大强度噪声(将在后面的章节讨论)。与非偏振的自发发射不同，EDFA增益的随机性是指与输入信号光同相的增益波动，可从量子力学中得到最好的理解[25]。如果增益近似为常数，则用g表示EDFA增益，如果考虑增益随机性，则用G表示EDFA增益。使用 来量化增益的随机性，其中， 是G的方差，g是G的均值。EDFA增益中的随机性导致放大的光信号的强度波动，其被下游EDFA进一步放大。将 定义为由增益随机性引起的接收器电流的强度噪声方差，

[0611]

[0612] 在后面的分析中，根据 导出

[0613] 差拍噪声

[0614] 在光接收器处，产生的光电流可以被写为[3，第6章]，

[0615]

[0616] 其中，Es是信号场，Esp是与ASE相关的光场。ASE引入的电流噪声表现为差拍噪声，这是Es与Esp以及Esp及其身差拍的结果[3，第6章]。ASE字段Esp是宽带，并且可以被写成[0617]

[0618] 其中，φn是频率ωn处的噪声谱分量的相位。使用 可以从方程式(3.15)获得两个差拍噪声项的电流为：

[0619] isig-sp＝2R∫(gPsSsp)1/2cosθ1dωn   (3.16)

[0620] isp-sp＝2R∫∫Sspcosθ2dωndω′n   (3.17)

[0621] 其中，θ1＝(ωs-ωn)t+φn-φs和θ2＝(ωn-ω′n)t+φ′n-φn是快速变化的两个随机相位。对随机相位进行平均，得到两个差拍噪声的噪声方差，

[0622]

[0623]

[0624] 热噪声

[0625] 热噪声是任何导体中的电子的随机热运动的表现。由于热噪声引起的噪声方差可以被写成：

[0626]

[0627] 其中，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，RL是负载电阻。热噪声相对于其他噪声源较小，并且在检测模型中经常被忽略。

[0628] 3.3 EDFA架构

[0629] 图43示出典型的EDFA架构。这也是[23]中的实验中使用的EDFA。其是两级放大器，每级放大器跨越由980nm源泵浦的掺铒光纤。在它们之间使用增益平坦滤波器(GFF)来平坦化增益谱。控制系统(控制两级掺铒光纤和泵浦源之间的中间级可变光衰减器)能够将内部增益在毫秒内调整到目标的0.1dB以内。将Pin定义为EDFA的输入光功率，将Pout定义为输出光功率，将g＝Pout/Pin定义为平均增益。在实践中，EDFA有两种常见的工作模式：恒定增益模式和恒定功率模式。在恒功率模式下，无论输入功率如何变化，控制放大器以产生恒定的输出功率。在恒定增益模式下，控制放大器以保持Pout/Pin的平均值恒定。将Psp表示为与输入信号相加的由EDFA放大的自发发射(ASE)的噪声。在恒定的增益控制下，总输出功率相对于总输入功率的比率(即，(Pin+Psp)/Pin，而不是由输入信号所看到的放大增益)被控制为恒定。为了避免误解，将引号用于总输出功率与输入功率的比率的恒定增益控制，即“恒定增益模式”或“恒定增益控制”。图44示出具有随机增益G和ASE噪声Psp的EDFA的简化示意图。

[0630] 图43是示出用于实验的EDFA的架构的示意性框图。其是由980nm泵浦源泵浦的两级放大器。可变光衰减器和泵浦可以由EDFA控制系统调整。

[0631] 图44是具有随机增益G和ASE噪声Psp的EDFA的模式。

[0632] 对EDFA放大的光链路，定义命名约定的模型A-B，

[0633] ·A是指链路中级联的EDFA的数量，

[0634] ·如果忽略放大器增益强度噪声，则B＝g，否则B＝G。

[0635] 3.4 EDFA放大光纤链路模型1-g

[0636] 我们从分析如图45所示的最简单的EDFA模型，模型1-g开始。在该模型中，在EDFA之前，施加光学衰减l以模拟光信号在被放大器放大前，在光纤中传播时经受的损耗。

[0637] 图45是具有光纤损耗l的模型1-g。

[0638] 3.4.1模型1-g的光信号和噪声

[0639] 输出Pout包括信号和噪声，并且

[0640] Pout＝P0lg+Psp

[0641] 其中，P0是发射器输出的初始光信号功率。Psp是方程(3.11)中的光学ASE噪声，并且Psp＝2(g-1)nsphvBo.。因此，输出处的光信噪比(OSNR)是：

[0642]

[0643] 3.4.2模型1-g的电信号和噪声

[0644] 更多噪声(散粒噪声和热噪声)在被检测时被添加到光接收器处的信号，并且ASE噪声会变现为与信号场以及与自身的差拍噪声。假定用于开关键控调制的无限消退比并且忽略热噪声，从方程(3.15)，光电流是，

[0645]

[0646]

[0647] 因此，对比特“1”，我们有

[0648]

[0649]

[0650]

[0651]

[0652] 对比特“0”，我们有：

[0653]

[0654]

[0655]

[0656] 比特“1”的方差大于比特“0”的方差。检测接收的比特是“1”还是“0”不同于在比特“1”和“0”的方差大致相同情况下的经典公式。在[1，第6章]中，当检测噪声主要受信号自发的差拍噪声影响时，电SNR定义为 然而，在我们的公式中，在多个放大器级联后，累积的噪声迅速增加，并且累积的噪声功率足够大，使得除了信号自发差拍噪声以外的其他噪声因素也变得显著并且不可忽视。因此，将电SNR(ESNR)定义为，

[0657]

[0658] 对模型1-g，

[0659]

[0660] 忽略散粒噪声项，

[0661]

[0662] 如果P0lg＞＞Psp，

[0663]

[0664] 注意，方程(3.4)或(3.5)中定义的BER取决于比特“1”和比特“0”的统计，而方程(3.18)中定义的ESNR仅是比特“1”统计的函数。因此，ESNR本身不足以确定BER。在此包括了上述定义的ESNR的分析，因为这与由Junio的实验中测得的 类似[23]。

[0665] 3.5 EDFA放大光纤链路模型k-g

[0666] 图46是k个放大器的级联的示意性框图，每个放大器由具有损耗l的光纤跨度分开。

[0667] 3.5.1模型k-g的光信号和噪声

[0668] k个放大器后的光信号功率(Psig)k为

[0669] (Psig)k＝P0(lg)k

[0670] k个放大器后的累积ASE噪声(Psp)k为：

[0671]

[0672] 因此，模型k-g的光信噪比是

[0673]

[0674] 从上面的方程，有以下观察：

[0675] 1.对lg<1，随着k增加，(OSNR)k-g以 的速率减小。对于大k，(OSNR)k-g以(lg)k的速率渐近地下降。

[0676] ·limk→∞(OSNR)k-g＝0

[0677] 2.对于lg＝1，随着k增加，(OSNR)k-g以1/k的速率减小。

[0678] ·limk→∞(OSNR)k-g＝0

[0679] 3.对于lg>1，当k增加时，(OSNR)k-g以 的速率减小。

[0680] ·

[0681] 3.5.2模型k-g的电信号和噪声

[0682] 比特“1”的光电流是，

[0683]

[0684] 比特“0”的光电流是，

[0685]

[0686] 因此，对于比特“1”，我们有

[0687]

[0688]

[0689]

[0690]

[0691] 对于比特“0”，我们有

[0692]

[0693]

[0694]

[0695] 因此，如在方程(3.18)中对模型k-g定义的ESNR为：

[0696]

[0697] 忽略散粒噪声，

[0698]

[0699] 从上面的方程，我们有以下观察：

[0700] 1.对于lg<1，随着k增加，(ESNR)k-g以(lg)2k的主导速率下降。

[0701] ·limk→∞(ESNR)k-g＝0

[0702] 2.对于lg＝1，随着k增加，(ESNR)k-g以 的速率减小，如图49所示。

[0703] ·limk→∞(ESNR)k-g＝0

[0704] 3.对于lg>1，随着k增加，(ESNR)k-g以 的速率减小。

[0705] ·

[0706] 如果P0＞＞Psp，

[0707] 注意当不能忽略自身的自发发射的差拍噪声时，ESNR的分母是累积光噪声功率的二次函数，而ESNR的分子是光信号功率的线性函数，因此，已知光信号和光噪声的比(即OSNR)不足以确定ESNR。因此，通过已知检测到信号之前的OSNR不足以确定BER，而是需要信号功率和噪声功率的精确值来推导用于模型k-g和k-G两者的BER。

[0708] 3.5.3当lg<1和lg＝β时，模型k-g的特殊情形

[0709] 定义

[0710]

[0711] lg<1的特殊情形是当对i>1，li＝β/g并且l1＝1/g时。每个光纤跨度损耗由两个因素组成：由放大器增益g补偿的损耗1/g，以及附加损耗β。等效地，从EDFA的增益控制中，我们能够将损耗β解释为衰减因子，并且得到图47中的模型。

[0712] 图47是当lg＝β时，模型k-g的特殊情形的示意性框图。

[0713] 令(Pout)i为图47中第i个放大器的输出光功率。在一个放大器之后，[0714]

[0715] 因此，将第一放大器的输出功率控制为与原始输入光功率相同。

[0716] 使用归纳，我们能够容易证明

[0717] (Pout)i＝P0

[0718] 因此，具有lg＝β的效果是每个放大器的输出被控制为等于初始信号功率P0。请注意，这是在“恒定增益控制”下，导致相等的输出功率。这不是恒定功率控制，因为输出功率被控制为等于P0，并且如果P0变化，则Pout也通过β相应地改变。如果在恒定的功率控制下，Pout将保持不变，即使P0变化。因此，OSNR在信号开启时，为：

[0719]

[0720] 对于大k，(OSNR)k-g以βk的速率渐近地减小。ESNR是

[0721]

[0722] 随着k增大，(OSNR)k-g以β2k的速率减小，与lg<1的模型k-g的情形相同。

[0723] 3.6 EDFA放大的光链路模型k-G

[0724] 我们现在包括EDFA随机增益的效果。图48中的模型k-G包括由EDFA的同相增益随机性引起的强度噪声，并且该模型使用G而不是g。

[0725] 图48是模型k-G的示意性框图。

[0726] 3.6.1模型k-G的光信号和噪声

[0727] k个放大器后的平均平均光信号功率(Psig)k为

[0728] (Psig)k＝P0(lg)k

[0729] k个放大器后的平均累积ASE噪声(Psp)k是

[0730]

[0731] 因此，k个放大器后的光信号场(Esig)k是

[0732]

[0733] k个放大器后的累积ASE场(Esp)k是

[0734]

[0735] 由增益随机性引起的强度噪声的精确计算取决于G的分布，并且计算繁琐。通过两个额外的方差项近似强度噪声，一个来自放大信号，一个来自ASE噪声(推导在附录C中)。来自信号的随机增益强度噪声是，

[0736]

[0737] 来自累计ASE的增益强度噪声是，

[0738]

[0739] 注意，考虑到随机增益强度噪声，比特“1”的光场比比特“0”的光场更随机。当信号开启时，我们将OSNR近似为

[0740]

[0741] 为了查看k和随机增益如何影响OSNR并且使分析更容易，在lg<1、lg＝1和lg>1的三种情况下查看 注意 由三部分组成，

[0742]

[0743] 1.对于lg＝1，

[0744]

[0745] 因此，对于大k，1/OSNRk-G随着k的增加，以2k的主导速率增加，或者随着k的增加，OSNRk-G以1/2k的主导速率减小，

[0746]

[0747] 2.对于lg<1，

[0748]

[0749] 其中

[0750]

[0751] 因此，对于较大的k，1/OSNRk-G随着k的增加而以 的速率增加，或者随着k增加，OSNRk-G以速率(lg)k减小。

[0752]

[0753] 3.对于lg>1，

[0754]

[0755] 其中，

[0756]

[0757] 因此，对于k大的情况，1/OSNRk-G随着k的增加以 的主导速率增加，其中，a和b是常数。或者，当k增加时，OSNRk-G以 的主导速率减小。
并且

[0758]

[0759] 当对lg＝1和lg<1的情形考虑OSNRk-G时，k-G模型中的信号质量下降的关键因素是累积的ASE噪声，而随机增益的影响可以忽略；对于大于1的lg，随机增益的影响变得更为显著，但影响仍然不大。利用在包含放大器随机增益强度噪声的模型k-G，光学比特“1”和比特“0”遇到不同的噪声功率，但是本文研究的OSNR只考虑噪声比特“1”。因此，即使在一致性检测中，由于比特“0”也有助于确定阈值，所以上述OSNR的比不足以计算精确的BER。而且需要比特“1”和“0”二者的信号功率和噪声功率。

[0760] 3.6.2模型k-G的电信号和噪声

[0761] 比特“1”的光电流是，

[0762]

[0763] 比特“0”的光电流是，

[0764]

[0765] 因此，对于比特“1”，我们有，

[0766]

[0767]

[0768]

[0769]

[0770]

[0771] 其中， 是来自信号功率的随机增益噪声， 是来自信号与ASE的差拍噪声的随机增益噪声， 是来自ASE与自身的差拍噪声的随机增益噪声。

[0772] 对于比特“0”，我们有

[0773]

[0774]

[0775]

[0776]

[0777] 在附录C中推导随机增益强度噪声，并且

[0778]

[0779]

[0780] 如果lg≠1,

[0781]

[0782] 如果lg＝1，

[0783]

[0784] 修改在方程(3.18)中定义的ESNR以将k-G模型中的随机增益强度噪声包括在内(忽略散粒噪声)

[0785]

[0786] 为了使分析更直接，替代地，我们来看1/(ESNR)k-G，并且，

[0787]

[0788] 其中，在方程(3.22)中定义(ESNR)k-g。注意

[0789]

[0790] 从方程(3.29)，我们有，

[0791]

[0792] 从方程(3.30)，我们有，

[0793]

[0794] 从方程(3.31)和(3.32)，我们有，

[0795]

[0796] 从上面的方程，我们有以下观察：

[0797] 1.对于lg<1，随着k增加，1/(ESNR)k-G由项 主导，能被表示为其中，相对应k和 a、b和c是常数。

[0798] ·limk→∞(ESNR)k-G＝0

[0799] 2.对于lg＝1，随着k的增加，1/(ESNR)k-G以的主导速率增加，如图49所示。

[0800] ·limk→∞(ESNR)k-G＝0

[0801] 3.对于lg>1，随着k增加，1/(ESNR)k-G以的速率增加。

[0802] ·limk→∞(ESNR)k-G＝0

[0803] 注意，当不能忽略放大器随机增益噪声时，ESNR的分母是累加的光学噪声功率的二次函数与来自随机增益噪声贡献的噪声分量的总和。因此，即使已知光信号和总光噪声的精确值，但由于光噪声包括自发发射噪声和随机增益噪声，所以它们不足以导出BER，并且电噪声不是总光噪声的简单线性函数。因此，需要光噪声的精确分量来推导误比特率。

[0804] 图49是以对数-对数标度，模型k-G和模型k-g的ESNR的倒数的曲线图。注意由具有 的黑色曲线绘制。本图中使用的参数为：lg＝1，信号功率P0＝5mW，一个放大器的ASE噪声Psp＝0.01mW，检测器光学带宽Bo＝15GHz，检测器电带宽Be＝11GHz，检测器响应度R＝3.73C/J，假设1542nm波长和具有η＝1的100％效率。

[0805] 3.7模型k-g和模型k-G的数值示例

[0806] 正如前面讨论的那样，由于存在随机增益强度噪声，OSNR或ESNR不足以确定BER。接下来，对匹配损耗和增益的情形，其中，lg＝1，使用数值示例，考察BER对于放大器链的影响和随机增益强度噪声的依赖关系。在实验中，我们考虑了60个放大器的链，参数为：初始信号功率P0＝5mW，一个放大器的ASE噪声Psp＝0.01mW，检测器光学带宽Bo＝15GHz，检测器电带宽Be＝11GHz，检测器响应度R＝3.73C/J，假设1542nm波长和具有η＝1的100％效率。

[0807] 图50和51分别以正常标度和对数-对数标度，根据放大器的数量，绘制BER。图50是在正常标度下，根据放大器的数量，模型k-G的BER(即，BERk-G)的曲线图。注意，具有的黑色曲线对应于模型k-g的BER。本图中使用的参数为：lg＝1，信号功率P0＝5mW，一个放大器的ASE噪声Psp＝0.01mW，检测器光学带宽Bo＝15GHz，检测器电带宽Be＝11GHz，检测器响应度R＝3.73C/J，假设1542nm波长和具有η＝1的100％效率。图51以对数-对数标度，根据放大器的数量，绘制模型k-G的BER。注意，具有 的黑色曲线对应于模型k-g的BER。本图中使用的参数为：lg＝1，信号功率P0＝5mW，一个放大器的ASE噪声Psp＝0.01mW，检测器光学带宽Bo＝15GHz，检测器电带宽Be＝11GHz，检测器响应度R＝3.73C/J，假设1542nm波长和具有η＝1的100％效率。

[0808] 显然，由于存在随机增益强度噪声，BER比没有随机增益噪声时更高。另外，当随机增益噪声较大时，根据放大器的数量，BER更快地增加。

[0809] 图52根据放大器数量，绘制模型k-G和模型k-g的BER比。图52以对数-对数标度，根据放大器的数量，绘制模型k-G和模型k-g的BER的比(即， )的BER的比率。本图中使用的参数为：lg＝1，信号功率P0＝5mW，一个放大器的ASE噪声Psp＝0.01mW，检测器光学带宽Bo＝15GHz，检测器电带宽Be＝11GHz，检测器响应度R＝3.73C/J，假设1542nm波长和具有η＝1的100％效率。它表示比值 随着放大器数量的增加而减小，表明随着放大器链路的减少，随机增益噪声的影响更加显著。这是因为，虽然BER随着噪声的增加而增加，但是BER的增加速率随着噪声的增加而减小，并且随着噪声增加，BER接近水平渐近线0.5。当有更多的放大器时，由于噪声的累积，BER已经非常高，并且BER的增加变慢，因此，随机增益噪声的存在导致放大器越多， 越小。

[0810] 图53根据放大器增益的方差与均方的比值(即， )，绘制模型k-G的BER。图54根据 绘制模型k-G和模型k-g的BER的比(即， )。BER和 随增益的随机性增加而增加。放大器的数量越少， 越大。

[0811] 图54是以对数-对数标度，根据放大器增益的方差和均方(即， )，模型kG的BER与模型k-g的BER的比(即 )的曲线图。本图中使用的参数为：lg＝1，信号功率P0＝5mW，一个放大器的ASE噪声Psp＝0.01mW，检测器光学带宽Bo＝15GHz，检测器电带宽Be＝
11GHz，检测器响应度R＝3.73C/J，假设1542nm波长和具有η＝1的100％效率。

[0812] 3.8实验结果的总结和讨论

[0813] 本节中讨论的实验由贝尔实验室的Joseph Junio进行，其中，部分实验结果公布于[23]。

[0814] 3.8.1实验设置

[0815] 如图55所示，建立由具有中间节点处的光开关的线路网组成的测试台，以表示大规模网状网络的段(由三条链路组成的端对端路径)。波长选择开关(WSS)表示网络节点，WSS1用于源节点，WSS2和WSS3用于中间节点。在每个WSS节点，衰减器被控制以确保跨越频谱的相等功率被发射到下一链路。每个光链路使用三个EDFA进行放大，EDFA由40km跨度的标准单模光纤隔开，每个跨距损耗约21dB。使用具有中级可变光衰减器和“恒定增益”控制器的两级EDFA，并且能够在毫秒内将内部增益调整到目标的0.1dB以内。开关1可以被开启/断开，以模拟切换信道的开关。由来自可编程波形函数的平滑电压函数驱动，以控制光路的开关功能。

[0816] 图55是示出图示WSS节点1、2、3和EDFA1-9的实验装置的示意性框图，其由40km的SSMF跨度分开。EDFA9输出由EDFA10放大并由WSS4过滤(均未示出)。

[0817] 3.8.2开关引起的快速瞬变

[0818] 使用两种类型的切换，阶跃函数切换和绝热切换(图56)。对于绝热切换，使用升余弦函数的电压来驱动开关，研究不同切换持续时间(从10ns到40ms)的影响。

[0819] 图56是(a)阶跃切换函数和(b)升余弦函数的绝热切换函数的示意图。

[0820] 阶跃函数切换

[0821] 当切换信道突然开启/关闭时，EDFA中存在上级人口突然短缺/过多，探测信道输出功率遭遇突然欠冲/过冲。这发生得比EDFA控制的响应时间快。此后(约5ms之后)，EDFA的“恒定增益控制”开始生效并且使增益回到预设值。在图57中，观察到持续 的高度>5dB的瞬变。

[0822] 图57(a)是当存在4个信道，并且添加4个信道，然后丢弃对应于添加/丢弃4个信道的最差情况信道配置时，9个EDFA后的探测信道输出的曲线图。图57(b)是通过示出～5ms后的瞬态减退的扩展时间标度的初始开启瞬态的曲线图。

[0823] 绝热切换

[0824] 图58和图59示出在许多EDFA(10)链上，指示 的切换时间足够长以压制瞬变，而无需详细感测EDFA物理动态和控制系统的状态的瞬态持续时间。由于OFS中的光流持续一秒钟或更长时间，可以承受几毫秒的时间来开启/关闭光路，而不会显著影响吞吐量性能。通过在5ms内绝热(缓慢)切换波长，放大器动态特性和EDFA控制系统可以平滑响应，降低光功率瞬态的严重性。除了罕见情况，诸如同时发生多次(>2)开/关之外，绝热开关应当压制大部分瞬变。传输层协议[21]已被设计，并将纠正由此产生的传输错误。

[0825] 图58(a)是当存在2个信道并且对不同的开启时间添加了一个信道时，探针信道(1561.01nm)上的瞬态事件的曲线图。图58(b)是当存在4个信道并且对各种关闭时间，丢弃一个信道时间，探测信道(1561.01nm)上的瞬态事件的图。

[0826] 图59是开启和关闭瞬态与切换开/关时间的瞬态的峰值(上)和(下)3dB宽度的曲线图。

[0827] 3.8.3信道质量退化

[0828] 在实验中使用具有16：1的消退比(以dB为单位)的10Gbps开-关键控信号。在放大(放大器的数量)和信道配置(在光纤中开启的信道的数量)阶段，研究信道质量和BER。

[0829] 通过远程光纤的光经历来自多个源的噪声，并且可以假设接收的“1”和“0”比特都具有高斯分布。

[0830] 图60示出在检测器的输出处的通信链路的眼图。由于在9个放大器的链路上累积的噪声，导致明显的眼睛闭合。图61示出“1”和“0”比特的高斯统计。由于非零消退比和累积的ASE噪声，“0”比特具有非零均值。另外，“1”比特的方差大于“0”比特的方差。

[0831] 图60是在9个EDFA的链后的通信链路的眼图，显示出明显的眼睛闭合。

[0832] 图61是图示9个EDFA链后的比特“1”和“0”的采样统计的曲线图。比特“0”的平均值不为零，比特“0”的方差小于比特“1”的方差。

[0833] 放大器级联后的信号统计

[0834] 使用标准的BER测试器(Anritsu)来根据链路出口处的215-1的误比特率、10Gbits/OOK PRBS比特流，测量错误概率。使用光检测器来将用于“1”和“0”水平的统计测量为模型的输入。图62示出根据对“1”比特(信号ON)，信号经过的放大器的数量，以及2、6、10和20个信道的信道负载的方差/均方。图63示出根据对沿路径的不同位置(分别在2、4、7和10个放大器后)的“1”比特的信道负载的方差/均方。图64示出当将更多信道添加到链路中时，(在10个放大器后测量的)信号信道的“1”和“0”水平的方差/均方。图62和63中的数据示出两个重要的观察结果：

[0835] 1.方差/均方随着信道负载的增加而减小，表明改善了信道性能。

[0836] 2.方差/均方随着放大器的数量近似指数地增加，指示随着放大器的数量增加而信道质量下降。

[0837] 正如预期的那样，误比特率BER(图65)随着存在的波长信道的数量的增加而改善。图66绘制相对于直接测量的BER，由第1节中的单阈值检测模型预测的BER，表明单阈值检测器是最佳检测器的良好近似。

[0838] 图62是在每个信道配置下，根据放大器的数量的“1”比特的方差/均方的曲线图。放大器越大，斜率增加，但随着添加更多的信道而下降。

[0839] 图63是根据信道配置的“1”比特的方差/均方的图。

[0840] 图64是以dB标度绘制的、在链路中的9个放大器后测量的“1”比特和“0”比特的方差/均方的曲线图，。

[0841] 图65是在放大器7和10的输出处，从图62中的方差计算出的误差概率的曲线图。

[0842] 图66是根据链路中存在的信道的误比特概率BER的曲线图。实验测量点(10Gbits/s，OOK)，使用第1节中的单阈值检测模型和用于一和零比特水平的测量光电流计算实线。

[0843] 观察结果1的一个可能解释来自方程(3.11)，并且N1+N2＝Nt，其中，Nt是总离子密度。用这两个方程，ASE噪声可以被写成：

[0844]

[0845] 当光纤中存在更多的信道时，为了保持相同的增益g，控制器使泵浦升高反转水平，促使更多的载流子上升到较高的状态。另外，来自增加的波长的信号的增加导致受激发射的增加，耗尽增益并减少自发发射的光子。因此，随着光纤中的波长数量的增加，光纤中的自发发射噪声降低。从方程(3.20)、(3.21)、(3.27)、(3.28)、(3.30)和(3.31)，对于模型k-g和模型k-G，在比特“1”的方差中，存在线性项Psp和二次项Psp。因此， 是Psp的二次函数。假设EDFA N2的上层状态载流子数与光纤Nch中的“开”信道的数量之间存在线性关系，则 可以被写为：

[0846]

[0847] 其中，a、b、c和d是拟合参数。参数b来自Nt，以及参数a、c和d分别考虑了Psp的影响、EDFA随机增益和光纤损耗。图67使用实验数据和使用最小均方估计参数a、b、c和d的匹配数据，根据放大器的数量，绘制 示出这两个数据集之间的良好一致性。因此，我们的猜想提供了观察结果1的可能解释。

[0848] 图67是根据与 的二次函数匹配的信道配置，“1”比特的方差/均方的曲线图，其中，Nch是光纤中的“开”信道的数量，以及b是基于光纤中掺杂铒的量的参数。

[0849] 图68和图69示出使用具有lg＝P0/(P0+Psp)的模型k-G的匹配信号方差/均方，其对应于EDFA处于“恒定增益控”下的情况。令P0＝5mW，Be＝11GHz，Bo＝15GHz，以及k＝[2,4,7,10]， 可以表示为拟合参数Psp和 的函数。使用 的实验数据，Psp和
的最小均方误差估计为

[0850] 对20个信道，Psp＝3.5x10-8Watts，

[0851] 对10个信道，Psp＝3.6×10-8Watts，

[0852] 对6个信道，Psp＝3.7x10-8Watts，

[0853] 对2个信道，Psp＝4.1×10-8Watts，

[0854] 对20信道、10信道和6信道的情形，模型匹配曲线与实验数据吻合较好，但对2信道情形偏差较大。这可以通过以下事实来解释：ASE噪声跨越所有信道，并且在多个放大器之后，ASE噪声累积在其他“关”信道上，类似于在具有小信号功率的“开”信道上。当只有两个“开”信道时，其他信道上的放大的ASE噪声，即小信号的影响越显著。但是，我们的模型仅考虑来自“开”的信道的ASE噪声，即Psp，并且不考虑来自其他“关”信道处放大的ASE的小信号效应。因此，匹配数据与实验数据之间的差距对于两个信道来说更显著。

[0855] 然而，从我们之前在第5节中的模型k-g和第6节中的模型k-G的分析，随着放大器数量的增加，lg<1和随机增益导致 呈指数增长。图68和图69中的拟合只是提供了一种可能的解决方案和解释，并且lg<1或随机增益是否是主要原因并不确定。可以通过在实验中，保持相邻EDFA之间的光纤跨度损耗和匹配的平均EDFA增益(例如1g＝1)来研究EDFA随机增益的显著性。

[0856] 图68是对恒定控制的情形，即lg＝P0/(P0+Psp)，使用模型k-G，从实验数据和匹配数据，根据放大器的数量的“1”比特的方差/均方的曲线图。

[0857] 图69包括恒定控制的情形，即lg＝P0/(P0+Psp)，使用模型k-G，从实验数据和匹配数据，根据放大器的数量的“1”比特的方差/均方的四个子图。

[0858] 4减损感知调度算法和减损补偿网络架构

[0859] 第3节中的模型和实验结果都表明，在EDFA-放大的全光网络中，信道质量随着更多放大器的放大而降低，并且来自其他事务的在中间跨网络处的光路合并和发散会导致在一个特定事务的传输时间期间信道质量变化。由于网状和隧道式架构均是构建在同一物理拓扑上的网络逻辑拓扑，所以引起信道质量下降和变化的该EDFA和快速切换适用于架构M和架构T，并且增加了具有这两种架构的OFS的调度问题的挑战。

[0860] 4.1减损感知路由

[0861] 在第2节中，最短路径算法基于路径的跳数决定最短路径，以最小化配置开关的控制业务。在减损感知路由的情况下，希望最小化最短路径中的信道劣化量。假设每个光开关增加了≤1dB的损耗，与总路径损耗≥20dB相比可以忽略不计。在该假设下，EDFA是噪声的主要来源，在路由算法中，选择最短路径为EDFA总数最少的路径。在设计良好的网络中，链路上的EDFA的数量与物理链路距离高度相关，并且较长的链路通常需要更多的EDFA来放大其承载的信号。因此，EDFA总数最少的路径很可能也是物理距离最短的路径。

[0862] 在网络逻辑拓扑图G(V,E))中，令每个边的权重W(i→j)为边i→j上的放大器的数量，然后利用输入G(V,E)和边权重W，Floyd-Warshall算法通过运行时间 求解全对最短路径，其中，NV是以V为单位的节点数量。

[0863] 4.2减损感知的预定波长分配

[0864] 第3节示出影响信道质量的光纤中“开”的信道的数量。由于跨WAN的端对端光路通常由多跳组成，并且在网状物理拓扑中，光路可能与一个或多个跳上的其他光路重叠。因此，该光路的开启和关闭会影响与之共享一跳的其他光路的质量。由于在OFS中，动态地建立和拆除光路，光路的该动态状态变化给OFS的调度带来以下挑战：

[0865] a.由于我们不知道稍后是否会有更多请求到达，但是与当前请求的调度重叠的调度传输时间的的传输，因此在执行调度波长分配执行时，无法确定调度未来的光路质量。

[0866] b.调度到将来的光路影响其传输时间与新调度的光路的传输时间重叠的、已经被调度的光路的信道质量。

[0867] 沿着具有跳数HP的最短路径P，将大小为作为光纤中的波长信道的总数的Λ的向量 定义为沿路径P的第i跳的信道配置，以及如果第j个波长在沿路径P的第i跳上为“开”，则 否则 将 定义为沿着最短路径P取入信道配置的输入的函数，并且输出1个波长ω的误比特率。假设通过网络减损的模型找到这种函数，那么如果信道配置是已知的，则可以验证沿着调度光路的信道质量。令thBER为能容忍的最大BER。如果光路在T中的任何时间的BER不大于thBER，则在传输持续时间T内被认为是合格的。

[0868] 4.2.1减损感知FIFO-EA算法

[0869] 减损感知FIFO-EA算法修改了FIFO-EA算法以满足沿着最短路径的调度波长分配问题的上述挑战。将此算法命名为IA-FIFO-EA算法。IA-FIFO-EA算法仍然以先进先出的方式处理请求，并且对于每个请求，计算沿着最短路径的满足以下条件[(a)]的第一可用光路：

[0870] a.在整个调度传输时间期间，通过已知的将来信道配置的输入，认为调度光路的质量合格。

[0871] b.在调度传输时间中建立和拆除该光路将不会取消任何已经调度的光路的资格。

[0872] 条件(a)本身不保证光路将在调度的时间合格。这只是说，利用在调度计算时关于将来所知的一切，如果没有与该调度重叠的将来的请求，则光路将合格。因此，结合确保将来请求的调度将不会取消已经调度的那些的资格的条件(b)，可以确保在调度传输时间期间，新调度的光路将合格。

[0873] 将 定义为在P上具有至少一跳并且其开始时间在将来或当前正在传输的已经被调度的事务的列表。算法4.1给出了IA-FIFO-EA算法的伪代码，图70(A&B)使用流程图，示出IA-FIFO-EA算法的过程。算法IA-FIFO-EA重复地调用算法FIFO-EA以从t0开始，在将来时间窗口中查找最早可用波长。如果满足以下两个条件，则最早可用波长ω在调度持续时间[Ts,Te]合格。

[0874] a.紧接在落在[Ts,Te]中的已经调度的事务的开始时间和结束时间后，所选择的ω是合格的(在我们的算法中我们不关心由绝热切换压制的快速瞬态，并且任何残余瞬态由传输层协议来处理，因为传输的开始和结束都会导致信道配置的改变，通过在Ts和Te之后立即验证信道质量，我们以新信道配置中验证信道质量)。

[0875] b.对与[Ts,Te]重叠的任何正在进行或已经调度的事务，已经调度的波长将不会被新的传输分配取消资格。

[0876] 条件(a)可以通过检查在调度的传输时间和当由于同一光纤中的其他波长的状态变化导致信道配置变化时的传输期间的任何其他时间开始时的ω信道质量来验证。图21示出当波长ω的质量在信道配置变化时发生变化的可能时间。条件(b)可以通过查看与[Ts,Te]重叠的每个正在进行或已经调度的事务并且在重叠时间期间检查信道配置改变时的其质量来验证。

[0877] IA-FIFO-EA算法的运行时间分析

[0878] 确切的运行时间取决于实际的业务到达。在下面的分析中，考虑处于稳定状态的网络中的最坏情况运行时间。换句话说，使用调度保持器的平均占用率来计算已经调度的传输列表 的长度的影响，并且研究在光传输时间和传输路径(至少一跳)中，所有已经调度的传输与新分配的光路重叠的最坏情况。

[0879] 将 定义为架构X(架构X可以是架构M或架构T)的IA-FIFO-EA算法的运行时间，将RCHECKQUALITY定义为子例程CHECKQUALITY的运行时间，以及将 定义为计算BER的运行时间。将 定义为通过调用架构X的FIFO-EA，需要搜索新调度的平均时间。因为事务的开始时间和结束时间都可以触发信道配置的改变，因此在最坏的情况下的可能信道衰减为：

[0880]

[0881] 图21是[Ts,Te]期间的信道配置改变的次数的示意图。

[0882]

[0883] 图70(A和B)是通过算法4.1给出的伪代码，用于IA-FIFO-EA算法的流程图。

[0884]

[0885] 其中，α和β在算法4.1的while循环中通过比较和赋值操作(在第13-17行和第3-6行)获取运行时间(与其他操作相比，算法4.1中第1行的运行时间可以忽略不计)[0886]

[0887] 其中，γ通过算法4.2的while循环中第5-12行的比较和值赋值操作，获取运行时间(与其他操作相比，算法4.2中第1行的运行时间可以被忽略)。因为平均来说，[0888]

[0889] 其中， 是路径的平均跳数(注意 是指与网状逻辑网络拓扑相同的物理网络拓扑中所有源-目的地路径的平均跳数，因此， 与第2章中的 和 相同)。SX是通过架构X，每跳占用的调度保持器的平均数，以及

[0890]

[0891]

[0892] 其中，Ns是每个光纤链路的调度保持器的数量。注意，α、β和γ都包含约五个操作，包括比较、赋值和返回值或者打断循环，我们使用一个参数α来表示所有三个操作，并且α≈5。用方程(4.3)和(4.2)代入方程(4.1)，导致，

[0893]

[0894] 从第2节， 被近似为，

[0895]

[0896] 其中， 是数据平面上的平均跳数，对于架构M， 对于架构T，因此，

[0897]

[0898] 4.2.2已知最差情况下的减损

[0899] 如果我们假设光纤对信号的非线性效应可以忽略不计，而光纤噪声主要受EDFA产生的噪声的影响，那么从第二节的实验结果可以看出，当光纤中有“开”的零波长时，沿着给定路径，就信道质量而言的最坏情形发生。通过该假设，可以简化IA-FIFO-EA算法，并且可以使用第4节中的模型计算fBER。如果最坏的情况是当光纤中没有“开”波长时，则IA-FIFO-EA算法的主要变化是：

[0900] ·如果基于已经调度的事务的已知将来的条件光路是合格的，则它将保持合格，因为在沿着该光路的将来传输期间，仅可能的是，与在调度计算时已知是“开”的波长数量相比，在同一光纤中，具有更多的“开”波长。

[0901] ·已调度的事务将不会通过调度将来与它们重叠的更多事务而被取消资格。

[0902] 因此，在新的IA-FIFO-EA算法中，只需要验证新调度的最早可用波长的质量。将该算法命名为KWC-FIFO-EA算法，KWC是“已知最差情况”的简称。KWC-FIFO-EA算法的伪代码在算法4.3中给出，其过程用图71中的流程图来示出。

[0903]

[0904] 图71是由算法4.3给出的伪代码，KWC-FIFO-EA算法的流程图。

[0905] KWC-FIFO-EA算法的运行时间分析

[0906] 类似于第4.2.1节，考虑网络稳定状态下的最差情况运行时间，使用调度保持器的平均占用率来计算已经调度的传输列表的长度的影响，并研究在所有已经调度的传输在传输时间和传输路径(至少一个跳)中，与新分配的光路重叠的最坏情况。

[0907] 将 定义为架构X的KWC-FIFO-EA算法的运行时间。然后，对于最坏的情况，

[0908]

[0909] 其中，α通过算法4.3(第4、5、10、11和13行)的while循环中的比较和赋值操作，获得运行时间(与其他操作相比，算法4.3中第1行的运行时间可以被忽略)，并且α≈5。用方程(4.3)和(4.2)代入方程(4.5)，导致：

[0910]

[0911] 在最坏情形为当光纤中存在零个“开”波长的情形的情况下，可以使用第4节中的模型来计算误比特率。通过在不同的信道配置下测量并且通过控制平面报告的EDFA ASE噪声，以及已知光纤损耗和开关损耗，可以使用第2节中的模型计算信号衰减和累积的噪声，然后可以用方程(3.4)或(3.5)，估计BER。令k为沿光路的放大器的总数，使用lg＝1并且例如开关损耗可忽略不计时的情形，fBER可分解为以下步骤，每个步骤的运行时间估计为代数运算的次数(假设散粒噪声和热噪声可以忽略不计)。

[0912] 1.对于比特“1”

[0913] 计算光路末端的电信号功率，取运行时间O(1)≈3次操作。

[0914] 计算检测中的sig-sp噪声，取运行时间O(1)≈10次操作。

[0915] 计算检测中的sp-sp噪声，取运行时间O(1)≈11次操作。

[0916] 如果增益随机性已知或能够被估计，计算随机增益强度噪声，取运行时间O(lnk)≈60+4log2k次操作。

[0917] 2.对于比特“0”

[0918] 计算光路末端的电信号功率，取运行时间O(1)≈3次操作。

[0919] 计算检测中的sp-sp噪声，取运行时间O(1)≈11次操作。

[0920] 如果增益随机性已知或能够被估计，计算随机增益强度噪声，取运行时间O(lnk)≈25+log2k次操作。

[0921] 3.使用公式(3.5)(假定使用单阈值检测)计算BER，取运行O(1)≈47次操作。

[0922] 因此，运行时间RfBER可以估计为 次操作。由于沿着光路的放大器的总数约为10个，可以将RfBER近似为200次操作。因此，方程(4.7)可以近似为：

[0923]

[0924] 4.3减损感知OFS调度的处理能力分析

[0925] 由于在光纤非线性不可忽略并且信道质量取决于详细信道配置知识的情况下，我们没有确定信道质量的模型，所以我们不分析算法IA-FIFO-EA的处理能力。我们着重于算法KWC-FIFO-EA的处理能力分析，其运行时间已在4.2.2节中讨论过。

[0926] 4.3.1 KWC-FIFO-EA算法的处理能力分析

[0927] 与第2.6.2节中的分析类似，最短路径路由算法仅在网络拓扑发生变化时才运行，比KWC-FIFO-EA算法少得多。因此，我们重点关注KWC-FIFO-EA算法的处理能力要求。

[0928] 如第2节所定义，NV是WAN中节点的数量，ρ是每个链路的平均负载因子，Δ是WAN中的平均节点度，Np是连接到一个WAN节点的平均总体大小，λ是终端用户的请求到达率， 是平均传输时间。那么对集中式调度，用于架构X的所需的处理能力是的以及对分布式调度，为 类似于2.6.2节的分
析，将 替换λNp，获得在集中减损感知调度波长分配的情况下，架构X的总处理能力，

[0929]

[0930] 并且在分布式的减损感知调度波长分配的情况下，

[0931]

[0932] 为了获得用于平均情形和峰值业务到达情形的 和 的数值，与2.6.2节的分析类似，使用表2.4计算平均情形 和高峰到达情形
的处理能力。从图(36)可以看出，在这些参数下，架构M和T的阻塞概率
都小于10-3，对于架构M，调度保持器负载为 对架构T
因此，架构M和T的S的平均整数值均小于1，因此S＝1，SM＝1并且ST＝57。表4.1概括了架构M和T，在集中式调度和分布式调度下的平均处理能力，而表4.2概括峰值处理能力。

[0933] 通过算法KWC-FIFO-EA，对隧道式架构来说，最坏情况处理能力较高。这是因为在架构T的情况下，由于波长准静态地分配给隧道，因此沿光路，将来会调度更多的会话。因此，算法KWC-FIFO-EA需要在信道配置改变时在将来更多次检查光路质量。然而，通过分布式调度，在架构M(1个Intel i7CPU)和架构T(4个Intel i7CPU)的情况下，易于实现算法KWC-FIFO-EA。

[0934]

[0935] 在上面的总结中，表示从1至 的 的范围，其中，对架构M为1至8，而对架构T，为1至544。

[0936] 在上面的总结中， 表示以用于PC的广泛使用的Intel内核处理器i7至尊版3960X(16核)的处理能力用作参考，其可以以3.33GHz执行177.73GIPS。

[0937]

[0938] 在表4.2中，表示从1至 的 的范围，其中，对架构M为1至8，而对架构T，为1至544

[0939] 在表4.2中， 表示将用于PC的广泛使用的Intel内核处理器i7至尊版3960X(16核)的处理能力用作参考，其可以以3.33GHz执行177.73GIPS。

[0940] 4.4减损感知OFS调度的控制业务分析

[0941] 与第2.7节中的控制业务分析类似，控制业务包括从用户到调度器的光路请求的业务、在调度器和所涉及的开关之间用于建立和拆除光路的控制业务。在减损感知OFS调度中，控制业务还包括报告网络中光纤减损的业务。这种EDFA引起的减损对于网状和隧道式网络架构是相同的，但是对于调度是集中式还是分布式而言是不同的。这是因为在集中式调度的情况下，所有的减损需要被报告给一个中央调度器，而在分布式调度中，所有的减损都需要报告给所有的调度器。

[0942] 我们假设网络控制单元已经知道不会随信道配置而改变损耗(如光纤损耗或开关损耗)，因此在控制平面中不收集也不报告。假设光纤非线性引起的损耗可忽略不计，EDFA感应的噪声是检测中的主要噪声源，在控制平面上，采集并报告EDFA ASE噪声。假设沿着一个链路，来自不同EDFA的ASE噪声大致相同，并且在链路的末端节点，该节点能够从链路的累积噪声中推导出一个EDFA的ASE噪声Psp(链路的末端节点的单向估计Psp考虑源自该链路的起始节点的波长的噪声，其信号仅被该链路上的EDFA所破坏，然后可以使用在第3章中的模型来导出Psp)。通过这些假设，无论传输沿路径何时开始或结束，路径上的节点都需要在改变后报告EDFA ASE噪声，并且

[0943] a.如果需要详细的信道配置来计算BER，则对每条链路，需将受影响的光纤中的每个信道上的ASE噪声与新信道配置一起被报告；

[0944] b.如果考虑到最坏的情况，则对于每个受影响的光纤只需要报告“开”信道的数量和用于所有信道的一个ASE噪声。

[0945] 对于情形(a)，使用<链路ID，信道配置，放大器数量，每个波长的Psp>来获得减损。链路ID可以是取8比特的光纤有关的ID。信道配置可以是Λ个一比特标识符，并且放大器的数量可以由8比特整数表示。对于Psp，选择使用64比特长数字。将LIA定义为具有详细信道配置的该减损信息的总长度，以及

[0946] LIA＝65Λ+16比特

[0947] 对于情况(b)，减损可以通过<链路ID，放大器的数量，“开”波长的数量，Psp>来获得。将LKWC定义为已知最坏情况下减损信息的总长度。使用8比特整数来表示“开”放大器的数量，则

[0948] LKWC＝88比特

[0949] 再次假定使用TCP/IPv6来传输减损控制业务。注意，上面讨论的减损信息是IPv6控制分组的有效载荷。将 或 分别定义对全信道配置的情形或已知最坏情形，在一个节点和调度器之间的一个TCP会话中的总控制业务。则，

[0950]

[0951]

[0952] 其中，αFEC表示相对于有效载荷实际长度，来自前向纠错的开销的百分比。因为传输的开始和结束均触发沿传输发生的路径P上的所有链路的减损报告，使用 和来表示由一个传输(传输的开始和结束)触发的控制业务，那么，

[0953]

[0954]

[0955] 将 定义为集中调度的总控制业务，将 定义为分布式调度的总控制业务，其中，Y可以是IA或KWC，指定全信道配置或已知最坏情形的两种情形。与第5节中的控制业务分析类似，总控制业务可以从业务需求和网络拓扑得出，并且

[0956]

[0957]

[0958] 为了获得控制业务的数值，使用表2.4中的数值来计算用于平均情况和峰值业务到达情况 的控制业务。我们获得在表4.3中总结
的平均业务到达的情况下，表4.4中总结的业务高峰到达的情况下，用于减损报告的附加控制业务的数值。

[0959]

[0960]

[0961] 将表4.3中的减损控制业务添加到表2.6中的请求和开关配置的控制业务中，利用表4.5中概括的平均业务到达，我们获得减损感知调度的总控制业务。类似地，利用在表4.6中概括的峰值业务到达，我们能够获得减损感知调度的总控制业务。

[0962]

[0963] 在表4.5中，表示在分布式调度的情况下，由于控制业务被发送到所有WAN节点并且被分布到所有的链路，平均每边的负载约为最重的边负载。

[0964]

[0965] 在表4.6中，表示在分布式调度的情况下，由于控制业务被发送到所有WAN节点并且被分布到所有的链路，平均每边的负载约为最重的边负载。

[0966] 详细的信道配置信息导致链路减损报告的巨大控制业务。在分布式调度的情况下，对于峰值业务到达的情况，对架构M，每边控制业务为251Gbps，以及对架构T，为230Gbps，这是巨大的控制平面负担。然而，如果网络被设计为远离光纤的非线性区域(这可以通过降低输入光功率，并且允许使用前向纠错的更高的BER来实现)，通过算法KWC-FIFO-EA和分布式调度，对架构M，每边控制业务被减少至可管理的量49.8Gbps(72％用于链路减损报告，28％用于光路建立/拆除)，对于架构T，减少至36.4Gbps(99％用于链路减损报告和
1％用于光路建立/拆除)。

[0967] 4.5减损补偿网络架构

[0968] 在本节中，提出了一种新的网络架构，其中，网络被设计成信道质量的最坏情况是当光纤中没有“开”波长时(该设计可以限制光纤非线性引起的跨信道干扰的影响，使得EDFA引起的噪声占主导地位)。为了确保在当没有其他“开”波长时的最坏情形期间，光路仍然合格或者增加光路的到达，使用虚拟激光器来将光功率注入到从每个开关出去的每根光纤(图24)。激光器的功率可以以如图72所示的方式控制，使得任何光纤中的光功率总是在一定的最低水平以上，以确保最差情形或者具有更长到达的情形合格。激光器的总数等于网络中的光纤数量，即2NEF，其中，NE是网络中双向边的数量，F是每个边的光纤数量。请注意，即使在该减损补偿网络架构的情况下，仍然应当报告链路减损。

[0969] 图24是根据本发明的实施例，具有用于从开关出去的每个光纤的虚拟激光器的新颖WAN架构的示意性框图。

[0970] 图72是根据本发明的实施例，使用虚拟激光器以确保光纤中的总光功率保持在最小值以上的示意图。

[0971] 5结论

[0972] 在此，已经解决了流切换光网络的网络管理和控制方面，并且设计了导致可扩展控制平面和高效数据平面的网络架构。

[0973] 系统地，已经给出了基本网络管理和控制实体以及相应功能的概述。由于OFS的处理能力和产生的控制业务随着业务需求、网络规模的增加而增加，并且与数据网络架构密切相关，而其他日常维护型网络管控功能要么是固定的，要么是对于总的努力可忽略的，因此，我们关注OFS的调度问题。考虑两种可能的广域网架构：网状或隧道式，并且开发了用于数据平面性能模型的统一模型，以为控制平面的性能比较提供通用的平台。还开发了从作为网络架构、业务需求和网络资源的功能的处理复杂性和控制业务的角度，分析网络管理和控制工作的框架。在EDFA放大的光链路中存在切换引起的物理层减损给网络管理和控制带来了更多的挑战。为了将物理层减损的影响纳入到调度算法中来保证预定光路的质量，开发了用于EDFA放大光链路的质量模型。针对两种情况：a)当光纤中没有“开”信道时，发生信道质量的最差情况，以及b)需要光纤的全信道配置来确定一个信道的质量以及最坏的情况未知，已经开发了减损感知调度算法。最后，提出了一种减损补偿网络架构，在每个开关上采用虚拟激光器来保证最坏情况下的信道质量或增加光路的覆盖范围。

[0974] 我们对数据平面性能的分析表明，在聚合业务的至少两个波长，并且每个波长允许将来调度约两个事务的情况下，隧道式架构提供了与网状架构相当的数据平面性能。但是，在没有物理层减损的情况下，隧道式架构将处理能力和控制业务降低了数量级。以分布式调度的峰值业务到达为例，峰值处理复杂度从 降低到 每边的峰值控制业务从 降低到 在减损感知调度的情况下，结果表明，如果在
控制平面中报告了详细的信道配置信息，那么链路减损更新会导致巨大的控制业务，例如，在网状架构上，在分布式调度的情况下，～250Gbps的每边峰值控制业务。然而，如果已知减损的最坏情形是当在光纤中没有“开”信道时，则使用隧道式架构处理能力和控制通信量都被减少到可管理的量。例如，调度可以由1到4个Intel i7CPU来处理，而每个边缘的峰值控制业务是

[0975] 附录A第1节的方程和定理的推导

[0976] A.1定理1的论证

[0977] 论证。通过归纳，对于i＝2，

[0978]

[0979] 假设ρsk＝ρs，则对于i＝k+1，

[0980]

[0981] 附录B通过不等均值和方差，检测两个高斯随机变量

[0982] 在本附录中，我们使用来自[37]的技术，推导用于假设检验接收的X是“1”还是“0”的最佳阈值检测器。

[0983] 1最佳双阈值检测器

[0984] 假定在假设1下，X是具有均值μs、方差 的高斯随机变量，即

[0985]

[0986] 假定在假设0下，X是均值为μn，方差为 的高斯随机变量，即

[0987]

[0988] 另外，我们假设，

[0989] μn＜μs

[0990]

[0991] 因此，X的分布是，

[0992]

[0993]

[0994] 求解 导致高斯分布的两个交点，见图73，并且

[0995]

[0996]

[0997]

[0998]

[0999] 最佳阈值检测器是具有阈值x1*和x2*的双阈值检测器，并且

[1000] H1为真，如 或者

[1001] H0为真，如果

[1002] 为了明白为什么上述情况为真，考虑使用具有阈值x1和x2的双阈值检测器的错误概率，并且x2<μn

[1003] Pe＝P(H0)Pr{X＜x2，or，X＞x1|H0}+P(H1)Pr{x2＜X＜x1|H1}   (B.5)[1004] 由于“1”和“0”比特是均等可能的，所以P(H1)＝P(H0)＝0.5。将φi(x)定义为在假设Hi下，高斯随机变量的累积概率分布。然后方程(B.5)可以被重写为：

[1005]

[1006] 图73是具有非等均值和方差的两个高斯随机变量的双阈值检测模型的曲线图。

[1007] 请注意，只要保持x2<μn

[1009] 分别相对于x1和x2，s(x1)和g(x2)的一阶导数为：

[1010]

[1011]

[1012] 将上面的一阶导数设置为零，导致

[1013]

[1014]

[1015] 求解上面的方程，得到了方程(B.3)中的x1*和方程(B.4)中的x2*，并且x2*<μn

[1016] 分别相对于x1和x2，s(x1)和g(x2)的二阶导数分别是

[1017]

[1018]

[1019] 在 处，

[1020]

[1021] 其中，方程(B.6) 公式(B.7)，因为 而方程(B.7) 方程(B.8)，因为且μn＜μs。类似地，在 时，

[1022]

[1023] 因此，

[1024]

[1025]

[1026] 以及，

[1027]

[1028] 在通信系统中，错误概率通常表示为Q函数的函数。Q函数是标准正态分布的尾部概率，也就是说，

[1029]

[1030] 使用Q函数表达方程(B.9)，得到最优双阈值检测器的最小误差概率，以及[1031]

[1032] B.2单阈值检测器近似

[1033] 考虑具有在x1*处的阈值的单个阈值检测器(见图52)，以及

[1034] H1为真，如果

[1035] H0为真，如果

[1036] 图74是具有非等均值和方差的两个高斯随机变量的单阈值检测模型的曲线图。

[1037] 因此，错误概率是：

[1038]

[1039] 最优双阈值检测器和单阈值检测器之间的错误概率差是

[1040]

[1041] 从[12]，

[1042]

[1043] 因此，随着x的增加，Q(x)呈指数下降，

[1044]

[1045] 由于

[1046]

[1047] 如果 则相对于(Pe)min，ΔPe可以忽略不计，即，

[1048]

[1049] 附录C

[1050] 第3章方程的推导

[1051] C.1方程(3.24)中的 的推导

[1052] 证明。来自信号的增益强度噪声是，

[1053]

[1054] 请注意，在上面的计算中，为了简化起见，考虑了实际的场值。

[1055] C.2方程(3.25)中的 的推导

[1056] 证明。来自累计ASE的增益强度噪声是，

[1057]

[1058]

[1059] 请注意，在上面的计算中，为了简化起见，考虑了实际的场值。

[1060] C.3方程(3.29)中 的推导

[1061] 证明。

[1062]

[1063] 论证。将 定义为与第i个噪声的信号差拍的强度噪声。

[1064] 相应的光电流是

[1065]

[1066] 因此，

[1067]

[1068] 因为 并且 因此， 因此，

[1069]

[1070] 与噪声的信号差拍的总强度噪声 是，

[1071]

[1072] C.5方程(3.31)中的 的推导

[1073] 证明。将 (i

[1074]

[1075] 因此，

[1076]

[1077] 来自与自身的ASE噪声差拍的总强度噪声是，

[1078]

[1079] 如果lg≠1，

[1080]

[1081] 如果lg＝1，

[1082]

[1083] 引用的参考文献

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[1114] 尽管通过上述示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本文公开的发明构思的情况下，可以对所示实施例进行改进和变型。所公开的方面或其部分可以以未在上面列出和/或未明确要求的方式组合。在缺少本文没有具体公开的任何元素的情况下，也可以适当地实施本文公开的实施例。因此，不应将本发明视为限于所公开的实施例。

[1115] 虽然可以相对于所公开的实施例，列举具体参数值，但是在本发明的范围内，所有参数的值可以在宽范围内变化以适应不同的应用。除非在上下文中另外指出，或者本领域普通技术人员将理解，诸如“约”的术语意味着±20％以内。

[1116] 如本文所使用的，包括权利要求书中，结合项目的列表使用的术语“和/或”是指列表中的一个或多个项，即，列表中的至少一个项，但不一定是列表中的所有项。如本文所使用的，包括在权利要求中，与项目列表结合使用的术语“或”是指列表中的一个或多个项，即，列表中的至少一个项，但不一定列表中的所有项。“或”并不意味着“异或”。

[1117] 尽管参考流程图和/或框图来描述实施例的方面，但是每个块的全部或一部分或块组合的功能、操作、判定等或者块的组合可以被组合、分成单独的操作或以其他顺序执行。每个块的所有或一部分，或块的组合可以被实现为计算机程序指令(诸如软件)、硬件(诸如分立组件、组合逻辑、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他硬件)、固件或其组合。

[1118] 实施例可以由执行存储在存储器中的指令或由其控制的处理器来实现。存储器可以是适用于存储控制软件或其他指令和数据的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存或任何其他存储器或其组合。处理器可以是单核或多核微处理器、数字信号处理器(DSP)、工业微控制器等。

[1119] 定义本发明的功能的指令可以以多种形式被传递到处理器，包括，但不限于，永久存储在有形的不可写非瞬时存储介质(例如，计算机内的只读存储器设备，诸如ROM，或可由计算机I/O附件可读的设备，诸如CD-ROM或DVD盘)上的信息、可变地存储在有形的非瞬时可写存储介质(例如，软盘、可移动闪存、可记录的DVD或硬盘)上的信息或通过通信介质(包括有线或无线计算机网络)传送到计算机的信息。