利用ROADM技术来优化WDM环路

Pankaj Risbood, Carl Nuzman, Nachi Nithi, Sanjay Patel

朗讯科技 贝尔实验室

摘要：在WDM环路中部署ROADM将会节约大量的运营成本，类似这样的节点也能确保在线网络优化；在本文中，我们将这种潜在的节省成本进行量化分析。

I. 引言

传统的传输网络主要是针对语音流量设计的，随着因特网的日益普及，网络流量越来越多地以数据为中心。事实上，数据流量的数量已经超过了语音流量，并且增长的势头依然不减。数据流量相对语音流量而言具有更大的突发性和不可预知性，而在未来，类似视频点播和在线游戏这样的新兴应用也非常需要短存留（short-lived）、高带宽的连接，这些新业务将产生对"on-demand按需波长"业务的新需求。如果真是这样的话，那未来的传输网络的设计将需要更多弹性。

密集波分复用（DWDM）技术被认为是在长途和本地城域网络上传送信息比特的最廉价、最可靠的传输技术。由于DWDM所具备的弹性和简单性，DWDM网络通常主要是以环网的形式出现，内部包含多个光链路，并通过OADM连接起来。近年来，可重构光分插复用器（ROADM）架构的呼声也越来越高，这种技术可以实现网络的自动化管理/操作，能够使传输网络变得更富效率和弹性，从而更轻易地满足变换负荷的增长需求[1]。在本文中，我们将论证这种ROADM技术不仅可以减少运营开支，还可以增加网络弹性，帮助运营商节省资本投资。特别需要说明的是，我们发现在churn的情况下，一种承载现实流量的可重构线路机制能够减少请求拒绝，改善网络利用率。我们在本文中还就不同的环路尺寸、流量图案、负载和流量churn进行广泛模拟，并给出试验结果。

II.网元模型

在本段中，我们先简要地描述用在试验中的各种网元模型。需要指出的是，我们这里仅仅关注功能性，而要实现这种功能的实际技术则不在本文讨论之列。一个传统的OADM包含了一Mux-Demux对，一组add/drop端口，在day one阶段就要铺设一个完整的系统（除了OTU）——这将需要投入很高的启动资金，而ROADM则通过按需支付（pay-as-you-grow）的方式将资本开支降低到最小程度[2]。第二个特性我们认为是波长和路径的弹性，足以应对各种不同的设计[1，3]。在一个最简单的ROADM里，每一个add-drop端口都被指定为某个特定的波长和ring方向服务。而一些更加先进的装置，如波长弹性（wavelength-flexible）ROADM，则支持任意端口接入到任意一组波长中。在这里，我们假设波长被分拆到不相交的频带中，每个端口都被指派到与一个这样的频带对应。在每一个频带的波长数量称为band size，而路径弹性（Route-flexible）ROADM则是允许一个端口接入到两个ring方向中的任意一个。

一个波长和路径弹性ROADM过去习惯于移动一个线路来改变波长或路径。从原理上将，这种移动可以按照hitless的方式——类似自动保护交换——来完成。如果结合一个有效率的网络管理系统，那这样的ROADM将能充分地减少以前人工操作所引发的高额运营成本和风险，在本文中我们着力研究了这种技术对现有服务进行重新包装，让网络满足未来服务发展需求，增加网络利用率以及延长网络使用寿命的可能性。
III.资本节约（Capital savings）
 
首先，一个弹性ROADM被一个网络管理系统有效控制，这样就可以完成类似环路再整理（defragmentation）这样的优化工作[5]，节省/推迟未来资本开销。在本段中，我们将利用广泛的模拟来研究这种优化所产生的效果。在我们的模型中，服务是在两个网络节点之间双向传输的。当一个服务请求达到时，产生一个尝试将它指派到一个线路中，该线路包含一个路径和波长。如果没有线路可用，那环路ring就重新被包装。如果在重新打包后依旧没有线路可用的话，那服务就会被阻塞。一个成功分配的服务可能随后就离开，这时候所分配的波长将再次变得有用。在第一项服务被阻塞之前的可接受的服务数量被称为"首次阻塞带宽（first block capacity）"。我们通过模拟测试了不同环路网络的首次阻塞带宽，在每一种假定情况下，都可以利用一个Poisson到达程序和指数分配服务时间来模拟服务到达和离开的次序。每一个服务所对应的一对节点都是一律实行随意选择的。而churn的程度则通过erlang负荷μ来量化。μ是服务arrival rate与占用时间的乘积。无限的erlang负荷（也就是无限的服务时间）表示没有churn，churn是随着μ的减少而增加。在下面所展示的结果中，我们分别对没有churn和μ=4W的两种情况进行了试验。

一个到达的服务通常被指派到最短的通道中（东或西），以及最低index.的可用波长上。重新打包运算法则基于描绘SONET环路context的方法之上[5]。将一个缝隙gap定义为已给波长空闲链路的相邻的次序，m个链路的gap加权2m-1，一条已给环路的包装尺度被定义为所有gap的加权总和。再打包则按照贪婪连续方法（greedy sequential）来实施，线路移动能导致包装尺寸最大限度地增加，其每一个步骤都是经过精挑细选的，直到没有一个移动是有益的为止。可接受移动的集合与ROADM的弹性和波段尺寸（band size） B有密切关系。如果ROADM是波长弹性的，那线路可能移动到波段中其他任意波长上，如果ROADM是属于路径弹性的，那每条线路就可能两个方向（东和西）来回切换。

图1 一个32通道环网络的首次阻塞带宽与波段尺寸关系图

为了upper bound最好的（可以通过波长包装来获得），我们也考虑了不透明网络，在这种网络中，一项业务被无阻碍地加载到每一个链路的不同波长上，为了bound最好的（可以通过对波长再包装来和路径来获得），我们考虑了一种不透明网络（由最优环路装载算法[6]确定的路径线路）。尽管我们已经研究了不同的环路尺寸，但现在我们所讨论的结果仅仅与8个节点的环路有关。无论是从质量还是从数量的结果来看，都是与环路尺寸没多大关系的，不过那些只有3个或4个节点的环路除外。

以上参数给首次阻塞带宽带来的影响请参看图1，图中显示的是一个包含32个波长的8节点环路。每个数据点的纵坐标是假定500次服务到达和离开的平均首次阻塞带宽，而横坐标则表示波段尺寸B。位置较低的那一组曲线是属于没有churn的情况（也就是没有离开），而上面一组曲线则是在高churn (μ=4W)的情况下获得的。红色和蓝色曲线分别代表仅仅对波长重新包装以及对波长和路径都进行重打包两种情况下带宽与B之间的关系。每一条曲线都有一条水平的上限（upperbound）线，分别代表着相关的环路容量（不透明和透明网络）。尽管首次阻塞带宽在churn情况下看起来要比没有churn情况的带宽要高，但是这并不是一个公平的对比关系，因为前者包括了那些已经到达和离开的业务。然而，如果我们对比B=1和B=W两种情况，我们就能很清晰地发现增加的带宽主要是因为重新包装在churn的情况下比没有churn的情况效率要高得多，也就是说效果更显著一些。事实上，在没有churn的情况下，简化的基于First-Fit的波长分配算法就能够将环路包装地非常有效率。在不对波长进行重新包装的情况下调整路径（蓝色曲线，B=1）几乎是毫无益处的，不改变路径而只对波长进行重新包装则有一定的好处（红色曲线，B=32），不过最大的改进则是通过对波长和路径都能弹性选择的ROADM来实现的（红色曲线，B=32）。而带宽的最大增量则主要发生在波段尺寸较小的区域内。如果要举例说明的话，我们可以说一个波段尺寸为8、有能力重新路由的ROADM的性能要比一个完全无色、不能重新路由的ROADM要好的多，图1也说明了一个能够重新路由的不透明网络（完全波长转换）要比不能重新路由的不透明网络性能好一些。

在我们随机业务到达模型中，首次阻塞带宽是一个随机变量，具有很大的偏差和自由度。例如，图2a中描述了在重新包装和没有重新包装两种情况下的首次阻塞带宽柱状图，并与图1中有churn情况下的两个数据点相对应，尽管重新包装情况下的分布比没有包装的高36%，但双方仍有交叉重叠区域，重新包装的时间和成本可以与环路重新包装的次数以及线路移动的总数量有关系。图2b描述了线路移动的总体数量的分布图（对波长和路径重新包装）。

 图2 a)在重新包装和没有重新包装两种情况下的首次阻塞带宽柱状图 b)在有churn和没有churn两种情况下，出现首次阻塞之前，重新包装线路的数量的柱状图（带有32个波长的八节点环路）。

IV.结论

在一个WDM环路中，如果存在重大的服务churn，那对线路进行重新包装就可以大幅度增加首次阻塞带宽，如果是没有churn则效果就明显减弱。一种基于指数加权gap的启发式重新包装算法将是简单和有效的，它提供了一个bridge-and-roll在线移动次序。最后，为波长弹性ROADM增加了路由弹性，使重新包装的效果更大。

参考文献
[1] A. Saleh et al, "Architectural principles of optical regional and metropolitan access networks," J. Lightwave Tech.
17, 2431-2448 (1999).
[2] C. Nuzman et al, "Effects of modularity and connectivity on OADM deployment in ring networks," in OSA TOPS
86, OFC Conference (Optical Society of America, Washington, DC, 2003), pp. WH-05.
[3] M. Feuer et al, "Routing power: a metric for reconfigurable wavelength add/drop multiplexers," in OSA TOPS,
OFC Conference (Optical Society of America, Washington, DC, 2002), pp. TuX-01.
[4] D. Cavendish et al, "Routing and wavelength assignment in WDM rings with heterogeneous wavelength conversion
capabilities" in Proc. INFOCOM, (IEEE, New York, 2002), pp. 1415-1424.
[5] S. Acharya et al, "Hitless network engineering of SONET rings" in Proc. GLOBECOM (IEEE, New York, 2003).
[6] A. Schrijver et al "The ring loading problem," SIAM Review 41, 777-791 (1999).