基于波長(zhǎng)路由算法的航電WDM網(wǎng)絡(luò)

焦龍

摘要：航電波分復(fù)用（WDM）網(wǎng)絡(luò)憑借其傳輸透明性、高帶寬、業(yè)務(wù)升級(jí)靈活等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代航電網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。該文首先建立合理的航電WDM架構(gòu)，然后根據(jù)該架構(gòu)對(duì)WDM網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)路由算法進(jìn)行性能評(píng)估，最后給出最終的應(yīng)用指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：航空電子；航電波分復(fù)用；波長(zhǎng)路由算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）14-0017-02

隨著航空電子系統(tǒng)的演進(jìn)，新生業(yè)務(wù)逐漸增多，機(jī)載設(shè)備日趨復(fù)雜，因此急需構(gòu)建一種高帶寬、低延遲、擴(kuò)展性好、可靠性強(qiáng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)。航電波分復(fù)用（WDM）網(wǎng)絡(luò)憑借其傳輸透明性、高帶寬、業(yè)務(wù)升級(jí)靈活等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代航電網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。然而WDM網(wǎng)絡(luò)中可供使用的波長(zhǎng)數(shù)并不是無(wú)限的，僅靠為不同業(yè)務(wù)分配傳輸波長(zhǎng)會(huì)造成WDM網(wǎng)絡(luò)中可供使用的波長(zhǎng)數(shù)不足，因此分析波長(zhǎng)路由問(wèn)題十分重要。

目前，結(jié)合航電網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)路由分配算法研究較少。文獻(xiàn)[1]僅介紹了不同的射頻/光纖傳輸通信鏈路架構(gòu)，并證實(shí)了使用光纖復(fù)用鏈路取代傳統(tǒng)電子鏈路的可行性。文獻(xiàn)[2]通過(guò)使用仿真方法分析對(duì)比了不同航電WDM 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在不同場(chǎng)景下的性能。文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了一個(gè)可配置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，僅對(duì)波長(zhǎng)分配和路徑選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述。它們所設(shè)定使用的波長(zhǎng)數(shù)較少，并沒(méi)有考慮未來(lái)由于設(shè)備增加，波長(zhǎng)不足的情況。本文首先建立合理的航電WDM架構(gòu)，然后根據(jù)該架構(gòu)對(duì)WDM網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)路由算法進(jìn)行性能評(píng)估，最后給出最終的應(yīng)用指導(dǎo)。

1 航電WDM架構(gòu)

根據(jù)SAE AS5659標(biāo)準(zhǔn)，航電WDM網(wǎng)絡(luò)分為光骨干網(wǎng)（OBN）和光接入網(wǎng)（OAN）兩部分。其中，OBN中采用波長(zhǎng)路由和交換技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交換，由網(wǎng)絡(luò)管理平面進(jìn)行路由和交換配置。它由多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONE）通過(guò)光纖互聯(lián)組成，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多種航電協(xié)議的互聯(lián)，如：FC，AFDX，ARINC429等。這里針對(duì)光骨干網(wǎng)選用環(huán)狀拓?fù)?，所?gòu)建的WDM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖1所示，未來(lái)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)ONE節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)增加。

ONE作為OBN的關(guān)鍵構(gòu)成元素，它主要由波長(zhǎng)路由器組成，波長(zhǎng)路由器完成選擇性地分出所需要的波長(zhǎng)、直通其他所有波長(zhǎng)、插入相同方向的數(shù)據(jù)內(nèi)容不同的同一波長(zhǎng)到傳輸光纖上的功能。為了易于實(shí)現(xiàn)，并保證未來(lái)的可擴(kuò)展性，本文將選用波分復(fù)用器（MUX）、解復(fù)用器（DEMUX）及波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）組成波長(zhǎng)路由器。其中，MUX主要完成多路不同波長(zhǎng)光信號(hào)復(fù)用到一根光纖上的功能，DEMUX則完成MUX的相反功能；WSS分為1*N和N*1兩種，前者主要完成輸入端口的波分復(fù)用信號(hào)中的任意波長(zhǎng)輸出到任意輸入端口上；而后者完成任意輸入端口的復(fù)用光信號(hào)與其他輸入端口的復(fù)用波長(zhǎng)組合后輸出。

2 波長(zhǎng)路由算法

目前實(shí)時(shí)光交換技術(shù)尚未成熟，高速光路業(yè)務(wù)負(fù)載的交換仍需要在電域中進(jìn)行。為保證航電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，充分利用WDM技術(shù)的高帶寬、多通路特性，可以通過(guò)波長(zhǎng)分配完成ONE0～ONE3之間的全互聯(lián)通信，以提供高速、低延遲的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。例如，在圖1中，通過(guò)給ONE0與ONE1的通信分配波長(zhǎng)1；ONE0與ONE1的通信分配波長(zhǎng)2，這樣將共計(jì)使用12個(gè)波長(zhǎng)即可以完成全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

然而，WDM網(wǎng)絡(luò)中可供使用的波長(zhǎng)數(shù)是有限的，隨著ONE節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，僅靠為通信鏈路不斷分配新波長(zhǎng)會(huì)造成復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)量的嚴(yán)重不足，因此需要對(duì)波長(zhǎng)路由（RWA）算法進(jìn)行研究和分析。WDM網(wǎng)絡(luò)中的RWA算法是一個(gè)NP完備問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化它的研究，通常將波長(zhǎng)路由算法分為路由選擇和波長(zhǎng)分配子問(wèn)題，即根據(jù)目標(biāo)選擇合理的信號(hào)傳輸路徑及根據(jù)已選路徑進(jìn)行傳輸波長(zhǎng)的分配。其中，路由選擇一般使用最短路徑算法、最小擁塞路徑算法等；波長(zhǎng)選擇算法則使用著色圖算法，最先適用波長(zhǎng)選擇法等。為了保證航電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和WDM網(wǎng)絡(luò)的易用性，在這里將選擇常用的最短路徑算法和著色圖算法作為將要使用的波長(zhǎng)路由算法。

2.1 最短路徑算法

最短路徑算法的步驟簡(jiǎn)單，它是指在一個(gè)有向圖中，從一個(gè)頂點(diǎn)出發(fā)，求該節(jié)點(diǎn)至所有可到達(dá)頂點(diǎn)的最短路徑問(wèn)題。假設(shè)有向圖中所有節(jié)點(diǎn)集合為G，求某節(jié)點(diǎn)i到其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑，執(zhí)行步驟如下：

<1>. 構(gòu)造集合D，它為已找到從i節(jié)點(diǎn)出發(fā)的最短路徑終點(diǎn)的集合，它的初始狀態(tài)為空；

<2>. 如果該節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j（i！=j）直接相連，則它們之間的距離為路徑的權(quán)值，否則距離為無(wú)窮大，構(gòu)造i節(jié)點(diǎn)到其余所有節(jié)點(diǎn)的距離矩陣L；

<3>. 在距離矩陣中選擇距離i最近的節(jié)點(diǎn)k（k∈G-D），將其入集合D；

<4>. 求解j節(jié)點(diǎn)到任意節(jié)點(diǎn)m{m∈G-D， m！=i}的距離，并計(jì)算出i節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)j節(jié)點(diǎn)到m節(jié)點(diǎn)的距離，與i節(jié)點(diǎn)距離矩陣L中對(duì)應(yīng)的值比較，如果存在某條到達(dá)m節(jié)點(diǎn)的路徑小于原距離矩陣的值，修改i距離矩陣的最短距離；

<5>. 重復(fù)操作<3>、<4>，直到計(jì)算完所有節(jié)點(diǎn)完畢。由此求得D矩陣中的值依次為最短路徑終點(diǎn)的集合。

2.2 著色圖算法

當(dāng)使用最短路徑算法為每一個(gè)連接請(qǐng)求建立路由后，這時(shí)將使用著色圖算法對(duì)每條路徑進(jìn)行波長(zhǎng)分配，它的前提是具有重疊部分的路徑不能使用同一波長(zhǎng)，具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)通過(guò)建立輔助圖來(lái)完成，執(zhí)行步驟如下：

<1>. 根據(jù)最短路徑算法所求出的路徑，構(gòu)建輔助圖G。其中，G的每個(gè)頂點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)中的一條最短路徑；

<2>. 如果不同的路徑具有重疊部分，則將輔助圖中對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)用一條邊連接起來(lái)；

<3>. 按照相鄰頂點(diǎn)間顏色不同的規(guī)則為每個(gè)節(jié)點(diǎn)著色；

<4>. 輔助圖中頂點(diǎn)顏色的總數(shù)目也就是光網(wǎng)絡(luò)中所需要的波長(zhǎng)的總數(shù)目，每個(gè)頂點(diǎn)的顏色即分配的波長(zhǎng)。

2.3波長(zhǎng)路由算法的實(shí)現(xiàn)

為了方便地使用上述算法對(duì)WDM網(wǎng)絡(luò)的搭建進(jìn)行路由波長(zhǎng)規(guī)劃，并保證通用性，在這里基于VS2008對(duì)上述波長(zhǎng)路由算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。假設(shè)路徑的權(quán)值相等，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目為25個(gè)，編程實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用如下圖2所示。該軟件可以完成不同結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⒍喾N節(jié)點(diǎn)數(shù)目的WDM網(wǎng)絡(luò)的路由波長(zhǎng)規(guī)劃。

3 性能分析

本部分將對(duì)比使用波長(zhǎng)路由算法和不使用波長(zhǎng)路由算法的波長(zhǎng)數(shù)。這里假設(shè)環(huán)網(wǎng)中ONE的個(gè)數(shù)為N（N≥3），所需波長(zhǎng)數(shù)為Num（Num≥0）。如果不使用波長(zhǎng)路由算法，為每個(gè)業(yè)務(wù)分配一路波長(zhǎng)，則為了實(shí)現(xiàn)全互聯(lián)，所需波長(zhǎng)數(shù)為：

Num=N×（N-1）

分別通過(guò)上式計(jì)算和軟件計(jì)算可得到下圖3的結(jié)果，可以看出波長(zhǎng)路由算法大大減少了完成業(yè)務(wù)所使用的波長(zhǎng)數(shù)。

3.1 性能分析與節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

在4節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，如果不使用波長(zhǎng)路由算法，為每一個(gè)業(yè)務(wù)分配一路波長(zhǎng)，則共需要使用12路波長(zhǎng)；采用上節(jié)所述的波長(zhǎng)路由算法，通過(guò)軟件計(jì)算可知，4節(jié)點(diǎn)僅使用3個(gè)波長(zhǎng)便可以實(shí)現(xiàn)全互聯(lián)通信，波長(zhǎng)數(shù)達(dá)到了節(jié)省，它的波長(zhǎng)流通圖如圖3（a）所示，圖中使用不同顏色代表網(wǎng)絡(luò)中用于傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不同波長(zhǎng)。可以看出節(jié)點(diǎn)的波長(zhǎng)流通是雙向的；這里為了進(jìn)行對(duì)比，將計(jì)算采用單向順時(shí)針流通時(shí)所需的波長(zhǎng)數(shù)，通過(guò)計(jì)算可知，需要使用7個(gè)波長(zhǎng)即可以實(shí)現(xiàn)全互聯(lián)通信，它的波長(zhǎng)流通圖如圖3（b）所示。

4 總結(jié)

航電WDM網(wǎng)絡(luò)作為下一代航電網(wǎng)絡(luò)的理想選擇，已經(jīng)成為每年AVFOP討論的熱點(diǎn)問(wèn)題。為了滿足航對(duì)航電WDM網(wǎng)絡(luò)的需求，本文構(gòu)建了簡(jiǎn)單的航電WDM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并結(jié)合經(jīng)典的波長(zhǎng)路由算法對(duì)該架構(gòu)進(jìn)行波長(zhǎng)路由規(guī)劃，從成本和性能上對(duì)WDM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)給出了合理的建議。未來(lái)準(zhǔn)備結(jié)合該架構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從多方面評(píng)價(jià)其性能和網(wǎng)絡(luò)的合理性。

參考文獻(xiàn)：

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