CN107135157A - 一种适用于天基光网的光波长交换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于卫星通信领域的一种适用于天基光网的光波长交换方法。本交换方法，通过对天基光网建立线性规划模型求解得到在一条链路故障下进行重路由不丢失业务所需的最少波长数，在每个卫星节点内部配置多个波长交换平面，每个交换平面完成一个波长的所有激光链路的交换。本发明能够实现天基光网不同激光链路间波长级交换，满足天基光网的大容量光组网与传输的要求。

Description

一种适用于天基光网的光波长交换方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域，特别涉及一种适用于天基光网的光波长交换方法。
背景技术
相比于传统的微波通信，激光通信更具有的信息容量大、传输速度快、信道隐蔽性好，通信系统体积小、重量轻、功耗低和相对性价比高等特点。随着空间激光通信技术的发展，激光通信将越来越多地应用于卫星通信。美国计划了整合空间资源的“转型卫星通信系统”(TSAT)系统的设想。在TSAT系统中，位于同步轨道的卫星采用激光链路与相邻卫星连接组成天基光网；天基光网中的每个卫星节点采用微波链路和激光链路实现对天基、空基、海基、陆基用户的接入；星上光电混合交换机/路由器能够完成不同链路间的信息互联互通互操作。
作为星上光电混合交换技术重要组成部分，光交换完成天基光网的星间激光链路和用户激光链路间的信息交换，其性能直接影响天基光网的通信容量、信息服务能力。为验证星上光交换的可行性，欧洲航天局(European Space Agency，ESA)相继开展了ULISS(Ultra-LowInstablitySignalSource)，OTUS(Optical TechnologiesforUltra-fastSignal Processing on Silicon Platforms)等一系列计划进行星上多粒度交换的技术研究，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration(NASA))也开展了星上光交换项目。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于天基光网的光波长交换方法，其特征在于，天基光网由卫星节点通过激光链路相连组成；将天基光网抽象为有向网络图G(N,E)，N表示网络节点集合，E表示激光链路集合，给节点i到节点j的业务x分配波长λi,j,x作为路由标签，其中i,j∈N，x∈{0,1}，x＝0表示工作业务，x＝1表示保护业务；通过建立天基光网的线性规划模型，并求解得到网络存在链路故障情况下进行重路由不造成业务丢失需要的最少波长数W；每个网络节点包括W个交换平面，第f个平面完成第f个波长的交换，每个交换平面包括一个Nd×Nd的光开关，其中f∈[1,W]，Nd为一个光开关的端口数，Nd＝Ns+Nu，Ns为与网络节点i相连的其他网络节点数量，Nu为网络节点i的用户激光链路数量；
其中，线性规划模型建立及求解过程如下：
(1)给定一个数学极大值M；
(2)定义变量：
①链路波长占用决策变量，当业务(i,j,x)使用激光链路(m,n)的第f波长时，值为1，反之，为0，其中m,n∈N，f∈[1,W]为网络可用的第f个波长；
②业务波长占用决策变量，当业务(i,j,x)使用第f波长时，值为1；反之，为0；
③θf：波长占用决策变量，当第f波长被使用时，值为1；反之，为0。
(3)优化目标：最小化使用的波长数
(4)整数线性约束：
①节点流守恒约束：
②光路资源唯一利用约束：
③所有业务全部接入约束：
④波长使用约束：
(5)通过求解以上线性规划问题的数学最优解得所需最少波长数W。
本发明的优点是在求解天基光网的线性规划模型得到最少波长数的基础上，通过配置多个波长交换平面，实现天基光网波长级交换。该方法能够实现任意星间激光链路以及用户激光链路的波长级交换。
附图说明
图1为由5颗同步轨道卫星组成的天基光网及单星内部结构示意图。
图2为链路故障情况重路由示意图。
图3为节点内部交换结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种适用于天基光网的光波长交换方法
如图1所示，本发明实施例面向的天基光网由5颗同步轨道卫星组成，相邻两星之间通过NS＝2条激光链路(正向激光链路和反向激光链路)组成双环光网，每颗卫星通过Nu＝2条激光链路连接到天基、空基、海基、陆基的各类用户以及地面运维管控中心。将天基光网抽象为有向网络图G(N,E)，N表示网络节点集合，E表示激光链路集合，相连的节点i到节点j的业务x路径分配波长λi,j,x作为路由标签,其中i,j∈N，x∈{0,1}，x＝0表示工作业务，x＝1表示保护业务。光交换系统完成各类激光链路间的数据交换。
如图2所示，当发生一条链路故障时，能够通过重新分配波长实现重路由从而保证业务不丢失。为求得重路由所需的最少波常数W，对图1所示天基光网建立如下线性规划模型：
(1)给定一个数学极大值M；
(2)定义变量：
①链路波长占用决策变量，当业务(i,j,x)使用激光链路(m,n)的f波长时，值为1，反之，为0，其中m,n∈N，f∈[1,W]为网络可用的第f个波长；
②业务波长占用决策变量，当业务(i,j,x)使用第f波长时，值为1；反之，为0；
③θf：波长占用决策变量，当第f波长被使用时，值为1；反之，为0；
(3)优化目标：最小化使用的波长数
(4)整数线性约束：
①节点流守恒约束：
②光路资源唯一利用约束：
③所有业务全部接入约束：
④波长使用约束：
通过求解以上线性规划问题的数学最优解可得图1所示的天基光网所需最少波长数W＝12。
如图3所示，将所用波长依次标记为λ1,λ2,…,λ12，本发明实施例所提供的卫星节点内光交换结构包括λ1交换平面，λ2交换平面，…，λ12交换平面。每个交换平面包括一个4×4的光开关接收相应波长的激光链路信息，完成相应波长的交换。
综上所述，本发明所提供的适用于天基光网的光波长交换方法在求解天基光网的线性规划模型得到最少波长数的基础上，通过配置多个波长交换平面，实现天基光网波长级交换，满足了天基光网的组网与传输需求。

Claims (1)

1.一种适用于天基光网的光波长交换方法，其特征在于，天基光网由卫星节点通过激光链路相连组成；将天基光网抽象为有向网络图G(N,E)，N表示网络节点集合，E表示激光链路集合，给节点i到节点j的业务x分配波长λi,j,x作为路由标签，其中i,j∈N，x∈{0,1)，x＝0表示工作业务，x＝1表示保护业务；通过建立天基光网的线性规划模型，并求解得到网络存在链路故障情况下进行重路由不造成业务丢失需要的最少波长数W；每个网络节点包括W个交换平面，第f个平面完成第f个波长的交换，每个交换平面包括一个Nd×Nd的光开关，其中f∈[1,W]，Nd为一个光开关的端口数，Nd＝Ns+Nu，Ns为与网络节点i相连的其他网络节点数量，Nu为网络节点i的用户激光链路数量；
其中，线性规划模型建立及求解过程如下：
(1)给定一个数学极大值M；
(2)定义变量：
①链路波长占用决策变量，当业务(i,j,x)使用激光链路(m,n)的第f波长时，值为1，反之，为0，其中m,n∈N，f∈[1,W]为网络可用的第f个波长；
②业务波长占用决策变量，当业务(i,j,x)使用第f波长时，值为1；反之，为0；
③θf：波长占用决策变量，当第f波长被使用时，值为1；反之，为0；
(3)优化目标：最小化使用的波长数
(4)整数线性约束：
①节点流守恒约束：
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②光路资源唯一利用约束：
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④波长使用约束：
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