基于波长路由算法的航电WDM网络

焦龙

摘要：航电波分复用（WDM）网络凭借其传输透明性、高带宽、业务升级灵活等特点，被认为是下一代航电网络的理想选择。该文首先建立合理的航电WDM架构，然后根据该架构对WDM网络的波长路由算法进行性能评估，最后给出最终的应用指导。

关键词：航空电子；航电波分复用；波长路由算法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）14-0017-02

随着航空电子系统的演进，新生业务逐渐增多，机载设备日趋复杂，因此急需构建一种高带宽、低延迟、扩展性好、可靠性强的传输网络。航电波分复用（WDM）网络凭借其传输透明性、高带宽、业务升级灵活等特点，被认为是下一代航电网络的理想选择。然而WDM网络中可供使用的波长数并不是无限的，仅靠为不同业务分配传输波长会造成WDM网络中可供使用的波长数不足，因此分析波长路由问题十分重要。

目前，结合航电网络的波长路由分配算法研究较少。文献[1]仅介绍了不同的射频/光纤传输通信链路架构，并证实了使用光纤复用链路取代传统电子链路的可行性。文献[2]通过使用仿真方法分析对比了不同航电WDM 网络架构在不同场景下的性能。文献[3]构建了一个可配置的网络架构，仅对波长分配和路径选择进行了简要描述。它们所设定使用的波长数较少，并没有考虑未来由于设备增加，波长不足的情况。本文首先建立合理的航电WDM架构，然后根据该架构对WDM网络的波长路由算法进行性能评估，最后给出最终的应用指导。

1 航电WDM架构

根据SAE AS5659标准，航电WDM网络分为光骨干网（OBN）和光接入网（OAN）两部分。其中，OBN中采用波长路由和交换技术进行网络交换，由网络管理平面进行路由和交换配置。它由多个光网络单元（ONE）通过光纤互联组成，支持多种拓扑结构和多种航电协议的互联，如：FC，AFDX，ARINC429等。这里针对光骨干网选用环状拓扑，所构建的WDM网络架构如下图1所示，未来可以根据业务需求对ONE节点进行适当增加。

ONE作为OBN的关键构成元素，它主要由波长路由器组成，波长路由器完成选择性地分出所需要的波长、直通其他所有波长、插入相同方向的数据内容不同的同一波长到传输光纤上的功能。为了易于实现，并保证未来的可扩展性，本文将选用波分复用器（MUX）、解复用器（DEMUX）及波长选择开关（WSS）组成波长路由器。其中，MUX主要完成多路不同波长光信号复用到一根光纤上的功能，DEMUX则完成MUX的相反功能；WSS分为1*N和N*1两种，前者主要完成输入端口的波分复用信号中的任意波长输出到任意输入端口上；而后者完成任意输入端口的复用光信号与其他输入端口的复用波长组合后输出。

2 波长路由算法

目前实时光交换技术尚未成熟，高速光路业务负载的交换仍需要在电域中进行。为保证航电网络的实时性，充分利用WDM技术的高带宽、多通路特性，可以通过波长分配完成ONE0～ONE3之间的全互联通信，以提供高速、低延迟的业务数据传输。例如，在图1中，通过给ONE0与ONE1的通信分配波长1；ONE0与ONE1的通信分配波长2，这样将共计使用12个波长即可以完成全互联网络。

然而，WDM网络中可供使用的波长数是有限的，随着ONE节点数目的增多，仅靠为通信链路不断分配新波长会造成复用波长数量的严重不足，因此需要对波长路由（RWA）算法进行研究和分析。WDM网络中的RWA算法是一个NP完备问题，为了简化它的研究，通常将波长路由算法分为路由选择和波长分配子问题，即根据目标选择合理的信号传输路径及根据已选路径进行传输波长的分配。其中，路由选择一般使用最短路径算法、最小拥塞路径算法等；波长选择算法则使用着色图算法，最先适用波长选择法等。为了保证航电系统的稳定性和WDM网络的易用性，在这里将选择常用的最短路径算法和着色图算法作为将要使用的波长路由算法。

2.1 最短路径算法

最短路径算法的步骤简单，它是指在一个有向图中，从一个顶点出发，求该节点至所有可到达顶点的最短路径问题。假设有向图中所有节点集合为G，求某节点i到其他节点的最短路径，执行步骤如下：

<1>. 构造集合D，它为已找到从i节点出发的最短路径终点的集合，它的初始状态为空；

<2>. 如果该节点i与节点j（i！=j）直接相连，则它们之间的距离为路径的权值，否则距离为无穷大，构造i节点到其余所有节点的距离矩阵L；

<3>. 在距离矩阵中选择距离i最近的节点k（k∈G-D），将其入集合D；

<4>. 求解j节点到任意节点m{m∈G-D， m！=i}的距离，并计算出i节点经过j节点到m节点的距离，与i节点距离矩阵L中对应的值比较，如果存在某条到达m节点的路径小于原距离矩阵的值，修改i距离矩阵的最短距离；

<5>. 重复操作<3>、<4>，直到计算完所有节点完毕。由此求得D矩阵中的值依次为最短路径终点的集合。

2.2 着色图算法

当使用最短路径算法为每一个连接请求建立路由后，这时将使用着色图算法对每条路径进行波长分配，它的前提是具有重叠部分的路径不能使用同一波长，具体实现细节通过建立辅助图来完成，执行步骤如下：

<1>. 根据最短路径算法所求出的路径，构建辅助图G。其中，G的每个顶点为网络中的一条最短路径；

<2>. 如果不同的路径具有重叠部分，则将辅助图中对应的顶点用一条边连接起来；

<3>. 按照相邻顶点间颜色不同的规则为每个节点着色；

<4>. 辅助图中顶点颜色的总数目也就是光网络中所需要的波长的总数目，每個顶点的颜色即分配的波长。

2.3波长路由算法的实现

为了方便地使用上述算法对WDM网络的搭建进行路由波长规划，并保证通用性，在这里基于VS2008对上述波长路由算法进行实现。假设路径的权值相等，最大节点数目为25个，编程实现的应用如下图2所示。该软件可以完成不同结构拓扑、多种节点数目的WDM网络的路由波长规划。

3 性能分析

本部分将对比使用波长路由算法和不使用波长路由算法的波长数。这里假设环网中ONE的个数为N（N≥3），所需波长数为Num（Num≥0）。如果不使用波长路由算法，为每个业务分配一路波长，则为了实现全互联，所需波长数为：

Num=N×（N-1）

分别通过上式计算和软件计算可得到下图3的结果，可以看出波长路由算法大大减少了完成业务所使用的波长数。

3.1 性能分析与节点实现

在4节点网络中，如果不使用波长路由算法，为每一个业务分配一路波长，则共需要使用12路波长；采用上节所述的波长路由算法，通过软件计算可知，4节点仅使用3个波长便可以实现全互联通信，波长数达到了节省，它的波长流通图如图3（a）所示，图中使用不同颜色代表网络中用于传输数据业务的不同波长。可以看出节点的波长流通是双向的；这里为了进行对比，将计算采用单向顺时针流通时所需的波长数，通过计算可知，需要使用7个波长即可以实现全互联通信，它的波长流通图如图3（b）所示。

4 总结

航电WDM网络作为下一代航电网络的理想选择，已经成为每年AVFOP讨论的热点问题。为了满足航对航电WDM网络的需求，本文构建了简单的航电WDM网络架构，并结合经典的波长路由算法对该架构进行波长路由规划，从成本和性能上对WDM网络架构的实现给出了合理的建议。未来准备结合该架构进行实现，从多方面评价其性能和网络的合理性。

参考文献：

[1] Hung Nguyen and Duc Ngo ，etc，Fiber-Optic Communication Links Suitable for On-Board Use in Modern Aircraft.NASA/TM.2004-212971.

[2] COMPARATIVE SIMULATIVE ANALYSIS OF WDM LANS FOR AVIONICS PLATFORMS.

[3] DEVELOPMENTOFAFULLYINTERCONNECTEDOPTICALN ETWORKARCHITECTURE（FIONA）.