面向传感器应用的光网络架构设计和仿真验证

摘要

传感器网络通常包括传感节点、汇聚节点和管理节点，传感节点收集监测数据，数据被路由到汇聚节点，经过简单的处理之后最后被送至管理节点，通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，而光网络(Optical Network)是以光纤作为传输链路的通信网络结构，本文提出了一种通过光媒介——光纤传输的传感器网络，可实现传感器网络中的光纤互连，完成数据从传感器网络底层到中心处理层的双向传输。本文设计了一个4层的传感器光网络拓扑结构，分为中心处理器层、处理器层(群簇层)、预处理器层(簇层)、接入层。一方面，基于目前已有的电交换的传感器网络，本文利用OPNET对现有传感器网络的交换调度策略进行仿真，调度策略分为传统调度策略和轮循调度策略，仿真比较了丢包率和端到端延时两个参数，说明了轮循调度性能优于传统调度。其次，基于QT平台开发了一款小型仿真软件，对处理器层与预处理器层之间互连网络的路由和波长分配(Routing andWavelength Assignment,RWA)策略进行仿真，采用了最短路径算法和图着色论，仿真结果成功显示在软件界面，也可保存为本地文件。 本文继续研究了大规模光网络的架构设计。基本网络拓扑类型中Torus的优点很多：网络直径较小、节点的出入端口数相同、路由选择多、可扩展，因此torus结构成为研究的热点。本文提出一种基于2DTorus架构的大规模光网络拓扑设计方案，在光网络中，波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术使得每个节点处的可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer,ROADM)的存在必不可少，本文给出在网络节点总数N、ROADM出入端口数M*M固定的情况下生成拓扑的方法，同时通过最大跳数、平均跳数和这两个参数验证了本文提出方法的优点。 路由与波长分配问题(RWA)是WDM光网络中的关键问题之一，本文提出了一种基于遗传算法的方法，解决大规模WDM光网络中的RWA问题。和已有遗传算法不同的是，此方法改变了染色体编码方式、种群初始化方法和适应度函数，实现了RWA分配结果的优化。仿真实验表明，遗传算法在不同规模的网格网络中具有比传统算法更低的网络阻塞率。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文结构安排

第二章 机载传感器光网络系统关键技术概述

2.1 光网络中的复用技术和交换技术

2.1.1 波分复用(WDM)技术介绍

2.1.2 光交换技术介绍

2.1.3 光分插复用技术和光分插复用器介绍

2.2 RWA问题

2.2.1 波长问题

2.2.2 路由问题

2.2.3 阻塞问题

2.3.1 机载传感器网络

2.3.2 机载传感器系统组成

2.4 本章小结

第三章 传感器光网络的架构设计和相关验证

3.1 传感器互连需求

3.1.1 处理器理论模型

3.1.2 子阵列理论模型

3.2 传感器光网络设计

3.2.1 传感器光网络架构设计

3.2.2 基于QT平台的小型光网络仿真软件的开发

3.3.1 基于交换式的处理器与预处理器互连模型

3.3.2 基于交换式的处理器与预处理器互连模型的调度策略

3.3.3 基于OPNET平台的交换式方案仿真

3.4 本章小结

第四章 传感器光网络核心网的架构设计及仿真验证

4.1 核心网络的拓扑类型及光网络性能参数说明

4.2基于2D Torus的大规模光核心网络的拓扑生成方法

4.2.12D Torus网络介绍

4.2.2基于2D Torus的大规模光网络拓扑生成

4.2.3基于2D Torus的大规模光网络RWA算法研究

4.3 基于遗传算法的大规模WDM光网络的RWA问题研究

4.3.1 路由波长分配问题及算法描述

4.3.2 遗传算法介绍

4.3.3 基于遗传算法的路由波长分配问题研究

4.3.4 基于遗传算法的大规模WDM光网络仿真系统及拓扑

4.3.5 基于遗传算法的动态大规模WDM光网络RWA问题仿真结果

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果