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光网络的损伤感知与补偿控制机制研究

作　者: 赵冬岩
导　师: 张杰
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 透明光网络控制策略传输质量物理损伤损伤感知
分类号: TN929.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着信息通信需求的增多和互联网技术的不断发展,海量数据业务的传送需求对光纤通信网络提出了更大的挑战。光传送网向透明(transparent) WDM网络逐步演进,以降低网络建设及运营成本,实现高效可靠的大粒度的信息交换。基于自动交换光网络(ASON)的波长交换光网络(WSON),更进一步的融合了控制平面的智能控制机制和可重构的波长传送平面技术,实现了大容量、端到端的全光通信。另一方面,由于智能化的光网络透明传送的特点,随着端到端光路的传输距离的增加,存在物理损伤累积现象,目前物理设备对全光3R再生技术还不成熟,导致光信号质量因损伤累积,严重下降甚至不可用,全光网需要保持并提高服务质量(QOS),这就需要在控制平面考虑光网络物理损伤问题,以保证其传输质量。本论文结合控制理论的研究思想,对上述问题进行了探索性的研究,取得了具有创新性的成果,主要的工作和创新点包括以下几个方面：第一：光网络的灵活透明性导致物理损伤动态变化,因此针对灵活透明光网络,本文根据已经提出的支持端到端动态传输质量优化的自适应传输思想,首先拓展了透明光网络损伤感知的机制,同时为了提高传输损伤的补偿控制调节量的精度,继续深化自适应传输的研究并引入了控制理论和控制方法,将光链路作为控制研究的对象,充分地利用光网络中各种可调节设备(如可变增益光放大器等)的物理损伤补偿能力,基于本文中阐述的光链路损伤感知机制,提出体系化的控制方案,动态调整可调谐光器件,以实现从源端到目的端的整个链路的传输质量的调整和优化,也就是从控制和网络通信的两个角度来研究链路物理损伤的补偿问题,进而来满足传输需求。第二：针对光信号传输质量优化所面临的问题,提出一种基于可调光器件及传输状态信息感知的参数自调整补偿控制模型,控制模型基于PD及PID控制的思想,并结合模糊控制的优点调整PID控制器的控制参数,针对光信噪比(OSNR)等参量对光信号物理损伤进行有效控制,即把OSNR引入控制系统传递函数中,从而完成了对链路中各可调节的物理损伤补偿器件进行动态地端到端性能调节,本文在在最低可允许的OSNR的限制要求下进行仿真,光链路各个节点的OSNR能够得到有效控制,尤其是基于参数自调整控制器对OSNR的整体调整效果均优于基于PD控制的自整定控制器大约百分之五以上。第三：模糊控制系统的先验知识不可能都在系统判定前被获取,因此模糊规则的确立不是很容易,同时PID控制器控制参数一旦确定就不可改变,针对这样的不足,为了更进一步的完善具备损伤补偿功能的控制系统,提出了基于BP神经网络的自调整PID控制模型,结合节点处损伤感知所得到的光链路状态信息,采用控制算法计算可调光器件的调节量,通过控制平面的信令模块发送至各节点,各节点根据所得调节量完成可调光器件的调节,从而实现对传输质量的优化,仿真结果中基于BP神经网络的自调整PID控制与模糊自适应补偿方式的结果输出相比,因为克服了人为经验的不足,输出结果相对平滑稳健,进而表明了该控制方法比引入模糊手段改变PID控制系统参数的方法更有效。第四：为了更好的完善光链路物理损伤补偿的控制系统与控制效果,得到相对稳定的控制输出结果,本文考虑网络控制系统控制器、被控对象等的工作机理,不可避免在前向通道和反馈通道造成滞后时延,甚至可能使控制系统出现较大偏差而导致控制系统不稳定进而发生震荡,因此本文针对控制器诱导时延对控制过程的影响,进一步的改进基于BP神经网络的自调整PID控制方案的同时,在做为控制系统输入量的OSNR以及控制系统传递函数中引入时延变量,本文在10节点光链路中进行仿真,得到稳健的OSNR的输出结果,仿真结果中没有控制震荡发生,这也表明了全面考虑时延的、基于改进神经网络的PID控制器,能够稳定地完成对物理损伤的补偿控制。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-34
  1.1 光网络发展趋势  11-16
    1.1.1 光网络发展历史  11-12
    1.1.2 下一代传送网的特征  12-15
    1.1.3 灵活透明光网络带来的问题  15-16
  1.2 国内外研究进展  16-24
    1.2.1 国外相关研究介绍  16-18
    1.2.2 国际标准化进展  18-23
    1.2.3 国内相关研究介绍  23-24
  1.3 本论文的组成和主要工作  24-26
    1.3.1 论文组成  24-25
    1.3.2 主要工作  25-26
  参考文献  26-34
第2章透明光网络损伤感知与补偿控制结构设计  34-46
  2.1 自动交换光网络ASON传输机制  34-40
    2.1.1 ASON光网络智能性架构  34-37
    2.1.2 ASON光网络自适应传输功能分析  37-40
    2.1.3 ASON光网络自适应传输关键问题  40
  2.2 波长交换光网络WSON传输机制  40-42
    2.2.1 WSON传输功能构成  41
    2.2.2 WSON中传输损伤问题  41-42
  2.3 透明光网络损伤感知与补偿控制结构设计  42-44
  2.4 小结  44
  参考文献  44-46
第3章面向传输损伤的模糊自适应控制方案设计  46-66
  3.1 传输损伤对光网络系统的影响  46-47
  3.2 自由调整控制机制  47-50
    3.2.1 自由调整的PID控制原理分析  47-49
    3.2.2 自由调整机制下PID控制局限性  49-50
  3.3 模糊自适应控制机制  50-55
    3.3.1 模糊自适应控制基本原理  50
    3.3.2 模糊自适应控制的基本组成  50-55
  3.4 面向传输损伤的PD自整定控制器  55-61
    3.4.1 光链路模型构建  55-57
    3.4.2 PD参数模糊自整定控制器设计  57-58
    3.4.3 控制系统仿真结果与分析  58-61
  3.5 针对传输损伤的模糊自调整补偿控制器设计  61-63
    3.5.1 参数自调整模糊控制器设计  61-62
    3.5.2 仿真结果与分析  62-63
  3.6 小结  63-64
  参考文献  64-66
第4章基于NCS网络控制的损伤补偿方案  66-89
  4.1 具备自适应功能的神经网络控制  66-71
    4.1.1 自适应神经元  66-68
    4.1.2 具备自适应功能的BP神经网络结构  68-70
    4.1.3 单一神经网络的局限性  70-71
  4.2 基于神经网络的自适应PID损伤补偿方案  71-78
    4.2.1 基于神经网络的PID控制方式  72
    4.2.2 基于BP神经网络的PID控制  72-75
    4.2.3 PID神经网络补偿控制系统及实现  75-78
  4.3 针对物理损伤感知的网络控制系统研究  78-86
    4.3.1 网络控制系统概述  78-80
    4.3.2 NCS系统时延抑制  80-83
    4.3.3 基于NCS损伤补偿控制方案  83-86
  4.4 小结  86
  参考文献  86-89
论文总结与展望  89-91
致谢  91-93
攻读博士期间学术成果  93

光网络的损伤感知与补偿控制机制研究

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