培育项目任务书.doc

项目级别

项目编号

大学生创新创业训练计划立项任务书
（创新训练项目）

项目名称：全光网络的故障监测
项目所属一级学科： ___理学_____________________
项目负责人： 孙笑
项目组成员： 李悦 王幸 石怡
指导教师： 齐小刚
所在院系： 数学与统计学院

西安电子科技大学教务处制

填表说明

一、《项目立项书》要按顺序逐项填写，空缺项要填“无”。要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。
二、《项目立项书》中栏目“一至八”由学生填写，栏目“九至十一”由教师填写，栏目“十二”由学院负责人填写。
三、项目完成时间为1年。
四、《项目立项书》由所在学院审查、签署意见后，一式四份（均为原件），报送教务处教学研究科。

项目名称
全光网络的故障监测
项目来源
þ教师的科研项目 □学生自选题目 □竞赛项目 □其它来源
资助经费
10000元
立项时间
2015.11
完成时间
2016.12
申请人(团队)
姓名
学号
性别
身份证号码
年级专业
联系电话
手机
E-mail
石怡

13070310024
女
140203199603015028
1307031
15249262400
15249262400

王幸

13070110013
女
61050219950120682X
1307011
13259482068
13259482068

孙笑

13070210001
男
37090219940823123X
1307021
15529209391
15529209391

李悦
13070199009
男
110223199501063117
1307019
13289287685
13289287685

一、项目研究背景
近年来，随着人们对宽带的速率要求越来越高，光纤因具有频带宽、衰减小、串扰小、抗电磁干扰能力好等特点，被广泛用于宽带项目的主干建设中。随着各级各类光纤通信网络的大量建设和运行，各种故障也随之而来。
由于光纤很容易受到破坏,一旦网络中的光纤链路发生故障,就会造成大量的数据丢失和服务中断,快速确定故障的光纤链路非常重要。加之波分复用技术使得在全光网络中数据通信节省成本，通过在单个光纤上复用成百个高速波长信道进行平行传播。然而，如果出现部分故障会使得网络变得十分脆弱。因为在光纤上每一个信道的数据率能达到40Gbps.一个单链路故障能导致大量的数据丢失。为了最小化数据丢失，一个快速的故障探测方案以较短的时间从故障中恢复是至关重要的。
只有快速监测定位到发生故障的光纤链路,各层的路由协议才能够及时地调整路由,把传输到故障链路的数据通过其他链路进行传输,从而及时地恢复数据传输。对于光网络，链路故障定位已经成为一个重要的、挑战性的问题。
目前已有的光路故障监测方法有以下四种：
1.m-tour: 路径和环可以经过相同的链路最多两次（向前、向后），称作m-tours.一个m-tour与其它存在的方案(如m-cycle或m-trail)不同，这些方案经过一条链路最多一次。闭(开) m-tours开始、终止在相同(不同)的监测站。每一个tour的构造目的是任意的SRLG故障导致闭和开m-tour的一个独特的结合的故障。
2.m-cycle: 为了减少监测站的数量，m-cycle的概念被提出来.一个m-cycle 是一个监管波长的光的环回连接。在一个基于环的链路故障探测方案中，一个监测站在m-cycle上发送监管信号，接收返回信号。一个监测站可以被放置在m-cycle上的任何节点。监测站由一对光的发送方和接收方组成。当接收到的光功率低于先前定义的阈值，就认为链路故障以及监测站发送告警信息到交通管理中心。
3.m-trail是由始端发射器、监测波长以及终端检测器组成。终端检测器通过是否接收到始端发射器发射的监测信号判断m-trail所经过的链路是否出现故障。如果m-trail经过的链路出现故障，监测器就接收不到检测信号，就会产生报警。m-trail作为一条光监测信道，其路由选择很灵活，可以起始、终止于任意节点，且可以经过一个节点一次或多次，同时高效地减少了网络中大量的告警信息。
4.CGT 在图上的组合分组测试(CGT)是解决全光网络探测故障的问题，考虑一种非适应性方法，通过平行地发送探测信号。最小化平行探测的数量，为了保持网络中低的花费。非适应性故障诊断方法激发了一个新的技术框架：基于图的类型的组合的分组测试。使用这个框架，发展了一些探测方案去探测不同拓扑结构的全光网络的故障。

二、 国内外的研究现状及研究意义
3.1.m-trail的研究现状
目前对于m-trail的研究主要应用在全光路多跳格网络的单链路故障定位问题上，几种现有的m-trail设计方案有：ILP设计方法、启发式算法MTA、bm-trail。
3.1.1 ILP设计方法
研究人员设计了分配m-trail的ILP模型对网络中的监测资源进行优化配置，其最突出的优势是能够给出精确的最优解。ILP的设计基本思想是以最小监测成本为目标，设置多个参数以及约束条件，然后通过改变各个参数的值，找到最优的解。
因为m-trail设计的ILP问题在理论上属于NP-hard问题，所以m-trail的设计过程相当股咋。使用线性规划求解软件求最优解得运算时间太长。当网络规模相对较大时，无法找到最优解甚至可能求不出解。因此很难应用在工程实践中。
3.1.2启发式算法MTA
MTA算法先确定一条m-trail的结构，再不断的增加m-trail达到准确定位链路故障的目的。MTA的基本思想是先把所有链路放在一个集合中，增加一条m-trail就把这个集合一分为两个集合，再增加一条m-trail就把这两个集合分为四个集合，不断增加m-trail直到集合数等于所有链路数并且所有链路都被m-trail经过为止。
3.1.3 bm-trail
双向的监测路径(bm-trail)，使得网络控制者可以根据受影响的双向的监测路径上收到的大量的告警信息，获得任意单链路的明确的故障定位。
3.2 m-cycle的研究现状
Kwan L.yeung等人提出了超级监测站的概念，目的是减少监测站的硬件花费。
取代在每一条m-cycle上放置一个专用的监测站这种情况，一个超级监测站被放置在一组m-cycles集合的结合点上。使用一个光分离器，来自一个单独的激光源头的监管信号被同时分离到多个m-cycles上。由于监测站的花费通常由激光主导，把传统的监测站整合成有一个超级监测站在减少花费方面很有意义。最后，超级监测站作为任何存在的基于环的链路故障探测方案一个增加的特征，提出了决定优化的超级监测站数量以及位置的问题，称作监测站放置问题。对于这个解决方案，提出了一个两步方法，第一步，列举每一个候选的m-cycle集合(超级监测站可以被放置进去的一组m-cycle)；第二步，关于在一些候选的m-cycle集合上放置超级监测站，构造了一个简单的ILP。数值结果表明通过正确地放置超级监测站，可以节省大量的监测花费。
3.3 m-tours的现状研究
Sangman Cho等人定义了监测巡回的概念去独特地定位在光网络中达到k条所有可能的链路故障，并证明了当只有一个监测站放置时，k边连通是所有达到k条链路故障的所有SRLG故障的一个充分条件。论文中介绍了ILP和贪婪方案去找到监测站去唯一的定位可能会达到k条链路故障的SRLG故障，并提出一个启发方案去计算关于一个给定网络的m-tours。最后通过仿真证明了提出的监测方案的有效性，对比先前发展的技巧，使用m-tours的方法明显地减少了需求的监测站的数量。

参考文献：
[1]Janos Tapolcai,Lajos Ronyai,and Pin-Han Ho.“Link Fault Localization Using B-Directional M-Trails in All-Optical Mesh Networks.”IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,VOL.61,NO.1,JANUARY 2013.
[2]Bin Wu,Kwan L.Yeung,Bing Hu, Pin-Han Ho.“M-CYCLE:An optical layer algorithm for fast link failure detection in all-optical mesh networks”.Computer Networks 55(2011)748-758.
[3]Ying Xuan,Yilin Shen,Nam P.Nguyen,and My T.Thai.“Efficient Multi-Link Failure Localization Schemes in All-Optical Networks”.IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,VOL.61,NO.3,MARCH 2013.
[4]Janos Tapolcai,Bin Wu,Pin-Han Ho,Lajos Ronyai.“A Novel Approach for Failure Localization in All-Optical Mesh Networks”IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING,VOL.19,NO.1,FEBRUARY 2011.
四、 项目研究的目标及主要内容
1.研究目标：针对不同的全光网络，在已有的监测故障节点算法的基础上，给出优化算法。
2.项目的研究内容：

(1) 全光路多跳网络中的单链路故障定位问题

监测节点的构造影响了解决问题的时间，而在大量节点的情况下耗时情况不容乐观。根据已有的监测方法，改进监测路径，使得网络控制者可以根据受影响的双向的监测路径上收到的大量的告警信息，获得任意单链路的明确的故障定位。根据最小化获得的链路明确的故障定位所需的bm-trail数量，寻找在大量的周知的拓扑上bm-trail分配问题的优化方案，试图提出通过一组多项式时间内的决定性的构造，在有成千个节点的拓扑中话费少于几秒的运行时间。

(2) 在全光路多跳网络中关于快速链路故障探测的一个光层算法

为了获得在全光路多跳网络中快速的链路故障探测，尝试光层去应用m-cycle来减少需求的监测设备的数量(或者监测站). 通过m-cycle安装一个监测站，以及一对光的收发器去发送一个光的监管信号，找到一组m-cycle去组成网络中的一个环覆盖。 构造一个告警编码去定位故障链路，故障定位的精度由定位度测量，以及需求的大量监测资源由环/监测站、覆盖长度以及需求的监测波长的数量测量. 众所周知的m-cycle构造算法HST采用了一个基于生成树的方法. 此研究提出一个新的算法M2-CYCLE去构造一个环覆盖，M2-CYCLE由一组最小长度的m-cycle组成. 并证明M2-CYCLE获得跟基于生成树的方法相同的定位度，但是需要较少的监测资源。

（3）研究在光网络中高效的多链路故障定位方案

最常用的监测结构，-m-trail，是一个光路，在上面光信号被监测和发送。怎样最小化需求的m-trails的数量对这个技巧的花费是至关重要的。现有的解决方案主要限制为定位单链路故障或只能处理小型网络。更甚至，一些实际的限制，比如忽略了缺乏故障数量的知识。克服这些限制是可能的但十分具有挑战性。此研究提出一个关于多链路故障问题新的理论框架。一方面，对于小型密集网络，基于算法我们试图提出一个树的分解；另一方面，关于大型稀疏网络，找到一个基于定位算法的一个任意的步行路径。除此之外，进一步采用这两种算法去解决三个实际中的限制。

四、项目创新特色概述(50字以内)
1．突出背景相关的全光网故障检测研究；
2．采用“问题驱动 → 理论研究 → 实际应用”的创新研究模式。

五、项目实施方案及实施计划
2015.10-2015.11 接收课题，了解该项目的背景与研究现状，准备资料并分工。
2015.11-2016.5 深入研究课题，按分工计划学习相关知识，阅读大量资料，构架论文。
2016.5-2016.11 初步解决课题中的问题，完成论文。
2016.11 完善项目中不足之处，修正论文，并联系发表。

六、成员分工情况
孙笑，项目负责人。负责项目申请与联系等相关事务，以及编程与算法实现。
王幸，负责系统设计与算法理论研究。
石怡，负责资料整理以及论文撰写。
李悦，负责数学基础理论研究，撰写项目的进度报告。

七、预期成果及成果形式
预期成果：发表论文1~2篇
成果形式：论文

八、资助经费使用计划
资料费： 1000元 用于购置图书资料，文献打印复印费
论文出版费：4000元 用于论文审稿与出版
会议差旅费：3000元 外出参加一次学术会议的注册费
材料费： 2000元 购置仿真软件、更换碳粉、构架、硬盘等。
总计： 10000元

申请人签名： 年 月 日
指导教师
姓名
齐小刚
性别
男
出生年月
1973.12
职称
教授
职务
信息网络优化
所属院系
数学与统计
联系电话
13032949237
手机
13032949237
Email

九、指导教师科研项目情况
主持或以主要研究成员参与了武器装备预研基金（共性技术------重点项目，主持1项，2014-2016），国家自然科学基金项目(主持1项，参与3项)，陕西省自然科学基金项目（主持完成2项），十二五国防预研项目（主持子课题1项，参与1项，2010-2015），广西可信软件重点实验室开放课题(主持1项，2014-2016，CEMEE国家实验室课题(主持1项，参与1项，主持完成)；中国－加拿大国际合作项目（已经完成），863高技术项目（子课题主持1项，参与1项，2014-2015）、ISN国家重点实验室专项基金项目（参与1项，已经完成）、中央高校基本科研项目（主持2项，已经完成）；承担信息化网络和系统建设方面的横向科研项目3项（2014-2016）。

十、指导教师能否提供实验设备及实验场地，如何解决？
本项目可以提供实验设备和场地

十一、指导教师意见及具体的指导计划
通过前期的交流和资料查阅，项目组成员具备参加本项目的基本条件，后续的研究将围绕本项目的研究内容逐一展开。
具体的计划为小组顶起讨论和阶段性讨论相结合的方法，从理论方法和实验研究分别进行相关的指导与辅导。

指导教师签名： 年 月 日

十二、学院意见

负责人（签字）： （公章）
年 月 日

十三、学校意见

负责人（签字）： （公章）
年 月 日