OBS網(wǎng)絡(luò)中基于擴(kuò)展Benes矩陣的節(jié)點(diǎn)串?dāng)_分析

張素萍，張 建，楊正宇，龍衛(wèi)新

（1.河南煤業(yè)化工集團(tuán) 信息中心，河南 鄭州 450046；2.華夏郵電咨詢監(jiān)理有限公司 河南 鄭州 450007）

隨著波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術(shù)的發(fā)展，在光網(wǎng)絡(luò)的單根光纖中可容納多個(gè)高速波長信道，目前的數(shù)據(jù)顯示可達(dá)到200多個(gè)波長信道，單根光纖鏈路的總速率甚至已經(jīng)達(dá)到T b/s的數(shù)量級(jí)[1-2]。如此高的傳輸速率對網(wǎng)絡(luò)的交換節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了巨大壓力，在中間交換節(jié)點(diǎn)通常需要光/電和電/光的轉(zhuǎn)換，而由于電子瓶頸的存在，網(wǎng)速受到了極大的限制，很大程度上不能滿足對高速的需求，因此，數(shù)據(jù)能在光域透明的交換已勢在必行，即全光交換。盡管光分組交換及光分組流交換，其初衷是希望能完全在光域上實(shí)現(xiàn)光的分組交換，進(jìn)而完成光的比特級(jí)交換，理論上是可行的，但目前由于光分組交換所需要的一些關(guān)鍵性器件如：高速光開關(guān)、光緩存器等還未取得重大突破，控制部分仍需要在電域完成，而且在光網(wǎng)絡(luò)中還較難實(shí)現(xiàn)同步，所以光分組交換技術(shù)尚不能從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵺`[3]，而光路交換的帶寬利用率低、靈活性差，不能適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高速增長的需要，由此，人們提出了光突發(fā)交換（Optical Burst Switching，OBS），OBS被看作是光分組交換和光路由交換的折中方案，既綜合了這兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的不足[4]，能很好的支持分組業(yè)務(wù)，而且也易于實(shí)現(xiàn)，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ慕粨Q模式。

串?dāng)_是指由于光器件隔離度的不理想或者非線性光學(xué)效應(yīng)的作用，其他光路通道的信號(hào)會(huì)泄漏到本光傳輸通道，OBS的核心節(jié)點(diǎn)的交換結(jié)構(gòu)是由一系列光器件組成的，由于這些器件隔離度有限，在對光信號(hào)傳輸和接收時(shí)，各鏈路和信道之間會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_[5-7]，嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量，因此，有必要對OBS核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的串?dāng)_情況進(jìn)行分析研究，擴(kuò)展Benes交換矩陣作為一種常見的光交換矩陣，分析其應(yīng)用于OBS交換網(wǎng)絡(luò)時(shí)結(jié)構(gòu)的串?dāng)_情況具有一定的理論意義。

1 OBS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展Benes矩陣

OBS核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)硬件組成主要包括以下幾個(gè)部分：光交換模塊、交換控制模塊、協(xié)議處理模塊以及線路模塊[8]，核心節(jié)點(diǎn)中影響網(wǎng)絡(luò)性能的因素很多，其中關(guān)鍵因素主要有：光交換模塊的結(jié)構(gòu)性能、調(diào)度算法與沖突解決方法等。光交換模塊為光突發(fā)交換核心節(jié)點(diǎn)物理層的核心部分，而調(diào)度算法與沖突解決方法等為核心節(jié)點(diǎn)的交換控制部分。光交換模塊與交換控制部分之間的聯(lián)系十分緊密，交換控制部分的設(shè)計(jì)，一定建立在結(jié)構(gòu)確定的光交換模塊之上，而且一些調(diào)度算法或者解決方法皆需要特定結(jié)構(gòu)的光交換模塊來支持。

核心交換節(jié)點(diǎn)主要分成兩大功能部分：一是電控制部分；另一部分為光交換部分。其中電控制部分包括交換控制單元，光交換部分包括解復(fù)用器、光纖延遲線、空分交叉矩陣、復(fù)用器等。如圖1所示n個(gè)輸入輸出端口采用密集波分復(fù)用（DWDM）光纖鏈路，每根光纖上復(fù)用k+1個(gè)波長，其中k個(gè)波長用于數(shù)據(jù)突發(fā)包的傳輸，其余1個(gè)波長承載突發(fā)控制包頭信息，輸入光纖經(jīng)波分解復(fù)用器后，突發(fā)控制單元被送到交換控制部分，集中進(jìn)行調(diào)度、處理和交換，而數(shù)據(jù)突發(fā)包經(jīng)過一串光纖延遲線后，由光交換矩陣分別交換。

圖1 OBS核心節(jié)點(diǎn)交換結(jié)構(gòu)Fig.1 Switching structure of OBS core node

目前用于光交換的矩陣有多種，如Crossbar、Doublecrossbar、Tree、Simplified tree和 Extended baseline光交換矩陣，文中是以擴(kuò)展Benes光交換矩陣[9]為例，如圖2所示，將其用于OBS核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，繼而分析整個(gè)結(jié)構(gòu)的串?dāng)_情況。

圖2 4×4擴(kuò)展Benes結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of extended Benes matrix

2 串?dāng)_理論分析

2.1 串?dāng)_評(píng)價(jià)方法

為了更好地分析串?dāng)_對信號(hào)的影響，很有必要提出符合實(shí)際的接收機(jī)模型，如圖3給出了文中所采用的接收機(jī)模型[10]。在此模型中，一個(gè)受串?dāng)_影響的信號(hào)輸入到光探測器，探測器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)之后再經(jīng)過電濾波器，將電帶寬外的噪聲濾除掉，最后經(jīng)由判決電平將信號(hào)還原出來。因?yàn)楣馓綔y器所輸出的電信號(hào)與輸入的光功率成正比關(guān)系，而干凈信號(hào)所輸出的電平只和信號(hào)的功率成正比，所以在忽略探測器自身的噪聲的情況下，將沒有誤碼出現(xiàn)，對于受到干擾的信號(hào)，除了信號(hào)功率外還存在噪聲與信號(hào)的拍功率或者稱為拍噪聲，外加噪聲功率，這些功率都將給信號(hào)的正確判決造成不利的影響。在一般情況下，信號(hào)串?dāng)_之間的拍噪聲越大，影響就越嚴(yán)重，在此噪聲自身功率很小，可以忽略不計(jì)，所以主要的影響就是信號(hào)與串?dāng)_之間的拍噪聲。

圖3 光接收機(jī)模型Fig.3 Optical receiver model

定義由串?dāng)_引起的歸一化的平均噪聲功率（一種相對強(qiáng)度噪聲）為：

其中Rci是第i路串?dāng)_光對信號(hào)光的強(qiáng)度，fi為信號(hào)與串?dāng)_的光頻差，Δvs和Δvi分別為信號(hào)和第i路串?dāng)_對應(yīng)的3 dB帶寬，φi為第i路串?dāng)_與信號(hào)光偏振方向的夾角。

2.2 交換矩陣中的串?dāng)_分析

由于光開關(guān)的隔離度不可能無限大，在光信號(hào)傳輸?shù)倪^程中，會(huì)有一部分光泄露到不應(yīng)該輸出的輸出端口，由此就形成了串?dāng)_，光開關(guān)單元串?dāng)_系數(shù)用x表示，那么，一系列這樣的光開關(guān)相連而形成不同的光開關(guān)矩陣時(shí)，隨著開關(guān)數(shù)的增加，這些串?dāng)_不斷積累，勢必造成信噪比（SNR）的下降。擴(kuò)展Benes光交換矩陣是由一系列的光開關(guān)單元組成的。信噪比是衡量一個(gè)光交換矩陣的重要指標(biāo)，它在某種程度上反映出一個(gè)光交換矩陣的抗串?dāng)_能力，交換矩陣中的串?dāng)_主要由構(gòu)成其基本的2×2交換單元光開關(guān)性能的非理想性造成的，光開關(guān)單元的隔離度有限，為串?dāng)_的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

文中對結(jié)構(gòu)串?dāng)_的分析是基于理想狀態(tài)下，每根光纖均有光信號(hào)輸入，忽略每根光纖本身所產(chǎn)生的串?dāng)_，信號(hào)與串?dāng)_之間的相位差為π，此時(shí)結(jié)構(gòu)中形成的串?dāng)_最大，而且所有相同光器件參數(shù)均相同，在整個(gè)計(jì)算過程中，均不考慮各個(gè)光器件所產(chǎn)生的損耗。

圖2是一個(gè)4×4的擴(kuò)展Benes光交換矩陣，以此為例，當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過它時(shí)，可以分析其串?dāng)_情況，對于的擴(kuò)展Benes結(jié)構(gòu)，假設(shè)各輸入端口的輸入光功率都相等且為P，可以得到經(jīng)過n級(jí)后，串?dāng)_的表達(dá)式為：

由此得到信噪比：

其中X為2×2光開關(guān)單元的信噪比，稱為消光比，其值通常取為20 dB（串?dāng)_系數(shù)為0.01），k=log2n。需要指出的是，分析結(jié)果是基于最壞情況下，即光交換矩陣滿載，且交換的是相同波長信號(hào)[11]。

對于OBS核心節(jié)點(diǎn)交換結(jié)構(gòu)，當(dāng)光信號(hào)通過時(shí)，一方面由于解復(fù)用器和復(fù)用器的濾波不理想，k個(gè)波長信號(hào)相互影響形成串?dāng)_；另一方面，光信號(hào)經(jīng)過光交換矩陣時(shí)也回引入串?dāng)_[12]。對于空分交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其串?dāng)_的表達(dá)式為：

其中Xsw為光開關(guān)傳輸系數(shù)，Xm為復(fù)用器串?dāng)_系數(shù)，Xdem為解復(fù)用器串?dāng)_系數(shù)。

3 仿真分析

如圖4給出了擴(kuò)展Benes光交換矩陣結(jié)構(gòu)的信噪比與交換容量的關(guān)系。橫坐標(biāo)表示Benes光交換矩陣的容量，縱坐標(biāo)表示Benes光交換矩陣的信噪比，從圖中可以看出，隨著交換容量的遞增，Benes光交換矩陣的信噪比越來越小，且在交換容量小于20時(shí)，信噪比下降較快，在交換容量大于20時(shí)，信噪比下降的較緩慢。

圖4 Benes光交換矩陣信噪比與交換容量之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between SNR of Optical switching matrix and Exchange capacity

圖5仿真了當(dāng)擴(kuò)展Benes光交換矩陣的串?dāng)_系數(shù)分別為-20 dB、-30 dB、-40 dB、-60 dB 時(shí)，OBS 核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的串?dāng)_隨輸入輸出光纖數(shù)的變化情況。由圖可以看出，隨著輸入輸出光纖數(shù)的增多，OBS核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的串?dāng)_越來越大，當(dāng)輸入輸出光纖數(shù)從1增加到10時(shí)，串?dāng)_積累較快，輸入輸出光纖數(shù)大于10時(shí)，隨著光纖數(shù)的增多，雖然串?dāng)_的積累逐漸增多，但變化速度明顯降低。另外，在同等條件下，隨著當(dāng)Benes光交換矩陣的串?dāng)_系數(shù)的增大，OBS核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的串?dāng)_也會(huì)增大。由此可以得到，為了減小OBS光網(wǎng)絡(luò)中的串?dāng)_，一方面要減小輸入輸出光纖數(shù)，另一方面，必須要保證光器件的精確度，盡量使光器件接近于理想情況。

如圖6給出了在復(fù)用波長分別為4、16、32、64時(shí)，OBS節(jié)點(diǎn)串?dāng)_隨輸入輸出光纖數(shù)目變化的情況。由圖可以看出，每根光纖中復(fù)用波長數(shù)在同等條件下，增加單根光纖中復(fù)用的波長數(shù)目會(huì)帶來串?dāng)_的增加。由此可見，在DWDM系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的今天，雖然一根光纖中能傳輸多個(gè)波長，但是隨之帶來的串?dāng)_不容忽視。

圖5 交換矩陣的串?dāng)_系數(shù)與節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)串?dāng)_之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between switching matrix crosstalk coefficient and the structure crosstalk

圖6 復(fù)用不同波長下的串?dāng)_情況Fig.6 The crosstalk under different number of the wavelength

4 結(jié)束語

文中針對基于擴(kuò)展Benes光交換矩陣的OBS核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，仿真分析其內(nèi)部影響串?dāng)_大小的因素，利用MATLAB工具，模擬仿真了在各參數(shù)取不同值時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)的串?dāng)_變化情況。結(jié)果顯示在同等條件下，隨著輸入輸出光纖數(shù)的增多，結(jié)構(gòu)的串?dāng)_會(huì)不斷增大，每根光纖中復(fù)用波長數(shù)的增多，也會(huì)帶來結(jié)構(gòu)中串?dāng)_的增大，尤其在輸入輸出光纖數(shù)目小于20時(shí)串?dāng)_變化最為明顯。

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