基于陣列波導(dǎo)光柵的組播交換網(wǎng)絡(luò)

葛 茂，葉 通，LEE Tony T，胡衛(wèi)生，吳 鵬，張小建，吳軍民

（1.上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，南京210003）

基于陣列波導(dǎo)光柵的組播交換網(wǎng)絡(luò)

葛 茂1，葉 通1，LEE Tony T1，胡衛(wèi)生1，吳 鵬2，張小建2，吳軍民2

（1.上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，南京210003）

目前的光組播交換機(jī)設(shè)計(jì)方案存在源器件數(shù)目較大、路由算法時(shí)間復(fù)雜度較高的問(wèn)題，使得系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較差。針對(duì)這些問(wèn)題，提出了一種基于陣列波導(dǎo)光柵（AW G）的無(wú)阻塞三級(jí)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)級(jí)聯(lián)兩個(gè)這樣的復(fù)制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有源器件數(shù)為O(N)的W D M組播交換機(jī)，其路由與波長(zhǎng)分配時(shí)間復(fù)雜度可比擬于點(diǎn)到點(diǎn)單播交換網(wǎng)絡(luò)。

光組播網(wǎng)絡(luò)；復(fù)制網(wǎng)絡(luò)；陣列波導(dǎo)光柵

0 引言

近年來(lái)，視頻會(huì)議、電子商務(wù)及數(shù)據(jù)中心分布式計(jì)算等一對(duì)多、高寬帶需求的新興業(yè)務(wù)快速地發(fā)展起來(lái)[1,2]。由于光纖的巨大傳輸容量，波分復(fù)用（WDM）光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)為是下一代通信網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)技術(shù)之一。同時(shí)，伴隨著半導(dǎo)體光放大器（SOA）、光耦合器（OC）、可調(diào)諧光濾波器（TOF）、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（WC）及陣列波導(dǎo)光柵（AWG）等光器件的商用化，研究基于這些器件的光組播交換機(jī)以支持飛速增長(zhǎng)的組播業(yè)務(wù)成為了光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)課題。設(shè)計(jì)光組播交換機(jī)的一個(gè)主要難點(diǎn)在于保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，這可以從兩方面考慮：第一，由于有源器件如SOA、TOF和WC等占據(jù)著系統(tǒng)的主要開(kāi)銷(xiāo)和能源消耗，因此這些器件的數(shù)目不應(yīng)該隨著交換機(jī)規(guī)模的變大增長(zhǎng)太快[3]；第二，系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)組播的路由算法應(yīng)該有較低的時(shí)間復(fù)雜度，從而使得系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。

本文以文獻(xiàn)[4]中的空間域復(fù)制網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，提出了一種基于AWG的三級(jí)無(wú)阻塞光復(fù)制網(wǎng)絡(luò)。此復(fù)制網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)一個(gè)基于AWG的點(diǎn)到點(diǎn)交換網(wǎng)絡(luò)可以成功地實(shí)現(xiàn)WDM組播交換功能，即復(fù)制網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)輸入波長(zhǎng)信道上的光組播請(qǐng)求信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)副本，之后點(diǎn)到點(diǎn)地交換網(wǎng)絡(luò)再將這些副本路由到目的輸出波長(zhǎng)信道。

1 WDM組播網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

本文的目標(biāo)是用AWG和WSC等光器件構(gòu)建基于WDM的組播網(wǎng)絡(luò)。為了便于討論，下面先簡(jiǎn)單介紹這些器件的功能。

1.1 AWG

一個(gè)r×m的AWG是一個(gè)與波長(zhǎng)集Λ={λ0…,λ|Λ|-1}相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器，其中|Λ|=max{r,m}，它有一個(gè)波長(zhǎng)路由性質(zhì)：進(jìn)入輸入端口i的信號(hào)通過(guò)由波長(zhǎng)λk∈Λ承載的信道從輸出端口j出去，其中k=[i+j]|Λ|。例如，圖1是一個(gè)3×2的AWG及其波長(zhǎng)路由表，與它相關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)集是Λ={λ0,λ1,λ2}。

圖1 一個(gè)3×2的AWG及其波長(zhǎng)路由表

1.2 波長(zhǎng)復(fù)制模塊

一個(gè)n×k的波長(zhǎng)復(fù)制模塊的功能是將由輸入波長(zhǎng)集Ω={ω0,ω1,…,ωn-1}承載的一個(gè)或者多個(gè)信道上的信號(hào)復(fù)制到由輸出波長(zhǎng)集Φ={φ0,φ1,…,φk-1}承載的任意一個(gè)或者多個(gè)信道上。如圖2所示，一個(gè)5×4的波長(zhǎng)復(fù)制模塊將輸入信號(hào)通過(guò)OC廣播到每個(gè)波長(zhǎng)選擇轉(zhuǎn)換模塊（WSC），第一個(gè)和第二個(gè)WSC通過(guò)TOF將由ω0承載的信號(hào)選擇出來(lái)，并分別由其固定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（FWC）將信息復(fù)制到φ0和φ1。由圖2（c）可以看出，一個(gè)波長(zhǎng)復(fù)制模塊邏輯上等效于一個(gè)廣播Crossbar。如果每個(gè)TOF選擇不同的波長(zhǎng)，那么波長(zhǎng)復(fù)制模塊就只是完成波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能。

圖2 一個(gè)5×4的波長(zhǎng)復(fù)制模塊、波長(zhǎng)復(fù)制過(guò)程及空分表示

2 基于AWG的三級(jí)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)

本文提出的基于AWG的N×N三級(jí)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)由三級(jí)波長(zhǎng)復(fù)制模塊和兩個(gè)AWG構(gòu)成。其中：輸入級(jí)有r個(gè)m×m的波長(zhǎng)復(fù)制模塊；中間級(jí)有m個(gè)r×r的波長(zhǎng)復(fù)制模塊；輸出級(jí)有r個(gè)m×m的波長(zhǎng)復(fù)制模塊；輸入級(jí)與中間級(jí)由一個(gè)r×m AWG連接；中間級(jí)與輸出級(jí)由一個(gè)m×rAWG連接。每個(gè)輸入/輸出模塊連接一根輸入/輸出光纖。一般來(lái)講，假設(shè)每根輸入光纖上承載的波長(zhǎng)相同且都為Ω={ω0,ω1,…,ωm-1}，輸出光纖上承載的波長(zhǎng)也相同且都為Φ={φ0,φ1,…,φr-1}，其中N=rm。這個(gè)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)被表示為CA(r,m)，如圖3所示。

根據(jù)AWG的波長(zhǎng)路由性質(zhì)，輸入級(jí)波長(zhǎng)復(fù)制模塊α與中間級(jí)波長(zhǎng)復(fù)制模塊γ通過(guò)波長(zhǎng)λx連接，其中：

|Λ|=max{r,m}。相似地，輸出級(jí)波長(zhǎng)復(fù)制模塊β和與中間級(jí)波長(zhǎng)波長(zhǎng)復(fù)制模塊γ通過(guò)波長(zhǎng)λy連接，其中：

若需要完成從輸入模塊α的輸入波長(zhǎng)信道到輸出模塊β和β′的波長(zhǎng)信道的連接，那么就需要在中間級(jí)波長(zhǎng)復(fù)制模塊γ將λx上的信息復(fù)制到λy以及λy′所承載的信道上去，其中y′=[β′+γ]|Λ|。

3 基于AWG的組播網(wǎng)絡(luò)

級(jí)聯(lián)兩個(gè)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)可以構(gòu)成一個(gè)N×N基于AWG的組播網(wǎng)絡(luò)，表示為M(r,m)。其中，第一個(gè)CA(r,m)完成信息復(fù)制功能，第二個(gè)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)是一個(gè)通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)交換將副本信息路由到目的端口的Clos網(wǎng)絡(luò)[3]。因此，第二個(gè)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)中的所有波長(zhǎng)復(fù)制模塊只進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能。

為了便于描述算法，首先對(duì)兩個(gè)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)的所有輸入/輸出波長(zhǎng)信道進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)號(hào)：將位于輸入端口α并由波長(zhǎng)ωk承載的信道標(biāo)記為(α,ωk)，定義其地址為s=mα+k；將位于輸出端口β并由波長(zhǎng)φl(shuí)承載的信道標(biāo)記為(β,φl(shuí))，定義其地址為d=rβ+l，如圖3所示。

路由與波長(zhǎng)分配算法步驟如下。

①組播請(qǐng)求拆分：將M(r,m)中的每個(gè)組播請(qǐng)求，分為在復(fù)制網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)中完成復(fù)制和在點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)中完成點(diǎn)到點(diǎn)交換的兩個(gè)子請(qǐng)求，拆分原則是：對(duì)每個(gè)組播請(qǐng)求，根據(jù)其所來(lái)自的輸入信道的地址從小到大，依次按照所請(qǐng)求的輸出信號(hào)個(gè)數(shù)，從小到大分配復(fù)制網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)的輸出端口，以形成單調(diào)的復(fù)制請(qǐng)求。

圖3 一個(gè)基于AWG的N×N三級(jí)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)

②復(fù)制網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)中復(fù)制請(qǐng)求的無(wú)阻塞路由與波長(zhǎng)分配。

◆對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行標(biāo)號(hào)：將來(lái)自地址為s的輸入信道和需要復(fù)制到信道地址為d的集合D的請(qǐng)求標(biāo)記為C(s,D)。

因膨潤(rùn)土成分與結(jié)構(gòu)多樣，其加工產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域廣，不同應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品售價(jià)差別較大。為鼓勵(lì)用較少的資源創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效益，從經(jīng)濟(jì)效益角度對(duì)MEL計(jì)算中添加加分項(xiàng)具有更好的現(xiàn)實(shí)意義。

◆對(duì)組播請(qǐng)求進(jìn)行排序：按照對(duì)組播請(qǐng)求所來(lái)自的輸入信道的地址，從小到大進(jìn)行排序，并依次標(biāo)號(hào)為C0,C1,C2,…,Ci,…。

◆分配路由：將標(biāo)號(hào)為Ci的請(qǐng)求分配到標(biāo)號(hào)為γ=[i]m的中間級(jí)波長(zhǎng)復(fù)制模塊。

◆波長(zhǎng)分配：每個(gè)請(qǐng)求在輸入級(jí)與中間級(jí)之間和中間級(jí)與輸出級(jí)之間所采用的波長(zhǎng)根據(jù)式（1）、式（2）確定。

圖4 一個(gè)基于AWG的8×8組播網(wǎng)絡(luò)M(4,2)

③點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)CA(r,m)中點(diǎn)到點(diǎn)交換請(qǐng)求的無(wú)阻塞路由：按照文獻(xiàn)[5,6]中時(shí)間復(fù)雜度為O(Nlogm)的二分圖邊著色算法進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)單播路由。如圖4所示，一個(gè)8×8的組播網(wǎng)絡(luò)M(4,2)由兩個(gè)CA(4,2)級(jí)聯(lián)構(gòu)成。假設(shè)該網(wǎng)絡(luò)有如下的組播請(qǐng)求集合：

首先，根據(jù)每個(gè)組播請(qǐng)求的副本數(shù)，連續(xù)地復(fù)制網(wǎng)絡(luò)輸出波長(zhǎng)信道并被依次分配給每個(gè)請(qǐng)求。因此，組播網(wǎng)絡(luò)M(4,2)中的第一個(gè)CA(4,2)中的單調(diào)復(fù)制請(qǐng)求集合由下式給出：

一旦每個(gè)組播請(qǐng)求所需的副本由復(fù)制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生之后，這些副本信號(hào)就進(jìn)入第二個(gè)CA(4,2)，并由其完成點(diǎn)到點(diǎn)的交換請(qǐng)求：

在組播網(wǎng)絡(luò)M(r,m)中，由于第一個(gè)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)中的路由與波長(zhǎng)分配算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，因此整個(gè)組播網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間復(fù)雜度等于第二個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)交換網(wǎng)絡(luò)的路由算法時(shí)間復(fù)雜度，即O(Nlogm)[5,6]。

4 兩種方案的比較

在此，我們將本文所提出的設(shè)計(jì)方案與目前現(xiàn)有的方案進(jìn)行對(duì)比。我們考慮設(shè)計(jì)一個(gè)有r個(gè)輸入/輸出端口且每個(gè)端口承載m個(gè)波長(zhǎng)信道的N×NWDM光組播網(wǎng)絡(luò)情況，其中N=rm。我們?cè)谟性?無(wú)源器件數(shù)目方面對(duì)各種方案進(jìn)行了對(duì)比。其中，有源器件包括SOA、WC和TOF，而由于多輸入單輸出（或單輸入多輸出）的AWG可以作為Mux（Demux），因此將Mux/ Demux與AWG數(shù)目統(tǒng)歸為AWG數(shù)量，從而無(wú)源器件包括AWG、OC。

表1 各種WDM光組播網(wǎng)絡(luò)之間的比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于AWG的三級(jí)復(fù)制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，并給出了可比擬于單播路由算法復(fù)雜度的路由和波長(zhǎng)分配算法。與目前現(xiàn)有的WDM光組播網(wǎng)絡(luò)相比，本文提出的設(shè)計(jì)方案所用的有源器件和無(wú)源器件數(shù)目最少。

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AWG-based multicast network for optical switching

GE Mao1,YE Tong1,LEE Tony T1,HU Wei-sheng1, WU Peng2,ZHANG Xiao-jian2,ZHANG Jun-min2
(1.State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.State Grid Smart Grid Research Institute,Nanjing 210003,China)

In the paper,three-stage AWG-based copy networks for optical multicast switching are examined with regard to properties of scalability.It shows that a cascaded combination of an AWG-based non-blocking copy network and a point-to-point switching network can synthesize an WDM multicast network,in which the number of active components is on the order ofO(N),and the time complexity of the routing algorithm is comparable to that of a unicast switch.

optical multicast switching,copy networks,arrayed wave guide grating(AWG)

TN915

A

1002-5561（2016）02-0001-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.001

2015-10-13。

國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：61271215）資助；全光交換關(guān)鍵技術(shù)及電網(wǎng)應(yīng)用研究課題資助。

葛茂（1990-），男，碩士研究生，主要從事無(wú)阻塞交換網(wǎng)絡(luò)、光組播研究。