（光学工程专业论文）基于banyan类网络的低串音无阻塞光交换结构研究.pdf

摘要 摘要 光交换节点是光传送网( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 的关键设备，不仅能摒 弃昂贵的光电光接口，实现光域上的全光交换，解决光传输与电交换的容量失 配问题，还具有对光信号速率、调制方式和通信协议透明的优势。光交换结构 ( o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c s ) 是光交换节点的核心部件，为光信号的交换提供物理 支持，应具备低串音( c r o s s t a l k ) ，均匀损耗，内部无阻塞以及灵活扩展等特征。 针对上述特征，本文以2 x 2 定向耦合器光开关搭建的b a n y a n 类网络 ( b a n y a n - t y p e n e t w o r k s ) 为研究对象，利用改进的无阻塞方法，消除了该网络的 第一阶( f i r s t - o r d e r ) 光开关串音和链路阻塞，构建了更小光开关复杂度的低串音 无阻塞空分型光交换结构，应用于w d m 光交换结构模型，并分析了输入端所需 的波长分配方式。 首先，介绍了光交换节点的作用及其通用配置模型与功能模块，并给出简化 的w d m 光交换结构模型，以及与该模型内部的空分型光交换结构相关的光开关 元件、性能评价指标、b a n y a n 类网络特点及其低串音无阻塞扩展法所涉及的h c ( n , m ) 网络与v s ( n , p ) 光交换结构的基本概念。然后，研究讨论了基于b a n y a n 类网络 的低串音、无阻塞光交换结构的现有结论。 其次，对v s ( n , p ) 光交换结构，提出了输入端波长分配原则，证明了在该原 则下，空问与多波长混合扩展法，实现低串音可重构无阻塞充要条件为p 2 l , 4 2 j ， 小于或等于已有结论p 2 l ) 2 j ，其中，n = l o g ? ，l x j 为x 的整数部分。同时， 利用二部分图边染色算法，建立了任意全置换在v s ( n , p ) 光交换结构内部的路由。 针对肛，w 波长w d mv s ( n ，2 l 岬j ) 光交换结构，给出了具体的w - f 波长分配方式。 再次，对于h c ( n , 优) 网络的低串音可重构无阻塞问题，分析了只研究n m 为 偶数情况的原因，并且，采用内部2 ( ”1 。胛层堆叠，创建基于h c ( n , 历) 网络的 h v m ( n , 聊，2 ”2 ) 2 ) 结构，进而，直接利用外部双层堆叠h v m ( n , 肌，2 ( ”2 v 2 ) 结构，提出了低串音可重构无阻塞的v h v ( n , 肌) 光交换结构。根据光开关总数的 数值计算，v h v ( n , 所) 光交换结构优于已有的v h ( n , m ，2 l ( n - m + 1 ) 2 1 ) 光交换结构。 最后，针对空间扩展法实现无阻塞b a n y a n 类网络，存在着光开关和链路冗 余空闲问题，提出双端( d e ：d o u b l e e n d ) 裁剪b a n y a n 类网络，利用所得结构， 摘要 递归构造了两种严格无阻塞的d e 模块，d e m a 和d e m b ，优化了冗余空闲资 源。另外，鉴于f x f w 一波长w d m 光交换结构的可扩展要求，在c l o s 网络基础上， 根据w 不同取值范围，给出了四种输入端波长排列方式，以及与之相应的d e m a 和d e m p 的不同选择方案，获得了三种低串音无阻塞c l o s ( p ，1 ) 网络，c l o s ( 1 3 ，2 ) 网络，c l o s ( d ，3 ) 网络。光开关总数的比较显示，此三种c l o s 网络优于w d m v s ( n ，2 t e 2 j ) 光交换结构。 关键词：光交换结构，b a n y a n 类网络，c l o s 网络，串音，无阻塞， 双端裁剪 i l a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo p t i c a ls w i t c i l i n gn o d ea sak e ye q u i p m e n tf o rt h eo p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k , n o to n l ye l i m i n a t e sa l l e x p e n s i v eo p t i c a l e l e c t r i c a l - o p t i c a lc o n v e r s i o n , r e a l i z e s a 1 1 一o p t i c a ls w i t c h i n ga n df i l l st h es e r i o u sd i s p a r i t yb e t w e e no p t i e a lt r a n s m i s s i o n c a p a c i t ya n de l e c t r o n i cs w i t c h i n gs p e e d s ，b u ta l s oh a st h ea d v a n t a g eo ff u l lt r a n s p a g e m t oo p t i c a ls i g n a lb i t - r a t e ，m o d u l a t i o nf o r m a t sa n dc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l s o p t i c a l s w i t c h i n gf a b r i c s a g ec o r ec o m p o n e n t so ft h eo p t i c a ls w i t c h i n gn o d e ，p r o v i d i n g p h y s i c a ls u p p o r t f o r o p t i c a ls w i t c h i n go p e r a t i o n ，a n dp o s s e s s i n g t h e p r i m a r y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wc r o s s t a l k ，u n i f o r ml o s s ，i n t e m a ln o n b l o c k i n ga n df l e x i b l e s c a l a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ea b o v ec h a r a c t e r i s t i c s ，s e v e r a li m p r o v e dn o n b l o c k i n ga p p r o a c h e s i nt h i sd i s s e r t a t i o na r ep r o p o s e dt or e m o v et h ef i r s t - o r d e ro p t i c a ls w i t c hc r o s s t a l ka n d l i n kb l o c k i n gt oc o n s t r u c tl o wc r o s s t a l ka n dn o n b l o c k i n gs p a t i a lo p t i c a ls w i t c h i n g f a b r i c sw i t hl e s sc o m p l e x i t yo fo p t i c a ls w i t c h e sf r o mb a n y a n - t y p en e t w o r k sb a s e do n 2 x 2d i r e c t i o n a lc o u p l e ro p t i c a ls w i t c h f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e do p t i c a ls w i t c h i n g f a b r i c sw i l lb ea p p l i e dt ot h ew d m o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c sm o d e la n dv a r i o u s w a v e l e n g t ha s s i g n m e n tm a n n e r so ft h e i ri n l e t - e n da g ea n a l y s e d t h em a i nc o n t e n mo f t h et h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t ，t h ef u n c t i o no fo p t i c a ls w i t c h i n gn o d e ，i t sg e n e r a lc o n f i g u r a t i o nm o d e la n d t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so fc o n f i g u r a t i o na r ei n t r o d u c e d s i m u l t a n e o u s l y , as i m p l i f i e d w d m o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c sm o d e la n di t ss p a t i a lo p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c s - r e l a t e d o p t i c a ls w i t c he l e m e n t ，p e r f o r m a n c ea s s e s s m e a ti n d i c e sa g ee x p l i c i t l yf o r m u l a t e d t h e p r o p e r t i e s o fb a n y a n - t y p en e t w o r k s ，l o wc r o s s t a l ka n d n o n b l o c k i n g d i l a t i o n a p p r o a c h e s ，t h e i rh c ( n , 小) n e t w o r ka n dv s ( n ，p ) o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c sa g ea l s o i l l u m i n a t e d t h e e x i s t i n g c o n c l u s i o n so f b a n y a n - t y p e n e t w o r k s b a s e d o p t i c a l s w i t c h i n gf a b r i c sa g ec o n c i s e l yd e s c r i b e d n e x t ，f o rt h ev s ( n ，p ) o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c s ，ap r i n c i p l eo fw a v e l e n g t h a s s i g n m e n to ft h ei n l e t e n di sg i v e nt op r o v ea n dc a l c u l a t et h el o wc r o s s t a l ka n d a b s t r a c t r e a r r a n g e a b l en o n b l o c k i n gc o n d i t i o npw h e nu s i n gt h ec o n j u n c t i o no fs p a c ea n d w a v e l e n g t hd i l a t i o na p p r o a c h e s t h eo b t a i n e dc o n d i t i o np 2 l 2 ji s l e s st h a nt h e e x i s t i n go n e p 2 ( ”1 ) ，2 j ，w h e r e ，n = l o g a n d k x _ l d e n o t i n g t h e i n t e g e r p a r t o f x t a k i n g a d v a n t a g eo fe d g ec o l o r i n ga l g o r i t h mf o rb i p a r t i t eg r a p h , t h er o u t i n go fa n yf u l l p e r m u t a t i o nw i t h i nv s ( n ，p ) o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c si sa c h i e v e d t h es p e c i f i cw - f w a v e l e n g t ha s s i g n m e n tm a n n e ri s a d d r e s s e dw h i l ed e s i g n i n ga n 似w w a v e l e n g t h w d mv s ( n 2 l 州“) o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c s t h e n ，o nt h ei s s u eo fl o we r o s s t a l ka n dr e a r r a n g e a b l en o n b l o c k i n gf r o mh c ( n , m ) n e t w o r k ，t h er e a s o nf o re x c l u s i v e l yc o n s i d e r i n ge v e nn - mi sc l a r i f i e d ，s u c ht h a tt h e n o v e l h v m ( n ，珊，2 ( 一2 v 2 ) f a b r i c s r r ee s t a b l i s h e dw i t hi n t e r n a l2 ( 一抛1 a y e r s t a c k i n g s c h e m eb a s e do nh c ( n ，肌) n e t w o r k m o r e o v e r ，l o we r o s s t a l ka n d r e a r r a n g e a b l en o n b l o e k i n g v h v ( n ，m ) o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c sc a l l a l s ob eb u i l tb y u t i l i z i n g d o u b l e h v m ( n ，m ，2 1 一2 ) 2 ) f a b r i c s u n d e rs t r a i g h tv e r t i c a l s t a c k i n g c o m p a r 。d w i t h e x i s t i n gv h ( n ，m ，2 1 n - r e + 1 ) 2 j ) o p t i c a ls w i t c h i n g f a b r i c s ， v h v ( n ，m ) o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c sh a v el e s st o t a ln u m b e ro fo p t i c a ls w i t c h e sa n d g a i nac o m p e t i t i v ee d g e f i n a l l y , t h e r ea r es o m er e d u n d a n to p t i c a ls w i t c h e sa n dl i n k sw h e ns p a c ed i l a t i o n a p p r o a c hi sa d o p t e dt oa c c o m p l i s hn o n b l o c k i n gf a b r i c sf r o mb a n y a n - t y p en e t w o r k s t oa v o i dt h er e d u n d a n c y , am e t h o df o rd o u b l e e n d ( d e ) p r u n i n gb a n y a n - t y p e n e t w o r k si sp r e s e n t e da n dt h er e m a i n d e rc a nb eu s e df o rr e c u r s i v e l yc o n s t r u c t i n gt w o c l a s s e so fs t r i c t l yn o n b l o c k i n gd e m o d u l e ，n a m e l yd e m - a a n d d e m 一1 3 d u et ot h e r e q u i r e m e n to fs c a l a b i l i t yo f f x f w - w a v e l e n g t hw d mo p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c s ，b a s e d o nt h ef a m o u sc l o sn e t w o r k ，f o u rd i s t i n c ti n l e t e n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n tm a n n e r s a n de a c hc o r r e s p o n d i n gt oo n em o d eo f d i f f e r e n ts e l e c t i o n so fd e m o t a n d d e m - 1 3a s t h em o d u l e si nc l o sn e t w o r kh a v eb e e nd i s c u s s e d u l t i m a t e l y , t h r e ef a b r i c s ，c l o s 一( p ，1 ) n e t w o r k , c l o s - ( p ，2 ) n e t w o r ka n dc l o s 一( p ，3 ) n e t w o r k w i t hl o wc r o s s t a l ka n d n o n b l o c k i n ga r eo b t a i n e da n ds h o wl e s st o t a 1n u m b e ro fo p t i c a ls w i w h e st h a nw d m v s ( n ，2 l 聊j ) o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c s k e yw o r d s ：o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c s ，b a n y a n t y p en e t w o r k s ，c l o sn e t w o r k ，c r o s s t a l k ， n o n b t o c k i n g ，d o u b l e e n dp r u n i n g i v 图目录 图目录 图1 1 完全互连通信网络 图1 2 配置交换节点的通信网络。1 图1 3 两级通信网络：接入网与核心网 图1 _ 4 光交换节点的通用配置 2 3 图1 5w d m 光交换结构模型4 图l - 6 定向耦合器光开关结构及其状态：c r o s s 和b a r 6 图l 一7 光开关具体状态：( a ) 单一波长，( ”相同波长，( c ) 不同波长6 图1 8 基于2 x 2 光开关的4 x 4c r o s s b a r 矩阵9 图1 - 91 6 x 1 6b a n y a n 类网络 图l - l o 基于b a s e l i n e 网络的h c ( 3 2 ，2 ) 网络1 l 图l 一1 l 基于b a n y a n 类网络的v s ( n , p ) 结构一1 2 图2 13 2 x 3 2b a s e l i n e 网络及其4 窗口与兄弟窗口1 5 图2 21 6 x 1 6b a s e l i n e 网络互连请求的最坏情况1 8 图2 - 3 丹为奇数，输入窗口与波长、光纤的分配关系：( a ) w = h t ，( b ) w 厂1 9 图2 - 4 二部分图o ( v lu v 2 ；e ) 的边染色：粗、细线2 1 图2 54 x 48 - 波长w d mv s ( 3 2 ，4 ) 光交换结构2 2 图2 - 6 一个3 2 x 3 2 全置换例子的序号表示。2 3 图2 - 7 全置换对应的二部分图以及边染色：细、粗线2 3 图2 8 第一次循环后产生的两个子图2 4 图2 - 9 第二次循环后，所求的四个部分置换2 4 图2 1 0 四个b a s e l i n e 网络的内部路由：，力为第工条光纤上的第y 个波长2 5 图2 1 1h c ( n , 脚) 网络的递归定义2 6 v 1 i 图目录 图2 1 2h v ( 3 2 ，2 ，2 ) 结构及其内部v s ( 8 ，2 ) 网络2 6 图2 一1 3 基于h c ( 3 2 ，2 ) 网络的v h ( 3 2 ，2 ，4 ) 结构2 7 图2 1 4h v m ( 3 2 ，1 ，2 ) 结构及其内部堆叠结构2 8 图2 1 5v h v ( n , 历) 光交换结构2 8 图3 13 2 3 2b a s e l i n e 网络的前四级链路路由，粗线表示3 4 图3 28 8d e m 构建过程3 5 图3 3n kd e m 递归构建3 6 图3 4 三级c l o s 网络c ( l ，蜀；x ；2 ，岛) 。3 7 图3 5w = 2 的两种波长排列方式3 8 图3 - 6 基于d e m 的三种c l o s 网络3 9 图3 72 w 2 t 情况下的( p ，3 ) 一波长排列方式4 0 图3 8w 2 t 情况下的( p ，4 ) 一波长排列方式4 0 v l l i 表目录 表目录 表1 - 1 各类光开关的损耗、串音和速度的比较5 表l 一2 n n c r o s s b a r 矩阵和b a l l y a i l 类网络的特点比较1 0 表2 1 ( a ) 3 月1 3 与m 都为偶数时，# v h v 、# v h 与# v s 比较3 0 表2 1 ( b ) 3 疗1 3 与小都为奇数或肌= 0 时，# v h v 、# v h 与# v s 比较3 1 表3 1 ( a ) 3 打1 3 ，1 ，s 6 ，撑卫一p l 、# r p 2 和拌r 一1 3 3 的数值结果4 2 表3 - i ( b ) 3 n 1 3 ，7 r 1 2 ，撑r p l 、群月一p 2 和撑月一p 3 的数值结果4 3 表3 - 23 s ”1 3 ，# r 一1 3 1 、群r b 2 和# r 一1 3 3 的最小值以及各自光开关级数。4 4 缩略词 b w s d e d e m d e m u x d w d m f o s c h c 啊：l i n b 0 3 m u x 船 n l s r n b s o a s s n b v s w s n b 3 r 缩略词 b r o t h e rw i n d o w s d o u b l e e n d d o u b l e e n dm o d u l e d e m u l t i ) l e x e r d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f i r s t - o r d e ro p t i c a ls w i t c hc r o s s t a l k h o r i z o n t a lc a s c a d i n g t i t a n i u m d i f f u s e dl i t h i u mn l o b a t e m u l t i p l e x e r n a n o s e e o n d m i c r o s e c o n d r e a r r a n g e a b l en o n b l o c k i n g s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s t r i c t - s e n s en o n b l o c k i n g v e r t i c a ls t a c k i n g w i d e - s e n s en o n b l o c k i n g r e a m p l i f y i n gr e s h a p i n gr e t i m i n g x 兄弟窗口 双端 d e 模块 解复用器 密集波分复用 第一阶光开关串音 水平级联 钛扩散铌酸锂 复用器 纳秒 毫秒 可重构无阻塞 半导体光放大器 严格无阻塞 垂直堆叠 广义无阻塞 重放大重整形重定对 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 日期：加盯年岁月2 2 e t 关于论文停昭授权的说明 篓篙嚣骺麟篙：邬张 签名2 f 东宣荔 导师签名： l 、 第一章绪论 1 1 光交换节点的引入 第一章绪论 终端用户之间的信息传递经由通信系统实现。当仅仅涉及两个终端用户时， 只需点对点的通信系统；而当存在多个终端用户，并且任意两个用户之间都能相 互通信时，一种最直接的方式，即是利用点对点通信系统，把所有终端两两相连， 构建图1 1 所示的完全互连通信网络。但是，完全互连通信网络，不适用于终端 用户数目较大的情况，具有以下缺点【1 1 。给定个终端用户，共需要n c n - i ) 2 条 通信链路，链路数目将随终端用户数的平方递增，如果继续增加第n + i 位用户， 则又必须增建条链路，增大了远距离通信的施工难度。另外，在实际应用中， 除去特定业务，终端用户之间罕有一直占用链路的情况，所以，完全互连方式的 运营经济性也欠佳。 用户 叠 用户5 用户2用户3 & 用f 4 崩户 用户5 叠矗 用户2用户3 厶 用户4 图i - ! 完全互连通信网络 图i 2 配置交换节点的通信网络 因此，对于多终端用户，往往引入图1 2 所示的具有交换节点的通信网络， 通过交换节点，根据用户的通信请求信息，建立或释放相应的通信链路。而且， 当终端用户数e 1 更大，交换的区域范围更广时，交换节点之间也必须引入分级的 交换传输网络，以便能进一步优化整个通信网络的资源成本。例如图l 一3 所示的 二级通信网络，就由接入网、边缘交换节点、核心网以及核心交换节点组成。用 户可以通过接入网，将信息传送到边缘节点，再由核心网络进行路由，传输到相 应的目的边缘节点和接入网，完成用户之间的信息传输交换。 当前，高速、大容量的光纤通信系统已经大规模部署于核心网络的骨干线路 上，奠定了长距离、宽带通信网的基础。随着密集波分复用( d w d m ：d e n s e i 电子科技大学硕士学位论文 w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的成熟开发，充分利用光纤的t b i t s 量级 带宽已成为现实，1 6 0 1 0 0 b i t s 的d w d m 通信系统也已有规模商用化在一定 程度上，缓解了日益增长的数据、多媒体等业务对通信网络传输带宽的需求。 然而，目前核心网络的交换节点一般采用电交换技术，到达节点的光信号必 须经历光电光的转换处理，节点的吞吐能力必然受到电交换速率的限制，导致 光传输带宽和电交换容量之间存在严重的失配，已成为高速、大容量通信网发展 的瓶颈之一。 为了解决电交换节点的速率瓶颈问题，核心网络有必要引入光交换节点，采 用光交换技术1 2 1 ，实现光域交换能力。另一方面，配置灵活的光交换节点，例如 o x c ( o 口t i e a lc r o s s c o n n e c t s ) 和o a d m ( o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r ) 节点 3 d i 5 l 6 l ，构筑以光传送网络( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 为基础的自动交换光网 络( a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ) 1 7 j ，实现智能化的光层联网也一直是光 通信网络发展的目标之一。 换节点 换节点 图l 一3 两级通信网络：接入网与核心网 针对不同的信道带宽粒度需求，光交换技术主要有光路交换( o p t i e a lc i r c u i t s w i t c h i n g ) 即波长路由、光突发交换【8 9 1 1 1 0 l ( o p t i c a lb u r s t s w i t c h i n g ) 和光分组交 换【1 2 1 ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 。其中，光突发交换结合了光路交换与光分组交 换的各自优势，同时避免光路交换的带宽利用率低、不能统计复用和光分组交换 实现难度高的缺点，采用突发包和控制分组在时间和承载信道上独立分离传送， 其突发包可以透明地到达目的节点，具有粒度居中，灵活高效、实现简单的特点。 根据信道复用的方式【1 0 1 “】，光交换又可以分为光空分交换、光时分交换、光 波分交换、光码分交换。光空分交换是指在多个空间端口之间建立例如光波导和 自由空间的物理通道以实现光信号交换，并且该通道的带宽被输入输出端对独 2 第一章绪论 占。光时分交换是在时分复用基础上，通过时隙交换器，改变光信号的时隙位置， 完成交换。光波分交换通过波长变换器，将各路输入波长变换为输出端特定的目 的波长，实现波域光交换。光码分交换即是将光信号从某个正交码交换到另一正 交码上，可以由分布式光控实现，速度较快，但规模受到限制。 总之，相对于电交换，应用光交换技术的光交换节点，摒弃了光电一光转换 的接口器件，不仅提高交换节点的吞吐容量，降低交换成本：还具有对信号的速 率、调制方式以及通信协议透明的优点。 1 2 光交换节点通用配置模型 光交换节点作为光传送网络的枢纽，其通用配置模型如图1 4 所示【1 2 】f 1 3 】【1 4 】， 包括三大功能模块： 接口处理功能模块：复用，解复用器与输入、输出模块。 调度功能模块：管理单元和控制单元。 交换互连功能模块：光交换结构( o p t i c a ls w i t c h i n gf a b r i c s ) 。 输 入 光 纤 输 出 光 纤 图1 - 4 光变换。i p 点的通坩配置 在接1 3 处理功能模块中，解复用器( d e m u x ：d e m u l t i p l e x c r ) 能将输入光纤 的各波长展开，以实现至少波长级的后继交换；复用器( m u x ：m u l t i p l e x e r ) 用 于复用波长到对应的输出光纤。而输入、输出模块的功能与具体的光交换技术、 调度分配算法以及光交换结构的拓扑密切相关，可以包含3 r ( r e a m p l i f y i n g ， r e s h a p i n g ，r e t i m i n g ) 再生，光信号的定时同步、缓存，路由信息的提取和更新 插入，输出光信号的功率放大、均衡，各输入输出波长的特定位置排列以及用于 解决信道冲突的波长变换器和光缓存等。 3 电子科技大学硕士学位论文 调度功能模块，主要依据获取的路由信息、节点的吞吐量、时延、业务优先 级等要求，对节点进行监控、管理，对光交换结构的外部端口信道资源例如空分 端口、波长信道，实现无冲突分配；并且在交换互连过程中，控制光交换结构中 的开关元件的相应状态，完成光信号在光交换结构中的内部路由传输。 交换互连功能模块，通过光交换结构的开关元件，实现光信号透明地交换连 接到请求出口，根据不同的光交换技术和性能要求，光交换结构可以配置光缓存 和波长变换器，以解决内部信道资源的冲突问题。 由于目前光逻辑器件和光缓存技术尚未成熟，导致光交换节点只能采用光电 混合模式：节点的管理和光开关的控制仍然得在电域执行，而交换互连可以直接 在光域完成。特别是光突发交换技术的提出，使得电域管理控制和光域交换相辅 相成，具有良好的应用前景。 1 3 光交换结构的基本概念 光交换结构也称为光交换网络( o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k s ) 【1 5 l 或者光互联网 络( o p t i c a li n t e r e o n n e c t i o nn e t w o r k s ) 1 1 6 1 ，除了应用于通信网络，还在并行计算 系统和存储系统网络中得到广泛研究i 4 1 。与光交换技术相对应，光交换结构可以 分为空分光交换结构、时分光交换结构、波分光交换结构和码分光交换结构。在 本文中，将只考虑空分和波分相结合的混合型光交换结构模型。 输 入 光 纤 - 芒- 输 入 _ c _ 波 光交换结构 长 排 - 乜- 列 - 巳_ 口全波长变换器 图1 - 5w d m 光交换结构模型 输 出 光 纤 光交换结构与其外部端口信道的调度分配算法，往往相互独立研究，以降低 各自性能分析的复杂性。因此，当仅以光交换结构为研究对象时，存在一个默认 的外部无阻塞条件：任意的交换互连请求之问，其交换结构的外部信道已经调度 分配成功，即各个请求相应的外部空分端口和波长信道必须同时满足无冲突，无 4 第一章绪论 阻塞要求。值得注意的是，本论文只关注点对点的单播( u n i c a s t ) 互连请求，每 个互连请求只有惟一的输出端口、波长信道与其输入信道相对应。 在外部无阻塞条件下，图1 4 所示的光交换节点通用配置可以简化为如图 1 5 ，称为w d m 光交换结构模型。其中，为了简化问题分析，波长变换器为理想 的可调全波长变换器( f u l l r a n g ew a v e l e n g t hc o n v e n e r ) 【1 5 1 ，能够将输入的波长 变换到任意的输出波长，为调度分配提供物理器件支持，用于解决输出端口上的 波长阻塞，提高交换容量。 所以，此时的光交换结构内部，可以认为只存在空分交换需求，即每个波长 可对应于一个空间端口，而不同波长之间不存在波域上的交换互连，因此可以采 用常见的空分型光开关构建核心的光交换结构，应用于w d m 光交换结构模型。 此处输入波长排列方式与光交换结构的具体拓扑和串音特性密切相关。 下面，将介绍构建空分型光交换结构的光开关元件、评价性能指标，以及用 于扩展的基本交换模块。 1 3 1 定向耦合器光开关 不同于毫秒级的保护倒换，光分组、突发交换一般需要纳秒级( i l s ：n a n o s e c o n d o r d e r ) 速度的光开关。表1 1 为各类光开关之间的损耗、串音和交换速度相互比 较【2 1 ，可以发现，只有电光光开关才能满足n s 级要求。 表1 1 各类光开关的损耗、串音和速度的比较 类型微光机电光机械电光热光液晶 泡沫声光 速度 1 2 m s4 m s5 n s3 m s5 m s1 0 m s 3 1 i s 损耗( d b ) o 2 3 7o 5981 4 2 5 - 7 56 串音( d b ) 5 05 53 05 05 0 3 5 目前，较为成熟的电光开关主要有两种：s o a ( s e m i o n d u e t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ) 光开关与定向耦合器光开关。然而，s o a 光开关只是1 l 门开关，具 有o n 和o 行两个状态，存在着放大自发辐射噪声。 2 x 2 定向耦合器具有两个输入和两个输出端口，可以广泛应用于已有基本交 换模块，所以，本文将以定向耦合器为基本光开关元件，构建低串音无阻塞的空 分型光交换结构。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 x 2 定向耦合器光开关的结构，如图1 - 6 左侧所示。它利用折射率可随外界 电场变化而改变的材料作为衬底，在衬底上形成折射率更大的两条光波导通道， 最后在光波导表面覆盖控制电极，通过控制电极的不同偏压，改变光波导的折射 率和相位差，使得通过光波导的光信号在耦合区发生能量转移，其大小随耦合系 数与相位差而变化，从而获得光开关能力。光开关的状态如图1 - 6 右侧所示，即 有c r o s s 和b a r 两种状态。 输入光信号光信号 图l - 6 定向耦合器光开关结构及其状态：c r o s s 和b a r 本文应用的定向耦合器光开关，不仅可以对两个相同波长的输入光信号执行 开关行为，将其转移到相应输出端口，而且对于不同波长承载的两个光信号，也 可以进行交换动作1 2 4 】。但是，需要强调得是，定向耦合器光开关的每个端口即每 一个输入或输出端口，只能存在一个光信号：光开关无法对共享同一个端口的复 用光信号完成交换，并且，如果端口同时存在两个光信号，则光开关视为端口链 路冲突阻塞。所以采用的光开关仅执行最简单的空分交换，无需考虑端口的复用 交换情况，光开关允许的具体状态如图1 7 所示。 定向耦合器光开关，例如t i ：l i n b 0 3 ( t i t a n i u m d i f f u s e dl i t h i u mn i o b a t e ) 光 开关，其主要优点是交换的信息比特率很高，但其损耗( 典型值8 d b l l d b ) 和 偏振相关性以及串音( 大约为- 2 5 d b ) 却不如非干涉型的微机械光开关1 1 7 1 4 6 1 。 孓 c r o s s 恕8 c r o s s b a rb a rb a r ( a )(b)(c) 图1 7 光开关具体状态：( a ) 单一波长。( b ) 相同波长，( c ) 不同波长 6 摹 第一章绪论 如图i - 6 左侧所示，当某个波长的光信号，从其中一个输入端口进入，经过 耦合区，大部分光功率会输往目的端口，而剩余部分功率即串音，将作为噪声出 现在非目的端口，能够恶化同一波长的另一路输入光信号，显然，串音作为噪声 是由于两个同一波长的光信号同时通过光开关引起的，而不同波长之间的串音可 以由光滤波器消除，对系统的影响甚小，可以忽略。在图1 7 的六种状态中，只 有图( b ) 的两种状态存在串音噪声问题。 1 3 2 光交换结构的性能指标 光交换结构有许多不同的实现方案，在设计时，对它们的结构性能进行评价 是十分必要的，可以考虑下面的五个性能指标1 2 1 1 8 1 。 ( 1 )光信号损耗衰减 光交换结构的光信号损耗因素比较复杂，主要有：经过光开关的损耗，输入 输出端口界面的插入损耗( 波导与光开关的界面，光纤与波导的界面) ，波导的传 输、弯曲和交叉耦合损耗。可以简单地认为，光信号的损耗与光交换结构的内部 路径长度成正比。然而，相对于损耗本身，光信号之间的损耗差分( l o s s d i f f e r e n c e ) 显得更为重要，损耗差分即