（电磁场与微波技术专业论文）多粒度光节点交换结构的设计与实验.pdf

北京邮电大学硕士毕业论文摘要 多粒度光节点交换结构的设计与实验 摘要 数据业务量的飞速增长和光纤传输能力的提高，对光网络中的交 换结构提出了更高的要求，要求其具有智能性强、交换容量大、阻 塞率低、成本低等性能。传统光网络已无法满足这些要求，而基于 自动交换光网络( a s o n ) 架构的多粒度光交换系统在光传送层面引 入多种粒度的交换技术，并在光层之上引入智能。保证了业务多种 粒度的灵活传送以及智能控制，将成为下一代光传送平台的核心技 术。 多粒度光交换技术已成为光通信领域中一个重要研究方向，而多 粒度节点交换结构的研究是其中一个主要方面，多粒度光交换节点 结构主要有单层结构、多层结构，而多层结构又可分为串联结构和 反馈结构，不同的节点结构在自身构成、网络性能、灵活性等方面 均由所区别，文中对这几种节点结构进行了分析比较，并探讨研究 了多粒度节点结构设计中几个关键技术问题。 本文重点介绍了可完成多粒度功能的光节点交换结构设计方案， 在不影响功能前提下对其进行简化可有效降低成本和复杂度。节点 交换结构功能通过硬件单板具体实现，而单板的软硬件设计框架、 核心模块的设计和光路单元与板上布局的解决方案将直接决定单板 的功能与性能，论文从上述几个方面研究了若干单板的设计与实现， 具体包括c m u 、lo d u o m u 、c0 d u o m u 、a w g 四种单板。 多粒度光交换结构设计的合理性和功能需要通过网络应用与系 统实验来验证，在完成了多粒度光交换结构网络实验平台的搭建和 具体光路信号的连接后，文中通过各个具体测试方案分析实验过程 中的交换结构状态，并通过光谱图进行了结果说明。 关键词：自动交换光网络多粒度传送平面光节点 交换结构 北京邮电大学硕士毕业论文 摘要 t h ed e s i g n i n ga n de x p e i u m e n to ft h e m u l t i g r a n u l a i u t yo p t i c a l s w i t c h i n gs t r u c t u r e a b s t r a c t t h er 印i dd e v e l 叩m go fd a t as e r v i c e sa n dt h ei 1 1 c r e a s i n go f 助e r c 印a b i l i 够r e q u e s tm es w i t c l l i n gs 饥j c t u r eo fm eo p t i c a ln e t l w o r kt oh a v e m o r ei n t e l l i g e n c e ，b i g g e rs w i t c h i n gc 印a b i l i 吼l o w e rr a t eo fb a c k u pa n d l e s sc o s t ，、地i c ht h et r a d i t i o n a lo p t i c a ln e t w o r kc a n tp r o v i d e s oc o m e s t h em h l t i g r 甜1 u l 撕t yo p t i c a ln e t w o r kb a s e do nt 1 1 ea u t o m a t i cs w i t c h e d o p t i c a ln e 铆o r k ( a s o n ) t h a tc a np r o v i d es e v e r a lg r 删l a r i t i e so f s w i t c m n gi nt r a n s f o mp l a n ea 1 1 db ei n t e l l i g e n t i tw i l lb et h ek e m e l t e 9 h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o no fo p t i c a ln e t w o r k n o w a d a y s ，t h er e s e a r c h e so fm u l t i g r a n u l a r i t ) ，o p t i c a is w i t c h i n g t e c l u l o l o g ya r ec a r r i e do ni nm a l r l yc o u l l t r i e s t h i s 恤e s i si n 仃o d u c e sa h o t s p o ti nm e 】v 【u l t i - 铲甜m l a d t yt e c h n o l o g y i ti n t r o d u c e sm eb a s i c s t m c t u r e so f m u l t i 一铲a n u l a r i t yn o d es 仃u c t u r ea n dg i v e ss o m ea n a l y s i so f t h e i rp e r f o h n a n c e s t h e nm e 也e s i sm e n t i o n ss o m ep o i n t 也a tw es h o u l d p a ya t t e n t i o nt od u r i n gm ed e s i 印i 1 1 9o fm u l t i 一伊a n u l a r i t ys w i t c h m g s t i u c t u r e a san a t b e i n g b u i l t u p f o rt h e 如n c t i o n st e s t i n ga n dm r t h e r r e s e a r c h i n g ，t h i st h e s i sf o c u so nt h ed e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o no ft h e s w i t c h m gs t n j c t u r emt h em u l t i g r a n u l a r i t yn o d e s ，、v h i c hc o n t a i n st h e s c h e m ed e s i g n i n g ，t h es i m p l i f i c a t io np r o c e s s i n g ，m ei n t r o d u c t i o no fm e 如n c t i o na n dt h es 锄ef o r m a ti nh a r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g i l i n go ft h e b o a r d s t h e nt h i sm e s i sr e f e r st ot h ed e s i g n i n gd e t a i l so fm ec m u 、 l _ o d u o m u 、c _ o d u ，o m ua 1 1 da w gb o a r d sb yt h ei 1 1 s t r u c t i o no f m n c t i o nr e q u i r e m e n t s ，w o r km e o r i e sa n dt h ed e s i g no fs o m ei m p o r t a n t m n c t i o n s a tt 1 1 el a s ts e g m e n to ft h i sm e s i s ，m ea u 也o rd e s c r i b e st h ee x p e r i m e n t 北京邮电大学硕士毕业论文摘要 o ft h es w i t c h i n gs t m c t u r ei nm u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ln o d e s t h ec o n t e n t i sf o m l e db yt h ei n s t m c t i o no ft h et e s t - b e d ，t h ed e s c r i p t i o no ft h e c o n n e c t i o n sa m o n gt h eb o a r d s ，t h ea n a l y s i so ft h es w i t c h i n gs t n j c t u r e s s t a t u s ，m ep r o c e s s i n ga n dr e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：a u t o m a t i cs w i t c h e d0 p t i c a ln e t w o r k ( a s o n ) m u l t i 一黟a n u l 甜时仃a n s p o r tp l a n e o p t i c a ln o d e ss w i t c h i n gs t m c t u r e 一 j 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 库j 磐品 日期：矽杪钐岁7 了 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：套i # 品日期：矿汐多弓，冽 导师签名：2z 杰 日期：邪，弓谬 北京邮电大学硕士毕业论文绪论 第一章绪论 随着i n t e m e t 技术的普及和发展，全球数据业务量呈现出爆炸式增长趋势， i n t e m e t 接入、i p 电话、多媒体应用、电子商务、数字电视等新型数据业务层出 不穷。同时，随着密集波分复用( d w d m ) 技术日趋成熟，光网络中传输容量 不断提高，采用d w d m 进行光网络传输的系统可以提供t b p s 的交换容量。然 而，交换容量的增加导致了节点中光( 光电) 交叉连接矩阵规模的迅速增加， 这使得光网络的成本以及对其管理和控制的难度随之增加，现有的固定静态配 置的光网络已不能满足需要，于是，智能、可控、可管的自动交换光网络( a s o n ) 应运而生。 支持多粒度、多层次的智能，提供多样化、个性化的服务，是a s o n 的核心 特征。多粒度光交换是自动交换光网络a s o n 发展过程中提出的一个新的概念。 所谓的多粒度交换是指交换节点的交换粒度不仅包含波长级交叉连接，而且支持 波带级以及光纤级交叉连接。通过在多个粒度( v c 、波长、波带、光纤) 层次 上进行有选择的分层交换，光节点的结构可以大大简化，端口数减少，设备的成 本随之显著降低，且易于进行智能管理和控制。 多粒度光交换技术是一项崭新的光网络节点技术，也是下一代光网络传送 平面的关键技术，内涵丰富具有极为广阔的应用前景，对其进行研究和实验有 重要意义。 1 1a s o n 中的多粒度光交换概述 自动交换光网络( a s o n ) 是光网络发展的方向，而多粒度光交换是自动交 换光网络传送平面的关键技术。最近几年，a s o n 和多粒度光交换已成为光通 信研究领域中的热门问题，下面将对它们发展的背景和概况做一简单描述。 1 1 1a s o n 的产生和发展状况 光网络在通信网中居于相当重要的地位，它是通信基础网络的核心。在全 球，8 0 以上的信息量是通过光纤网络来传输的。近几年来，由于d w d m 技术 的发展和成熟，光纤带宽的潜力得到了进一步挖掘。目前学术界、产业界以及 国际标准组织对下一代光网络都给予了高度的重视。智能光网络已成为全球业 界关注的新发展动向。早在2 0 0 2 年，a t & t 在o f c 就称“智能光网络目前 就已经成为现实”。 于是，一种能够自动完成网络连接的新型网络概念智能的自动交换传 北京邮电大学硕士毕业论文绪论 送网( a s t n ) 应运而生。这是一种利用独立的控制平面来实施动态配置连接管 理的网络，其中专门以光传送网( o t n ) 为基础的a s t n 称为自动交换光网络 ( a s o n ) 是a s t n 开发的主要方向。过去，传送网只涉及客户层信号的传送、 复用、交叉连接、监控和生存性处理，通常不含交换功能，只具备较低的智能。 因此，在传统的传送网中引入动态交换的概念不仅是几十年来传送网概念的重 大历史性突破，也是传送网技术的一次重要突破，使传送网具备了自动选路和 管理的更高智能。 与现有的光传送网技术相比，a s o n 有以下特点：1 、在光层实现动态业务 分配，缩短了业务提供时间，提高了网络资源的利用率，可根据业务需要提供 带宽，是面向业务的网络：2 、具有端对端网络监控保护、恢复能力，使网络变 得更可靠、更安全；3 、具有分布式处理功能；4 、与所传送客户层信号的比特 率和协议相独立，可支持多种客户层信号；5 、实现了控制平台与传送平台的独 立；6 、实现了实时的流量工程控制，网络可根据客户层的业务需求，实时动态 地调整网络的逻辑拓扑，以避免拥塞，实现网络资源的最佳配置；7 、与所采用 的技术相独立；8 、网元具有智能；9 、可根据客户层信号的业务等级( c o s ) 来决定所需要的保护等级；1 0 、支持各种带宽的交换和管理。 a s o n 的概念一提出来立即受到极大的重视，i t u t 、i e t f 、o i f 等组织都 对其进行了深入的研究，并提出了各自的一些相关的标准草案或建议，i t u t 主要从网络的总体架构方面定义了a s o n 的体系结构，i e t f 主要从信令和选路 方面对a s o n 进行了研究，o i f 则主要从用户网络接口方面对业务和相关信令 提出要求。目前关于a s o n 的标准化研究还远未完成，其市场应用也随着其技 术的不断成熟和完善而在不断扩大，国内外众多厂商都加入到了研发生产 a s o n 设备的阵营。 1 1 2a s o n 的体系结构 智能光网络的出现是光网络技术的一项重大进步，它将交换引入到了光层， 采用的是客户端服务器( c l i e 州s e r v e r ) 的体系结构，直接面向最终用户，用户 可以通过网络接口请求服务，智能光网络的体系结构主要包括三个平面：控制 平面c p ( c o n t r o lp 1 a 1 1 e ) 、传送平面t p ( t r a n s p o np l a n e ) 和管理平面 m p ( m a i l a g e m e n tp l a n e ) 。 控制平面 a s o n 的控制平面实质上是对过去管理平面中的控制功能分离处理，通过 标准接口和信令实现分布式的开放控制。其核心功能是实现光传送网络连接的 建立、指配、控制、释放以及失效恢复的自动化、智能化。控制平面需要实现 2 北京邮电大学硕士毕业论文绪论 路由功能、呼叫控制、连接控制、链路及资源管理、连接允许控制、接口部分 ( u n i 、n n i 、c c i 、n m i a ) 、信令网络、策略管理、命名和地址解析等功能。 传送平面 传送平面是由一系列的传送实体构成，是客户端到服务端的信息传送通道。 传送平面由光复用段层、光传输段层和光通道层组成，采用网孔状结构，其节 点设备为o x c ( 光交叉连接) 和o a d m ( 光分叉复用) 等交换设备，由于目 前线路速率已经达到了t b i t s 量级，线路容量问题得到了解决，当前传送平面 中最核心的问题就是光节点的交换问题，交换节点处理能力的大小关系到 a s o n 的吞吐量和处理能力、颗粒的大小，而此问题使得该平面要进行多粒度 光交换的技术研究和实现。 管理平面 管理平面完成整个网络的管理与维护工作其基本的功能包括：故障管理、 性能管理、配置管理、计费管理和安全管理等。 a s o n 管理平面与现有光传输系统网管在管理范围、管理方式、开放性要 求和管理的重点等几个方面均存在一定差异。 三个平面间的相互关系如图卜1 。 图1 1a s o n 体系结构视图 1 1 3a s o n 中的多粒度光交换技术 智能光网络的动态连接机制要求光网络具有复杂的网格结构，随着传送容 量的增大，对光交换矩阵的要求也越来越高，由此也就出现了“多粒度光交换” 的概念。下图是多粒度的分级图。 砸匝迈三 丘 图1 2 多粒度l s p 分级结构图 北京邮电大学硕士毕业论文 绪论 多粒度的命名借鉴了物理学中粒度等级的概念，由图可看出，多粒度将物 理媒质中传送的光信号按等级由大到小分为光纤级、波带级、波长级和时隙级 怂 寸o “多粒度光交换”在光交叉连接方面有其突出的优势。在原有的交换结构 中，需要对全部输入光纤解复用到波长一级，然后以波长为单位进行交换( 交 叉连接) ，最后再把波长复用到输出光纤。考虑到在一个节点之上，大部分业务 都是“转发业务”而不是“接入业务”，因此实际上一个节点并不需要解复用出所 有的波长，然后再对所有波长进行复用后输出。可以考虑将通过节点的多个“转 发业务”汇聚在同一个波带或是同一个光纤内传输，从而在节点的m g o x c ( 多 粒度o x c ) 内实现“波带路由”或是“光纤路由”：或者是将多个“接入业务”汇聚 在同一个波带或是波长内，m g o x c 直接实现波带级上下路或是光纤级上下 路，从而减少o x c 的端口数量，降低成本。采用多粒度交换技术之后，交换节 点不必对所有的波长都进行解复用和复用，因此端口数可以大大降低，从而降 低节点的成本。 “多粒度光交换”思想的引入不仅提高了光网络设备的传送效率和吞吐容 量，而且丰富了光网络的智能化控制和管理的层次与水平，从而大大增强了网 络对不同颗粒度带宽处理能力的灵活性。 随着多粒度光网络的逐步发展，国内外的许多通信设备厂商相继投入力量 开发此类产品，相关的理论研究也在多方面展开，这些厂商和科研院所的开发 和研究主要围绕多粒度光交换的节点结构、波带交换、基于g m p l s 的控制等 关键技术。 1 2 完成的主要工作和论文组成结构 本文的主要思想是在进行调研分析的基础上，完成对多粒度光交换的方案 设计，并实现光节点的交换结构，最终通过一个多粒度的实验平台，完成多粒 度光交换结构设计方案的测试验证。 1 2 1 完成的主要工作 多粒度交换是未来光网络的重要支撑技术和发展方向，然而，对于多粒度 交换网络，虽然基本框架已经得到规范，但大部分技术细节仍在研究之中，技 术草案的合理性、可操作性还有待进一步验证；多粒度交换节点结构问题的研 究还处于起步阶段。因此，在这一课题上的研究突破，将对加速我国光通信的 发展，进行相关的技术储备有相当的意义。 本论文主要对当前已有的多粒度光交换的节点技术进行调研分析，提出了 4 北京邮电大学硕士毕业论文绪论 多粒度网络交换结构的解决方案。设计完成几块功能单板，并搭建多粒度光交 换实验平台完成对多粒度光节点交换结构的功能验证和应用测试，为下一步多 粒度光交换网络的深层研究提供了条件。 本论文涉及到的一些关键点有： 1 虚实结合的多粒度交换结构的设计，并在不影响多粒度功能情况下对光 器件的简化； 2 m s t p 做为多粒度交换结构的电交换部分，可同时提供v c 级的交叉和 业务上下路功能； 3 各功能单板统一的软硬件设计框架，包括热插拔、槽位检测、总线通信 机制等功能的实现机制； 4 故障告警监测点和在线光谱监测点的设置； 5 光开关控制和状态查询电路的设计方案。 1 2 2 论文组成结构 本文共分为六章： 第一章为绪论部分，主要介绍多粒度光交换的产生背景与当前发展状况； 第二章讲述多粒度的节点交换结构，主要是现有各种多粒度节点结构的介 绍分析和节点结构设计中需要注意的问题描述； 第三章是本文的重点，主要介绍了笔者负责的多粒度光节点交换结构的总 体设计，内容有交换总体设计和简化方案的确定，节点硬件包含的各单板功能 概述和各单板统一的软硬件设计框架几个方面； 第四章是在第三章基础上，对笔者具体负责的几块单板的设计实现过程进 行了一定的介绍，包括c m u 、lo d u o m u 、co d u o m u 、a w g 四种单板； 第五章是在完成光节点交换结构设计的基础上，搭建实验平台并进行多粒 度交换结构功能验证的实验； 第六章是对论文所完成工作的总结和下一步工作的展望。 北京邮电大学硕士毕业论文多粒度节点交换结构的研究 第二章多粒度节点交换结构的研究 多粒度光交换是下一代光网络的核心技术，近年来对其关键技术的研究已 成为光通信研究中的一个重要方向。本文主要从多粒度节点结构技术方面入手， 对现有节点结构技术进行描述和分析。 2 1 概述 多粒度光交换网络与传统光网络最大的不同在于节点的交换结构。传统的 光节点设备一般在光层采用基于波长的单粒度交换结构方案。由于所有光路信 号都必须适配到波长级别进行处理，其核心是一个超大容量的波长交叉连接矩 阵。常规的光交叉连接设备( o x c ) 想在单一波长粒度下解决光的交叉连接及 波长变换等问题，尽管节点的交叉连接能力很强，但是交叉规模受限、成本高、 灵活性差、扩展比较困难。多粒度光交换技术则可以有效避免上述问题。 多粒度光交换主要基于v c 、波长、波带、光纤四种粒度进行交换。则多 粒度光交叉连接器可通过下列方式减少波长级交叉连接器的规模，从而降低交 叉连接器的整体成本： ( 1 ) 多个波长可被分为一组作为一个波带，多个具有同样路由的波长通道 可由一条波带通道( 也称为波带隧道) 进行承载，一个波带在交叉连接器中可 作为一个单独的单元由波带交叉连接器进行交换。因此，当一条波带隧道跨越 多个中间节点时，在波带隧道的中间节点处，可直接由波带交叉连接器同时实 现一个波带隧道内多个波长通道的交换，而无需经过波长交叉连接器。 ( 2 ) 当一个波带中承载的多个波长通道具有相同的源节点时，则在这些波 长通道的源节点( 同时也是波带隧道的起始节点) 处，可直接将这些波长通道 复用进入一个波带实现上路，而无需经过波长级的交叉连接器。 ( 3 ) 当一个波带中承载的多个波长通道具有相同的宿节点时，则在这些波 长通道的宿节点( 同时也是波带隧道的终止节点) 处，可直接将波带隧道解复 用为多个波长通道实现下路，而无需经过波长级的交叉连接器。 ( 4 ) 一根光纤中包含多个波带，多个具有同样路由的波带通道可由一根光 纤隧道进行承载，一根光纤在多粒度交叉连接器中可作为一个单独的单元由光 纤级交叉连接器实现交换。因此，当一条光纤隧道跨越多个中间节点时，在光 纤隧道的中间节点处，可直接由光纤级交叉连接器同时实现一个光纤隧道内多 个波带通道的交换，而无需经过波带级和波长级的交叉连接器。 ( 5 ) 当一根光纤承载的多个波长通道具有相同的源节点时，则在这些波长 北京邮电大学硕士毕业论文多粒度节点交换结构的研究 通道的源节点( 同时也是光纤隧道的起始节点) 处，可直接将这些波长通道复 用进入一根光纤实现上路，而无需经过波长级的交叉连接器。 ( 6 ) 当一根光纤中承载的多个波长通道具有相同的宿节点时，则在这些波 长通道的宿节点( 同时也是光纤隧道的终止节点) 处，可直接将光纤隧道解复 用为多个波长通道实现下路，而无需经过波长级的交叉连接器。 2 2 现有多粒度节点结构分析 当前的多粒度节点结构主要有以下两种结构形式。 2 2 1 单层节点交换结构 图2 1 是单层节点交换结构示意图。其核心是一个光交叉连接矩阵，这个交叉 连接矩阵在逻辑上分成光纤交叉连接( f x c ) ，波带交又连接( b x c ) ，合波长 交叉连接( w x c ) 三个部分。它的解复用器包含两级，最外面的是波带解复用 器，将光纤中的信号解复用为波带信号，第二级为波长解复用器，将波带信号解 复用为单个波长。工作原理如下：进入端口的光纤中包含直通信号的直接通过 f x c 选路输出，含有波带或波长交换信道的光纤则通过波带解复用器解复用为单 个的波带信号，只有波带交换的信道通过b x c 选路输出，含有波长交换的信道则 通过波长级解复用器进一步解复用为单个波长，通过w x c 选路输出。每个交换 层面都能提供上下路功能。 图2 1 单层节点交换结构示意图 7 北京邮电大学硕士毕业论文多粒度节点交换结构的研究 2 2 2 多层节点交换结构 图2 2 是多层节点交换结构示意图，它的核心部分是光纤交叉连接( f x c ) ， 波带交叉连接( b x c ) ，合波长交叉连接( w x c ) 三个交换矩阵。与单层交换 结构的区别是它的三个交换矩阵之间有端口连接。f x c 与b x c 直接通过波带复用 解复用器连接，b x c 与w x c 直接通过波长复用解复用器连接，每个交换矩阵提 供上下路端口。工作原理与单层节点交换结构基本相似，不同的地方是下层的交 换必须先经过上层的交换矩阵。如果光纤中有两个波长要进行波长级的交换，先 在f x c 交换矩阵中交换到f t b ( f i b e rt ob a n d ) 端口，通过波带解复用器解复用成单 个波带在b x c 交换矩阵中交换到b t w ( b a l l dt ow a v e l e n 醇h ) 端口，通过波长解复 用器解复用成单个波长在w x c 中完成交换。如果信号继续向下游传输，则经过 相反的过程从下层交换矩阵逐层返回光纤输出端口。 光 下路 图2 2 多层节点交换结构示意图 多层节点交换结构又可以进一步分为反馈式结构和串联式结构。 反馈式节点结构如图2 3 。 图2 3 反馈式结构示意图 北京邮电大学硕士毕业论文多粒度节点交换结构的研究 本节点结构中包括光纤交叉连接( f x c ) 层，波带交叉连接( b x c ) 层， 合波长交叉连接( w x c ) 层。其中b x c 层和w x c 层不仅具有光交叉连接矩 阵，还具有光复用器光解复用器。f x c 层包括光纤交叉连接矩阵，用来交 换进入节点的光纤。可以看到只有部分光纤进入b x c 层，其余都被旁路掉。 b x c 层包括光波带交叉连接矩阵，以及光纤到波带解复用器和波带到光纤复用 器。这层有部分光波带进入w x c 层，其余都被旁路掉。w x c 层包括光波长 交叉连接矩阵，以及波带到波长解复用器和波长到波带复用器。这层交叉连接 矩阵用来旁路，填加和丢弃光路。这种结构的特点是输入光通道经过逐级解复 用到小粒度的交叉连接模块进行交换以后，然后返回底层的大粒度交换模块。 图2 4 为串联式结构，和反馈式结构一样，也可分成f x c 层、b x c 层和w x c 层。然而，串联式结构不象反馈式结构在b x c 层和f x c 层引入反馈，将来流量 和去流量放在一个模块里处理。串联式结构将来流量和去流量清晰的区分开。 输 入 光 纤 2 2 3 各种节点结构的分析比较 图2 4 串联式结构示意图 通过各种节点结构的工作组成示意图，可对其进行分析比较。 单层交换结构具有更简单的结构，从它的结构图和工作原理可知，各层交换 矩阵之间没有端口连接，每一层交换只经过一个交换矩阵。而多层交换结构中， 波长级的交换最多要经过三个交换矩阵，如果向下游传输，还需向上通过3 次交 换，中间也会经过4 个复用解复用器，因此信号的插损会比较大。 多层交换具有更灵活的结构。单层交换结构中，光通道的选择具有很大的局 限性，某一波长信号如要进入波长交换矩阵，必须在路由和波长指配时就选定特 定的光纤，特定的波带。对于简单的网络而言，在网络规划时考虑全面就能满足 业务调度的需求，不会有太大的困难，但是对大规模复杂的a s o n 网状网，单层 交换结构就很难满足其灵活的流量调度需求。总之，多层交换结构中的多粒度交 换结构较清晰，管理维护较易，更适合应用；单层交换结构虽然简单，但管理维 护较难，不适合于组网应用。 而对于同是多层交换结构的反馈式结构和串联式结构，如果在本地节点进 行波带级别的交叉连接，二者所经过的交叉矩阵数目是相同的，但是对于反馈 9 北京邮电大学硕士毕业论文多粒度节点交换结构的研究 式结构来说，没有输入和输出w b x c 以及f x c 之分，二者是统一的。在只进 行波带粒度交叉的情况下，反馈式结构只需要穿越三级交叉矩阵，而串联式结 构需要穿越四级交叉矩阵；在只进行光纤粒度交叉情况下，反馈式结构只需要 穿越一级交叉矩阵，而串联结构需要穿越两级交叉矩阵。一般来说，在多粒度 光网络中，底层传送资源的配置时间是和所需要配置的交叉连接矩阵的数目成 正比的，因此，在进行粗粒度交换的情况下，反馈式结构所需要的时延应该少 于串联结构所需要的时延。在动态的多粒度信令方案中，有时候到达某一个节 点信令信息需要等待本地资源配置返回成功响应以后才能够向下一个节点继续 传送，在这种情况下，反馈式多粒度交换结构其所需要的连接建立时延会优于 串联式多粒度光交换结构。 总体来说，反馈式结构和串联式结构在功能结构上是相同的，都可以实现 光纤、波带与波长的三级交叉，有所不同的是反馈式结构在进行粗粒度交叉时 要比串联结构功能简化。另外，从成本方面来看，串联结构在一定的解复用比 例下，其成本要优于反馈式结构。在网络规模比较小的情况下，采用串联结构 要优于反馈式结构。 2 3 节点交换结构设计关键技术问题 在多粒度光交换节点传送结构的具体实施方案中，需要综合考虑下述特点进 行相关的结构设计。 阻塞设计 在w d m 光网络中，连到节点的光纤链路可能是几条到几十条，单纤配置 的光波长通道可能是几个到上百个，由于同一光纤内的多个波长间不需要交叉 连接，因此把所有波长不加区分而进行波长级的无阻交叉连接会浪费掉大量的 交叉连接资源。光纤级、波带级的引入则可以避免在单一波长粒度上对超大容 量全无阻交叉矩阵的需求，从而降低了节点实现的复杂度。此外，通过在节点 内部对所有端口间交换能力的要求进行合理的阻塞设计，还可以进一步减小交 叉规模。通过在不同粒度带宽的信号之间优化合适的分插比例，则可以在基本 不损伤网络处理灵活性的同时大大提高节点设备的性价比。 模块设计 模块化设计是节点结构灵活性的基础。对多粒度光交换节点而言其模块化 的结构设计尤为重要，特别是支持不同粒度层内交换和层间适配的模块化结 构。此外，对于光交换节点中一些昂贵的单元器件，如波长变换单元、光信号 再生中继单元、色散管理单元、功率管理单元、性能监测单元等，通过节点的 模块化设计可有效提高器件的共享水平。 ! ! 室塑皇奎兰堡主兰些笙苎多粒度节点交换结构的研究 一= ：= ：= = = = ：二： 司扩展设计 多粒度光交换必须是可扩展的交叉结构。通过合理的模块化设计可以达到 上述目标。重点设计光模块的在线升级能力，这样可以做到在不中断光节点业 务的前提下提高其交换的灵活性。 可重构设计 可重构性是多粒度光交换节点的另外一个主要特征。可重构性依赖于节点 的交叉连接水平。重点在于光层的无瞬断切换能力，可以起到降低节点交换规 模、提高节点处理灵活性的作用。 2 4 本章小结 本章主要内容是多粒度光节点结构技术的研究，首先概述了多粒度节点结 构的特点以及与传统光网络节点结构的差别，然后介绍了当前主要的几种多粒 度节点结构，并进行了分析比较，最后提出在多粒度节点结构的具体设计中应 该注意的几个问题，为下一步多粒度节点交换结构的设计实现做指导。 北京邮电大学硕士毕业论文 多粒度光节点交换结构的总体设计 第三章多粒度光节点交换结构的总体设计 综合考虑多粒度节点结构技术的研究状况，为进行节点结构的功能验证和 实施细节的研究开发实现一套多粒度光交换的实验平台，其总体结构方案如图 3 1 所示，由支持多粒度光交换的光节点交换结构、控制平面和网管等三部分组 成。 图3 1多粒度光交换的总体结构 笔者主要负责的是多粒度光节点交换结构的总体设计和其中几块功能单板 的具体设计与实现。 3 1 光节点结构的设计与简化 本节主要讲述的是多粒度光节点交换结构的总体设计。 3 1 1 节点结构设计方案 实验平台的设计方案只考虑最简单的网络状况：即只有源、中间节点和宿 节点三个硬件实节点，增加一个虚拟的中间节点用来进行保护倒换的实验。实 验网络拓扑如图3 2 。 其中，多粒度节点a 、b 、c 是带有嵌入式控制芯片的硬件实节点，多粒度 节点d 由一块嵌入式处理单板代替的虚节点，上面存储有节点的控制、信令信 息，只是不存在实际的硬件。 北京邮电大学硕士毕业论文 多粒度光节点交换结构的总体设计 图3 - 2多粒度光交换实验网络拓扑 多粒度光交换的业务接入点由多业务传送平台( m s t p ) 充当，同时，m s t p 还完成多粒度光交换中v c 粒度的交换；客户机1 、2 分别为m s t p l 、m s t p 2 的客户处理机，而m s t p 网管、多粒度网管分别完成m s t p 和多粒度交换的网 络管理功能。 针对光网络规模较小，结构简单的特点，光节点交换结构采用串联式结构， 节点设计为2 入2 出，包含本地波长通过o t u 的上下路。每根光纤又可以分波 至c 、l 两个波带，每个波带有两个波长可支持单独的波长交换和上下路。具 有完备功能的节点结构如图3 3 所示。 ? 图3 3多粒度光节点交换结构示意图 o t u 用作上下路单元，b 1 、b 2 、b 3 、b 4 为波带交叉矩阵，w 1 、w 2 、w 3 、 w 4 为波长交叉矩阵，d 1 、d 2 为波带解复用器，d 3 、d 4 为波长解复用器，m 1 、 m 2 为波带复用器，m 3 、m 4 为波长复用器。 节点设计具有模块化的特点，可根据需要配置各级单元。节点可以进行波 长上下路、波带交换、波长交换等功能。节点各级可设置必要的信号监测点， 进行各种故障的监视。 北京邮电大学硕士毕业论文 多粒度光节点交换结构的总体设计 3 1 2 交换结构硬件的简化 在多粒度光交换实验平台的硬件中，如果三个节点均按照完备光节点配置， 将有许多光器件并未有光路经过，这些光开关和复用器解复用器可省略，出于 成本和功能完备性考虑对节点的光器件简化： a 节点：5 个2 2 开关( 3 个波长，2 个波带) 、4 个复用器( 2 个波长，2 个波带) ，外加3 个o t u ( 发) ； b 节点：4 个2 2 开关( 波带) 、2 个复用器( 波带) 、2 个解复用器( 波带) ： c 节点：5 个2 2 开关( 3 个波长，2 个波带) 、4 个解复用器( 2 个波带，2 个波长) ，外加3 个o t u ( 收) 。 再进行进一步简化设计。 b 节点：为主要演示的多粒度节点，包括嵌入信令的控制c p u ，按完备光 节点配置，留出8 个2 2 开关、4 个复用器、4 个解复用器的位置，及相应外围 电路，接入监测波带失效的器件。 a 节点：接业务源节点，主要功能是波长上路，可省略波长交叉开关，按 下图配置。 o t iy 接m s t p 输出 图3 4a 节点配置图 一 c 节点：接业务宿节点，主要功能是波长下路，可省略波长交叉开关，并 且由于本实验系统采用的业务端为多业务传送平台m s t p ，光路信号可以直接 接入，省略宿节点的o t u ，按下图配置。 图3 5c 节点器件配置 同时，采用两个m s t p 节点作为多粒度光网络的业务上路和下路点，且提 供v c 粒度的交换。 北京邮电大学硕士毕业论文多粒度光节点交换结构的总体设计 最终，具备完整的多粒度光交换功能且简化后的多粒度光交换的节点总体 连接关系与配置如图3 6 。 图3 6 简化后总体连接关系与配置图 3 1 3 硬件故障监测点的设置 为完成故障检测定位和保护倒换功能，节点交换结构中设计有故障监测点， 而故障定位采用漏光法监测节点内外光路故障，根据本项目故障演示目标，共 演示波带故障、链路故障两类。波带故障的监测点为波带复用解复用器、波带 开关、( 波带放大器、波带变换器) ；链路故障的监测点为链路光纤。在多粒度 光交换结构的简化结构中，硬件故障监测点的设置如图3 7 。 图3 7硬件故障监测点设置图 共有8 个硬件故障监测点。 1 、2 、3 、4 ：b 节点内波带故障监测点，其中l 、3 为l 波带故障监测点， 2 、4 为c 波带故障监测点； 5 ：a b 链路故障监测点； 6 ：a c 链路故障监测点； 7 ：b c 链路故障监测点； 8 ：a c 链路故障监测点。 北京邮电大学硕士毕业论文多粒度光节点交换结构的总体设计 3 2 多粒度光交换节点的单板简介 3 2 1 光节点各单板的功能概述 一个具备完备功能的多粒度光节点所包含的单板如图3 8 。 整个节点由o t u ，o d u o 姗，c ( 根据光开关的不同完成波带和波长 的交换) 以及主控板n c p 组成。各单板功能简介如下： n c p 板：每个节点由一块n c p 板控制，主芯片为嵌入式芯片m p c 8 6 0 ，完 成各个单板的信号量的收集，同网管通讯； o d u 板：完成的主要功能是分波，即通过分波器将合在一根光纤中不同信 道的光信号分开，分别送给不同的c m u 板光接口，同时实现各信道的光功率 监测并上报网管； o m u 板：完成的主要功能是合波，即通过合波器将不同信道的光信号合到 一根光纤中，同时实现各信道的光功率监测并上报网管。由于光信号的可逆性， 我们把o d u 与o m u 功能用一块单板实现，而根据单板分波合波的波长范围 又将其分为波带分波合波板bo d u o m u 、l 波段分波合波板lo d u o m u 、 c 波段分波合波板co d u o m u ； a w g 板：完成的主要功能与co d u o m u 板相同，只是由于本板采用了 a w g 的c 波段分波合波器，有独特的控制电路而单独设计； c m u 板：完成波长、波带上下路和交叉的控制功能。每块c m u 板支持4 波的上下，将按n c p 的要求完成光的交叉连接和上下路： o t u 板：完成波长变换的功能，将工作于1 3 1 0 窗口的波长变换到满足g 6 9 2 规范的波长。在本节点中o t u 单板将同本组开发的m s t p 线卡的光口相连接。 北京邮电大学硕士毕业论文 多粒度光节点交换结构的总体设计 3 2 2 各单板统一的软硬件设计框架 为了设计的方便性、可升级、可替代性和操作控制的简单性，光节点中，除 主控板n c p 外，各单板遵循统一的软硬件设计框架，包括统一的单板信号处理 单元( m c u ) 系统、通信单元、背板接口和单片机软件框架。 主控系统解决方案 m c u 系统为单板上的主要处理单元，其主要功能为：单板上电后的初始化， 槽位监测并上报n c p ，接收n c p 发来的信号进行解析，回应其查询信号或根 据n c p 指令进行复位、单板动作等处理，监测告警信息并上报n c p 。 由于在多粒度光节点的单板中，m c u 要进行信息的处理，与n c p 的通信 以及a d 信号的监测，则需要采用有一定处理能力，又能进行a d 处理的芯片， 在考察了大量芯片后，选型m c u 处理芯片为a d 公司生产的5 1 内核的单片机 a d 肛c 8 3 l ，由于单板软件不大，无须加外置存储处理设备，a d c 8 3 1 的芯片内 部结构如图3 9 。 t r c r e 害l 害毒害llll 星星 笺l 瞄 图3 - 9 a d 心8 3 1 内部结构图 a 0 肛c 8 3 1 是一个完全综合的2 4 7k 采样保持数据采集系统，在同一片中 结合了高性能的自校准1 2 位创) c 多路通道，双1 2 位d a c 通道和可编程8 位m c u 。a d pc 8 3 1 的微处理器核心是8 0 5 2 ，提供片内6 2k b 非易失性闪速 电擦除程序存储器。还提供片内4k b 非易失性闪速电擦除数据存储器、2 5 6 br a m 和2k b 扩展洲。 a d “c 8 3 1 基于8 0 51 的内核可支持与8 0 5 1 兼容的指令集( 最大1 6m h z ) ，提供 1 2 个中断源、2 个优先级，双数据指针和扩展的1 1 位堆栈指针。 北京邮电大学硕士毕业论文 多粒度光节点交换结构的总体设计 a d “c 8 31 还提供额外的2 个1 2 位d a c s ， 电源监视器，和一个高精度 参考源。片内数字外围设备包括2 个1 6 位d a c ，双输出1 6 位p w m ， 看门狗定时器，定时间隔计数器，3 个定时器计数器，定时器3 用于波特率 产生核串行接口i 0 。 芯片对外提供1 2 c ，s p i 和u 触玎三种串行接口。 片内提供串行下载和调试模式( 通过u a r t ) ，并且通过e a 引脚提供单引 脚竞争模式。a d 肛c 8 31 支持q u i c k s t a r t t m 和q u i c k s t a r tp l u s 升级系统和低成 本的软件和硬件工具。 对m c u 的设计主要涵盖了对其外围电路的设计和自身资源的使用分配。 a d 肛c 8 3 1 的外围电路主要包括复位电路，下载模块，时钟提供模块。复位 电路的设计如图3 1 0 。 图3 - 1 0a d 衅8 3 1 复位电路图