CN102075821B - 一种共享波长转换器装置及解决光分组冲突方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护光分组交换的一种共享波长转换装置和光波长转换分配方法。提出以所馈共享参量波长转换器和有限波长转换器的光波长转换结构，使光分组交换节点N个输出端口共享波长转换结构的波长转换，并提出了参量波长转换优先分配的波长转换方法以控制冲突分组的波长转换。当到达光分组交换机输入端口的光分组请求调度到交换机输出端口失败时，先选择合适可用的参量波长转换器进行批量波长转换，如果参量波长转换器选择失败，则光分组次选可用的有限波长转换器进行波长转换，并将转换成功的光分组按波长信道请求调度到输出端口。本发明可实现冲突光分组的波长转换解决冲突问题，很好地降低了光分组的丢包率，提高了波长转换器利用率。

Description

一种共享波长转换器装置及解决光分组冲突方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种用于光交换分组冲突解决的方法。

技术背景

光纤通信中波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)传输技术的发展和应用为通信网络提供了巨大带宽，互联网业务的迅速发展使网络的信息瓶颈从信息传输环节转移到了交换节点上，光分组交换(OPS)是直接在光域上交换太比特(Tb/s)级的细粒度的光信号，具有高速率和宽带宽特性，被业界认为是最匹配光传输方式和解决网络电子信息瓶颈最有效的方法。但是，在通信网络的光分组交换节点处，当同一时间到达的多个光分组同时需要从交换节点的同一输出端口输出时，就会发生光分组竞争，而以IP业务为主的Internet网络中分组突发性很大，则光分组在光交换核心节点处发生竞争的概率也更大。由于目前还没有光的随机存储器(RAM)，常用的光分组竞争解决方案主要是：光纤延迟线(FDL)缓存、波长转换和偏射路由方案，它们分别在时间域上、波长域上和空间域上解决光分组的竞争问题。虽然光纤延迟线解决光分组存在光分组延迟、信号能量损耗和调度算法复杂、光交换节点结构体积大的缺点，而偏射路由仅适合特定的格形网络。冲突结构简单，但光纤延迟线长度决定其解决光分组冲突的能力非常有限，波长转换器将冲突的光分组波长转移换空闲的波长，从而解决光分组冲突，波长变换的冲突解决方案不会产生额外时间抖动、分组顺序改变等问题，缩减交换节点的规模和复杂度，控制、管理较为简单，有利于减小光分组在交换节点处的延迟和提高交换节点吞吐量。因此，随着光波长转换器成本的下降和技术的发展，在实际的光分组交换节点结构设计中，采用波长转换技术解决光分组冲突必是一种行之有效的光分组冲突解决方法。

在光交换节点结构中配置波长转换器可以用来解决光分组的竞争，波长转换器的配置方式有独占式和共享式两种。独占式配置方法就是为交换节点的每个波长信道配置一个独用的波长变换器，但其波长转换能力一般无法充分利用；反馈共享式波长变换器的所有输入输出端口在共享池中共享所有可用波长，波长转换器的冲突解决能力能被充分利用。根据波长转换器的转换能力，可以将其分为固定波长转换器(FWC)、有限波长转换器(LRWC)、全波长转换器(FRWC)和参量波长转换器。FWC是把某个固定的输入波长变换为某个固定的输出波长，其波长转换能力非常有限，但成本却是最低的。FRWC是由多个有限波长转换器级联而成，具有很理想的波长变换性能，目前要实现覆盖所有波长在技术和成本上都很困难，成本在所有波长转换器中是最高的。而LRWC能将输入波长转换为波长集中的部分波长，LRWC相对于FRWC来说，波长转换范围受限，有利于降低系统的开销。现有的相关研究表明：一种实现较小转换范围的波长变换器解决低负载分组冲突的性能近似达到使用FRWC时的性能。参量波长转换器是一种基于差频效应的固定波长转换器，能将一组输入波长以可调的泵浦波长为中心转换到对应输出波长组上。现有研究表明：共享参量波长转换器比相同结构下的固定波长转换器解决光分组冲突更有效，且有利于降低光交换节点需求的波长转换器数目，但是光分组冲突解决性能受到参量波长转换器保护波带的限制，处在保护波带内的光波长不能进行波长转换。为了减少保护波带的影响，进一步降低光分组交换节点的丢包率，本发明结合有限波长转换器和参量波长转换器特点，设计了将有限波长转换器和参量波长转换器组成反馈共享连接方式的全光分组交换节点结构，并设计了光分组交换节点的波长转换分配方法，以提高波长转换器的性价比和光分组冲突解决性能。

发明内容

针对现有的光分组交换节点配置参量波长转换器或有限波长转换器解决光分组冲突的能力有限和需求波长转换器数目多、波长转换器利用率低，而配置全波长转换器实现技术不成熟的问题，本发明设计了一种基于反馈共享的参量波长转换器和有限波长转换器波长转换结构及波长转换分配方法解决光分组交换节点分组冲突问题。

本发明设计一种基于反馈共享的参量波长转换器结合有限波长转换器的波长转换装置，该波长转换装置包括：P个反馈共享连接的参量波长转换器、L个反馈共享连接的有限波长转换器、光合波器、光分波器和冲突调度与波长转换控制模块，装置中的每个参量波长转换器输入端连接一个光合波器的输出端，经过参量波长转换器后，信号输出到一个光分波器输入端；光合波器输入端连接到光分组交换节点M个扩展的输出端，使受冲突的光分组反馈进入参量波长转换器，光分波器是将经过参量波长转换器转换后的M路光信号解复用，并反馈连接到光分组交换节点扩展输入端口；每个有限波长转换器将发生冲突的光分组波长转换到波长集的空闲可用波长上，并反馈连接到光分组交换节点扩展输入端口；冲突光分组波长转换控制模块实现波长冲突的光分组调度分配到可用的参量波长转换器或有限波长转换器，并控制该波长转换器转换到空闲可用波长上，以解决光分组的波长冲突问题。

本发明提出的冲突光分组波长转换分配方法为：若从输入波长端口到达光分组交换机入口的光分组调度到输出波长端口时没有遇到冲突，则光分组交换机直接调度该分组到达目的端口；若到达输出端口的光分组遇到冲突，先查询可用参量波长转换域的波长范围，并分配可用参量波长转换器同时为多个光分组进行批量波长转换；若冲突光分组找不到可用参量波长转换域的波长，则按首选即中的方法选择可用的有限波长转换器转换冲突光分组波长。为了使参量波长转换器和有限波长转换器的波长转换和分配有效，波长转换控制模块需要监视交分组换机各输入端口波长请求、输出端口波长信道忙闲和可用波长分配使用情况，将输入端口波长请求的光分组调度到空闲的输出端口波长信道上；如果输出端口该波长信道被占用，则该分组遇到了波长冲突，将冲突的光分组通过上面所述的波长转换分配方法变换到空闲的波长上，反馈传输到光分组交换机的输入端并等待交换机调度到输出端口。若上述遇到输出波长冲突的光分组选择参量波长转换器和有限波长转换器都失败，则丢弃该光分组。

基于反馈共享P个参量波长转换器和L个有限波长转换器的波长转换冲突解决光分组交换节点结构具有体积较小，使用波长转换器数目少的特点。结合参量波长转换器优先分配使用的控制方法，有利于提高波长转换器的利用率，降低光分组交换机的丢包率和光分组交换机的实现。

附图说明

图1光分组交换节点配置的共享波长转换器冲突解决结构图

图2参量波长和有限波长转换与分配的流程图

图3参量波长转换器波长转换示意图

图4波长转换偶图分配波长示意图(W＝5，波长转换距离d＝1)

图5参量波长转换器优先方法的波长分配结果

图6有限波长转换器波长转换示意图(波长转换距离d＝1)

具体实施方式

本发明总体结构为参量波长转换器结合有限波长转换器的波长转换冲突解决结构及波长转换分配方法，共享波长转换器冲突解决装置部分包括：参量波长转换器、有限波长转换器、合波器、分波器，实现到达光分组交换节点入口的光分组因竞争输出而受阻塞的光分组，在波长上解决分组的冲突问题。波长转换分配方法：对到达光分组交换机输入端口的冲突光分组，首选参量波长转换批量转换受冲突的光分组波长；如果冲突光分组没有找到可用的参量波长转换器，则次选有限波长转换器进行单一波长转换。

本申请的共光波长转换结构和波长转换分配方法，参量波长转换器可实现批量的输入光波长转换为批量输出光波长，而有限波长转换器又可以弥补参量波长转换器保护频带内的波长转换，两者结合使用可减少需求的波长转换器数目。当负载ρ＝0.4时，384波长端口的光分组交换机在达到丢包率0.001时，如果只使用有限波长转换器需要40个，而使用共享波长转换结构则仅需1个参量波长转换器和16个有限波长转换器。因此，共享波长转换结构可提高波长转换器的利用率，减小光分组交换点需求的波长转换器数目。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

附图1为光分组交换机配置的共享波长转换器冲突解决装置图，共享波长转换结构包括P个反馈共享连接的参量波长转换器和L个反馈共享连接有限波长转换器，P个光合波器和P个光分波器。波长转换结构连接的光分组交换节点具有N个光纤输入/输出端口，每根光纤端口有W个波长信道，参量波长转换器的输入端用M:1的合波器来保证多个波长的光分组能够同时进入同一参量波长转换器进行波长转换，参量波长转换器的输出端用1:M的分波器实现光信号波长解复用，根据公式(NW+MP+L)×(NW+MP+L)确定光分组交换矩阵的大小。在仿真实验研究中发现，当交换机端口数N＝4，W＝20，M＝4，P+L＝12，且参数波长转换器个数P与有限波长转换器个数L比值为1∶3时，能得到图1所示结构最小丢包率性能和最少的波长转换器总数。

对于到达光分组交换机输入端口的各分组，结合图1所示结构，我们首先用参量波长转换器优先(PFA)分配波长的方法给输入光分组寻找输出端口的空闲波长信道。PFA是一种求转换偶图最大匹配的算法，其基本思想是对输出波长空闲信道依次开始分配，先选择原波长上分组直接匹配，相当于直接调度无冲突分组输出；对需要波长转换的冲突光分组(个数为M)选择使用参量波长转换器批量波长转换。在参量波长转换中，冲突受阻的光分组输入波长通过合波器实现M个光波长复用后，经参量波长转换器转换实现M个波长的批量转换，由光分波器实现M个光波长的解复用，通过反馈共享方式连接在光交换节点扩展M输出/输入端口。如果参量波长转换器不能解决冲突，我们次选有限波长转换器实现单波长转换。在有限波长转换中，有限波长转换器只能实现单输入波长转换为单输出波长的转换，并通过反馈共享方式连接在光交换节点扩展输出/输入端口，它扩展了波长转换范围和能力，为参量波长转换器转换失败的受阻光分组提供有限波长转换解决冲突的机会。如果通过参量波长转换器和有限波长转换器都未找到转换分配的输出空闲波长，则丢弃该光分组数据包。波长转换解决光分组冲突的控制流程如图2所示。

在图1所示的结构图中，参量波长转换器是基于差频效应的固定波长转换器，它利用物质的二次非线性来进行波长转换的，信号光λ_s和泵浦光λ_p入射到二次非线性介质后，产生被转换光λ＝λ_p-λ_s。如图3所示，系统波长为λ_i，i∈{1，2，……，8}，参量波长转换器泵浦波长λ_p＝λ₅，且λ₄和λ₆处于保护波带内。当泵浦波长处于波带正中间时，波长转换器就能够转换最大数目的波长。值得注意的是：处于保护波带中的波长不能通过参量波长转换器进行转换。

在图1结构中，如果光分组交换机的输入光分组请求调度到输出端口的波长信道时受阻塞，则需要波长转换分配算法控制共享波长转换器工作，以解决光分组的冲突。其中参量波长转换器是优先选择可波长分配方法，参量波长转换优先的PFA算法使用偶图最大匹配的方法批量寻找空闲输出波长。

对于交换机的每个输入/输出光纤端口，包括W个波长信道，我们连接输入光分组和分配的空闲输出端口的W个波长信道，所形成的偶图就称为波长转换偶图。参量波长转换器的波长转换能力用波长转换距离d来表示，1≤d ≤W，设任一到达光分组的输入波长λ_i，i＝1，…，W，i越大，λ_i波长值越大，则λ_i波长可转换为波长λ_i-d或λ_i+d。图4所示的每个光纤端口波长信道数W＝8，左边端点表示各输入光分组请求输出的波长信道λ_i，小黑点数目表示该波长上光分组数目，右边端点表示的是输出空闲波长信道，由左边端点到右边端点的连线，表示到达分组可以分配使用的波长信道，只要找出转换偶图的最大匹配，就可得到最佳分配方案，即得到最小丢包率，达到光分组交换机最大吞吐量。PFA波长偶图最大匹配法分配光分组的空闲输出波长过程如下：

(1)查询各输出端口空闲波长，为每个输出端口建立波长转换偶图(如图4)，左边小黑点表示输出光分组，右边小黑点表示输出空闲波长；

(2)分别对各输出端品的波长转换偶图左边、右边端点从上到下编号；

(3)若波长转换偶图存在右边端点，找到编号最小的，转步骤(4)；若不存在，则波长分配完毕，仍未分配波长信道的分组将进入有限波长转换过程；

(4)为编号最小的右边端点分配冲突光分组。查看是否存在与之相连的左边端点，若不存在，则去掉该右边端点，回到步骤(3)；若存在，转步骤(5)；

(5)查看是否存在与之相连且编号相等的左边端点，若存在(即输出端存在与输入端相同的空闲波长)，则分配该左边端点给右边端点(即直接输出该无冲突的波长分组)，然后在转换偶图中去掉已分配的左右端点和与之相关的转换，回到步骤(3)；若不存在，转步骤(6)；

(6)查找出与右边端点编号差值最大的左边端点，若存在差值相等的，则随机选取一个等待参量波长转换；然后在转换偶图中去掉已分配的左边、右边端点和与之相连接的线。

如图4所示，假设只有λ₃处于参量波长转换器组的保护波带中

在转换范围d＝1的情况下，有6个分组到达(用小黑点表示)。连接转换偶图后发现：输出波长信道λ₂和λ₃对应的输入波长均有一个分组，直接分配波长λ₂和λ₃输出；输出波长信道λ₁和λ₄对应的输入波长都有2个分组，此时要随机分配一个分组给分别对应的输出波长信道λ₁和λ₄；而输出端空闲的λ₅就需要从输入波长λ₁和λ₄中选择一个分组，优先使用参量波长转换器，选择与输出波长信道编号与输入波长信道编号差值最大的输入光分组，即输出波长λ₅分配给λ₁输入光分组，而输入波长λ₄分组没有可用的输出波长信道将被丢弃。这样，就得到了如图5所示的分配结果，分配中仅用了1次参量波长转换器，就达到最优分配。

参量波长转换器优先选择分配算法分配完一个波长信道后，又会查找剩下输出空闲波长信道中编号最小者，直到所有的波长通道分配完毕。在为发生冲突的光分组分配波长时，选择编号差值最大的左边端点实现波长转换，实质上就是优先选择参量波长转换器。如果参量波长转换器不能解决冲突，再考虑使用有限波长转换器，这样可以节省使用有限波长转换器的数目。

有限波长转换器能够转换输入分组的波长为一组波长集中的一个可用波长，有限波长转换器的波长转换能力用波长转换距离d来表示，1≤d≤W，设任一到达光分组的输入波长λ_i，其中，i＝1，…，W，且i越大，λ_i波长值越大，该波长可转换为波长域集合[u，v]中的任一波长，其中u＝max{λ₁，λ_i-d}，v＝min{λ_W，λ_i+d}。如图6所示，在W＝8有限波长器转换中，当输入波长λ_i＝λ₄经过波长转换距离d＝1的有限波长转换器后输出波长域集合[u，v]，u＝λ₃，v＝λ₅，即转换后的输出波长可以是λ₃，λ₄和λ₅其中之一。

Claims (7)

1.一种光分组交换节点解决光分组冲突的共享波长转换器装置，其特征在于，包括，一系列反馈共享连接的参量波长转换器、一系列反馈共享连接的有限波长转换器、一系列光合波器、一系列光分波器和冲突调度与波长转换控制模块，每个参量波长转换器输入端连接一个光合波器的输出端，经过参量波长转换器后，信号输出到一个光分波器输入端；光合波器输入端连接到光分组交换节点M个扩展的输出端，使受冲突的光分组反馈进入参量波长转换器，光分波器将经过参量波长转换器转换后的M路光信号解复用，并反馈连接到光分组交换节点扩展输入端口；每个有限波长转换器将发生冲突的光分组波长转换到波长集的空闲可用波长上，并反馈连接到光分组交换节点扩展输入端口；冲突光分组波长转换控制模块实现波长冲突的光分组调度分配到可用的参量波长转换器或有限波长转换器，具体为：对到达光分组交换机输入端口的冲突光分组，首选参量波长转换器批量转换受冲突的光分组波长；如果冲突光分组没有找到可用的参量波长转换器，则次选有限波长转换器进行单一波长转换；

所述参量波长转换器是一种基于差频效应的固定波长转换器，能将一组输入波长以可调的泵浦波长为中心转换到对应输出波长组上。

2.根据权利要求1所述的共享波长转换器装置，其特征在于，如共享波长转换结构包括P个反馈共享连接的参量波长转换器和L个反馈共享连接有限波长转换器，P个光合波器和P个光分波器，波长转换结构连接的光分组交换节点具有N个光纤输入/输出端口，每根光纤端口有W个波长信道，参量波长转换器的输入端用M:1的合波器来保证多个波长的光分组能够同时进入同一参量波长转换器进行波长转换，参量波长转换器的输出端用1:M的分波器实现光信号波长解复用，根据公式(NW+MP+L)×(NW+MP+L)确定光分组交换矩阵的大小。

3.根据权利要求1所述的共享波长转换器装置，其特征在于，参量波长转换器是基于差频效应的固定波长转换器，它利用物质的二次非线性来进行波长转换，信号光λ_s和泵浦光λ_p入射到二次非线性介质后，产生被转换光λ=λ_p-λ_s。

4.根据权利要求1所述的共享波长转换器装置，其特征在于，当泵浦波长处于波带正中间时，参量波长转换器转换最大数目的波长，处于保护波带中的波长不能通过参量波长转换器进行转换。

5.一种冲突光分组波长转换分配方法，其特征在于，若从输入波长端口到达光分组交换机入口的光分组调度到输出波长端口时遇到冲突，冲突光分组首先寻找可用的参量波长转换器；若所有参量波长转换器都不可用，选择可用的有限波长转换器进行分配；波长转换控制模块监视光分组交换机各输入端口波长请求和输出端口波长信道忙闲情况，将输入端口波长请求的光分组调度到空闲的输出端口波长信道上；如果输出端口该波长信道被占用，则该分组遇到了波长冲突，将冲突的光分组变换到空闲的波长上，反馈传输到光分组交换机的输入端并等待光分组交换机调度到输出端口，若冲突的光分组选择参量波长转换器和有限波长转换器都失败，则丢弃该光分组；

所述参量波长转换器是一种基于差频效应的固定波长转换器，能将一组输入波长以可调的泵浦波长为中心转换到对应输出波长组上。

6.根据权利要求5所述的冲突光分组波长转换分配方法，其特征在于，所述采用有限波长转换器进行分配具体包括以下步骤：

（1）根据波长W取值连接有限波长转换器的波长转换偶图，即输入波长λ_i可连接输出波长域[u,v]中的任一波长，其中u=max{λ₁,λ_i-d}，v=min{λ_W,λ_i+d}，d表示波长转换距离，W表示一根光纤中波长数；

（2）分别对波长转换偶图中左边、右边端点从上到下递增编号；

（3）若存在右边端点，找到编号最小的波长，转步骤(4)；若不存在连接的右端点，则波长分配完毕，丢弃未分配波长信道的光分组；

（4）将编号最小的右边端点波长分配给冲突光分组，并查看是否存在与之相连的左边端点，若不存在，则去掉该编号最小的右边端点，返回步骤(3)，若存在，转步骤(5)；

（5）查看是否存在与右边端点相连接且编号相等的左边端点，若存在，则分配该左边端点给右边端点，然后在波长转换转换偶图中去掉已分配的左、右边端点及与之相连接的线，返回步骤(3)；若不存在，转步骤(6)；

（6）查找与右边端点编号差值最大的左边端点；然后在转换偶图中去掉已分配的左边端点、右边端点及他们之间的连线。

7.根据权利要求5所述的冲突光分组波长转换分配方法，其特征在于，冲突受阻的光波长通过合波器实现M个光波长复用后，经参量波长转换器转换实现M个波长的批量转换，由光分波器实现M个光波长的解复用；有限波长转换器也通过反馈共享方式连接在光交换节点扩展输出/输入端口。

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