CN102740177A - 一种无阻塞可拓展多级光开关阵列及其工作方法 - Google Patents

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本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种无阻塞可拓展多级光开关阵列及其工作方法。所述多级光开关阵列具有kN个输入端和kN个输出端，包括一个具有kN个输入端和kN个输出端的分组网络和一个由k个N×N的无阻塞交换单元A组成的交换网络，所述分组网络的kN个输出端被均分为k组输出组，可使其任一被选输入端连接到任意一组输出组的输出端上；每一输出组上的N个输出端与一个所述的交换单元A上的N个输入端依次连接。本发明的优点是提出一种新的网络拓扑结构，该结构结合了单级交换网络在控制上简单的特点和多级交换网络成本便宜和硬件复杂度低的优势，提出一种融合的拓扑结构，可根据当前网络的繁忙程度选择从N×N结构灵活地拓展到kN×kN结构，交换控制简单且具有严格的无阻塞特性。

Description

一种无阻塞可拓展多级光开关阵列及其工作方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种无阻塞可拓展多级光开关阵列及其工作方法。
背景技术
光通信技术自20世纪诞生以来，得到了很大的发展。目前，光网络中链路上的传送能力已经超过Tbit/s级，而节点处理能力大多为Gbit/s级。因此，现阶段光网络的主要带宽瓶颈是节点处的光/电/光过程中的电子处理能力限制。为了解决这一问题，提出了节点处光域处理信号的光交叉连接(OXC)。光交叉连接具有多个标准的光接口，可将任一输入端的光纤(或其中的某个波长信号)可控地连接到输出端的任一光纤(或其中某个波长)中去，且整个过程完全在光域中实现。按照功能和内部结构，OXC可以分为光纤交叉连接(FXC)，波长选择交叉连接(WSXC)和波长交换交叉连接(WIXC)三类。
光交换矩阵是光交叉连接中实现光交换和端口映射的关键部件。光交换矩阵通过将光互连链路和光开关按照一定的互连拓扑结构进行组合，可以实现将输入端口的光信号可控传送到指定的输出端口。光交换矩阵的实现可以根据需要采用不同类型的方案，一般应考虑以下因素：插入损耗、信噪比、阻塞特性和可扩展性等。除此之外，还必须考虑光交换矩阵中光开关的规模（数量）：光交换矩阵中所需的光开关越多，不仅会造成光交叉连接总体结构的复杂度增加，同时总的插入损耗也越高。因此，在满足光交叉连接端口性能的前提下应尽可能减少光交换矩阵中光开关的数量。
目前已经提出的光交叉连接中光交换矩阵结构有：Crossbar型、Benes型、扩展Benes型和双层结构等。从光交叉连接的阻塞率性能而言可分为三类：
完全无阻塞：无路径冲突，即不存在两路光信号同时占用同一个互连链路的情况。可同时实现任意输入端口到任意输出端口的互连通信。这种网络可以实现无阻塞无延时的交换，如Crossbar型。
低阻塞：存在低阻塞率的路径冲突，这种结构一般用于网络交换发生较低的地方，当网络交换发生频繁时易出现阻塞。
可重构无阻塞网络：通过开关节点对路由重新设置，实现无阻塞互连通信。这种情况下输入端口和输出端口间的光通道改变时，为了避免阻塞，需要重新配置当前交换矩阵中的光通道，完成无阻塞但有延时的交换。
从光交换矩阵实现方案角度，可以分为单级交换网络和多级交换网络。
典型的单级交换网络是Crossbar交换网络，这是一种纵横交叉结构的交换网络，每个纵横交叉点都有一个开关节点，可独立控制任一输入端口到任一输出端口的交换通信。Crossbar交换网络是完全无阻塞网络；整个交换网络系统仅包含一级光互连网络；其缺点是开关节点多、开销大，对输入、输出通道数为N×N交换网络，节点数为N×N。优点是拓展控制简单，不需要复杂的路由算法。
多级交换网络是由多个交换级串联组成。互连网络中，小规模的交叉连接节点一般采用交叉节点按照crossbar结构构建。包括Clos网络、Benes网络、Waksman网络、Banyan网络等都是多级互连网络结构，其中Benes网络是Clos网络中交换单元均为2×2交换结构的特例，而Waksman网络则对对Benes网络中交换单元数目进一步精简的结果。上述三种网络Benes网络、Waksman网络、Banyan网络都可以按照Clos三级网络构架进行递归扩展。
多级交换网络容易实现大规模端口数的交换，然而由于多级交换网络中交换级数较多，因此寻址控制系统较复杂。除了成本和阻塞特性以外，网络级数也是评价多级互连网络其性能的一个重要参数。多级互连网络的级数越高，连接建立以及信号传输的时延越大，信号在传输过程中的损耗以及干扰越严重，连接的可靠性越差。
发明内容
本发明实施例的目的是针对现有光交换矩阵所存在的问题，提出一种阻塞可拓展多级光开关阵列及其工作方法，主要涉及一种新的基于两级交换结构地多级光开关阵列结构：其中第一级为可配置交换分组结构，第二级为无阻塞交换结构。通过对交换分组结构的配置，可以实现N×N到kN×kN的灵活拓展，从而完成光纤线路中节点光交叉连接矩阵的交换能力的动态重配置和升级。
为了达到上述发明目的，本发明首先提出的一种阻塞可拓展多级光开关阵列，其是通过以下技术方案实现的:
一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，具有kN个输入端和kN个输出端，其特征在于：其包括一个具有kN个输入端和kN个输出端的分组网络和一个由k个N×N的无阻塞交换单元A组成的交换网络，所述分组网络的kN个输出端被均分为k组输出组，可使其任一被选输入端连接到任意一组输出组的输出端上；每一输出组上的N个输出端与一个所述的交换单元A上的N个输入端依次连接；
所述k和N分别为大于1的自然数。
所述分组网络由（k-1）个N×N的无阻塞交换单元C和N个k×k的无阻塞交换单元B构成，其中，
所述交换单元B的k个输入端中，其第一输入端形成所述分组网络的一个输入端，另外（k-1）个输入端依序连接到每个交换单元C的一个输出端上；所述交换单元B的k个输出端依序连接到每个交换单元A上的一个输入端上；
每个所述交换单元C的输入端均作为所述分组网络的输入端，由此，所有交换单元B的第一输入端依序形成所述kN个输入端中第1至第N输入端，所有交换单元C的（k-1）N个输入端构成所述kN个输入端中第N+1至第kN输入端。
另外，本发明提供一种无阻塞可拓展多级光开关阵列的工作方法，其是通过以下技术方案实现的：
一种无阻塞可拓展多级光开关阵列的工作方法，其特征在于：该方法涉及上述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，该多级光开关阵列的输入及输出链路数为变量M，该方法具有如下步骤：
对于所述交换单元C进行编号，记为C1至Ck-1，并将编号为Cj的交换开关的输入端作为所述kN个输入端中第jN+1至第（j+1）N输入端；
对于所述交换单元A进行编号，记为A1至Ak，并将编号为Ah的交换开关的输入端作为所述kN个输出端中第（h-1）N+1至第hN输出端；
基于当前M的值，根据iN≥M＞（i-1）N公式计算i的值，以及根据i的值决定所述多级光开关阵列的连接结构；
若i=1时，关闭全部的所述交换单元C，以及启用所述交换单元A1，其余交换单元A关闭；
若i＞1时，启动交换单元C1至Ci-1，其余交换单元C关闭；启动交换单元A1至Ai，其余交换单元A关闭；
所述M、j、h、i均为自然数，且k-1≥j≥1、k≥h≥1、0＜i≤k。
对于以上所提供的一种阻塞可拓展多级光开关阵列以及该无阻塞可拓展多级光开关阵列的工作方法的技术方案，进一步优选的：
所述交换单元A、交换单元B和交换单元C均为Crossbar型交换矩阵。
所述K＜10。
更进一步优选的所述K=2，也就是交换单元B为2×2的Crossbar型小型光开关。
以上技术方案中所使用的术语“无阻塞”，在此特定义为：交换单元的任一被选输入端可连接到其任意一个输出端上，从而实现交换功能。
本发明的优点是提出一种新的网络拓扑结构，该结构结合了单级交换网络在控制上简单的特点和多级交换网络成本便宜和硬件复杂度低的优势，提出一种融合的拓扑结构，可根据当前网络的繁忙程度选择从N×N结构灵活地拓展到kN×kN结构，交换控制简单且具有严格的无阻塞特性。
附图说明
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明原理示意图；
图2为本发明进一步的原理示意图；
图3为本发明实施例1的原理示意图；
图4为本发明实施例2的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-4所示，标号分别表示：
分组网络D；
交换单元A：A1、A2…Ak；
交换单元B：B1、B2…BN；
交换单元C：C1、C2…Ck-1。
本发明提出的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，总体的设计思路如下：多级光开关阵列基于两级交换结构设计，其中第一级为可配置交换分组结构，第二级为无阻塞交换结构,通过对交换分组结构的配置，可以实现N×N到kN×kN的灵活拓展，从而完成光纤线路中节点光交叉连接矩阵的交换能力的动态重配置和升级。
参见图1，多级光开关阵列的第一级为具有kN个输入端和kN个输出端的分组网络D，第二级由k个N×N的无阻塞交换单元A组成。所述分组网络D的kN个输出端被均分为k组输出组，每组输出组的端口数为N。分组网络D用于实现其kN个输入端中任一被选输入端连接到任意一组输出组的输出端上。各输出组上的N个输出端与一个所述交换单元A上的N个输入端依次连接，交换单元A实现各组内的无阻塞交换。
在上述多级光开关阵列工作时，首先根据被选输入端判断其对应被选输出端属于哪个交换单元A（设定为交换单元Ah），然后分组网络D将其分配到对应交换单元Ah的输出组中，交换单元Ah将其分配到对应的被选输出端即可完成整个多级光开关阵列的无阻塞交换。由上述原理可知，分组网络D不要求具备全排列的能力，甚至不要求具备全连通性。
上述多级光开关阵列的输出端口数等于k个交换单元A所有的输出端口（共kN个），输入端口即为分组网络D的输入端口，也就是说具有kN个输入端和kN个输出端，并实现kN个输入端和kN个输出端之间的全排列。
以上所述k和N分别大于1的自然数。
进一步的，分组网络D的具体结构可由（k-1）个N×N的无阻塞交换单元C和N个k×k的无阻塞交换单元B构成。
参加图2，所述交换单元B的k个输入端中，其第一输入端形成所述分组网络D的一个输入端，另外（k-1）个输入端依序连接到每个交换单元C的一个输出端上；所述交换单元B的k个输出端依序连接到每个交换单元A上的一个输入端上。
每个所述交换单元C的输入端均作为所述分组网络D的输入端，由此，所有交换单元B的第一输入端依序形成所述kN个输入端中第1至第N输入端，所有交换单元C的（k-1）N个输入端构成所述kN个输入端中第N+1至第kN输入端。
上述交换单元A、交换单元B和交换单元C均采用Crossbar型交换矩阵。
结合上述多级光开关阵列的结构，设定多级光开关阵列的输入及输出链路数为一个变量M，以下将结合不同数值的M对于多级光开关阵列工作方法和工作原理进行详细描述：
首先对于所述交换单元C进行编号，记为C1、C2…Ck-1,并将编号为Cj的交换开关的输入端作为所述kN个输入端中第jN+1至第（j+1）N输入端。
j为自然数，且k-1≥j≥1。
另外，对于所述交换单元A进行编号，记为A1、A2…Ak，并将编号为Ah的交换开关的输入端作为所述kN个输出端中第（h-1）N+1至第hN输出端。
h为自然数，且k≥h≥1。
输入及输出链路均应依序接入多级光开关阵列的输入和输出端上。
基于当前M的值，根据iN≥M＞（i-1）N公式计算i的值（i为自然数，且0＜i≤k），以及根据i的值决定所述多级光开关阵列的连接结构：
若i=1时，换而言之M＜N，也就是输入链路只需接入分组网络D的1-N输入端（仅接入交换单元B中的第一输入端）即可满足交需求。此时关闭全部的所述交换单元C(C1、C2…Ck-1),以及启用所述交换单元A1，其余交换单元A(A2…Ak)关闭。此时交换单元B全部设置为直连方式（请参见图2中交换单元B的接入方式），此时交换网络的交换能力等同于一个N×N的交换结构。
若i=2时，换而言之2N≥M＞N，在网络交换繁忙的情况下N×N crossbar结构的交换网络已不能完成交换能力的要求，需要2N×2N的交换结构才能完成交换任务，此时启动交换单元C1，其余交换单元C关闭；启动交换单元A1至A2，其余交换单元A关闭。并重新配置多级光开关阵列中的交换单元的连接方式：
首先根据分组网络D上的1-N输入端所对应的输出端属于交换结构A1还是交换单元A2上的输出端，以及根据分组网络D上的N+1-2N输入端（也就是交换单元C1的输入端）所对应的输出端属于交换结构A1还是交换单元A2上的输出端，来确定各交换单元B的交换方式。换而言之，N个交换单元B将输入链路分成两组输出到两个交换单元A中。
之后，两个交换单元A1、A2将其各输入端交换到指定的输出端上，即完成了整个多级光开关阵列2N×2N的无阻塞交换。
进一步的，若2N不能满足交换需求时，也就是i＞2时，则启动交换单元C1至Ci-1，其余交换单元C关闭；启动交换单元A1至Ai，其余交换单元A关闭。则实现iN×iN的无阻塞交换。当i=k时，整个多级光开关阵列达到最大支持的链路数，全部交换单元均启动。
以上对于本发明的整个设计方案的结构进行详细描述，以下将提供几种具体的实施方式，来辅助本领域技术人员理解本发明的设计构思：
实施例1：
参见图3，此实施例1为一种精简的结构，在实施例1中，N=2，k=3。换而言之，交换单元A、交换单元C均为2×2的小型光开关，而交换单元B为3×3的小型光开关。其连接方式和控制原理上文中已进行详细描述，在此不再赘述。而由图3可以看出，实施例1中通过7个小型光开关（2×2和3×3规格）组成一个可从2×2扩展到6×6的多级光开关阵列。
实施例2：
参见图4，此实施例2为另一种简化的结构，在实施例2中，k=2。换而言之，交换单元B采用2×2的小型光开关。其连接方式和控制原理上文中已进行详细描述，在此不再赘述。而由图4可以看出，实施例2中基于小型光开关（2×2及N×N规格）组合成大型（2N×2N规格）无阻塞可拓展多级光开关阵列。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种多级光开关阵列中，交换单元A和交换单元C规格相同，整个开关阵列具有模块化结构。在建网初期，通过选择交换单元B的规格来决定整个开关阵列的可扩展规模，并接入现有交换规模所需要数量的交换单元A和交换单元C，以有效降低建网成本。随着业务发展的需求，只需相应地添加（或扩展）模块即可实现多级光开关阵列规模的扩展。故此提供了一种可灵活扩展性能的低建网成本的解决方案。
本发明所属领域的一般技术人员可以理解，本发明以上实施例仅为本发明的优选实施例之一，为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本发明权利要求技术方案的实施，都在本发明的保护范围内。
需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，具有kN个输入端和kN个输出端，其特征在于：其包括一个具有kN个输入端和kN个输出端的分组网络和一个由k个N×N的无阻塞交换单元A组成的交换网络，所述分组网络的kN个输出端被均分为k组输出组，可使其任一被选输入端连接到任意一组输出组的输出端上；每一输出组上的N个输出端与一个所述的交换单元A上的N个输入端依次连接；
所述k和N分别为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，其特征在于：所述分组网络由（k-1）个N×N的无阻塞交换单元C和N个k×k的无阻塞交换单元B构成，其中，
所述交换单元B的k个输入端中，其第一输入端形成所述分组网络的一个输入端，另外（k-1）个输入端依序连接到每个交换单元C的一个输出端上；所述交换单元B的k个输出端依序连接到每个交换单元A上的一个输入端上；
每个所述交换单元C的输入端均作为所述分组网络的输入端，由此，所有交换单元B的第一输入端依序形成所述kN个输入端中第1至第N输入端，所有交换单元C的（k-1）N个输入端构成所述kN个输入端中第N+1至第kN输入端。
3.根据权利要求2所述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，其特征在于：所述交换单元A、交换单元B和交换单元C均为Crossbar型交换矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，其特征在于：所述K＜10。
5.根据权利要求4所述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，其特征在于：所述K=2。
6.一种无阻塞可拓展多级光开关阵列的工作方法，其特征在于：该方法涉及如权利要求2所述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列，该多级光开关阵列的输入及输出链路数为变量M，该方法具有如下步骤：
对于所述交换单元C进行编号，记为C1至Ck-1，并将编号为Cj的交换开关的输入端作为所述kN个输入端中第jN+1至第（j+1）N输入端；
对于所述交换单元A进行编号，记为A1至Ak，并将编号为Ah的交换开关的输入端作为所述kN个输出端中第（h-1）N+1至第hN输出端；
基于当前M的值，根据iN≥M＞（i-1）N公式计算i的值，以及根据i的值决定所述多级光开关阵列的连接结构；
若i=1时，关闭全部的所述交换单元C，以及启用所述交换单元A1，其余交换单元A关闭；
若i＞1时，启动交换单元C1至Ci-1，其余交换单元C关闭；启动交换单元A1至Ai，其余交换单元A关闭；
所述M、j、h、i均为自然数，且k-1≥j≥1、k≥h≥1、0＜i≤k。
7.根据权利要求6所述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列的工作方法，其特征在于：所述交换单元A、交换单元B和交换单元C均为Crossbar型交换矩阵。
8.根据权利要求7所述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列的工作方法，其特征在于：所述K＜10。
9.根据权利要求8所述的一种无阻塞可拓展多级光开关阵列的工作方法，其特征在于：所述K=2。
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