CN103795654B - 基于阵列波导光栅的无阻塞Clos交换网络设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对构建大规模阵列波导光栅（AWG）的光交换网络的可扩展性和网络的高利用率问题，公开了一种基于阵列波导光栅的无阻塞Clos交换网络设计方法，利用AWG的递归构造原理和可调谐波长变换器（TWC）的波长隔离特性，构造可递归的交换网络结构，从而触发整个交换网络在空间和波长维度的递归分解，在所有器件100％利用的情况下有效地实现了AWG的模块化、TWC转换范围的降低和小波长集在交换网络中的重复使用，使大规模波分复用（WDM）交换网络的构建成为可能。

Description

基于阵列波导光栅的无阻塞Clos交换网络设计方法

技术领域

本发明涉及光交换网络技术领域，特别是涉及一种基于阵列波导光栅（AWG）的无阻塞Clos交换网络设计方法。

背景技术

随着通信网络容量需求的指数级增长，波分复用（WavelengthDivideMultiplex，WDM）光网络由于能提供巨大的传输带宽和很好的通信质量而迅速发展起来。而在WDM光网络中，AWG和可调谐波长变换器（TWC）组合被认为是构建WDM光交换机的很有前途的备选方案。

但是，目前基于AWG的WDM光交换机仍然面临诸多问题，而其中最主要的就是可扩展性问题，其具体原因主要是以下几点：

（1）当同一个波长的输入到大于15个端口时，AWG内的信号会遭受严重的相干串扰。这个问题难以通过物理结构设计来解决。

（2）在实际应用中，TWC的价格会随着其转换范围的增加而大幅度的增长，这使得利用大转换范围的TWC构建大规模WDM交换机变得不经济。

（3）每个WDM光交换机的波长集不能过大，因为在实际的光通信网络中，频谱资源是十分宝贵的。

为了克服上述问题，目前基于AWG的WDM光交换机设计方案主要有以下几种：

第一种方案通过在一个W×W的AWG的每个输入端口分别配置一个TWC构造基于AWG的W×W的光交叉矩阵（crossbar）。这种方案中，AWG的维度和TWC的转换范围均为W，因此扩展性很差。另一方面，AWG通过其波长信道，可以在其输入输出端口之间同时提供W²条连接。而在光crossbar中，即便所有输入输出端口都满负荷时，所使用的连接数仅为W个，因此AWG的利用率只有1/W。

第二种方案采用禁止在超过15个输入端口同时使用同一个波长的交换状态。这种方法虽然抑制了相干串扰问题，但是它不仅带来额外的计算复杂度，而且也限制了AWG某些交换状态的使用，降低了AWG的利用率。

第三种方案通过只使用AWG的部分输入端口来实现零相干串扰。虽然这种方法可以实现零相干串扰，但是它同样是以降低AWG利用率为代价的。另一方面，这种方法所需要的TWC转换范围大于实际所使用的输入端口数，这就增加了交换机的额外成本。

第四种方案通过采用多个自由频谱空间（FSR）中的波长资源来避免在许多输入端口使用同一个波长的情况。这种方法的缺点在于以下两点。一方面，AWG在主FSR之外频谱范围内的物理性能很差，这会降低交换机的物理性能。另一方面，交换网络所需的TWC转换范围数倍于端口数，因此这种方案实现成本很高。

第五种方案是采用基于AWG的多级交换网络，采用许多基于AWG的交叉开关的这种结构降低了对AWG的端口数目和TWC的转换范围的要求，可以使用较少端口的AWG和较小转换范围的TWC来构建大规模的交换网络。但是这种交换结构依然以光crossbar为构建单元，因此网络中AWG的利用率仍然很低，并且其内部级与级之间的物理连接复杂度依然很高，为O(N)。

因此，基于以上原因，目前需要针对构建大规模AWG的光交换网络的可扩展性和网络的利用率问题，提供一种基于阵列波导光栅的无阻塞Clos交换网络设计方法。

发明内容

本发明的目的是针对构建大规模AWG的光交换网络的可扩展性和网络的利用率问题，提供一种基于AWG的无阻塞Clos交换网络设计方法，提高交换网络的可扩展性、获得内部器件的100%利用率。

为实现上述发明目的，本发明基于阵列波导光栅的无阻塞Clos交换网络设计方法采用如下的技术方案：

一种基于AWG的无阻塞Clos交换网络设计方法，：使用阵列波导光栅（AWG）和可调谐波长变换器（TWC）构建无阻塞Clos交换网络，通过递归分解实现AWG的模块化、TWC波长变换范围的降低、波长集在网络内重复使用，从而实现了WDM光交换网络的可扩展性和100%的利用率；

包括以下参数：

N：大型规模交换机的交换规模，即最多允许同时参与交换的波长个数；

n：为小型AWG的尺寸；

d=log_nN，

且其特征在于：

n×n的AWG：n个输入、n个输出的AWG；

n×n的TWC模块：由1×n波长解复用器、n个TWC和n×1的波长复用器构成；

n^d×n^d的WDM交换网络：该网络包含n^d-1个输入端口、n^d-1个输出端口，每个端口上包含d个波长，其功能是将某个输入端口的某个输入波长交换到某个输出端口的某个输出波长上；二级AWG网络N_IN^D-1,n：由n^d-2个n×n的AWG和n个n^d-2×1的波长复用器互联构成；二级AWG网络N₀n,n^d-1：由n个n^d-2×1的AWG和n^d-2个n×n的波长解复用器互联构成；三级网络δ_An,n^d-1,n：由n^d-1个n×n的TWC模块构成输入级,n个n^d-1×n^d-1的TWC模块构成中间级，n^d-1个n×n的TWC模块构成输出级，输入级和中间级之间由一个n^d-1×n的AWG相连，中间级和输出级之间由n×n^d-1的AWG连接；

三级网络δ_Bn,n^d-1,n：由n^d-1个n×n的TWC模块构成输入级，n个n^d-1×n^d-1的TWC模块构成中间级，n^d-1个n×n的TWC模块构成输出级，输入级和中间级之间由一个N_In^d-1,n网络相连，而中间级和输出级之间由N₀n,n^d-1网络连接；

三级网络δ_Cn,n^d-1,n：由n^d-1个n×n的TWC模块构成输入级，n个n^d-1×n^d-1的WDM交换子网构成中间级，n^d-1个n×n的TWC模块构成输出级，相邻两级之间由n^d-2个n×n的AWG连接；

包括如下步骤：

（1）对于网络δ_An,n^d-1,n，首先将n^d-1×n的AWG分解为一个二级AWG网络N_In^d-1,n，如图2所示。网络N_I的输入端口α被标记为A,α，其中α=0,1,…,n^d-1-1，A=α/n，α=[α]_n，表示第A个n×n的AWG的第α个输入端口。在N_I n^d-1,n中，与第A个n×n的AWG相关的波长集是

${\mathrm{\Λ}}_A=\{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{An}},...,{\mathrm{\λ}}_{(A+1)n-1}\}\⊆\mathrm{\Λ},$

且输入端口A,α与其第γ个输出端口通过波长λ_x∈Λ_A相连，其中

x=An+[α+γ]_n

=α/nn+[[α]_n+γ_n。

相应地将n×n^d-1的AWG分解为一个二级AWG网络N₀n,n^d-1。上述分解过程将δ_A(n,n^{d -1},n变换成为δ_Bn,n^d-1,n，如图3所示；

（2）把网络δ_Bn,n^d-1,n中，每个由一对n^d-2×1的波长复用器和一个n^d-1×n^d-1的TWC模块构成的部分替换成一个n^d-1×n^d-1的WDM交换网络，让所有的n×n的AWG工作在同一波长集合Λ₀=λ₀,…,λ_n-1上，得到三级网络δ_Cn,n^d-1,n，如图4所示。

（3）用一个δ_Cn,n^d-2,n替换δ_Cn,n^d-1,n中的每个n^d-1×n^d-1的WDM交换网络，然后再用一个δ_C(n,n^d-3,n替换δ_C(n,n^d-2,n中的每个n^d-2×n^d-2的WDM交换网络，如此递归重复，直到δ_Cn,n²,n中的每个WDM网络被替换成δ_Cn,n,n为止，最终实现一个由n×n的TWC模块和n×n的AWG构成的n^d×n^d的基于AWG的WDM交换网络，并且网络所需使用的波长集缩减为Λ₀=λ₀,…,λ_n-1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）将AWG模块化，降低了网络中TWC所需的转换范围，降低了大规模AWG交换网络的物理串扰和构造成本；

（2）AWG的模块化过程定义了网络的横向分界线，TWC模块波长变换功能定义了纵向分界线。这些分界线定义的网络小格具有波长独立性，可重复使用相同的波长集Λ₀=λ₀,…,λ_n-1，节约了通信窗口的波长资源；

（3）当所有的输入和输出波长信道都满负荷时，可以实现网络100%利用率。

附图说明

图1是三级网络δ_An,n^d-1,n示意图；

图2是由n×n的AWG和n^d-2×1的复用器组成的两级网络N_In^d-2,n示意图；

图3是三级网络δ_Bn,n^d-1,n示意图；

图4是三级网络δ_Cn,n^d-1,n示意图；

图5是一个基于AWG的三级网络δ_A2,8,2；

图6是8×2的AWG分解示意图；

图7是与δ_A2,8,2的等价的三级网络δ_B2,8,2；

图8是δ_C2,8,2划分子网络示意图；

图9是递归分解后的网络δ_C2,8,2；

图10原δ_A2,8,2网络等效分解后的网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于阵列波导光栅的无阻塞Clos交换网络设计方法，应用于具体实施例，对于如图5所示的基于AWG的三级交换网络δ_A2,2^4-1,2，设计等效的Clos交换网络包括如下步骤：

（1）首先将8×2的AWG分解为由4个2×2的AWG和两个4×1的复用器组成的两级网络N_I4,2。这样，原来8×2的AWG对应的波长集Λ=λ₀,λ₁,…,λ₇就被分解为四个子集Λ₀=λ₀,λ₁、Λ₁=λ₂,λ₃、Λ₂=λ₄,λ₅和Λ₃=λ₆,λ₇，它们依次对应四个2×2的AWG，如图6所示。

类似地，按照（1）中所述的方法将2×8的AWG也分解为等效的两级网络N₀2,4。网络δ_A2,2^4-1,2中的两个AWG被相应的N_I4,2和N₀2,4所替代，就得到三级网络δ_B2,8,2，如图7所示。

（2）把网络δ_B2,8,2中，每个由一个4×1的波长复用器、一个8×8的TWC模块和一1×4的波长解复用器构成的部分替换成一个8×8的WDM交换子网络，所有的2×2的AWG与同一波长集合相关，得到三级网络δ_C2,8,2，如图8所示。

（3）用一个δ_C2,4,2替换δ_C2,8,2中的每个8×8的WDM交换子网络，如图7所示。然后再用一个δ_C2,2,2替换δ_C2,4,2中的每个4×4的WDM交换子网络，最终实现一个由2×2的TWC模块和2×2的AWG构成的16×16的基于AWG的WDM交换网络，并且网络所需使用的波长集缩减为Λ₀=λ₀,λ₁，如图10所示。

本实施例将AWG模块化，使用较少端口的2×2的AWG和2×2的TWC的构建大规模的基于AWG的WDM光交换网络，降低了网络中TWC所需的转换范围，减少了大规模AWG交换网络的物理串扰和构造成本。同时，AWG的模块化过程定义了网络的横向分界线，TWC模块波长变换功能定义了纵向分界线。这些分界线定义的网络小格具有波长独立性，可重复使用相同的波长集Λ₀=λ₀,λ₂。从而，整个网络所需的波长集合从δ_A2,2^4-1,2网络所关联的Λ=λ₀,λ₁,…,λ₇降到了Λ₀=λ₀,λ₂。另外，当所有的输入和输出波长信道都满负荷时，网络可以实现100%的利用率。

Claims (3)

1.一种基于阵列波导光栅的无阻塞Clos交换网络设计方法，包括以下参数：

N：大型规模交换机的交换规模，即最多允许同时参与交换的波长个数；

n：为小型阵列波导光栅AWG的尺寸；

d＝log_n N，

其特征在于：

n×n的AWG：n个输入、n个输出的AWG；

n×n的可调谐波长变换器TWC模块：由1×n波长解复用器、n个TWC和n×1的波长复用器构成；

n^d×n^d的波分复用WDM交换网络：该网络包含n^d-1个输入端口、n^d-1个输出端口，每个端口上包含d个波长；

二级AWG网络由n^d-2个n×n的AWG和n个n^d-2×1的波长复用器互联构成；二级AWG网络由n个n^d-2×1的AWG和n^d-2个n×n的波长解复用器互联构成；三级网络由n^d-1个n×n的TWC模块构成输入级，n个n^d-1×n^d-1的TWC模块构成中间级，n^d-1个n×n的TWC模块构成输出级，输入级和中间级之间由一个n^d-1×n的AWG相连，中间级和输出级之间由n×n^d-1的AWG连接；

三级网络由n^d-1个n×n的TWC模块构成输入级，n个n^d-1×n^d-1的TWC模块构成中间级，n^d-1个n×n的TWC模块构成输出级，输入级和中间级之间由一个网络相连，中间级和输出级之间由网络连接；

三级网络由n^d-1个n×n的TWC模块构成输入级，n个n^d-1×n^d-1的WDM交换子网构成中间级，n^d-1个n×n的TWC模块构成输出级，相邻两级之间由n^d-2个n×n的AWG连接；

该方法具体包括如下步骤：

步骤1、将三级网络变换成为三级网络

将网络中n^d-1×n的AWG分解为一个二级AWG网络将n×n^d-1的AWG分解为一个二级AWG网络

步骤2、把三级网络变换成三级网络

将网络中每个由一个n^d-2×1的波长复用器、一个n^d-1×n^d-1的TWC模块和一个1×n^d-2的波长解复用器构成的部分替换成一个n^d-1×n^d-1的WDM交换网络，使所有n×n的AWG工作在同一波长集合Λ₀＝{λ₀,…,λ_n-1}上；

步骤3、将用一个替换中的每个n^d-1×n^d-1的WDM交换网络，然后再用一个替换中的每个n^d-2×n^d-2的WDM交换网络，如此递归重复，直到中的每个WDM网络被替换成为止。

2.如权利要求1所述的一种基于AWG的无阻塞Clos交换网络设计方法，其特征在于：将中的n^d-1×n的AWG分解为两级AWG网络，并在此基础上进行递归分解，直至将交换网络分解为由n×n的TWC模块和n×n的AWG构成的网络。

3.如权利要求1所述的一种基于AWG的无阻塞Clos交换网络设计方法，其特征在于：所述的将网络中n^d-1×n的AWG分解为一个二级AWG网络具体包括：将网络的输入端口α标记为(A,a)，其中α＝0,1,…,n^d-1-1，a＝[α]_n，表示第A个n×n的AWG的第a个输入端口；在中，与第A个n×n的AWG相关的波长集是

${\mathrm{\Λ}}_A=\{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{An}},...,{\mathrm{\λ}}_{(A+1)n-1}\}\⊆\mathrm{\Λ},$

且输入端口(A,a)与其第γ个输出端口通过波长λ_x∈Λ_A相连，其中