CN110769332B - 一种光电混合分层交换光接入系统 - Google Patents

一种光电混合分层交换光接入系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光电混合分层交换光接入网，包括自上而下的核心交换层、域内交换层、无源光分配层和边缘接入层；光电混合核心交换节点具有核心域功能和接入域功能，核心域功能位于核心交换层，接入域功能位于域内交换层，无源光分配节点位于无源光分配层，边缘接入节点及用户均位于边缘接入层；光电混合核心交换节点互连形成网格拓扑构成核心域，每个光电混合核心交换节点还连接其管辖的接入域，实现边缘接入功能；以光电混合核心交换节点为根节点，以无源光分配节点和边缘接入节点为子节点，构成树形拓扑。此种光接入网架构可实现海量多源异构数据汇聚融合、交换和统一控制，解决根节点带宽瓶颈，提高光接入网性能与效率。

Description

一种光电混合分层交换光接入系统
技术领域
本发明属于光纤通信领域，特别涉及一种光电混合分层交换光接入系统。
背景技术
移动通信、数据中心、物联网和工业互联网等场景深刻改变了接入系统产生数据的时空分布，需要依托高速大容量光接入网技术实现数据的采集、融合、传输、交换与处理，光接入网已不再局限于构建高速宽带固网接入系统。为了与现有光分配网等基础设施兼容，NG-PON2、NG-EPON等下一代光接入网标准采用TWDM-PON系统，通过扩展波长数量实现高速大容量光接入网。基于各类新型光接入网架构，可以分别实现灵活的端到端长距离接入网、极高谱效率和光网络单元间的传输通路。但是，目前光接入网不具有交换功能，以多点接入为基础的网络架构存在缺陷，使光接入网根节点需要处理并转发网内所有数据，带宽瓶颈问题突显，且将随着光接入网容量不断增大而逐渐加剧。
软件定义光接入网实现了各类异构光接入技术的统一控制，并可以在网络的不同层次实现动态资源配置与虚拟化。然而，软件定义网络(SDN)技术仅能灵活实现各类控制功能，无法弥补目前以多点接入为基础的光接入网架构不具有交换功能的缺陷。光电混合交换技术可以借助电交换设备解决缓存问题提升网络性能，但已有方案均具有各自的局限性，具有交换能力的光接入网架构需要针对应用需求进行进一步优化。因此，需要融合SDN、光电混合交换等技术，提出新型的光接入网架构，实现海量多源异构数据汇聚融合、交换和统一控制，解决根节点带宽瓶颈，提高光接入网性能与效率。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种光电混合分层交换光接入系统，其可实现海量多源异构数据汇聚融合、交换和统一控制，解决根节点带宽瓶颈，提高光接入网性能与效率。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种光电混合分层交换光接入系统，包括自上而下的核心交换层、域内交换层、无源光分配层和边缘接入层；光电混合核心交换节点具有核心域功能和接入域功能，核心域功能位于核心交换层，接入域功能位于域内交换层，无源光分配节点位于无源光分配层，边缘接入节点及用户均位于边缘接入层；光电混合核心交换节点互连形成网格拓扑构成核心域，每个光电混合核心交换节点还连接其管辖的接入域，实现边缘接入功能；以光电混合核心交换节点为根节点，以无源光分配节点和边缘接入节点为子节点，构成树形拓扑，连接层级为光电混合核心交换节点-无源光分配节点-边缘接入节点-用户。
上述用户包括但不限于电信终端设备、物联网中各类传感/执行设备、5G移动通信中的有源天线单元、边缘计算设备。
上述光电混合核心交换节点与无源光分配节点之间、无源光分配节点与边缘接入节点的数据信道分为上、下行信道，分别占用Λu、Λd波段。
在核心交换层中，光电混合核心交换节点基于电域分组交换和光交叉连接动态配置核心端口输出带宽。
在域内交换层中，光电混合核心交换节点通过边缘端口连接无源光分配节点，实现边缘接入节点间的域内交换。
在无源光分配层中，无源光分配节点分别通过汇聚、接入端口连接光电混合核心交换节点、边缘接入节点，实现边缘接入节点间的集内交换。
在边缘接入层中，每n个边缘接入节点连接1个无源光分配节点，每个边缘接入节点连接k个用户，实现用户间的簇内交换，n、k为正整数。
上述光接入系统还具有统一控制平面，统一控制平面通过控制信道与核心域内中的光电混合核心交换节点连接，并通过光电混合核心交换节点与接入域中的边缘接入节点、用户连接。
上述控制信道占用独立的λctrl波长传输控制指令。
上述光接入系统通过簇、集、域分层媒质接入控制实现分层分布式光电混合交换，其中，簇内交换指连接至同一个边缘接入节点的各个用户间的数据交换，各个用户与边缘接入节点间采用点到点连接方式，在任意时刻发送数据；集内交换指连接至同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点间的数据交换，通过集总式或分布式调度算法确定各个边缘接入节点的发送时隙或发送权限，使采用相同波长信道的各个边缘接入节点在时域复用物理层传输链路；域内交换指连接至无源光分配节点的各个边缘接入节点间通过光电混合核心交换节点的数据交换，交换过程分为上行和下行传输，上行传输实现连接至同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点至光电混合核心交换节点的多点接入，下行传输实现光电混合核心交换节点至连接同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点的广播，光电混合核心交换节点能够在任意时刻发送数据。
上述光电混合核心交换节点与边缘接入节点通过定长下行帧中的同步标识符进行时钟同步，光电混合核心交换节点根据逻辑链路标识为每个边缘接入节点划分信令传输时隙，使各边缘接入节点周期地向光电混合核心交换节点传输信令。
上述光电混合核心交换节点采用时隙密排调度算法为边缘接入节点动态分配数据传输时隙，设光电混合核心交换节点向第i个边缘接入节点发送GATE消息的时刻为
Figure GDA0003214908480000031
第i个边缘接入节点通过REPORT帧请求的时隙长度、为其分配的数据传输时隙长度分别为
Figure GDA0003214908480000032
第i个边缘接入节点数据传输时隙开始时刻为
Figure GDA0003214908480000033
当i＝2,3,…,n时，其取值分别为：
Figure GDA0003214908480000034
Figure GDA0003214908480000035
Figure GDA0003214908480000036
特别地，当i＝1时，
Figure GDA0003214908480000037
Figure GDA0003214908480000038
Figure GDA0003214908480000039
其中RTTi为第i个边缘接入节点与光电混合核心交换节点间信号传输的往返时间，
Figure GDA00032149084800000310
为第i个边缘接入节点的最小传输时隙长度。
采用上述方案后，本发明针对目前光接入网不具有交换功能，以多点接入为基础的网络架构存在缺陷，提供的光接入网可以通过“一统控制、二类分域、三种波段、四层交换”，划分簇、集、域，贯通物理层与媒质接入控制层，实现海量多源异构数据汇聚融合、分层交换、统一控制功能。
本发明具有以下有益效果：
(1)光电混合分层交换光接入系统通过核心、接入域构成mesh-tree网络架构，基于统一控制平面实现了簇、集、域的分层分布式光电混合交换，通过无源光分配节点搭建了光电混合核心交换节点与边缘接入节点间、各个边缘接入节点间的传输通路，使数据交换下沉至接入域。簇、集、域内交换分别通过边缘接入节点、无源光分配节点、光电混合核心交换节点实现。特别地，当光电混合分层交换光接入系统的集内交换与域内交换的上行传输均采用集总式调度算法时，集、域内交换可以占用相同的波长信道，共用边缘接入节点的光收发器；当光电混合分层交换光接入系统的集内交换与域内交换的上行传输分别采用分布式、集总式调度算法时，集、域内交换需要占用各自独立的波长信道，此时，在边缘接入节点中可以为两种交换独立配置光收发器，实现双媒质接入控制。
(2)统一控制平面实时接收各类请求，完成光电混合分层交换光接入系统动态控制与灵活重构；核心、接入二类分域确定了基于mesh-tree拓扑的网络架构，接入域自下而上分为簇、集、域；上、下行数据信道和控制信道基于三种波段，保证了海量多源异构数据的接入；簇、集、域及核心四层交换以及分层媒质接入控制将物理层与媒质接入控制层无缝贯通，实现了从底层用户到核心节点的分层分布式光电混合交换，降低了光接入网的根节点负载，解决了带宽瓶颈问题。
(3)在传统光接入网中，对于第k个边缘接入节点，在第N周期传输时隙结束的t1时刻至第N+1周期传输时隙开始的t2时刻的时间间隔内，会接收数据并产生新的数据帧，而该部分数据帧的缓存占用量并未通过第N周期传输时隙内发送的REPORT消息报告至光电混合核心交换节点，光电混合核心交换节点无法为其分配传输时隙，只能延后一个轮询周期，在第N+2传输周期发送，将导致较大的平均帧时延，造成“N+2”时延问题。周期信令传输机制实现了光电混合核心交换节点对边缘接入节点缓存占用量的实时获取，时隙密排调度算法实现了光电混合分层交换光接入系统上行信道的高性能媒质接入控制，具有高吞吐量低时延性能。
附图说明
图1是本发明的架构示意图；
图2是本发明中簇、集、域分层煤质接入控制示意图；
图3是本发明中采用周期信令传输实现边缘接入节点缓存占用量实时采集过程示意图；
图4是16个边缘接入节点连接至单个无源光分配节点实现的光电混合分层交换光接入系统与基于IPACT、DPP算法的传统光接入网的上行信道的吞吐量与平均帧时延的仿真结果示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
图1为本发明的光电混合分层交换光接入系统的架构示意图，包括核心交换层、域内交换层、无源光分配层、边缘接入层，由光电混合核心交换节点、无源光分配节点、边缘接入节点和用户组成，光电混合核心交换节点具有核心域功能和接入域功能，核心域功能位于核心交换层、接入域功能位于域内交换层，无源光分配节点位于无源光分配层，边缘接入节点及用户位于边缘接入层；光电混合核心交换节点通过核心端口互连形成网格(mesh)拓扑构成核心域，每个光电混合核心交换节点通过边缘端口连接其管辖的接入域，实现边缘接入功能，以光电混合核心交换节点为根节点、无源光分配节点和边缘接入节点为子节点，构成树(tree)形拓扑；核心域、接入域构成mesh-tree网络架构，实现各个网络节点以及用户间的互连与数据交换。
并且，在所述光电混合分层交换光接入系统中，连接至同一个无源光分配节点的所有用户为一个簇，连接至同一个无源光分配节点的n个边缘接入节点及其连接的用户为一个集，连接至同一个光电混合核心交换节点的m个无源光分配节点与mn个边缘接入节点及其连接的用户为一个域，m、n为正整数；特别地，光电混合分层交换光接入系统的用户包括但不限于电信终端设备、物联网中各类传感/执行设备、5G移动通信中的有源天线单元、边缘计算设备等。
并且，在所述光电混合分层交换光接入系统中，数据信道分为上、下行信道，分别占用Λu、Λd波段，控制信道占用独立的λctrl波长传输控制信令，与数据信道共享物理层传输链路。
并且，在所述光电混合分层交换光接入系统的核心交换层中，光电混合核心交换节点基于电域分组交换和光交叉连接动态配置核心端口输出带宽，实现核心交换功能。在域内交换层中，光电混合核心交换节点通过边缘端口连接无源光分配节点，实现边缘接入节点间的域内交换。在无源光分配层中，m个无源光分配节点分别通过汇聚、接入端口连接光电混合核心交换节点、边缘接入节点，搭建光电混合核心交换节点与边缘接入节点间、各个边缘接入节点间的传输通路，实现边缘接入节点间的集内交换。边缘接入层中，每n个边缘接入节点连接1个无源光分配节点，每个边缘接入节点连接k个用户实现用户间的簇内交换，k为正整数；各类用户数据由边缘接入节点汇聚后生成具有统一数据格式的帧，实现海量多源异构数据汇聚融合功能。
并且，所述光电混合分层交换光接入系统具有统一控制平面，通过控制信道与核心域中的光电混合核心交换节点连接，并通过光电混合核心交换节点与接入域中的边缘接入节点、用户连接，实时接收网络节点请求，获取流量统计、相邻节点和链路状态等信息，完成对光电混合分层交换光接入系统的动态控制与灵活重构。
进一步地，参照图2，光电混合分层交换光接入系统通过簇、集、域分层媒质接入控制实现分层分布式光电混合交换。具体地，簇内交换指连接至同一个边缘接入节点的各个用户间的数据交换，各个用户与边缘接入节点间采用点到点连接方式，可以在任意时刻发送数据。集内交换指连接至同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点间的数据交换，由于无源光分配节点搭建了边缘接入节点间的传输通路，连接至同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点间通过无源光分配节点实现多点到多点连接，此时，需要通过具体的调度算法确定各个边缘接入节点的发送时隙或发送权限以避免数据冲突，使采用相同波长信道的各个边缘接入节点在时域复用物理层传输链路；集内交换采用的调度算法可以分为集总式和分布式，采用集总式调度算法时，可以通过统一控制平面为每个边缘接入节点分配传输时隙，而分布式调度算法可以分为竞争式和轮询式，典型的调度算法为CSMA/CD和令牌环。域内交换指连接至无源光分配节点的各个边缘接入节点间通过光电混合核心交换节点的数据交换，交换过程分为上行和下行传输，上行传输实现连接至同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点至光电混合核心交换节点的多点接入，一般采用集总式调度算法为每个边缘接入节点分配传输时隙实现媒质接入控制功能；下行传输实现光电混合核心交换节点至连接同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点的广播，光电混合核心交换节点可以在任意时刻发送数据。
进一步地，参照图3，光电混合核心交换节点与边缘接入节点通过定长下行帧中的同步标识符进行时钟同步，光电混合分层交换光接入系统具有全局时钟。光电混合核心交换节点根据逻辑链路标识为每个边缘接入节点划分信令传输时隙，使各边缘接入节点周期地向光电混合核心交换节点传输信令，实现周期信令传输机制。基于周期信令传输机制，各个边缘接入节点在本节点的信令传输时隙内通过控制信道向光电混合核心交换节点发送REPORT帧，周期地报告本节点缓存占用量，使各个边缘接入节点发送的REPORT帧连续到达光电混合核心交换节点，完成边缘接入节点缓存占用量实时采集。图3中的信令传输周期
Figure GDA0003214908480000071
其中，n为边缘接入节点数量，Tsig为信令传输时隙长度，Tg为保护时隙长度。第i(i＝1,2,…,n)个边缘接入节点的传输时隙的开始时刻为
Figure GDA0003214908480000072
Figure GDA0003214908480000073
a为正整数。特别地，当某边缘接入节点在数据传输时隙内，或缓存占用量与上一信令传输周期相比未发生变化时，该边缘接入节点在信令传输时隙内不发送REPORT帧(图3中采用虚线表示)。
更进一步，光电混合核心交换节点采用时隙密排调度算法为边缘接入节点动态分配数据传输时隙。具体地，在所述时隙密排调度算法中，设光电混合核心交换节点向第i个边缘接入节点发送GATE消息的时刻为
Figure GDA0003214908480000074
第i个边缘接入节点通过REPORT帧请求的时隙长度、为其分配的数据传输时隙长度分别为
Figure GDA0003214908480000075
Figure GDA0003214908480000076
第i个边缘接入节点数据传输时隙开始时刻为
Figure GDA0003214908480000077
当i＝2,3,…,n时，其取值分别为：
Figure GDA0003214908480000078
Figure GDA0003214908480000079
Figure GDA00032149084800000710
特别地，当i＝1时，
Figure GDA0003214908480000081
Figure GDA0003214908480000082
Figure GDA0003214908480000083
其中RTTi为第i个边缘接入节点与光电混合核心交换节点间信号传输的往返时间，
Figure GDA0003214908480000084
为第i个边缘接入节点的最小传输时隙长度。
再进一步，图4给出16个边缘接入节点连接至单个无源光分配节点实现的光电混合分层交换光接入系统与基于IPACT、DPP算法的传统光接入网的上行信道的吞吐量与平均帧时延的仿真结果。仿真采用相同的流量模型，传输距离为20km，对比分析得知，网络负载等于1.3时(高负载)，前者的吞吐量比后者的分别提高了8.0％、10.6％，网络负载等于0.24时(低负载)，前者的平均帧时延分别为后者的31.8％和28.1％。说明基于周期信令传输机制与时隙密排调度算法的光电混合分层交换光接入系统实现了上行信道高吞吐量、低时延性能。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光电混合分层交换光接入系统，其特征在于：包括自上而下的核心交换层、域内交换层、无源光分配层和边缘接入层；光电混合核心交换节点具有核心域功能和接入域功能，核心域功能位于核心交换层，接入域功能位于域内交换层，无源光分配节点位于无源光分配层，边缘接入节点及用户均位于边缘接入层；光电混合核心交换节点互连形成网格拓扑构成核心域，每个光电混合核心交换节点还连接其管辖的接入域，实现边缘接入功能；以光电混合核心交换节点为根节点，以无源光分配节点和边缘接入节点为子节点，构成树形拓扑，连接层级为光电混合核心交换节点-无源光分配节点-边缘接入节点-用户；
在域内交换层中，光电混合核心交换节点通过边缘端口连接无源光分配节点，实现边缘接入节点间的域内交换；在无源光分配层中，无源光分配节点分别通过汇聚、接入端口连接光电混合核心交换节点、边缘接入节点，实现边缘接入节点间的集内交换；在边缘接入层中，每n个边缘接入节点连接1个无源光分配节点，每个边缘接入节点连接k个用户，实现用户间的簇内交换，n、k为正整数。
2.如权利要求1所述的光电混合分层交换光接入系统，其特征在于：所述光电混合核心交换节点与无源光分配节点之间、无源光分配节点与边缘接入节点的数据信道分为上、下行信道，分别占用Λu、Λd波段。
3.如权利要求1所述的光电混合分层交换光接入系统，其特征在于：在核心交换层中，光电混合核心交换节点基于电域分组交换和光交叉连接动态配置核心端口输出带宽。
4.如权利要求1所述的光电混合分层交换光接入系统，其特征在于：所述光接入网还具有统一控制平面，统一控制平面通过控制信道与核心域内中的光电混合核心交换节点连接，并通过光电混合核心交换节点与接入域中的边缘接入节点、用户连接。
5.如权利要求1所述的光电混合分层交换光接入系统，其特征在于：所述光接入网通过簇、集、域分层媒质接入控制实现分层分布式光电混合交换，其中，簇内交换指连接至同一个边缘接入节点的各个用户间的数据交换，各个用户与边缘接入节点间采用点到点连接方式，在任意时刻发送数据；集内交换指连接至同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点间的数据交换，通过集总式或分布式调度算法确定各个边缘接入节点的发送时隙或发送权限，使采用相同波长信道的各个边缘接入节点在时域复用物理层传输链路；域内交换指连接至无源光分配节点的各个边缘接入节点间通过光电混合核心交换节点的数据交换，交换过程分为上行和下行传输，上行传输实现连接至同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点至光电混合核心交换节点的多点接入，下行传输实现光电混合核心交换节点至连接同一个无源光分配节点的各个边缘接入节点的广播，光电混合核心交换节点能够在任意时刻发送数据。
6.如权利要求1所述的光电混合分层交换光接入系统，其特征在于：所述光电混合核心交换节点与边缘接入节点通过定长下行帧中的同步标识符进行时钟同步，光电混合核心交换节点根据逻辑链路标识为每个边缘接入节点划分信令传输时隙，使各边缘接入节点周期地向光电混合核心交换节点传输信令。
7.如权利要求6所述的光电混合分层交换光接入系统，其特征在于：所述光电混合核心交换节点采用时隙密排调度算法为边缘接入节点动态分配数据传输时隙，设光电混合核心交换节点向第i个边缘接入节点发送GATE消息的时刻为
Figure FDA0003214908470000021
第i个边缘接入节点通过REPORT帧请求的时隙长度、为其分配的数据传输时隙长度分别为
Figure FDA0003214908470000022
第i个边缘接入节点数据传输时隙开始时刻为
Figure FDA0003214908470000023
当i＝2,3,…,n时，其取值分别为：
Figure FDA0003214908470000024
Figure FDA0003214908470000025
Figure FDA0003214908470000026
特别地，当i＝1时，
Figure FDA0003214908470000027
Figure FDA0003214908470000028
Figure FDA0003214908470000029
其中，RTTi为第i个边缘接入节点与光电混合核心交换节点间信号传输的往返时间，
Figure FDA00032149084700000210
为第i个边缘接入节点的最小传输时隙长度，Tg为保护时隙长度。
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