CN118042313A - 一种光交换架构的扩容方法、光交换架构及光通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光交换架构的扩容方法、光交换网络架构及光通信装置，所述扩容方法包括：分别利用等数量的第一交换设备构成输入层和输出层，利用第二交换设备构成中间层，网络控制器和依次连接的输入层、中间层、输出层构成了光交换架构，任意一台第一交换设备和任意一台第二交换设备之间之间连接的并行光纤的数量P相同，且P为不为零的偶数；若将所述输入层和输出层的输入/输出端口总数翻至n倍，断开数量为P/n的并行光纤，将新增的交换设备通过断开的并行光纤和新增的光纤接入至所述光交换架构，得到扩容后的光交换架构。本发明针对光交换架构的平滑演进过程，提出一种可以实现无阻塞通信的、演进过程无需放弃任何已有光交换设备的光交换架构。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是指一种光交换架构的扩容方法、光交换网络架构及光通信装置。
背景技术
早期的光交换架构由数个阵列波导光栅、耦合器以及一个大规模的微机电系统模块构建而成，其中阵列波导光栅负责将线路侧的信号解复用为单个波长，再由微机电系统模块将各个波长交换至不同的输出端口，进而由耦合器将多路单波信号合波为一个波分复用信号。这种架构的好处在于其严格无阻塞的特性。然而，由于微机电系统模块只支持空间维度的交换，对于多波长的情况需要引入很大规模的微机电系统模块，不利于构建高维度的光交换架构。
波长选择开关(Wavelength Selective Switch，简称WSS)具有灵活的空间与波长维度的交换能力，对于构建光交换架构更加灵活高效，因此被大家广泛关注和使用。此类光交换架构一般是通过一个全连接光纤背板将数个1×K波长选择开关互联而成。由于波长选择开关器件相对价格较高，且M×N波长选择开关技术尚不成熟，对于高维度的光交换架构，研究人员也提出了CDpC架构和CpDC架构。针对M×N波长选择开关的高成本，CDpC架构通过减小上路/下路模块中M×N波长选择开关的规模，在不显著影响阻塞性能的前提下，有效降低系统成本；针对光交换架构的高维度，CpDC架构通过降低光交换架构光纤背板上的连接度，用小规模波长选择开关构建高维度的光交换架构。
当今较先进的光交换架构技术主要有两类：第一类是基于路由和选择的、使用1×K波长选择开关的光交换架构；第二类是基于Clos网络的、使用M×N波长选择开关的光交换架构。第一类光交换架构使用了太多的光纤，而且可扩展性低，无法构建高等级的光交换架构。基于Clos网络的光交换架构解决了上述问题，它使用的光纤数量很少，并具有很高的可扩展性。第二类光交换架构固然有较高的可扩展性，但是在其无法进行平滑演进，例如图1是一个基于Clos网络的光交换架构，其输入/输出层有4台波长选择开关，规模为6端口，中间层则有6台波长选择开关，规模为4端口。假设用户想要增加该光交换架构的端口数(假设想要增加一台输入/输出层波长选择开关)，那么就需要舍弃全部的中间层波长选择开关，并重新购置相应数量的端口数为5的波长选择开关。并且以后的每一次演进都需要更换所有的中间层波长选择开关，这是相当低效的。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有的基于Clos网络的光交换架构无法兼备支持平滑演进和无阻塞通信这两种特性，而这两种特性对于光通信网络非常重要。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光交换架构的扩容方法，所述扩容方法包括以下步骤：
分别利用等数量的R个第一交换设备构成输入层和输出层，利用H个第二交换设备构成中间层，网络控制器和依次连接的输入层、中间层、输出层构成了光交换架构，任意一台第一交换设备和任意一台第二交换设备之间连接的并行光纤的数量P相同，且P为不为零的偶数；
若将所述输入层和输出层的输入/输出端口总数翻至n倍，其中n能被P整除，断开数量为P/n的并行光纤，将新增的交换设备通过断开的并行光纤和新增的光纤接入至所述光交换架构，得到扩容后的光交换架构。
在本发明的一个实施例中，所述扩容后的光交换架构的具体获取方法包括：
定义M为每台第一交换设备的输入/输出端口数，T为每台第二交换设备的输入/输出端口数，则将满足无阻塞通信条件的所述光交换架构表示为υ(H,M,R,P,T)，所述光交换架构的输入/输出端口总数为M·R；若将所述输入/输出端口总数翻至n倍，即M·nR；
断开数量为根的并行光纤，将额外增加的数量为(n-1)·R的第一交换设备和数量为(n-1)·H的第二交换设备通过断开的并行光纤和增加的(n-1)·M根光纤接入光交换架构中，得到扩容后的光交换架构v(n·H,M,n·R,P/n,T)。
在本发明的一个实施例中，所述无阻塞通信条件的公式为：
M＝P·H
其中，M为每台第一交换设备的输入端口数，H为构成中间层的第二交换设备的数量。
在本发明的一个实施例中，所述中间层和所述输出层之间的关系满足：
R·M＝H·T
其中，M为每台第一交换设备的输入端口数，R表示构成输出层的第一交换设备的数量，H为构成中间层的所有第二交换设备的数量，T为每台第二交换设备的输入/输出端口数。
在本发明的一个实施例中，所述第一交换设备和所述第二交换设备为波长选择开关。
在本发明的一个实施例中，所述第一交换设备和所述第二交换设备为点交换机。
在本发明的一个实施例中，所述第一交换设备和所述第二交换设备为空间交换机。
基于与所述扩容方法同一发明构思，本发明还提供一种光交换架构，利用所述的光交换架构的扩容方法得到扩容后的光交换架构。
本发明还提供一种光通信装置，所述光通信装置包括所述光交换架构、光发射器和光接收器，其中所述光交换架构的一端连接所述光发射器，另一端连接所述光接收器，分别利用所述光发射器和所述光接收器发送和接收光信号，利用所述光交换架构将不同波长的光信号分配到不同的传输信道。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的光交换架构的扩容方法和光交换网络架构及光通信装置在承载单播与多播混合业务时，相比现有的基于Clos网络的光交换架构具有更优的阻塞率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是现有的基于Clos网络的光交换架构结构示意图；
图2是本发明实施例中所提供的一种光交换架构结构示意图；
图3是本发明实施例中所提供的一种输入/输出端口总数为18的光交换架构结构示意图；
图4是在图3所提供的光交换架构的基础上进行扩容，得到输入/输出端口总数为36的光交换架构结构示意图；
图5是传统光交换架构和本发明提出的光交换架构的总体阻塞性能对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
本实施例提供了一种光交换架构的扩容方法，所述扩容方法包括以下步骤：
分别利用等数量的R个第一交换设备构成输入层和输出层，利用H个第二交换设备构成中间层，网络控制器和依次连接的输入层、中间层、输出层构成了光交换架构，参照图2所示，所述输入层连接输入光纤，所述输出层连接输出光纤，任意一台第一交换设备和任意一台第二交换设备之间连接的并行光纤的数量P相同，且P为不为零的偶数；
若将所述输入层和输出层的输入/输出端口总数翻至n倍，其中n能被P整除，断开数量为P/n的并行光纤，将新增的交换设备通过断开的并行光纤和新增的光纤接入至所述光交换架构，得到扩容后的光交换架构。只要P>1成立，用户根据自身需求通过重复上述步骤扩容该网络，并且无需更换网络中的任何设备。
进一步地，所述扩容后的光交换架构的具体获取方法包括：
定义M为每台第一交换设备的输入/输出端口数，T为每台第二交换设备的输入/输出端口数，则将在承载单播与多播混合业务时，依然满足无阻塞通信条件的所述光交换架构表示为υ(H,M,R,P,T)，所述光交换架构的输入/输出端口总数为M·R；若将所述输入/输出端口总数翻至n倍，即M·nR；
断开数量为根的并行光纤，将额外增加的数量为(n-1)·R的第一交换设备和数量为(n-1)·H的第二交换设备通过断开的并行光纤和增加的(n-1)·M根光纤接入光交换架构中，得到扩容后的光交换架构v(n·H,M,n·R,P/n,T)。
其中，所述无阻塞通信条件的公式为：
M＝P·H (1)
其中，M为每台第一交换设备的输入端口数，H为构成中间层的第二交换设备的数量。上述公式(1)保证了该网络是无阻塞的，因为从交换网络的角度看，增加并行光纤的数量等价于增加中间层交换设备的数量，因此P·H代表着对于输入层交换设备而言，等效的中间层交换设备的数量，这对于输出层交换模块也成立。于是，当满足M＝P·H时，该光交换架构是无阻塞的。
在本实施例中，所述中间层和所述输出层之间的关系满足：
R·M＝H·T (2)
其中，M为每台第一交换设备的输入端口数，R表示构成输出层的第一交换设备的数量，H为构成中间层的所有第二交换设备的数量，T为每台第二交换设备的输入/输出端口数。公式(2)和公式(1)联合保证了输入层的输出端口总数和中间层的输入端口总数相等，同时保证了中间层的输出端口总数和输出层的输入端口总数相等。这样一来，光交换架构的每一个端口都能被充分利用。
在本实施例中，所述第一交换设备和所述第二交换设备为波长选择开关或点交换机或空间交换机，使得光纤通信装置根据需要在不同波长之间进行切换，实现灵活的波长路由和重配置，提高光纤通信装置的容量和灵活性。
实施例二
基于与实施例一中所述的扩容方法同一发明构思，本实施例还提供一种光交换架构，利用实施例一中所述的光交换架构的扩容方法得到扩容后的光交换架构，参照图2所示。
本实施例提供一个具体的事例来阐述本发明所提出的光交换架构的工作原理，即利用本发明提出的光交换架构和升级策略，从一个输入/输出端口总数为18的光交换架构平滑升级到36端口，即端口总数翻至2倍。
图3展示了一个18端口的光交换架构，该架构可以表示为υ(3,6,3,2,6)。根据本发明提出的平滑演进策略，用户需购买额外3个6端口的输入层波长选择开关、3个6端口的中间层波长选择开关和3个6端口的输出层波长选择开关，并购买额外的一倍光纤。接着，用户断开一半的并行光纤数目。本例中，并行光纤的数目由2减少为1。最后，用户安装新增的输入层、中间层和输出层的波长选择开关，连接光纤，构成36端口的光交换架构v(6,6,6,1,6)，如图4所示。这样一来，用户顺利增加了一倍的端口数，而不必放弃任何现有的交换设备。
为了验证本发明提出的光交换架构具有优越性，利用本发明提出的光交换架构和接近于理想的严格无阻塞的传统光交换架构设计对照试验。本发明所提出的光交换架构的参数及相关测试参数在本实验中设置如下：
1.光交换架构的主要参数为：v(H,10,5,P,5P)；
2.光交换架构支持的波长数为5；
3.任何输入/输出端口对间的负载相同；
4.共模拟106个连接请求。
图5展示了实施例的测试结果，其中，图标“严格无阻塞”表示一个理想的严格无阻塞的光交换架构的仿真结果；图标“参数P”表示控制参数H为2不变，变换参数P取得的结果；图标“参数H”表示控制参数P为2不变，变换参数H取得的结果。
首先，从结果中可以看出，“参数P”和“参数H”这两条曲线几乎完全重合。这表明，并行光纤的数量(即P)和中间层波长选择开关的数量(即H)对业务阻塞概率的影响是相同的。此外，参数P或参数H的增加显然会导致阻塞概率迅速降低。当参数P或参数H设为3时，两种情况下的阻塞概率都接近于理想的严格无阻塞的光交换架构的阻塞概率，这恰好说明利用并行光纤的数量和中间层波长选择开关的数量可以实现理想严格无阻塞的光交换架构的信号传输效率，与之前的分析结果一致。
此外，该仿真结果也表明，要达到良好的阻塞性能，如果中间层的波长选择开关的端口数有限，用户可以尝试增加中间层波长选择开关的数量；反之，如果中间层波长选择开关的端口数足够大，则可以减少中间层所需的波长选择开关数量，以便最大程度降低系统构建成本。这种光交换架构器件选择的灵活性进一步体现出了本发明的实用价值。
实施例三
本实施例还提供一种光通信装置，所述光通信装置包括实施例二中所述光交换架构、光发射器和光接收器，其中所述光交换架构的一端连接所述光发射器，另一端连接所述光接收器，分别利用所述光发射器和所述光接收器发送和接收光信号，利用所述光交换架构将不同波长的光信号分配到不同的传输信道，实现波长选择和路由，从而提高光通信装置的容量和灵活性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种光交换架构的扩容方法，其特征在于，包括：
分别利用等数量的R个第一交换设备构成输入层和输出层，利用H个第二交换设备构成中间层，网络控制器和依次连接的输入层、中间层、输出层构成了光交换架构，任意一台第一交换设备和任意一台第二交换设备之间连接的并行光纤的数量P相同，且P为不为零的偶数；
若将所述输入层和输出层的输入/输出端口总数翻至n倍，其中n能被P整除，断开数量为P/n的并行光纤，将新增的交换设备通过断开的并行光纤和新增的光纤接入至所述光交换架构，得到扩容后的光交换架构。
2.根据权利要求1所述的光交换架构的扩容方法，其特征在于：所述扩容后的光交换架构的具体获取方法包括：
定义M为每台第一交换设备的输入/输出端口数，T为每台第二交换设备的输入/输出端口数，则将满足无阻塞通信条件的所述光交换架构表示为υ(H,M,R,P,T)，所述光交换架构的输入/输出端口总数为M·R；若将所述输入/输出端口总数翻至n倍，即M·nR；
断开数量为根的并行光纤，将额外增加的数量为(n-1)·R的第一交换设备和数量为(n-1)·H的第二交换设备通过断开的并行光纤和增加的(n-1)·M根光纤接入光交换架构中，得到扩容后的光交换架构v(n·H,M,n·R,P/n,T)。
3.根据权利要求2所述的光交换架构的扩容方法，其特征在于：所述无阻塞通信条件的公式为：
M＝P·H
其中，M为每台第一交换设备的输入端口数，H为构成中间层的第二交换设备的数量。
4.根据权利要求1或2所述的光交换架构的扩容方法，其特征在于：所述中间层和所述输出层之间的关系满足：
R·M＝H·T
其中，M为每台第一交换设备的输入端口数，R表示构成输出层的第一交换设备的数量，H为构成中间层的所有第二交换设备的数量，T为每台第二交换设备的输入/输出端口数。
5.根据权利要求1所述的光交换架构的扩容方法，其特征在于：所述第一交换设备和所述第二交换设备为波长选择开关。
6.根据权利要求1所述的光交换架构的扩容方法，其特征在于：所述第一交换设备和所述第二交换设备为点交换机。
7.根据权利要求1所述的光交换架构的扩容方法，其特征在于：所述第一交换设备和所述第二交换设备为空间交换机。
8.根据权利要求1所述的光交换架构的扩容方法，其特征在于：利用所述网络控制器配置所述第一交换设备或所述第二交换设备的参数。
9.一种光交换架构，其特征在于，利用如权利要求1～8任一项所述的光交换架构的扩容方法得到扩容后的光交换架构。
10.一种光通信装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的光交换架构、光发射器和光接收器，其中所述光交换架构的一端连接所述光发射器，另一端连接所述光接收器，分别利用所述光发射器和所述光接收器发送和接收光信号，利用所述光交换架构将不同波长的光信号分配到不同的传输信道。
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