CN1283058C

CN1283058C - 基于可调波长变换器共享的光包交换节点结构

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Publication number: CN1283058C
Application number: CNB2003101083145A
Authority: CN
Inventors: 杨俊杰; 曾庆济; 叶通; 祝国龙; 张治中
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: CN1540907A

Abstract

一种基于可调波长变换器共享的光包交换节点结构，由多个波分解复用器、分路器、无源耦合器、SOA光门、可调波长变换器、光纤延时线组成，并使用能被各个输入信道所共享的一组反馈式光纤延时线和一组反馈式可调波长变换器来解决光分组竞争问题，各光纤延时线的排列采用简并方式，反馈式可调波长变换器可用于为发生竞争的光分组选择目标输出端口中的空闲波长进行输出，也可为发生竞争的光分组选择各光纤延时线中的空闲波长进行缓存。本发明只要使用少量的光纤延时线和可调变换波长器便能获得很好的丢包性能，既减小了节点开销又使得结构紧凑，控制简单，通过使某些输入光分组优先使用可调波长变换器和小缓存的光纤延时线还可以实现优先级交换。

Description

基于可调波长变换器共享的光包交换节点结构

技术领域：

本发明涉及一种基于可调波长变换器共享的光包交换节点结构，适用于固定时隙光包交换网络，属于光通信技术中的光子系统领域。

背景技术：

随着社会的发展和科技的进步，人们对宽带视频、多媒体业务、基于IP的实时/准实时业务等新兴宽带数据业务的需求不断增长。这些需求对通信网络的传输带宽和交换容量提出了前所未有的要求，高速全光通信网络已成为通信网络的发展趋势。在众多的网络技术实现方案中，基于光纤的波分复用(WDM)全光网络方案能提供高速、大容量的传输及交换能力、良好的透明性、兼容性和可扩展性，可以在今后很长的时间内适应高速宽带业务的带宽需求，成为下一代高速甚至超高速宽带网络的首选。

目前，基于光纤交叉连接(OXC)和光分插复用(OADM)设备的波长路由光网络是透明光网络的一种解决方案，它以整个波长为交换单位，适用于骨干网络中。波长路由光网络能很好地解决电子瓶颈限制的问题，但由于其交换粒度过大，因而与电层小粒度业务之间不能很好地匹配。由于电的分组交换技术在提高网络带宽利用率方面的显著成效，近些年来，在光交换领域也出现了光包交换技术。光包交换以光分组作为交换单位，每个光分组由若干个电层的IP包组成。光包交换同样具有交换速度快和对速率、数据格式透明等特点。同时，它的交换粒度小，能与电层粒度很好地匹配起来，充分利用带宽资源。因此，光包交换技术被普遍认为是将来光交换技术的发展方向。

目前已经有很多人提出了光包交换网络节点的结构，这些节点结构通常由波分复用/解复用器、光开关矩阵、光纤延时线(FDL)、可调波长变换器(TWC)等组成。光包交换网络节点的关键技术在于降低光分组的丢失率，降低网络节点的阻塞概率，也就是对光分组竞争问题的解决。在电分组交换节点中，分组竞争通常由电缓存来解决。在光包交换节点中，由于光随机访问存储器件(ORAM)还处于研究阶段，常用的解决竞争的方法是使用光纤延时线，即利用光在光纤中的传播时延，根据延时的需要，选择特定长度的光纤延时线。另一种方法是使用可调波长变换器，把发生竞争的光分组对应的波长变换到目的输出端口的空闲波长上进行输出。有的结构也同时使用到光纤延时线和可调波长变换器，但是一般都采用前馈式，即每根光纤延时线和每个可调波长变换器的输出接到下一级交换结构的输入端，所以当竞争发生时，光分组在从输出端口输出之前，只能使用这些设备一次。上述的结构不能很好地对光纤延时线和可调波长变换器进行统计复用，所以需要大量的光纤延时线和可调波长变换器。这不仅增加了节点的开销，也使得节点结构非常庞大。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于可调波长变换器共享的光包交换节点结构，它能大大减少所使用的光纤延时线和可调波长变换器的数量，简化节点规模，并能获得很好的丢包性能。

为实现这样的目的，本发明在光包交换节点中采用了多个波分解复用器、分路器、无源耦合器、半导体光放大器(SOA)光门、可调波长变换器、光纤延时线等。节点的各输入端口连接输入光纤，各输出端口连接输出光纤。除输入端口和输出端口外，本发明的节点结构还使用一组反馈式光纤延时线、一组反馈式可调波长变换器来解决光分组竞争问题。光纤延时线和可调波长变换器的输入端口与节点输出端口同侧，统称为竞争解决输入端口，而光纤延时线和可调波长变换器的输出端口与节点输入端口同侧，统称为竞争解决输出端口。

在节点的每个输入端口，每根输入光纤经一个波分解复用器分路后，各路光纤再分别与一个分路器相连。每个分路器后再接一组SOA光门，每组SOA光门的数目等于节点输出端口数与竞争解决输入端口数的总和，通过这些SOA光门把分路器连接到所有的节点输出端口和竞争解决输入端口。在节点的每个输出端口，每根输出光纤之前接一个无源耦合器。在每个可调波长变换器输入端口有一个无源耦合器，耦合器之后接一个可调波长变换器，可调波长变换器之后接一个分路器。分路器再与一组SOA光门相连，第一个SOA光门通过光纤直接连接到对应的可调波长变换器输出端口，其它的SOA光门与一组被所有可调波长变换器共享的无源耦合器一一对应相连，每个无源耦合器再通过特定长度的光纤延时线接到对应的光纤延时线输出端口。在每个可调波长变换器输出端口，输出光纤经一个分路器分路后，各路光纤再与一个SOA光门相连，每个SOA光门再各自通过光纤连接到对应的节点输出端口。在每个光纤延时线输入端口有一个无源耦合器，耦合器之后再接上述被所有可调波长变换器共享的无源耦合器组中对应的一个无源耦合器，然后通过特定长度的光纤延时线再接到对应的光纤延时线输出端口。在每个光纤延时线输出端口，输出光纤经一个波分解复用器分路后，每路光纤各接一个分路器，分路器后再接一组SOA光门，每组SOA光门再分别连接到各个节点输出端口和各个竞争解决输入端口。上面提到的各器件之间的连接均使用光纤。

在本发明的节点结构中，反馈式的光纤延时线组中的每根光纤延时线可以同时使用多个波长来缓存光分组，且各光纤延时线的排列采用简并的(degenerate)方式，即，第一根光纤延时线中各波长可以存储一个时隙的光分组，第二根光纤延时线中各波长可以存储两个时隙的光包，依此类推。反馈式的可调波长变换器有两种功能。一方面，它可以用于为发生竞争的光分组选择目标输出端口中的空闲波长进行输出；另一方面，它也可以为发生竞争的光分组选择各光纤延时线中的空闲波长进行缓存。

在波分复用(WDM)光包交换中，多个光分组承载于不同的波长上，然后复用在一起进行传送，所以当输入分组从输入光纤到达某输入端口后，先由波分解复用器解复用出单个光分组，每个光分组经一个分路器分成多路信号，再根据光分组的目的地址，接通相应的SOA光门就可以把光分组交换到目的输出端口。

如果目的输出端口中，光分组对应的光波长空闲，则把光分组直接交换到目的输出端口中。如果目的输出端口中对应的光波长被占用，则可以使用以下方法解决冲突：

●如果目的输出端口有空闲波长，而且存在空闲的反馈式可调波长变换器，则可以把输入光分组交换到某空闲的可调波长变换器输入端口，通过该可调波长变换器把输入光分组的波长变换到某一空闲波长，然后接通与该可调波长变换器相连的对应的SOA光门，把输入光包对应的新波长交换到目的输出端口。

●如果不同时存在上述的输出端口空闲波长和空闲的可调波长变换器，则可以通过光纤延时线对光分组进行缓存。由于本结构所使用的光纤延时线是简并式，为了使缓存时间尽量小，先查找第一根光纤延时线。如果第一根光纤延时线中与输入光分组对应的波长空闲，则可以接通相应的SOA光门，把光分组直接交换到该光纤延时线中，使用相同的波长进行缓存。如果该光纤延时线中与输入光分组对应的波长被占用，但该光纤延时线中仍有空闲波长且存在空闲的反馈式可调波长变换器，则可以把输入光分组先交换到空闲的可调波长变换器输入端口，利用可调波长变换器把光分组对应的波长变换成该光纤延时线中的某一空闲波长，然后接通相应的SOA光门，把光分组传送到该光纤延时线中进行缓存。如果第一根光纤延时线不能对输入光分组进行缓存，则尝试第二根光纤延时线，重复上述的过程，直到找到能缓存该输入光分组的光纤延时线。如果所有的光纤延时线都不能对该输入光分组进行缓存，则丢弃该光分组。

在每根光纤延时线的输出端口，经过缓存的光信号通过一个波分解复用器把各个承载光分组的光波长分开，每个光波长再通过一个分路器把光信号分成多路，然后接通相应的SOA光门，就能把输入光分组交换到目的端口。如果从光纤延时线输出的光分组仍出现竞争问题，则同样使用上述的竞争解决方法。

本发明提出的节点结构属于固定时隙光包交换节点结构，反馈式的光纤延时线和反馈式的可调波长变换器能被各个输入信道所共享，因而能大大地减少所需的光纤延时线和可调波长变换器的数目。每根光纤延时线能同时使用多个波长来缓存光分组，进一步增加了缓存的容量；每个可调波长变换器不仅能把发生竞争的光分组变换到输出端口上的空闲波长进行输出，还能把发生竞争的光分组变换到光纤延时线中的空闲波长进行缓存，更充分地利用了可调波长变换器；在本节点中，只要使用少量的光纤延时线和可调变换波长器便能获得很好的丢包性能，既减小了节点开销又使得结构紧凑。同时，控制算法很简单，通过使某些输入光分组优先使用可调波长变换器和小缓存的光纤延时线，还可以实现优先级交换。本发明的光包交换节点结构可以用于构建各种形式的光网络结构，如光环网、光多环网和光网格网等，可以应用于骨干光网络、城域光网络和光接入网络中。

附图说明：

图1为本发明涉及的光包交换节点结构示意图。

如图1所示，本发明的光包交换节点结构采用了多个波分解复用器、分路器、无源耦合器、SOA光门、可调波长变换器TWC、光纤延时线等FDL。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对实施方式作进一步的描述。

本发明的光分组交换节点结构如图1所示，由多个波分解复用器、分路器、无源耦合器、SOA光门、可调波长变换器TWC、光纤延时线FDL及连接光纤组成。

节点的各输入端口连接输入光纤，各输出端口连接输出光纤。除输入端口和输出端口外，还使用一组反馈式光纤延时线一组反馈式可调波长变换器来解决光分组竞争问题。光纤延时线和可调波长变换器的输入端口与节点输出端口同侧，统称为竞争解决输入端口，而光纤延时线和可调波长变换器的输出端口与节点输入端口同侧，统称为竞争解决输出端口。

在节点的每个输入端口，每根输入光纤经一个波分解复用器分路后，各路光纤再分别与一个分路器相连。每个分路器后再接一组SOA光门，这些SOA光门接到各个节点输出端口和竞争解决输入端口。在节点的每个输出端口，每根输出光纤之前接一个无源耦合器。在每个可调波长变换器输入端口有一个无源耦合器，耦合器之后接一个可调波长变换器，可调波长变换器之后接一个分路器。分路器再与一组SOA光门相连，第一个SOA光门通过光纤直接连接到对应的可调波长变换器输出端口，其它的SOA光门与一组被所有可调波长变换器共享的无源耦合器一一对应相连，每个无源耦合器再通过特定长度的光纤延时线接到对应的光纤延时线输出端口。在每个可调波长变换器输出端口，输出光纤经一个分路器分路后，各分路光纤再与一个SOA光门相连，这些SOA光门再各自通过光纤连接到对应的节点输出端口。在每个光纤延时线输入端口有一个无源耦合器，耦合器之后再接上述被所有可调波长变换器共享的无源耦合器组中对应的一个无源耦合器，然后通过特定长度的光纤延时线再接到对应的光纤延时线输出端口。在每个光纤延时线输出端口，输出光纤经一个波分解复用器分路后，每路光纤各接一个分路器，分路器后再接一组SOA光门，这些SOA光门分别连接到各个节点输出端口和各个竞争解决输入端口。上面提到的各器件之间的连接均使用光纤。

现假设节点输入/输出端口的数目为N，每输入/输出光纤上承载的波长数为W，反馈式光纤延时线的数目为M，反馈式可调波长变换器的数目为R。若光分组以波长λ₁到达输入端口1，根据光分组头部中的目的地址决定交换到输出端口N。如果输出端口N中波长λ₁空闲，则接通输入端口1中λ₁对应的第N个SOA光门，把光分组直接交换到输出端口N中。如果输出端口N中波长λ₁已经被占用，则可以使用以下方法解决冲突：

●如果输出端口N有空闲波长，假设λ_w空闲，而且存在空闲的反馈式可调波长变换器(TWC)，假设第一个可调波长变换器(TWC1)空闲，则可以先把输入端口1中的λ₁交换到TWC1的输入端口，通过TWC1把波长λ₁变换到λ_w，然后接通TWC1后的M+1个SOA光门的第一个及TWC1输出端的第N个SOA光门，把输入光分组以波长λ_w交换到输出端口N。

●如果输出端口N有空闲波长且存在空闲的可调波长变换器的条件不满足，则输入分组可以通过光纤延时线进行缓存。由于本发明节点结构所使用的光纤延时线是简并式，为了使缓存时间尽量小，缓存时先查找第一根光纤延时线(FDL1)。如果FDL1中波长λ₁空闲，则把输入端口1中的λ₁交换到FDL1的输入端口，直接使用该光纤延时线中的λ₁进行缓存。如果FDL1中λ₁被占用，但FDL1中仍有空闲波长，假设λ_w空闲，且存在空闲的反馈式TWC，假设TWC1空闲，则先把输入端口1中的λ₁交换到TWC1的输入端口，然后通过TWC1把λ₁变换成λ_w，接通TWC1后对应的SOA光门(在本例子中，由于要送到FDL1中缓存，所以接通第M+1个，依此类推)，把承载于λ_w的光分组送到FDL1中进行缓存。如果第一根光纤延时线不能对输入光分组进行缓存，则尝试第二根光纤延时线，重复上述的过程，直到找到能缓存该输入分组的光纤延时线。如果M根光纤延时线都不能对该输入光包进行缓存，则丢弃该光分组。

在各个光纤延时线的输出端口，经过缓存的光信号通过一个波分解复用器把各个承载光分组的光波长分开，每个光波长再通过一个分路器把光信号分成多路，然后根据各个光分组头的目的地址接通相应的SOA光门，把输入光分组交换到目的端口。如果从光纤延时线输出的光分组仍出现竞争问题，则同样使用上述的方法解决竞争。

Claims

1、一种基于可调波长变换器共享的光包交换节点结构，其特征在于由波分解复用器、分路器、无源耦合器、半导体光放大器SOA光门、可调波长变换器、光纤延时线及连接光纤组成，并使用一组反馈式光纤延时线和一组反馈式可调波长变换器来解决光分组竞争问题，光纤延时线和可调波长变换器的输入端口与节点输出端口同侧，为竞争解决输入端口，而光纤延时线和可调波长变换器的输出端口与节点输入端口同侧，为竞争解决输出端口；在节点的每个输入端口，每根输入光纤经一个波分解复用器分路后，各路光纤再分别与一个分路器相连，每个分路器后接一组SOA光门，每组SOA光门的数目等于节点输出端口数与竞争解决输入端口数的总和，通过这些SOA光门把输入端口的分路器连接到所有的节点输出端口和竞争解决输入端口；在节点的每个输出端口，每根输出光纤之前接一个无源耦合器，在每个可调波长变换器输入端口有一个无源耦合器，耦合器之后接一个可调波长变换器，可调波长变换器之后接一个分路器，分路器再与一组SOA光门相连，第一个SOA光门通过光纤直接连接到对应的可调波长变换器输出端口，其它的SOA光门与一组被所有可调波长变换器共享的无源耦合器一一对应相连，每个无源耦合器再通过特定长度的光纤延时线接到对应的光纤延时线输出端口，在每个可调波长变换器输出端口，输出光纤经一个分路器分路后，各分路光纤再与一个SOA光门相连，每个SOA光门再各自通过光纤连接到对应的节点输出端口，在每个光纤延时线输入端口有一个无源耦合器，耦合器之后再接上述被所有可调波长变换器共享的无源耦合器组中对应的一个无源耦合器，然后通过特定长度的光纤延时线，再接到对应的光纤延时线输出端口，在每个光纤延时线输出端口，输出光纤经一个波分解复用器分路后，每路光纤各接一个分路器，分路器后再接一组SOA光门，每组SOA光门再分别连接到各个节点输出端口和各个竞争解决输入端口。