光組播和波長轉(zhuǎn)換節(jié)點結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)性能研究.pdf

1、歸功于光纖的超寬帶傳輸特性，寬帶光器件如EDFA的商用，低損耗光交換技術(shù)的嶄露，光通信技術(shù)在未來高速大容量網(wǎng)絡(luò)中仍將起到主導作用。光分插復(fù)用器和光交叉連接實現(xiàn)全光轉(zhuǎn)發(fā)和上下路，減輕電路由器負荷(包括業(yè)務(wù)的緩存、交換和路由)，是從光傳輸向光交換演進過程中的重要步驟。光交叉連接具備波長轉(zhuǎn)換功能，可以克服光網(wǎng)絡(luò)中的波長連續(xù)性約束，提高波長通道利用效率并改善網(wǎng)絡(luò)阻塞性能，使得光網(wǎng)絡(luò)真正和線路交換相互統(tǒng)一。
　　 許多組播業(yè)務(wù)例如IPTV

2、、協(xié)同計算、分布式游戲等呈現(xiàn)高帶寬需求，適于采用光組播技術(shù)來群發(fā)流量，以避免頻繁的光電光轉(zhuǎn)換并節(jié)省帶寬和能耗。光組播亟需解決的問題有：易集成低成本的光信號復(fù)制技術(shù)，無阻塞并有良好擴展性的組播光交叉連接設(shè)計，以波長通道資源和時延為優(yōu)化目標的組播路由波長分配算法，組播節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的放置策略等。
　　 本文研究如何在光交換節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)中部署波長轉(zhuǎn)換和組播功能，以最少的資源代價獲得接近最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。
　　 首先，從微觀角度降低單

3、個交換節(jié)點的造價：(1)在網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點共享一定數(shù)量的波長轉(zhuǎn)換器和組播器件，在獲得可容許的阻塞性能前提下，最小化單個節(jié)點中實際使用的波長轉(zhuǎn)換器和組播器件數(shù)目；(2)光交換矩陣的規(guī)模、交叉點數(shù)是整個光交換節(jié)點造價的重要組成部分，基于多級交換網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)多個小型光開關(guān)，構(gòu)建大規(guī)模光交換矩陣，減少交叉點數(shù)和功率損耗。
　　 其次，從宏觀整個網(wǎng)絡(luò)角度削減波長轉(zhuǎn)換和組播器件的數(shù)量：(3)稀疏波長轉(zhuǎn)換和稀疏光組播，即在網(wǎng)絡(luò)中的一部分節(jié)點合理放置

4、波長轉(zhuǎn)換器/組播器件，以獲得接近最優(yōu)的阻塞性能。本文圍繞波長轉(zhuǎn)換和組播交換節(jié)點及其網(wǎng)絡(luò)性能開展了以下工作：
　　 1.共享固定波長轉(zhuǎn)換器光交叉連接結(jié)構(gòu)與阻塞性能分析
　　 共享波長轉(zhuǎn)換器可以提高波長轉(zhuǎn)換器的利用效率，根據(jù)波長轉(zhuǎn)換器在光交叉連接中放置和接入方式不同，存在節(jié)點共享和鏈路共享兩種結(jié)構(gòu)。前者共享效率高，但光交換矩陣復(fù)雜度高；后者結(jié)構(gòu)簡單但共享效率低;兩者都只能共享可調(diào)波長轉(zhuǎn)換器。第二章提出新型波長共享結(jié)構(gòu)，基于三

5、級Clos網(wǎng)絡(luò)共享固定波長轉(zhuǎn)換器，既可實現(xiàn)無阻塞端到端連接，又可以用小型光開關(guān)實現(xiàn)大規(guī)模交換矩陣。我們推導出波長共享結(jié)構(gòu)在同步對稱業(yè)務(wù)下的解析模型，準確計算了阻塞率和波長轉(zhuǎn)換器利用率。仿真和理論分析證實，波長共享結(jié)構(gòu)可以獲得與節(jié)點共享結(jié)構(gòu)同樣的共享效率和阻塞性能，而只需要少量固定波長轉(zhuǎn)換器(約20％～30％)，即可獲得與完全波長轉(zhuǎn)換接近的性能。
　　 其次，提出在重排Clos網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部共享固定波長轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)不需要對交換矩陣進

6、行任何擴展，且能節(jié)省約50％的波長轉(zhuǎn)換器。
　　 2.基于多波長轉(zhuǎn)換的組播波長分配算法
　　 多波長轉(zhuǎn)換是一種可行的光信號復(fù)制技術(shù)，不會引入分光損耗，但目前組播波長分配算法的研究都以分光技術(shù)為基礎(chǔ)，尚未關(guān)注多波長轉(zhuǎn)換相關(guān)的組播分配算法。第三章研究基于多波長轉(zhuǎn)換的組播波長分配算法。為了提高組播器件利用率，多波長轉(zhuǎn)換器在節(jié)點中全局共享。波長分配算法的首要優(yōu)化目標為最大化可覆蓋目的成員數(shù)目，次要目標為最小化波長轉(zhuǎn)換次數(shù)。我們提

7、出最大權(quán)匹配算法，將分支節(jié)點上的波長最優(yōu)分配問題等效成偶圖的最大權(quán)匹配問題。仿真實驗證實少量多波長轉(zhuǎn)換器即可獲得近似最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。
　　 3.功率節(jié)約型無阻塞四級組播網(wǎng)絡(luò)及其在組播光交叉連接中的應(yīng)用
　　 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能耗是數(shù)據(jù)中心和路由器設(shè)計和運行的最大挑戰(zhàn)。第四章考慮多級交換網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，通過減少分光級數(shù)構(gòu)造功率節(jié)約型組播光交叉連接。我們提出一種新型兩級組播四級網(wǎng)絡(luò)，稱為4(2m)-級組播網(wǎng)絡(luò)，并給出了其在任意組播

8、業(yè)務(wù)下的廣義無阻塞和可重構(gòu)無阻塞的充分條件及數(shù)學證明。4(2m)-級組播網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度(以交叉點數(shù)為標準)為O(N3/2)，比三級Clos網(wǎng)絡(luò)低，與4(3m)-級組播網(wǎng)絡(luò)相同，具有良好的規(guī)?？蓴U展性。我們進一步將組播級數(shù)減至一級，提出4(1m)-級組播網(wǎng)絡(luò)，并給出其在f-cast組播業(yè)務(wù)下，廣義無阻塞和可重構(gòu)無阻塞充分條件。最后我們將四級交換網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于構(gòu)建大規(guī)模組播光交叉連接，并證實所提出的4(2m)-級組播網(wǎng)絡(luò)和4(1m)-級組播網(wǎng)絡(luò)都

9、可以顯著降低光交換矩陣的分光損耗。
　　 4.組播與波長轉(zhuǎn)換節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的稀疏放置問題
　　 可重構(gòu)光分插復(fù)用是整個光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場中增長最為快速的細分市場，而波長選擇開關(guān)是該領(lǐng)域的關(guān)鍵器件。基于波長選擇開關(guān)(WSS)的光交換節(jié)點天然具備完全組播能力，但是很難和波長轉(zhuǎn)換集成在一起。第五章提出新型光網(wǎng)絡(luò)的資源分配策略：分散放置組播和波長轉(zhuǎn)換節(jié)點，即網(wǎng)絡(luò)中一部分節(jié)點為WSS組播節(jié)點，其余節(jié)點為波長轉(zhuǎn)換節(jié)點。組播和波長轉(zhuǎn)換節(jié)點放