新型組播光開關及其性能研究.pdf

1、隨著高清電視、視頻會議、互動遠程教學等帶寬密集型業(yè)務的出現(xiàn)，光組播已經(jīng)得到了業(yè)界廣泛的關注。在目前存在的多種組播實現(xiàn)方式中，波分復用(WDM)光組播是一種帶寬利用最有效的方式。為實現(xiàn)WDM組播引入了光樹的概念，這是對單播光網(wǎng)絡中光路徑的擴展。光樹的主要優(yōu)點在于它不像多路單播的實現(xiàn)方式那樣需要將光組播信號分別沿獨立的單播路徑從源節(jié)點發(fā)送到各個目的節(jié)點，而是在中間交叉結點處進行光信號的復制然后將復制的信號轉發(fā)到下游節(jié)點去。因此 在光樹的中間

2、節(jié)點處必須配備組播光交叉連接（Multicast-Capable Optical Cross-Connect，MC-OXC）。典型的組播光交叉連接通常是由解復用器、某種組播光開關作為核心結構和復用器構成的，它不僅要完成端口之間的光路連接而且要實現(xiàn)光信號的復制。其中，比較重要的是其核心部分組播光開關結構的設計，業(yè)界通常使用無源的分光器來實現(xiàn)組播信號的光域復制，因為這種方式結構簡單、器件造價低。 在已經(jīng)存在的主要組播光開關中，分束發(fā)

3、送光開關(SaD-Splitter and Delivery）結構對單、組播業(yè)務均能做到嚴格無阻塞，不足之處是它并不區(qū)分單、組播業(yè)務，無論是單播信號還是組播信號都會被分光，這樣會為單播信號引入不必要的功率損失，然而光信號要想被接收單元檢測，其功率必須超過某個門限值，盡管光放大器如EDFA能夠提高輸入光信號的功率，但是EDFA的引入同時會帶來某些負面效應，如增加成本，引入噪聲等。因此，設計比較完善的光組播交換結構時應避免為單播信號引入損耗

4、，使單、組播信號能夠分開處理。另一方面，大量的分光器會使制造過程變得復雜，從而提高生產(chǎn)成本，但是分光器太少又可能會造成比較多的組播業(yè)務不能被滿足，使結構本身的阻塞率性能下降，這樣，設計光組播交換結構時應在基本不影響阻塞率性能的情況下盡量減少分光器的使用。只有組播被分光的分束發(fā)送光組播交換結構(MO-SaD---Multicast only Splitter and Delivery)是從功率有效和成本有效的角度考慮提出的。它雖然不會為單

5、播業(yè)務引入不必要的功率損失，但是由于它在每個波長上只能同時建立一個組播業(yè)務，因此會給組播業(yè)務帶來比較大的阻塞率。此外，它也并未考慮功率均衡（即單、組播業(yè)務的接收功率應基本相同），當組播信號在網(wǎng)絡中經(jīng)過多個Mo-SaD轉發(fā)后其功率會遠遠小于單播信號的功率，這樣會增加整個網(wǎng)絡的管理復雜度。 因此，制造一種功率有效、可達到嚴格無阻塞，并且易于整個網(wǎng)絡功率管理的光組播交換結構是一個有待解決并且極具現(xiàn)實意義的問題。 第一章提出了一

6、種能夠結合分束發(fā)送光開關和只有組播被分光的分束發(fā)送光開關兩者優(yōu)點的新型組播光開關結構，即區(qū)分單、組播的分束發(fā)送光開關(Separated Unicast/Multicast Splitter-and- Delivery，SUM-SaD），有效的解決了上述問題。此外，在本文第一章中還給出了基于SUM-SaD的光組播交叉連接結構以及SUM-SaD的嚴格無阻塞條件，最后，我們通過實驗證明了SUM-SaD給單播和組播信號帶來的誤碼并沒有明顯的差

7、別。 第二章仿真了基于SUM-SaD的組播光交叉連接在異步混合業(yè)務下的阻塞率性能，通過仿真我們得出：在大多數(shù)混合業(yè)務下，在單個波長上僅僅能夠同時建立一棵組播光樹的基于SUM-SaD的組播光交叉連接要比同時建立兩棵樹的阻塞率性能差好多。 我們注意到在單個波長上僅能夠建立一棵光樹的基于SUM-SaD的組播光交叉連接等價于Ali在 [6] 中提出的只有組播被分光的分束發(fā)送光開關結構，因此，在大多數(shù)異步混合業(yè)務下，在每個波長上能夠支持兩

8、棵以上光樹的基于SUM-SaD的組播光交叉連接的阻塞率性能優(yōu)于MO-SaD。其二，我們得出當扇出分布和組播比例固定時，d存在著一個門限值，當d超過此門限制時繼續(xù)增大d就無法再得到阻塞率性能的改善了。 其三，我們得到一個有趣也很有用的結論，并非組播比例越大，所需要的最優(yōu)的d值越大。也就是說，并非組播業(yè)務越多，所需要的光開關的成本越大。 第三章給出了基于SUM-SaD的組播光交叉連接在同步混合業(yè)務下的阻塞率性能分析。研究發(fā)現(xiàn)：在同步

9、業(yè)務下，當具有相同波長的組播業(yè)務同時到達基于SUM-SaD的組播光交叉連接時，會被同一個SUM-SaD光開關轉發(fā)，如果這樣的組播業(yè)務數(shù)超過組播光交叉連接在單個波長能夠同時建立的組播樹的最大數(shù)目（即參數(shù)d）的話，他們會競爭使用同一SUM-SaD中的組播專用通路。由于每個業(yè)務均能在單個時隙內被處理，使得基于SUM-SaD的組播光交叉連接在同步業(yè)務下的吞吐量最大化就等價于使得單個時隙內建立的業(yè)務盡可能的多。在假設組播業(yè)務的優(yōu)先級高于單播業(yè)務的

10、前提下，我們又將問題模型化為求組播沖突圖的d受限最大獨立集和求“剩余”單播沖突圖的最大獨立集。由于圖的最大獨立集問題是NP-complete的 [8]，我們提出了最小沖突度優(yōu)先、先到先服務兩種啟發(fā)式算法求任意沖突圖（包括組播業(yè)務沖突圖和剩余單播業(yè)務沖突圖）的最大獨立集。此外，我們還可以采用最小目的成員數(shù)優(yōu)先和最大成員數(shù)優(yōu)先兩種啟發(fā)式算法求組播沖突圖的最大獨立集。 第四章給出了基于SUM-SaD的組播光交叉連接在輸入為動態(tài)業(yè)務下不

11、同網(wǎng)絡中的阻塞率性能。我們提出了能夠結合基于SUM-SaD的組播光交叉連接的d-tree特性、改進的最小開銷樹算法，并針對采用改進的最小開銷樹路由算法時可能出現(xiàn)“不該分的地方分”的問題提出了方案加以解決，以對改進的最小開銷樹算法做進一步完善。我們通過仿真分別研究了不同的網(wǎng)絡拓撲、基于SUM-SaD的組播光交叉連接在每個波長上能夠同時服務的組播業(yè)務的最大數(shù)目d、以及每條鏈路支持的波長數(shù)w等因素對阻塞率性能的影響。最后，我們還對改進的最小開

12、銷樹算法以及最小開銷樹算法進行了比較，得出改進的最小開銷樹算法確實優(yōu)于最小開銷樹算法的結論。 第五章研究了基于SUM-SaD的組播光交叉連接在輸入為靜態(tài)業(yè)務下整個網(wǎng)絡中的阻塞率。我們給出了能夠結合d-tree特性的多個組播請求的組播路由和波長分配算法的ILP模型，得出以下結論：網(wǎng)絡中配置單個波長上同時支持2棵樹的MC-OXC比配置單個波長上只支持1棵樹的MC-OXC時利用ILP模型能夠得到更加優(yōu)化的路由。 第六章對全文的