wbs多粒度光交叉连接器结构分析

wbs多粒度光交叉连接器结构分析

1波带交换技术近年来，使用光交叉摄像机（oxc）对波长通道的波分恢复光网络已成为光网中最现实的系统解决方案。随着Internet和多媒体业务的爆炸式增长,越来越多的波长被用于承载业务。然而,随着波长数的增加,OXC的尺寸(即端口数)和相关的控制管理的费用以及难度也将大幅增加。因此,尽管WDM传输技术日趋成熟,光纤日益普及,光交叉连接器和交换技术取得了巨大进步,大型交换设备的高费用和复杂性以及未经证实的可靠性还是阻碍了它们的应用。波带交换(WBS)技术就是在这一应用背景下产生的。WBS的主要思想是把若干个波长组合在一起形成波带,每个波带用一个端口进行交换。在WBS方式下,一方面旁路业务流可直接进行光交换,减小了数字交叉连接器(DXC)的端口数;另一方面光路成组(Lightpathgrouping)形成波带,减少了传统的波长级交换,进而减小了OXC的端口数。目前已做过的研究如下:文献提出了基于WDM的多粒度OXC(MG-OXC)结构,指出该结构适合大规模WDM骨干网,具有模块化的特性并能够有效减少OXC的信道串扰。文献提出了波带形成方法和路由线性规划公式,以及通用大规模网络的启发式设计方法,指出波带的引入使OXC的端口数大幅度减小。文献和中分别定性和定量地分析了使用MG-OXC来减少OXC复杂性。本文重点讨论了使用WBS技术是如何减少OXC的端口数的。OXC的端口数是影响整个光纤交换费用的最主要因素。文章结构如下:首先对WBS的特点进行了描述,指出WBS和传统波长路由不同;其次对基于WBS技术的两种MG-OXC结构进行了分析;文中第4部分提出了各种WBS方案和光路成组策略,讨论了WBS网络中的波带转换和故障恢复问题。最后,对本文的研究进行了总结,并对有待于进一步深入研究的问题进行了阐述。2wbs与mg-oxc的结合尽管人们已对波长路由网络(Wavelength-routednetwork,WRN)进行了大量研究,WRN也仍然是WBS网络的基础,WBS网络(和MG-OXC)的设计目的和技术与已存在的WRN却是非常不同的。例如,通常设计WRN的目标是减少所需的波长数或波长跳数,而WBS网络的目标是最小化MG-OXC所使用的端口数。我们将看到,最小化波长数或波长跳数不能减少WBS网络中MG-OXC的端口数,即使一个简单的WBS算法也并非把传统的路由和波长分配算法(Routingandwavelengthassignment,RWA)略作修改。事实上,我们的研究表明,当使用传统的最优RWA算法(基于整数线性规划)加上尽力而为的光路成组启发式算法会使端口数增加而不是减小。一个理想的WBS算法需要在波长数和端口数之间取得一个折衷,通常是以波长数(或者波长跳数)的略微增加来获得端口数的大规模减小。由于目标上的不同,适用于WRN的技术(如业务输导)不能直接有效地应用到WBS相关的问题(如光路成组),所以必须研究专用于WBS的技术,如光路路由(Lightpathrouting)、波带分配(Wavebandassignment)、光路成组(Lightpathgrouping)、波带转换(Wavebandconversion)以及故障恢复(Failurerecovery)技术等。从以前的讨论和分析中,我们看到WBS和MG-OXC相结合具有以下优势:(1)减小了OXC的尺寸(即端口数)和功率消耗,同时减少了OEO(Optical-electronic-optical)的数量以及相关的控制费用和技术难度。而OXC的端口数是影响整个光纤交换费用的最主要因素,也是我们的重点考虑因素;(2)简化了网络管理。波带的引入使系统管理变得简单,能够对波带和波长信息进行分级和独立管理;(3)使用小规模的模块矩阵就能够构建大容量OXC,增大了系统的可扩展性;(4)对于WBS,某些或大部分波长路径(光路)不需经过单个的波长滤波器,因此也简化了复用器和解复用器的设计。事实上,级联光纤到波带(Fibertowaveband,FTB)和波带到波长(Wavebandtowavelength,BTW)的解复用器能有效地减少串扰,这对于构建大规模骨干网非常重要;(5)所有的这些也使控制交叉矩阵的复杂性大幅减少,使基于WBS的网络能够更好地提供保护和恢复功能。3wbs网络的多属性问题在使用普通OXC(单粒度OXC,仅在波长级交换业务流)的WRN中,波长要么在该节点处下路,要么被旁路,每个波长使用一个端口。然而,在WBS网络中,若干波长汇聚成波带,波带作为单个实体(即使用一个端口)进行交换。当且仅当需要的时候把波带解复用成单个波长(例如,当波带至少携带了一个需要上路/下路的光路时)。使用MG-OXC的WBS网络不仅在多等级或多粒度上交换业务流(DXC在子波长级交换业务流),而且在多粒度(即光纤、波带和波长)上路/下路业务流。通过在MG-OXC中的复用器和解复用器,业务流从一个等级传送到另一个等级。3.1路、下路波带交叉连接器在多粒度光网络中传输高速WDM业务流时,MG-OXC是关键的元素。因为减小OXC的端口数是我们的重点考虑因素,所以设计灵活的可重配置的和经济实用的节点结构非常重要。图1中示出了一个典型的多层MG-OXC结构,包括光纤交叉连接(FXC)层,波带交叉连接(BXC)层和波长交叉连接(WXC)层。WXC和BXC层由交叉连接器、复用器和解复用器组成。WXC层包含一个用来交换光路的波长交叉连接器。为了从WXC层上路/下路波长,需要Wadd/Wdrop端口。另外,BTW解复用器和WTB复用器分别用来解复用波带到波长和复用波长到波带。在BXC层,波带交叉连接器、Badd和Bdrop端口被分别用来旁路、上路和下路波带。FTB解复用器和BTF复用器分别用来解复用光纤到波带和复用波带到光纤。类似地,在FXC层,光纤交叉连接器、Fadd和Fdrop端口分别用来交换、上路和下路光纤。为了减少端口数,如果光纤中没有波长需要上路或下路,在FXC层,MG-OXC使用一个端口交换该光纤(空间交换)。否则,把光纤解复用为波带,如果波带中没有波长需要上路或下路,在波带交换中使用一个端口交换该波带。换句话说,仅当波带有需要上路或下路的波长时,才需要被解复用,仅仅是这些波带中的旁路流量需要使用WXC进行交换。而普通的OXC则不同,它的每个波长都需要使用一个端口进行交换。根据该结构,从FXC到BXC层可动态地选择光纤进行复用和解复用处理,从BXC到WXC层也可动态地选择波带进行复用和解复用处理。例如,在FXC层,只要有一个自由的FTB解复用器,任何光纤可被解复用成波带。类似地,在BXC层,只要有一个自由的BTW解复用器,任何波带可被解复用成波长,只要适当地配置FXC和BXC以及相应的解复用器即可。3.2单层mg-oxc的wbs算法图2示出了一个单层MG-OXC结构,仅有一个普通的光交换光纤。该交换矩阵包含3个逻辑元件,分别对应于FXC,BXC和WXC。它和多层MG-OXC最主要的区别是消除了不同层之间的复用器和解复用器(FTB/BTW和BTF/WTB),这使得实现、配置和控制OXC结构变得简单。单层MG-OXC的另一个优点是更好的信号质量,因为所有的光路只经过一个交换光纤,而在多MG-OXC中,某些光路经过2个或更多的交换光纤(即FXC,BXC和WXC)。作为一个折衷,某些到来的光纤,如光纤n(图2),预配置为指定光纤。仅有指定光纤可以使他们的某些波带下路而其余的波带旁路该节点(即非指定光纤中的所有波带,如光纤1和2,或者旁路该节点或者下路)。类似地,在这些指定光纤中,只有指定波带能使它们的某些波长下路而其余的波长旁路。简言之,该结构不如多层MG-OXC灵活。在单层MG-OXC的WBS网络中,需要合适的WBS算法来确保在单层MG-OXC中下路的光路被分配到属于指定光纤/波带的波长。显而易见,对于有限数目的指定光纤/波带,尤其是为所有光路需求进行全局优化的情形下,这未必总是可能的。3.3多层mg-oxc的使用下面用一个例子来说明多层和单层MG-OXC之间的不同。计算端口数时,仅考虑MG-OXC的输入方(由于MG-OXC结构的对称性),包含本地上路业务流和从其他节点进入MG-OXC节点的业务流(即旁路流和本地下路流)。假设有10根光纤,每根有100个波长,在某节点有1个波长上路,1个波长下路。当使用普通OXC时,在该节点处需要的端口数是1000(包含999个旁路和1个下路波长),加上1个上路波长,总共为1001个端口。然而,如果每纤中的100个波长组成20个波带,每波带包含5个波长,使用如图1所示的多层MG-OXC,仅有一根光纤需要解复用成20个波带(使用11端口的FXC)。而且,仅20个波带中的1个需要解复用成5个波长(使用21端口的BXC)。最后,1个波长上路,1个波长下路(使用6端口WXC)。由此,多层MG-OXC只需要11+21+6=38端口(几乎减小了30倍)。作为比较,假设使用单层MG-OXC(如图2),如果下路的光路分配到合适的光纤(即指定光纤)和该光纤中的合适的波带(即指定波带),所需的端口数更少。更具体些,仅有1根光纤需要解复用为20个波带,其他非指定光纤需要9个端口。指定光纤的20个波带中仅有1个指定波带需要进一步解复用为波长,其他未指定的波带需要19个端口。最后,从指定波带解复用5个波长以及上路/下路波长需要6个端口。因此,整个端口数为9+19+6=34,比多层MG-OXC减小了10%,比普通的OXC减少了96%。4无线传感器网络的所有技术4.1溶液波长变换的变分法下面介绍各种波带交换方案。首先根据光纤中的波带数(B)是固定的还是可变的把波带交换方案分为两类。再根据波带中的波长数(W)是固定的还是可变的又细分为两类。对于一个给定的固定W值,根据波带中的波长集合是预定义的还是自适应的,又可分为两类。例如,允许一个波带在不同的节点有不同的波长数,这些波长可以随机选择(未必是连续的)。在使用MG-OXC时,一方面,可变的波带交换方案比固定的波带交换方案更灵活;另一方面,可变的波带交换方案实现起来却非常复杂和困难,目前的技术还不成熟。本文中,我们仅讨论每纤有固定的波带数,每波带有固定的波长集合的波带交换方案。应注意到,所讨论的原理对于可变的波带交换方案同样适用。4.2自适应组的方法要利用波带交换技术,必须先把若干光路组合在一起,形成波带。使用下面的光路成组策略把光路组成波带:(1)端到端成组:仅把具有相同的源节点和目的节点的业务流(光路)成组;(2)单端成组:把具有相同的源节点(或目的节点)和不同的目的节点(或源节点)的业务流成组;(3)子路径成组:把具有相同子路径的业务流成组(从任何源节点到任何目的节点)。由此可见,第二种策略优于第一种策略,其所需的MG-OXC的端口数要少得多。而第三种策略功能最强大,能够最大化WBS的优势,但其WBS算法也是最复杂的。4.3mg-oxc网络中波带转换的基本原理波带转换和有限波长转换或者是全波长转换相似但不相同,因此需要有效的WBS算法来确保端口数的减少。注意到在进行全波长转换的WRN中,波长分配是微不足道的。而在WBS网络中,尽管波长转换使光路成组变得简单,但是,执行波长转换需要光纤或波带首先解复用为波长,因此增加了所需的端口数。换句话说,即使波长转换没什么花销,为了最小化MG-OXC端口数,也不能像在具有全波长转换功能的WRN中那样自由地使用波长转换来弥补不当的波长分配。因此,我们必须在WBS网络中开发波带转换技术,这和WRN中的有限波长转换是不同的,因为不仅波带bi中的给定波长转换为另一个波带bj中的对应波长,同时波带bi中的所有其他的波长也都转换为波带bj中的对应波长。例如,我们假设每个波带包含2个波长(即{λ0,λ1}∈b0,{λ2,λ3}∈b1,{λ4,λ5}∈b2,…),如图3所示。当进行波带转换,转换波带b0到b1或者b2和有限波长转换的类似之处在于,λ0只能被转换为λ2或者λ4,而λ1只能被转换为λ3或者λ5。但是,波带转换要求必须同时把λ0转换为λ2,λ1转换为λ3。4.4波带融合技术在MG-OXC中有可能端口、复用器、解复用器或者波带转换器发生故障,从而影响某些光纤或波带,但不会对整个光纤或波带造成影响。现有的保护和恢复方法只能处理单个的波长和光纤故障。因此,必须提供新的基于波带的有效的保护和恢复方法和技术,即利用波带转换和波长转换从波带级的故障中恢复。下面介绍两种故障恢复技术:波带融合(Band-merging)和波带互换(Band-swapping)。假设某光纤有2个波带b0和b1,每波带有3个波长,如图4。进一步假设在b0中使用λ0和λ1,在b1中使用λ5,波带b0故障。此时不是在连接断开的地方使用一条备用波带重新路由b0所携带的业务流,而是采用波带融合技术,即波长λ0和λ1所携带的业务流在波带b1的对应波长中恢复(λ3和λ4),如图4(a)。注意到在波带融合的过程中λ5保持不变,因为在b0中的相应波长λ2是不变的。波带融合技术可简单地通过把λ0和λ1转换为λ3和λ4来实现;也可使用和波带转换原理相似的一个新型设备实现,从而避免解复用波带b0和b1,如波长转换器所要求的。另一个例子,假设只有波长λ4未被使用,b0中的λ1受波长故障影响,如图4(b)。为了恢复故障,可使用空闲的λ4,在故障节点的前一节点转换λ1到λ4,但是这方法要求两个波带b0和b1都在该节点解复用。为避免波带的解复用并保留光路成组,使用新的称之为波带互换的技术,即把波带b0和波带b1互换,可实现从故障中恢复。5wb