新型组播光开关及其性能研究

摘要

随着高清电视、视频会议、互动远程教学等带宽密集型业务的出现，光组播已经得到了业界广泛的关注。在目前存在的多种组播实现方式中，波分复用(WDM)光组播是一种带宽利用最有效的方式。为实现WDM组播引入了光树的概念，这是对单播光网络中光路径的扩展。光树的主要优点在于它不像多路单播的实现方式那样需要将光组播信号分别沿独立的单播路径从源节点发送到各个目的节点，而是在中间交叉结点处进行光信号的复制然后将复制的信号转发到下游节点去。因此 在光树的中间节点处必须配备组播光交叉连接（Multicast-Capable Optical Cross-Connect，MC-OXC）。典型的组播光交叉连接通常是由解复用器、某种组播光开关作为核心结构和复用器构成的，它不仅要完成端口之间的光路连接而且要实现光信号的复制。其中，比较重要的是其核心部分组播光开关结构的设计，业界通常使用无源的分光器来实现组播信号的光域复制，因为这种方式结构简单、器件造价低。 在已经存在的主要组播光开关中，分束发送光开关(SaD-Splitter and Delivery）结构对单、组播业务均能做到严格无阻塞，不足之处是它并不区分单、组播业务，无论是单播信号还是组播信号都会被分光，这样会为单播信号引入不必要的功率损失，然而光信号要想被接收单元检测，其功率必须超过某个门限值，尽管光放大器如EDFA能够提高输入光信号的功率，但是EDFA的引入同时会带来某些负面效应，如增加成本，引入噪声等。因此，设计比较完善的光组播交换结构时应避免为单播信号引入损耗，使单、组播信号能够分开处理。另一方面，大量的分光器会使制造过程变得复杂，从而提高生产成本，但是分光器太少又可能会造成比较多的组播业务不能被满足，使结构本身的阻塞率性能下降，这样，设计光组播交换结构时应在基本不影响阻塞率性能的情况下尽量减少分光器的使用。只有组播被分光的分束发送光组播交换结构(MO-SaD---Multicast only Splitter and Delivery)是从功率有效和成本有效的角度考虑提出的。它虽然不会为单播业务引入不必要的功率损失，但是由于它在每个波长上只能同时建立一个组播业务，因此会给组播业务带来比较大的阻塞率。此外，它也并未考虑功率均衡（即单、组播业务的接收功率应基本相同），当组播信号在网络中经过多个Mo-SaD转发后其功率会远远小于单播信号的功率，这样会增加整个网络的管理复杂度。 因此，制造一种功率有效、可达到严格无阻塞，并且易于整个网络功率管理的光组播交换结构是一个有待解决并且极具现实意义的问题。 第一章提出了一种能够结合分束发送光开关和只有组播被分光的分束发送光开关两者优点的新型组播光开关结构，即区分单、组播的分束发送光开关(Separated Unicast/Multicast Splitter-and- Delivery，SUM-SaD），有效的解决了上述问题。此外，在本文第一章中还给出了基于SUM-SaD的光组播交叉连接结构以及SUM-SaD的严格无阻塞条件，最后，我们通过实验证明了SUM-SaD给单播和组播信号带来的误码并没有明显的差别。 第二章仿真了基于SUM-SaD的组播光交叉连接在异步混合业务下的阻塞率性能，通过仿真我们得出：在大多数混合业务下，在单个波长上仅仅能够同时建立一棵组播光树的基于SUM-SaD的组播光交叉连接要比同时建立两棵树的阻塞率性能差好多。 我们注意到在单个波长上仅能够建立一棵光树的基于SUM-SaD的组播光交叉连接等价于Ali在 [6] 中提出的只有组播被分光的分束发送光开关结构，因此，在大多数异步混合业务下，在每个波长上能够支持两棵以上光树的基于SUM-SaD的组播光交叉连接的阻塞率性能优于MO-SaD。其二，我们得出当扇出分布和组播比例固定时，d存在着一个门限值，当d超过此门限制时继续增大d就无法再得到阻塞率性能的改善了。 其三，我们得到一个有趣也很有用的结论，并非组播比例越大，所需要的最优的d值越大。也就是说，并非组播业务越多，所需要的光开关的成本越大。 第三章给出了基于SUM-SaD的组播光交叉连接在同步混合业务下的阻塞率性能分析。研究发现：在同步业务下，当具有相同波长的组播业务同时到达基于SUM-SaD的组播光交叉连接时，会被同一个SUM-SaD光开关转发，如果这样的组播业务数超过组播光交叉连接在单个波长能够同时建立的组播树的最大数目（即参数d）的话，他们会竞争使用同一SUM-SaD中的组播专用通路。由于每个业务均能在单个时隙内被处理，使得基于SUM-SaD的组播光交叉连接在同步业务下的吞吐量最大化就等价于使得单个时隙内建立的业务尽可能的多。在假设组播业务的优先级高于单播业务的前提下，我们又将问题模型化为求组播冲突图的d受限最大独立集和求“剩余”单播冲突图的最大独立集。由于图的最大独立集问题是NP-complete的 [8]，我们提出了最小冲突度优先、先到先服务两种启发式算法求任意冲突图（包括组播业务冲突图和剩余单播业务冲突图）的最大独立集。此外，我们还可以采用最小目的成员数优先和最大成员数优先两种启发式算法求组播冲突图的最大独立集。 第四章给出了基于SUM-SaD的组播光交叉连接在输入为动态业务下不同网络中的阻塞率性能。我们提出了能够结合基于SUM-SaD的组播光交叉连接的d-tree特性、改进的最小开销树算法，并针对采用改进的最小开销树路由算法时可能出现“不该分的地方分”的问题提出了方案加以解决，以对改进的最小开销树算法做进一步完善。我们通过仿真分别研究了不同的网络拓扑、基于SUM-SaD的组播光交叉连接在每个波长上能够同时服务的组播业务的最大数目d、以及每条链路支持的波长数w等因素对阻塞率性能的影响。最后，我们还对改进的最小开销树算法以及最小开销树算法进行了比较，得出改进的最小开销树算法确实优于最小开销树算法的结论。 第五章研究了基于SUM-SaD的组播光交叉连接在输入为静态业务下整个网络中的阻塞率。我们给出了能够结合d-tree特性的多个组播请求的组播路由和波长分配算法的ILP模型，得出以下结论：网络中配置单个波长上同时支持2棵树的MC-OXC比配置单个波长上只支持1棵树的MC-OXC时利用ILP模型能够得到更加优化的路由。 第六章对全文的创新之处和主要工作进行了总结，并进行了研究展望。