光組播和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)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(lái)高速大容量網(wǎng)絡(luò)中仍將起到主導(dǎo)作用。光分插復(fù)用器和光交叉連接實(shí)現(xiàn)全光轉(zhuǎn)發(fā)和上下路，減輕電路由器負(fù)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(jìn)過(guò)程中的重要步驟。光交叉連接具備波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能，可以克服光網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)連續(xù)性約束，提高波長(zhǎng)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(jì)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(lái)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(wèn)題有：易集成低成本的光信號(hào)復(fù)制技術(shù)，無(wú)阻塞并有良好擴(kuò)展性的組播光交叉連接設(shè)計(jì)，以波長(zhǎng)通道資源和時(shí)延為優(yōu)化目標(biāo)的組播路由波長(zhǎng)分配算法，組播節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中部署波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和組播功能，以最少的資源代價(jià)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(gè)交換節(jié)點(diǎn)的造價(jià)：(1)在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)共享一定數(shù)量的波長(zhǎng)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(gè)節(jié)點(diǎn)中實(shí)際使用的波長(zhǎng)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(diǎn)數(shù)是整個(gè)光交換節(jié)點(diǎn)造價(jià)的重要組成部分，基于多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)多個(gè)小型光開(kāi)關(guān)，構(gòu)建大規(guī)模光交換矩陣，減少交叉點(diǎn)數(shù)和功率損耗。
　　 其次，從宏觀整個(gè)網(wǎng)絡(luò)角度削減波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和組播器件的數(shù)量：(3)稀疏波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和稀疏光組播，即在網(wǎng)絡(luò)中的一部分節(jié)點(diǎn)合理放置

4、波長(zhǎng)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換和組播交換節(jié)點(diǎn)及其網(wǎng)絡(luò)性能開(kāi)展了以下工作：
　　 1.共享固定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器光交叉連接結(jié)構(gòu)與阻塞性能分析
　　 共享波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器可以提高波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的利用效率，根據(jù)波長(zhǎng)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(diǎn)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(jiǎn)單但共享效率低;兩者都只能共享可調(diào)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。第二章提出新型波長(zhǎng)共享結(jié)構(gòu)，基于三

5、級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)共享固定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，既可實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞端到端連接，又可以用小型光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模交換矩陣。我們推導(dǎo)出波長(zhǎng)共享結(jié)構(gòu)在同步對(duì)稱業(yè)務(wù)下的解析模型，準(zhǔn)確計(jì)算了阻塞率和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器利用率。仿真和理論分析證實(shí)，波長(zhǎng)共享結(jié)構(gòu)可以獲得與節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(約20％～30％)，即可獲得與完全波長(zhǎng)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)不需要對(duì)交換矩陣進(jìn)

6、行任何擴(kuò)展，且能節(jié)省約50％的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。
　　 2.基于多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的組播波長(zhǎng)分配算法
　　 多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是一種可行的光信號(hào)復(fù)制技術(shù)，不會(huì)引入分光損耗，但目前組播波長(zhǎng)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換相關(guān)的組播分配算法。第三章研究基于多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的組播波長(zhǎng)分配算法。為了提高組播器件利用率，多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在節(jié)點(diǎn)中全局共享。波長(zhǎng)分配算法的首要優(yōu)化目標(biāo)為最大化可覆蓋目的成員數(shù)目，次要目標(biāo)為最小化波長(zhǎng)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(diǎn)上的波長(zhǎng)最優(yōu)分配問(wèn)題等效成偶圖的最大權(quán)匹配問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)少量多波長(zhǎng)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(wú)阻塞四級(jí)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(jì)和運(yùn)行的最大挑戰(zhàn)。第四章考慮多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的能耗問(wèn)題，通過(guò)減少分光級(jí)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(jí)組播四級(jí)網(wǎng)絡(luò)，稱為4(2m)-級(jí)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(wú)阻塞和可重構(gòu)無(wú)阻塞的充分條件及數(shù)學(xué)證明。4(2m)-級(jí)組播網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度(以交叉點(diǎn)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))為O(N3/2)，比三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)低，與4(3m)-級(jí)組播網(wǎng)絡(luò)相同，具有良好的規(guī)?？蓴U(kuò)展性。我們進(jìn)一步將組播級(jí)數(shù)減至一級(jí)，提出4(1m)-級(jí)組播網(wǎng)絡(luò)，并給出其在f-cast組播業(yè)務(wù)下，廣義無(wú)阻塞和可重構(gòu)無(wú)阻塞充分條件。最后我們將四級(jí)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(shí)所提出的4(2m)-級(jí)組播網(wǎng)絡(luò)和4(1m)-級(jí)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的稀疏放置問(wèn)題
　　 可重構(gòu)光分插復(fù)用是整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)中增長(zhǎng)最為快速的細(xì)分市場(chǎng)，而波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)是該領(lǐng)域的關(guān)鍵器件?；诓ㄩL(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)的光交換節(jié)點(diǎn)天然具備完全組播能力，但是很難和波長(zhǎng)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò)中一部分節(jié)點(diǎn)為WSS組播節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。組播和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)放