本發(fā)明涉及光交換網(wǎng)絡技術領域，特別是涉及一種基于陣列波導光柵(ArrayedWaveguideGrating，AWG)的無阻塞組播交換網(wǎng)絡。

背景技術：

歸功于光纖的巨大傳輸容量，波分復用(WavelengthDivideMultiplex，WDM)光網(wǎng)絡已經被認為是具有巨大傳輸帶寬的下一代光網(wǎng)絡的主導技術。而與此同時，網(wǎng)絡中的視頻會議、IPTV、數(shù)據(jù)中心分布式并行計算等通信業(yè)務快速興起，特別是面向支持股市預測、災難預警、疾病診斷、商品推薦和用戶喜好分析等應用的MapReduce、Hapdoop、Spark等大規(guī)模數(shù)據(jù)分析業(yè)務發(fā)展迅猛。這些業(yè)務通常需要分布式地運行在一個或者多個服務器集群中，并且以一對多或者多對多的通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，這就給通信網(wǎng)絡帶來了巨大的支持高帶寬組播業(yè)務的需求。隨著近年來半導體光放大器(SemiconductorOpticalAmplifier,SOA)、光耦合器(OpticalCoupler,OC)、TunableOpticalFilter(TOF)、WavelengthConverter(WC)和陣列波導光柵(AWG)等光器件的成熟，設計基于這些光器件的組播交換網(wǎng)絡來充分利用WDM光網(wǎng)絡的巨大傳輸容量以滿足不斷增長的組播通信需求成為了一個重要的研究課題。

設計組播交換光網(wǎng)絡所面臨的主要難題是確保系統(tǒng)的無阻塞性條件下實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展。其具體原因主要有以下三點：

(1)隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，有源光器件(如SOA,TOF和WC)數(shù)量不應該增長太快，因為有源光器件占據(jù)著系統(tǒng)主要的設備開銷和能源消耗。

(2)網(wǎng)絡中采用的無源器件規(guī)模不應太大，因為AWG和OC等無源光器件的性能會隨著輸入/輸出端口數(shù)的變大而急劇惡化。

(3)作為重要的頻帶資源，系統(tǒng)中所采用的波長數(shù)目也不應該太大。

(4)組播交換網(wǎng)絡所采用的路由算法的復雜度也應該盡量低，以便于系統(tǒng)實現(xiàn)。

為了克服以上問題，目前基于AWG的組播交換光網(wǎng)絡主要有以下四種設計方案：

第一種方案將SOA作為光開關組成基于SOA的無阻塞crossbar網(wǎng)絡。網(wǎng)絡的每個輸入端口有一個1×NOC，每個輸出端口有一個N×1OC，每個1×NOC的輸出端口通過一個SOA與每個N×1OC的輸入端口相連。一個N×N交換網(wǎng)絡需要SOA數(shù)量是O(N²)，因此這種方案的可擴展性較差。

第二種方案采用SOA構成稀疏crossbar網(wǎng)絡完成交換功能。這種方案中的SOA的數(shù)目雖然比第一種方案少，但是對于一個N×N交換網(wǎng)絡，該方案仍然需要O(N²)數(shù)量的SOA。

第三種方案是采用基于SOA的crossbar網(wǎng)絡模塊構建三級的交換網(wǎng)絡，每級包含若干個較小規(guī)模的SOA交叉矩陣模塊，每個模塊與相鄰級的每個模塊相連。這種方案減少了系統(tǒng)中所使用的SOA數(shù)量，但是對于一個N×N交換網(wǎng)絡，該方案需要采用復雜度為O(dN)的無阻塞路由算法。同時，由于各級之間的每條鏈路并沒有充分利用波分復用的優(yōu)點而只采用的一條鏈路承載一個波長，因此網(wǎng)絡的內部連線復雜度較高。

第四種方案是采用基于AWG的交換模塊和基于SOA的交叉矩陣構建兩級交換網(wǎng)絡。一方面，這種方案并沒有給出實際可行的無阻塞路由算法。另一方面，由于基于SOA的交叉矩陣并沒有考慮波分復用，因此這種方案的內部連線復雜度也很高。

第五種方案是基于一個AWG構建組播無阻塞交換網(wǎng)絡。這種方案將AWG的一部分輸入端口作為單播輸入端口，其余作為組播輸入端口，組播請求數(shù)據(jù)進入網(wǎng)絡需要進行一次額外的交換進入組播端口進行組播，因此其組播能力比較有限且需要額外的交換代價。另外，這個結構中的AWG的輸入輸出端口數(shù)、波長變換器的調諧范圍以及系統(tǒng)的波長粒度都隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大而線性地增加，這使得系統(tǒng)的可擴展性較差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對構建無阻塞光組播交換網(wǎng)絡的可擴展性問題，提出一種基于波導陣列光柵的無阻塞、可擴展的光組播交換網(wǎng)絡，采用波長復制模塊(WR-module)與陣列波導光柵(AWG)以遞歸的方式構建無阻塞光復制網(wǎng)絡，通過級聯(lián)進行數(shù)據(jù)復制的復制網(wǎng)絡和進行點到點交換的復制網(wǎng)絡構建無阻塞光組播交換網(wǎng)絡，使得構建有r個輸入/輸出端口且每個端口承載著m個波長的N×N光組播交換網(wǎng)絡所需有源光器件的數(shù)量僅為O(N log_mN)，其中N＝rm，并且擁有與單播光交換網(wǎng)絡相同的路由算法復雜度。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：

包括以下網(wǎng)絡構造步驟：

1)構建基于AWG的多級復制網(wǎng)絡以m×mWR-module和m×mAWG構造三級復制網(wǎng)絡通過對每個子網(wǎng)的i＝log_m r-1次遞歸分解，使得中間級網(wǎng)絡單元成為從而構造出多級復制網(wǎng)絡

2)構建基于AWG的N×N組播網(wǎng)絡級聯(lián)兩個多級復制網(wǎng)絡并將輸入側完成復制功能的復制網(wǎng)絡的輸出級與輸出側完成點到點單播交換的復制網(wǎng)絡的輸入級進行合并，構成

包括以下網(wǎng)絡路由步驟：

1)組播請求拆分：將中的每個組播請求拆分為在輸入側復制網(wǎng)絡中完成復制的子請求和在輸出側復制網(wǎng)絡中完成點到點交換的子請求，拆分原則是依次對每個組播請求、根據(jù)其數(shù)據(jù)所來自的輸入信道地址從小到大、按照所請求的輸出組播數(shù)據(jù)副本個數(shù)、從小到大地分配輸入側復制網(wǎng)絡的輸出信道，從而在輸入側復制網(wǎng)絡中構造出單調的復制請求，在輸出側復制網(wǎng)絡中構造出點到點交換請求；

2)輸入側復制網(wǎng)絡中單調復制請求的無阻塞路由與波長分配：

a)對請求進行標號：把需要將來自地址為s的輸入信道的數(shù)據(jù)復制到輸出信道地址為d的集合D的復制請求標記為C(s,D)；

b)對組播請求進行排序：按照對組播請求的數(shù)據(jù)所來自的輸入信道的地址大小，從小到大進行排序，并依次標號為C₀,C₁,C₂,…,C_i,…；

c)分配路由和波長：將標號為C_i的請求分配到從上到下標號為γ＝[i]_m的中間級子網(wǎng)，標號為α的輸入級WR-module與中間級子網(wǎng)γ之間采用波長標號為β的輸入級WR-module與中間級子網(wǎng)γ之間采用波長并遞歸地在各個子網(wǎng)中進行同樣的分配：將子網(wǎng)中的請求進行重新排序，標號為C_i的請求在子網(wǎng)γ中重新被標記為C_i′，其中再根據(jù)新的序號i′對該請求在子網(wǎng)中分配路由和波長，最后在中間級網(wǎng)絡單元中采用相同的分配原則將請求分配到相應的WR-module；

3)點到點網(wǎng)絡中點到點交換請求的無阻塞路由：按照目前成熟的點到點單播路由算法進行路由；

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明基于波導陣列光柵的組播網(wǎng)絡的設計方案所采用的有源器件數(shù)目的數(shù)量級僅僅為O(N log_m N)。對于特殊的變量取值(E是一個常數(shù))，這個數(shù)量級變?yōu)镺(N)。在構建大規(guī)模光組播交換網(wǎng)絡時可以有效節(jié)約硬件開銷和能源耗損。

2)構建網(wǎng)絡只采用模塊化的m×m的AWG和m×mWR-module。同時，由于在充分利用了波長復制模塊的波長隔離作用，本發(fā)明在網(wǎng)絡中實現(xiàn)波長重用從而將波長粒度和波長選擇轉換器的調諧范圍減小至m，且AWG的大小和網(wǎng)絡波長粒度的大小不隨網(wǎng)絡規(guī)模的增大而增大。

3)本發(fā)明基于波導陣列光柵的組播網(wǎng)絡的設計方案通過將組播網(wǎng)絡請求拆分為復制請求和點到點交換請求兩部分，兩部分路由可以并行操作，而復制網(wǎng)絡中的路由算法復雜度僅為O(1)，使得整個組播網(wǎng)絡的路由算法復雜度僅僅由點到點單播網(wǎng)絡中的單播路由算法決定，因此本發(fā)明基于波導陣列光柵的組播網(wǎng)絡的設計方案中的路由算法復雜度等同于單播路由算法復雜度。

附圖說明

圖1是m×mWR-module示意圖；

圖2是基于波導陣列光柵的N×N三級復制網(wǎng)絡示意圖；

圖3是基于波導陣列光柵的三級復制網(wǎng)絡示意圖；

圖4是基于波導陣列光柵的27×27三級復制網(wǎng)絡結構和路由示意圖；

圖5是基于波導陣列光柵的27×27組播網(wǎng)絡構建示意圖；

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

一種基于陣列波導光柵的無阻塞光組播交換網(wǎng)絡，主要是通過級聯(lián)兩個基于波導陣列光柵的復制網(wǎng)絡實現(xiàn)無阻塞組播交換，包括以下組件和參數(shù)：

(1)N×N網(wǎng)絡：有N個輸入信道和N個輸出信道的網(wǎng)絡；

(2)m×mAWG：有m個輸入端口和m個輸出端口的波導陣列光柵，其每個輸入/輸出端口承載m個輸入波長信道；

(3)m×mWR-module：可以將輸入的m個輸入波長信道中的任意一個或者多個信道上的信號復制到m個輸出波長信道中的任意一個或者多個信道上的波長復制模塊，如圖1所示，由一個1×m光耦合器(OC)通過m個波長選擇轉換器(WavelengthSelectiveConverter,WSC)相連一個m×1復用器(Mux)構成，每一個波長選擇轉換器(WSC)由一個可調諧光濾波器(TOF)和一個固定波長轉換器(Fixed Wavelength Converter,FWC)構成，Ω和Φ分別為輸入波長集合和輸出波長集合，輸入信號由1×mOC廣播到m個WSC，每個WSC由TOF選出需要復制或者轉換的波長信號，由FWC進行轉換，再將轉換后的信號經由m×1Mux進行復用并輸出；

(4)波長轉化分界線：位于每個WR-module中間將WR-module分為左右兩部分的虛擬分界線，用于邏輯上示出輸入波長與輸出波長轉換點的分界線，波長轉換使得WR-module具有波長隔離性，即波長轉化分界線左側的輸入波長與右側的輸出波長不相關，如圖1所示；

(5)基于AWG的N×N三級復制網(wǎng)絡由m×mWR-module和m×mAWG構成。該三級復制網(wǎng)絡有r個輸入端口和r個輸出端口，每個端口配置一個m×mWR-module，則輸入級和輸出級各有r個m×m WR-module；同一級的每m個連續(xù)的m×mWR-module連接到一個m×mAWG，則輸入側和輸出側分別有r′個m×mAWG，其中r＝r′m；輸入側的r′個m×mAWG與輸出側的r′個m×mAWG之間的中間級有m個復制網(wǎng)絡輸入側的AWG的每個輸出端口連接一個中間級復制網(wǎng)絡的輸入端口，輸出側的AWG的每個輸入端口連接一個中間級復制網(wǎng)絡的輸出端口。如圖2所示，在中，從上到下依次給輸入級WR-module、輸入側AWG、中間級子網(wǎng)、輸出側AWG、輸出級WR-module標號之后，標號為α的輸入級WR-module與標號為γ的之間通過波長λ_k連接，標號為β的輸出級WR-module與標號為γ的之間通過波長λ_l連接，其中k＝[[α]_m+γ]_m，l＝[[β]_m+γ]_m；

(6)N×N三級復制網(wǎng)絡的中間級子網(wǎng)用構建相同的方法遞歸構建的由m×m WR-module和m×mAWG組成的更小規(guī)模復制網(wǎng)絡，其有r′個輸入端口和r′個輸出端口，每個端口配置一個m×mWR-module，每m個連續(xù)的m×m WR-module連接到一個m×mAWG，輸入側和輸出側分別有r′個m×mAWG，且輸入側的r′個m×mAWG與輸出側的r′個m×mAWG之間有m個中間級子網(wǎng)，輸入側的AWG的每個輸出端口連接一個中間級子網(wǎng)的輸入端口，輸出側的AWG的每個輸入端口連接一個中間級子網(wǎng)的輸出端口；

(7)輸入域：在中，由所有輸入級WR-module的波長轉化分界線所分隔出的輸入側區(qū)域，如圖2所示；

(8)輸出域：在中，由所有輸出級WR-module的波長轉化分界線所分隔出的輸出側區(qū)域，如圖2所示；

(9)復制域：在中，位于所有輸入級WR-module的波長轉化分界線和所有輸出級WR-module的波長轉化分界線中間的區(qū)域，如圖2所示；

(10)復制網(wǎng)絡輸入域波長集：在中，每個輸入端口的承載輸入信道的波長集合，利用WR-module的波長隔離性質，輸入域波長集可以用Λ＝{λ₀,λ₁,…,λ_m-1}表示；

(11)復制網(wǎng)絡輸出域波長集：每個輸出端口的承載輸入信道的波長集合，利用WR-module的波長隔離性質，輸入域波長集也可以用Λ＝{λ₀,λ₁,…,λ_m-1}表示；

(12)復制網(wǎng)絡復制域波長集：在復制域中承載信道的波長集合，利用WR-module的波長隔離性質并結合網(wǎng)絡的遞歸構造方法，復制域波長集也可以用Λ＝{λ₀,λ₁,…,λ_m-1}表示；

(13)輸入波長信道：位于標號為α的輸入級WR-module上、由波長λ_k承載的信道，記為(α，λ_k)，其中α＝0,1,…,r-1，k＝0,1,…,m-1，如圖2所示；

(14)輸出波長信道：位于標號為β的輸出級WR-module上、由波長λ_l承載的信道，記為(β,λ_l)，其中β＝0,1,…,r-1，l＝0,1,…,m-1，如圖2所示；

(15)輸入信道一維標號：輸入波長信道(α,λ_k)的一維標號為s＝mα+k，s＝0,1,…,rm-1，如圖2所示；

(16)輸出信道一維標號：輸出波長信道(β,λ_l)的一維標號為d＝rβ+l，d＝0,1,…,rm-1，如圖2所示；

(17)遞歸分解次數(shù)i：以構造復制網(wǎng)絡相同的方法分解子網(wǎng)為由WR-module、AWG和更小的子網(wǎng)組成的復制網(wǎng)絡的次數(shù)，i＝1,…,log_m r-1；

(18)基于AWG的三級復制網(wǎng)絡經過i次遞歸分解復制網(wǎng)絡子網(wǎng)的中間級網(wǎng)絡單元，其由三級WR-module和兩個AWG構成，輸入級有r_i個m×m WR-module，中間級有m個r_i×r_i WR-module，輸出級有r_i個m×m WR-module，輸入級與中間級由一個r_i×mAWG連接，中間級與輸出級由一個m×r_iAWG連接，輸入側共有mr_i個輸入信道，輸出側共有mr_i個輸出信道，從上到下依次給輸入級WR-module、輸入側AWG、中間級WR-module、輸出側AWG、輸出級WR-module標號之后，標號為α的輸入級WR-module與標號為γ的中間級WR-module之間通過波長λ_x′連接，標號為β的輸入級WR-module與標號為γ的中間級WR-module之間通過波長λ_y′連接，其中，x′＝[α+γ]_|Λ|，y′＝[β+γ]_|Λ|，|Λ|＝max{r_i,m｝，如圖3所示；

(19)基于AWG的N×N復制網(wǎng)絡通過對的子網(wǎng)遞歸分解i＝log_mr-1次構造的多級復制網(wǎng)絡，其由m×mWR-module和m×mAWG構成，中間級網(wǎng)絡單元為

(20)基于AWG的N×N組播網(wǎng)絡包括兩個網(wǎng)絡，通過將輸入側完成復制功能的的輸出級與輸出側進行點到點交換的輸入級進行合并構成；

(21)波長粒度：光組播網(wǎng)絡中所使用的不同波長的數(shù)目，在中波長粒度為m；

一種基于陣列波導光柵的無阻塞組播交換網(wǎng)絡設計方法，應用于具體實施例，設計基于波導陣列光柵的27×27組播網(wǎng)絡包括如下構建步驟：

(1)構建基于波導陣列光柵的27×27多級復制網(wǎng)絡首先構造三級復制網(wǎng)絡網(wǎng)絡有3個輸入/輸出端口且每個端口承載3個波長信道，在網(wǎng)絡輸入級的每個輸入/輸出端口配置一個3×3WR-module且每3個連續(xù)的3×3WR-module連接到一個3×3AWG，輸入側的3個3×3AWG與輸出側的3個3×3AWG之間有3個中間級子網(wǎng)輸入側的AWG的每個輸出端口連接一個中間級子網(wǎng)的輸入端口，輸出側的AWG的每個輸入端口連接一個中間級子網(wǎng)的輸出端口，以相同的方法遞歸構建i＝log₃ 9-1＝1次中間級子網(wǎng)直到中間級網(wǎng)絡單元成為這樣構造出多級復制網(wǎng)絡如圖4所示；

(2)構建基于波導陣列光柵的27×27組播網(wǎng)絡如圖5所示，級聯(lián)兩個復制網(wǎng)絡并將輸入側完成復制功能的復制網(wǎng)絡的輸出級WR-module與輸出側進行點到點交換的復制網(wǎng)絡的輸入級WR-module進行合并，構成

包括以下網(wǎng)絡路由步驟：

(1)在復制網(wǎng)絡網(wǎng)絡中，對信道進行標號：將輸入/輸出信道從上往下依次進行標號，如圖4所示；

(2)組播請求拆分：將中的組播請求：

分為在復制網(wǎng)絡中完成復制子請求：

和在點到點網(wǎng)絡中完成點到點交換子請求：

(3)復制網(wǎng)絡中單調復制請求的無阻塞路由與波長分配：

a)對請求進行排序：按照對組播請求所來自的輸入信道的地址，從小到大進行排序，并依次標號為C₀＝C(0,｛0,1｝),C₁＝C(3,｛2,3｝),…,C₉＝C(20,{23,24,25,26})

b)分配路由：請求C₀,C₁,…,C₉分別被分配到標號為[0]₃＝0,[1]₃＝1,[2]₃＝2,…,[9]₃＝0的中間級WR-module；

c)波長分配：以請求C₁＝C(3,{2,3})為例，將其分配到標號為γ＝[1]₃＝1的中間級子網(wǎng)，標號為1的輸入級WR-module與中間級子網(wǎng)γ＝1之間采用波長λ₂，標號為0的輸入級WR-module與中間級子網(wǎng)γ＝1之間采用波長λ₁，標號為1的輸入級WR-module與中間級子網(wǎng)γ＝1之間采用波長λ₂，并遞歸地在各個子網(wǎng)中進行同樣的分配，將子網(wǎng)中的請求進行重新排序，請求C₁在子網(wǎng)γ＝1中重新被標記為C_i′，其中再根據(jù)新的序號i′＝0對該請求在子網(wǎng)中分配路由和波長，即將請求分配到子網(wǎng)中標號為γ＝[0]₃＝0的中間級WR-module，且子網(wǎng)中標號為0的輸入級WR-module與中間級WR-module之間采用波長λ₀，標號為0的輸出級WR-module與中間級子網(wǎng)γ＝0之間采用波長λ₀，這樣請求C₁在輸入側經歷的光路為：以波長λ₀輸入，經過標號為1的輸入級WR-module轉換為λ₀，經子網(wǎng)中標號為0的輸入側WR-module轉換為λ₀，經子網(wǎng)中標號為0的中間級WR-module轉換為λ₀，經子網(wǎng)中標號為0的輸出側WR-module復制到λ₁和λ₂，之后λ₁被標號為0的輸出級WR-module轉換為λ₂輸出，λ₂被標號為1的輸出級WR-module轉換為λ₀輸出，其他請求按照同樣地方法進行路由和波長分配；

(4)輸出側完成點到點單播交換的復制網(wǎng)絡中點到點交換請求的無阻塞路由：按照目前成熟的點到點單播路由算法進行路由。