技术领域
[0001] 本
发明涉及一种及光交换网络技术领域的网络设计方法，具体涉及一种基于
阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)的无阻塞光组播交换网络设计方法。
背景技术
[0002] 归功于光纤的巨大传输容量，波分复用(Wavelength Divide Multiplex，WDM)光网络已经被认为是下一代光网络的主导技术。与此同时，随着近些年视频会议、
电子商务和分布式
云计算等一对多的组播宽带通信业务需求的飞速增长，以及
半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier,SOA)、光
耦合器(Optical Coupler,OC)、Tunable Optical Filter(TOF)、Wavelength Converter(WC)、和阵列波导光栅(AWG)等光器件的成熟，设计基于这些光器件的组播交换网络来充分利用WDM光网络的巨大传输容量以满足不断增长的组播通信需求成为了一个重要的研究课题。
[0003] 设计组播交换光网络所面临的主要难题是系统可扩展性。其具体原因主要有以下三点：
[0004] (1)随着网络规模的扩大，有源光器件(如SOA,TOF和WC)数量不应该增长太快，因为有源光器件占据着系统主要的主要设备开销和
能源消耗。
[0005] (2)作为重要的频带资源，系统中所采用的
波长数目也不应该太大。
[0006] (3)组播交换网络所采用的路由
算法的复杂度也应该尽量低，以便于系统实现。
[0007] 为了克服以上问题，目前基于AWG的组播交换光网络主要有以下四种设计方案：
[0008] 第一种方案将SOA作为光
开关组成基于SOA的光交叉矩阵(crossbar)网络。网络的每个输入端口有一个1×N的OC，每个输出端口有一个N×1OC，每个输入端口通过一个SOA与一个输出端口向相连。一个N×N交换网络需要SOA数量是O(N2)，因此这种方案的可扩展性较差。
[0009] 第二种方案采用SOA构成稀疏交叉矩阵完成交换功能。这种方案中的SOA的数目虽然比第一种方案少，但是对于一个N×N交换网络，该方案仍然需要O(N2)数量的SOA。
[0010] 第三种方案是采用交叉矩阵构建三级的交换网络，每级包含若干个较小规模的SOA交叉矩阵模
块，每个模块与相邻级的每个模块相连。这种方案减少了系统中所使用的SOA数量，但是对于一个N×N交换网络，该方案需要采用复杂度为O(dN)的路由算法。同时，由于各级之间的每条链路并没有充分利用波分复用的优点而只采用的一条链路承载一个波长，因此网络的内部连线复杂度较高。
[0011] 第四种方案是采用基于AWG的交换模块和基于SOA的交叉矩阵构建两级交换网络。一方面，这种方案并没有给出实际可行的路由算法。另一方面，由于基于SOA的交叉矩阵并没有考虑波分复用，因此这种方案的内部连线复杂度也很高。
[0012] 因此，基于以上原因，目前需要针对构建光组播交换网络的可扩展性问题，提供一种基于实用光器件的无阻塞和可扩展的组播交换光网络设计方法。
发明内容
[0013] 为解决上述
现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)的无阻塞光组播交换网络设计方法，该方法使得N×N光组播交换网络所需有源光器件的数量仅为O(N)，并且拥有与单播光交换网络相同的路由算法复杂度。
[0014] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0015] 本发明提供一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络设计方法，其改进之处在于：所述方法包括下述步骤：
[0016] 采用波长复
制模块WR-module与波导阵列光栅AWG构建无阻塞光复制网络；
[0017] 采用基于波导阵列光栅的复制网络和点到点交换的复制网络构建无阻塞光组播交换网络。
[0018] 进一步地：采用波长复制模块WR-module与波导阵列光栅AWG构建无阻塞光复制网络，一个n×k波长复制模块可以将输入的n个波长信道中的任意一个或者多个信道上的
信号复制到k个输出波长信道中的任意一个或者多个信道上，它由一个1×k光耦合器OC通过每个输出端口配置一个波长选择转换器(WSC)并与一个k×1复用器Mux的输入端口相连构成，每一个波长选择转换器WSC由一个可调谐光
滤波器TOF和一个固定波长转换器FWC构成，
输入信号由1×k光耦合器OC广播到k个波长选择转换器WSC，每个波长选择转换器WSC由可调谐光滤波器TOF选出需要复制或者转换的波长信号，由固定波长转换器FWC进行转换，再将转换后的信号经由k×1复用器Mux进行复用并输出。
[0019] 进一步地：一个N×N基于波导阵列光栅的无阻塞三级复制网络 由三级波长复制模块WR-module和两个波导阵列光栅AWG构成，输入级有r个m×m波长复制模块WR-module，中间级有m个r×r波长复制模块WR-module，输出级有r个m×m波长复制模块WR-module，输入级与中间级由一个r×m波导阵列光栅AWG连接，中间级与输出级由一个m×r波导阵列光栅AWG连接；
[0020] 对于r×m的波导阵列光栅AWG，r是输入端口数和输出端口波长信道数，m是每个输入端口波长信道数和输出端口数；
[0021] 对于m×r的波导阵列光栅AWG，m是输入端口数和输出端口波长信道数，r是每个输入端口波长信道数和输出端口数；
[0022] 两个波导阵列光栅AWG的m和r是表示同一个数值。
[0023] 进一步地：所述N×N基于波导阵列光栅的无阻塞三级复制网络 为具有N个输入波长信道和N输出波长信道的无阻塞三级复制网络 所述r×m AWG波导阵列光
栅具有r个输入端口和m个输出端口的波导阵列光栅，其每个输入端口包括m个输入波长信道，每个输出端口包括r个输出波长信道；
[0024] 所述m×r波导阵列光栅AWG具有m个输入端口和r个输出端口的波导阵列光栅，其每个输入端口包括个r输入波长信道，每个输出端口包括m个输出波长信道；r为输入/输出端口数；m为每个输入/输出端口所承载的波长数；
[0025]
输入侧共有N＝rm个输入波长信道，
输出侧共有N＝mr个输出波长信道。
[0026] 进一步地：将完成复制功能的基于波导阵列光栅AWG的无阻塞三级复制网络的输出级与点到点交换的基于波导阵列光栅AWG的点到点复制网络 的输入级进行合并，构成基于基于波导阵列光栅AWG的无阻塞光组播交换网络
[0027] 进一步地：将无阻塞光组播交换网络路由拆分为复制网络中复杂度为O(1)的路由和点到点单播交换网络中的路由，使得组播网络的路由算法复杂度等同于单播路由算法复杂度，包括下述步骤：
[0028] (1)在无阻塞三级复制网络 中，对波长信道进行标号：将位于输入端口α，α＝0，1，...，r-1，并由波长ωk，m＝0，1，...，m-1承载的输入波长信道标记为(α，ωk)，定义其地址为s＝mα+k，s＝0，1，...，rm-1；将位于输出端口β，β＝0，1，...，r-1，并由波长φl，l＝0，1，...，m-1承载的输出信道标记为(β，φl)，定义其地址为d＝rβ+l，d＝0，1，...，rm-1；
[0029] (2)组播
请求拆分：将无阻塞光组播交换网络 中的每个组播请求，分为在无阻塞三级复制网络 中完成复制和在点到点复制网络 (无阻塞三级复制网络 中完成复制和在点到点复制网络 这两个 显然意思不一样，能否用
‘区分开，避免不清楚的问题)中完成点到点交换的两个子请求，拆分原则是对每个组播请求、根据所来自的输入信道地址从小到大、依次按照所请求的
输出信号个数、从小到大分配无阻塞三级复制网络 的输出端口，以形成单调的复制请求；
[0030] (3)无阻塞三级复制网络 中单调复制请求的无阻塞路由与波长分配。
[0031] 进一步地：无阻塞三级复制网络 中单调复制请求的无阻塞路由与波长分配包括下述步骤：
[0032] a)对请求进行标号：将来自地址为s的输入信道、需要复制到信道地址为d的集合D的请求标记为C(s，D)；
[0033] b)对组播请求进行排序：按照对组播请求所来自的输入信道的地址，从小到大进行排序，并依次标号为C0，C1，C2，...，Ci，...
[0034] c)分配路由：将标号为Ci的请求分配到从上到下标号为γ＝[i]m的中间级WR-module；
[0035] d)波长分配：将输入级与中间级之间由波长 承载的信道和中间级与输出级之间由波长 承载的信道分配给来自标号为α的输入级WR-module、被分
配至标号为γ的中间级WR-module、去往标号为β的输出级WR-module的复制请求。
[0036] 本发明提供的技术方案具有的有益效果是：
[0037] (1)本发明基于波导阵列光栅的组播网络 的设计方案所采用的有源光器件的数量为传统技术的一半，因此有效节约了
硬件开销和能源耗损。
[0038] (2)本发明基于波导阵列光栅的组播网络 的设计方案通过将组播网络请求拆分为复制请求和点到点交换请求两部分，两部分路由可以并行操作，而复制网络中的路由算法复杂度仅为o(1)，使得整个组播网络的路由算法复杂度仅仅由点到
点单播网络中的单播路由算法决定，因此本发明基于波导阵列光栅的组播网络 的设计方案中的路由算法复杂度等同于单播路由算法复杂度。
[0039] (3)所有器件均模块化，端口与端口直接相连使得网络连线复杂度低，易于维护。
附图说明
[0040] 图1是本发明提供的n×k波长复制模块WR-module示意图；
[0041] 图2是本发明提供的基于波导阵列光栅的N×N三级复制网络 示意图；
[0042] 图3是本发明提供的基于波导阵列光栅的N×N组播网络 示意图；
[0043] 图4是本发明提供的基于波导阵列光栅的8×8三级复制网络 结构和路由示意图；
[0044] 图5是本发明提供的基于波导阵列光栅的8×8组播网络 构建示意图。
具体实施方式
[0045] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0046] 以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。
实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括
权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
[0047] 一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络设计方法，主要是通过级联两个基于波导阵列光栅的复制网络实现无阻塞组播交换，本设计方法包括以下组件和参数：
[0048] (1)N×N网络：N个输入信道和N输出信道的网络；
[0049] (2)r×m AWG：有r个输入端口和m个输出端口的波导阵列光栅，其每个输入端口包括m个输入波长信道，每个输出端口包括r个输出波长信道；r为输入/输出端口数；m为每个输入/输出端口所承载的波长数。
[0050] (3)n×k WR-module：是可以将输入的n个波长信道中的任意一个或者多个信道上的信号复制到k个输出波长信道中的任意一个或者多个信道上的波长复制模块，如图1所示，由一个1×k光耦合器(OC)通过k个波长选择转换器(Wavelength Selective Converter,WSC)相连一个k×1复用器(Mux)构成，每一个波长选择转换器(WSC)由一个可调谐光滤波器(TOF)和一个固定波长转换器(FWC)构成，输入信号由1×k OC广播到k个WSC，每个WSC由TOF选出需要复制或者转换的波长信号，由FWC进行转换，再将转换后的信号经由k×1Mux进行复用并输出；
[0051] (4)波长转化分界线：位于每个WR-module中间将WR-module分为左右两部分的虚拟分界线，用于逻辑上示出输入波长与输出波长转换点的分界线；
[0052] (5)基于波导阵列光栅的N×N三级复制网络 由三级WR-module和两个AWG构成，输入级有r个m×m WR-module，中间级有m个r×r WR-module，输出级有r个m×m WR-module，输入级与中间级由一个r×m AWG连接，中间级与输出级由一个m×r AWG连接，输入侧共有N＝rm个输入信道，输出侧共有N＝mr个输出信道，如图2所示；对于r*m的波导阵列光栅AWG，r是输入端口数和输出端口波长信道数，m是每个输入端口波长信道数和输出端口数；对于m*r的波导阵列光栅AWG，m是输入端口数和输出端口波长信道数，r是每个输入端口波长信道数和输出端口数；两个波导阵列光栅AWG的m和r是表示同一个数值。
[0053] (1)输入域：在 中，由所有输入级WR-module的波长转化分界线所分隔出的输入侧区域，如图2所示；
[0054] (2)输出域：在 中，由所有输出级WR-module的波长转化分界线所分隔出的输出侧区域，如图2所示；
[0055] (3)复制域：在 中，位于所有输入级WR-module的波长转化分界线和所有输出级WR-module的波长转化分界线中间的区域，如图2所示；
[0056] (4)复制网络输入域波长集：每个输入端口的承载输入信道的波长集合，由于WR-module的波长隔离特性，可将输入域波长集不失一般性地表示为Ω＝{ω0，ω1，…，ωm-1}；
[0057] (5)复制网络输出域波长集：每个输出端口的承载输入信道的波长集合，不失一般性地表示为Φ＝{φ0，φ1，…，φm-1}；
[0058] (6)复制网络复制域波长集：在复制域中承载信道的波长集合Λ＝{λ0，λ1，...，λmax{r，m}-1}；
[0059] (7)基于波导阵列光栅的N×N组播网络 包括两个 网络，并将第一个完成复制功能的 的输出级与第二个进行点到点交换的 输入级进行合并构
成，如图3所示；包括以下网络构造步骤：
[0060] (1)构建基于波导阵列光栅的三级复制网络 在一个r×mAWG的每个输入端口连接一个输入级m×mWR-module的输出端、每个输出端口连接一个中间级r×rWR-module的输入端，每个中间级的r×rWR-module的输出端连接r×mAWG的一个输入端口，而r×m AWG的每个输出端口连接一个m×m WR-module的输入端；
[0061] (2)构建N×N基于波导阵列光栅的组播网络 将一个完成复制功能的复制网络 的输出级与另一个进行点到点交换的点到点复制网络 的输入级进行
合并，构成 包括以下网络路由步骤：
[0062] (1)在 网络中，对信道进行标号：将位于输入端口α(α＝0，1，...，r-1)并由波长ωk(k＝0，1，...，m-1)承载的信道标记为(α，ωk)，定义其地址为s＝mα+k(s＝0，1，...，rm-1)，将位于输出端口β(β＝0，1，...，r-1)并由波长φl(l＝0，1，...，m-1)承载的信道标记为(β，φl)，定义其地址为d＝rβ+l(d＝0，1，...，rm-1)，如图2所示；
[0063] (2)组播请求拆分：将 中的每个组播请求，分为在复制网络 中完成复制和在点到点复制网络 中完成点到点交换的两个子请求，拆分原则是对每个组播请求、根据所来自的输入信道地址从小到大、依次按照所请求的输出信号个数、从小到大分配复制网络 的输出端口，以形成单调的复制请求；
[0064] (3)复制网络 中单调复制请求的无阻塞路由与波长分配：
[0065] a)对请求进行标号：将来自地址为s的输入信道、需要复制到信道地址为d的集合D的请求标记为C(s，D)；
[0066] b)对组播请求进行排序：按照对组播请求所来自的输入信道的地址，从小到大进行排序，并依次标号为C0，C1，C2，...，Ci，...
[0067] c)分配路由：将标号为Ci的请求分配到从上到下标号为γ＝[i]m的中间级WR-module；
[0068] d)波长分配：将输入级与中间级之间由波长 承载的信道和中间级与输出级之间由波长 承载的信道分配给来自标号为α的输入级WR-module、被分
配至标号为γ的中间级WR-module、去往标号为β的输出级WR-module的复制请求；
[0069] (4)点到点复制网络 中点到点交换请求的无阻塞路由：按照目前成熟的点到点单播路由算法进行路由请求。
[0070] 实施例
[0071] 一种基于阵列波导光栅的无阻塞组播交换网络设计方法，应用于具体实施例，设计基于波导阵列光栅的8×8组播网络 包括如下构建步骤：
[0072] (1)构建基于波导阵列光栅的三级复制网络 如图4所示，在一个4×2AWG的每个输入端口连接一个输入级2×2WR-module的输出端、每个输出端口连接一个中间级4×
4WR-module的输入端，每个中间级的4×4WR-module的输出端连接4×2AWG的一个输入端口，而4×2AWG的每个输出端口连接一个2×2WR-module的输入端；
[0073] (2)构建基于波导阵列光栅的8×8组播网络 如图5所示，将一个完成复制功能的复制网络 的输出级与另一个进行点到点交换的点到点复制网络 的输
入级进行合并，构成
[0074] 包括以下网络路由步骤：
[0075] (1)在复制网络 网络中，对信道进行标号：将输入输出信道从上往下依次进行标号，如图4所示；
[0076] (2)组播请求拆分：将 中的组播请求
[0077]
[0078] 分为在复制网络 中完成复制子请求
[0079]
[0080] 和在点到点复制网络 中完成点到点交换子请求
[0081]
[0082] (3)复制网络 中单调复制请求的无阻塞路由与波长分配：
[0083] a)对请求进行标号：依次标记各个复制请求为C(0，{0，1})，C(2，{2})，C(3，{3，4})和C(5，{5，6，7})；
[0084] b)对请求进行排序：按照对组播请求所来自的输入信道的地址，从小到大进行排序，并依次标号为C0＝C(0，{0，1})，C1＝C(2，{2})，C2＝C(3，{3，4})，C3＝C(5，{5，6，7})；
[0085] c)分配路由：请求C0，C1，C2，C3分别被分配到标号为[0]2＝0，[1]2＝1，[2]2＝0，[3]2＝3的中间级WR-module；
[0086] d)波长分配：将输入级与中间级之间由波长λ0承载的信道和中间级与输出级之间由波长λ0承载的信道分配给复制请求C0，将输入级与中间级之间由波长λ2承载的信道和中间级与输出级之间由波长λ2承载的信道分配给复制请求C1，将输入级与中间级之间由波长λ1承载的信道和中间级与输出级之间由波长λ1和λ2承载的信道分配给复制请求C2，将输入级与中间级之间由波长λ2承载的信道和中间级与输出级之间由波长λ0和λ3承载的信道分配给复制请求C3；
[0087] (4)点到点复制网络 中点到点交换请求的无阻塞路由：按照目前成熟的点到点单播路由算法进行路由请求。
[0088] 本发明针对构建光组播交换网络的可扩展性问题，公开了一种基于阵列波导光栅(AWG)的无阻塞光组播交换网络设计方法，采用波长复制模块(WR-module)与阵列波导光栅构建无阻塞光复制网络，级联完成复制功能的复制网络和进行点到点交换的复制网络构建无阻塞光组播交换网络，采用的有源光器件的数量为O(N)，有效节约了硬件开销和能源耗损，将组播网络路由拆分为复制网络中复杂度为O(1)的路由和点到点单播交换网络中的路由，使得组播网络的路由算法复杂度等同于单播路由算法复杂度。
[0089] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行
修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在
申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
