新型組播光開關(guān)及其性能研究.pdf

1、隨著高清電視、視頻會(huì)議、互動(dòng)遠(yuǎn)程教學(xué)等帶寬密集型業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，光組播已經(jīng)得到了業(yè)界廣泛的關(guān)注。在目前存在的多種組播實(shí)現(xiàn)方式中，波分復(fù)用(WDM)光組播是一種帶寬利用最有效的方式。為實(shí)現(xiàn)WDM組播引入了光樹的概念，這是對(duì)單播光網(wǎng)絡(luò)中光路徑的擴(kuò)展。光樹的主要優(yōu)點(diǎn)在于它不像多路單播的實(shí)現(xiàn)方式那樣需要將光組播信號(hào)分別沿獨(dú)立的單播路徑從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到各個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，而是在中間交叉結(jié)點(diǎn)處進(jìn)行光信號(hào)的復(fù)制然后將復(fù)制的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到下游節(jié)點(diǎn)去。因此 在光樹的中間

2、節(jié)點(diǎn)處必須配備組播光交叉連接（Multicast-Capable Optical Cross-Connect，MC-OXC）。典型的組播光交叉連接通常是由解復(fù)用器、某種組播光開關(guān)作為核心結(jié)構(gòu)和復(fù)用器構(gòu)成的，它不僅要完成端口之間的光路連接而且要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的復(fù)制。其中，比較重要的是其核心部分組播光開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，業(yè)界通常使用無源的分光器來實(shí)現(xiàn)組播信號(hào)的光域復(fù)制，因?yàn)檫@種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件造價(jià)低。 在已經(jīng)存在的主要組播光開關(guān)中，分束發(fā)

3、送光開關(guān)(SaD-Splitter and Delivery）結(jié)構(gòu)對(duì)單、組播業(yè)務(wù)均能做到嚴(yán)格無阻塞，不足之處是它并不區(qū)分單、組播業(yè)務(wù)，無論是單播信號(hào)還是組播信號(hào)都會(huì)被分光，這樣會(huì)為單播信號(hào)引入不必要的功率損失，然而光信號(hào)要想被接收單元檢測(cè)，其功率必須超過某個(gè)門限值，盡管光放大器如EDFA能夠提高輸入光信號(hào)的功率，但是EDFA的引入同時(shí)會(huì)帶來某些負(fù)面效應(yīng)，如增加成本，引入噪聲等。因此，設(shè)計(jì)比較完善的光組播交換結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)避免為單播信號(hào)引入損耗

4、，使單、組播信號(hào)能夠分開處理。另一方面，大量的分光器會(huì)使制造過程變得復(fù)雜，從而提高生產(chǎn)成本，但是分光器太少又可能會(huì)造成比較多的組播業(yè)務(wù)不能被滿足，使結(jié)構(gòu)本身的阻塞率性能下降，這樣，設(shè)計(jì)光組播交換結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)在基本不影響阻塞率性能的情況下盡量減少分光器的使用。只有組播被分光的分束發(fā)送光組播交換結(jié)構(gòu)(MO-SaD---Multicast only Splitter and Delivery)是從功率有效和成本有效的角度考慮提出的。它雖然不會(huì)為單

5、播業(yè)務(wù)引入不必要的功率損失，但是由于它在每個(gè)波長(zhǎng)上只能同時(shí)建立一個(gè)組播業(yè)務(wù)，因此會(huì)給組播業(yè)務(wù)帶來比較大的阻塞率。此外，它也并未考慮功率均衡（即單、組播業(yè)務(wù)的接收功率應(yīng)基本相同），當(dāng)組播信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過多個(gè)Mo-SaD轉(zhuǎn)發(fā)后其功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單播信號(hào)的功率，這樣會(huì)增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理復(fù)雜度。 因此，制造一種功率有效、可達(dá)到嚴(yán)格無阻塞，并且易于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功率管理的光組播交換結(jié)構(gòu)是一個(gè)有待解決并且極具現(xiàn)實(shí)意義的問題。 第一章提出了一

6、種能夠結(jié)合分束發(fā)送光開關(guān)和只有組播被分光的分束發(fā)送光開關(guān)兩者優(yōu)點(diǎn)的新型組播光開關(guān)結(jié)構(gòu)，即區(qū)分單、組播的分束發(fā)送光開關(guān)(Separated Unicast/Multicast Splitter-and- Delivery，SUM-SaD），有效的解決了上述問題。此外，在本文第一章中還給出了基于SUM-SaD的光組播交叉連接結(jié)構(gòu)以及SUM-SaD的嚴(yán)格無阻塞條件，最后，我們通過實(shí)驗(yàn)證明了SUM-SaD給單播和組播信號(hào)帶來的誤碼并沒有明顯的差

7、別。 第二章仿真了基于SUM-SaD的組播光交叉連接在異步混合業(yè)務(wù)下的阻塞率性能，通過仿真我們得出：在大多數(shù)混合業(yè)務(wù)下，在單個(gè)波長(zhǎng)上僅僅能夠同時(shí)建立一棵組播光樹的基于SUM-SaD的組播光交叉連接要比同時(shí)建立兩棵樹的阻塞率性能差好多。 我們注意到在單個(gè)波長(zhǎng)上僅能夠建立一棵光樹的基于SUM-SaD的組播光交叉連接等價(jià)于Ali在 [6] 中提出的只有組播被分光的分束發(fā)送光開關(guān)結(jié)構(gòu)，因此，在大多數(shù)異步混合業(yè)務(wù)下，在每個(gè)波長(zhǎng)上能夠支持兩

8、棵以上光樹的基于SUM-SaD的組播光交叉連接的阻塞率性能優(yōu)于MO-SaD。其二，我們得出當(dāng)扇出分布和組播比例固定時(shí)，d存在著一個(gè)門限值，當(dāng)d超過此門限制時(shí)繼續(xù)增大d就無法再得到阻塞率性能的改善了。 其三，我們得到一個(gè)有趣也很有用的結(jié)論，并非組播比例越大，所需要的最優(yōu)的d值越大。也就是說，并非組播業(yè)務(wù)越多，所需要的光開關(guān)的成本越大。 第三章給出了基于SUM-SaD的組播光交叉連接在同步混合業(yè)務(wù)下的阻塞率性能分析。研究發(fā)現(xiàn)：在同步

9、業(yè)務(wù)下，當(dāng)具有相同波長(zhǎng)的組播業(yè)務(wù)同時(shí)到達(dá)基于SUM-SaD的組播光交叉連接時(shí)，會(huì)被同一個(gè)SUM-SaD光開關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，如果這樣的組播業(yè)務(wù)數(shù)超過組播光交叉連接在單個(gè)波長(zhǎng)能夠同時(shí)建立的組播樹的最大數(shù)目（即參數(shù)d）的話，他們會(huì)競(jìng)爭(zhēng)使用同一SUM-SaD中的組播專用通路。由于每個(gè)業(yè)務(wù)均能在單個(gè)時(shí)隙內(nèi)被處理，使得基于SUM-SaD的組播光交叉連接在同步業(yè)務(wù)下的吞吐量最大化就等價(jià)于使得單個(gè)時(shí)隙內(nèi)建立的業(yè)務(wù)盡可能的多。在假設(shè)組播業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于單播業(yè)務(wù)的

10、前提下，我們又將問題模型化為求組播沖突圖的d受限最大獨(dú)立集和求“剩余”單播沖突圖的最大獨(dú)立集。由于圖的最大獨(dú)立集問題是NP-complete的 [8]，我們提出了最小沖突度優(yōu)先、先到先服務(wù)兩種啟發(fā)式算法求任意沖突圖（包括組播業(yè)務(wù)沖突圖和剩余單播業(yè)務(wù)沖突圖）的最大獨(dú)立集。此外，我們還可以采用最小目的成員數(shù)優(yōu)先和最大成員數(shù)優(yōu)先兩種啟發(fā)式算法求組播沖突圖的最大獨(dú)立集。 第四章給出了基于SUM-SaD的組播光交叉連接在輸入為動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)下不

11、同網(wǎng)絡(luò)中的阻塞率性能。我們提出了能夠結(jié)合基于SUM-SaD的組播光交叉連接的d-tree特性、改進(jìn)的最小開銷樹算法，并針對(duì)采用改進(jìn)的最小開銷樹路由算法時(shí)可能出現(xiàn)“不該分的地方分”的問題提出了方案加以解決，以對(duì)改進(jìn)的最小開銷樹算法做進(jìn)一步完善。我們通過仿真分別研究了不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、基于SUM-SaD的組播光交叉連接在每個(gè)波長(zhǎng)上能夠同時(shí)服務(wù)的組播業(yè)務(wù)的最大數(shù)目d、以及每條鏈路支持的波長(zhǎng)數(shù)w等因素對(duì)阻塞率性能的影響。最后，我們還對(duì)改進(jìn)的最小開

12、銷樹算法以及最小開銷樹算法進(jìn)行了比較，得出改進(jìn)的最小開銷樹算法確實(shí)優(yōu)于最小開銷樹算法的結(jié)論。 第五章研究了基于SUM-SaD的組播光交叉連接在輸入為靜態(tài)業(yè)務(wù)下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的阻塞率。我們給出了能夠結(jié)合d-tree特性的多個(gè)組播請(qǐng)求的組播路由和波長(zhǎng)分配算法的ILP模型，得出以下結(jié)論：網(wǎng)絡(luò)中配置單個(gè)波長(zhǎng)上同時(shí)支持2棵樹的MC-OXC比配置單個(gè)波長(zhǎng)上只支持1棵樹的MC-OXC時(shí)利用ILP模型能夠得到更加優(yōu)化的路由。 第六章對(duì)全文的