基于阵列波导光栅的组播交换网络

葛 茂，叶 通，LEE Tony T，胡卫生，吴 鹏，张小建，吴军民

（1.上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海200240；2.国网智能电网研究院，南京210003）

基于阵列波导光栅的组播交换网络

葛 茂1，叶 通1，LEE Tony T1，胡卫生1，吴 鹏2，张小建2，吴军民2

（1.上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海200240；2.国网智能电网研究院，南京210003）

目前的光组播交换机设计方案存在源器件数目较大、路由算法时间复杂度较高的问题，使得系统的可扩展性较差。针对这些问题，提出了一种基于阵列波导光栅（AW G）的无阻塞三级复制网络。通过级联两个这样的复制网络，实现了一个有源器件数为O(N)的W D M组播交换机，其路由与波长分配时间复杂度可比拟于点到点单播交换网络。

光组播网络；复制网络；阵列波导光栅

0 引言

近年来，视频会议、电子商务及数据中心分布式计算等一对多、高宽带需求的新兴业务快速地发展起来[1,2]。由于光纤的巨大传输容量，波分复用（WDM）光网络已经被认为是下一代通信网络的主导技术之一。同时，伴随着半导体光放大器（SOA）、光耦合器（OC）、可调谐光滤波器（TOF）、波长转换器（WC）及阵列波导光栅（AWG）等光器件的商用化，研究基于这些器件的光组播交换机以支持飞速增长的组播业务成为了光网络领域的一个热门课题。设计光组播交换机的一个主要难点在于保证系统的可扩展性，这可以从两方面考虑：第一，由于有源器件如SOA、TOF和WC等占据着系统的主要开销和能源消耗，因此这些器件的数目不应该随着交换机规模的变大增长太快[3]；第二，系统中用于实现组播的路由算法应该有较低的时间复杂度，从而使得系统容易实现。

本文以文献[4]中的空间域复制网络为基础，提出了一种基于AWG的三级无阻塞光复制网络。此复制网络级联一个基于AWG的点到点交换网络可以成功地实现WDM组播交换功能，即复制网络对每个输入波长信道上的光组播请求信号产生相应副本，之后点到点地交换网络再将这些副本路由到目的输出波长信道。

1 WDM组播网络基础

本文的目标是用AWG和WSC等光器件构建基于WDM的组播网络。为了便于讨论，下面先简单介绍这些器件的功能。

1.1 AWG

一个r×m的AWG是一个与波长集Λ={λ0…,λ|Λ|-1}相关联的静态波长路由器，其中|Λ|=max{r,m}，它有一个波长路由性质：进入输入端口i的信号通过由波长λk∈Λ承载的信道从输出端口j出去，其中k=[i+j]|Λ|。例如，图1是一个3×2的AWG及其波长路由表，与它相关联的波长集是Λ={λ0,λ1,λ2}。

图1 一个3×2的AWG及其波长路由表

1.2 波长复制模块

一个n×k的波长复制模块的功能是将由输入波长集Ω={ω0,ω1,…,ωn-1}承载的一个或者多个信道上的信号复制到由输出波长集Φ={φ0,φ1,…,φk-1}承载的任意一个或者多个信道上。如图2所示，一个5×4的波长复制模块将输入信号通过OC广播到每个波长选择转换模块（WSC），第一个和第二个WSC通过TOF将由ω0承载的信号选择出来，并分别由其固定波长转换器（FWC）将信息复制到φ0和φ1。由图2（c）可以看出，一个波长复制模块逻辑上等效于一个广播Crossbar。如果每个TOF选择不同的波长，那么波长复制模块就只是完成波长转换功能。

图2 一个5×4的波长复制模块、波长复制过程及空分表示

2 基于AWG的三级复制网络

本文提出的基于AWG的N×N三级复制网络由三级波长复制模块和两个AWG构成。其中：输入级有r个m×m的波长复制模块；中间级有m个r×r的波长复制模块；输出级有r个m×m的波长复制模块；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×rAWG连接。每个输入/输出模块连接一根输入/输出光纤。一般来讲，假设每根输入光纤上承载的波长相同且都为Ω={ω0,ω1,…,ωm-1}，输出光纤上承载的波长也相同且都为Φ={φ0,φ1,…,φr-1}，其中N=rm。这个复制网络被表示为CA(r,m)，如图3所示。

根据AWG的波长路由性质，输入级波长复制模块α与中间级波长复制模块γ通过波长λx连接，其中：

|Λ|=max{r,m}。相似地，输出级波长复制模块β和与中间级波长波长复制模块γ通过波长λy连接，其中：

若需要完成从输入模块α的输入波长信道到输出模块β和β′的波长信道的连接，那么就需要在中间级波长复制模块γ将λx上的信息复制到λy以及λy′所承载的信道上去，其中y′=[β′+γ]|Λ|。

3 基于AWG的组播网络

级联两个复制网络CA(r,m)可以构成一个N×N基于AWG的组播网络，表示为M(r,m)。其中，第一个CA(r,m)完成信息复制功能，第二个复制网络CA(r,m)是一个通过点到点交换将副本信息路由到目的端口的Clos网络[3]。因此，第二个复制网络CA(r,m)中的所有波长复制模块只进行波长转换功能。

为了便于描述算法，首先对两个复制网络的所有输入/输出波长信道进行统一标号：将位于输入端口α并由波长ωk承载的信道标记为(α,ωk)，定义其地址为s=mα+k；将位于输出端口β并由波长φl承载的信道标记为(β,φl)，定义其地址为d=rβ+l，如图3所示。

路由与波长分配算法步骤如下。

①组播请求拆分：将M(r,m)中的每个组播请求，分为在复制网络CA(r,m)中完成复制和在点到点网络CA(r,m)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，根据其所来自的输入信道的地址从小到大，依次按照所请求的输出信号个数，从小到大分配复制网络CA(r,m)的输出端口，以形成单调的复制请求。

图3 一个基于AWG的N×N三级复制网络CA(r,m)

②复制网络CA(r,m)中复制请求的无阻塞路由与波长分配。

◆对请求进行标号：将来自地址为s的输入信道和需要复制到信道地址为d的集合D的请求标记为C(s,D)。

因膨润土成分与结构多样，其加工产品应用领域广，不同应用领域产品售价差别较大。为鼓励用较少的资源创造最大的经济效益，从经济效益角度对MEL计算中添加加分项具有更好的现实意义。

◆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,…。

◆分配路由：将标号为Ci的请求分配到标号为γ=[i]m的中间级波长复制模块。

◆波长分配：每个请求在输入级与中间级之间和中间级与输出级之间所采用的波长根据式（1）、式（2）确定。

图4 一个基于AWG的8×8组播网络M(4,2)

③点到点网络CA(r,m)中点到点交换请求的无阻塞路由：按照文献[5,6]中时间复杂度为O(Nlogm)的二分图边着色算法进行点到点单播路由。如图4所示，一个8×8的组播网络M(4,2)由两个CA(4,2)级联构成。假设该网络有如下的组播请求集合：

首先，根据每个组播请求的副本数，连续地复制网络输出波长信道并被依次分配给每个请求。因此，组播网络M(4,2)中的第一个CA(4,2)中的单调复制请求集合由下式给出：

一旦每个组播请求所需的副本由复制网络产生之后，这些副本信号就进入第二个CA(4,2)，并由其完成点到点的交换请求：

在组播网络M(r,m)中，由于第一个复制网络中的路由与波长分配算法的时间复杂度为O(1)，因此整个组播网络的时间复杂度等于第二个点到点交换网络的路由算法时间复杂度，即O(Nlogm)[5,6]。

4 两种方案的比较

在此，我们将本文所提出的设计方案与目前现有的方案进行对比。我们考虑设计一个有r个输入/输出端口且每个端口承载m个波长信道的N×NWDM光组播网络情况，其中N=rm。我们在有源/无源器件数目方面对各种方案进行了对比。其中，有源器件包括SOA、WC和TOF，而由于多输入单输出（或单输入多输出）的AWG可以作为Mux（Demux），因此将Mux/ Demux与AWG数目统归为AWG数量，从而无源器件包括AWG、OC。

表1 各种WDM光组播网络之间的比较

5 结束语

本文提出了一种基于AWG的三级复制网络设计方案，并给出了可比拟于单播路由算法复杂度的路由和波长分配算法。与目前现有的WDM光组播网络相比，本文提出的设计方案所用的有源器件和无源器件数目最少。

[1]LI D,LI Y,WU J,et al.ESM:Efficient and Scalable Data Center Multicast Routing[J].IEEE/ACM Trans.Netw.,2012,20(3):944-955.

[2]JIA W K.A Scalable Multicast Source Routing Architecture for Data Center Networks[J].IEEE J.Sel.Areas Commun.,2014,32(1):116-123.

[3]YE T,LEE T T,HU W.AWG-Based Non-Blocking Clos Networks[J]. IEEE/ACM Trans.Netw.,2015,23(2):491-504.

[4]LEE T T.Non-blocking copy networks for multicast packet switching [J].IEEE J.Sel.Areas Commun.1988,6(9):1455-1467.

[5]LEE T T,LIEW S Y.Parallel Routing Algorithms in Benes-Clos Networks[J].IEEE Trans.Commun.,2002,50(11):1841-1847.

[6]COLE R,OST K,SCHIRRA S.Edge-Coloring Bipartite Multigraphs in O(ElogD)time[J].Combinatorica,2001,21(1):5-12.

[7]YANG Y,WANG J,QIAO C.Non-blocking WDM Multicast Switching Networks[J].IEEE Trans.Parallel Distrib.Syst.,2000,11(12):1274-1287.

[8]YANG Y,WANG J.Designing WDM Optical Interconnects with Full Connectivity by Using Limited Wavelength Conversion[J].IEEE Trans. Comput.,2004,53(12):1547-1556.

[9]PAN D,ANAND V,NGO H Q.Cost-effective Constructions for Nonblocking WDM Multicast Switching Networks[C]//IEEE ICCProc.,Paris France:2004.

AWG-based multicast network for optical switching

GE Mao1,YE Tong1,LEE Tony T1,HU Wei-sheng1, WU Peng2,ZHANG Xiao-jian2,ZHANG Jun-min2
(1.State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.State Grid Smart Grid Research Institute,Nanjing 210003,China)

In the paper,three-stage AWG-based copy networks for optical multicast switching are examined with regard to properties of scalability.It shows that a cascaded combination of an AWG-based non-blocking copy network and a point-to-point switching network can synthesize an WDM multicast network,in which the number of active components is on the order ofO(N),and the time complexity of the routing algorithm is comparable to that of a unicast switch.

optical multicast switching,copy networks,arrayed wave guide grating(AWG)

TN915

A

1002-5561（2016）02-0001-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.001

2015-10-13。

国家自然科学基金（批准号：61271215）资助；全光交换关键技术及电网应用研究课题资助。

葛茂（1990-），男，硕士研究生，主要从事无阻塞交换网络、光组播研究。