一种共享波长转换器装置及解决光分组冲突方法

具体实施方式

本发明总体结构为参量波长转换器结合有限波长转换器的波长转换冲突解决结构及波长转换分配方法，共享波长转换器冲突解决装置部分包括：参量波长转换器、有限波长转换器、合波器、分波器，实现到达光分组交换节点入口的光分组因竞争输出而受阻塞的光分组，在波长上解决分组的冲突问题。波长转换分配方法：对到达光分组交换机输入端口的冲突光分组，首选参量波长转换批量转换受冲突的光分组波长；如果冲突光分组没有找到可用的参量波长转换器，则次选有限波长转换器进行单一波长转换。

本申请的共光波长转换结构和波长转换分配方法，参量波长转换器可实现批量的输入光波长转换为批量输出光波长，而有限波长转换器又可以弥补参量波长转换器保护频带内的波长转换，两者结合使用可减少需求的波长转换器数目。当负载ρ＝0.4时，384波长端口的光分组交换机在达到丢包率0.001时，如果只使用有限波长转换器需要40个，而使用共享波长转换结构则仅需1个参量波长转换器和16个有限波长转换器。因此，共享波长转换结构可提高波长转换器的利用率，减小光分组交换点需求的波长转换器数目。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

附图1为光分组交换机配置的共享波长转换器冲突解决装置图，共享波长转换结构包括P个反馈共享连接的参量波长转换器和L个反馈共享连接有限波长转换器，P个光合波器和P个光分波器。波长转换结构连接的光分组交换节点具有N个光纤输入/输出端口，每根光纤端口有W个波长信道，参量波长转换器的输入端用M:1的合波器来保证多个波长的光分组能够同时进入同一参量波长转换器进行波长转换，参量波长转换器的输出端用1:M的分波器实现光信号波长解复用，根据公式(NW+MP+L)×(NW+MP+L)确定光分组交换矩阵的大小。在仿真实验研究中发现，当交换机端口数N＝4，W＝20，M＝4，P+L＝12，且参数波长转换器个数P与有限波长转换器个数L比值为1∶3时，能得到图1所示结构最小丢包率性能和最少的波长转换器总数。

对于到达光分组交换机输入端口的各分组，结合图1所示结构，我们首先用参量波长转换器优先(PFA)分配波长的方法给输入光分组寻找输出端口的空闲波长信道。PFA是一种求转换偶图最大匹配的算法，其基本思想是对输出波长空闲信道依次开始分配，先选择原波长上分组直接匹配，相当于直接调度无冲突分组输出；对需要波长转换的冲突光分组(个数为M)选择使用参量波长转换器批量波长转换。在参量波长转换中，冲突受阻的光分组输入波长通过合波器实现M个光波长复用后，经参量波长转换器转换实现M个波长的批量转换，由光分波器实现M个光波长的解复用，通过反馈共享方式连接在光交换节点扩展M输出/输入端口。如果参量波长转换器不能解决冲突，我们次选有限波长转换器实现单波长转换。在有限波长转换中，有限波长转换器只能实现单输入波长转换为单输出波长的转换，并通过反馈共享方式连接在光交换节点扩展输出/输入端口，它扩展了波长转换范围和能力，为参量波长转换器转换失败的受阻光分组提供有限波长转换解决冲突的机会。如果通过参量波长转换器和有限波长转换器都未找到转换分配的输出空闲波长，则丢弃该光分组数据包。波长转换解决光分组冲突的控制流程如图2所示。

在图1所示的结构图中，参量波长转换器是基于差频效应的固定波长转换器，它利用物质的二次非线性来进行波长转换的，信号光λ_s和泵浦光λ_p入射到二次非线性介质后，产生被转换光λ＝λ_p-λ_s。如图3所示，系统波长为λ_i，i∈{1，2，……，8}，参量波长转换器泵浦波长λ_p＝λ₅，且λ₄和λ₆处于保护波带内。当泵浦波长处于波带正中间时，波长转换器就能够转换最大数目的波长。值得注意的是：处于保护波带中的波长不能通过参量波长转换器进行转换。

在图1结构中，如果光分组交换机的输入光分组请求调度到输出端口的波长信道时受阻塞，则需要波长转换分配算法控制共享波长转换器工作，以解决光分组的冲突。其中参量波长转换器是优先选择可波长分配方法，参量波长转换优先的PFA算法使用偶图最大匹配的方法批量寻找空闲输出波长。

对于交换机的每个输入/输出光纤端口，包括W个波长信道，我们连接输入光分组和分配的空闲输出端口的W个波长信道，所形成的偶图就称为波长转换偶图。参量波长转换器的波长转换能力用波长转换距离d来表示，1≤d ≤W，设任一到达光分组的输入波长λ_i，i＝1，…，W，i越大，λ_i波长值越大，则λ_i波长可转换为波长λ_i-d或λ_i+d。图4所示的每个光纤端口波长信道数W＝8，左边端点表示各输入光分组请求输出的波长信道λ_i，小黑点数目表示该波长上光分组数目，右边端点表示的是输出空闲波长信道，由左边端点到右边端点的连线，表示到达分组可以分配使用的波长信道，只要找出转换偶图的最大匹配，就可得到最佳分配方案，即得到最小丢包率，达到光分组交换机最大吞吐量。PFA波长偶图最大匹配法分配光分组的空闲输出波长过程如下：

(1)查询各输出端口空闲波长，为每个输出端口建立波长转换偶图(如图4)，左边小黑点表示输出光分组，右边小黑点表示输出空闲波长；

(2)分别对各输出端品的波长转换偶图左边、右边端点从上到下编号；

(3)若波长转换偶图存在右边端点，找到编号最小的，转步骤(4)；若不存在，则波长分配完毕，仍未分配波长信道的分组将进入有限波长转换过程；

(4)为编号最小的右边端点分配冲突光分组。查看是否存在与之相连的左边端点，若不存在，则去掉该右边端点，回到步骤(3)；若存在，转步骤(5)；

(5)查看是否存在与之相连且编号相等的左边端点，若存在(即输出端存在与输入端相同的空闲波长)，则分配该左边端点给右边端点(即直接输出该无冲突的波长分组)，然后在转换偶图中去掉已分配的左右端点和与之相关的转换，回到步骤(3)；若不存在，转步骤(6)；

(6)查找出与右边端点编号差值最大的左边端点，若存在差值相等的，则随机选取一个等待参量波长转换；然后在转换偶图中去掉已分配的左边、右边端点和与之相连接的线。

如图4所示，假设只有λ₃处于参量波长转换器组的保护波带中在转换范围d＝1的情况下，有6个分组到达(用小黑点表示)。连接转换偶图后发现：输出波长信道λ₂和λ₃对应的输入波长均有一个分组，直接分配波长λ₂和λ₃输出；输出波长信道λ₁和λ₄对应的输入波长都有2个分组，此时要随机分配一个分组给分别对应的输出波长信道λ₁和λ₄；而输出端空闲的λ₅就需要从输入波长λ₁和λ₄中选择一个分组，优先使用参量波长转换器，选择与输出波长信道编号与输入波长信道编号差值最大的输入光分组，即输出波长λ₅分配给λ₁输入光分组，而输入波长λ₄分组没有可用的输出波长信道将被丢弃。这样，就得到了如图5所示的分配结果，分配中仅用了1次参量波长转换器，就达到最优分配。

参量波长转换器优先选择分配算法分配完一个波长信道后，又会查找剩下输出空闲波长信道中编号最小者，直到所有的波长通道分配完毕。在为发生冲突的光分组分配波长时，选择编号差值最大的左边端点实现波长转换，实质上就是优先选择参量波长转换器。如果参量波长转换器不能解决冲突，再考虑使用有限波长转换器，这样可以节省使用有限波长转换器的数目。

有限波长转换器能够转换输入分组的波长为一组波长集中的一个可用波长，有限波长转换器的波长转换能力用波长转换距离d来表示，1≤d≤W，设任一到达光分组的输入波长λ_i，其中，i＝1，…，W，且i越大，λ_i波长值越大，该波长可转换为波长域集合[u，v]中的任一波长，其中u＝max{λ₁，λ_i-d}，v＝min{λ_W，λ_i+d}。如图6所示，在W＝8有限波长器转换中，当输入波长λ_i＝λ₄经过波长转换距离d＝1的有限波长转换器后输出波长域集合[u，v]，u＝λ₃，v＝λ₅，即转换后的输出波长可以是λ₃，λ₄和λ₅其中之一。