OBS網絡中基于擴展Benes矩陣的節點串擾分析

張素萍，張 建，楊正宇，龍衛新

（1.河南煤業化工集團 信息中心，河南 鄭州 450046；2.華夏郵電咨詢監理有限公司 河南 鄭州 450007）

隨著波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術的發展，在光網絡的單根光纖中可容納多個高速波長信道，目前的數據顯示可達到200多個波長信道，單根光纖鏈路的總速率甚至已經達到T b/s的數量級[1-2]。如此高的傳輸速率對網絡的交換節點產生了巨大壓力，在中間交換節點通常需要光/電和電/光的轉換，而由于電子瓶頸的存在，網速受到了極大的限制，很大程度上不能滿足對高速的需求，因此，數據能在光域透明的交換已勢在必行，即全光交換。盡管光分組交換及光分組流交換，其初衷是希望能完全在光域上實現光的分組交換，進而完成光的比特級交換，理論上是可行的，但目前由于光分組交換所需要的一些關鍵性器件如：高速光開關、光緩存器等還未取得重大突破，控制部分仍需要在電域完成，而且在光網絡中還較難實現同步，所以光分組交換技術尚不能從實驗室走向實踐[3]，而光路交換的帶寬利用率低、靈活性差，不能適應數據業務高速增長的需要，由此，人們提出了光突發交換（Optical Burst Switching，OBS），OBS被看作是光分組交換和光路由交換的折中方案，既綜合了這兩者的優點，又克服了它們的不足[4]，能很好的支持分組業務，而且也易于實現，是一種很有發展潛力的交換模式。

串擾是指由于光器件隔離度的不理想或者非線性光學效應的作用，其他光路通道的信號會泄漏到本光傳輸通道，OBS的核心節點的交換結構是由一系列光器件組成的，由于這些器件隔離度有限，在對光信號傳輸和接收時，各鏈路和信道之間會產生串擾[5-7]，嚴重影響了通信質量，因此，有必要對OBS核心節點結構中的串擾情況進行分析研究，擴展Benes交換矩陣作為一種常見的光交換矩陣，分析其應用于OBS交換網絡時結構的串擾情況具有一定的理論意義。

1 OBS節點結構和擴展Benes矩陣

OBS核心節點結構硬件組成主要包括以下幾個部分：光交換模塊、交換控制模塊、協議處理模塊以及線路模塊[8]，核心節點中影響網絡性能的因素很多，其中關鍵因素主要有：光交換模塊的結構性能、調度算法與沖突解決方法等。光交換模塊為光突發交換核心節點物理層的核心部分，而調度算法與沖突解決方法等為核心節點的交換控制部分。光交換模塊與交換控制部分之間的聯系十分緊密，交換控制部分的設計，一定建立在結構確定的光交換模塊之上，而且一些調度算法或者解決方法皆需要特定結構的光交換模塊來支持。

核心交換節點主要分成兩大功能部分：一是電控制部分；另一部分為光交換部分。其中電控制部分包括交換控制單元，光交換部分包括解復用器、光纖延遲線、空分交叉矩陣、復用器等。如圖1所示n個輸入輸出端口采用密集波分復用（DWDM）光纖鏈路，每根光纖上復用k+1個波長，其中k個波長用于數據突發包的傳輸，其余1個波長承載突發控制包頭信息，輸入光纖經波分解復用器后，突發控制單元被送到交換控制部分，集中進行調度、處理和交換，而數據突發包經過一串光纖延遲線后，由光交換矩陣分別交換。

圖1 OBS核心節點交換結構Fig.1 Switching structure of OBS core node

目前用于光交換的矩陣有多種，如Crossbar、Doublecrossbar、Tree、Simplified tree和 Extended baseline光交換矩陣，文中是以擴展Benes光交換矩陣[9]為例，如圖2所示，將其用于OBS核心節點結構中，繼而分析整個結構的串擾情況。

圖2 4×4擴展Benes結構示意圖Fig.2 Structure diagram of extended Benes matrix

2 串擾理論分析

2.1 串擾評價方法

為了更好地分析串擾對信號的影響，很有必要提出符合實際的接收機模型，如圖3給出了文中所采用的接收機模型[10]。在此模型中，一個受串擾影響的信號輸入到光探測器，探測器將光信號變為電信號之后再經過電濾波器，將電帶寬外的噪聲濾除掉，最后經由判決電平將信號還原出來。因為光探測器所輸出的電信號與輸入的光功率成正比關系，而干凈信號所輸出的電平只和信號的功率成正比，所以在忽略探測器自身的噪聲的情況下，將沒有誤碼出現，對于受到干擾的信號，除了信號功率外還存在噪聲與信號的拍功率或者稱為拍噪聲，外加噪聲功率，這些功率都將給信號的正確判決造成不利的影響。在一般情況下，信號串擾之間的拍噪聲越大，影響就越嚴重，在此噪聲自身功率很小，可以忽略不計，所以主要的影響就是信號與串擾之間的拍噪聲。

圖3 光接收機模型Fig.3 Optical receiver model

定義由串擾引起的歸一化的平均噪聲功率（一種相對強度噪聲）為：

其中Rci是第i路串擾光對信號光的強度，fi為信號與串擾的光頻差，Δvs和Δvi分別為信號和第i路串擾對應的3 dB帶寬，φi為第i路串擾與信號光偏振方向的夾角。

2.2 交換矩陣中的串擾分析

由于光開關的隔離度不可能無限大，在光信號傳輸的過程中，會有一部分光泄露到不應該輸出的輸出端口，由此就形成了串擾，光開關單元串擾系數用x表示，那么，一系列這樣的光開關相連而形成不同的光開關矩陣時，隨著開關數的增加，這些串擾不斷積累，勢必造成信噪比（SNR）的下降。擴展Benes光交換矩陣是由一系列的光開關單元組成的。信噪比是衡量一個光交換矩陣的重要指標，它在某種程度上反映出一個光交換矩陣的抗串擾能力，交換矩陣中的串擾主要由構成其基本的2×2交換單元光開關性能的非理想性造成的，光開關單元的隔離度有限，為串擾的產生奠定了基礎。

文中對結構串擾的分析是基于理想狀態下，每根光纖均有光信號輸入，忽略每根光纖本身所產生的串擾，信號與串擾之間的相位差為π，此時結構中形成的串擾最大，而且所有相同光器件參數均相同，在整個計算過程中，均不考慮各個光器件所產生的損耗。

圖2是一個4×4的擴展Benes光交換矩陣，以此為例，當光信號經過它時，可以分析其串擾情況，對于的擴展Benes結構，假設各輸入端口的輸入光功率都相等且為P，可以得到經過n級后，串擾的表達式為：

由此得到信噪比：

其中X為2×2光開關單元的信噪比，稱為消光比，其值通常取為20 dB（串擾系數為0.01），k=log2n。需要指出的是，分析結果是基于最壞情況下，即光交換矩陣滿載，且交換的是相同波長信號[11]。

對于OBS核心節點交換結構，當光信號通過時，一方面由于解復用器和復用器的濾波不理想，k個波長信號相互影響形成串擾；另一方面，光信號經過光交換矩陣時也回引入串擾[12]。對于空分交換節點結構，其串擾的表達式為：

其中Xsw為光開關傳輸系數，Xm為復用器串擾系數，Xdem為解復用器串擾系數。

3 仿真分析

如圖4給出了擴展Benes光交換矩陣結構的信噪比與交換容量的關系。橫坐標表示Benes光交換矩陣的容量，縱坐標表示Benes光交換矩陣的信噪比，從圖中可以看出，隨著交換容量的遞增，Benes光交換矩陣的信噪比越來越小，且在交換容量小于20時，信噪比下降較快，在交換容量大于20時，信噪比下降的較緩慢。

圖4 Benes光交換矩陣信噪比與交換容量之間的關系Fig.4 The relationship between SNR of Optical switching matrix and Exchange capacity

圖5仿真了當擴展Benes光交換矩陣的串擾系數分別為-20 dB、-30 dB、-40 dB、-60 dB 時，OBS 核心節點結構的串擾隨輸入輸出光纖數的變化情況。由圖可以看出，隨著輸入輸出光纖數的增多，OBS核心節點結構中的串擾越來越大，當輸入輸出光纖數從1增加到10時，串擾積累較快，輸入輸出光纖數大于10時，隨著光纖數的增多，雖然串擾的積累逐漸增多，但變化速度明顯降低。另外，在同等條件下，隨著當Benes光交換矩陣的串擾系數的增大，OBS核心節點結構中的串擾也會增大。由此可以得到，為了減小OBS光網絡中的串擾，一方面要減小輸入輸出光纖數，另一方面，必須要保證光器件的精確度，盡量使光器件接近于理想情況。

如圖6給出了在復用波長分別為4、16、32、64時，OBS節點串擾隨輸入輸出光纖數目變化的情況。由圖可以看出，每根光纖中復用波長數在同等條件下，增加單根光纖中復用的波長數目會帶來串擾的增加。由此可見，在DWDM系統廣泛應用的今天，雖然一根光纖中能傳輸多個波長，但是隨之帶來的串擾不容忽視。

圖5 交換矩陣的串擾系數與節點結構串擾之間的關系Fig.5 The relationship between switching matrix crosstalk coefficient and the structure crosstalk

圖6 復用不同波長下的串擾情況Fig.6 The crosstalk under different number of the wavelength

4 結束語

文中針對基于擴展Benes光交換矩陣的OBS核心節點結構，仿真分析其內部影響串擾大小的因素，利用MATLAB工具，模擬仿真了在各參數取不同值時整個結構的串擾變化情況。結果顯示在同等條件下，隨著輸入輸出光纖數的增多，結構的串擾會不斷增大，每根光纖中復用波長數的增多，也會帶來結構中串擾的增大，尤其在輸入輸出光纖數目小于20時串擾變化最為明顯。

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