OBS网络中基于扩展Benes矩阵的节点串扰分析

张素萍，张 建，杨正宇，龙卫新

（1.河南煤业化工集团 信息中心，河南 郑州 450046；2.华夏邮电咨询监理有限公司 河南 郑州 450007）

随着波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术的发展，在光网络的单根光纤中可容纳多个高速波长信道，目前的数据显示可达到200多个波长信道，单根光纤链路的总速率甚至已经达到T b/s的数量级[1-2]。如此高的传输速率对网络的交换节点产生了巨大压力，在中间交换节点通常需要光/电和电/光的转换，而由于电子瓶颈的存在，网速受到了极大的限制，很大程度上不能满足对高速的需求，因此，数据能在光域透明的交换已势在必行，即全光交换。尽管光分组交换及光分组流交换，其初衷是希望能完全在光域上实现光的分组交换，进而完成光的比特级交换，理论上是可行的，但目前由于光分组交换所需要的一些关键性器件如：高速光开关、光缓存器等还未取得重大突破，控制部分仍需要在电域完成，而且在光网络中还较难实现同步，所以光分组交换技术尚不能从实验室走向实践[3]，而光路交换的带宽利用率低、灵活性差，不能适应数据业务高速增长的需要，由此，人们提出了光突发交换（Optical Burst Switching，OBS），OBS被看作是光分组交换和光路由交换的折中方案，既综合了这两者的优点，又克服了它们的不足[4]，能很好的支持分组业务，而且也易于实现，是一种很有发展潜力的交换模式。

串扰是指由于光器件隔离度的不理想或者非线性光学效应的作用，其他光路通道的信号会泄漏到本光传输通道，OBS的核心节点的交换结构是由一系列光器件组成的，由于这些器件隔离度有限，在对光信号传输和接收时，各链路和信道之间会产生串扰[5-7]，严重影响了通信质量，因此，有必要对OBS核心节点结构中的串扰情况进行分析研究，扩展Benes交换矩阵作为一种常见的光交换矩阵，分析其应用于OBS交换网络时结构的串扰情况具有一定的理论意义。

1 OBS节点结构和扩展Benes矩阵

OBS核心节点结构硬件组成主要包括以下几个部分：光交换模块、交换控制模块、协议处理模块以及线路模块[8]，核心节点中影响网络性能的因素很多，其中关键因素主要有：光交换模块的结构性能、调度算法与冲突解决方法等。光交换模块为光突发交换核心节点物理层的核心部分，而调度算法与冲突解决方法等为核心节点的交换控制部分。光交换模块与交换控制部分之间的联系十分紧密，交换控制部分的设计，一定建立在结构确定的光交换模块之上，而且一些调度算法或者解决方法皆需要特定结构的光交换模块来支持。

核心交换节点主要分成两大功能部分：一是电控制部分；另一部分为光交换部分。其中电控制部分包括交换控制单元，光交换部分包括解复用器、光纤延迟线、空分交叉矩阵、复用器等。如图1所示n个输入输出端口采用密集波分复用（DWDM）光纤链路，每根光纤上复用k+1个波长，其中k个波长用于数据突发包的传输，其余1个波长承载突发控制包头信息，输入光纤经波分解复用器后，突发控制单元被送到交换控制部分，集中进行调度、处理和交换，而数据突发包经过一串光纤延迟线后，由光交换矩阵分别交换。

图1 OBS核心节点交换结构Fig.1 Switching structure of OBS core node

目前用于光交换的矩阵有多种，如Crossbar、Doublecrossbar、Tree、Simplified tree和 Extended baseline光交换矩阵，文中是以扩展Benes光交换矩阵[9]为例，如图2所示，将其用于OBS核心节点结构中，继而分析整个结构的串扰情况。

图2 4×4扩展Benes结构示意图Fig.2 Structure diagram of extended Benes matrix

2 串扰理论分析

2.1 串扰评价方法

为了更好地分析串扰对信号的影响，很有必要提出符合实际的接收机模型，如图3给出了文中所采用的接收机模型[10]。在此模型中，一个受串扰影响的信号输入到光探测器，探测器将光信号变为电信号之后再经过电滤波器，将电带宽外的噪声滤除掉，最后经由判决电平将信号还原出来。因为光探测器所输出的电信号与输入的光功率成正比关系，而干净信号所输出的电平只和信号的功率成正比，所以在忽略探测器自身的噪声的情况下，将没有误码出现，对于受到干扰的信号，除了信号功率外还存在噪声与信号的拍功率或者称为拍噪声，外加噪声功率，这些功率都将给信号的正确判决造成不利的影响。在一般情况下，信号串扰之间的拍噪声越大，影响就越严重，在此噪声自身功率很小，可以忽略不计，所以主要的影响就是信号与串扰之间的拍噪声。

图3 光接收机模型Fig.3 Optical receiver model

定义由串扰引起的归一化的平均噪声功率（一种相对强度噪声）为：

其中Rci是第i路串扰光对信号光的强度，fi为信号与串扰的光频差，Δvs和Δvi分别为信号和第i路串扰对应的3 dB带宽，φi为第i路串扰与信号光偏振方向的夹角。

2.2 交换矩阵中的串扰分析

由于光开关的隔离度不可能无限大，在光信号传输的过程中，会有一部分光泄露到不应该输出的输出端口，由此就形成了串扰，光开关单元串扰系数用x表示，那么，一系列这样的光开关相连而形成不同的光开关矩阵时，随着开关数的增加，这些串扰不断积累，势必造成信噪比（SNR）的下降。扩展Benes光交换矩阵是由一系列的光开关单元组成的。信噪比是衡量一个光交换矩阵的重要指标，它在某种程度上反映出一个光交换矩阵的抗串扰能力，交换矩阵中的串扰主要由构成其基本的2×2交换单元光开关性能的非理想性造成的，光开关单元的隔离度有限，为串扰的产生奠定了基础。

文中对结构串扰的分析是基于理想状态下，每根光纤均有光信号输入，忽略每根光纤本身所产生的串扰，信号与串扰之间的相位差为π，此时结构中形成的串扰最大，而且所有相同光器件参数均相同，在整个计算过程中，均不考虑各个光器件所产生的损耗。

图2是一个4×4的扩展Benes光交换矩阵，以此为例，当光信号经过它时，可以分析其串扰情况，对于的扩展Benes结构，假设各输入端口的输入光功率都相等且为P，可以得到经过n级后，串扰的表达式为：

由此得到信噪比：

其中X为2×2光开关单元的信噪比，称为消光比，其值通常取为20 dB（串扰系数为0.01），k=log2n。需要指出的是，分析结果是基于最坏情况下，即光交换矩阵满载，且交换的是相同波长信号[11]。

对于OBS核心节点交换结构，当光信号通过时，一方面由于解复用器和复用器的滤波不理想，k个波长信号相互影响形成串扰；另一方面，光信号经过光交换矩阵时也回引入串扰[12]。对于空分交换节点结构，其串扰的表达式为：

其中Xsw为光开关传输系数，Xm为复用器串扰系数，Xdem为解复用器串扰系数。

3 仿真分析

如图4给出了扩展Benes光交换矩阵结构的信噪比与交换容量的关系。横坐标表示Benes光交换矩阵的容量，纵坐标表示Benes光交换矩阵的信噪比，从图中可以看出，随着交换容量的递增，Benes光交换矩阵的信噪比越来越小，且在交换容量小于20时，信噪比下降较快，在交换容量大于20时，信噪比下降的较缓慢。

图4 Benes光交换矩阵信噪比与交换容量之间的关系Fig.4 The relationship between SNR of Optical switching matrix and Exchange capacity

图5仿真了当扩展Benes光交换矩阵的串扰系数分别为-20 dB、-30 dB、-40 dB、-60 dB 时，OBS 核心节点结构的串扰随输入输出光纤数的变化情况。由图可以看出，随着输入输出光纤数的增多，OBS核心节点结构中的串扰越来越大，当输入输出光纤数从1增加到10时，串扰积累较快，输入输出光纤数大于10时，随着光纤数的增多，虽然串扰的积累逐渐增多，但变化速度明显降低。另外，在同等条件下，随着当Benes光交换矩阵的串扰系数的增大，OBS核心节点结构中的串扰也会增大。由此可以得到，为了减小OBS光网络中的串扰，一方面要减小输入输出光纤数，另一方面，必须要保证光器件的精确度，尽量使光器件接近于理想情况。

如图6给出了在复用波长分别为4、16、32、64时，OBS节点串扰随输入输出光纤数目变化的情况。由图可以看出，每根光纤中复用波长数在同等条件下，增加单根光纤中复用的波长数目会带来串扰的增加。由此可见，在DWDM系统广泛应用的今天，虽然一根光纤中能传输多个波长，但是随之带来的串扰不容忽视。

图5 交换矩阵的串扰系数与节点结构串扰之间的关系Fig.5 The relationship between switching matrix crosstalk coefficient and the structure crosstalk

图6 复用不同波长下的串扰情况Fig.6 The crosstalk under different number of the wavelength

4 结束语

文中针对基于扩展Benes光交换矩阵的OBS核心节点结构，仿真分析其内部影响串扰大小的因素，利用MATLAB工具，模拟仿真了在各参数取不同值时整个结构的串扰变化情况。结果显示在同等条件下，随着输入输出光纤数的增多，结构的串扰会不断增大，每根光纤中复用波长数的增多，也会带来结构中串扰的增大，尤其在输入输出光纤数目小于20时串扰变化最为明显。

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