星载并行波长Clos网络

刘 凯,晏 坚, 崔司千,李 斌, 陆 洲

(1.中国电子科学研究院，北京 100041；2.清华大学信息技术国家实验室，北京 100084)

0 引 言

随着宽带通信卫星系统和空间信息获取系统(如高分卫星、合成孔径雷达卫星等)的发展，天基网络传输的带宽密集型业务呈指数级增长[1]。为满足不断增长的带宽需求，自由空间激光(Free Space Optical，FSO)通信技术以其大传输容量大、SWaP(Size Weight and Power)性能优异、抗干扰能力和安全保密性强的优点受到越来越多的关注。目前，各国已相继开展的在轨自由激光通信试验，如美国的激光通信中继演示验证(Laser Communications Relay Demonstration, LCRD)，欧空局(ESA)的EDRS 计划、日本的先进空间光通信技术卫星(Space Optical Communications Research Advanced Technology Satellite, SOCRATES)计划以及中国在海洋二号开展的星地激光链路试验[1-2]。随着自由空间激光通信链路技术的成熟，由激光链路构成的天基光网成为未来天基网络和天地一体化信息网络的重要组成部分[3,4]。

相比于传统的透明转发形式，星上光交换技术能够将端到端的通信由两跳将为一跳，降低对地面设施的依赖，有利于构建独立的天基光网[5,6]。作为星上光交换的核心部分，节点内部的星载光交换结构决定了天基光网节点的通信容量。

图1 5节点天基光网Fig.1 A space-based optical network with 5 nodes

不同于地面网络，天基网络受各种空间辐射效应的影响，如总剂量效应(Total Ionizing Dose, TID)、单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)、单粒子功能中断(Single Functional Interrupt, SEFI)等[7]。一方面，空间辐射会导致自由空间光链路故障；另一方面空间辐射会导致节点内部的光交换结构故障。因此，天基光网应具备抵抗链路故障和节点故障的能力。同时，受限于卫星平台，星载高可靠光交换结构应具备低设计复杂度。

目前，地面光网基本采用电交换，而电交换的能耗将随着容量的增长而急剧增加。因此引入光交换技术符合天基光网的发展趋势。光交换技术主要有光路交换(Optical Circuit Switching，OCS)、光突发交换(Optical Burst Switching，OBS)和光分组交换(Optical Packet Switching，OPS)三种[8,9]。由于尚无成熟的光域处理和光逻辑器件，OBS和OPS不适用于天基光网。因此，本文主要考虑OCS中成熟的波长交换技术。

相比于其他星载交换结构(如共享存储器，crossbar，knock-out络等[10,11])，Clos网络的多通路特性能够提供更高的可靠性。另一方面，相比于Crossbar交换结构，Clos网络具有更低的设计复杂度。因此，Clos网络适用于天基光网。

本文提出了一种并行波长Clos网络(Parallel Wavelength Clos-network, PW-Clos)以提高天基光网和节点内部的可靠性。PW-Clos包括W个波长Clos网络平面，每个平面独立完成一个波长交换，其中W为天基光网具备链路故障容错能力所需的最少波长数量。

1 天基光网组成

天基光网的节点间通过激光链路实现组网通信。如图1所示的5节点天基光网包含以下链路类型：

(1)星间激光链路：用以实现天基光网内节点间的连接；

(2)星地激光链路：用以实现天基光网节点与地面激光站的连接；

(3)用户激光链路：用以实现天基光网节点与天基、空基、陆基、海基用户的连接。

天基光网节点内的星载光交换结构完成任意激光链路间的任意交换，从而实现天基光网的信息流通。因此，星上光交换的容量C应满足

C≥NSSRSS+NSGRSG+NSURSU，

(1)

其中，NSS、RSS为星间激光链路的数量和速率，NSG、RSG为星地激光链路的数量和速率，NSU、RSU为用户激光链路的数量和速率。

当采用波长交换技术时，RSS=WrSS，RSG=WrSG，RSU=WrSU，其中W为天基光网规划的波长数量，rSS为星间激光链路一个波长的速率，rSG为星地激光链路一个波长的速率，rSU为用户激光链路一个波长的速率。因此，星上光交换容量C满足

C≥W(NSSrSS+NSGrSG+NSUrSU)。

(2)

因此，在链路数量和速率固定的情况下，为降低星上波长交换的实现规模，应求得满足天基光网需求的最少波长数。

2 求解最少波长数

2.1 星上光交换约束条件分析

星上光交换面临自由空间光通信和天基光网可靠性两方面的约束：

(1)自由空间光通信约束

1)相比于地面光纤通信，自由空间光通信的传输距离远且受卫星平台能力限制，是一种功率受限通信系统，难以支持过多的波长数量；

2)作为一种无线通信手段，自由空间光通信要求收发隔离度极高，难以做到收发双工同频，双向链路必须采用不同的波长。

(2)天基光网可靠性约束

空间辐射效应会导致自由空间光通信系统故障进而导致激光链路中断。为保证链路故障情况下业务不丢失，天基光网应具备对链路故障的容错能力。

本文考虑通过重路由的方式实现对链路故障的容错。如图2所示，对于5节点的环形天基光网，链路故障发生前，节点i到节点j的路径分配波长λi,j作为路径标签。当发生一条链路故障(如图中节点2到节点1的路径故障)时，通过重新分配全网的波长实现业务的不丢失。

图2 一条链路故障下的重路由过程Fig.2 Rerouting process under one link fault

2.2 天基光网的线性规划模型建立并求解

对于一个天基光网G(N,E)，节点i到节点j的业务x分配波长λi,j,x作为路由标签，其中N为节点集合，E为边集合，i,j∈N，x∈{0,1}，x=0表示工作业务，x=1表示保护业务。

定义如下变量：

M：给定一个数学极大值；

θf：波长占用决策变量，当第f波长被使用时，θf=1；反之，θf=0。

天基光网的线性规划模型如式(6)-(10)所示。其中，式(3)表示优化目标为最小化使用的波长数，式(4)为节点流守恒约束，式(5)为光路资源唯一利用约束，式(6)为所有业务全部接入约束，式(7)为波长使用约束。

(3)

s.t.

∀i,j∈N,f∈[1,W]

(4)

(7)

采用CPLEX可以求解最少波长数量W。对于图2所示的5节点天基光网，可求得最少波长数量为12。

3 并行波长Clos网络

根据求得最少波长数，星载光交换结构要完成λ1,…,λW的波长交换。由于在星载光交换结构中不存在不同波长间的交换关系，所以为降低星载光交换结构的复杂度，我们提出一种并行波长Clos网络(Parallel Wavelength Clos-network, PW-Clos)。

如图3所示，PW-Clos包括W个波长交换平面，第p个波长交换平面完成λp的交换，1≤p≤W。每个波长交换平面为3级Clos网络C(m,n,k)，其中m≥n。C(m,n,k)输入级包括k个输入模块(Input Module，IM)，中间级包括m个的中间模块(Central Module，CM)，输出级包括k个输出模块(Output Module，OM)。每个IM的大小为n×m，CM的大小为k×k，OM的大小为m×n。在同一平面内，相邻两级的交换单元通过平面内连接(Inner-Plane Link)连接。每个输入同W个平面的IM连接，每个输出同W个平面的OM连接，PW-Clos的尺寸为N=nk=NSS+NSG+NSU。

图3 并行波长Clos网络Fig.3 Parallel Wavelength Clos-network

4 可靠性及实现复杂度分析

本节比较PW-Clos、PW-Crossbar(Parallel Wavelength Crossbar)、Clos网络和Crossbar的可靠性以及实现复杂度。PW-Crossbar采用与PW-Clos网络相同的并行多平面结构，不同的是每个平面采用Crossbar交换结构实现。Clos网络和Crossbar采用单平面方式实现星上光交换，其交换规模为NW×NW。定义Clos网络的参数为n′，k′，m′，满足n′k′=NW，m′≥n′。

4.1 可靠性分析

本文采用路径多样性来衡量星载光交换结构的可靠性。路径多样性定义为任意输入—输出间的路径数量Npath。

不同交换结构的路径数量如表1所示。通过比较可得，PW-Clos具有与Clos相同的路径数量，是PW-Crossbar和Crossbar的m倍。因此PW-Clos的可靠性与Clos网络的可靠性相同，高于PW-Crossbar和Crossbar的可靠性。

表1 不同交换结构的路径数量

4.2 实现复杂度分析

本文采用交叉点数量Ncp来衡量星载光交换结构的实现复杂度，交叉点数量决定了星载光交换结构采用的光开关数量及规模。

不同交换结构的交叉点数量如表2所示。由于N=nk，所以n，k，m的数量级为O(N1/2)，所以PW-Clos网络的实现复杂度为O(N3/2W)。同理，Clos网络的实现复杂度为O((NW)3/2)。比较PW-Clos和Clos的实现复杂度可得，通过采用并行交换结构，可将实现复杂度由O((NW)3/2)降为O(N3/2W)，减少在波长维度的复杂度；比较PW-Clos和PW-Crossbar的实现复杂度可得，通过在每个平面采用Clos网络，可将实现复杂度由O(N2W)降为O(N3/2W)，降低在激光链路维度的复杂度。

基于以上分析，PW-Clos网络能够在波长数量和链路数量两个维度降低实现复杂度。

表2 不同交换结构的交叉点数量

5 结 语

本文提出了一种适用于天基光网的PW-Clos网络以实现天基光网的高可靠多波长交换。PW-Clos包括W个波长Clos网络平面，每个平面独立完成一个波长交换，其中W为通过求解天基光网的线性规划模型得到的具备链路故障容错能力所需的最少波长数量。PW-Clos具备与Clos网络相同的可靠性，但通过在波长数量和链路数量两个维度将实现复杂度降为O(N3/2W)。