一种自适应低损耗三维有源光网络结构设计

王 萍，蒋 林，山 蕊，杨博文，付怡雯

(1.西安邮电大学 电子工程学院，西安 710121; 2.西安科技大学 集成电路实验室，西安 710600)

0 引 言

计算密集型应用对大量数据并行处理和实时性传输要求不断提高。针对远距离和大流量通信，电互连方式传输时间长，带宽受限；光互连在延迟、串扰和能耗等方面性能更佳。但是，片上光器件发展不成熟，如光逻辑运算单元、光存储和波长资源有限等，影响着光网络的整体性能[1-4]。

为解决光存储问题，利用“电控制光”思想，通过配置路由器完成源节点到目的节点之间的路径建立、响应和撤销及光路由器中微环谐振器(Micro-ring Resonator , MR)开关状态控制。文献[5-8]通过增加多条备选路径优化路由计算过程，减少阻塞概率和路径建立时间。但多个节点向同一个节点通信时，备选路径固定，路径建立时间长，阻塞几率大；文献[9]的7端口光路由器，MR数量为36，交叉波导和弯曲波导数量多；文献[10]和[11]设计的光路由器结构类似，MR、交叉波导和弯曲波导数量大，还需要额外的光终端；文献[12]的6端口光路由器结构，由于存在环形波导，增加了串扰风险。

本文基于XYZ确定路由算法，提出了一种自适应路由算法，根据节点阻塞情况，自主选择无阻塞、短距离的端口进行输出；利用MR的多角度耦合特性，分别设计层内和层间光路由器，避免环形波导出现。

1 自适应低损耗三维有源光网络结构

自适应低损耗有源光网络由光路由器互连的光网络层和电配置路由器互连的电配置网络层组成，利用电配置路由器进行传输路径建立、响应和撤销，并协同配置对应光路由器的光链路，进行数据光传输。三维有源光网络不同于二维网络，第2层增加层间光路由器和对应电配置路由器进行层间数据通信，三维自适应低损耗有源光网络整体结构如图1所示。

图1 自适应低损耗三维有源光网络整体结构

1.1 自适应电配置路由器结构

1.1.1 电配置路由器整体结构

电配置路由器整体结构如图2所示，输入缓冲单元通过端口匹配将数据暂存于对应的缓冲单元，路由计算单元根据路由算法计算输出端口，分配单元对端口请求进行轮询仲裁，交叉选择单元主要完成输入输出端口之间的连接。其中，路由计算单元决定着路由器性能，主要完成阻塞检测、路径建立、响应和撤销操作。通过端口寄存器对端口是否被占用进行实时监控，根据阻塞情况对端口进行二次判断，最终选择无阻塞和短距离端口。

图2 电配置路由器整体结构

1.1.2 基于XYZ路由的自适应路由算法

自适应路由算法基于XYZ确定路由算法，按X、Y和Z方向，依次对目的节点与源节点坐标大小进行判断，得到一个端口方向。再根据端口阻塞情况进行二次判断，如果端口空闲，直接从该端口输出；否则，需要从另一个方向再次进行端口判断。

图3所示为电配置路由器互连构成的规模为4行4列3层(4×4×3)的电配置网络，并对电配置路由器进行坐标定义，用3位有效数字表示，第1位为Z坐标，第2位为Y坐标，第3位为X坐标。图4所示为自适应路由算法框图。以源节点000向目标节点033通信为例说明路由过程，由于033节点位于000节点的右下方，首次判断端口为东端口，若东端口空闲，从东端口输出；若东端口被占用，需要按Y方向进行再次判断，判断端口为南端口，对南端口阻塞情况进行判断，若端口空闲则从南端口输出；若端口被占用，再按Z方向继续判断；当5个方向端口都被占用时，从本地端口输出，暂存于源节点，等待路径释放。

图3 自适应路由算法路由示意图

图4 自适应路由算法框图

自适应路由算法在端口空闲时，如同XYZ确定路由算法，算法简单，效率高；当端口被占用时，提供多种备选路径，比XYZ确定路由算法复杂。但其避免了数据传到阻塞端口，路由计算过程所需的时间相比于等待路径释放的时间可忽略不计。

1.2 低损耗无阻塞光路由器结构

MR利用波长耦合对经过的光信号进行传输方向改变，从而实现90、180和270 °通信。当波导中传输的光信号谐振频率不等于MR的频率时，MR处于关闭状态，光信号沿原来的波导直线传输；若传输的谐振频率等于MR的频率，则MR处于开状态，光信号被耦合，光信号传输方向发生偏转。本文设计6端口光路由器进行层内通信，3端口光路由器进行层间通信，如图5所示。

图5 光路由器结构

6端口光路由器包含本地端口(IP core)、垂直(Vertical)、北(North)、南(South)、西(West)和东(East) 6个端口。同方向端口之间不进行数据通信，在表1中用“/”表示；波导直接相连的两个端口之间不需要MR进行波长耦合，在表1中用“NO”表示；其余端口之间利用MR对光信号传输方向进行改变，从而使光信号传到固定的目的端口。

6端口光路由器仅使用6条波导和13个MR就可以实现任意端口之间无阻塞通信。MR的具体分配如表1所示，当进行North到West端口间通信时，信号从North端口输入，沿着波导传输，当传输到MR13时，发生耦合，信号沿另一波导进行传输，到达West端口并输出。

表1 层内路由器的MR分配

3端口光路由器主要用来实现不同层之间的数据传输。其中，通过MR3实现上端口(Up)到Vertical端口之间的通信，MR2实现下端口(Down)到Vertical端口之间的通信，MR1实现Vertical到Up端口之间的通信，MR4实现Vertical到Down端口之间的通信，Up与Down端口之间直接通过波导进行通信。

2 实验与分析

2.1 电配置路由器性能分析

2.1.1 硬件开销分析

为了验证电配置网络功能的正确性和硬件资源的开销情况，本文采用Xilinx公司的ISE Design Suite 14.7开发环境进行实验，选用的器件是Virtex6系列xc6vcx550t-ff1759-2芯片。由于电配置网络是利用相同的电配置路由器互连进行搭建，所以电配置网络消耗的硬件资源与电配置路由器的数量成正比。表2所示为电配置路由器和图3所示的4行4列3层(4×4×3)的电配置网络的资源占用情况。分析结果表明，电配置路由器的时钟频率可以达到177.384 MHz，而4×4×3电配置网络的时钟频率可以达到179.848 MHz。

表2 逻辑资源占用情况

2.1.2 路径延迟分析

为了验证路由算法的路径搜索效率，对路由计算性能进行统计。冲突率为某一节点向另一节点路径建立过程中端口冲突的节点数占总节点数的百分比。表3所示为不同数量节点向022节点通信过程中，完成源节点000到目的节点022路径建立过程所需的时钟周期数和冲突情况。

表3 路径建立时间统计

在无阻塞情况下，源节点000向目的节点022进行路径建立，路径建立时间为8.5个周期。XYZ确定路由算法在路径阻塞时，需要在一条路径撤销后才能进行另一条链路的建立。而自适应路由算法在冲突率为37.5%时，路径建立需要16.5个周期，路径建立时间减少了44.07%；冲突率为50%时，路径建立最多需要18.5个周期，路径建立时间减少了68.91%。

自适应路由算法通过选择空闲端口作为输出端口，不需要等待前一条路径的释放，相比于XYZ确定路由算法，可能会多经过0～4跳，但节省了等待路径响应和撤销所需的时间；对于整个网络，采用自适应路由算法进行多路径通信时，阻塞小、路径建立周期短。

2.2 光路由器性能分析

2.2.1 硬件开销分析

表4所示为不同路由器结构所需的元件数量，本文光路由器由于充分利用多耦合MR，一条波导连接不同端口的输入和输出，不需要使用光终端，无环形波导，整个光路由器仅需要13个MR，9个交叉波导和21个弯曲波导。相比于文献[9]的结构，不需要光终端，MR数量减少一半；相比于文献[10]的结构，不仅交叉波导和MR的数量较少，且只需要6条波导；与文献[11]和[12]相比，不需要光终端、交叉波导、弯曲波导和MR数量更少。

表4 不同路由器结构所需元件数量

利用Omnet++开源模拟器搭建网络结构模拟三维网络通信，路由器分别采用文献[9-12]和本文所提出的光路由器。为了保证公平性，层间利用7端口光路由器的垂直端口或4个MR和两个光终端的层间路由器进行通信。

图6所示为不同拓扑尺寸的光网络所需的元件数量。数据表明，在相同规模的网络中，利用本文提出的6端口光路由器进行层内通信，3端口光路由器进行层间通信，比文献[9]的7端口光路由器、文献[10]、[11]和[12]利用90 °耦合的MR设计的6端口光路由所需的MR数量和光终端数量更少，且随着拓扑规模的增加，性能优势更加突出。

图6 不同拓扑尺寸的光网络所需的元件数量

2.2.2 插入损耗分析

插入损耗大小主要由光路由器的MR、交叉波导和弯曲波导的数量决定，不同路径的插入损耗满足如下的逻辑关系：

式中：Linsert为某一路径的插入损耗；MR未发生耦合时的插入损耗值为0.005 dB，用Lthrough表示；MR发生耦合时的插入损耗值为0.6 dB，用Ldrop表示；交叉波导的插入损耗值为0.16 dB，用Lcross表示；弯区波导的插入损耗值为0.005 dB/90 °，用Lbend表示；Nthrough、Ndrop、Ncross和Nbend分别为该路径所经过的两种状态的MR、交叉波导和弯曲波导的数量[13-15]。

图7(a)所示为各关键路径北边到南边端口(N-S)、北边到本地端口(N-IP)、北边到垂直端口(N-V)、南边到北边端口(S-N)、南边到本地端口(S-IP)、南边到垂直端口(S-V)、西边到北边端口(W-N)、西边到南边端口(W-S)、西边到东边端口(W-E)、西边到本地端口(W-IP)、西边到垂直端口(W-V)、东边到北边端口(E-N)、东边到南边端口(E-S)、东边到西边端口(E-W)、东边到本地端口(E-IP)、东边到垂直端口(E-V)、本地到北边端口(IP-N)、本地到南边端口(IP-S)、本地到西边端口(IP-W)、本地到东边端口(IP-E)、本地到垂直端口(IP-V) 和垂直到本地端口(V-IP)等的插入损耗；图7(b)所示为不同路由器结构的最大、最小和平均插入损耗。

图7 插入损耗分析

本文设计的6端口光路由器结构中77.2%路径的插入损耗，相比于文献[10]、[11]和[12]光路由器的插入损耗小；最大插入损耗相比于文献[10]、[11]和 [12]分别减少了35.43%、19.04%和0.62%；最小插入损耗相比于文献[10]、[11]和[12]分别减少了44.12%、44.12%和68.33%；平均插入损耗分别减少了21.43%、17.76%和19.27%。

通过多角度耦合MR对传输方向进行改变，相比于利用90 ° MR的光路由器所需MR数量少；每条波导连接两个端口，避免光终端使用；合理安排波导和MR的位置，无环形波导出现，减少光路由器所需的交叉波导和弯曲波导数量，减少路径的插入损耗和硬件开销。

3 结束语

本文提出了一种自适应路由算法，通过增加备选路径数量和实时的端口阻塞检测，减少了路径建立延迟。实现不同冲突率情况下的路径建立时间相比确定路由算法减少44.07%和68.91%。同时实现了6个节点向同一目的节点通信，48个节点向不同目的节点无阻塞通信。另外，本文设计了层内6端口光路由器和层间3端口光路由器，6端口光路由器仅使用13个MR、9个交叉波导和21个弯曲波导，平均插入损耗仅有0.88 dB；3端口光路由器结构简单，仅使用4个波导、4个MR和两个光终端。利用本文光路由器搭建的光网络相比其他光路由器硬件开销小，随着网络规模增大，优势将更加突出。