星載并行波長Clos網(wǎng)絡(luò)

劉 凱,晏 堅, 崔司千,李 斌, 陸 洲

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.清華大學(xué)信息技術(shù)國家實驗室，北京 100084)

0 引 言

隨著寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)和空間信息獲取系統(tǒng)(如高分衛(wèi)星、合成孔徑雷達衛(wèi)星等)的發(fā)展，天基網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捗芗蜆I(yè)務(wù)呈指數(shù)級增長[1]。為滿足不斷增長的帶寬需求，自由空間激光(Free Space Optical，F(xiàn)SO)通信技術(shù)以其大傳輸容量大、SWaP(Size Weight and Power)性能優(yōu)異、抗干擾能力和安全保密性強的優(yōu)點受到越來越多的關(guān)注。目前，各國已相繼開展的在軌自由激光通信試驗，如美國的激光通信中繼演示驗證(Laser Communications Relay Demonstration, LCRD)，歐空局(ESA)的EDRS 計劃、日本的先進空間光通信技術(shù)衛(wèi)星(Space Optical Communications Research Advanced Technology Satellite, SOCRATES)計劃以及中國在海洋二號開展的星地激光鏈路試驗[1-2]。隨著自由空間激光通信鏈路技術(shù)的成熟，由激光鏈路構(gòu)成的天基光網(wǎng)成為未來天基網(wǎng)絡(luò)和天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[3,4]。

相比于傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)形式，星上光交換技術(shù)能夠?qū)⒍说蕉说耐ㄐ庞蓛商鴮橐惶档蛯Φ孛嬖O(shè)施的依賴，有利于構(gòu)建獨立的天基光網(wǎng)[5,6]。作為星上光交換的核心部分，節(jié)點內(nèi)部的星載光交換結(jié)構(gòu)決定了天基光網(wǎng)節(jié)點的通信容量。

圖1 5節(jié)點天基光網(wǎng)Fig.1 A space-based optical network with 5 nodes

不同于地面網(wǎng)絡(luò)，天基網(wǎng)絡(luò)受各種空間輻射效應(yīng)的影響，如總劑量效應(yīng)(Total Ionizing Dose, TID)、單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset, SEU)、單粒子功能中斷(Single Functional Interrupt, SEFI)等[7]。一方面，空間輻射會導(dǎo)致自由空間光鏈路故障；另一方面空間輻射會導(dǎo)致節(jié)點內(nèi)部的光交換結(jié)構(gòu)故障。因此，天基光網(wǎng)應(yīng)具備抵抗鏈路故障和節(jié)點故障的能力。同時，受限于衛(wèi)星平臺，星載高可靠光交換結(jié)構(gòu)應(yīng)具備低設(shè)計復(fù)雜度。

目前，地面光網(wǎng)基本采用電交換，而電交換的能耗將隨著容量的增長而急劇增加。因此引入光交換技術(shù)符合天基光網(wǎng)的發(fā)展趨勢。光交換技術(shù)主要有光路交換(Optical Circuit Switching，OCS)、光突發(fā)交換(Optical Burst Switching，OBS)和光分組交換(Optical Packet Switching，OPS)三種[8,9]。由于尚無成熟的光域處理和光邏輯器件，OBS和OPS不適用于天基光網(wǎng)。因此，本文主要考慮OCS中成熟的波長交換技術(shù)。

相比于其他星載交換結(jié)構(gòu)(如共享存儲器，crossbar，knock-out絡(luò)等[10,11])，Clos網(wǎng)絡(luò)的多通路特性能夠提供更高的可靠性。另一方面，相比于Crossbar交換結(jié)構(gòu)，Clos網(wǎng)絡(luò)具有更低的設(shè)計復(fù)雜度。因此，Clos網(wǎng)絡(luò)適用于天基光網(wǎng)。

本文提出了一種并行波長Clos網(wǎng)絡(luò)(Parallel Wavelength Clos-network, PW-Clos)以提高天基光網(wǎng)和節(jié)點內(nèi)部的可靠性。PW-Clos包括W個波長Clos網(wǎng)絡(luò)平面，每個平面獨立完成一個波長交換，其中W為天基光網(wǎng)具備鏈路故障容錯能力所需的最少波長數(shù)量。

1 天基光網(wǎng)組成

天基光網(wǎng)的節(jié)點間通過激光鏈路實現(xiàn)組網(wǎng)通信。如圖1所示的5節(jié)點天基光網(wǎng)包含以下鏈路類型：

(1)星間激光鏈路：用以實現(xiàn)天基光網(wǎng)內(nèi)節(jié)點間的連接；

(2)星地激光鏈路：用以實現(xiàn)天基光網(wǎng)節(jié)點與地面激光站的連接；

(3)用戶激光鏈路：用以實現(xiàn)天基光網(wǎng)節(jié)點與天基、空基、陸基、?；脩舻倪B接。

天基光網(wǎng)節(jié)點內(nèi)的星載光交換結(jié)構(gòu)完成任意激光鏈路間的任意交換，從而實現(xiàn)天基光網(wǎng)的信息流通。因此，星上光交換的容量C應(yīng)滿足

C≥NSSRSS+NSGRSG+NSURSU，

(1)

其中，NSS、RSS為星間激光鏈路的數(shù)量和速率，NSG、RSG為星地激光鏈路的數(shù)量和速率，NSU、RSU為用戶激光鏈路的數(shù)量和速率。

當采用波長交換技術(shù)時，RSS=WrSS，RSG=WrSG，RSU=WrSU，其中W為天基光網(wǎng)規(guī)劃的波長數(shù)量，rSS為星間激光鏈路一個波長的速率，rSG為星地激光鏈路一個波長的速率，rSU為用戶激光鏈路一個波長的速率。因此，星上光交換容量C滿足

C≥W(NSSrSS+NSGrSG+NSUrSU)。

(2)

因此，在鏈路數(shù)量和速率固定的情況下，為降低星上波長交換的實現(xiàn)規(guī)模，應(yīng)求得滿足天基光網(wǎng)需求的最少波長數(shù)。

2 求解最少波長數(shù)

2.1 星上光交換約束條件分析

星上光交換面臨自由空間光通信和天基光網(wǎng)可靠性兩方面的約束：

(1)自由空間光通信約束

1)相比于地面光纖通信，自由空間光通信的傳輸距離遠且受衛(wèi)星平臺能力限制，是一種功率受限通信系統(tǒng)，難以支持過多的波長數(shù)量；

2)作為一種無線通信手段，自由空間光通信要求收發(fā)隔離度極高，難以做到收發(fā)雙工同頻，雙向鏈路必須采用不同的波長。

(2)天基光網(wǎng)可靠性約束

空間輻射效應(yīng)會導(dǎo)致自由空間光通信系統(tǒng)故障進而導(dǎo)致激光鏈路中斷。為保證鏈路故障情況下業(yè)務(wù)不丟失，天基光網(wǎng)應(yīng)具備對鏈路故障的容錯能力。

本文考慮通過重路由的方式實現(xiàn)對鏈路故障的容錯。如圖2所示，對于5節(jié)點的環(huán)形天基光網(wǎng)，鏈路故障發(fā)生前，節(jié)點i到節(jié)點j的路徑分配波長λi,j作為路徑標簽。當發(fā)生一條鏈路故障(如圖中節(jié)點2到節(jié)點1的路徑故障)時，通過重新分配全網(wǎng)的波長實現(xiàn)業(yè)務(wù)的不丟失。

圖2 一條鏈路故障下的重路由過程Fig.2 Rerouting process under one link fault

2.2 天基光網(wǎng)的線性規(guī)劃模型建立并求解

對于一個天基光網(wǎng)G(N,E)，節(jié)點i到節(jié)點j的業(yè)務(wù)x分配波長λi,j,x作為路由標簽，其中N為節(jié)點集合，E為邊集合，i,j∈N，x∈{0,1}，x=0表示工作業(yè)務(wù)，x=1表示保護業(yè)務(wù)。

定義如下變量：

M：給定一個數(shù)學(xué)極大值；

θf：波長占用決策變量，當?shù)趂波長被使用時，θf=1；反之，θf=0。

天基光網(wǎng)的線性規(guī)劃模型如式(6)-(10)所示。其中，式(3)表示優(yōu)化目標為最小化使用的波長數(shù)，式(4)為節(jié)點流守恒約束，式(5)為光路資源唯一利用約束，式(6)為所有業(yè)務(wù)全部接入約束，式(7)為波長使用約束。

(3)

s.t.

?i,j∈N,f∈[1,W]

(4)

(7)

采用CPLEX可以求解最少波長數(shù)量W。對于圖2所示的5節(jié)點天基光網(wǎng)，可求得最少波長數(shù)量為12。

3 并行波長Clos網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)求得最少波長數(shù)，星載光交換結(jié)構(gòu)要完成λ1,…,λW的波長交換。由于在星載光交換結(jié)構(gòu)中不存在不同波長間的交換關(guān)系，所以為降低星載光交換結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，我們提出一種并行波長Clos網(wǎng)絡(luò)(Parallel Wavelength Clos-network, PW-Clos)。

如圖3所示，PW-Clos包括W個波長交換平面，第p個波長交換平面完成λp的交換，1≤p≤W。每個波長交換平面為3級Clos網(wǎng)絡(luò)C(m,n,k)，其中m≥n。C(m,n,k)輸入級包括k個輸入模塊(Input Module，IM)，中間級包括m個的中間模塊(Central Module，CM)，輸出級包括k個輸出模塊(Output Module，OM)。每個IM的大小為n×m，CM的大小為k×k，OM的大小為m×n。在同一平面內(nèi)，相鄰兩級的交換單元通過平面內(nèi)連接(Inner-Plane Link)連接。每個輸入同W個平面的IM連接，每個輸出同W個平面的OM連接，PW-Clos的尺寸為N=nk=NSS+NSG+NSU。

圖3 并行波長Clos網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Parallel Wavelength Clos-network

4 可靠性及實現(xiàn)復(fù)雜度分析

本節(jié)比較PW-Clos、PW-Crossbar(Parallel Wavelength Crossbar)、Clos網(wǎng)絡(luò)和Crossbar的可靠性以及實現(xiàn)復(fù)雜度。PW-Crossbar采用與PW-Clos網(wǎng)絡(luò)相同的并行多平面結(jié)構(gòu)，不同的是每個平面采用Crossbar交換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。Clos網(wǎng)絡(luò)和Crossbar采用單平面方式實現(xiàn)星上光交換，其交換規(guī)模為NW×NW。定義Clos網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為n′，k′，m′，滿足n′k′=NW，m′≥n′。

4.1 可靠性分析

本文采用路徑多樣性來衡量星載光交換結(jié)構(gòu)的可靠性。路徑多樣性定義為任意輸入—輸出間的路徑數(shù)量Npath。

不同交換結(jié)構(gòu)的路徑數(shù)量如表1所示。通過比較可得，PW-Clos具有與Clos相同的路徑數(shù)量，是PW-Crossbar和Crossbar的m倍。因此PW-Clos的可靠性與Clos網(wǎng)絡(luò)的可靠性相同，高于PW-Crossbar和Crossbar的可靠性。

表1 不同交換結(jié)構(gòu)的路徑數(shù)量

4.2 實現(xiàn)復(fù)雜度分析

本文采用交叉點數(shù)量Ncp來衡量星載光交換結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)復(fù)雜度，交叉點數(shù)量決定了星載光交換結(jié)構(gòu)采用的光開關(guān)數(shù)量及規(guī)模。

不同交換結(jié)構(gòu)的交叉點數(shù)量如表2所示。由于N=nk，所以n，k，m的數(shù)量級為O(N1/2)，所以PW-Clos網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)復(fù)雜度為O(N3/2W)。同理，Clos網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)復(fù)雜度為O((NW)3/2)。比較PW-Clos和Clos的實現(xiàn)復(fù)雜度可得，通過采用并行交換結(jié)構(gòu)，可將實現(xiàn)復(fù)雜度由O((NW)3/2)降為O(N3/2W)，減少在波長維度的復(fù)雜度；比較PW-Clos和PW-Crossbar的實現(xiàn)復(fù)雜度可得，通過在每個平面采用Clos網(wǎng)絡(luò)，可將實現(xiàn)復(fù)雜度由O(N2W)降為O(N3/2W)，降低在激光鏈路維度的復(fù)雜度。

基于以上分析，PW-Clos網(wǎng)絡(luò)能夠在波長數(shù)量和鏈路數(shù)量兩個維度降低實現(xiàn)復(fù)雜度。

表2 不同交換結(jié)構(gòu)的交叉點數(shù)量

5 結(jié) 語

本文提出了一種適用于天基光網(wǎng)的PW-Clos網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)天基光網(wǎng)的高可靠多波長交換。PW-Clos包括W個波長Clos網(wǎng)絡(luò)平面，每個平面獨立完成一個波長交換，其中W為通過求解天基光網(wǎng)的線性規(guī)劃模型得到的具備鏈路故障容錯能力所需的最少波長數(shù)量。PW-Clos具備與Clos網(wǎng)絡(luò)相同的可靠性，但通過在波長數(shù)量和鏈路數(shù)量兩個維度將實現(xiàn)復(fù)雜度降為O(N3/2W)。