专利名称：一种用于变长光分组的自适应弹性环光缓存器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光纤延迟线的光缓存器，尤其是具有能够适 应不同光分组长度的自适应弹性环形缓存结构。光缓存是实现高性能 全光分组交换网的关键组成部分，属于光通信技术领域。
背景技术：
光缓存器用于实现光信息处理中对信号的暂存功能，是实现高性能分 组化光交换节点的关键组件。在分组化的光网络中，全光缓存器不仅是
解决光分组拥塞问题，实现流量工程和保证QoS最有效的手段，还是实 现节点标记提取和路由选择、线速读入和变速读出、光分组同步等环节 必不可少的组件。光缓存器的容量、存取速度等特性直接决定了交换节 点的容量、吞吐量、丢包率等特性。
现有光缓存器按缓存机制分类主要有光纤延迟线型光缓存器和慢光型 光缓存器。光纤延迟线型光缓存器利用光信号在光纤中传播需夢时延的 原理，在缓存器中的特定位置放置一定长度的光纤延迟线，来达到让光 信号延迟的目的。慢光型光缓存器利用光纤的受激散射导致光信号群速 度减慢的原理实现延迟的功能。虽然理想的慢光型缓存器能够增加缓存 时间又不过分增加光纤延迟线长度，但慢光型缓存器还处于理论研究阶 段，在带宽、工作温度、减慢因子、实现技术复杂度等方面都远未达到 使用阶段，而光纤型缓存器的实现只需要光纤和某些成熟的光器件的有 机结合，成本低、稳定性高、实现简单，是一种较成熟的光缓存技术。
基于光纤性光缓存器结构的特点，可以将国际上现有光缓存器分为前 馈型和反馈型两类。
前馈型光缓存器的基本结构类型包括2x2交换矩阵型(2x2 switch-based )，广播选择型(Broadcast-and-select)，折叠路径型 (Folded-Path)缓存器 (Yeo, Y， K. ， J.J. Yu, and G. K. Chang' A dynamically reconfigurable folded-path 'time delay buffer for optical packet switching, IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16(11), 2559-2561),以及光纤光栅型缓存器等。
前馈型结构的共同特点是使用"行进式"的缓存原理，在光分组向 前传播的路径中，设置多种长度不同的延迟线，并使用多个控制点实现光分组对不同长度延迟线的选择，以此来实现不同光分组在同一缓存器 中不同的缓存时间。因此，前馈型缓存具有分组长度无限制、缓存时间 变化灵活的优点，但"行进式"结构使缓存器中光纤延迟线资源利用率 低，因此前馈型光缓存器体积庞大、紧凑性差(虽然Folded-Path结构 和光纤光栅型缓存器使用反射结构将所需光纤长度减小一半，但无法彻 底解决紧凑性问题)。在缓存过程中，前馈型光缓存器可以在需要时通过 改变控制点状态提前取出光分组，即縮短原定的缓存时间；但是对于想 延长缓存时间的光分组，只能在光分组还未经过的缓存段进行调整，可 以延长的最大缓存时间只能小于缓存器的固有时延，即前馈型缓存器只 具有灵活的单向时延动态调整能力，双向时延调整能力非常有限。另外，
前馈型结构多个控制点造成成本增加，控制复杂度增大。没有"读/写" 功能使得光分组在进入缓存前必须对将要缓存的时间进行预测，并将其 中的控制点设置完毕，这大大增加了光网络节点的复杂度，包括预测时 延的相关算法，前置缓存器的设置，算法调度与缓存控制之间的协调等。 没有"读/写"功能的缓存器不是真正意义上的缓存器。
反馈型基本结构包括光纤环型(Fiber loop)和法布里-珀罗腔型
(Fabry-Perot， FP)。其中光纤环型结构包括多种由耦合器、光开关、 复用器、解复用器等组成的不同"读/写"控制方案(吴重庆，et al.,全 光缓存器的研究进展，半导体光电，2002)。 FP腔型在光纤两端加透过率 可变的镜片，实现光分组在两镜片间的反射，从而达到缓存的目的，并 通过控制镜片的透过率实现光分组的"读/写"功能。改变透过率通常通 过非线性光纤环路镜(N0LM)、太赫兹光非对称解复用器(T0AD)、非线 性萨格奈克(Sagrmc)光纤环(NFSI)等方式实现，主要缓存结构包括 由2个N0LM型光开关构成的FP腔结构(Agarwal, A. , et al.， All-optical loadable and erasable storage buffer based on parametric nonlinearity in fiber, Journal of Lightwave Technology, 2005， 23(7), 2229-2238)和由NOLM、 TOAD光开关和3x3耦合器构成双 环耦合全光缓存器(Tian， C. Y. ， et al. , Dual-wavelength packets buffering in dual-loop optical buffer, IEEE Photonics Technology Utters, 2008， 20(5-8), 578-580)。
反馈型结构的共同特点是重复利用同一段光纤延迟线，且只在进出 口处设置"读/写"控制点，在缓存过程中不进行控制，缓存时间为n丁
(其中T为与光纤延迟线长度相对应的延迟时间)。资源的重复利用以及 控制点数量的减少，使反馈型光缓存器具有体积小、结构紧凑、控制简 单、成本低的优点；"读/写"功能使反馈型光缓存器只需在需要的时刻 进行对光分组的"读/写"控制，不需要时延预算，在结构上是真正意义上的缓存器。但是光信号在环路或FP腔的反射路径中的多次循环导致ASE 噪声积累；固定的环路长度对光分组长度造成限制(为了保证光分组头 尾不发生重叠，分组长度必须不大于相应的环路长度)；为了满足网络中 最长光分组的缓存需求，只能增加环路长度或FP腔的反射路径长度，但 这又增大了缓存的最小粒度T，导致缓存灵活性变差。在网络升级或发生 变化时，反馈型结构需要改变缓存中整个光纤的长度，因此升级能力及 适应性差。
发明内容
本发明基于全光分组交换网的需求，在反馈型光缓存器中环形结构 的基础上结合前馈型缓存器的优势，提出一种能够适应不同光分组长度 的弹性环形光缓存器。本发明不仅具有反馈型结构的优势一_较前馈结 构具有更大的缓存时延变化范围、双向时延动态重构能力、可选的时延 预算和更紧凑的结构，还解决了反馈结构中最大光分组长度与最小缓存 粒度间的矛盾，基本消除了对光分组长度的限制，使光分组网络中任意 长度的光分组都以最灵活的方式缓存，同时减小反馈型结构中的ASE噪 声积累。使用S0A增益开关，耦合器和环行器构成光缓存器，还具有纳 秒级的动态重构能力，较低的ASE噪声积累和可忽略的光功率损耗。分 离的读写控制与环形结构使本发明的系统级结构具有灵活的级联和扩展 能力和多种缓存排队方式，可为分组交换光网络带来强大的拥塞控制和 流量工程的能力。另外，光纤延迟线型缓存器成本低、稳定性高、实现 简单，技术成熟等固有特点也使本发明具有良好的实用性。
1、单级缓存结构
本发明的单级结构如图1所示，由S0A增益开关、耦合器和环行器 连接而成。耦合器(Cin)将光分组引入，进入缓存器的n个基本缓存单 元中(如图2所示)进行缓存，在出口单元中(如图4所示)，光分组可 以选择继续缓存或从缓存器中读出。
图2所示为缓存器的基本缓存单元，基本缓存单元实现缓存2nr时间 (设延迟线长度对应的延迟时间为nr)或不缓存的选择功能。光分组由 环行器(1) 口入，(2) 口出，3dB耦合器(8)将光分组平均分成两路， 其中一路有光纤延迟线(nr)而另一路没有，两路光分组分别进入各自 的反射单元中(9、 10)。图3所示为基本缓存单元中的反射单元，光分 组在进入由3dB耦合器(5)、增益型S0A光开关(6)和光纤环(7)构成的反射单元后，由SOA控制其状态，当S0A处于导通(即"开")状态 时，被耦合器(5)分成两路的光分组在环行一周后会再由耦合器(5) 耦合输出，即反射单元完成反射功能；当S0A处于截止(即"关")状态 时，光信号在S0A (6)中被吸收，没有反射光。因此，在图2中设置Snl 开S。2关，则反射单元(9)完成反射功能，而反射单元(10)没有光信号 返回，被反射的光分组经历光纤延迟线(nr)两次，回到环行器(2) 口 并由(3) 口输出，因此整个基本单元完成了将光分组缓存2nr的功能； 同理，设置S^关Sn2开，基本缓存单元将完成不缓存(即缓存时间为0， 不考虑由尾纤带来的延迟影响)的功能。在完成本级的缓存过程后，光 分组将沿环传输并进入下一段缓存基本单元。
图4所示为出口处结构。光分组从环行器(1) 口入(2) 口出，设 置S。，开S。2关，光分组将返回环行器(2) 口，并由(3) 口出，在缓存中 继续缓存；设置S。，关S。2开，光分组将由(12) 口读出缓存器。
以上缓存结构中的所有增益型S0A除完成纳秒级的开关功能外，还 提供光信号放大功能，以补偿光信号在耦合器、环行器和光纤中的功率 损耗。
本发明为光分组提供了多种缓存时延的选择(选择不同的基本缓存单 元)和缓存圈数选择，具有灵活的缓存时间和大的动态范围。此外，不 同长度的光分组可以在每圈缓存中选择不同基本缓存单元的组合，长度 短的光分组的缓存粒度不再受到现有环形结构中固定环长的限制，消除 了反馈型结构中最大分组长度和缓存最小粒度的矛盾，增强了缓存时间 的灵活性，基本消除光分组长度限制。
光分组通过选择适当的基本缓存单元组合减少光分组经过S0A的次 数，减小ASE噪声积累(设二个基本缓存单元的缓存时间分别为2r和2nr， 则用一个2nr代替n个2"光分组经过S0A的次数减少n-1次)。
弹性环形结构还具有可选的时延预算功能。当采用时延预算功能时， 缓存器根据预测的缓存时间来设置每圈基本缓存单元的组合方式和缓存 圈数；在不采用时延预算功能时，缓存器选择稍大于光分组长度的缓存 深度进行缓存，需要读出时改变出口 S0A开关状态即可，避免了预测时 延的相关算法，降低了光交换节点的复杂度。可选的时延预算使本发明 可以适应不同配置的光交换节点，具有良好的前后兼容性。间的独立性使本结构易于升级和调整(只需增加或减少基本缓存单元数 即可实现单圈缓存时延的变化)，具有良好的升级能力和网络适应性。根 据网络中光分组的长度范围和分布概率设置缓存器中每一级基本缓存单 元中延迟线的长度。为了避免在多圈缓存中光分组的头尾冲突，对于特 定长度的光分组，其最小缓存时延必须大于等于相应光分组全部发送到 光纤上所需要的发送时延。(设Z为光纤延迟线长度，K为光分组在光纤 中的传播速度，/,为光分组长度，5为光分组的传输速率，则有i^W/S)。 2、系统级缓存结构
图5所示为缓存器级联结构的一级结构。与单级结构(图1)相比， 此结构将入口处的耦合器(Cin)换成1x2光开关(Sin),出口处将三口环 行器换成四口环行器，并将环行器(4) 口输出端引到出口处的耦合器
(C。2)。当Sin光开关倒向(13) 口时，光分组沿顺时针进入缓存器进行 缓存，当S,。光开关倒向(14) 口时，光分组沿逆时针到达出口缓存器的
(3) 口，由(4) 口输出，并从出口处的耦合器(C。2)耦合输出。因此，
当该缓存器中有光分组正在缓存时，可以简单地通过倒换Si。让后面的光
分组逆时针直接输出，且不影响正在缓存中的光分组。
图6所示为系统级级联缓存结构，通过简单地将图5所示缓存器的 出口与另一相同结构缓存器的入口相连，就构成级联结构。由图5可知， 通过调整每一级的Sm状态，排在后面的光分组可以"穿过"前面的缓存 器而不影响正在缓存的光分组，因此，合理控制每级缓存器的Si。状态， 可以实现先进先出(FIF0)、先进后出(FIL0)、选择性输出等多种排队 方式。
图l为本发明弹性环形光缓存器单级结构原理图。
图2为本发明光缓存器中的基本缓存单元原理图。
图3为基本缓存单元中反射单元原理图。
图4为本发明光缓存器中出口部分结构原理图。
图5为本发明级联结构中一级缓存器结构原理图。
图6为本发明系统级级联缓存结构原理图。
图中箭头表示光分组在缓存器中的走向。
具体实施方式
实施例1:
单级缓存器的缓存功能实现方式如下
如图2所示，设置Sm开S。2关，基本缓存单元完成将光分组缓存2nr 的功能；设置Sm关S。2开，基本缓存单元完成不缓存的功能。同理，如图 4所示的缓存器出口结构，设置S。,开S。2关，光分组将在缓存中继续缓存； 设置S。i关S。2开，光分组将读出缓存器。因此，如图1所示，对于缓存其 中每一个基本缓存单元和出口，分别用一对反向的电信号控制，来实现
缓存器的缓存时延组合功能和缓存圈数选择功能。例如
① 设置第一段基本缓存单元中Si,开S^关，其他全部设置为S^关 S^开，出口处为S。,关S。2开，则光分组将在缓存器中缓存2r时间后输出；
② 设置第一、二段基本缓存单元中SU、 S2,开，S12、 S22关，其他
全部设置为S。i关S。2开，则光分组将在缓存器中缓存4r时间后输出；
③ 在第一圈缓存中，将①中出口处改为S。,开S。2关，光分组进入第 二圈缓存时，使用②中设置，则光分组将在缓存器中缓存+4r =6r 后输出；
缓存设置与①相同，当缓存在第一段基本缓存单元中缓存时，将 第二段基本缓存单元中的开关状态改为S^开S22关，则光分组在原本欲缓 存2r时间的基础上，多缓存4r时间输出；
⑤ 缓存设置与②相同，当缓存在第一段基本缓存单元中缓存时，将 第二段基本缓存单元中的开关状态改为S21关522开，则光分组在原本欲 缓存2r + 4r = 6r时间的基础上，少缓存4r时间输出；
⑥ 缓存设置与③相同，当光分组进入第二圈缓存时，将出口处改为 S。,开S。2关，当光分组进入第三圈缓存时，使用①中设置，则光分组在原 本欲缓存6r的基础上，多缓存一 圈(2r)输出；
⑦ 当采用时延预算功能时，缓存器根据预测的缓存时间来设置每圈 基本缓存单元的组合方式和缓存圈数；在不采用时延预算功能时，缓存
器选择稍大于光分组长度的缓存时延进行缓存，需要读出时改变出口 S0A 开关状态(使S。i关S。2开)即可；
由①、②可看出根据全光分组交换网的实际需求(如业务量分布， 分组长度分布等)，可以合理设置缓存器中的基本缓存单元数和延迟线长 度，并实现灵活的缓存时间变化和灵活的双向时延动态重构能力(如③-⑥)。不同长度的光分组可以根据不同的缓存路径，长度短的光分组的 缓存粒度不再受到现有环形结构中固定环长的限制(可以远小于相应的 缓存时延T),消除了反馈型结构中最大分组长度和缓存最小粒度的矛盾， 增强了缓存时间的灵活性，基本消除光分组长度限制。可选的时延预算 (如⑦)使本发明可以适应不同配置的光交换节点，具有良好的前后兼 容性。 实施例2:
系统级级联缓存器的缓存功能实现方式如下(缓存结构如图6所示)
1) 每级缓存器内部的控制方式与实施例1相同；
2) 环形结构的双向传播能力和分离的"读/写"功能，使得缓存器 在缓存光分组时允许排在后面的光分组逆时针直接输出，且不影响正在 缓存中的光分组。例如设第1级和第2级缓存器中均有光分组在缓存， 在第2级中的光分组仍处于缓存状态时，第1级中的光分组可以由第1 级的出口进入第2级的入口，并逆时针直接输出，进入第3级缓存器。 其中设第1级中的光分组长度为/p传输速率为S,则光分组经过第2级出 口处的耦合器所需时间为/p/5。因此，为了保证两个光分组在出口耦合器 中不冲突，第2级中的光分组与出口耦合器间的距离必须不小于时间/p/S 所对应的延迟线长度(设延迟线长度为l，光分组在光纤中的传播速度为 r，则有丄2 /5);
3) 由2)可知，通过合理的控制，系统级级联缓存器可以实现先进 先出(FIF0)、先进后出(FIL0)、按优先级进行选择性输出等多种排队 方式，例如
① 设每一级缓存器中都有光分组在缓存，最后一级缓存器中的光分 组输出后，顺次将前面每级中的光分组移入下一级，即完成了先进先出
(FIFO)的排队功能；
② 设每一级缓存器中都有光分组在缓存，通过合理的控制，在保证 分组间不冲突的前提下，可以按需让其中某缓存器中的光分组"穿过"
后面几级的缓存器直接输出，即完成了选择性输出的排队功能；
③ 在②的基础上，让光分组按第1级、第2级、第3级……的顺序 输出，即完成了先进后出(FIL0)的排队功能；
权利要求
1. 一种用于变长光分组的自适应弹性环光缓存器，由具有不同缓存时延的反射型基本缓存单元连接成环形结构，其特征是光分组从入口写入光纤环，经过每一级基本缓存单元，在出口处选择继续缓存或读出。
2. 根据权利要求1所述的用于变长光分组的自适应弹性环形光缓存器， 其特征是基本缓存单元为单级反射结构，由3dB耦合器(5)、反射单元(9、 10)和环行器(11)构成，反射单元由3dB耦合器(5)、增 益型S0A光开关(6)和光纤环(7)构成。光分组由环行器(1) 口入， (2) 口出，3dB耦合器(8)将光分组平均分成两路，通过设置(S ,)、 (S 2)的开关状态选择反射单元是否将光分组反射回耦合器(8)，从 而实现光分组在基本缓存单元中选择缓存或不缓存的功能，每一圈缓 存中多级基本缓存单元的组合可以实现多种缓存粒度。
3. 根据权利要求l所述的用于变长光分组的自适应弹性环形光缓存器， 其特征是出口处结构中，光分组从环行器(1) 口入(2) 口出，设 置S。,开S。2关，光分组将返回环行器(2) 口，并由(3) 口出，在缓 存中继续缓存；设置S。，关S。2开，光分组将由(12) 口读出缓存器。
4. 根据权利要求l所述的用于变长光分组的自适应弹性环形光缓存器，其特征是开关部分使用S0A增益型开关，除具备纳秒级的开关速度夕卜，还提供光信号放大功能，以补偿光信号在耦合器、环行器和)t纤 中的功率损耗。
5. 根据权利要求1所述的用于变长光分组的自适应弹性环形光缓存器，其特征是不同长度的光分组可以在每圈缓存中选择不同基本缓存单 元的组合，长度短的光分组的缓存粒度不再受到现有环形结构中固定 环长的限制，消除了反馈型结构中最大分组长度和缓存最小粒度的矛 盾，基本消除光分组长度限制。
6. 根据权利要求l所述的用于变长光分组的自适应弹性环形光缓存器，其特征是光分组通过选择适当的基本缓存单元组合减少光分组经过S0A的次数，减小ASE噪声积累(设二个基本缓存单元的缓存时间分 别为2r和2nr，则用 一个2nr代替n个2 r ，光分组经过SOA的次数 减少n-1次)。
7. 根据权利要求1所述的用于变长光分组的自适应弹性环形光缓存器，其特征是当釆用时延预算功能时，缓存器根据预测的缓存时间来设 置每圈基本缓存单元的组合方式和缓存圈数；在不采用时延预算功能 时，缓存器选择稍大于光分组长度的缓存深度进行缓存，需要读出时 改变出口 SOA开关状态将光分组读出即可。可选的时延预算使本发明 可以适应不同配置的光交换节点，具有良好的前后兼容性。
8. 根据权利要求l所述的用于变长光分组的自适应弹性环形光缓存器， 其特征是基本缓存单元数和延迟线长度可以按需设置。根据网络中 光分组的长度范围和分布概率设置缓存器中每一级基本缓存单元中延 迟线的长度。为了避免在多圈缓存中光分组的头尾冲突，对于特定长 度的光分组，其最小缓存时延必须大于等于相应光分组全部发送到光 纤上所需要的时间。(设l为光纤延迟线长度，F为光分组在光纤中的 传播速度，/p为光分组长度，S为光分组的传输速率，则有丄2 /S)。
9. 根据权利要求1所述的用于变长光分组的自适应弹性环形光缓存器，其特征是将入口处的耦合器(Cin)换成1x2光开关(Si )，出口处将三口环行器换成四口环行器，并将环行器(4) 口输出端引到出口处 的耦合器(C。2)，即构成可以级联的一级缓存结构。当Si。光开关倒向(13) 口时，光分组沿顺时针进入缓存器进行缓存，当Sm光开关倒向(14) 口时，光分组沿逆时针到达出口缓存器的(3) 口，由(4) 口 输出，并从出口处的耦合器(C。2)耦合输出。因此，当该缓存器中有 光分组正在缓存时，可以简单地通过倒换Su,让后面的光分组逆时针直 接输出，且不影响正在缓存中的光分组。将多个这样的缓存器级联(出 口与另一个相同结构的缓存器入口相连)即构成级联式缓存结构，"I 实现多种排队方式。
全文摘要
一种用于变长光分组的自适应弹性环光缓存器。由不同缓存时延的基本缓存单元连接成环形结构。基本缓存单元中的开关状态决定光分组是否在本单元缓存，出口处的开关控制光分组继续缓存或读出。对缓存圈数和缓存单元的选择使本发明能够适应任意长度的光分组缓存，解决了反馈结构对光分组长度的限制，且较前馈结构具有更大的缓存时延变化范围、双向时延动态重构能力、可选的时延预算和更紧凑的结构。分离的读写控制与环形结构使进入缓存的光分组可直接读出且不影响正在缓存的光分组，因此级联结构具有多种排队功能。基于光纤延迟线和SOA增益开关，本发明还具有纳秒级的重构能力、较低的ASE噪声积累和功率损耗，以及成本低、稳定性高、实现简单等优势。
文档编号H04Q11/00GK101448183SQ200810240568
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者宫小卉, 王宏祥, 纪越峰 申请人:北京邮电大学