文章导读

传统的随机路由表策略在硅集成贝纳斯光开关的实际应用中存在局限。使用这种策略时，端口间的插入损耗和串扰会随机波动，波动范围较大，难以控制。由于接收器的灵敏度范围有限，插入损耗和串扰的大幅变化可能对其造成严重影响。IBM认为，光开关路径功耗不平衡是导致串扰大幅变化的主要原因。哥伦比亚大学的研究者进一步指出，串扰问题的关键不在于高阶串扰，而在于路径的一阶串扰。

智能路由表映射策略是贝纳斯光互连网络的核心，它负责解决端口间路径不平衡问题，寻找优化的路径选择方案，并匹配合适的工作波长。然而，随着贝纳斯光开关端口数量的增加，开关状态空间呈指数级增长，这对高效路由算法的研究提出了重大挑战。特别是当插入损耗和串扰同时波动时，接收器的灵敏度性能下降尤为明显。

为了降低贝纳斯光开关在插损和串扰方面的不平衡问题，上海工程技术大学的赵莉副教授及其团队提出了一种高效两步路由算法 (Efficient Two-Step Algorithm, ETS)，该算法融合了最优路径选择 (Optimal Routing Algorithm, ORA) 和贪心路径选择 (Greedy Algorithm, GRA) 两种策略。

研究过程与结果

ETS算法包括三个阶段：初始化阶段、最优阶段和次优阶段 (如图1所示)。

图1.ETS 算法的基本原理：第1阶段：使用传统的二色图算法，创建辅助图。第2阶段：根据最优算法ORA，选择合适的匹配，工作波长任意。否则，则使用贪心算法GRA选择路径匹配，工作波长固定。第3阶段：根据路由表和工作波长调整交换机的状态。

在初始化阶段，着色法能够在多项式时间内搜索可用的输入/输出排列，实现在合理时间内完成完整的连接搜索，并得到满足业务可达性的路由表。

在最优阶段，使用ORA算法来验证所得路由表是否为最优解。ORA算法利用贝纳斯开关的循环特性，对路由表的路径约束进行递归检验，避免了端到端路径的直接检验，计算成本较低，且无需全局网络信息，有助于高效地寻找全局最优解。

然而，随着端口数的增加，全局最优解ORA的比例逐渐降低。这时，ETS算法进入次优阶段，采用贪心算法GRA进行路径匹配，根据路径上最大Bar状态的数量来降低动态范围或串扰水平。GRA算法检查信号的动态范围，并调整串扰水平，在保持相同动态范围的同时，尽可能降低串扰。

贪心算法虽然速度快，但结果接近最优。GRA算法避免了在ORA算法失效时直接舍弃候选路由表，防止了状态空间有效信息的丢失。最终，将ORA算法的结果与GRA算法相结合，形成最终的智能路由表。

图2给出了基于不同路由路径策略的信号传输谱。{蓝、棕、黄、紫}分别代表来自端口{1、2、3、4}的信号。为显示信号波动，该图展示了所有信号与串扰，功率叠加在同一列的64路结果。结果显示，ORA方案成功地平衡了两个相互冲突的目标：插损和串扰。在理想情况下，由于最后一个信号覆盖了其他三个信号，导致其他三个信号在功率谱中几乎消失。最优算法ORA具有广泛的适用性，允许在任意工作波长下选择路由路径。

图2.对应于同一业务需求的四张路由表：(a) ORA最佳算法。(b) 哥伦比亚大学路由表。(c) 传统随机算法。(d) GRA贪心算法。此处，1、2、3分别指贝纳斯光网络的第一级、第二级，和第三级。

由于插损、串扰和消光比之间通常存在此消彼长、相互制约的关系，本文引入了“可行区域”的概念来分析ETS算法的性能指标。如图4所示，横轴代表实际波长，纵轴代表传输功率。传输谱的最高和次高输出功率分别对应输出端的插损和一阶串扰。同时，传输谱的宽度和高度分别表示带宽和消光比。

图3展示了传统随机算法的路径高度对称性。传统方法的缺陷在于路由表中会包含两路最差路径。例如，1至32端口的直线路径恰好出现两次，而这条路径由于Bar状态较多，导致最大插损。为解决这一问题，ETS算法被提出以替代传统算法。

图3.32 端口贝纳斯开关的两种极端排列的四张路由表：(a) 传统All-Bars解决方案；(b) 使用ETS算法后All-Bars解决方案；(c) 使用ETS算法后的All-Cross解决方案；(d) 传统All-Cross解决方案。

ETS算法的核心思想是，在最差路径无法避免时，用最长路径来补偿，以解决路径公平性问题。具体来说，输入端口2与输出端口31之间的波长是传统方法中的最长路径。因此，具有最大插损的直线路径应仅出现一次，即在输入端口1与输出端口1之间。同样，传统方法中的最长路径也仅出现一次，即从输入端口32到输出端口32。这样，最长路径和最差路径的消光比得以折中。

为什么ETS算法能确保在接收端有一个干净的可行区域？可行区域最大化的条件是恰好存在一个一阶串扰。因此，本文将一阶串扰数量减少到恰好一个，目的是平衡可行区域的宽度和高度。结果显示，一阶串扰越多，环形谐振器对该路信号的滤波效应就越显著，而滤波效应越显著，可行区域就越小。相反，如果缺少一阶串扰，虽然带宽会显著增大，但高度就会显著减小。

图4显示了在波长为1549.99 nm时，可行区域的宽度如何受到路由表的影响。在传统的All-Bars方法中，Bars状态的开关数量最多，因此可行区域宽度最大，为1620-1510=110 nm。相比之下，在传统的All-Cross方法中，Cross状态的开关数量最多，滤波效应最强，宽度达到最低，为1.7 nm。与传统方法相比，最佳ORA和近似最佳GRA方法能显著改善可行区域的长度和宽度，将1.7 nm/0.8 nm×100 GHz的波长分别扩展到300 GHz和375 GHz。

图4.32 × 32 贝纳斯光开关的传输谱：(a) 传统All-Bars解决方案；(b) 使用ETS方案后的All-Bars解决方案；(c) 使用ETS方案后的All-Cross解决方案；(d) 传统All-Cross解决方案。此处，工作波长为 1549.99 nm。

研究总结

本文通过模型仿真和分析，验证了一种针对贝纳斯光网络的智能路由选择算法。该算法融合了最优路由算法ORA和贪心算法GRA的优势，有效提升了路径选择的公平性。应用这一方案后，小型端口 (8×8和4×4) 的贝纳斯光网络在接收端的动态范围要求分别降低了2 dB和5.1 dB。对于大型端口 (32×32) 的贝纳斯网络，其可行区域得到了显著扩展，区域高度即消光比提升了1 dB和6 dB，而区域宽度即带宽在两个极端情况下分别增加了162.5 GHz和87.5 GHz。此外，数值示例还表明，在消光比值相近的情况下，所提出的贪心方法能够产生一个仅含一个一阶串扰的清洁可行区域。

原文出自 Electronics 期刊：https://www.mdpi.com/2702270

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronics

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主编：Flavio Canavero, Politecnico di Torino, Italy

期刊涵盖的研究包括但不限于以下领域：电子材料、微电子学、光电子学、工业电子、电力电子、生物电子、微波和无线通信、计算机科学与工程、系统与控制工程、电路和信号处理、半导体器件、人工智能、电动和自动驾驶汽车、量子电子等。期刊致力于快速发表与广泛电子领域相关的、最新的技术突破以及前沿发展。

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