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归功于光纤的超宽带传输特性，宽带光器件如EDFA的商用，低损耗光交换技术的崭露，光通信技术在未来高速大容量网络中仍将起到主导作用。光分插复用器和光交叉连接实现全光转发和上下路，减轻电路由器负荷(包括业务的缓存、交换和路由)，是从光传输向光交换演进过程中的重要步骤。光交叉连接具备波长转换功能，可以克服光网络中的波长连续性约束，提高波长通道利用效率并改善网络阻塞性能，使得光网络真正和线路交换相互统一。
许多组播业务例如IPTV、协同计算、分布式游戏等呈现高带宽需求，适于采用光组播技术来群发流量，以避免频繁的光电光转换并节省带宽和能耗。光组播亟需解决的问题有：易集成低成本的光信号复制技术，无阻塞并有良好扩展性的组播光交叉连接设计，以波长通道资源和时延为优化目标的组播路由波长分配算法，组播节点在网络中的放置策略等。
本文研究如何在光交换节点和网络中部署波长转换和组播功能，以最少的资源代价获得接近最优的网络性能。
首先，从微观角度降低单个交换节点的造价：(1)在网络的每个节点共享一定数量的波长转换器和组播器件，在获得可容许的阻塞性能前提下，最小化单个节点中实际使用的波长转换器和组播器件数目；(2)光交换矩阵的规模、交叉点数是整个光交换节点造价的重要组成部分，基于多级交换网络级联多个小型光开关，构建大规模光交换矩阵，减少交叉点数和功率损耗。
其次，从宏观整个网络角度削减波长转换和组播器件的数量：(3)稀疏波长转换和稀疏光组播，即在网络中的一部分节点合理放置波长转换器/组播器件，以获得接近最优的阻塞性能。本文围绕波长转换和组播交换节点及其网络性能开展了以下工作：
1.共享固定波长转换器光交叉连接结构与阻塞性能分析
共享波长转换器可以提高波长转换器的利用效率，根据波长转换器在光交叉连接中放置和接入方式不同，存在节点共享和链路共享两种结构。前者共享效率高，但光交换矩阵复杂度高；后者结构简单但共享效率低;两者都只能共享可调波长转换器。第二章提出新型波长共享结构，基于三级Clos网络共享固定波长转换器，既可实现无阻塞端到端连接，又可以用小型光开关实现大规模交换矩阵。我们推导出波长共享结构在同步对称业务下的解析模型，准确计算了阻塞率和波长转换器利用率。仿真和理论分析证实，波长共享结构可以获得与节点共享结构同样的共享效率和阻塞性能，而只需要少量固定波长转换器(约20％～30％)，即可获得与完全波长转换接近的性能。
其次，提出在重排Clos网络内部共享固定波长转换器，这种结构不需要对交换矩阵进行任何扩展，且能节省约50％的波长转换器。
2.基于多波长转换的组播波长分配算法
多波长转换是一种可行的光信号复制技术，不会引入分光损耗，但目前组播波长分配算法的研究都以分光技术为基础，尚未关注多波长转换相关的组播分配算法。第三章研究基于多波长转换的组播波长分配算法。为了提高组播器件利用率，多波长转换器在节点中全局共享。波长分配算法的首要优化目标为最大化可覆盖目的成员数目，次要目标为最小化波长转换次数。我们提出最大权匹配算法，将分支节点上的波长最优分配问题等效成偶图的最大权匹配问题。仿真实验证实少量多波长转换器即可获得近似最优的网络性能。
3.功率节约型无阻塞四级组播网络及其在组播光交叉连接中的应用
网络设备的能耗是数据中心和路由器设计和运行的最大挑战。第四章考虑多级交换网络的能耗问题，通过减少分光级数构造功率节约型组播光交叉连接。我们提出一种新型两级组播四级网络，称为4(2m)-级组播网络，并给出了其在任意组播业务下的广义无阻塞和可重构无阻塞的充分条件及数学证明。4(2m)-级组播网络的复杂度(以交叉点数为标准)为O(N3/2)，比三级Clos网络低，与4(3m)-级组播网络相同，具有良好的规模可扩展性。我们进一步将组播级数减至一级，提出4(1m)-级组播网络，并给出其在f-cast组播业务下，广义无阻塞和可重构无阻塞充分条件。最后我们将四级交换网络应用于构建大规模组播光交叉连接，并证实所提出的4(2m)-级组播网络和4(1m)-级组播网络都可以显着降低光交换矩阵的分光损耗。
4.组播与波长转换节点在网络中的稀疏放置问题
可重构光分插复用是整个光网络设备市场中增长最为快速的细分市场，而波长选择开关是该领域的关键器件。基于波长选择开关(WSS)的光交换节点天然具备完全组播能力，但是很难和波长转换集成在一起。第五章提出新型光网络的资源分配策略：分散放置组播和波长转换节点，即网络中一部分节点为WSS组播节点，其余节点为波长转换节点。组播和波长转换节点放置问题是路由波长分配和放置算法的组合，优化目标为在动态单/组播业务下获得最低阻塞率。为此我们建立稀疏波长转换网络中的近似解析模型计算单/组播混合动态业务的平均阻塞率。在规则和不规则网络拓扑中，从理论和仿真两方面研究不同节点配置带来的网络阻塞性能，验证了分散放置波长转换和组播节点的合理性。