專利名稱：光組播網(wǎng)絡(luò)中基于邏輯運算的網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于全光組播網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)方法，尤其涉及一種能夠在 全光條件下基于全光異或門和全光移位寄存器實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)編碼向量設(shè)計方法，以及在該編 碼向量條件下實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)編碼的過程和控制算法，屬于光交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光網(wǎng)絡(luò)正以其高速率、大容量的數(shù)據(jù)傳輸能力，智能和靈活的網(wǎng)絡(luò)管理能力，良好 的健壯性和生存性成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。網(wǎng)絡(luò)編碼具有提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、均衡網(wǎng) 絡(luò)負(fù)載、增加網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率、減少網(wǎng)絡(luò)資源損耗、提高網(wǎng)絡(luò)安全性、減少能量消耗等優(yōu) 點，為設(shè)計具有更高容量與更加優(yōu)化的未來網(wǎng)絡(luò)提供了切實可行的支持。將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)引入到光網(wǎng)絡(luò)中，可以充分結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼和光網(wǎng)絡(luò)兩者的優(yōu)勢， 提高光網(wǎng)絡(luò)的安全性和容錯性，并且在WDM波長管理和分配方面可以發(fā)揮重要作用。但 是，由于受到光信號本身速率高、邏輯簡單等特性的影響以及當(dāng)前光器件的限制，要將網(wǎng)絡(luò) 編碼技術(shù)應(yīng)用到光網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中并充分發(fā)揮光網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)編碼兩者的優(yōu)勢還面臨很多的挑戰(zhàn)。 首先，在當(dāng)前條件下，由于沒有可讀、寫光器件，信息的復(fù)制多是通過星型耦合器等光功率 分配器件再加上光交換矩陣和波長變換器組成，光交換/路由設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計受到很大限 制，不具備電路由器的靈活性；其次，要在光域上實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼使用的復(fù)雜線性運算幾 乎是不可能的，將光信號調(diào)制成電信號后在電域中進(jìn)行編碼計算后再將所得信號重新調(diào)制 到光域進(jìn)行傳輸是一個常用的方案，但是這必將增加網(wǎng)絡(luò)傳輸時延降低網(wǎng)絡(luò)性能，將使編 碼結(jié)點成為系統(tǒng)瓶頸。隨著光器件的發(fā)展，在光域中可以快速、高效的實現(xiàn)邏輯移位和異或操作。無溢出 的邏輯左移表示乘法運算，用邏輯異或取代傳統(tǒng)的加法運算，兩種運算結(jié)合可以在光網(wǎng)絡(luò) 中實現(xiàn)編碼操作。因此，在光網(wǎng)絡(luò)中使用邏輯異或和移位操作從而避免使用光-電-光轉(zhuǎn) 換完成網(wǎng)絡(luò)編碼已成為目前唯一切實可行的高效解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)不適合在全光組播網(wǎng)絡(luò)中實施這一問 題，為全光組播網(wǎng)絡(luò)提供一種基于邏輯移位和邏輯異或運算的光網(wǎng)絡(luò)編碼方法，該網(wǎng)絡(luò)編 碼方法能夠在全光組播網(wǎng)絡(luò)中無需光電光轉(zhuǎn)換而高效率的實現(xiàn)。為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案—種用于支持該網(wǎng)絡(luò)編碼方法的編碼向量集合，其特征在于所述的編碼向量選自列向量集{(l，2n)T，n G N}或者{(2m，1)T，m G N，m > 0}，其 中N為自然數(shù)集合。編碼向量選自該向量集可以保證輸入到編碼結(jié)點的數(shù)據(jù)包與編碼向量的乘法運 算能夠通過對相應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行向左移位實現(xiàn)，然后通過對兩路移位后數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運算 從而在編碼結(jié)點完成編碼運算。
一種編碼結(jié)點模塊結(jié)構(gòu)，該模塊用于控制在上述編碼向量條件下的網(wǎng)絡(luò)編碼的實 現(xiàn)過程。該模塊包括全光移位寄存器、全光異或門、光分路器、光纖延遲線、光交換器件和光 功率補償器件等關(guān)鍵器件，其特征在于(1)當(dāng)組播數(shù)據(jù)包到達(dá)編碼結(jié)點后，編碼控制中心提取數(shù)據(jù)包標(biāo)簽中記錄的編碼 標(biāo)志和編碼向量；(2)控制中心根據(jù)標(biāo)簽記錄的編碼標(biāo)志和編碼向量將相應(yīng)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分交換 到完成特定功能的運算模塊中，相關(guān)的運算模塊由上述光器件組成；其中，根據(jù)編碼不同形式的編碼向量，編碼結(jié)點模塊包括如下相應(yīng)運算模塊用于 完成相關(guān)功能解碼運算模塊1 (DEP_1)當(dāng)輸入的兩個數(shù)據(jù)包中有一個編碼標(biāo)志未被置位(未被 上游編碼結(jié)點編碼)另一個編碼標(biāo)志被置位，則將輸入到該編碼結(jié)點的兩數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部 分送入到運算模塊DEP_1中；控制中心根據(jù)獲取的被編碼數(shù)據(jù)包的編碼向量，控制未被編 碼的數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分在移位寄存器中移動相應(yīng)的bit位后與另一輸入數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部 分進(jìn)行異或運算來還原一路原始信號。該模塊最后將兩路原始數(shù)據(jù)送入到編碼運算模塊進(jìn) 行再編碼運算。在編碼結(jié)點還原原始信號就是使編碼結(jié)點配備解碼功能。其目的是使在本結(jié)點編 碼后數(shù)據(jù)的系數(shù)向量能夠保持在邏輯運算可解的向量維數(shù)之內(nèi)，保證目的節(jié)點正確解碼。 這是因為基于邏輯運算的編碼方法經(jīng)過邏輯編碼運算后導(dǎo)致編碼向量不封閉，并且沒有基 于邏輯運算的逆運算用于解碼，從而造成目的結(jié)點無法正常解碼。解決這一問題的可行方 法就是在目的結(jié)點配備解碼功能，將在目的結(jié)點不能完成的解碼操作分布到各個編碼節(jié)點 中完成。解碼運算模塊2(DEP_2)當(dāng)輸入到該編碼結(jié)點的兩個數(shù)據(jù)包標(biāo)簽中的編碼標(biāo)志 均被置位，則將兩路輸入信號交換到DEP_2模塊中。控制中心根據(jù)獲取的編碼向量控制相 應(yīng)的光器件將數(shù)據(jù)包進(jìn)行移位、交換、緩存和異或運算，以在本模塊還原出兩路原始數(shù)據(jù)， 最后將原始數(shù)據(jù)送入到編碼運算模塊進(jìn)行再編碼。編碼運算模塊(Encoding Unit)當(dāng)輸入到該編碼結(jié)點的兩個數(shù)據(jù)包標(biāo)簽中的編 碼標(biāo)志均未被置位，或者從DEP_1和DEP_2還原出的原始信息輸入到本模塊后，控制中心根 據(jù)分配給該編碼結(jié)點的編碼向量控制相應(yīng)光器件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行移位、異或運算以完成重 新編碼操作。(3)當(dāng)完成網(wǎng)絡(luò)編碼運算后，編碼結(jié)點將數(shù)據(jù)包標(biāo)簽中相應(yīng)的編碼標(biāo)志置位并在 標(biāo)簽中記錄該編碼節(jié)點所采用的編碼向量用于下游結(jié)點的解碼或者重新編碼運算。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1為承載網(wǎng)絡(luò)編碼方法的編碼結(jié)點設(shè)計圖。圖2為解碼運算模塊1 (DEP_1)設(shè)計圖。圖3為解碼運算模塊2 (DEP_2)設(shè)計圖。
具體實施例方式如圖1所示，當(dāng)組播數(shù)據(jù)包到達(dá)編碼結(jié)點模塊時，控制中心(Controlcenter)提取 兩個數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽。數(shù)據(jù)包標(biāo)簽包括編碼標(biāo)志和編碼向量。如果兩個標(biāo)簽中的編碼標(biāo)志都 未被置位，說明兩個數(shù)據(jù)包未被上游結(jié)點編過碼。這時將兩個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分通過光交 換矩陣0XC_1和0XC_2交換到編碼單元(Encoding unit)。編碼單元根據(jù)分配給該編碼結(jié) 點的編碼向量將需要移位的一路輸入數(shù)據(jù)送到移位寄存器(SR_1)中左移相應(yīng)的bit數(shù)，完 成相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)與編碼向量的乘法操作；另一路用光纖延遲線(FDL_1)緩存，以使移位 后的信號和被延時的信號能夠同時進(jìn)入全光異或門(XOR gate)完成組播數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)部 分的編碼操作。編碼操作在編碼單元完成后將編碼結(jié)果輸入到編碼節(jié)點的標(biāo)簽重寫器中完 成新數(shù)據(jù)包標(biāo)簽的編碼標(biāo)志置位和記錄編碼向量工作。若控制中心得到的兩個編碼標(biāo)志一個被置位另一個未被置位，這說明輸入到該編 碼結(jié)點的兩個數(shù)據(jù)包一個已被上游編碼結(jié)點編碼，另一個未被編碼。這種情況下，控制中心 將兩路輸入數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分交換到解碼運算模塊1中(DEP_1)，如圖2所示。然后控制中 心根據(jù)被編碼數(shù)據(jù)包的編碼向量控制控制0XC_1將未被編碼的數(shù)據(jù)送入P_1端口，將已編 碼的數(shù)據(jù)送入P_2端口。根據(jù)編碼向量形式的不同，輸入到DEP_1模塊的數(shù)據(jù)分為如下兩 類輸入數(shù)據(jù)為a和a 2n*b, 輸入數(shù)據(jù)為a和2n*a b。如圖2所示，控制中心根據(jù)被編碼數(shù)據(jù)包的編碼向量區(qū)分輸入數(shù)據(jù)的類型。就第 一類輸入數(shù)據(jù)而言，未被編碼的數(shù)據(jù)a被交換到？_1端口后由3db splitter復(fù)制成為兩份， 一份輸入到光交換開關(guān)0SW_1中，另一份作為本模塊的一路原始信號輸出。輸入到0SW_1的 原始數(shù)據(jù)根據(jù)控制中心獲取的編碼向量(l，2n)T被控制中心控制0SW_1直接交換到全光異 或門X0Rgate_l中。從輸入端口 P-2輸入的輸入數(shù)據(jù)a 2n*b被輸入到光交換開關(guān)0SW_2 中。0SW_2根據(jù)控制中心獲取的編碼向量(l，2n)T將數(shù)據(jù)直接交換到全光異或門XOR gate_l 中并與另一路進(jìn)入異或門的原始數(shù)據(jù)a進(jìn)行異或運算，并將運算結(jié)果2n*b輸入到光交換開 關(guān)0SW_3中。0SW_3根據(jù)控制中心獲取的編碼向量將2n*b交換到移位寄存器SR_2中，并控 制其向右移n位，得到另一個原始數(shù)據(jù)b并將其輸出。至此，DEP_1已經(jīng)還原并輸出兩路原 始數(shù)據(jù)a和b到編碼單元用于完成本編碼結(jié)點的重編碼操作。仍然如圖2所示，就第二種數(shù)據(jù)而言，未被編碼的數(shù)據(jù)a被交換到P_1端口后，仍 然由3db splitter復(fù)制成為兩份，一份輸入到光交換開關(guān)0SW_1中，另一份作為本模塊的 一路原始信號輸出。不同點在于，0SW_1根據(jù)控制中心獲取的編碼向量將經(jīng)過它的數(shù)據(jù)交 換到移位寄存器SR_1中?？刂浦行母鶕?jù)編碼向量控制移位寄存器將原始數(shù)據(jù)a左移n位 變成2n*a后送入到異或門X0R_gate_l中。另一路從P_2端口輸入的已編碼數(shù)據(jù)2n*a b 被0SW_2根據(jù)控制中心獲取的編碼向量交換到FDL_1所在路徑中并被FDL_1控制延時n位 bit時間后與SR_1的輸出結(jié)果2n*a同時進(jìn)入到全光異或門X0R_gatel中完成異或運算得 到另一路原始數(shù)據(jù)b。得到原始數(shù)據(jù)后，全光異或門X0R_gatel將原始數(shù)據(jù)b輸出到0SW_3 中。控制中心根獲取的編碼向量控制0SW_3將原始數(shù)據(jù)b直接輸出。原始數(shù)據(jù)a由FDL_2 延遲相應(yīng)時間后輸出，原始數(shù)據(jù)b由0SW_3控制輸出。至此，DEP_1完成了兩種不同編碼向 量下的原始數(shù)據(jù)還原計算，并將兩路原始數(shù)據(jù)a和b輸出到編碼單元用于完成本編碼結(jié)點 的重編碼操作。若控制中心得到的兩個編碼標(biāo)志均被置位，說明輸入到該編碼結(jié)點的兩個數(shù)據(jù)包
5均被上游編碼結(jié)點編過碼。此時控制中心提取兩個被編碼數(shù)據(jù)包的編碼向量，并將兩路 輸入數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分交換到解碼運算模塊2中(DEP_2)。根據(jù)數(shù)據(jù)包中編碼向量的不 同，進(jìn)入到DEP_2的數(shù)據(jù)也包括兩種類型輸入數(shù)據(jù)為a 2n*b和2m*a b;輸入數(shù)據(jù)為 2n*a 十 b禾口2m*a 十 b?？刂浦行母鶕?jù)輸入數(shù)據(jù)的編碼向量區(qū)分兩種數(shù)據(jù)類型。如圖3所示，就第一種數(shù) 據(jù)而言，數(shù)據(jù)2m*a b被交換到P_1端口。數(shù)據(jù)a 2n*b被交換到P_2端口。數(shù)據(jù)2m*a b 被3db splitter復(fù)制為兩份，一份送到移位寄存器SR_1中，另一份經(jīng)FDL_2延時后送入全 光異或門XOR gate_2中。控制中心根據(jù)獲取的編碼向量控制移位寄存器SR_1中的數(shù)據(jù) 左移n位，將其變成2(m+n)*a 2n*b后與P_2端口的輸入數(shù)據(jù)a 2n*b同時進(jìn)入異或門 X0Rgate_l進(jìn)行異或運算得到數(shù)據(jù)2(m+n)*a。數(shù)據(jù)2(m+n)*a進(jìn)入邏輯運算模塊(calculation module)被還原成為一路原始數(shù)據(jù)a。原始數(shù)據(jù)a被另外一個3dbspliter復(fù)制為兩份，一 份通過光纖延遲線延時一定時間后作為本解碼模塊的一路輸出結(jié)果，另一份由控制中心根 據(jù)獲取的編碼向量控制0SW_2將其交換到移位寄存器SR_2中并將其左移m位變?yōu)?m*a后 與另一路數(shù)據(jù)2m*a b同時進(jìn)入全光異或門XOR gate_2中完成異或運算，還原得到另一 路原始數(shù)據(jù)b。至此，第一類數(shù)據(jù)輸入類型在本解碼模塊中解碼完成并經(jīng)0XC_2輸出到編碼 單元中用于完成本結(jié)點的重編碼計算。仍然如圖3所示，就第二種數(shù)據(jù)類型而言，假設(shè)111 > n (反之同樣)數(shù)據(jù)2n*a b被 0XC_1交換到P_1端口，數(shù)據(jù)2m*a b被交換到p_2端口。數(shù)據(jù)2n*a b被3db splitter 復(fù)制為兩份，一份被輸入到移位寄存器SR_1中后被SR_1左移m/n bit (設(shè)m/n = x)變?yōu)?2m*ae2x*b。另一份經(jīng)FDL_2延遲后輸入到全光異或門XOR gate_2中。2m*a b被交 換到P_2端口，經(jīng)FDL_1延時x bits時間后與數(shù)據(jù)2m*a 2x*b同時輸入到異或門X0R gate_l中得到異或結(jié)果2x*b b。該異或運算結(jié)果被輸入到邏輯運算部件calculation module中得到一路原始信號b。該信號被另一 3db splitter復(fù)制為兩份，一份經(jīng)由0SW_3 直接進(jìn)入到異或門XOR gate_2中，另一份作為本模塊的輸出結(jié)果經(jīng)FDL_3延時后輸出。進(jìn) 入到異或門XOR gate_2中的原始數(shù)據(jù)和另一份進(jìn)入該異或門的數(shù)據(jù)2n*a b做異或運算 得到結(jié)果2n*a。輸出結(jié)果2n*a進(jìn)入到0SW_1，控制中心根據(jù)獲取的編碼向量控制0SW_1將 數(shù)據(jù)2n*a交換到移位寄存器SR_3中并對其進(jìn)行右移n位操作得到原始數(shù)據(jù)a。至此，兩路 原始信號在本解碼模塊中解碼完成，并經(jīng)0XC_2輸出到編碼單元中完成本結(jié)點的重編碼。當(dāng)輸入到本編碼結(jié)點的數(shù)據(jù)包未被置位或者從模塊DEP_1和DEP_2輸出的數(shù)據(jù)輸 入到編碼單元時，控制中心根據(jù)分配給本編碼結(jié)點的編碼向量，假設(shè)為(1，23)\控制(《(_2 將數(shù)據(jù)b輸入到移位寄存器將數(shù)據(jù)a輸入到光纖延遲線FDL_1。然后控制中心再根據(jù)分配 給該編碼結(jié)點的編碼向量控制移位寄存器SR_1 (如圖1)將數(shù)據(jù)b左移s位變?yōu)?s*b。數(shù) 據(jù)a被FDL_1延時s bit時間之后與2s*b同時輸入到全光異或門XORgate中完成編碼運 算，并輸出編碼結(jié)果a 2s*b。通過上述的步驟可以在全光組播網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)所提出的網(wǎng)絡(luò)編碼方法。由于該網(wǎng)絡(luò) 編碼方法采用邏輯運算實現(xiàn)，能夠在當(dāng)前光邏輯器件中保證所有網(wǎng)絡(luò)編碼運算在全光環(huán)境 下完成而不需要光電光轉(zhuǎn)換。上面對本發(fā)明所述的用于光組播網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但 本發(fā)明的具體實現(xiàn)形式并不局限于此。對于本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明所述方法的精神和權(quán)利要求范圍的情況下對它進(jìn)行的各種顯而易見的改變都在本發(fā) 明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種能夠基于邏輯移位運算實現(xiàn)的編碼向量集合，其特征在于所述的編碼向量集合選自向量集合{(1，2n)T，n∈N}或者{(2m，1)T，m∈N，m＞0}；其中，所述的編碼向量集合中的元素均選自2的冪次方。在本編碼向量條件下，網(wǎng)絡(luò)編碼運算過程中相關(guān)的乘法運算在具體硬件實現(xiàn)上能夠通過左移被乘數(shù)相應(yīng)數(shù)量的bit位完成；
2.一種基于邏輯運算的網(wǎng)絡(luò)編解碼方法及其控制和實現(xiàn)過程，其特征在于在權(quán)利要求1所述的編碼向量基礎(chǔ)上，采用邏輯移位和邏輯異或?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼運算； 其中，該編碼方法要求編碼結(jié)點配備解碼功能以保證在基于邏輯計算的網(wǎng)絡(luò)編碼方法 下的目的結(jié)點能夠正確解碼；在權(quán)利要求1所述的編碼向量基礎(chǔ)上，根據(jù)編碼向量控制相應(yīng)數(shù)據(jù)包的移位、交換、延 時和異或運算等編碼過程；其中，為保證數(shù)據(jù)移位位數(shù)的準(zhǔn)確、將數(shù)據(jù)交換到的正確的傳輸路徑、將信號時延合理 的時間等指標(biāo)，編碼向量必須保存于數(shù)據(jù)包當(dāng)中，并隨數(shù)據(jù)包向下游鏈路傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)包到 達(dá)相應(yīng)的編碼結(jié)點時將編碼向量交給控制中心，用于控制編碼過程。
3.一種用于承載網(wǎng)絡(luò)編碼方法的硬件模塊結(jié)構(gòu)，其特征在于用于承載網(wǎng)絡(luò)編碼方法的硬件模塊結(jié)構(gòu)包括全光邏輯異或門、移位寄存器、光交換矩 陣、光交換開關(guān)、光纖延時線、功率補償器件、光分路器等；其中，所述的硬件模塊結(jié)構(gòu)用于承載并實現(xiàn)基于邏輯移位和邏輯異或運算的網(wǎng)絡(luò)編碼 方式，上述各種器件包括各種實現(xiàn)相同功能的所有相應(yīng)光器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于全光組播網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)方法。該網(wǎng)絡(luò)編碼方法是基于光邏輯移位和光邏輯異或運算實現(xiàn)的。為實現(xiàn)所述的網(wǎng)絡(luò)編碼方法，設(shè)計了承載該編碼方法的網(wǎng)絡(luò)編碼節(jié)點模塊。該編碼節(jié)點模塊包括兩個解碼運算模塊用于根據(jù)不同編碼向量還原兩路原始信號；兩個光交換器件用于根據(jù)編碼向量將不同數(shù)據(jù)包交換到所要求的器件中；一個編碼單元用于將還原的或者直接輸入到該節(jié)點的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編碼，其中編碼單元包括一個移位寄存器用于實現(xiàn)編碼向量的乘法運算，一個全光異或門用于完成兩路數(shù)據(jù)的編碼操作。該網(wǎng)絡(luò)編碼方法和編碼節(jié)點模塊能夠在當(dāng)前光器件條件下全光實現(xiàn)。
文檔編號H04L12/56GK101834699SQ20101016348
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者曲志堅, 柏琳, 紀(jì)越峰 申請人:北京郵電大學(xué)