094 目录 黄大年茶思屋“难题揭榜”第94期——长江会战第四期 全条目整理

难题 1基于 NGSF 底座的三级 Clos 算法交换网 “零” 冲突技术一、基础原理信元交换基本原理 上游 iFIC 芯片将业务流切片成 Cell 信元采用 RR 均匀调度负载均衡分发至下游交换网片 SESE 根据 Cell 携带全局同步时标排序后转发下游 iFIC。同一条业务流 Cell 经不同路径会出现时序错乱下游 iFIC 依靠全局时标恢复业务原始顺序。信元交换业务痛点 所有 iFIC 按 RR 均衡下发业务至各 SE单 SE 会接收全部 iFIC 业务同一时刻多 Cell 去往同一下游端口引发 SE 内冲突、拥塞、等待多播复制会加剧该问题同业务流不同路径带来的拥塞延迟在下游 iFIC 汇聚后叠加恶化时延。二、技术挑战现有业界三级 Clos 算法仅单播业务可做到重排无阻塞多播业务场景下能实现多大程度无阻塞为核心待解难题。三、当前方案与现存问题传统信元交换机制方案iFIC 切片 CellRR 负载均衡分发至 SE问题交换网 SE 内部持续存在冲突、拥塞、排队等待现有三级 Clos 算法方案单播场景下实现重排无阻塞未知待解多播占比阈值、剩余阻塞业务占比、单端口可并行输出 Cell 数量、交换机并行通路上限均无明确理论边界信元交换系统整体现状问题业务冲突带来交换时延显著放大单框单 OTN 时延 XXus集群多框时延 XXus四、技术诉求基于三级 Clos 算法完成数学建模、仿真缓存偏差控制5%以两播限定多播输入构建数学模型设计适配多播的三级 Clos 算法推导时延、缓存理论边界达成 100% 算通率。参考文献[1] C. Clos,A study of non-blocking switch networks, Bell Syst.Tech.J., pp 406-424,1953. [2] Dong Li,A new multiple-multicast algorithm in a class of self-routable switching network, Institute of Computing Technology Chinese Academy of Science, 2003. [3] 顾乃杰《三级 Clos 网的通信模型》中国科学技术大学计算机科学技术系2007.难题 2小型化低成本 FP-LD 识别部件 / 模块一、技术背景通信系统同时存在 FP-LD 泵浦激光器、DFB 半导体激光器需器件自动区分两类光源光谱特征区分FP-LD 多纵模、宽线宽宽光谱DFB 单纵模、窄线宽窄光谱二者波长区间重叠传统识别方案大型光谱仪通过分解光谱数字化区分两类器件但设备体积大、成本高无法集成进通信设备亟需小型化、低成本识别模块。二、现有两种主流方案及缺陷基于微环谐振腔光谱检测 缺陷器件需恒温控制驱动控制逻辑复杂整体成本偏高基于 AWG 阵列波导光栅光谱检测 缺陷器件尺寸偏大无法满足小型化尺寸约束封装流程复杂、成本高三、技术诉求硬性指标不限定仅依靠光谱物理特征实现识别需同时满足外形尺寸655mm识别光功率工作区间-8~-31dBm光源识别准确率100%。参考文献[1] Ang Li et al.,On-chip spectrometers using stratified waveguide filters, Nature Communications 2021, 12:2704难题 3高倍率视觉无损 RAW 压缩技术一、技术背景相机成像原理光线透过拜耳 CFA 彩色滤光阵列输出分 R/G/B 分量 RAW 图像CFA 图像压缩在消费相机广泛落地低延迟、低复杂度、画质损失可控现有商用方案仅支持 2 倍压缩倍率需求矛盾常规低复杂度算法提升压缩倍率会带来严重视觉画质损伤高倍率标准视频压缩HEVC/AVC算法复杂度过高、ASIC 硬件面积大、依赖 DDR 缓存无法适配相机端低资源场景目标定制化 CFA RAW 压缩算法同时实现高画质、30 倍高压缩、适中算法复杂度、低编解码延迟。二、技术现状与性能数据伽马映射 ADRC 轻量化方案 优势复杂度、ASIC 硬件面积达标局限视觉无损前提下仅能压缩 2 倍非标简化类 HEVC 方案7 种帧内预测模式无 SAO/Deblock仅 CABLC 熵编码 优势最高可压缩 30 倍以上局限PSNR 仅 30无法实现视觉无损不同倍率 PSNR 对照表压缩倍率2 倍10 倍15 倍25 倍35 倍类 HEVC 方案/32.632.532.331.4伽马映射 ADRC47.6////三、技术挑战高倍率无损压缩标准算法HEVC/AVC复杂度高ASIC 面积大需要片外 DDR 缓存轻量化低复杂度 CFA 压缩方案视觉无损上限仅 2 倍无法达到 15 倍以上高倍率需求。四、技术诉求全量化指标设计复杂度适中的定制压缩算法硬件优化后满足全部约束压缩倍率最低 15 倍挑战目标 30 倍画质约束PSNR50视觉无损分辨率与帧率4k120fps挑战 4k240fpsASIC 硬件面积3mm²28nm 工艺输入位深8/10/12/16-bit编解码总延迟≤100ms配套码率控制 CBR 功能。参考文献[1] Chung K L, Chen H Y, Hsieh T L, et al.,Compression for Bayer CFA Images: Review and Performance Comparison, Sensors, 2022, 22(21): 8362.难题 4大网生存性路由算法一、需求背景光网络 ASON 抗断纤保护业务承载在工作路径任意链路故障时需为故障链路上全部业务重算一条与原路径隔离、规避故障链路的恢复路由 全局预计算机制提前为全网每条链路预生成所有业务恢复路径链路故障触发后启用预存路径故障恢复窗口期同步刷新失效存量恢复路径。 路径刷新计算需同时兼容多类约束硬件物理约束可用性、光纤容量、业务占用、SRLG 共享风险链路组优化目标兼顾业务生存性、资源利用率、路径隔离度、计算性能均衡。二、技术挑战嵌入式硬件资源受限CPU 1.8Ghz、内存 2G、单核计算时延严苛单次断纤需计算业务路径10000 条总耗时必须1s多约束多目标优化同时满足软硬约束输出全局最优路由方案。三、当前方案与现存问题现有方案逻辑按业务逐条计算故障恢复路径故障后保留可用存量预配置路径仅刷新失效路径核心缺陷 1业务间计算互斥只能串行执行单业务路径计算、资源占用校验存在性能天花板 2业务路径长度大全局搜索范围广、初始化资源开销高仅局部两点搜索会降低路径质量、路径计算成功率下降 3计算前必须初始化全网拓扑批处理计算耗时与网络规模线性相关。四、技术诉求创新网络生存性路由算法并工程落地全部指标要求高效计算计算量与网络规模弱相关支持最大 3K 节点、10W 链路、4W 条业务可采用单轮多路径复用、局部搜索等优化手段单条业务原计算耗时10ms单次故障 1W 业务总计算时长1s路由质量业务生存性、路径代价、资源利用率不低于现有逐条计算方案工程可落地适配真实网络资源动态变化兼容差异化业务代价调度策略。参考文献[1] Balázs Gábor Jozsa, Dániel Orincsay, and András Kern.Surviving multiple network failures using shared backup path protection. pages 1333–1340, 2003. [2] Wensheng He and Arun K Somalani.Path-based protection for surviving double-link failures in mesh restorable optical networks. 5:2558–2563, 2003.难题 5数字型 LCoS 快速切换 Flicker 抑制技术一、需求背景数字型 LCoS 是高良率、小像素、高刷新率 WSS 波长选择开关核心方案但快速切换场景存在严重性能瓶颈工作原理LCoS 加载相位光栅通过像素 PWM 波形调节 RMS 电压实现相位调制不同 PWM 波形时域相位抖动不一致最终转化为衍射输出光功率抖动Flicker 闪烁切换时延由光栅图像加载、液晶物理响应共同决定两项因素对 Flicker 恶化影响显著现有商用 MTNB 编码方案距离理想 Flicker 指标差距 80% 以上MTNB 编码缺陷T 计数码 B 进位码中心灰阶相位抖动幅度更大现有衰减算法将光栅调制深度向中心灰阶收拢衰减越大、功率抖动越严重。二、数学约束模型基础约束单帧时长$$T_{frame$$5.6ms划分 N32 等长时段单时段占空比可调、时序排列可调整时段占空比向量$$\boldsymbol{T}[t_1,t_2...t_N$$ 灰阶 k 对应数字电压波形$$gl_k[s_1,s_2...s_N$$$$s_j∈{0,1$$代表时段高低电压 电压约束$$k255·(\sum_{j1}^N s_j t_j)/(\sum_{j1}^N t_j$$最大电压占空比上限 50%相位抖动参考曲线约束优化目标设计多组时序向量$$\boldsymbol{T$$配套各像素、灰阶数字电压波形$$gl_$$在约束下最小化 1 阶衍射光 Flicker目标实现 0~15dB 衰减区间抑制。三、技术挑战创新算法优化思路在不劣化串扰、带宽等原有性能前提下全新设计 PWM 驱动波形 / 相位图方案达成 Flicker 整体抑制 80%。四、当前已有方案空间平均编码不同像素独立编码降低衍射光抖动空间相干性削弱抖动幅度MTNB 编码波形优化调整编码时序、占空配比降低低灰阶平均相位抖动。五、技术诉求从光学、电学、算法三维度提供创新优化方案二选一实现指标全新 PWM 编码方案基于现有 LCoS 背板芯片工艺设计达成 Flicker 抑制 80%衰减相位图设计方案保证衰减场景串扰性能不变同时实现 Flicker 抑制 80%。参考文献[1] Haining Yang and D P Chu 2020 J. Phys. Photonics 2 032001