（光学工程专业论文）光码分复用交换网中负载均衡算法研究.pdf

摘要 摘要 光码分复用( o p t i c a lc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o c d m ) 在光域对信号进行 编码和解码，对用户数据进行全光信号处理，是实现真正意义上的全光通信最有 希望的复用技术之一。把o c d m 技术用于光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ， o p s ) ，组成基于o c d m 的o p s 网络方案，能给网络带来许多优点。本文对光码 分复用交换网中的负载均衡问题进行了研究，主要是从节点误码率和链路带宽两 个角度对网络负载均衡算法展开研究。具体工作内容如下： ( 1 ) 分析了基于o c d m 全光分组交换网络误码率的计算方法，在此基础上， 研究基于o c d m 的o p s 网络中建立光正交码标签链路的算法和资源分配问题。从 节点权重的设置出发，提出了两种建立光标签链路的算法，并在仿真中与最小跳 数算法( m i n m u mh o pa l g o r i t h m ，m h a ) 进行了对比分析，仿真结果表明本文提 出的这两种算法性能上优于m h a 算法。对o p s 网络中资源分配问题进行了研究， 提出了一个光编解码器资源分配算法，并进行了仿真分析。仿真结果表明，优化 后的网络比优化前的网络，在保持每条标签链路平均误码率处于同一数量级且每 条标签链路平均跳数大小相当的前提下，能建立更多的标签链路。 ( 2 ) 从链路带宽的角度，研究了网络负载均衡路由算法。在总结概括了三种 已有算法的设计思想和存在的问题的基础上，提出了两种新的负载均衡动态路由 算法。对各条链路分别设置不同的权重，对于带宽利用率大的链路，赋予较大的 权值，反之则赋予比较小权值，这样可以体现各条链路在网络中重要程度的不同。 仿真分析表明，与其他三种算法相比，本文提出的两种算法有很好的均衡负载能 力，能有效提高网络资源的利用率。 关键词：光码分多址复用，负载均衡，光分组交换 a b s t r a c t a b s tr a c t d u et ot h e c a p a b i l i t yo fa l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g , o p t i c a lc e d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o c d m ) i sr e g a r d e da so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g i e st or e l i z e a l l o p t i c a ln e t w o r k o p t i c a lp a c k e ts w i t c h e dn e t w o r ka d o p t i n gt h eo c d mt e c h n o l o g y h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sa l l - o p t i c a ll a b e lr e c o g n i t i o n ，m u l t i c a s t i n ga n ds e l f - r o u t i n g t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sd e e pi n v e s t i g a t i o n si n t ot h ep r o b l e mo fl o a db a l a n c i n gi nt h e n e t w o r ko fo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) t h eb e rv a l u e so ft h en o d e sa n dt h e b a n d w i d t ho ft h el i n k sa r ec h o s e nt ob et h et w ob a s i ci n d e x e so ft h ea l g o r i t h m s t h e d e t a i l so ft h er e s e a r c hr e s l u t sa r el i s t e d 懿f o l l o w ： ( 1 ) t h ee n d - t o e n db e r i no c d m a l l - o p t i c a lp a c k e ts w i t c h e dn e t w o r k si sa n a l y z e d b a s e do nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so fb e r ，t h ea l g o r i t h m so fe s t a b l i s h i n gt h el a b e l l i n ka n dd i s t r i b u t i n gt h ee n c e d e r d e c o d e rr e s o u r c e sa r es m d i e d t w oa l g o r i t h m s a r ep r o p o s e db ys e t t i n gt h ew e i t h t so ft h en o d e s t h ec o m p a r i s i o nb e t w e e nt h e p r o p o s e da l g o r i t h m sa n dt h em i n h o pa l g o r i t h m ( m h a ) i sp e r f o r m a n c e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m e do ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m sa r eb e t t e rt h a nt h a t o ft h em h a t h er e s o u r c ed i s t r i b u t i o nm e t h o d ，w h i c hf o c u s e so nh o wt o d i s t r i 【b u t et h en u m b e ro ft h ee n c o d e r sa n dd e c o d e r si nt h en o d e s ，i si n v e s t i g a t e d i nt h ed i s s e r t a t i o n an o v e la l g o r i t h mo ft h er e s o u r c ed i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o ni sp e r f o r m a n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h en u m b e ro fs u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e dl a b e lp a t hi si m p r o v e da f t e rt h eo p t i m u m d i s t r i b u t i o na n dt h ee n d - - t o - e n da v e r a g eb e ra n dt h ea v e r a g eh o p p i n gn u m b e r o ft h el a b e lp a t h sa r en o ti n f l u e n c e d ( 2 ) t h el o a d - b a l a n c i n ga l g o r i t h mi si n v e s t i g a t e db yc o n s i d e r i n gt h el i n kb a n d w i d t h t h et w on o v e ll o a d - b a r d a n c i n gd y n a m i cr o u t i n ga l g o r i t h m sa r ep r o p o s e da f t e r a n a l y z i n g t h ec u r r e n t a l g o r i t h m s ：m i n i m u mh o pa l g o r i t h m ( m h a ) ， w i d e s t s h o r t e s tp a t h ( w s p ) a n dm i n i m u mi n e r f e r e n c er o u t i n g ( m i r a ) t h et w o a l g o r i t h m st a k et h el i n ki m p o r t a n c ev a l u ei n t oa c c o u n t t h eb a s i cs t a r d a n do f s e t t i n gt h el i n kw e i g h t si st h a tt h el i n kw i t hh i g h e rb a n d w i d t hu t i l i z a t i o ni sg i v e n ab i g g e rw e i g h ta n dt h a tw i t hl o w e rb a n d w i d t hu t i l i z a t i o ni ss e tas m a l l e rw e i g h t 。 i i a b s t r a c t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s ea l g o r i t h m sh a st h ee x c e l l e n t l o a d - b a l a n c i n gp e r f o r m a n c ea n dt h en e t w o r ku t i l i z a t i o ni si m p r o v e do b v i o u s l y c o m p a r i n gt h et h r e ee x i s t i n ga l g o r i t h m s k e y w o r d s ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o c d m ) ，l o a db a l a n c i n g ，o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) i i i 图形列表 图1 1 图1 。2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图形列表 o c d m a 系统原理框图3 基于o c d m 光分组交换节点的基本工作原理图：( a ) 基于o c d m 光 分组交换节点的交换框图，( b ) 光交换节点内部工作方式8 基于o c d m 的全光分组交换网络结构8 全光分组交换网络协议模型9 边缘节点向全光分组交换网转发分组模型9 边缘节点从全光分组交换网接收分组模型1 0 核心交换节点模型1 0 标签链路的建立示意图1 1 分组间多址干扰示意图1 2 单极性o o c 的误码率随跳数的变化曲线1 9 建立标签链路算法仿真拓扑2 2 三种算法在标签均匀分布网络中建立的标签链路数目曲线2 3 三种算法在标签不均匀分布网络中建立的标签链路数目曲线2 3 三种算法在标签均匀分布网络中标签链路链接率曲线2 4 三种算法在标签不均匀分布网络中标签链路的链接率曲线2 4 三种算法在标签均匀分布网络中每条标签链路平均跳数曲线2 5 三种算法在标签不均匀分布网络中每条标签链路平均跳数曲线2 6 三种算法在标签均匀分布网络中每条标签链路平均误码率曲线2 7 三种算法在标签不均匀分布网络中每条标签链路平均误码率曲线2 8 2 0 组实验中发送1 2 0 个分组请求后标签链路链接率曲线2 9 网络负载饱和后中间交换节点标签使用率曲线2 9 优化前后网络中各中间交换节点总的可用标签数目曲线3 1 优化前后2 0 组实验平均建立的标签链路数目曲线3 2 优化前后网络负载饱和后节点标签使用率对比曲线3 2 优化前后网络端到端平均误码率对比曲线3 3 优化前后发送不同分组请求时每条标签链路平均跳数曲线3 3 v i 图形列表 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 l s p 建立请求示意图3 8 有1 5 个节点的仿真网络拓扑4 1 发送1 2 0 0 0 个请求被网络拒绝路由的请求数曲线4 2 发送1 2 0 0 0 个l s p 请求时网络总的接受请求的带宽4 2 m i r a n e t 仿真拓扑4 3 w a n g n e t 仿真拓扑4 3 n s f n e t 仿真拓扑4 3 四种算法重路由性能对比曲线4 4 发送1 2 0 0 0 个l s p 请求被网络拒绝路由的请求数曲线4 8 2 0 组实验中被拒绝路由的业务请求数对比曲线4 8 链路失效后的重路由性能对比曲线4 9 v 表格列表 表格列表 表3 1l b d r o 算法与m i r a 算法的性能比较4 4 表3 2四种算法的计算复杂度4 5 表3 3l b d r o 算法和s d r a o 算法性能对比5 0 v 缩略字表 o c d m a c d m a o p s a o n o t d m o o c n 队i o p c d f b m z i s o a x p m f w m g m p l s w d m q o s t e m a w s p m 认 l s p l b d r o s d r a o 缩略字表 o p t i c a lc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g a l lo p t i c a ln e t w o r k o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e o p t i c a lp r i m ec o d e d i s t r i b u t e df e e db a c k m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r c r o s s - p h a s e m o d u l a t i o n f o u rw a v em i x i n g g e n e r a l i z e d m u l t i p r o t o c o l l a b e l s w i t c h i n g w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g q u a l i t y o fs e r v i c e t r a f f i ce n g i n e e r i n g m i n i m u mh o pa l g o r i t h m w i d e s t s h o r t e s tp a t h m i n i m u mi n e r f e r e n c er o u t i n g l a b e ls w i t c h e d - p a t h l o a d b a l a n c i n g d y n a m i c r o u t i n g a l g o r i t h mi no p t i c a ln e t w o r k s s w i f td y n a m i cr o u t i n g a l g o r i t h mi n o p t i c a ln e t w o r k s i x 光码分多址 码分多址 光分组交换 全光网 光时分复用 光正交码 多址干扰 光素数码 分布式反馈 马赫一曾德干涉仪 半导体光放大器 交叉相位调制 四波混频 通用多协议标签交 换 波分复用 服务质量 流量工程 最小跳数算法 最宽最短路径算法 最小干扰路由算法 标记交换路径 光网络中负载均衡 动态路由算法 光网络中快捷的动 态路由算法 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名：步雁水e t 期：b 胡年 月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄2 蕉丛导师签名：幽兰= 日期：b o 分年月2 - 日 第一章绪论 第一章绪论 光码分多址( o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o c d m a ) 技术和光分组 交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 技术是光通信研究领域的两大热点技术。 o c d m a 是码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 技术与光纤通信的 融合，具有抗干扰、用户随机接入、管理方便、优良的安全性能等优点。o c d m 系统在光域对信号进行编码和解码，对用户数据进行全光信号处理，是实现真正 意义上的全光通信最有希望的多址复用技术之一【l 】。光分组交换( o p s ) 技术具有 高速率、对数据速率和格式透明、更能适应快速变化的网络环境等灵活可重构的 特点 2 】【3 】，可为运营商和用户带来更大的益处，必将成为未来光网络的有效技术之 一。目前，已经有文献【4 】【5 】【6 】【7 1 指出了o c d m a 技术用于光分组交换的可行性，文 献中称这种新的方式为“码路由”( c o d er o u t i n g ) 。 本章将简要介绍o c d m a 技术的产生背景和特点，o c d m a 的基本工作原理、 系统地址码、系统编解码器和o c d m a 的发展历史和研究现状；随后概述光分组 交换的发展概况和光分组交换的两项关键技术；然后重点介绍本课题组提出的基 于o c d m 的o p s 网络方案；接着通过分组间的多址干扰引出研究网络负载均衡问 题的必要性，并指出可以从两个角度研究网络负载均衡问题。最后，介绍本文的 总体结构和开展的工作。 1 1 光码分多址 鉴于光纤近1 0 0 t h z 的巨大潜在带宽资源、低成本和易维护等一系列优点，自 8 0 年代中期以来，网络的光纤化一直是包括中国在内的世界各国网络发展的主要 趋势之一。但在现有的光纤通信网中，由于网络的各个节点要完成光电、电光 转换，从而使系统的总体性能受到了所谓的“电子瓶颈的影响。为了解决这一 问题提出了全光网( 趾lo p t i c a ln e t w o r k ，a o n ) 的概念。目前，世界发达国家都投 入巨资进行全光网技术的研究开发，建立了各种类型的多波长全光通信实验网， 以寻求一个具有透明性、可扩展性和可重构性的全光网解决方案。正是在这样的 背景下，提出了光码分多址技术。 o c d m a 是将c d m a 技术与光纤通信技术相结合的一种新技术，结合了两种 电子科技大学硕士学位论文 通信方式的特点，具有很强的技术优势和广阔的应用前景。它的特点在于： ( 1 ) 全光通信：o c d m a 系统在光域对信号进行编码和解码，对用户数据进 行全光信号处理，实现多址通信。真正做到了“光子进光子出”。成为实现真正 意义上的全光通信网的最有希望的多址复用技术之一【l 】。 ( 2 ) 安全性能：o c d m a 网络中传输的信号是多个用户信号扩频后叠加的信 号，在传输过程中任意位置下路，接收到的信号都是多个用户的信号叠加。只有 在接收端地址码和发送端地址码严格匹配的情况下，才能恢复出原始信号【8 】。 ( 3 ) 抗干扰性：o c d m a 系统对用户信号编码时，对脉冲信号进行了扩频处 理，增加了编码信号的带宽。相对于密集波分复用而言，对波长漂移并不十分敏 感，从而增强了系统的抗干能力【9 1 。 ( 4 ) 随机接入：o c d m a 系统允许多个用户随机接入同一信道。新上路用户 的扩频信号直接叠加在合成信号上。不要求各用户之间同步，且克服了传统接入 网的排队时延，可以满足局域网中突发流量和高速率传输要求【l o 】。 ( 5 ) 管理方便：o c d m a 不需要在时间或是频率上对用户进行严格的管理， 而是以用户扩频序列来管理用户，网络管理简单方便【l 。 o c d m a 系统具有其它复用方式所没有的独特优势，可以解决其他方案无法 解决的问题。同时，o c d m a 技术可以方便地与光时分复用( o p t i c a lt i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o t d m ) 和波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术相结合，优势互补，为局域网和长途骨干网提供更加高效的网络支持【1 1 1 。因 此，o c d m a 网络技术具有广阔应用前景，是实现全光通信网络的重要技术之一。 1 i 1o c d m a 工作原理 o c d m a 系统主要由用户数据源、超短脉冲激光器、光开关、o c d m a 编解 码器、光星型耦合器、光电探测器、电闽值检测器组成，系统组成框图如图1 1 所示。 o c d m a 技术以扩频通信为基础，将低速率的用户信号变换成高速率的光脉 冲序列，在宽带光纤信道中传输。在系统发送端，当用户信息比特为“1 时，光 开关置于直通态，激光源发射的光脉冲通过光开关进入光编码器进行编码；信息 比特为“0 时，光开关置于交叉态，激光源发射的光脉冲不能通过光开关进入光 编码器，不进行编码。经光编码器后，产生载有用户信息特征的扩频序列，即信 息比特为“1 时，光编码器输出一个光脉冲序列，信息比特“0 时，光编码器 2 第一章绪论 输出一个全零序列。携带用户信息特征的光脉冲序列进入星型光耦合器，并经光 纤信道传输到达接收端，通过接收端的光解码器，完成接收到的信号与接收端扩 频序列间的相关运算，输出一个自相关峰，经光电探测器转换为电信号，最后通 过电闽值检测器，恢复出发送端用户的信息比特流，从而实现o c d m a 通信。 罴吲壤黔 电信号l 一ji 竺望至! 光源 用户 电信。惭 ；! i 一 了 光源 光o c d m a 编码器2 黧副鳖 光源 n n 星形 耦合器 鲨谁 颦鲨k 到裂 解码器nr 叫探测器h ；i 簇。 图1 - 1o c d m a 系统原理框图 1 1 2o c d m a 系统地址码及编解码 用户2 - 电信号 用户n - - - - - 电信号 由于o c d m a 技术在光域中对光信号强度进行处理，导致光信号处理中只能 采用非负值( 0 ，1 ) ，即单极性码，这与电域c d m a 技术中能采用的双极性码( 1 ， 1 ) 有本质的区别。 o c d m a 系统的单极性地址码主要有光正交码( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ， o o c ) 1 2 】、素数码【1 3 1 、准素数码【1 4 】、2 “素数码【1 5 】、平方同余码【1 6 】、唯一叠和码 1 7 1 、 扩展平方同余码、混合码和用于空间光通信的空间结构码等。 光正交码是o c d m a 系统中比较成熟的地址码之一。它是一种较好的码集， 其码重较小，相关性是各种码集中最佳的。光正交码因其良好的相关特性，很受 国际学术界重视，研究人员对光正交码的构造及其性能进行了大量讨论。 光编解码器的结构与特性直接影响系统的功率损耗、用户容量、误码率、系 统成本和系统的灵活性等。在o c d m a 系统中不同的地址码需要设计相应的编解 码器，光强度编码系统中采用树型、梯形网络结构的编解码器较多；光波长编解 码系统中一般采用光纤光栅、阵列波导光栅；相位编解码系统中常采用掩模板、 光纤延迟线加移相器和光纤光栅编解码器等。 3 电子科技大学硕士学位论文 根据信号处理是否相干，o c d m a 编解码方式可分为相干编码和非相干编码。 非相干o c d m a 大都采用非相干的强度调制直接检测( i m d d ) 方式，只能使用 单极性码字。由于只有“1 ，0 的地址码之间无法实现完全正交，所以非相干系 统的地址码之间实际上是伪正交。因为互相关值不为零，所以解码器在解调期望 用户的数据时，其它用户会对期望用户产生干扰，当并发用户( 也成激活用户) 数目超过一定值时，就会产生较高的误码率。这种干扰即为多址干扰( m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) 。在非相干o c d m a 系统中，消除或减小多址干扰是 非常重要的一个问题。 1 1 3o c d m a 技术的发展历史及研究现状 1 9 8 3 年，d a v i spa 和s h a a raa 首次提出了异步光通信系统【l8 1 ，指出光码分 多址技术可引入光纤信道。随之提出了最基本的光地址码码集光素数序列码 的设计方案。1 9 8 9 年，s a l e h ija 全面论述了光纤通信网络的码分多址技术。此后， 一大批研究人员在o c d m a 系统设计上进行了大量的研究工作。 经过2 0 多年的研究，o c d m a 技术已经取得了较大了的进展。围绕提高信道 容量和降低误码率这两个中心问题，在降低多址干扰、优化带宽资源、改进探测 手段等方面提出了许多新的方案。码字结构及编码方案也在不断改进。 在地址码码字结构方面，最初研究的是一维地址码，其中较有代表性的是光 素数码( o p t i c a lp r i m ec o d e ，o p c ) 和光正交码( o o c ) 。尽管一维码的设计水 平不断提高，但是一维码分多址系统的用户容量和系统性能之间存在很大的矛盾。 p a r ke 在时分复用和空分复用的基础上提出二维o c d m a 系统的模型框架【1 9 】。随 后，又出现了多波长光正交码，缩短了码字长度，有效地提高了光纤带宽的利用 率，使系统性能得到了进一步的优化。近几年来，围绕提高码字容量，改进系统 性能，对二维码的码字构造有了不少研究【2 0 】【2 l 】。 编解码器实现技术方面，最有代表性的是基于光纤延迟线的时域编解码方案 【2 2 】f 2 3 1 和基于衍射光栅和相位掩膜板的频域编码方案【矧。不过，近几年，基于f b g s 的谱域编解码方案【2 5 】【2 6 】逐渐占据了主导地位。 4 第一章绪论 1 2 光分组交换 在电子处理速率和光纤传输速率失配的情况下出现了制约光网络发展的电子 瓶颈，光交换是解决电子瓶颈的有效方法。因此2 0 世纪9 0 年代初期国外逐渐开 始了光分组交换相关技术的研究，当时的研究主要集中在单元器件上，如利用电 光、热光、声光、磁光等光学效应实现的光开光，利用半导体光放大器交叉增益 调制、交叉相位调制实现的波长转换器等。1 9 9 8 年以来光分组交换的研究转向到 了系统级别。同时，相继出现了一些新的光开关形式如m e m s 【2 7 1 ，液晶光开关【2 8 】 等，以及一些新的光信号处理器件如t o a d s 、o p t i c a lf l i p f l o p s 等。 到目前为止，世界上已经有许多发达国家进行了光分组交换网的研究并搭建 了各自的光交换系统，如欧洲r e c e 计划的a t m o s ( a t mo p f i c a ls w i t c h i n g ) 项 目和a c t s 计划的k e o p s ( k e y t oo p d c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 项引2 9 1 ，美国d a r p a 支持的p o n d ( p a c k e t s w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k i n gd e m o n s t r a t i o n ) 项目p o j 和c o r d ( c o n t e n t i o nr e s o l u t i o nu s i n gd e l a yl i n e s ) 项引3 l 】，英国e p s r c 支持的w a s p n e t ( w a v e l e n g t hs w i t c h i n go p t i c a lp a c k e tn e t w o r k ) 项目【3 引，日本n t t 光网络实验室 的项目等。在这些项目中，研究都取得了很大的进展，不仅在器件级别有突破一 一比如提出并验证了多种交换矩阵、竞争解决方法、光信号处理方法( 器件) ， 也在交换系统的构建上取得了一定的成果都完成了小环境中的光分组交换实 验，为光分组交换网络的实现做出了很大的贡献。 1 2 1 光分组的产生 光分组的产生包括光标签和光净荷的产生。 光标签的形式是区分不同光分组交换最显著的标志。光标签的产生、提取、 擦除和写入是光分组交换最核心的部分。由于目前在光域内处理光标签还不成熟， 因此对光标签的处理还必须经过光电转换，在电域内进行。光标签的形式可以分 为带内和带外两种。 带内方式使标签与净荷都以基带方式调制，为了便于对标签的处理，标签的 调制速率选择相对较低，处在分组的头部，在时域上与净荷分开。这种方式大大 降低了信道的有效速率，并且需要精确的同步，通过半导体光门来擦除光标签和 光耦合器写入新的标签。 5 电子科技大学硕士学位论文 带外的方式采用在频域上分离标签和净荷，在时域上两者则同时发送。带外 的方式有副载波形式、双波长形式、附加调幅、频移键控( f s k ) 和差分相移键控 ( d p s k ) 等形式。副载波形式将标签调制到副载波上并与净荷信号合成后共同调 制到光波上去，在频域上标签信号与净荷信号分离。双波长形式采用独立的一个 波长信道来传输标签，这造成了波长的浪费；并且由于色散的影响，标签和分组 不能同步到达，给光交换的控制带来困难。文献 2 9 介绍了一种附加调幅的光标 签方案。该方案采用数据率相对较低的标签信号对净荷信号直接进行a s k 调制， 为了减小标签信号与净荷信号的串扰，对净荷信号进行编码以减小净荷信号的低 频分量，使得标签信号与净荷信号在频域上分开。f s k 标签对光波频率进行编码， 使得标签信号的传号和空号分别在不同的光波频率上，在交换节点通过中心频率 为传号光频的光滤波器就能解调出标签信号。文献 3 0 采用分布式反馈 ( d i s t r i b u t e df e e db a c k ，d f b ) 激光器和电吸收调制器( e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r ， e a m ) 结构实现了3 1 2 m b s 的f s k 标签，并对f s k 调制的标签信号进行了1 0 g b s 狰荷的强度调制。文献 31 采用f p l d ( f a b r y - p e r o tl a s e rd i o d e ) 的双波长注入锁 定( d o y l ew a v e l e n g t hi n j e c t i o nl o c k i n g ，d w i l ) 技术实现了2 5 g b s d p s k 标签 的调制和擦除，并通过非对称马赫一曾德干涉仪( m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ，m z i ) 结构实现了对标签信号的解调。 1 2 2 光标签的提取、擦除和写入 当光分组到达交换节点时，为了获得分组的路由信息，必须提取光标签信息 来完成对交换矩阵的设置。 对带内光标签的处理，需要用1 2 光耦合器，提取出一部分光分组信号，经 过光电转换，提取其光标签部分，作为路由控制信息和对旧光标签的擦除控制信 息；从光耦合器输出的另一部分光分组信号，输入半导体光门，在时间上准确地 控制半导体光门的注入电流，擦除旧光标签信号；为了写入新的光标签，需要在 输出端，用2 x l 光耦合器在旧标签的位置耦合入新的光标签。因此带内光标签的 提取、擦除和写入对电子控制电路和光学器件的响应速率要求较高。 对于带外光标签的处理，按照光标签形式的不同分为两种情况。对于双波长 或副载波光标签可以采用光学滤波器( 如光纤布拉格光栅f b g ) 在频域上分离标 签和净荷【3 2 1 ，在完成光标签提取的同时，擦除旧的光标签信号。对于附加调幅光 标签的提取，采用类似带内信号的处理方式，用光耦合器提取出一部分光分组信 6 第一章绪论 号，经过光电转换和电域滤波提取出标签信号，将耦合器的另一部分光信号输入 半导体光放大器。半导体光放大器的注入电流为标签信号的反信号，以使得半导 体光放大器的增益变化按输入光标签的反信号变化，实现擦除旧标签的功能。在 输出端，采用直接对擦除了旧光标签信号的光净荷信号进行a s k 光标签调制，即 实现了新光标签的写入。f s k 标签可采用利用半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ，s o a ) 的交叉相位调制( c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ，x p m ) 的m z i 结构来进行标签的擦除，并使用四波混频( f o u rw a v em i x i n g ，f w m ) 技术实现 新标签的写入【3 3 】。d p s k 标签的擦除可使用f p l d 来实现【3 1 1 ，写入可用相位调制 器来实现。 1 3 基于o c d m 的光分组交换方案 1 3 1 基于o c d m 光分组交换的基本工作原理 o c d m 编解码是一种全光的相关运算，且o c d m a 采用广播选择交换结构， 解码以后恢复原始信号。o p s 具有对标签全光处理( 光逻辑运算) 和在光域进行 标签提取和更新的要求。本课题组提出用光正交码作为光分组的标签，利用o c d m 中已有的编解码技术在光域上快速实现标签识别的特点，实现o p s 中标签的全光 处理( 光逻辑运算) 和在光域进行标签提取和更新的功能，组成基于o c d m 的全 光分组交换方案。 图1 2 是基于o c d m 的光分组交换节点的基本工作原理图，图1 2 ( a ) 是经光 正交编码的分组l 和分组2 经光交换节点转发出去的结构框图。图1 2m ) 示意了 光交换节点的工作过程，采用广播选择结构，通过光耦合器把输入的两个分组发 送到各输出端口。当输出端口3 的光解码器1 收到该广播信息时，光标签o c 2 的 光分组信号进行解码，恢复成原净荷信号，而光标签o c l 的光分组信号解码后变 为噪声信号。光解码器l 恢复出的净荷信号输入与其连接的光编码器1 ，采用o c 3 进行编码，为净荷加上o c 3 标签后输出到下一个节点。在输出端口4 的处理过程 与输出端口1 类似，选择和恢复出光标签0 c 1 的净荷信号，更新为0 c 4 标签输出。 7 电子科技大学硕士学位论文 i o c1e n c 。d e dp a y l a 。d 卜 1 o p t i c a l 3叫o c 3 e n c 。d e dp a y l a 。di s w i e l f i a a g i o c 2e n c 。d e dp a y l a o d 卜2 n o d e 、4叫o c 4 e n c 。d e dp a y l a o dl 圃叵三圈 i 。c - e n c 。a e ap a y l o a dl 1 2x2 3玉。 t i c a l o p t i c a lh o p t i c a l d e c o d e r le n c o d e r l 2c o u p l e r 4 。c 2 黜。a e a 刚。a ar 1 z o p t i c a lo p t i c a l d e c o d e r 2 。e n c o d e r 2 圃叵三圈 ( b ) 图1 - 2 基于o c d m 光分组交换节点的基本工作原理图：( a ) 基于o c d m 光分组交换节点的 交换框图，( b ) 光交换节点内部工作方式 1 3 2 基于o c d m 的全光分组交换网络结构及节点模型 图1 - 3 基于o c d m 的全光分组交换网络结构 基于o c d m 的全光分组交换方案中，将网络节点分为边缘节点和核心节点。 接入网连接到边缘节点，通过全光分组交换网络来实现各接入网的互连，如图1 3 所示。边缘节点实现分组格式转换和路由的功能，核心交换节点实现根据标签转 发表转发分组的功能。图1 4 为全光分组交换网络协议模型。在接入网，即全光分 组交换网络的客户网络，运行现有的i p ，s d h 等协议；在全光分组交换网络运行 8 第一章绪论 g m p l so v e rw d m 协议来实现o o c 标签分组的全光交换。在边缘节点通过连接 接入网端的拆帧和成帧的线卡与连接全光分组交换网络的编解码器实现两种协 议体系的互连。 目一园一目一囡一目 c l i e n tn e t w o r k e d g en o d e o o 代n o d e e d g en o d e c l i e n tn e t w o r k 图1 4 全光分组交换网络协议模型 图1 5 为边缘节点接收接入网分组，送入全光分组交换网的模型。当某一接入 网需要将分组送到另一接入网时，该接入网将分组送到与其连接的边缘节点，边 缘节点首先缓存该分组，对其进行拆帧，控制单元分析该分组目的i p 地址和服务 质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 要求，根据路由表和标签转发表为其选定标签链 路，并将分配给该分组的标签映射成o o c 编码信息发给编码器模块，同时分组被 送入发送等待队列等待发送。在分组等待队列之后，引入了电路由器的c r o s s b a r 交换结构来实现将分组快速交换到相应的发射链路上。分组作为净荷被基带调制 后，经过编码器加载上标签信息送入全光分组交换网。 图1 - 5 边缘节点向全光分组交换网转发分组模型 图1 - 6 为边缘节点接收全光分组交换网来的分组，转发到接入网的模型。当光 分组到达边缘节点，首先经过相应的解码器擦除标签，然后由光接收模块接收， 并进行缓存。控制单元分析其目的m 地址和q o s 要求，送到相应的接入网端线卡， 成帧后发送到接入网。 9 电子科技大学硕士学位论文 图1 6 边缘节点从全光分组交换网接收分组模型 f i b e r