（通信与信息系统专业论文）单信道tbs正交光标记交换系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e m e t 的持续发展和不断渗透，市场对通信系统带宽和速度的需求从未 停下脚步。由于在光标记交换领域中使用最广泛、前景最广阔的通用多协议标记 交换( g m p l s ) 技术不断应用到光通信领域，采用光电混合结构并能有效降低电子 器件制约、以光分组交换技术光包结构为基础的光标记交换( o l s ) 技术，已逐渐取 代光分组交换技术( o p s ) 成为下一代光传输网和光交换网的发展方向。正交调制光 标记交换技术具有仅需要一个激光器就可以将标记和净荷信号进行调制，标记和 净荷的处理机制简单，对同步的要求低，可提供不同等级的服务等优点，已成为 光标记交换系统中常用的技术。 受电子器件的制约，正交光标记交换系统的标记传输速率一般为几百m b s ， 净荷速率最多能达到4 0 g b s 。1 0 0 g b s 。如果不借助其它的技术，还不能使正交光 标记交换系统实现单信道t b s 的信息传输。因此，在深入研究国内钋文献的基础 上，提出将正交光标记交换系统与光时分复用( o t d m ) 和偏振复用技术结合，实现 了单信道r i - 【s 、传输距离为1 2 0 k m s m f + d c f 的正交光标记交换系统。 论文主要完成的工作和创新之处是： ( 1 ) 深入分析研究了正交光标记交换系统的结构和工作原理、光时分复用技术 和偏振复用技术，并对光标记交换技术常采用的调制方式进行分析。通过比较目 前常采用的六种正交光标记交换系统，得出a s d q p s k 正交光标记交换系统在 标记净荷速率、接收灵敏度、抗噪性能与传输代价等方面表现出了最佳性能，因 此a s k d q p s k 是目前最适用于高速光标记交换系统的正交调制方式。 ( 2 ) 提出将正交光标记交换系统与光时分复用和偏振复用技术结合，设计并实 现了单信道t b s 正交光标记交换系统，并对设计的系统进行可行性分析。正交光 标记交换系统使用半导体锁模激光器产生超短光脉冲将载荷和标记信号调制到同 一载波上进行传输，经过光时分复用和偏振复用后得到n ) s 的正交调制光包。由 接收端的误码率可知，所设计的单信道r n s 正交光标记交换系统的传输性能良好。 ( 3 ) 对所设计系统的传输性能进行仿真分析。在传输距离为1 2 0 k m 的系统中， 就马赫增德调制器的消光比、激光器线宽、发射机光功率、色散和色散补偿方案 单信道t b s 正交光标记交换系统的研究 对传输性能的影响进行仿真，并得出马赫增德调制器的消光比为5 0 d b ，激光器线 宽为1 0 m h z ，发射机光功率为1 0 0 r o w 和采用后向补偿方案时的系统性能达到最 优。 ( 4 ) 为尽可能实现系统长距离的传输，对所设计系统的最大无中继传输距离进 行仿真研究。得出在保证系统载荷信号接收误码率小于等于1 0 。9 的前提下，无色 散补偿时系统的最大无中继传输距离为2 2 4 k m ，加入色散补偿光纤后系统的最大 无中继距离能达到1 5 4 6 k m 。 关键字：正交光标记交换系统，单信道t b s ，o t d m ，偏振复用，a s k r z - d q p s k 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n du n c e a s i n gs e e p a g eo ft h ei n t e r a c t , t h e m a r k e to ft h ed e m a n do fb a n d w i d t ha n ds p e e di nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sn e v e r s t o p p i n g a tp r e s e n t , t h eg e n e r a lm u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ( g m p l s ) t e c h n o l o g y h a v ee x p a n d e dt oo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，丽t l lp h o t o e l e c t r i c i t ym i x e de x c h a n g e s t r u c t u r ea n de f f e c t i v e l yr e d u c i n gt h ec o n s t r a i n t so fe l e c t r o n i cd e v i c e ，t h el i g h tl a b e l s w i t c h i n g ( o l s ) t e c h n o l o g yh a v eg r a d u a l l yr e p l a c e do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g t e c h n o l o g y ( o p s ) a n db e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fn e x tg e n e r a t i o no fo p t i c a l t r a n s m i s s i o nn e t w o r k ( o t n ) a n dl i g h ts w i t c h e dn e t w o r k ( o s t h eo r t h o g o n a ll i g h t l a b e ls w i t c h i n gt e c h n o l o g yc o u l dm o d u l a t et h el o a d i n ga n dl a b e lu s i n gal a s e r , a n d p r o c e s s el o a d i n ga n dl a b e ls i m p l e ，h a dl o wd e m a n do ft h es y n c h r o n i z a t i o n ，c o u l d p r o v i d ed i f f e r e n tl e v e l so fs e r v i c ee t c ，i th a db e c o m et h ec o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g yo f t h el i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e m b e c a u s eo ft h el i m i to fe l e c t r o n i cd e v i c e s ，t h el a b e lt r a n s m i s s i o nr a t eo fo r t h o g o n a l l i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e mw a sc o m m o n l yh u n d r e d so fm b s ，l o a d i n gt r a n s m i s s i o nr a t e c o u l dr e a c hu p4 0 g b s 一1 0 0 g b s w i t h o u to t h e rt e c h n o l o g y , o r t h o g o n a ll i g h tl a b e l s w i t c h i n gs y s t e mc o u l dn o ta c h i e v es i n g l ec h a n n e lt o si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n w i t h t h e t h o r o u g hr e s e a r c ho nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a li t e r a t u r e ，t h a ti n t e g r a t e d o r t h o g o n a ll i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e mw i t ho t d ma n dp o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n g t e c h n i q u e ，i tr e a l i z e ds i n g l ec h a n n e lt b sa n d1 2 0 k i n 砌o r m a t i o nt r a n s m i s s i o no f o r t h o g o n a l1l i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e m 1 1 1 em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fo r t h o g o n a ll i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e m ， o t d m ，p o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u ea n dm o d u l a t i o nm e t h o do fo l sw e r ed e e p a n a l y z e d t h r o u g hc o m p a r i n gs i xo r t h o g o n a ll i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e m ，i tw a s c o n c l u d e dt h a ta s k d q p s ko r t h o g o n a ll i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e mi nl a b e l l o a d i n g r a t e ，r e c e i v e rs e n s i t i v i t y , n o i s ei n t e r f e r e n c ea n dt r a n s m i s s i o nc o s te t ch a v es h o w e dt h e b e s tp e r f o r m a n c ea n dw a st h em o s ts u i t a b l eo r t h o g o n a lm o d u l a t i o nm o d ef o rh i g h - s p e e d o r t h o g o n a ll i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e m ( 2 ) t h a ti n t e g r a t e do r t h o g o n a ll i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e mw i t ho t d ma n d 单信道1 - b s 正交光标记交换系统的研究 p o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u e ，i td e s i g n e da n dr e a l i z e dt h es i n g l ec h a n n e lt b s o r t h o g o n a ll i g h tl a b e ls w i t c h i n gs y s t e ma n dd i df e a s i b i l i t ya n a l y s i sf o rt h ed e s i g no ft h e s y s t e m o r t h o g o n a ll i g h t l a b e l s w i t c h i n gs y s t e m s u s e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r m o d e l o c k e dt op r o d u c eu l t r a - s h o r to p t i c a lp u l s ea n dm o d u l a t e 丽ml o a d i n ga n dl a b e lt o t h es a m ec a r r i e r , t h et b so r t h o g o n a lm o d u l a t i o nl i g l 1 tp a c k a g ew a sg o ta f t e ri nt h r o u g h t h eo t d ma n dp o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n gm o d u l e s f r o mt h ea n a l y s i so fb i te r r o rr a t ei n r e c e i v e r , t h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fd e s i g n e ds i n g l ec h a n n e lt b so r t h o g o n a ll i g h t l a b e ls w i t c h i n gs y s t e mw a s g o o d ( 3 ) t h a ta n a l y z e dt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e ds y s t e m i ns y s t e m 丽t l l1 2 0 k i nt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，i ts i m u l a t e da n da n a l y z e dt h et r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c ei n f l u e n c e db yt h ee x t i n c t i o nr a t i oo fm z m ，d i s p e r s i o n ，l a s e rl i n ew i d t h , p o w e ro ft r a n s m i t t e ra n dt h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns c h e m e ，a n di tc o u l da c h i e v e o p t i m a lp e r f o r m a n c ew h e nt h ee x t i n c t i o nr a t i oo fm z m w a s5 0 d b ，l a s e rl i n ew i d t hw a s i o m h z ，p o w e ro ft r a n s m i t t e rw a s1 0 0 m wa n dc o m p e n s a t i o ns c h e m ea f t e rt h es y s t e m w a su s e d ( 4 ) 加f a ra sp o s s i b l et h el o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n ，i ts i m u l a t e dt h et r a n s m i t t i n g l i m i tf o rt h ed e s i g n e ds y s t e m i ng u a r a n t y i n gt h eb e ro fr e c e i v i n gl o a d i n gs i g n a lw a s l e s st h a no re q u a lt o1 0 一a n ds y s t e mh a do n e s p a n ，i tc o u l da c h i e v e2 2 4 k mm a x i m u m t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ew i t h o u td c fa n d 】5 4 6 k mw i t hd c f ： k e y w o r d s ：o l s ，t o s ，o t d m ，p o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n g ，a s k r z - d q p s k i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着i n t e m e t 的持续发展和不断渗透，市场对带宽增长的需求从未停下脚步。 基于p 接入网的宽带业务( 如州、网络游戏、点到点视频共享等) 近几年发 展非常迅速。据统计，i n t e m e t 宽带业务每年以指数的形式递增，导致骨干网容 量正在迅速饱和并面临巨大的升级挑战【1 1 ，因此全光交换将是通信网的发展趋 势。目前多种光交换技术已经被提出，希望能在通信网络的核心节点处摆脱电交 换对传输速率的限制，实现对信息的全光交换和处理。在全光网中，信息从发送 端传输至接收端，无需进行光电转换，信号始终以光的形式存在，因此能大大提 升网络的性能和传输速率。全光网中用到的光交换技术是指高速传输的光信息在 网络交换节点处不经光电光转换，而在光域直接将信号转发到不同输出端的一 种技术。它的优点是：( 1 ) 克服了光传输网和电交换网并存带来的配置大量光电( 电 光) 接e l 和速率匹配的问题；( 2 ) 节省了大量网络建设的成本；( 3 ) 有利于网络的优 化和升级。光交换技术在全光通信系统中起着至关重要的作用，利用光交换技术 能充分发挥光纤通信高速与大容量的优势，该技术在某种程度上决定了全光通信 的发展。 从交换方式上，光交换技术可以分为光线路交换技术( o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g ，o c s ) ，光分组交换技术( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p s ) 和光突发交换 技术( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 三大类【2 川。 由于在光标记交换领域中使用晟广泛、前景最广阔的通用多协议标记交换 ( g m p t s ) 技术不断应用到光通信领域，采用光电混合结构并能有效降低电子器件 制约、以光分组交换技术光包结构为基础的光标i 谳( o t s ) 技术，已逐渐取代 光分组交换技术( o p s ) 成为下一代光传输网和光交换网的发展方向【5 川。光标记交 换( o l s ) 常被看为介于光突发交换和光包交换之间的一种光包交换技术，由于不 采用光突发交换中控制包和数据包的偏置时间佃tt i m e ) 形式，所以不需开发新 的物理层网络控制协议。光标记交换技术是将数据包的数据信息与路由控制信息 单信道n s 正交光标记交换系统的研究 一起打包进行光传输，高速数据信息的传输与交换均在光域内进行，实现全光交 换；而速率较低的路由控制信息以光标记的形式存在，每个节点将光标记转换为 电信号加以处理，并产生相应的信息驱动光交换网络，实现对载荷数据的全光交 换，同时产生新的光标记传送到下一交换节点，为其提供路由信息【1 0 l 。 光标记信号一般是在m b s 量级上的低速率信号，净荷的传输速率一般在 g b s 量级。要把低速的光标记信号加在高速的净荷上，可以根据不同的机制采 用不同的方法。目前常用的光标记技术有：副载波复用( s c m ) 光标记技术、时分 复用( t d m ) 光标记技术、专用波长光标记技术、高强度光标记技术、正交光标记 技术。通过比较以上几种光标记交换技术，正交光标记技术具有只需要一个激光 器就可以将标记和净荷调制到同一个光载波，标记和净荷的产生、分离和检测方 法简单且对时间同步的要求不高，可为不同等级提供服务等优点，大大提高了系 统的频谱利用率和系统传输速率，成为未来光网络发展的方向【1 2 1 3 1 。需要注意的 是，由于正交光标记技术的标记和净荷同时被同一光载波传输，如果存在振幅调 制，则消光比不能太大，否则会影响信息传输的误码率。总之，正交光标记交换 技术的出现解决了通信网络面临的带宽利用率、传输距离与全光处理这三大关键 问题【1 4 1 。 1 2 研究现状 近年来，北京邮电大学、华中科技大学、葡萄牙阿威罗大学与丹麦技术大学 等国内外多家科研机构，都陆续进行了有关正交光标记技术的研究。a s k 、f s k 与d p s k 等多种调制方式也被一一引入。在各大高校的研究基础上，使正交光标 记交换系统的传输性能得到了很大的改善【2 】。作为较早被研究的正交光标记交换 系统，a s k 、d p s k 、d q p s k 净荷速率一般达到4 0 g b s ，f s k 、a s k 、d p s k 标 记速率能达到6 2 2 m b s 一2 5 g b s 。但随着深入研究，m 相移键控( m p s 目已被用 作载荷的调制方式来实现更高速率和更大传输距离的正交光标记交换系统。如采 用八相移键控( 8 p s k ) 作为净荷、a s k 作为标记的新型高谱效率、高速的正交光 标记交换技术，首次实现了1 0 0 g b s 、8 0 k m 的信号传剃1 5 】。利用d 8 p s k 作为载 荷、a s k 作为标记的正交光标记交换系统，实现了载荷1 2 0 g b s 、标记1 0 g b s 、 传输距离为9 6 k i n 的传输【1 6 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 由上可知，受现有电子器件的制约，正交光标记交换系统的标记传输速率一 般为几百m b s ，净荷速率一般能达到4 0 g b s 一1 0 0 g b s 。如果不借助其它的技术， 还不能实现正交光标记交换系统单信道t b s 量级的信息传输。然而，目前对单 信道传输速率为n ，s 、采用单一调制格式的光信号传输系统已开展了不少研究。 如，在2 0 0 6 年w e b e r 等人采用d q p s k 作为输入信号，结合o t d m 技术和偏振 复用技术实现了单信道1 2 8 t i s 和单信道2 5 6 t b s 、传输距离为2 4 0 k m 的高速传 输系统【1 7 1 。2 0 0 9 年，c s c h m i d t l a n g h o r s t 等人分别用8 - p s k 和1 6 q s k 调制格 式结合o t d m 技术和偏振复用技术实现了单信道速率高达5 1 t b s 的背靠背传输 系统【1 8 】，是目前为止人们所知的单信道传输速率最高的传输系统。 1 3 论文的研究内容 在广泛研究国内外文献的基础上，提出将正交光标记交换系统与光时分复用 ( o t o 岣技术和偏振复用技术结合，设计了单信道t b s 传输的正交调制光标记交 换系统，实现了正交光标记交换信号单信道t b s 的传输。并通过o p t i s y s t e m 7 0 仿真系统对设计的，r i ) s 正交光标记交换系统的可行性和传输性能进行仿真分析。 主要研究的内容包括以下几方面： ( 1 ) 研究分析正交光标记交换系统及其复用技术 首先，对正交光标记交换系统的结构、光时分复用技术和偏振复用技术的原 理进行分析研究。然后，分析a s k 、f s k 、d p s k 和d q p s k 这四种光标记交换 技术常采用的调制方式。最后，通过组合这4 种调制方式，分析并选择出适合用 于高速光标记交换系统的组合调制方式。 ( 2 ) 结合o t d m 和偏振复用技术设计单信道t b s 的正交光标记交换系统 将正交光标记交换系统与光时分复用( 0 1 1 ) 蛐技术和偏振复用技术结合，设 计并实现了单信道n s 信息传输的正交调制光标记交换系统，并对所设计的系 统进行仿真和验证。检验所设计的t b s 正交光标记交换系统是否达到预期的性 能。 ( 3 ) 对t b s 正交光标记交换系统的传输性能进行分析 在o p t i s y s t e m 7 0 仿真系统的基础上，研究分析了系统中马赫增德调制器的 消光比、激光器线宽、发射机光功率、色散和色散补偿方案对单信道t b s 正交 3 单信道t b s 正交光标记交换系统的研究 光标记交换系统传输性能的影响，并对所设计系统的最大无中继传输距离进行仿 真分析。 1 4 全文的组织结构 根据研究内容，本文从组织结构上可以分为五个部分： 第一章：绪论介绍了光标记交换的研究背景，国内外的研究现状及本文研究 的主要内容。 第二章：首先，对正交光标记交换系统的结构，光时分复用和偏振复用技术 的原理进行了研究分析。然后，分析了光标记交换技术常用的四种调制方式： a s k 、f s k 、d p s k 及d q p s k 。并通过比较目前常用的六种正交光标记交换系 统：f s 的f a s k 、f s 幻d p s k 、a s k d p s k 、d p s 脚k 、f s k d q p s k 与a s k d q p s ；k 的性能，选择出性能优良的一组作为正交光标记交换系统的调制方式。 第三章：将正交光标记交换系统与光时分复用和偏振复用技术相结合，实现 了单信道n s 正交光标记交换系统，并对所设计的系统进行可行性仿真。 第四章：通过o p t i s y s t e m 7 0 仿真系统研究马赫增德调制器的消光比、激光 器线宽、发射机光功率、色散和色散补偿方案对系统传输性能的影响，并对系统 的最大无中继传输距离进行仿真研究。 第五章：总结全文并提出下一步的研究内容。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章正交光标记交换系统和复用技术 由于光标记交换网络具备电域信息处理的灵活性和光域交换的大带宽特性， 已成为实现未来光网络的重要方式。从上世纪9 0 年代至今，国内外已经开展了 多项相关研究并将光标记交换技术逐步应用到现实中。随着单信道传输速率的不 断提升，色散、偏振模色散和非线性效应等问题对信号的影响也在不断引起人们 的重视，在光标记交换系统中普遍使用的n r z 调制方式已经不能满足光传输系 统的要求。而有效地抑制这些传输损耗影响的方法就是采用新型光调制方式，又 由于现有的光放大器大都工作在c 波段( 1 5 3 0 r i m 1 5 6 5 n m ) ，有限的传输信道使系 统对频谱效率的要求也在不断提高，于是各种新型的调制方式开始不断地被研 究。采用新型调制方式的优点是不需要对现有的传输线路进行较大的改动，只需 要在光传输系统的发射端和接收端更换相应的设备，对降低传输系统的升级成本 十分有利。且由于正交光标记交换系统只需要一个激光器就可以将标记和净荷调 制到同一个光载波，标记和净荷的产生、分离和检测方法简单且对时间同步的要 求不高，可为不同等级提供服务等优点，成为未来光网络发展的方向。 本章首先研究分析了正交光标记交换系统的结构、光时分复用技术和偏振复 用技术的原理，然后对光标记交换技术常用的4 种调制方式进行分析，并从4 种 调制方式的组合中选出性能较好的一组作为正交光标记交换系统的调制方式。 2 1 正交光标记交换( o l s ) 系统 图2 1 正交光标记交换系统的网络结构示意图 5 单信道t b s 正交光标记交换系统的研究 正交光标记交换系统的网络结构如图2 1 所示，正交光标记交换系统主要由 边缘路由器和核心路由器两大部分组成。核心网边界处的边缘路由器，可以实现 来自城域或接入网口包的发送和接收两种功能。口数据包进入发送端附近的边 缘路由器后，被转换成光包并加载上带有口数据信息的标记。光包封装完成后 被送往核心路由器，光包中的标记信息被转换成电信号并在核心路由处进行读 取、擦除与更新等处理；净荷信息进入光缓存单元中进行时间延迟。最后根据标 记控制信息，交换开关阵列为净荷信息插入新标记并将光包转发至下一节点。位 于接收端的边缘路由器负责将光包进行解调、光电转换和标记擦除，并按标记信 息将解调后的数据包送入相应的接收端【1 9 1 。 总之，在光标记交换中，边缘路由器完成口包发送或信号接收两种功能， 核心路由器将携带路由信息的标记进行光电转换后进行读取、擦除与更新等处 理，同时将净荷信息送入光缓存器，进行延迟等待( 净荷直接在光层中进行转发 和路由) 翻。 _ 一光包一卜一光包一 li 净荷2 光标 净荷 上 光标 人 记2 1 生_ 记1 保护时间 图2 2 光标记交换系统中光包结构示意图 如图2 2 所示，光标记交换系统的光包结构同光包交换系统的光包结构几乎 完全一样，只是光包路由信息的载体由光包交换中的包头变为了标记。与其它光 交换系统相比，光标记交换系统结构更简单、携带方式更加灵活多样，标记的产 生、识别及更新更容易实现。因此，光标记交换系统不但继承了光包交换系统容 量大、利于实现、对数据信息完全透明、网络可配置性强以及带宽利用率高等特 点，还可免除复杂的路由处理过程，大大提高了数据的交换速率1 2 0 - 2 2 。 6 江苏大学硕士学位论丈 2 2 光时分复用( o t d m ) 技术 当比特率超过1 0 g b s 时，为了克服高速电子器件和半导体激光器直接调制 能力的限制，作为常被采用的扩大传输容量的复用方式，光时分复用是指用多个 电信号调制具有同一个光频的不同光信道，经时延后复用在同一根光纤传输的扩 容技术。由于这种方法避开了电子器件造成的瓶颈，因此光时分复用是一种进行 高速传输的很有效的技术。虽然电时分复用f f d m ) 技术已经发展相当成熟，但随 着通信系统对速率和容量的要求越来越高，受到电子器件处理极限制约的电时分 复用技术已经不再适合单信道超高速率的传输。光时分复用( o t d m ) 技术使通信 系统中的电路在较低速率上工作，通过将低速的电信号转换成光信号进入光时分 复用系统，从而提高了单信道的传输速率 2 3 2 , 4 1 。 采用光时分复用( o r 兀) m ) 技术的全光网络具有独特的优势1 2 5 ，2 6 ，4 1 ，4 2 ，6 5 】： ( 1 ) 采用单一波长，链路的色散管理方式简单，不存在由四波混频等非线性 效应造成的串扰问题； ( 2 ) 采用全光数字信息处理技术，克服了电子器件的限制，提高了网络容量， 有效的降低了信号噪声和串扰积累问题； ( 3 ) 能够对高端用户提供多种q o s 水平的综合业务服务，可灵活的提供突发 业务接入，真正实现按需分配带宽： ( 4 ) 通过时隙分配实现路由选择，可实现对数据格式和协议的透明传输，具 有良好的可扩展性和重构性。 ( 5 ) 可提供比传统网络大得多的速率，具有巨大的应用f j 景。 光时分复用的原理与电时分复用相同，只不过电时分复用技术是在电域中完 成，而光时分复用是在光域中进行，即采用超短光脉冲作为传输信号，通过把一 条信道划分为若干时隙，每个数字光脉冲占用一个时隙，个数字基带信号复 用成高速光数据流进行传输。o t d m 具有高速率带宽比，可克服掺铒光纤放大 器r ( e d f a ) 增益的不平坦，四波混频( f 、m 旧等非线性效应等诸多问题，并且可以 解决复用端口的竞争和增加全光网络的灵活性的优点。如图2 3 所示为o t d m 复 用系统发送端的仿真图。 7 单信道t b s 正交光标记交换系统的研究 ”珊 铆口；0 t # “船0 e 矿 图2 3o t d m 发送端仿真图 在时钟的控制下，超短脉冲光源产生重复频率为时钟频率的超短光脉冲，该 超短光脉冲经掺铒光纤放大器e d f a 放大后分成路，每路光脉冲由各支路电 信号单独进行调制，调制后的信号经过不同的时延后，用合路器合并成一路高速 信号完成o t d m 复用。支路信号的速率为曰，则经过o t d m 复用后的信号速率 为n x b ，其中b 可为任意速率的电信号。o t d m 信号经光纤传输到达接收端， 首先对信号提取时钟，提取出的时钟作为控制信号送到解复用器进行o t d m 解 复用，并选出一路信号进行解调。 o t d m 系统的实现与一般的光通信系统采用的方式不同( 除接收机外，光 通信系统既可采用常规的非归零( n r z ) 方式，也可采用归零( i 目方式) ，o t d m 要求光脉冲信号必须是归零码才能进行时分复用。如果要传输的光脉冲信号不为 归零码( n z ) 数据流，则必须先用光调制器将其变为归零码州z ) ，然后才能进行时 分复用。与r z 码相比，n r z 码信号具有构造简单、容易产生、对带宽需求低、 对时间抖动容忍度大等优点，但其缺陷在于高速长距离传输时，功率代价与 o s n r 代价过大；r z 码的优势则表现为平均功率低，对光纤非线性效应及色散 容忍度高，有利于进行时钟恢复，因此比n r z 码更适合大容量长距离传输1 2 6 加。 o t d m 在时域上的信号是分离的，但在频域上的信号是混叠的。光时分复 用技术根据每个支路每次复用的比特数不同分为比特交错o t d m 和分组交错 o t d m 。比特交错o t d m 每个时隙有一个帧脉冲信息并对应一个待复用的支路 信息( 一个比特) ，形成高速的o t d m 信号。分组交错o t d m 的帧脉冲作为不 同分组的界限，每个时隙对应于一个待复用支路的分组信息( 若干个比特) 。比 8 江苏大学硕士学位论文 特交错o t d m 主要应用于电路交换业务，而分组交错o t d m 主要用于分组交换 业务。图2 4 和图2 5 所示分别为比特交错o t d m 和分组交错o t d m 的时分复 用原理示意图。比特交错o t d m 中取相同时段内的不同信道的一个比特经过不 同时延后复用，复用信号以帧脉冲相隔；分组交错o t d m 复用则是取相同时间 段内同一个支路的若干比特作为初始复用信号，中间以帧脉冲作为间隔，后面支 路以相同数量比特经过不同延迟后作为复用信号进行复用。 复用前 复用后 帧脉冲信息 端巳! 巳! ：三盖圭嗲川娥，! 口! 口夥j “ 姗 二口! a川 图2 4 比特交错光时分复用原理示意图 娴 ! 口! ：三盖金吵娴! 口：口夥 姗 二工 ! 儿 图2 5 分组交错光时分复用原理示意图 其中，比特交错复用技术是目前应用最广泛的技术，在正交t b s 正交光标 记交换系统中就采用这种光时分复用技术作为提高单信道传输速率的关键技术。 2 3 偏振复用技术 偏振复用无需大规模改变现有的系统就可在原有的信道上使传输速率提高 一倍。不同于其他的复用方式，偏振复用p o l a 血撕o nd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，p d 岣 是利用光在单模光纤中传输的偏振特性，使用传输波长的两个相互正交的偏振态 分别传输两路信号的复用技术。由于光在单模光纤中传输时，实际上传输的是两 个相互正交且独立的模式，利用这两个独立且相互正交的偏振态分别传输两路信 9 单信道t b s 正交光标记交换系统的研究 号，可成倍的提高系统的传输速率。对于偏振复用系统，最重要的就是保证信道 在接收端是正交的且具有同一波长。 图2 6 偏振复用原理图 如图2 6 ，偏振复用系统主要由偏振分束器( p o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t t e r , p b s ) 、 偏振合束器( p o l a r i z a t i o nb e a mc o m b i n e r , p b c ) 和偏振控制器( p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r , p c ) 组成。偏振复用端包括一个耦合器、两个偏振控制器p c ) 、一个可 调光衰减器( v o a ) 、可调延时光纤( v a r i a b l ed e l a yl i n e ，v d l ) 和一个偏振合束器 ( p b c ) 。与信号有相同偏振态且不同波长的光标签( t a gl i g h t ，t l ) 通过耦合器与信 号耦合到一起进行传输。其中，v o a 起到平衡上下两个信道光功率的作用，与 v o a 同支路的l k m 的单模光纤的作用是减少信号干涉；v d l 能使上下两路偏振 复用信号产生大于4 比特的时延差。偏振控制器用来调节信道与偏振合束器x 通 光轴所成角度矽，以产生预期的偏振态。输入信号经过偏振控制器，调整两信道 的偏振态为线偏振或尽量接近线偏振，最大程度减小因信号光是椭圆偏振光而引 起串扰。p b s 将成一定角度入射的线偏振光分成正交的两路通过保偏光纤进行传 输。 妒= 一( 蔫 似， 其中，a 和a 分别为两个正交信道的振幅，矽为两信道之间的夹角。 偏振解复用端采用偏振监测方式进行解复用。偏振控制模块包含光电转化、 动态偏振控制器( d p c ) 、偏振分束器( p b s ) 、光纤布拉格光栅呷g ) 、环路光纤和 低速光探测器( l 0 w s p e e dp h o t od e t e c t o r , l s p d ) 。t l 信号被光纤布拉格光栅( 带 宽0 1 n m ) 检测出并被环路光纤送入l s p d 转化为电信号。检测出来的t l 信号 又被作为反馈信号输入到动态偏振控制器，从而分离出t e 和t m 两路偏振信号 2 6 - 3 1 , 3 4 - 3 7 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 4 正交光标记交换系统的调制方式 众所周知，光信号电场的数学表达式为 e ( t ) = 列c 0 s ( ，+ 矽) ( 2 2 ) 其中，电场中的变量包括振幅a ，频率，相位和偏振方向占。由公式( 2 2 ) 可知，调制输入信号的振幅可以得到幅移键控( a s k ) 信号，调制输入信号的频率 则产生频移键控( f s k ) 信号，调制输入信号的相位可以产生相移键控( p s 目信号， 调制输入信号的偏振方向能产生偏振位移键控o o l s 均信号。由于这些信号是相 互独立的，所以任意一组不同的调制方式是相互正交的。高速光标记交换网络中 的正交调$ f j ( o r t h o g o n a lm o d u l a t i o n ) 作为一种光标签的添加方式，它的格式和意 义表达如下：a s i 江p s k ，即光标签通过对载荷信号进行幅移键控调制添加，光 载荷采用差分相移键控调制；a s l 洒s k ，即光标签通过对载荷信号进行幅移键控 调制添加，光载荷采用频移键控调制。如上章所述，正交调制的主要原理是利用 光信号的不同分量分别承载载荷信息和标签信息，由于综合利用了光载波的不同 特性携带信息，所以极大地提高了光谱利用率。采用正交调制可以同时传输两组 不同调制格式的信息，并可在接收端采用各自的解调器同时进行接收和检测，极 大地提高了系统的传输性能( 3 s , 3 9 。 由于正交调制光标记交换网络具有较高的频谱效率和实现简单的优势，作为 光标记交换网络中的关键技术的正交调制光标记调制一直也是光标记交换网络 研究的热点问题。目前，可用于正交调制光标记交换系统的调制方式共有a s k 、 f s k 、d p s k 与d q p s k 四种，下面我们分别对这四种调制方式进行分析【3 】。 2 4 1 幅移键控调制( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g , a s k ) 幅移键控i 鞲i s j i ( a s k ) 也叫做数字幅度调制，它通过将数字信号与高频载波相 乘经过适当的带通滤波器后形成a s k 信号。设数字信号为s ( t ) ，载波为 a c o s ( r a d ) 。当s ( f ) 为单极性脉冲输入( 即含有直流分量) 时，输出为信号为标准 a m ；当为双极性脉冲输入时，输出信号为抑制载波的双边带信号( d s b ) 。代表 二进制信号“0 和“1 的基带矩形脉冲s ( ，) 通过调制载波彳c 0 s ( 嚷f ) 实现全通 单信道t b s 正交光标记交换系统的研究 全断，形成a s k 信号( ，) 。图2 7 为a s k 生成原理图。 a c o s ( w c t ) 图2 7 a s k 生成原理图 一个幅移键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波 相乘，即 p ( ，) = 4 ；g ( ，一刀c ) a c o s ( 吐，) ( 2 3 ) l 一 在这里g ( r ) 是持续时间为互的矩形脉冲，而口。的取值服从下述关系： 旷倍瓣 ，2 1 i 概率为( 1 p ) 【z 4 ) a s k 的功率谱为 尸( 厂) = 去 万( + z ) + 万( 一z ) + 杀 ( 2 5 ) 等概率条件下，a s k 的功率谱由连续谱和离散谱组成。a s k 的功率谱把信 号的功率谱分别搬移到处，第一个零点间的带宽为e l ，a s k 的频带利用率 1 为- 兰b i t h z 。 z a s k 信号有两种解调方法：非相干解调法和相干解调法，一般常采用相干 检测法对a s k 信号进行解调。在乘法器中，输入信号s ( r ) 与载波信号a c o s ( c o t ) 完成调幅并输出信号( ，) 加至信道。接收