（信息与通信工程专业论文）光标记网络中基于ofdm信号的光分组产生及传输技术研究.pdf

硕 ：学位论文 摘要 全光交换技术是未来通信网最具潜力的新一代交换技术，能够提供高速、大 容量的传输及处理能力，打破信息传输的“瓶颈 ，可以在很长的时间内适应高速 宽带业务的带宽需求。针对目前的交换技术状况与器件发展水平，结合当前电子 器件处理技术的优势，人们提出了一种光电混合的光分组交换一光标记交换技术， 它是实现全光网络最有效的方法。本文基于这样一种研究背景，在光标记和光分 组的产生、交换、传输等相关技术方面，进行了一些理论分析、模拟仿真和实验 研究，主要研究内容如下： 一、提出并实验研究了一种以正交频分复用( o f d m ) 信号作为标记的光分 组传输新方案。正交频分复用技术可以抵抗光通信中的色散效应，将o f d m 引入 光标记交换系统，具有抗色散、抗干扰、频谱效率高等多方面的优势，能够实现 信号的长距离传输。实验中，将1 0 g b s o o k 载荷和2 5 g b s o f d m 标记分别通过 强度调制器调制在不同波长的光载波上，再用光耦合器耦合产生光分组。经过 4 0 k m 单模光纤传输后，在接收节点用光交错复用器将载荷与标记分离，分别用 相应的接收机进行检测。实验结果表明光分组信号经光纤传输后，仍能很好的恢 复载荷信号和标记信号，功率损耗小，适于长远距离传输。该方案简单易行，标 记与载荷分开调制，不受消光比限制，串扰不明显，容易实现标记和载荷的合并 与分离。 二、提出并仿真研究了一种正交频分复用( o f d m ) 信号和相移键控( p s k ) 信号相结合的新型正交调制光标记方案。用强度调制产生2 5 g b s o f d m 标记信号， 用相位调制产生1 0 g b s 载荷信号，在同一个光载波上实现o f d m 标记与p s k 载 荷的正交调制，产生光分组信号，通过单模光纤进行传输，并在接收节点采用各 自的检测方式进行接收。o f d m 信号能帮助克服色散的影响，而p s k 信号强度恒 定，可以有效抑制非线性效应。因此这种正交调制光标记方案，将能进一步实现 信号的高效传输。理论分析和模拟仿真都证明了该方案的可行性。该方案具有配 置简单、频谱效率高、适合长距离传输等特点。 关键词：光纤通信；光标记交换；正交频分复用；正交调制光标记；相位调制； 强度调制：相干检测 光标记网络中基于o f d m 信号的光分组产生及传输技术研究 a b s t r a c t a 1 1 o p t i c a ls w i t c h i n gi st h em o s tp r o m i s i n gs w i t c h i n gt e c h n o l o g yf o rt h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i tc a np r o v i d et h ea b i l i t yf o rt r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n go f h i g hs p e e da n dl a r g ec a p a c i t yt ob r e a kt h e ”b o t t l e n e c k ”o fi n f o r m a t i o nt r a n s f e r s o i t w i l la d a p tt ob a n d w i d t hr e q u i r e m e n t sf o rh i g h - s p e e db r o a d b a n ds e r v i c e s i nal o n g t i m e i nv i e wo fc u r r e n td e v e l o p m e n tl e v e lo ft e c h n o l o g i e sa n dd e v i c e s ，c o m b i n i n g t h ea d v a n t a g e so fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e so fe l e c t r o n i cd e v i c e s ，a no p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h ee l e c t r o n i ca n do p t i c a ls y s t e mh a sb e e np r o p o s e d - - o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g ，w h i c hi st h em o s te f f e c t i v ew a y t oa c h i e v ea l l o p t i c a ln e t w o r k i nt h i sp a p e r ，b a s e do ns u c har e s e a r c hb a c k g r o u n d ，g e n e r a t i o n ，s w a p p i n g a n d t r a n s m i s s i o no fo p t i c a ll a b e l sa n do p t i c a lp a c k e t s a r er e s e a r c h e db yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，m a i n l yi n c l u d i n g ： f i r s t l y ，a n o v e lo p t i c a l p a c k e t t r a n s m i s s i o ns c h e m e ，i nw h i c ha no p t i c a l o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o o f d m ) s i g n a l h a sb e e ng e n e r a t e da sa l a b e l ，h a sb e e np r o p o s e da n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) c a nc o m b a td i s p e r s i o ni no p t i c a l c o m m u n i c a t i o n u s i n go f d mi no p t i c a ll a b e ls w i t c h i n gs y s t e m ，t h e r ew i l lb es om a n ya d v a n t a g e s s u c ha sa n t i d i s p e r s i o n ，a n t i i n t e r f e r e n c ea n dh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c yt h a tc a nr e a l i z e l o n g d i s t a n c es i g n a l t r a n s m i s s i o n i nt h ee x p e r i m e n t ，10 g b so o kp a y l o a d sa n d 2 5 g b so f d ml a b e l sa r em o d u l a t e do nt w oo p t i a lc a r r i e r so fd i f f e r e n tw a v e l e n g t h s b yi n t e n s i t ym o d u l a t i o n s ，r e s p e c t i v e l y a n d t h e no p t i c a lp a c k e tw e r eg e n e r a t e db y c o u p l i n go p t i c a lp a y l o a d s a n d o p t i c a l l a b e l s a f t e r4 0 k i n s i n g l e 。m o d e f i b e r t r a n s m i s s i o n ，p a y l o a d sa n dl a b e l sa r es e p a r a t e db ya ni n t e r l e a v e r ，a n dt h e nd e t e c t e d b yt h ec o r r e s p o n d i n gr e c e i v e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tp a y l o a ds i g n a l sa n d l a b e ls i g n a l sc a ns t i l lb ew e l lr e s t o r e da f t e r4 0 k mf i b e rt r a n s m i s s i o no fo p t i c a lp a c k e t 。 p o w e rl o s s e sa r es ol i t t l et h a tt h es c h e m ei ss u i t a b l ef o rl o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n t h es c h e m ei ss i m p l ea n dh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：p a y l o a d sa n dl a b e l sa r e m o d u l a t e ds e p a r a t e l y ，s ot h e r ea r en or e s t r i c t i o n so ft h ee x t i n c t i o nr a t i oa n dc r o s s t a l k s a r en o to b v i o u s i ti se a s yt or e a l i z ec o m b i n a t i o na n ds e p a r a t i o no fp a y l o a d sa n d l a b e l s s e c o n d l y ，an o v e lo r t h o g o n a lo p t i c a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) l a b e l i n g s c h e m eb a s e d0 no r t h o g o n a l s i n g a l sa n dp h a s e s h i f tk e y i n g ( p s k ) l i i s i g n a l sh a sb e e np r o p o s e da n ds i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e d 2 5 g b so f d m l a b e ls i g n a l s a r eg e n e r a t e db yi n t e n s i t ym o d u l a t i o na n d 10 g b sp a y l o a ds ig n a l sa r eg e n e r a t e db y p h a s em o d u l a t i o n o f d m p s k o r t h o g o n a lm o d u l a t i o n o nt h ei d e 疵a lo p t i c a lc a m e r i sa c h i e v e da n do p t i c a lp a c k e t i sp r o d u c e d a f t e rs i n g l e 。m o d ef i b e r t r a n s m i s s i o n , 口a y l o a d sa n dl a b e l sa r er e c e i v e dw i t h t h er e s p e c t i v ed e t e c t i o nm o d e o f d ms i g n a l s c a nh e l pt o o v e r c o m et h ed i s p e r s i o ne f f e c t a n dp s ks i g n a l s c a ns u p p r e s st h e n o n 1 i n e a re f f e c te f f e c t i v e l yb e c a u s e o ft h ec o n s t a n ti n t e n s i t yo fp s ks i g n a l s t h e r e f o r e ，t h i so r t h o g o n a lo p t i c a ll a b e l i n gs c h e m e ，w i l lf u r t h e r r e a l i z ee f f i c l e n ts l g n a l t r a n s m i s s i o n t h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss c h e m ei sp r o v e db ys i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h i ss c h e m ei s c h a r a c t e r i s t i co fs i m p l es t r u c t u r e ，h i g hs p e c t r a le f f i c l e n c y a n ds u i t a b l ef o rl o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n 。 k e y w 。r d s ：o p t i c a lf i b e rc 。m m u n i c a t i o n ；o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g ( o l s ) ；o 讹。9 0 n a l f r e q u e n c y d i v i s i 。nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ；o r t h 。g 。n a l 。p t i c a l l a b e l i n g ；p h a s e r o o d u l a t i o n ( p m ) ；i n t e n s i t ym 。d u l a t i o n ( i m ) ；c 。h e r e n td e t e c t i 。n i v 光标记网络中摹于o f d m 信号的光分组产生及传输技术研究 插图索引 图2 1 光标记交换网8 图2 2k e o p s 光分组格式9 图2 3 副载波复用光标记的电谱示意图1 0 图2 4 副载波复用光标记的光谱示意图1 l 图2 5 副载波复用光标记交换系统结构图1 l 图2 6 副载波复用光分组的产生1 2 图2 7 副载波复用光标记交换原理图1 3 图2 8 基于s o a m z i 的副载波复用光标记交换1 3 图2 9 相位调制器1 5 图2 1 0 实现载波抑制的频谱图1 6 图2 1 l 基于载波抑制及分离产生光分组1 8 图2 1 2 使用波长变换技术的光标记交换原理图1 8 图2 1 3 不使用波长变换技术的光标记交换原理图1 9 图2 1 4f s k i m 正交调制产生光分组2 1 图2 1 5f s k i m 正交调制光标记交换原理图2 l 图2 1 6f s k i m 正交调制接收机原理图2 2 图2 1 7 载荷消光比对载荷和标记接收灵敏度的影响2 3 图3 1o f d m 系统基本模型框图2 5 图3 2 加入循环前缀的o f d m 符号2 8 图3 3 加入保护间隔的o f d m 系统框图2 8 图3 4o f d m 频谱结构图2 9 图3 5 光分组产生方案原理示意图3 1 图3 6 实验装置图3 3 图3 7o f d m 信号电谱图3 3 图3 8 实验装置照片3 4 图3 9 不同测试点的实验光谱图3 5 图3 1 0 载荷的接收眼图3 5 图3 1 lo f d m 光标记的接收星座图3 6 图3 1 2 误码率曲线图3 6 图4 1 基于o f d m p s k 正交调制产生光分组3 9 图4 2 相干光检测系统框图4 0 i 硕上学位论文 图4 3o f d m p s k 正交调制光标记仿真系统4 3 图4 4 不同测试点的光谱图4 4 图4 5o f d m 信号的波形图4 4 图4 6 强度调制系数口对标记和载荷传输性能的影响4 5 图4 7 接收p s k 载荷的眼图4 6 图4 8 接收o f d m 标记的星座图4 7 i 硕上学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 2 1 世纪是一个以网络为核心的信息时代，人们对信息的需求与日俱增。随着 因特网( i n t e r n e t ) 业务的迅猛增长，这给人们的生活、生产方式带来了极大的改 变。任何人都可以使用个人微型电脑或者在任何地点、任何时间通过移动终端进 行多媒体娱乐、视频交流、远程教育与医疗、股票交易、电子商务、家庭购物、 家庭办公等一系列活动。这些丰富多彩的因特网业务必须依靠完善的网络来完成， 网络已经成为2 1 世纪全球最重要的基础设施之一，它正以不可抗拒之势影响着社 会生活的各个方面。 据报道，中国的因特网用户已经超过1 3 亿户，仅次于美国，是全世界使用因 特网人口第二多的国家，而且中国使用因特网人数的增长速度早就超过了美国和 世界其他国家，这给网络的带宽和容量提出了很大的挑战。全球网络带宽需求的 年增长率高达5 0 1 0 0 。因特网业务的一个主要特点是用户占用信息带宽的时 间长，如果采用现有的网络结构，将造成业务拥挤，带宽“枯竭 。为了适应这 种变化，网络正在向下一代因特网( n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ，n g i ) 和下一代网 络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，n g n ) 迅速的发展，光网络也正朝着更加智能、 灵活、透明、优质和安全的下一代光网络变革。下一代光网络将是各种传输技术 和各种交换技术( 传统的电路交换、分组交换等) 共存的异构网络。 自从1 9 7 6 年第一次实现光纤通信以来【2 】，光纤通信技术以惊人的速度发展， 光网络也蔚然兴起。根据联合国“1 9 9 9 世界电信论坛会议 副主席约翰罗斯( j o h n r o t h ) 在论坛开幕演说时提出的光纤定律，光纤容量每九个月会增加一倍，但成 本降低一半。正是由于这种飞速增长的势头不减，才导致了光网络从无到有，不 断更新换代，在通信网的发展与建设中得到了充分的发挥。从应用领域来看，光 网络正沿着“干线网一本地网城域网一接入网用户驻地网”的次序逐步渗透【3 1 。 从传输方面来说，全光传输距离越来越长，密集波分复用( d w d m ) 的大量使用 快速增大了光传输系统容量，它充分利用光纤的巨大带宽资源来满足i p 数据业务 急剧增长对带宽的需求。但从交换方式来看，传统的交换网络【4 1 ，都是基于电的 交换，单纯使用波分复用( w d m ) 技术没有从根本上克服交换网网络节点的电子 速率瓶颈。在每个交换节点，为了提取控制信息，光信号必须进行光电光( o e o ) 转换和电信号处理，交换速率受电子器件的限制，而且结构复杂。因此从整个网 络结构上看，这就形成了较慢的电处理速度与极快的光传输速率的不匹配，从而 光标记网络中基于o f d m 信号的光分组产生及传输技术研究 影响了整个网络性能的提高，这就是所谓的“电子瓶颈 效应。因此概括来说， 目前光通信网络的现状是光传输与电交换两个子网并存。两个子网之间存在大量 的光电接口适配和速率匹配操作，降低了网络资源利用率和网络性能【5 】。现在光 网络面临的挑战是如何将拥有巨大传输带宽的光传输技术与高效灵活的i p 交换技 术结合起来，以实现光通信技术与i p 技术无缝融合，减少光电光( o e o ) 的转 换，这样整个光网络的状况将大为改观。 为了克服未来光网络中的电子瓶颈，需要引入全新的网络模型，即建设全光 网络，将通信网的电交换子网变换为光交换子网。应尽可能的在光网络中引入更 加灵活、多功能和细粒度的全光分组交换( 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。 光分组交换【6 】能够在非常小的粒度上实现光交换，极大提高了光网络的灵活性和 带宽利用率，非常适合数据业务的发展，是未来光网络的发展方向。光分组交换 网将光分组分成两部分进行处理，其中数据载荷部分采用不经过光处理。由于目 前光信号处理技术尚处于初步发展阶段，在短期内较难实现非常复杂的光信号处 理，因此采用光分组头电信号处理方案，从而形成了光标记交换( o p t i c a ll a b e l s w i t c h i n g ，o l s ) 技术【7 1 。 光标记交换是光分组交换( o p s ) 的一种实现形式，是一种基于光电混合的 光分组交换结构。光信号以光数据包即光分组的方式进行传输，每一个光数据包 由一个光标记和一个光数据载荷两部分组成。光标记携带路由信息，光载荷携带 所需传输的数据信息。在输入网络节点上通过调制产生低速率的光标记和高速率 的载荷封装成光分组包，光包传输到中心节点后仅对光标记进行读取并在电域进 行处理，数据载荷在光域直接转发，更新( 交换) 后的光标记与光载荷重新封装 成新的光分组包继续传输到下一个网络节点，这样依次将载荷传输到网络的目的 节点。光标记交换网络把大部分数据流量的交换在光域完成，将光交换传输和路 由转发功能分开，数据载荷在整个光网络中透明传输，极大提高了光数据分组的 转发和交换速度。 光标记交换网络具有容量大、对数据速率和格式透明、网络可配置性及带宽 利用效率高、能够提供端到端的光通道或者无连接的传输等特点，这些特点满足 未来网络发展的总体要求。而且光标记交换技术也能够实现网络交换容量与波分 复用技术( w d m ) 带来的大传输容量相匹配，与光交叉连接( o x c ) 、多协议标 记交换( m p l s ) 等新兴技术相结合及网络优化与资源的合理利用i l 】。 作为建设全光网络的基础，作为一种极具发展前景的光分组交换方案，光标 记交换( o l s ) 技术是近几年国内外光通信领域研究的热点。因此，本课题的研 究具有很强的理论意义和实用价值。 2 硕j ：学位论文 1 2 国内外文献综述 国际上对光标记已经做了很多研究，到目前为止提出了许多种光标记机制。 其主要种类有时序光标记 8 - 1 0 】、副载波复用( s c m ) 光标记【1 1 啪】、载波抑制和分 离( o c s s ) 1 7 - 2 7 】、正交调制光标记【2 8 3 6 】等。 时分复用光标记技术是最早研究的光标记技术，首先在k e o p s ( k e y st o o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 哺d j 项目中得到实现。k e o p s 项目是由欧洲a l c a t e l 公 司等在1 9 9 8 年联合发起的一个光分组交换技术项目，采用的光分组交换技术就是 一种光时域标记方式。它主要应用在需要光同步的时隙交换网中，路由控制及管 理信息在前，数据载荷紧随其后。光标记与数据载荷之间、光包与光包之间设置 保护时间间隔。设置保护间隔的作用是，一是为了留有余量给光包同步对齐，二 是为兼顾电子处理速度而设置预留操作时间。 时分复用光标记的优点是光标记的产生、提取和识别都较简单，容易与未来 高速光时分复用网络相融合。缺点是在中心节点必需对光包进行同步对准，网络 节点结构复杂，对网络的同步要求很高，提高了网络设计和操作的复杂度。 为克服时分复用光标记中的同步问题，人们提出了副载波复用( s c m ) 光标 记技术【1 1 - 1 6 1 。文献 1 4 1 提出的副载波复用光标记方案的基本原理是，将标记信号 先调制在电载波上，实现频谱搬移，再与基带数据载荷相加混合成一路信号，进 行光调制，从而将标记信号与基带数据信号封装成光分组包。这种方案的缺点是， 标记和载荷之间的串扰严重。 2 0 0 5 年，z u q i n gz h u 等提出一种装置紧凑简单的s c m 标记交换系统【1 5 】，在 核心交换节点采用了一个集成了电吸收调制器的激光器( e m l ) 和一个基于马赫 曾德尔干涉仪的半导体光放大器( s o a m z i ) 实现新标记的插入和载荷的波长变 换，从而完成新旧标记的替换。相比文献 1 4 ，本文献主要的技术改进在于s c m 发射机装置将载荷和标记采用不同的调制器分开调制，在一定程度上减少了标记 和载荷之间互调干扰，并使用了具有高速运转速度的集成器件e m l 和s o a m z i ， 使装置简单紧凑，克服了装置的局限性。此外还使用了具有宽的反射带宽的布拉 格光纤光栅( f b g ) ，以适用于高速载荷与标记的分离。 副载波复用光标记技术的优点是标记的产生和提取较容易，且标记信息与数 据载荷之间不需保护时间，因此网络节点设计不需考虑精确定时，极大地简化了 节点结构与网络控制操作。但这种光标记方式在实际应用中仍有其缺陷与限制。 载波与边带之间会产生交互调制干扰，在传输过程中也存在由于光纤色散产生的 拍频干扰。 为了解决副载波复用标记技术中的互扰问题，j i a n j a l ly u 和g e e k u n gc h a n g 等提出一种使用光载波抑制及分离( o c s s ) 的技术来产生光标记和载荷【”也7 1 。 3 光标记网络中基于o f d m 信号的光分组产生及传输技术研究 光载波抑制技术( o c s s ) 中，中心载波被抑制掉了，再用滤波器将两个一阶边带 分开，将标记和载荷分别调制在两个一阶边带上，容易实现合并和分离，且相互 干扰较少。在文献 17 】中，提出了两种使用载波抑制的光标记交换方案，分别针 对两种不同的数据调制格式。这两种方案在边缘路由器产生光标记的原理基本相 同，只是在核心路由器进行光标记交换的原理有所区别。一种使用波长变换技术 来实现新旧标记替换，而另一种不采用波长变换技术来实现新旧标记替换。 、 j i a n j u ny u 和g e e k u n gc h a n g 还采用光载波抑制及分离的方法成功完成了多 个信道不同速率的光标记和光载荷信号在致密波分复用( d w d m ) 光网络中的产 生、交换及传输实验【1 8 , 2 3 , 2 5 】。在文献 1 8 】中，实验用载波抑制的方法产生了八个 信道的光数据包，其中七个信道的载荷速率为1 0 g b s ，一个信道的载荷速率为 4 0 g b s 。实验实现了多速率载荷( 高达4 0 g b s ) 的光分组数据包在经过长距离( 大 于2 0 0 k m ) 光纤传输后，功率代价低于1 5 d b 。实验结果表明这种技术在灵活性、 带宽、可提供多种服务方面颇具优势，可为下一代网络服务。 正交调制技术【2 8 - 3 6 】将标记和载荷以相对独立的调制格式调制在同一个光波 长上，标记信号和载荷信号实质上为同一个光波长信号，没有额外的波长资源消 耗，因此正交标记技术由于具有高的频谱效率而逐渐成为研究的热点。 j j v e g a s o l m o s 提出了一个基于频移键控( f s k ) 和强度调制( i m ) 的正交调 制光标记交换实验系统【2 引，首次在交换节点，采用一个s o a m z i 波长变换器同时 完成f s k 旧标记的擦除和新标记的插入。其原理是，因为s o a m z i 波长变换器是 基于交叉相位调制的，因此在进入s o a m z i 的光数据包中，只有强度调制的载荷 信号才能被复制到新的泵浦波长上( 这个新的泵浦光信号上载有新的f s k 标记) ， 而原数据包中的f s k 旧标记从原来的光载波上被擦除。 目前，正交调制光标记技术面临的主要问题是产生的光标记和光数据载荷的 消光比较低或占空比不可调，而低的消光比容易破坏光标记信号和光数据载荷信 号，限制了信号的传输距离。为解决这个问题，人们提出了多种方案，如利用电 子解码技术或暗脉冲归零码二进制信号【3 2 1 。邵宇丰学长和陈林老师提出了一种采 用双臂马赫曾德尔( m z ) 调制器和电信号时延器来产生光暗脉冲归零码二进制信 号的新方案【3 4 】和用改进型光双二进制归零码( m d r z ) 信号作为标记，分别采用 差分相移键控非归零码( n r z d p s k ) 信号和差分正交相移键控非归零码 ( n r z d q p s k ) 信号作为载荷进行正交调制的新方案【3 5 1 。光暗脉冲归零码二进 制信号和改进型光双二进制归零码( m d r z ) 信号均通过双臂马赫曾德尔( m z ) 调制器和电信号时延器产生，产生的信号的占空比和消光比可通过电信号延时器 进行调节，在接收端可采用传统的二进制强度调制一直接检测( i m d d ) 系统接 收信号，发送机和接收机结构简单，运行稳定，所以能作为一种新的标记产生和 接收方案，在未来的光标记交换网络中得到应用。 4 硕i ：学位论文 总之，采用光分组交换技术的全光网络具有无比诱人的优越性能。比如，不 限制信号形式和速率，能提供巨大的带宽，减少了很多光电光转换的工作量及 设备，提高了网络整体的交换速度，降低了成本并提高了可靠性等，是满足互联 网等数据业务爆炸式增长需求的基本办法【5 1 。光标记交换作为光分组交换的实现 形式，不断受到大家的关注和研究，已经成为研究的热点问题。但要实现光标记 技术的实用化还有许多未知的因素有待人们去进一步探索。比如由于色散和非线 性效应的影响，以及标记和载荷之间的相互干扰，标记和载荷的传输距离受到限 制，如何提高信号的频谱利用率等等。 正交频分复用( o f d m ) 技术【3 7 枷】采用多进制、多载频、并行传输，具有频 谱效率高、传输容量大等特点，在无线环境中抗多径干扰特性明显。由于光纤信 道中的色散与无线信道中的多径效应很相似，最近研究表明，在光通信领域， o f d m 可以在一定程度上抵抗色散和偏振模色散的影响【4 7 1 。将o f d m 技术结合 到光纤中可以克服单模光纤传输中阻碍系统发展的色散、非线性效应的影响，同 时可以提高频谱效率，这是最近两年来兴起的一种新技术。因此，o f d m 信号的 光纤传输技术也将是光标记交换网络发展的一个方向。 因此，在使用副载波复用、载波抑制和正交调制技术产生光分组信号的基础 上，将o f d m 信号作为标记或载荷运用到光标记交换网中，不仅能有效地抵抗色 散效应以及标记和载荷之间相互干扰的影响，实现信号的长距离传输，还能进一 步提高信号的频谱利用率。 1 3 论文构成及内容 全光分组交换技术是目前全光网络的一个研究热点。作为一种极具发展前景 的光分组交换方案，光标记交换有效结合光分组交换与现有电子技术的灵活处理 优势，是迈向全光分组交换的重要一步。目前光电器件技术及网络技术的高速发 展，所以实现光分组交换并不遥远。因此展开对光标记交换的理论与实验研究具 有非常现实的意义。本文对光标记网络结构及各种光标记产生及交换技术做了详 细说明，重点介绍了副载波复用光标记、正交调制光标记、载波抑制和分离这几 种光标记技术的基本原理，研究了一种采用光正交频分复用信号作为光标记来产 生光分组的新方案和一种基于正交频分复用信号的正交调制光标记方案。 本文结构主要分为四个章节： 第一章为绪论，首先论述本文研究的背景与意义，然后对国内外的研究进展 作了较简单的文献综述。 第二章首先对光标记交换网络的基本结构作了介绍，然后详细介绍并讨论了 时分复用光标记、副载波复用光标记、载波抑制和分离、正交调制光标记这几种 典型常用的光标记机制，并分析了其优缺点。 5 光标记网络中基于o f d m 信口j 的光分组产生及传输技术研究 第三章主要提出并实验研究了一种用正交频分复用( o f d m ) 信号作为标记 的光分组的产生及接收方案。首先详细介绍了正交频分复用的基本原理，然后提 出了光分组产生方案，并通过实验证明了这一方案的可行性和优越性。 第四章提出了一种基于正交频分复用( o f d m ) 信号和相移键控( p s k ) 信 号的正交调制光标记新方案。理论分析了光分组的产生以及标记和载荷的检测， 并对该方案建立仿真系统，成功实现了仿真，分析了强度调制系数、传输光纤长 度对标记和载荷传输性能的影响。 最后，对本论文中所做的工作进行总结同时对今后的工作进行展望。 6 硕士学位论文 第2 章光标记交换技术原理 2 1 光标记交换网的结构 2 1 1 光标记交换网的基本特征 光标记交换实质上是光分组交换的一种具体实现形式，是一种光电混合的光 分组交换。光标记交换网将所需传输的数据信息与网络的路由和控制信息分开处 理，高速业务数据信息在光域传输与交换，而低速的路由与控制信息以光标记的 形式传输，各网络节点将光标记转换为电信号进行处理，产生相应的路由信息控 制并驱动光交换网络，实现对业务数据的全光交换。 光标记交换技术在目前光电器件发展水平的基础上，又同时考虑与当前网络 的融合，克服了物理层传输对网络设计的限制，随光电器件技术的发展，在交换 粒度、交换速率等方面易于升级。将光标记交换引入光交换网络后，网络节点不 再以波长为单位进行交换，而是以光分组为单位进行交换，大大改善了整个通信 网的面貌。第一，因为光标记交换不需要将整个光分组信号变成电信号，减少了 了现有通信网中电交换网与光传输网大量的光电、电光接口与速率匹配操作， 光数据载荷可直接进行转发，在很大程度上降低了路由器的负荷，很好的解决了 当前电交换网中的电子处理速率瓶颈。第二，由于光分组交换不再以波长为单位， 提高了网络带宽利用率。第三，波分复用技术进一步提高了接入技术的简单灵活 性，网络资源分配更加精细1 5 】。 总的说来，光标记交换网具有超高速、大容量、数据速率和格式的透明性、 可配置性等特点，能支持未来不同类型数据，而且极大提高了当前网络的资源利 用率。它还大量减少了的光电光的转换工作，提高了整个网络的交换速度，降 低了成本，有利于提高可靠性等等。 2 1 2 光标记交换网的基本组成 光标记交换网由边缘节点和核心交换节点构成。边缘节点主要功能是与其他 网络接口进行组装及分解。核心节点交换和路由到达的光分组包。在网络的边缘 路由器，从源节点输入的数据载荷信息，在不改变原始数据包结构的情况下，加 载上一个光标记，封装成一个光分组包，并将这个光分组包分配一个相应的光波 长通道【5 】。然后将这个光分组包通过光纤传输至光标记交换网中的核心路由器， 并在核心交换网中进行路由与转发。核心交换节点的路由功能模块根据数据分组 包的当前标记信息、承载波长和内部路由表信息进行路由计算，给数据分组包重 7 光标记网络中基于o f d m 信号的光分组产生及传输技术研究 新分配光标记和波长通道。转发功能模块的处理主要包括替换新旧标记以及转换 光分组包到新的波长通道【5 1 。最后光分组包从出口边缘路由器离开光标记交换网 络，将光分组包进行解封装后恢复成原始数据包传送至目的节点。 图2 1 为一个简单光标记交换网络的结构图【4 引。如图所示，一个光标记交换 网络至少包括三种类型的光路由器：入口边缘路由器、核心路由器和出口边缘路 由器。入口路由器的作用是产生光标记和光载荷，将光标记和光载荷封装成光分 组，然后发送光分组；核心路由器的功能是提取标记、擦除标记和重写标记，并 根据标记的地址信息将光分组正确的转发到下一个节点，除非需要下载和上传新 的数据信息，一般不对载荷作处理；出口路由器的作用是检测标记和载荷以及分 离标记和载荷，以提取应用所需的数据信息。 2 2 光标记的分类 图2 1 光标记交换网 所谓光标记，就是利用各种方法在数据包上打上标记，根据光标记的产生原 理采用对应的方法来识别光标记。在光标记交换中，光信号被封装成一个个的数 据分组包，每个光分组包包括一个分组头即标记和一个载荷，分组头主要是一些 地址信息和控制信息，网络的交换节点只对分组头作处理，并根据分组头的内容 来确定目的地和路由，而数据载荷直接在端到端透明信道中传输。 按光标记所在的信道，光标记分为带外光标记和带内光标记两个种类。前者 包括波分复用( w d m ) 光标记和副载波复用( s c m ) 光标记。后者包括时序光 标记、正交调制光标记、码分多址( c d m a ) 光标记、载波抑制和分离( o c s s ) 。 根据光信头的不同标记方式，光标记可分为两种类型：时域标记和频域标记。 光时域标记法中，光标记和光载荷之间保留了足够的保护时间间隔，在时间上将 8 硕士学位论文 光标记和光载荷分开，如时分复用光标记。光频域标记法，就是在频率上将光标 记和光载荷分开，它们使用不同的频率( 波长) ，如副载波复用光标记、载波抑制 及分离技术属于频域光标记法。 与光标记和光分组产生( 调制) 的多样性相对应，对光标记信息的处理方法 也是多种多样。以下介绍了光标记交换系统中研究得较多的几种方法。 2 3 时分复用光标记 时分复用光标记技术主要应用在需光同步的时隙交换网中，其基本思想是， 路由控制及管理信息在前，数据载荷紧随其后，并由光标记和数据载荷组成周期 性的定长光包。 由欧洲a l c a t e l 公司等联合发起的一个光分组交换技术项目k e o p s ( k e y st o o p t i c a lp a c k e t sw i t c h i n g ) 【9 l ，采用的光分组交换技术即是一种光时分复用光标记 方式。在该交换方案中，其基本交换单元即光分组的光信头和数据载荷在同一波 长上传输。网络节点处将光信头的路由信息转变为电信号进行处理，光载荷在光 域交换。 t i m es i o t 丁： 6 4 6 p s ；1 2 8b y t e s ( 6 2 2m b l s ) h e a d e r p a y l o a d s y n c h r o n i s a t i o nb i t ss y n c h r o n i s a t i o nb i t s 广l 广_ | _ 1 g u a r d t i m e 2b y t e s h e a d e r 1 8 0 n s = 1 4b y t e s 一剿弧 p a y l o a d 1 。3 5 i s ：1 0 5 1 6 8 0b y t e s 图2 2k e o p s 光分组格式【9 】 图2 2 是k e o p s 的光分组格式【9 】。固定的包周期为1 6 4 6 p s ，光信头采用较低 的传输速率6 2 2m b s ，共1 4b i t ，时长1 8 0 n s ；光数据载荷采用2 5g b s 的传输速率， 时长1 3 5 声：保护时间大于2 6 n s 臣p 2 b i t 。光信头中，包含了分组的路由信息、管理 信息、净负荷类型标识等。k e o p s 的交换节点主要完成三种功能：( 1 ) 输入接口 通过光同步装置对输入的光分组进行同步；( 2 ) 交换矩阵