（电磁场与微波技术专业论文）光分组网关键技术的研究——冲突解决方案、全光逻辑器件.pdf

北京邮电大学博士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea d v e n to f i n f o r m a t i o na g e ，t h er o l eo fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y g e t sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ed a l l yl i f eo f p e o p l e a st h ef o u n d a t i o no f m o d e m t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p sr a p i d l ys i n c et h e i n v e n t i o no f r u b yl a s e rb yt h m a i m a ni n1 9 6 0 a n dt h ec r e a t i v ew o r ko fc k k a oi n 1 9 6 6 i nr e c e n t y e a r s ，t h e f a s t g r o w t ho fi n t e r n e ta n dv a r i o u sm u l t i m e d i as e r v i c e s r e s u l t si na ni n c r e a s i n g l y h e a v y b u r d e no nc u r r e n tt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k v a r i o u st e c h n o l o g i e se m e r g ee n d l e s s l yi no r d e rt o s a t i s f yt h ei n c r e a s i n gd e m a n do n b a n d w i d t h t h eu s eo f 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 gr w d m ) a n de r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ( e d f a ) d r a m a t i c a l l yr e d u c e d t h ec o s to f l o n g h a u l t r a n s m i s s i o n s y s t e m s a n di n c r e a s e dt h e i r c a p a c i t y o p t i c a l c r o s s c o n n e c t ( o x c ) a n do p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ( o a d m ) m a k e i tp o s s i b l et oc o n s t r u c t w a v e l e n g t hr o u t e dw d m n e t w o r kb a s e do n p o i n t t o p o i n t w d ml i n k h o w e v e r , i ti s e s s e n t i a l l y c i r c u i t s w i t c h i n gw i t hc o a r s es w i t c hg r a n u l a r i t ya n d ，t h e r e f o r e ，n o ts u i t a b l ef o rc a r r yt h e a s c e n d a n td a t at r a f f i c t h u s ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) i sp r o p o s e d ，w h i c hi s s c a l a b l e ，r o b u s t ，t r a n s p a r e n tt od a t ar a t ea n dd a t af o r m a t ，a n dc a p a b l eo fa d a p t i n gt o v a r i o u st r a m cp a t t e r n s f u r t h e r m o r e o p sc a ne l i m i n a t et h eo p t i c a l e l e c t r i c a l o p t i c a l ( o z z o ) c o n v e r s i o n i nt h en e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o ne x a m i n e ss o m e k e yt e c h n o l o g i e so fo p s i n c h a p t e r1 ，ab r i e f i n t r o d u c t i o no fo p si sm a d e i na d d i t i o n ，t h ec o n t e n to f t h i s d i s s e r t a t i o ni sa l s ol i s t e db r i e f l yh e r e c o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni sa ni m p o r t a n td e s i g ni s s u eo fo p s i ti s i n v e s t i g a t e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn e t w o r ks i m u l a t i o n si nc h a p t e r2a n dc h a p t e r3 a n o v e lc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ns c h e m e u t i l i z i n g b o t h o p t i c a lb u f f e r i n g a n df u l l w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt oh a n d l ec o n t e n t i o ni sp r o p o s e da n d i n v e s t i g a t e di nc h a p t e r 2 i nc h a p t e r3 ，t h ee f f e c to fl i m i t e d w a v e l e n g t hc o n v e r s i o no nt h ep e r f o r m a n c eo f s h u m e n e ti sp r e s e n t e df o rt h ef i r s tt i m e q o sg u a r a n t e ei so fg r e a ti m p o r t a n c ei nn e t w o r kd e s i g n a t i o n i nc h a p t e r4 ，a n o v e lp r i o r i t i z e do p t i c a l c o m p o s i t eb u r s ts w i t c h i n g ( o c b s ) s c h e m ei sp r o p o s e dt o a c h i e v em o d e s t yf i n et r a f f i cd i f f e r e n t i a t i o ni na s i m p l ea n de a s yw a y j ! 塞堂皇查羔堡主堡苎 垒! ! ! ! ! 坐 a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gi sak e yt e c h n o l o g yt or e a l i z eo p s i nc h a p t e r5 a n dc h a p t e r6 ，an o v e la l l o p t i c a la n d g a t ea n dn o tg a t eb a s e do nt h ex p m e f f e c t i ns o a _ m z ia r e p r o p o s e d ，r e s p e c t i v e l y t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dn u m e r i c a l s i m u l m i o n sa l ep e r f o r m e dt ov a l i d a t ea n d o p t i m i z e dt h el o g i c a lg a t e s w ec o n c l u d ei nc h a p t e r 7 4 北京邮电大学博士论文 第一章：绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着人类向信息时代迈进，信息技术已经渗透到人类生活的各个方面，人们 对信息的需求与日俱增。在人们的生活中，信息技术的作用越来越重要。 在二十世纪六十年代发生了两起对通信具有深远影响的事件。其一为1 9 6 0 年美国科学家梅曼( m a i m a n ) 发明了第一个红宝石激光器 1 】；其二为1 9 6 6 年英 籍华人高锟博士及其同事首次指出光纤损耗的成因和解决方法 2 。此后，光纤 通信以超乎人们想象的速度快速发展。1 9 7 7 年，世界上第一条光纤通信系统在 美国芝加哥市投入商用，速率为4 5m b s 【3 ，今天，1 0g b s 的商用光纤通信系 统早已实用化 4 。由于光纤通信具有通信容量大、损耗低、抗电磁干扰、保密 性好等特点，光纤通信已经成为现代通信网络的基础平台 5 】。 单根光纤的潜在传输容量为1 0t b s 【6 。传统的扩容方法采用时分复用 ( t d m ) 方式【7 。但是随着现代电信网对传输容量要求的剧增，t d m 方式已日 益接近半导体元器件的技术极限，已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格 也很高，光纤色度色散和极化模色散的影响也日益加重。 从1 9 9 6 年起，光波分复用( w d m ) 技术因其能充分利用光纤的巨大带宽 而备受瞩目。w d m 把光纤的巨大带宽分割成多个子波带，每个子波带的中心波 长承载一路信号。把多路电t d m 支路信号，分别调制到不同的波长，再通过波 分复用器将多个不同波长一根光纤进行传输，从而提高了光纤的实际传输容量。 随着掺铒光纤放大器( e d f a ) 8 ，9 1 0 l 技术的出现和成熟，在a t & t 的 大力推动和各国研究机构的不懈努力下，w d m 技术也逐渐从实验室走向商用化 【l l ，1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 】。w d m 不但能够以低廉的成本大大增加长距离传输系统 的容量，而且同一光纤中传输的信号波长彼此独立，对数据速率和数据格式透明， 便于网络扩容。因而w d m 在世界范围内获得了广泛的应用。 自2 0 世纪9 0 年代初以来，互联网业务一直在迅猛增长，极大地推动了娱乐、 教育、金融、商业、卫生保健、保险等行业以及其他各种新兴行业的信息化步伐。 以互联网协议( i p ) 为基础的多种多样的互联网业务，如：远程教育、电子商务 ( 企业对企业b 2 b 、用户对用户c 2 c 、企业对用户b 2 c ) 、电子图书馆以及视频 点播、高清晰度电视、可视电话和会议电视等新兴宽带多媒体业务的爆炸性增长， 不但对现有网络的带宽容量提出了越来越高的要求，而且也导致了电信业务中以 北京邮电大学博士论文 第一章：绪论 语音为主的电路交换业务向以数据为主的分组交换业务转移，数据业务量将逐渐 接近并超越常规语音通信业务总量 1 6 】，如图1 1 1 【1 7 】。由w w w 所引起的带 宽需求以每年8 倍的速度增长 1 8 。这就迫使电信网络从对语音业务最优的结构 向以i p 业务为中心的网络结构转移。 图1 1 1通信网中数据业务和传统电话业务变化曲线 因而，如何在w d m 层上承载i p 数据业务，就成为了人们的研究焦点。一 般认为，网络协议栈的演化主要分为四个阶段，如图1 1 2 所示。 起初，i p 路由器由异步传输模式( a t m ) 信元交换机所提供的虚电路连接 起来。而a t m 网络则运行在光同步数字传送网( s d h s o n e t ) 的t d m 链路上， 如图1 1 2 ( a ) 所示。随着网络的演化，a t m 层逐渐消失，i p 直接承载在 s d h s o n e t 之上，如图1 1 2 ( b ) 所示。近来提出的多协议标签交换( m p l s ) 进一步加强了i p 的功能。而i p 路由器端口速率和汇聚能力的增长导致了i p 路 由器直接链接到w d m 层的波长信道，如图1 1 2 ( c ) 所示。随着网络的进一步 演化和各种新技术的不断涌现，最终在w d m 层上将出现一个与w d m 层无缝 集成的光分组交换( o p s ) 层，来承载i p 业务，如图1 1 2 ( d ) 所示。 在数据网络演化的( a ) 和( b ) 阶段，由于a t m 和s d h s o n e t 的存在， 在中间节点处信号必须经过光电转换和电光转换，从而限制网络速率的进一步提 高和光纤带宽的充分利用，这就是所谓的“电子瓶颈”。 去掉a t m 和s d h s o n e t 层不但能够节省大量a t m 和s d h s o n e t 设备， 简化网络节点的结构，消除冗余的协议转换。而且，也克服了“电子瓶颈”的影 响。这样就可以大幅降低网络的运营成本、提高网络速率。 6 ( a )( b ) ( c )( d ) 图1 1 2数据网络的协议栈演化示意图 t i m e 在数据网络演化的( c ) 阶段，利用光分插复用设备( o a d m ) 、光交叉连 接设备( o x c ) 等设备，可以将点到点的w d m 链路组成基于波长路由的w d m 全光网络 1 9 ，2 0 ，2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 】，在光域中实现信息的高速传输和交换。 在w d m 全光网络中，数据信号在从源节点到目的节点的整个传输过程中始终保 持光信号的形式，在各个网络节点处无需进行光电，光转换。 w d m 全光网络为i p 数据业务提供了一个经济、大容量、高生存性和灵活 性的传输基础设施。其主要特点为： 1 1 高容量：每个波长的速率可达4 0 g b i f f s ，单纤可传送1 6 0 个以上波长。 2 ) 波长路由：在w d m 网络中，通过波长选择器件来实现路由选择， 建立不同波长在各个节点之间的拓扑连接。 3 1 透明性；全光网络中波长路由，各个连接是通过承载信息的波长来 识别的，因此对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可 提供多种协议业务，可不受限制地提供端到端业务。 4 ) 可重构性：w d m 全光网络通过o x c 和o a d m 可以实现波长信道 的动态重构功能，即根据传送网中业务流量的变化和需要动态地调 整光路层中的波长资源和光纤路径资源分配，使网络资源得到最有 效的利用；同时在发生器件失效、线路中断及节点故障时，可以通 过波长信道的重新配置或保护倒换，为发生故障的信道重新寻找路 由，使网络迅速实现自愈或恢复，保证上层业务不受影响。 虽然基于波长路由的w d m 全光网络具有高容量、透明性以及可重构性等 优点，但w d m 全光网络类似于现存的电路交换网，本质上属于粗粒度的面向连 接的电路交换，波长的管理和控制十分复杂，网络带宽的利用率比较低。据统计， 北京邮电大学博士论文 第一章：绪论 现有网络中典型的资源利用率仅在2 0 3 5 2 6 。由此可见，w d m 全光网络并 不适于承载高速发展的数据通信业务。 在数据网络演化的( d ) 阶段，提出来一个承上启下的o p s 层，来弥补电层 ( i p ) 和光层( w d m ) 之间的失1 配 2 7 ，2 8 ，2 9 ，3 0 ，3 1 】，在与w d m 传送层 无缝集成的同时也提供了许多层2 和层3 的功f l & 3 2 】。因而o p s 不但能够灵活高 效的承载上层的i p 数据业务，以合适的交换粒度来分配网络资源，从而大大改 善了带宽的利用率和网络的灵活性。此外，也可以充分利用w d m 传送层的优点， 便于网络的扩容。由此可见，o p s 最适合承载数据通信业务。 光分组交换可以看作是电域的分组交换在光域的延伸，交换粒度以高速传输 的光分组为单位，与光时分复用( o t d m ) 相比对光器件工作速度的要求大大降 低，与w d m 相比能更加灵活、有效地利用带宽。 光分组交换目前都使用混合的解决方案：传输与交换在光域中实现，路由和 转发功能则在电域中实现。这是由于光分组交换对全光器件的性能要求比较高， 而目前全光逻辑器件的功能还比较简单，不能完成控制部分所需要的复杂处理功 能，因此国际上现有的光分组交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交 换。随着全光器件技术的发展，最终发展趋势将是光控光交换。 因为o p s 与w d m 传送层无缝的集成在一起，因此就继承了w d m 的高速 率、大容量、透明性和可重构性等特点。此外，光分组交换技术具有下述的独特 优点： 1 ) 带宽利用率高，能根据客户的需求提供各种服务。光分组交换中带 宽资源是共享的，按统计时分复用的方法灵活高效的利用网络的空 闲带宽资源，所以能够显著的提高网络的带宽利用率； 2 ) 交换的粒度多样化，易于实现终端业务的接入，并便于实旖流量管 理； 3 ) 还可采用广义多协议标签交换( g m p l s 3 3 ，3 4 】) 机制简化控制和开 销，实现快速路由； 4 ) 能提供端到端的光通道或者无连接的传输，具有很高的灵活性，光 分组通道可以是丽向连接的，如采用g m p l s 或类似协议；也可以是 无连接的，如采用i p 寻址机制。 因此，为了更加灵活、有效地利用带宽，提高带宽的利用率，特别是为了高 效承载呈爆炸性增长的数据通信业务，必须采用光分组交换( o p s ) 技术，在光分 组级别上实现带宽资源的共享，实现动态灵活的资源分配机制。 北京邮电大学博士论文 第一章：绪论 总之，光分组交换具备高速、高效、高度灵活性、透明性、可升级性、可重 构性和控制管理简单等诸多优势，能解决网络瓶颈，并满足多样化的未来业务需 求。通过把大量的交换业务转移到光域中进行处理，使得交换容量与w d m 传输 容量匹配，周对光分组技术与o x c 、m p l s 等新技术的结合，实现网络的优化 与资源的合理利用，因而，光分组交换技术势必成为下一代全光网网络规划的“宠 儿”。光分组交换将成为实施未来全光网络的有效技术之一。研究如何利用光分 组交换，结合波长路由和波长交换实现对各种业务透明的传输，并提供不同的业 务质量保证。具有非常重要的意义。 虽然光分组交换技术尚未实用化，但应用价值和商业化前景已经受到业内人 士的极大关注，面向未来i p 业务的光分组交换网络的研究已经成为各国和跨国 研究计划的重点。在九千年代初期，欧洲通过a t m o s ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e r m o d eo p t i c a l s w i t c h i n g ) 3 5 】和w a s p n e t ( aw a v e l e n g t h s w i t c h e dp a c k e t n e t w o r k ) 【3 6 1 项目对光分组交换技术的可行性了验证。在1 9 9 3 年，由a l c a t e l 联合欧洲诸多高校开始实施k e o p s ( k e y s t oo p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) f 3 7 ，3 8 ， 3 9 1 项目。该项目提出了实用化的光分组交换节点结构和功能单元，并首次建立 了光分组交换的试验系统，为该技术的发展开辟了新的篇章。从1 9 9 8 年开始， 欧洲启动了一系列大型研究项目【4 0 】，如r o m 和d a v i d 研究计划，旨在逐步将 研究重点由节点级上升到网络级，重点研究o p s 的组网形态及相关的两络协议， 并验证o p s 网络提供综合业务能力。北美和亚洲地区的许多著名研究机构都正 致力于o p s 节点和网络技术的研究。相关项目也在进行中，如美国普林斯顿大 学参与的p o n d ( p a c k e t s w i t c h e d o p t i c a l n e t w o r k i n g d e m o n s t r a t i o n ) 4 1 1 项目和 斯坦福大学参与的c o r d ( c o n t e n t i o nr e s o l u f i o ns w i t c h e d p a c k e t n e t w o r k ) f 4 2 ，4 3 ， 4 4 项目。其它研究机构还有贝尔实验室( b e l ll a b s ) 、华盛顿大学、加州大学戴维 斯分校、日本富士通、n t t 4 5 】、n e c 公司和c r l o s a k a 大学等。 虽然光分组交换的实验系统已达到较高的水平，但由于许多技术限制，这些 技术离实用化还有相当大的差距。利用分组交换结合w d m 技术实现光分组交换 网需要解决的问题主要有：1 光缓存技术、光信息处理技术以及光逻辑器件不 成熟限制了光透明分组交换的发展，这是首先需要克服的难题。2 分组交换和 w d m 波长路由的电路交换对网络器件的要求是有很大差别的，现有的w d m 技 术如何适应分组交换的速度要求，还是需要解决的问题。3 从网络层技术来看， 现有网络协议还难以适应高速光分组网的需求，故在网络协议研究方面还需进行 大量工作。未来的光分组交换网络必须能够灵活、透明地支持各种不同业务，并 能提供不同的业务质量保障以及数据的高速、可靠传输。另外网络还需具有良好 的可扩展性。 9 北京邮电大学博士论文 第一章：绪论 1 2 光分组交换网络的一些关键技术 1 2 1 分组格式 在分组的信头中包含了对分组进行路由的相关信息。虽然目前已有多种方法 在电域中和光域中以每秒吉比特的速率检测和辨认光分组的信头，但在电域中以 如此高的速率实现对分组头的处理需要高昂的成本【4 6 】。 在人们提出的多种方案中，副载波复用技术( s c m ) 4 7 是一个很有吸引力 的方案。分组头和数据复用在同一个光载波上，在调制激光器的电流中，数据负 载是基带编码，分组头比特则位于合适的副载波频率上，以较低的速率编码。因 为激光器与光电探铡器的频率响应必须达到副载波频率，因此，副载波频率尽量 少、低、间隔小。因为副载波的间隔是头比特率的两倍，所以分组头比特率要低， 但是太低也会引起较长的时延。 在许多路由交换协议中，在每个节点处需要更新分组头中的相关信息。目前， 对于与数据负荷在同一波长信道中以相同的速率传送的光分组头，已经有几种方 案来对其进行更新 4 8 ，4 9 。一个可行的方案是将分组头与数据负荷分别承载在 不同的波长信道中，通过解复用来提取出分组头信号以进行光电转换，在电域中 对其进行处理后再将其变换到分组头信道中。这个方法受光纤色散的影响。而 s c m 分组头受光纤色散的影响比较小，因为副载波频率和基带频率非常接近。 以前的s c m 分组头更新受限于光电转换。而在 5 0 1 9 提出了一种新技术，利用 s o a ，在对基带数据负荷的波长转换的同对完成对光分组头的更新。 在o p s 网络中需要仔细设计光分组的长度 3 9 。较短的光分组会导致带宽利 用率的下降，而太长的光分组又需要较长的光缓存，而且也不便于为i p 数据业 务提供较好的交换粒度。基于物理层的考虑，保持数据负荷与分组头的误分组率 ( p e r ：p a c k e t - e r r o rr a t e ) 平衡很重要 5 1 1 。考虑到网络的效率，为了尽可能成 功的传送光分组，应该使光分组头和数据负荷的p e r 近似相等【5 2 】。 1 2 2 光分组同步 在光分组交换网中，由于不同的分组到达同一个节点入口的时间不同，未必 与时隙对准。根据进入交换核心之前是否需要对光分组进行对准，可以将光分组 交换分为同步光分组交换和异步光分组交换两类。 目前，对于同步光分组交换研究的比较多【3 5 ，3 7 ，5 3 ，5 4 ，5 5 ，5 6 ，5 7 。 1 0 北京邮电大学情士论文 第一章：结论 同步光分组交换网是采用固定时间长度的时隙来承载光分组，时隙的长度应大于 分组的长度。以便在分组的前后设置保护间隔。光分组的长度固定，大小相同 5 7 ) ，而且在一个时隙中传输，所有光分组到达交换核心的入口时与本地参考时 钟相位对准，即分组同步 3 7 】。 在网络中分组的时延抖动主要由两部分组成，在节点之间的光纤链路中的时 延抖动和节点中的时延抖动【5 7 。光分组穿越一定长度的光纤所需的时间取决于 光纤长度、包散和温度的变化，不同的光分组经不同的路径到达同一节点的延时 不同，但这种延时变化相对较慢，可用静态补偿来减小或消除，这可用输入粗同 步器来实现。 每个分组在节点内的延时变化取决于交换节点的结构和解决竞争的方案，在 同步光分组交换网中，采用光纤延时作为光缓存，分组在交换节点内穿过不同的 路径，带来分组的延时变化，另外不同波长之间的色散引起快速时间抖动，因此 需要采用快速细周步器补偿这种节点肉的延时变化，温度变化的影驹较慢，易于 在节点内控制。 对于异步分组交换，分组的大小是可变的，光分组的大小可以相同也可以不 同f 5 8 ，5 9 ，分组到达和进入交换节点时无需对准，是非同步的，自由她交换每 一个分组。这种网络中光分组发生冲突的概率较大【6 0 】，因而其网络吞吐量要小 于同步网络。但其优点是是结构简单，不需要同步，分组的分割和重组不需要在 输入输出节点进行，这样的网络更适合于原始i p 业务，如果网络中缓存容量较 大，刚异步网络的网络性能会比较好。 1 2 3 冲突解决方案 在同一时刻，可能两个以上的分组需要从分组交换网络的中间节点的同一端 口转发，这时就会发生光分组的路由冲突。采用不同的冲突解决方案会对网络的 性能有很大影响。比较常见的解决分组之间冲突的方法有：光缓存3 7 ，5 5 ，6 1 6 2r 6 3 ，“。6 5 ，6 6 ，6 7 。6 8 j 、偏射路由( 钓，6 9 。7 0 ，7 i ，7 _ 9 7 3 ，7 4 ，7 5 7 6 ，7 7 和波长转换【5 8 ，7 8 ，7 9 ，8 0 ，8 1 ，8 2 】a 在光分组交换中，由于目前还没有可用的光随机存取存储器( r a m ) ，一般 郝采用光纤对延线f 8 3 ，8 4 ，8 5 ，8 6 】与其它光器彳牛如光开关门、光耦合器、光放 大器等结合来实现对光分组的缓存，光纤时延线的延时长度等于光分组时隙的整 数倍。一般地，在光分组交换中光缓存可以按照两种方法来分类，种方法是缓 存器中采用单级时延线还是多级，前者一般易于控制后者对于大的缓存深度可 能节省硬件数量；另一种方法是时延线被连成前向缓存还是反馈式缓存，前者是 北京邮电大学博士论文 第一章：绪论 分组从一条时延线被送入下一条时延线，光分组穿过的延时光纤数为常数，而后 者时延线将分组送回本级的输入，意味着分组之间穿过的延时线数是不同的。设 计光分组缓存器时要考虑分级丢失率、网络延时、硬件成本、控制电路的复杂性、 分组重新排序、网络大小、业务负荷和类型等。 常见的光缓存结构有 6 3 】：( 1 ) 可编程的并联f d l 阵列；( 2 ) 串联的2 x 2 光开关与f d l 阵列：( 3 ) 有源或无源的光纤环路，是反馈式的缓存结构，可以 实现业务质量保i 正( q o s ) 。今天最大的缓存容量可以达到6 4 个分组，但在传统的 交换结构下，仍然不能保证低分组丢失率。缓存的大小对分组丢失率有很大影响， 主要有两个原因：一是由于接入缓存的带宽不够，二是没有足够的缓存空间。对 于可变长度的光分组，可使用串联的光纤延迟线来实现。 无存储器的偏射路由又称作热土豆路p h 7 4 ，8 7 】。采用偏射路由来解决分组 之间竞争的方法是：如果有两个或两个以上的分组需要占用同一出1 2 1 链路，将只 有一个分组沿其最短路径转发，而其他分组则被发送到其他的空闲端口，沿着非 最小路由被转发。因此对于网络中的任何一个源目的节点对，分组的转发并 不总是沿最短路由，其跳转次数是一个随机数。 可以将光缓存和偏射路由看作是广义上的偏射，前者属于时间域，后者属于 空间域。而随着w d m 技术的进步，波长空间提供了一个解决分组冲突的新的领 域，即波长域。利用波长转换器转变光信号的波长，将发生冲突的光分组转换到 其他的空闲波长信道上再输出。参量波长转换器在多波长信道之间进行波长转换 产生的串扰很微d 、 8 8 ，8 9 1 。 光缓存提供高的网络吞吐量，但需要较多的硬件和复杂的控制，偏转路由较 容易实现，但不能提供理想的网络性能。当上述二者与波长转换结合，它们的缺 点可以被克服或最小化。研究表明：波长转换可减少光缓存器的数量或减小分组 丢失率，抑制噪声和对信号再整形 9 0 ，9 1 。因此在全光分组交换网中，实际上 常常是以上三种冲突解决方法中的某几种结合使用，以提高冲突解决的效率。将 光缓存、波长转换与偏转路由结合，可以得到实现光分组交换节点的较佳方案。 1 2 4 全光逻辑器件 在光分组交换网络中，在对光分组进行交换和路由等操作时，需要在光域中 处理光分组头中的相关信息，并通过全光交换单元来转发光分组。此外，由于光 分组信号的传输距离正比于分组的跳转次数，在高比特率时，由于光纤色散和非 线性、信道串扰、光放大器的a s e ( 自发辐射) 噪声积累等种种不利因素，需 要对信号进行再生。因此全光信号处理在光分组交换网络中具有极其重要的作 北京邮电大学博士论文 第一章：绪论 用。 全光逻辑器件是全光信号处理的核心，早期的全光逻辑器件的实现方案主要 利用利用了光纤干涉仪中的光k e r r 效应 9 2 ，9 3 ，9 4 ，9 5 ，9 6 ，9 7 。后来，由于 半导体光放大器( s o a ) 具有很强的非线性，以及功耗低、尺寸小和易于集成等 优点，人们的研究兴趣就转向了对s o a 中各种非线性效应的利用【9 8 ，9 9 ，1 0 0 ， 1 0 1 1 ，s o a 中的光学非线性效应主要有如下四种：交叉增益调制( x g m ) f 1 0 2 ， 1 0 3 ，1 0 4 ，1 0 5 、交叉相位调制( x p m ) 1 0 6 ，1 0 7 ，1 0 8 ，1 0 9 ，1 1 0 】、四波混 频( f w m ) 1 1 1 ，1 1 2 ，1 1 3 ，1 1 4 ，1 1 5 1 和交叉极化调制( c r o s s p o l a r i z a t i o n m o d u l a t i o n ) 1 1 6 ，1 1 7 】。基于s o a 的全光逻辑门主要包括：与门( a n dg a t e ) 【1 1 7 ，1 1 8 ，1 1 9 ， 1 2 0 、或门( o rg a t e ) ( 1 2 i 】以及异或门( x o rg a t e ) 【1 2 2 ，1 2 3 1 3 本论文的主要工作 在本论文主要包括了5 部分的研究工作，简述如下。 1 3 i 全波长转换和光缓存对洗牌网性能的影响 在全光分组交换网络中，光分组的冲突解决机制是一个关键问题，它将直接 影响光分组网络的性能。 在此，我们提出了一萃孛新型的光分组冲突解决方案，综合利用了光缓存和全 波长转换来解决光分组的冲突，并以洗牌网为例，采用理论分析和网络仿真的方 法，首次研究了这一冲突解决方案对洗牌网性能的影响。 在第一章中，我们将详细叙述这一研究工作的具体方法，并绘出主要结论。 1 3 2 有限波长转换对洗牌网性能的影响 随着w d m 技术的进步，在光纤中所复用的波长信道数量越来越多，因此 在解决光分组冲突的方面，波长转换将具有越来越重要的作用。而由于目前还没 有全波长转换器，因此研究有限波长转换对洗牌网的性能影响有重要的意义。 在此，采用理论分析和网络仿真的方法，我们首次研究了有限波长转换对洗 牌网性能的影响。 在第三章中，我们将详细叙述这一研究工作的具体方法，并给出主要结论。 北京邮电大学博士论文 第一章：绪论 1 3 3 一种新型的带优先权的o c b s 方案 与传统的光突发交换( o b s ) 相比，复合光突发交换( o c b s ) 的特点是采 用了突发部分丢弃的技术，即，当突发之间发生冲突的时候，只是将某一突发的 一部分丢弃，以解决它们之间的冲突。这样做的优点是明显降低了突发中i p 数 据包的丢包率。 q o s 保证是在设计网络的时候必须要考虑的一个问题。在此，我们基于提 出了一种新型的带优先权的o c b s 方案，将光突发分成不同的优先级，当突发 之间发生冲突的时候，根据突发的优先级来解决它们之间的冲突。在方案中，高 优先级的突发被丢弃的概率远低于低优先级的突发，从而使得i p 数据包的丢包 率也按照其优先级分布，从而实现一定意义上的q o s 保证。 在第一章中，我们将详细叙述这一研究工作的具体方法，并给出主要的结论。 1 3 4 一种新型的全光与门方案 在光分组交换网络中，需要在光域中对光分组进行交换和路由，因此全光逻 辑器件具有十分重要的作用。 在此，利用基于半导体光放大器的m a c h z e h n d e r 干涉仪( s o a m z i ) ，我 们提出了一种新型的全光与f q h - 案。该方案的利用了s o a - m z i 中的交叉相位调 制效应( x p m ) 来对光信号实施逻辑操作。 在第一章中，我们将详细叙述这一研究工作的具体方法，并给出主要的结论。 1 3 5 一种新型的全光非门方案 在此，我们提出了一种新型的全光非门方案，同样是利用了s o a 。m z i 中的 x p m 效应。来对光信号实施逻辑操作。 在第六章中，我们将详细叙述这一研究工作的具体方法，并给出主要的结论。 1 4 韭塞坚皇盔兰堕主堡兰 一兰二皇二! ! 堡 参考文献 2 】2 3 】 f 4 】4 5 】 【6 】 【8 1 【9 】 f l o 】 【1 1 1 f 1 2 】 1 3 】 【1 4 】 【1 5 】 1 1 6 1 7 】 【18 】 【1 9 】 th m a i m a n ”s t i m u l a t e do p t i c a lr a d i a t i o ni nr u b y , ”n a t u r e ，v 0 1 1 8 7 ，n o4 7 3 6 ，p p 4 9 3 - 4 9 4 ，a u g 1 9 6 0 c k k a o ，a n dga h o c k h a m ，“d i e l e c t r i c - f i b e r s u r f a c e w a v e g u i d e s f o r o p t i c a l f r e q u e n c y , ”p r o c 1 e e 。v o l ，1 3 3 ，p p 1 1 5 1 1 1 5 8 ，j u i 1 9 6 6 t c c a n n o n ，d l p o p e ，a n dd d s e l l ，“i n s t a l l a t i o na n dp e r f o r m a n c eo f t h ec h i c a g o l i g h t w a v et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，”i e e et r a n s a c t i o n so nc o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 2 6 ，n o 7 ， p p 1 0 5 6 。1 0 6 0 ，j u l 1 9 7 8 a s c h o p f l i n ，a n de ta l ，“r e a l i z a t i o no f ac o m m e r c i a l1 0g b st d m t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，” 1 c c t 9 6 ，v o l ，l ，p p 。7 9 - 8 2 ，】9 9 6 ps h e n r y , r a l i n k e ，a n da h g n a u c k ，“i n t r o d u c t i o nt ol i g h t w a v es y s t e m s ”，i n o p t i c a lf i b e rt e l e c o m m u n i c a t i o n si i e d i t e db ys e m i l l e ra n di p k a m i n o w , a c a d e m i c p r e s s ，n e wy o r k ，1 9 8 8 m a r c ol i s t a n t i ，v i n c e n z oe r a m o a n dr o b e r t os a b e l l a 。“a r c h i t e c t u r a la n dt e c h n o l o g i c a l i s s u e sf o rf u t u r eo p t i c a li n t e r a c tn e t w o r k s ，” e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e ，v 0 1 3 8 ，p p 8 2 - 9 2 s e p t 2 0 0 0 h i d e n o f i t a g a , e t a 1 “i m d d l o n g d i s t a n c e m u l t i c h a n n e lw d mt r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n t su s i n ge r - d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ，”j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y , v 0 1 1 2 ， n o 8 ，p p 1 4 4 8 - 1 4 5 4 ，a u g ，1 9 9 4 c j k o e s t e ra n de s n i t z e r , “a m p l i f i c a t i o ni naf i b e rl a s e l ”a p p l i e do p t i c s ，v 0 1 3 ，p p 1 1 8 2 - 1 1 8 6 ，1 9 6 4 r j m e e t se ta 1 ，“l o w n o i s ee r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e ra t1 5 4m m ，”e l e c t r o n i c s l e t t e r s ，v 0 1 2 3 ，n o 1 9 ，p p ，1 0 2 6 - 1 0 2 8 ，1 9 8 7 e d e s u r v i r e , j r s i m p s o n ，a n dp c b e c k e r ， h i 醇- g a i r i ，e r b i m n d o p e dt r a v e l i n g - w a v e f i b e ra m p l i f i e r , ”o p t i c sl e t t e r s ，v 0 1 1 2 ，n o 1 1 ，p p 8 8 8 - 8 9 0 ，1 9 8 8 h t a g a ，e ta l ，“r e c e n tp r o g r e s si na m p l i f i e du n d e r s e as y s t e m s ，j o u r n a lo fl i g h t w a v e t e c h n o l o g y , v 0 1 1 3 ，n o 5 ，p p 8 2 9 - 8 4 0 ，m a y1 9 9 5 ff o r g h i e r i ，r ，wt k a c h ，a n da r c h r a p l y v y , “w d ms y s t e m sw i t hu n e q u a l l ys p a c e d c h a n n e l s ，”j o u r n a lo f l i g h t w a v e t e c h n o l o g y , v 0 1 1 3 ，n o 5 ，即8 8 9 8 9 7 ，m a y l 9 9 5 h t a g a , “l o n gd