（物理电子学专业论文）光标记交换中的脉冲位置调制技术研究.pdf

j xjj!。 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 、 本人签名：l 堡跣日期： 2 呈f ! ：c ：逝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 1k 本人签名：l 型趣 日期： 丝! ! ：l 丛 导师签名： 潞日期：丝! ! ：三! 塑 i 光标记交换中的脉冲位置调制技术研究 摘要 信号传输与交换是当今光纤通信网络中的两大核心技术。光纤 的巨大带宽资源和优异的传输性能使得高速率、大容量的信号传输 得到了技术保障，然而在交换方面，电处理难以满足当今的发展需 求，电子交换成为光通信网络的技术瓶颈。因此，出现了介于光路 交换与光分组交换之间的光突发、光标记交换等过渡形式，通过将 电子技术与光子技术的优势相结合，以“电控光的方式实现交换过 程。 本文主要研究了光标记交换方式下脉冲位置调制技术的具体应 用。在基于正交信号调制的光标记技术中，讨论了几种具体的正交 调制标记方案：包括f s l 淞s k 、f s k p p m 、以及d p s k p p m 正交 调制方案。首先通过对f s 叭s k 联合调制系统的介绍、分析，指出 该方案中存在的问题：频率调制格式f s k 限制了强度调制信号a s k 的消光比取值，已有的研究表明在仿真中消光比被制约在6 d b 左右。 随后，通过仿真研究了利用脉冲位置调制( p p m ) 构建的f s k p p m 正交调制方案，并在系统中得到了1 0 d b 的消光比取值，同时保持了 良好的信号接收，从而体现出正交调制系统整体性能的改进和提高。 另外，还提出了一种利用差分相位调制格式与p p m 结合的 d p s k p p m 正交标记方案，搭建了仿真系统进行分析。结果表明， 在消光比取值高达1 8 5 d b 的情况下，d p s k 信号与p p m 信号仍然分 别得到了顺利解调，二者在5 0 k m 普通单模光纤及1 0 k m 色散补偿光 纤传输后的功率代价分别为2 d b 和5 d b 。若消光比进一步提高至 1 9 d b ，在1 0 。9 误码率条件下得到的d p s k 和p p m 接收信号功率代价 分别为3 d b 和5 d b ，体现出该方案的良好性能。 关键词：光标记交换正交调制脉冲位置调制消光比 、l a p p l i c a t i o n so f p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o ni n o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t s i g n a lt r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n ga r et w ok e yt e c h n o l o g i e si nt h e c u r r e n to p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h eh u g eb a n d w i d t h r e s o u r c e sa n dt h ee x c e l l e n tt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e sg u a r a n t e et h e h i g h s p e e da n dh i g h c a p a c i t ys i g n a lt r a n s m i s s i o n ，b u tt h ee l e c t r i c a l s w i t c h i n gp r o c e s si sf a i l i n gt oc a t c hu pw i t ht h ec u r r e n td e v e l o p m e n ta n d i sn o wb e c o m i n gt h et e c h n i c a lb o t t l e n e c ko fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h e r e f o r et r a n s i t i o n a lf o r m so fs w i t c h i n gb e t w e e n o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n ga n do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gh a v ee m e r g e d ，s u c ha so p t i c a l b u r s ts w i t c h i n ga n do p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g t h e s ef o r m sc o m b i n et h e a d v a n t a g e so fb o t he l e c t r o n i ca n dp h o t o n i ct e c h n o l o g ya n dm a n a g et h e o p t i c a ls w i t c h i n gb ye l e c t r i c a lc o n t r 0 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o na p p l i c a t i o n so fp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ( p p m ) i no p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g ( o l s ) t e c h n o l o g yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d s e v e r a ll a b e l i n gm e t h o d se m p l o y i n go r t h o g o n a lm o d u l a t i o na r ei n v o l v e d ， i n c l u d i n gf s k a s k ，f s k 卯p m ，d p s l r p p mo r t h o g o n a lm o d u l a t i o n s c h e m e s f i r s tt h ef s k a s ks c h e m et o g e t h e rw i t hi t se x t i n c t i o nr a t i o ( e r ) p r o b l e ma r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d c u r r e n tr e s e a r c h e sa r e s h o w i n gt h a tt h ee ri nat y p i c a lf s k a s ks y s t e mi sl i m i t e dt o6 d b t h e nt h ef s k p p ms i m u l a t i o ns y s t e mi ss e tu p a n dt h ee rv a l u ei s s h o w nt oi n c r e a s et o10 d bw i t h o u ta n ys i g n a lc o r r u p t i o n t h er e s u l t p r e s e n t st h ei m p r o v e m e n tt ot h ec u r r e n to r t h o g o n a lm o d u l a t i o ns y s t e m b r o u g h tb yp p mf o r m a t i nt h em e a nw h i l e ，an o v e lo r t h o g o n a l d p s k p p mo p t i c a ll a b e l i n gs c h e m ei sp r o p o s e d ，a n di s s y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e db ys i m u l a t i o n i n v e s t i g a t i o n so fb i te r r o rr a t e ( b e r ) v e r s u s r e c e i v e do p t i c a lp o w e ra r e p r o v i n gt h a tw i t ht h eh i g he rv a l u eo f 18 5 d b ，s u c c e s s f u lr e c e i v i n gc a nb ea c c o m p l i s h e d a tb e ro f10 母t h e p o w e rp e n a l t i e so fd s p kl a b e la n dp p mp a y l o a df o r6 0 k mf i b e r _ t t r a n s m i s s i o na r e2 d ba n d5 d br e s p e c t i v e l y , a n dt h ef i b e rt r a n s m i s s i o n s p a ni sc o m p o s e do f5 0 k ms i n g l e m o d ef i b e r ( s m f ) a n d10 k m d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ( d c f ) m o r e o v e r e v e nb yi n c r e a s i n g t h ee rt o19 d b ，t h er e c e i v e ds i g n a l sc a ns t i l lp r o v i d eg o o de y eo p e n i n g a n dt h ep o w e rp e n a l t i e sa r e3 d ba n d5 d b ，r e s p e c t i v e l y t h e s eo u t c o m e s c l e a r l yi n d i c a t et h eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c eo f c o m b i n e do r t h o g o n a l l y m o d u l a t e do p t i c a ll a b e l i n gs c h e m e su s i n gp p mt e c h n o l o g y , a n dt h u s r e v e a l i n gt h ep o t e n t i a la n dt h ef i n ep r o s p e c t so fp p m f o r m a ti no l s a p p l i c a t i o n s k e yw o r d so p t i c a ll a b e ls w i t c h i n go r t h o g o n a lm o d u l a t i o np u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n e x t i n c t i o nr a t i o y ， 目录 第一章绪论1 1 1 光纤通信技术与发展1 1 2 光纤通信网络及关键技术3 1 3 光交换技术6 1 3 1 光突发交换( o b s ) 技术6 1 3 2 光标记交换( o l s ) 技术7 1 3 3 光交换技术发展演进8 1 4 论文结构安排9 第二章光标记与正交调制技术1 0 2 1 光标记技术1 0 2 2 正交调制技术1 1 2 2 1 光调制原理1 2 2 2 2 光调制器件1 2 2 2 3 调制格式1 3 2 3 本章小结1 8 第三章脉冲位置调制技术1 9 3 1 脉冲位置调制( p p m ) 1 9 3 1 1 技术简介1 9 3 1 2 发展历史2 0 3 1 3 研究现状2 1 3 2p p m 信号分析2 1 3 2 1 调制原理2 l 3 2 2 信号功率谱2 2 3 2 3 误码性能2 3 3 3 多脉冲位置调制2 5 3 4 本章小结2 6 第四章联合正交调制光标记方案2 7 4 1f s k a s k 正交调制方案2 7 4 1 1f s k a s k 正交调制信号产生2 7 4 1 2f s k a s k 正交调制信号传输2 8 4 1 3 基于f s k a s k 正交标记的交换网络2 9 4 2f s k a s k 联合调制系统制约因素3 0 4 2 1 消光比问题3 0 4 2 2 解决方案3 l 4 3f s k p p m 正交调制方案3 2 4 3 1f s k p p m 联合调制信号产生3 3 4 3 2 消光比的选取3 4 4 3 3 信号接收情况3 6 4 4 本章小结3 7 第五章d p s k p p m 正交调制方案3 8 5 1 差分相移键控d p s k 3 8 5 1 1 光相移键控3 8 5 1 2d p s k 调制原理3 9 5 1 3d p s k 信号发送与接收4 0 5 2d p s k 与光标记技术4 2 5 3d p s k p p m 正交调制系统4 2 5 3 1 仿真系统搭建4 2 5 3 2 信号接收解调，、4 5 5 3 3 眼图及误码性能：4 8 5 3 4 系统参数分析5 1 5 4 本章小结5 3 第六章总结5 4 参考文献5 6 致谢6 3 攻读学位期间发表的学术论文6 4 ，一 、 2 北京邮i 乜人学坝i j 毕业论文 第一章绪论 通信，作为人类相互沟通与协调发展的重要手段，一直是社会前进的重要 动力，同时也是关键的制约因素。信息社会的数字通信系统提供了惊人的通信 容量与便捷的通信方式，然而随着1 9 6 0 年第一台激光器的问世以来，人类开始 逐步进入光通信时代，超高速、大容量的光通信技术给人们带来了电通信系统 所无法比拟的优势。同时，光通信技术自身具有几乎无限的潜能，多种多样的 新技术、新设备不断随着光通信的兴起应运而生，并且还在持续不断的更新、 发展。在室温下可持续工作激光器出现的短短几十年间，低损耗光纤波导与宽 带大增益的光学放大器分别研制成功，更是由于波分复用w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的出现，为光纤通信提供了发挥巨大潜力的平台， 光纤通信系统开始朝着网络化的方向发展。从系统角度来看，光纤通信网络主 要包括光传输与光交换两大部分；在传输层面上，目前已基本实现骨干网的大 容量、高速率全光传送，而在交换层面，由于缺乏成熟的全光开关与全光缓存 等关键技术，通信网络中核心节点处的路由交换仍需要进行光电光的转换过 程，光交换受到电信号速率的制约，成为全光通信网络的瓶颈。因此，许多基 于光交换技术的方案被纷纷提出，并得到了广泛的研究关注。本章从光纤通信 技术开始，介绍了目前光通信网络和其中的关键技术，进而讨论了光交换技术、 光交换的几种主要实现形式；随后介绍了论文的主要研究内容，以及论文的结 构安排。 1 1 光纤通信技术与发展 光通信是以光波作为载波介质的通信方式。光波是一种电磁波，频率高于 无线电波，具体可划分为红外、紫外与可见光。按照传输方式划分，光通信主 要有光纤通信和无线光通信( 大气光通信) 两大类。其中无线光通信以大气为 介质，虽然具有传输方便的优点，但容易受气候环境的影响，可用性受到制约。 光纤通信以光纤为介质，原材料来源丰富，、且在传输容量、传输距离、通信质 量等方面体现出强大的实力，应用前景良好。 上世纪六十年代，激光器的诞生开创了人类光通信的技术时代。在八十年 代左右，人们研制出在1 3 u m 和1 5 5 u m 波段分别具有0 5 d b k m 和0 2 d b k m 低 损耗的光纤，使得光纤通信技术进入迅速发展的阶段，并很快替代电缆成为通 信骨干网络的主要传输方式【l 】。与此同时，掺铒光纤放大器的技术突破使信号 中继问题得以解决，长距离光纤传输中的信号再生成为可能，从而给光纤通信 带来了巨大的推动力。丽另一方面，伴随着光纤通信技术的蓬勃发展，通信系 北京邮l u 人学硕f ：毕业论文 统中的业务需求模式也发生了相应转变：传统的语音信息不再是通信传输系统 的主要业务，网络中大量的业务需求和通信流量由话音服务开始逐步转向海量 的i p 数据业务，以及其他各类新兴的多媒体业务。通信网络中的数据流量- 丌始 剧增，人们不再满足于单信道的光纤传输系统，而开始关注在一根光纤中实现 多个波长信道的传输技术，也即波分复用( w d m ) 技术，以提高对光纤容量的 利用程度，满足高速发展的各类新型业务对通信带宽的日益膨胀的需求。 参 u & 8 e 害 墨 r e c o r dc a p a c i t i e s 图1 - 1 光纤通信系统传输容量历史演进【2 】 在2 0 0 9 年的o f c 国际会议( o f c n f o e c 2 0 0 9 ) 上，美国贝尔实验室及阿尔 卡特一朗讯的科研人员对光纤通信系统传输容量记录的演进过程进行了描述，总 结了近二十年来光纤通信系统的高速发展历程，如图1 - 1 。可以看到，尽管单信 道的光纤传输技术在最近的二十年来得到突飞猛进的发展并逐步成熟，系统容 量已有很大的提高，但目前来看单信道系统的最大速率仍被限制在g b s 数量 级。相比之下，借助于光放大器和w d m 技术，多信道传输的系统速率可以实 现十倍甚至百倍的飞跃，达到t b s 量级的规模，并且在可预见的未来，超大容 量的光纤通信系统将会继续保持广泛的研究关注，甚至得到更高速率的尝试。 与此同时，报告中还提出了这样一个问题：一根光纤的最终容量是多少? 这是 所有科研工作者们共同致力于探讨、解决的疑问，也是人类梦想追求与探索的 动力；然而从现实的角度来看，当前更重要的一个问题是：一根光纤中我们能 利用的容量是多少? 近年来，1 0 g b s 、4 0 g b s 的光纤通信系统已经得到商用，实验室中的光纤 通信速率更是达到了1 0 t b s 。然而与光纤自身的容量潜能相比，人们对目前已 铺设光纤的利用率是非常低的。许多大城市的业务信息总量与所铺光纤的可用 容量相比仍有许多数量级的差距，甚至小于单根光纤的信道容量【3 1 ，光缆的重 2 北京邮i 【1 人学硕i ：毕业论文 复铺建带来资源上的浪费，造成大量光纤容量的闲置。为了充分利用光纤通信 的潜在能力，各种新技术层出不穷，光纤通信已经呈现规模化的发展；尤其随 着信息量呈指数增长的趋势，i p 、电话、多媒体业务的不断发展对下一代光纤 通信提出越来越高的要求。在这样的情况下，点对点的传输技术已难以适应形 式发展；光纤通信必须以网络化的规模，利用光分插复用器( o a d m ) 、光交叉 连接( o x c ) 等手段满足用户与业务的需求，包括建立基于更大容量密集波分 复用( d w d m ) 技术的通信网络。 1 2 光纤通信网络及关键技术 当前的通信网络中，碑数据业务已逐步成为主要的通信业务形式。在网络 结构上，往往采用口承载各种应用与服务，由异步转移模式( a t m ) 提供流量 控制管理、同步数字体系( s d h ) 实现传输，并有效利用w d m 技术的大容量 特点，建立起以w d m 技术为基础、多种技术体系辅助实现的多层结构【4 1 。而 w d m 作为目前光通信网大容量传输的重要技术，不仅能为高速数据业务提供 有效保障，另一方面还具有易于扩容的特点；在经过层层演进之后，去除中间 繁琐的网络层次，直接将m 数据承载于w d m 光网络之上的i po v e rw d m 全光 网络将是未来光通信网络的必然趋势。 图l - 2 全光网络层次演进示意图 毫无疑问，p 数据业务的飞速增长为当代通信网络带来了巨大的发展契机， 无论网络的整体结构、运作机制、还是具体的交换节点、传输协议，都在为有 效承载i p 业务不断演进，基于数字p 业务的技术与研究成为当今光通信网络 研究热点所在。就现有的网络技术来看，传统的语音业务使用的电路交换技术 是大粒度的电路交换，不利于以i p 为核心的数据业务；由于占用了整个通道资 源，不利于灵活地实施接入与流量控制。基于分组概念的i p 业务依赖于小粒度 的操作，可以进行灵活的业务管理，有效地利用带宽，根据用户的需求进行实 时分配。网络中光传输、交换过程以i p 数据业务的形式进行，用户端通过边缘 路由在网络边沿处实现接入；在节点处，口数据包通过路由转发的形式进行批 量的分组路由，数据信息与多媒体业务到达网络边缘时再次建立与用户的会话 北京邮i 【1 人学硕f ：毕业论文 嘲。全光网络呈现出以数据分组、路由转发为基础的类似计算机互联网模式， 网络中的边缘与核心路由器成为制约网络吞吐能力的关键器件。同时，网络中 的各类传输、交换技术也均面临着前所未有的考验：如何充分利用光的速度与 容量优势，将电信息用光的方式进行有效的传输转发将成为急需考虑解决的问 题，电信网络终将向着全光信息网络过渡。 图1 - 3 基于数字业务的全光通信网 从技术角度来看，宽带的全光通信网络主要由三大主体部分构成：超长距 离传输、核心节点的高速交换、用户端的接入。为实现一个端到端的光信息传 输过程，传输、交换、接入中任何一个单元都必不可少，任一网络单元的技术 制约都将影响整个通信过程的实现；而与此同时，某一部分的实现方式与具体 技术手段又可能作为另一单元的辅助。乔治亚理工学院的g e e - k u n gc h a n g 教授 在介绍2 1 世纪多网络融合、互联的概念时，具体分析了全光信息网络中的这三 大部分，详细介绍了了它们各自的关键技术，以及当前的发展现状。 在传输部分，超长距离、超大容量的光纤传输是主要实现手段，为改善光 信号在光纤传输中遇到的各阶色散干扰以及其他非线性效应，需要依赖各类先 进的传输技术。近年来不断得到研究推广的一类方案为新型调制技术，以提高 系统容量及频谱效率，增加对光纤带宽资源的有效利用。新型调制技术有望成 为未来光纤传输的主流技术手段，由于高效的频谱利用率，以及对非线性损伤的 改善和接收灵敏度的提高，新型调制格式在历年的o f c 会议上一直成为热门研 究专题。例如一种差分相位调制d p s k ( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ) 格式以 其良好的光信噪比( o s n r ) 性能得到了长期而广泛的研究关注【6 】【7 1 ，另外还包 括基于d p s k 原理的q p s k 、8 p s k t 8 】【9 】等多层相位调制格式。同时，为了得到 更高的频谱效率，还可以使用相位与幅度共同调制的手段，如d q p s k a s k 格 式【1 0 1 ，以及能提供更优化的星座图的正交幅度调制q a m ( q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) i l l 】。这些调制格式不仅将在光纤主干网中扮演越来越重要的角色， 4 一 - - 、- 北京邮i 【1 人学硕# 业论文 在传输距离相对较短的光接入部分也引起了关注，并不断得到更新的应用。 3 l 工 $ 掣 砉； 瞵 传输距离 图l _ 4 宽带光通信网络三大组成部分及其关键技术 在用户接收端，无源光网络p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 作为主流的接 入技术，主要有两种形式：基于时分复用的t d m p o n 以及基于波分复用的 w d m p o n e l 2 】【1 3 】。在t d m p o n 中，当前存在两种在传输速率、协议、功率等 方面各有不同的方式g p o n 和e p o n ，g p o n 主要应用于欧洲和美国部分地区， e p o n 则在日本和韩国得到大力推广。然而随着网络带宽及速率的不断演进， t d m p o n 将难以适应各种需求的发展，必然向w d m p o n 过渡；同时，伴随 着高性能激光器的不断发展，新型调制格式也将引入光接入网，成为实现宽带 传输的重要保障。此外，无线接入方式也是接入网中一项重要技术手段，并且 随着光无线技术的逐步成熟，以及多网融合的总体趋势，下一代接入网中基于 光无线的r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 等无线接入技术也将会占据重要地位。 在光通信网络的中心部分，核心交换节点的任务主要有信息处理，包括信 号再生、逻辑操作、竞争解决等；以及信息的交换、转发，通过时分、空分、 波分等多种方式将数据信息转发至所需的端口。作为理想的全光通信网络，网 络的交换功能应以光波作为通信信息的载体，将光波技术引入到交换过程中， 利用光波的宽带、高速传播、并行处理及抗干扰性强等特点实现交换和控制过 程的全光化【l4 1 。然而，目前的光交换技术仍处于研究、发展阶段，其实用化、 商用化还有相当长的路要走。现今的通信网络面临电子器件和电子技术的制约， 网络交换中例如缓存、逻辑处理等几大关键技术至今尚未能有突破性进展，相 应的光缓存与光逻辑器件仍然缺乏。光信号的交换依然难以脱离成熟的电信号 处理技术，在实际交换过程中仍然需要经过繁琐的光电光转换，从而停留在 电控光的阶段，很大程度上制约了交换节点应有的高速性能。人们正在不断寻 北京i i l | ：l u 人学硕l ：毕业论文 找适当的方式充分利用光波的优势和特点，并借鉴电交换技术的发展经验，在 电控光交换向光控光交换的演进中不断创造光逻辑和光控制器件的新突破，推 出高性价比的光交换功能模块，促使光交换技术的研究不断向前推进。 1 3 光交换技术 光交换，即将输入端口的光信号交换至不同输出端口的过程。从总体上来 看，光交换主要有两种基本类型：光线路交换和光分组交换。光线路交换与电 域的传统电路交换方式相对应，采用双向资源预留，当有业务需求时建立起通 路并提供服务质量保证，传输结束后断开通路，释放链路资源。光线路交换是 一种面向连接的通信方式，可以提供可靠通信，且通信过程不需要缓存机制， 可以快速地完成交换过程；然而，粗粒度的光路交换无法实现统计复用，带宽 利用率低，难以适应快速增长的口数据业务需求。光分组交换与电域的分组交 换对应，基于分组原理，采用i p 数据包存储转发的方式实现全光信息交换； 它的交换粒度较小，具有灵活、高速、容量大、数据格式透明等优点，并且能 够适应突发性的m 业务网，从而有效利用带宽、功率等网络资源，实现网络性 能优化。 对于未来的全光交换网络而言，光分组交换无疑是最佳选择。然而，全光 分组交换所需的关键技术如光缓存、光逻辑处理器件等尚未进入实用阶段。目 前的光分组交换主要采用光电混合的处理形式，在交换节点进行光电转换后利 用电信号的灵活处理完成路由，以帮助交换过程的实现。节点的缓存主要通过 光纤延迟线f d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) 来完成，使用不同长度的光纤提供不同时 延来解决交换端口的竞争；但延迟线f d l 的长度不宜控制，处理不够灵活，过 长的延迟线还会带来相应的传输损耗。另一方面，光电转换处理的过程受到电 信号速率的制约，这些因素成为整个全光网络的技术瓶颈，大大影响了高速光 通信网络在速率和容量所能发挥的巨大优势。为解决这些问题，必须找到结合 光路交换和分组交换各自优点的新型方案，实现光路交换到光分组交换的顺利 过渡。 当前的过渡方案主要有两种：光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 与光标记交换( o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g , o l s ) 。从技术特点来看，二者同样利 用了光子技术和电子技术各自的优势，一方面发挥光的高速、宽带特性，另一 方面避开不成熟的光信息处理，使用电信号的灵活性对大容量的光信息进行控 制管理。 1 3 1 光突发交换( o b s ) 技术 在当前的网络构架中，光路交换实际上是利用波长路由进行网络信息资源 6 j 一 岭 k 北京邮电人学硕l ：毕业论文 的调度，难以适应具有自相似性、高突发性等特点的数据业务流量。突发交换 主要基于资源预留的原理，将较小的数据包整合成较大的实体进行传输，通过 加大一次传输的流量来降低节点对多次小量信息的繁琐处理，减小对交换节点 的要求。具体实现方法是将数据与控制信息分离，在数据信息之前先行发送控 制信息，为数据包的到来做好波长、端口等各方面的准备，同时提供一定的偏 置时间作为对数据信息的保护带。当发送数据信息时，可通过已建立好的预留 通道直接传输，避免了复杂的路由选择过程，发送过程也不需要缓存。如图1 5 示意了一种典型的o b s 发送机制。 源节点 控制信息 目的节点 图l - 5 光突发交换数据发送原理 在突发交换网络中，光突发包由控制分组和数据分组两个主体构成，二者 的分离传输是突发交换技术的本质特征。由于控制分组为数据分组提前进行了 信道预留，数据分组可以在全光通道中实现透明传输，且不需要反向确认。这 种单向预留的机制可以确保控制信息发送一段时间后即开始数据分组的发送， 无须等待建立连接的确认消息，降低了处理开销和网络信息资源的利用率。突 发交换作为光线路交换与分组交换之间的一种折衷方式，能够有效利用光传输 与电处理优势，提高网络的灵活性和可扩展性；然而突发交换仍存在着缺乏控 制协议等许多不足之处，其具体应用还有待进一步的探索研裂1 5 】。 1 3 2 光标记交换( o l s ) 技术 分组交换网络中，理想的分组交换形式面临着光逻辑处理的瓶颈。一方面， 光传输具有高速率大容量的优势，却又难以灵活地处理光缓存、信号处理等逻 辑操作。另一方面，电信号处理的技术已十分成熟，然而电速率远远不能满足 当前网络容量的要求。光标记的基本思想是同时利用光信号的速度优势与电信 号的处理优势，在网络发送端将数据包打上标记信号，在交换节点处利用电子 技术对标记中的路由信息进行处理，并完成路由转发功能；同时将标记信息进 行更新，携带高速数据包发送至下一路由节点。通过这种“电控光”的方式，将 低速的路由、选址信息放置在标记中，而避免了对数据净荷的处理，实现高速 7 北京邮电人学顺l j i # 业论文 光数据包的透明传输。 目的节点 班珊啦嬲碗舻 图l _ 6 光标记交换网络 图1 6 示意了光标记交换网络中大致的运作机理。同样是一种过渡方案， 光标记交换与光突发交换技术相比在数据分组、控制信息的实现等方面都跟标 准的分组交换有更多的相似之处。光标记采用封装的方式，同样确保数据负载 无须经过电处理而在光信道中端到端透明传输，但由于控制信息在标记内与数 据一同传输，交换粒度更加细小，路由控制信息的变更更加灵活。与突发交换 相比，它能够以较小的开销更高效地利用网络资源，及时完成数据转发，避免 了临时通道的建立；同时对传送的数据信息还具有格式透明的优点。光标记的 概念实际上引用了因特网中多协议标记交换m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ) 技术的基本设想，形成一种与标准的分组交换极为类似的交换方式， 但同时避免难度较大的光信号处理。这种光电混合的标记交换方式充分利用了 光电各自的优势，实现传输与交换在光网络中的融合，适用于下一代基于w d m 技术的t 比特超大数量级光纤通信系统，也是实现未来i po v e rw d m 宽带光网 络的项重要技术。 1 3 3 光交换技术发展演进 耍w 点d m 啾殛义翟k 疹l 人o c s 人( o 蔷l s ) 人o p s 图1 7 光交换技术演进 当前高速的信息化网络给通信带宽不断增加新的需求，通信网络中的交换 技术必须及时适应高速的传输技术，提供与传输技术协调发展的交换网络。光 通信网络化的发展以点到点的单路传输为基础，直到理想的全光分组交换网络， 一 北京邮电人学硕# 业论文 历经多个阶段。目前已基本实现第一阶段的光路交换，并逐步向作为过渡方案 的光突发光标记技术演进，而全光缓存及全光逻辑器件等关键技术仍在等待突 破性的进展，实现真正意义的全光分组还有待时日；高效、可行的过渡方案成 为了当前主要研究任务，在可预见的将来，光交换领域的几种过渡技术仍将得 到广泛关注。 1 4 论文结构安排 本文在基于上述研究背景下，以光标记交换技术为研究依据，重点讨论了 光标记交换系统中一种脉冲位置调制技术的应用。通过研究光标记交换方案的 一种重要实现手段一正交调制光标记方式，分析了使用脉冲位置调制与其他调 制格式进行正交结合的可行性，研究了基于脉冲位置调制的正交光标记方案性 能。论文各章内容安排如下： 第一章对时代背景和技术原理进行了概述，包括光通信技术、光交换网络 及其关键技术等，为论文的具体开展进行了铺垫。 第二章介绍了光交换技术中的光标记交换技术，以及常见的标记方式；其 中重点介绍正交调制的光标记交换方案，包括光信号调制原理和调制格式等。 第三章回顾了脉冲位置调制技术的应用与研究历史，并分析了该调制方式 的调制原理、技术特点、性能优势，以及信号误码概率、功率谱密度等数学特 征。同时简单介绍了脉冲位置调制在光交换系统中的研究现状。 第四章首先介绍了一种得到广泛研究的f s k a s k 正交调制的光标记系统， 详细分析了标记方案的设计与交换网络的构建。随后针对该系统目前面临的主 要问题进行了讨论，并介绍了解决方案，由此引出f s k p p m 正交调制方案，分 析该方案实现可行性、搭建仿真系统研究性能。 第五章中提出了一种新型的d p s k p p m 正交调制光标记方案，并搭建了仿 真系统进行研究。其中详细叙述了信号产生的调制原理，以及正交调制信号各 自的接收解调；通过分析系统关键参数及误码性能，充分体现该方案的特点与 优势，为未来光标记交换技术提供一种良好的可选方式。 第六章对论文所做工作进行了总结，分析了研究工作的不足之处。 9 北京邮i u 人学硕i j 毕业论文 第二章光标记与正交调制技术 光标记交换是光路交换与光分组交换之间一种可行的过渡方案。光标记技 术的引入给整个通信网带来了重要意义：通过标记引领数据包的形式，通信网 络中可以有效利用方便、高效的光速传输，避免大量繁琐复杂的光电光交换 过程，大大降低了节点路由器的压力。在光标记交换概念出现的短短十余年间， 国外对光标记技术的研究已有大量可检索文献，对于光标记信号的产生、调制 解调等关键技术和专利不断涌现。我国在近年也开始对光标记技术展开大力研 究，各大高校实验室纷纷进行实验与理论方面的探索，力图充分发挥光标记技 术兼顾光子与电子技术的优点，满足未来光网络多业务需求的质量管理和控制。 本章首先简单介绍了当前主要的几种光标记方式，并分析了各自的特点和应用 范围；随后重点阐述了其中一类重要的实现方式，即正交调制技术，介绍了相 关的光信号调制原理及常用调制格式。 2 1 光标记技术 光标记交换技术【1 6 1 是i p 寻址、控制技术、光交叉连接、波长交换等技术的 结合。在空分、时分、波分光交换等技术中，用户信息在信道中直接进行交换； 而光标记系统通过提取、识别和更换光包头标记，建立起光标记的交换路径并 实现i p 路由，完成用户信息的传输和路由转发f 1 4 】。在标记交换网络中，基于不 同的标记产生机理和相应的标记分离办法，存在多种不同的光标记技术方案； 目前比较常见的主要有以下几种方式：子载波复用，连续比特，以及正交调制， 如图2 1 所示。 九，九2 波长 数据净荷标记 圆圆匦皿硼 保护带一 - - - - - 时间 强度调制 l l ，人人 相位调制 图2 1 子载波复用( 左) 、连续比特( 中) 及正交调制( 右) 光标记原理示意图 ( 1 ) 子载波复用s c m ( s u b - c a r d e rm u l t i p l e x i n g ) s c m 是一种基于频率域的标记方式。在频率上，标记与数据处于同一光波 波段，数据净荷使用基带信号表示，而标记调制在射频的副载波上。这一调制 过程可在电域，也可在光域完成。s c m 方式的特点是标记的产生容易，且提取 l o 北京邮i u 人学硕i ：毕业论文 简单方便；在节点处利用滤波器将子载波的光标记选出，便可以提取光分组包 中的控制信息。由于标记过程在频率域进行，光标记与高速数据载荷之间不需 要保护时间，同步容易，可简化节点结构和网络控制操作1 4 】。然而s c m 标记 调制与数据负载间存在有相互影响，高速数据的速率增加时，其频谱可能会展 宽至覆盖标记信息【1 刀。 ( 2 ) 连续比特标记( b i ts e r i a l ) 连续比特序列标记是一种时域标记法【1 8 】【1 9 】。在连续的时间域上，数据信息 与标记信息在时间轴上组合成传送数据包，标记与载荷之间用一定时长的保护 时间分开，二者在频率域处于同一波长，充分利用网络带宽资源。在网络交换 单元，可利用超高速的光开关实现数据包分离，分别提取时分复用的标记信息 和数据信息。连续标记法原理简单，标记和载荷的产生都比较容易，且提取和 分离也利于控制。但是由于基于时分复用原理，其应用范围有限，依赖于精确 的信号定时、同步，因此对网络器件、结构提出了较高的要求。 ( 3 ) 正交调制( o r t h o g o n a lm o d u l a t i o n ) 正交调制使用两种调制格式分别承载标记与数据信息，复用在同一波长进 行传输。两种调制格式的选择条件是二者处于无相互关系的正交状态，例如分 别使用强度调制和频率调制，或强度调制与相位调制的结合，也可利用偏振态 与光强度的正交性进行调制。这样可以保证标记与净荷格式间无干扰传输，在 接收端分别使用相应的解调办法进行接收。正交调制的技术优势在于，由于使 用了单一波长同时携带标记与高速数据信息，很好的利用了带宽资源；不需要 严格的时间同步，且高速净荷对于数据格式、比特率透明，几乎不影响低速标 记信息。然而联合调制的两种信号间由于频谱重叠会有一定互扰，且使用强度 调制时消光比选择不可过高，否则会影响另一调制格式的信息传输【1 4 】【2 0 1 。 2 2 正交调制技术 正交调制光标记的概念早在1 9 9 4 年就己被提出【2 l 】【2 2 】。实际上，随着光标 记技术的不断发展成熟，至今已有多种标记方案得到研究，包括专用波长标记 【。丌、多波长标记【巧】、高强度脉冲光标记、偏振复用光标记、光码分复用 ( o c d m a ) 标记等【1 4 】。与其他的标记方式相比，正交调制的光标记方案具有 频谱利用率高、标记与数据分离简单的等优点，且在时间上无须严格同步。因 此，基于正交调制的光标记方案具有良好的应用前景，在近年