（光学工程专业论文）基于wdm和ocdm的光分组网络的性能研究.pdf

摘要 摘要 光码分复用( 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 ) 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 技术和波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，w d m ) 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 ) ，能给网络 带来许多优点。网络的各项性能指标是评判网络方案优劣的依据，因此对网络进 行准确的性能分析和合理的优化具有十分重要的意义。本文以我们课题组提出的 基于w d m 和o c d m 的o p s 网络为研究对象，主要是从网络误码率和阻塞率两个 角度对网络性能进行研究。具体工作内容如下： 1 、为分析网络的误码率性能，本文提出一种更准确的计算双极性系统误码 率的方法。传统计算系统误码率的方法有高斯近似法、非高斯近似法、泊松近似 法等，但是这些方法都存在自己的不足之处。鉴于此，本文提出一种考虑输入光 偏振态影响的计算方法，该方法考虑干扰用户输入光与目标用户输入光平行和垂 直两种情况，得到系统误码率的上限和下限。在实际中，干扰用户输入光与目标 用户输入光既有平行部分又有垂直部分，所以实际系统的误码率介于误码率上限 和下限之间。 2 、 基于网络资源波长转换器( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ，w c ) 和标签转换器 ( l a b e lc o n v e r t e r ，l c ) 的配置情况，本文分析了网络的阻塞率性能，推导出在各种 资源配置情况下的网络阻塞率计算公式，得到优化的w c 和l c 配置方案。首先， 建立了分析网络阻塞率的数学模型，根据网络中w c 和l c 的配置情况进行讨论， 得到每种情况下的网络阻塞率公式。通过数值仿真比较每种情况下的网络阻塞率， 在相同的参数下，当网络中波长通道( w a v e l e n g t hp a t h ，w p ) 较少而标签链路( l a b e l p a t h ，l p ) 较多时，部分w p 中有空闲的标签而部分w p 中的标签不足，从而导致 的w p 中的标签利用率不高，造成网络阻塞率较高。由于w c 是比较昂贵的器件， 在每个节点都配置会造成网络成本高，因此我们还讨论了稀疏放置w c 的算法， 通过仿真结果可知网络阻塞率随w c 的放置密度的增加而降低。 3 、提出一种改进的标签分配方法。本文分析了参考文献中的标签分配方法， 发现其存在不足之处。鉴于此，对标签分配协议进行了改进，给所有的标签加上 摘要 使用次数这个变量，能降低用户间的干扰。通过数值分析对改进的标签分配协议 和原协议进行了比较，结果表明改进后的标签分配协议在系统吞吐量和平均分组 延迟两方面的性能都要优于原标签分配协议。 关键词：光码分复用、光分组交换、误码率、阻塞率、系统吞吐量 i i a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ec a p a b i l i t yo fa l l - o p t i c a ls i g n a l p r o c e s s i n g , o p t i c a l c 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 d 嬲o n eo f t 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 a l i z e a l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i ti s t ot h eo p t i c a lp a c k e ts w i t c hn e t w o r k sa d v a n t a g et o a d o p tt h eo c d mt e c h n o l o g ya n dw 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 ) t e c h n o l o g y o u rg r o u pb r o u g h to u tt h eh y b r i dw d ma n do c d m 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 i nt h i st h e s i s ，o u rr e s e a r c hc o n c e n t r a t e so nt h en e t w o r kb i te r r o rr a t e ( b e r ) a n dt h e n e t w o r kb l o c k i n gp r o b a b i l i t y ( p b ) t h ed e t a i l so ft h em s e a r c hr e s u l ta r el i s t e da sf o l l o w ： 1 w ep r o p o s e dam o r ea c c u r a t em e t h o do fc a l c u l a t i n gb i te r r o rr a t e ( b e r ) o f b i p o l a rs y s t e m t h et r a d i t i o nm e t h o d so fc a l c u l a t i n gs y s t e mb e ra r e g a u s s i a n a p p r o x i m a t i o n ( g a ) m e t h o d ，n o n g a u s s i a na p p r o x i m a t i o n ( n g a ) m e t h o d ，p o i s s o n a p p r o x i m a t i o n ，e t c b e c a u s eo ft h e s em e t h o d s s h o r t a g e ，w ep r o p o s e dan e w c a l c u l a t i o n m e t h o di nw h i c ht h ei m p a c to fi n p u tl i g h tp o l a r i z a t i o ns t a t ei sc o n s i d e r e d b o t h i n t e r f e r e n c eu s e r sp a r a l l e la n du p r i g h tw i t l lt h et a r g e t e ds i g n a la r ed i s c u s s e d ，d e r i v e dt h e u p p e ra n dl o w e rb o u n do ft h eb e rp e r f o r m a n c e i nf a c t ，t h ei n t e r f e r e n c eu s e ri sr a n d o m p o l a r i z a t i o n ，s ot h ea c t u a lb e rr a n g e db e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e r l i m i t s 2 b a s e do nt h en u m b e ro fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r ( w c ) a n dl a b e lc o n v e r t e r ( l c ) ， t h en e t w o r kb l o c k i n gp r o b a b i l i t y ( b e ) p e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d w ed e r i v e dt h e n e t w o r kc a l c u l a t i o nf o r m u l aa n dt h eo p t i m a lw ca n dl cc o n f i g u r a t i o ns c h e m e f i s to f a l l ，w es e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e l t oc a l c u l a t et h en e t w o r kb pp e r f o r m a n c e a n dt h e n w ed i s c u s s e dt h en e t w o r kb pc a l c u l a t i o nf o r m u l aw i t hd i f f e r e n tn u m b e r so fw ca n dl c b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r e s u l t so ft h en e t w o r kb pp e r f o r m a n c ew e r ec o m p a r e d w i t ht h es a m ep a r a m e t e r s ，w h e na 1 1n o d e so ft h en e t w o r kw e r ec o n f i g u r e dw ca n dl c ， t h eb pw a st h el o w e s t ；a n dw h e na l ln o d e so ft h en e t w o r kw e r en o tc o n f i g u r e dw ca n d l c ，t h eb pw a st h eh i g h e s t w h e nt h en u m b e ro fw cw a si n v a r i a b l e ，t h eb pw a s d e c r e a s e dw i t ht h en u m b e ri n c r e a s i n go fl c ；w h e nt h ew a v e l e n g t hp a t h ( w p ) w a sl e s s a n dt h el a b e lp a t h ( l p ) w a sm o r e ，t h en e t w o r kb pw a sh i 曲e r ；i tw a sb e c a u s et h a tt h e l a b e lu t i l i z a t i o nr a t ew a sn o th i 【g hi ne v e r yw p b e c a u s et h ew cw a sm o r ee x p e n s i v e ， i i i a b s t r a c t w ed i s c u s s e dt h es p a r s ep l a c e m e n ta l g o r i t h mo fw c s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h en e t w o r kb l o c k i n gr a t ed e c r e a s e dw i t hw c p l a c e m e n td e n s i t yi n c r e a s i n g 3 a na m e l i o r a t e dl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ( l d p ) w a sp r o p o s e d w ea n a l y z e d t h el d pw h i c hw a sp r o p o s e d ，a n df o u n dt h ei n a d e q u a c i e ss t i l le x i s t e d ，s ow e a m e l i o r a t e dt h el d p b ya d d i n gan e wv a r i a b l e ，w h i c hc a l lr e d u c et h eu s e r si n t e r f e r e n c e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h en e wl d pw a ss u p e r i o rt ol d p p r o p o s e da tt h e s y s t e mt h r o u g h p u t ( s t ) a n dn e t w o r ka v e r a g ep a c k e td e l a y 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 ) ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h e d ( o p s ) ，b i te r r o rr a t e ( b e r ) ，b l o c k i n gp r o b o b i l i t y ( b p ) ，l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ( l d p ) i v 缩略字表 o c d m a c d m a o p s o c d m w d m w c l c l d p b e r m z i g a n g a b p g m p l s w p l p a o n o p c o t d m q o s m a i o o c s s f b g m l p g 缩略字表 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 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 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 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 a v e l e n g t hc o n v e r s i o n l a b e lc o n v e r s i o n l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l b i te r r o rr a t e m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r g a u s s i a na p p r o x i m a t i o n n o n - o a u s s i a na p p r o x i m a t q 甥, r b l o c k i n gp r o b i l i t y g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g w a v e l e n g t hp a t h l a b e lp a t h a l lo p t i c a ln e t w o r k o p t i c a lp r i m ec o d e 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 q u a l i t yo fs e r v i c 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 lo r t h o g o n a lc o d e s u p e r s t r u c t u r ef i b e rb r a g gg r a t i n g m o d e 1 0 c k e dp u l s eg e n e r a t o r x i 光码分多址 码分多址 光分组交换 光码分复用 波分复用 波长转换器 标签转换器 标签分配协议 误码率 马赫一曾德干涉仪 高斯近似法 非高斯近似法 阻塞率 通用多协议标签交 换 波长通道 标签链路 全光网 光素数码 光时分复用 服务质量 多址干扰 光正交码 超结构布拉格光栅 锁模脉冲发生器 缩略字表 s o a o b p f v l p l 、聊 s l 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 o p t i c a lb a n d p a s sf i l t e r v i r t u a ll i n kp a t h l a b e lw a v e l e n g t hp a t h s u b l i n k x i i 半导体光放大器 光带通滤波器 虚链路 标签波长通道 子链路 图形列表 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图i - 6 图1 7 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 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图形列表 o c d m a 技术基本原理2 n x n 无源星形结构的o c d m a 网络系统3 光分组交换网络( a ) 网络结构( b ) 协议栈5 基于w d m 和o c d m 的o p s 网络模型6 网络节点( a ) 边缘节点发送端结构( b ) 边缘节点接收端结构。7 直接o c 编码光分组交换过程8 核心交换节点模型8 o c d m a 系统方案的分类一1 l g o l d 序列发生器1 2 g o l d 序列1 的自相关性1 4 g o l d 序列2 的自相关性1 4 g o l d 序列1 和g o l d 序列2 的互相关性15 单极性系统频谱效率与码长的关系( b e r 寻1 0 _ 9 ) 1 7 双极性系统频谱效率与码长的关系1 7 码字利用率与码长的关系( b e r = 1 0 。9 ) 1 8 基于s s f b g 的编码器原理1 9 基于s s f b g 的双极性码编码的实现1 9 o c d m a 网络模型2 0 不考虑偏振影响( a ) 误码率随接收光功率的变化( b ) 误码率随用户数的 变化2 9 考虑偏振影响( a ) 误码率随接收光功率的变化( b ) 误码率随用户数目的 变化3 0 多跳网络结构( a ) h 跳网络拓扑图( b ) 节点结构图3 l 虚链路建立连接示意图3 3 基于光锁模脉冲发生器的标签转换器3 4 基于马赫曾德干涉仪的标签转换器3 5 基于编解码的标签转换器3 5 基于马赫曾德干涉仪的波长转换器3 6 v i i i 图形列表 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图4 - 2 图4 3 w d m o c d m 网络路由图3 7 稀疏放置波长转换器3 9 网络阻塞率与分组平均请求概率的关系4 0 在仅有l c 的情况下的网络阻塞率与分组平均请求概率的关系4 1 在仅有l c 的情况下的网络阻塞率与分组平均请求概率的关系4 1 网络阻塞率与w c 放置密度的关系4 2 光分组交换网络结构图( a ) 光码分多址网络结构图( b ) 发射机( c ) 接 收机4 5 系统吞吐量与用户平均请求概率的关系4 9 系统分组平均延迟与用户平均请求概率的关系5 0 i x 表格列表 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表格列表 g o l d 序列的互相关特性1 3 各地址码s n r 比较16 仿真参数列表16 o c d m a 系统中地址码的频谱效率18 噪声源的方差和均值2 8 噪声源的方差和均值2 9 仿真参数列表2 9 x 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：固盗 日期j 哆年厂月瑚 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：国竖导师签名： 日期： ，尹 ， f 只 z - - e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光码分多址技术( o c d m a ) 是光码分多址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【啦】。o c d m 系统在光域对 各路信号进行光编码和光解码，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。因此，基于o c d m 的光网络技术越 来越成为光通信技术的研究热点。 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，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【3 4 】。现存的光分组交换方案存在标签的提取、更 新和竞争的难题，尤其是对标签的提取和更新无例外的需要电子处理的过程的参 匕【5 - 9 】 1 o 鉴于此，我们课题组提出了一种新型的基于w d m 和o c d m 的全光分组交换 方案。该方案采用o c d m 技术中的编码器产生标签和解码器擦除标签，不需要对 标签信息在电域进行处理，克服了标签提取和更新难的问题，并且能适应变长的 分组异步交换，成为一种真正的全光分组交换方案；采用通用多标签协议 ( g e n e r a l i z e dm 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 ) ，合理的标签分配能实现无竞争 的交换，避免了复杂的竞争解决硬件和软件设计；采用广播选择交换结构不需要 大端口数的光交换矩阵，克服了交换矩阵交换速率和偏振相关损耗的限制；配合 波长转换器和标签转换器，该方案给标签的分配和w d m 光网络的保护与重构带 来了灵活性【1 0 j 。 本论文的主要工作是对上述网络的性能进行研究，探讨影响网络性能的各种 因素，提出准确的网络性能分析方法、推导出对应的计算公式，提出优化网络性 能的算法。 本章将简要介绍o c d m a 技术和o p s 技术的基本原理和研究现状，随后介绍 了我们课题组提出的基于w d m 和o c d m 光分组交换网络方案，分析项目中需要 解决的问题，以及希望达到的目标。最后介绍本文的总体结构和拟开展的工作。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 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( a no p t i c a ln e t w o r k ，n 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。 o c d m a 技术是将码分多址通信技术和光纤通信技术相结合的一种新型通信 方式，结合了两种通信方式的技术特点，具有很强的技术优势和广阔的应用前景。 o c d m a 技术通过使用不同的地址码序列来区分用户，将许多接入用户同步( 或 异步) 地复用到相同的频带和时隙上，实现多个接入用户共享同一光纤信道和提 高系统的总容量。因此，o c d m a 技术是充分挖掘光纤潜在传输能力，扩大接入 网系统容量的一种有效技术。 1 2 1o c d m a 技术的基本原理 o c d m a 技术是在电域码分多址技术基础上演变出来的，它是将码分多址技 术应用于光纤信道，对用户信号的处理采用全光手段，克服了传统通信网络中所 谓的电子“瓶颈效应”。o c d m a 是以扩频通信为基础，将用户低速率信息的电 信号变换成高速率的光脉冲序列( 扩频增益一般为1 0 0 0 左右) ，在宽带光纤介质 中进行传输。图1 1 给出o c d m a 技术的基本原理示意图【i l - 13 1 。 图1 - 1o c d m a 技术基本原理 在发送端，用户低速率信息的电信号通过丌和关方式来控制激光源。激光源 发射一个光脉冲用来代表用户要发送的数据比特“1 ”；当用户要发送的数据比特 为“0 ”时，激光源不发射光脉冲。光脉冲经过特定的编码器进行编码后，被映射 2 第一章绪论 为一个光脉冲序列，此即为载有该用户信息特征的地址码序列。当用户信息数据 为“1 ”时，编码器就输出一个地址码序列，用户信息数据为“0 时，编码器就 输出一个全零序列。被编码后的分组信号通过光纤信道传输到达接收端，经特定 的解码器实现对接收到的信号恢复还原。 o c d m a 网络有多种拓扑结构，如环行、总线形、星形等，通常采用无源星 形网络拓扑结构。在这种结构中，星形耦合器是网络的中心，每个用户通过o c d m a 光学编码器和解码器分别与星形耦合器的两个端口相连。每个发送用户的信息数 据经o c d m a 光学编码器进行扩频后输入无源星形耦合器。星形耦合器将每个输 入端的光信号均匀地分配给每个输出端的接收用户。从逻辑层次上看这种网络拓 扑结构是一个广播式选择性网络。图1 2 为一个典型的n x n 无源星形结构的 o c d m a 网络系统【1 1 , 1 2 】 筹吲兹黔 电信号l 一 i 塑望! ! 光源 筹吲锗 电信号l _ jl 塑竺至兰 光源 婴赫 - hl 崩缶| | 暑； 电信号l 二二： 光源 n n 星形 耦合器 鲨陋叵叱翻罴 !； ! ； !； !； ! ； ! ； !i ： ! i !； !i ： ； ： 型q 墨倒霖骼 编码器n 厂l 1 解码器nr 叫探测器h ；i 釜糍 图1 2n x n 无源星形结构的o c d m a 网络系统 1 2 2o c d m a 技术的研究现状 o c d m a 技术的最早研究始于2 0 世纪8 0 年代中期 1 2 1 ，当p m c n a l ，s a l e h i 等 人指出码分多址技术可以引入光纤信道后，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的 进展。围绕提高信道容量和降低误码率这两个中心问题，人们在降低多址干扰、 优化带宽资源、改进探测手段等方面提出了新的方梨2 2 刁0 1 。目自仃国际上进行了许 多多用户o c d m a 系统的实验，根据不同的系统方案得到了部分实验结果【3 1 3 9 】。 国内对o c d m a 技术的研究始于上世纪9 0 年代初，主要研究单位有电子科技 大学、清华大学、北京邮电大学、上海交通大学、深圳大学、解放军理工大学及 3 电子科技大学硕士学位论文 苏州大学等，研究工作主要集中在地址码的构造、编解码器的设计、物理实现 及系统性能分析等方面。 1 3 光分组交换 随着光纤通信技术的发展，网络节点的交换能力越来越不能满足光纤高速传输 的要求，光交换问题成为限制光网络发展的主要瓶颈。目前光分组交换按交换粒度 分为波长粒度的智能交换光网络( a s o n ) ，突发包粒度的光突发交换( o b s ) 以及 分组粒度的光分组交换( o p s ) 。光分组交换技术以光纤中传输的分组信号为基本 交换单元，比波长交换和光突发交换具有更小的交换粒度和更高的统计复用率，能 与i i i 很好地兼容，是最适合p 网络发展的理想方式。但由于光逻辑器件和光缓存 技术不成熟，制约了电交换方式到光交换方式的直接映射。至今对光分组交换技术 的研究主要集中在如何避免光逻辑处理和光缓存来实现光分组的顺利交换，其基本 思想是将路由和交换分开，在电域实现路由，在光域实现交换。这种思想与通用多 协议标签交换( g m p l s ) 将路由和交换分开的思想一致，受这思想影响，光网络 被分为边缘节点( 实现路由) 和核心交换节点( 实现交换) 。 1 3 1 光分组交换的基本原理 光分组交换网络根据g m p l s 协议将网路节点分为边缘交换节点和核心交换 节点，如图1 3 ( a ) 所示【4 0 叫7 1 。边缘交换节点与外部接入网络连接，具有协议转换( 如 图1 - 3 ( b ) 所示) 和路由功能；核心交换节点主要实现交换功能。边缘节点的发送端 主要完成传送业务的协议转换，将需要传送的业务数据组装成净荷信号，确定分 组的路由，建立标签链路，并产生分组信号( 包括产生标签信号和净荷信号) ；接 收端主要完成将接收到的净荷信号还原成原始信号，并按照业务的协议要求重新 组帧输出。核心交换节点需要完成对分组交换前的预处理，如分组同步，标签和 净荷的分离，3 r 再生，光功率均衡等功能；根据分离的标签信息和竞争解决机制 完成交换矩阵的配置，净荷信号透明地通过交换矩阵和竞争解决单元，在输出端 完成新标签信号的插入和对交换过程中净荷的损耗进行放大补偿。 4 第一章绪论 圉一囡一圉一匿一圉 c l i e n tn e t w o r k e d g en o d e e d g en o d e c l i e n tn e t w o r k ( b ) 图i 3 光分组交换网络( a ) 网络结构( b ) 协议栈 1 3 2 光分组交换的研究现状 在光分组交换中，光分组标签的形式是区分各种光分组交换方案的主要标志， 例如美国的c o r d ( c o n t e n t i o nr e s o l u t i o nb yd e l a y sl i n e s ) 5 】和o p e r a ( a no p t i c a l p a c k e te x p e r i m e n tr o u t i n ga r c h i t e c t u r ew i t hl a b e ls w a p p i n gc a p a b i l i t y ) 1 6 项目为副载 波复用( s c m ) 标签，采用基带传输净荷信号，采用副载波传输标签信号。欧洲 的k e o p s ( k e y t oo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) t 7 t ，w a s p n e t ( w a v e l e n g t hs w i t c h e d p a c k e tn e t w o r k ) 8 1 ，文献【9 提出在净荷上附加调制a s k 标签。但以上方案都存在着 标签提取、更新和竞争解决等难题，尤其是对标签的提取和更新无例外地需要电子 处理过程的参与。 国际上进行光分组交换的主要机构和研究结果有： ( 1 ) 美国u c d a v i s 的y o osjb 教授带领的研究团队【4 8 , 4 9 】，光分组格式采用 双边带副载波标签和a s k 调制净荷，光交换矩阵采用n s 量级可调波长转换器和 a w g 结合，多波长转换器实现组播和广播功能，采用f b g 实现标签和净荷的分 离，采用法布里一珀罗滤波器( f a b r y - p e r o tf i l t e r ，f p f ) 和s o a 实现时钟恢复，波 长转换实现信号再生，考虑竞争解决和优先级的调度，进行了网管设计和多跳现 5 电子科技大学硕士学位论文 场实验。 ( 2 ) 日本n i c t 的w a d an 博士带领的研究团队【5 0 , 5 1 】，采用光码标签格式， 2 0 0 g c h i p s 码片速率的光码标签，1 6 0 g b s 的净荷速率的光分组交换的现场实验， 并行产生和处理光码的a w g 结构的光编解码器，同步时间小于l n s 的光分组突发 接收问题，消除瞬态效应，工作在突发模式的e d f a 。 ( 3 ) 荷兰埃因霍恩技术大学c o b r a ( c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s i c r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n ) 研究酣5 2 5 3 1 ，采用比特序列的光分组交换格式，发明的 光触发器具有全光识别标签的功能，进行了1 6 0 g b s 的光分组交换实验。 ( 4 ) 日本n t t 光子实验室瞰, 5 5 1 ，采用比特序列的光分组格式，但标签信号和 净荷信号的传输速率相同都是4 0 g b s ，采用了全光串并转换器和基于该转换器的 光子随机存储器，将光电结合的处理技术发挥到了极致。 在国内进行光分组交换的高校有：清华大学，北京邮电大学，上海交通大学， 华中科技大学，香港中文大学和电子科技大学。国内进行的光分组交换研究在新 器件的研制，系统规模和交换速率上与国际先进水平还有一定的差距，许多的工 作还需要深入开展。 1 4 基于w d m 和o c d m 光分组交换网络 图1 4 基于w d m 和o c d m 的o p s 网络模型 基于w d m 和o c m d 的光分组交换网络就是在w d m 网络中引入o c d m a 技 术，如图1 4 所示，把通信信道分成w 个波长通道( w a v e l e n g t hp a t h ，w p ) ，每个波 长通道又被分成m 个标签链路( l a b e lp a t h ，l p ) ，这样就可以把原来的系统容量扩大 为m 倍。采用光地址码来映射标签，将每个标签和光地址码进行对应，每个标签 映射一条标签链路，通过光编码器产生光标签和光解码器识别光标签，避免了光 电转换，从而实现了全光的分组交换。 6 第一章绪论 1 4 1 边缘节点 ( b ) 图1 - 5 网络节点结构( a ) 边缘节点发送端结构( b ) 边缘节点接收端结构 光分组交换网络是把所有的网络节点分成边缘节点和核心节点两部分，图1 5 给出了边缘节点的发送端和接收端的功能结构图。从接入网发来的用户分组经过 各种接口协议进入边缘节点发送端，如图- 5 ( a ) 所示，控制单元会对分组信号进行 解析，得到改分组的目的口地址和服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) f 约要求，然 后从可用标签库中分配一空闲标签给改分组，如果能分到空闲标签，光分组信号 就会被转入对应的编码模块，编码后的分组会根据路由表进行转发。如果边缘节 点没有空闲标签分给改分组，则分组就会进入延迟等待状态，直到有空闲标签分 给分组。 如图1 5 ( b ) 所示为边缘节点接收端模块，当光分组到达边缘节点，首先经过相 应的解码器擦出标签，然后控制模块解析其目的i p 地址和q o s 的要求，经过一系 列的处理，边缘节点会尽两准确的恢复光分组信号，最后分组信号会根据i p 地址 被转送到对应的接入网中。 边缘节点是实现分组从接入网到光分组网络或光分组网络到接入网的转发。 当用户分组到达边缘节点的时候，如果没有足够的标签为用户建立一条标签链路， 用户数据就会在边缘节点发生阻塞。所以标签的数量会影响网络的阻塞率性能， 因此本文会对映射标签的地址码以及网络的阻塞率性能进行研究。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 4 2 核心节点 采用直接o c 编码的光分组交换过程如图1 6 所示，进入光交换核心节点的光 分组首先采用光解码器选出匹配的光分组，经过解码后的光分组恢复成净荷信号， 在输出端口对净荷信号进行编码，加上新的标签。 图l - 6 直接o c 编码光分组交换过程 如图1 7 所示，核心交换节点采用广播选择结构，输入的光分组经过放大后和 耦合后分到各解码器分支。在各解码器中选出标签与之匹配的光分组，擦除标签， 恢复出净荷信号。解码器的设置在标签链路建立时已经完成，不需要实时地根据 输入分组动态变化。若需要波长转换，使用波长转换器将分组信号转换到特定的 波长。全光再生器滤除分组间的干扰，并对净化信号进行整形和放大，然后由编 码器加载上新的标签后，转发到下一核心交换节点或边缘节点。 图l - 7 核心交换节点模型 由于光分组在每个交换节点都要经过一次广播选择方式的交换，不可避免地 受到来自其他分组的码间干扰噪声的影响，因此研究o p s 的误码率特性是很有必 要的。在研究o p s 网络的误码率的时候，我们不仅要研究单节点的误码率情况， 还要研究分组从发送端到接收端的端到端的误码率。网络节点的误码率与传输过 程中所使用的标签种类，网络中实时在线的用户数目，标签的分配方案有关。第 二章我们将要详细讨论o p s 网络误码率的计算方法。 8 第一章绪论 1 4 3 标签分配策略 当某一用户的数据要经过交换网络传送给另一个用户时，由边缘节点为其选 择路由并分配标签，如果网络中有足够的空闲标签，在两个用户之间就能通过多 个核心节点建立一条传输链路，让数据分组无阻塞的传输；如果标签数目不够， 数据分组就会在边缘节点发生阻塞，直到有足够的空闲标签。 理论上每个节点所能提供的标签数目是一样的，但是采用不同的标签分配方 案会有不同的标签利用率，而且会导致不同的网络阻塞率和误码率。因此，标签 分配策略在o p s 网络中起着举足轻重的作用，并且对网络的性能有重要的影响， 所以我们会在第四章研究网络分配策略，讨论不同的分配策略对系统平均分组延 迟和系统容量的影响。 1 5 本文的主要研究内容 综上所述，o c d m a 和o p s 技术都是目前光通信领域研究的热点，都还存在 一些关键问题没有解决，离实用化还存在一定的距离。本论文在国家自然科学基 金( 编号：6 0 5 7 2 0 0 8 ) 和8 6 3 计划项目( 编号：2 0 0 6 a a 0 1 2 2 4 1 ) 的资助下，以基于w d m 和o c d m 的o p s 网络为研究对象，主要分析该网络的主要性能指标和研究提高网 络性能的方法。论文的具体内容如下： 第一章简要介绍光码分多址网络和光分组交换网络的基本原理和目前国内外 的研究现状，随后介绍了基于w d m 和o c d m 的o p s 网络的结构。最后，介绍本 文的总体结构和开展的工作。 第二章提出一种能准确快速计算系统误码率的方法。在以g o l d 序列映射标签 的相位编码双极性系统中，使用不同标签的用户之间除了多址干扰( m a i ) ：g b ，还存 在拍频噪声、相位噪声以及热噪声等干扰。本文提出一种考虑输入光偏振态影响 的计算方法，该方法考虑干扰用户输入光与目标用户输入光平行和垂直两种情况， 得到系统误码率的上限和下限。 第三章研究了基于w d m 和o c d m 的光分组网络的阻塞率性能，推导出在各 种资源配置情况下的网络阻塞率公式。建立了分析网络阻塞率的数学模型，根据 网络中配置波长转换器和标签转换器的情况分五种情况进行讨论，得到每种情况 下的网络阻塞率公式。 9 电子科技大学硕士学位论文 第四章提出一种改进的标签分配协议。本文研究了参考文献中的标签分配协 议，发现该协议中存在问题，有可能在同一时隙内两个不同的用户使