（物理电子学专业论文）正交光标记交换中新型调制格式的研究.pdf

北京邮电大学硕上论文 正交光标记交换中新型调制格式的研究 正交光标记交换中新型调制格式的研究 摘要 目前，通信网的现状是光传输网与电交换网并存，两个网之间大量的光 e g 、电光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。 由于电的“速度瓶颈 与光的“处理瓶颈 ，全电网与全光网均不现实。针对目 前的交换技术状况与器件发展水平，采用光电混合的光分组交换光标 记交换是下一代通信网的发展方向。 本文基于这样一种研究背景，重点研究的内容如下： 1 对目前正交光标记交换技术进行分类，分析正交光标记交换中的关 键器件( 电吸收调制器、马赫曾德调制器) 与调制格式( a s k 、f s k 、d p s k 、 d q p s k ) 的原理。 2 构建一种新型的正交调制格式4 0 g b sd p s k f s k 正交光标记交换系 统的仿真模型。通过系统模型的仿真，详细分析基于负色散补偿( d c f ) 光纤 的前置、后置以及混合色散补偿方案，得出优化的色散补偿方案；对外调 制净荷消光比进行分析，得出优化后的净荷消光比；研究激光器线宽对系 统性能的影响；分析接收机光功率与4 0 g b sd p s k f s k 误比特率的关系。 最终得出影响d p s k f s k 的正交标记交换系统负载信号和标记信号的传输 性能的关键参数。 3 构建另一种新型的正交调制格式基于d q p s k a s k 的正交光标 记交换系统。分析关键参数( 标记消光比、激光器线宽、接收端光功率、 色散补偿方案) 对系统性能的影响。 关键词：光标记交换正交调制d p s k f s kd q p s k a s k t h en e wm o d u l a t i o nf o r m a tr e s e a r c h o fo i 汀h o g o n a lo p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o n s i s t so ft h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o n s u b n e t w o r ka n de l e c t r o n i ce x c h a n g es u b n e t w o r k b e t w e e nt w os u b n e t w o r k s t h e r ea r eal o to fl i g h t e l e c t r i c i t y , e l e c t r i c i t y l i g h ti n t e r f a c ea d a p t e ra n d r a t e m a t c h i n go p e r a t i o n ，r e d u c i n gt h e n e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dt h e n e t w o r kp e r f o r m a n c e s i n c et h e e l e c t r o n i cs p e e db o t t l e n e c k a n d o p t i c a l p r o c e s s i n gb o t t l e n e c k , ”a 1 1 e l e c t r i c a ln e t w o r k sa n da l l - o p t i c a ln e t w o r k sa r en o t r e a l i s t i c v i e wo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nt h ee x c h a n g eo ft e c h n o l o g ya n d d e v i c e sl e v e lo fd e v e l o p m e n t ，m i x e d - u s ep h o t o e l e c t r i cp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a l l a b e ls w i t c h i n gi st h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kd e v e l o p m e n td i r e c t i o n 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 ，f o c u s e so nt h ec o n t e n to ft h i sa r t i c l e a r ea sf o l l o w s ： 1 w ef o c u so nt h ep r e v i o u so r t h o g o n a lo 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 s c l a s s i f i c a t i o n ，a n da n a l y s i so nt h et h e o r yo ft h ek e yd e v i c e s ( e l e c t r o - a b s o r p t i o n m o d u l a t o r , m zm o d u l a t o r ) o ft h eo r t h o g o n a lo p t i c a l l a b e ls w i t c h i n ga n dt h e m o d u l a t i o nf o r m a t ( a s k , f s k ，d p s ka n dd q p s k ) 2 d e s i g n i n ga4 0 - g b sd p s k f s ko r t h o g o n a lo p t i c a l l a b e ls w i t c h i n g s y s t e m a c c o r d i n g t os i m u l a t et h e s y s t e m ，w ea n a l y z e t h es c h e m eo f p r e - c o m p e n s a t i o n ，p o s t c o m p e n s a t i o na n dt h eh y b r i d c o m p e n s a t i o n ，o b t a i n i n g t h eo p t i m i z e dl e n g t ho fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r e x t e r n a lm o d u l a t e r s p a y l o a de x t i n c t i o nr a t i ow a sa n a l y z e d ，a n dw eo p t i m i z et h em o d u l a t o r sp a y l o a d e x t i n c t i o nr a t i o t 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 es y s t e mi ss h o w ni nt h e p a p e r a tl a s t ，w eg e tt h ek e yp a r a m e t e r sw h i c hi m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo f p a y l o a ds i g n a la n dl a b e ls i g n a lb a s e do n4 0 一g b sd p s k f s ko a h o g o n a ll a b e l s w i t c h i n gs y s t e m 3 p r o p o s i n g an e wo n h o g o n a lm o d u l a t i o nf o r m a tb a s e d o nt h e d q p s k a s ko r t h o g o n a ll a b e ls w i t c h i n gs y s t e m a n a l y z i n gt h ek e yp a r a m e t e r s ( 1 a b e l e x t i n c t i o nr a t i o ，l a s e rl i n e w i d t h ，r e c e i v e ro p t i c a lp o w e r ，d i s p e r s i o n 北京邮电大学硕士论文 正交光标记交换中新型调制格式的研究 c o m p e n s a t i o ns c h e m e ) i n f l u e n c eo ns y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g o r t h o g o n a lm o d u l a t i o n d p s k f s k d q p s k a s k 北京邮电大学硕卜论文 正交光标记交换中新型调制格式的研究 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：乏华阻牝日期：2 型皇j d 望一 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 本人签名： 导师签名： 权书。 日期：堡幽：垒! 墨 日期：j 掣仁- l 北京邮电大学硕十论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 1 1 光交换现状及发展趋势 第一章绪论 信息化的快速发展对通信带宽的需求不断增长。通信网的两大支撑技术传输和交 换技术都在不停发展、更新。光纤通信以其高速、大容量的技术优势，成为了通信网的 主要信息载体。波分复用( w d m ) 技术的应用使得单根光纤内能容纳多个波长信道， 传输带宽最高记录已经达到了t 比特级，同时，随着各种新型光纤和光放大技术的应用， 目前的网络中基本已经实现了全光传输。因此，从传输层面上看，目前的通信网是光传 输网。但在通信网的交换层面，无论是线路交换还是分组交换，几乎全部是基于电交换 或路由技术。由于电子技术的“速度瓶颈”限制，光波长通道链路承载的几十g b s 量级的 速率信号，在交换节点处需要进行速率匹配。当信号进入节点时，需经光电变换以及串 并转换对高速传输信号进行降速，将几十g b s 量级速率的信号转换为数百m ，更一般 的是转换为数十m 速率下的并行数据信号，进行交换与存储处理；在交换输出时，需 将数百m 或数十m 速率下的并行数据信号进行并串转换，转换为g b s 甚至几十g b s 量级的串行速率信号，并调制在光波长通道上进行传输。这种电交换方式对网络传输带 来以下几种影响：首先，交换节点日益成为整个通信网的“瓶颈”。目前单根光纤传输容 量已达1 0 t b s 量级，而电交换的基本工作速率在数百m 左右，两者相差近5 个数量级， 采用并行电处理技术致使电系统规模呈级数增长；其次，目前的通信网由于存在光传输 和电交换两个网，这两个网在各节点处速率不匹配、不透明，需要大量的光电( 电光) 接口适配以及串并( 并串) 速率适配，提高了网络成本；再次，光通道承载的无论是 本地信号还是直通信号，在每个节点都需进行相同的光电( 电光) 及速率匹配变换处 理，增加了大量的重复无用处理，降低了网络资源利用率及系统的信号交换速率；最后， 由于在节点处需进行光电( 电光) 和速率匹配，数据信号必须遵循固定的速率和格式 才能进行识别接收，数据信号速率、格式不透明【l j 。 若将通信网的电交换网变换为光交换网，目前光传输网与电交换网并存所产生的问 题将得以解决，从而使整个通信网的状况大为改观。毫无疑问，全光交换将是通信网的 发展趋势。由于光子技术还难以实现复杂的逻辑与信息处理能力，可称这种限制为光的 “处理瓶颈”。在目前及可预见的短期内，实现光交换比较现实的办法是充分结合电子技 术的处理优势，搭建光电混合的光交换系统。其中，数据信息在光域进行交换，而控制 信息在节点处进行光电转换以控制数据信息。由于通信网的控制信息传输、存储和处理 的任务远低于对包括数据信息的整个通信网业务处理任务，那就意味着如果仅对控制数 据信息进行光电( 电光) 变换及存储等相应处理，可将整个网络的数据处理业务量大 大降低，从而使通信网的潜力得到极大的开发。 北京邮电大学硕士论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 因此，应用光标记交换技术结合多协议标记交换( m p l s ) 网络控制体系的基本思 想，将控制信息的网络处理与数据信息的网络处理进行分离，在光域实现高速净荷的路 由和转发，从而实现光网络资源的有效利用，并回避路由器电子瓶颈问题，将是光交换 网控制网中短期的发展方向【l 】。 1 1 1 光交换技术 所谓光交换技术是指在网络结点处，不经过光电( 电光) 的转换，直接在光域将 光信号交换到不同的输出端。其优点是：( 1 ) 克服了光传输网和电交换网并存所带来的 需配置大量的光电( 电光) 接口和速率匹配的问题。( 2 ) 大量节省了建网成本。( 3 ) 利于网络的优化与升级。 与电交换技术类似，光交换技术从交换方式上划分为光线路交换( 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 ) 和光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g , o p s ) 两种交换方式。 一光线路交换 所谓光线路交换是指：以整个光波长为交换粒度，为每个连接预留固定的资源，采 用双向资源预留方式设置光通路，中间节点不需要光缓存，网络需要为每一个连接请求 建立从源端到目的地端的光路( 每一个链路上均需要分配一个专业波长) ，是目前研究 相对成熟的光交换技术。光线路交换过程可以分为三个过程：光路建立、光路保持和光 路释放。按照建立光通道的方式，光线路交换又可以分为时分( t d ) 、空分( s d ) 、波 分频分( w d f d ) 等类型。 光线路交换网络的中间节点不需要缓存，数据不需要选路，也不会发生冲突，具有 控制信息量少、带宽大、对数据速率及格式透明的优点。但是光线路交换网络将波长作 为网络资源的调度单位，交换粒度粗，不能实现统计复用，尤其是对于突发性的数据业 务，带宽利用率低。目前单根光纤中复用的波长数目有限，所以线路交换不能建立全连 接的网络，容易导致网络中负载的不均衡。 二光分组交换 光分组交换( o p s ) 可以看作是电分组交换在光域的实现【2 - 1 6 】。虽然仍遵循分组交 换的“存储转发”原则，但分组的存储和转发都是在光域中进行的。光分组交换的交换数 据单元是高速传输的光分组。光分组由数据和光分组头组成。其中的分组头包括了交换 过程所需的必要控制信息。光分组交换网络节点结构如图1 1 所示，由四部分组成：输 入接口、光交换矩阵、输出接1 3 和控制单元。输入接口执行光分组读取和同步功能。输 入光链路通过解复用器分成单路光通道，然后光纤分束器将- d , 部分光功率分用于光分 组头识别、恢复和净荷定位等功能。光交换矩阵执行路由选择。控制单元利用光包头信 息控制核心模块。输出接口完成光分组头的重写和光分组再生，具有“3 r ( r e a m p l i f y i n g ， 2 北京邮电 学顾1 论文空标t 交换中新型制格式的f 究 r e s h a p i n ga n dr e t i m i n g ) 功能的输出接口可使光分组再生。 总的来说，o p s 的关键技术有：光分组的产生、同步( 时隙网络) 、缓存再生、光 分组头重写及分组之日j 的光功率的均衡等。由于受光“处理瓶颈”的限制，同时对于需要 超高速存储转发的小粒度光分组来说，缺乏灵活性的f d l 作缓存也是o p s 技术的重要 制约固素， 2 光突发交换 由于光分组交换面i 临着光“处理瓶颈”的限制，今后相当长的一段时间，光分组交换 的应用前景还难以被看好。充分利用电子技术的处理优势和光子技术的传输优势，在电 的处理范围内来实现光分组交换，已成为中短期的最佳选择。近年来，一种新的交换方 式，光突发交换( o b s ) 被提了出来【”刎j 。 在o b s 网络中传送的基本数据块是将f e c ( 转发等价类) ，印一些具有相同目的地 址和特性( 如q o s 要求) 的分组经过汇聚组装后的突发包( b u r s t ) 。突发包的长度可 以是固定的也可以是变化的。 其基本原理是每个突发包配有一个控制头，控制信息通过分离的波长传送到突发包 所要经过的网络节点，在数据包到达相应网络节点之前为数据包建立交换传输通道。控 制头以分组的形式发送，称为控制分组( c o n t r o lp a c k e t ) 。控制分组应该先于突发包发送。 两者之蚓具有由o b s 所采用的信令协议确定的时序关系一时间偏置( o f f s e t t i m e ) 。o b s 网络采用w d m 技术连接各个节点。w d m 信道组中的一个或多个波长用束传送控制分 组，称为控制信逆；其它的波长用束传送突发包，相应地称为数据信道。在网络中间节 点处，控制信息转化为电信号，在屯域巾处理，数掘信息则保持存光域内透明通过浚节 点( 曲l 幽1 2 ) 。 o b s 中拧制包和数据包采用时问偏置( o f f s e tt i m e ) 的形式进 r 传输，导致数据包和 1 匕京邮i u 人 m 镕z m 奁k t 女换中新w 制椿，啪m k 控制包的发送需要考虑实际的物理网络，从肺计网络设计产生限制，尤其是大规模组刚 性能如何还有待验证。另外，还需要开发新的网络控制坼议及如何与m p l s 融合的问 题。 3 光标记交换的关键技术 圉1 - 2 光突发交换( o b s ) 原理框图 光标已交换同样是在电的处理范围内来实现光分组交换，相对于光突发交换，其更 接近光分组交换的本意。其主要思想是将数据包的业务数据信息与网络路由控制信息进 行捆绑光传输、分离标记电处理，高速业务数据信息的传输与交换均在光域内进行，实 现全光的交换；而速率较低的路由控制信息采用光标配的形式，在每个节点将其转换为 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业务数据的全光交换，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。光标记的产生、提取、擦 除与重写是光标记交换网的核心技术，已成为光通信领域重点研究课题之一【2 9 】。 o l s 常被看为介于o b s 和o p s 之间的一种o p s 技术方案。片先，采用o b s 的 变长包异步交换、基于共路的信令传输形式、较大的突发交换粒度( 约为u s 一百u s 量 级) ，但不采用o b s 中控制包和数据包的偏胃时间( o f f s e t t i m e ) 形式，所咀不需新丌发物 理层网络控制蚺议。其次，控制包和数据包“打包”封装传输，但具体封装形式除了采川 通过时域或频域实现控制包与数据包的物理打包封装传输彤，外，还引入共路信令，进 行逻辑打包传输的形式，以便在目前的光电器件水平基础上，灵活选择只有更高可实现 性的技术方案。 j 匕京“i u 太学目l 女 f 变光怀t 交换中* 型w 制格式m 究 图1 3 所示为光标已交换网络结构，由边缘节点和核心交换节点构成。输入数据包 在边缘路由器经过适配封装汇聚后进入o l s 网并在o l s 网中进行路由与转发，最后从 目的边缘路山器离丌o l s | 坷络，对汇聚的光分组包进行分拆后还原成常规i p 数据包。 图1 3 光标记交换网络结构图 目前的光标汇技术有：剐载波复用光标畦、时分复光标记技术、专用波长光标畦 投术、高强度光标记技术、f 交光标记技术。 一副载波复用光标记技术 基本原理是用分组头做光标记有效负载调制在基带上，分组头信息承载于一个合 适的副载波上，其中承载分组头信息的频谱在基带数据频谱之外，相加混合成一路信号 共同调制光载波，即分组头和有效负载被“复用”在同一波长，从而实现标记信号与基带 数据信号的捆绑传输。如图1 - 4 为副载波复用光标记的频谱结构。基带数据负载频谱和 标记信息数据频谱在频域需要足够远，以便防止交互调制引起信号劣化，产生功率代价。 图1 4 副载波复用光标记的频谱结构 发送端利用副载波复用携带光标记的原理如下：来自电信号的有效负载调制在基带 北京邮电大学硕t ：论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 上，分组头信息调制在微波载波上然后与基带有效负载合成并调制一个光通信波长的分 布反馈激光器( d f b ) ，然后通过光纤发送信号。其中光标记和有效负载占用相同时间 段并同时传输，保持同步操作，两者的数据源来自相同信号，由相同时钟控制。光标记 的提取和识别原理如下：首先把从线路接收的光信号通过分束器按l ：9 分成两束光。 1 0 的一束光先通过光探测器经光电转换后，再通过解复用器复用，利用电带通滤波器 提取出携带有标记信号的电副载波，经相应解调得到光标记( 分组头) 信号；然后送入 到地址解码器中进行解码，使用t t l 电路启动数字延时发生器来控制光开关状态，在 交换节点的输入端需要对光标记信息分离提取。对旧标记的擦除可采用光环形镜构成的 l y o t s a g n a c 光滤波器进行实现标记信息与数据载荷分离的技术方案。对于新标记的插 入需要将擦除掉旧标记的光信号当作连续光，通过m z i 结构的l i n b o 外调制器，新标 记经过副载波调制后加到外调制器电极上，便可将新的标记信息插入到携带有数据载荷 的光载波上。 副载波复用光标记的优点是标记的产生、提取和识别较容易，且不占用额外的波长 信道资源，标记信息与数据载荷之间不需保护时间。但是这种标记技术也存在较大不足， 1 日标记难以完全擦除，影响新标记的接收，副载波复用引入的交互调制将严重影响其传 输性能，限制其传输距离。 二时分复用光标记技术 如图1 5 所示，基本思想来自电层的口数据包格式，即路由控制和其他管理信息 在前，数据净荷在后，并由光标记和数据载荷构成周期性的定长光分组。光标记信息调 制速率较低，能以和载荷数据相同的速率传输。光标记与数据载荷之间设置保护时间间 隔。给光分组同步的对齐留有间隔，也兼顾电子电路的处理速度。对于光标记和载荷数 据的调制与传输，使用不同激光器分别产生数据载荷和光标记并用不同波长承载，通过 耦合器将两束光耦合。在接收端，采用波分复用器完成光标记的提取和识别。 图1 - 5 时分复用光标记交换 时分复用光标记交换的优点是原理上光标记的产生、提取和识别较容易，易于与未 来高速光时分复用网融合。缺点是只能应用于时分同步网。数据包的大小固定，在交换 节点需要对光分组进行同步对准；网络节点结构复杂，对网络的同步要求很高；增加了 网络设计和操作的复杂。 6 北京邮电大学硕上论文 正交光标记交换中新型调制格式的研究 三专用波长光标记 如图1 6 所示，将数据包的标记信息通过专用的波长通道以时分复用的方式传送， 载荷数据在另外的载荷波长通道中传送。标记与对应的载荷数据包以非同步方式传输， 并通过其包含的数据载荷波长信息与数据载荷到达时间信息实现标记与其对应数据载 荷的绑定。 标记波长通道五 载荷波长通道五 五 五 五 图l - 6 专用波长标记的原理 如图1 - 6 所示，专用标记波长通道承载多个标记数据包，多个载荷波长并承载多个 载荷数据包；标记数据包通过记载载荷数据包的承载波长及与标记数据包对应得到偏置 时间，从而实现标记数据包与载荷数据包的一一对应，进而控制数据包的交换。 专用波长光标记优点主要是标记的产生、提取、识别与插入均较容易。其要缺点是 适用于标记信息包较少，且对偏置时间要求较低的大粒度光突发数据包交换网。 四高强度光标记技术 光数据包由高速率低强度的数据载荷和同样速率但高强度的光标记构成，两者来自 相同的时钟并占有不同的时间段。在对光标记进行提取时，利用非线性光学介质在强场 作用下具有k e r r 效应或增益非线性效应，通过非线性门控作用把高低强度不同的光脉 冲很好地分离开来。这种光标记技术适合在光域进行识别和处理，即全光的光标记识别 技术，且不占用信道资源，缺点是识别较困难。 五正交光标记技术 基本原理是在同一个光载波上以两种不同的调制格式加载标记和负载信息，所用到 的调制格式有a s k ( i m 、o o k ) 、p s k ( d p s k ) 、f s k 、p o l s k 等。在发射节点，用两 个调制器将标记和负载以不同的调制格式加载到同一个光载波上，由于调制格式的正交 性，在中间节点很能够实现标记和负载的分离以及标记的识别和更新。此方案的优点是 较高的频谱利用率，比较容易实现标记和负载的分离，不需要严格的时间同步；但是由 于标记和负载调制在同一载波上，如果存在强度调制，则强度调制a s k ( i m 、o o k ) 消光比不能太大，否则会影响另一种信息的误码率。 7 北* 日f u 学顿l ：论j 光“尘* 十* * 制将a 的 m i f 变调制光标已交换技术与其它几利，光标已变换相比，具有标记和净荷的调制仅需 要一个激光器，标已和净荷的处理机制简单对同步的要求低，町提供不同等级的服务 等优点。正交调制光标记交换技术其最主要的优势是其无可比拟的带宽利用率及对高速 忙输速率的支持，这是未来光州络发展的方向。 12 正交光标记交换的网络架构 正变调制光标记交换系统中的路由器根据其功能和位置的不同分为边缘路由器和 核心路由器，如图1 7 所示。核心路由器在核心网内完成光标记的处理，包括读、写及 擦除等操作。边缘路由器位于核心网的边际处，核心网输入端口的边缘路由器从接入网 或城域网获得i p 包，它负责完成标签标记的产生，并将携带有标签，标记的i p 数据信 息调制到传输波长上；输出端口的边缘路由器负责完成标签标记的提取和移除，并根据 标签标记信息进行昂后的波长变换并将净荷输出到合适的光纤端口，这样i p 数据就到 达相廊的接入网或城域网。 口 图1 7 正交光标记交换的网络架椅 一边缘节点构架 边缘节点的主要功能是为适应不同业务的接入或汇聚需要，将需要传输的数据载荷 封装成究发数据包，并根据相关协议分配相应的光标记信息。以i p 分组为例，在输入 边缘节点处，多个具有相同目的地址和其它一世与业务相关的特性的i p 分组组装成一 个数据包，井为其分配个标记包。这些操作在数据适配层完成。经适配处理后的数据 包与标记信息进行复用，送入o l s 同中进行传输与交换。在业务输出侧，从输入的光 信号分离出数据包与标记信号，并将数据包解封装还原成客户层数据格式输出，对标已 信息进行解析，以验证接收的数据包是否准确】。 图卜8 是边缘路山器的工作原理示意图。从接入网，城域网输出的i p 包在边缘路由 北京邮电大学硕上论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 器内进行处理。经过排队、缓冲及包首部的处理，提取的包首部被用于对波长和标记进 行设置。激光器输出的光经净荷调制器实现高速的口数据调制，该光波再经标记调制 器将标记写入( 与净荷正交调制) 后，直接输入到指定的端口和光纤中进行传输。这里 需要注意的是，如果标记采用f s k 调制格式，则需要对激光器的频率波长进行调制( 如 图1 8 中的左上部分所示) ，如果标记采用d p s k 或a s k 调制格式，则在净荷调制后直 接对光波进行标记调制( 如图1 8 中右上部分所示) 。 m 包 ，上的信号 图l - 8 边缘路由器工作原理图 二核心节点构架 由于光“处理瓶颈”的限制，o l s 交换需要采用光电混合的方式，即控制信号转化为 电信号来处理，而数据信号则以光信号的形式通过核心节点。这样可充分利用电子技术 的处理优势，实现突发数据包的透明高速交换。核心交换节点的功能结构一般包括：输 入级、全光交换级、输出级及节点控制等部分组成( 如图1 9 ) 。 图1 - 9o l s 核心交换节点功能框图 核心路由器的具体工作原理为：经过解复用的某一光纤中某一个波长上的输入光通 9 北京邮电人学硕士论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 过分束器将光信号分成两束，功率较小的一束用于进行波长和标记的提取及重新设定， 功率较大的一束通过适当的延迟在半导体光放大器( s o a ) ( 也可以通过电吸收调制器 e a m 实现) 中实现波长标签的变换及旧的标记信号的擦除，最后将新的标记调制到光 波上即完成两级标签的交换【3 2 】( 如图1 1 0 ) 。 图1 1 0 核心路由器的工作原理 1 3 本论文的研究内容及章节结构 由于正交光标记交换是将净荷信号与标记信号同时加载到一个光波长上，因此，没 有任何的额外资源消耗，网络带宽资源利用率高，而且结构简单，实施方便，具有实际 可操作性。此方案国际上已经进行了一定程度的研究，一些调制格式已经被提出，并被 实验证实。如：以强度调制( 蹦) 为净荷，频移键控( f s k ) 为标记的i m f s k 正交调 制方式；以差分相移键控( d p s k ) 为净荷，幅移键控( a s k ) 为标记的d p s k a s k 正 交调制方式；以幅移键控( a s k ) 为净荷，差分相移键控( d p s k ) 为标记的a s k d p s k 正交调制格式。在高速率长距离的情况下，用d p s k 作净荷，接收端的灵敏度高( 平衡 探测) 、抗非线性的能力强。 本文主要进行以下几方面的研究：( 1 ) 提出一种新型的正交调制格式枷p s 阱s k 正交光标记系统。在系统分析的角度上，采用模块化的方法建立系统仿真模型，对每一 个模块建立相应的数学模型，并进行功能仿真和系统仿真。( 2 ) 分析d p s k f f s k 正交光 标记系统的关键参数对系统性能影响的原因。( 3 ) 设计新型的正交调制格式 - d o p s 副a s k 系统，并进行功能仿真和系统仿真。 本文的章节结构如下： 第一章介绍光交换技术的现状及发展趋势，以及光交换技术的分类和正交光标记 交换的网络结构，并简述本文的研究内容及章节结构。 第二章主要对o l s 系统的关键器件电吸收调制器( e a m ) 、马赫曾德调制器 ( m z m ) 进行理论分析，对新型调制格式a s k 、f s k 、d p s k 、d q p s k 调制方式进行 l o 北京邮电大学硕上论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 研究分析。 第三章构建r z d p s k f f s k 正交o l s 系统，并分析讨论关键参数对系统性能影响。 第四章构建d q p s k a s k 正交o l s 系统，并分析讨论关键参数对系统性能影响。 第五章总结。 北京邮电大学硕士论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 第二章正交光标记交换系统中新型调制格式的实现原理 光标记交换技术中光标记的产生是研究的重点之一，本文研究了两种新型的光标 记产生方案d p s k f s k 正交调制光标记交换以及d q p s k a s k 正交调制光标记交换。 在这两种方案中m 的净负荷( i pp a y l o a d ，数据包的业务数据信息) 与m 的头信息( i p l a b e l ，网络路由和控制信息) 经历不同的光处理。 方案一：高速业务数据信息由d p s k 调制方式携带，其传输与交换在光域内进行， 实现全光处理；而速率较低的路由与控制信息采用f s k 调制光标记的形式，在每个 节点将其转换为电信号加以处理，并依据产生的相应信息进行路由交换，实现对业务 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。主 要通过强度调制器( 蹦) 及马赫曾德( m z ) 调制器实现有效承载标记与载荷，从而 产生d p s k f s k 正交调制信号。 方案- - 高速业务数据信息同样由d q p s k 调制方式携带，其传输与交换在光域 内进行，实现全光处理；而速率较低的路由与控制信息则采用a s k 调制光标记的形 式，在每个节点将其转换为电信号加以处理，并依据产生的相应信息进行路由，实现 对业务数据的全光交换，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。主要通过频率调制器( f m ) 及马赫曾德尔( 比) 调制器实现有效承载标记与 载荷，从而产生d q p s k a s k 正交调制信号。 2 1 光调制机理及分析 把需传输的信息加载到激光辐射上，从而使信号从原来的形式变成一种更适于信 道传输的形式为光调制。调制后的光波经过光纤信道送至接收端，由光接收机再现出 原来加载的信息的过程为光解调。光调制技术按照激光器和调制器的关系可分为直接 调制和间接调制。 直接调制是利用输入的电信号直接驱动激光器产生已调制的输出光信号，实现方 法简单方便。以调制信号为电流信号注入半导体光源，控制激光振荡参数的改变，使 激光输出特性受到调制，从而获得相应的光信号输出。光调制结构图如图2 1 。直接 调制方式是光调制中最常用的一种调制方式，但是只适用于2 5 g b s 速率以下的信号 调制。直接调制带来的啁啾现象是一个不可避免的缺陷，即发送波长会随着调制电流 变化，因为调制电流的变化将引起激光器谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波 长随调制电流线性变化，这种现象将展宽激光器光谱线宽，引起信号传输的色散下限 制传输距副3 3 j 。 1 2 北京邮电大学硕上论文 正交光标记交换中新型调制格式的研究 采用外调制将有效的减少信号啁啾，在单信号和1 0 g b s 以外的系统都采用外调 制。外调制又称为间接调制，是在激光形成以后加载调制信号，在谐振腔外的激光光 路上放置调制器，利用晶体的电光效应、磁光效应和声光效应等性质使调制器的某些 物理特性发生相应得变化，从而达到调制激光辐射的目的。这种调制方式并不改变激 光器的参数，而是改变已经输出的激光参数( 强度、频率和相位等) 。 电信号 图2 1 光调制结构图 外调制器根据调制原理的不同，可以分为电光调制、声光调制、磁光调制和电吸 收调制。主要有两种：电吸收( e a ) 调制器和马赫曾德尔( m z ：m a c h - z e h n d e r ) 干涉仪型调制器。在本论文中主要应用了马赫曾德尔( m - z ：m a c h - z e h n d e r ) 调制器， 用于将高速的负载信息强度调制于光载波。下面分别对这两种外调制器作简单介绍。 2 1 1 电吸收调制器 电吸收调制器是一种损耗调制器。e a 调制器的结构如图2 2 所示，基本原理是： 改变调制器上的偏压，使多量子阱( m q w ) 的吸收边界波长发生变化，进而改变光 束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；随着调 制器的偏压加大，m q w 的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数变大，调制器 成为断状态，输出功率最小。 假设光输入信号是 波导 图2 - 2 电吸收调制器结构 北京邮电大学硕十论文 正交光标记交换中新型调制格式的研究 驯= 驸厕e x p ( j 2 砌) 蛔) 其中，e o u ，( f ) 是输出光信号，口是啁啾因子，胁d ( f ) 定义为 m o d ( t ) = ( 1 - m i ) + m i m o d u l a t i o n ( t ) 式( 2 2 ) 其中m o du l a t i o n ( t ) 是电输入信号。 e a m 输出信号为 即) = 厕州硅k ( 州1 i l 叭哪) 式( 2 3 ) 是信号电压强度。 调制输出信号也能写为如下格式： e ( 功= j ( 功1 + 饵y 彪 式( 2 4 ) 其中，a a v ) 2 志心( 吩嘭( m 图2 - 3 给出了e a m 对信号的调制，( a ) 为未被调制的信号，为连续光波；( b ) 为调制电压；( c ) 为光波被调制后的情形，可以看出偏压为零，有光输出；而加偏压 后，无光输出。 ( a ) ( c ) p o _ v p o 图2 3e a m 对信号的调制( a ) 连续光波；( b ) 调制电压；( c ) 光波被调制后 e a m 容易与激光器集成在一起，制作体积小，结构紧凑的单片集成组件，需要 1 4 北京邮电大学硕士论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 的驱动电压也比较低。激光器和耦合器之间不需要光耦合装置，可以降低损耗。但是 啁啾比m z 调制器大，因此对于4 0 g b s 光纤传输系统的新型调制格式多采用m z 调 制器实现【蚓。 2 1 2 马赫曾德尔干涉仪型调制器 m z 调制器是常用的电光调制器。m z 调制器可以用半导体材料制作，也可用 电光材料制作，通过合理设置m - z 调制器的偏置电压可以使产生的已调制光信号有 非常好的消啁啾特性，适合高速率的超长距离传输【3 5 1 。 图2 4 m z 调制器结构 图2 _ 4 为m z 调制器结构。来自激光二极管调制器的光虽然在进入波导管后被 平均的一分为二，但波导折射率随外部施加的电压大小而变化，从而导致相长干涉或 相消干涉，输出的光强可以根据调制信号大小进行控制。根据对m z 调制器上下两波 导的偏置电压的不同设计可将m z 调制器分为单驱动的m z 调制器和双驱动的m z 调 制器，如图2 5 所示： 调制电信号 上调制电信号上直流偏置电压 笪黑 下调制电信号下直流偏置电压 ( a )( b ) 图2 5 ( a ) 单驱动平衡方式的m - z 调制( b ) 双驱动推挽方式的m z 调制 利用双驱动的m z 调制器对光信号进行光强调制时，m z 调制器工作在推挽状态， 输出光强随输入调制电压变化，则m z 调制器输入输出关系为： 乞( ) = 包( f ) c o s ( ) e x p ( 俐) x - - 戈( 2 5 ) 其中护是相位差 北京邮电大学硕士论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 其中 口( f ) 2 三( o 5 一点r ( 如如肠踟，l ( f ) 一。5 ) ) 式( 2 6 ) e r ：1 4 a r c t a n ( 占) 万, 4 e x t r a t ( f ) 是信号相位变化，定义为 ( f ) = s c a o ( t ) ( 1 + s f ) ( 1 - s f ) s f 是平衡因子，m o d u l a t i o n ( t ) 是电输入信号，电输入信号为0 或1 。 2 2 新型调制格式a s k , f s kd p s k 及d q p s k 的调制机理及分析 式( 2 7 ) 式( 2 - 8 ) 由于数字信号时间及取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”，称为 键控法。数字信号对载波振幅调制称为幅移键控，即a s k ( a m p l i t u d e - s h i f tk e y i n g ) ； 对载波频率调制称为频移键控，即f s k ( f r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g ) , 对相位调制并进 行差分编码称为差分相移键控d p s k ( d i f f e r e n t i a l - p h a s e - s h i f tk e y i n g ) ；对相位调制 并进行差分四相位编码称为差分四相相移键控d q p s k ( d i f f e r e n t i a l l yq u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g ) 。 2 2 1 幅移键控调制( a s k ) 幅移键控调制( a s k ) 也叫做数字幅度调制。a s k 模型原理如图2 - 6 所示，是数 字信号与高频载波相乘，而后经过适当的带通滤波器。设数字信号为品( f ) ，载波为 咒麟( f ) 。当s o ( f ) 为单极性脉冲输入( 即含有直流分量) 时，输出为标准a m 信号； 当品( f ) 为双极性脉冲输入时，输出为抑制载波的双边带信号( d s b ) 。如果s o ( f ) 的 二进制信号控制载波全通全断，则在l 码时发送载波a c o s c o o t ，在0 码时不发送载波 【3 6 1 。 a c o s ( t o o t ) 图2 - 6a s k 模型原理图 设数字信号品( f ) 为双极性矩形脉冲序列，电平分别为+ l 和- l ，码元宽度为t ， 1 6 北京邮电大学硕七论文正交光标记交换中新型调制格式的研究 则( f ) 可写为 s o ( t ) = s ( f ) b = - - 式( 2 9 ) 渺撼嚣高 胡。， 式2 - 1 0 中，g 。( f )