（物理电子学专业论文）基于soa的光包交换节点分组头提取技术研究.pdf

摘要 摘要 下一代光网络的研究重点己由传输域延拓到交换域。传统静态互联网交换粒度大、端口和链路 利用率较低，已不能满足突发业务和高速、大容量实时数据的交互需求。光分组交换( o p s ) 技术 以交换粒度小以及灵活的带宽利用能力，已成为下一代光网络的支撑技术。异步o p s 技术可避免大 规模系统同步的问题，更好地满足突发业务的实时传输需求，已成为光通信技术的研究热点。高速、 比特率透明以及能够满足异步、变长分组交换需求的全光分组头提取及分离技术是o p s 的重要组成 部分，已成为目前急需解决的关键问题。 本文提出，基于反射式半导体光放大器( r s o a ) 和多模干涉耦合器( m m i ) ，可以构成全光分 组头提取结构。论文首先建立了s o a 载流子浓度速率方程和s o a 中光脉冲传播方程，推导得出了 时延参考系中s o a 信号增益、功率、相位及放大数学模型。在此基础上，提出了异步分组交换网络 比特率透明的r s o a 型全光分组头提取结构。数值模拟结果表明，对于速率4 0 g b s 的净荷，当分 组头速率分别为2 5 g b s 、1 0 g b s 时，开关比( c r ) 可达2 2 d b 、1 8 d b 。接着，论文基于s o a 和 m m i ，提出马赫曾德型全光分组头结构和净荷分离方法，该法基于m m i 自映像原理，采用两只载 流子寿命不同的s o a ，可实现分组头和净荷的分离。仿真结果表明，该结构开关比大于1 5 d b 。最 后，通过分析各参数对系统开关比影响，得到了r o s a 型全光分组头提取结构和马赫曾德型全光分 组头和净荷分离结构的优化参数，表明两种结构能够实现高速、比特率透明分组头的全光提取及分 组头与净荷的全光分离，适用于变长分组及异步o p s 的突发业务交换需求。 关键词：全光网络，异步光分组交换，分组头提取，半导体光放大器( s o a ) ，多模干涉耦合器0 m m ) a b s t r a c t abstract t h er e s e a r c he m p h a s i so ft h en e x t - g e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r k ( n g o h a se x t e n d e dt ot h eo p t i c a l s w i t c h i n gf i e l df r o mo p t i c a lt r a n s m i s s i o n o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) n e t w o r kh a sb e e nr e c o g n i z e d 舔 t h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yf o rn g o no w i n gt oi t ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss m a l lg r a n u l a r i t ya n d f l e x i b l eu s a g eo fb a n d w i d t h , w h i c hc a l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hh i g h s p e e da n dl a r g ec a p a c i t yc o r r e s p o n d i n gt ot h et r a d i t i o n a ls t a t i ci n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r k a s y n c h r o n o u s o p sh a sb e c o m i n gt h er e s e a r c hh o t s p o to ff u t u r eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na si tc a na v o i dl a r g e s c a l e s y n c h r o n i z a t i o na n ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m et r a n s p o r to fs u d d e ns e r v i c e s a l lo p t i c a lp a c k e t h e a d - e x t r a c t i o nt e c h n i q u ea so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e si ns i g n a lp r o c e s s i n ge s p e c i a l l yi n u n s l o t t e do p si su n a v o i d a b l ei nh i 【g hb i t - r a t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n tt w os c h e m e so fh e a d e rp r o c e s s i n gb a s e do ns o a ，i n c l u d i n gas c h e m eo f h e a d e r - e x t r a c t i o n , a n da n o t h e rs c h e m eo fh e a d e r sa n dp a y l o a d ss e p a r a t i o n ac o u p l e de q u a t i o ng r o u po f t h eg a i n , t h eo p t i c a lp o w e ra n dt h ep h a s eo fs o ai nt h er e t a r d e dr e f e r e n c ef r a m ei sd e r i v e db a s e do nt h e c a r r i e rd e n s i t yr a t ee q u a t i o na n dt h ee q u a t i o n so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l du n d e rt h ec o n d i t i o n so fi g n o r i n g n o n l i n e a rg a i nc o m p r e s s i o n o nt h eb a s i so ft h a t , ad i f f e r e n t i a le q u a t i o no ft h ea m p l i f i c a t i o nf u n c t i o ni s d e r i v e db yi g n o r i n gt h en o n l i n e a rg a i nc o m p r e s s i o ne f f e c t d i f f e r e n t i a le q u a t i o n so ft h eo u t p u tp o w e ra n d t h ea m p l i f i c a t i o nf u n c t i o na r ea l s od e r i v e d an o v e ls c h e m et or e a l i z et h eh e a d e r - e x t r a c t i o nb a s e d0 1 1t h e g a i np r o p e r t yo fr s o a i sp r o p o s e d ，t h i ss c h e m ec a nr e a l i z eh i 【g hc o n t r a s tr a t i ob e c a u s eo ft h et w o - t i m e g a i n so f t h er e f l e c t i v es i g n a lp u l s e si nt h er s o a t h ec o n t r a s tr a t i o ( c r ) c a nr e a c h2 2 d bw h e nt h eh e a d e r s t r a n s m i ta t2 5 g b sa n dt h ep a y l o a d sa t4 0 g b s ，a n dw h e nt h eh e a d e r st r a n s m i ta t10 g b s ，t h ec rc a l lr e a c h 18 d b t h e n , an o v e ls c h e m eo fh e a d e ra n dp a y l o a ds e p a r a t i o nb a s e do ns o a - m m ii s p r o p o s e d i ti s m a i n l yb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs e l f - i m a g i n go fm m i a n dt h ed i f f e r e n tp h a s e - s h i f tb yt h ed i f f e r e n tc a r r i e r l i f e t i m eo ft h et w os o a s f r o ms i m u l a t i o n , i ts h o w st h a tt h ec o n t r a s tr a t i oo fh e a d e r - e x t r a c t i o nc a ne x c e e d 15 d b a tl a s t , t h es y s t e mp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d ，i ts h o w st h a tt h e s et w os c h e m e sb o t hh a v es p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g h - s p e e d , b i t - r a t et r a n s p a r e n t , a d a p tt oa l t e r - l e n g t hg r o u pa n da s y n c h r o n o u so p s k e yw o r d s ：a l l - o p t i c a ln e t w o r k , p a c k e th e a d e r - e x t r a c t i o n , o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r , m u l t i - m o d ei n t e r f e r e n c e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文，使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 麟导师签名： e l 期：叩，f 乙 第一章绪论 1 1 全光网络与光交换技术 第一章绪论 我国的光通信产业发展经历了从长途骨干逐步向全光网络发展的轨迹。从1 9 9 4 年原中国电信建 立了武汉南京第一个6 2 2 m b ss d h 系统至今，我国现已有可覆盖全国大部分地域的骨干光传输 系统。在2 0 0 0 年以前主要采用2 5 g b ss d ht d m 系统，2 0 0 0 年以后开始采用1 0 g b ss d h 系统。 但以串行电信号传输模式为基础建立起来的s d h 系统的速率上限为4 0 g b s ，这就造成了网络发展 的“瓶颈”制约，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换。由此提出了基于全光网络传输体系的 w d m 和d w d m 技术，目前3 2 0 g b s ( 3 2 x 1 0 g s ) 的w d m 系统、1 6 t b s ( 1 6 0 x 1 0 g b s ) d w d m 系统 已经开始大量商用，世界范围内的光纤通信网框架已基本形成。因此，未来通信网的发展趋势将是 组建高速、大容量、灵活高效、适合传输i p 业务的全光网络，打破信息传输的“瓶颈”，从而在很 长的时间内能够适应高速宽带业务的带宽需求。 全光通信网络是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光 电、电光转换，信息从源节点到目的节点的传输过程始终在光域内。全光通信网的实现，可以分为 两个阶段来完成：首先是在点点光纤传输系统中，整条线路不作任何光电和电光的转换，这样， 网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件速率难以提高的困难， 如此整个光纤通信网任一用户地点可以做到与任一其他用户地点实现全光传输，这样就组成全光传 送网：其次在完成上述用户间全程光传送网后，有不少的信号处理、储存、交换，以及多路复用分 接、进网出网等功能都要由电子技术转变成光子技术完成，整个通信网将由光实现传输以外的许多 重要功能，完成端到端的光传输、交换和处理等，实现真正意义上的全光通信。 由此可见，全光通信网络具有以下优点： 1 能够提供巨大的带宽： 2 与无线或铜线相比，处理速度高且误码率低； 3 采用光路交换的全光网络具有协议透明性，即对信号形式无限制： 4 采用较多的无源光器件，省去了庞大的光电光转换工作量及设备，提高网络整体的交换速 度，降低了成本并有利于提高可靠性。 然而，在过去的十年中，尽管光纤通信的容量提高了上百倍，但还远远没有发挥光纤带宽的巨 大潜力。随着信息社会的到来，能极大丰富和改善人们通信效果和质量的宽带视频、多媒体业务、 基于口的实时，准实时业务等新兴数据业务将大量涌现，每个用户的需求带宽和用户数都将大幅增 长，特别是m 技术的发展产生的对网络带宽的巨大市场需求，要求有更先进的传输方式。由于i p 业务与话音业务相比具有突发性、不对称性、业务量增长不可预见等显著不同的特点。基于传输话 音业务的传统骨干网络已越来越不能满足高效传输要求，急需更新换代。 具有交换能力的全光网络以其灵活的带宽利用能力，必然会成为目前静态光互连网络的发展趋 势。通信的两大主题是实现信息的传输和交换。在上个世纪中电交换技术得到了充分的发展并已相 东南大学硕士学位论文 当的成熟，从支持电话网的电路交换技术，发展到支持数据网的帧中继、分组交换、快速分组交换 中的异步传递模式( a t m ) 等技术【1 1 3 1 ，再到目前应用比较多的i p 交换技术和软交换技术悼1 6 】等。 光交换技术的研究始于上个世纪8 0 年代【1 7 埘l ，然后逐步的发展，但从目前光通信技术的发展现状来 看，光交换技术的发展速度显然落后于光传输技术的发展。对于每种光交换技术都有支持该交换技 术特征的关键器件。实现光交换技术最基本的器件是光开关，它具有最基本的开和关的功能，即能 够使信号通过或者阻塞。 光交换技术大致可分为光线路交换( o c s ) 技术、光突发交换( o b s ) 技术及光分组交换o p s 技术等几种。 o c s 技术分为光空分交换技术、光波分交换技术、光时分交换技术、光码分交换技术等。它们 的交换基本单元是各自信号所对应的空间、波长、时隙、编码等。o c s 与电路交换类似，采用双向 资源预留的方式设置光通路，中间节点不需要使用光缓存，交换中信号独占某一通道。 o c s 技术的优点是可靠性高、交换的速度比电路交换快，而且克服了在高速信号时电路交换所 固有的电磁干涉和高损耗等缺点。o c s 技术的缺点是对于网络资源的利用率不高，因为当无信号交 换时信道是空闲的。而且，由于以波长作为最小交换颗粒的o c s ，其最小交换单元是整条波长通道 上数g b s 的流量，这对于不同的个人用户来对不同带宽的需求来说，不易支持多粒度的业务。 目前o c s l 2 2 - 2 6 1 的研究已经相对很成熟了，现在正向实用化方向发展。在d w d m 系统中利用 o x c s 结合控制平面实现的自动光交换网( a s o n ) 可以实现对i p 业务的有效支持，该控制平面采 用多协议波长标签交换( m p l 弛s ) 技术实现路径的快速建立【2 7 。2 8 】，m p l z s 采用光波长作为交换标签， 将第一层光交换与第三层路由转发功能进行无缝融合，直接波长信道上以标签交换方式来交换单个 l p 包，m p l ) l s 利用波长来寻找路由，并标示所建立的光通路。 分组交换技术最早是在1 9 6 1 年由p a u lb a r r a n 博士等人最先提出，并在1 9 6 4 年公布于世 2 9 - 3 0 1 。 最初的想法是：出于保密通信的需要，将信息拆分成小块( 即分组) ，以分组为单位发送信息，各个 分组通过存储转发方式经由不同路径到达接收端，然后再被组合复原。o p s 以光分组作为最小 的交换颗粒，带宽可以按照用户的需求在分组级上进行灵活的分配，所以它能够有效的支持多粒度 的业务，提高带宽的利用率。目前o p s 采用光电混合的解决方案：即传输与交换功能在光域中实现， 路由和转发功能则在电域实现。这是因为o p s 对全光器件的性能要求比较高，如目前全光逻辑开关 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o p s 单元还要由 电信号来控制，即所谓的电控光交换，将来随着全光器件技术的发展，最终将采用光控光交换。 由于目前的诸如全光缓存器件、全光逻器件等光器件的性能还不能完全达到o p s 技术的要求， 所以人们暂时采用o b s 技术，它是介于o p s 技术与o c s 技术之间的技术。在o b s 中采用单向资 源预留机制，以光突发分组作为最小的交换单元，光突发分组包括数据分组和控制分组，o b s 技术 采用将数据分组和控制分组分别传输的方法，即在时间上和信道上都是分离的，控制分组中存储数 据分组的目的地址信息，还有相应的数据分组的长度和路由信息，控制分组给数据分组安排带宽预 留和交换设置，在单独的波长信道上传送，处理经过光电( o e ) 转换在电域上完成，降低了对光器 件的要求；数据分组承载用户的i p 包，由于在数据分组发送之前已经为其预留光信道，所以它可以 2 第一章绪论 在d w d m 链路中透明传输，不需要进行o e o 转换，同时避免使用光缓存技术，即o b s 采用单向 资源预留机制实现了面向i p 的快速资源分配，通过在电域上对控制分组的处理，实现了数据分组的 在光域透明传输。但是，由于o b s 技术的交换可以相对于o p s 技术米说交换颗粒比较大，所以不 能很好的支持不同用户对任意带宽业务的需求，目前o b s 技术的研究还在发展中，并不成熟，因此 o b s 技术只是一个折衷的方案，并不能很好地支持颗粒可以任意调整的i p 业务数据分组。 综上所述，o p s 技术能够更好地满足不同粒度业务的交换需求，即能够直接承载l p 分组，实现 i po v e rw d m ，是最有发展前景的光交换技术。 1 2 光分组交换网络概述 1 2 1 光分组交换网络的结构 1 ) 网络结构 o p s 网络是光交换技术与分组交换技术的相结合的网络。它的基本功能可以实现：波长交换、 光分组路由、网络流量控制、光分组冲突解决、光分组同步、光分组信头识别与处理等3 7 1 。根据 这些基本功能的特点，o p s 网络可以从平面上划分为核心网络与边缘网络两部分【3 引。核心网络可以 实现简单而极其高速的光分组处理，如大颗粒的波长交换和批量光分组路由等低层功能；边缘网络 进行复杂且费时的处理，如多业务接入和会话建立等交互过程。如图1 2 1 所示【4 2 】，i p 、s d h 、a t m 等都可看作光分组网的业务层，业务层的数据在o p s 网络边缘节点处打包并装入净荷，然后加上光 标签或光分组头构成光分组。o p s 网络即以光分组的形式来承载业务数据，光分组的传输和交换在 光域中进行，交换和控制功能在o p s 核心节点实现，交换功能在光域完成，而信头处理和控制可能 经o e o 完成，也可能直接在光域中完成。o p s 边缘节点负责同客户层之间的接口，包括流量整形、 净负荷压缩、复用、光信号再生和端到端的传输监控。 图1 2 1 光传输网络平面结构( 核心节点和边缘节点都应用o p s 技术) 2 ) 节点结构 o p s 节点大体上可分为四个子系统，即交换矩阵、控制模块、输入模块和输出模块，如图1 2 2 所示。输入模块的功能是光信号的预放大与同步( 如果是异步o p s ，则不需同步) 、净荷定位、信 头提取、光信号缓存，可能含有波长转换或光电转换功能。在同步o p s 中，输入端的同步主要完成 数据包在时间上和相位上的校准，以消除传输时延差。输出模块的功能是数据缓存、净荷定位、信 3 东南大学硕士学位论文 头插入、输出同步、信号放大，可能含有波长转换和光电转换、以及2 r 3 r 功能。输出端的缓存是 为了配合净荷定位与分组头插入操作，或解决资源冲突。 交抉，弹i 图1 2 2 0 p s 节点结构 o p s 节点的核心是由光交换单元组成的交换矩阵，交换模块根据控制模块的指令来完成净荷的 交换功能，它在很大程度上决定了节点的交换速率、吞吐量、可扩展性和可靠性等性能。交换矩阵 和控制单元负责光分组的路由或上、下路，解决冲突，并完成必要的信头擦除工作。交换矩阵和输 出输入模块之间要配置光缓存单元，从而在信头处理和交换配置过程中缓存数据净荷。目前，控制 功能是由电子电路来完成的。而从长远看来，光分组交换技术发展的目标是使控制功能在光域完成。 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。 在同步o p s 网络中，光分组只出现在固定长度的时隙上，网络节点要对分组进行时间和相位上 的校准( 即同步) ，边缘网络节点还要对分组进行封装、分拆和重组。在异步o p s 网络中，分组可 变化长度，可出现在任意时刻，节点不必对其拆分和重组，也不必实施分组级的同步。显然异步o p s 网络更灵活，但流量特性比较复杂，由于光分组到达的时刻随意性较强，所以光分组在交换节点中 发生冲突的几率也更大，因此在相同的流量负荷下同步o p s 网络的吞吐量更大些。 1 2 2 同步光分组交换网络 在同步光分组交换网络中，所有的光分组都具有相同的大小，每个光分组包含在一个固定大小 的时隙( t i m es l o t ) 中，每个时隙的长度大于整个分组的长度这样可以提供一些保护时间( g u a r dt i m e ) 。 同步o p s 网络要求所以到达输入端口的输入光分组在相位上必须彼此对齐。同步o p s 网络的通用 核心交换节点功能模块如图1 2 3 所示，它包括输入接口高速光交换矩阵( 内包含光缓存模块) 、输 出接口、同步交换控制单元、分组头处理单元、分组头重写单元等。输入接口，又称作输入同步器， 根据对载荷的定位处理，使进来的分组实时对准；分组头处理单元的功能是读取光分组头部所携带 的信息。同步，交换控制单元根据光分组头部信息对输入接口模块、高速光交换矩阵和输出接口进行 配置。输出接口模块的主要作用是减小或消除信号的相位抖动和功率波动，它可能需要也可能不需 要，这取决于实际的分组格式和节点结构。分组头重写模块负责处理光分组头的擦除和重写。 4 第一章绪论 图1 2 3 同步光分组交换网络核心交换节点结构 当来自于不同波长信道的光分组到达o p s 交换节点时，光分组的一部分信号被提取出来，然后 送到光分组头处理单元读取光分组头所携带的路由、控制信息，并送到同步，交换控制单元中进行判 决。同步，交换控制单元根据光分组头部所携带的信息，配置好输入接口模块和高速光交换矩阵。各 个波长信道上的光分组然后通过输入同步单元进行同步，再经过高速光交换矩阵到达目的输出端口。 最后，各个分组经过输出接口模块，输出接口模块进一步补偿发生在节点内部的相位抖动，并进行 功率均衡等处理。根据路由的需要，原来的光分组头可能会被擦除，然后新的光分组头部被写入。 光分组然后沿着指定的链路传到下一个交换节点。同步技术是同步组交换网络中最关键的技术之一， 它是在时间域对两个光脉冲流完成定位处理。 同步光分组交换网络虽然具有控制结构简单、不易发生冲突、吞吐量较大的优点，但由于同步 o p s 中，光分组只出现在固定长度的时隙上，网络节点要对分组进行严格的同步校准，边缘节点还 要对分组进行封装、分拆和重组，不适合突发信息交换的特点。 1 2 3 异步光分组交换网络 在异步光分组交换网络中，光分组进入交换结构之前无须进行同步。光分组的长度可以是固定 值也可以是可变值。在这种网络中，因为光分组的行为更加无法预测，所以分组产生竞争的几率将 更大。这也导致异步光分组交换网络的性能比时隙光分组交换网络要差。然而，异步光分组交换网 络与同步光分组交换网络相比更具灵活性，因为它能更好地容纳可变长度地数据包。 图1 2 4 异步光分组交换网络核心节点结构 图1 2 4 所示为异步光分组交换网络的通用节点结构，它不需要同步模块。当光分组到达时，各 输入光纤上的分离器( t a p ) 从输入分组中分离出小部分的光信号，然后送到光分组头处理单元以读取 光分组头部信息。根据光分组头部所携带的路由控制信息，交换控制单元可对高速光交换矩阵进行 配置。在进行分组头处理和开关重新配置时，固定长度的光纤延迟线( f d l ) 用于对光分组进行暂时 东南大学硕士学位论文 的存储。从图中可以看出，异步光分组交换网络不需要同步模块。 虽然异步光分组交换相对与同步光分组交换而言需要更复杂的控制机制，但其结构简单，能够 避免大规模系统的同步困难，可以更好地满足突发业务的实时交换需求。且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 业务的概念。可以说，异步光分组交换结合了 分组交换和突发交换的优点。如果网络中缓存容量较大，则异步网络的网络更适合于当前以及未来 主流的i p 包业务流传送。 1 3 全光分组头处理技术 1 3 1 光分组的编码方案 光分组由净荷与帧头( 分组头) 两部分组成，净荷可能包含分组编号、信源地址、用户数据等， 帧头可能包含目的节点地址、优先级、空满标志等。为完成高吞吐量的交换功能，要求能够对分组 包的帧头进行快速提取和处理。 光分组的编码方案大致有串行编码、带外信令和并行编码【4 3 】等几种。其中并行编码是将光分组 的每个比特调制到不同波长上，并行发送和接收数据。这种方案要求信源、信宿节点必须配备高速 串并转换模块，并且必须尽量减少考虑色散引起的时延问题。另外，由于可用波长数有限而每个光 分组比特数较大，并行编码方案操作起来相当复杂，实用化困难。 带外信令是指分组头在独立于净荷通道的信道上传输。最典型的带外信令方案是s c m 方案， 即净荷以较高速率调制在某个波长的基带上，而分组头调制在比基带频率稍高的副载波上，速率较 低，易于处理。分组头不占用净荷通道的带宽，故不影响网络吞吐量和带宽利用率。但副载波会限 制净荷速率进一步增加，收发器需微波混频器件，增加了节点的复杂性，且净荷通道和s c m 信道 之间可能存在串扰和非线性效应导致信噪比下降。 串行编码指分组头与净荷在同一波长信道上串行传输，为补偿信头提取延时和净荷的时间抖动， 光分组之间以及分组头与净荷之间都要留出保护时间。分组头与净荷的速率可以相同，以便提取同 步用的定位脉冲，但技术难度大。通常分组头速率小于净荷速率，以便降低分组头处理的难度，但 较低速率的分组头会增加光分组的延时，减小网络吞吐量和带宽利用率。例如k e o p s 项目采用的 混合速率的串行间插法【4 1 , 4 2 1 ：净荷速率为几个m b s 至1 0 g b s ，信头速率为6 2 2 m b s ；分组长度长为1 2 8 字节，其中信头1 4 字节，净荷1 0 2 字节，足以容纳1 0 g b s 下的以太网帧，并能兼容a t m 和广义标 签交换( g m p l s ) 技术1 4 3 , 信头前后分别有5 字节( 6 4 ，3 n s ) 和2 字节( 2 6 n s ) 的保护时间。在异步光分组 交换技术中，由于不需要同步时钟，所以降低了技术难度，串行编码具有很好的可行性。并且，相 对于负载波复用及正交调制而言，串行比特分组更易于实现。 图1 3 1 光分组的串行编码方式 6 t 第一章绪论 1 3 2 光分组头的提取方案 在光分组的交换节点处，控制部分可以在光域实现，但这对光器件的要求很高，尽管目前对全 光逻辑器件的研究取得了巨大进展，但是这些器件仍朱实现实用化。由于在光分组交换网络中，信 头中的数量并不是很大，它的速率可以比净荷小，因此，我们可以在电域对信头进行处理信头可以 用比净荷低的速率来调制并加在狰荷的前面，而在交换节点处，光分组信头在信头提取装置的作用 下被分离出来作进一步处理，进而实现路由和交换的控制。 基于这种思路，很多机构作了相关研究，提出了多种方案，其中典型的是基于非线性光纤环镜 ( n o l m ) 1 4 4 1 、半导体光放大器一马赫曾德干涉仪( s o a m z i ) 1 4 5 1 以及基于t o a d 的方案 4 6 1 。 采用非对称的s o a m z i 结构的方案，如图1 3 2 所示。由固定比例方向耦合器( c 2 和c 3 ) 连接 m z i 的上下臂，两个s o a 分别放置于上下臂的不同位置，两个s o a 位置的水平距离折合成光传输 时间a r ，如图1 3 2 所示。在每个时隙中，由超短高强度光脉冲序列构成的光分组从端口1 进入分 组头提取系统，并被c 1 分成强度不等的两部分小信号a 和大信号b 。小信号a 作为探测信号( p r o b e s i g n a l ) l 扫固定比例耦合器c 2 均分成能量相同的两路脉冲流进入非对称s o a m z i 的上下臂，上臂信 号标记为c w ，下臂信号标记为c c w ；大信号b 作为控制信号( c o n t r o ls i g n a l ) 贝j j 由3 d b 耦合器c 3 均 分成能量相同的两路脉冲流b l 和b 2 进入s o a m z i 的上下臂，调整控制信号和探测信号的传输时 间，保证控制信号导致s o a l 和s o a 2 迅速饱和的时间间隔在a f 内，c w 信号的分组头脉冲在s o a i 中能量获得放大，随后s o a l 就进入饱和状态。通过信号b l 和b 2 的控制，探测信号c w 和c c w 通过半导体光放大器之后在耦合器c 3 处进行干涉，然后从端口2 和端口3 输出，进而提取出光分 组头脉冲。 图1 3 2 基于非对称s o a m z i 的分组头提取结构 该分组头提取方案利用的一个重要特性是s o a 的增益饱和特性。当输入能量达到一定的程度 后，s o a 就会进入饱和状态，放大系数迅速减小。当一束脉冲串入射到s o a 时，s o a 起初处于未 饱和状态，因而具有较高的增益。当第一个脉冲通过时，s o a 的增益骤然下降至饱和态，并引起脉 冲相位的剧烈变化。在第一个脉冲过去之后，s o a 增益开始缓慢恢复。如果脉冲周期远远小于s o a 的载流子寿命，第二个脉冲到来时，s o a 的增益仅恢复了一部分就又降至饱和态。这样，第二个脉 冲及后面脉冲的增益和相位变化较小。同时，控制信号的输入也被用来促使s o a 更快饱和( 在分组 头脉冲获得放大之后) 。 另一种基于s o a 的分组头提取方式如图1 3 3 所示。它由一个半导体光放大器( s o a ) 和一个延 迟干涉仪组成。d i 的两个臂由两个3 d b 耦合器连在一起，输入端为l 2 耦合器c l ，输出端为2 7 东南大学硕士学位论文 2 耦合器c 2 。d l 的长臂引入延时a r 。当一个光脉冲耦合到d l 后，它会被耦合器c 1 分成两个强度 相等的脉冲，分别沿d i 的两个臂向前传送。其中d i 长臂中的l a 脉冲到达耦合器c 2 的时间比短 臂中的s a 脉冲延迟a r 。l a 脉冲和s a 脉冲在耦会器c 2 中发生干涉后从2 端口输出。分组头进 入s o a 后，在光脉冲的作用下s o a 的增益迅速达到饱和，在比特间隔内，s o a 的增益逐渐恢复。 由于分组头的比特间隔较大，因此，s o a 的增益有足够的时间来恢复到一个较高的水平，因而分组 头中的每一个光脉冲都可以获得较大的增益。净荷部分光脉冲间隔较小，前面脉冲经过后，s o a 的 增益还来不及恢复后，后面的脉冲又紧随着进入s o a ，因此，s o a 的增益始终处于一个相对较低的 水平，净荷中的光脉冲能够获得的增益比分组头脉冲获得的小。在s o a 中，大的增益往往伴随着大 的相移，分组头中的脉冲在耦合器c 2 内相遇时，s a 脉冲与经过延时的l ，a 脉冲之间会产生较大的 相位差，二者在耦合器c 2 中干涉加强，输出脉冲的能量也得到加强。对于净荷脉冲，相应的l a 脉冲和s a 脉冲在耦合器c 2 中相遇时，发生干涉相消，输出的能量受到抑制，所以这种结构能够实 现分组头的提取。 图1 3 3 基于s o a 和延迟干涉仪的分组头提取结构 要使上述的分组头提取装置有效地工作，必须满足以下的限制条件。首先，分组头的调制速率 小于净荷的调制速率也可以相同，同时，净荷的比特间隔应该远远小于s o a 的载流子寿命时间：其 次，分组头的最后一个比特和负荷的第一个比特必须是“l ”，这两个比特之间的时间间隔与分组头 的比特间隔相同，这样可以避免由于s o a 的增益恢复，净荷中的第一个比特也被当作分组头提取出 来；此外，负荷必须采用合适的编码方式，避免出现长连“0 ”，因为长连“0 ”后的“1 ”很容易被当 作新分组头的开始。 基于t o a d 的光分组头提取的典型结构如图1 3 4 所示。这是一个改进的传统t o a d 结构。光 纤环中的耦合器c 1 将输入的信号光分成顺时针方向传输( c w ) 和逆时针方向传输( c c w ) 话束光。其 分光比为a ：( 1 一a ) ，而不是传统的5 0 ：5 0 ，s o a 作为非线性元器件放置在光纤环的中央，同时利用可 调谐光纤延时线( f d l ) 调整s o a 的具体位置。从而使两束相向传输的光到达s o a 的时间上产生一 个的时间间隔址。假定满足下列关系式：a t t f 。 t ，具有大的脉冲间隔时间的分组头脉冲，可以从s o a 中获得高增益和大的相 移差。而对于随后的净荷脉冲，由于其小的脉冲间隔时间，只能从s o a 中获得低的脉冲增益和小的 相移差，从而被抑制。所以耦合器c l 中输出的只有分组头光脉冲。从而完成分组包的分组头提取。 在文献【4 1 7 】中，作者提出了一种用于分组头与净荷全光分离的技术。该技术完成分组头提取的基 础上，另外由两个s o a 完成输入分组信号和提取出的信头脉冲间的异或( ) ( o r ) 运算，从而得到单独 的净荷脉冲。 p 哦b p e n c 图1 3 5 光分组头和净荷分离装置 该技术方案结构示意图如图1 3 5 所示。方框i 是分组头提取装置，采用第一章提到的基于s o a 交叉增益调制的结构，进行光分组头的提取。方框i i 是净荷恢复装置，采用s o a m z i 结构全光逻 辑异或门，通过光分组头与原始光分组的异或运算，将净荷从光分组中分离出来，隔离器可以防止 m z i 上臂的信号返回s o a l 影响标签的提取。 上述几种方案均能有效地提取光分组头，但也有一定的不足之处。如第一种方案中，上下两臂 的s o a 非对称放置，如果位置固定，则a r 也固定为定值，如果改变光脉冲的速率，则a r 也要改 变，即必须调整两个s o a 的非对称间距。对于已经固定的s o a 来说，调整位置是比较困难的。所以， 这种结构不具备对光脉冲速率的透明性。第三种方案也有类似的不足。第二种方案和第四种方案有 开关比不够高的缺点，文献对此结构仿真结果显示，系统开关比在1 0 d b 1 5 d b 之间。 1 4 本文研究工作简介 本文提出两种分组头提取及分离方案。首先，基于反射式半导体光放大器( r s o a ) ，提出一种 新型的全光分组头提取方案。利用r s o a 对信号光所产生的两次增益和相移，极大提高了系统开关 比。该方案具有比特率透明、适用于异步、变长分组交换的特点。其次，基于半导体光放大器和多 模干涉仪( s o a m m i ) 提出一种新型的全光马赫一曾德型分组头与净荷的分离方案。该方案结构紧 9 东南大学硕士学位论文 凑，能够同时实现分组头和净荷的分离，且同样具有开关比高、比特率透明、适用于异步、变长分 组的特点。 本文主要研究内容包括：建立光脉冲在s o a 中的传输模型，基于r s o a 结构的分组头提取方 法的模型建立、性能分析、参数优化，基于s o a m m i 的分组头和净荷分离方案的模型建立、性能 分析、参数优化。 本论文章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了全光网络与光交换技术的发展，光分组交换网络的架构，同步光分组交 换网络，异步光分组交换网络以及光分组头处理技术等，本章最后介绍本论文的主要研究工作。 第二章详细阐述了s o a 的动态特性分析，介绍了s o a 的放大原理及应用，推导了s o a 放大函 数的表达式，研究了s o a 的动态增益特性及其对信号光脉冲的影响。 第三章提出一种基于r s o a 的光分组头提取技术。建立了系统的功率分布模型，分析了不同速 率分组头的提取效果，讨论了系统参数对系统性能的影响，进行了系统参数的优化。 第四章提出一种基于s o a m m i 的新型光分组头和净荷分离方案。同时实现了分组头的提取和 净荷的提取，分析了不同速率分组头的提取效果，讨论了系统参数对系统性能的影响进行了系统参 数的优化。 第五章为全文总结，包括取得的成果，存在的不足及今后的改进工作。 参考文献 【1 】i t u tr e c o m m e n d a t i o ni 1 2 2 ，t r a m e w o & f o rf r a m em o d eb e a r e rs e r v i c e s ”，f e b 1 9 8 8a n d m a r 1 9 9 3 【2 】l t u - tr e c o m m e n d a t i o nq 9 2 2 ，“i s d nd a t al i n kl a y e rs p e c i f i c a t i o nf o rf l a m em o d eb e a r e r5 e r v i c e s ，f e b 1 9 9 2 【3 】i t u - tr e c o m m e n d a t i o nq 9 3 3 , d i g i t a ls u b s c r i b e rs i g n a l l i n gs y s t e mn o 1 ( d s s1 ) - s i g n a l l i n gs p e c i f i c a t i o n sf o rf r a m em o d es w i t c h e da n dp e r m a n e n tv i r t u a lc o n n e c t i o nc o n t r o la n ds t a t u sm o n i t o r i n g , o c t 19 9 5 【4 】i t u - tr e c o m m e n d a t i o n1 4 31 ， p r i m a r yr a t eu s e r - n e t w o r ki n t e r f a c e - l a y e rls p e c i f i c a t i o n , m a r 1 9 9 3 【5 】 w i l d e r ss j ，“f r a m e r e l a ya n dc e l lr e l a y ：t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w ot e c h n o l o g i e