（光学工程专业论文）光分组交换中副载波标签和竞争解决技术的研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 光纤通信技术的发展使得单根光纤的传输速率超过了十t b s ，这就要求基 于光电光转换的路由器需具有巨大的存储容量和高速的信号处理能力。在电子 处理速率和光纤传输速率失配的情况下出现了制约光网络发展的电子瓶颈。光 分组交换以其较小的交换粒度，高速的交换速度，对各种上层协议的支持成为 解决光网络电子瓶颈的最理想方案。本文将对光分组交换中的副载波标签的处 理技术和竞争解决技术进行研究。 在副载波标签处理技术的研究中，首先在理论上分析了各种副载波标签光 分组在m z i 外调制器上的产生方案，并提出了一种三分支波导结构的单边带副 载波标签光分组产生方案。研究发现必须采用副载波标签和净荷分开产生的技 术，否则都存在标签对净荷或净荷对标签的干扰。接着进行了采用f b g 分离副 载波标签和光净荷的仿真实验，验证了使用光滤波器分离副载波标签和净荷的 可行性。最后进行了基于波导结构的c h e b y s h e vi 型、c h c b y s h v vi i 型、椭圆型 和b u t t e r w o r t h 型a r m a 光学滤波器的设计和仿真实现。 在竞争解决技术的研究中，首先对反馈f d l 结构的竞争解决方案进行了 理论分析，推导出了在两个优先级下的系统丢包率和平均时延公式，并对系统 丢包率、平均时延与负载、输入光纤端口数和f d l s 数目的关系进行了数值计 算。结果表明：反馈f d l 结构在低负载时对丢包率的改善非常明显，对高负载 的改善却十分有限。并且随着f d l 数目的增加，对系统丢包率的改善不会趋于 一个极限值，这是与采用波长转换器进行竞争解决方案的不同之处。反馈f d l 结构的交换系统的平均时延随着负载的增大而增大；在低负载时，随着输入光 纤数的增加而增大，而基本不随f d l s 数的变化而变化；在高负载时，随着输 入光纤数的增加而减小，而随着f d l s 数的增加而增大。 其次对s p c 、s p l 和s p n 三种共享波长转换器结构的竞争解决方案进行 了理论分析和数值计算，结果表明：s p c 结构的丢包率是s p l 和s p n 结构丢 包率的极限。s p c 的丢包率随着波长数的增加而下降，但低负载下降的幅度要 第i 页 电子科技大学硕士论文 大，高负载下降的幅度要小。s p c 的丢包率随着输入光纤数的增加，小幅度增 加。s p l 结构中，系统丢包率接近极限值时需要的共享波长转换器的数目随着 负载的增加而减小。在s p n 结构中，共享波长转换器的数目从0 开始增加时， 首先改善的是低负载的丢包率，当低负载的丢包率接近极限后，开始明显改善 中负载的丢包率，最后改善高负载的丢包率。在相同的波长转换器数目( 没有 达到极限值) 的时候，s p n 结构的丢包率低于s p l 的丢包率，并且在接近极限 值时，s p n 结构所需要的波长转换器数目也小于s p l 结构所需要的波长转换器 数目。 关键词：光分组交换，副载波标签，竞争解决，光滤波器 第i i 页 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n ，t h e d a t ar a t eo f t r a n s m i s s i o nh a se x c e e d e d 】o t b so na s i n g l e f i b e r i tf o r c e st h et r a d i t i o n a l o p t i c a l e l e c t r i c a l o p t i c a lr o u t e rt oh a v eh u g ec a p a c i t yo f r a ma n dh i g h s p e e ds i g n a l p r o c e s s i n ga b i l i t y w h e n t h ee l e c t r o n i cp r o c e s s i n gs p e e dc a nn o tm a t c ht h ed a t ar a t e o ft r a n s m i s s i o ni nf i b e r , t h ee l e c t r o n i cb o t t l e n e c ka p p e a r st h a tr e s t r i c t st h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r k o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gb e c o m e sab e s ts o l u t i o n o fc o n q u e r i n ge l e c t r o n i cb o t t l e n e c ko w i n gt os m a l l e rs w i t c h i n gg r a n u l a r i t y , h i 曲e r s w i t c h i n gs p e e d a n dt h es u p p o r tt ot h eu p p e r p r o t o c 0 1 i n t h i sp a p e r , t h e t e c h n i q u eo f s u b c a r r i e rl a b e lp r o c e s s i n ga n dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni no p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gw i l l b es t u d i e d i nt h ep a r to fs u b c a r r i e rl a b e lp r o c e s s i n g , s e v e r a lk i n d so ft h es c h e m e st h a tt h e o p t i c a lp a c k e t sw i t hs u b e a r r i e rl a b e la r eg e n e r a t e do n m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r m o d u l a t o r s ，a r ea n a l y z e di nt h e o r y an o v e ls c h e m eo fo p t i c a lp a c k e tg e n e r a t i o n b a s e do nt h r e e b r a n c h w a v e g u i d e s i s p r o p o s e d t h a tr e a l i z e s s i n g l e s i d e b a n d m o d u l a t i o no fs u b c a r r i e rl a b e l a l lo ft h es c h e m e se x c e p tt h a tt h ep a y l o a da n d s u b c a r r i e rl a b e la r eg e n e r a t e ds e p a r a t e l y , p r e s e n tt h em o d u l a t i o no fp a y l o a dt o s u b c a r r i e rl a b e lo rs u b c a t r i e rl a b e lt op a y l o a d as i m u l a t i o nj sp e r f o r m e dt h a tt h e p a y l o a da n d s n b c a r r i e rl a b e la r es e p a r a t e db yf i b e rb r a g gg r a t i n g t h es u c c e s so ft h e s i m u l a t i o nv e r i f i e st h em e t h o do fs e p a r a t i n gt h ep a y l o a da n ds u b c a r r i e rl a b e lb y u s i n ga no p t i c a lf i l t e r ak i n do f a r m a o p t i c a lf i l t e rb a s e do nw a v e g u i d e s t r u c t u r e i ss t u d i e d s o m eo p t i c a lf i l t e rm o d e l s ，s u c ha sc h e b y s h e v ，e l l i p s ea n db u t t e r w o r t h ， a r ed e s i g n e dm a ds i m u l a t e d i nt h ep a r to fc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ，t h es c h e m eb a s e do nf e e d b a c kf i b e rd e l a y l i n e si sa r a a l y z e di nt h e o r y t h ef o r m u l a t i o n so fp a c k e tl o s sp r o b a b i l i t ya n da v e r a g e d e l a vt i m ei nt h i s s c h e m ea r ed e d u c e dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tp a c k e t l o s s p r o b a b i l i t yi sr e d u c e d i nl o wt r a f f i cl o a dl - a o r em p i d l yt h a ni nh i 曲t r a f f i cl e a dw i t h 第j i i 页 电子科技大学硕士论文 t h ei n c r e a s i n go ft h en u m b e ro ff d l s t h e r ei sn ol i m i to f p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y w h e nt h en u m b e ro ff d l si n c r e a s e s ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h ec h a r a c t e ro f c o n t e n t i o nr e s o l u t i o nw i t hw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n t h ea v e r a g ed e l a yt i m ei n c r e a s e s w i t ht h ep a y l o a d w h e nt h el o a di sl o w , t h ea v e r a g ed e l a yt i m ei n c r e a s e sw i t ht h e n u m b e ro f i n p u tf i b e r sa n d h o l d sw i t ht h en u m b e ro ff d l s w h e nt h el o a di sh i g h ， t h ea v e r a g ed e l a yt i m ed e c r e a s e sw i t ht h en u m b e ro f i n p u tf i b e r sa n d i n c r e a s e sw i t h t h en u m b e ro ff d l s i na n o t h e rp a r to fc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ，t h es c h e m e so fc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n w i t h w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，s p c ( s i n g l e p e r - c h a n n e l ) ，s p l ( s h a r e p e r l i n k ) a n d s p n ( s h a r e - p e r n o d e ) a r ea n a l y z e d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p a c k e t l o s s p r o b a b i l i t yo f s p ci st h el i m i to fs p la n ds p n t h ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yo fs p c r e d u c e sw i mt h ei n c r e a s i n go ft 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 s b u tt h ep a r to f l o wt r a f f i cl o a dr e d u c e sm o r er a p i d l yt h a nt h a to fh j 恸t r a f f i cl o a d t h ep a c k e tl o s s p r o b a b i l i t yo f s p ci n c r e a s e ss l o w l yw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h en u m b e ro f i n p u tf i b e r s t h en u m b e ro f w a v e l e n g t h c o n v e r t e r st h a tt h es c h e m eo fs p ln e e d sw h e nt h ep a c k e t l o s sp r o b a b i l i t ya p p r o a c h e st ot h el i m i t ，t h ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yo fs p c ，r e d u c e s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et r a f f i cl o a d w h e 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 s i n c r e a s e sf r o mz e r o ，t h ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yo fs p n f i r s t l yr e d u c e sr a p i d l yi nt h e p a r to fl o wt r a f f i cl o a d ，b u ts l o w l yi n t h ep a r t so fm i d d l ea n dh i g ht r a f f i cl o a d s w h e nt h en m n b e ro f w a v e l e n g t hc o n v e r t e r si n c r e a s e st oa c e r t a i nv a l u e ，t h ep a c k e t l o s sp r o b a b i l i t ya p p r o a c h e st ot h el i m i ti nt h ep a r to fl o wt r a f f i cl o a da n db e g i n st o r e d u c er a p i d l yi nt h ep a r to fm i d d l et r a f f i cl o a d w h e nt h en u m b e ro fw a v e l e n g t h c o n v e r t e r si n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y , t h ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yb e g i n s t or e d u c e r e l a t i v e l yr a p i d l yi nt h ep a r to fh i g l lt r a f f i cl o a d t h ep a c k e t l o s sp r o b a b i l i t yo fs p n i sl e s st h a nt h es p li nt h es a m en u m b e ro fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r s t h en u m b e ro f w a v e l e n g t hc o n v e r t e r st h a tt h es p n n e e d sw h e nt h ep a c k e tl o s sr a t ea p p r o a c h e st o t h el i m i t i sl e s st h i n t h a tf o rt h es p l k e yw o r d s ：o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ，s u b c a r r i e rl a b e l ，c o n t e n t i o n r e s o l u t i o n ， o p t i c a lf i l t e r 第i v 页 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：萆l l 日期：埘巧年；月2 占日 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：每r - 纽一 导师签名： 日期：2 p 口占年岁月2 3 日 电子科技大学硕士论文 1 1 研究背景 第一章引言 光纤通信的诞生是通信史上的一次重要革命，它提供了比电子和微波通信 高的带宽和良好的抗干扰能力，是电子通信到光电子通信的一次质的飞跃。从 1 9 7 0 年美国康宁公司开发出世界上第一根衰减为2 0 d b k r n 的光纤至今，光纤通 信技术实现了从光发射机、传输光纤到光接收机中各项技术的改进。在室温下连 续工作的可调谐半导体激光器、4 0 g b s 的外调制技术、损耗为0 2 d b k m 的色散 位移光纤( d s f ，d i s p e r s i o ns h i f t e df i b e r ) 、对c 波段进行放大的掺铒光纤放大 器( e d f a ，e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 和对s 、c 和l 波段进行放大的光纤 拉曼放大器( r a m a na m p l i f i e r ) 、色散补偿技术、上百个波长的复用和解复用技 术、波长转换技术、低噪声和高响应带宽的p i n 和a p d 光电探测器及其突发接 收电路，上述技术的发明和实用使年导光纤通信褥到了广泛的应用。2 0 0 1 年前后 日本n e c 和法国阿尔法特公司分别实现了总容量为1 0 9 t b s ( 2 7 3 4 0 g b s ) 和 1 0 ，2 t b s ( 2 5 6 x 4 0 g b s ) 的传输容量。 但几十年光纤通信技术的发展，只是实现了光波作为一种很好地进行信息 传递的载波，在对光信息的处理上，还不能实现随机存储和逻辑处理，不得不经 过光电转换，在电域进行处理。虽然电子技术的发展，使得处理器的频率达到了 数十g h z ，但相对于光波承载信息的带宽5 0 t h z ( 1 5 5 i - t m 波长附近2 5 t h z ，1 3 “r n 波长附近2 5 t h z ) 来说是远远不够的。几十年光纤通信技术的发展，只是实现 了点对点高带宽、低误码的通信，而未解决在一个通信网络中各节点对光信号的 处理和对分组的路由和交换功能。也就是说，现在的光网络是一个光传输、电交 换的网络。 从点对点的通信到光网络，是光纤通信技术发展的重要演进。现在的光网 络按照交换方式可以分为光路交换( o c s ，o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 网络，光 突发交换( o b s ，o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) 网络和光分组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e t 第1 页 电子科技大学硕士论文 s w i t c h i n g ) 网络 1 】。 光路交换网络有广播选择网( b r o a d c a s ta n ds e l e c tn e 柳o n ) 和波长路由网 ( w a v e l e n g t h r o u t e d n e 铆o n ) 两种。广播选择网采用星形、总线形或环形的拓 扑结构，发射端以广播形式发送，接收端有选择的滤波器接收属于自己的波长通 道，如f d d i ( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ) 网络就是双环结构的广播选择网 络。波长路由网在各段传输光纤中选择互不相交的波长作为光通道，并通过波长 选择或转换来实现路由功能。因此波长路由网络中主要要研究的是在给定的通道 数目和波长数下，如何分配波长，如何建立通道以尽可能多地建立光网络路由， 即路由和波长分配问题( r w a ，r o u t i n ga n d w a v e b a n d a s s i g n m e m ) 。这两种网络 都是以波长为最小的传输和交换单位。光路交换网中的光路由器要实现波长的交 叉连接、业务的上下路和波长转换等功能，按结构可以分为：电交叉路由器 ( e l e c t r i c a lw a v e l e n g t hr o u t e r ) 、混合波长路由器( h y b r i dw a v e l e n g t hr o u t e r ) 和 全光波长路由器( o p t i c a lw a v e l e n g t hr o u t e r ) 。 光突发交换【2 3 1 是一种以突发包为交换粒度的交换形式。在光突发交换网络 中将网络节点分为边缘节点和核心交换节点，如图1 1 所示。在光突发交换网络 中，边缘节点作为交换网络和客户网络的接口，对客户网络中需要交换的分组按 照目的地址和q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 汇聚成一个大的突发包，并由边缘节点 向光突发交换网络先发送b h p ( b u r s th e a dp a c k e t ) ，延迟一段时间后发送突发 图1 1o b s 和o p s 网络结构图 第2 页 电子科技大学硕士论文 包。在b h p 中含有了突发包的延迟时间，突发包的长度等信息。核心交换节点 接收到b h p 后，经过光电转换，由核心节点的控制模块为延迟到达的突发包配 置交换矩阵，并向下游节点发送b h p 。突发包到达核心交换节点后，透明地通 过已配置好的光交换矩阵，直接向下游节点传输。当突发包到达目的地址所在客 户网络相连的边缘节点后，由该边缘节点将突发包拆成原分组，发到客户网络中。 光突发交换采用资源预留协议( r s v p ，r e s o u r c es e l - v a t i o np r o t o c 0 1 ) ，具体有j e t ( j u s te n o u g ht i m e ) 协议，d e r ( d e l a y e dr e s e r v a t i o n ) 协议和d i r ( d i f f e r e n t i a t e d r e s e r v a t i o n ) 协议。光突发交换既充分利用了电子技术的处理能力，又避免了对 光分组在交换节点的光电转换，是一种从光路交换到光分组交换的过渡阶段。 光分组交换是分组直接在光域内实现路由和交换的光交换形式，具有最小 的交换粒度，是最理想的光交换形式。光分组交换网络中的节点也分为边缘节点 和核心交换节点，如图i i 所示，多采用通用多协议标签交换( g m p l s ， 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 ) 协议。在边缘节点为客户网络输入的 分组分配和加载标签后，发送到光分组交换网络中，核心交换节点通过标签转发 表更新标签并转发光分组。当光分组到达边缘节点后，由边缘交换节点去除标签， 将分组发送到客户网络。 19 9 5 年美国的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 yl i n e s ) 项目1 4 j 采用副 载波复用( s c m ，s u b c a r r i e r m u l t i p l e x i n g ) 分组头，并引入了解决多个分组同时 竞争一个输出端口的交换延迟线( s d l ，s w i t c h e dd e l a yl i n e ) 方案，如图l 一2 所示，实现了8 0 m b s 分组头和2 4 8 8 g b s a t m 信元的交换。 , s e m i + q 孵, - 4 a l i t j c s o a ) 图i - 2c o r d 项目中前馈s d l 结构图 n - - f f 欧n na t m o s ( a t mo p t i c a ls w i t c h i n g ) 项目5 】实现了带波长转换 第3 页 黼糯一 电子科技大学硕士论文 的2 0 g b s a t m 信元交换。该项目的光分组格式采用串行序列光分组头( o p t i c a l p a c k e th e a d e r ) 和净荷( p a y l o a d ) 结构，在分组头和净荷之间存在保护带( g u a r d t i m e ) 。该项目的光交换结构采用波长广播选择交换结构，并引入了波长转换和 f d l 进行竞争解决，如图1 - 3 所示。该项目还提出了一种环形结构的f d l 缓存 结构，如图1 4 所示。 卜忑磊磊i f 面磊忑i 忑一卜忑孟忑刊 a ( 0 ) i夕f n 7 f 1 n 1 、l l 囱 一opk、i|ulaje | e l e c t r o n i cc 。1 1 i r 。1 囱 知厕用防七了胗 c o n v e r t e r 图1 3a t m o s 项目a t m 信元光交换结构 图1 4a t m o s 项目提出的环形f d l 结构 器 1 9 9 7 年欧洲的k e o p s 项目嘲采用广播选择交换结构，如图1 - 5 所示，实现 了串行6 2 2 m b s 分组头和1 0 g b s 净荷的交换。该项目的分组格式采用串行序列 结构。 1 9 9 8 年美国的o p e r a 项目m 采用副载波复用( s c m ) 标签和阵列波导光 第4 页 仍 仍 瓣蛋一勤 s 一& 一闷均鼹 一弱一 电子科技大学硕士论文 眨 ； | 一 曲 由 |魍蓦剥龆 w w e m g m l o u p i e r ( i 船s ( i y # 1 1 玎 图i - 5k e o p s 项目的广播选择光分组交换结构 图1 6o p e r a 项目中的副载波标签光分组 产生方案原理图 栅( a w g ) ，并采用半导体光放大器 的交叉增益调制波长转换技术 ( x g m w c ) 实现标签擦除，采用半 导体光放大器的交叉相位调制波长转 换技术( x p m w c ) 实现标签的更新， 完成了10 0 m b s 标签和2 5 g b s 净荷 的交换。图1 6 是o p e r a 项目中的 副载波标签光分组产生方案原理图； 图1 7 是o p e r a 项目中的副载波标 签的擦除和更新方案原理图。 1 9 9 9 年欧洲的w a s p n e t 项目佯1 也采用副载波复用( s c m ) 标签，但和净荷分开，串行传输而不将标签信号和净 荷信号混合传输，并在阵列波导光栅的输入和输出端加上可调谐波长转换器，来 实现交换功能，完成了2 5 g b s 净荷的交换。图1 - 8 是该项目提出的a w g 和反 馈f d l 光分组交换结构图。 2 0 0 2 年欧洲的d a v i d 项目 9 1 对3 r 全光再生进行了研究，实现了2 5 g b s 分组头和1 0 g b s 净荷的交换。该项目中的光分组结构为一个分组头带几个净荷 的结构。图1 9 是该项目中的全光3 r 再生结构图，图i - 1 0 是该项目的光分组交 换结构图。 第5 页 电子科技大学硕士论文 x g h ls o a w c x p ti n t e r f e r o m e l l r i cs o a w c 图1 7o p e r a 项目中的副载波标签的擦除和更新方案原理图 p a y l o a dw i f l l n c w s ( m h c a d e t ( k 。) 图1 - 8w a s p n e t 采用的a w g 和反馈f d l 光分组交换结构图 图1 - 9d a v i d 项目中的全光3 r 再生结构图 第6 页 电子科技大学硕士论文 ， 3 r ，m 栅u l t i p 州l e x 蝴c o u p l e r 。s r e g e n 疃鳓n r e 3 9 张e n ，a m p | i f & s h u 拜i e黑鬟竺“ 图1 1 0d a v i d 项目的光分组交换结构图 1 2 光分组交换中的关键技术 图1 1 1 是同步光分组交换基本原理图【l “。由于各种竞争解决的差别比较大， 既可以在光分组进入交换矩阵之前，也可以在光分组出交换矩阵之后，而且采取 的结构各不相同，故图1 1 1 没有给出竞争解决单元。对于异步光分组交换结构， 光分组在输入光交换矩阵之前不需要同步。 由图1 1 1 可以看到光分组交换中的关键技术有光分组的产生，光标签的提 取、擦除和写入，光分组的同步，光交换矩阵，光分组的再生等，此外，光分组 的竞争解决也是光分组交换中必须解决的关键技术。 厂丽f 1 丽订 图1 1 1同步光分组交换基本原理图 第7 页 r。，k 1 电子科技大学硕士论文 1 2 1 光分组的产生 光分组的产生包括光标签和光净荷的产生。 光标签的形式是区分不同光分组交换最显著的标志。光标签的产生、提取、 擦除和写入是光分组交换最核心的部分。由于目前在光域内处理光标签还十分不 成熟，因此对光标签的处理还必须经过光电转换，在电域内进行。光标签的形式 基本上可以分为带内和带外两种。带内方式使标签与净荷都以基带方式调制，为 了便于对标签的处理，标签的调制速率选择相对较低，处在分组的头部，在时域 上与净荷分开。这种方式大大降低了信道的有效速率，并且需要精确的同步，通 1 过半导体光门来擦除光标签和光耦合器写入新的标签。带外的方式采用在频域上 分离标签和净荷，在时域上则两者同时发送。带外的方式有副载波形式、双波长 形式、附加调幅、频移键控( f s k ) 和差分相移键控( d p s k ) 等形式。副载波 形式将标签调制到副载波上并与净荷信号合成后共同调制到光波上去，在频域上 标签信号与净荷信号分离。双波长形式采用独立的一个波长信道来传输标签，这 造成了波长的浪费，并且由于色散的影响，标签和分组不能同步到达，给光交换 的控制带来困难。文献 1 1 介绍了一种附加调幅的光标签方案。该方案采用数据 率相对较低的标签信号对净荷信号直接进行a s k 调制，为了减小标签信号与净 荷信号的串扰，应对净荷信号进行编码以减小净荷信号的低频分量，也使得标签 信号与净荷信号在频域上分开。f s k 标签对光波频率进行编码，使得标签信号的 传号和空号分别在不同的光波频率上，在交换节点通过中心频率为传号光频的光 滤波器就能解调出标签信号。文献 1 2 采用d f b 激光器和电吸收调制器( e a m ， e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r ) 结构实现了3 1 2 m b s 的f s k 标签，并对f s k 调制 的标签信号进行了1 0 g b s 净荷的强度调制。文献 1 3 采用f p l d ( f a b r y p e r o t l a s e rd i o d e ) 的双波长注入锁定( d w i l ，d o u b l ew a v e l e n g t hi n j e c t i o nl o c k i n g ) 技 术实现了25 g b s d p s k 标签的调制和擦除，并通过非对称马赫一曾德干涉仪 ( m z i ) 结构实现了对标签信号的解调。 1 22 光标签的提取，擦除和写入 当光分组到达交换节点时，为了获得分组的路由信息，必须提取光标签信 第8 页 电子科技大学硕士论文 息来完成对交换矩阵和竞争解决单元的设置。 对带内光标签的处理，需要用1 2 光耦合器，提取出一部分光分组信号， 经过光电转换，提取其光标签部分，作为路由控制信息和对旧光标签的擦除控制 信息；从光耦合器输出的另一部分光分组信号，输入半导体光门，在时间上准确 地控制半导体光门的注入电流，擦除旧光标签信号；为了写入新的光标签，需要 在输出端，用2 x i 光耦合器在旧标签的位置耦合入新的光标签。因此带内光标签 的提取、擦除和写入对电子控制电路和光学器件的响应速率要求较高。 对于带外的光标签的处理，按照光标签的形式不同分为两种情况。对于双 波长或副载波光标签可以采用光学滤波器( 如光纤布拉格光栅f b g ) 在频域上 分离标签和净荷【l ，在完成光标签提取的同时，擦除旧的光标签信号。对于附加 调幅光标签的提取，采用类似带内信号的处理方式，用光耦台器提取出一部分光 分组信号，经过光电转换和电域滤波提取出标签信号，将耦合器的另一部分光信 号输入半导体光放大器。半导体光放大器的注入电流为标签信号的反信号，以使 得半导体光放大器的增益变化按输入光标签的反信号变化，实现擦除旧标签的功 能。在输出端，采用直接对擦除了旧光标签信号的光净荷信号进行a s k 光标签 调制，即实现了新光标签的写入。f s k 标签可采用利用半导体光放大器( s o a ， s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ) 的交叉相位调制( x p m ，c r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ) 的m z i 结构来进行标签的擦除，并使用四波混频( f w m ，f o u r w a v e m i x i n g ) 技 术实现新标签的写入 1 5 】。d p s k 标签的擦除可使用f p 。l d 来实现13 1 ，写入可用 相位调制器实现。 1 2 3 光分组的同步 为了保证在改变光交换矩阵状态时不截断正经过交换矩阵的光分组，即避 免交换过程中出现截尾现象，希望分组的长度为定长，且分组在进入交换矩阵时 必须同步。同步信息的获取由标签到达的时刻差来获得，并由交换控制器控制同 步器实现来自不同信道光分组的同步。同步可分为粗同步和精同步。粗同步可 采用2 x 2 光开关和光纤延迟线级联结构来实现。精同步可利用色散效应来实现。 第9 页 电子科技大学硕士论文 1 2 4 光交换矩阵 光分组交换的对象是处于不同光纤或同根光纤的不同波长信道的分组。因 此在进行交换之前需先进行波长解复用，分离出不同的波长信道输入交换矩阵。 光交换矩阵的结构主要有以下三种： 由2 2 光开关构成的多端口的交换矩阵，常见的结构有c r o s s b a r 、b e n e s 、 s p a n k e b e n e s 、s p a n k e 等1 1 7 1 。衡量此类光交换矩阵的性能指标有：最少2 x 2 光 开关的数目，各端口损耗是否均衡，是否存在波导之间的交叉及阻塞特性等。 对于单个2 x 2 光开关按工作原理可分为：机械型( 如m e m s ) 、电光开关型、热 光开关型、声光开关型、磁光开关型及气泡光开关型。2 x 2 光开关的性能指标有： 交换速度、插入损耗、串音、消光比及偏振相关损耗。其中只有电光开关的交 换速度能达到纳秒量级。 广播选择交换结构，将光交换矩阵每个输入端的光分组信号广播到光交 换矩阵的每个输出端口，用输出端口的光门决定哪个光分组被选择输出【1 8 】。这种 结构要求光耦合器的数目多，而且造成光功率的损耗大。该结构的优点是能够实 现组播和广播功能。 波长选择交换结构，让光交换矩阵每个输入端的光分组通过可调谐波长 转换器，根据标签信息进行波长转换。转换后的光分组输入n n 阵列波导光栅， 利用n x n 阵列波导光栅的波长选择能力将相应波长的光分组衍射到相应的输出 端口上。在光交换矩阵的输出端，通过固定的波长转换器将光分组转换到光纤信 道中相应的波长_ k t ”】。 1 2 5 光分组的竞争解决 在一次交换过程中，当两个或两个以上的分组需要同时从同一个端口输出 时将产生端口竞争，因此需要考虑竞争解决。为了避免分组的丢失，在按照优先 级输出一个分组外，其余的分组的处理有以下几种 2 0 l ： 波长转换：通过波长转换将竞争的光分组转移到输出光纤的另外一个波 长上。使用波长转换器解决端口竞争，不会带来时延和对到达分组重新排序的问 题。波长转换器在交换结构中的使用方式和波长转换器的数目是系统设计的重要 第1 0 页 电子科技大学硕士论文 指标。目前的波长转换器不能实现全波长变换，文献 2 1 对有限波长转换器在光 交换系统中的使用进行了研究。 光纤延迟线( f d l ，f i b e rd e l a yl i n e ) ：光纤延迟线的结构有前向型 2 2 j f 2 3 】 和反馈型2 4 i 2 5 两种。在前向型中，对竞争的分组缓存不同的时间以消除其在时 间上的重叠；在反馈型中，对竞争的分组反馈回交换矩阵的输入端，重新进行交 换。 偏射路由( d e f l e c t i o nr o u t i n g ) 【2 6 ) 【2 7 ：在一个端口发生竞争时，从另外一 个端口输出。这种方式的效率主要取决于网络拓扑结构。常见的两种网络拓扑结 构是洗牌网( s h u f f i e n e t 2 8 1 ，如图1 1 2 所示) 和曼哈顿街网( m a n h a t t a ns t r e e t2 9 1 ， 如图1 1 3 所示) 。在这两种网络拓扑中，每一个节点都有两个输入端口和两个输 出端口。每一个节点都有能力处理过路分组和本地的生成或终结分组。 由于竞争解决对分组的处理，有可能打乱分组原来的次序，在终端需要对 分组进行排序。此外对于不同的业务类型还需要考虑不同的优先级和不同的竞争 解决措施。 0 , 7 ： 埝 人 仓 。介 。( o j 卜 v 丫 u ii i 叫1 oj 一 。炒 呻( 1 , 2 卜 v啼妙 l i 人 l 4 2 ，o 卜”( 2 1 卜 眇峰u yu i l t 人 。介。 3 , 2 卜 vv 图1 1 23 8 的s h u f f i e n e t 网络拓扑图图1 1 34 4 的m a n h a t t a n 网络拓扑图 1 2 6 光分组的再生 光净荷在交换过程中，分束器和插入损耗会造成光功率的损耗，光开关的 串音和半导体光放大器的自发辐射噪声会引入噪声，光学滤波器使光脉冲信号发 第1 1 页 _三一|-叫恻一，则讲=州，一州= 电子科技大学硕士论文 生畸变，因此需要对光分组信号进行再生处理。在光纤通信中，再生的方式有 1 r ：功率放大；2 r ：功率放大和脉冲整形；3 r ：功率放大、脉冲整形和时钟恢 复3 0 】 ”1 。采用何种再生方式应根据采用光标签的形式和交换节点的结构而定。 由于具有放大光信号和非线性效应的功能，s o a 成为2 r 和3 r 的主要研究方向 3 2 1 3 3 1 。 1 3 论文工作安排 光