（物理电子学专业论文）ipwdm光网络传输损伤评估和仿真软件的研制.pdf

东南人学坝卜学位论文 摘要 摘要 波分复川( w d m ) 技术的发展推动了卜一代的通信网络的结构体系的变革。1 p 数据业务对带 宽的巨人需求和w d m 系统对带宽的巨大供给促成了i p 与w d m 系统的结合。i po v e rw d m 网络体 系的发展需要灵活、可靠、实时的网络管理控制技术来发挥光网络的优势。由于光网络物理结构本 身导致的信号传输损伤，使得作为网络管理与控制关键技术的节点管理技术在进行路由与波长分配 时必须考虑物理层的特性，以保证网络的可靠性与服务质量。光信号的传输损伤来源于光纤色散、 1 f 线性效应、偏振模色散、节点串扰、放大器噪声等，对传输损伤的评估需要建立光信号与各个网 络器件的模型。本文致力丁研制基于元件库的w d m 光网络高速光信号传输损伤综合评估软件，重点 建立了光纤、掺饵光纤放大器( e d f a ) 、光发射机、接收机等网络器件的虚拟元什库结构平u 模型，给 山了点到点的物理层链路波形、误码率特性评估方法，编制了物理层传输损伤仿真软件，同时实现 了幽形化州户界面。 第章首先简述了光网络技术的发展概况，重点介绍了光网管理与控制的系统构架、波k 分配 j 路由技术，以及网络中主要器件引入的传输损伤。第二章较为详细分析了光纤中引起传输损移j 的 各种效应，如色散、自相位调制、交叉相位调制、四波混额等，采用数值计算的方法，建立了对光 纤性能的评估方法构成了光纤元件库框架。第三章讨论了各种对e d f a 增益与噪声特性的评估方 法t 总结了关丁e d f a 的建模技术，通过合理假设与简化，得出了实用e d f a 性能评估模型，给出 了e d f a 元件库。第四章将网络元件的模型设计成具体的软件模块，构成虚拟的元件库，从系统的 角度t 提出了完整的物理链路性能的评估方法，在此基础上按照软件l ：程思想设计了光网路物理层 的仿真软件。第五章基于已研制的软件，模拟和仿真了在通常配置条4 - t ：f 的光链路中波形的传输特 点，计算了链路误码率特性，得出了与现有文献数据较为一致的结果，从而验证软件的可行性羽实 川性。第八章主要介绍对网络传输损伤直接补偿技术一一光3 r 技术的调研结果。 关键词：光网络，传输损伤，元件库软件设计，光3 r 东南火学顾l 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t r e v o l u t i o no ft h en e x tg e n e r a t i o nt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r e sh a sb e e nb r o u g h tw i t ht h e d e v e l o p m e n to fw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e a i n g ( w d m ) t e c h n o l o g y t h eg r e a td e m a n df o rb a n d w i d t hb y 【pd a t as e r v i c e sc a nb es a t i s f i e d b yt h eb r o a d e nb a n d w i d t hf r o mw d ms y s t e m ，s ot h a tm a d ef o rt h e c o m b i n a t i o no fi pw i t h w d m b u i l d i n gi po v e rw d mr e q u i r e sf l e x i b l e ，r e l i a b l ea n dr e a l t i m en e t w o r k m a n a g e m e n t a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , i no r d e rt op e r f o r mt h ei m p o r t a n tf u n c t i o n so f o p t i c a ln e t w o r k i nt h e m o s te f f e c t i v ew a y d u et ot r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t sc a u s e db yt h ep h y s i c a ll a y e r , r o u t i n ga n d w a v e l e n g t h a s s i g n m e n ta l g o r i t h mf o rn e t w o r km a n a g e m e n tm u s tt a k et h ep e r f o r m a n c eo f p h y s i c a ll a y e ri n t oa c c o u n ti n o r d e rt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo f n e t w o r ka n dt h e q u a l i t yo f s e r v i c e s t r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t so r i g i n a t e f r o mc h r o m a t i cd i s p e r s i o ni nf i b e r s ，n o n l i n e a re f f e c t s ，p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n ，n o d ec r o s s t a l k ，n o i s e i n t r o d u c e db yo p t i c a l a m p l i f i e r s ，e t c t h ee v a l u a t i o no ft r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t sr e q u i r e sm o d e l i n go f e v e r yn e t w o r kc o m p o n e n t t h es i m u l a t i n gm o d e lf o rf i b e r , e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) ，o p t i c a l s o u r c ea n dr e c e i v e rh a v eb e e ne s t a b l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo f w a v e f o r ma n db i te l q t o r p r o b a b i l i t yh a sb e e ne v a l u a t e da n dg e n e r a lm s u r sa r eo b t a i n e du s i n go u rs i m u l a t i o ns o f t w a r e i n c h a p t e rl ，t h eg e n e r a ls i t u a t i o no fo p t i c a ln e t w o r kd e v e l o p m e n ta n da r c h i t e c t u r e sa n dt h e t e c h n o l o g yo fr o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta r cb r i e f l yi n t r o d u c e d t h et r a n s m i s s i o n i m p a i r m e n t s i n t r o d u c e d b yt h em a i nc o m p o n e n t s a l e d i s c u s s e d i n c h a p t e r2 ，d e t a i la n a l y s i s o ft r a n s m i s s i o n i m p a i r m e n t si n t r o d u c e db yf i b e ri s p r e s e n t e d ，i n c l u d i n gc h r o m a t i cd i s p e r s i o n ，s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ， c r o s s p h a s em o d u l a t i o na n df o u r - w a v em i x i n g t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni sc o m p l e t e du s i n gn u m e r i c a l m e t h o d i nc h a p t e r3 ，t h et e c h n o l o g yo fe d f a m o d e l i n gi ss u m m a r i z e da n dt h em e t h o do fe v a l u a t i n gt h e g a i n a n dn o i s e p e r f o r m a n c eo fe d f ai ss t u d i e d t h ep r a c t i c a lm o d e lo fe d f ai so b t a i n e d t h r o u g h s i m p l i f y i n ga n da s s u m i n gi nc h a p t e r4 ，t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm o d e lf o rt h ew h o l ep h y s i c a ll i n ki s p r o p o s e di nt h es y s t e ml e v e lb a s eo nt h ep r e v i o u sc o m p o n e n t m o d e l s c o m p o n e n tm o d e l sa r cd e s i g n e di n t o s o f t w a r em o d u l e st oo r g a n i z et h ec o m p o n e n tl i b r a r y s i m u l a t i o ns o f t w a r ei sa c c o m p l i s h e du s i n gs o f t w a r e e n g i n e e r i n gm e t h o db a s e do nt h ec o m p o n e n tl i b r a r y i nc h a p t e r5 ，t h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a ll i n ki s o b t a i n e du s i n gt h ed e s i g n e ds i m u l a t i o n s o f t w a r e ，w h i c hv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h e s o f t w a r e o p t i c a lr e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nc h a p t e r6a sc o m p l e m e n t s k e yw o r d s ：o p t i c a ln e t w o r k ，t r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t s ，c o m p o n e n tl i b r a r y , s o f t w a r e d e s i g n ，o p t i c a l3 r i l 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：琵潍 日 期：2 堕垡：罗r ；喝 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：藿滥导师签名：盈苡 东南人学坝l 学位论文 第一牵 第一章绪论 通讯产业的巨大变化止改变着我们的日常生活。促进这些变化最重要的因素之一就是网络业务 的增k 导致对带宽的需求持续增加。不断涌现的新的通信应用，如因特网浏览、文件传输、视频点 播、视频电话、视频远程会议等使i n t e r n e t 网络的流量每4 - - 6 个月就耍翻一番“。这些业务火 部分足基于i n t e r n e t 协议( i p ) 的数据业务，然而传统的通信网络被设计成如伺有效的支持话音业 务，这样高速、人容龄的光网络作为一种最佳的宽带解决方案开始得到了极人的发展。随着波分复 j 羽( 1 v d m ) 技术与掺铒光纤放大器( e d f a ) 的成熟，光网络技术不但应用在长途干线上，还将成为构 建宽带城域网( m a n ) 、接入网及局域网( l a n ) 的主要手段 ：1 - 1 0 lo 完整的光网络设计涉及剑物理层与 网络管理层两个层次的技术。随着网络结构的演进，i po v e rw d m 是朱米光网发展的方向。5 + ，结 构的简化使得光传输物理层具有了网络功能，而管理层也同样需要考虑物理层的特性。 1 1 w d m 光网络的发展概况与系统结构 1 1 1 w d m 光网络的发展概况 光纤是一种高带宽低损耗的优良传输介质，在通信网络的物理层传输中起着举足轻重的作t i ， 而波分复川技术的发展又进一步挖掘了光纤带宽的潜力，已成为f 一代光网络的基础与信息传输的 土要平台。近年来，光网络在传输技术、网络器件、组网技术及光层标准等各个方面有了突e 猛进 的发展。 波分复用技术发展十分迅猛，单波长传输速率已经达到4 0g b i t s ，复j ； j 波长数己经突破2 5 6 个。3 2 1 0g b i t s 的系统已经在火量装备，1 6t b i t s 的系统己开始商用，而超跃距离无中继的 传输实验止不断创造着新的纪录“1 9 7 0 超大容量、密集波分复用系统的对光纤传输能力的发掘使光 网络技术的焦点转移到节点器件上来。全光交叉连接器( 0 x c ) 与分插复用器( o a d m ) 的出现使得全 光网络的实现成为可能。基于各类半导体材料的光波导高速开芙调制器什形成了新的研究热点。基 丁微电子机械系统( m e m s ) 的光开关器件由于其结构紧凑、集成度高、矩阵规模人，正日益成熟”。 由丁处丁通信业务核心地位的数据业务量本生的不确定性与不可预见性，实时、灵活、可靠的 网络控制管理技术成为光网络发挥其传输优势的关键因素。未来的光网络将是一个具备扩展性、生 存性羊设备互操作能力并可实现资源动态配置的网络。基于数据网络控制协议的可重构型光联网1 ， 第1 页共6 4 页 查塑查堂堡! 兰竺丝塞 一 羔登 点器件的开发成功，以及流量工程等技术的使用为传统的光网络引入了智能控制利管理信令，光网络 层具有了原先只能在高层实现的网络功能“4 ”1 。随着可川波长数的增加和网络灵活性的提高，人们 发现w d m 技术在提高传输能力的同时，还具有无可比拟的通过光信道直接联网的优势。光联网技术 利j _ j 波分复用和波长路由技术，将一个波跃作为一个通道，全光地进行路由选择，通过可重构的选 路1 ，点建立端到端的“虚波| 王= _ 通路”，实现源和目的之间端到端的光连接，这将使通路之间的调配和 转接变得简单干方便。 面向未来i p 业务的光网络研究已经成为各国和跨国研究计划的重点，如欧溯的a c t s 计划，c o s t 计划，美国的n g i 计划和国防部高级研究计划局( d a r p a ) 支持的h i t 、s t a n f o r d 、p r i n c e t o n 等多 所著名人学台作项目。加拿人、日本和澳大利弧等国的科研机构也正致力丁下代光网络的研究。 同时各种标准化组织也都积极致力丁二对可重构光网络的研究。”。l 。以数据业务为主导智能化的 全光互迮网和t e r a b i t 带宽是未来光通信网络体系结构的必然特征和发展趋势。 1 1 2 i p o v e r w d m w d m 技术的发展推动了f 一代的通信网络的结构体系的变革。i p 数据业务对带宽的巨大需求和 w d m 系统对带宽的巨大供给促成了i p 与w d b l 系统的结合。i p 业务可以通过异步传输模式( a t m ) 、同 步数字体系、以太网等方式加载到光网络上进行传输。随着网络技术与结构的演进，r 一代的通信 网络完全可以省去中间的a t m 和s d h 等层次，i p 业务直接加载到w d m 物理层上进行传输，即所谓的 i po v e rw d m 体系，如图1 1 。i po v e rw d m 可以减少网络设备、避免功能重叠、简化网管，降低网 络配置的复杂性，可以是额外开销降低到最低限度、提高传输效率，并提供灵活的拥塞管理，转发 分组时延可以降低到儿十微秒级”。这样，原有的网络无需增加新的物理链路就可以人人提高网络 容鼙，也便丁网络升级。但是，必须解决i p 层与w d m 层间的适配和传输链路管理问题，并进一步解 臣互三亟巫圈 第2 页共6 4 页 东南人学坝i 一学位论义 第一章 决如何保址网络可靠性和服务质量( q o s ) 的问题。 i po v e rw d m 的体系中，第一代体系的w d m 系统仅作为相邻的i p 路由器之间点到点的快速管道。 典型地，s o n e i 完成数据包头信息的帧形成与在蚓h 信道的传输。商用化的设备已经可以支持i p 加 载在点剑点的w d m 光传输系统中。这种结构的网络拓扑是同定的，网络配置是静态的，网络管理系 统是集中式的。第二代i po v e rw d m 体系中，w d m 信道是| _ i j 光交义连接器进行路由，有效提高了带 宽与路由器接口的使用效率。网络连接的可重构性，是光层引入了更多的保护、恢复机制，而消除 r 请如s o n e t 等中间层次。未来的发展方向是i p 数据包直接由w d m 数据包交换机进行光的分组交换 与传输l 。由于光逻辑处理技术与光缓存技术仍不成熟，w d m 交换技术仍然依赖丁_ 电处理来完成数 据包头对路由的控制，由此提出了各种数据交换策略，如光突发交换( 0 b s ) 、荚标签交换( o l s ) 等。 1 1 3 w d m 光网络的拓扑结构与分层模型 在w d y 光网络中，基本的连接方式可以大致分为二种。点到点的结构是w d m 全光网的基本连接 方式。环形的连接结构是通过在各个节点处接入光分插复j j i j 器，将线性结构扩展而成。相对最为复 杂的一种基本连接结构是广。播一波长选择网络结构。在这种结构中，每个节点以一个预先没定的特 定波长向外发送信息并通过被称为上行链路的光纤传输到无源星形耦合器，所有来臼网络中各个 不同点的信息在无源星形耦合器中被耦合到一起，井按照各个结点所需的光功率进行分流后，通 过r 行链路将所有信息分送到网络的各个节点。随着网络节点的增加，出现了其他的连接方式，如 树形、网孔型结构。这些基本的连接方式又构成了结构多样、复杂的w d m 光网络拓扑结构。 通常网络性能的优劣，是由实际使用的物理资源和相关支撑技术所能提供的功能以及技术发展 的水平所共同决定的。为满足网络规划和管理的需要，国际电信联合会一电信标准部( i t u t ) 提出 rg 8 7 2 参考体系，建议将光网络白上到下垂直划分为光通道层( o c h ) 、光复用段层( 0 m s ) 和光传 输段层( 0 i s ) “，如图1 2 。这体系包括了光网络提供的各种功能，如传输、复用、路由、监控 0 l n0 c h o m s 胃 0 m s i ) 1 00 7 s _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第3 负共6 4 负 rllllj，、，l m 他船 东南人学侦j 学位论文第一章 及客户信号的生存性。0 t s 层完成光信号在各种光传输媒介的传输功能，光放大器所提供的功能属 j 二此层。光复用层负责传输多波长的光信号，包括保证光信号的完整性、光复层的生存性。属于此 层的光网络元张唷波跃复用器和光纤交叉连接( f i b e rc r o s s c o n n e c t ) 。o c h 层为各种客户信号( 如 a t m 信元、i p 数据包) 提供透明的端到端光链路这层包含o x c 雨jo a d m 功能。 1 2i p w d m 节点管理技术 通信技术的发展和新业务的驱动要求传输网必须具有较强的动态性能以适应数据业务的需求， 灵活、可靠、实时的网络管理控制技术才能发挥光网络的优势。通信网络一般都是面向连接的，即 j 剞户发出具体的连接和中断的请求，由流量条件或网络故障的变化来控制选择路由、资源分配、和 比特率的变化。基丁w d m 波k 路由技术的f 一代光网络在光层使川光交换技术米实现动态资源分配 ( 波k 分再己) 、建立端到端的连接和快速恢复。光交换，包括波长上f 路和波长交换都是由o a d m 和 o x c 在光h 点( o n n ) 完成的。o n n 资源配置管理技术包括如何快速方便地实现光路由选择和波长分 配算法( r w a ) 及请求和建立光连接的信令机制，是光网络管理与控制的关键技术“”。 1 2 1 波长路由光网络的路由选择与资源分配 冈为网络中光通路的不确定性，所有波跃路由网络，除了规模较小的网络属丁：特殊情况外，都 需要在网络的节点中能够完成一些控制功能。在建立一个光连接时，由于光波疑资源的有限性，我 们必须考虑r w a 问题，即波长和路由的分配问题其核心就是如何在有限的波长资源条件f ，晟火 限度提高网络的吞吐鼙，或者说提高网络的资源利用率以改善网络的阻塞性能。波长分配包括给一 个连接分配一个可得的波艮井且把发射站和接收站调谐到给定的波艮上。而路由分配过程首先为分 配的波睦信道指定一个光通路，并通过设置网络节点中的光开关来建立这个通路。一个光通路与一 个特定的波k 有关，冈此只有先分配波跃才能建立一条通路。 解决路由的问题人致可以分为：固定路由( r f ) 、固定替换路由( f a r ) 和自适应路由( a r ) 。其 中古1 定路由是最简单的，臼适应路由最复杂但执行最佳。“。一般的路由问题夫多基于最短路径算法 通过设蓝不同的链路权重可以得山不同优化目标的算法。算法往往选择具有最人空阑容量的路由 以保证总负载平衡。 波k 分配问题的算法有随机波长分配、f i r s tf i t 、最多使用优先、虽少使 _ j 优先等2 “。在 没有波k 转换器的波疑路由网络中的波长信道分配土要受到两个限制：( 1 ) 波长连续限制，即网络 第4 负共6 4 负 查塑兰塑! ：兰些堡兰j ! 二翌 的节点对之间所建立的光路必须在其路由的所有链路上使用同一波长；( 2 ) 不同信道分配限制，即 一根光纤j 二的不同光路不能使用同一波长。如果网络中存在稀疏波k 变换器，! l l | | 在每一个包含有波 k 变换器的节点上就不存在波长连续性的限制，可以在不同的通道上分配不同的波长”72 s l o 大部分 已经提出的波k = 分配算法能够在某一方面达到网络性能的优化。 1 2 2 基于传输损伤和业务优先级划分的光网资源动态分配 实时和多媒体等新业务的出现，使得整个通信网不再是单一的“尽力传送”业务。不同的业务 对应的光路建立请求应有不同的阻塞律要求，比如对于i p 电话、视频会议、视频点播等业务应该比 文件传输等业务具有低的阻塞率。网络业务要求w d h 系统能够达到展优化以适应i p 服务、保证q o s 。 w d m 网络的发展使一个连接请求能够在源节点与目的1 ，点之间选择不同信号质挺和不同可靠性的光 通路。考虑了业务优先级的r 眦算法中，一般以保证高优先级业务具有较低的阻塞率来实现服务质 量的控制而忽略较低优先级光路建立请求的性能优化问题 2 9 - 3 a 。 不论是否考虑业务分级，常规的r w a 算法都是基丁理想物理层假设的，即任何光路的传输性能 都能满足实际的需要。通常来讲，光纤传输的信号质量相对于铜导线或无线传输要好得多，但是由 丁波氏路由光网络覆盖的地理面积很大，光信号的传输需要经过大量的中间节点和长距离的光纤段。 为使光信号能够在特定的光路传输，在中间节点，无源的交叉连接器进行光交换，虽然光电的控制 机制是有源的，但仍导致信号功率的损失。e d f a 在补偿艮距离光纤传输产生的功率损耗的同时，引 入了放人的自发辐射( a s e ) 噪卢，并且不同波长不同的放火增荫及增益饱和导致e d f a 的增葡与流 颦有关而变得不可确定。另外，光纤中的色散、交叉连接器中的串扰等都能导致光信号质量的r 降。 这些冈素统称为传输损伤 s 2 - s t l 。 传输损伤的存在，使考虑了业务分级的r w a 算法实际上并不一定能为高优先级的业务提供高质 鼙的数据传输。按照r w a 算法的某一优化准则选定的光路有可能达不到传输的要求。传输损伤的最 本质的性能指标是误码率( b e r ) ，不同的业务级别对误码率的要求也是不一样的。虽然实时点播等 业务对网络阻塞率的要求较高，但容许一定的误码率；而对实时性要求不高的业务，如文件传输等， 却对传输的准确性要求较高。所以考虑到网络业务的多样性与物理层传输性能的非理想化，我们有 必要将这两者作为路由选择与波k 分配的优化准则。 本课题组提出了一系列综台考虑业务分级与传输损伤的r 姒算法。另外也考虑了如何保证低优 先级业务留有一定的网络资源，使整个网络的整体性能在各项指标上达到一个优化，并且在路由与 波酝分配之前，对整个网络的物理层性能进行评估“。 第5 页共6 4 页 东南大学倾十学位论文 第一章 1 。3i p w d m 光网络中光信号传输损伤及评估方法 1 3 1i p w d m 光网络传输损伤的评估方法 _ 般来讲一日网络的物理结构固定下来，网络的物理性能也随之确定，每条链路的性能可以 通过测鼙来获得。但是，实际上，网络复杂的拓扑结构和链路的任意性使这种测量变得非常困难； 网络业务的随机- 性、信道负载的不确定性使光纤中传输的功率随着业务流量而随机变化。这样导致 误码率不但依赖丁物理链路，还与负载有关。如果能够事先在节点处实现对候选光路进行传输损伤 的评估，鲒台考虑了业务分级的r w a 算法。则无疑可以提高网路的整体性能。实时的网络传输性能 的评估是在对候选光路进行在线评估，这种评估方法可以考虑流嚣的影响，但相对于复杂的光网络 结构羽种类繁多的网络期间来讲，评估模型较为粗略。实际的网络性能的评估涉及大量具体网络元 什羽i 拓扑结构，精确的性能评估需要大量的计算。利用数值仿真的方法可以对光信号在网络链路中 的各个元件中的传输情况进行仿真计算，最后对误码率特性进行评估。考虑到同一光路中，其它信 道对目标信道的影响较为微弱，可以假定光纤内其它信道都存在负载。这样对于给定的光路，其误 码率特性仅与物理层相关所有路径的传输性能可以事先得到评估，并可以考虑波形等其它因素对 传输的影响。这样获得b e r 性能接近传输质量最差的情况，对于r w a 来说可以相应的调整b e r 闽 值。对丁一个复杂的网络拓扑，所有可能的光路都可以实现通过仿真的方法得出b e r 特性。仿真的 方法基本上忽略了实时性，并且当网络物理结构更新时，也需要重新计算所有新增加的光路。 对丁w d m 光网络的殴计者与管理者来说，构建实验用的网络并且对网络性能进行测嚣的代价 非常赢昂。数值模拟方法是一种经常使用的方法，两结合川户例形输入界面和各种仿真算法的计算 机软件则是特别有效的辅助l 尽。尽管w d m 光网络物理层( 点到点) 传输性能的模拟软f l 二已经商 删化了，如a r t i ss o f t w a r e 公司的o p t s i m ，o p t i w a v e 公司的o p t i s y s t e m ，r s o f l d e s i g n g r o u p 公司的 l i r 、k s i m 等，但是，这些软件的传输损伤分析模型，大都采用几年前一些文献资料给出的单独或仅 考虑2 - 3 个冈素而建立的近似解析或经验公式，然斤将各类结果简单叠加，且并没有得到完备论证 和验证。实际光网络中传输的光波( 或光脉冲) 会受到各类因素的综合影响，其最终结果绝1 几个 简单的解析式可咀表征。所以，如何全面考虑w d m 光网络中引起光传输损伤的备类因素，得到尽 可能接近网络实际的统一数值仿真模型，是w d m 光网络设计和管理中的十分关键问题，也是研制 基丁新犁资源动态分配模型的w d m 光网络：竹点管理软件的重要一步。 第6 页共6 4 页 东南人学倾1 岸位论文 第一誊 1 3 2i p w d m 网络元件对光信号的影响 网络中每一条光路的传输损伤都与构成光路的每一个元件相关完整的仿真需要对w d m 光网络 中所有的网络器件进行- r 土能分析，讨论和分析它们对光信号的影响。光网络中主要元器件有： 1 3 ，21 光源 光传输的光源还在发展中，除了一些短程的和低速的系统，几乎所有的光传输系统都是朋半导 体激光器作为光源。从发展趋势来看是激光器调制器集成光源是首选方案，并且从固定波长发展 刮波k 可调谐。现在光通信主要研制的可调谐激光器主要有利用温度调谐的分布式反馈激光器、分 布式布拉格反射( d f b ) 激光器、乖商腔表面发射激光器、可调锁模激光器等。经强度调制后的光源 在发射时，会将、p 导体激光器本身产生的噪卢平激光器与光纤之间互相作用产生的噪声带入系统， 地在计算传输损伤的时候这些噪声无需考虑。 1 3 2 2 光纤 光纤是进行光传输的主要介质，长距离光通信所t l _ j 的光纤都是最低损耗窗口在1 5 5 0 h m 附近的单 模光纤。i t u t 认可的4 种类型的单模光纤为标准单模光纤( g 6 5 2 ) 、色散位移单模光纤( g 6 5 3 ) 、 截止位移单模光纤( g 6 5 4 ) 和非零色散位移单模光纤( g 6 5 5 ) 。光纤对光信号传输的性能最为复杂， 对光纤的研究也较为透彻“。 光纤最主要的一个性能指标是损耗，虽然单模光纤在l + 作波l 王= f 损耗可以小到0 2 d b k m ，但k 距离的传输使光功率必须得到补偿。光信号脉冲在光纤中传输时，由于光脉冲不可能达到理想的单 一频率脉冲中的不同频率分量的传输速度随波长呈非线性变化，导致光脉冲在时域展宽，引起信 号畸变或码间干扰。随着传输距离的增加，色散也会累积。由于现有的光纤大部分是标准单模光纤 使= = | 色散补偿光纤( d c f ) 或色散补偿器件对色散进行补偿才能使系统适应长距离、高速率的传输。 随着w d m 信道间隔的不断减小和可用波长范围的不断扩人，光纤中的单位功率水平越来越高， 信号与光纤非线性互作用开始出现，非线性效应和色散一起成为影响高速密集波分复用系统的主要 冈素。光纤中的非线性效应包括自相位调制( s p b l ) 、义相位调制( x p m ) 、四波混频( f 州) 等。s p m 与色散相互作用导致脉冲变形：交叉相位调制引起各个波长信道之问的非线性耦台产生串扰或信 号衰减。f w l i 引起信号串扰，降低系统性能。光纤中另外的非线性效应包括受激拉曼散射和受激布 里渊散射，不在讨论之列。 单信道传输速率的提高，偏振模色散( p f f d ) 变得十分突出，p m d 导致系统误码率增加，且补偿 技术较为复杂，被认为是限制传输速率的最终田索1 。 】3 2 3 光放人器 由于光纤的衰减使得在无放大器的光纤中的最大传输距离人约是2 0 0 k m ，长距离的传输必须使 第7 页共6 4 页 东南人学坝i 一学位论文 第一章 用放人器来补偿功率的损耗。8 0 年代半导体光放人器( s o a ) 得剑了发展，但直至掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 的出现彻底变革了长距离传输系统。典型的长距离链路在光发射端、接收端各有一个、在 传输链路上有一系列的e d f a 。e d f a 主要的性能参数是放大增益与a s e 噪声。a s e 噪声在链路中积累， 并在线路中与信号一起被其它的e d f a 放人。a s e 噪声在光接收端造成误码率增加，是系统主要的传 输损伤阑素之一。 l 3 2 4 复用解复用器 复州器的作州是将空间分离的单波长信号合成i i f d m 信号，使多个波长同时在一根光纤中传输。 理想情况f ，各波长信道中的光信号经过复川器后在输出端口虑保持不变，但由丁器件性能的不理 想性，某些波长信道中的信号会以一定的比例泄漏至其它信道，从而形成串扰。解复用器的作抖3 是 将输入的w d m 信号在空间上分离为单波长信号。由于器件的隔离度有限，在输出端口还会有幅度较 小的其他波艮的信号这部分信号即为解复用器引入的串扰。 1 3 2 ，5 节点器件 光网络的1 ，点器件主耍为o a d m 和o x c 。o a o m 用在中间悼点处，火部分流量要继续传递而小部分 流量在本地节点开始或终j ( 上下路) 的情况。o a d k i 对于线性拓扑结构等简单网络结构是很有用的， 但对丁复杂的网状拓扑和多个波长的网络则需要o x c 。光信号在o a d m 与o x c 中进行传输与交换时会 产生类似m u x d e i u x 中的串扰问题，而造成信号损伤。由丁结构更为复杂，特别是o x c ，串扰的分 析比较凼难1 。 1 3 2 6 光接收器 现有的光强皮调制直接检测( i _ i d d ) 系统中，光接收机包括光检测器、前端放火器和检测电路。 通信朋的光检测器为半导体光电二极管，主要有p i n 光电二极管雨i 雪崩光电二极管( a p d ) 。a p d 中 的电流增益可以产生的响应度远大于传统的光电二极管，是克服低光功率系统中的热噪卢限制的一 个有效手段。然而在电子倍增过程中会不可避免地产生随机性，引入自己的噪声。数字光接收机中 有多种嵘声源，这是影响系统误码率的重要羽素。其中主要的的噪声有：教弹噪声( 量子噪声) ，米 白单位时问内达到光检测器上信号光子数的随机性，与信号电平有芙：拍频噪声，由丁光接收机所 检测剑的光电流是与光功率成正比的，当存在两个光场时，平方后会产生交义项，若其中一个光场 为噪声，我们就将所产生的交叉项称为拍频噪声：热噪声，由于电子在光电二极管负载电阻上随机 热运动，即使在外加电压为零时。也产生电流的起伏，这种附加的噪声成分就是热噪声电流。在a p d 中按电流同时被倍增，引入了较人的暗电流噪声“6 1 。 】3 27 波| 王= 转换器 在高容量的动态w d m 网络中，波长转换器可以有效地降低波艮冲突。在人量的波睦转换技术中， 只有少数能提供透明的波睦转换功能。光电型波长转换器使川光电转换将某一波k 转换剑特定波k 第8 负共6 4 贞 东南人学坝卜学位论文 第一牵 上，这种技术很成熟但由于经过o e o 转换，原来的光信号的相位、幅度等信息会丢失，故不具备传 输码删利速率的透明性。基于四波混频和著频转移的相干型波k 转换器利用某些介质的非线性光学 效应，商接在频域内将输入的某一波跃转换到新的波长上，只有一定的透明性，对实现金光透明的 w 删网络具有重要意义。波长相干性波艮转换器因器件结构与采埔的非线性效应而具有多种类型， 不同类型引起的传输损伤如功率损耗、噪声等需要具体分析“7 + 。 132 8 其它 其它的光器件还有光纤连接器、光隔离器、光滤波器等。这些器件一般会引入插入损耗，也影 响噪声指标。 1 3 3 w d m 光网络中光信号传输损伤直接补偿技术( 光3 r ) 高窬髓通信所需要的光密度使传输中不可避免的产生信号的损伤，当前光网络的一个热点就是 利用非线性器件进行直接的传输损伤补偿技术。具有动态路由能力的光子网络中，对光信号进行重 放人、重整形、重定时( r e a m p l i f y ，r e s h a p e ，r e t i m e ) ，即所谓的3 r 再生，以j = f j 丁补偿高速w d m 信道在不同时间、不同距离上进行路由时产生的信号质量损伤。有关这方面的内容，本文将在后章 以澜研的形式给出，作为光网络传损伤补偿技术的一个补充。 1 4 本文主要工作 1 4 1 论文研究工作的目的 由丁光网络本身在结构上的复杂性与元件的多样性，进行网络传输损伤的评估最关键的是建立 适当的光信号与网络元件的计算模型与表示形式，应该对网络的所有器件建立数值模型，一个器件 就是个模块，以模块的形式组织起箍个呵络结构。每个模块具有元件的属性数据与相应的计算函 数或子科序，上层的模块可由低层的模块组建而成，以反映实际网络的构成方式。这样每一个器f l 的计算模块可以看作虚拟的元件。虚拟元件构成元件库，用丁构成完整的网络。 w d m 光网络物理层中光信号在传输过程中会受到诸如串扰、偏振模色散( p m d ) 及各种嚣线性 效应等的影响而导致光信噤比( o s n r ) 劣化和b e r 升高，限制系统的传输容量和j 距离。源、宿：盯 点之间并1 r 所有光路的传输性能都能满足各种业务的传输需要。所以，需要建立光信号传输损伤综 台评估模刑，以便丁实现基丁= _ 传输损伤和业务分级的光网络1 y 点管理和资源动态分配模型。尽管 第9 页共6 4 页 东南人学颤十学位论文 第一章 w d m 光网络物理层( 点到点) 传输性能的模拟软件已经商用化了t 但是还没有基丁- 新型资源动态 分配模型的w d m 光网络i 肖点管理软件，可直接进行仿真。研制新型的可进行仿真的基丁w d m 光网 络中光信号传输损伤评估的仃点管理软件，是十分必要的。此软件既可以用来设计各类w d m 光网络， 节省人量实际的网络元件和昂贵的仪器又能够直接用于实际网络的性能评估与网络管理。 1 4 2 本论文主要研究内容 本文的研究目标是对w d m 光网络的传输性能进行评估，以主要的网络元件为起点，编制实用的 传输损伤与节点管理软件。具体内容有： ( 1 ) 光网络中主要元件及其性能评估。在综台前人工作结果和本课题组前几年研究结果的基础 e ，给山备网络元件的分析模型，重点研究光纤元件分析模型与e d f a 分析模型。 ( 2 ) 单层网络元件库的建立，对光纤与e d f a 进行传输损伤的评估。建立元纤和e d f a 的软件模 型，形成元件库。建库时采取以重点带动一般的方法。将复杂问题分离成几个方面进行研究，选取 一两个重点，传输损伤可以先只考虑非线性效应从简单到复杂，逐步解决。对具有简单结构的单 链路进行仿真分析。 ( 3 ) 单层w d m 光网络传输损伤仿真软件的研制。使用面向对象的程序设计方法，结合软件】：程 的思想，首先分析软件需求，设计整体框架与功能模块；再确定软件的主要流程与层玖关系，确定 元件库的通用的数据结构与接口方式；再进行传输损伤的算法分析，利用元件参数进行具体计算。 最后选择合适的界面方式，为用户提供所需的图形接口，完成输入与输出操作，获得具有参考意义 的信息。 ( 4 ) 利_ 【_ l j 研制的传输损伤评估软件，对点到点的光网络链路进行传输损伤的评估，得到光信号 波形的计算结果，升且估算误码率特性，分析导致光信号传输损伤的主要冈素。同时将仿真结果麻 用与仃点管理软件。 ( 5 ) w d m 光网络中光信号传输损伤赢接补偿技术( 光3 r ) 初探。 本章小结 w d m 技术的发展与j p 数据业务对带宽的巨大需求促成了通信网络体系结构向i p o v e rw d m 演 进。w d m 光网络需要灵活、可靠、实时的网络管理控制技术来发挥优势。作为管理控制核心技术 的路由与波k = 分配机制需要同时考虑业务分级和光路的物理层特性。本章的主要结果为： 第1 0 页共6 4 页 东南人学坝l 。学位论文 第一章 1 简述了光网络技术的发展概况介绍了光网络的系统构架与主要的管理与控制技术。 2 波氏分配与路由机制需要考虑链路物理层性能，对网络中元件对光信号造成的传输损伤有必要进 行评估。 3 通过分析网络中主要器件对光信号产生传输损伤的类型与机制，得出了进行传输损伤评估的基本 方法即需要建立光信号的表示模型与每个元件的分析模型，采州波形仿真的方法，依次计算备元 件列光信号的影响。 i 研制综合考虑多种因素的传输损伤评估软件非常必要，仿真软件需要为各个元件设计接口统一的 数据与计算模块，形成元件库并提供图形化的用户接口。 参考文献 f i 】r a j i vr a m a s w a m i ，k u m a rns i v a r a j