（物理电子学专业论文）基于oc标记交换系统和基于dqpsk调制的ocdma接入系统的性能仿真研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 m i i l l l l l l1 111 1 1 1iii i i1 111 1 1i ii i 17 5 9 15 0 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：趟2 占婆 日期： 坦丝：2 ：兰星 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) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：趁 里：2 ：圭垂 日期： 兰2 止：互：! 二 ， ，气 北京邮l 乜人学颂i ：学位论义 基于o c 标记交换系统和基于d q p s k 调制的 o c d m a 接入系统的性能仿真研究 摘要 随着基于i p 业务的快速增长，对通信网络的通信容量和提出了 更高的要求。在长途骨干网中，由于w d m 和先进调制格式的使用， 传输容量已经达到1 0 t b s 以上，基本解决了传输带宽问题；但在网 络的交换节点和靠近用户侧的接入子网成了全网的通信瓶颈。基于 o c 的光标记交换系统秉承了分组交换的思想，使用低速标签信号进 行路由选择和交换控制，同时保留了高速全光交换的特点，是实现未 来光分组交换的一种很有潜力的方案。接入网方面，基于o c d m a 的接入网系统，具有随机接入，灵活分配带宽等巨大优势。 在此背景下，本文主要研究了基于o c 的标记交换和o c d m a 接 入技术，以实现全光交换和大容量接入。文章综述了基于o c 的交换 技术和o c d m a 接入技术的研究进展，研究了一维相位相干编解码 技术的基本原理，并与其他编解码技术做了优缺点比较。 在此基础上，研究了基于o c 的标记交换系统的网络结构，设计 了基于o c 的交换路由单元结构；搭建了采用o c 光码的分组交换仿 真系统，并进行仿真分析。此外，文章还对系统模型丢包率和通信容 量进行分析。研究显示：基于o c 进行全光交换具有可行性。 北京邮i u 人学硕i ：学位论文中文摘要 另一方面，针对传统的基于o o k 调制方式的o c d m a 的接入网 存在的问题，文章提出了基于d q p s k 调制方式的o c d m a 接入方案， 搭建了该仿真系统，设置了具体参数；并在频谱利用率、安全性、接 收机阈值设置和接收灵敏度、抗系统噪声能力等方面和基于o o k 的 o c d m a 接入系统做了对比仿真分析。结果显示，基于d q p s k 的 o c d m a 接入系统，具有3 d b 的频谱利用率优势、更高的安全性能、 接收机的判决阈值固定、接收灵敏度高和良好的抗噪声性能等优点。 关键词： o c 全光交换d q p s k 接入网 北京邮i u 人学硕i ：学位论义 英文摘要 p e r f o r m a n c es i m i ，a t l 0 nr e s e a r c ho n s 、t c h i n gs y s t e mb a s e do no cl a b e la n d a c c e ssn e t w o r kb a s e do nd q p s km o d u l a t i o n a b s t r a c t 砌t ht h e r a p i dg r o w t h o fi ps e r v e s ，g r e a t e rc o m m u n i c a t i o n c a p a b i l i t y i s r e q u i r e d f o rt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i nt h eb o n e n e t w o r k ，t h et r a n s m i s s i o nr a t eh a sb e e nu pt o10 t b sb a s e do nw d m a n d a d v a n c e dm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s h o w e v e lt h es w i t c h i n gn o d ea n dt h e a c c e s sn e t w o r kn e a r l yb yt h ec o n s u m e r sa leb e c o m i n gb o t t l e n e c ki nt h e w h o l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k r e c e n t l y ，t h eo p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g s y s t e mh a sb e c o m eap o t e n t i a ls w i t c h i n gs c h e m ef o ri t si n h e r i t e di d e ao f p a c k e ts w i t c ha n di t sa l l o p t i c a lp r o c e s s i n ga b i l i t y a st o t h ea c c e s s n e t w o r k ，t h eo c d m aa c c e s sn e t w o r kw i t ht h eg r e a ta d v a n t a g eo f a b a n d o na c c e s sa b i l i t ya n df l e x i b l eb a n d w i d t ha s s i g n m e n th a sb e c o m e i m p o r t a n tc a n d i d a t ef o rt h en e x tg e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r k g r o u n d e do nt h eb a c k g r o u n dd i s c u s s e da b o v e ，t h ed i s s e r t a t i o n m a i n l yf o c u s e so nt h es w i t c h i n gn e t w o r ka n da c c e s sn e t w o r kw h i c ha l e b a s e do no ct e c h n o l o g yt oa c h i e v ea l l o p t i c a ls w i t c h i n ga n dl a r g ea c c e s s 北京邮i 【1 人学倾 ：学位论文 英文摘要 c a p a b i l i t y r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dar e v i e wo fr e s e a r c hs t a t u s a r e s u m m a r i z e d ，a n dt h ec o r et e c h n o l o g i e so fo cw i t ho n e d i m e n s i o np h a s e o ce n c o d i n g d e c o d i n ga lei n t r o d u c e da n da n a l y z e d b a s e do nt h a tb a c k g r o u n di n v e s t i g a t i o na n dt h e o r ya n a l y z i n g ，t h e o cl a b e ls w i t c h i n gn e t w o r ks t r u c t u r ei sr e s e a r c h e da n dt h es w i t c h i n g s t r u c t u r ei s d e s i g n e d a f t e rt h a t ，t h eo cl a b e ls w i t c h i n gn e t w o r k ， s i m u l a t i o ns y s t e mi ss e t u p ，a n di t sp a c k e tl o s sp r o b a b i l i t ya n ds w i t c h i n g c a p a b i l i t ya r ea n a l y z e d t h er e s e a r c hr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h es w i t c h i n gn e t w o r ks c h e m ew i t ho cl a b e l o nt h eo t h e rh a n d ，s i n c em a n y p r o b l e m sa l ee x i s t e di nt h et r a d i t i o n a l o c d m an e t w o r kw i t ho o km o d u l a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e w o c d m aa c c e s sn e t w o r ks c h e m eb a s e dd q p s km o d u l a t i o n t h e d q p s k o c d m a s c h e m ei sd e s i g n e da n dt h es i m u l a t i o ns y s t e mi ss e t u p f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dd q p s k o c d m as y s t e m i sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo o k o c d m as y s t e mi nt h ea s p e c t so f s p e c t r a le f f i c i e n c y , s e c u r i t y , t h r e s h o l ds e t t i n go ft h er e c e i v e r , s e n s i t i v i t y o ft h er e c e i v e ra n dn o i s et o l e r a t i n ga b i l i t y t h er e s u l ts h o w st h a tt h e o c d m aa c c e s sn e t w o r kb a s e do n d q p s km o d u l a t i o n h a st h e a d v a n t a g e s o f - 3 d be n h a n c e d s p e c t r a le f f i c i e n c y , h i g h e rs e c u r i t y p e r f o r m a n c e ，f i x e dr e c e i v e rt h r e s h o l d ，m o r es e n s i t i v er e c e i v e r , b e t t e r r o b u s tp e r f o r m a n c et os y s t e mn o i s ea n ds oo n 北京i i i g d z 人学顺l ：学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ：o c ，a l l o p t i c a ls w i t c h i n g ，d q p s k , a c c e s sn e t w o r k 英文摘要 北京邮电人学硕士学位论文目录 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景与意义1 1 1 1 1 1 2 1 1 3 1 2 1 2 1 1 2 2 1 3 1 4 通信网的发展现状及存在问题1 通信网中交换技术的发展2 通信网中接入技术的发展4 基于o c 的交换技术和o c d m a 接入技术5 基于o c 光标记交换技术及发展意义6 基于o c d m a 接入技术的发展及意义7 本文的主要研究工作及论文结构9 参考文献1 0 第二章o c d m a 系统1 3 2 1 o c d m a 系统分类1 3 2 1 1 2 1 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 3 2 3 1 2 3 2 2 4 相干系统和非相干系统1 3 一维和二维o c d m a 系统1 4 o c d m a 系统的关键技术1 8 地址码设计。1 8 相位编解码器设计2 2 o c d m a 的技术优势和面临的问题2 4 o c d m a 的技术优势2 4 o c d m a 面临的问题2 s 参考文献2 6 第三章基于o c 标记的交换系统设计及仿真分析2 7 3 1 o c 标记交换网络结构2 7 3 2 基于o c 标记交换的路由器功能模型设计2 8 3 2 1 3 2 2 3 2 3 3 3 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 4 3 边缘路由器2 8 核，b 路由器2 8 仿真系统设计及仿真结果分析3 0 系统模型的容量分析3 4 本章小结3 6 参考文献3 6 d q p s k 调制格式对o c d m a 接入性能的改善3 8 背景3 8 相干d q p s k - o c d m a 系统的提出3 8 仿真系统设计4 0 北京邮屯大学硕士学位论文目录 4 4 4 4 1 4 4 2 4 4 3 4 4 4 4 4 5 系统仿真性能分析4 2 频谱效率分析4 2 安全性分析4 2 接收阈值性能分析4 4 系统噪声及m u i 。4 5 接收灵敏度4 7 4 5 本章小结4 8 4 6参考文献4 8 第五章结论和展望5 0 至殳谢5 2 ，、 研究生期间申请的专利及发表的论文5 3 北京邮i u 人学硕i ：学位论文 第章0 l 苦 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 1 1 1通信网的发展现状及存在问题 自1 9 7 6 年，美国贝尔实验室搭建起世界第一条实用的光纤通信系统以来， 光纤逐渐开始取代铜线，成为通信网信号的主要传输方式。近年来，随着基于口 的各种新型业务，如v o m ( v o i c eo v e ri f ) 、i p t v ( i n t c r n c tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) 以 及h d t v ( h i g hd e f i n a t i o n1 v ) 的高速发展，对通信网的传输容量和传输性能 也提出了更高的要求。 目前光层的网络架构被划分为传送网和交换网。从网络水平角度来看，传送 网又包括接入网、城域网和核心网的长途部分等三部分在长距离传输的城域网 和核心网部分，由于w d m 技术的发展使得信号传输实现了全光化，单波长的传 输速率从2 5 g b s 和1 0 g b s 提高到了4 0 g b s ，在国外1 6 0 波长复用的传输设备 已经商用，每根光纤的传输容量已经达到了t e r a b i t 级别。另外，2 0 0 8 年，日本 n e c 实验室余建军博士在使用p 0 1 r z 8 p s k 和相干检测实现了最高频谱效率达到 4 b h z s 的d w d m 系统，同时利用c 波段实现了17 t b s ，6 0 0 k mu l ls m f 传输 系统；2 0 0 9 年，余博士同样使用新型方案产生8 q a m 信号以实现c + l 波段3 2 t b s 世界最高传输记录的d w d m 传输系绀1 - 2 。 然而，在目前的光网络中，存在两个关键的瓶颈。一是光网络的交换网。在 目前的交换网的交换节点仍需要进行光电转换和速率匹配，将g b s 甚至更高速 率量级的光信号与m b s 量级的电信号进行转化。无论是基于波长路由或者是基 于i p 转发技术实现的交换技术，都是在电域进行处理，交换节点成为了通信网 进一步发展的瓶颈。目前单根光纤传输容量已达l o t b s 量级【2 】，电交换的基本工 作速率在数百m h z 左右，两者相差近5 个数量级，采用并行电处理技术致使电 系统规模呈指数增加。而且由于光传输和电交换两个子网并存，大量的适配处理 和速率格式转换降低了网络资源利用率，越来越不适应未来i p o v e r w d m 网络的 发展，运用光子技术实现i p 网络与光网络的融合，实现全光交换已经成为迫切 需要解决的问题p j 。 第一章，j i 肓 部分，随着i n t e m e t 的高速发展，用户对网络带宽的需求 入网也成为整个网络中的瓶颈。接入网“光进铜退”的趋 势已经得到包括运营商在内的广泛认同，光接入技术将成为下一代接入网主要采 用的技术之一i 销l 。 1 1 2 通信网中交换技术的发展 随着通信网络的光纤化，光交换技术也得到了快速发展。光交换是指不经过 任何光电转换，在光域内为输入信号选择不同的输出信道的交换方式。早期的 全光网络是基于w d m 的“波长路由光网络，明确采用波分实现网络的透明性， 但是没有统一的网络管理和波长路由协议规范。9 0 年代末，i t u t 提出的光传 送网( o t n ) g q 确了电传送网和光网之间的分离，将管理面与业务面分离，实现了 静态控制和路由，但仍然属于线路交换的方式。虽然对光开关速度要求低，无需 同步，但是对基于分组的伊数据业务远远不能适应。光交换的优点在于无需在 光纤传输线路和交换机之间设置光端机进行光电光的变换，不受监测器和调制 器等光电器件响应速度的限制，不存在电子瓶颈，消除了不同速率接口的匹配问 题，简化了网络配置和成本，大大提高了交换单元的吞吐量；并且在交换过程中 还能充分发挥光信号的高速、带宽和无电磁感应的优点。 从交换机制上看，光交换也可以分为光线路交换和光分组交换两种。光线路 交换与传统的电路交换类似，整个交换过程可分为：光路建立、光路保持和光路 释放三个阶段。通过发送带宽请求，经过应答确认完成光路建立。光线路交换以 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。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 但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【6 1 。 光分组交换是电分组交换技术在光网络中的映射。在光分组交换技术中处理 的是分组级的光包。光包是数据信息传输的形式，也是包交换的对象，光包中含 有光交换数据的信息净荷和路由信息。光分组交换网络节点一般由输入接口、光 2 北京邮l u 人学硕i ：学位论文 第一章弓i 苦 交换矩阵、输出接v i 和控制单元四部分组成。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，然后光纤分束器将一小部分光功 率分出用于光分组头识别、恢复和净荷定位等功能。光交换矩阵执行路由选择。 输出接口完成光分组头的重写和光分组再生，控制单元利用光包头信息控制核心 模块。每个光分组由分组头( h e a d e r ) 和数据( p a y l o a d ) 两部分组成。路由信息 通常包含在分组头里，长度是固定的。控制部分通过读取分组头信息来决定光包 的交换路径，当光包完成本地交换后，在光交换节点的出口再对分组头进行重写 以更新路由信息，为下一个光交换节点进行交换做准备 7 4 1 。 o p s 在其带宽利用率及对突发业务的支持方面具有巨大优势，资源调度粒度 小，交换灵活，带宽利用率高，能提供端到端的光通道或者无连接的传输，是实 现未来全光网络的最理想的技术之一。但是由于目前光子技术还难以实现复杂的 逻辑与信息处理能力，存在着“处理瓶颈，因此目前光交换的控制部分主要还 是通过电信号来完成，数据信息处理在光域进行，通过控制信息完成数据的汇聚 组装和路由。另外，由于目前还没有光存储器，只能依赖于f d l 进行缓存，大 大限制了光分组存储转发的速度和规模，因此在短期内o p s 很难得到大规模的 应用【8 1 。 光突发光交换( o b s ) 因此被提出来【3 】o b s 兼有o p s 和o c s 的优点，又 避免了它们的不足。o b s 网络中，数据包分为数据分组和控制分组。数据分组 又称“突发包”( b u r s t ) ，它由些较小的、具有相同目的地址和q o s 要求的分 组汇聚而成，其粒度大小位于o c s 和o p s 交换之间，长度可变。控制分组包含 该数据分组的相关信息，如路由信息状态、服务类别( c o s ，c l a s so fs e r v i c e ) 、 突发大小( 数据分组的持续时间长度) 、采用波长和分组采用的标签等。另外， 还有控制分组的校验、同步信息，控制分组与数据分组的偏置时间等。在o b s 网络中，突发数据分组与控制分组的传输在物理信道和时间上都是分离的，每个 控制分组对应一个数据分组。不需要确认的单向预留方案减小了建立通道的延迟 等待时间，提高了带宽利用率；数据突发和控制分组的信道分离、适中的交换粒 度及非时隙交换方式降低了对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度，但是如 何决定合适的延迟时间成为网络传输控制的难题p 】。 随着g m p l s 技术的发展，人们将标记交换的思想引入到o p s 网络中，提 出了新型的光标记交换技术( o l s ) ，即将光分组分成携带路由信息的光标记 ( l a b e l ) 和携带数据信息的净荷( p a y l o a d ) 0 0 l 。与g m p l s 技术一样，o l s 也 是将面向连接的转发技术与o p s 的路由协议相结合的一种技术，它在无连接的 o p s 网络中引入了连接机制。数据包的业务数据信息与网络路由、控制信息分离 传送处理，高速业务数据信息的传输与交换在光域进行，速率较低的路由和控制 3 北京邮i 乜人学颂i ：学位论文 第一章引击 信息采用光标记的形式，在每个节点进行o e 转换和电域处理，产生相应的信 息驱动光交换网络，并生成新的光标记传送到下一个节点，提供路由信息。 基于光标记交换技术的网络具有容量大、对数据信息透明、带宽利用效率高、 能够提供端到端的光通道等特点，这些特点满足未来网络发展的要求。同时，光 标记交换技术能够与w d m 技术、光交叉连接( o x c ：o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 设备、多协议标记交换( m p l s m u l t i p r o t o c o ll a b e l e ds w i t c h i n g ) 等新兴技术 相结合，从而进一步优化网络并提高资源的利用率。 目前已提出多种光标记技术的方案，主要有副载波复用光标记【1 0 1 、基于正 交调制光标记、光载波抑制分离光标记等。 但以上这些光标记交换技术中存在的一个共同问题：网络核心节点在识别标 记和选择路由时仍需对标记进行o e 转换，并且在核心节点处还需对净荷信息 进行波长变换，从而影响核心网的速度和效率。而解决这些问题的关键就是要彻 底摆脱核心节点处的光电转换，实现全光传输和全光交换。如何提高标记处理速 度，降低节点延迟，实现全光的标记处理，这是目前需要解决的问题。 1 1 3通信网中接入技术的发展 随着i n t e m e t 的高速发展，用户对网络带宽的需求不断的提高，传统的接入 网已经成为整个网络中的瓶颈，以新的宽带接入技术取而代之已成为目前研究的 热点。接入网“光进铜退的趋势已经得到包括运营商在内的广泛认同，光接入 技术将成为下一代接入网主要采用的技术之一。宽带光接入网采用全程光纤支持 高带宽传送能力，提供与业务网络的功能和协议协调的接口，具备q o s 保证、 安全以及必要的处理能力，具备支持现有宽带业务、窄带业务以及扩展支持未来 业务开展所需的承载能力，支持多业务接入和业务的快速部署，可以降低网络建 设和运营维护成本。 宽带光接入网具有如下主要特征： 具有高带宽、长距离的传送能力； 全程以光纤作为传输媒质； 支持i p 作为上层业务的承载，可以作为下一代网的接入层网络； 支持多业务接入，包括各种窄带业务、宽带业务以及对未来业务的扩展 支持能力以及上述业务的同时接入； 支持接入网络的平滑演进。 宽带光接入网具有很多应用类型，我们统称为可f 1 r r x 。对于各种应用类型， 为了避免混淆，我们统一定义了以下四种标准类型：1 ) 光纤到交接箱( f t t c a b ) ； 4 北京邮i u 人学硕i j 学位论文 第一章0 l 言 2 ) 光纤到楼宇分线盒( f t t b c ) ；3 ) 光纤到公司办公室( f t t o ) ；4 ) 光纤到家 庭用户( f t t h ) 。 目前，大量应用于宽带光接入网里的技术主要是以e p o n 、g p o n 为代表的 无源光网络技术。在速率方面，e p o n 提供固定上下行1 2 5 g b p s ，采用8 b 1 0 b 线 路编码实际速率为1 g b p s ；g p o n 支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速 率，下行2 5 g b p s 或1 2 5 g b p s ，上行1 2 5 g b p s 或6 2 2 m b p s ，根据实际需求来决 定上下行速率，选择相对应光模块，提高光器件速率价格比。在分路比方面，e p o n 标准定义分路比l ：3 2 ：g p o n 标准定义分路比下列几种1 ：3 2 ；1 ：6 4 ；1 ：1 2 8 。在 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 方面，e p o n 在m a c 层e t h e m e t 包头增加了6 4 字节的 m p c p 多点控制协议( m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，m p c p 通过消息、状态机和 定时器来控制访问p 2 m p 点到多点的拓扑结构，实现d b a 动态带宽分配；g p o n 则拥有更加完善的d b a ，具有优秀q o s 服务能力，g p o n 将业务带宽分配方式分 成4 种类型，优先级从高到低分别是固定带宽( f i x e d ) 、保证带宽( a s s u r e d ) 、 非保证带宽( n o n a s s u r e d ) 和尽力而为带宽( b e s t e f f o r t ) 。在运维( o a m ) 方 面，e p o n 没有对o a m 进行过多的考虑，只是简单的定义了对o n t 远端故障指 示、环回和链路监测，并且是可选支持；g p o n 在物理层定义了p l o a m ( p h y s i c a l l a y e ro a m ) ，高层定义了o m c i ( o n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e r f a c e ) ，在多 个层面进行o a m 管理【4 i 总之，e p o n 和g p o n 各有千秋，从性能指标上g p o n 要优于e p o n ，但 是e p o n 拥有了时间和成本上的优势，g p o n 正在迎头赶上，展望未来的宽带接 入市场也许并非谁替代谁，应该是共存互补。对于带宽、多业务，q o s 和安全性 要求较高以及a t m 技术作为骨干网的客户，g p o n 会更加适合。而对于成本敏 感，q o s ，安全性要求不高的客户群，e p o n 成为主导。 但这两种较为成熟的基于t d m ap o n 技术的e p o n 和g p o n 接入技术所固 有的一些问题。( 1 ) 带宽问题。即使总的上行速率已经增长到1 0g b i t s ( 如采用1 0 g b i t se p o n ) ，t d m ap o n 也难以持续满足不断增长的带宽需求。( 2 ) 系统可允 许的光功率预算有限。有限的功率预算将限制p o n 的分路能力和有效覆盖范围。 1 2 基于o c 的交换技术和o c d m a 接入技术 s 北京邮电人学顾l ：学位论文第一章0 i 吉 1 2 1基于o c 光标记交换技术及发展意义 最近，随着光标记和g m p l s 的发展，基于o c 的全光标记交换的新概念被 提了出来。基于o c 的光标签交换自提出以来，已经取得了多方面的研究成果。 目前关于此课题的研究主要集中在日本、加拿大和美国等国家。 1 9 9 9 年d a rz u - h s u 首次提出了使用正交的光码作为标签的概念，提出了 o c d m 光码标签交换系统模型和框架【1 2 1 ，为基于o c d m 的光标记交换发展奠定 了基础。 2 0 0 1 年m a s a y u k im u r a t a 阐述了光标签技术的本质是多协议标签交换技术， 是电域相关标签技术在光域的延伸，从概念上来说是一个推广【1 3 】。标记交换的 方法在光域被提出后，产生了多种标签格式：波长、副载波、光码等。用光码标 签的优势在于标签的光域处理降低了节点的延迟；不需要复杂的光逻辑器件，实 现简单。 2 0 0 4 年t a m e rk h a t t a b 对光码标签的两种形式作了归纳。一种是在光分组中 加光正交码作为标签信息，标签和净荷之间分离。即只有数据包的头才利用了光 码标记技术，其他数据部分仍保持不变。如图1 1 所示。另一种是用光码对每个 比特数据进行直接编码。前一种形式被其定义为显式标签，后一种被定义为隐式 标签。如图1 2 所示 1 禾1 5 】。 h e a d ( e n c o d e d ) 7 仃仃仃 m t ：= c h i pt i m e p a y l o a d ( n o r m a l ) 厂 i 卜一 t b = b i tt i m e t b - l 灯。，其中，l 为0 c 编码序列长度 图l 一1 显式光码标记 厂厂 厂 厂 厂厂 厂 h 。t c = 编码后的c h i p 周期 图1 2 隐式光码标记 6 北京邮l u 人学硕l j 学位论文 第一帝0 i 高 继而2 0 0 7 年t a m e rk h a t t a b 首次提出了在多协议标签交换网络中的光码标签 接口，将g m p l s 标记接口进行扩展，增加了光码作为标记接口，扩展了标记映 射空间【1 5 】。文中指出显式标签是标签扩展的一种全光实现，g m p l s 扩展的标记 空间采用的是隐式标签。这种扩展改善了g m p l s 中定义的能实现全光交换的光 纤交换接口和波长交换接口交换粒度大的缺点。 在标签产生方面h u a n g , s w 提出波长加光码的双重标签方案，扩大了标签 的映射范围。此方法中标签的转换可通过波长或光码亦或二者同时进行【1 6 】。 在标签提取方面显式光标签目前报道的主要有两种方法。一种是标签和净荷 采用不同的波长调制，通过滤波器将标签和净荷分离。另一种是将标签和净荷采 用不同的偏振加以区分。由于在长距离传输中很难保持标签和净荷的各自偏振， 这种方法在实现上有些困难，故多采用第一种方法。 在标签变换方面目前多是通过非线性效应来实现的，如k i t a y a m a , k 在2 0 0 0 年发表的文章中所提到的【1 7 】。另一种标签变换的方法是a w a j i ，y2 0 0 7 年提出了在 标签与数据净荷之间加入p u l s es e e d ( 种脉冲) 来产生新的标签【l 引。这个脉冲会 在输入标签进行相关运算后映射生成一个新的标签，区别于原有的通过非线性器 件将原标签直接转成新标签的方法。 2 0 0 7 年，f a m o u d f 提出了通过将o c d m 光标签与o c d m a 数据耦合后在 传输网上传输，突破了以往o c d m a 数据只能在局域网、接入网中应用的局限【1 9 1 。 同时期x uw a n g 也实验证明了在接入网中以o c d m a 的方式接入，在传输网中 以o c d m 光标记控制路由的方案。 1 2 2基于o c d m a 接入技术的发展及意义 针对近年来出现的h d t v 等高带宽业务的需求，基于t d m ap o n 技术的 e p o n 和g p o n 接入技术存在上行带宽的限制。在接入网中引入波分复用技术 ( w d m ) 成为一种很好的解决方法，w d m p o n 技术被视为其中较有代表性的 一种技术【2 0 1 。但是，w d m 接入技术中，复用波长数是相对固定的。虽然在接入 用户中，能分配到波长的用户的通信容量很大，但随着接入用户数的增加，没有 足够的波长数给予分配，造成了接入网络在容量扩充上的困难；另外，以单个波 长的资源分配，极大地浪费了带宽资源。而且，昂贵的光源也阻碍其进一步发展。 o c d m a 是把光纤传输的宽带宽、高速率和c d m a 的多址技术有机结合， 实现高速宽带全光网的接入。o c d m a 利用光纤的巨大带宽和高速的光信息处理 技术，将数据比特扩频成光脉冲序列，o c d m a 系统为每一个o n u 都采用一个 7 北京邮1 1 1 人学硕l ：学位论文 第一章0 i 高 特定的多址码，并将其数据进行编码后，发送到局域网的耦合器或接入网的耦合 器，以广播的方式发送到各个用户节点。其原理如图1 3 。经光纤传输后，再利 用光学相关技术实现数据恢复。单模光纤具有的巨大的带宽资源在传统的光纤通 信系统中只作为基本调制信号的传输媒质，带宽资源冗余很大，以技术采用地址 码寻址方式，具有很大的灵活性，可以充分利用单模光纤的巨大带宽，实现宽带 异步接入1 2 , 1 。 n o l t o n u1 图1 - 3 光码分多址接入示意图 o c d m a 是一种全新的频率资源利用思路，它占据的信道是同一个宽频带， 原则上不需要光滤波器件，不同信道之间相互独立地发送与接收信号。编码方式 是当数据比特为“l 时，调制器驱动激光器发出一个超短脉冲进行扩频；当数 据比特为“0 时，o c d m a 技术不对光信号序列中的“0 ”进行编码，调制器没 有输出信号，信道中没有光脉冲序列，大大提高了所发送信息数据流的带宽，实 现了真正的宽带接入。 传统光接入技术有f d m 、t d m 及w d m 等，它们是将某一频谱、时隙、或 者波长固定地分配给某一用户，如果用户空闲，带宽资源就被浪费了。随着用户 端站的增加，共享的可用带宽不断降低，导致了用户带宽的竞争。而o c d m a 系统是异步传输方式，可以让所有的用户以公平的方式使用光纤的宽带传输资 源。它为每个用户分配特定的正交码，多个用户同时接入时不独立占有而是共享 信道带宽。o c d m a 把光纤传输的带宽分成若干个虚拟的并行信道，全光网上的 每个终端都可以使用专用的信道来传输光信号。每个用户都能以公平的接入带宽 共享资源，多用户间不会构成互相干扰【2 。 基于o c 的接入技术，具有优良的可扩展性【2 2 1 。通过对编码的改进最大限度 的扩展用户容量。如果把光纤码设计为非交替自相关峰值最大，同时交替自相关 峰值最小，则每个接收器都可以抛开总时钟信号进行异步运行。由于编码的数目 等于网络上局端的数目，所以无须建立中央节点或复杂的协议来判决信道冲突。 假设网络配置时提供了额外的编码，那么在o c d m a 系统中添加一个新用户就 和选取一种新代码一样简单。如果没有可用的编码资源，可以通过提高时域或波 长域的展宽量来升级系统以支持更多用户。理论上只要有多余的地址码，就可以 8 北京邮i u 人学颂i ：学位论文 第一章，j l 苦 不断地增加新用户。 此外，基于o c 的接入技术具有全光处理能力【2 2 1 。对于o c 接入信号，编解 码通常采用光处理方法；出现自相关峰值时，正确解码用户信号，在通过光限幅 器等光信号整形期间，恢复原来用户信号；而不出现自相关峰值，即只出现较低 的互相关值时，不能对该用户信号进行解码。整个信号处理过程只在光域内进行， 极大地提高了信号处理速度。 近年来，基于0 c d m a 的技术高速发展，尤其是基于光相位编码和解码的 相干0 c d m a 编解码器。集成、可重构、可靠的分别基于超结构光纤光栅( s s f b g ： s u p e rs t r u c t u r ef b g ) 【2 3 之5 1 ，多维度的波导光栅阵列( a w g ：w a v e g u i d eg r a t i n g c o n f i g u r a t i o n ) 2 6 - 2 7 ，光纤布拉格光栅( f b g ：f i b e rb r a gg r a t i n g ) ，简单利用相 位调制器和树形马赫曾德调制器( m z m ) 2 v 2 9 l 的平面波导线路( p l c ：p l a n a r f i g h t - w a v ec i r c u i t ) 等构成o c d m a 编解码器被纷纷研制出来。此外，各种先进 的技术也同样开始应用于o c d m a 系统以改善其性能，如拥有动态判决阈值的 接收机、光硬限幅器( o h l ：o p t i c a lh a r dl i m i t e r ) 前向纠错码( f e c ： f o r w a r d - e r r o r - c o r r e c t i o n ) 等技术。这些技术提高了系统抗多用户接入干扰( m u i ： m u l t i - u s e r si n t e r f e r e n c e ) 和信号干扰差拍噪声干扰( s hs i g n a l i n t e r f e r e n c e ) 能 力，提高了系统的接入用户数和信号的传输距离 3 0 - 3 。 2 0 0 6 年，日本大阪实验室f e c 和基于