摘 要：詳細(xì)闡述了基于正交調(diào)制格式的IP-over-WDM光標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，給出了邊緣路由器的結(jié)構(gòu)圖與核心路由器的實(shí)現(xiàn)方法，數(shù)值模擬了IP-over-WDM光網(wǎng)絡(luò)中基于頻移鍵控/幅移鍵控正交調(diào)制的光標(biāo)記信號(hào)/凈荷的傳輸性能，最后給出了基于正交調(diào)制格式的IP-over-WDM光標(biāo)記傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所述方案的可行性。

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關(guān)鍵詞：光標(biāo)記交換;光網(wǎng)絡(luò);波分復(fù)用技術(shù);IP-over-WDM

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-153-03

Optical Label Switching Network Based on the Orthogonal Modulation in IP-over-WDM

Networks and Its Transmission Performance Research

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DENG Chaogong1，2

(1.Zhangjiakou Vacation Technology School，Zhangjiakou，075131，China;2.Key Laboratory of Optical Communication and Lightwave Technologies，

Ministry of Education，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing，100876，China)

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Abstract：This paper describes the IP-over-WDM optical network configuration based on the orthogonal modulation format in detail.The edge router′s structure is depicted and the keys of the core router are described.The transmission performances of such networks are simulated and the experiment is executed to show the feasibility of the technologies mentioned.

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Keywords：optical label switching;optical network;wavelength division-multiplexed;IP-over-WDM

1 引 言

當(dāng)今IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長(zhǎng)對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)制提出了新的挑戰(zhàn)。目前的IP數(shù)據(jù)包是通過(guò)ATM(異步傳輸模式)/SDH(同步數(shù)字體系)方式或直接通過(guò)SDH層，然后在WDM(波分復(fù)用)光網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)?，?jiàn)圖1。這種在IP層與WDM層之間夾雜了多層的傳輸方式，一方面因?yàn)椤岸鄬印彼戮W(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本很高；另一方面，這些夾層都是基于電子器件，因而網(wǎng)絡(luò)流量受電子器件的瓶頸效應(yīng)限制。為了克服這種局限性，最近提出了將IP包通過(guò)光標(biāo)記直接在WDM層傳輸?shù)男聶C(jī)制——IP-over-WDM光標(biāo)記交換^[1-4]，如圖1(b)所示?；诠鈽?biāo)記交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)具有容量大、對(duì)數(shù)據(jù)速率和格式透明、網(wǎng)絡(luò)可配置性及帶寬利用效率高、能夠提供端到端的光通道或者無(wú)連接的傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，這些特點(diǎn)滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的總體要求。同時(shí)，光標(biāo)記交換技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換容量與波分復(fù)用技術(shù)(WDM)帶來(lái)的大傳輸容量相匹配、與光交叉連接(OXC)、多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)等新興技術(shù)相結(jié)合及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與資源的合理利用。光標(biāo)記的實(shí)現(xiàn)方式有帶外負(fù)載波與串行比特序列模式^[5]及基于FSK(頻移鍵控)或DPSK(微分相移鍵控)與ASK(幅度調(diào)制)相結(jié)合的正交調(diào)制方式^[6]。同前兩種方法相比，基于正交調(diào)制方式具有節(jié)約資源、協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 傳輸?shù)膶哟谓Y(jié)構(gòu)

本文詳細(xì)介紹了基于正交調(diào)制方式的IP-over-WDM的原理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)中光調(diào)制器的消光比及傳輸線路中光纖色散對(duì)系統(tǒng)的傳輸性能的影響進(jìn)行了深入研究，最后給出了FSK/ASK正交調(diào)制方式下標(biāo)記與凈荷的傳輸實(shí)驗(yàn)。

2 FSK/ASK網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2為基于正交調(diào)制方式的IP-over-WDM光標(biāo)記交換方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由兩大部分組成：邊緣路由器(Edge Router)與核心路由器(Core Router)。邊緣路由器對(duì)來(lái)自接入網(wǎng)或城域網(wǎng)(Access/Metro Network)的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，并打入光標(biāo)記。標(biāo)記了的IP包被發(fā)送到基于WDM的核心光網(wǎng)絡(luò)，核心光網(wǎng)絡(luò)的路由器對(duì)光標(biāo)簽在電域進(jìn)行處理，并依據(jù)其攜帶的標(biāo)簽信息決定轉(zhuǎn)發(fā)路徑、轉(zhuǎn)發(fā)波長(zhǎng)等信息，而高速I(mǎi)P凈負(fù)荷只在光域作處理，并在光域?qū)崿F(xiàn)高速透明傳輸，從而避免了在電域處理時(shí)電子器件的瓶頸效應(yīng)。在出口邊緣路由器，原先的IP負(fù)荷被徹底恢復(fù)，其后正確到達(dá)接入網(wǎng)或城域網(wǎng)中的終端用戶。

圖2 FSK/ASK(其中FSK也可通過(guò)DPSK實(shí)現(xiàn))網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

邊緣路由器是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要組成部分?；贔SK/ASK正交調(diào)制方式的邊緣路由器結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖可見(jiàn)，邊緣路由器首先對(duì)來(lái)自接入網(wǎng)或城域網(wǎng)的 IP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行匯集、緩沖(Aggregation，Buffering)，之后依據(jù)IP數(shù)據(jù)包的頭信息并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況確定光標(biāo)記信息，同時(shí)分配某一個(gè)波長(zhǎng)λa作為激光器的工作波長(zhǎng)，然后用光標(biāo)記信息對(duì)處于此位置的激光器直接進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，直接強(qiáng)度調(diào)制的結(jié)果是該激光器由于啁啾而同時(shí)導(dǎo)致頻率調(diào)制，即頻移鍵控 (FSK)，此 FSK 信號(hào)即為光標(biāo)記信號(hào)。標(biāo)記后的光信號(hào)作為載波，再經(jīng)過(guò)外調(diào)制器攜帶高速 IP 凈負(fù)荷，從而完成 FSK/ASK 的正交聯(lián)合調(diào)制。同時(shí)，此邊緣路由器根據(jù) IP 頭信息(控制信息)為此正交聯(lián)合信號(hào)確定路由，將其傳送到合適的核心路由器。當(dāng)核心路由器接收到此正交聯(lián)合調(diào)制信號(hào)后，只對(duì) FSK 信息在電域進(jìn)行處理。由于FSK攜帶的信息速率較低，所以處理相對(duì)容易、快速，而對(duì)高速 IP 凈負(fù)荷則始終保持在光域，進(jìn)行全光處理。在核心路由器，網(wǎng)絡(luò)管理單元依據(jù)FSK攜帶的標(biāo)記信息重新為IP凈負(fù)荷分配波長(zhǎng)，如圖2中的λb與λc，并確定轉(zhuǎn)發(fā)路由。由于FSK及ASK信號(hào)實(shí)質(zhì)上是同一個(gè)光波長(zhǎng)信號(hào)，因此沒(méi)有任何的額外資源消耗。

核心路由器是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)重要組成部分。核心路由器的主要功能是光標(biāo)記信息的讀取、擦除與新標(biāo)記的寫(xiě)入、光波長(zhǎng)資源的調(diào)度、新標(biāo)記信息與透明傳輸IP凈負(fù)荷的正交結(jié)合及路由等。其中光標(biāo)記信息的讀取可以通過(guò)耦合器將正交調(diào)制信號(hào)以適當(dāng)比例分開(kāi)然后通過(guò)光標(biāo)記識(shí)別器讀取，而舊標(biāo)記的擦除與新標(biāo)記的寫(xiě)入及新標(biāo)記信息與透明傳輸IP凈負(fù)荷的正交結(jié)合則可通過(guò)全光波長(zhǎng)變換實(shí)現(xiàn)^[5]。

圖3 基于FSK/ASK正交調(diào)制方式的邊緣路由器結(jié)構(gòu)

3 FSK/ASK光標(biāo)記/凈荷正交聯(lián)合信號(hào)傳輸性能分析

FSK/ASK光標(biāo)記/凈荷正交聯(lián)合信號(hào)傳輸系統(tǒng)如圖4所示。這里假定凈荷速率10 Gb/s，偽隨機(jī)序列(PRBS)長(zhǎng)度223－1，標(biāo)記信號(hào)速率155 Mb/s，偽隨機(jī)序列長(zhǎng)度27－1。FSK信號(hào)的調(diào)制譜寬為10 GHz，兩峰值處頻率分別為193.1 THz(1 553.599 nm)和193.11 THz(1 553.519 nm)，聯(lián)合正交調(diào)制信號(hào)的名義載波為兩峰值的中值頻率點(diǎn)193.105THz(1553.559 nm)，也即ASK信號(hào)接收機(jī)中光帶通濾波器的中心頻率點(diǎn)，其帶寬為40 GHz。而FSK信號(hào)接收機(jī)光帶通濾波器的中心頻率為193.11 THz，及只設(shè)別標(biāo)記信號(hào)的“1”碼流，其頻寬取為14 GHz。在下面的分析中，傳輸鏈路采用50 km的單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)和10 km的色散補(bǔ)償光纖(Dispersion Compensation Fiber，DCF)，其中SMF和DCF的衰減系數(shù)、色散系數(shù)和色散斜度分別為0.2 dB/km，16 ps/nm/km，0.08 ps/nm2/km和0.3 dB/km，-80 ps/nm/km，-0.28 ps/nm2/km。傳輸鏈路中的前置放大器和后置放大器的噪聲系數(shù)分別為5 dB和4 dB。系統(tǒng)的傳輸性能受到多方面因素的影響，其中主要有M-Z調(diào)制器消光比和傳輸線路的光纖色散及色散補(bǔ)償方案等因素的影響。

圖4 FSK/ASK正交調(diào)制傳輸系統(tǒng)

MZM：M-Z調(diào)制器(M-Z modulator);EDFA:摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier);SMF:單模色散光纖(Single Mode Fiber);DCF:色散補(bǔ)償光纖(Dispersion Compensation Fiber);OBPF:光帶通濾波器(Optical Bandpass Filter)。

3.1 M-Z調(diào)制器消光比(ER)對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

圖5顯示了FSK標(biāo)記信號(hào)和ASK數(shù)據(jù)凈荷的誤碼率(BER)與調(diào)制器ER的關(guān)系。其中信號(hào)接收機(jī)接收光功率均設(shè)為2 dBm的固定值，分光器分光比為1∶1，色散補(bǔ)償采取全補(bǔ)償方式，而激光器的線寬取20 MHz和100 MHz兩種情況。可以清楚地看出，當(dāng)ER從3~11 dB變化時(shí)，ASK信號(hào)的BER逐漸減小，而FSK標(biāo)記信號(hào)性能則相反。這是因?yàn)楫?dāng)ER增大時(shí)，ASK信號(hào)中的“1”信號(hào)能量高而“0”信號(hào)能量很低，這是ASK探測(cè)所期望的。但當(dāng)ASK出現(xiàn)連“0”情況時(shí)，作為標(biāo)記信號(hào)的載體FSK光信號(hào)則由于調(diào)制器較高的ER而無(wú)法獲得光電檢測(cè)時(shí)的有效能量，從而導(dǎo)致判決器誤判。另外，從圖中還可以看出，在一定的范圍內(nèi)，激光器線寬對(duì)FSK與ASK信號(hào)接收性能影響很小。

圖5 激光器線寬分別為20 MHz和100 MHz

情況下接收信號(hào)BER與ER的關(guān)系

3.2 光纖色散對(duì)系統(tǒng)性能的影響?yīng)?/p>

由于ASK信號(hào)頻譜范圍寬于FSK信號(hào)頻譜范圍，所以ASK信號(hào)受傳輸線路色散影響遠(yuǎn)大于FSK信號(hào)。圖6(a)和(b)分別為ER 7 dB，SMF長(zhǎng)度30 km且無(wú)色散補(bǔ)償情況下(其他條件同前)，ASK信號(hào)和FSK信號(hào)的眼圖。顯然，ASK信號(hào)眼圖張開(kāi)度比FSK小得多，數(shù)值計(jì)算得ASK信號(hào)與FSK信號(hào)BER分別為9.27×10-8和6.05×10-16 。

圖6 傳輸SMF長(zhǎng)度為30 km，無(wú)色散補(bǔ)償下兩種信號(hào)的眼圖

若固定ER為7 dB，SMF和DCF長(zhǎng)度分別為50 km和10 km，并采用后置補(bǔ)償方式，其中SMF色散系數(shù)為16 ps/nm/km，圖7顯示了DCF補(bǔ)償系數(shù)從-120~-40 ps/nm/km變化下FSK信號(hào)與ASK信號(hào)BER的變化情況。從圖中看出，當(dāng)DCF補(bǔ)償系數(shù)為-80 ps/nm/km時(shí)，ASK凈荷BER最小。從圖中也可看出，F(xiàn)SK信號(hào)受色散因素的影響則小的多，這主要是由于其窄光譜幾乎免于色散影響所致。

4 FSK/ASK正交調(diào)制方式下光標(biāo)記與IP數(shù)據(jù)包的傳輸實(shí)驗(yàn)

FSK/ASK正交調(diào)制方式下光標(biāo)記與凈荷的實(shí)驗(yàn)傳輸方案同圖4。實(shí)驗(yàn)采用312 Mb/s的標(biāo)記信號(hào)，10 Gb/s的凈荷速率，88 km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)，圖中的色散補(bǔ)償光纖(DCF)用以補(bǔ)償單模光纖所帶來(lái)的色散。FSK的峰值間隔約20 GHz。

圖7 BER與DCF色散補(bǔ)償系數(shù)的關(guān)系

圖8(a)與圖8(b)是凈荷與標(biāo)記信息相應(yīng)的眼圖。由圖可見(jiàn)，凈荷眼圖清晰。對(duì)于標(biāo)記信息，則積累了由凈荷導(dǎo)致的噪聲，但眼圖依舊清晰。

圖8 凈荷與標(biāo)記信息眼圖

5 結(jié) 語(yǔ)

基于正交調(diào)制格式的IP-over-WDM光標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換容量與波分復(fù)用技術(shù)(WDM)帶來(lái)的大傳輸容量相匹配、與光交叉連接(OXC)、多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)等新興技術(shù)相結(jié)合及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與資源的合理利用，從而滿足當(dāng)今IP 網(wǎng)絡(luò)流量急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)。本文詳細(xì)闡述了基于正交調(diào)制格式的IP-over-WDM光標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并給出了邊緣路由器的結(jié)構(gòu)圖與核心路由器的實(shí)現(xiàn)方法，數(shù)值分析了調(diào)制器消光比、接收光功率及光纖色散對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響。結(jié)果表明，ER對(duì)ASK凈荷和FSK標(biāo)記信息有著不同的影響，較高的ER有利于ASK凈荷，ER越大，ASK信號(hào)接收機(jī)靈敏度越高，而FSK信號(hào)接收機(jī)相反，光纖色散對(duì)ASK信號(hào)有嚴(yán)重影響。最后給出了基于正交調(diào)制格式的IP-over-WDM光標(biāo)記傳輸實(shí)驗(yàn)原理圖與實(shí)驗(yàn)傳輸結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所論述的光標(biāo)記交換方案的可行性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Chi Nan，Xu Lin，Zhang Jianfeng，et al.Transmission and Optical Label Swapping for 4x40 Gb/s WDM Signals Deploying Orthogonal ASK/DPSK Labeling\\[J\\].IEEE Photonics Technology Letters，2005，17(6):1 325-1 327.



［2］Yu Yonglin.Performance Implications of Wide-Band Lasers for FSK Modulation Labeling Scheme\\[J\\].IEEE Photonics Technology Letters，2004，16(1):39-41.



［3］Xin X J，Andre P S，Teixeira A L J，et al.Improvement of Amplitude-Shift-Keying Signal Quality by Employing an Effective Spectrum Equalization Method in a Combined FSK/ASK Modulation Scheme\\[J\\].Chinese Physics Letters，2005，22(8):1 948-1 950.



［4］Zhang Jianfeng，Chi Nan.An Optical FSK Transmitter Based on an Integrated DFB Laser-EA Modulator and Its Application in Optical Labeling\\[J\\].IEEE Photonics Technology Letters，2003，15(7):984-986.



［5］Daniel J Blumenthal.All-Optical Label Swapping Networks and Technologies\\[J\\].Journal of Lightwave Technology，2000，18(12):2 058-2 075.



［6］Kyriakos G Vlachos，Idelfonso T Monroy，Koonen A M J.STOLAS:Switching Technologies for Optically Labeled Signals\\[J\\].IEEE Optical Communications，2003，s9-s15.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。