基于正交调制的ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＷＤＭ光标记交换网络及其传输性能的研究

摘 要：详细阐述了基于正交调制格式的IP-over-WDM光标记交换网络的网络体系结构，给出了边缘路由器的结构图与核心路由器的实现方法，数值模拟了IP-over-WDM光网络中基于频移键控/幅移键控正交调制的光标记信号/净荷的传输性能，最后给出了基于正交调制格式的IP-over-WDM光标记传输实验，实验结果表明了所述方案的可行性。

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关键词：光标记交换;光网络;波分复用技术;IP-over-WDM

中图分类号：TN919 文献标识码：A

文章编号：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

当今IP网络数据流量的爆炸式增长对传统的网络结构、网络交换机制提出了新的挑战。目前的IP数据包是通过ATM(异步传输模式)/SDH(同步数字体系)方式或直接通过SDH层，然后在WDM(波分复用)光网络中传输的，见图1。这种在IP层与WDM层之间夹杂了多层的传输方式，一方面因为“多层”所致网络的运营成本很高；另一方面，这些夹层都是基于电子器件，因而网络流量受电子器件的瓶颈效应限制。为了克服这种局限性，最近提出了将IP包通过光标记直接在WDM层传输的新机制——IP-over-WDM光标记交换^[1-4]，如图1(b)所示。基于光标记交换技术的网络具有容量大、对数据速率和格式透明、网络可配置性及带宽利用效率高、能够提供端到端的光通道或者无连接的传输等特点，这些特点满足未来网络发展的总体要求。同时，光标记交换技术也能够实现网络交换容量与波分复用技术(WDM)带来的大传输容量相匹配、与光交叉连接(OXC)、多协议标记交换(MPLS)等新兴技术相结合及网络优化与资源的合理利用。光标记的实现方式有带外负载波与串行比特序列模式^[5]及基于FSK(频移键控)或DPSK(微分相移键控)与ASK(幅度调制)相结合的正交调制方式^[6]。同前两种方法相比，基于正交调制方式具有节约资源、协议相对简单的优点。

图1 传输的层次结构

本文详细介绍了基于正交调制方式的IP-over-WDM的原理与网络结构，对系统中光调制器的消光比及传输线路中光纤色散对系统的传输性能的影响进行了深入研究，最后给出了FSK/ASK正交调制方式下标记与净荷的传输实验。

2 FSK/ASK网络结构

图2为基于正交调制方式的IP-over-WDM光标记交换方案的网络结构示意图。由图可见，网络结构主要由两大部分组成：边缘路由器(Edge Router)与核心路由器(Core Router)。边缘路由器对来自接入网或城域网(Access/Metro Network)的IP数据包进行封装，并打入光标记。标记了的IP包被发送到基于WDM的核心光网络，核心光网络的路由器对光标签在电域进行处理，并依据其携带的标签信息决定转发路径、转发波长等信息，而高速IP净负荷只在光域作处理，并在光域实现高速透明传输，从而避免了在电域处理时电子器件的瓶颈效应。在出口边缘路由器，原先的IP负荷被彻底恢复，其后正确到达接入网或城域网中的终端用户。

图2 FSK/ASK(其中FSK也可通过DPSK实现)网络结构

边缘路由器是这种网络结构的重要组成部分。基于FSK/ASK正交调制方式的边缘路由器结构如图3所示。由图可见，边缘路由器首先对来自接入网或城域网的 IP 数据包进行汇集、缓冲(Aggregation,Buffering),之后依据IP数据包的头信息并根据网络状况确定光标记信息，同时分配某一个波长λa作为激光器的工作波长，然后用光标记信息对处于此位置的激光器直接进行强度调制，直接强度调制的结果是该激光器由于啁啾而同时导致频率调制，即频移键控 (FSK)，此 FSK 信号即为光标记信号。标记后的光信号作为载波，再经过外调制器携带高速 IP 净负荷，从而完成 FSK/ASK 的正交联合调制。同时，此边缘路由器根据 IP 头信息(控制信息)为此正交联合信号确定路由，将其传送到合适的核心路由器。当核心路由器接收到此正交联合调制信号后，只对 FSK 信息在电域进行处理。由于FSK携带的信息速率较低，所以处理相对容易、快速，而对高速 IP 净负荷则始终保持在光域，进行全光处理。在核心路由器，网络管理单元依据FSK携带的标记信息重新为IP净负荷分配波长，如图2中的λb与λc，并确定转发路由。由于FSK及ASK信号实质上是同一个光波长信号，因此没有任何的额外资源消耗。

核心路由器是这种网络结构的另外一个重要组成部分。核心路由器的主要功能是光标记信息的读取、擦除与新标记的写入、光波长资源的调度、新标记信息与透明传输IP净负荷的正交结合及路由等。其中光标记信息的读取可以通过耦合器将正交调制信号以适当比例分开然后通过光标记识别器读取，而旧标记的擦除与新标记的写入及新标记信息与透明传输IP净负荷的正交结合则可通过全光波长变换实现^[5]。

图3 基于FSK/ASK正交调制方式的边缘路由器结构

3 FSK/ASK光标记/净荷正交联合信号传输性能分析

FSK/ASK光标记/净荷正交联合信号传输系统如图4所示。这里假定净荷速率10 Gb/s，伪随机序列(PRBS)长度223－1，标记信号速率155 Mb/s,伪随机序列长度27－1。FSK信号的调制谱宽为10 GHz，两峰值处频率分别为193.1 THz(1 553.599 nm)和193.11 THz(1 553.519 nm)，联合正交调制信号的名义载波为两峰值的中值频率点193.105THz(1553.559 nm)，也即ASK信号接收机中光带通滤波器的中心频率点，其带宽为40 GHz。而FSK信号接收机光带通滤波器的中心频率为193.11 THz，及只设别标记信号的“1”码流，其频宽取为14 GHz。在下面的分析中，传输链路采用50 km的单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)和10 km的色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber,DCF)，其中SMF和DCF的衰减系数、色散系数和色散斜度分别为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。传输链路中的前置放大器和后置放大器的噪声系数分别为5 dB和4 dB。系统的传输性能受到多方面因素的影响，其中主要有M-Z调制器消光比和传输线路的光纤色散及色散补偿方案等因素的影响。

图4 FSK/ASK正交调制传输系统

MZM：M-Z调制器(M-Z modulator);EDFA:掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier);SMF:单模色散光纤(Single Mode Fiber);DCF:色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber);OBPF:光带通滤波器(Optical Bandpass Filter)。

3.1 M-Z调制器消光比(ER)对系统性能的影响

图5显示了FSK标记信号和ASK数据净荷的误码率(BER)与调制器ER的关系。其中信号接收机接收光功率均设为2 dBm的固定值，分光器分光比为1∶1，色散补偿采取全补偿方式，而激光器的线宽取20 MHz和100 MHz两种情况。可以清楚地看出，当ER从3~11 dB变化时，ASK信号的BER逐渐减小，而FSK标记信号性能则相反。这是因为当ER增大时，ASK信号中的“1”信号能量高而“0”信号能量很低，这是ASK探测所期望的。但当ASK出现连“0”情况时，作为标记信号的载体FSK光信号则由于调制器较高的ER而无法获得光电检测时的有效能量，从而导致判决器误判。另外，从图中还可以看出，在一定的范围内，激光器线宽对FSK与ASK信号接收性能影响很小。

图5 激光器线宽分别为20 MHz和100 MHz

情况下接收信号BER与ER的关系

3.2 光纤色散对系统性能的影响

由于ASK信号频谱范围宽于FSK信号频谱范围，所以ASK信号受传输线路色散影响远大于FSK信号。图6(a)和(b)分别为ER 7 dB,SMF长度30 km且无色散补偿情况下(其他条件同前)，ASK信号和FSK信号的眼图。显然，ASK信号眼图张开度比FSK小得多，数值计算得ASK信号与FSK信号BER分别为9.27×10-8和6.05×10-16 。

图6 传输SMF长度为30 km，无色散补偿下两种信号的眼图

若固定ER为7 dB，SMF和DCF长度分别为50 km和10 km，并采用后置补偿方式，其中SMF色散系数为16 ps/nm/km，图7显示了DCF补偿系数从-120~-40 ps/nm/km变化下FSK信号与ASK信号BER的变化情况。从图中看出，当DCF补偿系数为-80 ps/nm/km时，ASK净荷BER最小。从图中也可看出，FSK信号受色散因素的影响则小的多，这主要是由于其窄光谱几乎免于色散影响所致。

4 FSK/ASK正交调制方式下光标记与IP数据包的传输实验

FSK/ASK正交调制方式下光标记与净荷的实验传输方案同图4。实验采用312 Mb/s的标记信号，10 Gb/s的净荷速率，88 km的标准单模光纤(SMF)，图中的色散补偿光纤(DCF)用以补偿单模光纤所带来的色散。FSK的峰值间隔约20 GHz。

图7 BER与DCF色散补偿系数的关系

图8(a)与图8(b)是净荷与标记信息相应的眼图。由图可见，净荷眼图清晰。对于标记信息，则积累了由净荷导致的噪声，但眼图依旧清晰。

图8 净荷与标记信息眼图

5 结 语

基于正交调制格式的IP-over-WDM光标记交换网络能够实现网络交换容量与波分复用技术(WDM)带来的大传输容量相匹配、与光交叉连接(OXC)、多协议标记交换(MPLS)等新兴技术相结合及网络优化与资源的合理利用，从而满足当今IP 网络流量急剧增长的趋势。本文详细阐述了基于正交调制格式的IP-over-WDM光标记交换网络的网络体系结构，并给出了边缘路由器的结构图与核心路由器的实现方法，数值分析了调制器消光比、接收光功率及光纤色散对系统传输性能的影响。结果表明，ER对ASK净荷和FSK标记信息有着不同的影响，较高的ER有利于ASK净荷，ER越大，ASK信号接收机灵敏度越高，而FSK信号接收机相反,光纤色散对ASK信号有严重影响。最后给出了基于正交调制格式的IP-over-WDM光标记传输实验原理图与实验传输结果，实验结果表明所论述的光标记交换方案的可行性。

参 考 文 献

［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.

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

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［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.

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［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.

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

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

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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