基于正交調制的ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＷＤＭ光標記交換網絡及其傳輸性能的研究

摘 要：詳細闡述了基于正交調制格式的IP-over-WDM光標記交換網絡的網絡體系結構，給出了邊緣路由器的結構圖與核心路由器的實現方法，數值模擬了IP-over-WDM光網絡中基于頻移鍵控/幅移鍵控正交調制的光標記信號/凈荷的傳輸性能，最后給出了基于正交調制格式的IP-over-WDM光標記傳輸實驗，實驗結果表明了所述方案的可行性。

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關鍵詞：光標記交換;光網絡;波分復用技術;IP-over-WDM

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A

文章編號：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

當今IP網絡數據流量的爆炸式增長對傳統的網絡結構、網絡交換機制提出了新的挑戰。目前的IP數據包是通過ATM(異步傳輸模式)/SDH(同步數字體系)方式或直接通過SDH層，然后在WDM(波分復用)光網絡中傳輸的，見圖1。這種在IP層與WDM層之間夾雜了多層的傳輸方式，一方面因為“多層”所致網絡的運營成本很高；另一方面，這些夾層都是基于電子器件，因而網絡流量受電子器件的瓶頸效應限制。為了克服這種局限性，最近提出了將IP包通過光標記直接在WDM層傳輸的新機制——IP-over-WDM光標記交換^[1-4]，如圖1(b)所示。基于光標記交換技術的網絡具有容量大、對數據速率和格式透明、網絡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連接的傳輸等特點，這些特點滿足未來網絡發展的總體要求。同時，光標記交換技術也能夠實現網絡交換容量與波分復用技術(WDM)帶來的大傳輸容量相匹配、與光交叉連接(OXC)、多協議標記交換(MPLS)等新興技術相結合及網絡優化與資源的合理利用。光標記的實現方式有帶外負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(幅度調制)相結合的正交調制方式^[6]。同前兩種方法相比，基于正交調制方式具有節約資源、協議相對簡單的優點。

圖1 傳輸的層次結構

本文詳細介紹了基于正交調制方式的IP-over-WDM的原理與網絡結構，對系統中光調制器的消光比及傳輸線路中光纖色散對系統的傳輸性能的影響進行了深入研究，最后給出了FSK/ASK正交調制方式下標記與凈荷的傳輸實驗。

2 FSK/ASK網絡結構

圖2為基于正交調制方式的IP-over-WDM光標記交換方案的網絡結構示意圖。由圖可見，網絡結構主要由兩大部分組成：邊緣路由器(Edge Router)與核心路由器(Core Router)。邊緣路由器對來自接入網或城域網(Access/Metro Network)的IP數據包進行封裝，并打入光標記。標記了的IP包被發送到基于WDM的核心光網絡，核心光網絡的路由器對光標簽在電域進行處理，并依據其攜帶的標簽信息決定轉發路徑、轉發波長等信息，而高速IP凈負荷只在光域作處理，并在光域實現高速透明傳輸，從而避免了在電域處理時電子器件的瓶頸效應。在出口邊緣路由器，原先的IP負荷被徹底恢復，其后正確到達接入網或城域網中的終端用戶。

圖2 FSK/ASK(其中FSK也可通過DPSK實現)網絡結構

邊緣路由器是這種網絡結構的重要組成部分。基于FSK/ASK正交調制方式的邊緣路由器結構如圖3所示。由圖可見，邊緣路由器首先對來自接入網或城域網的 IP 數據包進行匯集、緩沖(Aggregation，Buffering)，之后依據IP數據包的頭信息并根據網絡狀況確定光標記信息，同時分配某一個波長λa作為激光器的工作波長，然后用光標記信息對處于此位置的激光器直接進行強度調制，直接強度調制的結果是該激光器由于啁啾而同時導致頻率調制，即頻移鍵控 (FSK)，此 FSK 信號即為光標記信號。標記后的光信號作為載波，再經過外調制器攜帶高速 IP 凈負荷，從而完成 FSK/ASK 的正交聯合調制。同時，此邊緣路由器根據 IP 頭信息(控制信息)為此正交聯合信號確定路由，將其傳送到合適的核心路由器。當核心路由器接收到此正交聯合調制信號后，只對 FSK 信息在電域進行處理。由于FSK攜帶的信息速率較低，所以處理相對容易、快速，而對高速 IP 凈負荷則始終保持在光域，進行全光處理。在核心路由器，網絡管理單元依據FSK攜帶的標記信息重新為IP凈負荷分配波長，如圖2中的λb與λc，并確定轉發路由。由于FSK及ASK信號實質上是同一個光波長信號，因此沒有任何的額外資源消耗。

核心路由器是這種網絡結構的另外一個重要組成部分。核心路由器的主要功能是光標記信息的讀取、擦除與新標記的寫入、光波長資源的調度、新標記信息與透明傳輸IP凈負荷的正交結合及路由等。其中光標記信息的讀取可以通過耦合器將正交調制信號以適當比例分開然后通過光標記識別器讀取，而舊標記的擦除與新標記的寫入及新標記信息與透明傳輸IP凈負荷的正交結合則可通過全光波長變換實現^[5]。

圖3 基于FSK/ASK正交調制方式的邊緣路由器結構

3 FSK/ASK光標記/凈荷正交聯合信號傳輸性能分析

FSK/ASK光標記/凈荷正交聯合信號傳輸系統如圖4所示。這里假定凈荷速率10 Gb/s，偽隨機序列(PRBS)長度223－1，標記信號速率155 Mb/s，偽隨機序列長度27－1。FSK信號的調制譜寬為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)，聯合正交調制信號的名義載波為兩峰值的中值頻率點193.105THz(1553.559 nm)，也即ASK信號接收機中光帶通濾波器的中心頻率點，其帶寬為40 GHz。而FSK信號接收機光帶通濾波器的中心頻率為193.11 THz，及只設別標記信號的“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的色散補償光纖(Dispersion Compensation Fiber，DCF)，其中SMF和DCF的衰減系數、色散系數和色散斜度分別為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分別為5 dB和4 dB。系統的傳輸性能受到多方面因素的影響，其中主要有M-Z調制器消光比和傳輸線路的光纖色散及色散補償方案等因素的影響。

圖4 FSK/ASK正交調制傳輸系統

MZM：M-Z調制器(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:色散補償光纖(Dispersion Compensation Fiber);OBPF:光帶通濾波器(Optical Bandpass Filter)。

3.1 M-Z調制器消光比(ER)對系統性能的影響

圖5顯示了FSK標記信號和ASK數據凈荷的誤碼率(BER)與調制器ER的關系。其中信號接收機接收光功率均設為2 dBm的固定值，分光器分光比為1∶1，色散補償采取全補償方式，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ER從3~11 dB變化時，ASK信號的BER逐漸減小，而FSK標記信號性能則相反。這是因為當ER增大時，ASK信號中的“1”信號能量高而“0”信號能量很低，這是ASK探測所期望的。但當ASK出現連“0”情況時，作為標記信號的載體FSK光信號則由于調制器較高的ER而無法獲得光電檢測時的有效能量，從而導致判決器誤判。另外，從圖中還可以看出，在一定的范圍內，激光器線寬對FSK與ASK信號接收性能影響很小。

圖5 激光器線寬分別為20 MHz和100 MHz

情況下接收信號BER與ER的關系

3.2 光纖色散對系統性能的影響

由于ASK信號頻譜范圍寬于FSK信號頻譜范圍，所以ASK信號受傳輸線路色散影響遠大于FSK信號。圖6(a)和(b)分別為ER 7 dB，SMF長度30 km且無色散補償情況下(其他條件同前)，ASK信號和FSK信號的眼圖。顯然，ASK信號眼圖張開度比FSK小得多，數值計算得ASK信號與FSK信號BER分別為9.27×10-8和6.05×10-16 。

圖6 傳輸SMF長度為30 km，無色散補償下兩種信號的眼圖

若固定ER為7 dB，SMF和DCF長度分別為50 km和10 km，并采用后置補償方式，其中SMF色散系數為16 ps/nm/km，圖7顯示了DCF補償系數從-120~-40 ps/nm/km變化下FSK信號與ASK信號BER的變化情況。從圖中看出，當DCF補償系數為-80 ps/nm/km時，ASK凈荷BER最小。從圖中也可看出，FSK信號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正交調制方式下光標記與IP數據包的傳輸實驗

FSK/ASK正交調制方式下光標記與凈荷的實驗傳輸方案同圖4。實驗采用312 Mb/s的標記信號，10 Gb/s的凈荷速率，88 km的標準單模光纖(SMF)，圖中的色散補償光纖(DCF)用以補償單模光纖所帶來的色散。FSK的峰值間隔約20 GHz。

圖7 BER與DCF色散補償系數的關系

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

圖8 凈荷與標記信息眼圖

5 結 語

基于正交調制格式的IP-over-WDM光標記交換網絡能夠實現網絡交換容量與波分復用技術(WDM)帶來的大傳輸容量相匹配、與光交叉連接(OXC)、多協議標記交換(MPLS)等新興技術相結合及網絡優化與資源的合理利用，從而滿足當今IP 網絡流量急劇增長的趨勢。本文詳細闡述了基于正交調制格式的IP-over-WDM光標記交換網絡的網絡體系結構，并給出了邊緣路由器的結構圖與核心路由器的實現方法，數值分析了調制器消光比、接收光功率及光纖色散對系統傳輸性能的影響。結果表明，ER對ASK凈荷和FSK標記信息有著不同的影響，較高的ER有利于ASK凈荷，ER越大，ASK信號接收機靈敏度越高，而FSK信號接收機相反，光纖色散對ASK信號有嚴重影響。最后給出了基于正交調制格式的IP-over-WDM光標記傳輸實驗原理圖與實驗傳輸結果，實驗結果表明所論述的光標記交換方案的可行性。

參 考 文 獻

［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 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、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。