基于正交調(diào)制FSK/ASK光標(biāo)記交換技術(shù)

摘要　光標(biāo)記交換技術(shù)是近幾年國(guó)外光交換技術(shù)研究的熱點(diǎn)，光標(biāo)記交換的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在光標(biāo)記的產(chǎn)生、提取和識(shí)別等方面。著眼于以廣義多標(biāo)記交換（GMPLS）為基礎(chǔ)的光標(biāo)記交換，對(duì)一種新的基于正交調(diào)制FSK/ASK光標(biāo)記交換技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了基本原理并在此基礎(chǔ)上建立了一套系統(tǒng)理論模型，最后對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真。

當(dāng)美國(guó)最大的電話運(yùn)營(yíng)商AT&T宣稱只有將光纜接到主要街道（FTTC），然后用已存在的銅纜接入用戶家才是風(fēng)險(xiǎn)較低的寬帶發(fā)展方式時(shí)，2007年一季度，Verizon報(bào)告其新增864 000 FiOS（一種光纖到戶（FTTH）的商業(yè)化應(yīng)用技術(shù)）用戶增長(zhǎng)超過(guò)16%，用戶已經(jīng)突破100萬(wàn)。該公司已經(jīng)開(kāi)始提供50 Mbit/s的因特網(wǎng)連接，并正在嘗試將其提高到100 Mbit/s。與此同時(shí)，在應(yīng)用領(lǐng)域，以Youtube為代表的視頻點(diǎn)播（VOD）服務(wù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)開(kāi)始風(fēng)靡。毋庸質(zhì)疑，寬帶接入技術(shù)的成熟，加之高質(zhì)量的服務(wù)內(nèi)容的不斷涌現(xiàn)將使通信網(wǎng)絡(luò)中的IP數(shù)據(jù)傳輸量強(qiáng)勁增長(zhǎng)。

現(xiàn)有傳輸網(wǎng)的波分復(fù)用技術(shù)（WDM）能有效解決人們對(duì)帶寬的需求，但是單純利用WDM技術(shù)沒(méi)有從根本上克服網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電子速率“瓶頸”，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍需要光/電、電/光的轉(zhuǎn)換和電信號(hào)處理，交換速率受核心路由器背板速率和數(shù)量的限制，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，高速傳輸速率與低速交換速率不能匹配，所以克服電子“瓶頸”的辦法是避免在ATM和SDH層而直接在DWDM上進(jìn)行IP數(shù)據(jù)的傳輸，即建設(shè)全光以太網(wǎng)（IP over DWDM）。

在此背景下，作為建設(shè)全光以太網(wǎng)的基礎(chǔ)，光標(biāo)記交換（OLS）技術(shù)是近幾年國(guó)外光交換技術(shù)研究的熱點(diǎn)，光標(biāo)記交換的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在光標(biāo)記的產(chǎn)生、提取和識(shí)別等方面。文章著眼于以廣義多標(biāo)記交換（GMPLS）為基礎(chǔ)的光標(biāo)記交換，介紹一種結(jié)合FSK/ASK的正交調(diào)制的光標(biāo)記技術(shù)。

1、基于正交調(diào)制FSK/ASK光標(biāo)記交換技術(shù)的基本原理及實(shí)現(xiàn)方法

1.1　基本原理

所謂光標(biāo)記，是指利用各種方法在光分組上打上標(biāo)記，也就是把光分組的包頭地址信號(hào)用各種方法打在光分組上，這樣在交換節(jié)點(diǎn)上根據(jù)光標(biāo)記來(lái)實(shí)現(xiàn)全光交換。基于這種原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的光交換稱為OLS。

光標(biāo)記的產(chǎn)生和提取是光標(biāo)記交換的核心技術(shù)。一般來(lái)講，光調(diào)制有3種方式：幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK），目前光標(biāo)記的產(chǎn)生大多數(shù)也從這三個(gè)方面入手。光標(biāo)記信號(hào)一般是在Mbit/s量級(jí)上的低速率信號(hào)，而光分組的傳輸速率都在Gbit/s量級(jí)上，要把低速的標(biāo)記信號(hào)加在高速的光分組信號(hào)上，可以根據(jù)不同的機(jī)制采用不同的方法。光標(biāo)記的提取本質(zhì)上就是把光標(biāo)記從復(fù)用信號(hào)中分離出來(lái)。

文章介紹的基于正交調(diào)制FSK/ASK光標(biāo)記交換技術(shù)的特點(diǎn)是標(biāo)記信息和載荷信息在同一個(gè)光波上同時(shí)傳輸，標(biāo)記信息以FSK方式正交的調(diào)制在以ASK方式調(diào)制的載荷信息上，如圖1所示。它是一種面向連接的光交換技術(shù)。其核心思想是使用光標(biāo)記建立數(shù)據(jù)在光網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑。

圖1　基于正交調(diào)制FSK/ASK標(biāo)記交換定于的光包格式

在網(wǎng)絡(luò)的入口邊緣路由器處，去往某個(gè)出口邊緣路由器的IP數(shù)據(jù)包被綁定一個(gè)標(biāo)記信息來(lái)映射IP地址，從而確定一個(gè)標(biāo)簽交換路徑，即某一個(gè)波長(zhǎng)。這些路徑的路由通過(guò)逐跳分配路由的方式獲得。

在網(wǎng)絡(luò)核心路由器處，IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)是基于光分組的標(biāo)記信息控制實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)標(biāo)記信息攜帶了光標(biāo)簽，用來(lái)控制建立標(biāo)簽交換路徑，實(shí)現(xiàn)類似于多標(biāo)記交換（MPLS）的分組轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)光分組的標(biāo)記信息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中被處理時(shí)，分組的載荷信息以光信號(hào)的形式被緩存，保證了數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中始終保持在光域中。這樣免除了沿路徑復(fù)雜的路由處理，實(shí)現(xiàn)了路由與數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)的分離，從而提高了數(shù)據(jù)交換速率。它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在基于標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)的速度優(yōu)勢(shì)、支持QoS保證及支持流量工程等。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，邊緣路由器處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的邊緣位置，作為網(wǎng)絡(luò)的末梢；核心路由器處于網(wǎng)絡(luò)交叉鏈接的位置，同時(shí)幾個(gè)核心路由器可以組成一個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)。其中，邊緣路由器對(duì)IP數(shù)據(jù)分組進(jìn)行標(biāo)記的生成和擦除的處理，在IP數(shù)據(jù)分組進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，進(jìn)行標(biāo)記的生成；在IP數(shù)據(jù)包傳出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，進(jìn)行標(biāo)記和凈負(fù)荷的分離以及標(biāo)記的擦除。核心路由器則以波長(zhǎng)變換原理為基礎(chǔ)對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由以及轉(zhuǎn)發(fā)的操作。

圖2　基于正交調(diào)制FSK/ASK標(biāo)記交換的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

1.2　邊緣路由器的實(shí)現(xiàn)方法

邊緣路由器基本功能是實(shí)現(xiàn)標(biāo)記信息的生成。在邊緣路由器處，如圖3所示，IP數(shù)據(jù)包標(biāo)記信息，驅(qū)動(dòng)一個(gè)小的偏置電流直接調(diào)制激光器，利用激光器的啁啾來(lái)完成FSK標(biāo)記信息（文章以155 Mbit/s的信號(hào)速率為例）的生成。載荷信息（文章以10 Gbit/s的信號(hào)速率為例）則通過(guò)馬赫曾德調(diào)制器（MZM）采用外調(diào)制方法正交的調(diào)制到該載波上，從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)光波（文章以193.1 THz為例）上同時(shí)正交的調(diào)制標(biāo)記信息和載荷信息。

圖3　邊緣路由器原理示意圖

1.3　核心路由器的實(shí)現(xiàn)方法

核心路由器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其主要功能包括：載荷信息的緩存、標(biāo)記信息的前向糾錯(cuò)控制、波長(zhǎng)變換、信號(hào)的路由選擇和同步等。

圖4所示為其中一種實(shí)現(xiàn)方法。首先信號(hào)在核心路由器經(jīng)過(guò)耦合器分成兩路光信號(hào)，其中一路通過(guò)光電變換解調(diào)出FSK標(biāo)記信息所攜帶的標(biāo)簽信號(hào)，標(biāo)簽信號(hào)經(jīng)過(guò)路由表確定其下一跳的地址，并相應(yīng)的翻譯成新的標(biāo)簽信號(hào)。新的標(biāo)簽信號(hào)類似于邊緣路由器中標(biāo)記信息生成的原理直接調(diào)制一個(gè)激光器，此時(shí)的激光器是可調(diào)諧激光器，從而實(shí)現(xiàn)新的標(biāo)簽信號(hào)（電信號(hào)）轉(zhuǎn)化為新的標(biāo)記信息（光信號(hào)），根據(jù)新的標(biāo)記信息也相應(yīng)的確定了新的波長(zhǎng)（文章以193.2 THz的為例代表新的波長(zhǎng)）。此時(shí)另一路耦合器出來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光緩存和同步處理后，基于交叉相位調(diào)制原理與標(biāo)記信息所確定的新的波長(zhǎng)進(jìn)行波長(zhǎng)變換，最終經(jīng)波長(zhǎng)變換后，承載著正交調(diào)制的下一跳的標(biāo)記信息和原先的載荷信息的新的波長(zhǎng)信號(hào)產(chǎn)生了。

圖4　核心路由器原理示意圖

1.4　接收機(jī)部分的實(shí)現(xiàn)方法

接收機(jī)分為ASK載荷信息接收機(jī)和FSK標(biāo)記信息接收機(jī)，ASK接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能是載荷信息的解調(diào)，F(xiàn)SK接收機(jī)則實(shí)現(xiàn)標(biāo)記信息的提取。FSK接收機(jī)模塊不僅用于接收端，核心路由器和部分邊緣路由器也會(huì)用到該模塊。

圖5顯示了兩個(gè)接收機(jī)的原理示意圖，兩個(gè)接收機(jī)的基本原理是一致的，均使用簡(jiǎn)單易行的直接探測(cè)手段（IM-DD）進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)。其中載荷信息在經(jīng)過(guò)放大和濾波處理后變?yōu)檩d荷電信號(hào)；FSK標(biāo)記信息，預(yù)留了足夠的碼頻間隔，信號(hào)通過(guò)帶通濾波器濾出其中一個(gè)碼頻，經(jīng)過(guò)放大、濾波處理后變?yōu)闃?biāo)記電信號(hào)。

圖5　接收機(jī)的原理示意圖