專利名稱：波長偏振混合標記的光分組交換系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光分組交換系統，尤其涉及一種基于光波長和偏振態混合標 記的光分組交換系統，解決了光分組的光信頭構成、路由信息承載及交換信息 處理等問題，屬于光通信技術領域。
背景技術：
在已開展研究的光交換技術中，按交換方式的不同，通常將光交換技術分 為3類，光線路交換OCS(Optical Circuit Switching),光分組(包)交換OPS(Optical Packet Switching)和介于二者之間的光突發交換OBS(Optical Burst Switching)。較 早研究的光交換模式是光線路交換，基本交換單元呼叫，整個一次呼叫的帶寬 保留在雙進程中。它的主要缺陷是，在數據傳送之前必須首先建立波長路由通 道，且通道波長一直被占用，直至一次呼叫完成才被釋放。光突發交換(OBS)中， 信號被分成包含路由信息的控制分組和承載業務的數據分組。控制分組的控制 信息通過路由器電子處理而數據分組不經過光電轉換直接在端到端的透明傳輸 信道中傳輸。OBS的通信帶寬只需單向保留，交換粒度優于光線路交換，但控 制信息需要占用額外的信道資源。更為理想的是光分組交換技術(OPS)， OPS將 光信息分成固定的光載荷和承載路由信息的光信頭，構成具有固定格式的光分 組進行傳送，它是一種無連接(Connectionless)自路由(Self-routing)的傳輸方式， 信息發送前不必等待直接發送，在光交換節點處進行存貯轉發(S&F)，在目標節 點將各分組排序恢復原始數據流。該技術試圖直接在光層上實現小粒度的分組 交換，具有少的開銷、高的帶寬利用率、傳送信息格式透明等優點。
隨著多協議標記交換MPLS(Multi-Protocol Label Switching)技術的發展，人們 將標記交換的思想引入OPS，將光分組(Optical Packet)分成攜帶路由信息的光信 頭(Optical Header)和時間長度固定的光包(Optical Payload)，光分組在OPS交換節 點完成光信頭(標記)的識別和路由查找，更新(交換)后的光信頭與光包(載
荷)形成新的光分組繼續進入下一級光網絡傳輸。這種方式的光標記在電域內完 成識別和處理，載荷在整個光網絡中透明傳輸。現在報道光標記交換技術研究的 文章也非常多，其研究成果引起廣泛關注。值得注意的是一種多波長光標記方式 的光分組交換的方法。Shilin Xiao等人在《正EE Photonics Technology Letters》(電 氣和電子工程師協會光子技術快報)2003， 15(4):605-607上發表的"Realizationof Multi-wavelength Label Optical Packet Switching"(多波長標記光分組交換的實現) 提出了一種帶內波長標記的OPS技術的具體實現方法，并實現了一個簡單的光標 記交換系統。
在該系統中，光信頭由若干具有不同波長的光脈沖組成，這些光脈沖的不同 組合代表了不同的路由信息。這種光信頭中光脈沖的波長與光包的載波屬于同一 波長信道，不占用額外的波長資源。在交換節點處，通過對光信頭中光脈沖不同 波長組合的判決實現光波路由選擇。由于構成光信頭的光脈沖的標記波長只能在 通信信道通帶內取值，且不同波長的光脈沖要占用一定帶寬，過多的波長標記會 在相互之間引起串繞，這就限制了可用以標記的脈沖的數目，致使光信頭可攜帶 的信息量受限。
光除了幅度、相位、頻率之外還有一個特性就是偏振。偏振光可以分為橢 圓偏振光和線偏振光。如果光在傳播過程中，只存在某一確定方向的振動，這 種光稱為線偏振光。橢圓偏振光可以分解為任意兩個方向互相垂直的線偏振光， 當這兩個分量振幅相等時就是圓偏振光。根據光的偏振特性，近年來提出了一 種稱為偏振移位鍵控(POLSK)的數字傳輸技術，它通過調整外部偏振控制器產生 兩個正交的偏振態，分別代表數據'T'和"O"，通過調制傳輸信號的兩個線性正交 偏振態，進行信息傳輸。Sergio Benedetto在《IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS》VOL.40，NO.4，APRIL1992上發表的"Theory of Polarization Shift Keying Modulation，，上闡述了偏振態移位鍵控(Polarization Shift Keying, PolSK)技術的原理。偏振移位鍵控技術有受光源相位噪聲影響很小、能有效的抑 制光纖傳輸過程中的非線性效應的特點，但該技術因為光纖偏振態色散的影響， 偏振信息在光纖中長距離傳輸后偏振方向會發生變化，且其接收機(Stokes接收
機)結構比較復雜，需要接收模塊偏振軸和發送模塊偏振軸方向一致，實現難 度大，在一定程度上限制了這種調制方式在高速數據傳輸中的應用。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種波長偏振混合標記的光 分組交換系統，提高光信頭可攜帶的信息量，從而提升整個光標記交換網絡的 性能。
為實現這一目的，本發明以光信頭承載路由信息，用波長和偏振態共同作 為標記參數。在光標記交換邊緣節點中光標記控制模塊的統一控制下，波長標 記產生模塊輸出的不同波長的光脈沖在偏振標記產生模塊進行偏振標記加載， 攜帶波長和偏振信息的光信頭和光包經過定時和波分復用后發送到核心節點， 波長標記探測模塊分離出光信頭的不同波長的光脈沖，再經偏振標記檢測模塊 檢測其攜帶的路由信息。光標記核心控制單元通過得到的路由信息控制光開關 交換矩陣進行光包交換。
本發明的方案具體描述如下
系統包括光標記交換邊緣節點和光標記交換核心節點。其連接關系為用 于演示的計算機用戶終端通過電纜連接光標記交換邊緣節點，光標記交換邊緣 節點通過光纖與光標記交換核心節點相連，光標記交換核心節點與光標記交換 核心節點之間經光纖互連。
光標記交換邊緣節點主要功能模塊包括電子輸入輸出線卡、光包打包拆 包處理器、光標記控制模塊、波長標記產生模塊、偏振標記產生模塊和波分復 用器。電子輸入輸出線卡與用戶終端連接，電子輸入輸出線卡的輸出分別連接 光包打包拆包處理器和光標記控制模塊，電子輸入輸出線卡的輸出連接光標記 控制模塊，光包打包拆包處理器的控制信號輸出和光包輸出分別連接光標記控 制模塊及波分復用器，光標記控制模塊的輸出分別與波長標記產生模塊及偏振 標記產生模塊相連接，波長標記產生模塊的輸出與偏振標記產生模塊相連接， 偏振標記產生模塊的輸出連接到波分復用器，波分復用器的輸出連接到光標記 交換核心節點。
光標記交換核心節點的主要功能模塊包括波長標記檢測模塊、由若干個 單路光偏振檢測單元構成的偏振標記檢測模塊、光標記核心控制單元、光開關 交換矩陣、光標記產生模塊和輸出波分復用器；波長標記檢測模塊與光標記邊 緣節點的輸出相連，波長標記檢測模塊將光信頭和光包分離，光信頭輸出連接 到偏振標記檢測模塊，光包輸出連接到光開關交換矩陣，偏振標記檢測模塊與 光標記核心控制單元相連接，光標記核心控制單元的路由控制輸出連接到光開 關交換矩陣，同時光標記核心控制單元控制光標記產生模塊產生下一路光信頭 的輸出，光開關交換矩陣輸出的光包和由光標記產生模塊的新的光信頭一起連 接到輸出波分復用器。
本發明方案中采用了一種新型的光信頭的標記方式，即光信頭所攜帶的信 息由信道帶內光脈沖的波長和偏振態組成。波長偏振混合標記光交換的光分組 的構成描述如下在時域上，光信頭和光包有先后次序，每一個光信頭攜帶其 對應光包的路由信息。攜帶有效通信信息的光包工作于某一指定波長的載波，
如符合ITUT規定的DWDM波長系列中的波長^ 。光信頭所攜帶的路由信息由
光脈沖的波長和偏振態組成，光信頭脈沖波長是指與光包在同一通信信道內的 波長，作為偏振標記的偏振態是指圓偏振態或線偏振態，每一個光信頭由若干 不同波長的光脈沖組成，每一個光脈沖有一種偏振態。
在光標記交換邊緣節點，電子輸入輸出線卡將用戶終端業務流的數據信息 輸至光包打包拆包處理器，同時將業務流的路由信息通知到光標記控制模塊。 光標記控制模塊根據輸入的業務流的路由信息，控制波長標記產生模塊和偏振 標記產生模塊產生對應的由不同波長的光脈沖及其偏振態共同組成的光信頭， 光包打包拆包處理器每產生一個光包就發送一個信號通知光標記控制模塊，將 經嚴格排隊和定時控制后的光信頭連同光包一起接入波分復用器，復用產生的 光分組通過光纖發送至遠端光標記交換核心節點。
在光標記交換核心節點，波長標記檢測模塊將到達核心節點的光分組的光 信頭和光包分離，組成光信頭的不同波長的光信號輸入到偏振標記檢測模塊， 這些承載著路由信息的光信號通過偏振標記檢測模塊檢測其中的偏振信息，再
將偏振標記檢測模塊輸出完整的光路由信息到核心控制單元；光標記核心控制 單元根據探測到的光路由信息控制光開關交換矩陣，完成光包的交換，同時控 制與之相連的光標記產生單元，由光標記產生模塊產生下一跳光信頭；光包通 過光開關交換矩陣后再與新的光信頭一起接入對應輸出端口的波分復用器，波 分復用器的輸出端口連接到目的節點。
本發明通過在波長標記中引入特殊光偏振態的方法，大幅度提高了信頭可 攜帶的信息量，n個波長所能攜帶的信息將擴大1.5M咅，提升了整個光標記交換 網絡的性能，同時保留了多波長光標記交換方法不需占用額外的波長資源，光 信頭容易進行處理等優點。本發明能有效降低因為長距離光纖傳輸引起的偏振 軸方向變化所帶來的影響，因為使用的偏振標記是線偏振態和圓偏振態，在一 定程度上克服了傳輸中偏振軸方向會發生旋轉的不足。并能隨著相關技術的發 展，很好地和現有標記交換技術融合，平滑過渡到理想的光分組交換技術，可 以較快實用化，且成本較低，結構簡單，容易實現。
圖1為本發明中波長偏振混合標記的邊緣節點結構圖。 圖2為本發明中波長偏振混合標記的核心節點結構圖。 圖3為本發明中偏振標記的加載和解偏說明。 圖4為本發明的偏振標記產生模塊的結構示意圖。 圖5為本發明的單路偏振標記檢測模塊的結構示意圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖對實施方式作進一步描述。
本發明的波長偏振混合標記的光分組交換系統包括光標記交換邊緣節點 和光標記交換核心節點。其連接關系為用于演示的計算機用戶終端通過電纜 連接光標記交換邊緣節點，光標記交換邊緣節點通過光纖與光標記交換核心節 點相連，光標記交換核心節點與光標記交換核心節點之間經光纖互連。
圖1給出了本發明中的光標記交換邊緣節點結構示意圖，光標記交換邊緣
節點產生光分組，其主要功能模塊包括電子輸入輸出線卡、光包打包拆包處 理器、光標記控制模塊、波長標記產生模塊、偏振標記產生模塊和波分復用器。
用戶終端與電子輸入輸出線卡連接，電子輸入輸出線卡的輸出分別連接光 包打包拆包處理器和光標記控制模塊，電子輸入輸出線卡的輸出連接光標記控 制模塊，光包打包拆包處理器的輸出分別連接光標記控制模塊及波分復用器， 光標記控制模塊的輸出分別與波長標記產生模塊及偏振標記產生模塊相連接， 波長標記產生模塊的輸出與偏振標記產生模塊相連接，偏振標記產生模塊的輸 出連接到波分復用器，波分復用器的輸出連接到光標記交換核心節點。
電子輸入輸出線卡將用戶終端業務流的數據信息輸至光包打包拆包處理 器，同時將業務流的路由信息通知到光標記控制模塊。光標記控制模塊根據輸 入的業務流的路由信息，控制波長標記產生模塊和偏振標記產生模塊產生對應 的光信頭，該光信頭由不同波長的光脈沖及其偏振態共同組成。光包打包拆包 處理器每產生一個光包就發送一個信號通知光標記控制模塊，將經嚴格排隊和 定時控制后的光信頭連同光包一起接入波分復用器，復用產生的光分組通過光 纖發送至遠端光標記交換核心節點。
圖2是本發明的光標記交換核心節點結構圖。如圖2所示，光標記交換核 心節點的主要功能模塊包括波長標記檢測模塊、由若干個單路光偏振檢測單 元構成的偏振標記檢測模塊、光標記核心控制單元、光開關交換矩陣、光標記 產生模塊和輸出波分復用器。
波長標記檢測模塊與光標記交換邊緣節點的輸出相連，波長標記檢測模塊 將光信頭和光包分離，光信頭輸出連接到偏振標記檢測模塊，光包輸出連接到 光開關交換矩陣，偏振標記檢測模塊與光標記核心控制單元相連接，光標記核 心控制單元的路由控制輸出連接到光開關交換矩陣，光標記核心控制單元產生 的下一路光信頭的控制輸出連接到光標記產生模塊，光開關交換矩陣的輸出和 光標記產生模塊的輸出一起連接到輸出波分復用器。
波長標記檢測模塊將到達核心節點的光分組的光信頭和光包分離，組成光 信頭的不同波長的光信號輸入到偏振標記檢測模塊。這些承載著(波長)路由
信息的光信號通過偏振標記檢測模塊檢測其中的偏振信息，再將偏振標記檢測 模塊輸出完整的光路由信息到核心控制單元。光標記核心控制單元主要完成路 由光信息的探測、光開關矩陣的控制和新路由信息的產生等功能，即根據探測 到的光路由信息控制光開關交換矩陣，完成光載荷的交換，同時控制與之相連 的光標記產生單元，由光標記產生模塊產生下一跳光信頭。光包通過光開關交 換矩陣后再與新的光信頭一起接入對應輸出端口的輸出波分復用器。輸出波分 復用器的輸出端口連接到目的節點。
圖3詳細說明了本發明偏振標記的加載和提取的過程。波長標記產生模塊 用分布式反饋(DFB)激光器產生不同波長的線偏振光，輸入到偏振標記產生模 塊，偏振標記產生模塊根據光標記控制模塊輸入的控制信息決定每路輸出光的 偏振態(包括線偏振態、圓偏振態)。偏振標記檢測模塊由若干個單路光偏振 檢測單元組成，通過單路光偏振檢測單元提取對應波長脈沖的偏振態。
圖4是偏振標記產生模塊的結構示意圖。如圖4所示，偏振標記產生模塊 包括一個高速光開關、三個1X2保偏耦合器、 一個90°旋轉器。三個1X2保偏 耦合器分別為輸入耦合器、中間綠耦合器、輸出耦合器。
根據控制電平輸出圓偏振光或線偏振光的原理結構，信號從左至右傳輸。 因為波長標記產生模塊輸出的光是由高線偏振特性的DFB激光器產生，所以偏 振標記產生模塊的輸入光其實是線偏振光，偏振標記產生模塊中的高速光開關 受光標記控制模塊的電平控制，若需要線偏光輸出則控制光路直通，若需要圓 偏振光輸出則控制光路斜通，高速光開關的直通輸出直接連接到輸出耦合器， 高速光開關的斜通輸出接到輸入耦合器，輸入耦合器的輸出為兩路偏振方向平 行的線偏振光， 一路直接連接到中間級耦合器，另一路經90°旋轉器后連接到中 間級輸出耦合器，控制光程使兩路光相位差正好為^/2，中間級耦合器的輸出連 接到輸出耦合器的另一輸入端。該模塊中所有光纖均使用保偏光纖。
圖5是本發明中單路光偏振檢測單元的原理結構圖。如圖5所示，單路光 偏振檢測單元由一個分光器及兩個主軸呈45。的偏振光束分離器(PBS)構成，
輸入光(線偏振態或圓偏振態)經分光器到兩個主軸呈45°的偏振光束分離
器PBS上，PBS將輸入光分為兩路偏振方向正交的光。如果是圓偏振光輸入， 則兩路輸出的光強應該相等，如果是線偏振光輸入，則兩路信號應該是不等光 強，當兩路信號功率的比值在門限范圍內(如1附近一個范圍)時就判別為圓 偏振光，當比值在這個范圍之外就判別為線偏振光。
考慮到輸入光偏振方向正好與PBS內兩偏振片偏振方向成45。時光強比也 是l,采用2組偏振軸成45。的PBS進行兩路比較，這樣即使線偏振光的方向與 其中一個PBS兩偏振軸夾角為450，另外一路也能有效檢測出其偏振態，從而提 取出偏振標記。
本發明中，用戶終端通過電纜與光標記交換邊緣節點進行高速業務流發送 與接收，光標記交換邊緣節點內與用戶終端直接相連的是電子輸入輸出線卡， 該線卡負責接收來自計算機終端的10M/100M電以太數據包并負責將數據信息 轉發給光包打包拆包處理器，同時將業務流對應的目的地址通知光標記控制模 塊，光標記控制模塊根據收到的路由信息進行査表，并準備好光路由的控制信 息，等待光打包拆包處理器的通知。光包打包拆包處理器根據數據包的業務優 先級和目的地址分配至相應的數據集中隊列排隊，當一個光包封裝完成后，光 包打包拆包處理器發送通知到光標記控制模塊，驅動其產生光標記控制信號。 光標記控制模塊與波長標記產生模塊和偏振標記產生模塊相連，波長標記產生 模塊根據控制線的電平產生不同波長組合的光脈沖，這些光脈沖再通過保偏光 纖連接到偏振標記產生模塊，偏振標記產生模塊同樣根據控制信息控制光脈沖 的偏振態，偏振狀態由設計者定義，與光標記交換核心節點偏振標記檢測模塊 相對應。在將產生的光信頭和光包嚴格定時間隔后，發送光包與光信頭一起復 用進入波分復用器經光纖輸出。
在光標記交換核心節點，輸入光先經過波長標記檢測模塊，分離光信頭和 光包，光信頭中不同波長的光脈沖也分路到不同光纖中。不同波長的光脈沖送 至偏振標記檢測模塊，偏振標記模塊由多個單路光偏振檢測單元組成，分別檢 測不同波長的光脈沖的偏振態，不同的偏振態分別代表不同的路由信息。核心 節點通過光電探測器探測解偏后的路由信息，得到信頭所攜帶的路由信息，并
根據這些路由信息產生控制電平控制交換矩陣，建立光包對應的輸出光路，光 包經過光開關交換矩陣交換到輸出端口，在與下一跳光信頭進行復用之后輸出 到下一跳光標記交換核心節點或接收光標記交換邊緣節點。
本發明大大增加了信頭所能攜帶的信息量，有效降低了因為長距離光纖傳 輸引起的偏振軸方向變化所帶來的影響。因為作為偏振標記的偏振態是圓偏振 態和線偏振態，所以檢測端可以采用直接檢測的方法。偏振標記檢測模塊使用 先讓輸入的光脈沖先通過偏振光束分離器，再將兩路偏振方向相互垂直的輸出 光的光強相比的辦法，在一定程度上屏蔽了光纖彎曲和色散所帶來的影響。
權利要求
1.一種波長偏振混合標記的光分組交換系統，包括光標記交換邊緣節點和光標記交換核心節點，其特征在于所述光標記交換邊緣節點包括電子輸入輸出線卡、光包打包拆包處理器、光標記控制模塊、波長標記產生模塊、偏振標記產生模塊和波分復用器；電子輸入輸出線卡與用戶終端連接，電子輸入輸出線卡的輸出分別連接光包打包拆包處理器和光標記控制模塊，電子輸入輸出線卡的輸出連接光標記控制模塊，光包打包拆包處理器的輸出分別連接光標記控制模塊及波分復用器，光標記控制模塊的輸出分別與波長標記產生模塊及偏振標記產生模塊相連接，波長標記產生模塊的輸出與偏振標記產生模塊相連接，偏振標記產生模塊的輸出連接到波分復用器，波分復用器的輸出連接到光標記交換核心節點；電子輸入輸出線卡將用戶終端業務流的數據信息輸至光包打包拆包處理器，同時將業務流的路由信息通知到光標記控制模塊，光標記控制模塊根據輸入的業務流的路由信息，控制波長標記產生模塊和偏振標記產生模塊產生對應的由不同波長的光脈沖及其偏振態共同組成的光信頭，光包打包拆包處理器每產生一個光包就發送一個信號通知光標記控制模塊，將經嚴格排隊和定時控制后的光信頭連同光包一起接入波分復用器，復用產生的光分組通過光纖發送至遠端光標記交換核心節點；所述光標記交換核心節點包括波長標記檢測模塊、由若干個單路光偏振檢測單元構成的偏振標記檢測模塊、光標記核心控制單元、光開關交換矩陣、光標記產生模塊和輸出波分復用器；波長標記檢測模塊與光標記邊緣節點的輸出相連，波長標記檢測模塊將光信頭和光包分離，光信頭輸出連接到偏振標記檢測模塊，光包輸出連接到光開關交換矩陣，偏振標記檢測模塊與光標記核心控制單元相連接，光標記核心控制單元的路由控制輸出連接到光開關交換矩陣，光標記核心控制單元產生的下一路信頭控制輸出連接到光標記產生模塊，光開關交換矩陣的輸出和光標記產生模塊的輸出一起連接到輸出波分復用器；波長標記檢測模塊將到達核心節點的光分組的光信頭和光包分離，組成光信頭的不同波長的光信號輸入到偏振標記檢測模塊，這些承載著路由信息的光信號通過偏振標記檢測模塊檢測其中的偏振信息，再將偏振標記檢測模塊輸出完整的光路由信息到核心控制單元；光標記核心控制單元根據探測到的光路由信息控制光開關交換矩陣，完成光載荷的交換，同時控制與之相連的光標記產生模塊，由光標記產生模塊產生下一跳光信頭；光包通過光開關交換矩陣后再與新的光信頭一起接入對應輸出端口的輸出波分復用器，輸出波分復用器的輸出端口連接到目的節點。
2. 根據權利要求1的波長偏振混合標記的光分組交換系統，其特征在于所 述偏振態為圓偏振或線偏振。
3. 根據權利要求1或2的波長偏振混合標記的光分組交換系統，其特征在 于所述偏振標記產生模塊包括高速光開關、三個1X2保偏耦合器、90°旋轉器； 三個1X2保偏耦合器分別為輸入耦合器、中間級耦合器、輸出耦合器；高速光 開關的直通輸出直接連接到輸出耦合器，高速光開關的斜通輸出接到輸入耦合 器，輸入耦合器的輸出為兩路偏振方向平行的線偏振光， 一路直接連接到中間 級耦合器，另一路經90°旋轉器后連接到中間級耦合器，中間級耦合器的輸出連 接到輸出耦合器。
4. 根據權利要求1或2的波長偏振混合標記的光分組交換系統，其特征在 于所述單路光偏振檢測單元由一個分光器及兩個主軸呈45°的偏振光束分離器 構成，輸入光經分光器到兩個主軸成45。的偏振光束分離器上，分為兩路偏振方 向正交的光，根據兩路信號功率的比值是否在門限范圍內來判定光的偏振態， 從而提取出偏振標記。
全文摘要
一種波長偏振混合標記的光分組交換系統，以光信頭承載光路由，由波長和偏振態標記路由信息。在邊緣節點光標記控制模塊的統一控制下，波長標記產生模塊輸出不同波長的光脈沖，偏振標記產生模塊控制光脈沖的偏振態，攜帶波長和偏振信息的光信頭和光包經過波分復用后發送到核心節點。核心節點將光信頭和光包分離，并將光信頭的不同波長的光脈沖輸入至波長標記檢測模塊，經偏振標記檢測模塊檢測其攜帶的偏振信息，由偏振標記檢測模塊識別其偏振態，獲得路由信息。核心節點根據得到的路由信息控制交換矩陣進行光包交換。本發明解決了多波長標記因為同一信道內可用波長數有限而帶來的信頭可承載信息量受限問題，解決了光傳輸中偏振軸方向不一致的問題。
文檔編號H04J14/02GK101110761SQ20071004518
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月23日 優先權日2007年8月23日
發明者劉智鑫, 錚 梁, 瞿科鋒, 肖石林, 磊 蔡, 趙智慧 申請人:上海交通大學