CN100356716C - 基于光码标志交换的全光网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光码作为光标志的光码标志交换全光网络，根据2维光正交码的相关特性及码标志容量，给出了统一的跳频码、扩时码和跳频扩时码的数学定义和构造公式，分析了码的自相关特性和互相关特性，码标志容量，以及误码特性的影响；并提供了产生/拆除光码标志的光编码/解码技术和光编码器/解码器。本发明的突出优点是具有交换粒度细、资源配置灵活、资源利用率高、安全性好、透明性和可扩展性好、对速率和QoS的要求有强适应能力，可以同时为不同用户提供不同类型服务。

Description

基于光码标志交换的全光网

技术领域

本发明涉及光通信网络技术，更具体地说，涉及一种基于光码标志交换的全光网。

背景技术

随着Internet网络应用的普及和深化，上网用户数急剧增加，网上数据流量爆炸式增长，造成网络阻塞。传统的网络难于应付这种需求和克服这种障碍。InternetII的实施，启动了网络的提速和扩容，从Mbit/s量级到Gbit/s量级，再扩展到Tbit/s量级，最终实现全光Internet。全光网络是由全光核心网、接入网和网络互联构成。现有光纤核心网已经开始利用WDM技术在网络链路上进行点到点的扩容，实现全光传输，并逐渐建立具有光分插复用及光交叉连接光节点的光传送网(OTN，Optical transport Network)，为提高网络资源配置的灵活性和利用率，正进一步开拓自动交换光网络(ASON，Automatic Switched Optical Network)和智能光网络，同时对光突发交换网络(OBS，Optical Burst Switching)、光标志交换网络(OLS，Optical Label Switching)及光分组交换网络(OPS，Optical Packed Switching)的探索也已取得重要的进展。接入网的快速发展，使其“最后一公里”的接入，从电话线、ISDN、ADSL、VDSL等，发展到光的接入，窄带的光接入网(OAN，Optical Access Network)、支持ATM无源光网络(APON，ATMPassive Optical Network)、支持以太网的无源光网络(EPON，Ethernet Passive OpticalNetwork)及透明的全光接入(WDM/OCDM-PON)，可实现光纤到路边(FTTC)、光纤到楼(FTTB)，终将实现光纤到家(FTTH)。光网络互联的研究工作近几年来也已展开，对多种光联网技术所进行的探索，加速了IP网络与其他网络之间的融合，相继出现IPOverATM、IP Over SDH，特别是IP与光结合，IP Over WDM、IP Over Optical等技术，以及IP与无线通信网络和移动通信网络之间的衔接技术，实现以IP技术为基础的网络大融合和无缝连接；IP技术自身也在改进和完善，从现有的IPv4向IPv6过渡和发展。

新一代的全光网络是以IP业务为主、运行在光域上的全光分组交换网，网络层次扁平，只有IP层和光层，在光层上承载IP业务，信息交换以光分组进行，其交换粒度细、管理的带宽粒度可调整、优化，灵活性好、带宽资源利用率高；传送IP业务效率高；对业务类型、信息种类、数据格式、数据速率具有透明特性；光路径建立时间短、路径的保护与恢复灵活，有好的存活性和可扩展性。全光网络的信息交换应在光域实现，取消光、电变换，克服“电子瓶颈”限制，实现无阻塞地、透明地、高效地、快速地信息传递。按光交换实现的机理和方式不同，而有多种类型，主要有光线路交换(含空分交换、时分交换、波分交换、码分交换)，以及最新发展起来的通用多协议标志交换、光突发交换、光标志交换和光分组交换等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种利用全光标志交换技术(AOLS，All OpticalLabel Switching)，即利用光标志在WDM平面上提供IP over Optical的灵活的联网技术，可以将光标志交换用在电路交换、分组交换和突发交换之间，提供真正的、在光域上的互操作；在全光数据平面上提供协议和数据格式的独立的透明性；从而用简单的光标志填入层来构成一种很自然的IP over WDM的形式；本发明还通过GMPLS的扩展，实现对以前的和现有的联网技术的互操作，如MPLS、MPλS、IP，以及SONET；提供一个简单的、有效的控制平面，而不要求同步、分组成帧，或预先计算控制信令定时。

全光标志分组交换网络把光标志与光分组相结合，将光标志配给每个光分组，具有相同光标志的光分组将按同一条路由，完成从信源端到信宿端的、在光域上的传输和交换，而不需逐个对分组进行拆卸、识别、重组装的繁杂过程。光标志包括路由和控制信息。原则上，可以利用光信号的任何参量形成光标志，如光的波长(频率)、幅度、相位、偏振等。多协议波长交换(MPλS)是利用波长作为光标志来进行光交换，但这种基于波长、波带或光纤的路由交换，其交换粒度粗，不利于资源的灵活配置和应用。为了提高网络的效率和灵活性，可以基于光编码技术和标志交换技术，利用光码作为光标志，进行光码标志交换，构建全光码标志交换网络。

本发明上述技术问题这样解决，将光标志与光分组相结合，将光标志配给每个光分组，具有相同光标志的光分组将按同一条路由，完成从信源端到信宿端的、在光域上的传输和交换，而不需逐个对分组进行拆卸、识别、重组装的繁杂过程，所述光标志包括路由和控制信息，所述全光网包括光纤链路、由光纤链路连接的多个光节点以及网络管理和控制系统，其中，光节点包括边缘路由器和核心路由器，所述边缘路由器完成光标志的分发或拆除功能，始发端的边缘路由器将来自用户的光分组序列信息配给光标志，目的端的边缘路由器拆除光标志；核心路由器完成光标志的变更和转发功能，拆除进来的光分组序列的原有光标志，配给新的光标志。

按照本发明提供的一种基于光码标志交换的全光网包括光纤链路、由光纤链路连接的多个光节点以及网络管理和控制系统，其特征在于，光节点包括完成光标志分发或拆除的边缘路由器和完成光标志变更和转发的核心路由器，其中，光标志采用二维同余码，该二维同余码包括基于同一个码生成函数的扩时码TS、跳频码FH以及跳频扩时FH-TS码；

所述码生成函数包括：

① $y_i\left(k\right)=\frac{i}{k}+m\left(\mathrm{mod}p\right),$ 双曲同余运算；

② $y_i\left(k\right)=i\frac{k(k+1)}{2}\left(\mathrm{mod}p\right),$ 二次同余运算；

③y_i(k)＝ik(modp)，线性同余运算；

④y_i(k)＝α^k(modp)，其中α是p的本原根，用以产生Costas序列，

其中，p是素数，y_i(k)表示Glois域GF(p)＝{0，1，…，p-1}内的一种运算，i，k均属于G(p)，其中的i表示第几个序列，k表示该序列中的第几位。

在上述基于光码标志交换的全光网中，所述扩时码TS被表示为：{y_i(0)，y_i(1)+p，…，y_i(k)+kp，…，y_i(p-1)+k(p-1)|i∈[0，p-1]}

其中，TS码是长度为p²的1维码，一个TS码序列可以被分为p个长度为p的子序列，每个子序列中只有一个1，采用线性同余运算的TS码的码字特征的4元数组为(p²，p，p-1，1)，采用二次或双曲同余运算的TS码码字特征4元数组为(p²，p，2λa，2λc)，在p个波长上同时采用相同的扩时编码，构成二维码(p×p²，p²，pλa，pλc)。

在上述基于光码标志交换的全光网中，所述跳频码FH表示为：{(0，y_i(0))，(1，y_i(1))，…，(k，y_i(k))，…，(p-1，y_i(p-1))|i∈[0，p-1]}，其中，一个码字由p个二元数组构成，每个数组分别描述它的p个脉冲所在的时隙和波长，对自相关常数λa和互相关常数λc，码字特性4元数组为(p×p，p，λa，λc)，其λa和λc的大小由不同的运算y_i(k)决定，对于线性同余运算，它们为1；而对于二次同余和双曲同余运算，它们为2。

在上述基于光码标志交换的全光网中，所述跳频扩时FH-TS码可表示为：

{(y_i(0)，jy_i(0))，(y_i(1)+p，jy_i(1))，…，(y_i(k)+kp，jy_i(k))…，(y_i(p-1)+(p-1)p，jy_i(k))|i，l，j∈[0，p-1]}

其中为模p乘，描述其码字特征的4元数组为(p×p²，p，λa，λc)。

在上述基于光码标志交换的全光网中，设计核心路由器可全光地除去每一个进入的光分组的标志，读取标志，并基于进入标志和本地路由表，配给一个新的光码，并对光分组进行新的光标志封装，将带有新标志的光分组变换到下一跳光码字和标志，形成输出的带有新光码标志的分组，传输至下一个路由器。

在上述基于光码标志交换的全光网中，在目的端的边缘路由器，对光码标志进行相关解码，拆除光标志，恢复原分组输出，从而始终以光的形式完成从始发端至目的端的信息传递。

在上述基于光码标志交换的全光网中，所述核心路由器包括光分路器、光标志拆除单元、光标志封装单元和光合路器，还包括对上述各部分提供控制信号的监测、控制及路由表单元。

在上述基于光码标志交换的全光网中，所述光标志封装单元包括光扩时码TS或光跳频码FH或光跳频-扩时码FH-TS的编码器，所述光标志拆除单元包括光扩时码TS或光跳频码FH或光跳频-扩时码FH-TS的解码器。

附图说明

图1以一条虚线、一条实线和一条条带表示的三个不同波长标志的光信道；

图2示出了三种主要的光多信道复用和光网络多址技术的原理示意图。图2(a)表示把N个不同的波长(频率)的光信号进行复用。图2(b)表示N路光信号按不同的光时隙复用。图2(c)表示按不同的波形(或光编码)将N路光信号结合在一起。

图3示出全光标志分组交换网络系统结构。

图4是本发明光码标志交换核心路由器原理图。

图5示出FH码、TS码和FH-TS码三者的生成关系。

图6中给出了采用p＝11的各类同余运算时，三种类型干扰的高斯近似误码性能比较。

具体实施方式

本发明基于光码分多址协议，提出了利用光码作为光标志的全光标志交换技术和全光标志交换网络方案。着重于2维码序列，这是为了解决1维系统码字长、码元速率低和码字数目少的缺点，以便拥有更大数量和规模的光码及其光标志，而从时空(time/spatial)编解码系统发展起来的。我们分析了2维光正交码的相关特性、码字容量和误码特性。对三种主要的光码，即光扩时码TS、光跳频码HS和光跳频-扩时码TS-HS，给出了统一的数学定义、获得他们之间的码变换关系及生成关系，分析了他们的自相关特性和互相关特性、码字容量，以及多用户干扰的误玛特性；理论和实验研究了产生光码标志的光编码技术和光编码器、拆除光码标志的光解码技术和光解码器，以及全光标志交换网络的结构节点结构。所提出的光码标志交换全光网络方案具有网络容量大、交换粒度细，频谱资源利用率高，资源配置灵活、传输质量好、安全性好、管理方便、维护简单，可满足不同的服务质量(QoS，Quality of Service)，不同的业务类型(CoS，Class of Service)，不同的服务形式(ToS，Type of Service)的要求，以及成本低廉等突出优点，展现出了诱人的前景，有望成为重要的技术发展方向。

二.光标志交换概况

光标志交换(OLS，Optical Label Switching)是基于IP网络的多协议标志交换(MPLS，Multi-Protocol Label Switching)和通用多协议标志交换(GMPLS，GeneralMulti-Protocol Label Switching)。

1.多协议标志交换(MPLS)

多协议标志交换是一种在开放的通信网上，利用标志引导数据高速、高效传输的技术，它在数据包前加入固定长度的包头(标志)，不对IP数据包的内容做任何的处理，加快了MPLS交换机查找路由表的速度，减轻了交换机的负担。MPLS网络的交换机分为边缘交换机和核心交换机，通过标记分配协议(LDP)，预先为MPLS边缘交换机建立直达的数据连接。在数据通信过程中，中间的核心交换机只根据标记路由表完成信元交换功能。IP数据包在核心交换机转发的过程中只做第二层的交换，因而加快了数据包转发的速度、减少了时延和时延抖动、增加了网络的吞吐能力。

2.通用多协议标记交换(GMPLS)

IETF提出通用多协议标记交换智能光网络的背景是基于多协议标记交换和IPover Optical网络技术，解决以OXC作为节点组网的网络控制平台，开发专用的选路和信令协议。IETF开发的面向通用多协议标记交换协议是在多协议标记交换基础上的扩展，以支持多种类型的交换，包括时隙交换、波长交换、波带交换、光纤交换和物理端口交换。通用多协议标记交换的控制面体系结构包括适用于多个资源粒度之间交换的模块，具有相互协调、相互兼容的能力，不同粒度的资源按各自的方式建立链路和交换，提供了多设备供应商和多网络营运商的网络共存和互操作的公用平台。控制面体系结构模型可以采用多种类型，包括覆盖模型、增强模型和集成模型。

3.通用虚标志

通用标志扩展了传统的多协议标志交换(MPLS)，根据通用多协议标记交换(GMPLS)协议，标志不仅允许代表在带内传输的附加数据包，而且也代表虚标志，即可以表示时隙、波长或空分复用位置等的标志，即可以表示：

1)一束光纤中的单根光纤。

2)光纤中的单个波长。

3)一个波带(或光纤)内的单个波长。

4)一个波长(或光纤)中的一组时隙。

5)一个普通的MPLS标志，一个帧中继标志或一个ATM标志(VCI/VPI)。

标志的格式可以简单到一个整数，如一个波长标志，或更广泛的一个SDH/SONET，或一个G.709标志。通用标志仅承载一个单级标志，即它不是级联的。当要求多级标志(LSP中的LSP)时，每个LSP必须分开建立。

向光网络扩展了的GMPLS简化了网络层次、实现了广泛的融合，代表了下一代网络的发展趋势。

4.多协议波长交换

多协议波长交换(MPλS)的标志是波长。

多协议波长交换网络以波长作为标志，由核心节点、边缘节点和光纤链路等构成。在网络边缘节点配置波长给网中不同的用户，在网络的核心交换节点按其路由交换协议，逐个建立从信源到信宿的波长标志的光信道，如图1所示。图中分别示出了一条虚线、一条实线和一条条带表示的三个不同波长标志的光信道。

IP路由器作为边缘路由器，进行分组的转发；OXC光交叉连接作为核心交换机，实现数据流的交换；MPλS多协议波长交换完成数据流的收集、业务分类等QoS功能，并完成光层路径的建立、保持与拆除等功能

多协议波长交换MPλS具有以下特点：

1)利用电子处理的成功办法以及光子处理简单、快速的优点，实现交换功能。

2)利用多协议标志交换MPLS的业务工程和流汇集等实现QoS功能。

3)参考多协议标志交换MPLS等路由协议，实现动态的建立和管理光路径和分布式路由控制。

三.光码标志交换网络

1.光码分多址技术

在电通信网中，不同的多址接入技术决定了不同的路由技术，如SDH采用同步分插复接或同步交叉连接、ATM采用信元交换、局域网采用IP路由技术实现互连。现有的光通信网要过渡到全光网就必须在光层实现路由，光网络的多址技术主要有：

1)光波分多址(OWDMA，Optical Wavelength Division Multiplexing Access)。

2)光时分多址(OTDMA，Optical Time Division Multiplexing Access)。

3)光码分多址(OCDMA，Optical Code Division Multiplexing Access)。

4)副载波多址、偏振多址、光混合多址等。

图2示出了三种主要的光多信道复用和光网络多址技术的原理示意图。图2(a)表示把N个不同的波长(频率)的光信号进行复用。图2(b)表示N路光信号按不同的光时隙复用。图2(c)表示按不同的波形(或光编码)将N路光信号结合在一起。也可以同时使用多种方法实现光混合复用。除此之外，还可利用副载波复用和极化复用。

表1给出了主要的三种多址技术OWDMA、OTDMA和OCDMA的特点。

表1 OWDMA、OTDMA和OCDMA的特点

OWDMA	OTDMA	OCDMA
			波长的线性叠加采用单纵模激光器需要精确的波长控制需要精确调谐的光滤波器需要多波长之间转换传输透明性好波长路由波长交换	时隙的线性叠加极短脉冲激光器系统严格同步需要高速的定时提取技术需要超窄光脉冲产生技术需要超窄光脉冲调制技术地址分配不灵活使低速信道变为高速信道	光码的扩频叠加频谱资源利用充分采用宽谱光源地址分配灵活通信质量高保密性好用户可随机接入利于实现全光传输和交换

光标志可以利用光信道的复用特性和多址特性，在上述多种类型中，我们认为利用光码分多址技术，将光码作为光标志，具有许多突出的优点：

·频谱资源利用率高，网络容量大，一个波长上可以容纳上百个用户信息；

·网络传输质量高，光编码系统是基于扩频通信技术，具有很强的在噪声中提取信号的能力，和很强的抗干扰能力；

·网络安全性好，光编码系统采用光相关解码，具有好的安全性；

·网络易于实现细粒度的全光路由和交换，光码作为光标志在路由和交换过程中，只需将原标志进行解码，再根据另一配给的光标志相应的码字进行编码，即可改变码字、换发标志，在标志由光编码器、光解码器完成；

·网络结构简单，光信息的处理都是在光无源器件中进行，光路由器、光交换机可望集成；

·管理简单、维护方便、成本低廉。

2.光码标志交换网络结构

光码标志交换网络由光节点、光纤链路、网络管理和控制等组成，光节点功能由两种类型的路由器实现，即边缘路由器和核心路由器。边缘路由器完成光标志的分发或拆除功能，始发端的边缘路由器将来自用户的光分组序列信息配给光标志，目的端的边缘路由器拆除光标志；核心路由器完成光标志的变更和转发功能，拆除进来的光分组序列的原有光标志，配给新的光标志。全光标志分组交换网络系统结构如图3所不。

核心路由器的功能是全光地除去每一个进入的光分组的标志，读取标志，并基于进入标志和本地路由表，配给一个新的光码，并对光分组进行新的光标志封装，将带有新标志的光分组变换到下一跳光码字和标志，形成输出的带有光码标志的分组，传输至下一个路由器。

在目的端的边缘路由器，对光码标志进行相关解码，拆除光标志，恢复原分组输出，从而始终以光的形式完成从始发端至目的端的信息传递。

3.光码标志交换路由器

光码标志交换路由器最好是全光自路由式的；更为现实的实现方案是光点混合式的，光标志产生和拆除所用的光编码器和解码器是由电信号控制的，是对单个数据包进行处理，一个分组进入光路由器被分路为两个单元，分别进行电子的和光波的处理。处理器确定进入光路由器的光分组的光码标志，控制光解码器进行光解码，然后给这个分组配置一个新的光码标志，控制相应的光编码器产生一个新的光码作为新的光标志，从而实现光交换。图4给出光码标志交换核心路由器原理图。边缘路由器的作用是配给光码标志(始发端)或拆除光码标志(目的端)，其结构的主要组成与核心路由器类似。图中各部分的作用如下：

·光分路器：对输入的带光码标志的光分组进行分路复制，分别送给光标志处理部份的各光解码器；同时送一路信号给检测信道，取出控制信号；

·光标志处理部份：主要由光解码器组成，各个光解码器对复制的带光码标志的光分组信号进行光相关解码，仅当光解码器与光光标志码相匹配时，可获得光分组输出，光解码器成为光标志擦除器；其余的复制的分组进入标记擦除器，不同的光解码器，可以解出相对应光标志码，而擦出所需擦出的光标志；

·光标志封装部份：主要由光编码器组成，起作配置光标志的作用，是光标志写入器。光标志的选择和配置取决于；

·光合路器：起作复用器的作用。光相关解码

四.光码标志技术

光码标志交换将光码字作为光标志，在光码标志交换网络中，输入分组进入始发端的边缘路由器，利用网络的IP信息和本地码字路由表确定始发光码，始发光码即作为始发光标志，对应于输入端、目的地址、和可能取得的分组，给每个序列的光分组带上一个光标志。不同序列的分组可以采用不同的光码标志，为防止干扰，除光码本身应具有好的自相关特性和互相关特性外，光码之间应留有适当的保护带。

光码标志的形成和拆除要用光编码器和光解码器。光编码器产生光码，作光标志；光解码器对用作光标志的光码进行解码，而拆除标志。

光编码器和光解码器的关键技术是光码字、码容量和抗多址干扰性能。有多种类型的光码和光编码/解码的理论和技术，早期出现的有素数码、光正交码等码字，可以在时间域进行编/解码，也可以在频谱域进行编/解码。但1维时域OCDMA系统存在着码字容量受限、码组稀疏、码长过大、相关性差的问题，采用在时域和频域同时满足一定正交性的2维码，可以有效地解决这些问题，更由于光纤光栅等技术应用于光编/解码器，使得2维光编码/解码技术成为该领域研究的热点。

1光码字及码组

光码字和光码组是光码分复用和多址技术的关键。有多种类型的码，按码字构造机理不同可以分为光正交码、素数序列码、2ⁿ码、代数同余码等；按编码技术及实现方式不同可以分为时域编码、频域编码、空间域编码和混合编码；按编码尺度不同可以分为一维编码、二维编码、三维编码和多维编码。

光正交码(OOC-Optical Orthogonal Code)是利用正交性构造的光码。虽然光正交码的最小相关限制值是1，而不是0，准确地应称为光准正交码，但由于其优点突出，仍受到人们青睐。光正交码具有良好的相关特性等优点，适合于光的码分复用通信系统及网络，已取得多项实验室研究成果，并已在一些现场试验中得到成功的应用。近几年来，我们将光正交码进行改变，基于差分矩阵，提出修正光正交码，其优点在于可扩大码的容量，获得数量多、性能好的光码组。

代数同余码是利用代数同余运算构造的光码，我们提出的同余码不仅具有自互相关性好的优点，而且用统一的码字表达式构造多种类型的码，用于不同方式的编码，如扩时编码、跳频编码、跳频-扩时编码等，可提供不同类型的光标志，以满足不同用户对服务质量QoS的要求。

(1)光正交码OOC

1)一维光正交码OOC(optical orthogonal code)

一个(n，ω，λ_a，λ_c)光正交码C就是一组长度为n，码重(即码字中1的数目)为ω的0，1序列所组成的集合，其中，λ_a为自相关函数值，λ_c为互相关函数值，并且每个码字(x₀，x₁，…，x_n-1)的循环还是一个码字，而它的循环自相关函数和任意一个相异码字(y₀，y₁，…，y_n-1)之间的循环互相关函数分别满足：

$\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i.x_i=\mathrm{\ω},$

$\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{x}_{i\⊕\mathrm{\τ}}\≤{\mathrm{\λ}}_a,(\mathrm{\τ}\≠0),---\left(1\right)$

$\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i.y_{i\⊕\mathrm{\τ}}\≤{\mathrm{\λ}}_c,(\∀\mathrm{\τ}).$

这里的“”是模n加。在一个(n，ω，λ_a，λ_c)光正交码C中，码字的个数|C|称为此码的容量φ。

设λ_a＝λ_c+m，这里m为非负整数，则非对称光正交码(n，ω，λ_a，λ_c)的容量上界为^[2]：

$\mathrm{\Φ}(n,m,{\mathrm{\λ}}_a,{\mathrm{\λ}}_c)\≤\frac{(n-1)(n-2)\·\·\·(n-{\mathrm{\λ}}_c){\mathrm{\λ}}_a}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}-1)(\mathrm{\ω}-2)\·\·\·(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\λ}}_c)}---\left(2\right)$

对称光正交码C(n，ω，λ)(即λ_a＝λ_c＝λ)的容量满足Johnson限：

$\mathrm{\Φ}(n,\mathrm{\ω},\mathrm{\λ})\≤\frac{(n-1)(n-2)...(n-\mathrm{\λ})}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}-1)...(\mathrm{\ω}-\mathrm{\λ})}---\left(3\right)$

其互相关均值是： $\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2n},$

设Th为接收端的判决阈值，Th一般取为码重ω，在N个用户同时使用的情况下，它的误码率上界为：

$P_e=\frac{1}{2}\underset{i=\mathrm{Th}}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N-1}^i{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2n}\right)}^i{(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2n})}^{N-1-i}---\left(4\right)$

OOC的容量随着码长的增大而增大，而随着码重的增大而减小，因此为了增大容量不得不极大地增大码长和减小码重，增大码长导致了有效数据的传输速率下降，减小码重导致了自相关峰值下降，这些都导致了系统性能的下降。在不增加编码器复杂性的情况下，一般采用码重较小的码字。

2)二维光正交码

一个二维光正交码可用(m×n，ω，λ_a，λ_c)来表示，满足条件：

$\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,j}{x}_{i,j}=\mathrm{\ω},$

$\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,j}{x}_{i,j\⊕\mathrm{\τ}}\≤{\mathrm{\λ}}_a,(\mathrm{\τ}\≠0),---\left(5\right)$

$\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,j}{y}_{i,j\⊕\mathrm{\τ}}\≤{\mathrm{\λ}}_c,(\∀\mathrm{\τ}).$

为了获得较好的性能，一般取λ_a＝0，λ_c＝1，λ_a＝0意味着码字中的每个脉冲分配不同的波长，即码字矩阵中的每行只有一个“1”，λ_c＝1意味着任意两个不同的码字只有一个波长相同。

对称二维光正交码(m×n，ω，λ)(即λ_a＝λ_c＝λ)的容量上限为：

$\mathrm{\Φ}(m\×n,\mathrm{\ω},\mathrm{\λ})\≤\frac{m(\mathrm{mn}-1)(\mathrm{mn}-2)\·\·\·(\mathrm{mn}-\mathrm{\λ})}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}-1)(\mathrm{\ω}-2)\·\·\·(\mathrm{\ω}-\mathrm{\λ})}---\left(6\right)$

非对称二维光正交码(m×n，ω，λ_a，λ_c)(即λ_a＝λ_c+k，k为非负整数)的容量上限为：

$\mathrm{\Φ}(m\×n,\mathrm{\ω},{\mathrm{\λ}}_a,{\mathrm{\λ}}_c)\≤\frac{m(\mathrm{mn}-1)(\mathrm{mn}-2)\·\·\·(\mathrm{mn}-{\mathrm{\λ}}_c){\mathrm{\λ}}_a}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}-1)(\mathrm{\ω}-2)\·\·\·(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\λ}}_c)}---\left(7\right)$

为便于进行一维和二维的码容量比较，假定一维OCDMA系统使用t个光正交码(n，ω，1)， $t=\frac{n-1}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}-1)}.$ 如果将此t个光正交码(n，ω，1)用于我们的二维OCDMA系统，并且为了简化计算，令m＝n，构成二维光正交码(n×n，ω，1)，其码字数是：

$\frac{n(n^2-1)}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}-1)}=n(n+1)\frac{n-1}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}-1)}=n(n+1)t;---\left(8\right)$

上式表明，利用相同的码字所构成的二维码的容量比一维码的容量提高n(n+1)倍。在λ＝1时、具有不同的码长和码重的光正交码容量如表2所示。

表2部分最佳光正交码的容量

ω	n	一维|C|	二维|C|	ω	n	一维|C|	二维|C|
								3	31	5	4960	5	85	4	29240
3	63	10	40320	5	341	17	1982574
								3	127	21	341376	5	1365	68	126792120
3	255	42	2741760	5	5461	273	8143039086
								4	40	3	4920	6	156	5	122460
4	121	10	147620	6	631	21	8374632
								4	364	30	3985800	6	3156	105	1046166660

互相关均值是：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{{2n}^2}<\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{2n};---\left(9\right)$

在N个用户同时使用的情况下，它的误码率上界为：

$P_e=\frac{1}{2}\underset{i=\mathrm{Th}}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{N-1}^i{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{{2n}^2}\right)}^i{(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{{2n}^2})}^{N-1-i}$

$\&ap;\frac{1}{2}\underset{i=\mathrm{Th}}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{N-1}^i{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{{2n}^2}\right)}^i,(N>>n>>\mathrm{\&omega;})---\left(10\right)$

(2)同余码

目前对2维OCDMA系统的研究中，所采用的码字还有一次重叠序列、扩展双曲同余码(EHC，Extended Hyperbolic Congruence)和素数跳频码等。根据所采用代数运算的种类不同可分为线性同余运算、二次同余(QC)运算、双曲同余(HC)运算和Costas运算等，但是它们都只能提供固定速率、等优先级用户的接入服务。

我们提出的2维码是利用代数同余运算的原理，进行时域、频域编码的组合构成一种具有高码字容量(Φ(FH-TS)＝p²-p)的2维跳频扩时(FH-TS)码。这种方法还可以生成2维跳频(FH)码，和生成1维扩时(TS)码。更可将同一种代数运算所生成的TS码、FH码和FH-TS码用于同一系统中，以提供不同速率、不同QoS的服务，这种随机、异步、多速率、多QoS、全光处理的系统方案，必将为将来的全光网提供强有力的手段。

首先给出一个码生成函数y_i(k)，基于代数同余运算，定义3种不同类型的码字，即FH码、TS码和FH-TS码。选用不同的生成函数y_i(k)表达式，可以分别产生出这3种码的不同的码序列、码字容量，继而得出各码字内部的相关特性。

1)码生成函数y_i(k)

对一个给定的素数p，用y_i(k)来表示Glois域GF(p)＝{0，1，…，p-1}内的一种运算，i，k均属于G(p)，其中的i表示第几个序列，k表示该序列中的第几位。下面给出一些不同运算的例子：

① $y_i\left(k\right)=\frac{i}{k}+m\left(\mathrm{mod}p\right),$ 双曲同余运算；

② $y_i\left(k\right)=i\frac{k(k+1)}{2}\left(\mathrm{mod}p\right),$ 二次同余运算；    (11)

③y_i(k)＝ik(modp)，线性同余运算；

④y_i(k)＝α^k(modp)，其中α是p的本原根^[8]，用以产生Costas序列。

由上述的一个给定的y_i(k)所生成的序列可以分别得到FH码、TS码和FH-TS码。

2)FH码

FH码可以表示为：

{(0，y_i(0))，(1，y_i(1))，…，(k，y_i(k))，…，(p-1，y_i(p-1))|i∈[0，p-1]}    (12)

一个码字由p个二元数组构成，每个数组分别描述它的p个脉冲所在的时隙和波长。若它的自相关常数和互相关常数分别为λa和λc，则可用4元数组描述它的码字特性(p×p，p，λa，λc)，其λa和λc的大小由不同的运算y_i(k)决定。对于线性同余运算，它们为1；而对于二次同余和双曲同余运算，它们为2。

3)TS码和并行TS码

TS码可以表示为：

{y_i(0)，y_i(1)+p，…，y_i(k)+kp，…，y_i(p-1)+k(p-1)|i∈[0，p-1]}    (13)

TS码是长度为p²的1维码，一个TS码序列可以被分为p个长度为p的子序列，每个子序列中只有一个1。采用线性同余运算的TS码，就是我们通常所称的素数序列，描述其码字特征的4元数组为(p²，p，p-1，1)，它的自相关旁瓣过高，所以不在异步码分多址系统中采用。对于采用二次或双曲同余运算的TS码，与FH码相对应，描述它们码字特征的4元数组为(p²，p，2λa，2λc)。

对于要求高QoS服务的用户，可在p个波长上同时采用相同的扩时编码，这就构成一个(p×p²，p²，pλa，pλc)的二维码。

4)FH-TS码

FH-TS码可表示为：

{(y_i(0)，jy_i(0))，(y_i(1)+p，jy_i(1))，...，(y_i(k)+kp，jy_i(k))

…，(y_i(p-1)+(p-1)p，jy_i(k)|i，l，j∈[0，p-1]}            (14)

其中为模p乘，描述其码字特征的4元数组为(p×p²，p，λa，λc)。

以p＝3、线性同余运算y_i(k)＝ik为例，它所构造的FH-TS码如表3所示：

表3 p＝3时，线性同余运算所生成的FH-TS码

	i＝0	i＝1	i＝2
				j＝1	{(0，0)，(3，1)，(6，2)}	{(0，0)，(4，1)，(8，2)}	{(0，0)，(5，2)，(7，1)}
j＝2	{(0，0)，(3，2)，(6，1)}	{(0，0)，(4，2)，(8，1)}	{(0，0)，(5，1)，(7，2)}

5)码字的生成关系

上述三种码字的生成关系如图5所示。采用二次同余运算y_i(k)＝ik²，我们首先得到表示FH码的矩阵，其中p＝5 and i＝1。将FH码矩阵的各行首尾相接就构成了表示TS码的序列。FH码矩阵同TS码序列相互叉乘，就得到了表示FH-TS码的矩阵。

这种关系直观的表现出这种采用相同代数同余运算的码构造的突出优点，可以方便地提供可变速率、可变QoS的服务，使我们有可能利用同一种代数运算，将其所生成的TS码、FH码和FH-TS码用于同一系统中，即可按用户的需求产生不同类型的光标志，以提供不同速率、不同QoS的服务。

6)码的容量

码的容量直接关系到可用光标志的数量，由生成公式可知三种码序列的容量(即所能提供的最大用户数)分别是：

FH码       Φ(FH-TS)＝p²-p，

TS码       Φ(TS)＝p             (15)

FH-TS码    Φ(FH)＝p

其中FH码的速率比其它两种高p倍，而并行TS码的抗干扰能力比其它两种高p倍(自相关峰为p²，而其它两者均为p)。它适合于系统中大量用户需要常规服务，而少部分用户需要高速或高QoS服务的情况。

根据所采用的运算不同分为线性同余码、二次同余码、双曲同余码这三种，每种同余码又均可分为三类，这9类不同的同余码的自互相关常数及容量如表4所示：

表4各种同余码的性能及容量

运算种类	同余码类型	自相关常数λa		互相关常数λc	码字容量|C|
						线性同余	FH码	1	1		P
TS码	P-1	2		P
					FH-TS码		1	1		P2-P
二次同余双曲同余	FH码	2	2								P
					TS码	4	4		P
	FH-TS码	2	2							P2-P

表4表明：FH码的自互相关常数与同余运算的性质有关，对于线性同余码，它们是1，对于二次或双曲同余码，它们是2；对于二次或双曲同余TS码，它们的自互相关常数分别是相应FH码的两倍，因为发生在FH码自互相关中的一个碰撞对应于TS码中的两个碰撞；对于相同的运算，并行TS码的自互相关常数是TS码的P倍，但码重为P²；FH-TS码的容量较FH码和TS码扩大近一个量级；线性同余TS码，就是我们通常所称的素数序列，它的自相关旁瓣过高，所以不在异步码分多址系统中采用。

7)误码性能

多用户干扰引起的误码性能，由干扰用户所采用的码标志对该用户码码标志的碰撞所决定，根据这些碰撞概率计算各种情况的干扰对误码率的贡献；最后比较各类干扰的性能曲线。

在混合系统中，干扰按码字类别的不同可分为3种类型，我们分别分析它们对误码率的贡献：

·A类干扰：FH码(或FH-TS)码用户对FH-TS码用户的干扰

对于线性同余运算，误码率的上界为：

$P_{A|L}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\underset{i=p}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}K\\ i\end{array}\right){\left(\frac{1}{p}\right)}^i{(1-\frac{1}{p})}^{K-i}& k\&GreaterEqual;p\\ 0& k<0\end{array}\right.---\left(16\right)$

对于二次同余运算，误码率上界为：

$P_{A|Q}=\frac{1}{2}\underset{l_1+l_2<K}{\underset{l_1+2l_2\&GreaterEqual;p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{(K-1)!}{l_1!l_2!(K-1-l_1-l_2)!}{(\frac{8}{p}-\frac{2}{p^2})}^{l_1}{\left(\frac{2}{p^2}\right)}^{l_2}{(1-\frac{8}{p})}^{K-1-l_1-l_2}$

对于双曲同余运算，误码率上界为：

$P_{A|H}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\underset{i=p}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}K\\ i\end{array}\right){\left(\frac{2}{p}\right)}^i{(1-\frac{2}{p})}^{K-i}& k\&GreaterEqual;p\\ 0& k<0\end{array}\right.---\left(18\right)$

当p足够大且K＞＞1时，误码率计算可采用高斯近似法。针对3种不同同余运算的高斯近似误码率P_A|L|G，P_A|Q|G和P_A|H|G，如下：

$P_{A\left|L\right|G}=\mathrm{\&Phi;}(-\sqrt{\frac{p^3}{4K(1-1/p)}})---\left(19\right)$

$P_{A\left|Q\right|G}=\mathrm{\&Phi;}(-\sqrt{\frac{p^3}{32K(1-\frac{61}{8p}-\frac{2}{p^2}-\frac{1}{8p^3})}})---\left(20\right)$

$P_{A\left|H\right|G}=\mathrm{\&Phi;}(-\sqrt{\frac{p^3}{8K(1/2p)}})---\left(21\right)$

式中 $\mathrm{\&Phi;}\left(x\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^x\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-x^2/2}\mathrm{dx}$

B类干扰：FH-TS码用户对FH码的干扰。

由于FH码的长度是FH-RS码的1/p，故FH码被FH-TS码碰撞的概率为后者被前者碰撞概率的2/p，得出误码率的上界P_B|L，P_B|Q，P_B|H，和误码率的高斯近似P_B|L|G，P_B|Q|GP_B|H|G如下：

$P_{B|L}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\underset{i=p}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}K\\ i\end{array}\right){\left(\frac{2}{p^2}\right)}^i{(1-\frac{2}{p^2})}^{K-i}& k\&GreaterEqual;p\\ 0& k<0\end{array}\right.---\left(22\right)$

$P_{B|Q}=\frac{1}{2}\underset{l_1+l_2<K}{\underset{l_1+2l_2\&GreaterEqual;p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{(K-1)!}{l_1!l_2!(K-1-l_1-l_2)!}{(\frac{16}{p^2}-\frac{2}{p^3})}^{l_1}{\left(\frac{2}{p^3}\right)}^{l_2}{(1-\frac{16}{p^2})}^{K-1-l_1-l_2}$

$P_{B|H}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\underset{i=p}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}K\\ i\end{array}\right){\left(\frac{4}{p^2}\right)}^i{(1-\frac{4}{p^2})}^{K-i}& k\&GreaterEqual;p\\ 0& k<0\end{array}\right.---\left(24\right)$

$P_{B\left|L\right|G}=\mathrm{\&Phi;}(-\frac{p^2}{2\sqrt{2}\sqrt{K(1-\frac{2}{p^2})}})---\left(25\right)$

$P_{B\left|Q\right|G}=\mathrm{\&Phi;}(-\frac{p^2}{8}\frac{1}{\sqrt{K(1+\frac{3}{8p}-\frac{4}{p^2}-\frac{4}{p^3}-\frac{1}{4p^4})}})---\left(26\right)$

$P_{B\left|H\right|G}=\mathrm{\&Phi;}(-\frac{p^2}{4\sqrt{K(1-\frac{4}{p^2})}})---\left(27\right)$

·C类干扰：FH-TS码用户对并行TS码用户的干扰

FH-TS码与并行TS码的互相关特性等同于扩时序列的自相关特性，只是并行TS码的码重为p²，得到并行TS码用户的高斯近似误码率，这里仅采用了线性同余运算：

$P_{C\left|L\right|G}=\mathrm{\&Phi;}\left(\frac{-\sqrt{\mathrm{SNR}}}{2}\right)=\mathrm{\&Phi;}\left(\frac{-p^2}{\sqrt{1.16K}}\right)---\left(28\right)$

由图6可见，对于并行TS码而言，混合多址系统是一个无误码信道(不计接收机散弹噪声和热噪声，光源强度噪声和光纤的色散)，B类干扰的误码性能优于A类，这意味着FH码的抗干扰能力优于FH-TS码，而并行TS码最强，所以在混合系统中，并行TS码用户可以享受最高的QoS。

2.光编码技术

当选用的码字和码组确定后，可以采用不同的编解码技术按照码字进行编解码。编解码技术及实现方式有着丰富的内容，主要有时域编码、频域编码、空间域编码和跳频编码。

1)时域编解码技术。是对用户信号在时间域上按不同的码字给予不同的时间排序，而带来了信号频谱的扩展，时域编解码光通信系统是扩频通信系统，具有很好的抗多址干扰特性；

2)频域编解码技术。是对用户信号在频谱上按不同的码字给予不同的频率排序，造成信号在时域上的扩展，频域编解码光通信系统是扩时通信系统；

3)空间域编解码技术。是对用户信号在空间域上按不同的码字给予不同的空间排序，信号在空间上扩展，空间域编解码光通信系统是扩空通信系统，可以在一维空间进行编解码，也可在二维空间编解码或在三维空间进行编解码，特别适用于空间光通信；

4)跳频编码技术。是在不同的时刻用不同的频率进行编码，是频域和时域相结合的混合编解，是二维编码；跳频-扩时编码是将跳频编码和扩时编码相结合，具有编码容量大的优点。码字容量随多维编码技术的发展和利用而增加。

3.光编码器/光解码器

由于光纤传输系统是正符号系统，即载波的相位信息不能被利用，所以较之传统电领域的扩频技术，码字数和系统性能都受到限制，直接扩频和1维编码所提供的码字容量不能满足实际系统的需求，这就要求采用多波长扩频和2维序列以扩展码字容量。在直接扩频系统中增加波长维有几种方案，一类是单纯的OCDMA+WDMA混合方案，另一类是采用跳频的多波长OCDMA方案。后者在系统性能，尤其在重载情况下的性能优于前者，但它对编解码器件的要求较前者高，尤其是快跳频(FFH)系统的编解码。随着光纤光栅技术的发展，人们逐渐意识到光纤光栅对FFH-OCDMA系统实现的意义。

光纤延时线编解码器利用不同的光纤延时线的时延实现特定的光码序列的产生和相关运算，是时域编码的重要手段。但由于制作工艺、环境因素的影响，我们对其长度、温度等变化所引起的时延误差、编/解码器的自互相关特性、码字容量及多用户干扰产生的误码率的影响进行了深入的理论分析和实验研究。

光纤光栅是利用准分子激光器发射的紫外光照射参锗光纤，从而使光纤的折射率非均匀变化，即形成沿光纤传输方向的一维光栅，有一个特定的反射波长，即Bragg波长，利用这种光纤Bragg光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)的反射谱特性可以制作光滤波器。将多个FBG级联成为Bragg阵列光栅，就可将入射光脉冲编为特定的码序列，形成频域和时域的二维光编码器。

Claims (8)

1、一种基于光码标志交换的全光网，包括光纤链路、由光纤链路连接的多个光节点以及网络管理和控制系统，其特征在于，光节点包括完成光标志分发或拆除的边缘路由器和完成光标志变更和转发的核心路由器，其中，光标志采用二维同余码，该二维同余码包括基于同一个码生成函数的扩时码TS、跳频码FH以及跳频扩时FH-TS码；

所述码生成函数包括：

① $y_i\left(k\right)=\frac{i}{k}+m\left(\mathrm{mod}p\right),$ 双曲同余运算；

② $y_i\left(k\right)=i\frac{k(k+1)}{2}\left(\mathrm{mod}p\right),$ 二次同余运算；

③y_i(k)＝ik(modp)，线性同余运算；

④y_i(k)＝α^k(modp)，其中α是p的本原根，用以产生Costas序列，

其中，p是素数，y_i(k)表示Glois域GF(p)＝{0，1，…，p-1}内的一种运算，i，k均属于G(p)，其中的i表示第几个序列，k表示该序列中的第几位。

2、根据权利要求1所述的基于光码标志交换的全光网，其特征在于，所述扩时码TS被表示为：{y_i(0)，y_i(1)+p，...，y_i(k)+kp，..，y_i(p-1)+k(p-1)|i∈[0，p-1]}，

其中，TS码是长度为p²的1维码，一个TS码序列可以被分为p个长度为p的子序列，每个子序列中只有一个1，采用线性同余运算的TS码的码字特征的4元数组为(p²，p，p-1，1)，采用二次或双曲同余运算的TS码码字特征4元数组为(p²，p，2λa，2λc)，在p个波长上同时采用相同的扩时编码，构成二维码(p×p²，p²，pλa，pλc)。

3、根据权利要求1所述的基于光码标志交换的全光网，其特征在于，所述跳频码FH表示为：{(0，y_i(0))，(1，y_i(1))，...，(k，y_i(k))，...，(p-1，y_i(p-1))|i∈[0，p-1]}，其中，一个码字由p个二元数组构成，每个数组分别描述它的p个脉冲所在的时隙和波长，对自相关常数λa和互相关常数λc，码字特性4元数组为(p×p，p，λa，λc)，其λa和λc的大小由不同的运算y_i(k)决定，对于线性同余运算，它们为1；而对于二次同余和双曲同余运算，它们为2。

4、根据权利要求2所述的基于光码标志交换的全光网，其特征在于，所述跳频扩时FH-TS码可表示为：

{(y_i(0)，jy_i(0))，(y_i(1)+p，jy_i(1))，...，(y_i(k)+kp，jy_i(k))

...，(y_i(p-1)+(p-1)p，jy_i(k))|i，l，j∈[0，p-1]}

其中为模p乘，描述其码字特征的4元数组为(p×p²，p，λa，λc)。

5、根据权利要求2-4中任何一项所述基于光码标志交换的全光网，其特征在于，设计核心路由器可全光地除去每一个进入的光分组的标志，读取标志，并基于进入标志和本地路由表，配给一个新的光码，并对光分组进行新的光标志封装，将带有新标志的光分组变换到下一跳光码字和标志，形成输出的带有新光码标志的分组，传输至下一个路由器。

6、根据权利要求3-5中任何一项所述基于光码标志交换的全光网，其特征在于，在目的端的边缘路由器，对光码标志进行相关解码，拆除光标志，恢复原分组输出，从而始终以光的形式完成从始发端至目的端的信息传递。

7、根据权利要求5所述基于光码标志交换的全光网，其特征在于，所述核心路由器包括光分路器、光标志拆除单元、光标志封装单元和光合路器，还包括对上述各部分提供控制信号的监测、控制及路由表单元。

8、根据权利要求7所述基于光码标志交换的全光网，其特征在于，所述光标志封装单元包括光扩时码TS或光跳频码FH或光跳频-扩时码FH-TS的编码器，所述光标志拆除单元包括光扩时码TS或光跳频码FH或光跳频-扩时码FH-TS的解码器。

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