CN101005330A - 基于串行排列光正交码标签的光分组交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于串行排列光正交码标签的光分组交换方法，解决已有的采用单个光正交码标签的光分组交换方法中标签数目少的问题。采用将n个光正交码进行从1个到n个的n组排列组合来表示光标签，使得可用的标签数目得到了大大的增加。标签的产生采用可调光编码器与光纤延迟线的组合，标签的识别采用解码器和探测器并行识别的方法。

Description

基于串行排列光正交码标签的光分组交换方法

技术领域：

本发明涉及一种光分组交换方法，尤其涉及一种采用光正交码的光分组交换的标签格式，以及相应的标签产生，分离和更新方法，属于光纤通信领域。

背景技术：

在基于波长交换的光网络中，由于业务的带宽往往小于一个波长的传输带宽。为了提高波长带宽的利用率，在一个波长中常常配置了多个业务，这就造成了以波长为基本单位的交换形式无法直接在光域满足对该波长中各个业务的交换。如果将各业务经过光电转换，在电域上对业务进行交换，则要求电子器件具有在线的处理速率和巨大的随机存储器。因此波长交换限制了光网络的灵活性，约束了光网络的带宽利用率，特别是对以IP业务作为未来主要趋势的网络结构尤为不适应。光分组交换(Optical Packet Switching，OPS)克服了波长交换的交换粒度太大的问题，采用以IP分组为对象的交换形式，减少了在波长交换中对业务进行汇聚，配置和封装的复杂过程，减化了网络协议结构，提高了网络的利用率，是实现IP over WDM的理想方式。OPS采用通用多协议标签交换(Generalized Multiprotocol Label Switching，GMPLS)协议，根据业务的请求按照标签分配协议(Label Distribution Protocol，LDP)在光网络中建立标签交换链路(Label Switching Path，LSP)。因此在交换节点就形成了许多的LSP的输入输出标签对，这些输入输出标签对以数据库的形式被记录下来，形成了标签转发表。分组信号由标签信号和净荷信号组成.标签信号携带路由和交换信息，净荷信号则携带业务的数据信息。在光分组交换中，将IP分组调制成光净荷信号，同时附加上被分配的LSP的标签信息形成光标签。在光交换节点只处理光标签信号，根据检测约光标签信息，按照标签转发表，对交换矩阵和竞争解决单元进行配置.保证光净荷信号全光的交换到正确的输出端口，实现交换的目的。为了使交换输出的光分组能在下一个节点继续完成交换，在交换节点输出光分组信号前对原有的标签信号进行更新，将旧标签值(标签转发表的入口标签值)更新为新标签值(标签转发表的出口标签值)。

在OPS的光分组格式中存在比特序列标签，副载波标签，多波长标签，正交调制标签和光正交码标签。其中比特序列标签对标签分离和标签处理的速率要求较高；副载波标签和正交调制标签格式存在着标签信号与净荷信号的干扰问题；多波长标签存在着对波长资源的浪费问题。光正交码标签采用光正交码作为标签，可在光域对标签进行识别，其识别速率等于光的传输速率，是一种全光的标签处理技术。由于将每个光正交码映射成相应的标签，为了降低光网络中建立标签链路的阻塞率，光网络中需要的标签数目往往很多，这就要求所选用的光正交码的数目相应的很多。光正交码的数目的增加要求光正交码的码长也要相应的增长。但码长的增长并没有对光正交码的数目带来巨大的增加，反倒增加了光编/解码器的设计难度。

发明内容：

本发明的目的是提出一种利用较少数量的光正交码实现较大数目的标签的基于串行排列光正码的光分组交换方法。

本发明是这样实现的：

本发明基于串行排列光正交码标签的光分组交换方法，其步骤如下：

(1)采用通用多协议标签交换协议，根据业务的要求按照标签分配协议在光网络中建立标签交换链路，在交换节点形成若干输入输出标签对，将这些标签对以数据库的形式记录下来，形成标签转发表，光分组格式中采用光正交码标签，光正交码标签为由n个光正交码通过从1个到n个的n组排列组合构成的n(1-nⁿ)/(1-n)个标签，将光正交码标签总数通过取其以2为底的对数向上取整，得值即为二进制编码的位数，根据该位数得到的所有二进制编码与光正交码的组合一一对应得编码表，

(2)将IP分组调制成光净荷信号，同时附加上被分配的标签信息形成光标签，将净荷信号和标签信号组成光分组信号，

(3)在光交换节点只处理光标签信号，根据检测的光标签信息，按照标签转发表，对交换矩阵和竞争解决单元进行配置，保证光净荷信号全光交换到正确的输出端口，

(4)在交换节点输出光分组信号前，按标签转发表，对原有的标签信号进行更新，

步骤2中，由第一半导体激光器输出的光经1×2分束器分为两路，一路经第一脉冲调制器调制成脉宽为码片宽度的一个光脉冲信号经1×n分束器分成n路，在每一路经可调光编码器和光纤延迟线后，再由n×1合束器耦合在一起形成标签信号，再与1×2分束器另一路产生的净荷信号经2×1合束器产生光分组信号，各路的可调光编码器与第一控制器的输出连接，第一控制器的输入与标签信号发生器的输出连接，标签信号发生器产生一个编码表中的一个二进制信号，第一控制器将其按照编码表转换为对应的光正交码组合，并将组合中的每个光正交码输到n个可调光编码器，可调光编码器分别产生对应的光正交码，各路相邻光纤延迟线的延迟时间差为一个光正交码的时间长度。

步骤2中光净荷信号与光标签信号被调制在同一个波长上，净荷信号经延迟线在标签信号保护间隔之后发送。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中有m个1×2分束器输入步骤(2)中产生的光分组信号，m为光交换节点的输入或输出端口数，每个1×2分束器的一路输出到一个标签识别单元，其另一路输出到一个光开关，所有的标签识别单元的输出与第二控制器的输入连接，第二控制器的多路输出分别与m个光开关，一个光交换矩阵与竞争解决单元，m个标签更新单元连接，光交换矩阵与竞争解决单元的输入分别与m个光开关的输出连接，其输出与m个标签更新单元连接，第二控制器根据标签识别单元发出的信号控制光开关切换，同时根据标签识别单元送来的入口标签信号按照标签转发表控制光交换矩阵和竞争解决单元将出口标签发送到标签更新单元，光开关输出的净荷信号在交换矩阵和竞争解决单元完成交换后输入到标签更新单元，插上新标签后，发送到下一个交挨节点。

所说的标签识别单元有1×n分束器将1×2分束器输出的一路光分组信号分为n路，各路分别由光解码器、光硬限幅器和光电探测器组成，各路的输出与标签处理单元的输入连接，标签处理单元的输出接第二控制器，标签处理单元根据探测到各路有无脉冲信号及探测到脉冲信号的先后顺序，判断出光正交码组合即标签，根据编码表转换二进制编码，再将二进制编码发送到第二控制器。

所说的标签更新单元有第三控制器与第二控制器的输出连接，有第二半导体激光器经第二脉冲调制器与1×n分束器连接，1×n分束器的n路分别由可调光编码器，光纤延迟线组成，n路由n×1合束器耦合后与光换交矩阵与竞争解决单元输出的一路延迟后的净荷信号经2×1合束器生成新的光分组合信号，第三控制单元从第二控制单元输入标签的二进制编码，将其根据编码表转换为对应的光正交码组合，并将组合中的每个光正交码输出到n个可调光编码器，可调光编码器分别产生的对应的光正交码输出到光纤延迟线。

本发明采用对少数的光正交码进行排列组合来表示光分组的标签信号，不同的排列组合结构对应着不同的光标签，这样就大大的增加了可用标签的数目。本发明的光分组格式为标签在净荷之前发送，并以保护间隔隔开标签与净荷信号。在对标签的识别时，根据标签中光正交码的排列位置来区分不同的标签。

本发明的关键特征在于利用对光正交码的排列组合所构成的光正交码序列来表示不同的光标签，而不是用增加码长的办法来增加光正交码的数目。采用增加码长来增加光正交码的数目时，光正交码的数目一般是随着码长线性增加。但采用光正交码的排列组合来增加标签的数目则使得标签增加的数目按几何级数增加，因此比采用增加码长的办法更有效。

本发明采用的对光正交码进行排列组合可以从一定码长可用的光正交码中任意选取若干数目，再进行排列。在排列中允许同一个光正交码被重用。在光标签中选取的光正交码不同，标签不同；选取的光正交码相同，但排列顺序不同，标签也不同。对于n个可用的光正交码，选取一个光正交码的标签数目为n，选取两个光正交码的标签数目为n²，选取k个光正交码的标签数目为n^k，n个光正交码都进行排列组合的标签数目为nⁿ，因此总的标签数目为n+n²+…+nⁿ＝n(1-nⁿ)/(1-n)。

本发明采用可调光编码器与光纤延迟线的组合来产生串行排列光正交码的光标签。可调光编码器可以实现对采用的光正交码进行选择，采用的光延迟线对光正交码进行相应的延迟以实现对光正交码的排列。为了结合波分复用技术和减少所用的波长数目，光净荷信号与光标签信号被调制到同一个波长上，并经过延迟线在标签信号保护间隔之后发送。

本发明采用的光标签识别采用对每个光正交码进行并行检测。每个光正交码检测分支由光解码器，光硬限幅器和光电探测器组成。光解码器识别光正交码，对匹配的光正交码信号产生自相关峰输出，对不匹配的光正交码则转化为低功率的互相关噪声。光解码器的输出经过光硬限幅器，抑制了解码过程中产生的噪声信号，可由光电探测器检测。在标签中存在的光正交码则会在相应的检测分支产生一脉冲信号，未检测到脉冲信号的分支则说明在该标签中没有采用该分支对应的光正交码，各分支中脉冲信号到达的先后顺序则表示了光正交码在标签中的先后顺序。因此根据各分支光电探测器得到脉冲信号的模式可以识别到达的标签。

本发明采用从探测到的标签信号作为触发信号，由电控光开关来擦除旧的标签。当光标签信号经过时，光开关处于关闭状态，光标签信号被阻断；光开关状态在保护间隔内进行切换，当净荷信号经过时，光开关处于通状态，净荷信号通过光开关。在光分组输出到下一个节点之前，采用光合束器将新产生的标签信号插入到光分组信号标签的位置中。

本发明采用的光正交码适用于非相干和相干的光正交码，相应的光编/解码器在本发明方案中均可使用。

本发明在保持光正交码标签全光识别的特性上，采用对光正交码的排列组合的新标签格式解决了光正交码数目少所带来的光标签数目少的问题。本发明结构简单，未对光正交码和光编/解码器有特殊的要求，应用范围具有一定的普遍性。

附图说明：

图1为本发明光分组格式的示意图。

图2为由三个光正交码组成的所有光标签图。

图3为一个将标签映射为光正交码组合的编码表。

图4为本发明产生光分组信号的工作原理图。

图5为本发明中光分组交换的工作原理图。

图6为本发明中标签识别单元的工作原理图。

图7为本发明中标签更新单元的工作原理图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明作详细描述。

如图1所示光分组的信号由标签和净荷组成。标签和净荷以保护间隔隔开。标签信号由光正交码的排列组合构成，如图为AC…E构成，不同的排列组合表示不同的标签。保护间隔大小由交换节点的处理速率决定，其选取可参阅文献“Transparent Optical Packet Switching：NetworkArchitecture and Demonstrators in the KEOPS Project”(IEEEJOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS，1998，16(7)，pp1245-1259).

如图2所示对于3个可用的光正交码A，B和C，当使用一个光正交码来做标签可以得到3个标签；当使用其中两个光正交码来做标签可以得到9个标签；当使用三个光正交码来做标签时，可以得到27个标签，因此总的可用标签数目为39个。

如图3所示为一个对如图2所示采用3个光正交码组合来表示标签的编码表。由于对于3个光正交码总的可用标签数目为39个，因此标签信号的二进制编码的位数为6位。对于标签L0的二进制表示为000000，其对应的光正交码组合为A；对于标签L1的二进制表示为000001，其对应的光正交码组合为B；对于标签L2的二进制表示为000010，其对应的光正交码组合为C；对于标签L3的二进制表示为000011，其对应的光正交码组合为AB；其余的编码由此类推；直到标签L38二进制表示为100110，其对应的光正交码组合为CCC。

如图4所示产生串行排列光正交码标签的光分组信号，可分为标签产生部分和净荷产生部分。半导体激光器输出的光经过1×2分束器分为两个分支。一路光信号进行产生光标签信号，另一路光信号产生光净荷信号。在标签产生部分，半导体激光器输出的连续光先被调制成脉宽为码片宽度的一个光脉冲信号。光标签信号的光源也可以采用独立的脉冲激光器来产生，但必须保证净荷信号和标签信号的波长相同。在该标签产生实施例中，光信号被1×4分束器分成4路，在每一路信号经过可调编码器和光纤延迟线后，再由4×1合束器耦合在一起。其中4路光纤延迟线的延迟分别为0T、1T、2T和3T(T为光正交码的时间长度)，即第2、3和4路光信号相对于第1路光信号分别延迟1T、2T和3T。因此在4×1合束器的输出中，第一路信号的光正交码将排在第一个，第2、3和4路的分别排在第2、3和4个。由于在各支路中采用的是可调的光编码器，因此根据要求的光正交码组合，通过第一控制器设置相应支路上的可调光编码即可实现串行排列光正交码的标签信号输出。在该实例中能实现最多有4个串行排列光正交码的光标签。在实施例中假设所要产生的光标签为L23，则标签信号发生器输出010111的二进制信号到第一控制器，第一控制器根据收到的二进制信号，根据图3所示的编码规则将设置第1，2和3路的可调光编码器分别产生光正交码B，C和A，经各路的光纤延迟线延迟后形成BCA组合的光标签。由于在该实例中第4路不需要产生光正交码信号，因此处于关闭状态。光净荷信号可采用马赫一曾德尔(Mach-Zehnder，MZ)调制器进行强度调制，并经过光纤延迟线延迟后，滞后标签信号保护间隔后发送到2×1光合束器，形成光分组信号。在该实例中第一控制器由现场可编程器件(Field-Programmable Gate Array，FPGA)实现，如采用Xilinx公司的VirtexII XC2v250芯片，完成将光标签二进制信号转化为对可调光编码器的控制信号。该实例中的可调光编码器可采用基于平面光路(Planar Lightwave Circuit，PLC)的双极性相位编码的可调光编码器(参阅文献“A 10 Gb/s Optical Code Division Multiplexing Using8-Chip Optical Bipolar Code and Coherent Detection”，Journal OFLightwave Technology，1999，17(10)，pp1758-1765)

如图5所示在光分组交换节点，通过1×2分束器，提取出一部分光分组信号输入到光标签识别单元进行标签识别，另一部分光信号则输入到一个光开关。本发明中采用一个光开关来实现标签擦除的功能。当该光开关为一个输入端口，一个输出端口，当处于开的状态时，输入光信号将从输出端口输出；当处于关的状态时，输入的光信号不能从输出端口输出。标签识别单元对串行组合的光正交码标签信号进行识别，将识别出的标签信息发送到第二控制器，第二控制器控制擦除标签的光开关在光分组的保护间隔内进行光开关的切换，阻塞标签信号，通过净荷信号；同时根据标签识别单元送来的输入分组所携带的标签(入口标签)信号，按照标签转发表，控制光交换矩阵和竞争解决单元，并将新标签(出口标签)的信息发送到标签更新单元。光分组信号经过擦除标签的光开关后，剩下的净荷信号在交换矩阵和竞争解决单元完成交换后输入到标签更新单元，插入新的标签后，发送到下一个交换节点。该实例中为两个输入端口和两个输出端口的光分组交换节点结构。从输入端口1输入的光分组1被交换到了输出端口2，标签L23(光正交码组合BCA)被更新为标签L16(光正交码组合ABB)。从输入端口2输入的光分组2被交换到了输出端口1，标签L21(光正交码组合BAA)被更新标签L17(光正交码组合ABC)。图6和图7将分别详细介绍图5中的标签识别单元1和标签更新单元1，标签识别单元2和标签更新单元2分别与标签识别单元1和标签更新单元1的结构相似。该实例中的第二控制器由FPGA实现，如采用Xilinx公司的VirtexIIXC2v250芯片，完成将接收到的标签信号转换为三路输出控制信号，分别输入擦除标签的光开关，光交换矩阵和竞争解决单元，以及标签更新单元。该实例的为一般的光交换矩阵和竞争解决单元，其具体结构可参考文献“A Unified Study of Contention-Resolution Schemes in OpticalPacket-Swi tched Networks”(Journal of Lightwave Technology，2003，21(3)，pp672-683)。

如图6所示采用并行检测光标签中光正交码。在该实例中输入的光分组信号通过1×4分束器，分到4个分支上，各分支分别由光解码器，光硬限幅器和光电探测器组成。各分支使用的光解码器分别为A、B、C和D。由于输入的光标签的光正交码组合为BCA，因此当光正交码B输入到各解码器时，只有光解码器B产生自相关脉冲输出，在其他光解码器输出互相关噪声；同理当C和A输入时，分别第3和1分支产生自相关脉冲输出。由于实例中的光标签信号没有采用光正交码D，因此在第4分支没有自相关脉冲输出。光解码器的输出信号经过光硬限幅器，抑制了互相关噪声。在光电探测器探测到的脉冲信号的先后顺序为第2、3和1分支，光电探测器的探测信号输入到标签处理单元，由标签处理单元根据各光电探测器是否探测到脉冲信号，以及探测到脉冲信号的先后顺序判定该分组的标签。实例中标签处理单元根据接收到的光电探测器脉冲信号顺序第2、3和1分支，判定收到的标签为光正交码组合BCA，再由图3的标签编码实例，判定收到的标签为标签L23。将识别出的标签信号L23的二进制编码010111发送到图5的第二控制器。

如图7所示采用2×1光合束器将新标签插入到净荷信号的保护间隔前，形成光分组信号发送到下一个节点。该实例中2×1光合束器的上一分支输入新产生的光标签信号，下一分支输入由光交换矩阵与竞争解决单元输出的净荷信号。该实例中产生光标签信号的结构与图4中产生光标签的结构类似。该实例中按照图5的要求，在标签更新单元1需要插入新标签的光正交码组合ABC。该实例中第二控制器输入到第三控制器为L17的二进制编码010001。该实例中的第三控制器由FPGA实现，如采用Xilinx公司的VirtexII XC2v250芯片，其功能与第一控制器功能相同，实现将光标签信号转化为对可调光编码器的控制信号，该实例中第三控制器对第一分支的光编码器设置为A，对第二分支的光编码器设置为B，对第三分支的光编码器设置为C，第四分支未用，则处于关闭状态。在4×1光合束器输出了标签L17的光正交码组合ABC。2×1光合束器输入的下一分支中的光纤延迟线将净荷信号延迟到标签信号保护间隔之后从2×1光合束器输出，形成标签L17的光分组信号输出。

图3至图6中实线为光纤连接，虚线为电路连接。

Claims (6)

1、基于串行排列光正交码标签的光分组交换方法，其步骤如下：

(1)采用通用多协议标签交换协议，根据业务的要求按照标签分配协议在光网络中建立标签交换链路，在交换节点形成若干输入输出标签对，将这些标签对以数据库的形式记录下来，形成标签转发表，光分组格式中采用光正交码标签，光正交码标签为由n个光正交码通过从1个到n个的n组排列组合构成的n(1-nⁿ)/(1-n)个标签，将光正交码标签总数通过取其以2为底的对数向上取整，得值即为二进制编码的位数，根据该位数得到的所有二进制编码与光正交码的组合一一对应得编码表，

(2)将IP分组调制成光净荷信号，同时附加上被分配的标签信息形成光标签，将净荷信号和标签信号组成光分组信号，

(3)在光交换节点只处理光标签信号，根据检测的光标签信息，按照标签转发表，对交换矩阵和竞争解决单元进行配置，保证光净荷信号全光交换到正确的输出端口，

(4)在交换节点输出光分组信号前，按标签转发表，对原有的标签信号进行更新，

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中，由第一半导体激光器输出的光经1×2分束器分为两路，一路经第一脉冲调制器调制成脉宽为码片宽度的一个光脉冲信号经1×n分束器分成n路，在每一路经可调光编码器和光纤延迟线后，再由n×1合束器耦合在一起形成标签信号，再与1×2分束器另一路产生的净荷信号经2×1合束器产生光分组信号，各路的可调光编码器与第一控制器的输出连接，第一控制器的输入与标签信号发生器的输出连接，标签信号发生器产生一个编码表中的一个二进制信号，第一控制器将其按照编码表转换为对应的光正交码组合，并将组合中的每个光正交码输到n个可调光编码器，可调光编码器分别产生对应的光正交码，各路相邻光纤延迟线的延迟时间差为一个光正交码的时间长度。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中光净荷信号与光标签信号被调制在同一个波长上，净荷信号经延迟线在标签信号保护间隔之后发送。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中有m个1×2分束器输入步骤(2)中产生的光分组信号，m为光交换节点的输入或输出端口数，每个1×2分束器的一路输出到一个标签识别单元，其另一路输出到一个光开关，所有的标签识别单元的输出与第二控制器的输入连接，第二控制器的多路输出分别与m个光开关，一个光交换矩阵与竞争解决单元，m个标签更新单元连接，光交换矩阵与竞争解决单元的输入分别与m个光开关的输出连接，其输出与m个标签更新单元连接，第二控制器根据标签识别单元发出的信号控制光开关切换，同时根据标签识别单元送来的入口标签信号按照标签转发表控制光交换矩阵和竞争解决单元将出口标签发送到标签更新单元，光开关输出的净荷信号在交换矩阵和竞争解决单元完成交换后输入到标签更新单元，插上新标签后，发送到下一个交换节点。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于所说的标签识别单元有1×n分束器将1×2分束器输出的一路光分组信号分为n路，各路分别由光解码器、光硬限幅器和光电探测器组成，各路的输出与标签处理单元的输入连接，标签处理单元的输出接第二控制器，标签处理单元根据探测到各路有无脉冲信号及探测到脉冲信号的先后顺序，判断出光正交码组合即标签，根据编码表转换二进制编码，再将二进制编码发送到第二控制器。

6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于所说的标签更新单元有第三控制器与第二控制器的输出连接，有第二半导体激光器经第二脉冲调制器与1×n分束器连接，1×n分束器的n路分别由可调光编码器，光纤延迟线组成，n路由n×1合束器耦合后与光换交矩阵与竞争解决单元输出的一路延迟后的净荷信号经2×1合束器生成新的光分组合信号，第三控制单元从第二控制单元输入标签的二进制编码，将其根据编码表转换为对应的光正交码组合，并将组合中的每个光正交码输出到n个可调光编码器，可调光编码器分别产生的对应的光正交码输出到光纤延迟线。

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