CN1142641C - 城域弹性分组光纤环网用智能化光/电/光转发器 - Google Patents
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Abstract
一种城域弹性分组光纤环网用智能化光/电/光转发器，光电转换单元把输入光信号转化为电信号，经前置放大单元初步放大、限幅与后放单元放大、限幅后送入数据再生单元与时钟提取单元，完成数据再生功能，光发送单元将再生的数据转换为光信号重新发送到光路上。监控单元通过内部监控接口与各单元相联，完成系统的监视与控制以及数据与时钟再生的负反馈控制功能，通过网管接口与上级管理者相联。本发明具有信号放大、整形、再生3R功能，结合了电域信号再生的有效性与光层数据传输的自适应透明性，可用于需兼容各种传输速率与数据协议，并且具有50ms生存性的下一代城域弹性分组光纤环网的节点设备中。
Description
技术领域：
本发明涉及一种城域弹性分组光纤环网用智能化光/电/光转发器，是一种具有3R功能，即信号放大(Reamplifying)、整形(Reshaping)、再生(Regenerating，或称Retiming重定时)的智能化光/电/光转发器，支持从30Mb/s至2.5Gb/s之间各种速率的信号传输并有光层传输参数监视和控制功能，适用于对输入数据协议和比特率透明性要求较高的城域弹性分组光纤环网节点设备。属于光通信网技术领域。
背景技术：
弹性分组光纤环网(RPR)是一种全新结构的、G比特IP over光纤的城域网解决方案，目前正由IEEE802.17工作组制定其技术标准。RPR技术要求它能兼容现有的物理层规范，如百兆/千兆以太网、10G以太网、SONET/SDH各传输等级从OC-16(155Mb/s)甚至更低直至OC-48/STM-16(2.5Gb/s)和OC-192/STM-64(10Gb/s)，其分组数据包的传输率应能扩展到每秒几十G比特。RPR针对城域数据流和拓扑而重新优化MAC层，使得服务提供商能够在现有的光纤基础设施上提供具成本效益的、迅捷、安全和可靠的数据链路，而终端用户将能够根据需要获得从1Mbps到1Gbps或以上传输速率的带宽。同时RPR还保持了SONET/SDH 50毫秒业务自动恢复的网络生存性水平(即“弹性”)，使得运营商在城域网内以低成本提供电信级的服务成为可能，在提供SONET/SDH级网络生存性的同时降低了传送费用。
新的网络技术对网络的各组成单元提出了新的要求。在基于RPR的新型城域网节点设备中，由于需要接入从T1/E1、DS3/E3、OC-3、OC-12、OC-48、PoS、10/100BT、GBE等多种速率与协议的数据，对作为物理层接口的光转发器提出了更高的要求：不仅能够完成信号的再生功能，消除由传输和交换带来的各种噪声，还要尽量做到对信号格式与速率的透明，以提高网络设计与配置的灵活性；另外还要具有智能性，即能够实时监控信号的传输质量，使得高层管理者尽可能多的掌握底层的工作状况。用一句话总结，新一带的光转发器需要在其3R功能(消除噪声)、智能化的基础上兼具透明性(对信号速率与格式自适应)。
对光转发器如何实现3R功能已有大量的文献进行了研究，具体可分为两大类：全光的3R方案与光/电/光方案。全光的3R光转发器的主流方案可以实现完全的数据透明传输，比如B.Sartorius等人在International Conference onTransparent Optical Networks ICTON 2001，pp.333-337上提到的″3R regenerationfor All-Optical Networks″，和F.Devaux在17th Intemational Semiconductor LaserConference 2000，pp.5-6上提到的″All-optical 3R regenerators：status andchallenges″，等等。但是，全光的3R光转发器在传输质量的提高方面存在一些不足，比如不能消除由色散累积和非线性等传输效应带来的噪声，而且这种方案在技术上还远未成熟，性能还不稳定，成本很高，在近期还看不到它的应用前景。光/电/光的3R光转发器技术已经成功地应用于现有的光通信系统中，无论是远距离传输的SONET/WDM长途骨干网还是SONET/ATM/高端路由器互联的城域核心网，都采用了光/电/光转发器作为物理层的光接口。光/电/光转发器最大的优势在于它实现了完全的信号再生，能够提供与数据始发端相同的信号质量，大大扩展了数据传输距离。但是它不具有透明性，一台特定的光/电/光转发器只能工作在其工作频率及附近一个很小的范围内。造成这种情况的原因是电域的时钟提取与同步技术——无论是锁相环技术还是高速滤波技术，都只能在一个很窄的频率范围内实现时钟同步，全频率的时钟提取(比如从几十MHz到数十GHz)在目前看来如果没有重大的理论突破还无法实现。基于以上原因，“光/电/光的3R光转发器不具比特率透明性”的观点已经被业界普遍接受。
虽然无法实现最高至GHz的时钟同步，但是同一量级的频率检测已经有可能实现。频率检测技术采用脉冲宽度自相关技术，应用可编程的脉冲计数器结合高速压控振荡器(VCO)，把输入频率与某一输出参数(比如电流)对应起来，通过测量该输出参数就可以估计出输入信号频率范围。T.C.Banwell和N.K.Cheung在Optical Fiber Communication Conference′99/the InternationalConference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication OFC/IOOC′99，pp.PD10/1 -PD10/3上提到的″A programmable rate detector for rapidreconfigurable rate-transparent optical networks″就是采用这种方法实现了从10Mb/s到1.3Gb/s的频率检测，分辨率可达数十Mb/s。目前这种频率检测技术尚未应用于2.5Gb/s的比特率自适应智能化光转发器。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种城域弹性分组光纤环网用智能化光/电/光转发器，具有比特率透明性的光/电/光的3R功能，能够实现从几十MHz到2.5GHz的自适应信号处理与传输。
为实现这样的目的，本发明对现有技术加以利用与改进，把频率检测技术与已实现商用的多锁相环数据与时钟再生电路(CDR)和多参考时钟发生模块相结合，采用负反馈控制原理完成输入数据信号的速率自适应过程。本发明设计的新的光/电/光的3R光转发器的体系结构，重点在于由数据再生单元和时钟提取单元构成的比特率自适应信号重定时与再生功能模块，其特点是所有功能单元均可由已实现商用的芯片或模块构成，使用通用DSP或者FPGA即可完成信号频率锁定的负反馈控制。
本发明转发器由7个功能单元与两个内外部监控接口组成：光电转换单元、前置放大单元、限幅与后放单元、数据再生单元、时钟提取单元、光发送单元和监控单元，内部监控接口和网管接口。
光电转换单元的输出经前置放大单元连接到限幅与后放单元的输入端，限幅与后放单元的输出分别连接数据再生单元和时钟提取单元，数据再生单元的输出经光发送单元送入光信道。时钟提取单元的输出时钟信号返回到数据再生单元，再经光发送单元送入光信道。各功能单元通过内部监控接口与监控单元连接，监控单元通过网管接口和上级管理者连接。
光电转换单元由一般的商用PIN或APD模块构成，负责把输入光信号转化为电信号。前置放大单元接收光电转换单元输出的微弱光电流，对其进行初步放大至毫伏～伏量级(取决于输入光功率)。限幅与后放单元接收前置放大单元输出的信号并放大、限幅于通用电平格式所要求的数量级(一般为伏特)，输出信号送入数据再生单元与时钟提取单元。以上单元可以由成熟的商用芯片构成。数据再生单元接收限幅与后放单元的数据与时钟提取单元的时钟，完成数据再生功能。时钟提取单元接收限幅与后放单元的数据，从中提取时钟送往数据再生单元。数据再生单元采用了上面提到的10Mb/s到1.3Gb/s频率检测技术。光发送单元由固定波长或可调谐波长激光器构成，将再生的数据转换为光信号重新发送到光路上，可选用可调谐激光器、DWDM或CWDM系统用激光器。监控单元通过内部监控接口与各单元相联，完成系统的监视与控制以及数据与时钟再生的负反馈控制功能，通过网管接口与上级管理者相联。监控单元的主要组成部分是高速单片机或FPGA编程实现的微控制器(MCU)。内部监控接口定义了一组转发器工作状态与控制信息和数据再生电路工作状态与设置参数，把各组成单元与监控单元连接起来。网管接口定义了一组网络管理参数，是转发器与上级管理者的接口。
本发明的智能化光/电/光的3R光转发器与现已广泛商用的光/电/光的3R光转发器和正在广泛研究的全光3R转发器相比，具有独特的技术特点和有益效果，具体表现在：●速率透明性：兼容30Mb/s与2.5Gb/s之间各种速率的信号，时钟提取单元配合数据再生单元和监控单元完成速率透明的信号重定时功能。●可行性：并不要求时钟提取单元具有最高至2.5Gb/s的时钟同步能力，而是识别出输入信号速率所处的区间(＜1.4Gb/s)，通过监控单元设置数据再生单元实现某一特定速率数据的再生。数据再生单元和时钟提取单元均采用已经商用化的芯片。●功能模块化：如果不用光电转换单元和前置放大单元，通过适当调整限幅与后放单元即为智能化电/光转发器的解决方案，可实现各类协议的电支路信号透明地接入光城域网。●灵活性：通过选择波长可调谐的光发送单元，配合监控单元能够实现输入电信号与输出光信号的波长指配；通过选择光电转换单元的接收灵敏度与过载光功率参数，可实现不同输入功率容限的光转发器。●智能化：监控单元能够完成各种光层传输特性参数的提取与设置任务，并通过与高层管理者的接口可以实时地把输入光纤与转发器失效状态告知管理者，以实现毫秒量级的自动保护倒换功能。
附图说明：
图1光/电/光的3R光转发器的体系结构示意图。
图1中，光电转换单元1，前置放大单元2，限幅与后放单元3，数据再生单元4，时钟提取单元5，光发送单元6，监控单元7，内部监控接口8，网管接口9。
图2时钟与数据再生电路(CDR)功能模块图。
图3CDR工作频率范围选择示意图。
图4本发明提出的光转发器在RPR城域接入网中应用示意图。
图5本发明提出的光转发器在RPR城域骨干网中应用示意图。
图6本发明提出的光转发器在WDM城域交叉连接设备中应用示意图。
具体实施方式：
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图与实施例作进一步描述。
附图1为本发明智能化光/电/光3R光转发器的体系结构。光电转换单元1的输出经前置放大单元2连接到限幅与后放单元3的输入端，限幅与后放单元3的输出分别连接数据再生单元4和时钟提取单元5，数据再生单元4的输出经光发送单元6送入光信道，时钟提取单元5的输出返回到数据再生单元4，再经光发送单元6送入光信道。各功能单元通过内部监控接口8与监控单元7连接，监控单元7通过网管接口9和上级管理者连接。
输入光信号经光电转换单元1转化为电信号后，通过前置放大单元2和限幅与后放单元3将信号电平调整为标准形式。光电转换单元1和前置放大单元2可以采用商用的一体化模块，也可以自行设计。光电转换单元1和前置放大单元2均为低通频率特性，最高工作频率以下各速率等级信号可以无损通过。限幅与后放单元3将信号放大、调整为固定电平，应该选用低通频率特性的解决方案(已有商用芯片)。由数据再生单元4和时钟提取单元5组成的信号再生电路完成3R功能，去除色散、放大器噪声、串扰以及各种非线性效应带来的噪声，再经光发送单元6送入光信道。光发送单元6可根据系统要求选用可调谐激光器、DWDM或CWDM系统用激光器，并依传输距离选择其色散容限参数。监控单元7通过内部监控接口8和网管接口9与内部各功能单元和上级管理者连接。内部监控接口8定义的各参数分类如下表所示。网管接口9取决于具体的网络管理实现方式。
| 名称 | 属性 | 功能 |
| 接收参数 | 只读 | 光接收模块工作状态，如收无光告警，PIN/APD工作状态等 |
| 发送参数 | 只读 | 激光器工作状态，如偏置电流，波长稳定度等 |
| 光路控制参数 | 读写 | 控制光收发电路动作，如激光器关断、各偏置、调制、温控电流设置等 |
| 同步状态参数 | 只读 | 数据与时钟再生芯片同步状态指示(lock state) |
| 同步控制参数 | 读写 | 数据与时钟再生芯片、多时钟发生芯片工作状态设置(v_sel、d_sel、f_sel、) |
本发明的数据再生单元4和时钟提取单元5构成比特率自适应信号重定时与再生功能模块，具体实现方式如图2所示。信号重定时与再生功能模块包括速率检测模块、多时钟产生模块和多等级CDR模块，速率检测模块接收从限幅与后放单元3来的输入信号，其输出由多时钟产生模块接收。多等级CDR模块接收输入信号和多时钟产生模块的输出，并将再生后的数据送入图1中的光发送单元6。监控单元7通过内部监控接口8连接速率检测、多时钟产生与多等级CDR模块。
其中速率检测模块即为采用脉冲宽度自相关技术实现的从10Mb/s到1.3Gb/s的频率检测器，它判断输入数据速率处于哪一个频率区间，将结果告知监控单元7的MCU。MCU据此设置多时钟产生模块产生相应参考时钟，并通过f_sel、d_sel和v_sel设置多级CDR模块。如果达到频率同步，多级CDR模块G73S5-9489-7800000将发送同步状态指示信号lock_state告知MCU，否则MCU将尝试重新设置同步控制参数，直至收到同步指示信号lock_state。多级CDR模块是一种商用的可编程时钟与数据再生芯片，通过其内置的一组不同频率段的锁相环电路完成各种速率等级的时钟提取功能，其设置一般通过对f_sel、d_sel和v_sel引脚外加跳线手工完成。其中，f_sel设置15芯片内部参考时钟，d_sel设置分频比率，v_sel与d_sel一起决定选用哪一个内部锁相环电路。一个常用的多等级CDR芯片的频率分级如图3所示。
由于速率检测模块只能工作于1.3Gb/s以下，由图3可见，在此频率以上还存在两个工作频率区间。这样，在高于1.3Gb/s的情况下只能通过MCU的负反馈控制来确定是否实现了时钟同步。在当前网络环境下，在1.3Gb/s与2.5Gb/s之间绝大多数情况是OC-48(2.5Gb/s)频率等级，因此在MCU控制策略中应预先假设输入数据处于2.5Gb/s左右的频率范围内。
在输入数据速率改变时，本方案实现的时钟与数据再生单元能够在数百毫秒～秒的时间范围内完成重定时功能，具体时间取决于数据速率改变的幅度。如果假设速率检测模块与MCU均作出了正确的判断，该单元可以在100毫秒以内达到时钟同步。这个过程由以下五个时间段组成：1，MCU收到未同步的状态信息，对速率检测模块发出启动指令(～20ms)；2，速率检测模块作出判断(～50ms)；3，多时钟模块产生参考时钟，同时MCU正确设置f_sel、d_sel和v_sel(～10ms)；4，多等级CDR锁定输入时钟，并发出同步状态信息(～1ms)；5，MCU确认同步工作状态(～10ms)。
图4为本发明提出的光转发器在RPR城域接入网中应用示例。图中光转发器作为低端路由器、边缘交换机等设备接入RPR环网的光层接口。图5为本发明提出的光转发器在RPR城域骨干网中应用示例。无论是构建在RPR环网上的高端路由器互联，还是RPR核心交换机互连，都可以采用本发明的光转发器作为光层传送设备。另外，本发明还可以应用于将来基于OADM和OXC的WDM智能光交换网中，如图6为本发明提出的光转发器在WDM城域交叉连接设备中应用示例，图中，转发器被用于多个全光透明子网的互联接口。
Claims (3)
1、一种城域弹性分组光纤环网用智能化光/电/光转发器，包括光电转换单元(1)、前置放大单元(2)、限幅与后放单元(3)、数据再生单元(4)、时钟提取单元(5)、光发送单元(6)、监控单元(7)以及内部监控接口(8)和网管接口(9)，电转换单元(1)的输出经前置放大单元(2)连接到限幅与后放单元(3)的输入端，限幅与后放单元(3)的输出分别连接数据再生单元(4)和时钟提取单元(5)，数据再生单元(4)的输出经光发送单元(6)送入光信道，时钟提取单元(5)的输出返回到数据再生单元(4)，再经光发送单元(6)送入光信道，各功能单元通过内部监控接口(8)与监控单元(7)连接，监控单元(7)通过网管接口(9)和上级管理者连接，其特征在于数据再生单元(4)和时钟提取单元(5)构成比特率自适应信号重定时与再生功能模块，包括速率检测、多时钟产生和多等级CDR模块，速率检测模块接收从限幅与后放单元(3)来的输入信号，其输出由多时钟产生模块接收，多等级CDR模块接收输入信号和多时钟产生模块的时钟，并将再生后的数据送入光发送单元(6)。
2、如权利要求1所述城域弹性分组光纤环网用智能化光/电/光转发器，其特征在于其中的速率检测模块为采用脉冲宽度自相关技术实现的从10Mb/s到1.3Gb/s的频率检测器。
3、如权利要求1所述城域弹性分组光纤环网用智能化光/电/光转发器，其特征在于数据再生单元(4)采用商用化的时钟与数据再生芯片，内置一组实现各个频率段的时钟提取功能的锁相环电路，工作频率区间由时钟提取单元(5)和监控单元(7)设置，数据再生单元(4)的同步状态信息由监控单元(7)获得并据此调整时钟提取单元(5)，通过负反馈控制实现任意频率的时钟同步。
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