07年08月JLT光通讯论文评析

9/4/2007，作者 浙江大学 宋军博士
无源光网络（PON）： 
    通常的WDM-PON中，通讯只发生在OLT和ONU之间，而各ONU之间的信息传输一般要经过OLT中转，即向OLT上载信息，再由OLT将信息下载至某个目标ONU。显然这样既浪费了带宽和网络资源，也造成了信息传输的时滞。一个改进方案是是实现各ONU之间的信息互通，即ONU之间可以直接通讯，避开OLT的中转。本期香港大学的研究者报导了其关于ONU信息互通网络的研究。作者的研究涉及两种主要拓扑结构，一是广播式互通，即所有ONU之间都可以互通信息。二是虚拟专用组（VPG）互通。后者更接近实际应用情况，因为大多数情况，我们只需要某些ONU之间互相通讯，这样就把这些有通讯需求的ONU定义为一个VPG，信息互通只发生在VPG之内。在每个ONU内部，都有一块电子数据处理芯片，并有RF信号的调谐发射和接收模块，依靠特定频率的RF信号作为所属VPG的识别和接入控制，进而完成信息互通的调配。由于RF发射探测频率都是可调的，因此网络具有一定的可重构性。现以广播式拓扑说明作者建议的互通网内部连线方式，因为广播式结构其实就可以看作只有一个大VPG的网络，有几个VPG只是相应的扩展。其实现互通的关键元件是远程节点（RN）的2N×2N的AWG（a）和各ONU的再调制模块。而在OLT，使用N个收发机与N个ONU相对应，使用奇数波长作为下载用，偶数作为上载用。这些波长在OLT被一个1×2N的AWG（b）复用和解复用，而在RN的AWG（a）与其有着相同的自由光谱范围。AWG (a) 第一个输入端口与网络光纤总线相连。而每个ONU连接两个相邻AWG（a）输出端口，分别用于信息上载和下载。之后为了实现互通功能，在RN还使用了一个1×（N-1）的星型耦合器，其输入与AWG（a）的第二个输入端口相连，而输出端口则从AWG（a）第四个输入端口开始，分别与相应2k个输入端口相连。作者建议系统使用DPSK格式做信息下载传输，这样在各ONU可以直接对载波再进行强度再调制。

    此外，鉴于在光网络里，通常的波长路由和分配算法，如标准拉格朗日驰豫法不能解决多次接入问题，因此实用常遇到问题。本期清华大学的研究者建议了一种新的算法，能够高效应对源与目标节点多重接入的要求，且算法复杂度仅随问题规模呈线性变化。

光码分多址接入（OCDMA）： 
    OCDMA系统受到关注的重要原因之一在于他的保密性。然而05年Shake研究指出OCDMA仍面临较大的被窃听几率。因此就OCDMA应用有不同的防窃听研究被陆续报导，常见的如增加编码空间尺寸（即增加编码复杂性）、降低用户收发机功率、对不同发射机变频编码等。本期台湾成功大学的研究者对此做了研究。作者主要基于谱强度编码（SAC）的OCDMA系统，使用具有环形谱响应的AWG做路由器，并结合最大长度序列（M-序列）算法来完成跳频扩时或谱相位编码操作以防止窃听。该AWG路由器被所有用户共享，并完成信号编解码操作，它被放置在网络一特定位置，这易于管理，提高了安全性。此外，作者还利用电子移位寄存器来交替驱动一系列1×2的光开关，根据当前码的矩阵分配列表来决定各自的导通状态，以此来让编解码操作具有可重构性，进一步预防了窃听的发生。

    法国的研究者建议将面向OCDMA技术的谱相位编码技术推广至WDM系统中，在不增加系统复杂性的前提下增强传输的安全性，即实现透明式加密传输。此外作者系统里还增加了时间-频率相位滤波模块，以便为信息接入提供一个准入门槛，显然对窃听者这增加了一些不确定性。作者系统里滤波复杂性是可选择的，对应的自然是不同的安全等级。当然系统的安全性升级必然也会影响透明性加密的初衷，这需要按照实际需求在两者间做权衡。

    台湾中央大学的研究者则面向OCDMA应用，提出了一种同步的波长对时间编码技术。其编码主要基于沃尔什编码来实现扩时。而沃尔什编码本身就是面向CDMA技术而提出的重要编码方式，以优质自相关器的性能和劣质的交叉相关性能而著称。这里作者在实现严格同步传输下，能够使用沃尔什编码获得接近零的交叉相关系数，并维持很高的集中势，因此作者认为现在的系统用于下行传输相比基于Barker编码的异步系统来说具有更加优越的综合性能。最后作者暗示，如将OCDMA技术用于PON组网，选择基于沃尔什编码的同步下载传输，和基于Barker编码的异步上载传输将是最优的选择之一。

    为了提高OCDMA系统的QoS要求，很多研究已被广泛开展，归纳来看主要分两类，一类是改进码型，以改进自相关和交叉相关性能。另一类是进行系统参数优化，也就是通过某种算法来在一定QoS需求下获得最佳的发射功率和传输速率。本期加拿大的一项研究可归为后者。作者主要利用了约束性凸二次规划算法，证明在多比特率传输下，并不存在全局最优结果，只能根据特定的QoS要求，在某些输入激光强度局域最佳值间作出选择。

    Purdue大学的研究者则主要研究了对谱相位编码OCDMA系统，当存在非线性时对接收探测带来的影响。这里作者主要考察了二次谐波（SHG）和自相位调制（SPM）两种非线性效应。作者证明使用M-序列编码的系统比使用随机序列编码的系统对两种非线性效应有更好的抵御力。事实上，由于光电二级管响应速度的限制，对谱相位编码的OCDMA系统，在接收端引入一定的非线性对探测是有利的。因为这些非线性效应能够提供一个域值判断功能，以区分待解调的短脉冲信号和低强度干扰信号。这里作者证明基于SPM的接收器做域值判断效果要好于基于SHG的接收器，但却会产生更大的功耗。

光交换： 
    光突发模式交换（OBS）是解决光网络面临突发数据包接入时，如何快速路由信息的技术。对OBS的顺利开展，需要解决两个关键问题，一是通道调度问题，即对突发信号要尽可能高效的分配可利用波长资源；二是调度速度问题，也就是尽可能的让调度时间跟得上突发信号接入的速度。举个例子，对总共64波长，单通道调制速率10Gb/s的WDM网，使用OBS路由器有16个端口，如果突发数据包大小平均为100kb的话，那我们需要每78ns应对一次突发数据。本期Houston大学的研究者对OBS调度算法做了总结回顾，作者指出最常用的水平调度算法调度速度较快，但难以在突发数据包到达之前分配好空间，即通道利用率差。而Min-SV算法是目前通道利用最好的算法，但调度速度很慢，因为算法需要占用相当大的内存。显然对上面提到的两个关键问题，目前的OBS调度算法，都只能满足某一方面的要求。之后作者对水平调度算法做了改进，容易理解，所谓改进就是在现有两种方法之间做个折衷，对突发信号并不是立即做波长分配，而是提取其头信号（BHC）进入缓存器进行再排序，并在缓存器里缓冲固定时间Δ，当当前时间与突发信号开始时间的差小于或等于Δ时，再使用水平调度器选择一可获得波长路由突发信息。

    当前光交换有光路交换（OCS）、光分组交换（OPS）和OBS三种主要技术。OBS被认为是最灵活，能满足较高QoS要求的交换技术，但该技术目前还处于研究阶段。本期西班牙的研究者则基于马德里的一些实用网络对OCS和OPS的应用效果做了比较。作者证明对城域接入，得益于其高度中心化的调度管理，OCS可以做的比OBS更加高效。而对一些具有分布式结构的网络，如城域核心网，则使用OBS效果会更好，换句话说OBS应该被用在具有分布式结构且动态性强的网络系统中。

    此外上交大的研究者对面向OPS应用的光纤延时技术提供了一种可量化的延时缓冲模型，能良好用于分析单波长光纤延时线缓冲器的性能。

信号损伤： 
    北京邮电大学的研究者就160Gb/s的高速网使用光位相共轭（OPC）技术消除色散的效果做了研究。作者证明对这样的高速网，单依靠OPC已无法完全消除非线性的影响。必须结合其它的色散管理措施。作者对一些色散管理方案的应用效果做了比较，证明对G.655光纤，使用梯度色散图谱能保障最佳的传输。

    Stanford大学的研究者在一个偏振复用光通讯网络里，对电子色散补偿消除色散和PMD的效果做了研究，作者证明在使用足够数量的均衡器，保障过采样率达到3/2后，利用电子补偿能有效消除色散和PMD的影响，且由于信号消减和噪声提高之间存在一种类混沌效应，此时增加传输长度并不会恶化补偿效果。