摘要 光标记交换技术是近几年国外光交换技术研究的热点，光标记交换的关键技术主要集中在光标记的产生、提取和识别等方面。着眼于以广义多标记交换（GMPLS）为基础的光标记交换，对一种新的基于正交调制FSK/ASK光标记交换技术进行了研究，分析了基本原理并在此基础上建立了一套系统理论模型，最后对系统模型进行了仿真。
当美国最大的电话运营商AT&T宣称只有将光缆接到主要街道（FTTC），然后用已存在的铜缆接入用户家才是风险较低的宽带发展方式时，2007年一季度，Verizon报告其新增864 000 FiOS（一种光纤到户（FTTH）的商业化应用技术）用户增长超过16%，用户已经突破100万。该公司已经开始提供50 Mbit/s的因特网连接，并正在尝试将其提高到100 Mbit/s。与此同时，在应用领域，以Youtube为代表的视频点播（VOD）服务已经在全球范围内开始风靡。毋庸质疑，宽带接入技术的成熟，加之高质量的服务内容的不断涌现将使通信网络中的IP数据传输量强劲增长。
现有传输网的波分复用技术（WDM）能有效解决人们对带宽的需求，但是单纯利用WDM技术没有从根本上克服网络节点的电子速率“瓶颈”，因为网络节点仍需要光/电、电/光的转换和电信号处理，交换速率受核心路由器背板速率和数量的限制，且结构复杂。从整个网络结构上看，高速传输速率与低速交换速率不能匹配，所以克服电子“瓶颈”的办法是避免在ATM和SDH层而直接在DWDM上进行IP数据的传输，即建设全光以太网（IP over DWDM）。
在此背景下，作为建设全光以太网的基础，光标记交换（OLS）技术是近几年国外光交换技术研究的热点，光标记交换的关键技术主要集中在光标记的产生、提取和识别等方面。文章着眼于以广义多标记交换（GMPLS）为基础的光标记交换，介绍一种结合FSK/ASK的正交调制的光标记技术。
1、基于正交调制FSK/ASK光标记交换技术的基本原理及实现方法
1.1 基本原理
所谓光标记，是指利用各种方法在光分组上打上标记，也就是把光分组的包头地址信号用各种方法打在光分组上，这样在交换节点上根据光标记来实现全光交换。基于这种原理来实现的光交换称为OLS。
光标记的产生和提取是光标记交换的核心技术。一般来讲，光调制有3种方式：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），目前光标记的产生大多数也从这三个方面入手。光标记信号一般是在Mbit/s量级上的低速率信号，而光分组的传输速率都在Gbit/s量级上，要把低速的标记信号加在高速的光分组信号上，可以根据不同的机制采用不同的方法。光标记的提取本质上就是把光标记从复用信号中分离出来。
文章介绍的基于正交调制FSK/ASK光标记交换技术的特点是标记信息和载荷信息在同一个光波上同时传输，标记信息以FSK方式正交的调制在以ASK方式调制的载荷信息上，如图1所示。它是一种面向连接的光交换技术。其核心思想是使用光标记建立数据在光网络中的传输路径。
图1 基于正交调制FSK/ASK标记交换定于的光包格式
在网络的入口边缘路由器处，去往某个出口边缘路由器的IP数据包被绑定一个标记信息来映射IP地址，从而确定一个标签交换路径，即某一个波长。这些路径的路由通过逐跳分配路由的方式获得。
在网络核心路由器处，IP数据包的转发是基于光分组的标记信息控制实现的。这个标记信息携带了光标签，用来控制建立标签交换路径，实现类似于多标记交换（MPLS）的分组转发。当光分组的标记信息在网络节点中被处理时，分组的载荷信息以光信号的形式被缓存，保证了数据在传送过程中始终保持在光域中。这样免除了沿路径复杂的路由处理，实现了路由与数据分组转发的分离，从而提高了数据交换速率。它的优势主要体现在基于标签转发的速度优势、支持QoS保证及支持流量工程等。
网络拓扑结构如图2所示，边缘路由器处于整个网络的边缘位置，作为网络的末梢；核心路由器处于网络交叉链接的位置，同时几个核心路由器可以组成一个核心网络。其中，边缘路由器对IP数据分组进行标记的生成和擦除的处理，在IP数据分组进入网络时，进行标记的生成；在IP数据包传出网络时，进行标记和净负荷的分离以及标记的擦除。核心路由器则以波长变换原理为基础对IP数据包进行路由以及转发的操作。
图2 基于正交调制FSK/ASK标记交换的网络结构拓扑图
1.2 边缘路由器的实现方法
边缘路由器基本功能是实现标记信息的生成。在边缘路由器处，如图3所示，IP数据包标记信息，驱动一个小的偏置电流直接调制激光器，利用激光器的啁啾来完成FSK标记信息（文章以155 Mbit/s的信号速率为例）的生成。载荷信息（文章以10 Gbit/s的信号速率为例）则通过马赫曾德调制器（MZM）采用外调制方法正交的调制到该载波上，从而实现在一个光波（文章以193.1 THz为例）上同时正交的调制标记信息和载荷信息。
图3 边缘路由器原理示意图
1.3 核心路由器的实现方法
核心路由器是系统的关键部分，其主要功能包括：载荷信息的缓存、标记信息的前向纠错控制、波长变换、信号的路由选择和同步等。
图4所示为其中一种实现方法。首先信号在核心路由器经过耦合器分成两路光信号，其中一路通过光电变换解调出FSK标记信息所携带的标签信号，标签信号经过路由表确定其下一跳的地址，并相应的翻译成新的标签信号。新的标签信号类似于边缘路由器中标记信息生成的原理直接调制一个激光器，此时的激光器是可调谐激光器，从而实现新的标签信号（电信号）转化为新的标记信息（光信号），根据新的标记信息也相应的确定了新的波长（文章以193.2 THz的为例代表新的波长）。此时另一路耦合器出来的光信号，经过光缓存和同步处理后，基于交叉相位调制原理与标记信息所确定的新的波长进行波长变换，最终经波长变换后，承载着正交调制的下一跳的标记信息和原先的载荷信息的新的波长信号产生了。
图4 核心路由器原理示意图
1.4 接收机部分的实现方法
接收机分为ASK载荷信息接收机和FSK标记信息接收机，ASK接收机实现的功能是载荷信息的解调，FSK接收机则实现标记信息的提取。FSK接收机模块不仅用于接收端，核心路由器和部分边缘路由器也会用到该模块。
图5显示了两个接收机的原理示意图，两个接收机的基本原理是一致的，均使用简单易行的直接探测手段（IM-DD）进行信号的解调。其中载荷信息在经过放大和滤波处理后变为载荷电信号；FSK标记信息，预留了足够的码频间隔，信号通过带通滤波器滤出其中一个码频，经过放大、滤波处理后变为标记电信号。
图5 接收机的原理示意图
两个接收机的根本不同点在于选用的带通滤波器的通带频率不同，ASK接收机接收的通带频率（文章以中心频率193.1或193.2 THz，通带频率20 GHz的为例）相对较宽，且以接收信号的中心频率为中心；FSK接收机的通带频率（文章以中心频率193.11或193.21 THz，通带频率10 GHz的为例）相对较窄，且以接收信号某一个频率峰值信号中心频率为中心。
接收机结构的不同是基于文章采用的这种标记交换技术决定的。载荷信息采用ASK方式调制至光波信号上，所以ASK接收机对信号的所有频谱分量敏感，故通带频率更宽；而标记信息采用FSK方式调制至光波信号上，所以FSK接收机对信号的部分频谱分量敏感，故通带频率相对较窄。
1.5 传输部分
传输部分主要功能是实现信号的传输。由于承载分组数据的为宽光谱的FSK信号，故必须采用色散补偿技术进行色散补偿，图6为采用色散补偿光纤（DCF）的传输方案。四部分构成了系统的主体。
图6 传输部分的原理示意图
2、系统的模拟验证
我们使用OptiSystem 3.0软件对如上所述的正交调制FSK/ASK光标记交换技术的收发系统进行了原理验证（包括边缘路由器、传输部分和接收机）。净负荷信号速率10 Gbit/s，采用223-1的伪随机数字序列；光标记信号155 Mbit/s，采用27-1的伪随机数字序列。图7是系统的验证示意图。
图7 基于正交调制FSK/ASK标记交换技术收发系统示意图
图8-1为采用FSK方式进行调制的标记信息的频谱图，图8-2为在前者的基础上采用ASK方式将载荷信息正交调制后的FSK/ASK光信号的频谱图，图8-3为ASK接收机的眼图，图8-4为FSK接收机的眼图。由所获得的眼图可见，这种基于正交调制FSK/ASK标记交换技术方法是完全可行的。
图8-1 FSK标记信息的频谱图
图8-2 基于正交调制FSK/ASK信号的频谱图
图8-3 ASK接收机的眼图
图8-4 FSK接收机的眼图
3、结论
基于正交调制FSK/ASK光标记交换技术方案不仅结构简单，实施方便，而且由于FSK及ASK信号实质上是在同一个光波长工作的信号，因此可以有效节约网络的波长资源。文章对基于这种技术的光标记交换原理进行了详细论述，并通过OptiSystem 3.0软件对其可行性进行了验证。结果表明，所提出的光标记交换技术是可行的。
