高速光传输调制编码技术及网元互通的实现

论文摘要

近年来高速增长的IP业务,给传送网带来了更多的需求压力。传送网朝着高速率大容量的方向不断发展。单波长40Gb/s的DWDM传输系统已经应用到国内外运营商的骨干线路中。随着100Gb/s传输技术的发展,主流运营商开始进行100Gb/s单速率以及多速率混传的现网实验。2010年IEEE、ITU-T、IETF、OIF等组织相继进行了100Gb/s传输的标准化。随着40Gb/s的商用化以及100Gb/s的“可商用化”,业界开始研究单波400Gb/s传输技术。单波长传输速率的不断提高得益于新型调制格式的采用,由强度调制到相位调制再到偏振复用以及正交调制等。其中差分正交相移键控（DQPSK）、正交幅度调制（如16-QAM）以其较好的光谱效率、抗损伤性能等受到了业界的青睐。“智能化”是传送网发展的另一个方向。为了更好的支持大颗粒数据业务,结合通用控制平面技术（GMPLS）、可重构光分插复用（ROADM）以及电域交叉连接的光传送网（OTN）正在逐渐取代传统的以DWDM承载SDH的光传输网络。目前多厂家的光传输网元往往采用不同的网管协议或标准,因此出现了网元线路侧互连多采用下路到业务层连接、网元管理层不能互通的现状。该现状一定程度上影响了整个传送网的智能化以及健壮性。本论文以国家863“高速光纤通信传输系统中信号损伤动态结合的光电均衡技术”等项目为依托,重点研究了以下三个问题：①光监控信道（OSC）智能适配；②DQPSK调制预编码实现；③16-QAM调制实现。具体创新与工作如下：1、提出并实现了一套通用的DWDM系统光监控信道（OSC）数据记录、识别、解析与适配方案,作为主研人参与了该方案的系统结构设计、硬件设计、软件设计以及系统实验。经过对某厂家DWDM网元OSC的成功解析与智能适配,验证该方案行之有效,并且具有对多厂家DWDM设备智能适配的通用性。该工作对高速光传输网元的应急抢通以及互连互通具有较大的应用价值。2、研究了DQPSK预编码的实现技术,提出将两种新结构的并行预前缀网络算法（PPN）应用于高速DQPSK预编码中。设计并实现了电域多速率DQPSK预编码（20Gb/s、5Gb/s以及4Mb/s）。具体实现时采用了基于Xilinx Virtex 5 FPGA创新的并行流水线思想,突破了传统串行预编码时的电路瓶颈,采用低速计算时钟（78MHz）实现了高速DQPSK预编码（20Gb/s）。多速率预编码的电路仿真与硬件实现,验证了该算法与实现思想的可行性和通用性。该算法可应用于40Gb/s、100Gb/s以及更高速率的DQPSK预编码,具有较大的应用价值。3、研究了高速光发射机中关键光电子器件的工作原理,从复平面域星座图的角度对它们进行了分析,探索了相应器件的星座点缩放、旋转、正交叠加、搬移叠加等操作规律。该研究增进了光电子器件与星座图实现之间的联系,有助于高速光传输系统高级调制的分析与实现研究。4、提出了首先解析星座图为进化路线,然后结合光电子器件星座图操作规律以实现高级调制方案的研究方法。基于此提出了16-QAM星形星座图的三种进化路线及其三种实现方案、方形16-QAM星座图的五种进化路线及其六种实现方案。通过数值仿真实现了448Gb/s方形16-QAM发射机的六种实现方案,然后从眼图的角度分析了不同实现方案的光信号时域特征,最后比较了不同方案的实现复杂度。该研究对于448Gb/s 16-QAM发射机以及更高级调制系统的实现具有较强的实用价值。5、研究了QAM发射机具体实现时的象限模糊问题,提出了基于并行预前缀算法的448Gb/s PM-16QAM发射机的差分象限编码方案,该方案具有较强的通用性和可移植性。该研究具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 全文用图目录
• 全文用表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 基于DWDM的OTN线路侧互连
• 1.1.2 基于DWDM的OTN光监控信道互通
• 1.1.3 40G系统商用化
• 1.1.4 100G传输标准化
• 1.1.5 400G研究方兴未艾
• 1.2 本人博士期间完成的工作
• 1.3 论文的主要内容及结构安排
• 参考文献
• 第二章 DWDM系统光监控信道数据记录与识别
• 2.1 高速光传输网元互通性理论研究
• 2.1.1 SDH网元监控功能的实现
• 2.1.2 WDM网元监控功能的实现
• 2.1.3 OTN网元监控功能的实现
• 2.1.4 网元互通性实现
• 2.2 WDM网元OSC信道的实现研究
• 2.2.1 光监控信道位置
• 2.2.2 光监控信道的帧结构研究
• 2.2.3 光监控信道传输协议研究
• 2.2.4 光监控信道的勤务相关研究
• 2.3 DWDM网元OSC数据记录与信道识别
• 2.3.1 OSC信道数据记录的需求分析
• 2.3.2 OSC信道数据记录方案的实现
• 2.3.3 光监控信道识别
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 DWDM网络光监控信道智能适配的实现
• 3.1 OSC信道中勤务通道解析与适配
• 3.1.1 勤务通道的解析
• 3.1.2 勤务通道的适配
• 3.2 OSC信道中网管通道解析与适配
• 3.2.1 OSC信道中网管数据的封装协议解析
• 3.2.2 网管通道智能适配软件的设计与实现
• 3.3 OSC智能适配样机的研制及实验
• 3.3.1 OSC智能适配样机研制
• 3.3.2 OSC智能适配实验
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 40G PM-DQPSK发射机调制编码技术研究
• 4.1 DQPSK调制系统
• 4.1.1 DQPSK调制介绍
• 4.1.2 DQPSK预编码原理与实现研究
• 4.2 高速并行预前缀网络算法研究
• 4.2.1 并行预前缀网络算法计算原理研究
• 4.2.2 并行预前缀网络算法的DQPSK预编码应用
• 4.3 基于并行预前缀算法高速DQPSK预编码的实现
• 4.3.1 40G PM-DQPSK发射机方案设计
• 4.3.2 数据流比特关系研究
• 4.3.3 基于PPN算法的DQPSK预编码仿真与实验
• 4.4 偏振控制与复用解复用技术研究
• 4.4.1 偏振控制技术研究
• 4.4.2 偏振复用解复用技术研究
• 4.4.3 PM-DQPSK接收方案研究
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 400G PM-16QAM发射机实现方案研究
• 5.1 高速发射机关键器件研究
• 5.1.1 光相位调制器原理及应用研究
• 5.1.2 马赫增德调制器原理及应用研究
• 5.1.3 耦合器与2×4 90°混合器研究
• 5.2 16-QAM发射机的星座图设计与实现研究
• 5.2.1 16-QAM星形星座图方案设计
• 5.2.2 16-QAM方形星座图方案设计
• 5.2.3 本节小结
• 5.3 400G发射机的实现仿真研究
• 5.3.1 方形星座图发射机总体设计
• 5.3.2 方形星座图16-QAM实现方案的仿真
• 5.3.3 匹配问题的研究
• 5.4 QAM调制差分象限编码
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 论文不足与展望
• 缩略语
• 作者攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢