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研究了IP over WDM网络中IP业务流量的突发性对底层光脉冲传输的影响。突发的IP业务流量使WDM网络中传输信号的信道数目服从泊松分布,在非线性薛定谔方程(NLSE)的基础上进行IP流量分析,通过数值计算,考查了IP业务流量对四波混频(FWM)和交叉相位调制(XPM)的综合影响,得到了不同输入光功率、不同流量负荷下的眼图。结果表明,40信道的WDM网络中,当输入信号光功率大于5 dBm时,IP流量负荷的改变将会对网络性能产生剧烈的影响。同时,通过公式计算出FWM功率、比特误码率与输入光功率、流量负荷、信道间隔的关系,突出强调了不同信道分布对探测信道FWM效应的不同影响。
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书书书
第
37
卷
第
7
期
中
国
激
光
Vol.37
,
No.7
2010
年
7
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Jul
y
,
2010
文章编号:
02587025
(
2010
)
07177707
犐犘狅狏犲狉 犠犇犕
网络中动态
犐犘
流量对
非线性效应的影响
梅君瑶
1
何
舟
1
,
2
王传彪
1
李
蔚
1
1
华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北 武汉
430074
2
武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室(筹),湖北 武汉
( )
430074
摘要
研究了
IPoverWDM
网络中
IP
业务流量的突发性对底层光脉冲传输的影响。突发的
IP
业务流量使
WDM
网络中传输信号的信道数目服从泊松分布,在非线 性 薛 定 谔 方 程(
NLSE
)的 基 础 上 进 行
IP
流 量 分 析,通 过 数 值 计
算,考查了
IP
业务流量对四波混频(
FWM
)和交叉相位调制(
XPM
)的综合影响,得到了 不 同输 入 光功 率、不同 流 量
负荷下的眼图。结果表明,
40
信道的
WDM
网络中,当输入信号光功率大于
5dBm
时,
IP
流量负荷的 改 变将 会 对网
络性能产生剧烈的影响。同时,通过公式计 算 出
FWM
功 率、比 特 误 码 率 与 输 入 光 功 率、流 量 负 荷、信道 间 隔 的 关
系,突出强调了不同信道分布对探测信道
FWM
效应的不同影响。
关键词
IPoverWDM
网络;
IP
业务流量;四波混频噪声功率;交叉相位调制;眼图
中图分类号
O437
;
TN915
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
CJL20103707.1777
犐狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犇
狔
狀犪犿犻犮犐犘犜狉犪犳犳犻犮狅狀狋犺犲犆狅犿犫犻狀犲犱犖狅狀犾犻狀犲犪狉犈犳犳犲犮狋狊
犻狀犐犘狅狏犲狉 犠犇犕 犖犲狋狑狅狉犽狊
犕犲犻犑狌狀
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犪狅
1
犎犲犣犺狅狌
1
,
2
犠犪狀
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犆犺狌犪狀犫犻犪狅
1
犔犻犠犲犻
1
1
犠狌犺犪狀犖犪狋犻狅狀犪犾犔犪犫狅狉犪狋狅狉
狔犳
狅狉犗
狆
狋狅犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊
,
犎狌犪狕犺狅狀
犵
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狔
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,
犠狌犺犪狀
,
犎狌犫犲犻
430074
,
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2
犛狋犪狋犲犓犲
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犔犪犫狅狉犪狋狅狉
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犳
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狋犻犮犪犾犆狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀犜犲犮犺狀狅犾狅
犵
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,
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犳
犘狅狊狋狊犪狀犱犜犲犾犲犮狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀狊
,
犠狌犺犪狀
,
犎狌犫犲犻
430074
,
烄
烆
烌
烎
犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋
犜犺犲犻狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犐犘犫狌狉狊狋
狔
狋狉犪犳犳犻犮狅狀犮狅犿犫犻狀犲犱狀狅狀犾犻狀犲犪狉犲犳犳犲犮狋狊狅犳犮狉狅狊狊
狆
犺犪狊犲犿狅犱狌犾犪狋犻狅狀
(
犡犘犕
)
犪狀犱
犳狅狌狉狑犪狏犲犿犻狓犻狀
犵
(
犉犠犕
)
犻狀犐犘狅狏犲狉 犠犇犕 狀犲狋狑狅狉犽狊犻狊犻狀狏犲狊狋犻
犵
犪狋犲犱犫
狔
犪狀犪犾
狔
狕犻狀
犵
狋犺犲犘狅犻狊狊狅狀犱犻狊狋狉犻犫狌狋犲犱犐犘狋狉犪犳犳犻犮
犫犪狊犲犱狅狀狋犺犲 狀狅狀犾犻狀犲犪狉犛犮犺狉犱犻狀
犵
犲狉犲
狇
狌犪狋犻狅狀
(
犖犔犛犈
)
.犜犪犽犲狀 犮狅犿犫犻狀犲犱 狀狅狀犾犻狀犲犪狉犲犳犳犲犮狋狊犻狀狋狅犪犮犮狅狌狀狋
,
犪狋狋犺犲
狉犲犮犲犻狏犲狉
,
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犲
狔
犲犱犻犪
犵
狉犪犿狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻狀
狆
狌狋犾犻
犵
犺狋
狆
狅狑犲狉狊犪狀犱犱犻犳犳犲狉犲狀狋犐犘狋狉犪犳犳犻犮犾狅犪犱狊犪狉犲狅犫狋犪犻狀犲犱.犉狉狅犿狋犺犲
狀狌犿犲狉犻犮犪犾犮犪犾犮狌犾犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊
,
狑犺犲狀狋犺犲犻狀
狆
狌狋犾犻
犵
犺狋
狆
狅狑犲狉
狆
犲狉犮犺犪狀狀犲犾犻狊犫犻
犵犵
犲狉狋犺犪狀5犱犅犿 狑犻狋犺40犮犺犪狀狀犲犾狊狅犳犠犇犕
狀犲狋狑狅狉犽狊
,
狋犺犲犲犳犳犲犮狋狅犳犐犘犫狌狉狊狋
狔
狋狉犪犳犳犻犮狑犻犾犾犱犻狊狋狅狉狋犲
狔
犲犱犻犪
犵
狉犪犿狊犱狉犪狊狋犻犮犪犾犾
狔
.犉狌狉狋犺犲狉犿狅狉犲狑犲犳犻
犵
狌狉犲狅狌狋狋犺犲犉犠犕
狆
狅狑犲狉狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犐犘狋狉犪犳犳犻犮犾狅犪犱狊
,
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻狀
狆
狌狋犾犻
犵
犺狋
狆
狅狑犲狉狊犪狀犱犳狉犲
狇
狌犲狀犮
狔
狊
狆
犪犮犻狀
犵
狊.犉犠犕
狆
狅狑犲狉狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狑犪狏犲犾犲狀
犵
狋犺狊犲狋狋犻狀
犵
狊犻狊犲狊
狆
犲犮犻犪犾犾
狔
犲犿
狆
犺犪狊犻狕犲犱.犉狉狅犿狋犺犲犉犠犕
狆
狅狑犲狉犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀
,
狑犲犮狅狌犾犱
狇
狌犪狀狋犻狋犪狋犻狏犲犾
狔
犪狀犪犾
狔
狕犲
狑犺犻犮犺犮犺犪狀狀犲犾狊犮狉狅狊狊狋犺犲
狆
狉狅犫犲犮犺犪狀狀犲犾狊犲狉犻狅狌狊犾
狔
狋犺狉狅狌
犵
犺犉犠犕犲犳犳犲犮狋.
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
犐犘 狅狏犲狉 犠犇犕 狀犲狋狑狅狉犽狊
;
犐犘狋狉犪犳犳犻犮
;
犳狅狌狉狑犪狏犲 犿犻狓犻狀
犵
狀狅犻狊犲
狆
狅狑犲狉
;
犮狉狅狊狊
狆
犺犪狊犲 犿狅犱狌犾犪狋犻狅狀
;
犲
狔
犲
犱犻犪
犵
狉犪犿狊
收稿日期:
20091214
;收到修改稿日期:
20100131
基金项目:国家自然科学基金(
60772013
)和国家
973
计划(
2010CB328300
,
2010CB328305
)资助课题。
作者简介:梅君瑶(
1987
—),女,硕士研究生,主要从事光传输网络技术等方面的研究。
Email
:
j
un
y
aomei
@
g
mail.com
导师简介:李
蔚(
1968
—),女,博士,教授,博士生导师,主要从事光纤通信技术和器件等方面的研究。
Email
:
weilee
@
hust.edu.cn
(通信联系人)
1
引
言
不断涌现出的新的视频通信应用等使
Internet
网络的流量每
4
~
6
个月就要翻一番,从而使网络带
宽面临 着 极 大 的 挑 战
[
1
]
。 同 时,波 分 复 用 (
WDM
)
中
国
激
光
37
卷
技术发展十分迅猛,单 波长传 输 速率商 用 已经达 到
40Gbit
/
s
,
100Gbit
/
s
已在试验中,复 用 波 长 数 已 突
破
256
个
[
2
]
。
IP
数 据 业 务 对 带 宽 的 巨 大 需 求 和
WDM
系统 对 带 宽 的 巨 大 供 给 促 成 了
IP
网 络 与
WDM
光 网 络 的 结 合。 因 此,如 何 将
IP
网 络 与
WDM
光网 络 有效地 结 合起来,以及 如 何有效 地 控
制该网络已成为当前研究的热点
[
3
]
。
IPoverWDM
网络需要解决
IP
层与
WDM
层
间的适配和传输链 路 管理问 题,并进 一 步解决 如 何
保证网络可靠性和服务质量(
QoS
)的问题。 由于光
网络物理结构的特殊性,比如传输光纤上的色散、非
线性等导致的信号传输损伤以及对链路上传输流量
的限制,使得作为网 络 管理与 控 制关键 技 术的节 点
管理技术在进 行路由 与 波长分 配 (
RWA
)时必 须 考
虑物理层的特性,以保证网络的可靠性与服务质量。
一般来讲,一旦网络的物理结构固定下来,网络的性
能也随之确 定,每 条 链 路 的 性 能 可 通 过 测 量 获 得。
实际上现有的网络 中由于 动 态网络 业 务的随 机 性、
信道负载的 不 确 定 性 使 光 纤 中 传 输 的 波 长 信 道 数
量
、功率等随着业务流量随机变化,从而通过改变光
纤的非线性效应如 四波混 频 (
FWM
)和交 叉 相位调
制(
XPM
)等 影响 物理 层的 传输。 这 样 导 致 底 层 物
理传输性能 不 但 依 赖 于 物 理 链 路,还 与
IP
负 载 有
关。如果能够事先在节点处考虑
IP
业务流量的影
响,利用数值仿真的 方 法对光 信 号在不 同 的网络 链
路中的传输情况进 行 数值计 算,最后 对 物理层 的 传
输特性进行评估,这 样 就可以 实 现对候 选 光路进 行
传输损伤的评估
,提高网络的整体性能。
文献[
4
]分析了基 于 通用多 协 议标签 交 换协议
(
GMPLS
)的密集 波分复 用 (
DWDM
)网 络中,
IP
业
务流量对物理层的受激 拉 曼散射(
SRS
)和
XPM
的
影响;文献[
5
]则研究了
WDM
环形网络中,
IP
业务
流量通过
FWM
效应和
SRS
对网络性能的影响;还
有一些论文 就
IP
流 量 对 网 络 性 能,如 比 特 误 码 率
(
BER
)
[
6
,
7
]
和
FWM
功率 随 时间的 分布
[
7
]
给 出 了 详
细的分析和数学 表达式。 到 目 前为止,大 部分研 究
工作都是单独考虑
IP
业务 流 量通过 某 一项非 线 性
效应对网络性能的影响。但 在
IPover WDM
网络
中,需要得出的 是物理 层———光路 综 合传输 损伤 的
评估,从而优化
RWA
算 法,提 高网 络的 整体 性能。
本文从光纤非线性效应中的
FWM
出发,研究
IP
业
务流量基于此对底 层 物理传 输 的影响,突 出了不 同
信道分 布 对 探 测 信 道 的 影 响 不 一 样
,从 而 为 优 化
RWA
算 法 提 供 参 考;并 进 一 步 研 究 了 在
XPM
和
FWM
的同时作用 下,
IP
业务 流 量对网 络 性能 的综
合影响,通过数值计算,得 到了定 性 定量的 结 果,完
成了光路综合传输损伤的评估。
2
IP
业务流量对
FWM
的影响
2.1
犉犠犕
引起的
犠犇犕
系统中的信道间串扰
当两个或三个频率间隔比较小的光波
犳
犻
,
犳
犼
和
犳
犽
注入光纤时,由于光纤的三阶非线性电极化率的
相互作用,就会 产 生 频 率 为
犳
FWM
=
犳
犻
+
犳
犼
-
犳
犽
的
新光频分量,所产生的新光波的光功率为
[
8
]
犘
FWM
(
犳
犻
,
犳
犼
,
犳
犽
)
=
1024
π
6
狀
4
λ
2
犮
2
犱
2
χ
2
犘
犻
犘
犼
犘
犽
犃
2
e
ff
×
ex
p
(
-
α
犔
)
[
1
-
ex
p
(
-
α
犔
)]
2
α
2
η
, (
1
)
式中
λ
为工作中心波长,
犮
为光速,
狀
为光纤有效折射
率;
犘
犻
,
犘
犼
,
犘
犽
分别 代 表 频 率 为
犳
犻
,
犳
犼
和
犳
犽
的 光 功
率;
犱
表示
FWM
的简并参数(当
犻
=
犼
时,
犱
=
3
;当
犻
≠
犼
时,
犱
=
6
);
α
为光纤损耗系数,
犔
为光纤长度,
犃
eff
为光纤有效面积;
χ
为三阶非线性极化率;而
η
为
FWM
效率,可表示为
[
8
]
η
=
α
2
α
2
+
(
Δ
β
)
2
1
+
4ex
p
(
-
α
犔
)
sin
2
(
Δ
β
犔
/
2
)
[
1
-
ex
p
(
-
α
犔
)]
{ }
2
,
(
2
)
式中相位匹配因子
Δ
β
可表示为
[
8
]
Δ
β
=
2
π
λ
2
犮
犳
犻
-
犳
犽
犳
犼
-
犳
犽
×
犇
+
d
犇
d
λ
λ
2
2
( )
犮
2
(
犳
犻
-
犳
犽
+
犳
犼
-
犳
犽
[ ]
)
,
(
3
)
式中
犇
为光纤的色散系数。(
2
),(
3
)式体现了
FWM
效应随着信 道 间 隔
Δ
犳
和 色 散 参 数
犇
的 增 加 而 减
弱,这是由于增大信 道 间隔和 色 散参数 提 高了信 道
之间的相位失配率。
在
WDM
系统中,由于多个信道同时存在,将会
存在多个信道组合满足条件
犳
FWM
=
犳
犻
+
犳
犼
-
犳
犽
,此
时在
犳
FWM
处产生的
FWM
总功率为
犘
tot
(
犳
FWM
)
=
∑
犳
犽
=
犳
犻
+
犳
犼
-
犳
犿
∑
犳
犼
∑
犳
犻
犘
FWM
(
犳
犻
,
犳
犼
,
犳
犽
)
.
(
4
)
在接收 端,
FWM
噪 声 是 和 光 信 号 一 起 被 探 测
的。强度调制
直接检测(
IMDD
)系统中,接收端的
FWM
噪声功率可表示为
[
9
]
犖
FWM
=
2
犫
2
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FWM
8
, (
5
)
式中
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s
为接收端信号光的光功 率,
犫
为光电探测器
8771
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