專利名稱：一種新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及其fpga實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型結(jié)構(gòu)的光通信網(wǎng)絡(luò)(稱光軌， light trails)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著數(shù)據(jù)類通信業(yè)務(wù)量的爆炸式增長，底層光通信網(wǎng)絡(luò)支持的業(yè)務(wù)類型 也發(fā)生了很大變化，從原來主要支持面向連接的聲音信息、到目前以支持?jǐn)?shù)據(jù)信息和突發(fā) 類數(shù)據(jù)信息為主。而近年來光纖傳輸技術(shù)、交換技術(shù)以及光電子器件技術(shù)的長足進(jìn)展，使得 單個光纖通信信道傳輸?shù)娜萘吭絹碓酱?、速率越來越高，由原來的單信?. 5Gb/s、到目前 的單信道20Gb/s，預(yù)計(jì)單信道40Gb/s亦可在不久的將來獲得商用。在這樣的情況下，如果 再延用波長路由光通信網(wǎng)絡(luò)中光路(light path)建立和釋放方式(即根據(jù)用戶的請求，為 該用戶建立一條專有光路，當(dāng)該用戶信息傳輸完畢后，即刻釋放該光路)，可能會浪費(fèi)大量 的容量資源，因?yàn)樵诖蟛糠智闆r下傳輸一個用戶信息所需要的容量要比一條光路的容量小 得多。鑒于此，2003年提出了可由多個用戶共享一條光路容量的光軌網(wǎng)絡(luò)。光軌網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了其他光網(wǎng)絡(luò)方案的優(yōu)點(diǎn)，利用當(dāng)前成熟的元器件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可 以提供比特和協(xié)議的透明性、多播、子波長調(diào)度等性能，并具有現(xiàn)有技術(shù)上的可實(shí)現(xiàn)性、建 設(shè)費(fèi)用較低，尤其是能夠適應(yīng)IP業(yè)務(wù)傳輸?shù)葍?yōu)勢。目前為止，人們對光軌的研究主要集中 于構(gòu)建光軌網(wǎng)絡(luò)時的各種優(yōu)化算法的研究，進(jìn)行光軌實(shí)驗(yàn)研究的報道很少?，F(xiàn)有技術(shù)中 *一禾中會各白勺■胃(Ashwin Gumaste and Imrich Chlamtac, Light-trails :an opticalsolution for IP transport, vol. 3，No. 5，pp261_281，2004)，其主要涉及一種光 軌網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框架設(shè)想、控制協(xié)議、光學(xué)特性、網(wǎng)絡(luò)性能分析和評估，其中提到光軌中每個 節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)和所使用的光學(xué)器件，但并沒有對節(jié)點(diǎn)功能如何實(shí)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)器件如何控制， 以及基于此的光軌網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法給出答案。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有光軌技術(shù)缺乏合理有效的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和FPGA實(shí)現(xiàn)方法的問題，本發(fā)明 中提出了一種技術(shù)簡單、成本低的新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及其FPGA實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一種新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其特征在于包括濾波/放大單元、交換單元、收發(fā) 單元、上/下路轉(zhuǎn)換單元、復(fù)用/解復(fù)用單元、控制單元，所述濾波/放大單元分別與交換單 元、控制單元連接，所述交換單元依次連接有復(fù)用/解復(fù)用單元、上/下路轉(zhuǎn)換單元、收發(fā)單 元；所述濾波/放大單元包括控制信號濾波器，所述控制信號濾波器包括下路濾波器 和上路濾波器，所述下路濾波器和上路濾波器均連接有光信號放大器，所述下路濾波器從 入口光纖的波分復(fù)用信號中濾出控制信號，將其通過光纖連接到控制單元；所述上路濾波 器負(fù)責(zé)將控制信號發(fā)送到下個節(jié)點(diǎn)；所述光信號放大器的作用是對經(jīng)過本節(jié)點(diǎn)的信號進(jìn)行放大，以補(bǔ)償光在傳輸過程中引入的損耗；所述交換單元包括一個上路耦合器，一個下路耦合器和一個阻波器，所述下路耦 合器的作用是將上一節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)墓庑盘柗殖鲆徊糠謧飨驈?fù)用/解復(fù)用器，其余部分繼續(xù)向 前傳播；所述上路耦合器負(fù)責(zé)將本地節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)波長耦合進(jìn)光纖，向下一個節(jié)點(diǎn)傳輸；所 述阻波器其功能是阻塞特定波長通過；所述復(fù)用/解復(fù)用單元是進(jìn)行波分復(fù)用信號的分路與合路模塊，來自上游節(jié)點(diǎn)的 波分復(fù)用信號經(jīng)解復(fù)用器分解為單一波長，然后分別送往不同的接收機(jī)；而來自本地節(jié)點(diǎn) 的不同波長數(shù)據(jù)信號需要在復(fù)用器合成一路信號后再通過上路耦合器進(jìn)入交換單元；所述上下路轉(zhuǎn)換單元包含2個光開關(guān)，其作用就是實(shí)現(xiàn)光軌不同方向傳輸?shù)墓饴?轉(zhuǎn)換；所述收發(fā)單元包括光軌節(jié)點(diǎn)用戶接口的普通光收發(fā)機(jī)、光軌節(jié)點(diǎn)中突發(fā)模式的光 收發(fā)機(jī)、管理模塊、存儲器；在本地節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送時隙后由突發(fā)模式光發(fā)送機(jī)發(fā)送本地節(jié)點(diǎn) 信息進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，或者將下路的突發(fā)信號轉(zhuǎn)化成電信號后，存入存儲介質(zhì)中，然后由普通光發(fā) 送機(jī)發(fā)送到用戶數(shù)據(jù)接口 ；所述管理模塊是對數(shù)據(jù)匯聚，打包、調(diào)度與隊(duì)列的管理等；所述 存儲器存儲待發(fā)送的數(shù)據(jù)；所述用戶接口單元，接收包括音頻、視頻、文件等各種格式的數(shù) 據(jù)信號，由普通光收發(fā)機(jī)發(fā)送，經(jīng)過處理后存儲到存儲器等待節(jié)點(diǎn)傳輸；所述控制單元是節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵，包括FPGA開發(fā)板、控制信號收發(fā)單元， 實(shí)施對節(jié)點(diǎn)器件及光軌網(wǎng)絡(luò)的控制；所述控制信號單元是負(fù)責(zé)發(fā)送與接收控制信號的單 元，控制信號在光軌的每個節(jié)點(diǎn)都被接收、處理，其攜帶了光軌網(wǎng)絡(luò)中的控制信息，利用相 關(guān)的信令協(xié)議在光軌網(wǎng)絡(luò)中配置建立新光軌和在已建立的光軌內(nèi)配置光連接。進(jìn)一步，所述控制信號收發(fā)單元主要由控制信號接收機(jī)、接口單元和發(fā)送機(jī)組成， 所述控制信號接收機(jī)接收處理來自其它節(jié)點(diǎn)的控制信號；所述發(fā)送機(jī)根據(jù)FPGA指令發(fā)送 不同的控制信號到其它節(jié)點(diǎn)；所述接口單元處理來自接收機(jī)的信號，并接收來自FPGA的數(shù) 字控制信號，對不同的命令做出響應(yīng)，然后由發(fā)送機(jī)發(fā)送出響應(yīng)信號。進(jìn)一步，所述FPGA開發(fā)板是控制的核心，包括器件控制系統(tǒng)、存儲介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)控 制系統(tǒng)，所述器件控制系統(tǒng)接收、處理、發(fā)送各種數(shù)字控制信息，并根據(jù)不同的光信息對節(jié) 點(diǎn)內(nèi)各個器件發(fā)出各種數(shù)字控制信號，使其做出相應(yīng)的配置；所述存儲介質(zhì)用于建立一個 本地通信數(shù)據(jù)庫，存儲各器件的狀態(tài)、光軌的使用信息、對光纖中傳輸?shù)墓庑盘栠M(jìn)行檢測， 并實(shí)現(xiàn)保護(hù)；所述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與器件控制系統(tǒng)之間相互通信，共享存儲介質(zhì)，接收光軌網(wǎng) 絡(luò)中的Global Broadcast Packet信息，并做出響應(yīng)，處理各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息，光軌的 使用申請，決定光軌網(wǎng)絡(luò)的使用權(quán)，存儲、更新光軌網(wǎng)絡(luò)中的各種信息，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，從 而可以實(shí)時查詢網(wǎng)絡(luò)中各光軌的使用狀態(tài)。本發(fā)明的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，是指FPGA在光軌及光連接建立過程中對節(jié)點(diǎn)中器件的 控制實(shí)施過程，所述器件是本節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的濾波器、突發(fā)模式的光收發(fā)機(jī)，光開關(guān)，控制信 號光收發(fā)機(jī)和SDRAM等器件；其控制實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)、從含有N個波長(1個是控制波長，N-1個是數(shù)據(jù)波長)的波分復(fù)用信道中分 離出控制波長，這個工作由下路濾波器完成，濾出的波長傳輸?shù)娇刂菩诺澜邮諜C(jī)，接收機(jī)對 接收的信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后對電信號進(jìn)行識別，分析其所攜帶的信息，然后由FPGA發(fā) 送指令到控制信號發(fā)送機(jī)發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答信號到下一節(jié)點(diǎn)，由下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理；
(2)、假設(shè)節(jié)點(diǎn)由控制信息得知波長入工是要建立光軌的波長，并且、所攜帶的信 息只需傳送到本節(jié)點(diǎn)而無需傳向下一節(jié)點(diǎn)，那么FPGA會告知阻波器阻塞、通過本地節(jié)點(diǎn) 繼續(xù)向下游節(jié)點(diǎn)傳輸，而其它未被阻塞的波長可以繼續(xù)傳輸；如果此時、波長傳送的信息 還需要傳送到下一節(jié)點(diǎn)，則FPGA告知阻波器允許其通過；(3)、如果此時數(shù)據(jù)信道中傳輸?shù)男盘栔校衆(zhòng) :波長信號需要在本地下路，那么此 時FPGA告知突發(fā)模式接收機(jī)接收來自下路耦合器的信號，然后將光開關(guān)置為下路狀態(tài)，再 將突發(fā)模式接收機(jī)接收的信號在數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化等操作，之后將其轉(zhuǎn)存至存儲 介質(zhì)；如果此時，本地節(jié)點(diǎn)有信息需要傳送到下游節(jié)點(diǎn)，而且本地節(jié)點(diǎn)獲得了下一個傳輸時 隙，那么，F(xiàn)PGA通知突發(fā)模式發(fā)送機(jī)將存儲在存儲介質(zhì)中的信息發(fā)送到上路耦合器，之后上 路至光纖鏈路，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。所述節(jié)點(diǎn)功能仿真驗(yàn)證是指為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的性能所進(jìn)行的軟件模擬。本發(fā) 明采用專用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真軟件VPItransmission Maker OpticalSystem對關(guān)系到所設(shè)計(jì) 節(jié)點(diǎn)性能的兩個重要參數(shù)誤碼率(BER，Bit errorrate)和線性Q因子進(jìn)行了仿真，觀察了 接收機(jī)所接收信號的眼圖。其中誤碼率是指數(shù)字信號碼元在傳輸過程中出現(xiàn)差錯的概率， 是衡量光接收機(jī)性能的主要指標(biāo)，也是度量所接收光信號質(zhì)量的重要參數(shù)。線性Q因子是 判決電平電信號與噪聲的比值，它是一個電信號信噪比的概念。這種檢測到的電信噪比最 終決定了物理層系統(tǒng)的誤碼率。通過對誤碼率和線性Q因子的仿真可以定量的了解節(jié)點(diǎn)性 能，也可以通過光接收機(jī)眼圖觀察定性地了解所接收信號的碼間干擾等信息。所述FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)是一種嵌入式開發(fā)器件，本發(fā)明中采用XILINX公 司生產(chǎn)的高端產(chǎn)品Virtex-5系列芯片實(shí)現(xiàn)對光軌節(jié)點(diǎn)的控制。XILINX Virtex-5開發(fā)板的主要性能特點(diǎn)有1.主芯片V5_LX110T，主要參數(shù)如下>系統(tǒng)時鐘 550MHz>嵌入式PowerPC440處理器模塊> 4 路 Tri-mode Ethernet MAC，其中一路連接板上 Gbit PHY> 5328Kbits Block RAM> 16 個 Rocket 1/0 Transceivers2.板上集成 256Mbyte DDR SDRAM3.板上集成非易失性存儲器(Non-volatile Platform Flash)4.支持USB JTAG程序下載及CF卡程序下載5.板上集成10/100/1000M以太網(wǎng)接口6.板上集成 Mictor Trace, BDM 及 Soft Touch Ports 調(diào)試接口7.板上集成GTP時鐘同步控制芯片8. Rocket 1/0 Transceivers 接口> 2 路 SATA 接 口> SMA 接口> SFP(Small Form Factor Pluggable)接口>PCI Express (PCIe) Edge 接口所述FPGA資源在發(fā)明中的應(yīng)用說明系統(tǒng)時鐘為系統(tǒng)運(yùn)行提供精確時間。PowerPC440是嵌入式處理器，其所實(shí)現(xiàn)的功能相當(dāng)于CPU，調(diào)度FPGA中的一切資源。FLASH是 開發(fā)板上程序存儲單元，所有FPGA控制程序只有下載到FLASH中才能實(shí)現(xiàn)。板上集成 10/100/1000M以太網(wǎng)接口是FPGA與以太網(wǎng)的連接口，來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過此接口存儲 到存儲介質(zhì)中。Rocket I/O Transceivers是光收發(fā)機(jī)與FPGA的連接口，負(fù)責(zé)將存儲介質(zhì) 中的數(shù)據(jù)發(fā)送到突發(fā)模式的光收發(fā)機(jī)。所述FPGA的控制是由其內(nèi)置的32位RISC處理器Power PC440所發(fā)送的指令來 完成。來自局域網(wǎng)的10/100M的電信號由Power PC440控制FPGA高速數(shù)據(jù)接口 Rocket 1/ 0將來自局域網(wǎng)的信號轉(zhuǎn)存于SDRAM中，通信過程采用FPGA內(nèi)置的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行 發(fā)送時，首先由Rocket I/O將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送到突發(fā)模式發(fā)送機(jī)，經(jīng)編碼、調(diào)制后發(fā)送到 網(wǎng)絡(luò)中。接收信息的過程與此類似，不再贅述。本發(fā)明的有益效果1、利用現(xiàn)有的成熟器件搭建一個光軌網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺，技術(shù)簡 單，成本較低；2、可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺的平滑升級；3、充分利用了 FPGA內(nèi)置資源，不但提高了 資源利用率，而且降低了實(shí)驗(yàn)成本；4、既可以彌補(bǔ)光軌技術(shù)在實(shí)驗(yàn)研究上的不足，又可以在 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增強(qiáng)學(xué)習(xí)研究效果。


圖1是本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)收發(fā)單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)濾除控制波長后出射的數(shù)據(jù)波長的頻譜圖。
圖4是本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)加載一個控制波長后的頻譜圖。
圖5是本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的BER仿真圖。
圖6是本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的線性Q仿真圖。
圖7是本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的眼圖仿真圖。
圖8是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D。
圖9是本發(fā)明時隙示意圖。
圖10是本發(fā)明FPGA控制結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11是本發(fā)明光軌網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)連接示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1參照圖1、圖2，一種新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，包括濾波/放大單元、交換單元、收發(fā) 單元、上/下路轉(zhuǎn)換單元、復(fù)用/解復(fù)用單元、控制單元，所述濾波/放大單元分別與交換單 元、控制單元連接，所述交換單元依次連接有復(fù)用/解復(fù)用單元、上/下路轉(zhuǎn)換單元、收發(fā)單 元；所述濾波/放大單元包括控制信號濾波器，所述控制信號濾波器包括下路濾波器 和上路濾波器，所述下路濾波器和上路濾波器均連接有光信號放大器，所述下路濾波器從 入口光纖的波分復(fù)用信號中濾出控制信號，將其通過光纖連接到控制單元；所述上路濾波 器負(fù)責(zé)將控制信號發(fā)送到下個節(jié)點(diǎn)；所述光信號放大器的作用是對經(jīng)過本節(jié)點(diǎn)的信號進(jìn)行 放大，以補(bǔ)償光在傳輸過程中引入的損耗；
所述交換單元包括一個上路耦合器，一個下路耦合器和一個阻波器，所述下路耦 合器的作用是將上一節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)墓庑盘柗殖鲆徊糠謧飨驈?fù)用/解復(fù)用器，其余部分繼續(xù)向 前傳播；所述上路耦合器負(fù)責(zé)將本地節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)波長耦合進(jìn)光纖，向下一個節(jié)點(diǎn)傳輸；所 述阻波器其功能是阻塞特定波長通過；所述復(fù)用/解復(fù)用單元是進(jìn)行波分復(fù)用信號的分路與合路模塊，來自上游節(jié)點(diǎn)的 波分復(fù)用信號經(jīng)解復(fù)用器分解為單一波長，然后分別送往不同的接收機(jī)；而來自本地節(jié)點(diǎn) 的不同波長數(shù)據(jù)信號需要在復(fù)用器合成一路信號后再通過上路耦合器進(jìn)入交換單元；所述上下路轉(zhuǎn)換單元包含2個光開關(guān)，其作用就是實(shí)現(xiàn)光軌不同方向傳輸?shù)墓饴?轉(zhuǎn)換；所述收發(fā)單元包括光軌節(jié)點(diǎn)用戶接口的普通光收發(fā)機(jī)、光軌節(jié)點(diǎn)中突發(fā)模式的光 收發(fā)機(jī)、管理模塊、存儲器；在本地節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送時隙后由突發(fā)模式光發(fā)送機(jī)發(fā)送本地節(jié)點(diǎn) 信息進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，或者將下路的突發(fā)信號轉(zhuǎn)化成電信號后，存入存儲介質(zhì)中，然后由普通光發(fā) 送機(jī)發(fā)送到用戶數(shù)據(jù)接口 ；所述管理模塊是對數(shù)據(jù)匯聚，打包、調(diào)度與隊(duì)列的管理等；所述 存儲器存儲待發(fā)送的數(shù)據(jù)；所述用戶接口單元，接收包括音頻、視頻、文件等各種格式的數(shù) 據(jù)信號，由普通光收發(fā)機(jī)發(fā)送，經(jīng)過處理后存儲到存儲器等待節(jié)點(diǎn)傳輸；所述控制單元是節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵，包括FPGA開發(fā)板、控制信號收發(fā)單元， 實(shí)施對節(jié)點(diǎn)器件及光軌網(wǎng)絡(luò)的控制；所述控制信號單元是負(fù)責(zé)發(fā)送與接收控制信號的單 元，控制信號在光軌的每個節(jié)點(diǎn)都被接收、處理，其攜帶了光軌網(wǎng)絡(luò)中的控制信息，利用相 關(guān)的信令協(xié)議在光軌網(wǎng)絡(luò)中配置建立新光軌和在已建立的光軌內(nèi)配置光連接。所述控制信號收發(fā)單元主要由控制信號接收機(jī)、接口單元和發(fā)送機(jī)組成，所述控 制信號接收機(jī)接收處理來自其它節(jié)點(diǎn)的控制信號；所述發(fā)送機(jī)根據(jù)FPGA指令發(fā)送不同的 控制信號到其它節(jié)點(diǎn)；所述接口單元處理來自接收機(jī)的信號，并接收來自FPGA的數(shù)字控制 信號，對不同的命令做出響應(yīng)，然后由發(fā)送機(jī)發(fā)送出響應(yīng)信號。所述FPGA開發(fā)板是控制的核心，包括器件控制系統(tǒng)、存儲介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)， 所述器件控制系統(tǒng)接收、處理、發(fā)送各種數(shù)字控制信息，并根據(jù)不同的光信息對節(jié)點(diǎn)內(nèi)各個 器件發(fā)出各種數(shù)字控制信號，使其做出相應(yīng)的配置；所述存儲介質(zhì)用于建立一個本地通信 數(shù)據(jù)庫，存儲各器件的狀態(tài)、光軌的使用信息、對光纖中傳輸?shù)墓庑盘栠M(jìn)行檢測，并實(shí)現(xiàn)保 護(hù)；所述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與器件控制系統(tǒng)之間相互通信，共享存儲介質(zhì)，接收光軌網(wǎng)絡(luò)中的 Global Broadcast Packet信息，并做出響應(yīng)，處理各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息，光軌的使用申 請，決定光軌網(wǎng)絡(luò)的使用權(quán)，存儲、更新光軌網(wǎng)絡(luò)中的各種信息，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，從而可以 實(shí)時查詢網(wǎng)絡(luò)中各光軌的使用狀態(tài)。參照圖3-7，對節(jié)點(diǎn)功能驗(yàn)證及分析過程進(jìn)行說明，仿真條件設(shè)定為仿真鏈路采 用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，光纖的長度(Length)從20km到50km變化，光發(fā)送機(jī)功率為OdB，光纖傳 輸損耗為0. 2dB/km,色散為1. 6 X 10-5s/m2，傳輸速率設(shè)為lOGbps，數(shù)據(jù)信道為4波長，控制 信道為獨(dú)立 1 波長，其頻率分別為 191. 6THz、192. 6THz、193. 6THz、194. 6THz、195. 6THz。附 圖3是所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)在通過濾波器濾除控制信號后的數(shù)據(jù)信號波長頻譜圖，可以明顯地看出 由于各器件的插入損耗，光的出射功率要低于設(shè)定的發(fā)射功率(OdB)，圖4是通過上路濾波 器加載一個控制波長后的數(shù)據(jù)及控制波長頻譜圖，說明通過上路濾波器可以實(shí)現(xiàn)控制波長 的上路。圖5是本發(fā)明中設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)在20km到50km長度光纖鏈路上的誤碼率(BER)與長度對比關(guān)系圖，配合圖7可以看出，此節(jié)點(diǎn)在光纖長度小于25km時能夠滿足通信系統(tǒng)對誤 碼率的最低要求(小于10_9)，在傳輸距離大于30km時，其BER已經(jīng)明顯高于10_9。附圖6 是線性Q因子與長度的對應(yīng)關(guān)系圖，很明顯，其值隨著鏈路長度的增加而遞減，說明由于信 號的損耗、色散、非線性因素的影響光信號的強(qiáng)度逐漸衰減。附圖7是在傳輸鏈路長度為 20km時的眼圖，眼睛形狀清晰可辨，碼間干擾很小，說明光接收判決電路機(jī)完全可以分辨所 發(fā)送的信息。從對以上仿真圖的分析，可以得到這樣的結(jié)論所設(shè)計(jì)的光軌節(jié)點(diǎn)在鏈路長度小 于25km時，可以完全滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅划?dāng)鏈路大于25km時就必須用光放大器補(bǔ)償 光功率損耗。實(shí)施例2參照附圖8-9給出本發(fā)明中所設(shè)計(jì)的基于FPGA的光軌節(jié)點(diǎn)在光軌通信系統(tǒng)及光 連接建立中的具體控制實(shí)現(xiàn)過程。圖8所示的是任意光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，任選其中四個節(jié)點(diǎn)N1、N2、N3、N4建立光軌系 統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與上述設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同。光軌建立過程遵循以下步驟l、m節(jié)點(diǎn)FPGA控制控制發(fā)送機(jī)向N2節(jié)點(diǎn)發(fā)送光軌建立控制包(SP，setup packet)，申請以波長\ x建立光軌系統(tǒng)，同時FPGA控制阻波器阻塞\ x通過此節(jié)點(diǎn)。2、N2節(jié)點(diǎn)通過下路濾波器接收附節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制包，然后查詢匪S所請求建立 光軌的波長是否可用，如果可用，則由FPGA發(fā)送控制指令到WBU，關(guān)閉對\ x波長的阻塞，亦 即讓波長、通過阻波器。然后再通過控制發(fā)送機(jī)再發(fā)送同樣信息到N3。如果不可用，則 光軌建立失敗。3、N3節(jié)點(diǎn)對SP的處理與N2節(jié)點(diǎn)相同。4、N4節(jié)點(diǎn)收到SP包，然后查詢所請求波長是否空閑，如果空閑則將WBU配置為阻 塞狀態(tài)，阻止、波長通過本節(jié)點(diǎn)，注意，此處WBU的配置與N2，N3節(jié)點(diǎn)的相反。之后FPGA 發(fā)送指令要求控制發(fā)送機(jī)向m節(jié)點(diǎn)發(fā)送肯定應(yīng)答信息(ACK)，光軌建立成功。如果此時所 請求波長不可用，則光軌建立失敗。光連接的建立過程相對來說要簡單一些，在光軌系統(tǒng)已經(jīng)建立的情況下，如果m 節(jié)點(diǎn)在下一時隙要向N3節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，此時FPGA指示控制信號發(fā)送機(jī)向N3節(jié)點(diǎn)發(fā)送指 令，要求N3節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備在下一時隙接收來自m節(jié)點(diǎn)的信息。N3節(jié)點(diǎn)接收指令后，由FPGA將 轉(zhuǎn)換單元的開關(guān)配置為下路，然后告知突發(fā)模式接收機(jī)準(zhǔn)備接收信息即可完成連接建立過 程。在下一時隙到來時，F(xiàn)PGA控制m節(jié)點(diǎn)發(fā)送機(jī)開始一個時隙的數(shù)據(jù)傳輸，時隙長度是 lms,能夠傳送的信息量為100Mb。圖9就是數(shù)據(jù)發(fā)送時隙示意圖，時隙間的間隔是保護(hù)時 間。實(shí)施例3本實(shí)施例說明FPGA對光軌存儲器的控制實(shí)現(xiàn)。參照附圖10-11，F(xiàn)PGA的以太網(wǎng)接口與傳輸速率為100Mbps的以太網(wǎng)相連，將來自 以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)(電信號)存儲到Virtex-5內(nèi)置的DDR SDRAM中。本發(fā)明所采用的Virtex_5 內(nèi)置的存儲介質(zhì)總大小為256MB，將其分為3部分，其中一部分大小為16M，用作光軌中數(shù)據(jù) 庫建立空間，其余2部分大小各為120M，分別用作接收機(jī)緩存和發(fā)送機(jī)緩存，然后通過FPGA 的高速數(shù)據(jù)接口 Rocket I/O Transceiver與光軌的收發(fā)模塊相接，作為光軌的業(yè)務(wù)來源，而不是直接將以太網(wǎng)與光軌的收發(fā)模塊相接。這樣做的目的有二 一是因?yàn)楣廛壷忻總€節(jié) 點(diǎn)要傳輸信號就必須申請時隙，有些情況下，以太網(wǎng)有數(shù)據(jù)要傳輸?shù)焦廛壘W(wǎng)絡(luò)中，而此時的 本地節(jié)點(diǎn)并沒有時隙的使用權(quán)，所以就必須將以太網(wǎng)傳輸?shù)男畔捍?。二是一般光收發(fā)機(jī) 的速率要高于100Mbps的以太網(wǎng)，所以就會出現(xiàn)由于發(fā)送速率不匹配造成的光軌在一個時 隙中有部分時間處于等待業(yè)務(wù)的狀態(tài)，從而浪費(fèi)了光軌網(wǎng)絡(luò)的資源。這樣，通過存儲介質(zhì) 實(shí)現(xiàn)了將高速傳輸?shù)墓饩W(wǎng)絡(luò)與低速的以太網(wǎng)相接。如果本地節(jié)點(diǎn)獲得了時隙，Rocket I/O Transceiver會將存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到突發(fā)模式發(fā)送機(jī)由其發(fā)送到光軌網(wǎng)絡(luò)中。假設(shè)， 本節(jié)點(diǎn)在此時是接收信號的節(jié)點(diǎn)，那么收發(fā)模塊的突發(fā)模式接收機(jī)會接受來自光軌網(wǎng)絡(luò)的 數(shù)據(jù)，在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化后，將其接收的數(shù)據(jù)存儲到存儲介質(zhì)中，然后，通過FPGA以太網(wǎng)接口 將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中。 本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù) 范圍的不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
一種新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其特征在于包括濾波/放大單元、交換單元、收發(fā)單元、上/下路轉(zhuǎn)換單元、復(fù)用/解復(fù)用單元、控制單元，所述濾波/放大單元分別與交換單元、控制單元連接，所述交換單元依次連接有復(fù)用/解復(fù)用單元、上/下路轉(zhuǎn)換單元、收發(fā)單元；所述濾波/放大單元包括控制信號濾波器，所述控制信號濾波器包括下路濾波器和上路濾波器，所述下路濾波器和上路濾波器均連接有光信號放大器，所述下路濾波器從入口光纖的波分復(fù)用信號中濾出控制信號，將其通過光纖連接到控制單元；所述上路濾波器負(fù)責(zé)將控制信號發(fā)送到下個節(jié)點(diǎn)；所述光信號放大器的作用是對經(jīng)過本節(jié)點(diǎn)的信號進(jìn)行放大，以補(bǔ)償光在傳輸過程中引入的損耗；所述交換單元包括一個上路耦合器，一個下路耦合器和一個阻波器，所述下路耦合器的作用是將上一節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)墓庑盘柗殖鲆徊糠謧飨驈?fù)用/解復(fù)用器，其余部分繼續(xù)向前傳播；所述上路耦合器負(fù)責(zé)將本地節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)波長耦合進(jìn)光纖，向下一個節(jié)點(diǎn)傳輸；所述阻波器其功能是阻塞特定波長通過；所述復(fù)用/解復(fù)用單元是進(jìn)行波分復(fù)用信號的分路與合路模塊，來自上游節(jié)點(diǎn)的波分復(fù)用信號經(jīng)解復(fù)用器分解為單一波長，然后分別送往不同的接收機(jī)；而來自本地節(jié)點(diǎn)的不同波長數(shù)據(jù)信號需要在復(fù)用器合成一路信號后再通過上路耦合器進(jìn)入交換單元；所述上下路轉(zhuǎn)換單元包含2個光開關(guān)，其作用就是實(shí)現(xiàn)光軌不同方向傳輸?shù)墓饴忿D(zhuǎn)換；所述收發(fā)單元包括光軌節(jié)點(diǎn)用戶接口的普通光收發(fā)機(jī)、光軌節(jié)點(diǎn)中突發(fā)模式的光收發(fā)機(jī)、管理模塊、存儲器；在本地節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送時隙后由突發(fā)模式光發(fā)送機(jī)發(fā)送本地節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，或者將下路的突發(fā)信號轉(zhuǎn)化成電信號后，存入存儲介質(zhì)中，然后由普通光發(fā)送機(jī)發(fā)送到用戶數(shù)據(jù)接口；所述管理模塊是對數(shù)據(jù)匯聚，打包、調(diào)度與隊(duì)列的管理等；所述存儲器存儲待發(fā)送的數(shù)據(jù)；所述用戶接口單元，接收包括音頻、視頻、文件等各種格式的數(shù)據(jù)信號，由普通光收發(fā)機(jī)發(fā)送，經(jīng)過處理后存儲到存儲器等待節(jié)點(diǎn)傳輸；所述控制單元是節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵，包括FPGA開發(fā)板、控制信號收發(fā)單元，實(shí)施對節(jié)點(diǎn)器件及光軌網(wǎng)絡(luò)的控制；所述控制信號單元是負(fù)責(zé)發(fā)送與接收控制信號的單元，控制信號在光軌的每個節(jié)點(diǎn)都被接收、處理，其攜帶了光軌網(wǎng)絡(luò)中的控制信息，利用相關(guān)的信令協(xié)議在光軌網(wǎng)絡(luò)中配置建立新光軌和在已建立的光軌內(nèi)配置光連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述控制信號收 發(fā)單元主要由控制信號接收機(jī)、接口單元和發(fā)送機(jī)組成，所述控制信號接收機(jī)接收處理來 自其它節(jié)點(diǎn)的控制信號；所述發(fā)送機(jī)根據(jù)FPGA指令發(fā)送不同的控制信號到其它節(jié)點(diǎn)；所述 接口單元處理來自接收機(jī)的信號，并接收來自FPGA的數(shù)字控制信號，對不同的命令做出響 應(yīng)，然后由發(fā)送機(jī)發(fā)送出響應(yīng)信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述FPGA 開發(fā)板是控制的核心，包括器件控制系統(tǒng)、存儲介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，所述器件控制系統(tǒng)接 收、處理、發(fā)送各種數(shù)字控制信息，并根據(jù)不同的光信息對節(jié)點(diǎn)內(nèi)各個器件發(fā)出各種數(shù)字 控制信號，使其做出相應(yīng)的配置；所述存儲介質(zhì)用于建立一個本地通信數(shù)據(jù)庫，存儲各器 件的狀態(tài)、光軌的使用信息、對光纖中傳輸?shù)墓庑盘栠M(jìn)行檢測，并實(shí)現(xiàn)保護(hù)；所述網(wǎng)絡(luò)控制 系統(tǒng)與器件控制系統(tǒng)之間相互通信，共享存儲介質(zhì)，接收光軌網(wǎng)絡(luò)中的Global BroadcastPacket信息，并做出響應(yīng)，處理各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息，光軌的使用申請，決定光軌網(wǎng)絡(luò)的 使用權(quán)，存儲、更新光軌網(wǎng)絡(luò)中的各種信息，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，從而可以實(shí)時查詢網(wǎng)絡(luò)中各 光軌的使用狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，是指FPGA在 光軌及光連接建立過程中對節(jié)點(diǎn)中器件的控制實(shí)施過程，所述器件是本節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的濾波 器、突發(fā)模式的光收發(fā)機(jī)，光開關(guān)，控制信號光收發(fā)機(jī)和SDRAM等器件；其控制實(shí)現(xiàn)步驟如 下(1)、從含有N個波長(1個是控制波長，N-1個是數(shù)據(jù)波長)的波分復(fù)用信道中分離出 控制波長，這個工作由下路濾波器完成，濾出的波長傳輸?shù)娇刂菩诺澜邮諜C(jī)，接收機(jī)對接收 的信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后對電信號進(jìn)行識別，分析其所攜帶的信息，然后由FPGA發(fā)送指 令到控制信號發(fā)送機(jī)發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答信號到下一節(jié)點(diǎn)，由下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理；(2)、假設(shè)節(jié)點(diǎn)由控制信息得知波長\x是要建立光軌的波長，并且、！所攜帶的信息只 需傳送到本節(jié)點(diǎn)而無需傳向下一節(jié)點(diǎn)，那么FPGA會告知阻波器阻塞、通過本地節(jié)點(diǎn)繼續(xù) 向下游節(jié)點(diǎn)傳輸，而其它未被阻塞的波長可以繼續(xù)傳輸；如果此時、波長傳送的信息還需 要傳送到下一節(jié)點(diǎn)，則FPGA告知阻波器允許其通過；(3)、如果此時數(shù)據(jù)信道中傳輸?shù)男盘栔?，有、波長信號需要在本地下路，那么此時 FPGA告知突發(fā)模式接收機(jī)接收來自下路耦合器的信號，然后將光開關(guān)置為下路狀態(tài)，再將 突發(fā)模式接收機(jī)接收的信號在數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化等操作，之后將其轉(zhuǎn)存至存儲介 質(zhì)；如果此時，本地節(jié)點(diǎn)有信息需要傳送到下游節(jié)點(diǎn)，而且本地節(jié)點(diǎn)獲得了下一個傳輸時 隙，那么，F(xiàn)PGA通知突發(fā)模式發(fā)送機(jī)將存儲在存儲介質(zhì)中的信息發(fā)送到上路耦合器，之后上 路至光纖鏈路，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。
全文摘要
一種新型光軌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，包括濾波/放大單元、交換單元、收發(fā)單元、上/下路轉(zhuǎn)換單元、復(fù)用/解復(fù)用單元、控制單元，所述濾波/放大單元分別與交換單元、控制單元連接，所述交換單元依次連接有復(fù)用/解復(fù)用單元、上/下路轉(zhuǎn)換單元、收發(fā)單元。本發(fā)明的有益效果1、利用現(xiàn)有的成熟器件搭建一個光軌網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺，技術(shù)簡單，成本較低；2、可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺的平滑升級；3、充分利用了FPGA內(nèi)置資源，不但提高了資源利用率，而且降低了實(shí)驗(yàn)成本；4、既可以彌補(bǔ)光軌技術(shù)在實(shí)驗(yàn)研究上的不足，又可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增強(qiáng)學(xué)習(xí)研究效果。
文檔編號H04Q11/00GK101895794SQ20101016256
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者樂孜純, 付明磊, 侯繼斌 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)