无源光网络中全光虚拟专用网数据信息传送技术研究-吴佳旸.

宽带通信网课程设计吴佳旸0100349035（[e-mail]）无源光网络中全光虚拟专用网数据信息传送技术研究2019/12/291内容提纲无源光网络和全光虚拟专用网背景介绍本次课程设计拟分析解决的问题针对所提问题的实验验证和结果分析本次课程设计的总结2019/12/292背景介绍——光通信1880年，著名科学家贝尔利用太阳光作光源，大气为传输媒质，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电话的实验。中国古代著名的烽火台1966年高琨和霍克曼提出可以使用玻璃纤维传输光信号，并指出通信光纤的要求是每公里衰减小于20分贝(dB)2011年OFC：光通信以其高带宽，高速率，低功耗，低电磁干扰等特点，使得在通信互连领域光进电退已成为未来发展的必然趋势2019/12/293背景介绍——光纤接入网整个电信网按功能分为三个部分：传送网、交换网和接入网。接入网负责将电信业务透明传送到用户，具体而言，接入即为本地交换机与用户之间的连接部分，通常是指骨干网络到用户终端之间的所有设备。其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为“最后一英里”(thelastmile)。所谓光纤接入网(OAN)，是指采用光纤作为传输媒介来取代传统的双绞线，使用光信号作为信息的载体来取代传统的电信号，为用户提供接入服务。四种不同的光纤到户方案：(a)点到点连接；(b)有源光网络；(c)和(d)无源光网络光纤接入网按其网络构成分为三类，点到点连接，有源光网络和无源光网络。由于点到点网络结构需要铺设大量的光纤，成本高昂，没有充分发挥光纤介质超大带宽的优势，故而很少在实际中采用。目前较多使用的光纤接入网形式是有源光网(AON)和无源光网(PON)。背景介绍——无源光网络2019/12/294时分复用无源光网结构波分复用无源光网结构与有源相对，无源光网中的“无源”，是指中心节点到每个客户终端之间没有有源器件。和有源光网相比，这样一个无源的网络结构不需要任何电力能源以及有源器件的维护，例如修建专用的机房，提供散热及日常维护等。并且，用于户外的无源设备的使用寿命一般超过25年，从而大大降低了基础设施的建设成本(CAPEX)和运营维护成本(OPEX)。由于有源器件更容易发生故障，相比之下，户外设备全部为无源器件的无源光网比有源光网具有更高的可靠性。另外，无源光网还有一个很重要的特性，就是对高速传输的兼容性和对调制码型的透明性。与电的有源器件不同，无源器件一般对光信号的速率和带宽限制很小，对光信号采用何种调制方式也不敏感，因此当运营商需要将线路升级到更高速率时，不需要改造无源光网在户外的设备，大大节省了人力资源和设备升级费用。正是因为以上诸多优点，目前无源光网是最具有吸引力的宽带接入技术。2019/12/295背景介绍——全光虚拟专用网虚拟专用网无源光网中传统虚拟专用网(a)和全光虚拟专用网(b)的信息流虚拟专用网技术，是一种建立于其他已有的网络设备和结构之上的虚拟互联服务，能够利用、共享已有的网络设施，为处于不同地点的一组用户提供专用、安全的通信服务。如下图所示，使用该技术，一个专用网络的不同节点就可以使用公共网络设施来进行私有通信。与铺设新的基础设施来建立实际的专用网相比，虚拟专用网有以下优点：与传统的使用转用设备路由的网络相比，共享公共网的设备，可以极大地降低成本，尤其是网络建设成本。虚拟专用网可以为用户提供更加灵活的配置。虚拟专用网允许针对不同的应用需求，提供不同的安全性及服务质量。虚拟专用网可以迅速扩容以应对突然的需求。全光虚拟专用网，由于其在同一个虚拟专用网内用户之间建立的链接基于独立的光信道，可以消除在OLT内的电处理过程，从而大大增加了传输效率，减小了延迟(上图b)。不仅如此，它还在物理层上保证了用户连接的安全性。因此，本次课程设计中将详细讨论在无源光网中实现全光虚拟专用网的所面临的难题和关键技术。在无源光网的基础设施之上下实现全光虚拟专用网，主要的技术挑战如下：将VPN流量和已有的上行、下行数据流量相隔离；高效地将VPN数据路由至目的ONU；在原有通信流量之上叠加VPN功能后，维持网络的扩展性。本次课程作业拟分析和解决的问题2019/12/296传统无源光网中的全光虚拟专用网技术在传统无源光网中，已有的实现全光虚拟专用网的技术一般采用时分复用(TMD)或波分复用(WDM)技术，将VPN数据和非VPN数据复用在同一光纤中传输，但TDM需要复杂的调度算法和时间控制，WDM需要对新的波长添加一套额外的设备。本次课程作业方案拟采用正交调制码型的方法，使用光信号本身多个自由度来分别传输不同的数据，在不使用新波长的前提下，实现VPN数据和非VPN数据的独立传输。长距离无源光网中的全光虚拟专用网技术在长距离无源光网中，本次课程作业方案拟采用传统的时分复用技术和新型的正交调制码型技术分别实现了全光虚拟专用网。由于传输距离较远，在长距离无源光网中，功率预算是影响网络性能的一个主要因素，因此方案中还打算使用双向放大器的方法来弥补全光虚拟专用网和长途传输所带来的功率损失，从而提高了网络的扩展性。城域–接入集成网络中的全光虚拟专用网技术基于近两年来新提出的城域–接入集成网络结构中，全光虚拟专用网服务可以实现更大覆盖面积的。与两级长距离无源光网类似，城域–接入集成网络中组建全光虚拟专用网也利用了第二级网络的波分复用特性，提供路由。但与树形结构不同的是，在第一级网络中需要将VPN信号同时向两个方向传输。本次课程作业方案拟分别使用波分复用和DPSK/ASK正交调制码型技术解决该问题，在这类新兴的网络结构中，演示全光虚拟专用网的功能。2019/12/2977传统无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于正交调制码型的全光虚拟专用网（1）无源光网中基于正交调制码型的全光虚拟专用网结构反射特定波长的VPN数据用以ONU内部的私有通信ONU内部的MZM用来完成DPSK信号擦除/重写上行数据信息控制相位VPN数据信息控制幅度虽然反射回来的信号是DPSK和ASK的混合调制信号，但是由于PD不能直接检测出相位的变化，所以不经差分解调，PD只能检测出ASK信息，即只能解调出VPN的信息1.下行DPSK数据的解调2.上行DPSK数据和VPN数据的ASK调制3.ONU内部的VPN通信2019/12/298传统无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于正交调制码型的全光虚拟专用网（2）完成DPSK擦除重写混合DPSK-ASK相位调制的MZM调制框图2019/12/299结论第一，由于下行光载波被重复利用来传输上行信号，在ONU内部不需要激光器；第二，在每个ONU内只使用一个MZM就可实现DPSK擦除/重写和DPSK/IM码型产生，简单高效；第三，在设计方案中采用DPSK/IM调制码型彻底消除了在无源光网中VPN通信和非VPN通信的冲突；第四，由于在OLT中为每个虚拟专用网群组设置一套收发装置，使得不同的虚拟专用网群组的非VPN通信可以同时进行，提高了通信效率；第五，使用波带复用的技术将不同的虚拟专用网群组隔离开来，从而提高的VPN通信的安全性。传统无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于正交调制码型的全光虚拟专用网（3）2019/12/2910长距离无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于动态波长反射的全光虚拟专用网（1）基于动态波长反射器的全光虚拟专用网结构2019/12/2911ONU发送上行数据包和VPN数据包ONU接收来自OLT的下行数据包和来自其他ONU的VPN数据包长距离无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于动态波长反射的全光虚拟专用网（2）2019/12/29122011-5-512下行数据误码率测量上行数据误码率测量长距离无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于动态波长反射的全光虚拟专用网（3）2019/12/2913基于ASK/FSK码型的全光虚拟专用网结构长距离无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于正交调制码型的全光虚拟专用网技术（1）2019/12/2914长距离无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于正交调制码型的全光虚拟专用网技术（2）2019/12/2915长距离无源光网中的全光虚拟专用网技术——基于正交调制码型的全光虚拟专用网技术（3）2019/12/2916无源光网单元内部结构以及下行通信流向无源光网单元内部结构以及上行通信流向无源光网单元内部结构以及VPN通信流向新型城域网全光虚拟专用网技术——基于阵列波导光栅波长路由特性的全光虚拟专用网注：下行、上行和VPN波长被分配在三个相邻的波段，并且间隔即为自由频谱范围，所以这三类信号可以同时由同一个阵列波导光栅来路由。CWDM把大的波段分成更为细小的波段在目的ONU处，VPN信号被阵列波导光栅和粗波分复用器解复用后，分为两路，一路输入接收机检测，另外一路通过另一段的粗波分复用器再次复用后，传回远端节点，然后传输到下一个子PON。2019/12/2917上行通信实验装置图注：相干DPSK信号复用技术（延时相减）实现DPSK的擦出和重写。2019/12/2918上行数据眼图：(a)背靠背未解调，(b)传输后未解调，(c)背靠背已解调，(d)传输后已解调上行数据data1(a)和data2(b)的误码率测量结果实验结果2019/12/2919下行和VPN通信实验装置图VPN发送VPN接收2019/12/2920实验结果下行(a)和VPN(b)ASK数据的误码率测量结果结论：我们通过实验演示了本节提出的基于两级TDM/WDM城域–接入集成网络结构的工作原理，以及基于此结构的跨越多个子无源光网的全光虚拟专用网功能。通过这个结构，可以在很大面积区域内提供低成本、高效率的宽带接入，以及全光虚拟专用网服务。使用该方案的优点在于，全光虚拟专用网信号可以和上行/下行信号同时通信，互不干扰，而且对传输速率和码型透明，易于升级。2019/12/2921子无源光网的结构以及上行通信流向子无源光网的结构以及下行通信流向子无源光网的结构以及VPN通信流向新型城域网全光虚拟专用网技术——基于正交调制码型的全光虚拟专用网该方案有如下特点：(1)使用正交DPSK/ASK来同时传输下行、上行数据以及双向的VPN通信；(2)每个ONU中仅需要一个MZM就可以完成上行数据和VPN数据的调制工作；(3)上行光载波由OLT集中提供。与前一个方案相比去掉了每个ONU节点中的光源和粗波分复用/解复用器，从而简化了结构。上行数据和下行数据方向相反VPN数据可以驱动MZM进行ASK调制，从而同时调制下行DPSK信号和上行光载波的幅度，直接利用了下行和上行的DPSK光载波2019/12/2922上行通信实验装置图注：相干DPSK信号复用技术（延时相减）实现DPSK的擦出和重写。2019/12/2923实验结果上行数据的误码率测量结果和解调后的眼图2019/12/2924下行和VPN通信实验装置图2019/12/2925实验结果(a)DPSK/ASK信号在滤波前、滤波后和经过MZDI解调后的眼图；(b)VPN和下行数据的误码率曲线结论：方案使用了正交调制码型技术，将全光虚拟专用网信号和原有的上行/下行信号复用在一起。利用传播方向相反的上行和下行通信，将虚拟专用网数据携带到环形城域网上连接的所有子无源光网内。同时，由于不需要使用新的波长，ONU中使用上行通信的调制器同时完成虚拟专用网信号的调制，就不需要安置新的光源，结构简单，成本低廉。2019/12/2926本次课程作业的总结传统无源光网中的全光虚拟专用网技术本次课程作业方案采用正交调制码型的方法，使用光信号本身多个自由度来分别传输不同的数据，在不使用新波长的前提下，实现VPN数据和非VPN数据的独立传输。长距离无源光网中的全光虚拟专用网技术本次课程作业方案采用传统的时分复用技术和新型的正交调制码型技术分别实现了全光虚拟专用网。城域–接入集成网络中的全光虚拟专用网技术本次课程作业方案分别使用波分复用和DPSK/ASK正交调制码型技术解决该问题，在这类新兴的网络结构中，演示全光虚拟专用网的功