叶子落丶潇潇
范文一：光的时分复用
通信0802 083001030216 霍娟
题目：光的时分复用
光的时分复用
在目前的光纤通信系统中，网络的各个节点要经过多次的光-电、电-光变换，而其
中的电子器件在适应高速、大容量的需求上存在诸多缺点，如带宽限制、时钟偏移、严 重串话、高功耗等，由此产生通信网中的“电子瓶颈”现象。
全光通信的特点
全光通信是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术。全光通信与传 统通信网络和现有的光纤通信系统相比，具有如下特点：
解决了“电子瓶颈”问题。在目前的光纤系统中，影响系统容量提高的关键因素是
电子器件速率的限制。如：电子交换速率大概为每秒几百兆位。采用CMOS技术及ECL技术 的交换机系统可以达到G级速率，不久的将来，采用砷化镓技术可使速率达到几十个Gb/ s以上，但是电子交换的速率也似乎达到了极限。网络需要更高的速度则应采用光交换与 光传输相结合的全光通信。
降低成本。在采用电子交换及光传输的体系中，光/电及电/光转换的接口是必需的 ，如果整个系统均采用光技术，就可以避免这些昂贵的光电转换器件。而且，在全光通 信中，大多采用无源光学器件，从而降低了功耗和成本。
光时分复用的基本原理
光时分复用（OTDM）是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一个帧 再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则 ，使每个ONU在每帧内只能按指定的时隙向上行信道发送信号，在满足定时和同步的条件 下，光交换网络可以分别在各个时隙中接收到各ONU的信号而不混扰。其基本原理如图1 所示。
在发送侧，各ONU从光交换网络到ONU的下行信号中提取发送定时后，其工作波长为 λ的锁模激光器产生一定宽度的连续脉冲串，经铌酸锂（LiNbO）调制器受到外加电信号 调制，形成n路载有信息的光脉冲，再分别经可变光延时线调整至合适的位置后，即调整 到规定的时隙，在光功率分配器中复用成一路光脉冲信号，再经放大送入光纤中传输。
在接收端，首先实现全光解复用，即利用1×2光纤分路器取出部分光功率送入定时 提取锁相环，提取时钟同步信号，并用此信号激励可调谐锁模激光器产生光控脉冲，去 控制全光解复用器，实现光时分解复用，从而获得n路光脉冲信号。然后，送入时分光交 换网络中进行交换。
光时分复用是光纤通信的未来发展方向，它具有以下特点：
（1）提高了传输速率。由于各ONU是在不同时隙依次进入光功率分配器，并合成一路光 信号，其信号按时间既紧凑又不重叠地排列着，与各ONU的输入信号相比，提高了传输速 率。
（2）各ONU发射的信号是周期性的光脉冲信号，只在规定的时隙内发射光脉冲序列。
（3）大大提高系统容量。光时分复用只利用一个光载波就可传送多路光脉冲信号，因此 ，可大幅度提高系统容量。另外，光时分复用还可同其他复用方式相结合，如与DWM相结 合，即利用多个光载波来实现时分多路光脉冲信号的传送，可成倍地提高系统容量。
（4）采用光时分复用技术比较容易实现信道的按需分配。
光时分复用的关键技术
为了在光纤通信系统中实现准确、有效、可靠的光时分复用通信，必须采用以下的 关键技术。
1 精确的发送定时
在光纤通信系统中，上行信道的光时分复用技术是将上行传输时间分为若干时隙，
在每个时隙内只安排一个ONU以分组的方式向光交换网络发送分组信息，各ONU按光交换 网络规定的顺序依次向上游发送。为避免各ONU向上游发送的码流在ODN（光配线网）合 路时可能发生碰撞，这就要求光交换网络测定它与各ONU的距离后，对ONU进行严格的发 送定时。
2 网络管理控制
为了充分发挥全光通信的优势，必须研究开发行之有效的网络管理控制系统。网络 的配置管理、信道的分配管理、管理控制协议、网络的性能测试等都是网络管理方面需 要解决的技术。由于全光网络采用了先进的复用技术，因此如何根据当前的业务负载及 信道的使用情况来动态地分配信道资源，对于全光网络尤为重要。只有高效地分配信道 ，才可使系统达到最大容量和最佳通信质量。
3 光放大技术
由于光纤存在损耗，光信号在光纤的传输过程中，其幅度随传输距离按指数规律衰 减。因此，必须采用放大技术来提高光信号的功率。目前，光信号的放大技术主要包括 三种：一是半导体激光放大器。它是在半导体激光器芯片两端镀上增透膜形成的，其单 程增益较高。二是非线性光纤放大器，是利用光纤中的非线性效应，即受激拉曼散射（ SRS）和受激布里渊散射（SBS）制成的。已实现的有SRS光纤放大器和SBS光纤放大器。 三是掺杂光纤放大器，即掺进许多稀土离子（如：Er3+、Pr3+等）。目前，最成熟、应 用最广的是掺铒光纤放大器。
光放大器在光时分复用通信系统中主要有四种应用：“在线”放大器；“功率”放 大器；“前置”放大器；“分布”放大器。
4 全光信号再生技术
在光纤通信中，除了光纤的损耗外，还存在光纤的色散。色散会导致光脉冲展宽， 产生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响通信质量。因此，必须采取措施对光信 号进行再生。目前，对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管 转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这 种光电中继器具有装置复杂、体积大、功耗大的缺点。而最近，出现了全光信号再生技 术，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的 光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉 冲变窄，频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光 信号再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺 点，成为全光信息处理的基础技术之一。
5 时分光交换技术
时分光交换的原理与现行的电子程控交换机的时分交换系统完全相同，因此它能与 采用全光时分复用方法的光传输系统匹配，在这种方式下，可以时分复用各个光器件， 减少硬件设备，构成大容量的光交换机。
时分光交换网由时分型交换模块和空分型交换模块构成，它所采用的空分交换模块 与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如 光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合型阵列开关）以 进行相应的交换。
在全光时分复用光纤系统中，除了采用以上关键技术外，为进一步提高信息传输速 率和延长传输距离，还需要以下技术：一是采用新型的短脉冲光源来实现超高速光纤通 信。超短脉冲是由超连续（SC）脉冲通过锁模光纤激光器（ML-FRL）激励产生。为了产
生稳定的SC脉冲，应主动地稳定泵浦SC光纤的ML-FRL的环形腔长。这可以通过检测激光 器的弛豫振荡的分量（Prelax），并控制腔长使Prelax最小来实现。二是光非线性传输 技术。采用短脉冲光源可提高系统的传输速率，却易受光纤色散的影响，从而限制了系 统的传输距离。近十多年来研究的光孤子传输系统是利用光纤的非线性效应，在光脉冲 功率足够大时，它就成为自整形能保持微微秒级脉宽，传送极长距离的光孤子脉冲，可 解决超大信息容量的窄光脉冲流的传送问题。全光纤光孤子传输系统是以光孤子激光器 作为系统光源、采用集总式掺铒光纤放大器作为中继的通信系统。另外，在光孤子通信 中，还应采用相应的控制技术，如噪声控制技术、色散补偿和色散配置控制技术等以消 除色散等不利因素对光孤子传输的影响。
OTDM技术现状及水平
目前阶段的OTDM传输技术在传输速率方面已实现了640Gb／s（40Km），400Gb／s（4 0Km）。在400Gb／S的传输实验中采用了逆陡度（SLOPE）光纤，色散陡度值比DSF光纤降 低了2／3，SN值可能超过100km。
最新研究成果，也是目前最高水平的OTDM技术成果是1998年9月ECOC会议上公布的速
率为120Gb／s（160k）（采用DSF光纤）光OTDM传触验。
但是对该实验实际考察表明，这只能是一个传输数据水平。在实际传输装置中，在 120Gb／S的速率中只调制了80Gb／S，脉冲宽度仅为3.5PS比特流。目前，能制作OTDM收 发装置的只有日本NTT公司。
要真正实现100Gb／S传输距离的OTDM尚需一定时间，这主要是解决端局间的收发装 置。目前只能进行短距离传输。在日本的长距离通信网中，现在只是解决了色散斜度， SNR、PMD技术，长距离用光纤需要很快解决，然后才能进行长距离传输。
三、短脉冲发生技术
光时分复用技术的关键技术是要解决短脉冲生成技术、时分复用／分离、高速同步 泵浦技术等。其中，最关键技术是短脉冲生成技术，即生成Transform－limited光脉冲， 脉冲的生成方法主要有以下四种
·采用半导体激光器用增益开关法。
·采用CW界限吸收型调制器，通过门脉冲泵浦法解决：在该方法中，只能得到10Ps 的脉冲。将得到的脉冲进行非线性光学压缩，采用脉冲压缩法得到所需要的脉冲。
·采用冲突脉冲模同步半导体激光器得到所需要的脉冲。用该法可以得到1PS脉冲。 ·模同步光纤环型激光器法。采用该法可以得到3PS脉冲宽度，接近孔特性，速度偏 差值在0.1PS以下。激光器前端脉冲宽度比模同步LD更细，是一种很好的光源。
四、模同步光纤环型激光器120Gb／s的OTDM系统使用的激光器为有源模同步光纤环 型激光器（AML－FRL）。
模同步光纤环型激光器由EDFA、滤波器、耦合器、调整共振器长度的延迟器、LA调 制器（带宽20GHZ）等共同组成，构成一个环型的共振器。环型共振的基本频率值为绕环 型一周时间，为1的整数倍时为模同步。使用该值对10GHZ、20GHZ反复振荡，即生成并得 到了3PS的脉冲。
共振器中使用的光纤全部为熊猫光纤。EDFA也是用熊猫光纤掺饵制作。调制器为偏 振固定型。偏振波产生变化时，输出光脉冲特性也发生变化。
由于光纤激光器的共振器长度为数十米，易受温度变化、机械振动的影响，所以共 振器长度变化控制系统，是解决稳定振荡的技术关键。
日本NTT公司提出解决这些问题的方案是把一部分光信号还原成电信号，监控电气信 号来缓和振动频率成份。当共振器长度准确与模同步条件匹配时，把稳定振动频率抑制
到最低水平。如果共振长度偏离了稳定条件，振动成份就增加，只要偏高10pm，就会增 加很大噪声。因此，需要对噪声进行监控，使共振器长度准确，噪声达到最小值，从而 获得稳定的光脉冲。
在非线性光纤中，容易产生三维非线性光学效应（即自相位调制）和四波混频现象。 光脉冲宽度和峰值功率与色散有密切关系。首先表现出自相位调制（SPM），当接近零色 散波长时，又在SPM间产生四波混频（FWM）。SPM和FWM引起光谱发生变化，波形曲线下
降，在某一色散部分上出现平坦区域，展宽为200mm左右。
光纤中的光功率密度是非常重要的，光纤芯层越小，其光功率密度越高，其截面积 一般为通信用光纤的1／2左右。
虽然OTDM的研究起步较晚，但在短短时间里取得了很大的进展，说明OTDM具有很强的生命力。一些发达国家投入了大量的人力物力，在推进WDM光通信的实用化的同时，也积极推进OTDM的发展。同时，将WDM和OTDM结合起来，就可以充分发挥各自的优点而摒弃它们的缺点，共同构建高速、大容量的光纤通信系统。因此，OTDM/WDM系统已经成为未来高速、大容量光通信系统的一种发展趋势。OTDM技术虽然尚不成熟，还在实验阶段，加上需要较复杂的光学器件，离实用化还有一定距离，有待进一步研究，但是在将来的Tbit/s级通信系统中，将成为重要的通信手段
范文二：时分复用的仿真实现
汉口学院本科毕业论文（设计）
开题报告表
学院名称 继续教育学院
专业名称 电子信息工程
年 级 14级
姓 名 罗辉才
学 号 018414201621
指导教师 张晓霞
填表时间： 2017 年 3 月 23 日
填表说明
1、本科生原则上应于第七学期结束之前完成毕业论文（设计）的选题和开题工作。
2、本表由学生在开题报告经指导教师指导和指导教师小组集中开题指导并修改后填写。指导教师和指导教师小组在学生填写后，应在本表相应栏目里填写确认性意见。本表最后由学院盖章备案保存。
3、学生应执行本表撰写毕业论文（设计），不得作实质性改变。学生须在所在学院规定的时间内完成毕业论文（设计）并参加答辩。
4、毕业论文（设计）的具体要求请参阅《汉口学院本科生毕业论文（设计）工作条例》及其附件。
5、学生可用蓝色或黑色水笔认真填写，做到填写整洁、正确。
选题的研究现状
传统的电路时分复用技术虽然已经成熟，但是由于电子瓶颈的影响很难进一步提高单根光纤的传输速率。目前，利用电时分复用的方式可以实现单根光纤10Gbit/s 的传输速率，德国的SHF 、日本的NTT 和NEC 以及美国、英国的一些研究机构等对光时分复用技术进行了广泛的研究。其中德国SHF 40Gbit/s 电时分复用器虽然已经商用化，但是由于技术复杂，价格十分昂贵。
中国因国内的OTDM 研究仍存在着一些问题，如OTDM 系统的稳定性还有待提高、缺乏观察40Gbit/s以上超高速光脉冲的示波器、信号分析仪等。从研究情况看，OTDM 主要有3个发展方向:第一个发展方向是研究更高速率的系统并与DWDM 相结合。第二个发展方向是OTDM 实用化技术和比特间插的OTDM 网络技术。第三个发展方向是OTDM 全光分组网络。所以可以预测，随着电子瓶颈的突破，TDM 技术将会成为电信网的主流技术。
范文三：光时分复用器的设计
第8卷第17期2008年9月 1671.1819(2008)17-4999.03 科学技术与工程
Science Technology and Engineering
V01.8No.17Scp.2008 @2008Sci.Tech.Engng.
通信技术
光时分复用器的设计
惠战强
(西安邮电学院电信系,西安710061)
摘要光时分复用器是光时分复用技术的核心器件,只有性能优良的时分复用器才能保证复用后的信号质量。设计了一 种典型的4路信号光时分复用器,探讨了光延时线损耗对系统各支路性能的影响。对耦合器不同分光比下各支路信号的功 率均衡进行了计算,分析了各支路光纤长度误差对延时范围的影响,模拟了在特定长度基准光脉冲信号的前提下,系统可实 现的复用范围,对构建光时分复用系统具有重要的意义。
关键词光时分复用器 光耦合器 光延时线
中图法分类号TN252; 文献标志码A
随着信息资讯的深入发展,人们对宽带、大容 量、高速率网络的需求日益迫切,光纤以其巨大带 宽占据了高速通信网的主要地位,从一定程度上缓 解了这一矛盾。波分复用技术的提出,又使得通信 速率上了一个新台阶…,但它本身又存在一些缺 陷,如放大器级联产生的增益特性的不平坦、波长 管理较为复杂、光纤非线性会造成信道串扰等,限 制了自身的发展。而光时分复用技术以其诸多优 点吸引了人们的极大兴趣旧J,具体如下:(1)只使用 单一波长的光源,对波长稳定性要求低,(2)对放大 器带宽和增益平坦要求较低,非线性影响较小, (3)色散补偿及信号再生相对简单,(4)网络管理相 对简单,因此,对于采用全光交换和全光路由的未 来光网络,光时分复用技术将更具吸引力∞,4J。光 时分复用器是光时分复用网络中的核心器件,只有 时延精度高,性能稳定的光时分复用器才能确保复 用高速信号的质量。本文探讨了光时分复用器的 设计方案,对高速光时分复用系统具有重要意义。
1光时分复用器的设计分析
我们设计的时分复用器初始结构如图I所示, 2008年5月15Et收到 基准时钟速率分别为2.5GHz和10GHz,欲实现复 用8路信号,要解决的核心问题是确保复用后高速 信号无畸变,信号功率基本均衡。
24
图1光时分复用器的结构
1.1光耦合器耦合比计算
已测得光延时线的平均损耗为2dB.m,设第一 个耦合器的分光比为口:(1一口),设第二个耦合器的 分光比为6:(1一b),合理设置前两个耦合器的分光 比之后,第三个耦合器分光比可为1:1,P;为进入第 一个耦合器的光功率(即进入复用器的光功率),则 Y1=1019(口×Pf),Y2=lOlg[(1一口)×Pf]一 1.5,根据功率均衡的要求,应有Y。=Y2,经过数值计 算可求出口=0.41如图2,此时第一路和经过光延 时线1的第二路信号光功率相等,再设第二个光耦 合器分光比为a-
科学技术与工程 8卷
图2光功率随耦合器分光比的变化
1.2复用器中光延时线长度的计算
从第一个耦合器出来的光被分为两路,设上面 一路光纤长度(第一和第二个耦合器中间的部分) 为厶,下面一路光延时线输入输出端口附带的光纤 长度为￡oD。,分两种情况讨论:
1.2.I 当Lo+髫=LoDL时(石为光纤长度之差) 下路信号可延时范围为
眯『￡斋,￡斋+300×10。121。
幻∈【而’丽×J。
I.2.I.1对于2.5GHz的基准信号,T=400ps ①为了保证(2.5x4)GHz复用成功,光延时线 输入输出端口光纤长度比上路光纤长度超出部分 应该满足于翥伊≤100×10-12,即戈≤30mm。 ②若光脉冲宽度为15ps,设相邻两个光脉冲最 短间隔30Ps时,光信号恰能分开,则要求五知≤ 30×10。12,即髫≤9mm,此时复用信号速率为 22GHz;
结论1:应保证戈≤9mm,此时速率为[10, 22]GHz。
1.2.1.2B对于10GHz的基准信号,T=100ps ①为了保证(2.5x4)GHz复用成功,光延时线 输入输出端口光纤长度比上路光纤长度超出部分 应该满足于翥萨≤25x 10-12即x≤7?5mm, ②若光脉冲宽度为15ps,设相邻两个光脉冲最 短间隔30ps时,光信号恰能分开,则要求五知≤ 30X10。12,即戈≤9mm,
结论2:若脉冲宽度为15ps,速率为10GHz的 基准信号,周期只有100ps,故无法实现四路信号的 复用。
Time/s
(a)
Timc/s
(c)
图3(a)复用前信号时域图,(b)10G复用信号图, (c)22G复用信号图
17期 惠战强:光时分复用器的设计
1.2.2当Lo=菇+LoDL时
下路信号可延时范围为
”【0,300×10。12一赤】, 1.2.2.1同样,对于2.5GHz的基准信号,T=400ps ①仍设光脉冲宽度为15ps,相邻两个光脉冲最 短间隔30ps时,光信号恰能分开为了避免上路光纤 长度过长而引起的时延过大影响复用效率,必须有 300×10—12一ij?;矿≥30×10-12,即菇≤8l nun, ②同理,为避免上路光纤长度过长而引起的时
延过大影响复用失败,必须有
300×10-12一南豺00×10-12肌≤60lain, 结论3:应保证x。<60ll'rn,此时速率为[10,22]ghz。 1.2.2.2对于10ghz的基准信号,t="100ps" ①仍设光脉冲宽度为15ps,相邻两个光脉冲最="" 短间隔30ps时,光信号恰能分开,为了避免上路光="" 纤长度过长而引起的时延过大复用失败,必须有="" 300×10。2一南≥30×10-12,毗≤8l="" mm,="" ②为避免上路光纤长度过长而引起的时延过="">
300×10~一赤≥25×10-12毗≤82.5nlm。 结论4:若脉冲宽度为15ps,速率为10GHz的基 准信号,周期只有100ps,故无法实现四路信号的复用。 3结论
光时分复用技术是光纤通信实现大容量,超高 速全光通信网的有效途径,作为光时分复用技术核 心器件的光时分复用器,其延时精度,损耗优劣等 性能参数对能否实现高质量高速率信号的复用具 有至关重要的影响。迄今为止,国内对光时分复用 器的研究报道比较有限,而国外从理论和实验两方 面都进行了大量的研究。本文设计了一种典型的4路信号光时分复用器。探讨了光延时线损耗对系 统各支路性能的影响,对耦合器不同分光比下各支 路信号的功率均衡进行了计算,分析了各支路光纤 长度误差对延时范围的影响,模拟了在特定长度基 准光脉冲信号的前提下,分别在2.5GHz和10GHz 不同基准速率下,系统可实现的复用范围,对构建 光时分复用系统具有重要的意义。
参考文献
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Fible.2005;23(1):225--226
Design of Optical Time Division Multiplexer
HUI Zhan—qiang
(xa’an Institute ofPost and Telecommunication,Xi’an 710069,P.R China)
[Abstract]Optical time—division multiplexer is a key component in high-speed optical time division multiplexing communication system.The quality of multiplexed signals was insured by time—division multiplexer with excellent structure.A optical-division multiplexer was designed.The loss and length error of optical delay line Was dis— cussed.The relation of
coupler coefficient of optical coupler and spur track power are calculated.The time—division multiplexing system is simulated.
[Key words]OTDM(optical time—division multiplexer) optical coupler optical delay line
光时分复用器的设计
作者:惠战强 , HUI Zhan-qiang
作者单位:西安邮电学院电信系,西安,710061
刊名:
科学技术与工程
英文刊名:SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING
年,卷(期):2008,8(17)
被引用次数:0次
参考文献(4条)
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2. 刘景琳 . 段吉安 . 苗健宇 光时分复用系统 [期刊论文]-光电子技术与信息 1998(11)
3. 丁新鲜 . 王荣 超高速OTDM系统的关键技术及应用前景 [期刊论文]-光子技术 2005(12)
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相似文献(1条)
1.期刊论文 吴春华 . 陈振宜 . 王树文 . WU Chun-hua. CHEN Zhen-yi. WANG Shu-wen环形光纤声光耦合器构成的光时分 复用器的理论研究 -上海大学学报(自然科学版) 2005,11(4)
该文根据声光耦合理论,提出一种由环形光纤声光耦合器构成的新型全光时分复用器.从理论上分析了环形光纤声光耦合器的移频耦合特性,由该种耦 合器的级联可实现8×2.5 Gb/s光时分复用(OTDM),并利用光纤声光耦合器分光比与工作波长可调性,避免了常规OTDM方法对器件性能的高要求.最后指出 采用多个射频源作用于光纤声光耦合器可同时对多波长光脉冲时分复用产生高码率光脉冲信号.理论上的分析和仿真,表明了实现该器件的可行性.
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授权使用:西南交通大学(wfxnjtdx),授权号:f4776a23-37b0-4b26-bbac-9e2d00ee5aeb
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范文四：光时分复用的研究
光时分复用技术的研究
电信本082班 学号0805401230 冯丽英
摘要：随着科学技术的发展和社会的进步， 人们对信息的需求量越来越大， 促进了对大容量通信系统及网络技术的广泛研究，OTDM 技术就是其中的一种。OTDM是光域中时分复用和解复用，它把各个支路光信号变换成高速率、超窄短脉冲信号，然后间插到复用信道中已分配好的时隙上。整个复用过程和接收端的解复用过程都是在光域中完成的，不需要光电转换，因而消除了电子屏颈，即避开了电子设备的速率限制。为了实现的OTDM传输，OTDM系统的关键技术主要包括：超短光脉冲发生技术、光复用/解复用技术、时钟提取和同步技术、高速信号传输技术。OTDM技术可以实现较大数目的水听器复用、在光纤光栅补偿色散可以采用40Gb/s 光时分复用进行光纤光栅补偿色散和利用WDM与TODM混合可提高光网络系统的性能等。
关键字：OTDM技术、时分复用、解复用、超短光脉冲、高速信号传输技术、时钟提取等。
目录
第一章 光时分复用原理
1.1引言
1.2光时分复用原理
第二章 光时分复用技术
2.1超短光脉冲发生技术
2.2光复用/解复用技术
2.3时钟提取和同步技术
2.4高速信号传输技术
第三章 光时分复用技术的应用
3.1光纤水听器时分复用系统串扰的理论分析
3.2 40Gb/s 光时分复用与光纤光栅补偿色散
3.3 WDM/OTDM混合光网络
3.4、光时分复用的发展趋势
3.5、基于 AWG 的波分/时分复用 FBG 传感器网络研究
第一章 光时分复用原理
1、1引言
随着科学技术的发展和社会的进步，人们对信息的需求量越来越大，促进了对大容量通信系统及网络技术的广泛研究，OTDM 技术就是其中的一种。OTDM 之所以引起人们的关注，主要有两个原因: OTDM 可克服WDM 的一些缺点，如由放大器级联导致的谱不均匀性， 非理想的滤波器和波长变换所引起的串话，光纤非线性的限制，苛刻要求的波长稳定性装置及昂贵的可调滤波器； OTDM 技术被认为是长远的网络技术。
为了满足人们对信息的大量需求，将来的网络必将是采用全光交换和全光路由的全光网络，而 OTDM 的一些特点使它作为将来的全光网络技术方案更具吸引力： 可简单地接入极高的线路速率( 高达几百 G bit/s)；
支路数据可具有任意速率等级,和现在的技术(如 SDH)兼容；
由于是单波长传输, 大大简化了放大器级联管理和色散管理；
网络的总速率虽然很高, 但在网络节点, 电子器件只需以本地的低数据速率工作； OTDM 和 WDM 的结合可支撑未来超高速光通信网的实现。
在超高速传输系统中，电子电路的响应速度形成了瓶颈 。 电时分复用(ETDM) 技术受到电
子瓶颈的限制，其理论速率约为 50~100 G bit/ s，而如今商用系统单信道速率已达到40 G bit/ s， 因此，再进一步提高传输速率已甚为困难。OTDM 实质上就是将多组电脉冲信号分别转换为等速率光脉冲信号，经压缩后在光层上进行时域复合，成为更高速率的光脉冲信号， 这样一来，电子瓶颈就不复存在了。单信道速率可达到数百G bit/s，而且尚有很大潜力可挖因，此要进一步提高单信道的传输速率，唯一可行的办法就是采用 OTDM 技术。基于 OTDM 技术的光通信研究最近几年发展甚为迅速，日本 NTT达到的水平是有代表性的，其中的一些技术成就让人耳目一新: 1999 年 NTT 公司又将 OTDM 和波分复用(WDM)技术相结合实现了 3Tb/s的光纤通信传输系统，2002 年 Agere 公司报道了基于 80Gb/s 的 OTDM 和 40 信道的WDM 技术相结合实现3.2Tb/s 的 1000km 传输，2002 年日本的 OKI 公司和加拿大的 NOTEL 公司报道了160Gb/s 的 OTDM 系统的 300km和 480km。2003 年日本 Fujitsu 公司和德国 HHI 公司报道了采用全光再生技术的 160Gbit/s OTDM 系统，2004 年日本 OKI 公司基于 OTDM 技术开发出了 160Gbit/s 的光发射和接收机，在无前向纠错的条件下可实现 640km 的光纤传输。由于 DWDM 技术的广泛采用以及现有光纤通信系统容量的闲置，OTDM 技术尽管在世界上著名的光通信公司都得到广泛研究，但在实际铺设的系统中还没有得到真正的应用。
1.2光时分复用的原理
OTDM是光域中时分复用和解复用，它把各个支路光信号变换成高速率、超窄短脉冲信号，然后间插到复用信道中已分配好的时隙上。整个复用过程和接收端的解复用过程都是在光域中完成的，不需要光电转换，因而消除了电子屏颈，即避开了电子设备的速率限制。图1.1所系是一个典型的OTDM点对点传输系统。超短光脉冲（即管带很窄的光脉冲）源在适中的控制下产生重复频率为时钟频率的超短光脉冲，该超短光脉冲经EDFA放大后分成N路，每路光脉冲有个支路信源单独调制，支路信号的频率和时钟源的频率相同，调制后的信号经过不同的时延后用合路器合并成一个信号，完成复用功能，变成一路高速OTDM信号。假设支路信号的速率为B，则复用后的OTDM信号为N*B，其中B可为任意速率的SDH信号。OTDM信号经光纤传输到达接收端后首先进行时钟提取，提取的时钟作为控制信号送到解复用器解出各个支路信号，再对各个支路信号单独接收。
图1.1 OTDM点对点传输系统
第二章 光时分复用技术
OTDM系统的关键技术主要包括：超短光脉冲发生技术、光复用/解复用技术、时钟提取和同步技术、高速信号传输技术。下面对这些技术做简单的介绍。
2.1 超短光脉冲发生技术
为了实现超高速的OTDM传输，光时分复用要求光源产生高重复率(5～20GHz)、高稳定性、占空比相当小的超窄光脉冲,脉宽越窄可以复用的路数越多,且谱宽也就越宽。能满足这些要求的光源主要有锁模环形光纤激光器(MLFRL)、锁模半导体激光器、DFB 激光器加电吸收调制器、(EAM)、增益开关 DFB 光器和超连续(SC)脉冲发生器。其中:(a)MLFRL 的最大特点是产生的脉冲几乎没有啁啾,在40GHz的高频范围不需要进行啁啾补偿或脉冲压缩,就能产生 ps 级的超短变换极限(TL)光脉冲，输出波长较灵活,稳定性好,但技术较复杂，国外采用较多，是一种很有前途的 OTDM 光源；(b)DFB 激光器加 EAM：这种光源的特点是重复频率可以是任意的，不受调制器的限制，并容易与外部信号同步。
与MLFRL相比，结构简单，且EAM已商用。可产生接近TL的光脉冲，脉宽15ps左右，最小 9ps，结构简单，稳定性好，但脉宽较宽；(c)增益开关半导体激光器具有动态“单模”特性，在 10GHz 重复频率下，输出脉宽经简单的啁啾补偿(用正色散的色散位移光纤或啁啾光纤光栅)和滤波，可压缩到 5ps，结构简单、紧凑、廉价、稳定性好、速率灵活、技术成熟；(d)SC 光源的特点是:强泵浦脉冲的频谱在某一连续范围被展宽而脉冲的性质不变，能产生脉宽小于 1ps 的 TL 光脉冲，波长可变，频谱宽(>200nm)，现在不太成熟。
(1) 锁模环形光纤激光器(ML-FRL)
ML-FRL 是一种常用的技术，结构示于图 2.1。激光腔包括一个含有掺铒放大器的光纤环，用以提供增益。谐振腔中的谐波在谐振腔中多次往返驱动调制器可实现锁模。谐波与调制器驱动的同步通常需要对整个激光腔长进行有效控制。这可以通过监控激光的部分输出来实现，从而可将其用于对光纤长度进行有效的控制。若在光纤环路中用 6.3GHz 的时钟信号驱动，并用电动式延迟线改变和稳定激光腔长，可得到 3.5ps 的脉冲串。对此脉冲串进行外调制并进行时分多路复用，即可产生100Gbit/s、200Gbit/s乃至更高的窄脉冲串。
图2.1锁模环形光纤激光器
(2) DFB 激光器加电吸收调制器(EAM)
它是将连续振荡的激光器中的激光射入正弦波驱动的EAM中，即利用EAM直接调制CW激光器中发射出来的光产生 GHz 级重复频率的短脉冲。图 2.2 示出了英国皇家学院研制成的 DFB 激光器+EAM 脉冲源。来自 CWDFB 激光器的光耦合进MQWEAM，EAM 为直流偏置，并用10GHz的正弦电信号驱动,所产生的脉冲在一定长度的色散补偿光纤(DCF)中传递,功率放大产生了超短光脉冲，并对此脉冲的光谱进行滤波便可产生重复率为 10GHz 的高稳定性的连续可调的 TL光脉冲。如果调整一下调制器带宽和掺铒放大器中的最大平均功率，还可得到40GHz 的最大重复率。
图2.2 DFB 激光器加 EAM 系统
(3) 超连续(SC)光源
SC 脉冲也称透明脉冲，它可以由自聚焦、自相位调制、交叉相位调制、受激拉曼散射和四波混频的共同作用，在多种非线性材料如固体、气体和半导体等中产生。用于光通信的 SC 脉冲可用增益开关激光器的脉冲激励，在 DSF 上产生，并可从带宽达 200nm 的 SC 源中用滤波器滤出 TL 的 ps～fs 量级的SC脉冲。SC光源一般由MLFRL、EDFA和SC光纤等部分组成,泵源是MLEDF环形激光器，输出3.3ps的短脉冲，时间带宽乘积为0.38，用掺饵光纤放大器(EDFA)将泵浦脉冲的峰值功率放大到 1.7W,经过 3km 的色散位移 SC 光纤(在 1542nm 波长上的色散为+0.1ps/(nm·km)，输出 SC 信号。利用这种结构已得到脉冲宽度为 0.25～0.39ps 的 SC 脉冲,在波长为 1530、1550 和 1560nm 时的时间与带宽乘积分别为 0.11、0.14 和 0.12，此值与洛仑兹频谱脉冲的时间带宽乘积值(0.11)基本一致
2.2 光复用/解复用技术
为了消除电子屏颈，OTDM利用光纤、光半导体及其它介质的超高速非线性效应来实现光域的复用/解复用功能。OTDM的复用方式主要包括比特间插和时隙间插两种。在比特间插的OTDM系统中，来自不同信道的低速数据按比特间插的方式复用为高速的OTDM数据流。在基于时隙的OTDM系统中，总线时间被分割成由多个比特组成的时隙，用户根据网络协议吧数据段或数据分组插到这些时隙中去。与比特间插相比，时隙间插方式有明显的优势，这是因为时隙间插利于采用分组交换技术和对带宽的统计复用技术，可以提高带宽利用率和网络的吞吐量，减小访问时间及网络时延等。
1、 OTDM复用器
OTDM复用器主要采取并行和串行两种复用结构，分别如图2.3、图2.4所示。图2.3中的并行复用结构同时调至复用的各个子信道，在通过适当的延迟器或调相器将子信道的位置相互错开，然后通过耦合器将各个错开的子信道以比特间插方式合在一起。并行复用结构
图2.4所示的串行复用结构将超短脉冲信号串行调制，该方式简单，但须消除因器件串联而积累起来的有害因素对波形的劣化影响。
2、 OTDM解复用器
OTDM解复用器是OTDM系统中最关键的器件之一，一般来说，光域的时分复用技术比较容易实现，而光解复用技术实现难度较大，这是因为OTDM解复用器需要快速、稳定、无误码率地工作，与偏振无关，且定时抖动值小，控制功率还要低。OTDM解复用器实质上就是一个高速光开关，典型结构包括非线性光环路镜（NOLM ， Nonlinear Optical Loop MIrror）、T赫兹非对称解复用器（TOAD， Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer）和以SOA的马赫—曾德尔干涉仪（ SOA—MZI，SOA—assisted Mach—Zehnder Interferometer）等
（1） 非线性光学环路镜(NOLM)
最常采用的 NOLM 是利用色散位移光纤和半导体激光器构成的。NOLM 解复用器是利用两个相对传输的光信号脉冲之间的干涉现象实现解复用,这两个具有相等幅度的相对传输的光信号脉冲在耦合器中重新复合并干涉。图2.5的原理构成NOLM的基本结构，在控制脉冲的作用下,通过光克尔效应改变了与控制信号传输方向相同的信号的相位。一个波长的光为高功率控制脉冲,另一个波长的光为低功率的连续波信号,由于两个波长光的交叉相位调制,高功率控制脉冲使低功率信号光脉冲串产生非线性切换。解复用是用本地光脉冲从输入光信号流中选择所需要信道的脉冲来完成的。
图2.5 NOLM解复用器基本结构
（2） 太赫兹非对称光学解复用器(TOAD)
太赫兹非对称光学解复用器(TOAD)开关具有结构简单，泵浦功率低，光纤短等特点，图
2.6所示为T以D解复用器的结构图。SOA不对称地位于光纤环路的一侧上，时钟脉冲从同侧输入光纤环，而OTDM信号经由藕合器注入光纤环路，成为沿环路顺时针(CW)和逆时针(CCw)
传输的两路信号分量。在没有时钟脉冲时，信号光的功率比较小，对S以动态增益特性的影响可以忽略。邝和C以信号脉冲经历同样的不饱和放大增益，在输入藕合器从反射端口输出。但当功率较大的时钟光入射SOA时，它将使S以处于饱和增益状态，从而改变其动态增益特性。而同时注入S以的两束信号分量将获得不同的增益，信号脉冲获得的增益不但会改变脉冲的能量还会改变脉冲的相位。这样，如果适当调节信号与时钟脉冲之间的时延，保证顺时针信号分量在时钟脉冲之一前到达s0A，而逆时针信号分量在时钟之后到达污以，则目标信道的两信号分旱将获得较大的增益差和相应的相位差，从而再次由祸合器祸合后从环路的2端口输出。而对于非目标信道，由于没有时钟脉冲存在，其两个脉冲分量获得相印的增益和相位，再次祸合后将从1端口反射，从而实现了OTDM解复用。
图2.6 TOAD解复用器的基本结构
（3） 辅以SOA的马赫—增德尔干涉仪
与TOAD开关相比，MZI型全光开关可鲜产生比较对称的开关窗口形状。图2.7所示为一种非对称偏置的基于SOA的马赫一曾德尔(SOA一MZI)全光解复用器的结构图。在MZI的两个肴上，不对称地放置两个SOA，这两个S以的间距决定了MZI的开关窗口宽度。接收到的信号脉冲从MZI的1端口输入3dB藕合器C，被分为等幅的两束分量并分别沿MZ工上臂和下臂传输，时钟脉冲串从4端口耦合进MZI，也被分为等幅的两束分量传输。由于两个S以位置的不对称，沿下臂传输的时钟脉冲首先到达S以2，但是对于从另一方向输入的信号脉冲，则是沿着上臂传输的信号分量先到达S以，。如果两个SOA的间距对应的光程差为丁/2，由于等幅的时钟分量引起的SOA动态增益响应是相同的，两束信号分量对应的时域位置就相差两倍的S以间距。基于S以的MZI型解复用器的开关窗口宽度等于T，即两倍的s以间距。位于开关钳钧内的信号将从MZI的3端口输出，从而实现信号的解复用。
图2.7 SOA一MZI解复用器结构图
2.3 时钟提取和同步技术
OTDM系统的复用、发送、接收和解复用等都离不开同步时钟。如何直接从复用的信号中恢复出光时钟是OTDM的关键技术之一。OTDM的始终提取技术大体分三种：电时钟提取、光电锁相环时钟提取和全光时钟提取。
1、 电时钟提取
OTDM中的电时钟提取和TDM中的方法相同，采用一个高Q值的滤波器直接提取时钟。这种方法比较简单，但是不适用于告诉的OTDM系统。
2、光电锁相环时钟提取及利用
利用NEL公司的10GHz 时钟提取模块，基于光电锁相环的方式提取出对应的基频时钟信号， 之后基于 EAM 完成信号的解复用。 但由于这种结构只能提取出第一路的数据信号，需要对此结构进行改进。在此基础上添加了 LiNbO3调制器及相移器，如图2.8所示，尝试采用 F.Cisternino等人于1998 年提出的基于Miller 分频器原理的注入光电混合振荡器的时钟提取方式，提取出时钟后， 逐渐调节 EAM 前的相移器并且通过改变 EAM 两端的反向直流偏压来调节窗口的宽度和位置，逐渐调出各个时隙的信号，从而可以实现各个信 道的解复用。 此结构下提取出的时钟信号眼图如图 5(b)所示，由于 LiNbO3调制器引入较大的损耗，降低了信号的功率及信噪比，时钟分量的抖动增大。
图2.8 光锁相环时钟提取原理结果 图2.9 时钟信号眼图
3、全光时钟提取
全光时钟提取技术主要利用子脉动半导体激光器注入锁定技术，或窄代光滤波器技术，是速度最快的时钟提取方式，发展潜力大，但技术不成熟。
4、同步技术
同步是数字通信技术中的重要问题。数字通信系统能否有效地、可靠地工作，在很大程度上依赖于有无良好的同步系统。在数字通信系统中，按照同步的功能来分，有载波同步、位同步(码元同步)、群同步(帧同步)和网同步(通信网中使用)。
（1） 载波同步
数字调制系统的性能是由解调方式决定的。相干解调中，首先要在接收端恢复出相干载波，这个相干载波与发送端的载波在频率上相同，在相位上保持某种特定关系。在接收端获得这一相干载波的过程称为载波跟踪、载波提取或载波同步。载波同步是实现相干解调的先决条件。
（2）位同步
位同步又称为码元同步，或比特同步。不管是基带传输，(相干或非相干解调)，都需要位同步。因为在数字通信系统中还是频带传输，消息是由一连串码元序列传递的，这些元通常都具有相同的持续时间。由于传输信道的不理想，以一定速率传输到接收端的数字信号，必然是混有噪声和干扰的失了真的波形。为了从该波形中恢复出原始的基带数字信号，就要对它进行取样判决。因此，要在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个码元定时序列的重复频率和相位(位置)要与接收码元一致，这样才能保证:①接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同。②取样判决时刻对准最佳取样判决位置。这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。通常，我们把位同步脉冲与接收码元的重复频率和相位的一致称为位同步或码元同步，而把同步脉冲的取得称为位同步提取。
（3）帧同步
帧同步也称为群同步，对于数字信号传输来说，有了载波同步就可以利用相干解调的方法解调出含有载波成分的基带信号包络，有了位同步就可以从不甚规则的基带信号中判决出每一个码元信号，形成原始的基带数字信号。然而，这些数字信号是按照一定的数据格式
传送的，一定数目的信息码元组成一“字”，若干“字”组成—“句”，若干“句”构成一帧，从而形成帧的数字信号序列。在接收端要正确地恢复消息，就必须识别句或帧的起始时刻。在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，必须识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置即接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号，称获得这些定时序列为帧(或群)同步。
（4） 网同步
当通信是在点对点之间进行，并且完成了载波同步、位同步、帧同步之后，就可以进行可靠的通信了。但现代通信往往需要在许多通信点之间相互连接，构成通信网。在一个数字通信网中，需要把各个方向传来的信码，按它们不同的目的进行分路、合路和交换，为了有效地完成这些功能，必须实现网同步。
2.4 高速信号传输技术
EDFA问世后，限制高速光的传输距离的因素主要有三个:损耗、非线性效应、色散。其中掺铒光纤放大器(EDFA)的出现使得损耗不再成为限制高速光传输距离的主要因素。但随着光传输速率的提高和传输距离的增大，光纤的非线性效应和色散对光传输系统的影响变得越来越突出。
为解决光纤的非线性效应和色散的影响，目前主要的解决方案是负色散大有效面积光纤和色散补偿技术、色散管理技术。负色散大有效面积光纤，能够克服四波混频非线性效应;斜率降低的大有效面积非零色散位移单模光纤，可以有效降低C波段和L波段色散补偿的复杂度和成本，并利用其部分色散克服自相位调制、交叉相位调制和四波混频[32]。色散补偿技术一般采用色散补偿光纤(DCF)进行色散补偿，一般的DCF的色散值约为-1ooPs/nm·km，即大约需要 17km的色散补偿光纤来补偿100km普通单模光纤在 1.55那处的色散123〕。色散管理技术是通过对传输光纤线路上的色散进行仔细搭配，不仅能够进行散补偿，而且能够对非线性效应起到抑制作用。单通道160Gbit/s系统中的色散补偿和非线性抑制具有一定的难度，主要原因是160Gbit/s系统中色散容差小，其比特周期仅6.25Ps，色散容差为
3.91ps/nm，且传输的色散和非线性效应随时间而变化。160Gbit/s OTDM实验系统要求误码率小于10￣9传输100km，我们采取的方案为90km普通单模光纤 +l0km补偿光纤来实现的。如图2.10巧所示。为了说明传输采用的方案，在图2.11中，激光源、频率合成器、调制器及光时分复用器等用光发射
图2.10 基于EAM解复用器的工作原理 图2.11 160Gbit/s OTDM实验系统传输
方案
第三章、光时分复用技术的实际应用
时分复用技术虽然还不成熟，但是在实际生活中大有用武之地，其实际应用如时分复用技术可以实现较大数目的水听器复用、在光纤光栅补偿色散可以采用40Gb/s 光时分复用进行光纤光栅补偿色散和利用WDM与TODM混合可提高光网络系统的性能等
3.1光纤水听器时分复用系统串扰的理论分析
光纤水听器是一种光纤传感器，通过水中声波对光纤的压力作用引起光纤中传播光束的光程改变， 进而导致相位发生变化， 采用干涉测量技术可以检测出相位变化，从而得到有关水声的信息。由于水下声场的复杂性，单个水听器很难获得目标的详细信息，必须通过阵列来实现声场信号的波束形成，因此光纤水听器阵列的多路复用技术就成为研究的重要课题之一。在各种光纤水听器多路复用技术方案中研究最早、最简单有效的是时分多路复用技术。时分复用技术可以实现较大数目的水听器复用， 易于与其他复用技术相结合，提高系统的复用能力，降低系统体积和成本。典型的时分复用系统是利用光开关产生光脉冲，经延迟光纤提供相应的时间延迟， 注入到阵列中各单元光纤水听器， 然后从水听器返回一组携带水声信息的脉冲。系统在任意时刻都要求只有一个通道导通，而其他通道完全关断。而实际的光开关由于消光比有限，并不能完全关断， 从而导致复用系统存在通道串扰若通道间串扰量过大，一般要求时分复用系统中串扰低于- 40 dB) ， 将导致系统复用能力下降， 甚至使系统对水声信息检测出现极大的偏差。
3.2 40Gb/s 光时分复用与光纤光栅补偿色散
近年来，对光纤色散补偿的方法是色散补偿光纤( DCF) 和啁啾光纤光栅( CFBG) ；其中色散补偿光纤通过设计光纤结构与折射率分布， 使光纤在1. 55 m窗口具有较大的负色散系数与负色散斜率。色散补偿光纤补偿技术是一种较成熟的技术，目前在全世界的高速通信系统中得到了广泛的应用。但色散补偿光纤有效面积小，有强非线性，损耗大， 波分复用( WDM) 系统中只能完全补偿一路，残留色散大，并且色散补偿量不可调。色散补偿光纤和啁啾光纤光栅是两种比较有发展前途的方法， 但色散补偿光纤的缺点使其在密集波分复用( DWDM) 和 10 Gb/ s 以上系统应用受到限制。
在高速光时分复用( OTDM) 系统中，高速超短光脉冲的传输技术是十分关键的技术。因此，探索和研究在普通单模光纤中传输 40 Gb/ s 光脉冲具有重要的意义。在 40 Gb/ s( 4 10 Gb/ s) 的光时分复用系统中，采用 G. 652 光纤，利用低偏振模色散宽带啁啾光纤光栅进行色散补偿，成功地补偿了122 km 40 Gb/ s 光时分复用传输系统中普通单模光纤的色散。对于 40 Gb/ s 光时分复用系统来说，光纤光栅的带宽有特殊要求。40 Gb/ s 光时分复用光脉冲传输系统光源脉冲宽度是 4~ 5 p s，所以光脉冲的谱线宽度超过1. 0 nm，而制作光纤光栅的掩模板最长仅为140 mm，在此长度限制下，光纤光栅的带宽与色散补偿量是互相制约的。如果要求在 40 Gb/ s 光时分复用传输光脉冲超过 1. 0 nm 谱线宽度范围内，光纤光栅阻带内反射谱平坦，掩模板的设计带宽要达到 1 nm 以上，而在 1 nm 带宽做到反射谱平坦比较困难。
3.3 WDM/OTDM混合光网络
利用 WDM 和 OTDM 技术组合构成的混合系统可以互取技术优势，具有光纤带宽资源利用率高、系统传输容量大、构建技术简单、性能价格比合理等优势，是解决干线高速大容量传输的多用户通信网络的最佳方式。高速率 OTDM/ WDM的复合网络避免了电子瓶颈的限制，极大地提高了网络的容量和吞吐量。
3.4、光时分复用的发展趋势
OTDM技术在最近几年里确实取得了非常丰硕的成果，未来OTDM的发展有可能朝着以下几个方向发展。（1）OTDM的研究取得更大的成功，在超高速和长距离方向上进一步发展，与此同时实现了OTDM的实用化。OTDM复用更多路数的低速信号达到超高速光传输，且传输速率和传输距离能够与DWDM相媲美。此时因为OTDM拥有比WDM更优的成本和更有
利的网络管理，OTDM必将得到更广泛地认可和应用。（2）ETDM的更快发展，目前国际上有一些观点认为，ETDM的速率将会得到进一步提升，我们通常认为的ETDM的瓶颈将会得到突破。为此，国外在ETDM也做了不懈地研究，最新实验室ETDM的速率达到了1ooGbit/ s。倘若ETDM的速率能够得到进一步的提升并且能够实用化，那未来OTDM的速率也会相应地向更高速率发展。（3）另外的一种发展可能也是得到最广大共识的就是OTDM技术与DWDM技术相结合。基于WDM已经成熟并且实用化的特点，而OTDM更利于网络管理，二者取长补短，相互结合能够达到更超高速的传输。从以上三个OTDM的发展趋势上来看，无论将来OTDM的发展沿哪一个方向，毋庸置疑地是，现阶段研究OTDM对光通信的发展甚至人们的生活具有非常重要的意义。现阶段OTDM技术尚不成熟，研究OTDM具有相当大的挑战意。
3.5 基于 AWG 的波分/时分复用 FBG 传感器网络研究
为了充分利用传感器网络在频域和时域上的丰富资源，提出了一种采用 WDM/TDM 的网络复用技术的新型分布式 FBG 传感器网络。将 FBG传感器利用阵列波导光栅( AWG) 进行波分复用，并利用程控光开关对波分复用信道中的每一个 FBG传感器进行时分复用。网络中的传感器数量可达几百只。以可调法布里—珀罗( F-P) 滤波器和数字信号处理器为核心的解调模块，通过布设的参考 FBG 能够对 F-P 滤波器特征曲线进行实时校正，提高了解调准确度。传感过程实现了自动化，该传感器网络可以对矿井、地下隧道等危险环境进行实时温度测量、预警，具有很好的应用前景。
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燕山大学 信息科学与工程学院 传感器与微系统第29卷第9期 2010年7月
范文五：基于统计时分复用技术的三维片上网络
基于统计时分复用技术的三维片上网络
..
第卷第期 电子与信息学报
年月& .
基于统计时分复用技术的三维片上网络
王佳文
李丽木 潘红兵 李伟 张荣
南京大学微电子设计研究所 南京
南京大学江苏省光电信息功能材料重点实验室 南京
摘要:在片上网络 ,系统中,本地子系统通常基于总线结构,而全局通信则由基于包交换
的网络构成。然而,由于总线和网络之间通讯机制的差异,当本地子系统内各核访问全局资源的时候,系统整体性
能将下降。在 中,由于全局网络规模的扩大,该问题将越发显著。对此,该文提出一种基于统计时分复用 架构。该架构首先在本地子系统引入控制
,技术的
单元,然后在网络接口设计中增加了计数及等待机制,并对路由节点针对技术进行了优化设计,以增强对
的支持,减小总线、网络间的差异。同时,该文还充分利用帧的特点,设计了一种新的数据包格式,
以进一步降低全局通信的网络负荷。为证明新方案的高效,该文采用语言进
行系统级建模,仿真结果表
明:该方案在降低网络负荷、减小通信延时方面有着显著效果。最佳情况下,
两者可以分别降低为传统方案的%
和.%。而实际应用中,尤其对于通信密集型应用而言,该方法的改善效果也同
样明显。
关键词:片上网络;统计时分复用;层次化存储架构 中图分类号:. 文献标识码:
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引言
出以来,其采用的网络通信架构的确在一定程度上 缓解了系统瓶颈问题。然而当核数急剧增加时,仍 自片上网络
,】概念提
然无法避免全局连线过长等一系列相关问题的出 现。于此同时, 技术【旧趋完善,并且由于其 ??收到,?改回
良好的发展前景而备受瞩目。由于其将器件分布在 国家自然科学基金,,江苏省产学研前瞻性联合 研究项目,中央高校基本科研业务费专项资金 各层上,而层问通常采用硅通孑
和江苏省普通高校研究生科研创新计划 ,技术垂直互连,因此其能够有效缩短器 资助课题
件之间的互连线长度,避免大平面跨度的长互连线, 通信作者:李丽..
万方数据
电子与信息学报
第卷
、从而降低连线复杂度、减少互连线效应影响,以及 此这两者问的差异必然造成极大的通信开销而成为
降低拥挤度。作为上述两种技术的融合, 被 系统访存瓶颈所在。正如同文献中所说,如何有
提出并受到广泛关注刚。考虑到 系统一般涉 效地将本地子系统内的局部通信和全局网络间的通
及较为庞大的全局网络,因此为提高系统访存能力, 信结合在一起已经成为迫在眉睫的问题。
本文提出一种基于统计时分复用
在设计时常采用基于层次化的设计。一般而言,层次化
系统可根据存储层次的不同分为多个 ,技术的层次化
。与传统做法中以时间片为基本单位不同,该
等级:单个处理器核,各核配置私有存储器,即
技术以帧为复用的基本单位,每一帧可以包
三级存储单;元 ;由若干个核构成
的本地子系统,子系统内部还包含二级存储单元 含多个主设备信息。这种以帧为基本单位的传输模
式和全局通信中采用的包交换传输模式一致,因此
,用于核间数据交互;若干子系
统又以某种拓扑架构互连,从而构成整个系统,并 该方法可减少两者间通信的差异,有效增强各核访
。 问网络的能力。同时,本文充分利用同一帧内数据
配有一级存储单元
在层次化 中包含种存储层次,因此各 间的相关性,改进帧格式,进一步提高
信息密度,
处理器可以分别在不同层次上同时进行访存,增强 降低了网络负荷。
了系统对存储单元的并发访问能力,因而可以显著 基于技术的 架构
提高系统性能。然而,和传统市比, 又
.基于技术的本地子系统架构
具有规模较大,节点较多等特点,这也就增强了系 传统总线通常采用时分复用
统对全局通信能力的需求,而这正是本文研究的主 ,技术,即总线上的各主设备
要出发点。
以基于时间片的方式依次使用总线,每一 目前,诸多研究机构针对 架构提出各
时问片内只有一个主设备拥有总线使用权。某主设 种方法来改善系统性能,他们中多数从全局互连的 备获得总线使用权时,其他主设备均处于等待状态, 角度出发,兼顾考虑系统性能和灵活性两个方面进 如图中基于技术的总线所示。
行优化。文献『也指出,在 中,单就拓扑 由图可见,当主设备获得总线使
架构的选择这一方面就比以往更加丰富,也更具挑 用权后,其他所有主设备均处于等待状态,直到主 战性。如文献『利用其建立的精确仿真模型比较了 设备释放总线后,才可以申请使用。在通常情况 多种常见的 架构在吞吐率、延迟等方面的 下,某个主设备一次占用总线的时间较短,因此 在垂直方向互连线长
性能差异。文献『利用
在主设备数量不多,且访问近端挂接于本总线从 度明显小于水平方向的特点,提出在网络一总线混合 设备时,此方式不失为一种高效的复用方法。然而, 结构,结果表明该架构可以充分发挥层问通信 当这种机制的总线被直接用于 各子系统 优势。文献设计了一种网格一树架构,其可以有 时,则当各主设备需要访问远端不挂接于本总线 效提高单位面积下的系统性能。不仅拓扑架构方面, 从设备如 时,其消耗
中的
在核及存储布局问题上,也涌现出不少研究成 的时间将显著增加,对于需要从远端返回数据包 果。仅就 来说,其存储,核布局就出现
的读操作而言更是如此。而在此期间,其他各主设
了诸如?架构、架构、?
备将只能耗费大量时间等待总线使用权,这显然会 架构等,该文献在统一随机交通以及本地交通两种 极大影响系统整体性能。
交通情形下对上述各种架构在吞吐率、延迟等方面 分析可知,时间开销可分为段:源端传
做出对比,进而给出其在不同情形、不同目标下各 输层处理时间;网络层传输时问彪;目的 端传输层处理时间鹉。其中,比在总时间中所占比 自的优劣情况。文献『则结合.编码这一具体 例最大,且随着网络尺寸的增加而增加。 实例,考虑 中存储、核的多种布局对系 一般而言,在系统中,在划分子系统时会 统性能的不同影响。
采用各种映射算法以使得各子系统内各核的任务 然而上述各方法多关注全局互连在整体通信中 之间具有较高的相关度,而各子系统之问则相关度 的作用,如全局拓扑选择,布局等,而忽略了所 较低。对于层次化
而言,由于其存储层次
有传输的起点和终点均在本地子系统内部这一事 分明,这种相关度将体现得越发明显。因此对于某 实,因此也就忽略了本地子系统和全局网络交互过
一子系统而言,其所需要访问的数据在存储空间上 程的优化空间。然而,由于本地子系统通常采用总 ,因 常具有相关性,具体体现为:访存对象的网络地 线架构而全局网络采用基于包交换的通信 万方数据第期
王佳文等:基于统计时分复用技术的三维片上网络 。
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请求?设备????/\????????????????????????????????一 /???????????????????????弋
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应替钳???二二互匿五互二二×二二二至重互区二 图两种机制的总线访问示意图
址一致;地址之问的偏移小于某设定阈值。一方 面,如果充分利用这种相关性,则可以使各主设备
的访存需求被打包在同一网络包内完成,以此分摊 坦的开销。另一方面,考虑到技术中以帧为 基本单位这一特点,可以将多个主设备访问相同网 络地址的任务放置到同一帧内,交由
进行统一打包、传送处理。这样,各主设 备访存开销中的忽部分可以共用,而?和如部 分则分别变为,,和 ,,。然而,如
前所述,挖是中比重最大的,因此总体时间仍然 可以得到有效降低。其具体访问过程如图中基于 技术的总线所示。
在实际传输过程中,子系统内各核在同一时间 点在数字电路中表现为同一时间周期发起访问总 图基于技术的 簇内架构示意图
线请求的概率不高。针对这一问题,本设计将在网 络接口设计中引入等待和计数机制具体见.节, 的申请具有相关性,则可以放在同一帧内处 使得即便多个主设备申请访问总线的时间稍有先 理。此时,控制单元将记录下该申请号, 后,只要其间隔小于等待时间上限,仍可视其为同 进入等待计时状态。如果等待计时超过了允许上 时发生请求,放到同一帧内处理,从而提高 限 ,则处理所有已记录的主设备申请,并对
帧形成概率,使系统实用性更强。
总线进行锁定,其他主设备在处理过程完成之前均 本地子系统最终采用的架构如图所示以个 无法使用总线。反之,如果在等待时间内有新的主 主设备为例。
设备进行总线申请,则重复上述过程。除了等待时 由图可以看出,该架构与传统总线的区别主 间有上限 以外,控制单元中所能记录
要在于:将传统总线中从设备反馈信号里的部分逻 下的主设备申请个数也设置了上限咒,如果 辑分离出来,交由控制单元处理,而其他部 记录的申请个数达到这一限制,同样会跳出等待状 分则保持不变。其中,控制单元和所有涉及 态,进入对申请的处理及锁定总线过程。 到帧处理的单元进行控制交互,尤其是增加 .全局通信路由节点及包格式设计
了网络接口 ,控制单元之
由于全局网络采用基于包交换的通信技术,因 问特殊控制信号的交互,以解决前文所述的主设备 此通常而言,其数据包由包头、包体和包尾部分 申请访问总线时间稍有先后的问题。 组成,其中,包头:包含必要的路由和网
络控制
具体而言,当某个主设备申请使用总线时,首 信息;包体:传输的主体部分,其主要内容为
先由对其进行判断,如果该申请和已经记录在案 帧,通常由控制信息和有效数据两部分组成;
万方数据第卷
电与信息学报
.包尾:指示包的结束。对于任何类型的数据包, 主要包含多路选择器、仲裁器和输出控制个模块,
模块间则由数据及控制通路相互连接。其中对包类
其包头和包尾均由一个数据帧构成,但包体部
模块完
分则有所不同。对于普通数据包,包体部分由一个 型的区分由
数据帧组成,而对于基于技术形成的数据包, 成,并产生相应控制信号以影响仲裁模块和数据通
其包体部分则由无法事先确定个数的数据帧组成。 道的使用。
因此在技术引入后,网络数据包具有两种基
实验与分析
本类型,且在类型下,其包体长度为不定值。
.实验环境
以总线宽度为 的情况为例,最终设计的数
本设计搭建了一款基于语言的周期精
据包格式如图所示。其中每个数据帧均为 ,
确系统级仿真模型。该模型采用如图所示的维 包头中的 为目的节点路由信息,
网格架构,其中图为整体架构示意图,图
为初始地址。包体中各负载为实际传输内容,通常 为簇内部架构示意图。其中,网络尺寸可参数化配 情况下为传输的有效数据,但在类型的包中 置,本地子系统分为两类,即图所示的基于 还包括有记录相应控制信息的负载。以与数据信息 技术的运算子系统和由级存储单元
相对应的地址信息为例,在包体的第个负载中负 构成的存储子系统,且运算子系统内的主设 载,在类型下,为充分利用数据间相关的
备数目也可参数化配置。全局网络采用静态路由算 特性,后续数据相应地址不予以传递,而只传递其 法,即按照先后最后的顺序来完成路由。同 与起始数据对应地址之间的偏移关系,后续地址由 时,每个运算子系统内的处理器核数固定为个, 目标节点根据该信息运算得出,以此降低网络负荷, 控制单元中所能记录的主设备申请个数上限 从负载开始才是相应数据信息。而普通包中则仅包 设置为,等待时问上限设置为个时钟
含数据负载。包尾中的负载则包含本地子系统的网
周期。
络标识,主要在读操作时为返回包提供相应信息。 .实验结果与分析
而各数据帧中均包含的
是用来区分当前数据
本实验主要关注新设计方案对网络负荷与执行 帧为包头、包体还是包尾的,同时为了区分两种类 时间的影响。
型的数据包,包头部分的
又分为两种类型,
网络负荷如图所示,其中横坐标表示连
其中,表示普通数据包,表示数据包。
续传输的相关数据个数,纵坐标网络负荷单位为传 各数据帧末尾的 则用来区分读/写操作。 输过程中所包含的数据帧个数。由图可见,当传输 单个数据或不相关数据时,由于本设计兼容普通 数据包和数据包两种类型,因此对普通数据 包头匝亚三至三二固
传输没有任何不利影响。而当传输相关数据时,随 包体叵工二二互二二圈 着连续传输的数据个数的上升,新方案的改善效果
也随着提升,并且稳定在原先值的%一%左右, 普通包/ 。。》\
有效地降低了网络负荷。同时,由于读操作包含发 二玉匝巫丑羽
送的请求包及返回的数据包,因此其改善效果比只 包体叵工二二歪二二圈
有发送数据包的写操作更为明显。
执行时问 除新方案自身参数配置以外,实 验环境也会对执行时间的结果造成影响,如网络繁 包尾叵工二二歪二五
忙程度,路由算法选择,传输距离远近等,本文选 取传输距离远近,即曼哈顿距离即源节点和目的节 图包格式示意图
点之问的网络距离变化来表征新设计在传输环境 变化时性能改善情况。在实验中,每个处理器核先 为适应两种不同类型的数据包,在路由节点设 将各自私有存储单元中的个数连续写入到具有 计中增加了对包类型的判断以及对两种类型包的不 地址相关性的共享存储单元内,然后再将这个 同处理过程,其逻辑框图如图所示。由图可见, 数读回。上述过程保持不变,曼哈顿距离从变到 路由节点由东、南、西、北、上、下及本地对输 ,用传输时延比值表示其对执行时间的影响,其 入输出通道组成。每个输入通道中主要包含缓冲、
实验结果如图所示。为了更明显的显示性能变化 路由器、输入输出握手个模块,每个输出通道则 万方数据
第期
王佳文等:基于统计时分复用技术的三维片上网络 输入
输入
满信
图路由节点设计框图
??本地子系统路由一连线
系统整体架构示意陶 簇内架构小意图 图系统级模型整体架构示意图
、
、
川蛐
【‘,傈作叭何
筏豫作阳珩吐何
图基于技术的簇对网络负荷的影响
万方数据 ’息学报 第卷
图基于技术的簇对执行时问的影响
过程,这里将技术下的执行时间归一化处理, 因此未在图中画出。
方案加速比对照
图与传统
由图可见,新方案对执行时间有着明显的改 善效果。而且随着曼哈顿距离的上升,新方案的改 大量的通信开销所掩盖,而无法充分发挥各核效率。 善效果也随之上升。这是因为曼哈顿距离越长,忽 当采用基于技术后,其加速比提高为., 在中所占比例越大,而新方案的主要作用即多个 也即各核利用率达到.%,比传统架构性能提升 主设备分摊这一开销,因此当这一开销自身在整体 约.%,足见新设计对于提高算法性能有着极其 开销中比重越大时,新方案的改善效果也就越明显。 显著的作用。
当然,新方案的性能受限于及控制单元
结束语
能记录的最大连续传输个数,因此其性能的改善在 本文针对 中总线与网络混合架构,提
达到一定值以后趋于平缓,所以图中曲线呈现出斜 出了一种基于技术的 系统架构及通
率逐渐变小的状况,在最佳状况下其执行时间可降 讯机制,并设计了一种新的数据包格式,以期更好 到传统方案的.%左右。考虑到 相较于
地融合总线和网络两种通讯方式,降低网络负荷, 具有网络尺寸大的特点,正好符合本设计 减少通信延时,提升系统通信能力。实验结果表明, 在较大网络距离下性能越发良好的特性,因此本设 在最佳情况下,本文提出的方案可以分别降低为传 计是非常适用于 平台的。
统方案网络负荷的.%和通信延时的.%。而 应用实例 为进一步从实用性角度验证本 对于真实的通信密集型应用,采用技术的 文所提出的方法,以实际应用中广泛涉及的矩阵运 和传统 相比,加速比可以提升.%。
的优势。基
算为例,说明基于技术
因此基于技术的 更适用于通信
于技术的 主要针对簇内各核访问网
密集型应用,可在网络通信、人工智能等领域得到 的性能进行优
络上级存储单元
广泛应用。
化,因此更加适用于通信密集型应用。本文在网络 参考文献
尺寸为××,存储单元分布如引言部分所述的
系统中进行了实验。首先采用单核,对两 , . 】 ,
个大小为阶的矩阵进行求和运算,两个初始矩阵 ??.
均存放在相距运算核曼哈顿距离为的级存储单 ,,:卜.
元内。然后采用传统 , ..
,
簇内集成核技术对 】
同样矩阵进行处理,簇内各核采用循环分行法读取.矩阵中相应行并完成运
算,以实现算法并行化。最
,,:?,后在采用基于技术的簇内仍然集成 】.?? 核内完成上述运算,并行化方式和传统 : .
一致。,,:?.将加速比定义为:单核执行时间/多核执行时 , , ,酣..
间,实验最终运行结果如图所示。由图可知, .
在传统架构下,对于通信密集型应用,各核只能依 ??, , 次通过总线访问网络,因此效率很低,虽然簇内集 :?.
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成了核,加速比却仅为.,也即多核的优势被
万方数据王佳文等:基于统计时分复用技术的三维片上网络 第期, .., ,,:卜.
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王佳文 男,年生,博士,研究方向为多核处理器体系架构、 ,
片上网络通信架构及通信协议.
..:?.
李丽 女,年生,博士,教授,主要研究方向为研究多核 .. ,
, ,
处理器芯片体系结构及实现方法、?设计方法学.. ??.
万方数据
