利用虚波长路由的全光通信网的色散补偿方法

摘要

公开了一种利用虚波长路由的全光通信网中的色散补偿方法，包括对全光城域网的色散补偿方法和对全光广域网的色散补偿方法；对全光城域网而言，在各个节点处设置频谱反转器，利用各个节点处的频谱反转器和特殊的选路方法对色散进行补偿。对全光广域网而言，在各个节点处和各段链路中距处设置频谱反转器，利用各个节点处及各段链路中距处的频谱反转器和特殊的选路方法对色散进行补偿。

说明书

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种WDM(波分复用)全光网中虚波长路由的色散补偿方法。

人类社会正在向信息社会发展，光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，在信息领域起着举足轻重的作用。光纤中的色散是指当光纤传输脉冲信号时，例如光纤数字通信方式，脉冲信号在传输过程中被展宽的现象。光纤的色散现象对光纤通信是极为不利的。在光纤通信系统中，光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，例如当1.55μm的光信号在正色散光纤中传输时，谱线中高频成份传输速率较高，其携带的信号能量将逐渐集中到脉冲的前沿，低频成份速率较低，能量将逐渐集中于脉冲的后沿，从而出现在光纤传输过程中脉冲不断展宽，相邻脉冲可能发生重叠的现象，即产生码间干扰，形成传输码的失误，造成接收误码率的增大，导致传输速率降低，从而减少了通信容量，并且也限制了光纤的传输距离。

目前常用的点对点色散补偿方法有：

一、利用色散补偿光纤。这种光纤具有较大的负色散，可以用来抵消常规光纤在1.55um波段的正色散，这种方法的优点是补偿带宽较宽，易于安装，缺点是需要的补偿光纤较长，引入损耗较大。

二、采用预啁啾技术。预啁啾的思想是通过对光源附加一个正弦调制，使得脉冲前沿的频率降低，后沿的频率升高，这样在一定程度上补偿了传输过程中由于色散造成的脉冲展宽。这种方案的特点是无需对传输和接收部分作改动，只需在发送激光器上加一个额外的正弦调制即可。但是它要求采用外调制方式，激光器的调频特性要求高。

三、采用啁啾光纤光栅。在光纤或波导上刻蚀一些光栅可以控制光在其中的反射，从而实现光信号的延迟，起到补偿色散、压缩光脉冲的目的。这种补偿方法的优点是体积小，插入损耗小，成本低，可在10Gb/s速率上补偿500km常规光纤上的色散。其缺点是补偿带宽较窄。

四、频谱反转法。这种方法是利用光纤中或半导体光放大器中四波混频效应或差频产生效应在传输中距处将频谱反转，使原来的高频成份变成低频成份，而原来的低频成份则变成了高频成份。之后，光信号再经过下半段光纤传输，则原来速率慢的信号成分经非线性变化后传输速率变得较快，反之亦然，从而起到色散补偿的作用。对于四波混频效应而言，参见图1所示，图中ω_s是信号的中心频率，ω_p是泵浦光频率，ω_c是四波混频的产物，其频谱与ω_s相位共轭，即频谱反转。有ω_c=2ω_p-ω_s；而对于差频产生效应而言，ω_c=ω_p-ω_s。

随着传统和新兴电信业务的增加，使光纤通信系统的传送容量不断提高，但是传统的电交换方式已不能够适应通信业务量增加的要求，以光传输、光交换为核心技术的全光通信技术应运而生，在各种全光通信的网络方案中，比较容易实现和实用的是基于光波分复用(WDM,Wavelength DivisionMultiplexing)技术的全光网络。

WDM全光网由一些波分复用链路和光网络单元组成，在光域上实现传输、复用、选路、监视和保护的功能。WDM全光网有两种路由方式：波长路由(Wavelength Path)与虚波长路由(Virtual Wavelength Path)。前者是在进行通信的节点之间建立一条直通的光通道并为之分配唯一的波长；而后者由于中间节点具有波长变换的能力，在进行通信的节点之间建立起光通道后，再沿着光通道逐段链路地进行波长分配。由于虚波长通道在不同的链路可以使用不同的波长，从而提高了波长的利用率，降低网络阻塞概率，简化了网络的管理和控制。

波长变换技术是虚波长路由的基础。常用的波长变换技术主要有：光/电一电光型、基于半导体光放大器的交叉增益调制和交叉相位调制型、基于光纤或半导体光放大器中四波混频效应型以及光控激光器型。在各种波长变换技术中，只有基于光纤中、半导体光放大器中或激光器中的四波混频效应或差频产生效应的波长变换技术可以实现频谱反转，相对于差频产生效应而言，四波混频的方案容易实现且容易实用化。下面我们用频谱反转器来统一表示基于这两种效应的波长变换器，用频谱反转效应来表示能够实现频谱反转的四波混频效应或差频产生效应等各种效应。

WDM全光网的色散补偿问题是全光网所面临的关键问题之一。目前所提出的WDM全光网中的色散补偿方法，是将点对点的色散补偿技术应用到各个单一的光纤链路当中。针对频谱反转法而言，这种方法是在各段链路的传输中距处设置频谱反转器将频谱反转，使前半段光纤的色散与后半段光纤的色散相抵销，从而起到色散补偿的作用。此种方案的缺点在需要太多的波长变换器而且缺乏灵活性。并且对于全光城域网而言，由于网络非常复杂，会导致投资成本的增加；

本发明的目的之一在于提出一种适用于在利用虚波长路由的WDM全光城域网中实现色散补偿的方法；本发明的另一个目的在于提出一种适用于在利用虚波长路由的WDM全光广域网中实现色散补偿的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中，在该城域网的各个节点处设置有频谱反转器，该补偿方法包含有以下步骤：(一)利用最短路径法选路，即寻找一条最短路径，使光信号所经过的光纤长度最短，并将该路径称为初选路径；(二)分析该初选路径中光通道所经历的链路段数，若该初选路径包含了偶数段链路，则将该最短路径称为选定路径，直接执行下一步；若该初选路径包含了奇数个链路，则将该光通道中的一段或几段链路去掉，并对其重新选路，使之多经历一个中间节点，从而使整个通道所经历的链路为偶数段，并将该路径定为选定路径；(三)选定特定节点；(四)在这些特定节点中利用频谱反转器，在对该光通道中的光信号进行波长变换的同时，使该光信号频谱反转；在非特定节点处，使用其它类型的波长变换器进行波长变换。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点可以满足如下条件甲：特定节点为该光通道中所经历的所有节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点可以满足如下条件乙：将该选定路径拆分成一个或若干个链路组，每一个链路组均由偶数段相邻的链路组成且所包含的链路的数目小于等于选定路径中的链路总段数；以每一个链路组中距处的节点作为(三)中所述的的特定节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点还需进一步满足以下的条件：尽量少占用频谱反转方法所得到的波长。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点还需进一步满足以下的条件：尽量使各个节点频谱反转过程所产生的波长的使用率接近。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中在(三)和(四)之间还可以存在一个步骤：如果可以找到满足条件的特定节点，则执行(四)；如果不能找到满足条件的特定节点，则通过以下方法重新选路：先将整个通道分为大致等距两部分，分别称为第一通道和第二通道；对第一通道利用以下方法确定特定节点：查看第一通道是否经历还能进行频谱反转波长变换的节点，若经过该类节点，且节点位置满足条件乙，则执行下一步骤；否则，对其中一段链路或几段链路进行重新选路，使之满足条件乙，再执行下一步骤；若第一通道不经历能进行频谱反转波长变换的节点，此时，该第一通道必须重新选路，使之经过一个或多个能进行频谱反转波长变换的节点，再根据前述的方法进行重新选路，使之满足条件乙的要求；针对其中的第二通道利用以下方法选定特定节点：查看第二通道是否经历还能进行四波混频波长变换的节点，若经过该类节点，且节点位置满足条件乙，则这半段可以实现色散补偿；若不满足条件乙，对其一段或几段进行重新选路，使之满足条件乙；若第二通道不经历能进行四波混频波长变换的节点，此时，该第二通道必须重新选路，使之经过一个或多个能进行四波混频波长变换的节点，再根据前述的方法进行重新选路，使之满足条件乙的要求；以上的条件乙为：将该选定路径拆分成一个或若干个链路组，每一个链路组均由偶数段相邻的链路组成且所包含的链路的数目小于等于选定路径中的链路总数；以每一个链路组中距处的节点作为特定节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，在该城域网中，如果相邻两段链路的长度相差过多，则在较长的那一段加适当的色散补偿光纤进行调整。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中所述的频谱反转器可以是基于四波混频效应的波长变换器，也可以是基于差频产生效应的波长变换器。

本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的：一种利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中，在该广域网的各个节点处设置有频谱反转器，并且在该广域网各段链路的中距处设置有若干频谱反转器，其特征在于该方法包含有以下步骤：(一)利用最短路径法选路，即寻找一条最短路径，使光信号所经过的光纤长度最短；(二)以该最短路径作为选定路径，分析该最短路径中光通道所经历的链路段数，在该光通道经历了奇数个链路的情况下，则取其中一段链路，在其链路中距处利用频谱反转进行波长变换，再利用光色散元件，对那些经过这段链路，又是由偶数段链路组成的光通道所用波长进行分离，使之不经过波长变换器；在该最短路径包含了偶数段链路的情况下，直接执行下一步；(三)选定特定节点；(四)利用特定节点中的频谱反转器，对该光通道中的光信号进行波长变换，并同时使该光信号频谱反转；在非特定节点处，使用其它类型的波长变换器进行波长变换。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点满足如下条件甲：特定节点为该光通道中所经历的所有节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点满足如下条件乙：将该选定路径拆分成一个或若干个链路组，每一个链路组均由偶数段相邻的链路组成且所包含的链路的数目小于等于选定路径中的链路总数；以每一个链路组中距处的节点作为(三)中所述的的特定节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点的确定还需进一步满足以下的条件：尽量少占用频谱反转过程所产生的波长。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点的确定还需进一步满足以下的条件：尽量使各个节点频谱反转过程所产生的波长的使用率接近。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，在该广域网中，如果相邻两段链路的长度相差过多，则在较长的那一段加适当的色散补偿光纤进行调整。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中所述的频谱反转器可以是基于四波混频效应的波长变换器，也可以是基于差频产生效应的波长变换器。

随着波长变换技术的不断进步，WDM全光网将逐步由波长路由走向虚波长路由。利用频谱反转结合虚波长路由来补偿全光网的色散，在改善网络性能的同时，可以大大减少硬件投资，降低链路损耗，简化网络的光功率管理。此外，这种方案实际上是一种基于软件的色散补偿策略，在实际应用中非常灵活。对于网络中进行通信的节点，只要选择合适的路由方案，在节点间光通道建立的同时，就可以完成光通道的色散补偿。

以下将结合附图，对本发明进一步详细描述，其中

图1示出了四波混频效应产生的频谱反转；

图2示出了一个利用虚波长路由的WDM全光网；

图3示出了一条由四条链路组成的光通道。

在WDM全光网中，是否需要色散补偿以及色散补偿的方式与网络规模有关。

对于局域网，由于节点间距离为几到几十公里，就不需要色散补偿；

对于城域网，节点间距为几十到上百公里，采用频谱反转法可以实现光通道的色散补偿。

实施例1

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点可以满足如下条件甲：特定节点为该光通道中所经历的所有节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。

此种选定特定节点的方法更适合于当网络规模比较小的情况，此时，网络的节点数目也比较少，与之对应网络所需要的波长数较少。单独采用频谱反转技术可以实现对全部节点的各个波长进行变换。在这种情况下，利用虚波长路由，可以实现对整个网络的色散补偿。具体方法是：

Ⅰ、首先利用最短路径法选路，以获得初步选路方案。最短路径法可以保证光信号所经过的光纤长度最短，使得光通道的色散累积和噪声累积最小。

Ⅱ、分析在该选路方案中各个光通道所经历的链路(links)段数。若光通道经历了偶数段链路，则该通道可以实现色散补偿。若光通道经历了奇数个链路，则该光通道须重新选路。具体方法是：将该光通道的一段或几段链路去掉，并对其重新选路，使之多经历一个中间节点，从而使整个通道所经历的链路为偶数段。如图2所示：光通道AD经过B、C两个中间节点，由三段链路组成。此时，可以将CD段链路重新选路，使其经过中间节点E，从而使整个光通道所经历的链路数为四，以实现色散补偿。此外，将AB段链路重新选路，使其经过F节点也可以实现光通道AD的色散补偿。

Ⅲ、若相邻两段链路(如1和2段，3和4段)长度相差过多，需在较长的那一段加适当的色散补偿光纤进行予调整。

Ⅳ、防止某些链路所承载的光通道数过多而造成整个网络的“瓶颈”受限的现象，必须对整个网络的波长分配方案进行优化，使各段链路所用波长数大致均匀，而且同时使所有光通道所经历的链路数目为偶数。

实施例2

本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点可以满足如下条件乙：将该选定路径拆分成一个或若干个链路组，每一个链路组均由偶数段相邻的链路组成且所包含的链路的数目小于等于选定路径中的链路总数；以每一个链路组中距处的节点作为(三)中所述的的特定节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。

此种选定特定节点的方法更适合于当网络规模很大的情况，此时，网络中节点数目多，所使用的波长数也比较多。由于频谱反转效率比较低，而且与信号光和泵浦光的频率间隔有关，它能够实现波长变换的范围是有限的。这时，单独利用频谱反转的方法无法实现对节点的全部波长进行波长变换，只能用频谱反转实现部分波长的变换，而其它需要变换的波长采用其它波长变换技术。此时，再利用实施例1所描述的方法进行虚波长路由，同时实现网络的色散补偿，可能造成波长资源不够。

实际上，对于一条由多段链路组成的光通道，利用频谱反转的方法补偿色散具有更大的灵活性。它既可以用一个放在中距处的频谱反转器来实现整个通道的色散，也可以利用多个频谱反转器，分段补偿色散。如图3：对于一个由四段链路组成的光通道AE，它既可以只利用一个频谱反转器，放置在C点；也可以利用两个频谱反转器，分别放在B、D点来实现。组成光通道的链路数目越多，这种方法越灵活。只要保证总链路数为偶数即可。

设光通道由n=2k段链路组成，那么整个光通道至少需1个至多需k个频谱反转器即可实现色散补偿，频谱反转器所需的个数、所放的位置与光通道所包含的链路的数目有如下关系：

1)当k=1时，光通道由2段链路组成，将频谱反转器放在通道中间即可，此时只需要一个频谱反转器；

2)当k=2时，光通道由4段链路组成，可以有2种方法：

a)将频谱反转器放在整个光通道中距处(即1/2处)；

b)将此4段链路组成的光通道分解成各由两段链路组成的两个光通道，分别将两个频谱反转器放在这两个光通道中间，使各个光通道所经历的色散为零，从而实现整个光通道的色散补偿；

3)当k=3时，光通道由6段链路组成，可以采用3种方法：

a)若只用一个频谱反转器，只需放在光通道中距(1/2)处即可；

b)若只用两个频谱反转器，可以将整个光通道分解成为两个分别由2段和4段链路组成的光通道，将两个频谱反转器分别放在这两个光通道的中距处即可；

c)若采用三个频谱反转器，可以将整个光通道分解成为三个分别由两段链路组成的光通道，将这三个频谱反转器分别放在这三个光通道的中距处即可；

…

.…

m)当k=m时(m≤n/2)，光通道由2m段链路组成，可以采用m种方法：

a)若只用一个频谱反转器，只需放在光通道中距(1/2)处即可；

b)若只用两个频谱反转器，可以将整个光通道分解成为两个分别由偶数段链路组成的光通道，这两个光通道所包含的链路段数可以相等，也可以不等，只要保证两个光通道的链路数总和为2m即可。

将两个频谱反转器分别放在这两个光通道的中距处就可以实现整个光通道的色散补偿；

c)若采用三个频谱反转器，可以将整个光通道分解成为三个分别由偶数段链路组成的光通道，这三个光通道所包含的链路段数可以相等，也可以不等。将这三个频谱反转器分别放在这三个光通道的中距处即可；

…

i)若采用i个频谱反转器，可以将整个光通道分解成为i个分别由偶数段链路组成的光通道，这i三个光通道所包含的链路段数可以相等，也可以不等。将这i个频谱反转器分别放在这i个光通道的中距处即可；

…    

m)若采用m个频谱反转器，可以将整个光通道分解成为m个分别由两段链路组成的光通道，将这m个频谱反转器分别放在这m个光通道的中距处即可；

表1反映了本发明的利用虚波长路由的WDM全光城域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点满足条件乙的情况下，光通道所包含链路的数目与频谱反转器的数目、所放置的位置之间的关系。

                                             表1

 光通道包含链   路的数目 所需频谱反转   器的数目               频谱反转器的位置       2       1                      1/2       4       1                      2/4       2                   (1/4,3/4)       6       1                      3/6       2              (1/6,4/6)或(2/6,5/6)       3                 (1/6,3/6,5/6)       8       1                      4/8       2           (2/8,6/8),(1/8,5/8)或                  (3/8,7/8)       3             (1/8,3/8,6),(1/8,4/8,              7/8)或(2/8,5/8,7/8)       4                (1/8,3/8,5/8,7/8)      …      …                        …

频谱反转的自适应性和分段色散补偿的灵活性为在频谱反转波长变换技术受限的条件下，实现对整个网络的色散补偿提供了可能性。具体方法是：

首先利用最短路径法进行初始选路，再检查该通道经历几个节点，由几段链路组成，以及中间节点波长利用情况，即基于频谱反转得到的波长和基于其它变换技术的波长的利用情况，若：

Ⅰ、该光通道由偶数段链路组成，且经过的节点的波长变换器满足表1的所反映的关系。则该通道可以实现色散补偿。而且在分配波长、进行优化时，除了要遵循上述的链路所用波长均匀化和偶数链路的原则之外，还要遵循以下两个原则：a、在满足色散补偿的条件下，尽量少占用频谱反转过程所产生的波长，即节约最重要资源的原则；b、尽量使各个节点频谱反转过程所产生的波长的使用率接近，即最重要的资源利用率要均匀。

Ⅱ、若光通道不满足Ⅰ所提出的条件，此时，可以利用对半搜索法：即先将整个通道分为大致等距两部分，再查看前半段是否经历还能进行频谱反转波长变换的节点，若经过该类节点，且节点位置满足表1的关系，则这半段可以实现色散补偿；若不满足表1的关系，对其一段或几段进行重新选路，使之满足条件。若前半段不经历能进行频谱反转波长变换的节点，此时，这半段链路必须重新选路，使之经过一个或多个能进行频谱反转波长变换的节点，再根据前述的方法进行重新选路，使之满足表1的要求。对后半段也同样如此处理，从而实现整个光通道的色散补偿。之后，再根据上述的优化原则进行波长分配和优化。

对于广域网而言，由于广域网节点之间间距为几百甚至上千公里，在选路过程中，多经过一段链路，不但会增加色散，还会造成噪声累积，严重影响光信号传送质量。因此，在利用最短路径法选路之后就不再重新选路。对于由偶数段链路组成的光通道，可逐段链路进行波长分配；对于由奇数个链路组成的通道，取其中一段链路，在其链路中距处利用频谱反转进行波长变换，并补偿该链路色散。再利用光色散元件，对那些经过这一段链路，又是由偶数段链路组成的光通道所用波长进行分离，使之不经过波长变换器。从而实现网络的色散补偿。由于光通道建立具有随机性，这种方案要求每段链路中央都进行频谱反转。但是由于一条光通道由奇数个链路或由偶数段链路组成的概率相等；而且由于表1所体现出的频谱反转器的稀疏性，所以对每段链路只需在中距处对部分波长进行频谱反转波长变换，结合适当的波长分配方法，就可以实现对广域网的色散补偿。

实施例3

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点满足如下条件甲：特定节点为该光通道中所经历的所有节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。此种选定特定节点的方法更适合于当网络规模比较小的情况，此时，网络的节点数目也比较少，与之对应网络所需要的波长数较少。单独采用频谱反转技术可以实现对全部节点的各个波长进行变换。在这种情况下，利用虚波长路由，可以实现对整个网络的色散补偿。

实施例4

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点满足如下条件乙：将该选定路径拆分成一个或若干个链路组，每一段链路组均由偶数段相邻的链路组成且所包含的链路的数目小于等于选定路径中的链路总数；以每一个链路组中距处的节点作为(三)中所述的的特定节点；并且各个特定节点处的频谱反转器均未被完全占用。

此种选定特定节点的方法更适合于当网络规模很大的情况，此时，网络中节点数目多，所使用的波长数也比较多。这时，单独利用频谱反转的方法无法实现对节点的全部波长进行波长变换，只能用频谱反转实现部分波长的变换，而其它需要变换的波长则采用其它方法进行波长变换。此时，再利用实施例3所描述的方法进行虚波长路由，同时实现网络的色散补偿，可能造成波长资源不够。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，其中所述的特定节点的确定还需进一步满足以下的条件：尽量少占用频谱反转过程所产生的波长；尽量使各个节点频谱反转所得到的波长的使用率接近。

本发明的利用虚波长路由的WDM全光广域网中的色散补偿方法，在该广域网中，如果相邻两段链路的长度相差过多，则在较长的那一段加适当的色散补偿光纤进行调整。

随着波长变换技术的不断进步，WDM全光网将逐步由波长路由走向虚波长路由。利用频谱反转结合虚波长路由来补偿全光网的色散，在改善网络性能的同时，可以大大减少硬件投资，降低链路损耗，简化网络的光功率管理。此外，这种方案实际上是一种基于软件的色散补偿策略，在实际应用中非常灵活。对于网络中进行通信的节点，只要选择合适的路由方案，在节点间光通道建立的同时，就可以完成光通道的色散补偿。