专利名称：一种基于光交叉的多路复用40Gbps系统及其方法
技术领域：
本发明涉及利用比特间插多路复用的方法形成40Gbps信号的光通信系统及其方法。
背景技术：
在高速光通信系统中，高速信号的形成通常是由若干低速信号通过间插复用即时分复用(TDM)的方式来得到。例如，传统的SDH传输网，其速率等级由下至上分别有STM-1、STM-4、STM-16、STM-64、STM-256……，对应的速率分别为155Mbit/s、622Mbit/s、2488Mbit/s、9.953Gbit/s、39.812Gbit/s……。STM-n(n＞1)信号是由STM-n-1信号进行4:1的字节间插复用(Byte Interleaved)得到。与字节间插复用的方法相类似，还存在一种比特间插复用的方法。在多通道低速信号复用为高速信号时，依次从每通道低速信号中取一个比特作为高速信号比特，如此反复执行，从而得到完全包含了这多通道低速信号的一路高速信号。在接收端再按照相应的规则，从高速信号中分出低速信号。
相比传统SDH信号的字节间插复用方式，比特间插复用由于只是纯粹物理意义上的复接，因此其优势在于复用方法简便，电路结构简单、易于实现。尤其当信号速率高达40Gbps以上时，由于高速电子处理技术的瓶颈，使得形成传统SDH信号帧结构，并且进行复杂多样的开销处理变得困难重重。因此为寻求信号速率的进一步提升，以40Gbps为例，许多芯片设计者转向比特间插复用的方式，将4路10Gbps速率的信号通过比特间插复用而形成40Gbps信号。
由于失去了传统意义上SDH信号的帧结构，比特间插复用存在最大的缺陷就是在数据的分接方向无法进行数据定位。纯粹的物理复接使得比特间插复用失去了辨别低速信号逻辑信道的能力，高速信号在经过接收机解复用后得到的低速信号，在数据通道上可能会发生混乱或错位，这样在逻辑信道上不能实现数据的一一对应，即所谓的发生了数据错位。
数据通道错位的产生过程如图1所示。
假设位于发送端的复接Mux芯片依次从信道1至信道4的10Gbps数据流中取得一比特，构成40Gbps信号的数据比特，那么40Gbps信号数据比特的发送顺序为A1 B1C1 D1 A2 B2 C2 D2…，此时最先发送的数据比特为A1。数据传送到接收端后，由于接收机不可能正好最先接收发送端最先发送的数据比特，假设接收机最先接收到C1比特，由于比特复用纯物理意义复接的机理，分接DeMux芯片则会无逻辑地将接收到的C1比特送往10Gbps信道1，D1比特送往10Gbps信道2……依此类推，分接后的10Gbps信道上已经发生了数据错位。而且这种数据错位是随即出现的，例如断开接收端的信号随即又恢复时，接收机的最先接收比特又将发生变化，从而造成分接后的10Gbps信道数据错位情形又会发生变化。更有甚者，倘若接收端的分接芯片与发送端的复接芯片对数据比特的处理规则不一致，例如分接器不一定把最先接收的比特送往信道1，则分接后的数据错位完全是杂乱无章的，无规律可循。
综上所述，为了解决比特复用方式的数据错位问题，必须设计一种“数据交叉单元”。这种“数据交叉单元”位于分接芯片之后，受控于某种机制，这种机制能随时监控数据错位的状态，并控制数据交叉单元完成数据交换，使其输出的数据与发送端在逻辑信道上一一对应。目前的电域数据交叉的方法基本不能完成该功能。
为解决比特间插复用方式不能进行数据通道定位的缺陷，可在低速信号当中携带逻辑信道号，从解复用后的低速信号中提取并检测此逻辑信道号，再通过控制“数据交叉单元”完成数据之间的交换，从而实现数据通道逻辑上的一一对应。在低速信号中插入和检测逻辑通道号的功能可以由通用的ASIC来完成，但是其后的数据交叉单元的实现确是目前比较困难的技术难题，尤其是在40Gbps系统中。
下面以一种用于40Gbps系统，通过4路10Gbps信号复用成一路40Gbps信号为例，描述可能用到各种数据交叉单元的设计方法，并对他们的效果和实现的难度进行比较。
比较常见的方法是在电域内实现数据交叉，按照前面分析的比特间插复用的原理，解复用芯片DeMux分接出4路10Gbps信号后即会导致数据通道错位，从这点开始必须考虑在之后的数据处理过程中进行数据交叉。如果数据交叉直接对10Gbps串行信号进行，则基本上是不现实的，因为现有的IC设计技术还无法达到直接对10Gbps这样的高速信号进行处理。
另外可能的实现方案是在10Gbps串行信号转换为并行信号后，数据交叉在低速信号上进行。通常的做法是将10Gbps信号再次解复用为SFI-4接口的并行信号，总线速率为16×622Mbps。这样数据交叉在4组SFI-4的总线数据上进行，所设计的数据交叉单元应为4组SFI-4数据入、4组SFI-4数据出的结构(注意，此时并行总线数据应为一整体，符合SFI-x接口定义)。此时的数据交叉单元可以放在4个10Gbps帧处理器Framer之前，后级Framer在检测每个10Gbps信号的逻辑信道号后给出数据交叉信息，反馈并控制数据交叉单元进行数据交换，形成反馈式结构，如图2所示；数据交叉单元也可以放在4个帧处理器之后，Framer根据信号逻辑信道号的检测结果，控制后级数据交叉单元进行数据交换，形成前馈式结构，如图3所示。
然而，不论是反馈式或前馈式结构，在电域内进行数据交叉却存在着诸多的问题。首先，并行数据总线以及随路时钟应视为一整体，在数据交叉的同时，随路时钟也必须参与交叉。因此在设计当中必须考虑并行数据之间以及与随路时钟之间的延时完全一致，加上其对高速IO口的需求将很大程度上依赖于器件的特性，往往存在很高的设计难度和随机性，能否完全实现是问题，可靠性和抗干扰性也很差，并需付出相当大的设计成本。除此之外，电域数据交叉还存在比较大的缺陷是设计的数据交叉单元只能工作于单一的信号速率，能在10Gbps上处理的芯片不一定能处理更高比特率的数据，因此当信道信号速率由9.953Gbps向10.66Gbps或10.709Gbps改变时，则必须重新设计数据交叉单元以适应信号速率的变化，可扩展性和重用性较差。
发明内容
在以4路10Gbps信号复用成40Gbps的系统中，由于比特复用的缺陷，使得40Gbps再分接为4路10Gbps信号时，信号彼此之间会发生数据通道错位。为了解决数据错位的问题，本发明提出了一种利用光交叉来完成解决数据错位的方法，即在光域内进行数据交叉。
本发明一方面提供了一种系统，发送端10Gbps帧处理器，为各路10Gbps信号插入区别于其他信道的逻辑信道标识符；4:1复接器，完成4路10Gbps信号的比特间插复用，形成40Gbps信号；1:4分接器，完成40Gbps信号比特分接为4路10Gbps信号；后级分接芯片，完成10Gbps串行信号向并行信号的转换；接收端10Gbps帧处理器，完成检测当前接收10Gbps信号中所带有的逻辑信标识符，并上报给CPU处理；复接芯片，完成10Gbps并行信号向串行信号的转换；E/O转换，将10Gbps电信号转换为光信号；光开关，根据CPU发出的交换指令完成数据通道切换；CPU，控制光开关在光路上进行切换。
本发明的系统，其特征在于发送端10Gbps帧处理器利用10Gbps帧的空余开销的某个字节来插入标识信道号的逻辑信道标识符；CPU收集各路帧处理器上报的逻辑信道标识符，并与预置的逻辑信道符相比较，得出各路数据通道错位状态，根据错位状态产生控制指令，控制光开关完成数据通道切换；根据权利要求1所述的系统，其特征在于光开关，可以直接选用4×4光开关，也可以通过1×2或2×2光开关级联而成；CPU与光开关共同组成了光域数据交叉单元。
本发明提供的一种基于光交叉的多路复用方法，其特征在于包括以下步骤步骤(1)在系统发送侧，10Gbps帧处理器插入逻辑标识符；步骤(2)经过4:1复接器形成40Gbps信号传送至系统接收侧；步骤(3)经过1:4分接器分接为4路10Gbps信号；步骤(4)经接收端帧处理器检测出信号携带的逻辑标识符，并将此信息上报给CPU，信号则继续通过复接芯片和E/O转换；步骤(5)光开关根据CPU发出的交换指令完成数据通道切换。
上述方法其特征还在于步骤(5)进一步包括CPU通过将收到的逻辑标识符与预置的标识相比较判断是否发生了数据通道错位，从而产生交换指令；预置标识指的是不发生错位本路应正常接收的标识。
光域数据交叉相比于电域数据交叉有许多的优点，其一，数据交叉单元的设计实现方法简单，其核心为一光开关装置，可以直接选用4×4光开关，也可以通过1×2或2×2光开关级联而成，实现方法远没有设计一电的数据交叉困难；其二，由于数据交叉是在光路上进行，而不直接处理数据本身，这样的数据交叉单元实际上是全数据透明的，它所带来的最多只是光功率的损耗，而不会对数据造成影响，因而更加的安全和可靠；其三，这种对数据透明的处理方式，同时对数据速率也是透明的，因此当单信道速率由10Gbps升级到40Gbps甚至以上时，数据交叉单元的设计也随着平滑升级，并不需要更改设计以适应信号速率变化。
图1是比特间插复用中的数据错位现象的示意图；图2是反馈式电域数据交叉单元实现方式的示意图；图3是前馈式电域数据交叉单元实现方式的示意图；图4是光域数据交叉单元技术方案的示意图；图5光域数据交叉流程图；图6本发明具体实施案例的示意图。
具体实施例方式
光域数据交叉单元为比特间插复用方式的数据错位问题提供了完备解决方案。
其技术方案如图4所示，各部件的功能描述如下发送端10Gbps帧处理器①，需要完成为本路10Gbps信号插入以区别于其他信道的逻辑信道号。可以利用10Gbps帧的空余开销的某个字节来插入标识信道号的逻辑信道标识符，例如对于信道1插入01H(十六进制)，信道2插入02H……，依此类推。也可以通过其他方式来实现，总的来说只要能够让接收端接收时能区分出这4路信号数据就可以了；4:1复接器②，完成将4路10Gbps信号的比特间插复用，形成40Gbps信号；1:4分接器③，完成40Gbps信号比特分接为4路10Gbps信号的功能；后级分接芯片④，完成10Gbps串行信号向并行信号的转换；接收端10Gbps帧处理器⑤，需要完成检测当前接收10Gbps信号中所带有的逻辑信道标识符，并上报给CPU处理；复接芯片⑥，完成10Gbps并行信号向串行信号的转换；E/O转换⑦，将10Gbps电信号转换为光信号；4×4光开关⑧，是光域数据交叉单元的核心部分，完成根据CPU发出的交换指令将任意两对入和出的光通道连接起来；单片机处理器⑨，是光域数据交叉单元乃至整个系统的控制部分，收集各路帧处理器上报的逻辑信道标识符，并与本路预置的逻辑信道符相比较，得出各路数据通道错位状态。根据错位状态产生控制指令，控制光开关完成数据通道切换。
整个光域数据交叉流程见图5，下面以其中某一路10Gbps信号为例来说明数据交叉单元对于这样一种比特间插复接40Gbps系统贡献的作用。
10Gbps光信号从信道1进入系统，它在整个系统当中的流程如下1)在系统发送侧，10Gbps帧处理器在其开销中插入逻辑标识符“01H”(设其他3路信号分别为“02H”、“03H”和“04H”)；2)此10Gbps信号与其他3路信号共同经过4:1复接器形成40Gbps信号；3)信号传送至系统接收侧，首先经过1:4分接器，假设分接器把这路10Gbps信号分接到了信道3方向；
4)10Gbps信号经过Demux并进入信道3的帧处理器，帧处理器检测出信号携带的逻辑标识符为“01H”，并将此信息上报给CPU；5)CPU将收到的逻辑标识符“01H”与本路预置的标识(即不发生错位本路应正常接收的标识)“03H”相比较，发现当前标识符与预置标识符不一致，因此CPU判断为发生了数据通道错位。同时CPU根据接收到的逻辑标识符“01H”，还可以判断出此时信道3正在接收的是信道1过来的信号；6)此路10Gbps电信号在经过信道3的Framer后，继续经过Mux和E/O转换为10Gbps光信号，但此时其仍然处于信道3的位置；7)10Gbps光信号进入光开关单元，CPU根据步骤5的执行结果，控制光开关把从信道3入口的光路切换至从信道1出口，这样10Gbps光信号从信道1恢复出来，与发送端的信道1在逻辑上对应起来。
从以上过程中可以看出，CPU的参与加上光开关的作用共同组成了“光域数据交叉单元”，如果将发送端的复接器Mux、接收端的分接器以及数据交叉单元看成一个整体，那么对于4路10Gbps信号而言，经过这一系统之后，其输出和输入在逻辑信道上是一一对应的，这样就完全解决了比特间插复用当中的数据错位问题。
如图6所示(图中省略了O/E/O变换以及支路分复接等)，利用10Gbps误码仪在系统两侧任取一路10Gbps光信号进行测试，例如取信道2的10Gbps信号，即误码仪仅发送数据至信道2，其他三个信道空闲。
1)在无数据交叉单元存在时，在接收端得到的4路10Gbps光信号中，从信道1至信道4依次取光信号回到误码仪接收，此时仅有信道3可以使得误码仪正常，其他信道均有帧丢失告警；2)断开连接于两端之间的40Gbps信号光纤，随即恢复，此时误码仪从信道3接收的数据出现帧丢失告警。试着接收其他信道的信号，发现仅有信道1可以使得误码仪正常；3)断开连接于两端之间的40Gbps信号光纤，同时增加长度约为1米的一段光纤串接其中。此时误码仪从信道1接收的数据出现帧丢失告警。试着接收其他信道的信号，发现仅有信道4可以使得误码仪正常；4)加上设计的光域数据交叉单元，误码仪仍然仅发送数据至信道2。此时接收端仅有从信道2回到仪表的数据是正确的，其他信道均有帧丢失告警；5)断开连接于两端之间的40Gbps信号光纤，随即恢复，此时接收端仍仅有从信道2回到仪表的数据是正确的，其他信道均有帧丢失告警；6)断开连接于两端之间的40Gbps信号光纤，同时增加长度约为1米的一段光纤串接其中，此时接收端仍仅有从信道2回到仪表的数据是正确的，其他信道均有帧丢失告警；7)任取其他信道重复步骤1-6的实验，可以验证所设计的数据交叉单元使得10Gbps在逻辑信道上一一对应。
权利要求
1.一种基于光交叉的多路复用40Gbps系统，其特征在于发送端10Gbps帧处理器，为各路10Gbps信号插入区别于其他信道的逻辑信道标识符；4∶1复接器，完成4路10Gbps信号的比特间插复用，形成40Gbps信号；1∶4分接器，完成40Gbps信号比特分接为4路10Gbps信号；后级分接芯片，完成10Gbps串行信号向并行信号的转换；接收端10Gbps帧处理器，完成检测当前接收10Gbps信号中所带有的逻辑信标识符，并上报给CPU处理；复接芯片，完成10Gbps并行信号向串行信号的转换；E/O转换，将10Gbps电信号转换为光信号；光开关，根据CPU发出的交换指令完成数据通道切换；CPU，控制光开关在光路上进行切换。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于发送端10Gbps帧处理器利用10Gbps帧的空余开销的某个字节来插入标识信道号的逻辑信道标识符。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于CPU收集各路帧处理器上报的逻辑信道标识符，并与预置的逻辑信道符相比较，得出各路数据通道错位状态，根据错位状态产生控制指令，控制光开关完成数据通道切换。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于光开关，可以直接选用4×4光开关，也可以通过1×2或2×2光开关级联而成。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于CPU与光开关共同组成了光域数据交叉单元。
6.一种基于光交叉的多路复用方法，其特征在于，包括以下步骤步骤(1)在系统发送侧，10Gbps帧处理器插入逻辑标识符；步骤(2)经过4∶1复接器形成40Gbps信号传送至系统接收侧；步骤(3)经过1∶4分接器分接为4路10Gbps信号；步骤(4)经接收端帧处理器检测出信号携带的逻辑标识符，并将此信息上报给CPU，信号则继续通过复接芯片和E/O转换；步骤(5)光开关根据CPU发出的交换指令完成数据通道切换。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(5)进一步包括CPU通过将收到的逻辑标识符与预置的标识相比较判断是否发生了数据通道错位，从而产生交换指令。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于预置标识指的是不发生错位本路应正常接收的标识。
全文摘要
本发明涉及利用比特间插多路复用的方法形成40Gbps信号的光通信系统及其方法，在40Gbps信号的接收方向，首先分接器分接出4路10Gbps的电信号，此时的10Gbps信号之间已发生了通道错位。然后信号分别进入10Gbps帧处理器后，帧处理器可以检测出4路10Gbps信号彼此之间通道错位关系，但并不能改变错位状态，而是让这种错位状态一直保持到经过电/光转换之后。光域数据交叉处理位于系统的最后一级，即位于10Gbps电/光转换之后，利用光交叉的方式将数据通道错位关系纠正过来，即在光域内进行数据交叉。
文档编号H04J14/00GK1622503SQ20041010123
公开日2005年6月1日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年12月17日
发明者曹云, 杨宁, 叶波, 徐俊波, 陈德华, 何建明 申请人:烽火通信科技股份有限公司