第10章 光交換 優(yōu)質(zhì)ppt

1、感謝您的關(guān)注感謝您的關(guān)注通信工程1班蔣順第第10章章 光交換光交換概述概述 光路交換原理光路交換原理 光分組交換技術(shù)光分組交換技術(shù) 光交換的發(fā)展現(xiàn)狀和前景光交換的發(fā)展現(xiàn)狀和前景 10.410.110.210.310.1 概述10.1.1 什么是光交換？ 光交換(photonic switching)技術(shù)也是一種光纖通信技術(shù)，它是在光域直接將輸入光信號(hào)交換到不同的輸出端。與電子數(shù)字程控交換相比，光交換無(wú)須在光纖傳輸線路和交換機(jī)之間設(shè)置光端機(jī)進(jìn)行光/電（O/E）和電/光（E/O）交換，而且在交換過(guò)程中，還能充分發(fā)揮光信號(hào)的高速、寬帶和無(wú)電磁感應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。光交換分為光路交換和光分組交換。10.1.2

2、光交換的特點(diǎn) 1 、由于光交換不涉及到電信號(hào)，所以不會(huì)受到電子器件處理速度的制約，與高速的光纖傳輸速率匹配，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率。 2 、光交換根據(jù)波長(zhǎng)來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行路由和選路，與通信采用的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和傳輸速率無(wú)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)透明的數(shù)據(jù)傳輸。 3 、光交換可以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，提供靈活的信息路由手段。圖圖10-2 10-2 半導(dǎo)體光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖半導(dǎo)體光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖10.1.3 光交換的基本器件 實(shí)現(xiàn)光交換的設(shè)備是光交換機(jī)。 光交換器件是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。 光交換機(jī)的光交換器件有光開(kāi)關(guān)、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和光存儲(chǔ)器等。 圖圖10-10-1 1 半導(dǎo)體光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖半導(dǎo)體

3、光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖1半導(dǎo)體光開(kāi)關(guān)圖圖10-2 10-2 半導(dǎo)體光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖半導(dǎo)體光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖 圖圖10-2 10-2 半導(dǎo)體光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖半導(dǎo)體光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖2. 耦合波導(dǎo)開(kāi)關(guān)耦合波導(dǎo)開(kāi)關(guān)： 耦合波導(dǎo)開(kāi)關(guān)有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，每個(gè)輸入和對(duì)應(yīng)的輸出形成一個(gè)光通道。耦合波導(dǎo)開(kāi)關(guān)利用控制電機(jī)來(lái)控制光信號(hào)的輸出狀態(tài)。當(dāng)控制電極上不加電時(shí)，其中一個(gè)光通道上的光信號(hào)會(huì)完全耦合接到另一個(gè)光通道上，形成光信號(hào)的交叉連接；當(dāng)控制電極上加電時(shí)，原先耦合到另外的光通路上的光信號(hào)會(huì)耦合回到原先的光通道上，形成光信號(hào)的平行連接。圖圖10-2 10-2 半導(dǎo)體光放大器

4、及等效開(kāi)關(guān)示意圖半導(dǎo)體光放大器及等效開(kāi)關(guān)示意圖 10-10-3 3 光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖圖3. 光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器： 當(dāng)一個(gè)波長(zhǎng)為i的光信號(hào)輸入時(shí)，由一個(gè)被稱為光電探測(cè)器的器件把它轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電信號(hào)，然后通過(guò)外調(diào)制器調(diào)制或激光器把這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)波長(zhǎng)為i的輸出光信號(hào)。10.2 光路交換原理 10.2.1 空分光交換 光信號(hào)的分割復(fù)用方式有空分、時(shí)分和波分三種，因而光交換相應(yīng)地也存在空分、時(shí)分和波分三種光交換，它們分別完成空分信道、時(shí)分信道和波分信道的交換。 空分光交換基本原理是將光交換組成門（Gate）陣列開(kāi)關(guān)，并適當(dāng)控制門陣列開(kāi)關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光

5、纖之間構(gòu)成通路。 10.2.2 時(shí)分光交換 時(shí)分光交換的基本原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時(shí)分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時(shí)分多路復(fù)用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種技術(shù)下，可以時(shí)分復(fù)用各個(gè)光器件，能夠減少硬件設(shè)備，構(gòu)成大容量的光交換機(jī)。 10.2.3 波分光交換 波分光交換其原理是對(duì)于波分復(fù)用信號(hào)使用不同的波長(zhǎng)來(lái)區(qū)別各路原始信號(hào)，通過(guò)改變輸入光信號(hào)的波長(zhǎng)，把某個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)變換成另一個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)輸出，即實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)互換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各路原始信號(hào)的交換。 10.3 光分組交換技術(shù)光分組交換技術(shù)光分組交換技術(shù) 其結(jié)構(gòu)模型主要包括一系列其結(jié)構(gòu)模型主要包括一系列復(fù)用器復(fù)用器/解復(fù)用器、輸入接口、輸解復(fù)

6、用器、輸入接口、輸出接口、交換矩陣、光存儲(chǔ)器、出接口、交換矩陣、光存儲(chǔ)器、波長(zhǎng)變換器以及交換控制單元等波長(zhǎng)變換器以及交換控制單元等模塊。模塊。 這種方式類似于電交這種方式類似于電交換的電路交換，在數(shù)據(jù)傳換的電路交換，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中要建立和拆除通輸過(guò)程中要建立和拆除通信通道，當(dāng)通信連接保持信通道，當(dāng)通信連接保持時(shí)間比較短時(shí)，這種方式時(shí)間比較短時(shí)，這種方式的信道利用率低，因此，的信道利用率低，因此，它并不適合它并不適合Internet業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)。 ATM光交換遵循電信光交換遵循電信號(hào)領(lǐng)域號(hào)領(lǐng)域ATM交換的基本原交換的基本原理，采用波分復(fù)用、電或理，采用波分復(fù)用、電或光緩沖技術(shù)，先對(duì)信元波光緩沖技

7、術(shù)，先對(duì)信元波長(zhǎng)進(jìn)行選路，依照信元的長(zhǎng)進(jìn)行選路，依照信元的波長(zhǎng)，將信元選路到輸出波長(zhǎng)，將信元選路到輸出端口的光緩沖存儲(chǔ)器中。端口的光緩沖存儲(chǔ)器中。 透明光分透明光分組交換組交換 光突發(fā)分光突發(fā)分組交換組交換ATM光交光交換換10.3.1 透明光分組交換技術(shù)透明光分組交換技術(shù)1. 交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型交換矩陣光存儲(chǔ)器波長(zhǎng)變換器輸入接口輸出接口交換控制單元解復(fù)用器復(fù)用器11NN功能功能將分組按波長(zhǎng)分開(kāi)完成對(duì)分組在交換矩陣中選路的控制功能完成信號(hào)的選路功能將分組按波長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)用分組頭包括分組頭同步比特和路由標(biāo)記分組頭包括分組頭同步比特和路由標(biāo)記 載荷則包括載荷同步比特和凈荷載荷則包括載荷同步比特和凈荷 在

8、分組頭和載荷中間存在一定的保護(hù)時(shí)隙。為了補(bǔ)償光器件在分組頭和載荷中間存在一定的保護(hù)時(shí)隙。為了補(bǔ)償光器件的交換時(shí)間、凈荷在節(jié)點(diǎn)處可能存在的抖動(dòng)以及在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換時(shí)間、凈荷在節(jié)點(diǎn)處可能存在的抖動(dòng)以及在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處同步單元的有限沖突，在分組頭前和載荷后都要插入保護(hù)處同步單元的有限沖突，在分組頭前和載荷后都要插入保護(hù)時(shí)隙時(shí)隙 為了在交換節(jié)點(diǎn)和采用光纖延長(zhǎng)線的分組緩存中簡(jiǎn)化同步的為了在交換節(jié)點(diǎn)和采用光纖延長(zhǎng)線的分組緩存中簡(jiǎn)化同步的操作，光分組采用具有固定比特率的分組頭操作，光分組采用具有固定比特率的分組頭 凈荷只是具有固定的時(shí)隙，但是比特率是可變的凈荷只是具有固定的時(shí)隙，但是比特率是可變的2. 光分組交

9、換的幀格式 3. 網(wǎng)絡(luò)參考模型網(wǎng)絡(luò)參考模型接受接受OTP層提供的服務(wù)層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)分組比特率和傳輸方式實(shí)現(xiàn)分組比特率和傳輸方式的透明性，改進(jìn)了光傳輸網(wǎng)的透明性，改進(jìn)了光傳輸網(wǎng)的寬帶利用率，增加了網(wǎng)絡(luò)的寬帶利用率，增加了網(wǎng)絡(luò)的靈活性的靈活性對(duì)應(yīng)于地域上更廣闊的對(duì)應(yīng)于地域上更廣闊的WDM光傳輸網(wǎng)，利用波長(zhǎng)光傳輸網(wǎng)，利用波長(zhǎng)交換和空間交換進(jìn)行信號(hào)透交換和空間交換進(jìn)行信號(hào)透明的路由明的路由OTP層：光透明分組層高層透明光傳輸層OTP層光分組交換分層網(wǎng)絡(luò)參考模型光透明分組層的參考結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)匯聚子層（DCSL）、網(wǎng)絡(luò)子層（NSL）、鏈路子層（LSL）、波長(zhǎng)匯聚子層（WCSL） 突發(fā)突發(fā)由具有相同出口邊

10、緣路由器地址和相同服務(wù)質(zhì)量要求的分組（包括由具有相同出口邊緣路由器地址和相同服務(wù)質(zhì)量要求的分組（包括IP分組、以分組、以太網(wǎng)幀、幀中繼幀等）匯聚而成，它是太網(wǎng)幀、幀中繼幀等）匯聚而成，它是OBS的基本交換單元。的基本交換單元。 偏置時(shí)間偏置時(shí)間在在OBS中，控制分組先于突發(fā)數(shù)據(jù)分組傳送，偏置時(shí)間是控制分組和它相對(duì)應(yīng)中，控制分組先于突發(fā)數(shù)據(jù)分組傳送，偏置時(shí)間是控制分組和它相對(duì)應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)分組之間的時(shí)間間隔。的突發(fā)數(shù)據(jù)分組之間的時(shí)間間隔。 JET協(xié)議協(xié)議JET協(xié)議有兩個(gè)重要的特征：一是控制分組包含必需的突發(fā)數(shù)據(jù)的光信道路由協(xié)議有兩個(gè)重要的特征：一是控制分組包含必需的突發(fā)數(shù)據(jù)的光信道路由信息、突發(fā)長(zhǎng)

11、度和偏置時(shí)間信息；另一個(gè)重要特征是延遲預(yù)留，它僅僅預(yù)留突信息、突發(fā)長(zhǎng)度和偏置時(shí)間信息；另一個(gè)重要特征是延遲預(yù)留，它僅僅預(yù)留突發(fā)數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的鏈路帶寬資源發(fā)數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的鏈路帶寬資源10.3.2 光突發(fā)交換技術(shù)（光突發(fā)交換技術(shù)（OBS)OBS基本概念OBS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型OBS控制分組結(jié)構(gòu)控制分組結(jié)構(gòu)控制分組幀間隔幀間隔同步標(biāo)簽波長(zhǎng)IDCos偏置時(shí)間突發(fā)大小CRCCos：服務(wù)類別光交換的發(fā)展現(xiàn)狀和前景光交換的發(fā)展現(xiàn)狀和前景 10.41、智能自動(dòng)化 智能自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)即網(wǎng)絡(luò)的管理和控制具有智能化特點(diǎn)，能夠動(dòng)態(tài)、自動(dòng)地完成端到端光通道的建立、拆除和修改。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)該能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?/p>

12、、可用的資源信息、配置信息等動(dòng)態(tài)指配最佳恢復(fù)路由。對(duì)這種技術(shù)的需求源自互聯(lián)網(wǎng)容量的增長(zhǎng)。容量的增長(zhǎng)要求光交換層的交換能力不斷增強(qiáng)，使之向更易于管理、更加靈活和更具有健壯性，同時(shí)業(yè)務(wù)指配和故障恢復(fù)也能夠更快地自動(dòng)完成并具有智能性的方向發(fā)展。近期，在組網(wǎng)技術(shù)方面的兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展使得對(duì)光網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)指配成為可能。首先是可重構(gòu)型的光聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)成功，如光交叉連接器和光分插復(fù)用器，使得由運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)支配帶寬成為現(xiàn)實(shí)。另外，由于在IP路由器、ATM交換機(jī)等設(shè)備中強(qiáng)化了新的流量技術(shù)和路由技術(shù)，使這些設(shè)備具有了動(dòng)態(tài)決定增減帶寬的能力。這兩種技術(shù)的使用，為傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)引入了智能控制和管理信令，從而使光網(wǎng)絡(luò)具有了

13、智能性和自動(dòng)性，為發(fā)展按需分配帶寬和買賣帶寬的新型商業(yè)模式提供了條件。2、全光交換所謂全光交換是指從波長(zhǎng)到波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換，基于這種技術(shù)的光交換或波長(zhǎng)路由器能使網(wǎng)絡(luò)配置更靈活，使運(yùn)營(yíng)商可以在光骨干網(wǎng)中方便地提供OC-1到光波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)，把選路定位在波長(zhǎng)上而不是光纖上，遇到故障可以自動(dòng)恢復(fù)工作。由于無(wú)須ATM交換機(jī)、SONET ADM和數(shù)字交叉連接器等設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)將得到大大簡(jiǎn)化。近期在光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)熱潮中，運(yùn)營(yíng)商和制造商都顯示出了對(duì)全光交換設(shè)備的濃厚興趣，預(yù)計(jì)成熟的產(chǎn)品很快就能面世。 現(xiàn)代波分復(fù)用（WDM）、空分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用等復(fù)用技術(shù)的出現(xiàn)，豐富了光信號(hào)交換和控制的方式，使得全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

14、呈現(xiàn)出全新的面貌。專家認(rèn)為，未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)架可能就是以WDM技術(shù)為主導(dǎo)，結(jié)合光時(shí)分復(fù)用（OTDM）和光碼分復(fù)用（OCDMA）技術(shù)。OTDM技術(shù)可以使一個(gè)固定波長(zhǎng)的光波攜帶信息量十幾倍、幾十倍地增長(zhǎng)，OCDMA則提供一種全光的接入方式。3、光交換機(jī)多樣化目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的光交換機(jī)大多數(shù)是基于光電和光機(jī)械的，隨著光交換技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，基于熱學(xué)、液晶、聲學(xué)、微機(jī)電技術(shù)的光交換機(jī)將會(huì)逐步被研究和開(kāi)發(fā)出來(lái)。由光電交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)的交換機(jī)通常在輸入輸出端各有兩個(gè)有光電晶體材料的波導(dǎo)，而最新的光電交換機(jī)則采用了鋇鈦材料，這種交換機(jī)使用了一種分子束取相附生的技術(shù)，與波導(dǎo)交換機(jī)相比，該交換機(jī)消耗的能量比較

15、小?；诠鈾C(jī)械技術(shù)的光交換機(jī)是目前比較常見(jiàn)的交換設(shè)備，該交換機(jī)通過(guò)移動(dòng)光纖終端或棱鏡來(lái)來(lái)將線引導(dǎo)或反射到輸出光纖，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的機(jī)械交換。光機(jī)械交換機(jī)交換速度為毫秒級(jí)，但它成本較低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和光性能較好，而得到廣泛應(yīng)用。使用熱光交換技術(shù)的交換機(jī)由受熱量影響較大的聚合體波導(dǎo)組成，它在交換數(shù)據(jù)信息時(shí)，由分布于聚合體堆中的薄膜加熱元素控制。當(dāng)電流通過(guò)加熱器時(shí)，它改變波導(dǎo)分支區(qū)域內(nèi)的熱量分布，從而改變折射率，將光從主波導(dǎo)引導(dǎo)自目的分支波導(dǎo)。熱光交換機(jī)體積非常小，能實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的交換速度。隨著液晶技術(shù)的成熟，液晶光交換機(jī)將會(huì)成為光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，該交換設(shè)備主要由液晶片、極化光束分離器、成光束調(diào)相器組成，而液晶在交換機(jī)中的主要作用是旋轉(zhuǎn)入射光的極化角。當(dāng)電極上沒(méi)有電壓時(shí)，經(jīng)過(guò)液晶片的光線極化角為90，當(dāng)有電壓加在液晶片的電極上時(shí)，入射光束將維持它的極化狀態(tài)不變。而由聲光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光交換設(shè)備，因其中加入了橫向聲波，從而可以將光線從一根光纖準(zhǔn)確地引導(dǎo)到另一根光纖，該類型的交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的交換速度，可方便地構(gòu)成端口較少的交換機(jī)。但它不適合用于矩陣交換機(jī)。另外，市場(chǎng)上目前又開(kāi)發(fā)了基于不同類型的特殊微光器件的光交換機(jī)，這種類型的交換機(jī)可以由小型化的機(jī)械系統(tǒng)激活，而且它的體積小，集成度高，可大規(guī)模生產(chǎn)，