第七章光交換技術(shù)

1、第七章 光交換技術(shù)目錄n7.1 光交換技術(shù)概述n7.2 光交換技術(shù)的分類n7.3 光交換系統(tǒng)的核心器件n7.4 純光交換技術(shù)和電交換比較n7.5 光交換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)n7.6 小結(jié)n7.7 習(xí)題7.1 光交換技術(shù)的概念n光交換是指對(duì)光纖傳送的光信號(hào)直接進(jìn)行交換。與電子數(shù)字程控交換相比，光交換無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)轉(zhuǎn)換，而且在交換過程中，還能充分發(fā)揮光信號(hào)的高速、寬帶和無電磁感應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。 光交換技術(shù)的特點(diǎn)n光交換技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：n(1) 可以克服純電子交換的容量瓶頸問題。n(2) 可以大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)成本。n(3) 可以大大提高

2、網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，以及加快網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時(shí)間。7.2 光交換技術(shù)的分類n1. 按復(fù)用方式分類n1) 波分光交換技術(shù)n2) 時(shí)分光交換技術(shù)n3) 空分光交換技術(shù)n4) 碼分復(fù)用光交換技術(shù)n5) 復(fù)合光交換技術(shù)n2. 按交換配置模式分類n1) 光路交換(OCS，Optical Circuit Switching)技術(shù)n2) 光分組交換(OPS，Optical Packet Switching)技術(shù)n3) 光突發(fā)交換(OBS，Optical Burst Switching)技術(shù)n4) 光標(biāo)記分組交換(OMPLS，Optical Multi-Protocol Label Switching)技術(shù)7

3、.2.1 時(shí)分光交換技術(shù)n比特交換n塊交換nOCDMA交換 n分組時(shí)分光交換 比特交換n幀信號(hào)中的每個(gè)時(shí)隙承載著一個(gè)用戶的一個(gè)比特信息，每個(gè)時(shí)隙之間的交換就是各用戶信息按比特進(jìn)行的交換。 塊交換n塊交換是以每個(gè)用戶的幾個(gè)連續(xù)比特信息（串或塊）作為一個(gè)時(shí)隙，即取各用戶信息塊的長(zhǎng)度相等來組成幀信號(hào)，對(duì)每個(gè)幀信號(hào)的時(shí)隙進(jìn)行交換就能實(shí)現(xiàn)不同用戶的比特信息塊交換。 OCDMA交換 nOCDMA交換是以特殊的碼序列表示用戶的每一個(gè)比特信息，不同用戶有各自不同的碼序列，彼此并不相關(guān)。 分組時(shí)分光交換 n分組時(shí)分光交換不同于以上交換情況，它是對(duì)用戶的分組信息進(jìn)行交換。分組則由報(bào)頭、凈荷和保護(hù)帶等部分組成。報(bào)頭

4、含有該分組的源、目的地、優(yōu)先度等信息，通過對(duì)報(bào)頭識(shí)別、處理來選擇或改變分組的路由，實(shí)現(xiàn)用戶信息的變換。 n圖10.7 典型的OTDM點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)圖7-1 時(shí)分光交換結(jié)構(gòu) 光時(shí)分復(fù)用的特點(diǎn)nOTDM技術(shù)是光纖通信的未來發(fā)展方向，它具有以下特點(diǎn)：n(1) 傳輸速率大大提高。n(2) 各ONU發(fā)射的信號(hào)是周期性的光脈沖信號(hào)，只在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)射光脈沖序列。n(3) 大大提高系統(tǒng)容量。n(4) 采用光時(shí)分復(fù)用技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)信道的按需分配。7.2.2 波分光交換技術(shù)n光波分復(fù)用的基本概念nWDM技術(shù)的主要特點(diǎn)nWDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)7.2.2 光波分復(fù)用的基本概念n光波分復(fù)用(WDM，Waveleng

5、th Division Multiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)n圖10.4 波分復(fù)用系統(tǒng)的基本原理7.2.2 WDM技術(shù)的主要特點(diǎn) n1. 充分利用光纖的巨大帶寬資源n2. 同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)n3. 節(jié)省線路投資n4. 降低器件的超高速要求n5. 高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性n6IP的傳送通道7.2.3 空

6、分光交換空分光交換 n空分光交換是以空間不同的物理位置（稱為空間子通道）最為用戶光信號(hào)的傳輸通道，利用空分光交換功能器件改變輸入與輸出端用戶光信號(hào)的連接通道，從而實(shí)現(xiàn)用戶光信號(hào)的交換。這種光交換如果砸自由空間中完成，則被稱為自由空間光交換。自由空間光交換是電交換中不具有的一種形式。 空分光交換結(jié)構(gòu)n通過改變光信號(hào)的空間子通道實(shí)現(xiàn)用戶光信號(hào)在空間的任意輸入端到任意輸出端的直接光互連。 空分光交換網(wǎng)絡(luò) n空分光交換網(wǎng)絡(luò)由空分光交換節(jié)點(diǎn)和鏈路組成。 n其性能的好壞主要取決于構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的光開關(guān)（主要部件）的數(shù)量及性能的好壞、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜玩溌返拈L(zhǎng)度等。 自由空間光交換 n自由空間光交換實(shí)質(zhì)上是空分光交換，

7、它也同樣以空間分割方式建立用戶光信號(hào)的傳輸通道。 n能充分利用光波的高速傳輸、并行處理優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在自由空間的光互連不需要物理介質(zhì)，從而減少了通道間的干擾，可充分利用空間維數(shù)擴(kuò)大容量。7.2.4 ATM光交換光交換 nATM光交換原理 nATM光交換與前面介紹的時(shí)分、波/頻、空分光交換不同，它交換的對(duì)象是光信元，光信元以ATM方式傳輸，光信元流是統(tǒng)計(jì)復(fù)用的。 7.2.5 光分組交換技術(shù)n光分組的格式和交換原理 nOPS節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù) 概述 n光分組交換(OPS)是指從信源到信宿的過程中，數(shù)據(jù)包的凈荷部分都保持在光域中，而依據(jù)交換/控制的技術(shù)不同，數(shù)據(jù)包的控制部分(開銷)可以在中間交換節(jié)點(diǎn)處經(jīng)過或

8、不經(jīng)過O/E/O變換。 n光分組交換網(wǎng)是基于分組交換技術(shù)的智能光網(wǎng)絡(luò)，OPS網(wǎng)絡(luò)的基本功能有：n(1) 路由，即根據(jù)數(shù)據(jù)包分組頭中的路由信息，為數(shù)據(jù)包尋找從源頭到宿的光通道。n(2) 控制流量并解決沖突，即控制網(wǎng)絡(luò)流量，防止數(shù)據(jù)包的混疊和資源擁塞。n(3) 同步，在交換節(jié)點(diǎn)輸入與輸出端對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行時(shí)間和相位上的校準(zhǔn)，以使數(shù)據(jù)包的位置與交換操作相配合。n(4) 識(shí)別并更新分組頭，即在交換節(jié)點(diǎn)輸入端捕獲分組頭并讀取信息，在輸出端插入新分組頭。n(5) 級(jí)聯(lián)能力，在多個(gè)交換節(jié)點(diǎn)上統(tǒng)一配置數(shù)據(jù)包的路由、定時(shí)、緩存和競(jìng)爭(zhēng)排除機(jī)制。在圖10.9給出了光分組交換的基本原理圖(分為同步分組交換和異步分組交換)

9、。OPS的基本原理 n圖10.9 光分組交換的基本原理圖圖7-5 OPS的基本原理 光分組交換分層網(wǎng)絡(luò)參考模型n光分組交換分層網(wǎng)絡(luò)分為三層，它們對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施演進(jìn)的三個(gè)主要步驟。第一層對(duì)應(yīng)于已普遍使用的接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，如ATM、PDH(準(zhǔn)同步數(shù)字系列)和SDH(同步數(shù)字系列)及其他常用的標(biāo)準(zhǔn)分組和基于幀的業(yè)務(wù)。為了簡(jiǎn)單，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)用一層來表示，把它稱作電交換層。第三層為透明光傳輸層，對(duì)應(yīng)于地域上更廣闊的WDM光傳輸網(wǎng)，透明的路由是基于在波長(zhǎng)域和空間域里的透明光交叉互連(OXC)，允許網(wǎng)絡(luò)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)重構(gòu)，該層在電交換層的下面，鏈路的傳輸容量為數(shù)兆比特/秒至幾百兆比特/秒。由于在相對(duì)低

10、速的電交換層和大粒度的信道分割的WDM光傳輸層之間存在代溝，需要在低速信道和高速信道之間進(jìn)行適配，所以在這兩層中間引入第二層，即比特率和傳輸方式透明的光分組交換網(wǎng)絡(luò)層，在WDM光傳輸網(wǎng)中的高速波長(zhǎng)信道和電交換網(wǎng)之間架起一座橋梁，從而大大改進(jìn)了帶寬的利用率和網(wǎng)絡(luò)的靈活性。該層延伸了光的透明性的優(yōu)點(diǎn)，它可作為電接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的大容量的承載交換網(wǎng)，也可以作為基于相同的分組格式的光城域網(wǎng)(MAN)的骨干網(wǎng)。 n光分組交換涉及的傳輸和交換在光域里進(jìn)行，可接入巨大的光纖帶寬，而相對(duì)復(fù)雜的分組路由/轉(zhuǎn)發(fā)在電域里實(shí)現(xiàn)。此外，為了在光分組載荷中傳送ATM的信元或IP分組，有效地使IP接入WDM層，光分組層提供一

11、些基本的鏈路層功能代理，能進(jìn)一步提供時(shí)域復(fù)用，允許IP路由器在傳輸信息至光WDM管道之前匯集用戶的流量。光分組交換節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu) n光分組交換節(jié)點(diǎn)，按是否有業(yè)務(wù)上/下路功能可分為帶有分插復(fù)用和不帶有分插復(fù)用功能的節(jié)點(diǎn)。如用于城域網(wǎng)(MAN)之間或大的局域網(wǎng)(LAN)之間的光分組交換，交換節(jié)點(diǎn)可以不要求有分插復(fù)用功能，分插復(fù)用功能可在MAN或LAN內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，如果交換節(jié)點(diǎn)是本地網(wǎng)絡(luò)的組成部分，則要求有分插復(fù)用功能。圖10.10給出了節(jié)點(diǎn)的組成模塊，這兩種交換節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成模塊相同。n如果按控制信號(hào)的類型來分，可分為全光型和光電混合型，對(duì)于全光型分組交換節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)和控制信號(hào)從源到目的地均是在光域里，但由

12、于目前高速光控器件很少，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)較困難，因此，迄今為止，國(guó)際上的研究項(xiàng)目基本上是采用光電混合型分組交換節(jié)點(diǎn)。 n光電混合型分組交換是讓數(shù)據(jù)在光域進(jìn)行交換，而控制信息在交換節(jié)點(diǎn)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理，用于分組路由和控制，這樣可充分利用微電子技術(shù)的靈活控制能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的透明高速交換。n圖10.10 節(jié)點(diǎn)的組成模塊光分組交換的關(guān)鍵技術(shù) n光分組交換的關(guān)鍵技術(shù)有光分組的產(chǎn)生、同步、緩存、再生、光分組頭重寫及分組之間的光功率的均衡等。n1. 光分組的產(chǎn)生 n2. 光分組同步n3. 解決競(jìng)爭(zhēng)的方法及光緩存 n4. 光分組再生 圖 光分組同步技術(shù)7.2.6 復(fù)合型光交換（復(fù)合型光交換（MOS） n（

13、1）空分+時(shí)分通常對(duì)OTDM信號(hào)采用時(shí)分/空分的MOS方式。對(duì)于WDM/OTDM信號(hào)，也可以實(shí)現(xiàn)空分+時(shí)分的MOS。n（2）空分+波分對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用的WDM信號(hào)采用波分/空分MOS方式。這種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，只需利用光開關(guān)、波分復(fù)用器/解復(fù)用器，進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲镁湍軐?shí)現(xiàn)。n（3）時(shí)分+頻分對(duì)于OTDM/OFDM光信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)分+頻分MOS方式。n（4）時(shí)分+頻分+空分在時(shí)分+頻分復(fù)合系統(tǒng)中再加入空分光交換方式，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。n（5）光ATM+TDM/WDM用來實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)、不同時(shí)隙的ATM信元MOS。由多級(jí)WDM/OTM轉(zhuǎn)換、路由模塊組成。7.2.7 光突發(fā)數(shù)據(jù)交換技術(shù)n光突發(fā)交換原理n光突

14、發(fā)交換特點(diǎn)光突發(fā)交換原理n光突發(fā)是OBS的交換單元，包括突發(fā)數(shù)據(jù)分組（Burst Data Packet, BDP）和突變控制分組（Burst Control Packet, BCP）。 光突發(fā)交換原理n它由光的核心路由器和電的邊緣路由器組成。突發(fā)數(shù)據(jù)分組在OBS網(wǎng)中的交換傳輸完全在光域內(nèi)完成，不需要進(jìn)行O/E、E/O的轉(zhuǎn)換；突發(fā)數(shù)據(jù)是由一些IP分組組成的，這些IP分組可以是來自傳統(tǒng)IP網(wǎng)中不同的電IP路由器。而控制分組在獨(dú)立于數(shù)據(jù)通道的光信道中傳輸，每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)分組對(duì)應(yīng)于一個(gè)控制分組，源端需設(shè)置控制分組與突發(fā)數(shù)據(jù)分組的偏移時(shí)間。 n光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光突發(fā)交換的特點(diǎn)nOBS是在光分組交換技術(shù)

15、的實(shí)用化受到限制的情況下產(chǎn)生的，被看作是光路交換（OCS）和光分組交換（OPS）的折中方案，主要特點(diǎn)如下：n1）OBS相對(duì)于OPS有較粗的交換粒度（為s量級(jí)）從而減少控制或處理開銷。n2）OBS的BCP與BDP分離傳送與處理，降低了中間交換節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度及對(duì)光器件的要求，且便于OBS的實(shí)用。n3）帶寬單向預(yù)留，BDP的發(fā)送不需要等待應(yīng)答信號(hào)，與OCS相比大大減少等待時(shí)延。n4）BCP為BDP在每個(gè)中間結(jié)點(diǎn)建立全光路徑，即BDP是完全透明的，不經(jīng)過任何光電/電光轉(zhuǎn)換，避免了電子瓶頸。n5）在中間結(jié)點(diǎn)不需要光緩存，放寬了同步要求，避免了OPS需要大容量、高性能光RAM的問題，有利于OBS的實(shí)用。n6

16、）BDP從不同源節(jié)點(diǎn)到不同目的節(jié)點(diǎn)的傳輸采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用方式，從而有效利用聯(lián)路上相同波長(zhǎng)的帶寬，具有較高的帶寬利用率。7.2.8 光標(biāo)記交換n副載波復(fù)用光標(biāo)記 n聯(lián)合調(diào)制光標(biāo)記 n時(shí)分復(fù)用光標(biāo)記 n專用波長(zhǎng)光標(biāo)記 n多波長(zhǎng)光標(biāo)記 n高強(qiáng)度光脈沖標(biāo)記 概述n光標(biāo)記交換是光包交換OPS(Optical Packet Switch)的實(shí)現(xiàn)形式，國(guó)外在OLS的關(guān)鍵技術(shù)方面的專利不斷涌現(xiàn)，其中主要集中在光標(biāo)記脈沖的產(chǎn)生技術(shù)、光標(biāo)記復(fù)用、解復(fù)用技術(shù)以及光時(shí)鐘提取技術(shù)等方面，但要實(shí)現(xiàn)OLS的實(shí)用化還有許多未知的因素有待人們?nèi)ミM(jìn)一步探索。盡管目前OLS技術(shù)還不成熟，構(gòu)成OLS系統(tǒng)的許多關(guān)鍵器件還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段

17、，但該技術(shù)正成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，OLS從器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)諸方面正以驚人的速度向前發(fā)展，并逐步向?qū)嵱没~進(jìn)。光標(biāo)記交換原理n所謂光標(biāo)記，是指利用各種方法在光包上打上標(biāo)記，也就是把光包的包頭地址信號(hào)用各種方法打在光包上，這樣在交換節(jié)點(diǎn)上根據(jù)光標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)全光交換?；谶@種原理來實(shí)現(xiàn)的光交換稱為光標(biāo)記交換，這就是OLS(Optical Label Switch)。n光標(biāo)記的產(chǎn)生和提取是光標(biāo)記交換的核心技術(shù)。光標(biāo)記信號(hào)一般是低速率信號(hào)，一般在Mbit/s量級(jí)上，而光包的傳輸速率都在Gbit/s量級(jí)上，如何把低速的標(biāo)記信號(hào)加在高速的光包信號(hào)上，可以根據(jù)不同的機(jī)制采用不同的方法。一般來講，光調(diào)制有三種

18、方式：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，目前光標(biāo)記的產(chǎn)生大多數(shù)也從調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三個(gè)方面入手。光標(biāo)記的提取本質(zhì)上就是把光標(biāo)記從復(fù)用信號(hào)中分離出來。基于調(diào)幅產(chǎn)生的光標(biāo)記多用半導(dǎo)體光放大器(SOA)、普通光纖和半導(dǎo)體激光放大器的非線性效應(yīng)的交叉相位調(diào)制、交叉增益調(diào)制和四波混頻(FWM)等原理來提取光標(biāo)記；基于調(diào)頻產(chǎn)生的光標(biāo)記一般采用載波解復(fù)用方法；基于調(diào)相產(chǎn)生的光標(biāo)記方法可以利用光的干涉原理來提取光標(biāo)記信號(hào)。光標(biāo)記交換的技術(shù)優(yōu)勢(shì)n首先，由于光的標(biāo)記交換不必將光信號(hào)變成電信號(hào)，并能夠改善信號(hào)的質(zhì)量，在實(shí)現(xiàn)透明的3R(再生、重定時(shí)和重整形)的同時(shí)直接下來進(jìn)行線速光包轉(zhuǎn)發(fā)，使得路由器的負(fù)荷大大降低，大量的交換繞過了路

19、由器電子瓶頸，從而有效地克服了光交換中的電子瓶頸；其次，由于光包不再與波長(zhǎng)捆綁，光包可靈活出入上下各節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)在線數(shù)據(jù)量減少，全光網(wǎng)絡(luò)資源的利用潛力增加；最后，由于在波分復(fù)用上加入了光包的統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，一個(gè)波長(zhǎng)鏈路可通過時(shí)分復(fù)用連接更多的節(jié)點(diǎn)，從線路角度來看，在全光網(wǎng)線路的任意一點(diǎn)都可不加限制地加入節(jié)點(diǎn)，這一點(diǎn)可使接入網(wǎng)技術(shù)更為簡(jiǎn)單、靈活，同時(shí)也使全光網(wǎng)絡(luò)的出路問題得到更好的解決。 7.2.9 智能光交換n智能交換光網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)n連接方式 nASON的特點(diǎn) 智能交換光網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)n智能交換光網(wǎng)絡(luò)與一般光傳送網(wǎng)的最大區(qū)別在于增加了控制平面，其體系結(jié)構(gòu)如圖10.24所示。智能交換光網(wǎng)絡(luò)在邏輯上

20、可以有用戶/網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)接口(I-NNI)和外部網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)接口(E-NNI)。 n智能交換光網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)連接方式 n永久連接（Permanent Connection，PC）n交換連接（Switched Connection，SC）n軟交換（SPC） ASON的特點(diǎn) n1）直接在光層上按需提供服務(wù)，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，可通過公共的CP加速服務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)服務(wù)的需要改變網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小，提供各種服務(wù)等級(jí)和保護(hù)機(jī)制。n2）建立通道的呼叫和連接這兩個(gè)過程分離，減少了在中間連接控制節(jié)點(diǎn)上傳送冗余的呼叫控制信息，減少了對(duì)信息和參數(shù)進(jìn)行解碼、翻譯的時(shí)間。n3）具備實(shí)時(shí)地流量工程控制，能對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源、業(yè)務(wù)流量進(jìn)行更加智能化的配置，根據(jù)數(shù)據(jù)流量類型實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分類。n4）具有智能化控制特點(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，具有鏈路管理、連接接入控制和業(yè)務(wù)優(yōu)先管理等功能，具備不同粒度的快速交換能力。n5）具備自動(dòng)資源發(fā)現(xiàn)功能，使ASON的網(wǎng)元或終端系統(tǒng)能夠確定它們是否正確地互相連接。n6）具備優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)生存性，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大保護(hù)和故障恢復(fù)能力。采用分布式