光交換技術(shù)精品課件

1、光交換技術(shù)第1頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 光通信是利用光波來傳送信息的。 光纖通信具有信息傳輸容量大、對比特流透明、不受電磁干擾、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息的極佳媒質(zhì)，光交換被認(rèn)為是為未來寬帶通信網(wǎng)服務(wù)的新一代交換技術(shù)。第2頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 本章主要介紹光交換的基本概念、光交換器件、光交換網(wǎng)絡(luò)和光交換系統(tǒng)，并對目前逐漸走向應(yīng)用的智能光網(wǎng)絡(luò)ASON進(jìn)行闡述。第3頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一概述11.1光交換器件11.2光交換網(wǎng)絡(luò)11.3光交換系統(tǒng)11.4自動交換光網(wǎng)絡(luò)11.5第4頁，共

2、81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.1 概述 21世紀(jì)的通信網(wǎng)應(yīng)該是能提供各種通信業(yè)務(wù)的、具有巨大通信能力的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)將以寬帶視頻、高速數(shù)據(jù)、普通話音和多媒體等業(yè)務(wù)為主。第5頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 為提供這些業(yè)務(wù)，需要高速、寬帶、大容量的傳輸系統(tǒng)和寬帶交換系統(tǒng)。 目前，以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代交換系統(tǒng)，無論是數(shù)字程控交換機(jī)、ATM交換機(jī)還是高速路由器，其交換容量都受到電子器件工作速度的限制。第6頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 在這種情況下，人們對光交換技術(shù)的關(guān)心日益增長，研究和開發(fā)具有高速、大容量交換潛

3、力的光交換技術(shù)勢在必行。 光交換被認(rèn)為是為未來寬帶通信網(wǎng)服務(wù)的新一代交換技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)主要集中在以下幾方面。第7頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一（1）運(yùn)行速度快。（2）光交換與光傳輸匹配可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全光通信網(wǎng)。（3）降低網(wǎng)絡(luò)成本，提高可靠性。（4）具有空間并行傳輸特性。 第8頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.2 光交換器件11.2.1 光開關(guān) 光開關(guān)是完成光交換最基本的功能器件。 光開關(guān)主要用來實(shí)現(xiàn)光層面上的路由選擇、波長選擇、光分插復(fù)用、光交叉連接和自愈保護(hù)等功能。第9頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 光開關(guān)大致可分為

4、半導(dǎo)體材料的光開關(guān)、耦合波導(dǎo)光開關(guān)、M-Z干涉型熱光開關(guān)、液晶光開關(guān)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)等。第10頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 光開關(guān)的主要作用包括：一是將某一光纖通道的光信號切斷或接通；二是將某波長光信號由一個(gè)光纖通道轉(zhuǎn)換到另一個(gè)光纖通道；三是將一種波長的光信號轉(zhuǎn)換為另一波長的光信號（波長轉(zhuǎn)換器）。第11頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 光開關(guān)的特性參數(shù)主要包括：插入損耗、回波損耗、隔離度、串?dāng)_、工作波長、消光比、開關(guān)時(shí)間等。第12頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一1半導(dǎo)體光開關(guān)圖11-1 半導(dǎo)體光放及等效光開

5、關(guān)示意圖第13頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一2耦合波導(dǎo)光開關(guān)圖11-2 耦合波導(dǎo)光開關(guān)結(jié)構(gòu)及邏輯表示第14頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一3M-Z干涉型電光開關(guān)圖11-3 M-Z干涉型電光開關(guān)第15頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一4液晶光開關(guān)圖11-4 液晶光開關(guān)工作原理第16頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一5微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān) 圖11-5 移動光纖式光開關(guān) 第17頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-6 移動反射鏡式光開關(guān)第18頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31

6、分，星期一圖11-7 用16個(gè)移動反射鏡光開關(guān)構(gòu)成的兩組44 MEMS開關(guān)陣列第19頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.2.2 波長轉(zhuǎn)換器 波長轉(zhuǎn)換器是一種能把攜帶信號的光波從一個(gè)波長轉(zhuǎn)換為另一個(gè)波長的器件。 波長轉(zhuǎn)換是解決相同波長爭用同一個(gè)端口時(shí)發(fā)生阻塞的關(guān)鍵。第20頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 理想的波長轉(zhuǎn)換器應(yīng)具備有較高的速率、較寬的波長轉(zhuǎn)換范圍和高信噪比、高消光比，而且與偏振無關(guān)。第21頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 如圖11-8所示，最直接的波長轉(zhuǎn)換是光電光變換，即將波長為1的輸入光信號，由光電探測器轉(zhuǎn)變

7、為電信號，然后再去驅(qū)動一個(gè)波長為2的激光器，使得輸出波長變?yōu)?；另外一種是調(diào)制間接轉(zhuǎn)換，即在外調(diào)制器的控制端上施加適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?，使得波長為1的入射光被調(diào)制成波長為2出射光。第22頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-8 波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意第23頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.2.3 光存儲器 光存儲器是實(shí)現(xiàn)時(shí)分光交換的基礎(chǔ)。 常用的光存儲器有光纖延時(shí)線和雙穩(wěn)態(tài)激光二極管。第24頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一1光纖延遲線2雙穩(wěn)態(tài)激光二極管第25頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.3

8、光交換網(wǎng)絡(luò) 光交換網(wǎng)絡(luò)完成光信號在光域的直接交換，而不需進(jìn)行光電光變換。 根據(jù)光信號的復(fù)用方式，相應(yīng)地有空分、時(shí)分、波分等交換方式。 若光信號同時(shí)采用兩種或三種交換方式，則稱為混合光交換。第26頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.3.1 空分光交換網(wǎng)絡(luò) 與空分電交換一樣，空分光交換是一種最簡單的光交換方式。 通過機(jī)械、電或光三種不同方式對光開關(guān)及相應(yīng)的光開關(guān)陣列（矩陣）進(jìn)行控制，為光交換提供物理通道，使輸入端的任一信道與輸出端的任一信道相連。第27頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 空分光交換網(wǎng)絡(luò)的最基本單元是22的光交換模塊。 如圖11-9所示

9、，輸入端有兩根光纖，輸出端也有兩根光纖。它有兩種工作狀態(tài)：平行狀態(tài)和交叉狀態(tài)。 第28頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-9 基本的22空分光交換模塊第29頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 可以采用以下幾種方式來組成空分交換模塊：（1）鈮酸鋰（LiNbO3）晶體定向耦合器，其結(jié)構(gòu)和工作原理已在10.2節(jié)中介紹。第30頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一（2）用4個(gè)12光開關(guān)（又可稱為Y分叉器）組成22的光交換模塊。（3）用4個(gè)11光開關(guān)器件和4個(gè)無源光分路/合路器組成22的光交換模塊，如圖11-9(b)所示。 第31頁，共

10、81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 通過對上面的基本交換模塊進(jìn)行擴(kuò)展、復(fù)接，可以構(gòu)成更大規(guī)模的光空分交換單元。第32頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.3.2 時(shí)分光交換網(wǎng)絡(luò) 光時(shí)分復(fù)用與電時(shí)分復(fù)用類似，也是把一條復(fù)用線分成若干個(gè)時(shí)隙，每個(gè)數(shù)據(jù)光脈沖占用一個(gè)時(shí)隙，N路數(shù)據(jù)信道復(fù)用成高速光數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。第33頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 時(shí)隙交換離不開存儲器，由于光存儲器以及光計(jì)算機(jī)還沒有達(dá)到實(shí)用階段，所以一般采用光延時(shí)器件實(shí)現(xiàn)光存儲，如前面11.2節(jié)中提到的光纖延時(shí)線存儲器和雙穩(wěn)態(tài)激光二極管光存儲器。第34頁，共81頁，2

11、022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 采用光延時(shí)器件實(shí)現(xiàn)時(shí)分光交換網(wǎng)絡(luò)的工作原理是：先把時(shí)分復(fù)用光信號通過光分路器分成多個(gè)單路光信號，然后讓這些信號分別經(jīng)過不同的光延時(shí)器件，以獲得不同的延時(shí)，再把這些信號通過光合路器重新復(fù)合起來，時(shí)隙互換就完成了。 時(shí)分光交換原理示意如圖11-10所示。第35頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-10 時(shí)分光交換原理第36頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.3.3 波分光交換網(wǎng)絡(luò) 波分光交換可以采用波長變換或波長選擇兩種方法來實(shí)現(xiàn)。 波長開關(guān)是完成波分交換的關(guān)鍵部件，其交換原理如圖11-11所示。第37頁

12、，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-11 波分交換原理第38頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-12 波長選擇型波分交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第39頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.3.4 混合型光交換網(wǎng)絡(luò)圖11-13 波分-空分-波分混合型光交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第40頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.3.5 自由空間光交換網(wǎng)絡(luò) 由于光波作為載波在自由空間傳輸?shù)膸捑薮螅s為100THz），為了充分利用帶寬資源，科學(xué)家們開始研究自由空間光交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第41頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，

13、星期一 在空間無干涉地控制光的路徑的光交換稱為自由空間光交換。 它是最早的光交換，其構(gòu)成比較簡單，只要移動棱鏡或透鏡即可。第42頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 典型的自由空間光交換是由二維光極化控制的陣列或開關(guān)門器件組成。 另外，使用全息光交換技術(shù)也可以構(gòu)成大規(guī)模的自由空間光交換系統(tǒng)，而且無需多級互連。第43頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一自由空間光交換網(wǎng)絡(luò)可以由多個(gè)22光交叉元件組成，除了前面介紹過的耦合光波導(dǎo)元件具有交叉和平行連接兩種狀態(tài)，可以構(gòu)成22光交叉連接外，極化控制的兩塊雙折射片也具有這種特性。第44頁，共81頁，2022年，5月2

14、0日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-14 由兩塊雙折射片構(gòu)成的空間光交叉連接元件第45頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-15 自電光效應(yīng)器件的結(jié)構(gòu)及其特性曲線第46頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.4 光交換系統(tǒng)1光交換技術(shù)分類 和電交換技術(shù)類似，光交換方式可分為光路光交換和分組光交換兩大類型，如圖11-16所示。第47頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 不同的光交換技術(shù)完成不同粒度的信息交換，其中，波導(dǎo)空分、自由空間光和波分光交換類似于電路交換，是粗粒度的信道分割；時(shí)分交換或分組交換的信道分割粒度較細(xì)。第48頁，共8

15、1頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-16 光交換技術(shù)分類第49頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一2OADM和OXC 組成WDM光網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點(diǎn)設(shè)備是OADM（Optical Add-Drop Multiplexer，光分插復(fù)用器）和OXC（Optical Cross-Connect，光交叉連接器），二者通常由WDM復(fù)用/解復(fù)用器、光交換網(wǎng)絡(luò)（矩陣）、波長轉(zhuǎn)換器和節(jié)點(diǎn)管理系統(tǒng)組成，主要完成光路上下、光層帶寬管理、光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)、恢復(fù)和動態(tài)重構(gòu)等功能。第50頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-17 基于波分復(fù)用/解復(fù)用和光開關(guān)的O

16、ADM結(jié)構(gòu)示意第51頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 圖11-18 波長交叉連接示意 第52頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 圖11-19 波長變換交叉連接示意第53頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一3光分組交換系統(tǒng) 光分組交換能夠在非常小的粒度上實(shí)現(xiàn)光交換/選路，極大地提高光網(wǎng)絡(luò)的靈活性和帶寬利用率，非常適合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，是未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。第54頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 光分組交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖11-20所示，它主要由輸入/輸出接口、交換模塊和控制單元等組成。 其關(guān)鍵技術(shù)主要包括光分

17、組產(chǎn)生、同步、緩存、再生、光分組頭重寫及分組之間的光功率均衡等。第55頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一圖11-20 光分組交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖第56頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 光分組交換具有下列特點(diǎn)：（1）交換粒度小，能與IP分組很好地兼容。（2）容量大、可配置、數(shù)據(jù)率和格式透明，可支持不同類型的數(shù)據(jù)交換。第57頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一（3）提供端到端的光通道或者無連接傳輸，帶寬利用效率高，適應(yīng)性好，能提供各種服務(wù)。第58頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一（4）將大量的交換業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到光域，

18、交換容量與WDM傳輸容量匹配，同時(shí)便于與OXC、MPLS等新技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與資源的合理利用，資源利用率高、適應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)能力強(qiáng)。第59頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 但光分組交換也存在下列不足：（1）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，對光器件的性能要求高，光邏輯器件不成熟。（2）缺乏深度和快速的光記憶器件，在光域難以實(shí)現(xiàn)與電路由器相同的光路由器。第60頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一（3）由于突發(fā)數(shù)據(jù)分組需要在中間節(jié)點(diǎn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)，需要有效的光隨機(jī)存儲器。（4）在光分組交換節(jié)點(diǎn)處，難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入分組的精確同步，需要靈活高效的光域同步技術(shù)。第61頁，共81頁，202

19、2年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一11.5 自動交換光網(wǎng)絡(luò) 20世紀(jì)90年代以來，基于SDH/WDM的光傳送網(wǎng)在電信網(wǎng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。 其快速的保護(hù)功能、優(yōu)越的管理性能使之成為電信網(wǎng)的主要傳輸手段。 然而，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展和用戶需求的提高，傳統(tǒng)的光傳送網(wǎng)暴露出下列缺陷。第62頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一（1）業(yè)務(wù)配置復(fù)雜。（2）帶寬利用率低。（3）保護(hù)方式單一。 第63頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一1ASON的體系結(jié)構(gòu)圖11-21 ASON的體系結(jié)構(gòu)第64頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一2ASON的技術(shù)特點(diǎn)（

20、1）支持端到端的業(yè)務(wù)自動配置。智能化的網(wǎng)元能直接感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌幚硭俣瓤?、生存能力?qiáng)。（2）網(wǎng)絡(luò)資源和拓?fù)涞淖詣影l(fā)現(xiàn)。第65頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一（3）支持流量工程，網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求，實(shí)時(shí)動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)最佳配置。（4）支持Mesh組網(wǎng)保護(hù)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可生存性。第66頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一（5）便于引入新的業(yè)務(wù)類型，如按需帶寬業(yè)務(wù)（BOD）、波長批發(fā)、波長出租、分級的帶寬業(yè)務(wù)（SLA）和光層虛擬專網(wǎng)等。第67頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一3ASON的關(guān)鍵技術(shù) ASON的實(shí)現(xiàn)依賴其控制機(jī)制，

21、包括自動發(fā)現(xiàn)、路由、信令、呼叫和連接控制，以及保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制等。第68頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一4向ASON的演進(jìn)（1）重疊模型（2）集成模型第69頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一本 章 小 結(jié) 光纖具有信息傳輸容量大、對比特流透明、不受電磁干擾、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代通信網(wǎng)中傳送信息的極佳介質(zhì)，光交換被認(rèn)為是為未來寬帶通信網(wǎng)服務(wù)的新一代交換技術(shù)。第70頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 純粹的光交換，是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。第71頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)3

22、1分，星期一 但由于目前光器件的功能還較簡單，不能完成復(fù)雜的邏輯控制功能，因此現(xiàn)有的光交換控制還要由電信號來完成，即電控光交換。 隨著光器件技術(shù)的發(fā)展，光交換技術(shù)的最終發(fā)展趨勢將是光控光交換。第72頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 光交換的基礎(chǔ)器件包括各種光開關(guān)（半導(dǎo)體、耦合波導(dǎo)、M-Z干涉型電光、液晶、微機(jī)電系統(tǒng)等）、波長轉(zhuǎn)換器、半導(dǎo)體激光放大器、光耦合器、光調(diào)制器和光存儲器等，利用這些器件可以構(gòu)建不同的光交換結(jié)構(gòu)（空分光交換、時(shí)分光交換、波分光交換、混合型光交換、自由空間光交換）。第73頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 和電交換技術(shù)類似，光交換技術(shù)也可分為光路光交換和分組光交換兩大類。第74頁，共81頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)31分，星期一 光路光交換系統(tǒng)所涉及的技術(shù)有空分交換