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第 9 章 光交换技术. 9.1 概述. 光传送技术的发展 当前商用化单波长光纤传输系统容量为10 Gb/s， 有报道已实现了40 Gb/s。 光波长复用技术可以使得一根单模光纤实现200 10 Gb/s 或更大的传输容量。 光器件，商品化光开关的控制响应速度已低于1 ms， 延迟线模式光缓存、波长变换等技术也已成功。. 考虑全光交换网络的理由 (1) 历史的观点 ，模拟传输产生了机电制交换； PCM 数字传输有了数字程控交换；当前光传输已成主角，因此下一代网络将是全光交换。
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9.1 概述 • 光传送技术的发展 • 当前商用化单波长光纤传输系统容量为10Gb/s，有报道已实现了40Gb/s。 • 光波长复用技术可以使得一根单模光纤实现20010Gb/s或更大的传输容量。 • 光器件，商品化光开关的控制响应速度已低于1ms，延迟线模式光缓存、波长变换等技术也已成功。
考虑全光交换网络的理由 • (1)历史的观点，模拟传输产生了机电制交换；PCM数字传输有了数字程控交换；当前光传输已成主角，因此下一代网络将是全光交换。 • (2) 速度极限，由于电子器件的极限速度为几个G~10Gb/s，使得电子交换设备可能成为未来网络的瓶颈。 • (3) 成本降低，采用光传输的电子交换系统，必须有光/电和电/光转换，全光交换则不用。 • (4) 速度匹配，光传输，光交换，全光网络。
光交换技术分类 • 光交换技术，指不经过任何光/电转换，直接在光域上完成输入到输出端的信息交换。 • 按照复用方式分类，光交换可分为： • 光空分交换技术。多点间建立光信息传送物理通道的交换技术。 • 光波分交换技术。利用光波分复用和波长变换技术，将信息从一个波长转移到另一波长上。 • 光时分交换技术。在时间轴上将光波长分成多个时段，互换时间位置来交换承载的信息。 • 光码分交换技术。不同用户信号用不同码序列填充，利用码序列转换来交换信息。
按承载和交换信息的光域粒度划分，可分为： • 光路交换（OCS）技术，最小交换单元是一个波长通道。 • 光分组交换（OPS）技术，光域分组包作为最小交换颗粒。 • 光突发交换（OBS）技术，多个分组构成更大分组，以突发方式在光域传输和交换。 • 光标记分组交换（OMPLS）技术，MPLS和光网络结合，MPLS控制标记分发和控制光开关，建立交换式光通道。
光交换技术的特点 • 随着发展，光交换技术已能保证网络可靠性，并提供灵活的选路方案，为高速信息流提供动态光域处理。 • 光交换不受监测器、调制器等光电器件速度的限制，极大地提高了交换节点的吞吐量。 • 不需要经过光/电/光转换，降低了交换节点成本。 • 对比特率、调制方式和通信协议都具有透明性，有良好的升级能力。
9.2 光交换元件 • 9.2.1 半导体光开关 • 半导体光放大器，当偏置信号为零时，输入信号将被器件完全吸收，输出端没有任何光信号输出。 • 半导体光放大器及等效开关示意如下图。
9.2.2 耦合波导开关 • 耦合波导开关，利用铌酸锂(LiNbO3)材料制作，在控制电极上施加一定电压可改变波导的折射率和相位，从而可构成22交换开关。激励电压约5V，最大传信速率达Gb/s。 • 耦合波导开关示意结构及逻辑表示如下图。
硅衬底平面光波导开关 • 特点是插入损耗小(0.5dB)、稳定性高、可靠性好、成本低，适合大规模集成，不足点是响应速度较慢，1~2ms。
9.3 光交换系统 • 未来宽带业务具有很大不确定性，交换系统设计应尽可能地灵活。对比特传送速率应透明，业务和控制尽可能分离，控制系统简单，具有广播功能。 • 系统设计应模块化，易于维护、增删和修改。 • 技术上多种模式相结合，取各自优点，统筹优化融合。
9.3.1 光交叉连接设备 • 光交叉连接设备(OXC)是实现自动交换光网络(ASON)的核心技术。 • OXC可依据控制面功能，按照用户请求在全光网络环境中自动建立一条符合用户需求的光波长通道。
控制和管理部分属于电子设施，通过信令协议接收用户及网管系统请求，完成自动保护倒换、连接指配、波长选路等功能。控制和管理部分属于电子设施，通过信令协议接收用户及网管系统请求，完成自动保护倒换、连接指配、波长选路等功能。 由输入部分、光交叉连接部分、输出部分、控制和管理部分5个功能模块构成。 光交叉连接设备基本结构 输入部分包括放大器EDFA和波长解复用DMUX，将每根光纤上的光信号放大、分离后送交叉连接矩阵。 输出部分，均功器的作用是对受到不同衰减的光波长信号进行功率均衡，以减小不同光波长间的干扰。
光交叉连接设备主要用于骨干传送网中，完成任一光纤某个波长信号到其他光纤的传送连接。光交叉连接设备主要用于骨干传送网中，完成任一光纤某个波长信号到其他光纤的传送连接。 • OXC具有信号复用、信号交换、光路保护倒换、监控管理等功能。 • 除控制管理部分外，其余部分的信号处理都在光域完成。因此OXC具有极大的交叉容量，可达几千T比特级别。
光交叉连接矩阵 • 实现光交叉连接矩阵，光机械开关、LiNb03开关、InP开关、半导体光放大器（SOA）开关等 ，现常用微电子机械开关（MEMS）构成。 • MEMS为无源光开关，介入损耗和串扰都较小，属完全透明的连接模式，连接处理过程不需光/电转换。 • 容量极大，可构成1296×1296端口连接矩阵，每端口传送40个波长×40Gb/s的信号容量，总传送容量达到2.07petabit/s，具有严格无阻塞特性。
OXC的工作原理 • OXC不同于标准交换设备，它不是按照每一个通信请求建立连接，是在控制面和管理面操作下提供永久/半永久波长路由通道。 • 永久连接，由管理面发起和维护，通过路由指配消息和信令为具体业务建立波长路由通道。 • 交换式连接，由控制面发起和维护，控制面处理用户接口发来的请求，建立满足用户需求的通道，通知管理面。 • 软永久性连接，连接建立、拆除请求由管理面发出，传送面的资源配置和控制动作指令则由控制面发出。
抵达OCX的多波长光信号先掺饵光纤放大器放大，然后由DMUX分离成多个单波长信号送入连接矩阵。抵达OCX的多波长光信号先掺饵光纤放大器放大，然后由DMUX分离成多个单波长信号送入连接矩阵。 OXC的工作原理 在业务信息进入连接矩阵之前，控制和管理面已根据业务需求指定了每个输入口波长的输出端口，光信号将自动流出。 OUT是一个波长变换器，由于波分复用不能在一根光纤中有两个以上的相同波长信号，需要OUT将相关波长信号转换成光纤所需波长。
9.3.2 光突发交换系统 • 交换系统，目标是根据每个用户的请求即时提供连接服务，业务吞吐容量可达几千T比特秒，交换控制机制是关键问题。 • 解决复杂问题的钥匙是对问题进行多维度分解，将复杂问题看作多个简单问题的有序组合。
光突发交换系统，是在OXC波长路由交换的基础上，将同一波长上的承载容量在时间轴上再细分成多个突发时段，每个突发时段以统计复用方式承载不同用户业务。光突发交换系统，是在OXC波长路由交换的基础上，将同一波长上的承载容量在时间轴上再细分成多个突发时段，每个突发时段以统计复用方式承载不同用户业务。 • OBS交换技术是构成IP over WDM的下一代网络(NGN)的基础技术，其主要特点是资源利用率高、网络灵活、硬件实现方便，可以透明方式承载不同用户业务。
OBS基本思想是数据分组与控制分组的传输相分离，提前发送控制分组，为随后的数据分组预留资源和建立传输通路。OBS基本思想是数据分组与控制分组的传输相分离，提前发送控制分组，为随后的数据分组预留资源和建立传输通路。 光突发交换网络数据和控制分离 OBS核心节点由交叉连接和控制机构两部分组成，控制机构负责收发BCP消息，依照BCP内容协同交叉连接机构预留资源为随后将至的BDP建立光突发连接通路。 OBS边缘路由器负责数据分组的汇集和分发，检测数据分组的源/目的地址和服务等级，分类组装成突发分组BDP，产生相应的控制分组BCP。
教材: <<现代交换原理>> 陈建亚主编 北京邮电大学出版社
