全光通信—光交換技術(shù)

全光通信光交換技術(shù)

摘要：通信網(wǎng)的兩大組成部分是傳輸和交換，隨著通信容量的要求和光纖通信的發(fā)展，電交換中由于電子轉(zhuǎn)移速度的限制成為信息通信的瓶頸，因而由光交換組成的全光通信網(wǎng)將成為今后通信網(wǎng)的主流。本文對光交換技術(shù)相關(guān)知識及其發(fā)展進行了簡要的介紹。關(guān)鍵字：全光通信光交換技術(shù)光交換系統(tǒng)一、引言

通信網(wǎng)的兩大主要組成部分傳輸和交換，隨著通信容量和帶寬要求的迅速增加都在不斷發(fā)展和革新。由于光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的成熟，傳輸容量的迅速增長帶來的對交換系統(tǒng)發(fā)展的壓力和動力，通信網(wǎng)中交換系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，運行速率越來越高。但目前的電子交換和信息處理網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展己接近電子速率的極限，其固有的CD參數(shù)、鐘歪、漂移、串話和響應(yīng)速度等缺點限制了交換速率的提高，為了解決電子瓶頸的限制問題。在交換系統(tǒng)中引入光子技術(shù)實現(xiàn)光交換，光交叉連接(OXC)和光分叉復(fù)用(OADM)實現(xiàn)全光通信。

全光通信網(wǎng)的優(yōu)點是：光信號在通過光交換單元時，不需要經(jīng)過光電、電光轉(zhuǎn)換。因此它不受檢測器、調(diào)制器等光電器件響應(yīng)速度的限制，對比特率和調(diào)制方式透明，可以大大提高交換單元的信息吞吐量。由于信息的傳輸技術(shù)的不斷完善，光交換技術(shù)成為全光通信網(wǎng)的關(guān)鍵。

二、光交換的概念與特點

光交換技術(shù)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。光交換系統(tǒng)主要由輸入接口、光交換矩陣、輸出接口和控制單元四部分組成，如下圖所示：

由于目前光邏輯器件的功能還較簡單，不能完成控制部分復(fù)雜的邏輯處理功能，因此國際上現(xiàn)有的光交換控制單元還要由電信號來完成，即所謂的電控光交換。在控制單元的輸入端進行光電轉(zhuǎn)換，而在輸出端需完成電光轉(zhuǎn)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。

隨著通信網(wǎng)絡(luò)逐漸向全光平臺發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、路由、保護和自愈功能在光通信領(lǐng)域中越來越重要。采用光交換技術(shù)可以克服電子交換的容量瓶頸問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性，提高網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級成本。

目前，光交換技術(shù)可分成光的電路交換（OCS）和光分組交換（OPS）兩種主要類型。光的電路交換類似于現(xiàn)存的電路交換技術(shù)，采用OXC、OADM等光器件設(shè)置光通路，中間節(jié)點不需要使用光緩存，目前對OCS的研究已經(jīng)較為成熟。根據(jù)交換對象的不同OCS又可以分為：

（1）光時分交換技術(shù)，時分復(fù)用是通信網(wǎng)中普遍采用的一種復(fù)用方式，時分光交換就是在時間軸上將復(fù)用的光信號的時間位置t1轉(zhuǎn)換成另一個時間位置t2。

（2）光波分交換技術(shù)，是指光信號在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中不經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換，直接將所攜帶的信息從一個波長轉(zhuǎn)移到另一個波長上。

（3）光空分交換技術(shù)，即根據(jù)需要在兩個或多個點之間建立物理通道，這個通道可以是光波導(dǎo)也可以是自由空間的波束，信息交換通過改變傳輸路徑來完成。

（4）光碼分交換技術(shù)，光碼分復(fù)用（OCDMA）是一種擴頻通信技術(shù)，不同戶的信號用互成正交的不同碼序列填充，接受時只要用與發(fā)送方相同的法序列進行相關(guān)接受，即可恢復(fù)原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個正交碼上的光信號交換到另一個正交碼上，實現(xiàn)不同碼子之間的交換。

未來的光網(wǎng)絡(luò)要求支持多粒度的業(yè)務(wù)，其中小粒度的業(yè)務(wù)是運營商的主要業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的多樣性使得用戶對帶寬有不同的需求，OCS在光子層面的最小交換單元是整條波長通道上數(shù)Gb/s的流量，很難按照用戶的需求靈活地進行帶寬的動態(tài)分配和資源的統(tǒng)計復(fù)用，所以光分組交換應(yīng)運而生。光分組交換系統(tǒng)根據(jù)對控制包頭處理及交換粒度的不同，又可分為：（1）光分組交換（OPS）技術(shù)，它以光分組作為最小的交換顆粒，數(shù)據(jù)包的格式為固定長度的光分組頭、凈荷和保護時間三部分。在交換系統(tǒng)的輸入接口完成光分組讀取和同步功能，同時用光纖分束器將一小部分光功率分出送入控制單元，用于完成如光分組頭識別、恢復(fù)和凈荷定位等功能。光交換矩陣為經(jīng)過同步的光分組選擇路由，并解決輸出端口競爭。最后輸出接口通過輸出同步和再生模塊，降低光分組的相位抖動，同時完成光分組頭的重寫和光分組再生。

（2）光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)，它的特點是數(shù)據(jù)分組和控制分組獨立傳送，在時間上和信道上都是分離的，它采用單向資源預(yù)留機制，以光突發(fā)作為最小的交換單元。OBS克服了OPS的缺點，對光開關(guān)和光緩存的要求降低，并能夠很好的支持突發(fā)性的分組業(yè)務(wù)，同時與OCS相比，它又大大提高了資源分配的靈活性和資源的利用率。被認為很有可能在未來互聯(lián)網(wǎng)中扮演關(guān)鍵角色。

（3）光標記分組交換（OMPLS）技術(shù)，也稱為GMPLS或多協(xié)議波長交換（MPλS）.它是MPLS技術(shù)與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。MPLS是多層交換技術(shù)的最新進展，將MPLS控制平面貼到光的波長路由交換設(shè)備的頂部就具有MPLS能力的光節(jié)點。由MPLS控制平面運行標簽分發(fā)機制，向下游各節(jié)點發(fā)送標簽，標簽對應(yīng)相應(yīng)的波長，由各節(jié)點的控制平面進行光開關(guān)的倒換控制，建立光通道。201*年5月NTT開發(fā)出了世界首臺全光交換MPLS路由器，結(jié)合WDM技術(shù)和MPLS技術(shù)，實現(xiàn)全光狀態(tài)下的IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。三、組成光交換系統(tǒng)的核心器件（1）光開關(guān)器件

光開關(guān)是構(gòu)成OXC、OADM的主要器件，目前制作光開關(guān)的技術(shù)主要有：陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、半導(dǎo)體光放(SOA)開關(guān)、LiNbO3聲光開關(guān)(AOTS)和電光開關(guān)、微電子機械光開關(guān)（MEMS）、液晶光開關(guān)、噴墨氣泡技術(shù)光開關(guān)、全息光開關(guān)等。（2）光緩存器件

光緩存時光分組交換的關(guān)鍵技術(shù)，目前還沒有全光的隨機存儲器，只能通過無源的光纖延時線(FDL)或有源的光纖環(huán)路來模擬光緩存功能。常見的光緩存結(jié)構(gòu)有：可編程的并聯(lián)FDL陣列、串聯(lián)FDL陣列和有源光纖環(huán)路。（3）光邏輯器件

該類器件由光信號控制它的狀態(tài)，用來完成各類布爾邏輯運算。目前光邏輯器件的功能還較簡單，比較成熟的技術(shù)有對稱型自電光效應(yīng)（S-SEED）器件、基于多量子阱DFB的光學(xué)雙穩(wěn)器件和基于非線性光學(xué)的與門等。（4）波長變換器

全光波長轉(zhuǎn)換器是波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)及全光交換網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部件。波長轉(zhuǎn)換器有多種結(jié)構(gòu)和機制，目前研究較為成熟的是以半導(dǎo)體光放大器(SOA)為基礎(chǔ)的波長轉(zhuǎn)換器,包括交叉增益飽和調(diào)制型(XGMSOA)、交叉相位調(diào)制型(XPMSOA)以及四波混頻型波長轉(zhuǎn)換器(FWMSOA)等。

四、光交換技術(shù)的發(fā)展

全球光交換設(shè)備市場從201*年的3.07億美元開始增長，到201*年將達到64.5億美元。201*年以后，該技術(shù)市場在整個電信市場領(lǐng)域?qū)�會占主�?dǎo)地位，尤其是在北美、西歐各國及亞洲部分地區(qū)。目前光交換技術(shù)市場日益成熟，價格也在迅速下降。批量生產(chǎn)以后，這些技術(shù)設(shè)備的價格有望在201*年下半年更大幅度地下降。業(yè)內(nèi)專家指出，光分組交換技術(shù)將成為一項重要的網(wǎng)絡(luò)交換升級技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。未來，基于電路交換的電信網(wǎng)必然要升級到以數(shù)據(jù)為重心以分組為基礎(chǔ)的新型通信網(wǎng)，而光分組交換網(wǎng)能以更細的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分組交換，是下一代全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊。在不久的將來，光交換技術(shù)將會在全光通信網(wǎng)中發(fā)揮重要的作用，為通信技術(shù)的發(fā)展帶來革命性的進步。參考文獻：

[1]金惠文，陳建亞，紀紅現(xiàn)代交換原理201*年3月

[2]姜鳳嬌，高艷萍，岳小云光交換技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用[期刊論文]201*年11期[3]翟錦華全光通信中的光交換技術(shù)[期刊論文]201*年6期

[4]張連俊，彭榮群通信網(wǎng)中的光交換技術(shù)[期刊論文]201*年4期

擴展閱讀：第八章 全光通信—光交換技術(shù)

全光通信光交換技術(shù)

摘要：通信網(wǎng)的兩大組成部分是傳輸和交換，隨著通信容量的要求和光纖通信的發(fā)展，電交換中由于電子轉(zhuǎn)移速度的限制成為信息通信的瓶頸，因而由光交換組成的全光通信網(wǎng)將成為今后通信網(wǎng)的主流。本文對光交換技術(shù)相關(guān)知識及其發(fā)展進行了簡要的介紹。關(guān)鍵字：全光通信光交換技術(shù)光交換系統(tǒng)一、引言

通信網(wǎng)的兩大主要組成部分傳輸和交換，隨著通信容量和帶寬要求的迅速增加都在不斷發(fā)展和革新。由于光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的成熟，傳輸容量的迅速增長帶來的對交換系統(tǒng)發(fā)展的壓力和動力，通信網(wǎng)中交換系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，運行速率越來越高。但目前的電子交換和信息處理網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展己接近電子速率的極限，其固有的CD參數(shù)、鐘歪、漂移、串話和響應(yīng)速度等缺點限制了交換速率的提高，為了解決電子瓶頸的限制問題。在交換系統(tǒng)中引入光子技術(shù)實現(xiàn)光交換，光交叉連接(OXC)和光分叉復(fù)用(OADM)實現(xiàn)全光通信。

全光通信網(wǎng)的優(yōu)點是：光信號在通過光交換單元時，不需要經(jīng)過光電、電光轉(zhuǎn)換。因此它不受檢測器、調(diào)制器等光電器件響應(yīng)速度的限制，對比特率和調(diào)制方式透明，可以大大提高交換單元的信息吞吐量。由于信息的傳輸技術(shù)的不斷完善，光交換技術(shù)成為全光通信網(wǎng)的關(guān)鍵。

二、光交換的概念與特點

光交換技術(shù)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。光交換系統(tǒng)主要由輸入接口、光交換矩陣、輸出接口和控制單元四部分組成，如下圖所示：

由于目前光邏輯器件的功能還較簡單，不能完成控制部分復(fù)雜的邏輯處理功能，因此國際上現(xiàn)有的光交換控制單元還要由電信號來完成，即所謂的電控光交換。在控制單元的輸入端進行光電轉(zhuǎn)換，而在輸出端需完成電光轉(zhuǎn)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。

隨著通信網(wǎng)絡(luò)逐漸向全光平臺發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、路由、保護和自愈功能在光通信領(lǐng)域中越來越重要。采用光交換技術(shù)可以克服電子交換的容量瓶頸問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性，提高網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級成本。

目前，光交換技術(shù)可分成光的電路交換（OCS）和光分組交換（OPS）兩種主要類型。光的電路交換類似于現(xiàn)存的電路交換技術(shù)，采用OXC、OADM等光器件設(shè)置光通路，中間節(jié)點不需要使用光緩存，目前對OCS的研究已經(jīng)較為成熟。根據(jù)交換對象的不同OCS又可以分為：

（1）光時分交換技術(shù)，時分復(fù)用是通信網(wǎng)中普遍采用的一種復(fù)用方式，時分光交換就是在時間軸上將復(fù)用的光信號的時間位置t1轉(zhuǎn)換成另一個時間位置t2。

（2）光波分交換技術(shù)，是指光信號在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中不經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換，直接將所攜帶的信息從

一個波長轉(zhuǎn)移到另一個波長上。

（3）光空分交換技術(shù)，即根據(jù)需要在兩個或多個點之間建立物理通道，這個通道可以是光波導(dǎo)也可以是自由空間的波束，信息交換通過改變傳輸路徑來完成。

（4）光碼分交換技術(shù)，光碼分復(fù)用（OCDMA）是一種擴頻通信技術(shù)，不同戶的信號用互成正交的不同碼序列填充，接受時只要用與發(fā)送方相同的法序列進行相關(guān)接受，即可恢復(fù)原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個正交碼上的光信號交換到另一個正交碼上，實現(xiàn)不同碼子之間的交換。

未來的光網(wǎng)絡(luò)要求支持多粒度的業(yè)務(wù)，其中小粒度的業(yè)務(wù)是運營商的主要業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的多樣性使得用戶對帶寬有不同的需求，OCS在光子層面的最小交換單元是整條波長通道上數(shù)Gb/s的流量，很難按照用戶的需求靈活地進行帶寬的動態(tài)分配和資源的統(tǒng)計復(fù)用，所以光分組交換應(yīng)運而生。光分組交換系統(tǒng)根據(jù)對控制包頭處理及交換粒度的不同，又可分為：（1）光分組交換（OPS）技術(shù)，它以光分組作為最小的交換顆粒，數(shù)據(jù)包的格式為固定長度的光分組頭、凈荷和保護時間三部分。在交換系統(tǒng)的輸入接口完成光分組讀取和同步功能，同時用光纖分束器將一小部分光功率分出送入控制單元，用于完成如光分組頭識別、恢復(fù)和凈荷定位等功能。光交換矩陣為經(jīng)過同步的光分組選擇路由，并解決輸出端口競爭。最后輸出接口通過輸出同步和再生模塊，降低光分組的相位抖動，同時完成光分組頭的重寫和光分組再生。

（2）光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)，它的特點是數(shù)據(jù)分組和控制分組獨立傳送，在時間上和信道上都是分離的，它采用單向資源預(yù)留機制，以光突發(fā)作為最小的交換單元。OBS克服了OPS的缺點，對光開關(guān)和光緩存的要求降低，并能夠很好的支持突發(fā)性的分組業(yè)務(wù)，同時與OCS相比，它又大大提高了資源分配的靈活性和資源的利用率。被認為很有可能在未來互聯(lián)網(wǎng)中扮演關(guān)鍵角色。

（3）光標記分組交換（OMPLS）技術(shù)，也稱為GMPLS或多協(xié)議波長交換（MPλS）.它是MPLS技術(shù)與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。MPLS是多層交換技術(shù)的最新進展，將MPLS控制平面貼到光的波長路由交換設(shè)備的頂部就具有MPLS能力的光節(jié)點。由MPLS控制平面運行標簽分發(fā)機制，向下游各節(jié)點發(fā)送標簽，標簽對應(yīng)相應(yīng)的波長，由各節(jié)點的控制平面進行光開關(guān)的倒換控制，建立光通道。201*年5月NTT開發(fā)出了世界首臺全光交換MPLS路由器，結(jié)合WDM技術(shù)和MPLS技術(shù)，實現(xiàn)全光狀態(tài)下的IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。三、組成光交換系統(tǒng)的核心器件（1）光開關(guān)器件

光開關(guān)是構(gòu)成OXC、OADM的主要器件，目前制作光開關(guān)的技術(shù)主要有：陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、半導(dǎo)體光放(SOA)開關(guān)、LiNbO3聲光開關(guān)(AOTS)和電光開關(guān)、微電子機械光開關(guān)（MEMS）、液晶光開關(guān)、噴墨氣泡技術(shù)光開關(guān)、全息光開關(guān)等。（2）光緩存器件

光緩存時光分組交換的關(guān)鍵技術(shù)，目前還沒有全光的隨機存儲器，只能通過無源的光纖延時線(FDL)或有源的光纖環(huán)路來模擬光緩存功能。常見的光緩存結(jié)構(gòu)有：可編程的并聯(lián)FDL陣列、串聯(lián)FDL陣列和有源光纖環(huán)路。

（3）光邏輯器件

該類器件由光信號控制它的狀態(tài)，用來完成各類布爾邏輯運算。目前光邏輯器件的功能還較簡單，比較成熟的技術(shù)有對稱型自電光效應(yīng)（S-SEED）器件、基于多量子阱DFB的光學(xué)雙穩(wěn)器件和基于非線性光學(xué)的與門等。

（4）波長變換器

全光波長轉(zhuǎn)換器是波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)及全光交換網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部件。波長轉(zhuǎn)換器有多種結(jié)構(gòu)和機制，目前研究較為成熟的是以半導(dǎo)體光放大器(SOA)為基礎(chǔ)的波長轉(zhuǎn)換器,包括交叉增

益飽和調(diào)制型(XGMSOA)、交叉相位調(diào)制型(XPMSOA)以及四波混頻型波長轉(zhuǎn)換器(FWMSOA)等。

四、光交換技術(shù)的發(fā)展

全球光交換設(shè)備市場從201*年的3.07億美元開始增長，到201*年將達到64.5億美元。201*年以后，該技術(shù)市場在整個電信市場領(lǐng)域?qū)�會占主�?dǎo)地位，尤其是在北美、西歐各國及亞洲部分地區(qū)。目前光交換技術(shù)市場日益成熟，價格也在迅速下降。批量生產(chǎn)以后，這些技術(shù)設(shè)備的價格有望在201*年下半年更大幅度地下降。業(yè)內(nèi)專家指出，光分組交換技術(shù)將成為一項重要的網(wǎng)絡(luò)交換升級技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。未來，基于電路交換的電信網(wǎng)必然要升級到以數(shù)據(jù)為重心以分組為基礎(chǔ)的新型通信網(wǎng)，而光分組交換網(wǎng)能以更細的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分組交換，是下一代全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊。在不久的將來，光交換技術(shù)將會在全光通信網(wǎng)中發(fā)揮重要的作用，為通信技術(shù)的發(fā)展帶來革命性的進步。

光交換的產(chǎn)生

光交換特點

1、由于光交換不涉及到電信號，所以不會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，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率。

2、光交換根據(jù)波長來對信號進行路由和選路，與通信采用的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和傳輸速率無關(guān)，可以實現(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。

光交換的產(chǎn)生

光/電

電信

光/電

號電交換系統(tǒng)電/光電信號電/光

光信號

光信號

光交換系統(tǒng)光信號

兩個階段

第一階段：電控光交換第二階段：全光交換

半導(dǎo)體光放大器

空分光交換

空分光交換就是在空間域上對光信號進行交換空分光交換的基本原理就是利用光開關(guān)組成開關(guān)矩陣，通過對開關(guān)矩陣進行控制，建立任一輸入光纖到任一輸出光纖之間的物理通路連接。

可以構(gòu)成：縱橫式（crossbar）網(wǎng)絡(luò)

雙縱橫式（double－crossbar）網(wǎng)絡(luò)Banyan網(wǎng)絡(luò)、擴張的Banyan網(wǎng)絡(luò)Benes網(wǎng)絡(luò)、擴張的Benes網(wǎng)絡(luò)

輸出輸入輸入1312

2.波分光交換

波分交換是根據(jù)光信號的波長來進行通路選擇的交換方式。其基本原理是通過改變輸入光信號的波長，把某個波長的光信號變換成另一個波長的光信號輸出。

波分光交換模塊由波長復(fù)用器/解復(fù)用器和波長轉(zhuǎn)換器組成。

光輸入控制電極光信號通道半導(dǎo)體光放大器光輸出控制電流輸入耦合波導(dǎo)開關(guān)輸出輸出34平行狀態(tài)2交叉狀態(tài)

λλ11λ2波長變換λλi1λ2λ4λλ11...λNλ1λ1...λ4波長變換波長解復(fù)用λNλλλ3N波長變換λ3j波長復(fù)用λ4λ4

時分光交換

1123分路1延遲延遲復(fù)用3231223延遲輸入輸出

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