光交換的研究與發(fā)展趨勢(shì)(圖文)

1、光交換的研究與發(fā)展趨勢(shì)(圖文)論文導(dǎo)讀：從系統(tǒng)角度來(lái)看，支撐全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)又基本上可分為光監(jiān)控技術(shù)、光交換技術(shù)、光放大技術(shù)和光處理技術(shù)幾大類。波分復(fù)用(WDM)是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)(攜帶各種信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。關(guān)鍵詞：光交換，波分復(fù)用(WDM)，光傳送網(wǎng)(DTN)，自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASDN)，光突發(fā)交換(OBS) 現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中，先進(jìn)的光纖通信技術(shù)以其高速、帶寬的明顯特征而為世人矚目。實(shí)現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光通信網(wǎng)是寬帶通信網(wǎng)未來(lái)發(fā)展目標(biāo)。從系統(tǒng)角度來(lái)看，支撐全光

2、網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)又基本上可分為光監(jiān)控技術(shù)、光交換技術(shù)、光放大技術(shù)和光處理技術(shù)幾大類。而光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)重要支撐技術(shù)，它的全光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，可以這樣說(shuō)光交換技術(shù)的發(fā)展在某種程度上也決定了全光通信的發(fā)展。為了能幫助大家對(duì)光交換技術(shù)有一個(gè)更深的了解，筆者下面介紹一些光交換技術(shù)現(xiàn)有的概念、研究領(lǐng)域、以及發(fā)展趨勢(shì)。光交換是指不經(jīng)過(guò)任何光/電轉(zhuǎn)換，將輸入端光信號(hào)直接交換到任意的光輸出端。光交換是全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在現(xiàn)代通信網(wǎng)中，全光網(wǎng)是未來(lái)寬帶通信網(wǎng)的發(fā)展方向。全光網(wǎng)可以克服電子交換在容量上的瓶頸限制；可以大量節(jié)省建網(wǎng)成本；可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。論文發(fā)表。光

3、交換技術(shù)也可以分為光路交換和分組交換。由于技術(shù)上的原因，目前還主要是開(kāi)發(fā)光路交換，但今后發(fā)展方向?qū)⑹欠纸M光交換。一、WDM技術(shù)WDM波分復(fù)用并不是一個(gè)新概念，在光纖通信出現(xiàn)伊始，人們就意識(shí)到可以利用光纖的巨大帶寬進(jìn)行波長(zhǎng)復(fù)用傳輸，但是在20世紀(jì)90年代之前，該技術(shù)卻一直沒(méi)有重大突破，其主要原因在于TDM(時(shí)分復(fù)用)的迅速發(fā)展，從155Mbit/s到622Mbit/s，再到2.5Gbit/s系統(tǒng)，TDM速率一直以過(guò)幾年就翻4倍的速度提高。人們?cè)谝环N技術(shù)進(jìn)行迅速的時(shí)候很少去關(guān)注另外的技術(shù)。1995年左右，WDM系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，一個(gè)重要原因是當(dāng)時(shí)人們?cè)赥DM10Gbit/s技術(shù)上遇到了挫折，眾

4、多的目光就集中在光信號(hào)的復(fù)用和處理上，WDM系統(tǒng)才在全球范圍內(nèi)有了廣泛的應(yīng)用。1、波分復(fù)用技術(shù)的概念波分復(fù)用(WDM)是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)(攜帶各種信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)； 在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長(zhǎng)的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào)。這種在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或眾多不同波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù)，稱為波分復(fù)用。2、CWDM和WDM通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同，每個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔寬度也有不同。按照通道間隔的不同，WDM可以細(xì)分為C

5、WDM（稀疏波分復(fù)用）和DWDM（密集波分復(fù)用）。CWDM的信道間隔為20nm，而DWDM的信道間隔從0.2nm 到1.2nm，所以相對(duì)于DWDM，CWDM稱為稀疏波分復(fù)用技術(shù)。3、發(fā)展特點(diǎn)：1）向大容量超長(zhǎng)距離DWDM系統(tǒng)發(fā)展2）向城域WDM技術(shù)發(fā)展二、IP over WDMIP over WDM也稱作IPover Optical，通俗的說(shuō)，它就是讓IP數(shù)據(jù)直接在光路上跑，減少網(wǎng)絡(luò)層之間的冗余部分，具有體系簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備少、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性小，額外開(kāi)銷低、時(shí)延小、傳輸效率高等特點(diǎn)，這些都是IP over ATM和IPover SDH/SONET所無(wú)法比擬的。IP over ATM和IPover S

6、DH/SONET最終將演變?yōu)镮P over WDM。主要研究?jī)?nèi)容有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、幀結(jié)構(gòu)、路由選擇和波長(zhǎng)分配、IP over WDM的應(yīng)用、IPover WDM中的自愈技術(shù)。下面我們簡(jiǎn)單介紹一下自愈技術(shù)的研究現(xiàn)狀。巨大的帶寬承載著大量的業(yè)務(wù)使得帶寬IP網(wǎng)絡(luò)的可靠性更為重要目前由于DWDM襲用商用的只是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，因此，對(duì)IP over WDM方式的網(wǎng)絡(luò)的自愈保護(hù)有兩個(gè)層次：光層和IP層。由于IP層和光層都可以有自愈能力，如何協(xié)調(diào)和配合，是有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。三、DTN（光傳送網(wǎng)）DTN概念：DWDM系統(tǒng)本質(zhì)上是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的系統(tǒng)，組網(wǎng)方式有限，因此波分復(fù)用系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向是網(wǎng)絡(luò)化，叫做光傳送網(wǎng)（DTN

7、：OpticalTransport Network）。它的基本思想是將點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用系統(tǒng)用光交叉互連（OXC:Optical Transport Network）節(jié)點(diǎn)和光分插復(fù)用（OADM:Optical Add-Drop Multiplexer）節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，組成光傳送網(wǎng)波分復(fù)用技術(shù)完成OTN節(jié)點(diǎn)之間的多波長(zhǎng)通道的光信號(hào)傳輸，OXC和OADM節(jié)點(diǎn)則完成網(wǎng)絡(luò)的交換功能。1、OXC：光交叉連接是在網(wǎng)眼型網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行來(lái)自多數(shù)節(jié)點(diǎn)的光信通道路徑的切換，因此用于相互連接網(wǎng)眼型網(wǎng)絡(luò)或多個(gè)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中。論文發(fā)表。2、OADM：光分插復(fù)用裝置是在利用波長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)中對(duì)所需信號(hào)進(jìn)行分插復(fù)用的裝置。3、O

8、TN的分層結(jié)構(gòu)：1）光通道層：（Optical Channel Layer）負(fù)責(zé)來(lái)自電復(fù)用段層的客戶信息選擇路由和分配波長(zhǎng)，為靈活的網(wǎng)絡(luò)選路安排通路連接，處理光通道開(kāi)銷，提供光通道層的檢測(cè)、管理功能。2）光復(fù)用段層：（Optical Mutiplexing Section Layer）負(fù)責(zé)相鄰兩個(gè)復(fù)用傳輸設(shè)備間復(fù)用光信號(hào)的完整傳輸，為復(fù)用信號(hào)提供網(wǎng)絡(luò)功能3）光傳輸段層（Optical Transmission Section Layer）為光信號(hào)在不同類型的光傳輸媒介（如G.652，G.653，G.655光纖等）上提供傳輸功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光放大器或中繼器的檢測(cè)和控制功能等。四、ASON自動(dòng)交換

9、光網(wǎng)絡(luò)（ASDN：Automatically Switched Optical Network）作為構(gòu)建新一代光網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，以兼容性、擴(kuò)展性良好的硬件系統(tǒng)為支撐，配備先進(jìn)的軟件系統(tǒng)，把光傳輸媒介層由靜態(tài)變成了一種動(dòng)態(tài)的、智能的光交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并可以直接通過(guò)光域快速提供各種靈活的高速增值業(yè)務(wù)，形成一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的基礎(chǔ)平臺(tái)，可全面提升通信網(wǎng)絡(luò)的傳送效能。ASON是以光傳輸為基礎(chǔ)的光層組網(wǎng)技術(shù)和以IP為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)智能化技術(shù)迅速發(fā)展并結(jié)合后形成的。ASON的本質(zhì)即光傳送網(wǎng)與智能化相結(jié)合，是在傳送網(wǎng)的光層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上演進(jìn)而來(lái)的，其著眼點(diǎn)是要把富有潛力的光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成能高度自動(dòng)地應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)需要的、經(jīng)濟(jì)有效

10、的、可在光層上直接為全網(wǎng)提供端到端服務(wù)的智能網(wǎng)。ASON的關(guān)鍵技術(shù)很多，就目前的研究水平而言，主要包括：通用控制平面框架；信令和路由（包括信令網(wǎng)）；連接及連接管理；管理平面功能；ASON的智能節(jié)點(diǎn)技術(shù)；ASON的生存性機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)性能等方面。ASON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的核心的特點(diǎn)就是支持電子交換設(shè)備動(dòng)態(tài)地向光網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)帶寬資源，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)分布模式動(dòng)態(tài)變化的需求，通過(guò)信令系統(tǒng)或者管理平面自動(dòng)地去建立或者拆除光通道，而不需要人工干預(yù)。采用自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，原來(lái)復(fù)雜的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以變得簡(jiǎn)單一些。光網(wǎng)絡(luò)層各自直接承載業(yè)務(wù)，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)升級(jí)時(shí)受到的條件限制。ASON的優(yōu)勢(shì)集中表現(xiàn)在其組網(wǎng)應(yīng)用的

11、動(dòng)態(tài)性、靈活性、高效性和智能化等方面。支持多粒度、多層次的智能，提供多樣化、個(gè)性化的服務(wù)是ASON的核心保證。光網(wǎng)絡(luò)從PDH(準(zhǔn)同步數(shù)據(jù)系列)到SDH(同步數(shù)字系列)，又從SDH到DWDM(密集波分復(fù)用)，最終實(shí)現(xiàn)從DWDM向全光網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。分組化的、開(kāi)放的、分層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是下一代網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。傳送層將由網(wǎng)絡(luò)來(lái)承擔(dān)，下一代的光網(wǎng)絡(luò)及其演進(jìn)就成為研究的重點(diǎn)。自動(dòng)交換的功能是下一代交換光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的趨勢(shì)基本上是眾望所歸了。五、光交換技術(shù)光交換技術(shù)分為：光路交換（OCS：OpticalCircuit Switching）、光分組交換（OPS：OpticalPacket Switching）、光突發(fā)

12、交換（OBS：Optical BurstSwitching）和光標(biāo)記分組交換（OMPLS：OpticalMulti-Protocol Label Switching）。這里只簡(jiǎn)單介紹一下光突發(fā)交換： OBS 網(wǎng)絡(luò)由光核心路由器、邊緣路由器及光鏈路組成。在骨干網(wǎng)絡(luò)邊緣，來(lái)自接入網(wǎng)的IP 分組在邊緣路由器中被匯聚（Assemble）成光突發(fā)單元，通過(guò)核心路由器的轉(zhuǎn)發(fā)在OBS骨干網(wǎng)絡(luò)中傳輸，再在目的端的邊緣路由器中拆分（Disassemble）恢復(fù)成一個(gè)個(gè)的IP 分組進(jìn)入對(duì)方接入網(wǎng)。論文發(fā)表。光交換技術(shù)的發(fā)展：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

13、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)

14、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