《現(xiàn)代交換原理》課件第5章 光交換技術(shù)

1、第5章 光交換技術(shù) 概述、光交換元件、光交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光交換系統(tǒng)概述光傳送技術(shù)的發(fā)展當(dāng)前商用化單波長(zhǎng)光纖傳輸系統(tǒng)容量為10Gb/s，有報(bào)道已實(shí)現(xiàn)了40Gb/s。光波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)可以使得一根單模光纖實(shí)現(xiàn)20010Gb/s或更大的傳輸容量。光器件，商品化光開(kāi)關(guān)的控制響應(yīng)速度已低于1ms，延遲線模式光緩存、波長(zhǎng)變換等技術(shù)也已成功。概述考慮全光交換網(wǎng)絡(luò)的理由(1)歷史的觀點(diǎn)，模擬傳輸產(chǎn)生了機(jī)電制交換；PCM數(shù)字傳輸有了數(shù)字程控交換；當(dāng)前光傳輸已成主角，因此下一代網(wǎng)絡(luò)將是全光交換。(2) 速度極限，由于電子器件的極限速度為幾個(gè)G10Gb/s，使得電子交換設(shè)備可能成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。(3) 成本降低，采用光

2、傳輸?shù)碾娮咏粨Q系統(tǒng)，必須有光/電和電/光轉(zhuǎn)換，全光交換則不用。(4) 速度匹配，光傳輸，光交換，全光網(wǎng)絡(luò)。光交換技術(shù)分類(lèi)光交換技術(shù)，指不經(jīng)過(guò)任何光/電轉(zhuǎn)換，直接在光域上完成輸入到輸出端的信息交換。按照復(fù)用方式分類(lèi)，光交換可分為：光空分交換技術(shù)。多點(diǎn)間建立光信息傳送物理通道的交換技術(shù)。光波分交換技術(shù)。利用光波分復(fù)用和波長(zhǎng)變換技術(shù)，將信息從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到另一波長(zhǎng)上。光時(shí)分交換技術(shù)。在時(shí)間軸上將光波長(zhǎng)分成多個(gè)時(shí)段，互換時(shí)間位置來(lái)交換承載的信息。光碼分交換技術(shù)。不同用戶(hù)信號(hào)用不同碼序列填充，利用碼序列轉(zhuǎn)換來(lái)交換信息。光交換技術(shù)分類(lèi)按承載和交換信息的光域粒度劃分，可分為：光路交換（OCS）技術(shù)，最小交換

3、單元是一個(gè)波長(zhǎng)通道。光分組交換（OPS）技術(shù)，光域分組包作為最小交換顆粒。光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)，多個(gè)分組構(gòu)成更大分組，以突發(fā)方式在光域傳輸和交換。光標(biāo)記分組交換（OMPLS）技術(shù)，MPLS和光網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，MPLS控制標(biāo)記分發(fā)和控制光開(kāi)關(guān)，建立交換式光通道。 光交換技術(shù)的特點(diǎn)隨著發(fā)展，光交換技術(shù)已能保證網(wǎng)絡(luò)可靠性，并提供靈活的選路方案，為高速信息流提供動(dòng)態(tài)光域處理。光交換不受監(jiān)測(cè)器、調(diào)制器等光電器件速度的限制，極大地提高了交換節(jié)點(diǎn)的吞吐量。不需要經(jīng)過(guò)光/電/光轉(zhuǎn)換，降低了交換節(jié)點(diǎn)成本。對(duì)比特率、調(diào)制方式和通信協(xié)議都具有透明性，有良好的升級(jí)能力。光交換元件半導(dǎo)體光開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體光放大器，當(dāng)偏置信號(hào)為

4、零時(shí)，輸入信號(hào)將被器件完全吸收，輸出端沒(méi)有任何光信號(hào)輸出。耦合波導(dǎo)開(kāi)關(guān)耦合波導(dǎo)開(kāi)關(guān)，利用鈮酸鋰(LiNbO3)材料制作，在控制電極上施加一定電壓可改變波導(dǎo)的折射率和相位，從而可構(gòu)成22交換開(kāi)關(guān)。激勵(lì)電壓約5V，最大速率達(dá)Gb/s。 硅襯底平面光波導(dǎo)開(kāi)關(guān) 硅襯底平面光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)特點(diǎn)是插入損耗小(0.5dB)、穩(wěn)定性高、可靠性好、成本低，適合大規(guī)模集成，不足點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢，12ms。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 光存儲(chǔ)器 空間光調(diào)制器 光交換系統(tǒng)未來(lái)寬帶業(yè)務(wù)具有很大不確定性，交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地靈活。對(duì)比特傳送速率應(yīng)透明，業(yè)務(wù)和控制盡可能分離，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，具有廣播功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)模塊化，易于維護(hù)、增刪和修改。技

5、術(shù)上多種模式相結(jié)合，取各自?xún)?yōu)點(diǎn)，統(tǒng)籌優(yōu)化融合。光交叉連接設(shè)備光交叉連接設(shè)備(OXC)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)的核心技術(shù)。OXC可依據(jù)控制面功能，按照用戶(hù)請(qǐng)求在全光網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中自動(dòng)建立一條符合用戶(hù)需求的光波長(zhǎng)通道。光交叉連接設(shè)備 由輸入部分、光交叉連接部分、輸出部分、控制和管理部分5個(gè)功能模塊構(gòu)成。輸入部分包括放大器EDFA和波長(zhǎng)解復(fù)用DMUX，將每根光纖上的光信號(hào)放大、分離后送交叉連接矩陣。輸出部分，均功器的作用是對(duì)受到不同衰減的光波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行功率均衡，以減小不同光波長(zhǎng)間的干擾?？刂坪凸芾聿糠謱儆陔娮釉O(shè)施，通過(guò)信令協(xié)議接收用戶(hù)及網(wǎng)管系統(tǒng)請(qǐng)求，完成自動(dòng)保護(hù)倒換、連接指配、波長(zhǎng)選路等功能。光

6、交叉連接設(shè)備光交叉連接設(shè)備主要用于骨干傳送網(wǎng)中，完成任一光纖某個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)到其他光纖的傳送連接。OXC具有信號(hào)復(fù)用、信號(hào)交換、光路保護(hù)倒換、監(jiān)控管理等功能。除控制管理部分外，其余部分的信號(hào)處理都在光域完成。因此OXC具有極大的交叉容量，可達(dá)幾千T比特級(jí)別。光交叉連接矩陣實(shí)現(xiàn)光交叉連接矩陣，光機(jī)械開(kāi)關(guān)、LiNb03開(kāi)關(guān)、InP開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體光放大器（SOA）開(kāi)關(guān)等 ，現(xiàn)常用微電子機(jī)械開(kāi)關(guān)（MEMS）構(gòu)成。 MEMS為無(wú)源光開(kāi)關(guān)，介入損耗和串?dāng)_都較小，屬完全透明的連接模式，連接處理過(guò)程不需光/電轉(zhuǎn)換。容量極大，可構(gòu)成12961296端口連接矩陣，每端口傳送40個(gè)波長(zhǎng)40Gb/s的信號(hào)容量，總傳送容量達(dá)

7、到2.07petabit/s，具有嚴(yán)格無(wú)阻塞特性。 OXC的工作原理OXC不同于標(biāo)準(zhǔn)交換設(shè)備，它不是按照每一個(gè)通信請(qǐng)求建立連接，是在控制面和管理面操作下提供永久/半永久波長(zhǎng)路由通道。永久連接，由管理面發(fā)起和維護(hù)，通過(guò)路由指配消息和信令為具體業(yè)務(wù)建立波長(zhǎng)路由通道。交換式連接，由控制面發(fā)起和維護(hù)，控制面處理用戶(hù)接口發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，建立滿(mǎn)足用戶(hù)需求的通道，通知管理面。軟永久性連接，連接建立、拆除請(qǐng)求由管理面發(fā)出，傳送面的資源配置和控制動(dòng)作指令則由控制面發(fā)出。OXC的工作原理 抵達(dá)OCX的多波長(zhǎng)光信號(hào)先摻餌光纖放大器放大，然后由DMUX分離成多個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)送入連接矩陣。在業(yè)務(wù)信息進(jìn)入連接矩陣之前，控制和管

8、理面已根據(jù)業(yè)務(wù)需求指定了每個(gè)輸入口波長(zhǎng)的輸出端口，光信號(hào)將自動(dòng)流出。OUT是一個(gè)波長(zhǎng)變換器，由于波分復(fù)用不能在一根光纖中有兩個(gè)以上的相同波長(zhǎng)信號(hào)，需要OUT將相關(guān)波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纖所需波長(zhǎng)。光突發(fā)交換系統(tǒng)交換系統(tǒng)，目標(biāo)是根據(jù)每個(gè)用戶(hù)的請(qǐng)求即時(shí)提供連接服務(wù)，業(yè)務(wù)吞吐容量可達(dá)幾千T比特秒，交換控制機(jī)制是關(guān)鍵問(wèn)題。解決復(fù)雜問(wèn)題的鑰匙是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行多維度分解，將復(fù)雜問(wèn)題看作多個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題的有序組合。光突發(fā)交換系統(tǒng)光突發(fā)交換系統(tǒng)，是在OXC波長(zhǎng)路由交換的基礎(chǔ)上，將同一波長(zhǎng)上的承載容量在時(shí)間軸上再細(xì)分成多個(gè)突發(fā)時(shí)段，每個(gè)突發(fā)時(shí)段以統(tǒng)計(jì)復(fù)用方式承載不同用戶(hù)業(yè)務(wù)。OBS交換技術(shù)是構(gòu)成IP over WDM的下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)的基礎(chǔ)技術(shù)，其主要特點(diǎn)是資源利用率高、網(wǎng)絡(luò)靈活、硬件實(shí)現(xiàn)方便，可以透明方式承載不同用戶(hù)業(yè)務(wù)。光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu) 光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和控制分離 OBS基本思想是數(shù)據(jù)分組與控制分組的傳輸相分離，提前發(fā)送控制分組，為隨后的數(shù)據(jù)分組預(yù)留資源和建立傳輸通路。OBS邊緣路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的匯集和分發(fā)，檢測(cè)數(shù)據(jù)分組的源/目的地址和服務(wù)等級(jí)，分類(lèi)組