光纖通信 第五章 光交換技術(shù)

第5章光交換技術(shù)光纖傳感與通信教育部重點實驗室1本章內(nèi)容：5.1光交換概述5.2光交換器件及設(shè)備5.3光突發(fā)交換5.4光分組交換25.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光波長路由交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較35.1光交換概述光網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)：傳輸透明性+高度生存性光網(wǎng)絡(luò)支持技術(shù)：光放大+光信息處理+光交換+光監(jiān)控技術(shù)41光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景傳統(tǒng)的電交換機結(jié)構(gòu)Fiber/wavelengthFiber/wavelength電交換估算：一個波長40Gbit/s，每根光纖50個波長，每個交換機20個端口?？?cè)萘恳螅?0Gb/s×50×20=40Tbit/s.51光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景傳統(tǒng)的電交換存在的問題：1）電子處理速率無法跟上光信號的傳輸速率導(dǎo)致電子瓶頸

2）經(jīng)過許多的串并和并串轉(zhuǎn)換規(guī)模大，系統(tǒng)復(fù)雜

3）大量光電和電光轉(zhuǎn)換器件成本高，能耗高

解決辦法：將交換從電域移到光域?qū)崿F(xiàn)；實現(xiàn)光傳輸和光交換的無縫結(jié)合。6現(xiàn)有的光交換類型：1）光線路交換：OpticalCircuitSwitching(OCS)，實質(zhì)上是光波長交換。2）光分組交換：OpticalPacketSwitching(OPS)。3）光突發(fā)交換：OpticalBurstSwitching(OBS)。1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景75.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光線路交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較82光線路交換技術(shù)（OCS）12OXC3光線路交換：

1）在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間建立波長通道——波長分配；

2）交換節(jié)點實現(xiàn)波長路由功能——波長交換。92光線路交換技術(shù)（OCS）OCS的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思想： 將原本在SDH/SONET層完成的某些功能（如業(yè)務(wù)適配等）移到光網(wǎng)絡(luò)層上來完成。

SDH中的兩個重要網(wǎng)絡(luò)元素：DXC

ADM

OCS交換網(wǎng)中的兩個元素：OXCOADM102光線路交換技術(shù)（OCS）DXC123O/EE/OE/O特點：1）光電轉(zhuǎn)換；2）實時解析每幀，實現(xiàn)交叉輸出。3）時分復(fù)用SDH中的交叉連接11OXC1232光線路交換技術(shù)（OCS）OCS中的交叉連接特點：1）無光電轉(zhuǎn)換；2）不需要實時解析每幀，根據(jù)波長選擇路由；3）波分復(fù)用。122光線路交換技術(shù)（OCS）同理：SDH中的ADM特點：1）光電轉(zhuǎn)換；2）解析幀；3）TDM。OCS中OADM特點：1）無光電轉(zhuǎn)換；2）不解析幀；3）WDM區(qū)別：SDH：某一輸入端口中一個波長信號中的幀可以輸出到不同的端口；OXC：某一輸入端口中一個波長信號中的所有幀都將輸出到同一個輸出端口。132光線路交換技術(shù)（OCS）OCS通過不同的波長建立節(jié)點之間的連接，波長是一個寶貴的資源。問題：對于100個波長能夠建立多少個節(jié)點之間的全連接？如何來提高波長利用率呢？12OXC312OXC3方案1：方案2：虛波長142光線路交換技術(shù)（OCS）MPLS：多協(xié)議標(biāo)簽交換L1L2L2L1MPλS：多協(xié)議波長交換λ1λ2λ1λ2GMPLS：通用多協(xié)議標(biāo)簽交換15路由協(xié)議，信令協(xié)議在控制面上統(tǒng)一2光線路交換技術(shù)（OCS）OXC123OCS存在的問題：1）波長粒度粗→不適合突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸；2）波長數(shù)目有限→不適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的需求。165.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光線路交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較173光分組交換技術(shù)（OPS）光分組交換系統(tǒng)：183光分組交換技術(shù)（OPS）光分組交換原理：模仿電域交換的處理過程，將電處理通過光處理來實現(xiàn)。電域光域RAM緩存光纖包頭識別分組頭識別Crossbar光交換矩陣調(diào)度調(diào)度標(biāo)簽更新光標(biāo)簽更新最大的特點：從源節(jié)點到目的節(jié)點，凈荷信號始終在光域存在。193光分組交換技術(shù)（OPS）光分組交換是最理想的一種光交換形式。光交換的實現(xiàn)存在著許多的技術(shù)難題，是研究領(lǐng)域的前沿問題和難點問題。最大的瓶頸是：

1）光邏輯器件

2）光隨機存儲器203光分組交換技術(shù)（OPS）現(xiàn)有光分組交換的主要實現(xiàn)形式：

1）分組頭（低速）光電轉(zhuǎn)換后，用電進(jìn)行處理；

2）凈荷（高速）全光透明傳輸。仍是一種電控光交換形式，還不是全光交換。OPS的優(yōu)點：

1）線速交換，交換速度快；

2）交換粒度小，統(tǒng)計復(fù)用率高，適合突發(fā)業(yè)務(wù)。OPS存在的問題：分組亂序到達(dá)。215.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光線路交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較224光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）光突發(fā)交換原理：234光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）光突發(fā)交換思想：

1）粒度上：突發(fā)包，介于光波長粒度和光分組粒度之間；

2）技術(shù)上：光的傳輸（凈荷），電的處理（控制分組）。

3）實現(xiàn)上：偏置時間和調(diào)度。245.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光線路交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較255光交換技術(shù)比較

光交換模式交換粒度帶寬利用率網(wǎng)絡(luò)靈活性適應(yīng)性實現(xiàn)難度和復(fù)雜性電路交換（波長路由）粗糙低低低光分組交換好高高高、還不成熟光突發(fā)交換中等較高中中等幾種光交換的比較發(fā)展趨勢：OCSOPSOBS26本章內(nèi)容：5.1光交換概述5.2光交換器件及設(shè)備5.3光突發(fā)交換5.4光分組交換275.2光交換器件及設(shè)備1光開關(guān)技術(shù)2波長變換技術(shù)3光分插復(fù)用器4光交叉連接281光開關(guān)技術(shù)光開關(guān)光開關(guān)的概念：（1）OFFON（2）光開關(guān)switch29各種光開關(guān)技術(shù)分類與比較：

1光開關(guān)技術(shù)301）損耗；2）隔離度；3）消光比；4）偏振敏感性；5）開關(guān)時間；6）開關(guān)規(guī)模；7）開關(guān)尺寸。評價光開關(guān)的主要指標(biāo)：1光開關(guān)技術(shù)幾種典型的光開關(guān)：

（1）電光開關(guān)

電極電極V—V鈮酸鋰波導(dǎo)31（1）電光開關(guān)

1光開關(guān)技術(shù)工作原理：電光效應(yīng)特點：

1）損耗??；

2）隔離度高；

3）消光比大；

4）偏振相關(guān)；

5）開關(guān)時間快（ns量級）；

6）開關(guān)規(guī)模（易于級聯(lián)，實現(xiàn)大端口數(shù)）；

7）開關(guān)尺寸（易于集成）。321光開關(guān)技術(shù)（2）聲光開關(guān)

換能器V1級衍射光衍射角可以通過聲波頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。331光開關(guān)技術(shù)（2）聲光開關(guān)

工作原理：聲光效應(yīng)，產(chǎn)生光衍射。特點：

1）損耗大；

2）隔離度中；

3）消光比中；

4）偏振相關(guān)；

5）開關(guān)時間快（微秒量級）；

6）開關(guān)規(guī)模??；

7）開關(guān)尺寸大。341光開關(guān)技術(shù)（3）熱光開關(guān)

1×2（Y型）：2×2（MZI型）：351光開關(guān)技術(shù)（3）熱光開關(guān)

工作原理：熱光效應(yīng)，加熱產(chǎn)生折射率變化。特點：

1）損耗小；

2）隔離度高；

3）消光比高；

4）偏振相關(guān)（波導(dǎo)）；

5）開關(guān)時間慢；

6）開關(guān)規(guī)模大（可級聯(lián)）；

7）開關(guān)尺寸?。ㄒ准桑?。361光開關(guān)技術(shù)（4）微電子機械光開關(guān)（MEMS）（MEMS：micro-electromechanicalsystems）大?。簬装傥⒚?71光開關(guān)技術(shù)（4）微電子機械光開關(guān)（MEMS）工作原理：微機械控制，反射鏡旋轉(zhuǎn)。特點：

1）損耗大；

2）隔離度高；

3）消光比高；

4）偏振無關(guān)；

5）開關(guān)時間慢；

6）開關(guān)規(guī)模大（增大微鏡數(shù)量）；

7）開關(guān)尺寸中。381光開關(guān)技術(shù)（5）液晶光開關(guān)電極V關(guān)鍵點：（1）不加電壓，偏振旋轉(zhuǎn)90度；（2）加電壓，偏振不旋轉(zhuǎn)。液晶優(yōu)點：光電系數(shù)為鈮酸鋰幾百萬倍。39工作原理：電光效應(yīng)，偏振旋轉(zhuǎn)。特點：

1）損耗??；

2）隔離度高；

3）消光比高；

4）偏振相關(guān)；

5）開關(guān)時間慢（ms量級）；

6）開關(guān)規(guī)模中；

7）開關(guān)尺寸中。1光開關(guān)技術(shù)（5）液晶光開關(guān)401光開關(guān)技術(shù)（6）氣泡光開關(guān)無氣泡匹配液加熱氣泡工作原理：加熱產(chǎn)生氣泡，全反射。415.2光交換器件及設(shè)備1光開關(guān)技術(shù)2波長變換技術(shù)3光分插復(fù)用器4光交叉連接422波長變換技術(shù)無波長變換：波長連續(xù)性約束波長變換：無波長連續(xù)性約束432波長變換技術(shù)波長變換技術(shù)分類（1）O/E/O波長變換：PINLD光信號電信號再生光信號（2）全光波長變換（AOWC）：光信號全光波長變換器光信號442波長變換技術(shù)

以半導(dǎo)體光放大器為基礎(chǔ)的全光波長變換器（1）交叉增益調(diào)制（XGM-SOA）（2）交叉相位調(diào)制（XPM-SOA）（3）四波混頻效應(yīng)（FWM-SOA）全光波長變換器的實現(xiàn)方法：

1）基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的波長變換

452）基于光纖的波長變換2波長變換技術(shù)----基于SOA的波長變換

（1）交叉增益調(diào)制（XGM-SOA）SOA增益飽和效應(yīng)特點：1）變換后的信號反轉(zhuǎn)；2）消光比不高。46

（2）交叉相位調(diào)制（XPM-SOA）SOASOA光濾波器Ph=0Ph=π無信號輸出信號光探測光特點：1）變換后的信號可相同或反轉(zhuǎn)；2）光功率要求嚴(yán)格。472波長變換技術(shù)----基于SOA的波長變換

（3）四波混頻（FWM-SOA）SOA特點：1）信號同向；2）轉(zhuǎn)換效率低。

共軛光信息頻率：2fpump-fi482波長變換技術(shù)----基于SOA的波長變換

2）基于光纖的全光波長變換器——交叉相位調(diào)制（XPM）

492波長變換技術(shù)----基于光纖的波長變換5.2光交換器件及設(shè)備1光開關(guān)技術(shù)2波長變換技術(shù)3光分插復(fù)用器4光交叉連接503光分插復(fù)用器OADMOADM的功能：

上路下路513光分插復(fù)用器OADM的分類：

OADM（1）固定的；（2）可重構(gòu)的。523光分插復(fù)用器可重構(gòu)的光分插復(fù)用器（ROADM）。（1）波長選擇型（wavelengthselective,WS）。問題：請問這是一個？×？的光交換矩陣53可重構(gòu)的光分插復(fù)用器（ROADM）。3光分插復(fù)用器（2）廣播選擇型（broadcastselective,BS）。光分路器、光耦合器545.2光交換器件及設(shè)備1光開關(guān)技術(shù)2波長變換技術(shù)3光分插復(fù)用器4光交叉連接器554光交叉連接器光交叉連接（OpticalCross-Connect,OXC）。分類：（1）靜態(tài)固定配置；（2）動態(tài)可重構(gòu)。5612OXC34光交叉連接器（1）靜態(tài)固定配置：請問這種OXC如何擴展呢？5712OXC3虛波長4光交叉連接器（2）動態(tài)可重構(gòu)配置OXC：因此動態(tài)可重構(gòu)的OXC，即光交換矩陣。584光交叉連接器（2）動態(tài)可重構(gòu)配置OXC（光交換矩陣）的實現(xiàn)方法Banyan結(jié)構(gòu)594光交叉連接器（2）動態(tài)可重構(gòu)配置OXC：不配有波長轉(zhuǎn)換器配有波長轉(zhuǎn)換器60本章內(nèi)容：5.1光交換概述5.2光交換器件及設(shè)備5.3光突發(fā)交換5.4光分組交換615.3光突發(fā)交換1光突發(fā)交換概述2光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)3光突發(fā)交換協(xié)議4光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能621光突發(fā)交換概述光突發(fā)交換（OpticalBurstSwitching，OBS）BurstControlPacket,BCP資源預(yù)約Offsettime業(yè)務(wù)匯聚635.3光突發(fā)交換1光突發(fā)交換概述2光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)3光突發(fā)交換協(xié)議4光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能642光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)OBS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：（1）由邊緣節(jié)點和核心節(jié)點組成；（2）使用GMPLS協(xié)議。652.光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點功能：業(yè)務(wù)匯聚。邊緣節(jié)點結(jié)構(gòu)：662光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點功能：調(diào)度和交換。補償BCP的處理時延端口競爭675.3光突發(fā)交換1光突發(fā)交換概述2光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)3光突發(fā)交換協(xié)議4光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能683光突發(fā)交換協(xié)議主要要解決的問題：資源預(yù)約。BCP預(yù)約時間burst優(yōu)化目標(biāo)：

1）帶寬利用率

2）服務(wù)質(zhì)量（丟包率，時延等）69資源預(yù)約的方法：1）RFD：ReserveaFixedDuration3光突發(fā)交換協(xié)議BCP預(yù)約時間burst2）TAG：TellAndGoBCPburstBCP預(yù)約釋放703光突發(fā)交換協(xié)議資源預(yù)約的方法：3）IBT：InBandTerminatorBCPburst預(yù)約釋放TerminatorInBand713光突發(fā)交換協(xié)議--舉例資源預(yù)約的方法RFD（ReserveaFixedDuration）的代表：JET（JustEnoughTime）協(xié)議特征：1）延遲預(yù)留（DR）；2）FDL緩存。BCP可預(yù)約時間burst工作原理：OffsettimeBurstlengthFDL723光突發(fā)交換協(xié)議（1）JET時序T

≥

n×δ交換節(jié)點對BCP的處理時間733光突發(fā)交換協(xié)議（2）延遲預(yù)約t’控制分組離開時間t2>t1+l1

或

t2+l2<t1

則信源2可成功預(yù)約帶寬74延遲預(yù)約：3光突發(fā)交換協(xié)議BCPburstBCPburstburstburstBCPBCPBCPburstBCPburstburstburstBCPBCP可能性1：可能性2：753光突發(fā)交換協(xié)議（3）區(qū)別預(yù)約DIR：DifferentiatedReservation.目的：對優(yōu)先級別的支持。原理：高優(yōu)先級可預(yù)約時間長；低優(yōu)先級可預(yù)約時間短。實例：Class0：低優(yōu)先級，Tbase=0；Class1：高優(yōu)先級，Tbase+Textra。可預(yù)約765.3光突發(fā)交換1光突發(fā)交換概述2光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)3光突發(fā)交換協(xié)議4光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能774光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能突發(fā)阻塞概率與負(fù)載、波長通道數(shù)目的關(guān)系78本章內(nèi)容：5.1光交換概述5.2光交換器件及設(shè)備5.3光突發(fā)交換5.4光分組交換795.4光分組交換80光分組交換概述5.4光分組交換1光分組格式和標(biāo)簽處理2競爭解決問題811光分組格式和標(biāo)簽處理實現(xiàn)光分組交換存