光交換方式與光交換網(wǎng)絡(luò)

1、光交換方式與光交換網(wǎng)絡(luò) 光交換方式 由于光通信傳輸技術(shù)的傳輸速率達到了Tb/s的數(shù)量級，大大提高了通信傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性，但是在第一代光網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點具有的電子速率的極限使得不斷增長的傳輸速率受到限制。此時，為了實現(xiàn)光信號的直接交換，擺脫光電轉(zhuǎn)換所受的限制，光子技術(shù)被引入到節(jié)點的交換系統(tǒng)，以期實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)。因此，光交換的實現(xiàn)成為第二代光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。光交換是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，將輸入端光信號直接交換到任意的光輸出端。光交換的實現(xiàn)可以簡單歸結(jié)為如何實現(xiàn)交換回路和控制部件的光子化，目前由于實用的光邏輯器件還相當缺乏，光交換系統(tǒng)的交換路徑是全光的，控制部件則由電子電路完成，也稱電控光交換。光交換方式

2、、器件以及網(wǎng)絡(luò)的組建是光交換的研究重點。和普通的電交換技術(shù)相似，光交換分為光路（通道）交換和光分組交換兩種方式。光路交換是通過在主叫和被叫兩個終端之間建立一個光連接通道。該通道可能是一根光纖，也可能是采用復用技術(shù)構(gòu)建的存在于光復用線路中的一個信道。這條通道在一個呼叫的通信期間將一直保持到通信結(jié)束。光分組交換是一種信息包的交換。通過某種光調(diào)制方式將用戶信息形成光信號序列，然后分割成一個個分組，并被附加上各自的光分組頭（描述其源地址、目的地址和分組序號等）。它們獨立經(jīng)過光分組網(wǎng)的節(jié)點，節(jié)點解讀分組頭獲得路由信息然后進行選路，然后將它們發(fā)送到目的地。以下是原理圖：BAFigure光路交換7 5 47

3、 5 4 BA8 28 28 26 3 18 7 6 5 4 3 2 18 7 6 5 4 3 2 1Figure 光分組交換光路交換中一個通信業(yè)務(wù)獨占一條通路或信道，而分組交換允許多個通信業(yè)務(wù)動態(tài)地、分時段共享某一通道，因此它對網(wǎng)絡(luò)的利用比光路交換更充分和靈活。通常實時性要求高、業(yè)務(wù)量平穩(wěn)的通信會使用光路交換，突發(fā)性明顯的通信使用分組交換。光交換按照光信號信道復用方式可劃分為空分光交換、時分光交換、波/頻分光交換和碼分光交換等。光交換的特點：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

4、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。1.空分光交換空分光交換（Space Division Optical Switching）就是在空間域上對光信號進行交換。其基本原理是將光交換元件組成門陣列開關(guān)，并適當控制門陣列開關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構(gòu)成通路。Figure 空分光交換基本結(jié)構(gòu)圖 輸出 2 1 M輸出接口控制部件空分交換矩陣 2 2 M輸入接口 輸入 空分光交換可以在媒質(zhì)空間和自由空間中完成，因此又被細分為波導空分光交換和自由空間光交換。自由空間光交換在電交換中沒有對應(yīng)的結(jié)束，它基

5、于自由空間的光波傳播規(guī)律，在2維或者3維空間實現(xiàn)光互連和光交換，具有更大的容量，建立沒有物理接觸的光互連，子信道間不存在串擾，系統(tǒng)性能優(yōu)于波導空分交換?？辗止饨粨Q的基本結(jié)構(gòu)圖如下所示：2.時分光交換時分光交換（Time Division Optical Switching）是以常見的時分復用為基礎(chǔ)，把時間劃分為若干可大可小互不重疊的時隙，由不同的時隙建立對應(yīng)的子信道，通過時隙交換網(wǎng)絡(luò)完成不同用戶信息的交換。根據(jù)時隙信號的組成，子信道可分為位置子信道和標志子信道。前者的子通道以時隙位置不同區(qū)別，后者以各自特殊的標志區(qū)別。位置子通道光交換常用于同步傳輸，標志子通道可用于同步傳輸和異步傳輸。時分光交

6、換節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)由光（時隙）分路器、光緩存器、光（時隙）合路器及其控制部件組成。原理圖如下：Figure 時分光原理圖3. 波分/頻分光交換 波分光交換（Wavelength Division Optical Switching）技術(shù)是以波分復用原理為基礎(chǔ)，結(jié)合空分光交換技術(shù)，通過波長選擇或波長變換的方法實現(xiàn)交換功能。波分光交換與頻分光交換沒有本質(zhì)區(qū)別，僅僅是他們的子通道間隔有差別，前者大，后者小。這種交換利用了波長資源和光頻寬帶性，其光信號具有透明性，與時分光交換相比，其特點在于各波長子通道的比特率是獨立的，便于實現(xiàn)不同速率的寬帶信號交換，交換硬件較少，對控制部件要求不高，是當前研究熱點之一

7、。波/頻分光交換節(jié)點由波長/頻率復用和解復用器、波長變換器、光濾波器及控制部件等組成。其中波長變換器和濾波器有兩種組合方式：固定波長變換器和可變波長濾波器、可變波長變換器和固定波長濾波器。載有N個用戶信息的WDM信號首先被駁分解復用器分成N路，根據(jù)波長交換要求控制每個波長子通道上的波長變換器，將入射波長i轉(zhuǎn)換為所要求的波長j，然后經(jīng)光濾波器濾波，再由波分復用器將N路新波長信號復用起來，送到輸出光纖總線，通過改變承載信息的子通道波長就實現(xiàn)了用戶的信息交換。 波長變換技術(shù)是波/頻分光交換系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前已研究的多種波長變換分為一光一電方式和全光方式兩類。后者分別基于廣播的非線性效應(yīng)。波分光

8、交換原理如下圖所示：Figure 波分交換原理圖4. 碼分光交換碼分光交換（Code Division Optical Switching）的原理就是將某個正交碼上的光信號交換至另一個正交碼上，實現(xiàn)不同碼字之間的交換。在光碼分復用多址(OCDMA)網(wǎng)絡(luò)中，每個用戶都分配有一個惟一的地址碼，可以用來進行地址的識別、路由的選擇，即可利用用戶的地址碼實現(xiàn)全光自路由和光交換。碼分光交換與光時分交換相比不需要同步，下圖中OCDM編碼主要完成的功能是用不同的正交碼來對光比特或光分組進行填充，星型耦合器將信息送到所有的輸出端口。Figure 光碼分交換原理圖光交換網(wǎng)絡(luò) 目前光網(wǎng)絡(luò)中的交換技術(shù)主要有三種：光路

9、交換OCS(Optical Circuit Switching),光分組交換OPS(Optical Packet Switching),光突發(fā)交換OBS(Optical Burst Switching).三種光路交換技術(shù)，構(gòu)成了光交換的三種網(wǎng)絡(luò)。  其中研究得最多最成熟的是光路交換OCS,網(wǎng)絡(luò)需要為每一個連接請求建立從源端到目的地端的光路(每一個鏈路上均需要分配一個專業(yè)波長)。交換過程共分三個階段：鏈路建立階段是雙向的帶寬申請過程，需要經(jīng)過請求與應(yīng)答確認兩個處理過程。鏈路保持階段，鏈路始終被通信雙方占用，不允許其他通信方共享該鏈路。鏈路拆除階段，任意一方首先發(fā)出斷開信號，另

10、一方收到斷開信號后進行確認，資源就被真正釋放。  從長遠來看，全光的分組交換OPS是光交換的發(fā)展方向。OPS是一種不面向連接的交換方式，采用單向預約機制，在進行數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立路由。分配資源。分組凈荷緊跟分組頭在相同光路中傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要緩存凈荷，等待帶分組目的地的分組頭的處理，以確定路由。相比OCS,OPS有著很高的資源利用率，和很強的適應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)的能力。但是也存在著兩個近期內(nèi)難以克服的障礙：一是光緩存器技術(shù)還不成熟；二是在OPS交換節(jié)點處，多個輸入分組的精確同步難以實現(xiàn)。因此光分組交換難于在短時間內(nèi)實現(xiàn)。  1997年，由Chunming Qi

11、ao和J.S Tunnor分別提出的一種新的光交換技術(shù)光突發(fā)交換OBS,作為由電路交換到分組交換技術(shù)的過渡技術(shù)。OBS結(jié)合了電路交換和分組交換兩者的優(yōu)點且克服了兩者的部分缺點，已引起了越來越多人的關(guān)注。  光突發(fā)交換中的“突發(fā)”可以看成是由一些較小的具有相同出口邊緣節(jié)點地址和相同QoS要求的數(shù)據(jù)分組組成的超長數(shù)據(jù)分組，這些數(shù)據(jù)分組可以來自于傳統(tǒng)IP網(wǎng)中的IP包。突發(fā)是光突發(fā)交換網(wǎng)中的基本交換單元，它由控制分組(BCP, Burst Control Packet,作用相當于分組交換中的分組頭)與突發(fā)數(shù)據(jù)BP(凈載荷)兩部分組成。突發(fā)數(shù)據(jù)和控制分組在物理信道上是分離的，每個控制

12、分組對應(yīng)于一個突發(fā)數(shù)據(jù)，這也是光突發(fā)交換的核心設(shè)計思想。例如，在WDM系統(tǒng)中，控制分組占用一個或幾個波長，突發(fā)數(shù)據(jù)則占用所有其它波長。  將控制分組和突發(fā)數(shù)據(jù)分離的意義在于控制分組可以先于突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，以彌補控制分組在交換節(jié)點的處理過程中O/E/O變換及電處理造成的時延。隨后發(fā)出的突發(fā)數(shù)據(jù)在交換節(jié)點進行全光交換透明傳輸，從而降低對光緩存器的需求，甚至降為零，避開了目前光緩存器技術(shù)不成熟的缺點。并且，由于控制分組大小遠小于突發(fā)包大小，需要O/E/O變換和電處理的數(shù)據(jù)大為減小，縮短了處理時延，大大提高了交換速度?？傉?在現(xiàn)代通信網(wǎng)中，全光網(wǎng)是未來寬帶通信的發(fā)展方向。光交換作為光網(wǎng)的核心技術(shù)，必然會承受更大的壓力和關(guān)注，這有助于其快速健康的發(fā)展。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