光交換技術

密集波分復用技術的進步使得一根光纖上能夠承載上百個波長通道，傳輸帶寬最高記錄已經達到了T比特級。同時，現有的大部分情況是光纖在傳輸部分帶寬幾乎無限——200Tb/s，窗口200nm。相反，在交換部分，僅僅只有幾個Gb/s，這是因為電子的本徵特性制約了它在交換部分的處理能力和交換速度。所以，許多研究機構致力於研究和開發光交換/光路由技術，試圖在光子層面上完成網路交換工作，消除電子瓶頸的影響。當全光交換系統成為現實，就足夠可以滿足飛速增長的帶寬和處理速度需求，同時能減少多達75%的網路成本，具有誘人的市場前景。

光信號處理可以是線路級的、分組級的或比特級的。WDM光傳輸網屬於線路級的光信號處理，類似於現存的電路交換網，是粗粒度的通道分割；光時分復用OTDM是比特級的光信號處理，由於對光器件的工作速度要求很高，儘管國內外的研究人員做了很大努力，但離實用還有相當的距離；光分組交換網屬於分組級的光信號處理，和OTDM相比對光器件工作速度的要求大大降低，與WDM相比能更加靈活、有效地提高帶寬利用率。隨著交換和路由技術在處理速度和容量方面的巨大進步，OPS技術已經在一些領域取得了重大進展。

光交換技術可以分成光路交換技術和分組交換技術。光路交換又可分成三種類型，即空分（SD）、時分（TD）和波分/頻分（WD/FD）光交換，以及由這些交換組合而成的結合型。其中空分交換按光矩陣開關所使用的技術又分成兩類，一是基於波導技術的波導空分，另一個是使用自由空間光傳播技術的自由空分光交換。光分組交換中，非同步傳送模式是2006年來廣泛研究的一種方式。

日本開發了兩種空分光交換系統――多媒體交換系統和模塊光互連器。兩種系統均採用8×8二氧化硅光開關。多媒體光交換系統支持G4傳真、10Mpbs區域網和400Mpbs的高清晰度電視。

光時分交換技術開發進展很快，交換速率幾乎每年提高一倍。1996年推出了世界上第一台採用光纖延遲線和4×4鈮酸鋰光開關的32Mpbs時分復用交換系統。光波分交換能充分利用光路的寬頻特性，不需要高速率交換，技術上較易實現。1997年採用高速MI（Michelson Interferometer）波長轉換器的20Gbps波分復用光交換系統問世。

採用極短脈衝的超高速ATM光交換機較為普遍，交換容量可達64Gpbs，已有實驗樣機。

全光分組交換網可分成兩大類：時隙和非時隙。在時隙網路中，分組長度是固定的，並在時隙中傳輸。時隙的長度應大於分組的時限，以便在分組的前後設置保護間隔。在非時隙網路中，分組的大小是可變的，而且在交換之前，不需要排列，非同步的，自由地交換每一個分組。這種網路競爭性較大，分組丟失率較高。但是結構簡單，不需要同步，分組的分割和重組不需要在輸入輸出節點進行，更適合於原始IP業務，而且緩存容量較大的非時隙型網路性能良好。

在光網路設計中，對網路設計者來說，非常重要的是減少使用網路中協議層的數目，保留已有功能，並盡量利用現有的光技術。而光分組交換技術獨秀之處在於：

大容量、數據率和格式的透明性、可配置性等特點，支持未來不同類型數據

能提供端到端的光通道或者無連接的傳輸

帶寬利用效率高，能提供各種服務，滿足客戶的需求

把大量的交換業務轉移到光域，交換容量與WDM傳輸容量匹配，同時光分組技術與OXC、MPLS等新技術的結合，實現網路的優化與資源的合理利用因而，光分組交換技術勢必成為下一代全光網網路規劃的“寵兒”。

光分組交換的關鍵技術有光分組的產生、同步、緩存、再生，光分組頭重寫及分組之間的光功率的均衡等。光分組交換技術與電分組技術相比，光分組交換技術經歷了近10年的研究，卻還沒有達到實用化，主要有兩大原因：第一是缺乏深度和快速光記憶器件，在光域難以實現與電路由器相同的光路由器；第二是相對於成熟的硅工業而言，光分組交換的集成度很低，這是由於光分組本身固有的限制以及這方面工作的不足造成的。通過2001年後的技術突破與智能的光網路設計，可充分地利用光與電的優勢來克服這些不利因素。

光突發交換為IP骨幹網的光子化提供了一個非常有競爭力的方案。一方面，通過光突發交換可以使現有的IP骨幹網的協議層次扁平化，更加充分的利用DWDM技術的帶寬潛力；另外一方面，由於光突發交換網對突發包的數據是完全透明的，不經過任何的光電轉化，從而使光突發交換機能夠真正的實現所謂的T比特級光路由器，徹底消除由於現在的電子瓶頸而導致的帶寬擴展困難。此外，光突發交換的QoS支持特徵也符合下一代Internet的要求。因此，光突發交換網路很有希望取代2006前基於ATM/SDH架構和電子路由器的IP骨幹網，成為下一代光子化的Internet骨幹網。

作為一項具有廣泛前景和技術優勢的交換方式，光突發交換技術已引起了國內外眾多研究機構的關注，我國的863計劃已將光突發交換技術列為重點資助項目。

從應用的角度，光突發交換還有一些重要的課題需要研究。突發封裝，突發偏置時延的管理，數據和控制通道的分配，QoS的支持，交換節點光緩存的配置？如果需要的話　等問題還需要作深入研究。對於光突發交換網來說，在邊緣路由器光接收機上的突發快速同步也是對系統效率有重要影響的問題。

上述問題是緊密關聯的，比如說光緩存中光纖延遲線的配置與突髮長度的統計分佈相關，而突髮長度又取決於突發封裝過程；突發封裝、光路由器的規模、數據和控制通道組的大小又會影響突發偏置時延的管理；交換節點的分配器和控制器運行快慢以及網路規模又會反過來影響突發封裝。在網路設計當中，所有的這些問題都必須仔細考慮和規劃。由於光纖延遲線的限制，為了降低丟包率，光突發交換網路必須通過波分復用網路通道成組來實現統計復用。如何在光突發交換網路中實現組播功能也是一項非常重要的課題，為了實現組播，光開關矩陣和交換控制單元都必須具備組播能力，且二者之間必須能有效地協調。此外，將光突發交換與現有的動態波長路由技術有機的結合，可以使網路具有更有效的調配能力，但也需要進一步的細緻研究。

光交換技術是指不經過任何光/電轉換，在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。光交換技術可分成光路光交換類型和分組光交換類型，前者可利用OADM、OXC等設備來實現，而後者對光部件的性能要求更高。由於2001年後研製的光邏輯器件的功能還較簡單，不能完成控制部分複雜的邏輯處理功能，因此國際上現有的分組光交換單元還要由電信號來控制，即所謂的電控光交換。隨著光器件技術的發展，光交換技術的最終發展趨勢將是光控光交換。

光路交換系統所涉及的技術有空分交換技術、時分交換技術、波分/頻分交換技術、碼分交換技術和複合型交換技術，其中空分交換技術包括波導空分和自由空分光交換技術。光分組交換系統所涉及的技術主要包括：光分組交換技術，光突發交換技術，游標記分組交換技術，光子時隙路由技術等。

光路交換技術已經實用化。光分組交換技術2010年以前主要是在實驗室內進行研究與功能實現，確保用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部採用光波技術。其中，光分組交換技術和光突發交換技術是光交換中的最有開發價值的熱點技術，也是全光網路的核心技術，她將有著廣泛的市場應用前景。

全球光交換設備市場從2001年的3．07億美元開始增長，到2006年將達到64.5億美元。2006年以後，該技術市場在整個電信市場領域將會佔主導地位，尤其是在北美、西歐各國及亞洲部分地區。而在網路進展速度緩慢的發展中國家，諸如非洲、中東、拉丁美洲等地區，這項技術的使用可能還會花一段時間。

2001年後光交換技術市場日益成熟，價格也在迅速下降。批量生產以後，這些技術設備的價格有望在2002年下半年更大幅度地下降。如果說2000-2002年是光交換技術的試用期，那麼2003年將是這項技術在全球範圍內的大規模使用期。許多運營商，比如Global Crossing、法國電信和日本電信等都已經表達了對光交換系統性能的滿意，並已經計劃在2002-2003年間在他們的網路中廣泛採用這項技術。北京市通信公司宣布採用北電網路的OPTera DX光交換機完成了長途光傳輸系統工程，升級后的網路已於2001年六月投入商業服務。

雖然在低迷的環境下，大多數運營商2006年都宣布了資本與運作支出縮減計劃。與2001年相比，2002－2003年間的縮減率高達30%。但是，受寬頻業務需求影響，儘管電子商務呈下降趨勢，數據通信仍然持續增長。如果運營商不與此快速增長業務同步，到2002年下半年其網路的最大使用容限將只有40%。因而，運營商恰當地選擇技術設備來升級其網路、減少其成本和運作支出，日益顯得重要。

業內專家指出，光分組交換技術將成為一項重要的網路交換升級技術得到廣泛應用。未來，基於電路交換的電信網必然要升級到以數據為重心以分組為基礎的新型通信網，而光分組交換網能以更細的粒度快速分配光通道，支持ATM和IP的光分組交換，是下一代全光網路技術，其應用前景廣闊。以2001年以後，世界上許多發達國家進行了光分組交換網的研究，如歐洲RACD計劃的ATMOS項目和ACTS計劃的KEOPS項目，美國DARPA支持的POND項目和CORD項目，英國EPRC支持的WASPNET項目，日本NTT光網路實驗室的項目等。而且，光分組交換網的實用化，取決於一些關鍵技術的進步，如游標記交換、微電子機械系統MEMS、光器件技術等。光器件技術中固態光交換技術已開始迅速發展，在晶元上實現光交換一直是人們的夢想。利用固態交換技術，交換速度可以在納秒的範圍之內，這樣高的速度主要用於光的分組交換。已經有一些公司在這個方向上取得了重大進展，例如Brimcon，Lynx and NTT公司。

與現有的光傳送網技術相比，ASON具有以下幾個特點：

1、強大而靈活的傳送和交換能力、支持複雜拓撲的格狀網路。傳送平台普遍採用大容量DWDM技術，提供由波長組成的端到端的光通路。交換平台解決網路規模擴展問題，將鏈形和環形網路變為網狀拓撲，提供光通路的優化路由，在線路或者節點發生故障時進行快速迂迴，能方便的升級和擴充；

2、分散式的控制。通過分散式的信令/協定實現網路智能化的控制。隨著光層技術的不斷提高，特別是多協議標記交換（MPLS）技術向光層的拓展，使建立分散式、開放的網路控制系統成為可能。這將大大提高網路的性能，降低網路的運營成本；

3、開放的網路管理。由於業務的多樣性及多廠家環境的原因，要求網路管理系統由封閉走向開放。同樣，由於容量的迅速增長和對業務質量的要求，要求網路管理系統向自動化和智能化方向發展；

4、以業務為中心，支持多業務。IP技術的發展促使光網路必須能夠支持多種業務。這些業務對帶寬、時延和業務質量等有不同的要求。另外，隨著網際網路對人類生活和工作方式的影響進一步加深，一些無法預測的新業務必然興起。這些都決定了未來的光網路必須是能夠支持多業務和開放的。

光纖網路作為高速有效的代名詞已經深入人心，在通信系統中也已經大規模的實現部署和應用。而實現透明的、高生存性的全光通信網是寬頻通信網的發展目標。光交換技術作為全光通信網路中的一項重要基礎技術，其發展和應用很大程度上決定未來光通信網路的前進方向。以下對光交換技術的概念及發展和其在通信中應用的情況作概要的介紹，以供廣大科研工作者研究和探討。

光纖通信的優勢在於巨大的信息容量和極強的抗干擾能力，其優越的性能早已得到證實，並且在現代通信系統中逐步取代以往電子線路為主要組成的通信網路，成為現代通信的重要組成方式。而原有通信系統中的電子線路卻缺阻礙了光纖通信系統優勢的發揮，成為性能的瓶頸。

在光纖通信系統中，只有科學合理的通信體系結構才能夠發揮光纖系統的優勢，組成理想的高速、大容量、高質量的光纖網路，而原有的電子線路通信在全光網路實行中是一個巨大的阻礙，要去除電子線路的影響需要光纖通信系統技術的進步.傳統通信網路和光纖網路並存時存在光電變換的過程，並且二者的結合受限於電子器件，光電交換信息的容量決定於電子部分的工作速度，本來帶寬較大的光纖網路在進行光電交換時就變得狹窄了，致使整個網路的帶寬也隨之受限。因此在光通信網路中需要在交換節點上直接進行光交換而省去光電變換的過程，這樣才能釋放光纖的通信帶寬，實現其通信容量大和通信速率高的優點。所以光交換技術倍受矚目，被認為是新一代寬頻技術中最重要的部分。

光信號復用一般有空分復用、時分復用、波分復用三種方式，相應的也有空分交換、時分交換和波分交換來完成三種復用通道的交換.

空分交換是將交換空間域上的光信號，其基本的功能組件是空間光開關。空間光開關原理是將光交換元件組成門陣列開關，可以在多路輸入與多路輸出的光纖中任意的建立通路。其可以構成空分光交換單元，也可以和其他類型的開關一起構成時分或者波分的交換單元。空分光開關一般有光纖型和空間型兩種，空分交換的是交換空間的劃分。

時分復用是通信網路中常用的信號復用方式，將一條通道分為若干個不同的時隙，每個光路信號分配佔用不同的時隙，將一個基帶通道擬合為高速的光數據流進行傳輸。時分交換需要使用時隙交換器來實現。時隙交換器將輸入信號依序寫入光緩存器，然後按照既定順序讀出，這樣就實現了一幀中的任一時隙交換到另外的一個時隙而輸出，完成了時序交換的程序。一般雙穩態激光器可以用來作為光緩存器，但是它只能按位輸出，不能滿足高速交換和大容量的需求。而光纖延時線是一種使用較多的時分交換設備，將時分復用的光路信號輸入到光分路器中，使得其每條輸出通路上都只有某個相同時隙的光信號，然後將這些經過不同光延時線的信號組合起來，經過了不同延時線的信號獲得了不同的時間延遲，最後組合起來正好符合了信號復用前的原信號，從而完成時分交換。

在光傳輸系統中波分復用技術應用十分廣泛，一般在光波分復用系統中，源端和目的端都需要使用同樣波長的光來傳輸信號，如非如此多路復用復用時每個復用終端都需要使用額外的復用設備，這樣就增加了系統的使用成本和複雜度[3].因此如果在波分復用系統中，在中間傳輸節點上使用波分光交換，就可以滿足不額外增加器件實現波分復用系統的源端與目的端互通，並且可以節約系統資源，提高資源利用率。

波分光交換系統首先將光波信號用分解器分割為多個進行波分光交換所需的波長通道，在對每個通道都進行波長交換，最後將得到的信號復用后組成一個密集的波分復用信號，由一條光纜輸出，這就利用光纖寬頻的特性，在損耗低的波段復用多路光信號，大大提高了光纖通道的利用率，提高了通信系統容量。

混合交換技術則是在大規模的通信網路中使用多種交換技術混合組成的多級鏈路的光路連接。由於在大規模網路中需要將多路信號分路后再接入不同的鏈路，使得波分復用的優勢無法發揮，因此需要在各級的連接鏈路中使用波分復用技術，然後再在各級鏈路交換時使用空分交換技術完成鏈路間的銜接，最後再目的端再用波分交換技術輸出相應的光信號，進行信號合併最後分路輸出。常用的混合使用的交換技術有空分-時分混合、空分-波分混合、空分-時分-波分混合等幾種。

全光交換的實現第一步，首先要利用基於電路交換方式的光分插復用(OADM)和光交叉連接(OXC)技術實現波長交換，然後再進一步實現光分組交換[4].

波長交換是以波長為單位進行光域的電路交換，波長交換是為光信號提供端到端的路由和分配波長通道。進行波長交換的關鍵是要使用相應的網路節點設備，即光分插復用或者光交叉連接。光分插復用的工作原理是以全光的方式在網路節點中分出和插入所需的波長通路。其主要的組成元件有復用器和解復用器，以及光開關和可調諧波器等。光分插復用的工作原理和同步數字系統(SDH)中分插復用器的功能類似，不過一個是在時域，而另一個是作用在光域。而光交叉連接則是和同步數字系統中的數字交叉連接器(DXC)作用相似，不過是實現在光網路節點處的波長通路的交叉連接。

光波長交換本質上仍然是效率不高的光交換方式，其面向連接的屬性使其對已經建立的波長通道不能實現再次分配以實現利用效率最大化，即使通信處於閑置狀態。而光分組交換能夠以極小的交換粒度實現帶寬資源的復用，提高光網路的通信效率。光分組交換目前一般有光透明包交換(OTPS)、光突發交換(OBS)和游標記交換(OMPLS)技術。光透明包交換主要特點是分組長度固定，採用同步交換的方式，需要對所有輸入分組在時間上同步，因此增大了技術難度，增加了使用成本。而光突發使用了變長度分組，使用傳輸包頭的控制信息和包身的數據在時間和空間上分離的傳輸方式，克服了同步時間的缺點，但是有可能產生丟包的問題。而游標記交換則是在IP包在核心網路的接入處添加標記進行重新封包，並在核心網內部根據標記進行路由選擇的方法。

雖然光交換的方式對數字傳輸速率要求較高(一般10Gb/s以上)的通信場合更為合適，可以實現更低的傳輸成本和更大的系統容量；但當系統要求的傳輸速率要求較低(指2.5Gb/s以下)、連接配置方式較為靈活時，使用舊式的光電轉換的方式接入可能更為合適。因此在實際應用中，應當根據應用場景選擇合適的系統部署。

隨著未來通信網技術的發展和全光網路實現，光交換技術也會以更加新穎和更有效率的方式為通信網路的全光化做出貢獻，成為社會發展和人們生活中的重要部分。

圖書信息

書名:光交換技術

作　者：余重秀

出版社：人民郵電出版社

出版時間：2008年09月

ISBN:9787115174666

開本：16開

定價:58.00元

內容簡介

本書系統地介紹了現代通信中的光交換技術，主要包括通信交換的發展歷程、光交換技術涉及的物理機理、關鍵功能器件、各種光交換方式和系統；重點介紹光交換中的光波技術、游標記交換、光突發交換、智能光交換等新技術及其關聯的全光網路，並對下一代全光網路中的光交換技術進行展望。

本書可供具有一定通信理論基礎的科研人員和工程技術人員閱讀，可作為高等院校、科研院所光通信專業及其相近專業研究生課程的教科書或參考書。

圖書目錄

第1章　緒論　1

第2章　光交換的物理基礎　9

第3章　光交換器件　50

第4章　光交換方式和系統　112

第5章　光交換中的光波技術　190

第6章　光交換技術的新進展及展望　255

參考文獻　330

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