现代交换技术__第11章光交换技术

《现代交换技术__第11章光交换技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代交换技术__第11章光交换技术（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第11章 光交换技术 光通信是利用光波来传送信息的 光纤通信具有信息传输容量大 对比特流 透明 不受电磁干扰 保密性好等优点 是 现代通信网络中传输信息的极佳媒质 光交 换被认为是为未来宽带通信网服务的新一代 交换技术 本章主要介绍光交换的基本概念 光交换 器件 光交换网络和光交换系统 并对目前 逐渐走向应用的智能光网络ASON进行阐述 概述 11 1 光交换器件 11 2 光交换网络 11 3 光交换系统 11 4 自动交换光网络 11 5 11 1 概述 21世纪的通信网应该是能提供各种通信业 务的 具有巨大通信能力的宽带通信网络 网络业务将以宽带视频 高速数据 普通 话音和多媒体等业务为

2、主 为提供这些业务 需要高速 宽带 大容 量的传输系统和宽带交换系统 目前 以电子技术为基础的现代交换系统 无论是数字程控交换机 ATM交换机还 是高速路由器 其交换容量都受到电子器 件工作速度的限制 在这种情况下 人们对光交换技术的关心 日益增长 研究和开发具有高速 大容量交 换潜力的光交换技术势在必行 光交换被认为是为未来宽带通信网服务的 新一代交换技术 其优点主要集中在以下几 方面 1 运行速度快 2 光交换与光传输匹配可进一步 实现全光通信网 3 降低网络成本 提高可靠性 4 具有空间并行传输特性 11 2 光交换器件 11 2 1 光开关 光开关是完成光交换最基本的功能器件 光开关主

3、要用来实现光层面上的路由选择 波长选择 光分插复用 光交叉连接和自 愈保护等功能 光开关大致可分为半导体材料的光开关 耦合波导光开关 M Z干涉型热光开关 液 晶光开关 微机电系统 MEMS 开关等 光开关的主要作用包括 一是将某一光纤 通道的光信号切断或接通 二是将某波长光 信号由一个光纤通道转换到另一个光纤通道 三是将一种波长的光信号转换为另一波长 的光信号 波长转换器 光开关的特性参数主要包括 插入损耗 回波损耗 隔离度 串扰 工作波长 消 光比 开关时间等 1 半导体光开关 图11 1 半导体光放及等效光开关示意图 2 耦合波导光开关 图11 2 耦合波导光开关结构及逻辑表示 3 M

4、Z干涉型电光开关 图11 3 M Z干涉型电光开关 4 液晶光开关 图11 4 液晶光开关工作原理 5 微机电系统开关 图11 5 移动光纤式光开关 图11 6 移动反射镜式光开关 图11 7 用16个移动反射镜光开关构成的两 组4 4 MEMS开关阵列 11 2 2 波长转换器 波长转换器是一种能把携带信号的光波从 一个波长转换为另一个波长的器件 波长转换是解决相同波长争用同一个端口 时发生阻塞的关键 理想的波长转换器应具备有较高的速率 较宽的波长转换范围和高信噪比 高消光 比 而且与偏振无关 如图11 8所示 最直接的波长转换是光 电 光变换 即将波长为 1的输入光信号 由光电探测器转变为

5、电信号 然后再去 驱动一个波长为 2的激光器 使得输出波 长变为 2 另外一种是调制间接转换 即 在外调制器的控制端上施加适当的直流偏 置电压 使得波长为 1的入射光被调制成 波长为 2出射光 图11 8 波长转换器结构示意 11 2 3 光存储器 光存储器是实现时分光交换的基础 常用的光存储器有光纤延时线和双稳态激 光二极管 1 光纤延迟线 2 双稳态激光二极管 11 3 光交换网络 光交换网络完成光信号在光域的直接交换 而不需进行光 电 光变换 根据光信号的复用方式 相应地有空分 时分 波分等交换方式 若光信号同时采用两种或三种交换方式 则称为混合光交换 11 3 1 空分光交换网络 与空

6、分电交换一样 空分光交换是一种最 简单的光交换方式 通过机械 电或光三种不同方式对光开关 及相应的光开关阵列 矩阵 进行控制 为光交换提供物理通道 使输入端的任一 信道与输出端的任一信道相连 空分光交换网络的最基本单元是2 2的光 交换模块 如图11 9所示 输入端有两根光纤 输出 端也有两根光纤 它有两种工作状态 平 行状态和交叉状态 图11 9 基本的2 2空分光交换模块 可以采用以下几种方式来组成空分交换模块 1 铌酸锂 LiNbO3 晶体定向耦合器 其结构和工作原理已在10 2节中介绍 2 用4个1 2光开关 又可称为Y 分叉器 组成2 2的光交换模块 3 用4个1 1光开关器件和4个

7、无源 光分路 合路器组成2 2的光交换模块 如图11 9 b 所示 通过对上面的基本交换模块进行扩展 复 接 可以构成更大规模的光空分交换单元 11 3 2 时分光交换网络 光时分复用与电时分复用类似 也是把一 条复用线分成若干个时隙 每个数据光脉冲 占用一个时隙 N路数据信道复用成高速光 数据流进行传输 时隙交换离不开存储器 由于光存储器以 及光计算机还没有达到实用阶段 所以一般 采用光延时器件实现光存储 如前面11 2节 中提到的光纤延时线存储器和双稳态激光二 极管光存储器 采用光延时器件实现时分光交换网络的工 作原理是 先把时分复用光信号通过光分路 器分成多个单路光信号 然后让这些信号分

8、 别经过不同的光延时器件 以获得不同的延 时 再把这些信号通过光合路器重新复合起 来 时隙互换就完成了 时分光交换原理示意如图11 10所示 图11 10 时分光交换原理 11 3 3 波分光交换网络 波分光交换可以采用波长变换或波长选择 两种方法来实现 波长开关是完成波分交换的关键部件 其 交换原理如图11 11所示 图11 11 波分交换原理 图11 12 波长选择型波分交换网络结构 11 3 4 混合型光交换网络 图11 13 波分 空分 波分混合型光交换网络结构 11 3 5 自由空间光交换网络 由于光波作为载波在自由空间传输的带宽 巨大 约为100THz 为了充分利用带宽 资源 科学

9、家们开始研究自由空间光交换 网络系统 在空间无干涉地控制光的路径的光交换称 为自由空间光交换 它是最早的光交换 其构成比较简单 只 要移动棱镜或透镜即可 典型的自由空间光交换是由二维光极化控 制的阵列或开关门器件组成 另外 使用全息光交换技术也可以构成大 规模的自由空间光交换系统 而且无需多级 互连 自由空间光交换网络可以由多个2 2光交 叉元件组成 除了前面介绍过的耦合光波 导元件具有交叉和平行连接两种状态 可 以构成2 2光交叉连接外 极化控制的两块 双折射片也具有这种特性 图11 14 由两块双折射片构成的空间光交叉连接元件 图11 15 自电光效应器件的结构及其特性曲线 11 4 光交

10、换系统 1 光交换技术分类 和电交换技术类似 光交换方式可分为光 路光交换和分组光交换两大类型 如图11 16所示 不同的光交换技术完成不同粒度的信息交换 其中 波导空分 自由空间光和波分光交换 类似于电路交换 是粗粒度的信道分割 时分 交换或分组交换的信道分割粒度较细 图11 16 光交换技术分类 2 OADM和OXC 组成WDM光网络的主要节点设备是 OADM Optical Add Drop Multiplexer 光分插复用器 和OXC Optical Cross Connect 光交叉连接器 二者通常由 WDM复用 解复用器 光交换网络 矩阵 波长转换器和节点管理系统组成 主 要完成

11、光路上下 光层带宽管理 光网络 的保护 恢复和动态重构等功能 图11 17 基于波分复用 解复用和光开关的OADM结构示意 图11 18 波长交叉连接示意 图11 19 波长变换交叉连接示意 3 光分组交换系统 光分组交换能够在非常小的粒度上实现光 交换 选路 极大地提高光网络的灵活性和 带宽利用率 非常适合数据业务的发展 是 未来光网络的发展方向 光分组交换系统的结构如图11 20所示 它主要由输入 输出接口 交换模块和控制 单元等组成 其关键技术主要包括光分组产生 同步 缓存 再生 光分组头重写及分组之间的 光功率均衡等 图11 20 光分组交换系统结构示意图 光分组交换具有下列特点 1

12、交换粒度小 能与IP分组很好 地兼容 2 容量大 可配置 数据率和格 式透明 可支持不同类型的数据交换 3 提供端到端的光通道或者无连 接传输 带宽利用效率高 适应性好 能提供各种服务 4 将大量的交换业务转移到光域 交换容量与WDM传输容量匹配 同时 便于与OXC MPLS等新技术结合 实现网络优化与资源的合理利用 资 源利用率高 适应突发数据能力强 但光分组交换也存在下列不足 1 实现复杂 对光器件的性能要 求高 光逻辑器件不成熟 2 缺乏深度和快速的光记忆器件 在光域难以实现与电路由器相同的 光路由器 3 由于突发数据分组需要在中间 节点存储转发 需要有效的光随机存 储器 4 在光分组交

13、换节点处 难以实 现多个输入分组的精确同步 需要灵 活高效的光域同步技术 11 5 自动交换光网络 20世纪90年代以来 基于SDH WDM的 光传送网在电信网中获得了广泛的应用 其快速的保护功能 优越的管理性能使之 成为电信网的主要传输手段 然而 随着网络业务的发展和用户需求的 提高 传统的光传送网暴露出下列缺陷 1 业务配置复杂 2 带宽利用率低 3 保护方式单一 1 ASON的体系结构 图11 21 ASON的体系结构 2 ASON的技术特点 1 支持端到端的业务自动配置 智能化的网元能直接感知网络拓扑 处理速度快 生存能力强 2 网络资源和拓扑的自动发现 3 支持流量工程 网络可根据业

14、 务需求 实时动态地调整网络资源 实现最佳配置 4 支持Mesh组网保护 增强了网 络的可生存性 5 便于引入新的业务类型 如按 需带宽业务 BOD 波长批发 波 长出租 分级的带宽业务 SLA 和 光层虚拟专网等 3 ASON的关键技术 ASON的实现依赖其控制机制 包括自动 发现 路由 信令 呼叫和连接控制 以 及保护和恢复机制等 4 向ASON的演进 1 重叠模型 2 集成模型 本 章 小 结 光纤具有信息传输容量大 对比特流透明 不受电磁干扰 保密性好等优点 是现代 通信网中传送信息的极佳介质 光交换被认 为是为未来宽带通信网服务的新一代交换技 术 纯粹的光交换 是指不经过任何光 电转

15、 换 在光域直接将输入光信号交换到不同 的输出端 但由于目前光器件的功能还较简单 不能 完成复杂的逻辑控制功能 因此现有的光交 换控制还要由电信号来完成 即电控光交换 随着光器件技术的发展 光交换技术的最 终发展趋势将是光控光交换 光交换的基础器件包括各种光开关 半导 体 耦合波导 M Z干涉型电光 液晶 微 机电系统等 波长转换器 半导体激光放 大器 光耦合器 光调制器和光存储器等 利用这些器件可以构建不同的光交换结构 空分光交换 时分光交换 波分光交换 混 合型光交换 自由空间光交换 和电交换技术类似 光交换技术也可分为 光路光交换和分组光交换两大类 光路光交换系统所涉及的技术有空分交换

16、时分交换 波分交换和混合型交换技术 其中空分交换技术包括波导空分和自由空分 光交换 分组光交换系统所涉及的技术主要包括光 分组交换 光突发交换 光标记交换和光子 时隙路由等 不同的光交换技术支持不同粒度的交换 其中 波导空分 自由空间和波分光交换 类似于现存的电路交换 是粗粒度的信道分 割 时分和分组光交换属于信道分割粒度较 细的交换 光路交换技术已经实用化 如在WDM光 网络中 使用OADM和OXC来完成光路上 下 光层的带宽管理 光网络的保护 恢 复和动态重构等功能 在分组光交换领域 由于光信息处理技术 还未成熟 目前比较通用的光交换技术还是 OEO 光 电 光 的模式 即光信号首先 经过光电转换成为电信号 然后通过高速的 交换电路进行数据交换 再进行电光转换 光分组交换网的实用化 取决于光交换技 术的进一步发展 如光标记交换 微电子机 械系统 MEMS 光器件技术等 随着光交换器件技术和全光网络的发展 光交换技术不断成熟 从光电和光机械的光交换机 发展到基于 热学 液晶 声学 微机电技术的光交换机 光网络已经由过去的点到点WDM链路发 展到今天面向连接的OADM OXC和自动交