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1、第5章 光交换技术,凌 云 宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室 科B楼221,本章内容：,5.1 光交换概述 5.2 光交换器件及设备 5.3 光突发交换 5.4 光分组交换,5.1 光交换概述,1 光交换技术产生的背景 2 光波长路由交换技术（OCS） 3 光分组交换技术（OPS） 4 突发交换技术（OBS） 5 光交换技术比较,1 光交换技术产生的背景,传统的电交换机结构,Fiber/wavelength,Fiber/wavelength,电交换估算： 一个波长40Gb/s，每根光纤50个波长，每个交换机20个端口。 总容量要求：40Gb/s5020=40Tbit/s.,1 光交换技
2、术产生的背景,传统的电交换存在的问题： 1）电子处理速率无法跟上光信号的传输速率，导致电子瓶颈； 2）经过许多的串并和并串转换，规模大，系统复杂； 3）大量光电和电光转换器件，成本高，能耗高。 解决办法： 将交换从电域移到光域实现；实现光传输和光交换的无缝结合。,现有的光交换类型： 1）光线路交换：Optical Circuit Switching (OCS)，实质上是光波长交换。 2）光分组交换：Optical Packet Switching (OPS)。 3）光突发交换：Optical Burst Switching (OBS)。,1 光交换技术产生的背景,5.1 光交换概述,1 光交换
3、技术产生的背景 2 光线路交换技术（OCS） 3 光分组交换技术（OPS） 4 突发交换技术（OBS） 5 光交换技术比较,2 光线路交换技术（OCS）,1,2,OXC,3,光线路交换： 1）在网络节点之间建立波长通道波长分配； 2）交换节点实现波长路由功能波长交换。,2 光线路交换技术（OCS）,OCS的网络设计思想： 将原本在SDH/SONET层完成的某些功能（如业务适配等）移到光网络层上来完成。,SDH中的两个重要网络元素：DXC， ADM；,OCS交换网中的两个元素： OXC，OADM。,2 光线路交换技术（OCS）,DXC,1,2,3,O/E,E/O,E/O,特点： 1）光电转换；
4、2）实时解析每帧，实现交叉输出。 3）时分复用,SDH中的交叉连接,OXC,1,2,3,2 光线路交换技术（OCS）,OCS中的交叉连接,特点： 1）无光电转换； 2）不需要实时解析每帧，根据波长选择路由； 3）波分复用。,2 光线路交换技术（OCS）,同理： SDH中的ADM特点：1）光电转换；2）解析帧；3）TDM。 OCS中OADM特点：1）无光电转换；2）不解析帧；3）WDM,区别： SDH：某一输入端口中一个波长信号中的帧可以输出到不同的端口； OXC：某一输入端口中一个波长信号中的所有帧都将输出到同一个输出端口。,2 光线路交换技术（OCS）,OCS通过不同的波长建立节点之间的连接
5、，波长是一个宝贵的资源。 问题：对于100个波长能够建立多少个节点之间的全连接？ 如何来提高波长利用率呢？,1,2,OXC,3,1,2,OXC,3,方案1：,方案2：,虚波长,2 光线路交换技术（OCS）,MPLS：Multi-Protocol Label Switching（多协议标签交换）,L1,L2,L2,L1,MPS：Multi-Protocol Label Switching（多协议波长交换）,1,2,1,2,GMPLS： General Multi-Protocol Label Switching （通用多协议标签交换）,2 光线路交换技术（OCS）,OXC,1,2,3,OCS存在
6、的问题： 1）波长粒度粗不适合突发数据的传输； 2）波长数目有限 不适应大规模网络的需求。,5.1 光交换概述,1 光交换技术产生的背景 2 光线路交换技术（OCS） 3 光分组交换技术（OPS） 4 光突发交换技术（OBS） 5 光交换技术比较,3 光分组交换技术（OPS）,光分组交换系统：,3 光分组交换技术（OPS）,光分组交换原理： 模仿电域交换的处理过程，将电处理通过光处理来实现。,最大的特点：从源节点到目的节点，净荷信号始终在光域存在。,3 光分组交换技术（OPS）,光分组交换是最理想的一种光交换形式。 光交换的实现存在着许多的技术难题，是研究领域的前沿问题和难点问题。 最大的瓶颈
7、是： 1）光逻辑器件； 2）光随机存储器。,3 光分组交换技术（OPS）,现有光分组交换的主要实现形式： 1）分组头（低速）光电转换后，用电进行处理； 2）净荷（高速）全光透明传输。 仍是一种电控光交换形式，还不是全光交换。 OPS的优点： 1）线速交换，交换速度快； 2）交换粒度小，统计复用率高，适合突发业务。 OPS存在的问题： 分组乱序到达。,5.1 光交换概述,1 光交换技术产生的背景 2 光线路交换技术（OCS） 3 光分组交换技术（OPS） 4 光突发交换技术（OBS） 5 光交换技术比较,4 光突发交换技术（OBS）,光突发交换原理：,4 光突发交换技术（OBS）,光突发交换思想
8、： 1）粒度上：突发包，介于光波长粒度和光分组粒度之间； 2）技术上：光的传输（净荷），电的处理（控制分组）。 3）实现上：偏置时间和调度。,5.1 光交换概述,1 光交换技术产生的背景 2 光线路交换技术（OCS） 3 光分组交换技术（OPS） 4 光突发交换技术（OBS） 5 光交换技术比较,5 光交换技术比较,几种光交换的比较,发展趋势：,OCS,OPS,OBS,本章内容：,5.1 光交换概述 5.2 光交换器件及设备 5.3 光突发交换 5.4 光分组交换,5.2 光交换器件及设备,1 光开关技术 2 波长变换技术 3 光分插复用器 4 光交叉连接,1 光开关技术,光开关,光开关的概念
9、：,（1）,OFF,ON,（2）,光开关,switch,各种光开关技术分类与比较：,1 光开关技术,1 光开关技术,评价光开关的主要指标：,1）损耗； 2）隔离度； 3）消光比； 4）偏振敏感性； 5）开关时间； 6）开关规模； 7）开关尺寸。,1 光开关技术,几种典型的光开关：,（1）电光开关,电极,电极,V,V,铌酸锂波导,（1）电光开关,1 光开关技术,工作原理：电光效应,特点： 1）损耗小； 2）隔离度高； 3）消光比大； 4）偏振相关； 5）开关时间快（ns量级）； 6）开关规模（易于级联，实现大端口数）； 7）开关尺寸（易于集成）。,1 光开关技术,（2）声光开关,换能器,V,1级
10、衍射光,衍射角可以通过声波频率进行调节。,1 光开关技术,（2）声光开关,工作原理：声光效应，产生光衍射。,特点： 1）损耗大； 2）隔离度中； 3）消光比中； 4）偏振相关； 5）开关时间快（微秒量级）； 6）开关规模小； 7）开关尺寸大。,1 光开关技术,（3）热光开关,12（Y型）：,22（MZI型）：,1 光开关技术,（3）热光开关,工作原理：热光效应，加热产生折射率变化。,特点： 1）损耗小； 2）隔离度高； 3）消光比高； 4）偏振相关（波导）； 5）开关时间慢； 6）开关规模大（可级联）； 7）开关尺寸小（易集成）。,1 光开关技术,（4）微电子机械光开关 （MEMS）,（MEM
11、S：micro-electromechanical systems）,大小：几百微米,1 光开关技术,（4）微电子机械光开关 （MEMS）,工作原理：微机械控制，反射镜旋转。,特点： 1）损耗大； 2）隔离度高； 3）消光比高； 4）偏振无关； 5）开关时间慢； 6）开关规模大（增大微镜数量）； 7）开关尺寸中。,1 光开关技术,（5）液晶光开关,电极,V,关键点： （1）不加电压，偏振旋转90度； （2）加电压，偏振不旋转。,液晶,优点：光电系数为铌酸锂几百万倍。,工作原理：电光效应，偏振旋转。,特点： 1）损耗小； 2）隔离度高； 3）消光比高； 4）偏振相关； 5）开关时间慢（ms量级）
12、； 6）开关规模中； 7）开关尺寸中。,1 光开关技术,（5）液晶光开关,1 光开关技术,（6）气泡光开关,无气泡,匹配液,加热,气泡,工作原理：加热产生气泡，全反射。,5.2 光交换器件及设备,1 光开关技术 2 波长变换技术 3 光分插复用器 4 光交叉连接,2 波长变换技术,无波长变换：波长连续性约束,波长变换：无波长连续性约束,2 波长变换技术,波长变换技术分类,（1）O/E/O波长变换：,PIN,LD,光信号,电信号再生,光信号,（2）全光波长变换（AOWC）：,光信号,全光波长变换器,光信号,2 波长变换技术,以半导体光放大器为基础的全光波长变换器 1）交叉增益调制（XGM-SOA
13、）； 2）交叉相位调制（XPM-SOA）； 3）四波混频效应（FWM-SOA）；,全光波长变换器的实现方法： 1）基于半导体光放大器（SOA）； 2）基于光纤；,2 波长变换技术,1）交叉增益调制（XGM-SOA）；,SOA,增益饱和效应,特点：1）变换后的信号反转；2）消光比不高。,2 波长变换技术,2）交叉相位调制（XPM-SOA）；,Ph=0,Ph=,无信号输出,信号光,探测光,特点：1）变换后的信号可相同或反转； 2）光功率要求严格。,2 波长变换技术,3）四波混频（FWM-SOA）；,SOA,特点：1）信号同向；2）转换效率低。,2 波长变换技术,以光纤为基础的全光波长变换器交叉相位
14、调制（XPM）；,5.2 光交换器件及设备,1 光开关技术 2 波长变换技术 3 光分插复用器 4 光交叉连接,3 光分插复用器,OADM,OADM的功能：,上路,下路,3 光分插复用器,OADM的分类：,OADM,（1）固定的； （2）可重构的。,3 光分插复用器,可重构的光分插复用器（ROADM）。,（1）波长选择型（wavelength selective, WS）。,问题：请问这是一个？的光交换矩阵？,可重构的光分插复用器（ROADM）。,3 光分插复用器,（2）广播选择型（broadcast selective, BS）。,光分路器、光耦合器,5.2 光交换器件及设备,1 光开关技术
15、 2 波长变换技术 3 光分插复用器 4 光交叉连接器,4 光交叉连接器,光交叉连接（Optical Cross-Connect, OXC）。,分类： （1）静态固定配置； （2）动态可重构。,1,2,OXC,3,4 光交叉连接器,（1）静态固定配置：,请问这种OXC如何实现？,4 光交叉连接器,1,2,OXC,3,虚波长,（1）静态固定配置：,请问这种OXC如何实现？,4 光交叉连接器,（2）动态可重构配置OXC：,因此动态可重构的OXC，即光交换矩阵。,4 光交叉连接器,（2）动态可重构配置OXC（光交换矩阵）的实现方法,Banyan结构,4 光交叉连接器,（2）动态可重构配置OXC：,不配有波长转换器,配有波长转换器,本章内容：,5.1 光交换概述 5.2 光交换器件及设备 5.3 光突发交换 5.4 光分组交换,5.3 光突发交换,1 光突发交换概述 2 光突发交换网络 3 光突发交换协议 4 光突发交换网络性能,1 光突发交换概述,光突发交换（ Optical Burst Switching，OBS）,Burst Control Pack
