p比特光交换节点研究

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1、P P 比特光交换节点研究比特光交换节点研究P bit/s Optical Switching Node2011-12-16作者:陈远祥,何永琪,李巨浩,陈章渊,徐安士摘要:光网络中引入全光交换技术可以无需进行光电光转换和电信号处理，使网络具备透明性，大大降低节点的复杂性和节点成本。多粒度交换节点减小了交换矩阵的规模，降低了交换矩阵的复杂性，是波分复用(WDM)网络节点发展的一个方向。随着正交频分复用(OFDM)技术的引入，带宽可变的节点技术得到了越来越广泛的关注。文章介绍了传统的基于波长的光交叉连接器(OXC)交换结构、多粒度交换结构，以及基于正交频分复用/单载波频分复用(OFDM/SCFD

2、M)的节点交换结构，并通过实验对基于带宽可变的可重构的光分插复用器(ROADM)、OXC 节点技术进行了验证。在实验中提出的基于子波带的交换结构中，节点容量达到了 P 比特量级。关键字:全关交换；多粒度光交换节点；可变带宽；P 比特交换节点英文摘要:All-optical switching technology without optical-electrical-optical (OEO) conversion creates transparency in an optical network and greatly reduces the complexity and cost of

3、the node. Multi-granularity optical cross-connect reduces the scale and complexity of the switching matrixwhich indicates the direction of the wavelength division multiplexing (WDM) optical network. With the development of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), bandwidth-variable optical

4、 node technology has become the focus of attention. This paper introduces the switching architecture of optical cross-connect (OXC) and multi-granularity optical cross-connect based on wavelength. It also introduces the node switching architecture of OFDM and single-carrier frequency division multip

5、lexing (SCFDM). An experiments with bandwidth-variable reconfigurable optical add-drop multiplexer (ROADM) and OXC is presented. The node in the proposed optical switching has Pbit/s capability.英文关键字:all optical switching; multi-granularity optical cross-connect node; bandwidth variable; Pbit/s swit

6、ching node基金项目：国家重点基础研究发展(“973”)规划(2010CB328202)；国家自然科学基金(60931160439)随着光通信技术，特别是密集波分复用(DWDM)技术的日趋成熟，单根光纤中可以传输 的波长数越来越多，而且未来核心光网络中相邻两个节点间可能会有几十甚至上百条光纤 相连接。随着光纤传输容量不断地提升，对节点的交换容量扩充的要求也越来越高。实验 室单节点交换速率已经达到了 100 Tbit/s 级别，未来的网络节点需要实现 P 比特级交换速 率。光纤数目和波长数目的增加使得光交叉连接器(OXC)的规模越来越庞大，传统的基于波 长粒度的交换，使光节点达到数千个端

7、口。如此大规模的端口数量不仅使得节点实现困难， 而且成本高，控制复杂，给 OXC 的稳定性和设计带来了很大问题。在多粒度交换光网络中， 光交换节点可以实现波长、波带和光纤的交换，不仅使得交叉连接的矩阵规模大大减小， 同时也相应地简化了管理控制。随着正交频分复用(OFDM)技术的引入，基于 OFDM 的弹性光 网络得到了越来越广泛的关注。在弹性光网络中，和以往的固定栅格的波分复用(WDM)节点 不同，OFDM 中的带宽可变节点采用分束器和带宽可变的波长选择开关(WSS)实现了传统的 多粒度交换结构。文章介绍了传统的基于波长的 OXC 交换结构、多粒度交换结构，以及基于正交频分复 用/单载波频分复

8、用(OFDM/SCFDM)的节点交换结构，并通过实验验证了基于带宽可变的可重 构的光分插复用器(ROADM)、OXC 节点技术。提出的基于子波带的交换结构节点容量达到了 P 比特量级。1 1 传统传统 OXCOXC 的波长交换结构的波长交换结构光网络中传统的 OXC 执行的是单粒度的交换，即波长交换。图 1 给出了传统的单粒度 交换节点结构示意图，其核心是一个大容量的波长交叉连接矩阵。输入光纤中的信号通过解复用器(Demux)将每个单独的波长解复用出来，然后进入波长 交叉连接结构进行交换，之后各个波长通过复用器(Mux)合波到不同的输出光纤。本地的上 路和下路(Local add/drop)业

9、务的端口直接和波长交换结构相连。实现光交叉连接的光开 关是 OXC 光节点的核心功能器件，根据所采用技术的不同，可以分为自由空间开关和波导开关。目前比较常用的是基于微机电系统(MEMS)技术的光开关阵列。但是由于成本和可靠 性等一系列原因，商用的 MEMS 光开关阵列的交换规模仅达到 88 和 1616，更大规模的 光开关阵列只是在试验阶段，还远未成熟。实现大规模的光开关矩阵(数千个端口)无论从成本、稳定性来说都几乎是不可能的。 而且如此复杂的光开关矩阵的大规模生产是非常昂贵而不现实的，因此希望能使用较小规 模的光开关矩阵来实现复杂的光交换。另一方面，随着数据业务的快速增长，对光器件和 光网络

10、性能的要求也越来越高，如何快速、高效、智能地传递业务是光网络研究的一个重 要方面。根据网络中业务流量的数据统计，对网络中的每一个单节点来说，占到总量 6080的大部分业务与本节点无关，大部分业务都是“转发业务”而不是“接入业务” ，即在本节点无须进行交换，只需要在本节点直通。由于传统的 OXC 是基于波长单粒度的 结构，所有光路信号都必须适配到波长级别进行处理，这就导致了网络节点的处理速度将 成为“瓶颈”。OXC 节点的交叉规模受限、成本高、灵活性差、扩展比较困难，从而无法 满足高速网络交换的需求。2 2 多粒度光交换节点多粒度光交换节点1999 年，多粒度的思想被引入到光交换节点中，相应的多

11、粒度光交换节点应运而生 1-3。所谓的多粒度光交换是指交换节点的交换粒度不仅包含波长，而且包含波带以及光 纤，即能够同时提供波长、波带以及光纤等多种带宽粒度的交换。波带是将多个波长捆绑 在一起，并在波带等级进行交换和路由。波带光通道由一组波长光通道组成，并作为一个 单独的信道来路由。波带交换将光节点中部分端口的交换粒度扩大到了波带等级。同样， 更大的光纤粒度是将多个波带进行捆绑并在光纤等级进行交换和路由。光纤交换将光节点 中部分端口的交换粒度扩大到了光纤等级。多粒度交换中波带、光纤捆绑如图 2 所示。图 2 中一根光纤中有 8 个波长，每 4 个波长为一组组成一个波带，这样光纤中就有 2 个波

12、带。采用多粒度交换技术之后，交换节点不必对所有的波长都进行复用和解复用。可以将 通过节点的多个“转发业务”汇聚在同一个波带或是同一根光纤内传输，从而在节点内实 现“波带路由”或者“光纤路由”，因此可以显著地降低端口数。光交叉连接设备的端口 数是决定节点费用以及控制复杂度的重要因素。所以，多粒度光交换在简化光节点的结构， 降低节点的制造、维护和操作成本方面都有着显著的优势。多粒度光交换也极大地提高了光网络设备的传送效率和吞吐容量。例如，对于与本地 节点无关的业务，无需解复用/复用成较小粒度(如波长)的交换，可以在较大的粒度层次 (如波带、光纤)上直通。多粒度光交换技术作为一项崭新的光网络节点技术

13、，可以结合空 分、波分以及时分等多种交换方式而成为下一代光网络传送平台的核心技术，因此，具有 极为广阔的应用前景。3 3 基于可变带宽交换的基于可变带宽交换的 P P 比特级交换节点结构比特级交换节点结构随着光传输技术和新型的光交换器件的发展，基于正交频分复用4的可变带宽全光交 换技术得到了越来越广泛地关注。与传统的固定栅格的以波长为最小交换粒度的 WDM 系统 相比，可变带宽全光交换技术中引入了子载波的概念，实现了更小颗粒度的交换。同时对 于大数据容量的链路，多个子波带能够通过汇聚的方式实现超级通道，实现大容量高速数 据的传输和交换5。对基于 OFDM/SCFDM 的 ROADM、OXC 结

14、构，我们进行了实验验证。(1)200 Gbit/s 单载波频分复用(SCFDM)系统上下路实验图 3 为我们在 200 Gbit/s SCFDM 超级通道上验证的上下路实验。我们首次实现了在 SCFDM 超级通道上实现的单个子波带的上下路。在一个 ROADM 结构里面，输入的信号可以 首先通过一个分束器将输入信号分成两路，一路进行下路操作，另外一路进行上路操作。 实验中，我们分别对上路和下路进行验证。 图 4 是我们实验中的发射机和接收机结构。首先我们利用任意波形发生器(AWG)产生 SCFDM 信号，然后利用光同相/正交(IQ)调制 器将电信号调制到光上。IQ 调制器输入端为通过两个射频源驱

15、动强度调制器产生的等间距 的 5 个光子载波。IQ 调制器输出端为经过调制的 5 个光子载波的 SCFDM 信号。信号经过偏 振分束器、光延时和偏振合束器来模拟偏振复用，再经过链路、交换节点传送到接收端进 行相干接收。在接收端，将接收到的信号和本振光进行混频，再通过 4 个平衡检测器进行检测。实 验中我们用数字存储示波器对信号进行采样，再对采样得到的信号进行离线处理。上下路结构模拟中，发端信号为 5 个连续正交波带的复用的单载波频分复用(OBMSCFDM)信 号，子波带的间距为 10 GHz，采用 QPSK 调制。首先是下路信号的模拟，SCFDM 信号经过 2 段 80 km 传输后，通过全光

16、的频谱分配，分成两路，一路信号包括子波带 1、3、4，另外 一路包括子波带 2、5，进行下路操作；然后是上路操作，SCFDM 信号经过 80 km 传输后， 首先通过一个带阻滤波器，将中间的子波带移除，然后用另外一个发射机产生单个波带的 SCFDM 信号，其中心波长和原来子波带的中心波长精确对准；最后通过耦合器，将上路信 号耦合，实现上路的操作。图 5 是其实验结果。可以看到，进行下路操作的时候，由于 OBM 机制，下路信号不会产生额外的功率代价；上路操作时候，由于滤波器的非理想特性， 上路信号产生了功率代价。(2)基于子波带交换的灵活的光网络节点结构可变带宽交换中，节点完成将各个输入信号通过管控信令路由到指定的输出端口的功 能。图 6 采用的是一种组播-选择功能结构。从各个方向来的频谱连续输入信号经过分束器 进行功率分束。各个方向来的信号输入到任意波形滤波器(Waveshaper)实现对连续频谱信 号的任意切割。通过配置 Waveshaper，各个输入端口输出不同频段的信号频谱，合路后的 信号传输到下一个交换节点。在节点结构中，本地的客户端信号通过本地的