P比特光交換節點研究

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1、P比特光交換節點研究摘要：光網絡中引入全光交換技術可以無需進行光電光轉換和電信號處理，使網絡具備透明性，大大降低節點的復雜性和節 點成本。多粒度交換節點減小瞭交換矩陣的規模，降低瞭交換矩 陣的復雜性，是波分復用(WDM)網絡節點發展的一個方向。隨著 正交頻分復用(OFDM)技術的引入，帶寬可變的節點技術得到瞭 越來越廣泛的關註。文章介紹瞭傳統的基於波長的光交叉連接器(0XC)交換結構、多粒度交換結構，以及基於正交頻分復用，單載波頻分復用(OFDM/SCFDM)的節點交換結構，並通過實驗對 基於帶寬可變的可重構的光分插復用器(ROADM)、OXC節點技 術進行瞭驗證。在實驗中提出的基於子波帶的交

2、換結構中，節點 容量達到瞭P比特量級關鍵詞：全關交換；多粒度光交換節點；可變帶寬；P比特 交換節點隨著光通信技術，特別是密集波分復用(DWDM)技術的日趨成熟，單根光纖中可以傳輸的波長數越來越多，而且未來核心光 網絡中相鄰兩個節點問可能會有幾十甚至上百條光纖相連接。隨 著光纖傳輸容量不斷地提升，對節點的交換容量擴充的要求也越 來越高。實驗室單節點交換速率已經達到瞭100Tbids級別，未 來的網絡節點需要實現P比特級交換速率。光纖數目和波長數目 的增加使得光交叉連接器(0XC)的規模越來越龐大，傳統的基於波長粒度的交換，使光節點達到數幹個端口。如此大規模的端口 數量不僅使得節點實現困難，而且成

3、本高，控制復雜，給OXC 的穩定性和設計帶來瞭很大問題。在多粒度交換光網絡中；光交 換節點可以實現波長、波帶和光纖的交換，不僅使得交叉連接的 矩陣規模大大減小，同時也相應地簡化瞭管理控制。隨著正交頻 分復用(OFDM)技術的引入，基於OFDM的彈性光網絡得到瞭, 越來越廣泛的關註。在彈性光網絡中，和以往的固定柵格的波分復用(WDM)節點不同，OFDM中的帶寬可變節點采用分束器和 帶寬可變的波長選擇開關(WSS)實現瞭傳統的多粒度交換結構文章介紹瞭傳統的基於波長的OXC交換結構、多粒度交換結構，以及基於正交頻分復用，單載波頻分復用(0FDM/SCFDM) 的節點交換結構，並通過實驗驗證瞭基於帶寬

4、可變的可重構的光 分插復用器(ROADM)、OXC節點技術。提出的基於子波帶的交 換結構節點容量達到瞭P比特量級k傳統OxC的波長交換結構光網絡中傳統的OXC執行的是單粒度的交換，即波長交換。圖1給出瞭傳統的單粒度交換節點結構示意圖，其核心是一個大 容量的波長交叉連接矩陣I?輸入光纖中的信號通過解復用器(Demux)將每個單獨的波長 解復用出來，然後進入波長交叉連接結構進行交換，之後各個波 長通過復用器(Mux)合波到不同的輸出光纖。本地的上路和下路(Local add/drop)業務的端口直接和波長交換結構相連。實現光交叉連接的光開關是OXC光節點的核心功能器件，根據所采用 技術的不同，可以

5、分為自由空間開關和波導開關。目前比較常用 的是基於微機電系統(MEMS)技術的光開關陣列。但是由於成本 和可靠性等一系列原因，商用的MEMS光開關陣列的交換規模 僅達到8x8和16x16 ,更大規模的光開關陣列隻是在試驗階段,還遠未成熟實現大規模的光開關矩陣(數千個端口)無論從成本、穩定性 來說都幾乎是不可能的。而且如此復雜的光開關矩陣的大規模生 產是非常昂貴而不現實的，因此希望能使用較小規模的光開關矩陣來實現復雜的光交換。另一方面，隨著數據業務的快速增長, 對光器件和光網絡性能的要求也越來越高，如何快速、高效、智 能地傳遞業務是光網絡研究的一個重要方面。根據網絡中業務流 量的數據統計，對網絡

6、中的每一個單節點來說，占到總量60% 80%的大部分業務與本節點無關，大部分業務都是“轉發業務”而不是“接入業務”,即在本節點無須進行交換，隻需要在本節點直 通。由於傳統的OXC是基於波長單粒度的結構，所有光路信號 都必須適配到波長級別進行處理，這就導致瞭網絡節點的處理速 度將成為“瓶頸”。OXC節點的交叉規模受限、成本高、靈活性差、 擴展比較困難，從而無法滿足高速網絡交換的需求2、多粒度光交換節點1999年，多粒度的思想被引入到光交換節點中，相應的多粒 度光交換節點應運而生。所謂的多粒度光交換是指交換節點的交 換粒度不僅包含波長，而且包含波帶以及光纖，即能夠同時提供 波長、波帶以及光纖等多種

7、帶寬粒度的交換。波帶是將多個波長 捆綁在一起，並在波帶等級進行交換和路由。波帶光通道由一組 波長光通道組成，並作為一個單獨的信道來路由。波帶交換將光 節點中部分端口的交換粒度擴大到瞭波帶等級。同樣，更大的光 纖粒度是將多個波帶進行捆綁並在光纖等級進行交換和路由。光 纖交換將光節點中部分端口的交換粒度擴大到瞭光纖等級。多粒 度交換中波帶、光纖捆綁如圖2所示。圖2中一根光纖中有8 個波長，每4個波長為一組組成一個波帶，這樣光纖中就有2 個波帶采用多粒度交換技術之後，交換節點不必對所有的波長都進 行復用和解復用。可以將通過節點的多個“轉發業務”匯聚在同一 個波帶或是同一根光纖內傳輸，從而在節點內實現

8、“波帶路由”或 者“光纖路由”，因此可以顯著地降低端口數。光交叉連接設備的 端口數是決定節點費用以及控制復雜度的重要因素。所以，多粒 度光交換在簡化光節點的結構，降低節點的制造、維護和操作成 本方面都有著顯著的優勢多粒度光交換也極大地提高瞭光網絡設備的傳送效率和吞吐 容量。例如，對於與本地節點無關的業務，無需解復用，復用成 較小粒度（如波長）的交換，可以在較大的粒度層次（如波帶、光纖） 上直通。多粒度光交換技術作為一項嶄新的光網絡節點技術，可 以結合空分、波分以及時分等多種交換方式而成為下一代光網絡傳送平臺的核心技術，因此，具有極為廣闊的應用前景3、基於可變帶寬交換的P比特級交換節點結構隨著光

9、傳輸技術和新型的光交換器件的發展，基於正交頻分復用的可變帶寬全光交換技術得到瞭越來越廣泛地關註。與傳統 的固定柵格的以波長為最小交換粒度的WDM系統相比，可變帶 寬全光交換技術中引入瞭子載波的概念，實現瞭更小顆粒度的交 換。同時對於大數據容量的鏈路，多個子波帶能夠通過匯聚的方 式實現超級通道，實現大容量高速數據的傳輸和交換對基於OFDM/SCFDM的ROADM. OXC結構，我們進行瞭實驗驗證(1)200 Gbil/s單載波頻分復用(SCFDM)系統上下路實驗3為我們在200 Gbit/s SCFDM超級通道上驗證的上下路實驗。我們首次實現瞭在SCFDM超級通道上實現的單個子波帶 的上下路。在

10、一個ROADM結構裡面，輸入的信號可以首先通過一個分束器將輸入信號分成兩路，一路進行下路操作，另外一路進行上路操作。實驗中，我們分別對上路和下 路進行驗證4是我們實驗中的發射機和接收機結構首先我們利用任意波形發生器(AWG)產生SCFDM信號，然 後利用光同相/正交(IQ)調制器將電信號調制到光上。10調制器 輸入端為通過兩個射頻源驅動強度調制器產生的等間距的5個光子載波。IQ調制器輸出端為經過調制的5個光子載波的SCFDM信號。信號經過偏振分束器、光延時和偏振合束器來模擬偏振復用，再經過鏈路、交換節點傳送到接收端進行相幹接收在接收端，將接收到的信號和本振光進行混頻，再通過4個 平衡檢測器進行

11、檢測。實驗中我們用數字存儲示波器對信號進行 采樣，再對采樣得到的信號進行離線處理上下路結構模擬中，發端信號為5個連續正交波帶的復用的 單載波頻分復用(OBMSCFDM)信號，子波帶的間距為10GHz , 采用QPSK調制。首先是下路信號的模擬，SCFDM信號經過2 段80 km傳輸後，通過全光的頻譜分配，分成兩路，一路信號包括子波帶仁3、4 ,另外一路包括子波帶2、5 ,進行下路操 作；然後是上路操作，SCFDM信號經過80 km傳輸後，首先通 過一個帶阻濾波器，將中問的子波帶移除，然後用另外一個發射 機產生單個波帶的SCFDM信號，其中心波長和原來子波帶的中 心波長精確對準；最後通過耦合器，

12、將上路信號耦合，實現上路的操作。5是其實驗結果。可以看到，進行下路操作的時候，由於OBM機制，下路信號不會產生額外的功率代價；上路操作 時候，由於濾波器的非理想特性，上路信號產生瞭功率代價(2)基於子波帶交換的靈活的光網絡節點結構可變帶寬交換中，節點完成將器個輸入信號通過管控信令路 由到指定的輸出端口的功能。圖6采用的是一種組播一選擇功能 結構。從各個方向來的頻譜連續輸入信號經過分束器進行功率分束。各個方向來的信號輸入到任意波形濾波器(Waveshaper)實現對連續頻譜 信號的任意切割。通過配置Waveshaper ,各個輸入端口輸出不同頻段的信號頻譜，合路後的信號傳輸到下一個交換節點。在節

13、 點結構中，本地的客戶端信號通過本地的帶寬可變的轉發器生 成，經過分束器(splitter)進行上路。同理，下路的信號也可以通 過帶寬可變的Waveshaper進行下路，從而完成本地節點的上下 路功能。與傳統的固定柵格的WDM節點結構不一樣，在可變帶 寬交換節點結構中，信號的頻譜可以是連續的也可以是非連續 的。在節點中不需要將各個信號波長分開再進行各個信號波長的 合路，從而大大簡化瞭節點結構。在這種節點結構中，Waveshaper完成信號的復用，解復用功能，分束器完成信號功分功能基於子波帶交換的靈活的光網絡節點結構如圖6所示各個方向的輸入信號經過分束器進行功率均分，送人到各個Waveshape

14、ro通過Waveshaper的波長選擇性作用，將經過交 換的信號輸出到各個輸出端口7是進行實驗性驗證的基於子波帶交換的靈活的光網絡框圖。發射機1產生偏振復用QPSK-SCFDM1. 3、5子波帶。信號從2端口輸入WXC，發射機2產生偏振復用QPSK-SCFDM 2、 4、6子波帶模擬上路信號。兩個發射機中每個子波帶的信號帶寬為10 GHz ,兩個發射機各個子波帶中心波長間距為10 GHZo發射信號經過Splitter功分，作用和配置到Waveshapero WXC 右邊輸出端口可以得到輸入子波帶信號的任意組合。實驗中我們 進行子波帶的隨機組合（如圖7右所示）。可以看出由於采用瞭Splitter ,這種WXC結構具有組播功能如果節點結構要達到P比特級交換，設光端口數為8（4進4出），采用16QAM調制格式，1000個光載波，每個光載波信號帶寬為10 GHz ,符號率為10 GS/s ,則總的節點容量將達到10 GS/sx4 biffs x2x1000 x8 = 0 , 64 Pbit/s4、結束語本文我們介紹瞭傳統的基於波長的OXC交換結構、多粒度交換結構以及基於OFDM/SCFDM的節點交換結構，並實驗驗 證瞭基於帶寬可變的ROADM、OXC節點技術的可行性。在實 驗提出的基於子波帶的交換結構中，節點容量達到瞭P比特量 級。