(光網(wǎng)絡(luò)技術(shù))第7章光交換及智能光網(wǎng)絡(luò)

1、,第7章 光交換及智能光網(wǎng)絡(luò),7.1 光交換技術(shù)概述 7.2 空分光交換 7.3 時分光交換 7.4 波分光交換 7.5 結(jié)合型光交換 7.6 光分組交換技術(shù) 7.7 光突發(fā)交換技術(shù) 7.8 光標(biāo)簽交換技術(shù) 7.9 ASON智能光網(wǎng)絡(luò),多年以前,人們就提出了構(gòu)建全光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想。全光網(wǎng)絡(luò)是一個完全建立在光域上的，信息采集、處理、放大、存儲、傳輸、交換和恢復(fù)全過程光學(xué)化的理想光子網(wǎng)絡(luò)。盡管現(xiàn)在全光網(wǎng)絡(luò)的概念依然存在,但是人們心目中的全光網(wǎng)絡(luò)已不是原來理想化的那個狹義的全光網(wǎng)絡(luò)了,而是被廣義化了的全光網(wǎng)絡(luò)。目前,全光網(wǎng)絡(luò)是指在網(wǎng)絡(luò)中光信息流的傳輸和交換過程是以光的形式存在和完成的,而電子技術(shù)在其中仍

2、然發(fā)揮著極其重要的作用,例如用電子電路實(shí)現(xiàn)控制等的網(wǎng)絡(luò)。廣義化的全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一個由光學(xué)技術(shù)與電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)。必須指出的是,在廣義化的全光網(wǎng)絡(luò)中,光學(xué)技術(shù)是主體,電子學(xué)技術(shù)只是輔助,這是有別于傳統(tǒng)的由O/E和E/O變換所構(gòu)成的光電結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的。,全光網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)提供巨大的帶寬。(2)與無線或銅線比,處理速度高且誤碼率低。(3)采用光路交換的全光網(wǎng)絡(luò)具有協(xié)議透明性,即對信號形式無限制，允許采用不同的速率和協(xié)議,有利于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的靈活性。(4)全光網(wǎng)絡(luò)中采用了較多無源光器件,省去了龐大的光電光轉(zhuǎn)換的工作量及設(shè)備,提高了網(wǎng)絡(luò)整體的交換速度,降低了成本并有利于提高其可靠性。,全光網(wǎng)絡(luò)

3、主要由核心網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)三層組成,三者的基本結(jié)構(gòu)相類似，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有星型網(wǎng)、總線網(wǎng)和樹型網(wǎng)三種基本類型。全光網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)主要包括光交換光路由(全光交換)、光交叉連接、全光中繼、光分插復(fù)用和光波分復(fù)用等技術(shù)。本章介紹的重點(diǎn)是光交換技術(shù)問題。,7.1.1 光交換的必要性 光交換技術(shù)是全光網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一,它的出現(xiàn)較好地解決了高速光通信網(wǎng)絡(luò)受限于電子交換技術(shù)速率不高的問題,這是因?yàn)槟壳吧逃霉馔ㄐ畔到y(tǒng)的速率已經(jīng)高達(dá)幾十吉兆比特每秒(采用WDM技術(shù)),實(shí)驗(yàn)室的速率已突破太比特每秒大關(guān)。,7.1 光交換技術(shù)概述,但是電子交換機(jī)的端口速率一般僅為幾兆比特每秒至幾十兆比特每秒，為了充分利用光通信系

4、統(tǒng)巨大帶寬資源,人們只好將許多端口的低速信號復(fù)用起來,這就要求在網(wǎng)絡(luò)的眾多節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行頻繁的復(fù)用/解復(fù)用、光/電和電/光轉(zhuǎn)換,增加了設(shè)備的成本和復(fù)雜性,另外,如此低的端口速率也無法滿足寬帶業(yè)務(wù)的需求。,采用ATM技術(shù)可以緩解這一矛盾,它可以提供155Mb/s的端口速率(或更高),但電子線路的極限速率只有20Gb/s左右,僅采用電子系統(tǒng)進(jìn)行交換不可能突破這一極限速率所形成的“瓶頸”。舉例來講,在一個有150個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中,若每個節(jié)點(diǎn)有40萬條接入線,而每條接入線的信息量達(dá)622Mb/s,則節(jié)點(diǎn)中交換網(wǎng)絡(luò)的容量必須達(dá)到24818Tb/s,即使負(fù)載信息量僅為40%,交換網(wǎng)絡(luò)的容量也必須達(dá)到99.52T

5、b/s。這么大的業(yè)務(wù)量,靠電子交換機(jī)顯然是不能勝任的,只能利用光交換節(jié)點(diǎn)來解決。,7.1.2 光交換的定義與特點(diǎn) 光交換技術(shù)是指不經(jīng)過任何光電轉(zhuǎn)換，在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端的技術(shù)。光交換系統(tǒng)主要由輸入模塊(接口)、光交換模塊(矩陣)、輸出模塊(接口)和控制模塊(單元)四部分組成，如圖7-1所示。,圖7-1 光交換系統(tǒng)組成,由于目前光邏輯器件的功能還較簡單，不能完成控制部分復(fù)雜的邏輯處理功能，因此國際上現(xiàn)有的光交換的控制單元還要由電信號來完成，即所謂的電控光交換，在控制單元的輸入端進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，而在輸出端完成電/光轉(zhuǎn)換。隨著光器件技術(shù)的發(fā)展，光交換技術(shù)的最終發(fā)展趨勢將是光控光交

6、換。,7.1.3 光交換技術(shù)的分類 圖7-2(a)所示屬于“電控光交換”，圖7-2(b)所示才可稱為真正的光交換，即控制信號和被控制信號都是光信號，是將來要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，這需要等待直到光隨機(jī)存取存儲器、邏輯和控制等技術(shù)變得成熟為止。而目前所面臨的困難是純光器件不是消耗功率太大，就是同電子器件相比其速度太慢，或者兩者都有。,圖7-2 光交換的方案,1.光的復(fù)用方式分類在光交換網(wǎng)絡(luò)中，來自用戶或支路的信號通常會在交換或傳輸時進(jìn)行復(fù)用或去復(fù)用轉(zhuǎn)換，同電信號的復(fù)用或去復(fù)用技術(shù)相似，光的復(fù)用可以是空間域、時間域和波長(頻率)域的復(fù)用，也可以是它們的綜合復(fù)用。,1)空分復(fù)用(SDM)空分復(fù)用(SDM)是指在

7、光網(wǎng)絡(luò)中每條信道都用自己的物理通道，在大多數(shù)的通信情況下，這樣用顯得過于浪費(fèi)。如果線路是由網(wǎng)絡(luò)用戶之間共享的話，那么就可更好地利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源。所以空分復(fù)用通常與其他復(fù)用方式結(jié)合起來，使每條線路中有更多的通道，可以有多條信道在同時使用。,2)時分復(fù)用(TDM)時分復(fù)用(TDM)是把鏈路上的傳輸按時間分成許多幀(一般125s/每幀)，每幀里又依次分成許多時隙,一個傳輸通道由每幀內(nèi)的一個時隙所組成。TDM有一個缺點(diǎn)，即它們都各自以固定份額組成通道。當(dāng)容量不夠時，這些分配好的資源無法再擴(kuò)容，而當(dāng)容量富裕時又有些浪費(fèi)。每個通道的帶寬和容量通常決定于系統(tǒng)的設(shè)計，例如，歐洲電話網(wǎng)是建立在以下帶寬的數(shù)字通

8、道結(jié)構(gòu)上的：64 kb/s、2 kb/s、8 Mb/s、32 Mb/s和140 Mb/s(PDH的速率等級E0E4)及155 Mb/s、622 Mb/s和2.5Gb/s(SDH的速率等級STM-1、STM-4和STM-16)。,3)波分復(fù)用(WDM)波分復(fù)用(WDM)是將一條鏈路上的光學(xué)頻帶分成固定的、不重疊的許多譜帶。每條這樣的譜帶內(nèi)都有一個波長，可以用特殊的、與其他通道的設(shè)置無關(guān)的碼速和傳輸技術(shù)傳輸信號，這被認(rèn)為是“碼速率和碼元格式透明”。,2.光交換的分類與電子交換一樣，光交換技術(shù)可以分為光路交換(OCS,Optical Circuit Switching)方式和光分組交換方式(OPS,

9、Optical Packet Switching)兩大類,如圖7-3所示。,圖7-3 光交換技術(shù)的分類,光路交換方式又可分為三種交換形式，即空分、時分和波分/頻分光交換形式，以及這些交換形式的組合形式。其中空分交換按光矩陣開關(guān)所使用的技術(shù)又分成兩類，一類是采用波導(dǎo)技術(shù)的波導(dǎo)空分，另一類是使用自由空間光傳播技術(shù)的自由空間光交換。在光分組交換方式中，光交換技術(shù)分為光分組交換(OPS，Optical Packet Switching)、光突發(fā)交換(OBS，Optical Burst Switching)和光標(biāo)簽分組交換(OMPLS,Optical Multi-Protocol Label Switc

10、hing)。,1)光路交換光路換類似于電路交換技術(shù)，采用OXC、OADM等光器件設(shè)置光通路，中間節(jié)點(diǎn)不需要使用光緩存。目前對OCS的研究已經(jīng)較為成熟，根據(jù)交換對象的不同，OCS又可以分為時分光交換方式的光路交換和光波分交換技術(shù)等。(1)時分光交換方式的光路交換。時分光交換方式的原理與電子學(xué)中時分交換的原理基本相同,只不過它是在光域里實(shí)現(xiàn)時隙互換而完成交換的,因此,它能夠和時分多路復(fù)用的光傳輸系統(tǒng)匹配。,時分光交換系統(tǒng)采用光器件或光電器件作為時隙交換器,通過光讀/寫門對光存儲器的受控有序讀/寫操作完成交換動作。由于時分光交換可按時分復(fù)用各個光器件,因此能夠減少硬件設(shè)備,構(gòu)成大容量的光交換機(jī)。因?yàn)?/p>

11、時分光交換系統(tǒng)能很好地與光傳輸系統(tǒng)配合構(gòu)成全光網(wǎng),所以時分光交換技術(shù)的研究和開發(fā)進(jìn)展很快,其交換速率幾乎每年提高1倍,目前已研制出幾種時分光交換系統(tǒng)。例如，1985年日本NEC成功地實(shí)現(xiàn)了256Mb/s(4路64Mb/s)彩色圖像編碼信號的光時分交換系統(tǒng),它采用14鈮酸鋰定向耦合器矩陣開關(guān)作選通器,雙穩(wěn)態(tài)激光二極管作存儲器(開關(guān)速度1Gb/s),兩者組成單級交換模塊。而在20世紀(jì)90年代初又推出了512Mb/s試驗(yàn)系統(tǒng)。,時分交換可以按比特交換,也可以按字交換,每個字由若干比特組成。在時分光交換系統(tǒng)中,各信道的數(shù)據(jù)速率相互有關(guān),且與網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)速度有關(guān)，特別是按比特交換時,開關(guān)速率等于數(shù)據(jù)速率。

12、因?yàn)闀r分交換的系統(tǒng)必須知道各信道的比特率,所以需要有光控制電路的高速存儲器、光比特同步器和復(fù)接/分接器。發(fā)展光時分交換的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)高速光邏輯器件。(2)波分光交換技術(shù)。波分光交換技術(shù)是指光信號在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中不經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換而直接將所攜帶的信息從一個波長轉(zhuǎn)移到另一個波長上。,在光時分復(fù)用系統(tǒng)中,可采用光信號時隙互換的方法實(shí)現(xiàn)交換，而在光波分復(fù)用系統(tǒng)中,則可采用光波長互換(或光波長轉(zhuǎn)換)的方法來實(shí)現(xiàn)交換。光波長互換的實(shí)現(xiàn)是通過從光波分復(fù)用信號中檢出所需的光信號波長,并將它調(diào)制到另一光波長上去進(jìn)行傳輸。在波分光交換系統(tǒng)中,精確的波長互換技術(shù)是關(guān)鍵。波分光交換方式能充分利用光路的寬帶特性,獲得電子線路

13、所不能實(shí)現(xiàn)的波分型交換網(wǎng)。可調(diào)波長濾波器和波長變換器是實(shí)現(xiàn)波分光交換的基本元件,前者的作用是從輸入的多路波分復(fù)用光信號中選出所需波長的光信號;,后者則將可變波長濾波器選出的光信號變換為所需要的波長后輸出。用分布反饋型和分布布喇格反射型的半導(dǎo)體激光器可以實(shí)現(xiàn)這兩類元件的功能。目前,所用的波長轉(zhuǎn)換方式主要還是有源的方式,圖7-4所示是一種波長轉(zhuǎn)換裝置的原理圖?？紤]到光學(xué)晶體在特定條件下能夠改變光波頻率的現(xiàn)象，也許不久的將來,一種無源的光波長變換實(shí)用化裝置就會誕生,它能夠在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬頻帶的光波長變換。如果這一設(shè)想能夠成為現(xiàn)實(shí),那么將會給波長光交換帶來廣闊的應(yīng)用空間。,圖7-4 光波長轉(zhuǎn)換裝置原理圖

14、,(3)空分光交換技術(shù)?？辗止饨粨Q技術(shù)(SpaceOpticalSwitch)根據(jù)需要在兩個或多個點(diǎn)之間建立物理通道，這個通道可以是光波導(dǎo),也可以是自由空間的波束，信息交換通過改變傳輸路徑來完成?？辗止饨粨Q的基本原理是將光交換節(jié)點(diǎn)組成可控的門陣列開關(guān),通過控制交換節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)使輸入端的任一信道與輸出端的任一信道連接或斷開,完成光信號的交換。簡言之,空分光交換是使按空間順序排列的各路信息進(jìn)入空分交換陣列后,交換陣列節(jié)點(diǎn)根據(jù)信令對信號的空間位置進(jìn)行重新排列,然后輸出,從而完成交換。,空分光交換的交換過程是在光波導(dǎo)中完成的,有時也稱為光波導(dǎo)交換?？辗止饨粨Q的交換節(jié)點(diǎn)可由機(jī)械、電、光、聲、磁、熱等

15、方式進(jìn)行控制,就目前情況而言,機(jī)械式控制光節(jié)點(diǎn)技術(shù)是比較成熟和可靠的空分光交換節(jié)點(diǎn)技術(shù)。圖7-5是一個由4個12光交換器件組成的22光交換節(jié)點(diǎn)原理圖。,圖7-5 22光交換節(jié)點(diǎn)原理圖,(4)光ATM交換方式。光ATM交換是以ATM信元為交換對象的技術(shù),它引入了分組交換的概念,即每個交換周期處理的不是單個比特的信號,而是一組信息。光ATM交換技術(shù)已用在時分交換系統(tǒng)中,是最有希望成為吞吐量達(dá)太比特每秒量級的光交換系統(tǒng)。目前,光ATM交換系統(tǒng)主要運(yùn)用了光寬帶的特性,它有兩種結(jié)構(gòu):一是采用廣播選擇方式的超短脈沖星型網(wǎng)絡(luò);二是采用光矩陣開關(guān)的超立方體網(wǎng)絡(luò)。,采用廣播和選擇方式的超短光脈沖星型網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的

16、光ATM交換系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本較低等特點(diǎn),它有多個輸入和受輸出緩存器控制的輸出通道,并由調(diào)制器、信元編碼器、星型耦合器、信元選擇器、信元緩存器以及信元檢測器等部分組成。由光矩陣開關(guān)組成的超立方體網(wǎng)絡(luò)是ATM信元光交換系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)。所謂超立方體網(wǎng)絡(luò),實(shí)際上是一個計算機(jī)多處理機(jī)系統(tǒng),這種結(jié)構(gòu)在信元交換中有許多優(yōu)點(diǎn),例如,采用了模塊化的結(jié)構(gòu),具有可擴(kuò)展性，路由算法簡單且有高可靠的路由選擇性等。采用超立方體網(wǎng)絡(luò)的光ATM交換機(jī),其端子數(shù)可以取得很大,它的目標(biāo)容量指向10Tb/s。,光ATM核心技術(shù)是光路的自選路由,每個信元有目標(biāo)地址信息,交換控制系統(tǒng)能自動地識別出這個目標(biāo)地址并通過

17、對路徑的分析將其輸送到相應(yīng)的路徑上去。采用空間光調(diào)制器的光自選路由,可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級控制,防止光信息元在輸出端口沖突。,(5)碼分光交換。碼分光交換是指對進(jìn)行了直接光編碼和光解碼的碼分復(fù)用光信號在光域內(nèi)進(jìn)行交換的方法。所謂碼分復(fù)用,就是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號；而碼分光交換是由具有光編/解碼功能的光交換器將輸入的某一種編碼的光信號變成另一種編碼的光信號進(jìn)行輸出,由此來達(dá)到其交換的目的。隨著光碼分復(fù)用(OCDMA)技術(shù)的發(fā)展,碼分光交換技術(shù)必將得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。,(6)自由空間光交換方式。自由空間光交換可以看做是一種空分光交換,它是通過在空間無干涉地控制光的路徑來實(shí)現(xiàn)的。由于自由空間光交

18、換方式的構(gòu)成比較簡單,有時只需移動棱鏡或透鏡即可實(shí)現(xiàn)該交換,因此它是較早出現(xiàn)的光交換技術(shù)。它與空分光交換的不同在于:在自由空間光交換網(wǎng)絡(luò)中,光是通過在自由空間或均勻材料中傳播而到達(dá)目標(biāo)的;而空分光交換中光的傳播是完全在波導(dǎo)進(jìn)行的。與空分光交換相比,因?yàn)樽杂煽臻g光交換利用的是光束互連,適合做三維高密度組合,即使光束相互交叉,也不會相互影響,所以比較容易構(gòu)成大規(guī)模的交換系統(tǒng)。,典型的自由空間光交換是由二維光偏振控制的交換陣列或開關(guān)門器件組成的。另外,使用全息光交換技術(shù)可以構(gòu)成大規(guī)模的自由空間光交換系統(tǒng),且無需多級連接。最近,基于Si2IC技術(shù)的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的引入,使得微機(jī)械光開關(guān)

19、技術(shù)迅速地走向?qū)嵱没?為自由空間光交換技術(shù)的可靠實(shí)現(xiàn)又提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。,(7)復(fù)合型光交換方式。由于各種光交換技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不同的適應(yīng)性,因此將幾種光交換技術(shù)合適地復(fù)合起來進(jìn)行應(yīng)用,能夠更好地發(fā)揮各自的優(yōu)勢,以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。復(fù)合型光交換系統(tǒng)主要有:空分時分光交換系統(tǒng);波分空分光交換系統(tǒng);頻分時分光交換系統(tǒng);時分波分空分光交換系統(tǒng)等。例如,將時分和波分技術(shù)合起來可以得到一種極有應(yīng)用前途的大容量復(fù)合型光交換模塊,其復(fù)用度是時分多路復(fù)用度與波分復(fù)用度的乘積。如果它們的復(fù)用度分別為8,那么可實(shí)現(xiàn)64路的時分2波分復(fù)合型交換,將此種交換模塊用于4級鏈路連接的網(wǎng)絡(luò),可以構(gòu)成最大終端數(shù)為4

20、096的大容量交換網(wǎng)絡(luò)。,2)光分組交換未來的光網(wǎng)絡(luò)要求支持多粒度的業(yè)務(wù)，其中小粒度的業(yè)務(wù)是運(yùn)營商的主要業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的多樣性使得用戶對帶寬有不同的需求，OCS在光子層面的最小交換單元是整條波長通道上數(shù)吉比特每秒的流量，很難按照用戶的需求靈活地進(jìn)行帶寬的動態(tài)分配和資源的統(tǒng)計復(fù)用，所以光分組交換應(yīng)運(yùn)而生。光分組交換系統(tǒng)根據(jù)對控制包頭處理及交換粒度的不同，又可分為光分組交換(OPS)技術(shù)、光突發(fā)交換(OBS)技術(shù)和光標(biāo)鑒分組交換(OMPLS)技術(shù)等。,(1)光分組交換(OPS)技術(shù)。它以光分組作為最小的交換顆粒，數(shù)據(jù)包的格式為固定長度的光分組頭、凈荷和保護(hù)時間三部分。在交換系統(tǒng)的輸入接口完成光分組讀取

21、和同步功能，同時用光纖分束器將一小部分光功率分出并送入控制單元，用于完成如光分組頭識別、恢復(fù)和凈荷定位等功能。光交換矩陣為經(jīng)過同步的光分組選擇路由，并解決輸出端口的競爭。最后輸出接口通過輸出同步和再生模塊來降低光分組的相位抖動，同時完成光分組頭的重寫和光分組的再生。,(2)光突發(fā)交換(OBS)技術(shù)。它的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)分組和控制分組獨(dú)立傳送，在時間上和信道上都是分離的，它采用單向資源預(yù)留機(jī)制，以光突發(fā)作為最小的交換單元。OBS克服了OPS的缺點(diǎn)，對光開關(guān)和光緩存的要求降低了，并能夠很好的支持突發(fā)性的分組業(yè)務(wù)。與OCS相比，它又大大提高了資源分配的靈活性和資源的利用率，被認(rèn)為是很有可能在未來的互聯(lián)網(wǎng)中

22、扮演關(guān)鍵的角色。(3)光標(biāo)簽分組交換(OMPLS)技術(shù)，也稱為GMPLS或多協(xié)議波長交換(MPS)。,它是MPLS技術(shù)與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。MPLS是多層交換技術(shù)的最新進(jìn)展，將MPLS控制平面貼到光的波長路由交換設(shè)備的頂部,就具有MPLS能力的光節(jié)點(diǎn)。由MPLS控制平面運(yùn)行標(biāo)簽分發(fā)機(jī)制，向下游各節(jié)點(diǎn)發(fā)送標(biāo)簽，標(biāo)簽對應(yīng)相應(yīng)的波長；再由各節(jié)點(diǎn)的控制平面進(jìn)行光開關(guān)的倒換控制，建立光通道。2001年5月NTT開發(fā)出了世界首臺全光交換MPLS路由器，結(jié)合WDM技術(shù)和MPLS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全光狀態(tài)下的IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。,空分光交換(SpaceOpticalSwitch)的基本原理和交換過程在前面已作過介紹,最基

23、本的空分光交換網(wǎng)絡(luò)是22光交換模塊?？辗止饨粨Q模塊有以下幾種：(1)鈮酸鉀晶體定向耦合器。,7.2 空分光交換,(2)由4個12光交換器件組成的22光交換模塊見圖7-6(a)，該12光交換器件可以由鈮酸鋰方向耦合器擔(dān)當(dāng)，只要少用一個輸入端即可。(3)由4個11開關(guān)器件和4個無源分路/合路器組成的22光交換模塊見圖7-6(b)，其中11開關(guān)器件可以是半導(dǎo)體激光放大器、摻鉺光纖放大器、空分光調(diào)制器，也可以是SEED器件、光門電路等。以上所有器件均具有納秒(ns)量級的交換速度。在圖7-6(a)所示的光交換模塊中，輸入信號只能在1個輸出端出現(xiàn)，而圖7-6(b)所示的輸入信號可以在兩個輸出端都出現(xiàn)。,

24、用11、22等光開關(guān)為基本單元，并按不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接可組成不同形式的交換網(wǎng)絡(luò)，如縱橫交換網(wǎng)絡(luò)、三級串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的CLOSE網(wǎng)絡(luò)和多級互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等。根據(jù)組成網(wǎng)絡(luò)的器件不同，對交換網(wǎng)絡(luò)的控制也不同，它們可以是電信號、光信號等?？辗止饨粨Q直接利用光的寬帶特性，對開關(guān)速度要求不高，所用的光電器件少，交換網(wǎng)絡(luò)易于實(shí)現(xiàn)，適合中小容量交換機(jī)。,圖7-6 基本的22空分光交換模塊,時分光交換方式的原理與交換過程在前面已作過介紹，時分光交換是采用光技術(shù)來完成時隙互換的，但是，它不是使用存儲器，而是使用光延遲器件。TSI(Time Slot Interchanger),圖中的空間光開關(guān)在一個時隙內(nèi)保持一種狀態(tài)，并

25、在時隙間的保護(hù)帶中完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)假定時分復(fù)用的光信號每幀有T個時隙，每個時隙長度相等，代表一個信道。,7.3 時分光交換,圖7-7所示為兩種時隙交換器,在圖7-7(a)中，用一個1T空間光開關(guān)把T個時隙時分復(fù)用，每個時隙輸入到一個22光開關(guān)。若其需要延遲，則將光開關(guān)置成交叉狀態(tài)，使信號進(jìn)入光纖環(huán)中光纖環(huán)的長度為1，然后將光開關(guān)置成平行狀態(tài)，使信號在環(huán)中循環(huán)。如果它需要延遲幾個時隙,那么就讓光信號在環(huán)中循環(huán)幾圈，再將光開關(guān)置成交叉狀態(tài)使信號輸出。T個時隙分別經(jīng)過適當(dāng)?shù)难舆t后重新復(fù)用成一幀光信號輸出。這種方案需要一個1T光開關(guān)和T個22光開關(guān)，光開關(guān)數(shù)與T成正比。,圖7-7(a)所示時隙交換器是

26、反饋結(jié)構(gòu)，即光信號從光開關(guān)的一端經(jīng)延遲又反饋到它的一個入端。它有一個缺點(diǎn)，就是不同延遲的時隙經(jīng)歷的損耗不同，延遲越長，損耗越大，而且光信號多次經(jīng)過光開關(guān)還會增加其串?dāng)_。圖7-7(b)所示時隙交換器采用了前饋結(jié)構(gòu)，不同的延遲使用不同長度的單位延遲線。圖中沒有22光開關(guān)，控制比較簡單，損耗和串?dāng)_都比較小。但是在滿足保持幀的完整性要求時，它需要2T1條不同長度的光纖延遲線，而反饋結(jié)構(gòu)只需要T條長度為1的光纖延遲線。,時分光交換網(wǎng)絡(luò)如圖7-8所示，它的工作原理是這樣的：首先，把時分復(fù)用信號送入空間開關(guān)分路，使它的每條出線上同時都只有某一個時隙的信號；然后，把這些信號分別經(jīng)過不同的光延遲線器件，使其獲得

27、不同的時間延遲；最后，再把這些信號經(jīng)過一個空間開關(guān)復(fù)用重新復(fù)合起來，時隙互換就完成了。,圖7-7 時隙交換器,圖7-8 時分光交換網(wǎng)絡(luò),波分光交換方式的原理和交換過程在前面已作了介紹，波分復(fù)用系統(tǒng)是采用波長互換的方法來實(shí)現(xiàn)交換功能的，其中波長開關(guān)是完成波長交換的關(guān)鍵部件，可調(diào)波長濾波器和變換器是構(gòu)成波分光交換的基本元件。,7.4 波分光交換,波長互換的實(shí)現(xiàn)是從波分復(fù)用信號中檢出所需波長的信號，并把它調(diào)制到另一波長上去，如圖7-9所示。檢出信號的任務(wù)可以由具有波長選擇功能的法布里-珀羅(F-P)濾波器或相干檢測器來完成，信號載波頻率的變換則是由可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器來完成的。為了使交換系統(tǒng)能夠根據(jù)具

28、體要求在不同的時刻實(shí)現(xiàn)不同的連接，控制信號應(yīng)對F-P濾波器進(jìn)行控制，使之在不同的時刻選出不同波長的信號。,時分和波分交換都具有一個共同的結(jié)構(gòu)，即它們都是從某種多路復(fù)用信號開始，先進(jìn)行分路，再進(jìn)行交換處理，最后進(jìn)行合路，輸出的還是一個多路復(fù)用信號。另一種交換結(jié)構(gòu)與上面介紹的正好相反，如圖7-10所示,它是從各個單路的原始信號開始，先用某種方法，如時分復(fù)用或波分復(fù)用把它們復(fù)合在一起，構(gòu)成一個多路復(fù)用信號，再由各個輸出線上的處理部件從這個多路復(fù)用信號中選出各個單路信號，從而完成交換處理。,圖7-9 波長互換光交換,圖7-10 波長選擇光交換原理,圖7-10所示為波長選擇光交換原理圖，該結(jié)構(gòu)可以看成是

29、一個NN陣列型波長交換系統(tǒng)，N路原始信號在輸入端分別去調(diào)制N個可變波長激光器，產(chǎn)生出N個波長的信號，經(jīng)星型耦合器后形成一個波分復(fù)用信號，在輸出端可以采用光濾波器或相干檢測器檢出所需波長的信號。該結(jié)構(gòu)的波長選擇方式有：發(fā)送波長可調(diào)，接收波長固定；發(fā)送波長固定，接收波長可調(diào)；發(fā)送和接收波長均按約定可調(diào)；發(fā)送和接收波長在每一節(jié)點(diǎn)均為固定，由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)配。,雖然使用半導(dǎo)體激光器可實(shí)現(xiàn)光頻轉(zhuǎn)換，使用調(diào)諧濾波器可以選擇信道，但是在實(shí)際系統(tǒng)中利用它們實(shí)現(xiàn)交換的信道數(shù)目有限。將幾種光交換技術(shù)相結(jié)合，可以擴(kuò)大交換網(wǎng)絡(luò)的容量。,7.5 結(jié)合型光交換,1.空分與時分結(jié)合型交換系統(tǒng)圖7-11給出兩種空分與時分相結(jié)

30、合的光交換單元,圖中時分光交換模塊可由N個時隙交換器構(gòu)成,LiNbO3光開關(guān)、InP光開關(guān)和半導(dǎo)體光放大器門型光開關(guān)的開關(guān)速率都可達(dá)到納秒級，由它們構(gòu)成空分光交換模塊S。,圖7-11 兩種空分與時分結(jié)合型光交換單元,2.波分與空分結(jié)合型交換系統(tǒng)使用波分復(fù)用技術(shù)設(shè)計大規(guī)模交換網(wǎng)絡(luò)的一種方法是把多級波分交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，這種方法每次均需要把WDM信號分路后進(jìn)行交換，然后將交換后的信號合路，這使得系統(tǒng)很復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來很困難，成本也高。針對這個問題，解決的方法之一是利用空分交換技術(shù)，把輸入信號波分解復(fù)用，再對每個波長的信號分別應(yīng)用一個空分光交換模塊，完成空間交換后再把不同波長的信號波分復(fù)用起來，完成波

31、分與空分光交換功能，如圖7-12所示。,圖7-12 一種波長復(fù)用的空分光交換模塊,3.FDM與TDM結(jié)合型交換系統(tǒng)在FDM交換系統(tǒng)中，加入光存儲器完成時隙交換，就可以實(shí)現(xiàn)FDM與TDM結(jié)合型交換，如圖7-13所示。,圖7-13 FDM與TDM結(jié)合型交換系統(tǒng)原理圖,其工作原理是這樣的：首先，用電時分復(fù)用的方法將N路信號復(fù)用在一起，然后去調(diào)制L個光載波中的一個光載波，這L路光載波經(jīng)頻分復(fù)用后就構(gòu)成FDM與TDM結(jié)合的復(fù)用信號。為了實(shí)現(xiàn)FDM與TDM結(jié)合型交換，應(yīng)首先用波分解復(fù)用器對L路FDM信號解復(fù)用，得到L路時分復(fù)用信號，然后再對每一路TDM信號進(jìn)行時隙交換。TDM交換是由1N分路器、N個光存儲

32、器、N個低速頻率轉(zhuǎn)換器和1個N1光合路器組成。時隙交換后的L路光信號再經(jīng)合路器復(fù)合后送入光纖傳輸，從而完成了FDM與TDM結(jié)合型交換。由此可見，這種1級結(jié)構(gòu)需要NL個光存儲器和NL個低速頻率轉(zhuǎn)換器。,7.6.1 光分組交換的概念 隨著光傳送技術(shù)的不斷發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)傳送的波長會越來越多。為了實(shí)現(xiàn)帶寬適配，邊緣節(jié)點(diǎn)往往需要進(jìn)行大量的復(fù)用和解復(fù)用操作，把高速光信號變換成可處理的低速電信號，不僅增加了設(shè)備的復(fù)雜性和成本，而且使邊緣節(jié)點(diǎn)成為新的電子瓶頸。為了徹底解決電子瓶頸問題，一種能夠直接在光域復(fù)用、交換和傳送IP包的光分組交換技術(shù)(OPS)應(yīng)運(yùn)而生。,7.6 光分組交換技術(shù),由于OPS可以較好地支持I

33、P業(yè)務(wù)，因此它被認(rèn)為是光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)。雖然光分組可長可短，但是交換設(shè)備必須具備處理最小分組的能力，對交換節(jié)點(diǎn)處理能力的要求非常高。目前常采用的是光/電混合的辦法實(shí)現(xiàn)光分組交換，即數(shù)據(jù)在光域進(jìn)行交換，而控制信號在交換節(jié)點(diǎn)被轉(zhuǎn)換成電信號后再進(jìn)行處理。光路交換在信道容量的分配方面缺乏靈活性，從發(fā)展的角度看，未來互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)應(yīng)該采用光的分組交換。光分組完全在光域中進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)處理，被認(rèn)為是未來寬帶IP骨干網(wǎng)的主要支撐技術(shù)之一。,7.6.2 通用的光分組格式 與電分組交換相似，光分組交換也是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的交換，不過存儲轉(zhuǎn)發(fā)的基本數(shù)據(jù)單元是光分組(OpticalPacket)。光分組由分組首部報

34、頭、載荷域和保護(hù)時間三部分組成。通用的光分組格式如圖7-14所示。從圖中可以看出,光分組格式是如何放在交換時隙中的。,圖7-14 在同步OPS網(wǎng)中的分組格式,圖7-14中所示的保護(hù)帶用來對付定時的不確定性；凈負(fù)荷是用戶數(shù)據(jù)，占有分組長度的大部分；報頭長短是一個最優(yōu)化問題，這是因?yàn)樗环矫嬉?wù)于所需的那么多控制功能，另一方面它是一種開銷，不能夠太長。在光分組交換節(jié)點(diǎn)中必須設(shè)有光分組的緩沖存儲器，用以解決兩個或兩個以上的分組同時或接近同時到達(dá)同一輸出端口而引起的“輸出沖突”問題。目前光分組交換還有許多技術(shù)難題有待解決，其中最突出的問題是光分組的隨機(jī)存儲器件和光邏輯處理器件的技術(shù)問題。,7.6.3

35、 OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 光分組(OPN)網(wǎng)是在光域上實(shí)現(xiàn)分組交換技術(shù)的智能光網(wǎng)絡(luò)，大致可分為三層，其中底層是物理層，與光纖鏈路的物理特性直接相關(guān)；頂層是業(yè)務(wù)層，由異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)、同步數(shù)字體系(SDH)和IP構(gòu)成；中間層是光層，提供、配置并重構(gòu)通路與端到端的光分組通道，完成光傳輸和分組交換。相應(yīng)地，OPN的基本功能可總結(jié)為波長交換、光分組路由、流量控制、沖突排除、同步、信頭識別與處理、級聯(lián)能力等，這些功能由OPS節(jié)點(diǎn)來完成，在此意義上OPS節(jié)點(diǎn)是OPN的核心。下面介紹該節(jié)點(diǎn)的功能模型。,在光分組交換網(wǎng)絡(luò)中，OPS節(jié)點(diǎn)繼承了現(xiàn)有WDM光網(wǎng)絡(luò)中光交叉連接設(shè)備(OXC)的基本結(jié)構(gòu)，如合波與分波環(huán)節(jié)、

36、波長變換、波分交換矩陣、上/下路環(huán)節(jié)和光監(jiān)控模塊等。此外OPS節(jié)點(diǎn)還具有一些特有的功能實(shí)體來實(shí)現(xiàn)同步、信頭處理和競爭排除等特殊功能。在OPS網(wǎng)絡(luò)的研究中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以采用不同的交換體系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但它們一般都由四部分組成，即輸入接口(InputInterface)、交換控制(SwitchControl)單元、光交換矩陣(SwitchingMatrix)和輸出接口(OutputInterface),此外還有復(fù)用/解復(fù)用器等，如圖7-15所示，下面我們簡要介紹一下每個模塊的結(jié)構(gòu)和功能。,圖7-15 光分組交換的功能模型,1.輸入接口根據(jù)實(shí)際需要，輸入接口可能需要完成的功能有:(1)對輸入的數(shù)據(jù)信號

37、整形、定時和再生，借以形成完善質(zhì)量的信號以便進(jìn)行后續(xù)的處理和交換。(2)檢測信號的漂移和抖動。(3)使每一分組的開頭和末尾、報頭和有效負(fù)載都安排適當(dāng)。(4)使分組獲取同步并與交換的時隙對準(zhǔn)。(5)將報頭分出，并傳送給控制器，由它進(jìn)行處理。,(6)將外部WDM傳輸波長轉(zhuǎn)換為內(nèi)部交換所需使用的波長。其中的(3)和(5)，即報頭的提取是輸入接口的基本功能。,2.交換控制單元交換控制單元主要完成光分組的報頭識別、恢復(fù)、處理和凈荷定位等功能，為光分組選擇路由，并根據(jù)需要產(chǎn)生控制輸入、輸出單元和控制矩陣(有時候也包括沖突處理單元)的各種控制信號。根據(jù)光分組頭識別方式的不同，可將光分組交換分為兩大類:一類為

38、光域識別光分組頭方式；另一類為光分組頭先經(jīng)光/電變換，然后在電域?qū)崿F(xiàn)。目前尚不存在實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜功能的光邏輯器件，光域識別分組報頭的技術(shù)還不成熟。,3.光交換矩陣光交換矩陣一般由大規(guī)模光開關(guān)矩陣構(gòu)成，完成光分組的交換功能。在OPS系統(tǒng)中，不可避免地會在開關(guān)矩陣的輸出端口產(chǎn)生端口競爭的問題，即不同的光分組信號在同一時刻需要從同一輸出端口輸出，因此需要沖突處理單元。目前實(shí)現(xiàn)沖突處理的主要方法有四種:(1)光緩存方案。光緩存可以由光纖延時線(FDL)產(chǎn)生分組時隙間隔整數(shù)倍的固定時延，該方案可行性高，是目前實(shí)現(xiàn)光緩存的主要方案，但是僅適用于同步分組交換網(wǎng)絡(luò)，而光分組的同步本身就是一個很大的技術(shù)難題。此外，

39、還可以用“慢光”實(shí)行光信號的延遲存儲。,慢光方案又可以分為兩大類，一種是利用材料本身的一些特性，1999年Nature報道了利用光學(xué)的方法在超冷原子蒸汽中將光速減慢到17m/s，此后還利用如電磁致透明、相干粒子振蕩、譜燒孔效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)慢光。另一種是利用受激拉曼散射、受激布里淵散射、拉曼輔助的參量放大過程等效應(yīng)在光纖、光子晶體和半導(dǎo)體光放大器中實(shí)現(xiàn)。這種慢光方案實(shí)際上是一個全通濾波器，利用非線性效應(yīng)中的大的群時延實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的光信號時延。但目前各種慢光方案可以實(shí)現(xiàn)的時延的值均不大，且很多方案系統(tǒng)插損過大或者對輸入信號的參數(shù)(如波長和功率等)有特定的要求，尚很難實(shí)用。,(2)光存儲方案。一種光存儲方案

40、是光RAM方案，即尋找光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的器件:利用雙環(huán)SOA構(gòu)建光觸發(fā)器，利用半導(dǎo)體環(huán)形激光器的振蕩模式實(shí)現(xiàn)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，以及利用垂直腔發(fā)射表面激光器(VCSEL)的偏振雙穩(wěn)態(tài)等。但是,目前這幾種方案都尚處在原理驗(yàn)證階段，在存儲速度、讀寫控制及大規(guī)模集成等方面都不同程度地存在問題，對其談實(shí)用性尚為時過早。另一種變通的方案是光子RAM方案。采用串/并轉(zhuǎn)換技術(shù)將高速率的線路信號變成低速率的并行信號，這樣信號就可以采用現(xiàn)有的電RAM進(jìn)行隨機(jī)存儲和數(shù)據(jù)處理。但該方案在高速率的串/并和并/串轉(zhuǎn)換上也還存在較大的技術(shù)難題。,(3)波長變換方案。波長變換方案是動態(tài)的將發(fā)生沖突的分組轉(zhuǎn)換到指定輸出端口的空閑波長上。這

41、種解決方案在競爭分組的延遲方面是最佳的，是一種很有潛力的可選方案之一，它能最有效地降低光分組丟包率。但是，這個方案事實(shí)上并沒有完全消除沖突，而是降低了沖突發(fā)生的概率，此外，該方案的實(shí)用化也在很大程度上依賴于快速波長調(diào)諧技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)用化。,(4)偏射路由方案。當(dāng)競爭發(fā)生時分組不能交換到正確的輸出端口，便將它路由到另一個空閑輸出端口，有可能通過另一條路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在鏈路資源比較充足的情況下，偏射路由有較好的性能，但這種方法同樣不能完全避免沖突，并且在出口節(jié)點(diǎn)的重新排序以及公平性方面都存在一些潛在的問題，而且在負(fù)荷較重的情況下其性能可能惡化，因此只適合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕的網(wǎng)絡(luò)。,4.輸出接口在輸出接口

42、可能需要實(shí)現(xiàn)的功能有:(1)對輸出信號整形、定時和再生，以克服由交換矩陣引起的串?dāng)_和損傷，恢復(fù)信號的質(zhì)量。(2)給信息有效負(fù)載加上新的報頭。(3)分組的描繪和再同步。(4)按需要將內(nèi)部波長轉(zhuǎn)換為外部可使用的波長。(5)信號在交換矩陣內(nèi)的路程不同、插損不同，使得信號的功率也不同，需要均衡輸出功率。其中，(2)是輸出接口的最基本功能。,綜上所述，OPS設(shè)計的思想是源于電的分組交換原理，而在電的分組交換網(wǎng)絡(luò)中，所采用的存儲/轉(zhuǎn)發(fā)的交換模式的基礎(chǔ)是存儲器件和組合邏輯器件，而OPS最大的兩個技術(shù)障礙恰恰在于光邏輯和光存儲。,7.6.4 OPS關(guān)鍵技術(shù) 圖7-15所示的OPS的結(jié)構(gòu)中,除了WDM復(fù)用器/解

43、復(fù)用器之外，均存在尚待解決的技術(shù)問題,包括光分組時鐘提取技術(shù)，光信號再生技術(shù)、光分組同步技術(shù)、報頭提取技術(shù)、標(biāo)簽復(fù)用技術(shù)、光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)、光邏輯技術(shù)、光存儲技術(shù)、快速波長調(diào)諧技術(shù)、高速光信號串/并和并/串轉(zhuǎn)換技術(shù)、大規(guī)模光開關(guān)矩陣技術(shù)等。限于篇幅，在本節(jié)中將介紹幾種主要的關(guān)鍵技術(shù)。,1.光分組時鐘提取技術(shù)光分組時鐘提取技術(shù)是OPS中諸多關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)。光信號再生、光分組同步、光存儲、高速光信號串/并和并/串轉(zhuǎn)換都離不開光分組時鐘提取，在很多高速報頭處理和光邏輯方案中也需要應(yīng)用到光分組時鐘提取技術(shù)。常用的光分組時鐘提取方案根據(jù)其提取的機(jī)制不同可分為電時鐘提取、光電混合時鐘提取和全光時鐘提取三大類

44、。,2.標(biāo)簽復(fù)用和分離技術(shù)如在7.6.3節(jié)中所述，在OPS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輸入接口處報頭的分離是其最主要的功能，而如何實(shí)現(xiàn)報頭與數(shù)據(jù)分組的分離又與報頭的復(fù)用技術(shù)息息相關(guān)。傳統(tǒng)情況下，一般是在分組的開始加入一定比特的報頭信號，但近年來，為了簡化報頭的處理而普遍采用光標(biāo)簽交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與數(shù)據(jù)信號的復(fù)用技術(shù)也變得多樣起來。復(fù)用技術(shù)主要有時分復(fù)用(TDM)、副載波復(fù)用(SCM)、碼分多址(OCDM)、波分復(fù)用(WDM)和正交復(fù)用等。,3.報頭處理技術(shù)光分組交換網(wǎng)絡(luò)的報頭處理主要有電域和光域兩種方式。1)電域報頭處理技術(shù)電域處理基本上是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的，由于商用FPGA的處理速度已經(jīng)可達(dá)1.5GHz，實(shí)驗(yàn)

45、室采用SIGeHBTBICMOS技術(shù)已經(jīng)有20GHz的FPGA產(chǎn)品。電域報頭處理的優(yōu)點(diǎn)是基于成熟的電域信號處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各種較為復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和協(xié)議。但是總的來說，電域報頭處理的速度相對于當(dāng)前光纖中信號傳輸?shù)乃俾识赃€是較低的，,因此，一般通過低速報頭或者串/并轉(zhuǎn)換的方式使得報頭信號的速率和FPGA的處理速率匹配。對基于電域報頭處理分組交換的報導(dǎo)很多，但是，由于電域FPGA技術(shù)的相對成熟性，因此這些研究的重點(diǎn)并非在報頭的處理上。,2)光域報頭處理技術(shù)光域?qū)崿F(xiàn)報頭處理在大部分情況下需要用到光邏輯器件，又可以分為光組合邏輯和光時序邏輯兩種。目前已經(jīng)報道了許多全光組合邏輯的實(shí)現(xiàn)方案，采用的核心器

46、件包括SOA(SemiconductorOpticalAmplifier)、非線性波導(dǎo)器件、非線性光纖、微環(huán)形諧振腔(MicroRingResonator)等。其中，SOA具有器件工藝成熟，商用產(chǎn)品豐富;體積小(至2量級)，能夠?qū)崿F(xiàn)光子集成;非線性系數(shù)高，需要的切換光功率低(小于100fJ);存在多種非線性效應(yīng)(包括交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻和非線性偏振旋轉(zhuǎn)等)，,便于實(shí)現(xiàn)多種光邏輯操作;研究時間長，應(yīng)用范圍廣泛。由于SOA具有上述優(yōu)點(diǎn)，因此在光邏輯領(lǐng)域得到了廣泛的研究。典型的基于SOA的全光邏輯實(shí)現(xiàn)方案及工作原理包括:方案1:基于SOA-FWM的全光邏輯方案，該方案的輸入信號為偏振

47、調(diào)制的信號(“0”碼與“1”碼偏振態(tài)正交)，通過將閑頻光作為輸出信號，可以方便的實(shí)現(xiàn)兩路偏振調(diào)制信號的多種簡單邏輯運(yùn)算。,方案2：通過綜合利用單個SOA中的多種非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)的全光邏輯方案，通過調(diào)節(jié)外加輸入探測光的波長和輸出端帶通濾波器的中心波長，實(shí)現(xiàn)了對輸入信號的“與”、“非”和“或非”、“異或”等邏輯操作。方案3：選擇單一的SOA的XPM效應(yīng)，通過SOA級聯(lián)實(shí)現(xiàn)多種邏輯操作，雖然實(shí)現(xiàn)同一功能需要的SOA數(shù)目多于上述的幾種方案，但是每級SOA邏輯門的結(jié)構(gòu)一致，簡化了復(fù)雜邏輯功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計工作。方案4：通過級聯(lián)SOA實(shí)現(xiàn)了全光半加器組合邏輯。,方案5：對利用SOA-MZL實(shí)現(xiàn)全光“異或

48、”邏輯進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，指出這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的工作速率可以超過100Gb/s。許多研究人員也將各種光邏輯方案用于分組的報頭處理，如采用了SOA-MZL實(shí)現(xiàn)了8比特的報頭處理，利用F-P激光器鎖定實(shí)現(xiàn)全光報頭處理等,但是就總體而言，各種光邏輯方案還存在各自的問題。在組合邏輯方案方面，基于非線性光纖和PPLN的方案所用器件體積較大，集成性較差；基于SOA的方案受限于SOA較大的噪聲系數(shù)，多級SOA級聯(lián)后信號的信噪比惡化嚴(yán)重，級聯(lián)性也存在問題；,基于半導(dǎo)體環(huán)形諧振腔的方案目前其工藝的成熟度還不高，器件的插損較大。而在光時序邏輯方面，目前各種光觸發(fā)器的工作速率大都在納秒量級，尚不能體現(xiàn)出光域信號處

49、理的速度優(yōu)勢。總而言之，目前光邏輯的研究尚停留在半加器和單個光觸發(fā)器的水平，完全無法勝任較復(fù)雜的報頭處理。,4.可集成光開關(guān)矩陣光開關(guān)是光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件之一,人們對光開關(guān)與光開關(guān)矩陣的研究已經(jīng)有二三十年的歷史。隨著人們對器件材料、器件工作原理、加工工藝等多方面認(rèn)識和研究的不斷進(jìn)展，光開關(guān)與光開關(guān)列陣的類型也呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢。從器件材料的角度上說，目前所應(yīng)用的材料包括妮酸鏗(LiNbO3)、111-v族化合物導(dǎo)體材料、玻璃、有機(jī)聚合物、硅基硅波導(dǎo)、硅基二氧化硅材料和硅基鍺硅等多種材料。,依據(jù)不同的光開關(guān)原理，光開關(guān)可分為:機(jī)械光開關(guān)、MEMS光開關(guān)、噴墨氣泡光開關(guān)、熱光效應(yīng)光開關(guān)、液晶光開

50、關(guān)、磁光光開關(guān)、全息光開關(guān)、聲光開關(guān)、液體光柵光開關(guān)、SOA光開關(guān)和光控光開關(guān)等。具有不同原理和技術(shù)的光開關(guān)具有不同的特性，適用于不同的場合，如機(jī)械光開關(guān)具有極高的消光比和極低的串?dāng)_，光控光開關(guān)和LiNbO3光開關(guān)則具有極快的開關(guān)速度等。但是作為構(gòu)建光網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模光交換矩陣的光開關(guān)必須具有可集成性，目前可以集成光開關(guān)矩陣的主要技術(shù)有:MEMS(Micro-ElectroMechanical-System)光開關(guān)、液晶光開關(guān)、SOA光開關(guān)和CrossPoint光開關(guān)等。,7.6.5 光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 光分組交換(OPS)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖7-16所示，其中邊緣節(jié)點(diǎn)交換機(jī)主要進(jìn)行映射、適配、匯聚和

51、解釋電交換層的業(yè)務(wù)，處理連接信令，分配或回收交換資源等工作；業(yè)務(wù)側(cè)提供UNI接口，同時提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)的NNI接口；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)由光分組核心交換機(jī)組成，核心交換機(jī)僅僅提供NNI接口，不支持業(yè)務(wù)的上/下交換。全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)透明的傳送和交換，信號以最小的損傷高效地傳遞至邊緣節(jié)點(diǎn)，為了減少技術(shù)難度，網(wǎng)絡(luò)可由若干子網(wǎng)組成，子網(wǎng)之間采用非透明連接。下面將介紹OPS網(wǎng)的分類、分層模型和通用的光分組格式等。,圖7-16 OPS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),1.光分組交換網(wǎng)分類按照進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)前是否需要光分組時間對準(zhǔn)，可將光分組交換(OPS)網(wǎng)絡(luò)分為兩類：同步網(wǎng)絡(luò)和異步網(wǎng)絡(luò)。這兩種分組交換網(wǎng)均需要比特級同步和快速時鐘恢復(fù)。(1)同步網(wǎng)絡(luò)。同步網(wǎng)絡(luò)

52、對應(yīng)于固定長度的光分組，包含一個固定長度的數(shù)據(jù)分組頭、保護(hù)時間和凈荷。同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的光緩存由光纖環(huán)路和光纖延遲線實(shí)現(xiàn)，能產(chǎn)生光分組時隙間隔整數(shù)倍的固定時延。任何到達(dá)輸入交換端口的光分組都具有固定長度，在經(jīng)過本地時鐘相位對準(zhǔn)后才可進(jìn)入核心交換單元。,(2)異步網(wǎng)絡(luò)。異步網(wǎng)絡(luò)光分組無須長度相同，光交換不需要時間同步，可以在任何節(jié)點(diǎn)完成逐分組的轉(zhuǎn)發(fā)，這種光分組的不可預(yù)測和不規(guī)則機(jī)制增加了網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。然而，異步網(wǎng)絡(luò)具有同步網(wǎng)絡(luò)所不具備的低成本、低復(fù)雜度、高健壯性和高靈活性，通過合理設(shè)計光交換的結(jié)構(gòu)和協(xié)議，也可達(dá)到良好的交換性能。,2.光分組交換的三層結(jié)構(gòu)模型根據(jù)一般意義的分層方法，我們可將光分組交換的

53、參考模型分為三層，如圖7-17所示。,圖7-17 光分組交換網(wǎng)絡(luò)分層參考模型,1)IP層IP層是透明光分組(OTP)的應(yīng)用層，涉及管理與控制的有關(guān)內(nèi)容。IP層對應(yīng)于最廣泛的接入網(wǎng)和核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，對IP、ATM、SDH和PDH等多種業(yè)務(wù)進(jìn)行封裝，并映射進(jìn)OPS層。IP層處理的可以是固定長度的光分組，也可以是可變長度的光分組。IP層簡化了底層(物理層和OPS層)的復(fù)雜性，為高層多業(yè)務(wù)接入提供統(tǒng)一的接口。IP層中的用戶可能是目前一些標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的用戶(入ATM或IP)，也可能是某些局域網(wǎng)的用戶，甚至可能是一些端級的用戶，如工作站與視頻服務(wù)器等。,2)透明光分組網(wǎng)絡(luò)層(OTP)OTP層接受來自IP層的光分組

54、，對比特率和底層傳輸方式是透明的，提高了WDM光網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率和靈活性。OTP層完成光分組交換路由、不同鏈路分組業(yè)務(wù)的復(fù)用和保證底層成功實(shí)現(xiàn)端到端的光通路傳輸，同時OTP層還提供IP層到WDM的業(yè)務(wù)適配功能(如流量集中等)，支持未來面向連接和無連接網(wǎng)絡(luò)的大容量和靈活性的要求。OTP層可分為三個子層：數(shù)據(jù)匯聚子層、網(wǎng)絡(luò)子層和鏈接子層。,(1)數(shù)據(jù)匯聚子層(DCSL,DataConvergenceSubLayer)。數(shù)據(jù)匯聚子層位于OTP層的最上層，它負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)速率的適配，并通過拆裝、打包等方式將不同形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成OTP層分組的固定格式。DCSL子層支持網(wǎng)絡(luò)子層與其鄰接的高層之間的信息映射，

55、從而增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)子層提供的業(yè)務(wù)范圍，使其更適應(yīng)鄰接高層的需要。 (2)網(wǎng)絡(luò)子層(NSL,NetworkSubLayer)。網(wǎng)絡(luò)子層執(zhí)行光路由信息的若干功能，負(fù)責(zé)產(chǎn)生路由標(biāo)簽，并將其映射到分組的地址信息中，另外，它還執(zhí)行信頭更換、光緒安路與交換，以及分組排序等方面的工作。,(3)鏈接子層(LSL,Link Sub Layer)。鏈接子層按照光分組的格式產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流傳送到光鏈路上，因此鏈接子層必須提供復(fù)用功能與解復(fù)用功能。,3)物理層物理層通過WDM和OXC完成廣域內(nèi)的透明路由和信息傳輸。物理層能夠利用各種光信道復(fù)用(如SDH、TDM和WDM)方式，配合光交換中路由選擇和擁塞控制技術(shù)，完成

56、光分組信息的傳送。目前，物理層多采用WDM方式，為OTP層提供建立在穩(wěn)定的波長信道級聯(lián)基礎(chǔ)上的透明光通路，單波長速率已達(dá)到10Gb/s或更高。,3.光網(wǎng)絡(luò)分層模型的發(fā)展從網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議模型的角度上看，OPS網(wǎng)絡(luò)在不斷演化的網(wǎng)絡(luò)分層模型的位置如圖7-18所示。,圖7-18 不斷演化的網(wǎng)絡(luò)分層模型,在圖7-18中，由左至右分別為不斷演化的光網(wǎng)絡(luò)的分層模型，可見網(wǎng)絡(luò)分層模型的發(fā)展趨勢是扁平化的，其中近期光網(wǎng)絡(luò)模型中還沒有OPS技術(shù)的出現(xiàn)，而在圖7-18所示中期光網(wǎng)絡(luò)模型中才開始有OPS技術(shù)的引入，其第二層由光傳輸層和光分組層組成，光傳輸層提供、配置并重構(gòu)基于WDM/DWDM的波長通路，其功能主要是由O

57、XC和OADM設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的;光分組層作為光傳輸層的客戶層，提供并配置端到端的光分組通道，保證信息在光網(wǎng)絡(luò)中的完整性。,在遠(yuǎn)期光網(wǎng)絡(luò)模型中，其整個發(fā)展趨勢是光分組層與光傳輸層的融合，從而簡化了光網(wǎng)絡(luò)分層模型，這也就是我們提到的IPoverOPS的概念。,7.6.6 基于分組傳送的全業(yè)務(wù)交換傳送的體系架構(gòu) 基于分組傳送的全業(yè)務(wù)交換傳送體系架構(gòu)的基本含義:由于電信業(yè)務(wù)的IP化發(fā)展趨勢光傳送網(wǎng)將會派生出眾多的細(xì)分接口和類型，因此，“全業(yè)務(wù)”是指該體系架構(gòu)可以提供多種類型的業(yè)務(wù)接口以適配、處理、轉(zhuǎn)發(fā)和交換各種類型的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)可以分為電路業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)。目前的光傳送網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)電路交換功能，較好地解

58、決了電路業(yè)務(wù)的承載問題，為了更好地傳送分組類型的業(yè)務(wù)，需要在光傳送網(wǎng)中引入分組傳送機(jī)制來完成分組交換功能，從而構(gòu)建基于分組傳送的全業(yè)務(wù)交換傳送體系架構(gòu)。,該體系架構(gòu)能夠滿足各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的傳送需求，融合了數(shù)據(jù)、電路和光層傳送功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)/TDM/波長等不同技術(shù)信號的交換，同時，引入分布式的GMPLS控制平面能夠在不同平面間進(jìn)行統(tǒng)一的業(yè)務(wù)調(diào)度?；诜纸M傳送的全業(yè)務(wù)交換傳送的體系架構(gòu)如圖7-19所示。,由圖7-19可知，基于分組傳送的全業(yè)務(wù)交換傳送體系架構(gòu)的最大特點(diǎn)是在電層引入了基于分組的T-MPLS交換技術(shù)和基于交叉連接方式的ODU交換技術(shù)，并同時兼容現(xiàn)有的基于TDM的SDH交換技術(shù)，而在光層則

59、引入了基于波長入的交換技術(shù)。這些交換技術(shù)分別針對不同類型的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)實(shí)施不同的交換功能。目前,網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型主要分為CBR(固定比特率業(yè)務(wù))和VBR(可變比特率業(yè)務(wù))兩種,其中CBR類型的業(yè)務(wù)類似于TDM業(yè)務(wù)或者偽線業(yè)務(wù)，VBR類型的業(yè)務(wù)主要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。對于不同的業(yè)務(wù)類型，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要采取不同的業(yè)務(wù)適配方式、協(xié)議封裝方法以及業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)交換方法。,圖7-19 基于分組傳送的全業(yè)務(wù)交換傳送的體系架構(gòu),這些業(yè)務(wù)處理又可以分為電層面的業(yè)務(wù)處理和光層面的業(yè)務(wù)處理，在電層面主要是基于固定速率的大顆粒業(yè)務(wù)在ODU的交換和基于可變速率的細(xì)顆粒分組業(yè)務(wù)在T-MPLS的交換，而在光層面則是基于波長入的交換。對于CBR類型業(yè)務(wù)的處理可以分兩種情況:(1)對于速率小于2.5Gb/s的CBR類型的業(yè)務(wù)來說，可以先通過SDH層面進(jìn)行業(yè)務(wù)適配、處理和交換，再通過ODU層面進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，這樣可以保持現(xiàn)有SDH業(yè)務(wù)的延續(xù)性。,(2)對于速率不小于2.5Gb/s的CBR類型的業(yè)務(wù)來說，可以直接通過ODU層面進(jìn)行業(yè)務(wù)適配、處理和交換。對于VBR類型的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以通過T-MPLS層面進(jìn)行業(yè)務(wù)適配