光交換方式與光交換網(wǎng)絡(luò)

1、光交換方式與光交換網(wǎng)絡(luò) 光交換方式 由于光通信傳輸技術(shù)的傳輸速率達(dá)到了Tb/s的數(shù)量級(jí)，大大提高了通信傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性，但是在第一代光網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)具有的電子速率的極限使得不斷增長(zhǎng)的傳輸速率受到限制。此時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的直接交換，擺脫光電轉(zhuǎn)換所受的限制，光子技術(shù)被引入到節(jié)點(diǎn)的交換系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)。因此，光交換的實(shí)現(xiàn)成為第二代光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。光交換是指不經(jīng)過(guò)任何光/電轉(zhuǎn)換，將輸入端光信號(hào)直接交換到任意的光輸出端。光交換的實(shí)現(xiàn)可以簡(jiǎn)單歸結(jié)為如何實(shí)現(xiàn)交換回路和控制部件的光子化，目前由于實(shí)用的光邏輯器件還相當(dāng)缺乏，光交換系統(tǒng)的交換路徑是全光的，控制部件則由電子電路完成，也稱(chēng)電控光交換。光交換方式

2、、器件以及網(wǎng)絡(luò)的組建是光交換的研究重點(diǎn)。和普通的電交換技術(shù)相似，光交換分為光路（通道）交換和光分組交換兩種方式。光路交換是通過(guò)在主叫和被叫兩個(gè)終端之間建立一個(gè)光連接通道。該通道可能是一根光纖，也可能是采用復(fù)用技術(shù)構(gòu)建的存在于光復(fù)用線路中的一個(gè)信道。這條通道在一個(gè)呼叫的通信期間將一直保持到通信結(jié)束。光分組交換是一種信息包的交換。通過(guò)某種光調(diào)制方式將用戶(hù)信息形成光信號(hào)序列，然后分割成一個(gè)個(gè)分組，并被附加上各自的光分組頭（描述其源地址、目的地址和分組序號(hào)等）。它們獨(dú)立經(jīng)過(guò)光分組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)解讀分組頭獲得路由信息然后進(jìn)行選路，然后將它們發(fā)送到目的地。以下是原理圖：BAFigure光路交換7 5 47

3、 5 4 BA8 28 28 26 3 18 7 6 5 4 3 2 18 7 6 5 4 3 2 1Figure 光分組交換光路交換中一個(gè)通信業(yè)務(wù)獨(dú)占一條通路或信道，而分組交換允許多個(gè)通信業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)地、分時(shí)段共享某一通道，因此它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的利用比光路交換更充分和靈活。通常實(shí)時(shí)性要求高、業(yè)務(wù)量平穩(wěn)的通信會(huì)使用光路交換，突發(fā)性明顯的通信使用分組交換。光交換按照光信號(hào)信道復(fù)用方式可劃分為空分光交換、時(shí)分光交換、波/頻分光交換和碼分光交換等。光交換的特點(diǎn)：1、由于光交換不涉及到電信號(hào)，所以不會(huì)受到電子器件處理速度的制約，與高速的光纖傳輸速率匹配，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率。2、光交換根據(jù)波長(zhǎng)來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行路由和選

4、路，與通信采用的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和傳輸速率無(wú)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)透明的數(shù)據(jù)傳輸。3、光交換可以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，提供靈活的信息路由手段。1.空分光交換空分光交換（Space Division Optical Switching）就是在空間域上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交換。其基本原理是將光交換元件組成門(mén)陣列開(kāi)關(guān)，并適當(dāng)控制門(mén)陣列開(kāi)關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構(gòu)成通路。Figure 空分光交換基本結(jié)構(gòu)圖 輸出 2 1 M輸出接口控制部件空分交換矩陣 2 2 M輸入接口 輸入 空分光交換可以在媒質(zhì)空間和自由空間中完成，因此又被細(xì)分為波導(dǎo)空分光交換和自由空間光交換。自由空間光交換在電交換中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的結(jié)束，它基

5、于自由空間的光波傳播規(guī)律，在2維或者3維空間實(shí)現(xiàn)光互連和光交換，具有更大的容量，建立沒(méi)有物理接觸的光互連，子信道間不存在串?dāng)_，系統(tǒng)性能優(yōu)于波導(dǎo)空分交換?？辗止饨粨Q的基本結(jié)構(gòu)圖如下所示：2.時(shí)分光交換時(shí)分光交換（Time Division Optical Switching）是以常見(jiàn)的時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，把時(shí)間劃分為若干可大可小互不重疊的時(shí)隙，由不同的時(shí)隙建立對(duì)應(yīng)的子信道，通過(guò)時(shí)隙交換網(wǎng)絡(luò)完成不同用戶(hù)信息的交換。根據(jù)時(shí)隙信號(hào)的組成，子信道可分為位置子信道和標(biāo)志子信道。前者的子通道以時(shí)隙位置不同區(qū)別，后者以各自特殊的標(biāo)志區(qū)別。位置子通道光交換常用于同步傳輸，標(biāo)志子通道可用于同步傳輸和異步傳輸。時(shí)分光交

6、換節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)由光（時(shí)隙）分路器、光緩存器、光（時(shí)隙）合路器及其控制部件組成。原理圖如下：Figure 時(shí)分光原理圖3. 波分/頻分光交換 波分光交換（Wavelength Division Optical Switching）技術(shù)是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，結(jié)合空分光交換技術(shù)，通過(guò)波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能。波分光交換與頻分光交換沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，僅僅是他們的子通道間隔有差別，前者大，后者小。這種交換利用了波長(zhǎng)資源和光頻寬帶性，其光信號(hào)具有透明性，與時(shí)分光交換相比，其特點(diǎn)在于各波長(zhǎng)子通道的比特率是獨(dú)立的，便于實(shí)現(xiàn)不同速率的寬帶信號(hào)交換，交換硬件較少，對(duì)控制部件要求不高，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一

7、。波/頻分光交換節(jié)點(diǎn)由波長(zhǎng)/頻率復(fù)用和解復(fù)用器、波長(zhǎng)變換器、光濾波器及控制部件等組成。其中波長(zhǎng)變換器和濾波器有兩種組合方式：固定波長(zhǎng)變換器和可變波長(zhǎng)濾波器、可變波長(zhǎng)變換器和固定波長(zhǎng)濾波器。載有N個(gè)用戶(hù)信息的WDM信號(hào)首先被駁分解復(fù)用器分成N路，根據(jù)波長(zhǎng)交換要求控制每個(gè)波長(zhǎng)子通道上的波長(zhǎng)變換器，將入射波長(zhǎng)i轉(zhuǎn)換為所要求的波長(zhǎng)j，然后經(jīng)光濾波器濾波，再由波分復(fù)用器將N路新波長(zhǎng)信號(hào)復(fù)用起來(lái)，送到輸出光纖總線，通過(guò)改變承載信息的子通道波長(zhǎng)就實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)的信息交換。 波長(zhǎng)變換技術(shù)是波/頻分光交換系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前已研究的多種波長(zhǎng)變換分為一光一電方式和全光方式兩類(lèi)。后者分別基于廣播的非線性效應(yīng)。波分光

8、交換原理如下圖所示：Figure 波分交換原理圖4. 碼分光交換碼分光交換（Code Division Optical Switching）的原理就是將某個(gè)正交碼上的光信號(hào)交換至另一個(gè)正交碼上，實(shí)現(xiàn)不同碼字之間的交換。在光碼分復(fù)用多址(OCDMA)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)用戶(hù)都分配有一個(gè)惟一的地址碼，可以用來(lái)進(jìn)行地址的識(shí)別、路由的選擇，即可利用用戶(hù)的地址碼實(shí)現(xiàn)全光自路由和光交換。碼分光交換與光時(shí)分交換相比不需要同步，下圖中OCDM編碼主要完成的功能是用不同的正交碼來(lái)對(duì)光比特或光分組進(jìn)行填充，星型耦合器將信息送到所有的輸出端口。Figure 光碼分交換原理圖光交換網(wǎng)絡(luò) 目前光網(wǎng)絡(luò)中的交換技術(shù)主要有三種：光路

9、交換OCS(Optical Circuit Switching),光分組交換OPS(Optical Packet Switching),光突發(fā)交換OBS(Optical Burst Switching).三種光路交換技術(shù)，構(gòu)成了光交換的三種網(wǎng)絡(luò)。  其中研究得最多最成熟的是光路交換OCS,網(wǎng)絡(luò)需要為每一個(gè)連接請(qǐng)求建立從源端到目的地端的光路(每一個(gè)鏈路上均需要分配一個(gè)專(zhuān)業(yè)波長(zhǎng))。交換過(guò)程共分三個(gè)階段：鏈路建立階段是雙向的帶寬申請(qǐng)過(guò)程，需要經(jīng)過(guò)請(qǐng)求與應(yīng)答確認(rèn)兩個(gè)處理過(guò)程。鏈路保持階段，鏈路始終被通信雙方占用，不允許其他通信方共享該鏈路。鏈路拆除階段，任意一方首先發(fā)出斷開(kāi)信號(hào)，另

10、一方收到斷開(kāi)信號(hào)后進(jìn)行確認(rèn)，資源就被真正釋放。  從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，全光的分組交換OPS是光交換的發(fā)展方向。OPS是一種不面向連接的交換方式，采用單向預(yù)約機(jī)制，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立路由。分配資源。分組凈荷緊跟分組頭在相同光路中傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要緩存凈荷，等待帶分組目的地的分組頭的處理，以確定路由。相比OCS,OPS有著很高的資源利用率，和很強(qiáng)的適應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)的能力。但是也存在著兩個(gè)近期內(nèi)難以克服的障礙：一是光緩存器技術(shù)還不成熟；二是在OPS交換節(jié)點(diǎn)處，多個(gè)輸入分組的精確同步難以實(shí)現(xiàn)。因此光分組交換難于在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。  1997年，由Chunming Qi

11、ao和J.S Tunnor分別提出的一種新的光交換技術(shù)光突發(fā)交換OBS,作為由電路交換到分組交換技術(shù)的過(guò)渡技術(shù)。OBS結(jié)合了電路交換和分組交換兩者的優(yōu)點(diǎn)且克服了兩者的部分缺點(diǎn)，已引起了越來(lái)越多人的關(guān)注。  光突發(fā)交換中的“突發(fā)”可以看成是由一些較小的具有相同出口邊緣節(jié)點(diǎn)地址和相同QoS要求的數(shù)據(jù)分組組成的超長(zhǎng)數(shù)據(jù)分組，這些數(shù)據(jù)分組可以來(lái)自于傳統(tǒng)IP網(wǎng)中的IP包。突發(fā)是光突發(fā)交換網(wǎng)中的基本交換單元，它由控制分組(BCP, Burst Control Packet,作用相當(dāng)于分組交換中的分組頭)與突發(fā)數(shù)據(jù)BP(凈載荷)兩部分組成。突發(fā)數(shù)據(jù)和控制分組在物理信道上是分離的，每個(gè)控制

12、分組對(duì)應(yīng)于一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)，這也是光突發(fā)交換的核心設(shè)計(jì)思想。例如，在WDM系統(tǒng)中，控制分組占用一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)，突發(fā)數(shù)據(jù)則占用所有其它波長(zhǎng)。  將控制分組和突發(fā)數(shù)據(jù)分離的意義在于控制分組可以先于突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，以彌補(bǔ)控制分組在交換節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程中O/E/O變換及電處理造成的時(shí)延。隨后發(fā)出的突發(fā)數(shù)據(jù)在交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全光交換透明傳輸，從而降低對(duì)光緩存器的需求，甚至降為零，避開(kāi)了目前光緩存器技術(shù)不成熟的缺點(diǎn)。并且，由于控制分組大小遠(yuǎn)小于突發(fā)包大小，需要O/E/O變換和電處理的數(shù)據(jù)大為減小，縮短了處理時(shí)延，大大提高了交換速度?？傉?在現(xiàn)代通信網(wǎng)中，全光網(wǎng)是未來(lái)寬帶通信的發(fā)展方向。光交換作為光網(wǎng)的核心技術(shù)，必然會(huì)承受更大的壓力和關(guān)注，這有助于其快速健康的發(fā)展。未來(lái)，基于電路交換的電信網(wǎng)必然要升級(jí)到以數(shù)據(jù)為重心以分組為基礎(chǔ)的新