第10章 光交換 優(yōu)質(zhì)ppt

1、感謝您的關(guān)注感謝您的關(guān)注通信工程1班蔣順第第10章章 光交換光交換概述概述 光路交換原理光路交換原理 光分組交換技術(shù)光分組交換技術(shù) 光交換的發(fā)展現(xiàn)狀和前景光交換的發(fā)展現(xiàn)狀和前景 10.410.110.210.310.1 概述10.1.1 什么是光交換？ 光交換(photonic switching)技術(shù)也是一種光纖通信技術(shù)，它是在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。與電子數(shù)字程控交換相比，光交換無須在光纖傳輸線路和交換機(jī)之間設(shè)置光端機(jī)進(jìn)行光/電（O/E）和電/光（E/O）交換，而且在交換過程中，還能充分發(fā)揮光信號的高速、寬帶和無電磁感應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。光交換分為光路交換和光分組交換。10.1.2

2、光交換的特點(diǎn) 1 、由于光交換不涉及到電信號，所以不會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)波長來對信號進(jìn)行路由和選路，與通信采用的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和傳輸速率無關(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。圖圖10-2 10-2 半導(dǎo)體光放大器及等效開關(guān)示意圖半導(dǎo)體光放大器及等效開關(guān)示意圖10.1.3 光交換的基本器件 實(shí)現(xiàn)光交換的設(shè)備是光交換機(jī)。 光交換器件是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。 光交換機(jī)的光交換器件有光開關(guān)、光波長轉(zhuǎn)換器和光存儲器等。 圖圖10-10-1 1 半導(dǎo)體光放大器及等效開關(guān)示意圖半導(dǎo)體

3、光放大器及等效開關(guān)示意圖1半導(dǎo)體光開關(guān)圖圖10-2 10-2 半導(dǎo)體光放大器及等效開關(guān)示意圖半導(dǎo)體光放大器及等效開關(guān)示意圖 圖圖10-2 10-2 半導(dǎo)體光放大器及等效開關(guān)示意圖半導(dǎo)體光放大器及等效開關(guān)示意圖2. 耦合波導(dǎo)開關(guān)耦合波導(dǎo)開關(guān)： 耦合波導(dǎo)開關(guān)有兩個輸入端和兩個輸出端，每個輸入和對應(yīng)的輸出形成一個光通道。耦合波導(dǎo)開關(guān)利用控制電機(jī)來控制光信號的輸出狀態(tài)。當(dāng)控制電極上不加電時，其中一個光通道上的光信號會完全耦合接到另一個光通道上，形成光信號的交叉連接；當(dāng)控制電極上加電時，原先耦合到另外的光通路上的光信號會耦合回到原先的光通道上，形成光信號的平行連接。圖圖10-2 10-2 半導(dǎo)體光放大器

4、及等效開關(guān)示意圖半導(dǎo)體光放大器及等效開關(guān)示意圖 10-10-3 3 光波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意光波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖圖3. 光波長轉(zhuǎn)換器光波長轉(zhuǎn)換器： 當(dāng)一個波長為i的光信號輸入時，由一個被稱為光電探測器的器件把它轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電信號，然后通過外調(diào)制器調(diào)制或激光器把這個信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€波長為i的輸出光信號。10.2 光路交換原理 10.2.1 空分光交換 光信號的分割復(fù)用方式有空分、時分和波分三種，因而光交換相應(yīng)地也存在空分、時分和波分三種光交換，它們分別完成空分信道、時分信道和波分信道的交換。 空分光交換基本原理是將光交換組成門（Gate）陣列開關(guān)，并適當(dāng)控制門陣列開關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光

5、纖之間構(gòu)成通路。 10.2.2 時分光交換 時分光交換的基本原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時分多路復(fù)用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種技術(shù)下，可以時分復(fù)用各個光器件，能夠減少硬件設(shè)備，構(gòu)成大容量的光交換機(jī)。 10.2.3 波分光交換 波分光交換其原理是對于波分復(fù)用信號使用不同的波長來區(qū)別各路原始信號，通過改變輸入光信號的波長，把某個波長的光信號變換成另一個波長的光信號輸出，即實(shí)現(xiàn)波長互換，從而實(shí)現(xiàn)對各路原始信號的交換。 10.3 光分組交換技術(shù)光分組交換技術(shù)光分組交換技術(shù) 其結(jié)構(gòu)模型主要包括一系列其結(jié)構(gòu)模型主要包括一系列復(fù)用器復(fù)用器/解復(fù)用器、輸入接口、輸解復(fù)

6、用器、輸入接口、輸出接口、交換矩陣、光存儲器、出接口、交換矩陣、光存儲器、波長變換器以及交換控制單元等波長變換器以及交換控制單元等模塊。模塊。 這種方式類似于電交這種方式類似于電交換的電路交換，在數(shù)據(jù)傳換的電路交換，在數(shù)據(jù)傳輸過程中要建立和拆除通輸過程中要建立和拆除通信通道，當(dāng)通信連接保持信通道，當(dāng)通信連接保持時間比較短時，這種方式時間比較短時，這種方式的信道利用率低，因此，的信道利用率低，因此，它并不適合它并不適合Internet業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)。 ATM光交換遵循電信光交換遵循電信號領(lǐng)域號領(lǐng)域ATM交換的基本原交換的基本原理，采用波分復(fù)用、電或理，采用波分復(fù)用、電或光緩沖技術(shù)，先對信元波光緩沖技

7、術(shù)，先對信元波長進(jìn)行選路，依照信元的長進(jìn)行選路，依照信元的波長，將信元選路到輸出波長，將信元選路到輸出端口的光緩沖存儲器中。端口的光緩沖存儲器中。 透明光分透明光分組交換組交換 光突發(fā)分光突發(fā)分組交換組交換ATM光交光交換換10.3.1 透明光分組交換技術(shù)透明光分組交換技術(shù)1. 交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型交換矩陣光存儲器波長變換器輸入接口輸出接口交換控制單元解復(fù)用器復(fù)用器11NN功能功能將分組按波長分開完成對分組在交換矩陣中選路的控制功能完成信號的選路功能將分組按波長進(jìn)行復(fù)用分組頭包括分組頭同步比特和路由標(biāo)記分組頭包括分組頭同步比特和路由標(biāo)記 載荷則包括載荷同步比特和凈荷載荷則包括載荷同步比特和凈荷 在

8、分組頭和載荷中間存在一定的保護(hù)時隙。為了補(bǔ)償光器件在分組頭和載荷中間存在一定的保護(hù)時隙。為了補(bǔ)償光器件的交換時間、凈荷在節(jié)點(diǎn)處可能存在的抖動以及在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換時間、凈荷在節(jié)點(diǎn)處可能存在的抖動以及在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處同步單元的有限沖突，在分組頭前和載荷后都要插入保護(hù)處同步單元的有限沖突，在分組頭前和載荷后都要插入保護(hù)時隙時隙 為了在交換節(jié)點(diǎn)和采用光纖延長線的分組緩存中簡化同步的為了在交換節(jié)點(diǎn)和采用光纖延長線的分組緩存中簡化同步的操作，光分組采用具有固定比特率的分組頭操作，光分組采用具有固定比特率的分組頭 凈荷只是具有固定的時隙，但是比特率是可變的凈荷只是具有固定的時隙，但是比特率是可變的2. 光分組交

9、換的幀格式 3. 網(wǎng)絡(luò)參考模型網(wǎng)絡(luò)參考模型接受接受OTP層提供的服務(wù)層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)分組比特率和傳輸方式實(shí)現(xiàn)分組比特率和傳輸方式的透明性，改進(jìn)了光傳輸網(wǎng)的透明性，改進(jìn)了光傳輸網(wǎng)的寬帶利用率，增加了網(wǎng)絡(luò)的寬帶利用率，增加了網(wǎng)絡(luò)的靈活性的靈活性對應(yīng)于地域上更廣闊的對應(yīng)于地域上更廣闊的WDM光傳輸網(wǎng)，利用波長光傳輸網(wǎng)，利用波長交換和空間交換進(jìn)行信號透交換和空間交換進(jìn)行信號透明的路由明的路由OTP層：光透明分組層高層透明光傳輸層OTP層光分組交換分層網(wǎng)絡(luò)參考模型光透明分組層的參考結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)匯聚子層（DCSL）、網(wǎng)絡(luò)子層（NSL）、鏈路子層（LSL）、波長匯聚子層（WCSL） 突發(fā)突發(fā)由具有相同出口邊

10、緣路由器地址和相同服務(wù)質(zhì)量要求的分組（包括由具有相同出口邊緣路由器地址和相同服務(wù)質(zhì)量要求的分組（包括IP分組、以分組、以太網(wǎng)幀、幀中繼幀等）匯聚而成，它是太網(wǎng)幀、幀中繼幀等）匯聚而成，它是OBS的基本交換單元。的基本交換單元。 偏置時間偏置時間在在OBS中，控制分組先于突發(fā)數(shù)據(jù)分組傳送，偏置時間是控制分組和它相對應(yīng)中，控制分組先于突發(fā)數(shù)據(jù)分組傳送，偏置時間是控制分組和它相對應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)分組之間的時間間隔。的突發(fā)數(shù)據(jù)分組之間的時間間隔。 JET協(xié)議協(xié)議JET協(xié)議有兩個重要的特征：一是控制分組包含必需的突發(fā)數(shù)據(jù)的光信道路由協(xié)議有兩個重要的特征：一是控制分組包含必需的突發(fā)數(shù)據(jù)的光信道路由信息、突發(fā)長

11、度和偏置時間信息；另一個重要特征是延遲預(yù)留，它僅僅預(yù)留突信息、突發(fā)長度和偏置時間信息；另一個重要特征是延遲預(yù)留，它僅僅預(yù)留突發(fā)數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的鏈路帶寬資源發(fā)數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的鏈路帶寬資源10.3.2 光突發(fā)交換技術(shù)（光突發(fā)交換技術(shù)（OBS)OBS基本概念OBS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型OBS控制分組結(jié)構(gòu)控制分組結(jié)構(gòu)控制分組幀間隔幀間隔同步標(biāo)簽波長IDCos偏置時間突發(fā)大小CRCCos：服務(wù)類別光交換的發(fā)展現(xiàn)狀和前景光交換的發(fā)展現(xiàn)狀和前景 10.41、智能自動化 智能自動交換光網(wǎng)絡(luò)即網(wǎng)絡(luò)的管理和控制具有智能化特點(diǎn)，能夠動態(tài)、自動地完成端到端光通道的建立、拆除和修改。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，應(yīng)該能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?/p>

12、、可用的資源信息、配置信息等動態(tài)指配最佳恢復(fù)路由。對這種技術(shù)的需求源自互聯(lián)網(wǎng)容量的增長。容量的增長要求光交換層的交換能力不斷增強(qiáng)，使之向更易于管理、更加靈活和更具有健壯性，同時業(yè)務(wù)指配和故障恢復(fù)也能夠更快地自動完成并具有智能性的方向發(fā)展。近期，在組網(wǎng)技術(shù)方面的兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展使得對光網(wǎng)絡(luò)帶寬的動態(tài)指配成為可能。首先是可重構(gòu)型的光聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的開發(fā)成功，如光交叉連接器和光分插復(fù)用器，使得由運(yùn)營商動態(tài)支配帶寬成為現(xiàn)實(shí)。另外，由于在IP路由器、ATM交換機(jī)等設(shè)備中強(qiáng)化了新的流量技術(shù)和路由技術(shù)，使這些設(shè)備具有了動態(tài)決定增減帶寬的能力。這兩種技術(shù)的使用，為傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)引入了智能控制和管理信令，從而使光網(wǎng)絡(luò)具有了

13、智能性和自動性，為發(fā)展按需分配帶寬和買賣帶寬的新型商業(yè)模式提供了條件。2、全光交換所謂全光交換是指從波長到波長的轉(zhuǎn)換，基于這種技術(shù)的光交換或波長路由器能使網(wǎng)絡(luò)配置更靈活，使運(yùn)營商可以在光骨干網(wǎng)中方便地提供OC-1到光波長的業(yè)務(wù)，把選路定位在波長上而不是光纖上，遇到故障可以自動恢復(fù)工作。由于無須ATM交換機(jī)、SONET ADM和數(shù)字交叉連接器等設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)將得到大大簡化。近期在光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)熱潮中，運(yùn)營商和制造商都顯示出了對全光交換設(shè)備的濃厚興趣，預(yù)計(jì)成熟的產(chǎn)品很快就能面世。 現(xiàn)代波分復(fù)用（WDM）、空分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用等復(fù)用技術(shù)的出現(xiàn)，豐富了光信號交換和控制的方式，使得全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

14、呈現(xiàn)出全新的面貌。專家認(rèn)為，未來全光網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)架可能就是以WDM技術(shù)為主導(dǎo)，結(jié)合光時分復(fù)用（OTDM）和光碼分復(fù)用（OCDMA）技術(shù)。OTDM技術(shù)可以使一個固定波長的光波攜帶信息量十幾倍、幾十倍地增長，OCDMA則提供一種全光的接入方式。3、光交換機(jī)多樣化目前市場上出現(xiàn)的光交換機(jī)大多數(shù)是基于光電和光機(jī)械的，隨著光交換技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，基于熱學(xué)、液晶、聲學(xué)、微機(jī)電技術(shù)的光交換機(jī)將會逐步被研究和開發(fā)出來。由光電交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)的交換機(jī)通常在輸入輸出端各有兩個有光電晶體材料的波導(dǎo)，而最新的光電交換機(jī)則采用了鋇鈦材料，這種交換機(jī)使用了一種分子束取相附生的技術(shù)，與波導(dǎo)交換機(jī)相比，該交換機(jī)消耗的能量比較

15、小?；诠鈾C(jī)械技術(shù)的光交換機(jī)是目前比較常見的交換設(shè)備，該交換機(jī)通過移動光纖終端或棱鏡來來將線引導(dǎo)或反射到輸出光纖，實(shí)現(xiàn)輸入光信號的機(jī)械交換。光機(jī)械交換機(jī)交換速度為毫秒級，但它成本較低，設(shè)計(jì)簡單和光性能較好，而得到廣泛應(yīng)用。使用熱光交換技術(shù)的交換機(jī)由受熱量影響較大的聚合體波導(dǎo)組成，它在交換數(shù)據(jù)信息時，由分布于聚合體堆中的薄膜加熱元素控制。當(dāng)電流通過加熱器時，它改變波導(dǎo)分支區(qū)域內(nèi)的熱量分布，從而改變折射率，將光從主波導(dǎo)引導(dǎo)自目的分支波導(dǎo)。熱光交換機(jī)體積非常小，能實(shí)現(xiàn)微秒級的交換速度。隨著液晶技術(shù)的成熟，液晶光交換機(jī)將會成為光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個重要設(shè)備，該交換設(shè)備主要由液晶片、極化光束分離器、成光束調(diào)相器組成，而液晶在交換機(jī)中的主要作用是旋轉(zhuǎn)入射光的極化角。當(dāng)電極上沒有電壓時，經(jīng)過液晶片的光線極化角為90，當(dāng)有電壓加在液晶片的電極上時，入射光束將維持它的極化狀態(tài)不變。而由聲光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光交換設(shè)備，因其中加入了橫向聲波，從而可以將光線從一根光纖準(zhǔn)確地引導(dǎo)到另一根光纖，該類型的交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)微秒級的交換速度，可方便地構(gòu)成端口較少的交換機(jī)。但它不適合用于矩陣交換機(jī)。另外，市場上目前又開發(fā)了基于不同類型的特殊微光器件的光交換機(jī)，這種類型的交換機(jī)可以由小型化的機(jī)械系統(tǒng)激活，而且它的體積小，集成度高，可大規(guī)模生產(chǎn)，