光纖通信 第五章 光交換技術(shù)

第5章光交換技術(shù)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1本章內(nèi)容：5.1光交換概述5.2光交換器件及設(shè)備5.3光突發(fā)交換5.4光分組交換25.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光波長(zhǎng)路由交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較35.1光交換概述光網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)：傳輸透明性+高度生存性光網(wǎng)絡(luò)支持技術(shù)：光放大+光信息處理+光交換+光監(jiān)控技術(shù)41光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景傳統(tǒng)的電交換機(jī)結(jié)構(gòu)Fiber/wavelengthFiber/wavelength電交換估算：一個(gè)波長(zhǎng)40Gbit/s，每根光纖50個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)交換機(jī)20個(gè)端口?？?cè)萘恳螅?0Gb/s×50×20=40Tbit/s.51光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景傳統(tǒng)的電交換存在的問(wèn)題：1）電子處理速率無(wú)法跟上光信號(hào)的傳輸速率導(dǎo)致電子瓶頸

2）經(jīng)過(guò)許多的串并和并串轉(zhuǎn)換規(guī)模大，系統(tǒng)復(fù)雜

3）大量光電和電光轉(zhuǎn)換器件成本高，能耗高

解決辦法：將交換從電域移到光域?qū)崿F(xiàn)；實(shí)現(xiàn)光傳輸和光交換的無(wú)縫結(jié)合。6現(xiàn)有的光交換類型：1）光線路交換：OpticalCircuitSwitching(OCS)，實(shí)質(zhì)上是光波長(zhǎng)交換。2）光分組交換：OpticalPacketSwitching(OPS)。3）光突發(fā)交換：OpticalBurstSwitching(OBS)。1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景75.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光線路交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較82光線路交換技術(shù)（OCS）12OXC3光線路交換：

1）在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間建立波長(zhǎng)通道——波長(zhǎng)分配；

2）交換節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)路由功能——波長(zhǎng)交換。92光線路交換技術(shù)（OCS）OCS的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想： 將原本在SDH/SONET層完成的某些功能（如業(yè)務(wù)適配等）移到光網(wǎng)絡(luò)層上來(lái)完成。

SDH中的兩個(gè)重要網(wǎng)絡(luò)元素：DXC

ADM

OCS交換網(wǎng)中的兩個(gè)元素：OXCOADM102光線路交換技術(shù)（OCS）DXC123O/EE/OE/O特點(diǎn)：1）光電轉(zhuǎn)換；2）實(shí)時(shí)解析每幀，實(shí)現(xiàn)交叉輸出。3）時(shí)分復(fù)用SDH中的交叉連接11OXC1232光線路交換技術(shù)（OCS）OCS中的交叉連接特點(diǎn)：1）無(wú)光電轉(zhuǎn)換；2）不需要實(shí)時(shí)解析每幀，根據(jù)波長(zhǎng)選擇路由；3）波分復(fù)用。122光線路交換技術(shù)（OCS）同理：SDH中的ADM特點(diǎn)：1）光電轉(zhuǎn)換；2）解析幀；3）TDM。OCS中OADM特點(diǎn)：1）無(wú)光電轉(zhuǎn)換；2）不解析幀；3）WDM區(qū)別：SDH：某一輸入端口中一個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)中的幀可以輸出到不同的端口；OXC：某一輸入端口中一個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)中的所有幀都將輸出到同一個(gè)輸出端口。132光線路交換技術(shù)（OCS）OCS通過(guò)不同的波長(zhǎng)建立節(jié)點(diǎn)之間的連接，波長(zhǎng)是一個(gè)寶貴的資源。問(wèn)題：對(duì)于100個(gè)波長(zhǎng)能夠建立多少個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的全連接？如何來(lái)提高波長(zhǎng)利用率呢？12OXC312OXC3方案1：方案2：虛波長(zhǎng)142光線路交換技術(shù)（OCS）MPLS：多協(xié)議標(biāo)簽交換L1L2L2L1MPλS：多協(xié)議波長(zhǎng)交換λ1λ2λ1λ2GMPLS：通用多協(xié)議標(biāo)簽交換15路由協(xié)議，信令協(xié)議在控制面上統(tǒng)一2光線路交換技術(shù)（OCS）OXC123OCS存在的問(wèn)題：1）波長(zhǎng)粒度粗→不適合突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸；2）波長(zhǎng)數(shù)目有限→不適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的需求。165.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光線路交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較173光分組交換技術(shù)（OPS）光分組交換系統(tǒng)：183光分組交換技術(shù)（OPS）光分組交換原理：模仿電域交換的處理過(guò)程，將電處理通過(guò)光處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。電域光域RAM緩存光纖包頭識(shí)別分組頭識(shí)別Crossbar光交換矩陣調(diào)度調(diào)度標(biāo)簽更新光標(biāo)簽更新最大的特點(diǎn)：從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)，凈荷信號(hào)始終在光域存在。193光分組交換技術(shù)（OPS）光分組交換是最理想的一種光交換形式。光交換的實(shí)現(xiàn)存在著許多的技術(shù)難題，是研究領(lǐng)域的前沿問(wèn)題和難點(diǎn)問(wèn)題。最大的瓶頸是：

1）光邏輯器件

2）光隨機(jī)存儲(chǔ)器203光分組交換技術(shù)（OPS）現(xiàn)有光分組交換的主要實(shí)現(xiàn)形式：

1）分組頭（低速）光電轉(zhuǎn)換后，用電進(jìn)行處理；

2）凈荷（高速）全光透明傳輸。仍是一種電控光交換形式，還不是全光交換。OPS的優(yōu)點(diǎn)：

1）線速交換，交換速度快；

2）交換粒度小，統(tǒng)計(jì)復(fù)用率高，適合突發(fā)業(yè)務(wù)。OPS存在的問(wèn)題：分組亂序到達(dá)。215.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光線路交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較224光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）光突發(fā)交換原理：234光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）光突發(fā)交換思想：

1）粒度上：突發(fā)包，介于光波長(zhǎng)粒度和光分組粒度之間；

2）技術(shù)上：光的傳輸（凈荷），電的處理（控制分組）。

3）實(shí)現(xiàn)上：偏置時(shí)間和調(diào)度。245.1光交換概述1光交換技術(shù)產(chǎn)生的背景2光線路交換技術(shù)（OCS）3光分組交換技術(shù)（OPS）4光突發(fā)交換技術(shù)（OBS）5光交換技術(shù)比較255光交換技術(shù)比較

光交換模式交換粒度帶寬利用率網(wǎng)絡(luò)靈活性適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)難度和復(fù)雜性電路交換（波長(zhǎng)路由）粗糙低低低光分組交換好高高高、還不成熟光突發(fā)交換中等較高中中等幾種光交換的比較發(fā)展趨勢(shì)：OCSOPSOBS26本章內(nèi)容：5.1光交換概述5.2光交換器件及設(shè)備5.3光突發(fā)交換5.4光分組交換275.2光交換器件及設(shè)備1光開(kāi)關(guān)技術(shù)2波長(zhǎng)變換技術(shù)3光分插復(fù)用器4光交叉連接281光開(kāi)關(guān)技術(shù)光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)的概念：（1）OFFON（2）光開(kāi)關(guān)switch29各種光開(kāi)關(guān)技術(shù)分類與比較：

1光開(kāi)關(guān)技術(shù)301）損耗；2）隔離度；3）消光比；4）偏振敏感性；5）開(kāi)關(guān)時(shí)間；6）開(kāi)關(guān)規(guī)模；7）開(kāi)關(guān)尺寸。評(píng)價(jià)光開(kāi)關(guān)的主要指標(biāo)：1光開(kāi)關(guān)技術(shù)幾種典型的光開(kāi)關(guān)：

（1）電光開(kāi)關(guān)

電極電極V—V鈮酸鋰波導(dǎo)31（1）電光開(kāi)關(guān)

1光開(kāi)關(guān)技術(shù)工作原理：電光效應(yīng)特點(diǎn)：

1）損耗小；

2）隔離度高；

3）消光比大；

4）偏振相關(guān)；

5）開(kāi)關(guān)時(shí)間快（ns量級(jí)）；

6）開(kāi)關(guān)規(guī)模（易于級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大端口數(shù)）；

7）開(kāi)關(guān)尺寸（易于集成）。321光開(kāi)關(guān)技術(shù)（2）聲光開(kāi)關(guān)

換能器V1級(jí)衍射光衍射角可以通過(guò)聲波頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。331光開(kāi)關(guān)技術(shù)（2）聲光開(kāi)關(guān)

工作原理：聲光效應(yīng)，產(chǎn)生光衍射。特點(diǎn)：

1）損耗大；

2）隔離度中；

3）消光比中；

4）偏振相關(guān)；

5）開(kāi)關(guān)時(shí)間快（微秒量級(jí)）；

6）開(kāi)關(guān)規(guī)模?。?/p>

7）開(kāi)關(guān)尺寸大。341光開(kāi)關(guān)技術(shù)（3）熱光開(kāi)關(guān)

1×2（Y型）：2×2（MZI型）：351光開(kāi)關(guān)技術(shù)（3）熱光開(kāi)關(guān)

工作原理：熱光效應(yīng)，加熱產(chǎn)生折射率變化。特點(diǎn)：

1）損耗小；

2）隔離度高；

3）消光比高；

4）偏振相關(guān)（波導(dǎo)）；

5）開(kāi)關(guān)時(shí)間慢；

6）開(kāi)關(guān)規(guī)模大（可級(jí)聯(lián)）；

7）開(kāi)關(guān)尺寸?。ㄒ准桑?61光開(kāi)關(guān)技術(shù)（4）微電子機(jī)械光開(kāi)關(guān)（MEMS）（MEMS：micro-electromechanicalsystems）大?。簬装傥⒚?71光開(kāi)關(guān)技術(shù)（4）微電子機(jī)械光開(kāi)關(guān)（MEMS）工作原理：微機(jī)械控制，反射鏡旋轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：

1）損耗大；

2）隔離度高；

3）消光比高；

4）偏振無(wú)關(guān)；

5）開(kāi)關(guān)時(shí)間慢；

6）開(kāi)關(guān)規(guī)模大（增大微鏡數(shù)量）；

7）開(kāi)關(guān)尺寸中。381光開(kāi)關(guān)技術(shù)（5）液晶光開(kāi)關(guān)電極V關(guān)鍵點(diǎn)：（1）不加電壓，偏振旋轉(zhuǎn)90度；（2）加電壓，偏振不旋轉(zhuǎn)。液晶優(yōu)點(diǎn)：光電系數(shù)為鈮酸鋰幾百萬(wàn)倍。39工作原理：電光效應(yīng)，偏振旋轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：

1）損耗?。?/p>

2）隔離度高；

3）消光比高；

4）偏振相關(guān)；

5）開(kāi)關(guān)時(shí)間慢（ms量級(jí)）；

6）開(kāi)關(guān)規(guī)模中；

7）開(kāi)關(guān)尺寸中。1光開(kāi)關(guān)技術(shù)（5）液晶光開(kāi)關(guān)401光開(kāi)關(guān)技術(shù)（6）氣泡光開(kāi)關(guān)無(wú)氣泡匹配液加熱氣泡工作原理：加熱產(chǎn)生氣泡，全反射。415.2光交換器件及設(shè)備1光開(kāi)關(guān)技術(shù)2波長(zhǎng)變換技術(shù)3光分插復(fù)用器4光交叉連接422波長(zhǎng)變換技術(shù)無(wú)波長(zhǎng)變換：波長(zhǎng)連續(xù)性約束波長(zhǎng)變換：無(wú)波長(zhǎng)連續(xù)性約束432波長(zhǎng)變換技術(shù)波長(zhǎng)變換技術(shù)分類（1）O/E/O波長(zhǎng)變換：PINLD光信號(hào)電信號(hào)再生光信號(hào)（2）全光波長(zhǎng)變換（AOWC）：光信號(hào)全光波長(zhǎng)變換器光信號(hào)442波長(zhǎng)變換技術(shù)

以半導(dǎo)體光放大器為基礎(chǔ)的全光波長(zhǎng)變換器（1）交叉增益調(diào)制（XGM-SOA）（2）交叉相位調(diào)制（XPM-SOA）（3）四波混頻效應(yīng)（FWM-SOA）全光波長(zhǎng)變換器的實(shí)現(xiàn)方法：

1）基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的波長(zhǎng)變換

452）基于光纖的波長(zhǎng)變換2波長(zhǎng)變換技術(shù)----基于SOA的波長(zhǎng)變換

（1）交叉增益調(diào)制（XGM-SOA）SOA增益飽和效應(yīng)特點(diǎn)：1）變換后的信號(hào)反轉(zhuǎn)；2）消光比不高。46

（2）交叉相位調(diào)制（XPM-SOA）SOASOA光濾波器Ph=0Ph=π無(wú)信號(hào)輸出信號(hào)光探測(cè)光特點(diǎn)：1）變換后的信號(hào)可相同或反轉(zhuǎn)；2）光功率要求嚴(yán)格。472波長(zhǎng)變換技術(shù)----基于SOA的波長(zhǎng)變換

（3）四波混頻（FWM-SOA）SOA特點(diǎn)：1）信號(hào)同向；2）轉(zhuǎn)換效率低。

共軛光信息頻率：2fpump-fi482波長(zhǎng)變換技術(shù)----基于SOA的波長(zhǎng)變換

2）基于光纖的全光波長(zhǎng)變換器——交叉相位調(diào)制（XPM）

492波長(zhǎng)變換技術(shù)----基于光纖的波長(zhǎng)變換5.2光交換器件及設(shè)備1光開(kāi)關(guān)技術(shù)2波長(zhǎng)變換技術(shù)3光分插復(fù)用器4光交叉連接503光分插復(fù)用器OADMOADM的功能：

上路下路513光分插復(fù)用器OADM的分類：

OADM（1）固定的；（2）可重構(gòu)的。523光分插復(fù)用器可重構(gòu)的光分插復(fù)用器（ROADM）。（1）波長(zhǎng)選擇型（wavelengthselective,WS）。問(wèn)題：請(qǐng)問(wèn)這是一個(gè)？×？的光交換矩陣53可重構(gòu)的光分插復(fù)用器（ROADM）。3光分插復(fù)用器（2）廣播選擇型（broadcastselective,BS）。光分路器、光耦合器545.2光交換器件及設(shè)備1光開(kāi)關(guān)技術(shù)2波長(zhǎng)變換技術(shù)3光分插復(fù)用器4光交叉連接器554光交叉連接器光交叉連接（OpticalCross-Connect,OXC）。分類：（1）靜態(tài)固定配置；（2）動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。5612OXC34光交叉連接器（1）靜態(tài)固定配置：請(qǐng)問(wèn)這種OXC如何擴(kuò)展呢？5712OXC3虛波長(zhǎng)4光交叉連接器（2）動(dòng)態(tài)可重構(gòu)配置OXC：因此動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的OXC，即光交換矩陣。584光交叉連接器（2）動(dòng)態(tài)可重構(gòu)配置OXC（光交換矩陣）的實(shí)現(xiàn)方法Banyan結(jié)構(gòu)594光交叉連接器（2）動(dòng)態(tài)可重構(gòu)配置OXC：不配有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器配有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器60本章內(nèi)容：5.1光交換概述5.2光交換器件及設(shè)備5.3光突發(fā)交換5.4光分組交換615.3光突發(fā)交換1光突發(fā)交換概述2光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)3光突發(fā)交換協(xié)議4光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能621光突發(fā)交換概述光突發(fā)交換（OpticalBurstSwitching，OBS）BurstControlPacket,BCP資源預(yù)約Offsettime業(yè)務(wù)匯聚635.3光突發(fā)交換1光突發(fā)交換概述2光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)3光突發(fā)交換協(xié)議4光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能642光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)OBS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：（1）由邊緣節(jié)點(diǎn)和核心節(jié)點(diǎn)組成；（2）使用GMPLS協(xié)議。652.光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)功能：業(yè)務(wù)匯聚。邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：662光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)功能：調(diào)度和交換。補(bǔ)償BCP的處理時(shí)延端口競(jìng)爭(zhēng)675.3光突發(fā)交換1光突發(fā)交換概述2光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)3光突發(fā)交換協(xié)議4光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能683光突發(fā)交換協(xié)議主要要解決的問(wèn)題：資源預(yù)約。BCP預(yù)約時(shí)間burst優(yōu)化目標(biāo)：

1）帶寬利用率

2）服務(wù)質(zhì)量（丟包率，時(shí)延等）69資源預(yù)約的方法：1）RFD：ReserveaFixedDuration3光突發(fā)交換協(xié)議BCP預(yù)約時(shí)間burst2）TAG：TellAndGoBCPburstBCP預(yù)約釋放703光突發(fā)交換協(xié)議資源預(yù)約的方法：3）IBT：InBandTerminatorBCPburst預(yù)約釋放TerminatorInBand713光突發(fā)交換協(xié)議--舉例資源預(yù)約的方法RFD（ReserveaFixedDuration）的代表：JET（JustEnoughTime）協(xié)議特征：1）延遲預(yù)留（DR）；2）FDL緩存。BCP可預(yù)約時(shí)間burst工作原理：OffsettimeBurstlengthFDL723光突發(fā)交換協(xié)議（1）JET時(shí)序T

≥

n×δ交換節(jié)點(diǎn)對(duì)BCP的處理時(shí)間733光突發(fā)交換協(xié)議（2）延遲預(yù)約t’控制分組離開(kāi)時(shí)間t2>t1+l1

或

t2+l2<t1

則信源2可成功預(yù)約帶寬74延遲預(yù)約：3光突發(fā)交換協(xié)議BCPburstBCPburstburstburstBCPBCPBCPburstBCPburstburstburstBCPBCP可能性1：可能性2：753光突發(fā)交換協(xié)議（3）區(qū)別預(yù)約DIR：DifferentiatedReservation.目的：對(duì)優(yōu)先級(jí)別的支持。原理：高優(yōu)先級(jí)可預(yù)約時(shí)間長(zhǎng)；低優(yōu)先級(jí)可預(yù)約時(shí)間短。實(shí)例：Class0：低優(yōu)先級(jí)，Tbase=0；Class1：高優(yōu)先級(jí)，Tbase+Textra?？深A(yù)約765.3光突發(fā)交換1光突發(fā)交換概述2光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)3光突發(fā)交換協(xié)議4光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能774光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)性能突發(fā)阻塞概率與負(fù)載、波長(zhǎng)通道數(shù)目的關(guān)系78本章內(nèi)容：5.1光交換概述5.2光交換器件及設(shè)備5.3光突發(fā)交換5.4光分組交換795.4光分組交換80光分組交換概述5.4光分組交換1光分組格式和標(biāo)簽處理2競(jìng)爭(zhēng)解決問(wèn)題811光分組格式和標(biāo)簽處理實(shí)現(xiàn)光分組交換存