圖解全光網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)：光交換技術(shù)

    現(xiàn)代通信網(wǎng)中，密集波分復(fù)用（DWDM）光傳送網(wǎng)絡(luò)充分利用光纖的巨大帶寬資源來滿足各種通信業(yè)務(wù)爆炸式增長的需要。然而，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸與交換仍然采用如IP over ATM 、IP over SDH等多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，不僅開銷巨大，而且必須在中轉(zhuǎn)節(jié)點經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，無法充分利用底層DWDM帶寬資源和強大的波長路由能力。為了克服光網(wǎng)絡(luò)中的電子瓶頸，具有高度生存性的全光網(wǎng)絡(luò)成為寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標。而光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個重要支撐技術(shù)，它的全光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，可以這樣說光交換技術(shù)的發(fā)展在某種程度上也決定了全光通信的發(fā)展。

    一、光交換的定義與特點　　

    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。光交換系統(tǒng)主要由輸入接口、光交換矩陣、輸出接口和控制單元四部分組成，如圖1所示。

圖1

    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行光電轉(zhuǎn)換，而在輸出端需完成電光轉(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換。

    隨著通信網(wǎng)絡(luò)逐漸向全光平臺發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、路由、保護和自愈功能在光通信領(lǐng)域中越來越重要。采用光交換技術(shù)可以克服電子交換的容量瓶頸問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性，提高網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級成本。

    目前，光交換技術(shù)可分成光的電路交換（OCS）和光分組交換（OPS）兩種主要類型。光的電路交換類似于現(xiàn)存的電路交換技術(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：

    （1） 光時分交換技術(shù)，時分復(fù)用是通信網(wǎng)中普遍采用的一種復(fù)用方式，時分光交換就是在時間軸上將復(fù)用的光信號的時間位置t1轉(zhuǎn)換成另一個時間位置t2

    （2） 光波分交換技術(shù)，是指光信號在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中不經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換，直接將所攜帶的信息從一個波長轉(zhuǎn)移到另一個波長上。

    （3） 光空分交換技術(shù)，即根據(jù)需要在兩個或多個點之間建立物理通道，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

    （4） 光碼分交換技術(shù)，光碼分復(fù)用（OCDMA）是一種擴頻通信技術(shù)，不同戶的信號用互成正交的不同碼序列填充，接受時只要用與發(fā)送方相同的法序列進行相關(guān)接受，即可恢復(fù)原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個正交碼上的光信號交換到另一個正交碼上，實現(xiàn)不同碼子之間的交換。

    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)Gb/s的流量，很難按照用戶的需求靈活地進行帶寬的動態(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：

    （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、凈荷和保護時間三部分。在交換系統(tǒng)的輸入接口完成光分組讀取和同步功能，同時用光纖分束器將一小部分光功率分出送入控制單元，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，并解決輸出端口競爭。最后輸出接口通過輸出同步和再生模塊，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再生。

    （2） 光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)，它的特點是數(shù)據(jù)分組和控制分組獨立傳送，在時間上和信道上都是分離的，它采用單向資源預(yù)留機制，以光突發(fā)作為最小的交換單元。OBS克服了OPS的缺點，對光開關(guān)和光緩存的要求降低，并能夠很好的支持突發(fā)性的分組業(yè)務(wù)，同時與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。被認為很有可能在未來互聯(lián)網(wǎng)中扮演關(guān)鍵角色

    （3） 光標記分組交換（OMPLS）技術(shù)，也稱為GMPLS或多協(xié)議波長交換（MPλS）.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。由MPLS控制平面運行標簽分發(fā)機制，向下游各節(jié)點發(fā)送標簽，標簽對應(yīng)相應(yīng)的波長，由各節(jié)點的控制平面進行光開關(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)，實現(xiàn)全光狀態(tài)下的IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。

    三、組成光交換系統(tǒng)的核心器件　　

    （1）光開關(guān)器件　　

光開關(guān)是構(gòu)成OXC、OADM的主要器件，目前制作光開關(guān)的技術(shù)主要有：陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、半導(dǎo)體光放(SOA)開關(guān)、LiNbO3聲光開關(guān)(AOTS)和電光開關(guān)、微電子機械光開關(guān)（MEMS）、液晶光開關(guān)、噴墨氣泡技術(shù)光開關(guān)、全息光開關(guān)等。

    （2）光緩存器件　　

    光緩存時光分組交換的關(guān)鍵技術(shù)，目前還沒有全光的隨機存儲器，只能通過無源的光纖延時線(FDL)或有源的光纖環(huán)路來模擬光緩存功能。常見的光緩存結(jié)構(gòu)有：可編程的并聯(lián)FDL陣列、串聯(lián)FDL陣列和有源光纖環(huán)路

圖2

    （3）光邏輯器件

該類器件由光信號控制它的狀態(tài)，用來完成各類布爾邏輯運算。目前光邏輯器件的功能還較簡單，比較成熟的技術(shù)有對稱型自電光效應(yīng)（S-SEED）器件、基于多量子阱DFB的光學(xué)雙穩(wěn)器件和基于非線性光學(xué)的與門等。

    （4）波長變換器

全光波長轉(zhuǎn)換器是波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)及全光交換網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部件。 波長轉(zhuǎn)換器有多種結(jié)構(gòu)和機制，目前研究較為成熟的是以半導(dǎo)體光放大器(SOA)為基礎(chǔ)的波長轉(zhuǎn)換器 ,包括交叉增益飽和調(diào)制型 (XGM SOA)、交叉相位調(diào)制型 (XPM SOA)以及四波混頻型波長轉(zhuǎn)換器 (FWM SOA)等。

    四、光交換技術(shù)的未來發(fā)展展望　　

    市場和用戶是決定光網(wǎng)絡(luò)去向何方的重要因素。目前光的電路交換技術(shù)已發(fā)展的較為成熟，進入實用化階段。光分組交換作為更加高速、高效、高度靈活的交換技術(shù)，其能夠支持各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式——計算機通信數(shù)據(jù)、話音、圖表、視頻數(shù)據(jù)和高保真音頻數(shù)據(jù)的交換。自十九世紀七十年代以來，分組交換網(wǎng)經(jīng)歷了從X.25網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)、信元中繼網(wǎng)、ISDN到ATM網(wǎng)的不斷演進，以至今天的OPS網(wǎng)成為被廣泛關(guān)注和研究的熱點。超大帶寬的OPS技術(shù)易于實現(xiàn)10Gb/s速率以上的操作，且對數(shù)據(jù)格式與速率完全透明，更能適應(yīng)當今快速變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能為運營商和用戶帶來更大的收益。在更加實用化的光緩存器件和光邏輯器件產(chǎn)生以前，對二者要求不是很高的OBS以及OMPLS技術(shù)作為OPS的過渡性解決方案，將會成為市場的主流。

    光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)由過去的點到點WDM鏈路發(fā)展到今天面向連接的OADM/OXC和自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)，再演進到下一代DWDM基礎(chǔ)上寬帶電路交換與分組交換融合的智能光網(wǎng)絡(luò)。我們認為，光交換技術(shù)發(fā)展將會在其中起到?jīng)Q定性的作用。