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第七章光交换技术 现代交换技术 目录 7 1光交换技术概述7 2光交换技术的分类7 3光交换系统的核心器件7 4纯光交换技术和电交换比较7 5光交换技术的发展趋势7 6小结7 7习题 7 1光交换技术的概念 光交换是指对光纤传送的光信号直接进行交换 与电子数字程控交换相比 光交换无须在光纤传输线路和交换机之间设置光端机进行光 电 O E 和电 光 E O 转换 而且在交换过程中 还能充分发挥光信号的高速 宽带和无电磁感应的优点 光交换技术的特点 光交换技术具有以下几个优点 1 可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题 2 可以大量节省建网和网络升级成本 3 可以大大提高网络的重构灵活性和生存性 以及加快网络恢复的时间 7 2光交换技术的分类 1 按复用方式分类1 波分光交换技术2 时分光交换技术3 空分光交换技术4 码分复用光交换技术5 复合光交换技术2 按交换配置模式分类1 光路交换 OCS OpticalCircuitSwitching 技术2 光分组交换 OPS OpticalPacketSwitching 技术3 光突发交换 OBS OpticalBurstSwitching 技术4 光标记分组交换 OMPLS OpticalMulti ProtocolLabelSwitching 技术 7 2 1时分光交换技术 比特交换块交换OCDMA交换分组时分光交换 比特交换 帧信号中的每个时隙承载着一个用户的一个比特信息 每个时隙之间的交换就是各用户信息按比特进行的交换 块交换 块交换是以每个用户的几个连续比特信息 串或块 作为一个时隙 即取各用户信息块的长度相等来组成帧信号 对每个帧信号的时隙进行交换就能实现不同用户的比特信息块交换 OCDMA交换 OCDMA交换是以特殊的码序列表示用户的每一个比特信息 不同用户有各自不同的码序列 彼此并不相关 分组时分光交换 分组时分光交换不同于以上交换情况 它是对用户的分组信息进行交换 分组则由报头 净荷和保护带等部分组成 报头含有该分组的源 目的地 优先度等信息 通过对报头识别 处理来选择或改变分组的路由 实现用户信息的变换 图10 7典型的OTDM点对点传输系统 图7 1时分光交换结构 光时分复用的特点 OTDM技术是光纤通信的未来发展方向 它具有以下特点 1 传输速率大大提高 2 各ONU发射的信号是周期性的光脉冲信号 只在规定的时隙内发射光脉冲序列 3 大大提高系统容量 4 采用光时分复用技术比较容易实现信道的按需分配 7 2 2波分光交换技术 光波分复用的基本概念WDM技术的主要特点WDM系统的基本结构 7 2 2光波分复用的基本概念 光波分复用 WDM WavelengthDivisionMultiplexing 技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术 其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来 复用 并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输 在接收端又将组合波长的光信号分开 解复用 并作进一步处理 恢复出原信号后送入不同的终端 因此将此项技术称为光波长分割复用 简称光波分复用技术图10 4波分复用系统的基本原理 7 2 2WDM技术的主要特点 1 充分利用光纤的巨大带宽资源 2 同时传输多种不同类型的信号 3 节省线路投资 4 降低器件的超高速要求5 高度的组网灵活性 经济性和可靠性6 IP的传送通道 7 2 3空分光交换 空分光交换是以空间不同的物理位置 称为空间子通道 最为用户光信号的传输通道 利用空分光交换功能器件改变输入与输出端用户光信号的连接通道 从而实现用户光信号的交换 这种光交换如果砸自由空间中完成 则被称为自由空间光交换 自由空间光交换是电交换中不具有的一种形式 空分光交换结构 通过改变光信号的空间子通道实现用户光信号在空间的任意输入端到任意输出端的直接光互连 空分光交换网络 空分光交换网络由空分光交换节点和链路组成 其性能的好坏主要取决于构成节点的光开关 主要部件 的数量及性能的好坏 网络的拓扑和链路的长度等 自由空间光交换 自由空间光交换实质上是空分光交换 它也同样以空间分割方式建立用户光信号的传输通道 能充分利用光波的高速传输 并行处理优势 同时在自由空间的光互连不需要物理介质 从而减少了通道间的干扰 可充分利用空间维数扩大容量 7 2 4ATM光交换 ATM光交换原理ATM光交换与前面介绍的时分 波 频 空分光交换不同 它交换的对象是光信元 光信元以ATM方式传输 光信元流是统计复用的 7 2 5光分组交换技术 光分组的格式和交换原理OPS节点及关键技术 概述 光分组交换 OPS 是指从信源到信宿的过程中 数据包的净荷部分都保持在光域中 而依据交换 控制的技术不同 数据包的控制部分 开销 可以在中间交换节点处经过或不经过O E O变换 光分组交换网是基于分组交换技术的智能光网络 OPS网络的基本功能有 1 路由 即根据数据包分组头中的路由信息 为数据包寻找从源头到宿的光通道 2 控制流量并解决冲突 即控制网络流量 防止数据包的混叠和资源拥塞 3 同步 在交换节点输入与输出端对数据包进行时间和相位上的校准 以使数据包的位置与交换操作相配合 4 识别并更新分组头 即在交换节点输入端捕获分组头并读取信息 在输出端插入新分组头 5 级联能力 在多个交换节点上统一配置数据包的路由 定时 缓存和竞争排除机制 在图10 9给出了光分组交换的基本原理图 分为同步分组交换和异步分组交换 OPS的基本原理 图10 9光分组交换的基本原理图 图7 5OPS的基本原理 光分组交换分层网络参考模型 光分组交换分层网络分为三层 它们对应于网络基础设施演进的三个主要步骤 第一层对应于已普遍使用的接入网和核心网的标准 如ATM PDH 准同步数字系列 和SDH 同步数字系列 及其他常用的标准分组和基于帧的业务 为了简单 整个网络用一层来表示 把它称作电交换层 第三层为透明光传输层 对应于地域上更广阔的WDM光传输网 透明的路由是基于在波长域和空间域里的透明光交叉互连 OXC 允许网络在较长的时间内重构 该层在电交换层的下面 链路的传输容量为数兆比特 秒至几百兆比特 秒 由于在相对低速的电交换层和大粒度的信道分割的WDM光传输层之间存在代沟 需要在低速信道和高速信道之间进行适配 所以在这两层中间引入第二层 即比特率和传输方式透明的光分组交换网络层 在WDM光传输网中的高速波长信道和电交换网之间架起一座桥梁 从而大大改进了带宽的利用率和网络的灵活性 该层延伸了光的透明性的优点 它可作为电接入网和核心网的大容量的承载交换网 也可以作为基于相同的分组格式的光城域网 MAN 的骨干网 光分组交换涉及的传输和交换在光域里进行 可接入巨大的光纤带宽 而相对复杂的分组路由 转发在电域里实现 此外 为了在光分组载荷中传送ATM的信元或IP分组 有效地使IP接入WDM层 光分组层提供一些基本的链路层功能代理 能进一步提供时域复用 允许IP路由器在传输信息至光WDM管道之前汇集用户的流量 光分组交换节点的结构 光分组交换节点 按是否有业务上 下路功能可分为带有分插复用和不带有分插复用功能的节点 如用于城域网 MAN 之间或大的局域网 LAN 之间的光分组交换 交换节点可以不要求有分插复用功能 分插复用功能可在MAN或LAN内部实现 如果交换节点是本地网络的组成部分 则要求有分插复用功能 图10 10给出了节点的组成模块 这两种交换节点的基本构成模块相同 如果按控制信号的类型来分 可分为全光型和光电混合型 对于全光型分组交换节点 数据和控制信号从源到目的地均是在光域里 但由于目前高速光控器件很少 短期内实现较困难 因此 迄今为止 国际上的研究项目基本上是采用光电混合型分组交换节点 光电混合型分组交换是让数据在光域进行交换 而控制信息在交换节点被转换成电信号进行处理 用于分组路由和控制 这样可充分利用微电子技术的灵活控制能力 实现数据分组的透明高速交换 图10 10节点的组成模块 光分组交换的关键技术 光分组交换的关键技术有光分组的产生 同步 缓存 再生 光分组头重写及分组之间的光功率的均衡等 1 光分组的产生2 光分组同步3 解决竞争的方法及光缓存4 光分组再生图光分组同步技术 7 2 6复合型光交换 MOS 1 空分 时分通常对OTDM信号采用时分 空分的MOS方式 对于WDM OTDM信号 也可以实现空分 时分的MOS 2 空分 波分对多个波长复用的WDM信号采用波分 空分MOS方式 这种结构最简单 只需利用光开关 波分复用器 解复用器 进行适当的配置就能实现 3 时分 频分对于OTDM OFDM光信号可以实现时分 频分MOS方式 4 时分 频分 空分在时分 频分复合系统中再加入空分光交换方式 可进一步提高系统容量 5 光ATM TDM WDM用来实现不同波长 不同时隙的ATM信元MOS 由多级WDM OTM转换 路由模块组成 7 2 7光突发数据交换技术 光突发交换原理光突发交换特点 光突发交换原理 光突发是OBS的交换单元 包括突发数据分组 BurstDataPacket BDP 和突变控制分组 BurstControlPacket BCP 光突发交换原理 它由光的核心路由器和电的边缘路由器组成 突发数据分组在OBS网中的交换传输完全在光域内完成 不需要进行O E E O的转换 突发数据是由一些IP分组组成的 这些IP分组可以是来自传统IP网中不同的电IP路由器 而控制分组在独立于数据通道的光信道中传输 每个突发数据分组对应于一个控制分组 源端需设置控制分组与突发数据分组的偏移时间 光突发交换网络结构 光突发交换的特点 OBS是在光分组交换技术的实用化受到限制的情况下产生的 被看作是光路交换 OCS 和光分组交换 OPS 的折中方案 主要特点如下 1 OBS相对于OPS有较粗的交换粒度 为 s量级 从而减少控制或处理开销 2 OBS的BCP与BDP分离传送与处理 降低了中间交换节点的复杂度及对光器件的要求 且便于OBS的实用 3 带宽单向预留 BDP的发送不需要等待应答信号 与OCS相比大大减少等待时延 4 BCP为BDP在每个中间结点建立全光路径 即BDP是完全透明的 不经过任何光电 电光转换 避免了电子瓶颈 5 在中间结点不需要光缓存 放宽了同步要求 避免了OPS需要大容量 高性能光RAM的问题 有利于OBS的实用 6 BDP从不同源节点到不同目的节点的传输采用统计复用方式 从而有效利用联路上相同波长的带宽 具有较高的带宽利用率 7 2 8光标记交换 副载波复用光标记联合调制光标记时分复用光标记专用波长光标记多波长光标记高强度光脉冲标记 概述 光标记交换是光包交换OPS OpticalPacketSwitch 的实现形式 国外在OLS的关键技术方面的专利不断涌现 其中主要集中在光标记脉冲的产生技术 光标记复用 解复用技术以及光时钟提取技术等方面 但要实现OLS的实用化还有许多未知的因素有待人们去进一步探索 尽管目前OLS技术还不成熟 构成OLS系统的许多关键器件还处于实验室研究阶段 但该技术正成为世界范围内的研究热点 OLS从器件 系统 网络诸方面正以惊人的速度向前发展 并逐步向实用化迈进 光标记交换原理 所谓光标记 是指利用各种方法在光包上打上标记 也就是把光包的包头地址信号用各种方法打在光包上 这样在交换节点上根据光标记来实现全光交换 基于这种原理来实现的光交换称为光标记交换 这就是OLS OpticalLabelSwitch 光标记的产生和提取是光标记交换的核心技术 光标记信号一般是低速率信号 一般在Mbit s量级上 而光包的传输速率都在Gbit s量级上 如何把低速的标记信号加在高速的光包信号上 可以根据不同的机制采用不同的方法 一般来讲 光调制有三种方式 调幅 调频和调相 目前光标记的产生大多数也从调幅 调频和调相三个方面入手 光标记的提取本质上就是把光标记从复用信号中分离出来 基于调幅产生的光标记多用半导体光放大器 SOA 普通光纤和半导体激光放大器的非线性效应的交叉相位调制 交叉增益调制和四波混频 FWM 等原理来提取光标记 基于调频产生的光标记一般采用载波解复用方法 基于调相产生的光标记方法可以利用光的干涉原理来提取光标记信号 光标记交换的技术优势 首先 由于光的标记交换不必将光信号变成电信号 并能够改善信号的质量 在实现透明的3R 再生 重定时和重整形 的同时直接下来进行线速光包转发 使得路由器的负荷大大降低 大量的交换绕过了路由器电子瓶颈 从而有效地克服了光交换中的电子瓶颈 其次 由于光包不再与波长捆绑 光包可灵活出入上下各节点 网络在线数据量减少 全光网络资源的利用潜力增加 最后 由于在波分复用上加入了光包的统计时分复用 一个波长链路可通过时分复用连接更多的节点 从线路角度来看 在全光网线路的任意一点都可不加限制地加入节点 这一点可使接入网技术更为简单 灵活 同时也使全光网络的出路问题得到更好的解决 7 2 9智能光交换 智能交换光网络的体系结构连接方式ASON的特点 智能交换光网络的体系结构 智能交换光网络与一般光传送网的最大区别在于增加了控制平面 其体系结构如图10 24所示 智能交换光网络在逻辑上可以有用户 网络接口 UNI 内部网络 网络接口 I NNI 和外部网络 网络接口 E NNI 智能交换光网络的体系结构 连接方式 永久连接 PermanentConnection PC 交换连接 SwitchedConnection SC 软交换 SPC ASON的特点 1 直接在光层上按需提供服务 能够适应网络拓扑的变化 可通过公共的CP加速服务 根据网络和相关服务的需要改变网络规模的大小 提供各种服务等级和保护机制 2 建立通道的呼叫和连接这两个过程分离 减少了在中间连接控制节点上传送冗余的呼叫控制信息 减少了对信息和参数进行解码 翻译的时间 3 具备实时地流量工程控制 能对网络资源 业务流量进行更加智能化的配置 根据数据流量类型实现其数据业务的分类 4 具有智能化控制特点 能够动态 自动地完成端到端光通道的建立 拆除和修改 具有链路管理 连接接入控制和业务优先管理等功能 具备不同粒度的快速交换能力 5 具备自动资源发现功能 使ASON的网元或终端系统能够确定它们是否正确地互相连接 6 具备优