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(diǎn)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，無法充分利用底層DWDM帶寬資源和強(qiáng)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(biāo)。而光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)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(diǎn)　　

    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(jìn)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(tái)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、路由、保護(hù)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(shí)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(diǎn)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(shí)分交換技術(shù)，時(shí)分復(fù)用是通信網(wǎng)中普遍采用的一種復(fù)用方式，時(shí)分光交換就是在時(shí)間軸上將復(fù)用的光信號的時(shí)間位置t1轉(zhuǎn)換成另一個(gè)時(shí)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(diǎn)中不經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換，直接將所攜帶的信息從一個(gè)波長轉(zhuǎn)移到另一個(gè)波長上。

    （3） 光空分交換技術(shù)，即根據(jù)需要在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)之間建立物理通道，這個(gè)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(kuò)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(shí)只要用與發(fā)送方相同的法序列進(jìn)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(gè)正交碼上的光信號交換到另一個(gè)正交碼上，實(shí)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(yùn)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(jìn)行帶寬的動(dòng)態(tài)分配和資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，所以光分組交換應(yīng)運(yùn)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(hù)時(shí)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(shí)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(dòng)，同時(shí)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(diǎn)是數(shù)據(jù)分組和控制分組獨(dú)立傳送，在時(shí)間上和信道上都是分離的，它采用單向資源預(yù)留機(jī)制，以光突發(fā)作為最小的交換單元。OBS克服了OPS的缺點(diǎn)，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(shí)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(rèn)為很有可能在未來互聯(lián)網(wǎng)中扮演關(guān)鍵角色

    （3） 光標(biāo)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(jìn)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(diǎn)。由MPLS控制平面運(yùn)行標(biāo)簽分發(fā)機(jī)制，向下游各節(jié)點(diǎn)發(fā)送標(biāo)簽，標(biāo)簽對應(yīng)相應(yīng)的波長，由各節(jié)點(diǎn)的控制平面進(jìn)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(tái)全光交換MPLS路由器，結(jié)合WDM技術(shù)和MPLS技術(shù)，實(shí)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(jī)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(shí)光分組交換的關(guān)鍵技術(shù)，目前還沒有全光的隨機(jī)存儲(chǔ)器，只能通過無源的光纖延時(shí)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(yùn)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(jī)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(jìn)入實(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)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(jìn)，以至今天的OPS網(wǎng)成為被廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。超大帶寬的OPS技術(shù)易于實(shí)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(dāng)今快速變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能為運(yùn)營商和用戶帶來更大的收益。在更加實(shí)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(huì)成為市場的主流。

    光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)由過去的點(diǎn)到點(diǎn)WDM鏈路發(fā)展到今天面向連接的OADM/OXC和自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)，再演進(jìn)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(rèn)為，光交換技術(shù)發(fā)展將會(huì)在其中起到?jīng)Q定性的作用。