光交换技术及其应用

光交换技术及其应用摘要：现代通信网中，先进的光纤通信技术以其高速、带宽的明显特征而为世人瞩目。实现透明的、具有高度生存性的全光通信网是宽带通信网未来发展目标。从系统角度来看，支撑全光网络的关键技术又基本上可分为光监控技术、光交换技术、光放大技术和光处理技术几大类。光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它在全光通信系统中发挥着重要的作用。本文主要阐述了光交换的类型，光交换技术的优点，以及光交换技术发展的趋势。关键词：光交换类型趋势随着通信网传输容量的增加，光纤通信技术也发展到了一个新的高度。发展迅速的各种新业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。光纤的巨大频带资源和优异的传输性能，使它成为高速大容量传输地理想媒质。随着WDM技术地成熟，单根光纤的传输容量甚至可以达到Tb/s的速度。由此也对交换系统的发展提供了压力和动力，光交换技术的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。一、光交换与光交换技术光交换(photonicswitching)技术是一种光纤通信技术，它是在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换技术是用光纤来进行网络数据、信号传输的网络交换传输技术。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）交换，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。光纤传输技术与光交换技术融合在一起，可以起到相得益彰的作用，从而使光交换技术成为通信网交换技术的一个发展方向。光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。光路光交换可利用ＯＡＤＭ、ＯＸＣ等设备来实现，而分组光交换对光部件的性能要求更高，由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。二、光交换技术的分类光路交换系统所涉及的技术有空分交换技术、时分交换技术、波分/频分交换技术、码分交换技术和复合型交换技术，其中空分交换技术包括波导空分和自由空分光交换技术。光分组交换系统所涉及的技术主要包括：光分组交换技术，光突发交换技术，光标记分组交换技术，光子时隙路由技术等。下面简单介绍下几种光交换技术：（一）光路交换技术光路交换系统所涉及的技术有空分交换技术（SD）、时分交换技术（TD）、波分/频分交换技术（WD/FD）、码分交换技术和复合型交换技术，其中空分交换技术包括波导空分和自由空分光交换技术。其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类：一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。光分组交换中，异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。1、时分光交换技术（TDPS）TDPS的基本原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种技术下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。该技术组成的通信技术网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合型阵列开关）以进行相应的交换。2、空分光交换技术（SDPS）SDPS的基本原理是将光交换节点组成可控的门阵列开关,通过控制交换节点的状态可实现使输入端的任一信道与输出端的任一信道连接或断开,完成光信号的交换。简言之,光空分交换是使按空间顺序排列的各路信息进入空分交换阵列后,交换阵列节点根据信令对信号的空间位置进行重新排列,然后输出,完成交换。空分光交换的交换过程是在光波导中完成的,有时也称为光波导交换。空分光交换的交换节点可由机械、电、光、声、磁、热等方式进行控制。就目前情况而言,机械式控制光节点技术是比较成熟和可靠的空分光交换节点技术。3、波分光交换（WDPS）WDPS充分利用光路的宽带特性，获得电子线路所不能实现的波分型交换网。可调波长滤波器和波长变换器是实现波分（WD）光交换的基本元件。前者的作用是从输入的多路波分光信号选出的光信号；后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换为适当的波长后输出。WDPS系统基本结构等效于一个NxN阵列型交换系统。它将每个输入的光波变换成波长(1-(N中的一个波，用星型耦合器将这N条光波混合，再通过输出端的可调波长滤波器，分别选出所需波长的光波，这样就完成了N条光波的交换。也可在两个输出端口上选取波长相同的光波，以实现广播分配型的通信。（二）分组交换技术分组交换技术PackageSwitch（PS）也称包交换，是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组，通过传输分组的方式传输信息的一种技术。它是通过计算机和终端实现计算机与计算机之间的通信，在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情况下，应运而生的一种交换技术。光分组交换系统所涉及的关键技术主要包括：光分组交换（ＯＰＳ）技术；光突发交换（ＯＢＳ）技术；光标记分组交换（ＯＭＰＬＳ）技术；光子时隙路由（ＰＳＲ）技术等。这些技术能确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。1、光突发交换技术光突发交换（obs）技术，它的特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作为最小的交换单元。obs克服了ops的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，同时与ocs相比，它又大大提高了资源分配的灵活性和资源的利用率。该技术中包含了两种光分组技术：包含路由信息的控制分组技术和承载业务的数据分组技术。OBS网络主要应用于不断发展的大型城域网和广域网，它可以支持传统业务，如电话、SDH、IP、FDDI和ATM等，也可以支持未来具有较高突发性和多样性的业务，如数据文件传输、网页浏览、视频点播、视频会议等业务。2、光标记分组交换（ＯＭＰＬＳ）技术光标记分组交换（ompls）技术，也称为gmpls或多协议波长交换（mpλs）.它是mpls技术与光网络技术的结合。mpls是多层交换技术的最新进展，将mpls控制平面贴到光的波长路由交换设备的顶部就具有mpls能力的光节点。由mpls控制平面运行标签分发机制，向下游各节点发送标签，标签对应相应的波长，由各节点的控制平面进行光开关的倒换控制，建立光通道。结合wdm技术和mpls技术，可以实现全光状态下的ip数据包的转发。三、光交换技术的优点随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重霎。光交换技术能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，尽管现有的通信系统都采用电路交换技术，但发展中的全光网络却需要由纯光交换技术来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性，减少了当前网络协议层的数目。光交换技术具有以下几个优点：（A）大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点，支持未来不同类型数据，可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题；（B）带宽利用效率高，能提供各种服务，满足客户的需求（C）能提供端到端的光通道或者无连接的传输（D）把大量的交换业务转移到光域，交换容量与WDM传输容量匹配，同时光分组技术与OXC、MPLS等新技术的结合，实现网络的优化与资源的合理利用因而，光分组交换技术势必成为下一代全光网网络规划的“宠儿”。（E）全光网络具有频带宽、容量大、扩容升级方便，适合高速业务的发展，也适合CATV宽带业务（如多用户交互式数字视频点播、多媒体业务等）。全光网络最终将发展成为宽带综合业务基础数字网络平台。四、光交换技术的发展趋势光纤通信具有传输容量大、中继距离长、传输损耗小等特点。自问世30多年来,光纤通信已逐渐成为现代传输网的主体。现在,世界上大约有60%的通信业务经光纤传输,不久将达到85%。1999年底累计的全世界光纤用量已经达到3×108km。在信息社会,骨干传输网的容量几乎每9个月就要翻一番。大容量、宽带化以及全光网络技术的应用是未来光通信技术的发展方向。目前,全球数据业务量几乎半年左右就翻一番,通信业务特别是IP业务激剧增长,全球通信业正在发生前所未有的重大变革。这场变革几乎遍及通信的每个领域对光通信的影响更为重大。通信业务膨胀的直接后果就是对通信速率和带宽需求的膨胀,而且通信变革的总体趋势是向着“多业务、多速率接入、一体化”的方向发展,这也对带宽和透明性直接提出了更高的要求,从而亟需新的技术以支持新的需求。近两年,光交换技术发展非常快,未来通信网络的核心层将会首先采用光交换,而接入层仍将采用以ATM或IP路由器为主的包交换方式。随着人们通信需求量越来越大，光交换层的交换能力要求越来高，光交换技术的发展趋势倾向于：智能自动化、全光交换、光交换机多样化。其中：（1）智能自动交换光网络是指网络能够动态、自动地完成端到端光通道的建立、拆除和修改，使其能够更加易于管理、更加灵活、更加具有健壮性，同时使业务指配和故障恢复也能更快地自动完成并具有智能性的方向发展。（2）所谓全光交换是指从波长到波长的转换，基于这种技术的光交换或波长路由器能使网络配置更灵活，使运营商可以在光骨干网中方便地提供OC-1到光波长的业务，把选路定位在波长上而不是光纤上，遇到故障可以自动恢复工作。现代波分复用（WDM）、空分复用、时分复用和码分复用等复用技术的出现，丰富了光信号交换和控制的方式，使得全光网络的发展呈现出全新的面貌。未来全光网络的主要构架可能就是以WDM技术为主导，结合光时分复用（OTDM）和光码分复用（OCDMA）技术。OTDM技术可以使一个固定波长的光波携带信息量十几倍、几十倍地增长，OCDMA则提供一种全光的接入方式。（3）目前广泛使用的交换设备是基于光机械技术的交换机，其交换速度为毫秒级，其具有成本低、设计简单和光性能较好的优点。随着液晶技术的发展，液晶光交换机将成为光网络中系统中的皇者。由于液晶尅有使入射光的极化角发生旋转变化，继而再使用声光技术实现光交换设备，该类型的交换机可以实现微秒级的交换速度，可方便构成端口较少的交换机，从而使光网络的速度更上一个等级。再者，更令人兴奋的是：最新的光电交换机采用了钡钛材料，这种交换机使用了一种分子束取相附生的技术，与波导交换机相比，该交换机消耗的能量比较小。然而，随着人们对通信质量的更大、更快、更水平的需求决定了光交换技术是不会满足一时而停滞不前的，光交换机的发展也会随着光交换技术的发展得到更高的提升空间。自1985年开始，国际上就开始建设光纤接入网（FTTCSDV等），现在正在向FTTH发展，但由于接入设备价格较高，未能大面积普及。一旦光交换技术的进步必定会带来价格的下降，由此，光交换技术的应用前景就无可限量了。从国内情况来看，尽管光通信行业被称作是与国际水平差距最新的高科技行业，但不可否认的是，我们的发展仅仅是起步阶段，也正因为是起步阶段，中国光通信市场给世人带来了极其巨大的想象空间。从通信发展的市场规律来看，在交换设备上的投入往往比在传输设备上的投入要大得多，所以中国的光交换技术的市场前景无疑将是十分美好的。参考文献：[1]张国光.浅谈光交换技术在光网络中的应用《电子报》.2003.11.02[2]张中荃.现代交换技术（第2版）.北京市：人民邮电出版社,2009.03.[3]余重秀编著.光交换技术.北京市：人民邮电出版社,2008.[4]张宝富等编著.全光网络.北京市：人民邮电出版社,2002.[5]龚倩编著.智能光交换网络.北京市：北京邮电大学出版社,2003.