现代通信中的光交换技术

1现代通信中的光交换技术北京邮电大学余重秀2006年3月2讲授内容引言国内外发展概况光交换中的光技术光交换方式与系统光分组交换与光子IP路由光子交换新进展3现代通信中的光交换技术一、引言1.通信交换发展进程人工交换机步进式交换机纵横交换机程控交换机数字程控交换机光交换?4现代通信中的光交换技术2.光交换问题的提出OpticalCommunicationTelecommunicationsNetworks&ServicesTelecommunicationsSwitchingOpticalComputingAdvancedPhotolectronnicsPhotonicsInSwitchingInternetNetworks&Services5现代通信中的光交换技术3.光交换基本内容及特点光交换研究光交换机制光交换器件光交换方式光交换系统特点（1）宽带性（大于1Tb/s）（2）高速、并行处理（3）抗扰性（4）光交换与传输系统的匹配性好（5）透明性－－便于扩展业务（6）功耗小（7）成本低（8）便于集成6现代通信中的光交换技术4.通信光交换的发展两个阶段：第一阶段：电控光交换——近期技术第二阶段：光控光交换——远期技术（全盘光化的交换技术）7现代通信中的光交换技术二、国内外发展概况1.国外：（1）理论研究（2）器件研究（3）光交换方式、系统研究2.国内：（1）跟踪国际研究水平，发展光开关、光调制器等器件（2）光、电技术结合研究光交换系统（3）国家863计划：ATM、ASON等光交换技术3.现状：（1）处于探索研究阶段（2）国际专题研讨会：多次（3）实用化问题：预计21世纪中期推出商品化光交换机8现代通信中的光交换技术三、光交换中的光技术1、光交换器件技术2、调制（编码、解码等）3、光互连4、光放大5、光复用／解复用6、光滤波、光整形、定时、光均衡等7、光的相关识别8、波长/频率转换、波长动态寻址9、光计算等9现代通信中的光交换技术四、光交换方式与系统按功能分：光交换网络控制网络光电按交换方式：光路交换分组交换空分交换时分交换自由空间光交换波/频分光交换ATM光交换10现代通信中的光交换技术1.空分光交换（1）定义：空间分割——以空间的不同位置建立信息传输子通道按需要控制光开关，实现用户信息的子通道在空间位置上的变化（2）基本结构SpacedivisionSwitchingMatrixInputOutput11现代通信中的光交换技术（3）光交换典型系统•多媒体空分光交换系统12现代通信中的光交换技术（4）特点优点：直接利用光交换的宽带特性能够以低速交换只采用光矩阵开关即可构成交换网构成简单，易于实现（小容量集成）缺点：实现大规模交换有困难同步与控制困难13现代通信中的光交换技术2.时分光交换（1）定义时间分割：Frametimeslot（orpacket）在时间轴上建立信息传输子信道按需要改变用户信息timeslot（orpacket）在时间轴上的相对位置（2）结构14现代通信中的光交换技术（3）时分交换的典型系统4×4时分复用光子交换网络实例15现代通信中的光交换技术（4）优缺点优点：•能与现有光传输系统良好匹配构成全光通信网•与WDM相比，交换硬件减少，控制和管理简单•可利用光的高速处理能力，支持任意速率等级及格式的数据缺点：•光定时检测与控制同步较难•硬件限制，仅能小规模集成（缺少成熟的高速光处理器件）16现代通信中的光交换技术3.自由空间光交换（1）定义（2）特点（3）关键器件：激光二极管阵列声光开关阵列偏振开关阵列微透镜阵列全息图阵列等17现代通信中的光交换技术（4）典型系统自由空间微透镜和HOE光开关阵列二维微透镜MEMS光开关阵列18现代通信中的光交换技术利用LC－SLM19现代通信中的光交换技术（5）特点优点：所需互连不用物理接触无信号干扰和串音有效利用空间维数能以低速交换宽带信号分辨率高缺点：光机械封装技术困难交换控制复杂20现代通信中的光交换技术4.波/频分光交换（1）定义波长/频率分割：——建立不同的波长子通道按照信息交换的要求，改变其信息传输的波长子通道。（2）基本结构InputWDMSignalMultiplexerTunableWavelengthfilterWavelengthconverterOutputWDMSignalDemultiplexer21现代通信中的光交换技术（3）关键技术•WDM信号的复用/解复用•波长变换（解决波长竞争）•波长路由（波分交换）结构波长变换方式：O-E-OXGMinSOAsXPMinSOAs&NOLM(Sagnac干涉原理）光注入型LD波长变换FWMinSOAs&FiberDFG波长转换22现代通信中的光交换技术（4）典型系统KEOPS系统23现代通信中的光交换技术FDM（交叉连结）光交换24现代通信中的光交换技术（5）特点优点：•利用波长资源，光交换信号具有透明性•波长子通道比特速率独立•利用光频的宽带性，速率达100Tb/s•交换硬件减少（相对于其他光交换方式）缺点：•器件开发难•同步与控制较困难25现代通信中的光交换技术5.光ATM交换（1）定义信元结构协议参数模型：B-ISDN分层参数模型26现代通信中的光交换技术（2）基本功能路由选择信元排队信头处理（3）关键技术信元编码路由控制拥塞控制信头处理异、同步处理信元的汇聚与压缩信头提取与识别：自相关、正交27现代通信中的光交换技术（4）典型系统大容量ATM＋TDM/WDM系统28现代通信中的光交换技术北邮的ATM光交换实验系统多路ATM光信元产生平台光耦合器(分路)光同步4×4光信元交换矩阵ATM光信元接收机检测平台控制平台光信头接收时钟提取高速串-并信元定界信头识别逻辑处理驱动器—————整形器—————时延控制—————路由信息单片机监测与管理平台全光信元缓存控制面板可调光延时器全光地址识别光开关控制信息O/E辅助光通道本站信息偏振29现代通信中的光交换技术（5）特点优点：•实现超大容量B-ISDN理想交换方式•充分利用光频宽带特性•充分利用光纤系统巨大潜力缺点：•控制复杂（分组部分）•光机械封装技术困难30现代通信中的光交换技术6.多维、复合光交换系统–提供高容量、高速率（Tb/s）光交换–减少交换器件、减少交换网络的复杂ST/TS/TST/STS，快速TW/SW分组，TWS/T-SW-T分组等（1）SD与TD复合31现代通信中的光交换技术（2）TD与FD复合32现代通信中的光交换技术（3）FT-S-FT复合33现代通信中的光交换技术（4）多维光交换系统34现代通信中的光交换技术五、光分组交换(OPS)与光子IP路由1.OPS交换方式:•固定分组长度同步方式(时隙型)•可变分组长度异步方式(非时隙型)35光分组交换与光子IP路由OPS节点结构36光分组交换与光子IP路由•空分分组交换型•分组波长广播－选择型•波长路由型•Tb/s级混合型•环形网结构37光分组交换与光子IP路由OPS的研究•分组的产生与同步•分组包头的产生与处理•分组光缓存•分组路由选择、竞争解决•3R再生IP级OPS:OLS)OLS(多波长光标记交换38现代通信中的光交换技术2.光子IP路由39现代通信中的光交换技术IPoverPhotonicNetwork的优缺点省了ATM层与SDH层，减化了层次，减少了网络设备减少了功能重叠，简化了设备，减轻了网管复杂性,特别是配置开销最低，传输效率最高通过流量工程设计，可以与IP的不对称业务量特性相匹配可以利用光纤环的保护光纤来吸收突发业务量，避免了传统大缓存引起的延时或包丢失40光分组交换与光子IP路由实现光子IP路由的关键技术1.光的编码技术——产生光IP头2.时域中光的相关技术——光寻址（解码）3.光包的变化和转发4.光包的时延5.光域的路由与交换控制——MPLS的应用优势：提高路由转发性能具有协同流量工程的能力MPLS控制＋波长路由OXCMPLλS41光分组交换与光子IP路由结构42光分组交换与光子IP路由光子IP路由的运行原理43光分组交换与光子IP路由光子IP标签交换的典型实验偏置1×2合波器快速波长调谐激光器可调谐光滤波器接收器RF信号产生器XI(t)新的IP标签1×2分束器1×2合波器SOA1SOA2SOAIWC预调制PRBSIP包2.5Gb/s低通滤波器DFB激光器PRBS150Mbps头部1.6GHzSC振荡器90/10分束器OSCM直接探测接收器突发模式时钟和数据恢复IP标签处理器EDFAXMZ调制器原始分组10%90%数据时钟固定光滤波器SOA1×2耦合器本地激光器新波长选择XGMSOA-WC44现代通信中的光交换技术六、光子交换新进展1.宽带光交换的要求–基于单信道的高速率：80Gb/s，光子集成回路–基于DWDM系统：通道数100，可变波长（几十nm范围内）–更宽的可用波长范围，C、L和S波长带–波长同步WDM光交换：克服波长抖动多级λ开关组成大容量光交换系统45现代通信中的光交换技术2.OXC节点及其技术功能：光通道的交叉连结、本地上/下路（配置/恢复/监测光信号）OXC的性能评价1.是否支持波长通道（WP）和虚波长通道（VWP）2.阻塞特性3.链路模块性4.波长模块性5.广播发送能力6.成本46现代通信中的光交换技术OXC的结构•基于空间交换光开关矩阵＋波分复用/解复用器光开关矩阵＋波长变换器空间光开关矩阵＋可调谐滤波器分送耦合器＋波长变换器平行波长开关＋波长变换器•基于波长交换阵列波导光栅复用器（AWGM）＋波长变换器可调谐滤波器＋波长变换器47现代通信中的光交换技术光开关矩阵＋波分复用/解复用器48现代通信中的光交换技术可调谐滤波器＋光开关矩阵＋波长变换器49现代通信中的光交换技术可变波长变换器＋分送耦合器（波长模块性）50现代通信中的光交换技术可变波长变换器＋分送耦合器（链路模块性）51现代通信中的光交换技术平行波长开关＋波长变换器52现代通信中的光交换技术AWG级联＋波长变换器53现代通信中的光交换技术3.OADM节点及其技术功能：有选择地上/下路本地光信号OADM的性能评价1.插入损耗2.信道间隔3.信道滤波4.串扰54•OADM的结构：分波器＋光开关阵列＋合波器光耦合器＋滤波器阵列＋合波器光开关＋波长光栅路由器(WGR)＋光开关AWG复用/解复用器+光开关阵列偏振分束器＋声光调谐滤波器＋偏振分束器现代通信中的光交换技术55现代通信中的光交换技术56现代通信中的光交换技术57现代通信中的光交换技术58现代通信中的光交换技术59现代通信中的光交换技术60现代通信中的光交换技术61现代通信中的光交换技术4.MEMS光交换特点：以集成回路形式在石英基片上建立多层、三维结构低损耗、低串扰、高质量、高容量光交换实现方法：1.光路遮挡2.光纤移动对接3.微透镜移动4.微反射镜移动或转动5.衍射方法6.改变全反射条件7.其他62现代通信中的光交换技术典型器件或系统：（1）自由空间集成微反射镜光开关阵列63现代通信中的光交换技术Connection-symmetricmicro-mirrorswitchesofmatrix64现代通信中的光交换技术Connection-symmetricmicro-mirrorswitchofpolygonconfiguration65现代通信中的光交换技术光开关/OADM阵列66光交换技术的发展5.新型的光交换技术------突发交换（OBS：OpticalBurstSwitching）结构及特点：DPSRFDCP•RFD(ReserveaFixedDuration)——用于CP的O/E/O转换及包接收、传输时延（不需要光缓存器）67现代通信中的光交换技术•串固定周期BAT(BurstAssemblyTime)多个数据包组成Burst控制包头波长不同于Packets波长单向处理方式（不需要下游节点証实）---保留带宽资源协议:TA