光交换技术
光交换技术
密集波分复用技术的进步使得一根光纤上能够承载上百个波长信道，传输带宽最高记录已经达到了Ｔ比特级。同时，现有的大部分情况是光纤在传输部分带宽几乎无限200Tb/s，窗口200nm。相反，在交换部分，仅仅只有几个Gb/s，这是因为电子的本征特性制约了它在交换部分的处理能力和交换速度。所以，许多研究机构致力于研究和开发光交换／光路由技术，试图在光子层面上完成网络交换工作，消除电子瓶颈的影响。当全光交换系统成为现实，就足够可以满足飞速增长的带宽和处理速度需求，同时能减少多达７５％的网络成本，具有诱人的市场前景。
光信号处理可以是线路级的、分组级的或比特级的。WDM光传输网属于线路级的光信号处理，类似于现存的电路交换网，是粗粒度的信道分割；光时分复用OTDM是比特级的光信号处理，由于对光器件的工作速度要求很高，尽管国内外的研究人员做了很大努力，但离实用还有相当的距离；光分组交换网属于分组级的光信号处理，和OTDM相比对光器件工作速度的要求大大降低，与WDM相比能更加灵活、有效地提高带宽利用率。随着交换和路由技术在处理速度和容量方面的巨大进步，OPS技术已经在一些领域取得了重大进展。
光交换技术-光分组网络的分类
全光分组交换网可分成两大类：时隙和非时隙。在时隙网络中，分组长度是固定的，并在时隙中传输。时隙的长度应大于分组的时限，以便在分组的前后设置保护间隔。在非时隙网络中，分组的大小是可变的，而且在交换之前，不需要排列，异步的，自由地交换每一个分组。这种网络竞争性较大，分组丢失率较高。但是结构简单，不需要同步，分组的分割和重组不需要在输入输出节点进行，更适合于原始ＩＰ业务，而且缓存容量较大的非时隙型网络性能良好。
光交换技术-光分组交换技术特点
光交换技术
在光网络设计中，对网络设计者来说，非常重要的是减少当前网络中协议层的数目，保留已有功能，并尽量利用现有的光技术。而光分组交换技术独秀之处在于：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能提供端到端的光通道或者无连接的传输
带宽利用效率高，能提供各种服务，满足客户的需求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”。
光交换技术-光分组技术的制约因素
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。光分组交换技术与电分组技术相比，光分组交换技术经历了近１０年的研究，却还没有达到实用化，主要有两大原因：第一是缺乏深度和快速光记忆器件，在光域难以实现与电路由器相同的光路由器；第二是相对于成熟的硅工业而言，光分组交换的集成度很低，这是由于光分组本身固有的限制以及这方面工作的不足造成的。通过近期的技术突破与智能的光网络设计，可充分地利用光与电的优势来克服这些不利因素。
光交换技术-光突发交换的应用前景
光突发交换为IP骨干网的光子化提供了一个非常有竞争力的方案。一方面，通过光突发交换可以使现有的IP骨干网的协议层次扁平化，更加充分的利用DWDM技术的带宽潜力；另外一方面，由于光突发交换网对突发包的数据是完全透明的，不经过任何的光电转化，从而使光突发交换机能够真正的实现所谓的Ｔ比特级光路由器，彻底消除由于现在的电子瓶颈而导致的带宽扩展困难。此外，光突发交换的QoS支持特征也符合下一代Internet的要求。因此，光突发交换网络很有希望取代当前基于ATM/SDH架构和电子路由器的IP骨干网，成为下一代光子化的Internet骨干网。
作为一项具有广泛前景和技术优势的交换方式，光突发交换技术已引起了国内外众多研究机构的关注，我国的863计划已将光突发交换技术列为重点资助项目。
光交换技术-光突发交换技术中的问题
从应用的角度，光突发交换还有一些重要的课题需要研究。突发封装，突发偏置时延的管理，数据和控制信道的分配，ＱｏＳ的支持，交换节点光缓存的配置如果需要的话等问题还需要作深入研究。对于光突发交换网来说，在边缘路由器光接收机上的突发快速同步也是对系统效率有重要影响的问题。
上述问题是紧密关联的，比如说光缓存中光纤延迟线的配置与突发长度的统计分布相关，而突发长度又取决于突发封装过程；突发封装、光路由器的规模、数据和控制信道组的大小又会影响突发偏置时延的管理；交换节点的分配器和控制器运行快慢以及网络规模又会反过来影响突发封装。在网络设计当中，所有的这些问题都必须仔细考虑和规划。由于光纤延迟线的限制，为了降低丢包率，光突发交换网络必须通过波分复用网络信道成组来实现统计复用。如何在光突发交换网络中实现组播功能也是一项非常重要的课题，为了实现组播，光开关矩阵和交换控制单元都必须具备组播能力，且二者之间必须能有效地协调。此外，将光突发交换与现有的动态波长路由技术有机的结合，可以使网络具有更有效的调配能力，但也需要进一步的细致研究。
光交换技术-光交换系统中的技术热点
光交换技术是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换技术可分成光路光交换类型和分组光交换类型，前者可利用OADM、OXC等设备来实现，而后者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。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。
光路交换技术已经实用化。光分组交换技术目前主要是在实验室内进行研究与功能实现，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。其中，光分组交换技术和光突发交换技术是光交换中的最有开发价值的热点技术，也是全光网络的核心技术，她将有着广泛的市场应用前景。
光交换技术-光交换的市场前景
全球光交换设备市场从201*年的３．０７亿美元开始增长，到201*年将达到64.5亿美元。201*年以后，该技术市场在整个电信市场领域将会占主导地位，尤其是在北美、西欧各国及亚洲部分地区。而在网络进展速度缓慢的发展中国家，诸如非洲、中东、拉丁美洲等地区，这项技术的使用可能还会花一段时间。
目前光交换技术市场日益成熟，价格也在迅速下降。批量生产以后，这些技术设备的价格有望在201*年下半年更大幅度地下降。如果说201*-201*年是光交换技术的试用期，那么201*年将是这项技术在全球范围内的大规模使用期。许多运营商，比如GlobalCrossing、法国电信和日本电信等都已经表达了对光交换系统性能的满意，并已经计划在201*-201*年间在他们的网络中广泛采用这项技术。北京市通信公司宣布采用北电网络的OPTeraDX光交换机完成了长途光传输系统工程，升级后的网络已于今年六月投入商业服务。
虽然在低迷的环境下，大多数运营商最近都宣布了资本与运作支出缩减计划。与２００１年相比，２００２－２００３年间的缩减率高达３０％。但是，受宽带业务需求影响，尽管电子商务呈下降趋势，数据通信仍然持续增长。如果运营商不与此快速增长业务同步，到２００２年下半年其网络的最大使用容限将只有４０％。因而，运营商恰当地选择技术设备来升级其网络、减少其成本和运作支出，日益显得重要。业内专家指出，光分组交换技术将成为一项重要的网络交换升级技术得到广泛应用。未来，基于电路交换的电信网必然要升级到以数据为重心以分组为基础的新型通信网，而光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分组交换，是下一代全光网络技术，其应用前景广阔。目前，世界上许多发达国家进行了光分组交换网的研究，如欧洲RACD计划的ATMOS项目和ACTS计划的KEOPS项目，美国DARPA支持的POND项目和CORD项目，英国EPRC支持的WASPNET项目，日本NTT光网络实验室的项目等。而且，光分组交换网的实用化，取决于一些关键技术的进步，如光标记交换、微电子机械系统MEMS、光器件技术等。光器件技术中固态光交换技术已开始迅速发展，在芯片上实现光交换一直是人们的梦想。利用固态交换技术，交换速度可以在纳秒的范围之内，这样高的速度主要用于光的分组交换。已经有一些公司在这个方向上取得了重大进展，例如Brimcon，LynxandNTT公司。
光交换技术-缘起
从SDH（同步数字系列）发展到DWDM（密集波分复用），超大容量密集波分复用技术的飞速发展使光纤的容量得到了比较彻底的发掘，解决了网络节点间传输容量的问题。但是网络节点瓶颈的问题依然很突出。因此，在此基础上为适应未来互联网业务、开放的、支持多业务的、灵活易升级的、具有高效的保护和恢复策略的以及拥有更简单有效的网络控制和管理的智能光网络将是WDM光传送网未来的发展方向。
ASON最早是在201*年3月有ITU－T的Q19/13研究组正式提出的。在以后短短的两年半多的时间内，无论是技术研究，还是标准化进程都进展迅速，成为各种国际组织及各大公司研究讨论的焦点课题。因此ASON是传送网络的重大变革。
光交换技术-ASON的特点
与现有的光传送网技术相比，ASON具有以下几个特点：
1、强大而灵活的传送和交换能力、支持复杂拓扑的格状网络。传送平台普遍采用大容量DWDM技术，提供由波长组成的端到端的光通路。交换平台解决网络规模扩展问题，将链形和环形网络变为网状拓扑，提供光通路的优化路由，在线路或者节点发生故障时进行快速迂回，能方便的升级和扩充；
2、分布式的控制。通过分布式的信令/协定实现网络智能化的控制。随着光层技术的不断提高，特别是多协议标记交换（MPLS）技术向光层的拓展，使建立分布式、开放的网络控制系统成为可能。这将大大提高网络的性能，降低网络的运营成本；
3、开放的网络管理。由于业务的多样性及多厂家环境的原因，要求网络管理系统由封闭走向开放。同样，由于容量的迅速增长和对业务质量的要求，要求网络管理系统向自动化和智能化方向发展；
4、以业务为中心，支持多业务。IP技术的发展促使光网络必须能够支持多种业务。这些业务对带宽、时延和业务质量等有不同的要求。另外，随着互联网对人类生活和工作方式的影响进一步加深，一些无法预测的新业务必然兴起。这些都决定了未来的光网络必须是能够支持多业务和开放的。
光交换技术-ASON的组成
光交换技术
ASON网络结构的核心特点就是支持电子交换设备动态的向光网络申请带宽资源，可以根据网络中业务分布模式动态变化的需求，通过信令系统或者管理平面自主的去建立或者拆除光通道，而不需要人工干预。采用自动交换光网络技术以后，原来复杂的多层网络结构可以变得简单和扁平化，光网络层可以直接承载业务，避免了传统网络中业务升级时受到的多重限制。ASON的优势集中表现在其组网应用的动态、灵活、高效和智能方面。支持多粒度、多层次的智能，提供多样化、个性化的服务ASON的核心特征。ASON主要由以下3个独立的平面组成，即传送平面、控制平面和管理平面总之，ASON技术是光传送网技术的一项重大突破，它的出现，深刻的改变了光传送网的体系和功能，可以相信，随着这种技术的逐步成熟，光传送网将会发挥更大的作用。
ASON可以提供丰富的业务模型,主要包括:按需带宽分配业务(BoD)、光虚拟专用网业务(OVPN)和指配带宽业务(PBS)。
光交换技术-ASON业务连接类型
永久连接(PC)交换连接(SC)软永久连接(SPC)
光交换技术-现网中应用ASON业务需要解决的问题
从上述对ASON业务现状的介绍和分析看,PBS和采用SPC的OVPN业务都已比较成熟,达到了现网的应用水平,并已在现网有所应用,而所有涉及SC的业务应用都还未能达到现网应用水平。
扩展阅读：光交换技术
对光交换技术的认识
摘要：在未来的网络中全光网络充分利用光纤的巨大带宽资源来满足各种通信业务爆炸式增长的需要。为了克服光网络中的“电子瓶颈”，具有高度生存性的全光网络成为宽带通信网络的未来发展目标。而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它在全光网通信系统中发挥着重要的作用。关键词：光交换技术光空分交换光时分交换光波分交换
WDMSOAXGM
光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域上直接将输入光信号交换到不同的输出端。因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调制方式透明，可以大大提高交换单元的信息吞吐量。由于信息的传输技术的不断完善，光交换技术成为全光通信网的关键。根据光信号的交换对象的不同可将光交换分为空分、时分、波分三种交换方式。
1.光空分交换技术空分光交换技术就是在空间域上对光信号进行交换，它的基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路。空间光开关是光交换中最基本的功能开关。目前，光开关的技术已经较为成熟。现在光通信中使用的光开关主要有机械型光开关、热光型光开关、微电子机械型光开关和半导体光放大器门型光开关。
机械型光开关在光网络中的应用较为广泛，主要是通过移动光纤、棱镜、反射镜等改变光的传播路径。机械式光开关插入损耗较低，对偏振和波长不敏感。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。由于体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。
热光开关一般采用波导结构，利用薄膜加热器控制温度，通过温度变化引起折射率变化来改变波导性质，从而实现光开关动作。例如，MZI型光开关：即通过改变波导的温度而使波长的传播相位得以改变，进而改变波长的传播路线。若薄膜加热器不加热，从1’输出的两束光相位差为π，干涉相消，即光只从2’输出；若调节加热温度使之形成π相移，那么在和输出端口两束光的相位关系随之发生变化，光会从1’输出。
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微电子机械系统（MEMS）光开关的工作原理非常简单，通过安装在其内部一系列的镜面来控制光路在自由空间行进的方向。这些镜面可以在静电的控制下适当地调整倾斜的角度，完成波长的交叉连接功能。内部的交换处理芯片中的控制软件向芯片上的电结点发送控制信号，由该节点产生微弱的电磁场来驱动镜面产生合适的动作以完成配置功能。
基于半导体光放大器的门型光开关，由于半导体光放大器在不同泵浦状态下对入射光表现出的吸收或放大两种不同的状态，因此，SOA可以作为一种快速门型开关应用。当SOA的注入电流低于阈值电流时，入射光被吸收，门开关处于关断状态；当注入电流高于阈值电流时，入射光透明地穿过SOA，同时可以获得增益，门开关处于导通状态。
2.光时分交换技术时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式。光时分复用和电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙，n个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。
要完成时分光交换，必须有时隙交换器实现将输人信号一帧中任一时隙交换到另一时隙输出的功能。完成时隙交换必须有光缓存器，把时分复用信号按一定顺序写人储存器，然后按一种顺序读出来，这样便完成了时隙交换。双稳态激光器可用作光缓存器，但它只能按位输出，而且还需解决高速化和扩大容量问题。光纤延时线是一种比较适用于时分交换的光缓存器。光纤延时线的光时分交换的工作原理：首先把时分复用的光信号经过光分路器，使它的每条出线上同时都只有某一时隙的光信号；然后让这些信号分别经过不同的光延时器件，使其获得不同的时间延迟；最后，再把这些信号经过一个光合路器重新复合起来，就完成了
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时分交换。
3.光波分交换技术是指光信号在网络节点中不经过光／电转换，直接将所携带的信息从一个波长转移到另一个波长上。
波分复用（WDM）是光纤通信的一个重大突破，其利用光纤的丰富频谱资源，在光纤的低损耗窗口中复用多路光信号，大大提高了通信容量。波分复用技术在光传输系统中已经得到广泛应用。一般说来，在光波复用系统中其源端和目的端都采用相同的波长来传递信号，否则将在多路复用中，每个终端都将增加终端设备的复杂性。这样要求在传输系统中间节点上要采用光波分交换，采用这样的技术不仅满足光波分复用终端的互通，而且还能提高传输系统的资源利用率。波分光交换所需波长交换器是先用分解复用器将光波分信道空间分割开，对每个波长信道分别进行波长交换，然后再把它们复用起来，经由一条光纤输出。密集波分复用是光纤通信中的一种趋势，它利用光纤的宽带特性，在1550nm波段的低损耗窗中复用多路光信号，大大提高了光纤的通信容量。
半导体光放大器（SOA）是实现全光波长变换的一种非常有用的器件。SOA型全光波长变换常采用的物理效应有：交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等。SOA型全光波长变换器也相应的分为这三类。
利用SOA中的交叉增益调制效应（XGM）实现波长变换的原理是：随着输入光功率的增加，由于受激辐射，SOA中载流子的消耗相应增加，载流子浓度下降，导致SOA增益减少，即发生增益饱和现象。此时，如果把一束波长为λc（与目标波长相同）的连续探测光注入SOA，当信号光处于高功率（逻辑1）时，由于SOA的增益饱和效应，探测光不能得到放大（逻辑0）；相反，当信号光处于
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逻辑0时，探测光被放大（逻辑1）。此即为交叉增益调制效应（XGM）。于是，强度调制信息就从信号光λS加载到了探测光λc上，实现了波长变换，只是输出信号在逻辑上与原信号相反。
同样，交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）也是利用非线性效应，达到波长转换的目的。在调制速率上，XGM和XPM没有明显的差别，均受限于载流子的寿命时间，但采用XPM进行波长变换时，啁啾较小，消光比较高，变换信号的信噪比也提高。其缺点是造价昂贵。
光交换技术的发展前景虽然光时分交换和波分交换都有美好的应用前景，但是由于目前高速光开关的技术指标和工艺水平还难以达到实用化程度，特别是有效的、大容量的光缓存器的缺乏，使高速、频繁的时分光交换近期内还难以实现。全光波长转换器的研究虽然有了一些进展，但也还远没有达到实用化阶段。因此，近期光交换的发展和应用重点仍是空分光交换，必要时使用“光电光型”波长转换器实现波分光交换。
WDM技术正在广泛应用于光纤通信系统中，使单波长传输系统升级为WDM多波长传输系统。将逐渐成熟的空分光交换技术引入光纤通信系统后，可以以波长为单位，在不同的光纤间交换光信号。从而在可以预见的将来，将点到点光纤通信系统升级为光网络，使通信网的基础产生质的飞跃。相信在不久的将来，光交换技术一定会在全光通信网中发挥重要的作用，会为通信技术的发展带来革命性的进步。
参考文献：1.全光通信中的光交换技术翟锦华《科技信息》201*年第6期
2.全光网络中光交换技术的研究现状与发展趋势吴青萍《光通信》201*年第8期
3.光交换技术综述潘爱军严高师《技术与市场》201*年第9期
4.《光纤通信系统》顾婉怡李国瑞编著
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