光交換技術在通信網絡中的應用
來源：《硅谷》
作者：趙廣全
摘要： 光纖網絡作為高速有效的代名詞已經深入人心，在通信系統中也已經大規模的實現部署和應用。而實現透明的、高生存性的全光通信網是寬帶通信網的發展目標。光交換技術作為全光通信網絡中的一項重要基礎技術，其發展和應用很大程度上決定未來光通信網絡的前進方向。對光交換技術的概念及發展和其在通信中應用的情況作概要的介紹，以供廣大科研工作者研究和探討。
Abstract：
Key words :
光纖網絡作為高速有效的代名詞已經深入人心，在通信系統中也已經大規模的實現部署和應用。而實現透明的、高生存性的全光通信網是寬帶通信網的發展目標。光交換技術作為全光通信網絡中的一項重要基礎技術，其發展和應用很大程度上決定未來光通信網絡的前進方向。對光交換技術的概念及發展和其在通信中應用的情況作概要的介紹，以供廣大科研工作者研究和探討。
光纖通信的優勢在于巨大的信息容量和極強的抗干擾能力，其優越的性能早已得到證實，并且在現代通信系統中逐步取代以往電子線路為主要組成的通信網絡，成為現代通信的重要組成方式。而原有通信系統中的電子線路卻缺阻礙了光纖通信系統優勢的發揮，成為性能的瓶頸。
在光纖通信系統中，只有科學合理的通信體系結構才能夠發揮光纖系統的優勢，組成理想的高速、大容量、高質量的光纖網絡，而原有的電子線路通信在全光網絡實行中是一個巨大的阻礙，要去除電子線路的影響需要光纖通信系統技術的進步[1]。傳統通信網絡和光纖網絡并存時存在光電變換的過程，并且二者的結合受限于電子器件，光電交換信息的容量決定于電子部分的工作速度，本來帶寬較大的光纖網絡在進行光電交換時就變得狹窄了，致使整個網絡的帶寬也隨之受限。因此在光通信網絡中需要在交換節點上直接進行光交換而省去光電變換的過程，這樣才能釋放光纖的通信帶寬，實現其通信容量大和通信速率高的優點。所以光交換技術倍受矚目，被認為是新一代寬帶技術中最重要的部分。
1、光交換的方式
光信號復用一般有空分復用、時分復用、波分復用三種方式，相應的也有空分交換、時分交換和波分交換來完成三種復用信道的交換[2]。
空分交換是將交換空間域上的光信號，其基本的功能組件是空間光開關。空間光開關原理是將光交換元件組成門陣列開關，可以在多路輸入與多路輸出的光纖中任意的建立通路。其可以構成空分光交換單元，也可以和其他類型的開關一起構成時分或者波分的交換單元。空分光開關一般有光纖型和空間型兩種，空分交換的是交換空間的劃分。
時分復用是通信網絡中常用的信號復用方式，將一條信道分為若干個不同的時隙，每個光路信號分配占用不同的時隙，將一個基帶信道擬合為高速的光數據流進行傳輸。時分交換需要使用時隙交換器來實現。時隙交換器將輸入信號依序寫入光緩存器，然后按照既定順序讀出，這樣就實現了一幀中的任一時隙交換到另外的一個時隙而輸出，完成了時序交換的程序。一般雙穩態激光器可以用來作為光緩存器，但是它只能按位輸出，不能滿足高速交換和大容量的需求。而光纖延時線是一種使用較多的時分交換設備，將時分復用的光路信號輸入到光分路器中，使得其每條輸出通路上都只有某個相同時隙的光信號，然后將這些經過不同光延時線的信號組合起來，經過了不同延時線的信號獲得了不同的時間延遲，最后組合起來正好符合了信號復用前的原信號，從而完成時分交換。
在光傳輸系統中波分復用技術應用十分廣泛，一般在光波分復用系統中，源端和目的端都需要使用同樣波長的光來傳輸信號，如非如此多路復用復用時每個復用終端都需要使用額外的復用設備，這樣就增加了系統的使用成本和復雜度[3]。因此如果在波分復用系統中，在中間傳輸節點上使用波分光交換，就可以滿足不額外增加器件實現波分復用系統的源端與目的端互通，并且可以節約系統資源，提高資源利用率。
波分光交換系統首先將光波信號用分解器分割為多個進行波分光交換所需的波長信道，在對每個信道都進行波長交換，最后將得到的信號復用后組成一個密集的波分復用信號，由一條光纜輸出，這就利用光纖寬帶的特性，在損耗低的波段復用多路光信號，大大提高了光纖信道的利用率，提高了通信系統容量。
混合交換技術則是在大規模的通信網絡中使用多種交換技術混合組成的多級鏈路的光路連接。由于在大規模網絡中需要將多路信號分路后再接入不同的鏈路，使得波分復用的優勢無法發揮，因此需要在各級的連接鏈路中使用波分復用技術，然后再在各級鏈路交換時使用空分交換技術完成鏈路間的銜接，最后再目的端再用波分交換技術輸出相應的光信號，進行信號合并最后分路輸出。常用的混合使用的交換技術有空分-時分混合、空分-波分混合、空分-時分-波分混合等幾種。
2、全光網交換技術
全光交換的實現第一步，首先要利用基才于電路交換方式的光分插復用(OADM)和光交叉連接(OXC)技術實現波長交換，然后再進一步實現光分組交換[4]。
波長交換是以波長為單位進行光域的電路交換，波長交換是為光信號提供端到端的路由和分配波長信道。進行波長交換的關鍵是要使用相應的網絡節點設備，即光分插復用或者光交叉連接。光分插復用的工作原理是以全光的方式在網絡節點中分出和插入所需的波長通路。其主要的組成元件有復用器和解復用器，以及光開關和可調諧波器等。光分插復用的工作原理和同步數字系統(SDH)中分插復用器的功能類似，不過一個是在時域，而另一個是作用在光域。而光交叉連接則是和同步數字系統中的數字交叉連接器(DXC)作用相似，不過是實現在光網絡節點處的波長通路的交叉連接。
光波長交換本質上任然是效率不高的光交換方式，其面向連接的屬性使其對已經建立的波長通道不能實現再次分配以實現利用效率最大化，即使通信處于閑置狀態。而光分組交換能夠以極小的交換粒度實現帶寬資源的復用，提高光網絡的通信效率。光分組交換目前一般有光透明包交換(OTPS)、光突發交換(OBS)和光標記交換(OMPLS)技術。光透明包交換主要特點是分組長度固定，采用同步交換的方式，需要對所有輸入分組在時間上同步，因此增大了技術難度，增加了使用成本。而光突發使用了變長度分組，使用傳輸包頭的控制信息和包身的數據在時間和空間上分離的傳輸方式，克服了同步時間的缺點，但是有可能產生丟包的問題。而光標記交換則是在IP包在核心網絡的接入處添加標記進行重新封包，并在核心網內部根據標記進行路由選擇的方法。
雖然光交換的方式對數字傳輸速率要求較高(一般10Gb/s以上)的通信場合更為合適，可以實現更低的傳輸成本和更大的系統容量;但當系統要求的傳輸速率要求較低(指2.5Gb/s以下)、連接配置方式較為靈活時，使用舊式的光電轉換的方式接入可能更為合適。因此在當前的實際應用中，應當根據應用場景選擇合適的系統部署。
隨著未來通信網技術的發展和全光網絡實現，光交換技術也會以更加新穎和更有效率的方式為通信網絡的全光化做出貢獻，成為社會發展和人們生活中的重要部分。
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