光交換技術的研究本科畢業(yè)論文設計.docx

本科畢業(yè)論文設計( 2016 屆 )題 目： 光交換技術的研究_ 學 院： 信息工程學院_專 業(yè)： 光信息科學與技術_ 學生姓名： 汪浩 學號： 21206081052_ 指導教師： 劉旭安 職稱（學位）： 助教_ 合作導師： 職稱（學位）：_ 完成時間： 2016 年 5 月 15 日_ 黃山學院教務處制學位論文原創(chuàng)性聲明茲呈交的學位論文，是本人在指導老師指導下獨立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標明。本人依法享有和承擔由此論文而產(chǎn)生的權利和責任。聲明人（簽名）：年 月 日目 錄摘要：1英文摘要:.21 引言32 光交換32.1 光交換的基本概念32.2 光交換的特點32.3 光交換元件32.3.1 光開關32.3.2 波長轉換器42.3.3 光存儲器42.3.4 光調制器62.3.5 光濾波器6 3 光交換系統(tǒng)73.1 光電路交換73.1.1 時分光交換（TDPS）73.1.2 空分光交換（SDPS）73.1.3 波分光交換（WDPS）83.1.4 碼分光交換（CDPS）93.2 光分組交換系統(tǒng)93.2.1 光分組交換（OPS）技術103.2.3 光標簽交換（OLS）技術133.3幾種交換技術比較144 光交換技術的應用144.1 波分光交換技術的應用154.2 空分光交換技術的應用154.3時分光交換技術的應用155 光交換技術的發(fā)展趨勢15參考文獻16光交換技術的研究信息工程學院 光信息科學與技術 汪浩（21206081052）指導老師：劉旭安（助教）摘要：通信行業(yè)的不斷發(fā)展，使得在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)通訊量高速增長，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度已經(jīng)遠遠落后于現(xiàn)在正在發(fā)展的光纖傳輸速度，光交換技術在現(xiàn)在的全光網(wǎng)絡中地位越來越突出，本文較為具體地介紹了光交換技術概念及空分光交換、時分光交換、波分光交換等常見的光電路交換技術和分組交換技術，以及對光交換技術的使用和對其未來狀況進行簡要的介紹。關鍵詞：光交換；全光通信網(wǎng)；光電路交換技術；光分組交換技術16Research On Optical Switching Technology Wang Hao(21206081052) Director:Liu Xu an(School Of Information Engineering，Huang Shan University)Abstract: The development of communication industry, the high-speed growth of data traffic on the Internet, and the traditional data processing speed has lagged far behind in the ongoing development of optical fiber transmission speed, optical switching technology is becoming more and more prominent in current all-optical networks, this paper detailed introduced optical switching technology concept and empty points in optical switching and time optical switching, wavelength division optical switching common optical circuit switching and packet switching technology, and the light exchange technology and brief introduction about its future status.Key words: Optical switching;optical communication network;optical circuit switching technology;optical packet switching technology1 引言光纖技術的蓬勃發(fā)展,已使通信手段從電傳輸、電交換過渡到光傳輸、電交換,其突出的優(yōu)點可以有效地解決高速光通信網(wǎng)絡由于電子交換技術所造成的速率不高問題（傳統(tǒng)的電子交換機端口速率為數(shù)十Mb/s以下，無法滿足目前的寬帶業(yè)務，而目前的商用光通信系統(tǒng)速率以Gb/s甚至Tb/s計算）?，F(xiàn)在的光纖通訊技術因其高速等優(yōu)點越來越受到人們的關注，未來所需要的帶寬網(wǎng)是具有高度非隱藏和有效性等優(yōu)點的全光通信網(wǎng)。光放大技術、光交換技術、光監(jiān)控技術和光處理技術共同支起了目前的光網(wǎng)絡，而光交換技術作用尤為突出1。2 光交換2.1 光交換的基本概念 光交換（photonic switching）可以不進行光與電之間的相互轉換，這種技術可以使得光信號通過輸入端進入光域后，再挑選不同的輸出線路進行輸出。也就是說，能夠將光信號在相異的端口處輸出，和電子數(shù)字程控交換不同的地方是，光交換在信號輸入通道和交換機中沒有光與電之間的轉換，并且有著高速、無電磁感應等優(yōu)勢，光交換技術與光纖傳輸技術兩者結合，相互促進，使得光交換技術伴隨著通信的發(fā)展愈發(fā)繁榮。2.2 光交換的特點a. 與電光交換不同的是，光交換不牽涉到電信號，因此不會因為電子器件處理而使得速率發(fā)生變化,沒有了電子交換容量瓶頸困擾。b. 光交換能夠使網(wǎng)絡的運行費用和設備費用大大降低。c. 光交換提升了通訊的穩(wěn)定性和生存性以及加速復原的時間。2.3 光交換元件2.3.1 光開關 作為一種光學器件，光開關具備著多個傳輸接口。它的形式是入端口和出端口都有兩光纖，如圖2-1所示圖2-1 光開光的平行連接和交叉連接 因為相異的光開關概念形成多種光開關，主要的光開關有：傳統(tǒng)機械光開關、熱光開關、電光開關、液晶光開關等2。而從制造工藝上進行分類課分為三類：機械式光開關、微光機電MEMS系統(tǒng)方式開關、其他方式開關3。2.3.2 波長轉換器全光通訊在骨干網(wǎng)的交織點引進了光交織連接（OXC）與波長變換器4，構成了連接端口與端口的“虛擬波長”線路，如果每段鏈路各自有著沒占用的余暇波長，那么就能夠利用波長變換進而構造通訊通道，大幅度控制了通訊的阻塞率。關于光網(wǎng)絡波長轉換節(jié)點的構劃思路眾多。最普遍的是在復用前給每個通道安裝一波長轉換器即（專注式轉換節(jié)點設計），缺點是對元件的利用率低。較為普遍的波長轉換器設計有兩種分別是有節(jié)點共享式（SPN）和鏈路共享式(SPL)。原理圖如圖2-2所示，波長轉換器按其波長轉換可分為兩類：外調制波長轉換與直接波長轉換。光/電/光變換在通訊網(wǎng)絡中是最為簡潔的波長轉換。其工作原理如圖所示，光信號為i的波長進入輸入端，它在光電檢測器中被調制為電信號，再轉入至輸出激光器，該激光器所需的波長也為i。使得輸出信號為波長i的光信號，完成電信號轉換為光信號5。圖2-2 波長轉換器原理圖該原理的突出長處是概念簡易明了，相匹配的輸入光功率規(guī)模較為廣，但也有著電路布局繁瑣，幅度丟失，不可以進行透明傳輸。設計方案日益完善，穩(wěn)定性較高，是大多數(shù)生產(chǎn)家的最佳選擇。2.3.3 光存儲器光儲存器是一種光盤驅動系統(tǒng)，有光盤驅動器和光盤構成，目的是為了實現(xiàn)光信息的處理。光存儲即使用光學方法來讀寫數(shù)據(jù)。是通過變更存儲的一些特殊物理特性，來寫入所需要的信息。在需要該信息時，光檢測器可通過測得的光強等變量，進而讀取在光盤上的信息。時分光交換系統(tǒng)中，光存儲器占有著十分突出的地位，它可以將光信號轉入光存儲器件中，從而完成時隙交換。較為普遍的是雙穩(wěn)態(tài)激光二極管，另一種是光纖延遲線6。圖2-3為雙穩(wěn)態(tài)激光二極管原理圖,表2-1所示為雙穩(wěn)態(tài)-激光二極管及光纖延遲線比較。圖2-3 雙穩(wěn)態(tài)激光二極管表2-1 雙穩(wěn)態(tài)-激光二極管和光纖延遲線原理與性能比較類型原理優(yōu)點缺點應用雙穩(wěn)態(tài)激光二極管偏離放大穩(wěn)態(tài)響應保持光電反饋有源存儲可整形、可放大增益高速度慢時分、頻分交換光纖延遲線（FDL）光信號在光纖中傳播存在時延無源存儲器件，實現(xiàn)簡單易行，存儲速度無限制、可連續(xù)存儲存儲時間不變時分、頻分ATM光交換2.3.4 光調制器光調制器（也稱其為光電調制器）是較為重要的集成光學元件，是速度極快、使用距離很廣的重要元件。以電場E或者電壓V的不同來調節(jié)光的振幅和吸收率等，涉及到的原理包括電光效應、色散效應、聲光效應等。相對于其他調制器，其包含低損耗，功率低、速率快等優(yōu)勢。光調制器用于控制光強在光通信的整個過程中十分重要，如圖2-4為空間光調制器原理圖。圖2-4 空間光調制器2.3.5 光濾波器光濾波器可從眾多波長中選擇需要的波長而使其他波長被阻擋，是一種波長選擇儀器。其結構圖如圖2-5所示，可用來進行波長選擇。其優(yōu)點有過濾光放大器工作產(chǎn)生的噪聲等。圖2-5 光濾波器結構圖3 光交換系統(tǒng)光交換分為四類，分別為光電路交換OCS技術、光分組交換OPS技術、光突發(fā)交換OBS技術和光標簽交換OLS技術7，從交換方式上劃分，有電路交換、分組交換。而OCS技術因處理目標的差異不同能夠分為四類：空分SD光交換、時分TD光交換、波分WD光交換和碼分光交換8。3.1 光電路交換光交換技術與現(xiàn)在電路交換技術有些相仿，有OADM與OXC元件，其優(yōu)點是光緩存不再成為必須條件。3.1.1 時分光交換（TDPS）時分復用在通信網(wǎng)中較為廣泛使用。在時間軸上將復用的光信號的時間位置t1轉換成另一個時間位置t2就是時分光交換TDPS9。光纖延遲線是其基本元件。空間光開關和一組光纖延遲線共同組成時分光交換器。時分光交換實際上就是隙光交換。即交換在時分復用幀上時隙信號坐標。其原理圖如圖3-1所示。時分復用信號數(shù)據(jù)信息通過分接器后，其同時使得各個出線按照順序遞送一時隙信號，再各自通過相異的光延遲元件，獲取彼此各異的延遲時間，最終，復接器再組合該類信號。其原理如圖3-1所示圖3-1 時分交換原理3.1.2 空分光交換（SDPS）SDPS是兩個或兩個以上節(jié)點中間構成信息傳遞通路，該通路的類型為波束或光波導，以變更傳輸途徑來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互換。SDPS技術完成任意兩點之間的通道相連是因為利用光開關及其陣列/矩陣，如圖所示，該光交換模塊有兩輸入端口和輸出端口，經(jīng)調節(jié)電壓來完成平行連接與交叉連接。 圖3-2 2X2光交換單元 圖3-3 平行/交叉連接3.1.3 波分光交換（WDPS）WDPS即使得信息在網(wǎng)絡節(jié)點中直接使信息從某波長傳送到另一波長而無需經(jīng)過光與電之間的相互轉換。波分光交換原理涉及到波分復用。波長轉換器是主要的器件。WDPS又可以分為波長互換光交換和波長選擇光交換。波長互換光交換如圖3-4所示，利用波長解復用器將輸進去的信息分開選擇不同的通路傳輸，再用波長轉換器使得各個通路進行波長變換獲得所需波長信號然后進行合路，最后由另一條光纖輸出。波長選擇光交換原理圖如圖3-5所示，即直接將攜帶信號轉移到另一波長上4?？煽闯蒒N陣列波長交換系統(tǒng)，N擼原始信號再輸入端分別調制N個可調諧激光器，產(chǎn)生N胳膊長的以調信號，經(jīng)星狀耦合器后形成一個波分復用信號，在輸出端采用波長可調諧光濾波器選擇所需波長信號，進而完成光交換。 圖3-4 波長互換光交換 圖3-5 波長選擇光交換3.1.4 碼分光交換（CDPS）CDPS技術主要完成不同碼字之間的交換，其原理圖如圖3-6所示，即將以正交碼上的信息轉移到另一正交碼上。涉及到一種擴頻通信技術：光碼分復用技術（OCDM），只要使得與發(fā)送時一樣的碼序列接受，就能恢復原來的信息，因為彼此相異的使用者通過互程正交差別碼序列添補信息缺損處。值得一提的是，光碼分復用只對數(shù)據(jù)”1“的光信息進行編碼和解碼，對”0“忽略。CDPS與TDPS相比而言，無須同步。 圖3-6 OCDMA原理圖3.2 光分組交換系統(tǒng)光分組交換技術OPS、光突發(fā)交換OBS、光標簽交換OLS等共同組成光分組交換系統(tǒng)10。使得用戶之前的信息傳遞得以完全為光波傳導，即始終在光域內進行數(shù)據(jù)傳輸。3.2.1 光分組交換（OPS）技術 (1)光分組交換概念采用分組交換方式在通信中進行信息傳遞接受即為ops（Optical packet switching）。OPS的產(chǎn)生可以說是光網(wǎng)絡與IP思想相結合的成果，光分組交換原理和電路分組交換相仿，光分組頭（包含源地址、壽命、等信息）和光分組凈荷構成光分組11，采用逐跳尋址轉發(fā)方式。因動態(tài)共享等技術提高了使用效率，OPS在靈活性上有著獨有的優(yōu)勢。（2）光分組交換技術特點：A. 支持未來不同類型數(shù)據(jù),大容量、數(shù)據(jù)透明、可配置性高。B. 光分組交換屬于分組及的光信號處理，比光時分復用對元件的效率所需不高，比波分復用更靈活。C. 在兼容性上，由于比較小的交換粒度，光分組交換能夠使得IP分組穩(wěn)定地運行。D. 大部分光分組交換的工作環(huán)境在光域中，交換容量與波分復用傳輸容量配合，同時和多協(xié)議標簽交換共同運行。資源使用效率較高。（3）分組交換技術的原理 IP分組組裝、傳遞、交換都是在光域中非間接完成。對波長通道進行統(tǒng)計復用，結構圖如圖3-7。 a.光分組交換，在一定的時間段中放置運行信息和分組頭，然而存放與傳送卻采取光波。b.網(wǎng)絡由眾多光分組節(jié)點構成，每節(jié)點信息運行到輸入端的時間不固定.c.節(jié)點內再重新排隊分組，再對其轉發(fā)。圖3-7 OPS交換原理分組交換原理圖如圖3-8所示。實際為建立以“儲存轉送”之上，還包含電路交換的長處，相比較得出，分組交換對電路的使用效率更為優(yōu)秀，傳輸延遲更低。光分組在OPS中被視為最小顆粒，光分組頭、凈荷和保護時間共同構成OPS數(shù)據(jù)包。對光分組的獲得與協(xié)調一致都是在輸入接口處進行，同一時刻，光纖分路器將一些光功率傳輸進指揮控制中心。光交換矩陣的作用是為光分組擇選傳輸通經(jīng)，同時處理好端口出的信息進入紊亂順序。最終，輸出端以協(xié)調一致輸出和再生模塊來盡量維持信號的頻率固定，實現(xiàn)重新編寫和產(chǎn)生光分組頭。圖3-8 OPS交換網(wǎng)絡示意圖3.2.2 光突發(fā)交（OBS）換技術光突發(fā)交換OPS與電路交換CS兩者有相似的地方，交換模式介于兩者之間。（1） 光突發(fā)交換概念 光突發(fā)交換技術可以看成由電路交換到分組交換過渡，由數(shù)據(jù)通路的控制分組技術與承擔數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)分組技術構成。光突發(fā)交換技術是鑒于當下對光信號的信息數(shù)據(jù)分析處理還不夠完善。（2） 光突發(fā)交換技術的優(yōu)點A. 對于光開關與光緩存的工作效率不再要求高，能極大提升對突發(fā)性分組業(yè)務的支撐作用。B. 在資源分配上，極高地提升科學分配性和利用效率。C. 延遲時間小，對帶寬的使用效率較高，數(shù)據(jù)透明且交換容量大。D. 粒度適中：與OPS及光電路交換粒度相比，OBS的粒度正好位于兩者之間。E. 無光緩存：突發(fā)性數(shù)據(jù)信息經(jīng)過相應BCP預留進行直通傳輸而在中間節(jié)點無需光存儲，所以也就沒有了時延。（3）光突發(fā)交換技術的原理所謂的“突發(fā)”實際上是指數(shù)字型數(shù)據(jù)信息或者一系列的突發(fā)性語音流。在管突發(fā)交換技術的中“突發(fā)”是指交換中的顆粒（較粗）?？烧J為是較小、且擁有一樣出口邊緣節(jié)點地址及同類QoS所需的數(shù)據(jù)分組構建的超長數(shù)據(jù)分組12。光突發(fā)的分組為可變長度，它由控制分組和突發(fā)數(shù)據(jù)BP(凈載荷)共同構成。如圖3-9所示。在光突發(fā)交換中，IP包一旦接觸網(wǎng)絡邊緣，則會被整理成突發(fā)，在控制波長上控制分組，在另一波長上發(fā)送分組，突發(fā)數(shù)據(jù)都是在光域里進行源節(jié)點至目的節(jié)點間的信息傳遞，并且各個節(jié)點處數(shù)據(jù)信號都要通過光電之間的相互轉換和處理。突發(fā)數(shù)據(jù)信道可以與控制信道的速率相同或不同6。圖3-9突發(fā)組裝示意圖3.2.3 光標簽交換（OLS）技術 (1) 光標簽交換OLS的概念光標簽交換技術：將光信號組裝成分組，分組頭和負荷兩者構建成分組數(shù)據(jù)包。通過多種途徑在分組數(shù)據(jù)包的分組頭進行標簽，以此在節(jié)點上以光標簽完成全光交換。光標簽核心技術包括光標簽的交換及如何產(chǎn)生。光標簽信號與光包不同，光包可以達到每秒傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)按GB計算，而光標簽卻是以MB計算?？梢缘贸觯湫畔⒌膫鬏斔俾时容^低。(2) 能夠實現(xiàn)光分組交換的光標簽交換能夠實現(xiàn)光分組交換的光標簽交換如圖3-10所示。圖3-10 光標交換原理(3) 光標簽交換技術的應用 光標簽交換技術主要應用在數(shù)據(jù)包的全光標簽交換。源節(jié)點分離后的數(shù)據(jù)包通過核心光網(wǎng)絡傳輸及標簽交換至目標節(jié)點。邊緣路由器在核心光網(wǎng)絡輸入口增補負載波復用標記并對數(shù)據(jù)包再次整理。全光核心路由器在光網(wǎng)絡域里以負載波復用及波長轉換來對再次整理的數(shù)據(jù)包挑選錄取和通道傳。在數(shù)據(jù)包離開核心光網(wǎng)絡時，邊緣路由器移去了SCM標記，并進行一次波長轉換13 。從早期的點到點波分復用發(fā)展至如今光分插復用/光交叉連接和自動交換光網(wǎng)絡，乃至于即將現(xiàn)世的以密集型光波復用為原理的智能光網(wǎng)絡，在通訊網(wǎng)中，光交換技術將會越來越重要。3.3幾種交換技術比較表3-1 幾種光交換技術的技術參數(shù)的比較序號比較內容光電交換(OCS)光分組交換（OPS）光突發(fā)交換（OBS）1交換粒度波長/波帶/光纖（大粒度）10ns-10s光分組（小粒度）1s-100s突發(fā)包（中粒度）2交換方式直通存儲-轉發(fā)直通3控制方式帶外控制帶內控制帶外控制4信息長度可變固定可變5建立鏈接時延高低低6建立鏈接占用信溢占用不占用不占用7帶寬利用率低高較高8復雜性低高中9靈活性低高較高10光緩存器不需要需要不需要11開銷低高低12特點靜態(tài)配置或端到端信令存儲轉發(fā)交換預留帶寬交換，無需緩存4 光交換技術的應用 在現(xiàn)實生活中光信號類型有三種：波分、時分、空分。其目的都是為了維持傳輸穩(wěn)定和提高傳輸?shù)倪\行速率。4.1 波分光交換技術的應用 一般而言，光波復用的工作原理即波長交換器對需要傳輸?shù)男畔⑻幚?，復用器再對該?shù)據(jù)分割和交換，最后按照時間順序傳輸。而波分光交換技術是整合處理所需要的輸出波，讓該波形與起始信號波形一致，以完成有用的信息傳送14。波分光交換技術有著高效率和大容量的特點，在未來我國的通信行業(yè)中必將大放光彩。4.2 空分光交換技術的應用 空分光交換技術以陣列開關控制陣列排布的光學開關完成信號空間域信息的交換15。其實質內容是交換像元值?？辗止饨粨Q技術可以在輸入和輸出之間通過多種方法構造通道，而空分交換開關形式種類多樣。按照實際的需要來選擇光開關，從而用來保證穩(wěn)定的信息傳遞過程。4.3時分光交換技術的應用對周期性時間間隔的數(shù)據(jù)信息處理即為時分光交換，其原理是時分復用TDM。是光交換技術在時分光交換器中極其普遍，它先通過數(shù)據(jù)延遲技術將輸出端口出的數(shù)據(jù)延遲其出來的時間，目的是為做到時隙交換中的延遲處理，再對輸出的信息整理，進而使其與原來的信息內容一致。5 光交換技術的發(fā)展趨勢現(xiàn)今通信行業(yè)中，光采用的光交換機有兩類，分別為光電與光機械?？萍疾粩噙M步必然會使得當今光交換機使用效率更高。如今，光交換機類型更加多樣，涉及光學、七學和機械等多個領域。拿液晶技術來說，該領域的不斷發(fā)展，液晶光交換機必定會在未來光通訊元件中占重要地位。再比如現(xiàn)今市場上的樣式多變的微光器件光交換機，其優(yōu)點是體積更小，制作工藝相對容易，集成度更高。只需很小的機械系統(tǒng)即可激活工作。大可以預測在不就的將來，該類型的光交換機必將占領更廣闊的市場。參考文獻1 陳廣文，劉慶國.現(xiàn)代電子技術J.全光通信網(wǎng)中的關鍵技術-光交換技術,2002(5)：84-85.2 羅風光，曹明翠等.光學學報J.44自由空間光開關結構及其矩陣析, 2004(12):1677-1682.3 陳君.黃石理工學院學報J.基于MOEMS技術光開關及控制系統(tǒng)研究, 2009(6):4-6.4 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