第8章 交换新技术介绍 8.1 节点功能的变迁 8.2 软交换技术 8.3 光交换技术 思考题

8.1 节点功能的变迁 8.1.1 业务控制和交换的分离 1980年，传统电信网已建设成为四通八达的高速公路，但遗憾的是路面上传送的业务匮乏，不能满足人们想灵活、便捷地获取和发布信息的要求；同时人们也越来越意识到，电信市场应该从垄断走向开放。由于传统的电信业务生成方式是基于交换机的，因此业务提供者对交换网络具有强烈的依赖性，要想改变这种局面，就必须对原来的电信业务的生成及提供方式进行变革，智能网的出现解决了上述问题。

1．智能网 传统的电话业务中，用户的所有信息都存储在其物理接入点所对应的本地交换机上，用户和接入点之间具有严格的一一对应关系，故称之为基于接入用户线的业务。这种结构决定了业务提供由交换系统完成，如缩位拨号、叫醒业务、呼叫转移等。由于交换机数量十分庞大，而且型号各异，交换机的原理、结构、设计方法和软件都各不相同，因此，每增加一种新业务，必须对网络中所有交换机的软件进行修改，这样做不但工作量大，而且涉及面广。有些交换机在设计上还存在局限性，仅修改软件无法实现新业务；有些交换机即便是能实现新业务，但由于实现的费用高、周期长、可靠性差，因此新业务的推广进程非常缓慢。

随 着 经 济 的 发 展 ，信 息 已 经 成 为 一 种 重 要 资 源。人们希望电信网能为用户提供更多、更方便的新业务。例如：被叫集中付费业务和记账卡呼叫业务等等，这类业务不要求用户和接入点之间具有严格的一一对应关系，允许用户在任何接入点上接入，费用记在该用户的账号上，而不是记在接入点所对应的话机账号上。这类业务被称为基于号码的业务。开发这类新业务单纯依靠交换机本身软件的改动几乎是不可能的。为了解决上述问题，20世纪80年代后期出现了一种新概念，就是把交换机的交换接续功能与业务控制功能分开，从而引入了智能网IN(Intelligent Network)的概念。

图8.1 智能网的基本结构

业务控制点SCP(Service Control Point )是实现智能业务的控制中心。它提供呼叫处理功能，接收业务交换点SSP送来的查询信息，查询数据库，验证后进行地址翻译和指派信息传送，并向SSP发出呼叫指令。一个SCP可以处理单一的IN业务，也可以处理多种IN业务，这取决于开放的各类IN业务的业务量。 业务交换点SSP(Service Switching Point)从用户接收驱动信息，检测智能呼叫，并通过No.7信令上报SCP，根据SCP的指令完成相应动作。用户通过SSP接到业务控制点和业务数据点SDP(Service Data Point)上。 智能外设IP (Intelligent Peripheral) 主要用于传送各种录音通知和接收用户的双音多频信息。

业务管理系统SMS(Service Management System)是网络的支持系统，能开发和提供IN业务，并支撑正在运营的业务，它可以管理SCP、SSP、IP。SMS通过数据网与SCE、SCP、SMAP连接。 业务生成环境SCE(Service Creation Environment)规定、开发、测试智能网中所提供的业务，并将其输入到SMS中。利用这个业务生成环境可以方便地开发新的业务，快速提供新的业务。 通过业务管理接入点SMAP(Service Management Access Point)，业务用户可以将管理的信息送到SMS，通过SMS对数据进行补充、修改、增加、删除等，可以使客户自己管理业务。

最初，IN是建立在传统电路交换网之上的一个附加网络，由于它可以快速、经济、灵活地提供增值业务，因此现在已经发展成可以为各种通信网提供增值业务的网络。这些增值业务包括：综合业务数字网(ISDN)、公用移动通信网(PLMN)和宽带综合业务数字网(B-ISDN)。通常将叠加在PSTN/ ISDN网上的智能网系统称为固定智能网，叠加在移动通信网上的智能网系统称为移动智能网，叠加在B-ISDN上的智能网系统称为宽带智能网。

2．智能网提供的业务 理论上，通过IN引入的业务种类包括话音和非话音业务。但实际上真正能上网运行的业务，不仅取决于用户需求以及相应的潜在效益，还取决于信令系统、网络能力等相关技术。智能网向用户提供的业务包括两大类：A类业务和B类业务。所谓A类业务，是指业务为单个用户服务并直接影响该用户。大多数A类业务只可以在呼叫建立或终止期间调用，并属于“单端、单控制点”的分类范畴。所谓“单端”，是指业务特性仅对呼叫中的一方产生作用，而与可能加入呼叫的其它用户无关。这种互不相关性使得同一呼叫中的另一方可具有相同或不同的单端业务特性。所谓“单控制点”，是指一次呼叫仅由智能网的一个业务控制点控制。所有不在A类业务范畴内的业务统称为B类业务。

1992年，ITU-T在IN CS1(Capability Set 1)中提出了 25种目标业务，主要支持PSTN。目前许多国家已投入运行了许多智能业务，如被叫付费业务(又称800业务)，记账卡呼叫，虚拟专用网、移动网中的预付费业务等。这些业务基本上都属于电话领域内的应用。 1997年，ITU-T提出的IN CS2除了包括 IN CS1中提出的所有业务外，还补充提出了16种新业务，主要支持PSTN、ISDN和移动网的网间业务，如全球虚拟网业务、网间被叫集中付费、国际电信计费卡等。IN CS1和CS2业务都属于A类业务。

下面以记账卡呼叫为例，说明智能网的处理过程。电话记账卡业务，也叫300业务。持卡用户可以在任何一部电话机上打国内长途和国际长途电话，即使是无权拨打长途电话的话机也可以呼叫，通话费记在电话卡上，而且用户可以持卡漫游。由于每一张电话卡都有自己的特性和数据，比如卡号、密码、现金及用户的属性等，而且用户可以持卡在任何一个电话机上使用，因此，这些用户数据必须要有集中的数据库来设置。图8.2为300业务示意图。

图8.2 IN网300业务示意图

图中各步骤说明如下： (1) 用户拨电话记账卡的接入码300810(300是电话记账卡的接入码，810是数据库的标识码)。SSP识别智能业务是300业务，向SCP报告。SCP启动810数据库和智能设备IP。 (2) IP语音提示用户输入账号和密码等。 (3) SSP送卡号和密码给SCP，SCP查数据库核对并确认密码、卡号正确且卡上有钱。 (4) IP给用户发录音通知，请用户输入被叫用户号码。 (5) SSP根据收到的被叫号码接续。

像电话记账卡这样的业务，如果采用传统的交换机的方式是很难实现的，因为用户持卡可以漫游，它的呼叫可以在任何一个交换机中发生，这样每一个交换机都必须要有全部电话卡的数据。用户使用电话卡时，就到该交换机的数据库去访问，如果电话卡的数据有所变化(如增加或删除电话卡)，那么每一个数据库中的数据都要改变，即这些数据库的数据必须实时同步，因此，用交换机来实现记账卡业务是非常困难的。而智能网的方式则是采用集中的数据库，在使用每一张卡时均到该数据库去访问，这样数据库中数据的改变就非常方便，而且也不存在实时同步问题了。

8.1.2 业务、呼叫控制和承载分离 由于IP技术的迅速发展，传统电信网络将逐步成为分组骨干网的边缘部分。与此同时，为了支持新的多媒体商业应用，传统电信网络将越来越开放，并引入许多新的功能和物理部件。因此，有必要开发新的网络结构来反映这种新的网络环境，这种网络结构就是下一代网络NGN(Next Generation Network)的基本框架。

1．下一代网络中的业务 1) 多媒体特性明显 NGN网络传送的是多媒体信息，这使得人们可以在语音沟通的同时能得到更多的信息。例如可视电话在人们进行语音交流的同时，还可以看到对方的相貌和表情。通过网络人们不需要专业的设备，计算机加上摄像头以及终端软件就可以进行远程会议。视频点播VOD(Video on Demand)目前已经逐步地被应用，将来通过网络来收看电视节目(PAY TV)和电视教学也将被广泛地应用。 多媒体特性的另一个表现为语音识别和语音文本的双向转换，人们可以从电话中收听E-mail，也可以将会议的录音直接转换为文本进行存储。

2) 业务提供个性化 个性化业务是指针对某一个特殊群体的业务，如针对某个公司、某所大学或某个城市开展的业务。例如一个跨国公司对于某项决策需要多人会签，这些人可能分布在世界各地，大家可以通过网络发表各自意见并进行电子签名，既可以提高效率，又使资料保存更加方便。这个业务的个性化表现为会签的群组会经常改变，会签可以在计算机上完成，还可以在移动终端上完成，这类业务除了要求实时性外，其内容还需要进行加密。有这样的业务的公司还需要具有自助管理的功能，公司可以对会签的人员进行定义，加密的方法也可以由公司进行设定。

3) 虚拟业务将逐步发展 虚拟业务是将个人身份、联系方式以至于住所都虚拟化。举例来讲，张三的手机是13903307805，办公室电话是8787655，家庭电话是6750876，那么他的朋友为了和他联系方便，要记住三个号码，而且这些号码由于各种原因还会更改。虚拟号码具有和通信设备的物理端口无关的特性。例如张三申请了一个虚拟号码888997000，那么无论什么时间或者他的手机号码是否变更，你都能和他联系，而且在上班时间你拨打虚拟号码，会接通张三办公桌的电话，下班时则会接通家里的电话，当电话无应答时会接通手机。

虚拟家庭使你可以在办公室、下班路上或电影院中对家中的电器进行控制。你可以设定在到家前一小时冰箱中的肉开始解冻，到家前半小时空调开始启动，也可以设定在下午5点钟计算机通过网络提醒你输入行程表，以便计算机控制家中的电器。虚拟社区可以使身处异地、有相同爱好或信仰的人们也像邻居一样方便地交流。

4) 业务的智能化 NGN的通信终端具有多样化、智能化的特点，网络业务和终端特性结合起来可以提供更加智能化的业务。同时用户可以将多种业务组合起来，形成新的业务；用户也可以通过业务门户进行简单的选择和配置，生成个性化的业务。

例如在开放式办公环境中，员工的座位并不固定，员工在上班时通过网络设置办公桌的电话号码以及电话的特性。这样无论他坐在哪个办公桌都可以使用个人固定的电话号码，他也可以设定自己喜爱的通信方式，如可视电话或PC PHONE等。用户也可以根据需要在不同时间段采用不同的通信方式，或者在某个时间段将呼叫转接给秘书处理。这类个人路由策略业务将在未来的NGN中被广泛应用。 业务的智能化还表现在通信和自动控制、智能终端的配合上，智能型的通信业务将和人们的工作与生活越来越紧密地联系起来。

2．业务、呼叫和承载分离 NGN中发展最快的特性将是多媒体特性，同时多媒体特性也是NGN最基本、最明显的特性。多媒体业务中的每种媒体可能要求有自己的连接，因为不同的媒体可能存储在不同位置中，导致在单个呼叫中要求有多条承载连接。呼叫控制将这些承载连接联系在一起，并对这些承载连接进行控制。在呼叫保持过程中，可根据需要动态增加或减少承载连接。因此要求将呼叫连接(Call Connection)和承载连接(Bearer Connection)分开。例如，在会议电视业务中，由于呼叫方可主动加入会议，也可中途退席，系统相应地要为该用户加入承载连接或拆除承载连接。可见，呼叫建立时所分配的功能在整个呼叫期间是固定的，而与承载连接有关的功能在呼叫过程中可能会改变，因此也要求呼叫和承载连接分离。

由此可见，在NGN网络中，业务、呼叫和承载连接必然是分离的，相应地，对业务的控制SC(Service Control)、对呼叫的控制CC(Call Control)和对承载连接的控制LC(Link Control)也必然要分离。此外，为了支持多种媒体的处理，还应加强对网络资源的管理。网络资源管理功能应为所有的多媒体业务所共用，因此还要实现业务控制功能与网络资源管理功能的分离，以便于灵活地对网络资源进行控制，充分利用网络资源。 那么如何实现业务、呼叫和承载控制的分离呢？最初的思路是尽可能保持电路交换网结构的稳定性，通过内建扩充部件将电路交换机逐步改造成满足上述要求的宽带综合交换机，见图8.3。

图8.3 宽带综合交换机网络的结构

图8.3中，业务控制和智能业务检测属于IN，连接控制和呼叫控制属于B-ISDN功能。其中：连接控制是控制相邻两个交换节点之间的宽带承载交换；呼叫控制位于源和目的交换机中，负责源端到目的端呼叫连接的建立、控制和管理，同时控制和管理所在交换机的连接。转接交换机不具有呼叫控制功能。

在连接和呼叫分离的环境中，通信控制应包括三个阶段：呼叫控制(CC)、预协商(PN)和连接控制(LC)。呼叫控制用于初始化所包含的各方的通信，是先于连接建立的准备阶段，这个准备阶段通过信令在所包含的各方之间进行。也就是说，呼叫控制负责建立、保持和释放呼叫阶段的信令联系。预协商的主要目的是检验呼叫双方之间的相容性和资源的可用性。连接定义为业务的网络拓扑结构，包括点到点、点到多点、多点到点和多点到多点四种。连接控制负责建立、保持和释放承载连接的控制。具体讲，连接控制负责业务的QoS参数与传输机制的直接映射关系，并对路由选择机制、同步机制、带宽和时延等参数进行控制。LC可以控制多个承载连接。

三种控制分离的结果是： (1) 当两个用户利用电信系统进行通信时，先建立一种呼叫连接，在被叫用户接收到某一呼叫时，承载连接并没有建立，因为在呼叫建立后，系统需要检查本次呼叫所需的资源是否能满足，并进行预协商。如果呼叫未被接收(如资源不足)，系统就不会空占任何承载连接；如果预协商成功，系统才为本次呼叫分配承载连接。这样，系统资源就可以得到合理利用。

(2) 可快速提供附加业务，易于实现对业务的灵活控制。 这种基于综合交换机的集中式节点演进方案，曾经被许多电信设备制造厂商推行。可是由于技术经济性、投资保护性、业务应用环境等诸多因素所限，这个方案未能得到市场的足够认可。

8.1.3 通信网络的演变 由于历史的原因，现有通信网根据所提供的不同业务被垂直划分为几个单业务网络(电话网、数据网、CATV网、移动网等)，它们都是针对某类特定业务设计的，因而制约了向其它类型业务的扩展。

传统的基于电路交换的网络体系结构中，采用依靠交换机和信令来提供业务的方式，通常在制订交换机规范时就要确定该交换机应提供什么业务。因此，在增加新的业务时，必须要对交换机和相关的信令流程作相应的修改，网络缺乏开放性和灵活性。虽然后来引入的智能网可实现业务控制与业务交换的分离，但连接控制与呼叫控制(包括接入控制)功能仍未分离，不便于网络融合时的综合接入，而且也缺乏开放的应用可编程接口API(Application Programming Interface)。新业务的提供对客户来说仍较复杂，妨碍了业务客户化的实现。

多种网络长期并存的现实促使它们逐步走向融合，以便最大限度地利用原有网络资源。同时人们也期望未来能有一个按功能进行水平分层的多用途、多业务的网络，并最终演进为一个能支持多媒体业务的NGN网络。

对于多业务网络，用户、网络运营商和业务提供商都希望它具有以下特点： (1) 高度的开放性、灵活性和可扩充性，以满足技术和应用不断变化和发展的需要； (2) 能够快速、方便、经济地提供新业务，并易于实现业务的客户化； (3) 相对低的建设和运营成本。

根据现有的认识和实践，显然基于IP的网络特别适合于处理话音、传真、数据和视频图像的融合，能以较低的带宽来集成话音、数据和视频信息，方便地传送各种新的业务，而且采用因特网结构具有较低的成本。

软交换的主要思路不同于综合交换机，它保持PSTN/ISDN网络基本不变，即不再增加现有节点的复杂度，通过相应网关实现电路交换网和分组数据网的互通，并把电路交换对实时通信业务的控制技术引入数据网，由此实现两类网络的综合，进而实现网络的融合。 用软交换思想构建的交换模型不同于传统的电路交换，如图8.4所示。图中(a)表示传统电路交换机的功能组成，(b)是软交换结构。(b)中的媒体网关替代了(a)中的用户板/中继板，它完成从TDM流到IP分组流的转换；IP分组骨干网替代了传统时分交换网络；软交换技术替代了控制时分交换网络的控制器，它控制媒体网关之间媒体分组的交换和选路。

(a) 传统电路交换模式；(b) 软交换模式 图8.4 传统电路交换和软交换功能比较 (a) 传统电路交换模式；(b) 软交换模式

8.2 软 交 换 技 术 8.2.1 软交换技术产生的背景 20世纪90年代中期，已有话音和数据两种不同类型的通信网络投入运营。即使是同一类型的网络也逐步打破了一个运营商独家经营的局面。不同运营商为了不断扩大自己的业务地盘，纷纷参与市场竞争，传统的通信网络框架已分崩离析。电信企业力图发展图像和计算机业务；有线电视企业积极发展计算机和电话业务；计算机企业则试图把活动图像和电话业务纳入自己的业务范围。这样，三网合一发展综合业务已成为必然。

在众多的业务中，传统电话业务的年增长率为5%～10%，而数据业务的年增长率高达25%～40%，且呈指数增长，特别是WWW业务的成功应用，Internet由单纯的教育科研型网络转为公众信息网络，数据业务量不仅将超过电话，而且已进入包括声音和图像在内的多媒体通信领域。这种情况对传统PSTN/ISDN带来了直接影响，大量拨号上网用户长时间占用电路，造成网络资源紧张，正常电话接通率下降。 如何保持传统电信网的无处不在和高质量、高可靠性，同时又可以将用户转移到其它网络，实现异构网络的无缝连接和更广泛的业务和应用，是业务提供者和网络运营商致力的目标。

首先，实现上述思想的成功方案是IP电话。由于IP网传输时延不定，QoS无法保证，为了支持实时电话业务，IETF定义了实时协议RTP(Real-Time Protocol)支持QoS，定义了资源预留协议RSVP(Resource Reservation Protocol)为呼叫保留网络资源。此外，IP网是开放式的网络，为了保证网络安全，必须验证电话用户身份(即鉴权)，对重要电话信息必须加密。此外还必须对电话用户通话进行计费。

目前，IP电话的体系结构大体可分为两种，一种是基于H. 323的IP电话体系结构，另一种是基于SIP的IP电话体系结构。基于H 目前，IP电话的体系结构大体可分为两种，一种是基于H.323的IP电话体系结构，另一种是基于SIP的IP电话体系结构。基于H.323的IP电话网络由IP电话网关GW(GateWay)和网守GK(GateKeeper)组成，见图8.5。GW完成媒体信息编码转换和信令转换(No.7至H.323或用户线信令到H.323的转换)，GK实现电话号码到IP地址的翻译、带宽管理、鉴权、网关定位等服务。多点控制单元MCU(Multipoint Control Unit)执行多点会议呼叫信息流的处理和控制。

图8.5 IP电话系统的组成

在最初的IP电话网关设计中，信令处理、IP网传输层地址交换、编码语音流的传送都在同一设备中实现。因此从表面看上去，最初的IP电话设备与传统电话一样，其交换都是由硬件来实现的，都是公认的“硬交换”。 后来，人们发现IP电话的用户语音流传输(IP电话用户平面)和IP电话的呼叫接续控制(IP电话控制平面)二者之间并没有必然的物理上的联系和依存关系，因此无需将媒体流的传输与呼叫的控制在物理上放在一起，可以将IP电话网关进行功能分解。分解后网关只负责不同网络的媒体格式的适配转换，故称之为媒体网关MGW(Media GateWay)。

所有控制功能，包括呼叫控制、连接控制、接入控制和资源控制等功能由另外设置的独立的媒体网关控制器MGC(Media Gateway Controller)负责。MGC是与传统硬交换不同的“软交换”设备，这就是最初软交换(Soft Switch)概念的由来。这种思路实际上是回归了传统电信网集中控制的机制，即网关相当于终端设备，数量大而功能简单，MGC相当于交换机，数量少而功能复杂。一个MGC可以控制多个网关。业务更新时只需要更新MGC软件，无需更改网关，这有利于快速引入新业务。

经过数年的探索，各电信设备制造厂商逐步认同上述分离控制的思想，积极开发各自的产品系列。不同制造商对MGC赋予不同的名称，例如呼叫服务器(Call Server)、呼叫性能服务器(Call Feature Server)、呼叫代理(Call Agent)等。前美国贝尔通信研究所(Bellcore)首先将此概念在IETF提出，并提出MGW-MGC之间的控制协议草案。其后，ITU-T和IETF合作研究，制定了统一的控制协议标推，这就是著名的H.248协议。

由于MGC的基础功能是呼叫控制，其地位相当于电话网中的交换机，但是和普通交换机不同的是，MGC并不具体负责话音信号的传送，只是向MGW发出指令，由后者完成话音信号的传送和格式转换，相当于MGC中只包含交换机的控制软件，而交换网络则位于MGW之中。因此，人们把MGC统称为“软交换机”，以屏蔽不同厂商的名称差异，并由制造厂商和运营商联合发起成立了全球性的“国际软交换联盟”ISC(International Softswitch Consortium)论坛性组织，积极推行软交换技术及其应用。

8.2.2 软交换方案举例 图8.6 软交换IP电话网结构

连接终端的接入网关AGW(Access GateWay)和支持PSTN互通的中继网关TGW(Trunk GateWay)，均通过网关控制协议H.248受MGC的控制。其中，AGW通过常规的RJ-11接口和电话机相接，负责： (1) 采集电话用户的事件信息(如摘机、挂机等)，并上传MGC； (2) 支持RTP协议，以完成端到端IP话音的传送。

TGW负责桥接PSTN和IP网络，它能够： (1) 支持多种类型的中继线接入，如直联7号信令中继、MFC中继、模拟中继等； (2) 能提供中继接入的各种音信号； (3) 装备录音通知或交互式语音应答设备； (4) 在MGC控制下完成与PSTN用户的交互。

MGC与PSTN的信令转换由7号信令网关完成。转换协议是IETF定义的流控制传送协议SCTP(Stream Control Transfer Protocol)。MGC处理经由信令网关转接的7号信令，在phone-PC通信情况下，还完成7号信令至H.323或SIP协议簇的转换。按照同样的机理，MGC还能与智能网的SCP互通，而且支持目前PSTN的各种智能业务，还可望在IP环境下开发新的增值业务。

MGC支持分布式结构，该结构允许在IP网中设置多个MGC，它们协同工作，共同控制网关。在ISDN-IP-ISDN应用环境下，为支持主/被叫ISDN终端的正常通信，IP网络有必要在主/被叫侧的ISDN之间透明地传送ISUP信令。为此，ITU-T和IETF又定义了MGC之间的接口协议，分别称为承载无关的呼叫控制协议BICC(Bearer Independent Call Control)和SIP电话控制协议SIP-T(SIP Telephony)。

8.2.3 基于软交换技术的网络体系结构 软交换的设计目标是建立一个可伸缩的软件系统，它独立于特定的底层硬件和操作系统，并且能够处理各种各样的通信协议，支持PSTN、ATM和IP网的互连，并便于业务增值和系统的灵活伸缩。软交换有如下几个技术特点： (1) 它是一个网络解决方案，而不是像综合交换机那样着眼于节点的解决方案。其演进过程中需要支持的新的网络能力可以由网元(网关、服务器等)实现，软交换则定义网元之间的标准接口。

(2) 它是一个分布式和集中式相结合的解决方案。原则上所有功能都是在网络中分布实现的，特别是网络互通功能由分布式网关完成，这些网关数量多，功能相对简单，容量各不相同，但是呼叫控制和业务控制功能可集中于少数几个软交换机完成。 (3) 它是一个软件解决方案，核心在于软交换机中的控制逻辑和网元之间的接口协议，传送层功能由相应的底层网络自行解决，不在软交换的考虑范围之内。由于控制任务专一，软交换的容量可以相当大，有利于对通信业务的有效控制。

软交换是在新的运营环境下，对支撑业务运营的各要素的重新配置和组合，这导致各要素间原本专有的、封闭的接口必须实现开放和标准化。 基于软交换技术的网络体系结构分成媒体接入层、传输服务层、控制层和业务应用层，见图8.7。与传统电信网络体系结构相比，其最大的不同就是把呼叫的控制和业务的生成从媒体层中分离出来。媒体接入层主要实现异构网络到核心传输网以及异构网络之间的互连互通，集中业务数据量并将其通过路由选择传送到目的地。传输服务层完成业务数据和控制层与媒体接入层间控制信息的集中承载传输。控制层决定呼叫的建立、接续和交换，将呼叫控制与媒体业务相分离，理解上层生成的业务请求，通知下层网络单元如何处理业务流。业务应用层则决定提供和生成哪些业务，并通知控制层做出相应的处理。

图8.7 基于软交换技术的网络结构

图中，媒体网关作为媒体接入层的基本处理单元，负责管理PSTN与分组数据网络之间的互通和媒体、信令的相互转换，包括协议分析、话音编/解码、回声消除、数字检测和传真转发等。信令网关则提供SS7信令网络(SS7链路)和分组数据网络之间的协议转换，其中包括协议ISUP、TCAP等的转换。而无线网关则负责移动通信网到分组数据网络的协议转换。软交换通过提供基本的呼叫控制和信令处理功能，对网络中的传输和交换资源进行分配和管理，在这些网关之间建立起呼叫或是已定义的复杂的处理，同时产生这次处理的详细记录。

控制层主要由MGC组成，业界通常将其称为“软交换机”。它提供传统有线网、无线网、7号信令网和IP网的桥接功能(包括建立电话呼叫和管理通过各种网络的话音和数据业务流量)，是软交换技术中的呼叫控制引擎。 传输服务层承载业务，备选的核心技术有TDM、IP、ATM或MPLS。

业务应用层中的应用服务器提供了执行、管理、生成业务的平台，负责处理与控制层中软交换的信令接口，提供开放的API用于生成和管理业务。媒体服务器则是用于提供专用媒体资源(IVR、会议、传真)的平台，并负责处理与媒体网关的承载接口。如果在应用中，应用服务器不与媒体服务器一起使用，则应用服务器只支持不要求媒体操作的业务，如阻截、前转和与选路相关的业务。应用服务器也可单独生成和提供各种各样增强的业务。

应用服务器和软交换之间的接口采用IETF制定的SIP，软交换可以通过它将呼叫转至应用服务器进行增强业务的处理，同时应用服务器也可通过该接口将呼叫重新转移到软交换设备。API驻留于应用服务器之中，为下面的业务和交换功能提供接入和生成的手段。它们为分组话音业务提供者提供了一个可以迅速高效地开发各种不同业务的环境，由于这些API接口具有开放和灵活的特性，因此在生成、管理业务时不必对软交换的功能进行更新或升级。

8.2.4 软交换技术的标准化进展 软交换是下一代网络(包括固定网、移动网、数据网)的核心技术，主要用于处理实时业务，如话音业务、视频业务、多媒体业务等，此外还提供一些基本补充业务，举例于传统交换呼叫控制和基本业务。由于具有开放性、灵活性和扩充性等优势，软交换技术将在未来网络的业务网层面发挥核心作用。 软交换是智能网的继承和发展。显然，在交换和业务分离上软交换与IN有类似之处，但就整个体系结构上两者有很大不同。传统IN仍然是按照不同业务网独立设置的，并未考虑不同运营商、不同类型网络、不同类型业务统一接入处理和互连互通。而软交换作为一个开放的功能实体，采用标准的开放协议与外部实体实现通信。图8.8给出了软交换与外部的接口采用的标准协议。

图8.8 软交换与外部的接口采用的标准协议

媒体网关与软交换之间的接口用于软交换对媒体网关进行承载控制和资源管理。此接口采用H 媒体网关与软交换之间的接口用于软交换对媒体网关进行承载控制和资源管理。此接口采用H.248(MeGaCo)协议，也可考虑采用媒体网关控制协议MGCP(Media Gateway Control Protocol)和IP设备控制协议IPDC(Internet Protocol Device Control)。信令网关与软交换之间的接口完成软交换和信令网关之间信令信息的传递。此接口采用SCTP。 软交换与网管中心之间的接口可实现对软交换的管理，采用简单网络管理协议SNMP(Simple Network Management Protocol)。软交换与智能网的SCP之间的接口提供对现有智能网业务的支持，此接口使用智能网应用协议INAP。

软交换与应用服务器间的接口提供对第三方应用和各种增值业务的支持功能，此接口可采用SIP协议或软交换提供的API。 软交换与策略服务器间的接口可对网络设备的工作进行动态调整，此接口可使用IETF定义的COPS(Common Open Policy Service)协议。 软交换间的接口主要实现不同软交换设备之间的交互。此接口采用SIP-T、H.323或ITU-T最新推出的BICC协议。

自从软交换概念提出以来，我国科研和生产部门也一直紧紧跟踪软交换技术的最新进展，标准化工作也在同步进行。1999年下半年，我国网络与交换标准研究组启动了软交换项目的研究。2001年12月，信息产业部科技司印发了参考性技术文件——软交换设备总体技术要求。现在，网络与交换标准研究组在积极制定有关信令网关、媒体网关、相关协议的技术规范及网络开放式体系架构和设备单元的测试规范。高科技“863”计划列项了软交换系统在移动和多媒体应用的研究。国内外设备制造商、各大运营商也都提出了各自相应的解决方案。

以软交换为核心的交换体系提供业务开放能力，符合固定网络和移动网络融合的趋势；提供语音、数据、视频业务和多媒体融合业务，满足通信个性化、移动化和随时随地获取信息的发展目标。软交换技术是目前解决在统一平台上，提供多业务应用的一个重要发展方向，是下一代网络呼叫与控制的核心。

8.3 光 交 换 技 术 8.3.1 光交换技术简介 未来的全光网仍是以交换节点为核心构建，因此研究和开发具有高速宽带大容量交换潜力的光交换机势在必行。 和电交换节点一样，光交换节点按功能结构可分为接口、光交换网络、信令和控制系统四大部分。接口完成光信号接入，包括电/光或光/电信号的转换、光信号的复用/分路或信号的上路/下路。信令协调光交换节点和接入设备以及光节点设备间的工作。光交换网络在控制系统的控制下交换光信号，实现任意用户间的通信。

上述四个功能中，如何实现交换网络和控制系统的光化是光交换系统主要的研究课题。要将光技术应用于处理控制设备，就应解决类似于在计算机中遇到的许多问题，包括光逻辑操作和数据操作算法。但至今光计算机还没有广泛投入使用，涉及的光交换系统还是一个光交换网络与电子控制系统相结合的交换系统。有信令支持的自动交换光网络ASON(Automatic Switched Optical Network)具有动态连接能力，但目前还未实现。目前的光交换系统中控制选路的路由表由人工配置，控制光交换网络交换的转发表通过网管系统配置。

光信号复用可以提高光纤的传输容量。目前可用于超高速光纤网络的复用技术主要有：光波分复用OWDM(Optical WaveLength Division Multiplexing)、光频分复用OFDM(Optical Frequency Division Multiplexing)、光时分复用OTDM(Optical Time Division Multiplexing)、光码分复用OCDM(Optical Code Division Multiplexing)和副载波复用SCM(SubCarrier Multiplexing)等。其中，OFDM和OWDM在本质上相似，都是用不同的光载波传输信息，但两者又有区别：在同一根光纤中传输的光载波路数不多，载波之间的间隔又较大的复用方式通常称为OWDM；若光载波路数较多，波长间隔较小而又密集的复用方式称为OFDM，OFDM是密集波分复用系统使用的复用技术。

按交换方式划分，光交换系统有两类：光路交换和分组交换，见图8 按交换方式划分，光交换系统有两类：光路交换和分组交换，见图8. 9。光路交换又可分为空分(SD)、时分(TD)和波分/频分(WD/FD)光交换，以及由这些交换组合而成的结合型。其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一类是采用波导技术的波导空分，另一类是使用自由空间光传播技术的自由空间光交换。光分组交换中，异步传送模式(ATM)是近来被广泛研究的一种光交换方式，它的特征是用硬件交换信元脉冲串。

图8.9 光交换分类

8.3.2 光交换器件 1．光开关 构成一个电交换系统的最简单方法是用电开关。同样，构成一个光交换系统的最简单方法是用光开关。与电开关不同的是，光开关接通或断开的是光信号。 光开关可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关靠光纤或光学元件移动, 使光路发生改变。非机械式光开关依靠电光效应、磁光效应、声光效应和热光效应来改变波导折射率, 使光路发生改变。衡量各种光交换开关性能的指标有：插入损耗、串扰、消光比(开关比)、开关响应速度和功耗。

机械式光开关的特点是：插入损耗低，串扰小，消光比和波长透明度大，但其开关响应速度低(ms级)，仅适合于光路的恢复等面向连接的应用。典型的器件是机械光纤开关。 非机械式光开关的特点是开关响应速度相对较高和易于集成。典型的器件有使用聚合物(如全氟环丁烷PFCB 、铌酸锂LiNbO3、磷化铟InP)和半导体等材料，利用其热光、电光、磁光或声光效应形成的方向耦合器制成的光开关；有采用半导体光放大器制成的光开关；也有利用成阵列的空间电—光调制器 (SLM)来控制入端光纤和出端光纤之间光路通断组成的光开关阵列等。

1) 光放大器 光放大器就是放大光信号的器件。它的输入、输出信号均是光波。光放大器件有两大类：一类称为光纤放大器；另一类是半导体光放大器。 光纤放大器最基本的组成有三部分：一是掺稀土离子的光纤，这是激光激活物质，其长度一般在十几米范围内；二是光耦合器，这里主要是波分复用器(WDM)，它将泵浦光与信号光耦合进掺稀土的光纤中；三是泵浦源，是激励激光活性物质的。泵浦源是输出功率较大(几十mW到100多mW)而输出波长一定(980 nm、1480 nm)的激光器。

半导体光放大器可以对输入的光信号进行放大，并且通过偏置电信号可以控制它的放大倍数。如果偏置信号为零，那么输入光信号就会被这个器件完全吸收，使输出信号为零，相当于把光信号关断。当偏置信号不为零时，输入光信号就出现在输出端上，相当于让光信号导通。因此，这种半导体光放大器可以用作光开关，如图8.10所示。半导体光放大器开关插入损耗小，有很宽的带宽且易于集成。同样，掺饵光纤放大器也可以用作光开关，只要控制泵浦光即可。

图8.10 用作光开关的半导体光放大器

2) 硅衬底平面光波导开关 最通常的一类光开关是基于马赫-曾德尔Mach-Zchnder(M-Z)干涉计原理的，即当一束光射入波导后分成两个相同长度的光束支路，经一定距离后又汇合在一起，若设法改变其中一个支路的折射指数，使该支路的光束与另一支路的光束同相或反相，则合成光束相互叠加或抵消，形成光路的通或断，实现l×l光开关功能。基于M-Z干涉计原理的光开关速度因所用材料和设计的不同而异。采用电光效应的响应速度为纳秒级；采用声光效应的为数十微秒级；而采用热光效应材料(如PFCB)的则为毫秒级。

2×2硅衬底平面光波导开关器件具有马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构形式。这种器件的交换原理是基于在硅介质波导内的热—电效应，平时偏压为零时，器件处于交叉连接状态，但在加热波导臂时，它可以切换到平行连接状态。这种器件的优点是插入损耗小(0.5 dB)，稳定性好，可靠性高，成本低，适合作大规模集成，但是它的响应时间较慢(1～2 ms)。利用这种器件已制成空分交换系统用的8×8光开关。

3) 耦合波导开关 半导体光放大器开关具有一个输入端和一个输出端，而耦合波导开关除一个控制电极外，却具有两个输入端和两个输出端。耦合波导开关的结构和工作模式如图8.11所示。

图8.11 耦合波导开关 (a) 结构外形；(b) 工作模式

铌酸锂(LiNbO3)是一种电光材料，它具有折射率随外界电场而变化的光学特性。在铌酸锂基片上进行钛扩散以形成两个相距很近的光通路，通过这两条通路的光束将发生能量交换，交换的强弱随耦合系数、平行波导的长度和两波导之间的相位差变化。典型波导的长度为数毫米，控制电压为5 V。当控制端不加电压时，在两个通道上的光信号都会完全耦合到另一个通道上去，从而形成光信号的交叉连接状态。然而，当控制端加上适当的电压后，耦合到另一个通道上的光信号会再次耦合回原来的通道，从而相当于光信号的平行连接状态。用铌酸锂制作的光开关响应速度快(达到纳秒级)，非常适合于吉比特数据的包交换，但铌酸锂交换器件存在较大插入损耗和中等串扰的不足，且用来制造硅器件的许多常规工艺不大适用于铌酸锂。

4) 空间光调制器 用砷铝镓(GaAlAs)多量子阱(MQW)材料可做成自由光效应器件(SEED)阵列。SEED不仅具有在外电场作用下吸收峰向长波长方向移动的量子限制stark效应，而且还存在着以下光电交替反馈进程：某一波长的单色光照射产生光电流→外电路端电压和SEED反向偏置变化量子阱→材料场强变化→光吸收率变化→光电流变化→…，即自电光效应。若将两个 SEED串接，可形成对称的SEED(S-SEED)单元，构成光逻辑。采用6个S-SEED可形成一个两级结构的2×2基本交换单元(第一级四个S-SEED作为与门，第二级两个S-SEED作为或门)。当控制光束CONT＝0，呈交叉连接状态(即I1—O2，I2—O1)；当CON＝1，则呈水平连接状态(即I2—O1、I1—O2)。在此基础上可组成S-SEED阵列(例如256×128)，再通过与成像光学技术的结合形成由光控制的空间光调制器(SLM)，完成自由空间互连，可进行纳秒级速度的光交换。

图8.12 SEED光交换的原理图

2．波长变换器 1) 可调光滤波器 波长可变的可调谐滤波器在波分复用和光交换系统中起着十分重要的作用。滤光器应具有好的选择性、低的插入损耗和低的偏振敏感性。常用的可调谐滤光器类型有：F-P(Fabry-Perot)滤光器、M-Z滤光器、光纤布拉格(Bragg)光栅和电光、声光可调谐滤光器(AOTF)等。这类器件主要用于波分/频分光交换网络。

F-P滤光器的主体是一对由高反射率镜面构成的F-P谐振腔，通过改变腔长、材料折射率或入射角来改变谐振腔传输峰值的波长。现已开发出多种结构的F-P可调谐滤光器，如利用压电陶瓷改变空气间隙乃至腔长的光纤F-P腔型可调谐滤光器。使用铁电类液晶材料来改变F-P谐振腔吸收特性也可改变传输峰值的波长。 AOTF的主体是声光波导，它可以根据控制信号的不同，将一个或多个波长的信号从一个端口滤出，而其它波长的信号从另一个端口输出，如图8.13所示。因此它可以看作波长复用的空间1×2光开关。

图8.13 声光可调谐滤波器

2) 波长转换器 另外一种用于光交换的器件是波长转换器。最直接的波长变换是光—电—光变换，即将波长为λi的输入光信号，由光电探测器转变为电信号，然后再去驱动一个波长为λj的激光器，或者通过外调制器去调制一个波长为λj的输出激光器，如图8.14所示。 这种方法不需要再定时。另外几种波长转换器是在控制信号(可以是电信号，也可以是光信号)的作用下，通过交叉增益、交叉相位或交叉频率调制以及四波混频等方法实现一个波长的输入信号变换成另一个波长的输出信号。

图8.14 波长转换器

3．光存储器 光存储器是时分光交换系统的关键器件，它可实现光信号的存储，以进行光信号的时隙交换。常用的光存储器有两种：双稳态激光二极管和光纤延时线。双稳态激光器可用作光缓存器，但是它只能按位缓存，而且还需要解决高速化和容量扩充等问题。光纤延时线是一种比较适用于时分光交换的光缓存器。它以光信号在其中传输一个时隙时间经历的长度为单位，光信号需要延时几个时隙，就让它经过几个单位长度的光纤延时线。

8.3.3 光交换 光交换网络完成光信号在光域的直接交换，不需通过光—电—光的变换。根据光信号的分割复用方式，相应的也存在空分、时分和波分三种信道的交换。若光信号同时采用两种或三种交换方式， 则称为混合光交换。

1．空分光交换 空分光交换(space optical switch)的实现是几种交换方式中最简单的一种，该交换使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。空分交换网络由开关矩阵组成。最基本的空分光交换网络是2×2光交换模块。 空分光交换模块有以下几种： (1) 铌酸钾晶体定向耦合器； (2) 由4个1×2光交换器件组成的2×2光交换模块(见图8.15(a))，该1×2光交换器件可以由铌酸锂方向耦合器担当，只要少用一个输入端即可。

(3) 由4个1×1开关器件和4个无源分路/合路器组成的2×2光交换模块(见图8 (3) 由4个1×1开关器件和4个无源分路/合路器组成的2×2光交换模块(见图8.15(b))，其中1×1开关器件可以是半导体激光放大器、掺铒光纤放大器、空分光调制器，也可以是SEED器件、光门电路等。 所有以上器件均具有纳秒(ns)量级的交换速度。在图8.15(a)所示的光交换模块中，输入信号只能在1个输出端出现，而图8.15(b)所示的输入信号可以在两个输出端都出现。

(a) 由1×2光交换器件组成；(b) 由1×1开关和无源分路/合成组成 图8.15 基本的2×2空分光交换模块 (a) 由1×2光交换器件组成；(b) 由1×1开关和无源分路/合成组成

用1×1、2×2等光开关为基本单元，并按不同的拓扑结构连接可组成不同形式的交换网络，如纵横交换网络、三级串联结构形式的CLOSE网络和多级互联网络等。根据组成网络的器件不同，对交换网络的控制也不同，可以是电信号、光信号等。 空分光交换直接利用光的宽带特性，开关速度要求不高，所用光电器件少，交换网络易于实现，适合中小容量交换机。

2．时分光交换 时分光交换采用光技术来完成时隙互换。但是，它不是使用存储器，而是使用光延迟器件。 图8.16为两种时隙交换器TSI(Time Slot Interchanger)。图中的空间光开关在一个时隙内保持一种状态，并在时隙间的保护带中完成状态转换。现假定时分复用的光信号每帧有T个时隙，每个时隙长度相等，代表一个信道。

图(a)用一个l×T空间光开关把T个时隙时分复用，每个时隙输入到一个2×2光开关。若需要延时，则将光开关置成交叉状态，使信号进入光纤环中，光纤环的长度为1，然后将光开关置成平行状态，使信号在环中循环。需要延时几个时隙就让光信号在环中循环几圈，再将光开关置成交叉状态使信号输出。T个时隙分别经过适当的延时后重新复用成一帧输出。这种方案需要一个1×T光开关和T个2×2光开关，光开关数与T成正比。

图(a)是反馈结构，即光信号从光开关的一端经延时又反馈到它的一个入端。它有一个缺点，就是不同延时的时隙经历的损耗不同，延时越长，损耗越大，而且信号多次经过光开关还会增加串扰。 图(b)采用了前馈结构，不同的延时使用不同长度的单位延时线。图中没有2×2光开关，控制比较简单，损耗和串扰都比较小。但是在满足保持帧的完整性要求时，它需要2T减l条不同长度的光纤延时线，而反馈结构只需要T条长度为1的光纤延时线。

图8.16 时隙交换器

图8.17 时分光交换网络

时分光交换网络的工作原理是这样的：首先，把时分复用信号送入空间开关分路，使它的每条出线上同时都只有某一个时隙的信号；然后，把这些信号分别经过不同的光延迟线器件，使其获得不同的时间延迟；最后，再把这些信号经过一个空间开关复用重新复合起来，时隙互换就完成了。

3．波分光交换 波分复用系统采用波长互换的方法来实现交换功能。波长开关是完成波长交换的关键部件。可调波长滤波器和变换器是构成波分光交换的基本元件。 波长互换的实现是从波分复用信号中检出所需波长的信号，并把它调制到另一波长上去，如图8.18所示。检出信号的任务可以由具有波长选择功能的法布里—珀罗(F-P)滤波器或相干检测器来完成。信号载波频率的变换则是由可调谐半导体激光器来完成的。为了使交换系统能够根据具体要求在不同的时刻实现不同的连接，控制信号应对F-P滤波器进行控制，使之在不同的时刻选出不同波长的信号。

图8.18 波长互换光交换

时分和波分交换都具有一个共同的结构，即它们都是从某种多路复用信号开始，先进行分路，再进行交换处理，最后进行合路，输出的还是一个多路复用信号。 另一种交换结构与上面介绍的正好相反，如图8.19所示。它是从各个单路的原始信号开始，先用某种方法，如时分复用或波分复用，把它们复合在一起，构成一个多路复用信号，然后再由各个输出线上的处理部件从这个多路复用信号中选出各个单路信号来，从而完成交换处理。

图8.19 波长选择光交换原理

图8.19为波长选择光交换原理图，该结构可以看成是一个N×N阵列型波长交换系统，N路原始信号在输入端分别去调制N个可变波长激光器，产生出N个波长的信号，经星形耦合器后形成一个波分复用信号、在输出端可以采用光滤波器或相干检测器检出所需波长的信号。该结构的波长选择方式有：① 发送波长可调，接收波长固定；② 发送波长固定，接收波长可调；③ 发送和接收波长均按约定可调；④ 发送和接收波长在每一节点均为固定，由中心节点进行调配。

4．结合型光交换 虽然使用半导体激光器可实现光频转换，使用调谐滤波器可以选择信道，但是在实际系统中利用它们实现交换的信道数有限。将几种光交换相结合，可以扩大交换网络的容量。 1) 空分与时分结合型交换系统 图8.20给出两种空分与时分结合的光交换单元。图中，时分光交换模块可由N个时隙交换器构成。LiNbO3光开关、InP光开关和半导体光放大器门型光开关的开关速率都可达到ns级，由它们构成空分光交换模块S。

图8.20 两种空分与时分结合型光交换单元 (a) TST结构；(b) STS结构

2) 波分与空分结合型交换系统 使用波分复用技术设计大规模交换网络的一种方法是把多级波分交换网络进行互联。但是这种方法每次均需要把WDM信号分路后进行交换，然后再合路，这使系统很复杂，实现起来也很困难，成本也高。解决方法之一是利用空分交换技术。把输入信号波分解复用，再对每个波长的信号分别应用一个空分光交换模块，完成空间交换后再把不同波长的信号波分复用起来，完成波分与空分光交换功能，如图8.21所示。

图8.21 一种波长复用的空分光交换模块

3) FDM与TDM结合型交换系统 在FDM交换系统中，加入光存储器完成时隙交换，就可以实现FDM与TDM结合型交换，如图8.22所示。其工作原理是这样的：首先，用电时分复用的方法将N路信号复用在一起，然后去调制L个光载波中的一个光载波，这L路光载波经频分复用后就构成FDM与TDM结合的复用信号。为了实现FDM与TDM结合型交换，应首先用波分解复用器对 L路 FDM信号解复用，得到L路时分复用信号，然后再对每一路TDM信号进行时隙交换。TDM交换是由1×N分路器、N个光存储器、N个低速频率转换器和1个N×1光合路器组成。时隙交换后的L路光信号再经合路器复合后送入光纤传输，从而完成了FDM与TDM结合型交换。由此可见，这种1级结构需要N×L个光存储器和N×L个低速频率转换器。

图8.22 FDM与TDM结合型交换系统原理图

5．ATM光交换 ATM光交换是以ATM信元为交换对象的技术，交换遵循电领域ATM交换的基本原理，采用波分复用、电或光缓存技术，由信元波长进行选路。依照信元的波长，信元被选路到输出端口的光缓冲存储器中，然后将选路到同一输出端口的信元存储于输入公用的光缓冲存储器内，完成交换的目的。下面讨论一种基于超窄光脉冲的广播选择星形网络的ATM信元交换。 图8.23是用输出缓冲器控制的光信元交换广播选择星形网络。该网络中输入和输出信号是电信号，其比特率为B，经光时分复用后为nB。交换系统由6部分组成：光调制器、光信元编码器、星形耦合器、光信元选择器，光信元缓冲器以及光信元解码器。

图8.23 光时分复用ATM信元交换广播选择星形网络

光信元编码器是一列脉冲间隔压缩器，每个编码器由1×2的光开关、一对光延迟线和一个光耦合器组成。在光发送端，使用超窄光脉冲发生器，把比特率为B的电ATM信元数据流转变成超高速光信元流，超窄光脉冲由增益切换分布反馈激光二极管或模式锁定激光器获得。包括路由信息的控制信元同时由直接调制激光器产生，并与它们对应的高速数据信元经波分复用器复用在一起。在星形耦合器中，经波分复用后的超高速数据信息信元和控制信元又与其它输入线来的信元时分复用，其结果是在星形耦合器的输出端产生了一列比特率为nB的超高速光比特流。

数据信元被波分解复用后，信元选择器检出控制信元，当其地址与输出线的地址一致时，使用一个光门控开关，从高速数据流中滤出数据信元，然后送入输出缓冲器，比特率为nB的超高速光信元被转换回比特率为B的光信元，并进一步由信元解码器变换为电信元。信元选择器和信元探测器需要的逻辑功能是由电子器件来完成的。 光星形耦合器的广播选择星形网络结构简单，因此可靠性高、费用也低。

6．自由空间光交换 我们知道，光学通道是由光学波导组成的，所构成的交换网络容量有限，远远没有发挥光的并行性、高密度的潜力。另外，平面波导构成的光开关节点是一种定向耦合开关节点，没有逻辑处理功能，不能做到自寻址路由控制，因此很难适应ATM交换的需要。由于光波作为载波在自由空间传输的带宽大约为100THz，为了充分利用这种带宽，科学家们开始研究自由空间光交换网络系统。

在空间无干涉地控制光的路径的光交换叫自由空间光交换。它是最早的光交换，其构成比较简单，只要移动棱镜或透镜即可。典型的自由空间光交换是由二维光极化控制的阵列或开关门器件组成。另外，使用全息光交换技术也可以构成大规模的自由空间光交换系统，而且无需多级互联。自由空间交换的优点是互连不需物理接触，且串扰和损耗小。但在自由空间光交换方式中，对光束的校准和准直精度有很高的要求。

自由空间光交换网络可以由多个2×2交叉连接元件组成。图8 自由空间光交换网络可以由多个2×2交叉连接元件组成。图8.24所示是由具有极化控制的两块双折射片组成的交换元件，前一块双折射片对两束正交极化的输入光束复用，后一块片对其解复用。输入光束偏振方向由极化控制器控制，可以旋转0o或90o。当旋转0o时，输入光束的极化状态不会改变；当旋转90o时，输入光束的极化状态发生变化，正常光束变为异常光束，异常光束变为正常光束，实现了2×2交换。

图8.24 由两块双折射片组成的交换元件 (a) 交叉连接状态；(b) 平行连接状态

如果把4个交叉连接元件连接起来，就可以得到一个4×4交换单元，如图8 如果把4个交叉连接元件连接起来，就可以得到一个4×4交换单元，如图8.25所示。这种交换单元有一个特点，就是每一个输入端到每一个输出端都有一条路径，且只有一条路径。例如，在控制信号的作用下，A和B交叉连接元件工作在平行连接状态，而C元件工作在交叉连接状态，所以输入线0只能输出到输出线0，输入线3只能输出到输出线1。用类似的方法，可以构成大规模的交换系统。

图8.25 4×4交换单元

自由空间光交换网络也可以由光逻辑开关器件组成，比较有前途的一种器件是既要求电能也要求光能的自电光效应器件(S-SEED)。自电光效应器件的结构及其特性如图8.26所示。该器件是一个i区为多量子阱(MQW)结构的PIN光电二极管。通常，除信号光束外，对它还施加一个偏置光束，这种器件在对它供电的情况下，出射光强并不完全正比于入射光强，当入射光强(偏置光强+信号光强)大到一定程度时，该器件变成一个光能吸收器，使出射光信号减小，如图8.26(a)所示。利用这一性质，可以制成多种逻辑器件，比如逻辑门，当偏置光强和信号光强都足够大时，其总能量足以超过器件的非线性阈值电平，使该器件的状态发生改变，输出电平从高电平“1”下降到低电平“0”。借助减小或增加偏置光束能量和信号光束能量，可以构成一个光逻辑门。

(a) 自电光效应器件的特性；(b) 自电光效应器件的结构 图8.26 自电光效应器件的结构及其特性 (a) 自电光效应器件的特性；(b) 自电光效应器件的结构

7．光交换系统 实际系统中，上述不同的光交换技术可以支持不同粒度的交换，见图8.27。其中：多路光纤空间交换和波长交换类似于现存的电路交换网，是粗粒度的信道分割；时分交换或分组交换的信道分割粒度较细。 目前，WDM全光网的主要节点设备是光交叉连接(OXC)和光分插复用器(OADM)。

OADM的功能是在光域内从传输设备中有选择性地下路、上路或直通传输信号，实现传统SDH设备中电的ADM功能。相比较而言，OADM更具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，使整个光纤通信网络的灵活性大大提高。目前已经有厂家开始提供商用的固定波长OADM(如加拿大的JDS公司)，可变波长OADM技术也已经成熟，正逐步从实验室走向商用市场。一种目前国内外光试验网广泛采用的OADM结构如图8.28所示。

图8.27 光交换层次示列

图8.28 基于解复用器和光开关的OAM

OXC的功能与SDH中的数字交叉连接设备(SDXC)类似，不同点是它能在光域网上直接实现高速光信号的路由选择、网络恢复等，是全光网的核心器件。虽然OXC只具有有限的光交换功能，但已在各种基于WDM的光联网中得到了应用。OXC首先用于长途骨干网，然后将逐步应用于城域网。OXC的基本应用包括物理网络的管理、波长管理、指配和疏导。物理网络的管理是指故障路由的恢复和灵活的选路；波长管理主要指波长选路；指配和疏导可实现网络重组和改变业务模式，以适应新业务的需要。此外，在WDM网中，为了防止信道间的串扰，相邻波长需保证一定的间隔，因而可用波长数受限，OXC网络节点对指定波长进行互连，可实现波长重用。

OXC的具体结构主要有基于空间交换的OXC和基于波长交换的OXC。但是目前全光波长变换器的实用化还取决于器件的发展水平和系统的实际需要。在不采用波长变换器的结构中，目前最看好的两种OXC结构如图8.29所示。

图8.29 两种OXC结构 基于空间交换的OXC结构；

图8.29 两种OXC结构 (b) 基于分送耦合开关的OXC结构

8.3.4 光交换技术的发展状况 对光交换的探索始于20世纪70年代，80年代中期发展比较迅速。首先是在实验室对各种光基本器件进行了技术研究，然后对构成系统进行了研究。目前对光交换所需器件的研究已具有相当水平。在光器件技术推动下，光交换系统技术的研究也有了很大进展。第一步进行电控光交换，即信号交换是全光的，而光器件的控制仍由电子电路完成。目前实用系统大都处于这一水平，相关成果报道得也比较多。第二步为全光交换技术，即系统的逻辑、控制和交换均由光子完成。关于这方面的报道还较少。

随着B-ISDN技术的发展，各国对光交换的关注日益增加。许多国家都在致力于光交换技术的研究与开发，其中美国ATM贝尔研究所，日本NEC和NTF、德国HHI、瑞典爱立信公司等研究机构对光交换的研究水平较高，主要涉及6种交换方式以及光互联、全光同步、光存储器和光交换在B-ISDN中的应用等领域。光交换领域急需研究开发的课题有：光互联、光交换、光逻辑控制及光综合通信网的结构。 我国在“七五”期间就开展了光交换技术的研究，并将光交换技术列为“八五”、“九五”期间的高科技基础研究课题。1990年，清华大学实现了我国第一个时分光交换(34 M/s)演示系统。1993年，北京邮电大学光通信技术研究所研制出光时分交换网络实验模型。

目前，光交换技术市场日益成熟，价格也在迅速下降。许多运营商，比如 Global Crossing、法国电信和日本电信等都已经计划在他们的网络中广泛采用光交换技术。北京市通信公司宣布采用北电网络的 OPTera DX光交换机完成了长途光传输系统工程，升级后的网络已投入商业服务。

对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；OTDM是比特级的光信号处理，由于它对光器件的工作速度要求很高，因此尽管国内外的研究人员做了很大努力，但离实用还有一定的距离；光分组交换(OPS)属于分组级的光信号处理，和OTDM相比，它对光器件工作速度的要求大大降低，而且比WDM能更加灵活、有效地提高带宽利用率。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。

但是，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。目前，光器件技术中固态光交换技术已开始迅速发展，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Brimcom、Lynx and NTT公司。据CIR预测，美国的固态光交换元件和子系统市场将从现在的1800万美元增加到2005年的2.02亿美元。随着光网络技术、系统技术、光器件技术的发展，光分组交换在不远的将来将会走向实用化。

思 考 题 8.1 引入IN的目的是什么？它是在怎样的环境下提出的？实现的思想是什么？ 8.2 软交换是在怎样的环境下提出的？怎样实现？ 思 考 题 8.1 引入IN的目的是什么？它是在怎样的环境下提出的？实现的思想是什么？ 8.2 软交换是在怎样的环境下提出的？怎样实现？ 8.3 为什么引入光交换？光交换的种类有哪些？ 8.4 目前全光网的节点设备有哪些？举例说明它们的组成和工作原理。