第9章 光交换技术
9.1 概述 光传送技术的发展 当前商用化单波长光纤传输系统容量为10Gb/s，有报道已实现了40Gb/s。 光器件，商品化光开关的控制响应速度已低于1ms，延迟线模式光缓存、波长变换等技术也已成功。
考虑全光交换网络的理由 (1)历史的观点，模拟传输产生了机电制交换；PCM数字传输有了数字程控交换；当前光传输已成主角，因此下一代网络将是全光交换。 (2) 速度极限，由于电子器件的极限速度为几个G~10Gb/s，使得电子交换设备可能成为未来网络的瓶颈。 (3) 成本降低，采用光传输的电子交换系统，必须有光/电和电/光转换，全光交换则不用。 (4) 速度匹配，光传输，光交换，全光网络。
光交换技术分类 光交换技术，指不经过任何光/电转换，直接在光域上完成输入到输出端的信息交换。 按照复用方式分类，光交换可分为： 光空分交换技术。多点间建立光信息传送物理通道的交换技术。 光波分交换技术。利用光波分复用和波长变换技术，将信息从一个波长转移到另一波长上。 光时分交换技术。在时间轴上将光波长分成多个时段，互换时间位置来交换承载的信息。 光码分交换技术。不同用户信号用不同码序列填充，利用码序列转换来交换信息。
按承载和交换信息的光域粒度划分，可分为： 光路交换（OCS）技术，最小交换单元是一个波长通道。 光分组交换（OPS）技术，光域分组包作为最小交换颗粒。 光突发交换（OBS）技术，多个分组构成更大分组，以突发方式在光域传输和交换。 光标记分组交换（OMPLS）技术，MPLS和光网络结合，MPLS控制标记分发和控制光开关，建立交换式光通道。
光交换技术的特点 随着发展，光交换技术已能保证网络可靠性，并提供灵活的选路方案，为高速信息流提供动态光域处理。 光交换不受监测器、调制器等光电器件速度的限制，极大地提高了交换节点的吞吐量。 不需要经过光/电/光转换，降低了交换节点成本。 对比特率、调制方式和通信协议都具有透明性，有良好的升级能力。
9.2 光交换元件 9.2.1 半导体光开关 半导体光放大器，当偏置信号为零时，输入信号将被器件完全吸收，输出端没有任何光信号输出。 半导体光放大器及等效开关示意如下图。
9.2.2 耦合波导开关 耦合波导开关，利用铌酸锂(LiNbO3)材料制作，在控制电极上施加一定电压可改变波导的折射率和相位，从而可构成22交换开关。激励电压约5V，最大传信速率达Gb/s。 耦合波导开关示意结构及逻辑表示如下图。
9.2.3 硅衬底平面光波导开关
硅衬底平面光波导开关 特点是插入损耗小(0.5dB)、稳定性高、可靠性好、成本低，适合大规模集成，不足点是响应速度较慢，1~2ms。
9.2.4 波长转换器
9.3 光交换系统 未来宽带业务具有很大不确定性，交换系统设计应尽可能地灵活。对比特传送速率应透明，业务和控制尽可能分离，控制系统简单，具有广播功能。 系统设计应模块化，易于维护、增删和修改。 技术上多种模式相结合，取各自优点，统筹优化融合。
9.3.1 光交叉连接设备 光交叉连接设备(OXC)是实现自动交换光网络(ASON)的核心技术。
光交叉连接设备基本结构 控制和管理部分属于电子设施，通过信令协议接收用户及网管系统请求，完成自动保护倒换、连接指配、波长选路等功能。 由输入部分、光交叉连接部分、输出部分、控制和管理部分5个功能模块构成。 光交叉连接设备基本结构 输入部分包括放大器EDFA和波长解复用DMUX，将每根光纤上的光信号放大、分离后送交叉连接矩阵。 输出部分，均功器的作用是对受到不同衰减的光波长信号进行功率均衡，以减小不同光波长间的干扰。
光交叉连接设备主要用于骨干传送网中，完成任一光纤某个波长信号到其他光纤的传送连接。 OXC具有信号复用、信号交换、光路保护倒换、监控管理等功能。 除控制管理部分外，其余部分的信号处理都在光域完成。因此OXC具有极大的交叉容量，可达几千T比特级别。
光交叉连接矩阵 实现光交叉连接矩阵，光机械开关、LiNb03开关、InP开关、半导体光放大器（SOA）开关等 ，现常用微电子机械开关（MEMS）构成。 MEMS为无源光开关，介入损耗和串扰都较小，属完全透明的连接模式，连接处理过程不需光/电转换。 容量极大，可构成1296×1296端口连接矩阵，每端口传送40个波长×40Gb/s的信号容量，总传送容量达到2.07petabit/s，具有严格无阻塞特性。
OXC的工作原理 OXC不同于标准交换设备，它不是按照每一个通信请求建立连接，是在控制面和管理面操作下提供永久/半永久波长路由通道。 永久连接，由管理面发起和维护，通过路由指配消息和信令为具体业务建立波长路由通道。 交换式连接，由控制面发起和维护，控制面处理用户接口发来的请求，建立满足用户需求的通道，通知管理面。 软永久性连接，连接建立、拆除请求由管理面发出，传送面的资源配置和控制动作指令则由控制面发出。
OXC的工作原理 抵达OCX的多波长光信号先掺饵光纤放大器放大，然后由DMUX分离成多个单波长信号送入连接矩阵。 在业务信息进入连接矩阵之前，控制和管理面已根据业务需求指定了每个输入口波长的输出端口，光信号将自动流出。 OUT是一个波长变换器，由于波分复用不能在一根光纤中有两个以上的相同波长信号，需要OUT将相关波长信号转换成光纤所需波长。
9.3.2 光突发交换系统 交换系统，目标是根据每个用户的请求即时提供连接服务，业务吞吐容量可达几千T比特秒，交换控制机制是关键问题。 解决复杂问题的钥匙是对问题进行多维度分解，将复杂问题看作多个简单问题的有序组合。
光突发交换系统，是在OXC波长路由交换的基础上，将同一波长上的承载容量在时间轴上再细分成多个突发时段，每个突发时段以统计复用方式承载不同用户业务。 OBS交换技术是构成IP over WDM的下一代网络(NGN)的基础技术，其主要特点是资源利用率高、网络灵活、硬件实现方便，可以透明方式承载不同用户业务。
光突发交换网络基本结构
光突发交换网络数据和控制分离 OBS基本思想是数据分组与控制分组的传输相分离，提前发送控制分组，为随后的数据分组预留资源和建立传输通路。 OBS核心节点由交叉连接和控制机构两部分组成，控制机构负责收发BCP消息，依照BCP内容协同交叉连接机构预留资源为随后将至的BDP建立光突发连接通路。 OBS边缘路由器负责数据分组的汇集和分发，检测数据分组的源/目的地址和服务等级，分类组装成突发分组BDP，产生相应的控制分组BCP。
教材: <<现代交换原理>> 陈建亚主编 北京邮电大学出版社