光交换技术

光交换技术是指用光纤来进行网络数据、信号传输的网络交换传输技术。

中文名：光交换技术

外文名：Opticalswitchingtechnology

分类：时隙和非时隙

应用：光纤网络

1、概要

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。

光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。光路交换又可分成三种类型，即空分（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，一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用*空间光传播技术的*空分光交换。光分组交换中，异步传送模式是2006年来广泛研究的一种方式。

日本开发了两种空分光交换系统――多媒体交换系统和模块光互连器。两种系统均采用8×8二氧化硅光开关。多媒体光交换系统支持G4传真、10Mpbs局域网和400Mpbs的高清晰度电视。

光时分交换技术开发进展很快，交换速率几乎每年提高一倍。1996年推出了世界上第一台采用光纤延迟线和4×4铌酸锂光开关的32Mpbs时分复用交换系统。光波分交换能充分利用光路的宽带特性，不需要高速率交换，技术上较易实现。1997年采用高速MI（MichelsonInterferometer）波长转换器的20Gbps波分复用光交换系统问世。

采用极短脉冲的超高速ATM光交换机较为普遍，交换容量可达64Gpbs，已有实验样机。

2、光组网分类

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，*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。

3、技术特点

在光网络设计中，对网络设计者来说，非常重要的是减少使用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”。

4、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2001年后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。

5、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2006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。

6、技术问题

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。

7、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2001年后研制的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*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2010年以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。

8、市场前景

全球光交换设备市场从2001年的3．07亿美元开始增长，到2006年将达到64.5亿美元。2006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。

2001年后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2002年下半年更大幅度地下降。如果说2000-2002年是光交换技术的试用期，那么2003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2002-2003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2001年六月投入商业服务。

虽然在低迷的环境下，大多数运营商2006年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。以2001年以后，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。

9、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。

10、在通信网络中的应用

在光纤通信系统中，只有科学合理的通信体系结构才能够发挥光纤系统的优势，组成理想的高速、大容量、高质量的光纤网络，而原有的电子线路通信在全光网络实行中是一个巨大的阻碍，要去除电子线路的影响需要光纤通信系统技术的进步.传统通信网络和光纤网络并存时存在光电变换的过程，并且二者的结合受限于电子器件，光电交换信息的容量决定于电子部分的工作速度，本来带宽较大的光纤网络在进行光电交换时就变得狭窄了，致使整个网络的带宽也随之受限。因此在光通信网络中需要在交换节点上直接进行光交换而省去光电变换的过程，这样才能释放光纤的通信带宽，实现其通信容量大和通信速率高的优点。所以光交换技术倍受瞩目，被认为是新一代宽带技术中最重要的部分。

光交换的方式

光信号复用一般有空分复用、时分复用、波分复用三种方式，相应的也有空分交换、时分交换和波分交换来完成三种复用信道的交换.

空分交换是将交换空间域上的光信号，其基本的功能组件是空间光开关。空间光开关原理是将光交换元件组成门阵列开关，可以在多路输入与多路输出的光纤中任意的建立通路。其可以构成空分光交换单元，也可以和其他类型的开关一起构成时分或者波分的交换单元。空分光开关一般有光纤型和空间型两种，空分交换的是交换空间的划分。

时分复用是通信网络中常用的信号复用方式，将一条信道分为若干个不同的时隙，每个光路信号分配占用不同的时隙，将一个基带信道拟合为高速的光数据流进行传输。时分交换需要使用时隙交换器来实现。时隙交换器将输入信号依序写入光缓存器，然后按照既定顺序读出，这样就实现了一帧中的任一时隙交换到另外的一个时隙而输出，完成了时序交换的程序。一般双稳态激光器可以用来作为光缓存器，但是它只能按位输出，不能满足高速交换和大容量的需求。而光纤延时线是一种使用较多的时分交换设备，将时分复用的光路信号输入到光分路器中，使得其每条输出通路上都只有某个相同时隙的光信号，然后将这些经过不同光延时线的信号组合起来，经过了不同延时线的信号获得了不同的时间延迟，最后组合起来正好符合了信号复用前的原信号，从而完成时分交换。

在光传输系统中波分复用技术应用十分广泛，一般在光波分复用系统中，源端和目的端都需要使用同样波长的光来传输信号，如非如此多路复用复用时每个复用终端都需要使用额外的复用设备，这样就增加了系统的使用成本和复杂度.因此如果在波分复用系统中，在中间传输节点上使用波分光交换，就可以满足不额外增加器件实现波分复用系统的源端与目的端互通，并且可以节约系统资源，提高资源利用率。

波分光交换系统首先将光波信号用分解器分割为多个进行波分光交换所需的波长信道，在对每个信道都进行波长交换，最后将得到的信号复用后组成一个密集的波分复用信号，由一条光缆输出，这就利用光纤宽带的特性，在损耗低的波段复用多路光信号，大大提高了光纤信道的利用率，提高了通信系统容量。

混合交换技术则是在大规模的通信网络中使用多种交换技术混合组成的多级链路的光路连接。由于在大规模网络中需要将多路信号分路后再接入不同的链路，使得波分复用的优势无法发挥，因此需要在各级的连接链路中使用波分复用技术，然后再在各级链路交换时使用空分交换技术完成链路间的衔接，最后再目的端再用波分交换技术输出相应的光信号，进行信号合并最后分路输出。常用的混合使用的交换技术有空分-时分混合、空分-波分混合、空分-时分-波分混合等几种。

全光网交换技术

全光交换的实现第一步，首先要利用基于电路交换方式的光分插复用(OADM)和光交叉连接(OXC)技术实现波长交换，然后再进一步实现光分组交换.

波长交换是以波长为单位进行光域的电路交换，波长交换是为光信号提供端到端的路由和分配波长信道。进行波长交换的关键是要使用相应的网络节点设备，即光分插复用或者光交叉连接。光分插复用的工作原理是以全光的方式在网络节点中分出和插入所需的波长通路。其主要的组成元件有复用器和解复用器，以及光开关和可调谐波器等。光分插复用的工作原理和同步数字系统(SDH)中分插复用器的功能类似，不过一个是在时域，而另一个是作用在光域。而光交叉连接则是和同步数字系统中的数字交叉连接器(DXC)作用相似，不过是实现在光网络节点处的波长通路的交叉连接。

光波长交换本质上仍然是效率不高的光交换方式，其面向连接的属性使其对已经建立的波长通道不能实现再次分配以实现利用效率最大化，即使通信处于闲置状态。而光分组交换能够以极小的交换粒度实现带宽资源的复用，提高光网络的通信效率。光分组交换目前一般有光透明包交换(OTPS)、光突发交换(OBS)和光标记交换(OMPLS)技术。光透明包交换主要特点是分组长度固定，采用同步交换的方式，需要对所有输入分组在时间上同步，因此增大了技术难度，增加了使用成本。而光突发使用了变长度分组，使用传输包头的控制信息和包身的数据在时间和空间上分离的传输方式，克服了同步时间的缺点，但是有可能产生丢包的问题。而光标记交换则是在IP包在核心网络的接入处添加标记进行重新封包，并在核心网内部根据标记进行路由选择的方法。

虽然光交换的方式对数字传输速率要求较高(一般10Gb/s以上)的通信场合更为合适，可以实现更低的传输成本和更大的系统容量;但当系统要求的传输速率要求较低(指2.5Gb/s以下)、连接配置方式较为灵活时，使用旧式的光电转换的方式接入可能更为合适。因此在实际应用中，应当根据应用场景选择合适的系统部署。

随着未来通信网技术的发展和全光网络实现，光交换技术也会以更加新颖和更有效率的方式为通信网络的全光化做出贡献，成为社会发展和人们生活中的重要部分。