《光交换技术》PPT课件.ppt

第9章光交换技术,宋宝安宁波大学信息科学与工程学院2009-12-15,目录,9.1光交换概述9.2光交换器件9.3光交换网络9.4网络与通信技术的发展（从网络与通信技术的发展，看交换技术的发展及其作用）,硬件系统的基本组成,承上启下：交换(信号、分类)复用开关（交换单元）连接（连接函数）网络(单级与多级交换网络区别)电路交换接口电路存储程序控制分组交换和帧中继信令系统ATM交换设想一下，接下来内容是什么？,随着世界通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点。据估计，以光电子信息技术为主导的信息产业产值将在2010年达5万亿美元，成为二十一世纪最大的产业。研究热点随着世界通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点。（全光通信网、WDM全光网、光传送网是同一事物的不同名称，最近ITU的建议是光传送网opticaltransportnetwork）。趋势九十年代初，在一些发达国家中，人们预计原有的铜电缆会从1995年起逐渐被FTTH（光纤到户）代替。1998年这种趋势已被证实。但是，步子已经放慢，特别是光纤到户。光传送网的推广，光纤到户能否实现，取决于网络的价格，只有价格到了可接受的地步，才能真正进入家庭，光传送网中低价位光学元器件是降低光传送网成本的关键。,9.1光交换概述,传统的光纤网络的缺点：,原因传统的光纤网络中存在大量的光/电、电/光转换节点和数字交叉互联电分插复用器，1)既限制了网络的交换速度。2)又对不同形式的光信号是不透明的。3)光功能器件和波导或光纤的连接需要亚微米的定位精度，精密定位是复杂的调整操作，所以提高了光功能器件的成本，限制了光传送网的发展。4)且光/电、电/光器件的微型化也是很难解决的问题。因此，光通信器件的价格和微型化已成为光传送网发展的瓶颈。,可用于全光网络的MEMS器件包括微型光开关阵列、可调衰减器和光滤波器等。对上述技术的研究是MEMS用于光通讯领域的关键。在全光通信网中，光交换技术的好坏直接决定了传输网的规模、复杂性和灵活性等技术指标。光开关是光交换技术中的核心器件，是影响光交换技术的关键。微机械光开关在开关速度、透明性、功耗和串扰等性能比其它各类光开关具有明显的优点。除此之外，微机械光开关还用于光信息处理系统和光学测量系统，实现光路的转换、切换和光信息处理。在军事领域中，微机械光开关用于核弹、导弹等的引信装置。且因其巨大的商业应用前景，而备受关注。,光开关是光交换技术中的核心器件，是影响光交换技术的关键。,光滤波器/密集解复用器是构建OXC的重要器件。今天在DWDM系统中使用得最多的是下面三种光滤波器：多层介质膜干涉滤波器、光纤光栅和阵列波导光栅。,9.2光交换器件,多层介质膜干涉滤波器利用镀在玻璃衬底上的多层介电薄膜将某个波长从WDM系统中分离出来或复用进去。可以制成各种窄带、宽带或增益平坦用滤波器，也可以级联成为各种DWDM模块，非常灵活。它是无源器件，可以在相邻或非相邻信道之间提供40dB甚至更高的隔离度，插入损耗和偏振相关损耗很低，可能是多信道DWDM系统最佳的选择之一，也可能是最适合于宽带应用的一种DWDM器件。但对于信道间隔等于或小于100GHz(0.8nm)的DWDM系统，镀膜的控制很困难。，目前难以采用。,光纤光栅是利用紫外激光能够改变光敏光纤折射率的原理，在光纤芯子里产生折射率的周期性调制制成的。这种光栅能够反射特定的波长。可以制成具有很陡反射谱形状和很高信道隔离度的DWDM滤波器。其优点是插入损耗低、成本低，因而特别适合制作DWDM组件。其缺点有：它是两端口反射元件，需要昂贵的光环行器或制成马赫-曾德尔干涉仪结构来实现被选信号的下路，尤其在信道数很大时会导致成本的急剧增加。再就是它是温度敏感的，需要温度控制或补偿。,阵列波导光栅是通过在硅片上沉积SiO2玻璃薄膜，经过高温处理后，再利用光刻制出波导电路图案。其工艺类似于在计算机芯片上集成电子器件。从结构看，它是由两个集成星形耦合器组成的，这两个耦合器则由一系列长度变化的波导连接起来。星形耦合器完成不同波长的耦合，而在两个星形耦合器之间长度等差排列的波导构成了一种相位光栅，而这正是波长选择的基础。其主要优点是可以很紧凑地制出信道数很大的DWDM器件，而且成本低，便于集成。而缺点是：与其他滤波器技术相比，它的滤波器通带特性较差、偏振相关损耗很大，而且对温度很敏感，需要温度控制。,不同类型的光栅,光学研究和应用,微光学平台是微光机电系统技术应用的一个典型例子，它主要用于光学测量和实验。传统的光学系统平台体积大，系统中的元件是先分开制造然后组装而成，装配量很大，成本很高。而微光学平台，体积小，系统中的元件可集成加工在单一芯片上，对准精度高，可成批生产，成本低。这些优点使微光学平台相对于传统的光学系统有很大的优势。所以，该方面的研究是微光机电系统研究的最基本的一部分。研究包括微衍射透镜（Fresnel,多阶二元微透镜）、微折射透镜、光束分离器、光栅等。,飞秒自相关仪,光栅光谱仪,光数据存储,在光学信息存储系统中，光盘读取头影响存储密度和读取速度，决定整个系统性能的好坏。采用微机械制造的光盘读取头，可大大降低光学读取头是价格和中连、重量，定位速度和读取速度也显著提高。图为读取原理示意图。,9.3光交换网络,空分光交换网络波分光交换网络时分光交换网络自由空间光交换网络混合型光交换网络多维光交换网络,9.4网络与通信技术的发展,计算机网络是现代计算机技术和通信技术密切结合的产物，是随社会对信息的共享和信息传递的要求而发展起来的。所谓的计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件，如网络通信协议、信息交换方式以及网络操作系统等来实现网络中信息传递和资源共享的系统。,（一）计算机网络的演变和发展,第一阶段联机系统以一台中央主计算机连接大量在地理上处于分散位置的终端。所谓终端通常指一台计算机的外部设备，包括显示器和键盘，无中央处理器和内存。随着连接的终端数增加，为了减轻中心计算机的负担，在通信线路和中心计算机之间设置了一个前端处理机FEP（FrontEndProcessor）或通信控制器CCU（CommunicationControlUnit），专门负责与终端之间的通信控制，出现了数据处理与通信控制的分工，以便更好地发挥中心计算机的处理能力。,单计算机为中心的远程联机系统,第二阶段计算机互联网络20世纪60年代中期开始，出现了若干个计算机互连系统，开创了计算机计算机通信的时代。随后各大计算机公司都陆续推出了自己的网络体系结构，以及实现这些网络体系结构的软件硬件产品。但这些网络也存在不少弊端，主要问题是各厂家提供的网络产品实现互连十分困难。这种自成体系的系统称为“封闭”系统。因此，人们迫切希望建立一系列的国际标准，渴望得到一个“开放”系统，这正是推动计算机网络走向国际标准化的一个重要因素。,第二阶段典型的计算机网络的主要特点是：资源的多向共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机、分层的网络协议，这些特点往往被认为是现代计算机网络的典型特征。但这个时期的网络产品彼此之间是相互独立的，没有统一标准。,以多计算机为中心的网络逻辑结构图,第三阶段标准化网络20世纪70年代中期，计算机网络开始向体系结构标准化的方向迈进，即正式步入网络标准化时代。20世纪80年代,随着微机的广泛使用,局域网获得了迅速发展。美国电气与电子工程师协会（IEEE）为了适应微机、个人计算机（PC）以及局域网发展的需要,于1980年2月在旧金山成立了IEEE802局域网络标准委员会,并制定了一系列局域网络标准。在此期间,各种局域网大量涌现。,标准化网络结构示意图,第三阶段典型的标准化网络结构如图，通信子网的交换设备主要是路由器和交换机。,第四阶段网络互连与高速网络进入20世纪90年代，随着计算机网络技术的迅猛发展，特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施NII（NII，NationalInformationInfrastructure）后，全世界许多国家纷纷制定和建立本国的NII，从而极大的推动了计算机网络技术的发展。使计算机网络进入一个崭新的阶段，这就是计算机网络互连与高速网络阶段。目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。,网络互连与高速网络的基本模型,网络互联和高速计算机网络就成为第四代计算机网络,信息社会对网络技术的挑战,在信息社会，人们的工作、生活、学习和娱乐在很大程度上将不再受地理环境的限制，而大部分可在家庭进行，也即人们的就业方式、生产方式、工作方式、学习方式以至生活方式将发生深刻变化。光纤、数据通信、卫星通信和移动通信等现代信息技术将使世界范围内的交流变得更加方便更加容易，真正实现所谓天涯若比邻。应该看到，信息社会对网络技术提出了新的挑战、新的要求，特别是业务量的增长、网络站点数的扩大、以及多媒体的应用，要求网络的规模更大、带宽更宽、速率更高。,1995年到2000年期间，全球互联网用户人数由4500万增至4.2亿，增长幅度接近10倍。截至2006年底，全球互联网用户人数达到10.8亿，比2004年增长了1.5亿人。中国的互联网用户人数为1.2亿人，在全球仅次于美国的1.978亿人。未来五年全球互联网用户人数将再增长一倍，达到20亿人，新增用户将主要来自中国、印度、巴西、俄罗斯和印度尼西亚等人口较多的国家。未来十年里，很多互联网用户的接入设备将由PC平台转移到智能手机和其它移动设备。,（二）计算机网络技术发展趋势,人们常用C&C（computerandcommunication）来描述计算机网络，但从系统的观点看，这还很不够。计算机和通信系统是计算机网络中非常重要的基本要素，但计算机网络并不是计算机和通信系统的简单结合，也不是计算机或通信系统的简单扩展或延伸，而是融合了信息采集、存储、传输、处理和利用等一切先进信息技术，是具有新功能的新系统。对于现代计算机网络的研究和分析，应该特别强调“计算机网络是系统”的观点，站在更高的高度来重新认识计算机网络结构、性能及网络工程技术和网络实际应用中的重要问题，便于把握计算机网络的发展趋势。,计算机网络的支撑技术从系统的观点看，计算机网络是由单个结点和连结这些结点的链路所组成。单个结点主要是连入网内的计算机以及负责通信功能的结点交换机、路由器，这些设备的物理组成主要是集成电路，而集成电路的一个重要支撑就是微电子技术。网络的另一个组成部分就是通信链路，负责所有结点间的通信，通信链路的一个重要支撑就是光电子技术。,摩尔定理预测，微电子芯片的计算功能每18个月提高一倍，这一发展趋势到2010年趋于成熟，那时芯片最多可包含1010个元件。PC的处理能力在2011可达105MIPS（MillionInstructionsPerSecond每秒执行百万条指令，千亿）Metcalfe定理（梅特卡夫定理）用于预测网络性能的增长，该定理预测网络性能的增长是连到网上PC的能力的平方。这表示网络带宽的增长率是每年3倍。不久的将来会出现每秒1015位的网络频宽需求。,信息传输中的光电子技术光纤通信评价光纤传输发展的标准是传输的比特率和信号需要再生前可传输的距离的乘积，在过去10年间，该性能每年翻一番，这种增长速度可望持续10到15年。第一代光纤传输使用0.8m波长的激光器，传输速率可达280Mbps。第二代使用1.3m波长的激光器和单模光纤，传输速率可达560Mbps。第三代使用单频1.5m波长的激光器和单模光纤。目前使用的第四代采用光放大器，数据传输率可达10G20Gbps。,计算机网络的关键技术从系统的层次结构对计算机网络做一分析。计算机网络架构的发展方向将是IP技术+光网络，光网络将会演进为全光网络。从网络的服务层面上看将是一个IP的世界；从传送层面上看将是一个光的世界；从接入层面上看将是一个有线和无线多元化的世界。为此，目前比较关键的技术主要有软交换技术、IPv6技术、光交换与智能光网络技术、宽带接入技术、3G以上的移动通信系统技术等。,光交换与智能光网络技术：尽管波分复用光纤通信系统有巨大的传输容量，但它只提供了原始带宽，还需要有灵活的光网络节点实现更加有效与更加灵活的组网能力。当前组网技术正从具有上下光路复用(OADM)和光交叉连接(OXC)功能的光联网向由光交换机构成的智能光网络发展：从环形网向网状网发展；从光电光交换向全光交换发展。宽带接入技术:只有接入网的带宽瓶颈问题被解决后，核心网和城域网的容量潜力才能真正发挥。尽管当前宽带接入技术有很多种，但只要不和光纤或光结合的技术，就是过渡的技术，而不是下一代网络应用的技术。目前光纤到户（FTTH）的成本已下降至每户100200美元，即将为多数用户接受。,软交换技术：为了把服务控制功能和网络资源控制功能与传送功能完全分开，需要应用软交换技术。根据新的网络功能模型分层，计算机网络将分为接入与传输层，媒体层，控制层，业务应用层（也叫网络服务层）四层，从而可对各种功能作不同程度的集成。IPv6技术：未来的计算机网