（光学专业论文）光分组交换网络中光缓存技术的研究.pdf

摘要 捅姜 光分组交换网是全光网络发展的必然趋势。目前，光分组交换网络发展的瓶 颈是光缓存技术。本文系统的阐述了光纤通信以及光通信网络的发展概况，介绍 了波分复用技术和该技术在未来全光网络中的应用；光分组交换网络的结构和节 点；节点的关键技术和光分组的帧格式。重点研究了光缓存技术，对光缓存技术 进行了深入的分析和归纳，对每一种光缓存的优缺点都进行了细致的分析，给出 光分组交换网络中冲突的解决方案。最后设计出一个光分组交换网络的节点，并 且对该节点迸行了实验仿真。 本文在研究光缓存技术的基础上，设计出具有光缓存能力的光分组交换网络 的节点。给出该节点的控制算法，依据此算法对该节点的性能进行了实验仿真，开 发出了该节点的通用仿真程序。并对此仿真结果进行了解释。 在实际应用中，可以根据仿真结果来确定所要设计网络节点的端口数和每根 光纤的波长数，以便实现最高性价比。 关键词光缓存光纤延迟线控制算法分组丢弃率分组平均延迟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r ki st h en e c e s s a r yt e n d e n c yi nt h ed e v e l o p m e n t o f a l lo p t i c a ln e t w o r k a tt h ep r e s e n tt i m e t h eb o t t l e n e c ki nt h eo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g n e t w o r ki st h eo p t i c a lb u f f e rt e c h n o l o g y t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ef i b e r c o m m u n i c a t i o na n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw e r ee x p a t i a t e ds y s t e m a t i c a l l yi n t h i sp a p e r i tw a si n t r o d u c e dt h a tt h ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e xt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o ni ni n t e n d i n ga l lo p t i c a ln e t w o r k , t h es t r u c t u r ea n dn o d eo f t h eo p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r k ，t h ek e yt e c h n o l o g y o o ft h en o d ea n dt h ef r a m ef o r m a to ft h eo p t i c a l p a c k e t t h es t u d yo no p t i c a lb u f f e rt e c h n o l o g yw a se m p h a s i z e di nt h ep a p e r a n di tw a s a n a l y z e da n dg e n e r a l i z e dp r o f o u n d l y t h em e r i t sa n df a u l t so fe a c ho p t i c a lb u f f e r t e c h n o l o g yw e r ea n a l y z e di nd e t a i l a n dt h es o l u t i o nt 0c o n f l i c ti nt h eo p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r kw a so f f e r e d i na d d i t i o n , an o d eo ft h eo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g n e t w o r kw a sd e s i g n e da n de m u l a t e de x p e r i m e n t a l l y b a s e do nt h er e s e a r c ho f o p t i c a lb u f f e rt e c h n o l o g y , t h en o d ew i t ht h ea b i l i t yo f t h e o p t i c a lb u f f e rw a sd e s i g n e di nt h eo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k 。a n dt h ec o n t r o l a l g o r i t h mo ft h en o d ew a ss u p p l i e da sw e l l a c c o r d i n gt ot h ea l g o r i t h m ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h en o d ew a se m u l a t e di nt h ep a p e r t h eg e n e r a le m u l a t o rp r o g r a mo f t h en o d ew a sd e v e l o p e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ee x p l a i n e d i nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h en u m b e ro ft h en e t w o r kn o d e sp o r ta n dt h en u m b e r o ft h ew a v e l e n g t hi ne v e r yf i b e rt ob ed e s i g n e dc o u l db ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e s h n u l a t i o nr e s u l t ss oa st or e a l i z et h em a x i m u mr a t i oo f t h ep e r f o r m a n c ea n d p r i c e k e y w o r d s ：o p t i c a lb u f f e r f i b e rd e l a yl i n ec o n t r o la l g o r i t h m p a c k e tl o s sr a t ep a c k e tm e a n d e l a y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任何 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：王雷 日期：兰! 12 ：! ：l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：三需 日期： l 7 1 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 i i 研究的目的及国内外研究现状 i 1 1 研究的目的 在过去的2 0 年中光通信的发展突飞猛进，随着掺铒光纤放大器和波分复用系 统的出现，实验室中单根光纤传输系统的容量已经高达1 0 t b s 【l 】。尽管电的路由器 已经达到了亚太比特每秒级，但与超大容量的光传输仍然不适应，从而引起互联 网阻塞。电路由器向更高吞吐量扩展是十分困难的，对于供电和空间的需求也变 得十分不理想，只有全光分组交换网络能够潜在地解决这个瓶颈唧j 。在全光路由 器中分组交换的关键包括交换矩阵，信号处理单元和缓存器。全光开关和信号处 理的器件相对成熟，而全光缓存器还没有明确的技术途径，因此全光缓存器就成 为全光路由器的关键。使用光缓存器，一个光分组可以在缓存器中暂存，而允许 其他的光分组先传送，直到所有的其他光分组都已经在输出端清零，才释放缓存 器中的光分组，从而大大减轻全光网中业务的阻塞。 光交换的全光网络是通信网络发展的必然趋势，光数字分组交换是全光网络的 最终选择。全光缓存器是全光数字分组交换的关键部件，是全光网调度和控制分组 转发的基础，它不仅能有效地提高全光分组交换网络节点的吞吐量，降低分组丢弃 率，提供延缓时间以便节点进行分组头处理，而且当不同的用户争用同一个通道时， 缓存器能有效地提供解决竞争的方案。光分组交换技术是分组交换技术向光层的 渗透和延伸，简单的说是以光分组的形式来承载业务数据，净荷的传输和交换在 光域中进行，而信头处理和控制在光域和电域中完成。i p 、s d h 、a t m 等都可以 看作光分组网的业务层，业务层的数据在网络边缘处打包并装入净荷，然后加上 光标签或信头构成光分组。光分组交换( o p s ) 即以光分组的形式来承载业务数据， 净荷的传输和交换在光域中进行，而信头的处理和控制在经光电光变换完成，或 最终直接在光域中完成。o p s 研究中突出的困难是实现可集成的高速全光缓存单 元，大容量可升级的高速光交换矩阵和超高速全光逻辑器件以及有效的冲突解决 机制，光分组编码方案，光分组路由分算法，通道保护和恢复机制等。其中光缓 存技术的突破将极大地推动o p s 研究 3 9 1 ，还将引起光电子，计算机，材料等多个 学科领域中具有里程碑意义的变革。 1 1 2 国内外研究现状 国内在光分组网交换方面也做了不少工作，比如上海交通大学区域光纤通信 网与新型光通信系统国家重点实验室，他们已经实现了光纤接入网，在上海长宁 区政府已经投入使用了。并且现在正在研究光分组交换网，其中有一种交换他们 2 光分组交换网络中光缓存技术的研究 也已经在实验室成功了试验，就是多波长光标记分组交换【2 l 。其中光分组交换的最 大障碍是光缓存技术的滞后。在光缓存技术研究方面，国内北京交通大学光信息 技术研究所对此研究比较多，而且实现了双环耦合全光缓存器【3 】( 已获国家专利) 。 还有武汉邮电科学研究院也对此研究很多并且取得了很多的成就。 国内研究光分组交换网络的高校还有清华大学，北京邮电大学，电子科技大 学，东南大学，南京邮电大学等，并且都取得了很大的突破。其中北京邮电大学 在研究光突发交换网络中取得很大的成就。 台湾新竹交通大学的科研工作者们已经进行了i po v e rw d m 的实验f 韧，而 且取得了很好的效果。 国外很多国家都对光分组交换网络投入了大量的科研经费，而很多发达国家 部分城市已经实现了光纤到家，像美国，韩国，日本，欧洲等。目前欧洲的一群 研究实验室和大学正在研究的一项重要工程( k e o p s 光学包交换要点) t 4 ，日本 n i i & c 公司开发出了用光来控制的光逻辑f q t s i ( 没有任何电子器件协助) ，英国电 信实验室的研究者已经实现了在光域内高速信号的复用解复用，普林斯顿大学测 试台都已经实现了不等速率的光分组交换。 国外最新的光分组交换网络研究实验p 1 是c o l u m b i a 大学演示的光分组交换网 络：该网络具有1 2 个入口，1 2 个出口，共有3 6 个光交换节点。系统容量达到了 t b i t 量级。其中都大量用到光缓存器件。 1 。2 本文的研究内容及贡献 信息的产生、传播和处理是现代生活和未来社会的一项基本活动。长期以来， 这些活动主要是在电子学领域进行的，但是波导光学和光电子技术的进步已经使 得这种情况完全改观。信息科学的发展进入了一个崭新的电子学和光学相结合的 领域，而且光信息技术显得越来越重要。这方面具有代表性的技术包括光纤通信、 光纤传感、光盘存储和显示以及光信息处理等。光通信技术是世界新技术革命的 重要标志，已经成为信息社会中传输各种信息的主要工具。光纤通信不仅从深度 和广度两方面促进了通信学科与许多相关学科的互相影响和渗透，更重要的是， 光纤通信已经形成产业，不仅与国民经济。而且与人们的日常生活息息相关。不 管从哪个角度来看，都完全可以说光技术对本世纪来说，就像电技术对上一世纪 那样重要。本文主要研究了光分组交换网络中光缓存技术，对光缓存进行分类并 给出每种缓存技术的优缺点，同时也介绍了光分组网络中解决竞争的几种方案，最 后给出了用上面的两种方案组合设计出具有光缓存能力的一个光分组交换网络的 节点，给出了该节点的控制算法，用此控制算法仿真出该节点的性能参数，开发出此 类节点的通用仿真程序，并对仿真结果进行了解释。 第一章绪论 本文主要工作内容的章节安排如下： 第一章是绪论，阐述了当前对光分组交换网络中光缓存研究的目的和意义， 并对对国内外研究现状进行了描述。 第二章对光纤通信和波分复用技术进行了详细的介绍，介绍了光纤通信的发 展历史阶段，光纤通信的概念，光纤通信的原理，光纤通信的系统组成以及光纤 通信的特点。阐述了波分复用原理以及波分复用系统的构成和发展趋势。 第三章介绍了光分组交换网络，首先对光网络和组成光网络的结构进行了描 述，然后对交换技术进行了叙述，并比较了电交换与光交换的区别，再次就是介 绍了光分组交换网络的结构及其分类，对光分组交换网络节点结构进行了详细的 介绍并对节点的关键技术也进行了介绍。最后给出了光分组的帧格式。 第四章我们对光缓存技术进行了深入的分析和归纳，对每一种光缓存的优缺 点都进行了细致的分析。最后给出光分组交换网络中冲突的解决方案。 第五章我们提出一种具有光缓存能力的光分组交换网络的节点，给出汀衡量 节点好坏的性能参数，分组丢弃率和分组平均延迟，并且给出该性能参数的定义。 提出一个适合该节点的控制算法。最后根据排队理论和控制算法对该节点的性能 进行了实验仿真，给出该仿真结果的解释。最后总结全文，提出了本文工作不足 的地方以及今后工作的方向，对光缓存进行了展望。 本文的贡献就是设计出一个具就有光缓存能力的光分组交换网络的节点，开 发出此类节点的通用仿真程序，仿真出此类节点的性能参数，我可以根据该参数 设计出我们需要的节点和我们需要的分组交换网络，以便实现最佳的性价比。 1 3 小结 本章阐述了当前对光分组交换网络中光缓存研究的目的和意义。并对对国内 外研究现状进行了描述。最后给出了本论文的结构内容和本文所做的工作及其贡 献。 第二章光通信介绍 5 第二章光纤通信介绍 2 1 光纤通信的发展 光通信的历史往往会追溯到我国约3 0 0 0 年前的烽火台，古埃及也出现过峰烟 塔。到1 7 世纪中叶，人们用望远镜来观察用不同颜色的烟表示的各种信息。1 7 9 1 年法国c h a p p e 发明了信号灯，此后欧洲、北非利用“灯语”的通信于1 8 4 4 年达 到鼎盛。现在还在使用的交通信号灯和船舶用的“旗语”，仍保留着这些古老通信 方式的特点。但严格上说上述种种通信方式下都不能算是真正的光通信。 到了1 8 8 0 年贝尔发明的“光电话”，这种光电话是利用太阳光或者弧光作为 光源，通过透镜把光聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变 化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射境把从大气传来的光束 反射到硅光电池上，使光信号变成电流，传送到受话器。由于当时没有理想的光 源和传输介质，这种光电话的传输距离很短，然而，光电话仍是一项伟大的发明， 它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。 到了1 9 6 0 年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的 希望。和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频带 和相位较一致的良好特性。激光器的发明和使用，使光通信的发展进入一个崭新 的阶段。 一般认为光纤通信的发展只有几十年的历史，1 9 6 6 年，被称为“光纤通信之 父”的英籍华人高锟( c k k a o ) 博士等，根据介质波导理论，提出光纤通信的概 念。他预见到，只要设法消除玻璃中的各种杂质，做出有实用价值的低损耗光纤 是完全有可能的捌，到了1 9 7 0 年，美国的康宁公司首先研制出损耗为2 0 d b k m 的光纤，并在1 9 7 2 年又把光纤的损耗降到4 d b k m ，此时，各国都开始重视了光纤 通信这一新的通信方式，继而使光纤通信的研究有了飞速的发展，就在光纤有了 重大突破的同一年，美国贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体( g a a l a s ) 激光器，为光纤通信找到合适的光源。 1 9 7 3 年贝尔实验室发明的m c v d ( 改进的化学气相沉积法) 制造光纤，使光纤损 耗降到1d b k m 以下，1 9 7 4 年日本解决了光纤的现场敷设及接续问题，1 9 7 6 年日 本n t t 和富士通把光纤损耗降到0 5d b k m ，这一年，美国首先在亚特兰大成功地 进行了4 4 7 3 6 m b s 传输了l o k m 的光纤通信系统现场实验，使光纤通信向实用化 迈出了第一步。1 9 7 8 年日本开始了3 2 0 4 6 m b s 和9 2 7 2 8 m b s 光纤通信系统现场 实验。1 9 7 9 年a t & t 和日本n t t 均研制出1 5 5 u m 半导体激光器，日本也做出了超 低损耗的光纤( 0 2 d b k m ，1 5 5 u m ) ，同时进行了多模光纤1 3 u m 长波长系统的现 6 光分组交换网络中光缓存技术的研究 场实验。到了1 9 8 0 年，多模光纤通信系统已经投入了商用，单模光纤通信系统也 进入了现场实验。到2 0 世纪9 0 年代初，1 7 g b s 系统已经投入了商用，并在发展 2 4 g b s 系统。进入2 0 世纪9 0 年代以来，世界各大公司进行了一系列l o g b s 系 统的实验室实验和现场实验，日本n t t 公司和f u j i t s u 公司都已经生产出了 i o g b s s d h 实用化光纤传输系统。 复用技术在2 0 世纪9 0 年有飞跃的发展，复用的波长数及相应的系统容量和 效益大大增加。自1 9 9 1 年第一个现场应用的密集波分复用( d w d m ) 系统诞生以来， 波分复用器、掺铒光纤放大器( e d f a ) 、激光器外调制、e d f a 监控等d w d m 关键技 术日趋成熟，1 9 9 5 年以来，d w d m 以其容量大、成本低、透明传输和网络简化等优 点，迅速占领市场。 在高速光传输方面，目前已经实现了1 0 9 6 t b s ( 2 7 4 波4 0 g b s ) 的实验系 统，在超长距离方面，已经达到了4 0 0 0 k m 无电中继的技术水平，在光网络方面， “光网络技术合作计划( o n t c ) ”、“国际透明光网络( n t o n ) ”、“泛欧光子传送重 叠网( p h o t o n ) ”、“泛欧光网络( o p e n ) ”、“光城域通信网( m t o n ) ”等一系列光网 络研究项目的相继启动、实施与完成，为下一代宽带信息网络，尤其是为承载未 来i p 业务的下一代光通信网络奠定了良好的基础。 综上所述，人们认为光纤通信的发展可以分为以下几个阶段： 第一代光纤通信系统是从基础研究到商业应用的开发时期，以1 9 7 3 1 9 7 6 年 的8 5 0 r m 波长的多模光纤通信系统为代表，实现了短波长低速率多模光纤通信系 统，无中继传输距离为l o k m 。 第二代光纤通信系统是2 0 世纪7 0 年代末至2 0 世纪8 0 年代初，以提高传输 速率和增加传输距离为研究目标，大力推广应用的大发展期，光纤从多模到单模。 第三代光纤通信系统是8 0 年代中期以后的长波长单模光纤通信系统。这是以 超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。 第四代光纤通信系统是8 0 年代末到9 0 年代中期，主要特征是开始用1 5 5 0 h m 波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至0 2 d b k m ，主要用于建设同步数字系列 ( s d h ) 同步传送网络，传输速率达2 5 g b s ，中继距离为8 0 - - 1 2 0 k m ，并开始采 用掺铒光纤放大器( e d f a ) 和波分复用( w d m ) 器等新型器件。 第五代光纤通信系统是1 9 9 6 年至今，主要特征是采用密集型波分复用( d w d m ) 技术的光纤网络的开发与应用，基于i p 的光纤信息网络不断发展，并将会使现有 的光纤网络发生深刻变革。 2 2 光纤通信 我们知道，对于载波通信而言，载波频率( 简称载频) 越高，意味着可以用 第二章光通信介绍 7 于通信的频带就越宽，则通信容量就越大。有线通信从明线发展到电缆，无线通 信从短波发展到微波和毫米波，它们的目的都是通过提高载波频率来扩大通信容 量。 由于光纤中传输的光波要比无线电通信使用的频率高得多，因此其通信容量 就比无线电通信大得多。可以说，这种新兴技术是世界新技术革命的重要标志， 也是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。 2 2 i 光纤通信的概念 所谓光通信就是利用光信号进行的信息传输过程或方式。由于光具有无线传 输的特性，因此光通信有无线和有线通信之分。比如，水运和航海中经常使用的 灯语就是一个无线光通信的实例；我们在超市付款时，收银员使用的条形码阅读 器也是一种无线光通信设备。而我们目前常说的光通信主要指利用光纤做传输介 质的光纤通信( 有线通信) ，简言之，光纤通信就是以光波为载波，以光导纤维 为传输介质的信息传输过程或方式。光纤通信首先要在信源将欲传送的电话、电 报、图像和数据等信号进行电光转换，即把电信号先变成光信号，再经由光纤( 包 括在本地进行光交换) 传输到信宿，信宿必须将接收到的光信号作与发信端相反 的变换，即进行光电转换变成电信号，从而完成一次光纤通信的全过程。可见， 光纤通信与我们熟悉的电缆通信主要有两点不同，一是传输信号为光信号而不是 电信号；另一个是传输介质是光纤而非电缆( 包括明线、双绞线、多芯电缆和同 轴电缆等) 。 2 2 2 光纤通信原理 根据通信原理的内容我们知道，若要实现光纤通信，首先必须在信源对作为 信息载体的光信号进行调制，也就是说必须让光信号随电信号的变化而变化。调 制后的光波经过光纤信道传送到信宿，由相关设备鉴别出它的变化，然后再现出 原始信息。根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和问接调制两大类。 直接调制方法仅适用于半导体光源( 激光二极管l d 和发光二极管l e d ) ，这种方法 是把要传送的信息转变为电流信号注入l d 或l e d ，从而获得相应的光信号。直接 调制后的光波电场振幅的平方正比于调制信号，是一种光强度调制( i m ) 的方法。 间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射 的调制，这种调制方式既适应于半导体激光器，也适应于其它类型的激光器。间 接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。其具体方法 是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制电压，使调制器的 某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它时，得到调制。对某些类型的激光 器，间接调制也可以采用内调制的方法，即用集成光学的方法把激光器和调制器 集成在一起，用调制信号控制调制元件的物理性质，从而改变激光输出特性以实 8 光分组交换网络中光缓存技术的研究 现其调制。 2 2 3 光纤通信系统组成 通过上述原理描述，我们可以认为一个基本光纤通信系统必须包括信源端的 光发射机( 光调制设备) 、信宿端的光接收机( 光解调设备) 和连接它们的光纤介 质，如图2 i ( a ) 所示。 ( a ) 信源端的光发射机( 实质上就是电光调制器) 把电端机送来的电信号对光源 进行调制。原则上可以使用振幅、频率和相位调制，但由于目前实用激光器等光 源的频谱不纯，频率也不稳定，使调频或调相方式难以实现，因此，通常采取控 制光功率大小的调幅方法，即直接调制。经调制后的光功率信号耦合入光纤，经 光纤传输后，光接收机的光电检测器( 一般为半导体光电二极管或雪崩二极管) 把光信号变换成电信号，再经放大、整形处理后送至信宿端的电端机：如果进行 远距离传输，则须在通信线路中间插入中继器。实用的光纤通信系统一般都是双 向的，因此其系统的组成包含了正、反两个方向的基本系统，并且每一端的发信 机和接收机做在一起，称为光端机，同样，中继器也有正反两个方向，如图2 1 ( b ) 所示。可以看出，光纤通信系统可归结为“电光电”的简单模型，即需要传输的信 号必须先变成电信号，然后转换成光信号在光纤内传输，末端又将光信号变成电 信号。整个过程中，光纤部分只起传输作用，对于信号的生成和处理，仍由电系 统来完成。与电通信类似，光纤通信也可分为模拟通信和数字通信两种。模拟光 通信中的光信号强度随电信号的变化而线性交化，通俗地讲，就是光线有“明m t 暗” 之分。而数字光通信中的光信号与数字电信号相似，只有两种状态：“亮”和“灭”。 图2 1 所示的系统框图对模拟或数字信号都适用。对模拟信号而言，要使信号不失 真，就要求光源有良好的线性幅度特性。但是常用的光源，尤其是半导体激光器 的非线性比较严重，所以模拟光通信常用在非线性失真要求不太严格的地方。对 数字光纤通信系统而言，由于信号为脉冲形状，因此光源的非线性对系统性能影 响不大。数字光纤通信系统也具有数字电通信系统的一切优点。在现已建成的系 第二章光通信介绍 9 统中，除少数专用光纤通信系统外，几乎所有公用及大多数专用光纤系统都使用 数字式。数字光纤通信系统一般是指以传送数字话音为主的光纤通信系统，它主 要由p c m 终端设备、数字复用设备、光端机、光纤和光中继设备组成，如图2 2 所示。 图2 2数字光纤通信系统 前面讲过由光发射机、光纤和光接收机可构成一个基本光纤通信系统。在实 际应用中，作为一个完整的光纤通信系统，还应包括光中继器、监控系统、脉冲 复接和脉冲分离系统、告警系统以及电源系统等。如图2 3 所示。 监控叫脉i 公务叫冲l 区间通信_ 一分l 其他一接l 下输出至电端机 光纤 光中 继器 邕笪卜 亘回匪圃 度控制i 堡篓些卜l 一 回匪囹 等嘴黻p p 吨p 坪 呷1 燮i 扣监控 l 冲卜一公务 告警输出li 复h i _ 一区间通信 一 l 接k 一其他 图2 3 光纤通信系统原理框图【6 】 时钟 提取 1 0 光分组交换网络中光缓存技术的研究 2 2 4 光纤通信的特点 光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：一是以很高频率的光波作为载波传 输信号；二是用光导纤维构成的光缆作为传输介质。因此，在光纤通信中起主导 作用的是产生光波的激光器和传输光波的光导纤维。光纤通信之所以能够飞速发 展成为未来通信的发展方向，是由于它具有如下突出优点： 1 通信容量大 因目前使用的光波频率比微波频率高1 0 3 1 0 4 倍，所以理论上光通信的通信 容量与微波通信相比约可增加1 0 3 1 0 4 倍。虽然在实际应用中由于受到了光电器 件特性的限制，传输带宽比理论上的窄得多，但在目前投入运营的光纤通信系统 中，一对光纤仍可通3 万路电话，是目前通信容量最大的一种通信方式。与电缆 一样，可将几对甚至上百对光纤组成一根光缆，传输容量就更大了。光纤通信适 合高速、宽带信息的传输，能在高速通信干线以及宽带综合业务通信网中发挥作 用。 2 损耗低、中继距离远 目前实用的光纤均为二氧化硅制成的，若要减少光纤的损耗，主要依靠提高 玻璃纤维的纯度来达到。由于目前制造的二氧化硅玻璃介质的纯净度极高，因此 光纤的损耗极低。由于光纤的损耗低，因此，中继距离可以很长，这样可在通信 线路中减少中继站的数量，以降低成本并提高通信质量。 3 抗电磁干扰能力强 由于光纤是由纯度较高的玻璃( 二氧化硅) 材料制成的，是不导电和无电感 的，因此它不受电磁干扰。正是由于这样，电缆通信中常见的串话现象，在光纤 通信中就不存在了。同时不会干扰其它的通信设备或测试设备。 4 无串话、保密性强 光在光纤中传播时，几乎不向外辐射。因此在同一光缆中，数根光纤之间不 会相互干扰，即不会产生串话，也难以窃听，所以光纤通信和其它通信方式相比 有更好的保密性。 5 线径细、重量轻 由于光纤的直径很小，只有o 1 2 5 m m 左右，因此制成光缆后，直径要比相同 容量的电缆小得多，而且重量也轻。这样在长途干线或市内干线上，空间利用率 高，而且便于铺设。 6 资源丰富、节约有色金属和原材料 现有的通信线路是由铜、铝、铅等金属材料制成的，从目前的地质调查情况 来看，世界上金属的储藏量有限，有人估计，按现有的开采速度，铜的储藏量只 能再开采5 0 年。而光纤的原材料是石英，在地球上资源丰富，而且用很少的原材 第二章光通信介绍 料就可以拉制很长的光纤。随着光纤通信技术的推广应用，将会节约大量的有色 金属材料，对合理使用地球资源有一定的战略意义。 7 容易均衡 在电通信中，信号的各频率成分的幅度变化是不相等的，频率越低，幅度的 变化越小；频率越高，其幅度变化则越大。这对信号的接收极为不利，为使各频 率成分都受到相同幅度的放大处理，就必须采用幅度均衡。对光纤通信系统则不 同，在光纤通信的运用频带内，光纤对每一频率的损耗是相等的，一般情况下， 不需要在中继站和接收端采取幅度均衡措施。 8 光纤接头不放电、不产生电火花 这一优点使得光纤通信在矿井下、石油化工、军火仓库等易燃易爆的环境中 能发挥更重要的作用。 9 抗化学腐蚀 由于光纤取材于石英，因此具有一定的抗化学腐蚀能力。光纤通信具有的上 述优点使之成为当今世界上的主要通信手段之一。当然光纤本身也有缺点，如光 纤质地跪、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术：分路、耦合比较麻烦等。 但这些问题随着技术的不断发展，都是可以克服的。 2 3 波分复用技术 在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容 量，通常利用频分复用的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个通路的信号， 接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可以滤出每一个通路的信号： 同样，在光纤通信系统中也可以采用光频分复用( o f d m ) 的方法来提高系统的传输 容量，在接收端采用解复用器将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率 差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法称 为波分复用技术。 2 3 波分复用的定义以及工作原理 所谓波分复用技术，就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资 源，根据每一通路光波的频率( 或波长) 不同可以将光纤的的低损耗窗口划分成 若干个通路，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器( 含波器) 将不 同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端，再由一波 分解复用器( 分波器) 将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。 由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立( 不考虑光纤的非线性时) ，从而在 一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。 图2 4 显示了波分复用的工作原理，在发送端有几个独立调制的光源，每一个 光分组交换网络中光缓存技术的研究 都只能在一个波长上发射信号。其中复用器是用来将光输出复合到一串密集波长 信号谱内，并把这些信号耦合进一根光纤。在接收端，使用解复用器将这些光信 号分离并送入正确的检测信道来进行信号处理【3 2 1 。在发送端，基本的设计要求是 使复用器提供从每一个光源到其输出的低损耗路径。 可调谐光源 图2 4 波分复用工作原理图 光接收机 由于光检测器在包括所有w d m 信道的宽波长范围上总是很敏感的，因此解 复用器具有不同的要求。为了防止不需要的信号进入接收信道，解复用器必须具 有窄谱宽工作的能力，或者使用补偿锐截止并且非常稳定的光滤波器。 2 3 2 波分复用系统的构成以及优点 w d m 系统的基本构成有两种形式，即双纤单向和单纤双向。 1 双纤单向 如图2 5 所示，单向w d m 是指一根光纤完成一个方向光信号的传输，反方向 的光信号由另一根光纤完成。即在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已 调光信号a ，友，”一乃通过复用器组合在一起，并在同一根光纤中沿着同 一方向传输，由于各个光信号是调制在不同的光波长上的，因此彼此之间不会相 互干扰。在接收端通过光解复用器将不同波长的光信号分开，完成多路光信号的 传输任务。因此，同一波长可以在两个方向上重复利用。 2 单纤双向 单纤双向是指光通路同时在一根光纤上向两个不同的方向传输，如图2 6 所 示。所用波长相互分开，因此这种传输允许单根光纤携带全双工通路。与单向w d m 相比，单纤双向w d m 系统可以减少光纤和线路放大器的数量。但双向w d m 设 计比较复杂，必须考虑多通道干扰，光反射的影响，另外还需考虑串音、两个方 向传输功率电平数值、自动功率关断等一系列问题【3 3 1 。 第二章光通信介绍 图2 5 双纤单向传输w d m 系统 图2 6 单纤双向传输w d m 系统 w d m 有密集型波分复用( d w d m ) 和粗波分复用( c w d m ) 之分，但实质都是波 分复用技术。 1 4 光分组交换网络中光缓存技术的研究 根据各路波长之间的间隔，把间隔为2 0 0 g h z ( 1 6 r i m ) 以上的复用称为c w d m 。 用户接入系统常用之。 把波长间隔为2 0 0 g h z ( 1 6 r i m ) 以下的称为d w d m 。长途骨干网、城域网常 用之。 w d m 技术之所以在近几年得到迅猛发展，是因为它具有以下优点： ( 1 ) 超大容量传输 ( 2 ) 节约光纤资源 ( 3 ) 各信道透明传输 ( 4 ) 充分利用成熟的t d m 技术 ( 5 ) 利用e d f a 实现超长距离传输 ( 6 ) 对光纤的色散无过高要求 ( 7 ) 可组成全光网络 2 3 3 波分复用发展的趋势 d w d m 关键技术都已成熟，吉比特级系统得到广泛应用，太比特级系统的商 用也正在计划中。目前，d w d m 技术呈现如下发展趋势： 首先是系统的传输容量的持续增长，可通过提高通道速率、增加复用波长数 量、扩展应用波长范围等方案实现传输容量的扩大。 d w d m 的另一个发展趋势是光再生中继器的开发。随着信道速率提高、复用 波长数增多，波分解复用后分别进行再生的电再生方式，设备庞杂、建设和运行 成本高。开发光再生中继器不仅对传输系统十分必要，而且对提高光网络的透明 性、实现全光传送网络也是不可缺少的。 d w d m 技术已经开始向城域网发展，日趋廉价的d w d m 产品及其软件对本 地网的建设和改造颇具有吸引力。各大设备厂商白1 9 9 9 年开始研制用于城域网的 d w d m 系统，并声称已开发出城域d w d m 产品；网络经营者也看好d w d m 设 备。所以d w d m 向城域网发展将会加快。 2 4 光纤通信的发展趋势 光纤通信以它独特的优点被人们认为是通信史上一次革命性的变革。光纤通 信网将在长途通信与市话通信中代替现有的电缆通信网，这已为各国所公认。在 未来的信息社会中，交换大量信息的信息网络也将由光纤通信网络来构成。因此， 有人说，如果2 0 世纪的通信是电网络的时代，那么2 l 世纪的信息传输将会是全 新的光网络时代。 随着光电技术的进步，光纤通信技术会朝以下几个方向发展：首先是低损耗 单模光纤的进一步开发和研制，这是一项长期而又需要不断完善的工作；其次， 第二章光通信介绍 为增加光频带的利用，将致力于波分复用技术和相干光通信体制的研究和实用化； 第三，为了进一步提高通信速度，将发展光电混合集成电路，提高光电转换的速 度，增强现有光系统的传输能力，这方面远期的发展目标是光学集成的全光线路， 使更多的信号处理功能在光域上完成。另外为了大大提高光纤通信系统的有效性 和可靠性，许多国家还在进行光放大器、相干光通信、多波道光纤通信及光孤子 通信等新技术的研究1 3 l 】。 总之，全光网络是未来信息传送网的发展方向，它可以直接对光信号进行处 理，不仅大大简化了网络结构，降低了成本，而且极大地提高了网络的稳定性与 可靠性。 2 5 小结 本章对光纤通信进行了详细的介绍，介绍了光纤通信的发展历史阶段，光纤 通信的概念，光纤通信的原理，光纤通信的系统组成以及光纤通信的特点；还介 绍了波分复用技术，对波分复用系统的工作原理和波分复用系统的结构都进行了 详细的阐述，最后对波分复用技术的发展趋势和光纤通信的发展趋势进行了展望。 第三章光分组交换网络1 7 第三章光分组交换网络 目前w d m 技术在光互联网网络中的应用，仍主要是将w d m 波长作为分立 的波长信道来使用，而且仍是一种静态路由技术，因此这种基于波长选路的光网 络仍然没有摆脱电路交换方式的绞绊，交换粒度太粗，一般为波长级。如果用它 来承载m 包为代表的呈爆炸式增长的数据业务，则缺乏灵活性，且对光学带宽的 利用率极低。而光分组交换技术却在灵活性和带宽利用率方面表现出独有的优势【2 7 一孤4 2 1 ，它能够快速分配w d m 信道，能够以非常细的交换粒度、按需的共享一切 可用的带宽资源。本章主要介绍光分组交换网络。 3 1 光网络基本描述和发展趋势 3 1 1 通信网发展进程 在当今的国际互联网( i n t e r n e t ) 中，光纤传输线路装用密集波分复用多路 系统，已能载荷3 2 8 0 路光载波的波长，每一波长各受数字信号2 5 g b s l og b s 调制。相应地，当今交换局中最大的电路由器和电子交换系统应能处理l t b s 以 便与光纤线路相适应。估计下一代公用通信网的单模光纤线路可能每根光纤多加 载几百路光载波的波长，每一波长各受信号l o g b s 的调制，总的传输将达到 l o t b s 。在这样快速增长的形式下，未来的路由器和交换机系统很可能要各自连 接几百路光波长，每一波长载荷信号4 0 g b s 1 6 0g b s 。原来的电路由器和交换 机系统恐怕难以满足要求，而接口处的光电光转换器制作困难。这就有必要加 大改进，由原来的电改用光的路由器和交换系统。结论是：未来的通信网必将从 电的进化为光的分组交换网”1 。其中需用的各种信号处理和存储等器件，也相应地 一律采用“光信号处理”，以便能够在很高的数字速率运行。只有每一用户终端， 收信和发信需要利用光电转换器和电光转换器，它们比较简单，而且耗电少， 体积小。现代通信正从模拟信号过渡至数据分组的数字信号，通信网正由电路交 换过渡至分组交换o 3 1 2 点到点光传输系统向光网络的演进 传输系统容量的快速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力，从技术推 动力方面来看，随着可用波长数的不断增加、光放大和光交换技术的发展和越来 越多的光传输系统升级为w d m 和d w d m 系统，下层的光传输网不断向多功能型、可 重构、灵活性、高性价比和支持多种多样保护恢复能力等方面发展，以及在脚d m 技术逐渐从骨干网向城域网和接入网渗透的过程中，人们发现波分复用技术不仅 可以充分利用光纤中的带宽，而且其多波长特性还具有无可比拟的光通道直接联 网的优势，因此为进一步组成以光子交换为交换体的多波长光纤网络提供了基础， 1 8 光分组交换网络中光缓存技术的研究 促使了波分复用系统由传统的点到点传输系统向光传送联网的方向发展，形成了 多波长波分复用光网络。如图3 i 所示”。由于技术的不断进步和成熟，使得光纤 通信逐渐从点到点的单路传输系统向w d m 联网的光网络方向发展。 t i m e o x c ：光交叉连接器w a d m ：波长分插复用器w d m ：波分复用 图3 1 点到点传输系统向w d m 光网络的发展过程 3 1 3 光网络的分类 从承载的业务角度看， r d m 网络可以分为静态业务网络和动态业务网络，静态 业务网络类似于永久式虚电路( p v c ) ，两个节点间的路由及分配的波长都是固定 的，而动态业务网络则像半永久式虚电路( s p v c ) 或交换式虚电路( s v c ) ，适合 于承载突发业务的网络中，两点间的路由和波长需要动态地选择和分配。 从光网络选路方式上划分由两种典型的网络结构：广播与选择网以及波长路 由网。 1 广播与选择网 第三章光分组交换网络 1 9 广播选择网是通过无源星型耦合器件将多个节点按照星型拓扑结构连接起来 的，基本原理是以广播的形式发送，接收端有选择的滤波接收。这种网络主要用 于高速局域网或广域网，有两种工作方式：固定波长光发送可调谐的光接收和接 收波长固定可调谐发送。 2 波长路由网 与上述情况相反，波长路由网的关键元素是波长选择交换器，它可分为两种： 波长交换方式和波长转换方式。前者是通过改变w d m 路由动态地在通道问交换 数据信号。后者通过波长转换将数据倒换到另一个波长通道上。 3 1 4 光网络的发展趋势 光网络经历的阶段是点到点w d m 链路、波长路由环网、波长路由网状网、光 突发交换环网，光突发交换网状网、光分组交换网，最终向智能光网络方向发展， 下面就简要的叙述一下这些网络的特征以及优缺点。 1 波长路由光网络 波长路由光网络就是基于波长为粒度的光路交换，基于波长路由的全光网络 在过去的数年中有了长足的发展，正在逐步得到规模化应用。其缺点是网络利用 率不高，网络不够灵活。 2 光突发交换网络 由于数据业务具有突发性，光突发交换网络就是针对突发业务的，在光突发嘲 交换技术中，将数据分组分成两部分，一部分是携带路由信息