（光学工程专业论文）自动交换光网络关键控制技术和相关无源光器件的研究.pdf

浙江大学博士论文 摘要 自动交换光网络( a s o n ) 是一种具有智能特性的光传送网。它利用标准化的信令、 路由、链路管理协议，实现了服务自动发现，连接自动建立，故障自动恢复等功能， 使得光传送网和i p 网络一样具有了智能特性。本论文紧密关注光网络控制平面技术 和光无源器件技术，对如下几个方面进行了深入创新的研究： 1 通过对a s o n 中用户网络接d t t r n i ) 技术的研究，针对u n i 控制平面的生存性问 题，提出了一种u n i 入口节点恢复机制。经过对该机制的恢复时间进行理论计算 和实验测量，表明其能快速地对故障节点控制平面进行恢复。 2 研究了u n i 用户新的双归属配置方式，提出了一种端到端分离路径服务实现机 制。在不改动现有信令、路由协议，保障网络信息安全的基础上，为光网络运营 商拓展了新的服务类型。 3 研究了a s o n 的多域结构和分层路由体系，提出了一种基于遗传算法的双向洗牌 网拓扑抽象算法。仿真结果表明此种技术构建的虚拟拓扑准确度高、可扩展性强， 非常适合用于大规模光网络的拓扑抽象。另外提出了一种迟滞重抽象策略，在不 降低抽象拓扑性能的基础上，抑制了频繁的拓扑抽象，减轻了链路状态更新信息 给a s o n 控制通道带来的负荷。 4 研制了一种3 l 1 1x 5 m m 3 的光纤直接耦合光开关和一种亚毫秒级开关速度的光 开关阵列。通过有限元仿真指导其设计过程，并对结构进行优化。采用非硅基微 加工技术进行样机制作，测试结果表明其开关速度和插入损耗均达到设计预期。 5 研制了一种小型电磁驱动的微机械可调光衰减器。采用电磁驱动器转动硅基微镜 改变光路实现可调衰减，在结构上采用了全磁性回复，完全摆脱了通常的弹性回 复造成的部件疲劳、零点偏移等器件重复性问题。 关键词：自动交换光网络，用户网络接口，分离路径，分层路由，拓扑抽象，光 开关，可调光衰减器 1 1 1 a b s t r a c t a na u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ( a s o s ) i sa ni n t e l l i g e n to p t i c a lt r a n s p o r t n e t 、o r k b yi i l 仃o d u c i n gs t a n d a r d i z e dp r o t o c o l si n c l u d i n gs i g n a l i n g ，r o u t i n g a l l dl i n k m a n a g e m e n t ，t h ei n t e l l i g e n t a l i z a t i o no ft h eo p t i c a lt r a n s p o r t n e t w o r ki st h er e a l i z a t i o no l a u t o m a t i cs e r v i c ed i s c o v e r y , a u t o m a t i ec o n n e c t i o ne s t a b l i s h m e n ta n da u t o m a t i c f a i l u r e r e s t o r a t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o n t r o lt e c h n i q u e sa n dp a s s i v eo p t i c a ld e v l c e sm a s o nw i t had e e pa n di n n o v a t i v er e s e a r c hi nt h ef o l l o w i n g a r e a s o p t i c a lu s e rn e t w o r ki n t e r f a c e ( u n i ) ：an e w c o n t r o lp l a n er e c o v e r ym e c h a j l l s m1 s p r o p o s e da g a i n s tu n ii n g r e s sn o d a lf a i l u r e t h et h e o r e t i c a le s t i m a t i o na n de x p e f i m e n t a l r e s u l t ss h o war e d u c t i o no fr e c o v e r yt i m e d u a l h o 曲gc o n f i g u r a t i o n so nu n ic l i e n t s ：ac o m p l e t ee n d t o e n d d i v e r s i t yp a m s e r v i c ei so 髓r e di no u rp r o p o s e dm e c h a n i s m t h i s m e c h a n i s mg e t sb e t t e ra c c o m m o d a t l o n w i t hc 硼n ts t a i l d 锄d s ，a n de n a b l e sh i g h e rs e c u r i t yl e v e lo f t h ev e n d o r sn e t w o r k m u l t i d o m a i l la s o na n dh i e r a r c h i c a lr o u t i n gm c h n i q u e s ：ag e n e t i ca l g o r i t h mb a s e d b i d i r e c t i o n a ls l m m e n e tt o p o l o g ya g g r e g a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e dt o p o l o g ys c h e m ep r o d u c e s am o r ea c c u r a t ev i r t u a lt o p o l o g ya n d1 s v e r ys u i 协l ef o rl a r g e s c a l eo p t i c a ln e t w o r k f o ri t ss c a l a b i l i t y i n a d d i t i o nal a 巧 r e - a g g r e g a t i o np o l i c yi sp r o p o s e dt oc o n t r o l t h ef r e q u e n c yo ft o p o l o g yr e a g g r e g a t i o n t l l i sp o l i c yr e d u c e st h ed i s p a t c h e dl i n k s t a t eu p d a t em e s s a g e so v e rc o m r o lc n 删1 e l s ， w i t h o u td e c r e a s i n gt h er o u t i n gp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y a3l 1l 5 m m 3d i r e c t - c o u p l e df i b e rs w i t c ha n d as u b m i l l i s e c o n do p t i c a ls w i t c ha r r a y a r er e p o 毗d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sc o n d u c t e di ns t r u c t u r ed e s i g na n do p t 舢z a t l o n s t a g e t h ed e v i c e sa r ed e v e l o p e db ym i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u e s p e r f o r m a n c e t e s ts h o w s t h a tb o t ht h ei n s e r t i o n1 0 s sa n ds w i t c ht i m em e e t t h ed e s i g ne x p e c t a t i o n s an l i c r o m a c h i n i n gb a s e de l e c t r o m a g n e t i c d r i v e n v a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o ri s d e v e l o p e d a u e n u a t i o ni s i n t r o d u c e db yar o t a b l em i n i a t u r e s i l i c o nm i r r o r , w i t hi t s o r i e n t a t i o nf i n e l ya d j u s t e dt h r o u g ht h eb a l a n c eb e t w e e nap a i ro fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c e t h ed e s i g ni sf r e eo fc o n v e n t i o n a ls p r i n gr e s t o r i n gf o r c ef o r a t t e n u a t i o nr e s e ta n dt h e r e f o r e e n s u r e sah i g hs t a b i l i t y k e y w o r d s ：a s o n ，u n i ，d i v e r s i t yp a t h ，h i e r a r c h i c a lr o u t i n g ，t o p 。1 。g y a g g r e g a t i 。n ， o p t i c a ls w i t c h ，v a r i a b l eo p t i c a l a t t e n u a t o r i v 浙江大学博士论文 第1 章绪论 本章首先介绍了本论文的研究内容、作者的主要工作及主要创新点，然后对当前 的技术背景和相关的技术现状进行了概述。 1 1 本论文的研究内容、主要工作及创新点 1 1 1 本论文的研究内容 本论文的研究内容是自动交换光网络( a s o n ) 中的控制平面技术及无源光器件技 术。研究的重点放在a s o n 边缘的用户网络接e i ( u n i ) 技术、a s o n 内部的多域分层 路由技术、a s o n 中大量使用的光开关、可调光衰减器的设计和制作技术等几个方 面。按照研究内容，本论文分为五章： 第一章：绪论。对光网络的发展历程进行回顾；对a s o n 的发展背景、标准化 动态、体系结构以及关键技术进行了分析研究；对a s o n 中的光无源器件的用途、 原理及加工技术进行了概述。 第二章：对a s o n 中用户网络接口( u n i ) 技术进行了研究。针对u n i 控制平面的 生存性问题，提出了一种u n i 入口节点恢复机制，并对此机制的恢复时间进行了仿 真评估和实验测量：针对u n i 用户的双归属配置，提出了一种端到端分离路径服务 实现机制，在不改动现有信令、路由协议的基础上，为a s o n 运营商拓展了新的服 务类型。 第三章：对a s o n 的多域结构和分层路由体系进行了研究。结合跨域光路连接 的实现技术，提出了一种基于遗传算法的双向洗牌网拓扑抽象算法，仿真结果表明 此种技术构建的虚拟拓扑准确度高、可扩展性强，非常适合用于大规模光网络的拓 扑抽象。另外提出了一种迟滞重抽象策略，在不降低抽象拓扑性能的基础上，抑制 了频繁的拓扑抽象，减轻了链路状态更新信息给a s o n 控制层带来的负荷。 第四章：研制了一种3 1xl l 5 m m 3 的光纤直接耦合光开关和一种亚毫秒级开关 速度的光开关阵列。通过有限元仿真指导其设计过程，并对结构进行优化。采用非 硅基微加工技术进行样机制作，测试结果表明其开关速度和插入损耗均达到设计预 期。 浙江大学博士论文 第五章：研制了一种小型电磁驱动的微机械可调光衰减器。采用电磁驱动器转动 硅基微镜改变光路实现可调衰减，在结构上采用了全磁性回复，完全摆脱了通常的 弹性回复造成的部件疲劳、零点偏移等器件重复性问题。 1 1 2 作者的主要工作 作者科研阶段的主要工作为： u n i 入口节点控制平面故障恢复机制的研究及恢复时间理论分析； 双归属配置u n i 的端到端分离路径服务的实现机制研究； 多域a s o n 的拓扑抽象算法、重抽象机制的研究及仿真实现； 光纤直接耦合光开关的设计方案和实验研究； 高速光开关阵列的设计方案和实验研究； 小型微机械可调光衰减器的设计方案和实验研究； 参与朗讯科技贝尔实验室中国基础科学研究院( b l r c ) a s o n 相关项目： u n i - c s i g n a l i n gt e s t e r , e - n n is i g n a l i n gt e s t e r , e - n n ir o u t i n g t e s t e r 1 1 3 本论文的主要创新点 本论文的特色与创新工作主要有： 针对u n i 控制平面的生存问题，提出了一种u n i 入口节点的恢复机制，从而 使得u n i 的入口节点和出口节点在发生故障时都能迅速恢复，避免业务中断。 针对光网络中的业务保护问题，我们在u n i 双归属配置的基础上提出了一种 路径分离实现机制，使得分离保护路径由以前只能在网络内部分离，拓展到 网外的端到端完全分离，从而提高了生存性和可靠度；其实现方式考虑了核 心网的信任问题，避免了运营商网络信息的外泄，提高了网络的安全性。 针对多域光网络的拓扑抽象算法，提出：利用双向洗牌网方法将域内的原始 拓扑压缩成一个虚拟拓扑，减少需广播路由消息数量；采用遗传算法来寻找 最优的双向洗牌嘲模型；引入迟滞重抽象策略，根据网络负荷情况控制重抽 象时机，减少路由消息数量，降低信令通信网负荷。 2 浙江大学博士论文 针对光器件加工技术，将成熟的电火花精密成型和c n c 微雕刻这两项金属加 工技术相结合，采用了全金属非硅基的整体结构，简化了器件工艺。 研制的lx 2 光纤直接耦合光开关，尺寸小，驱动电压低，设计新颖，易于大 批量生产。 研制的1x 2 光开关阵列，开关响应时间小于7 5 0 p s ，回波损耗和串扰低于 7 0 d b ，且成本低、易集成。 研制的可调光衰减器，采用磁性回复，抗疲劳能力和工作稳定性高、驱动电 压( o - - 一5 v ) ，插入损耗o 8 d b ，工作范围( 0 - - 4 0 d b ) 。 1 2 光传送网技术的发展 光纤通信技术的问世是通信发展史上的一个重要里程碑，它从根本上改变了传 输技术的格局，奠定了宽带通信网的基础。根据著名的光纤定律( o p t i c a l l a w ) 1 1 ：互联 网带宽每9 个月会增加一倍，但成本降低一半，以此速度发展，光网络必将取代传 统网络带领我们进入高速通信时代。在提供点到点的大容量、长距离、高可靠性的 数据传输基础上，利用光和电子控制技术实现了多节点网络的互联和灵活的业务调 度。从光网络诞生起到今天，大致可以分为如下几个阶段。 1 2 1 准同步数字体系( p d h ) 从8 0 年代起，光纤传输系统开始逐步取代铜线部署于核心网，但此时光纤中和 铜线一样仍然以准同步的方式( p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，p d h ) 复用传输数字 信号，最高的五次群系统速率为5 6 5 m b i f f s l 2 , 3 】。p d h 系统的主要缺点是：存在欧洲、 北美和日本3 大系统，没有统一的接口规范，国际互通困难；高次群为异步复接， 上下路低次群信号非常复杂；系统缺乏监控信息，不利于统一网管系统的建设。 图1 1 中给出了p d h 体系中从一个1 4 0 m b i t s 信号中分出一个2 m b i t s 的过程及 所需的设备配置。由于p d h 体系中只有1 5 m b i t s 和2 m b i t s 的基群信号是同步复用， 其他低次群到高次群都是采用异步复接，因此为了上下路，就得把整个高速线路信 号一步一步地分解到所需的低速支路等级信号，上下支路信号后，再一步一步地复 用到高速线路信号进行传输，因而在节点处需配置所有的相关复接设备，硬件数量 大，缺乏灵活性，上下业务费用高，功能实现复杂。 3 浙江大学博士论文 光 上下路电信号2 m b i t s 图1 1p d h 支路信号解复用的过程 号 1 2 2 同步光网络( s o n e t s d h ) 针对p d h 存在的问题，美国的b e l l c o r e 提出了同步光网络( s y n c h r o n o u so p t i c a l n e t w o r k ，s o n e a 3 技术，1 9 8 8 年c c i t t 接受此概念通过了同步数字体系( s y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ，s d h ) 国际标准。s d h 定义了统一的标准光接口，能够允许不同厂 商的设备在光路上互通，满足兼容性要求。s d h 采用同步复用方式和灵活的复用映 射结构。 图1 1 2i t u t ( 2 7 0 7 中提出的s d h 最新复用结构 图1 2 为i t u t 于2 0 0 0 年在( 2 7 0 7 中提出的s d h 复用结构标准4 1 。其中s t m 0 为s o n e t 中的s t s 一1 等级( 5 1 8 4 m b i t s ) 信号，与传统的p d h4 5 m b i t s 相兼容。目前 s d h 实现的最高速率等级为s t m - 2 5 6 ( 4 0 g b i t s ) ，一般核心网常用s t m 一1 6 ，速率为 2 5 g b i t s 。由于s d h 不同等级的信号在帧结构内负荷排列是有规律的，因此可以从 高速信号一步直接分插出低速支路信号。如图1 3 所示，采用s d h 的分插复用器 4 浙江大学博士论文 a d m ，可以从s t m - l 光信号( 1 5 5 m b i t s ) q b 直接分出2 m b i t s 的支路电信号，避免了 信号逐级分解再重新复用的过程，省去了p d h 中背靠背的复用设备。由于s d h 是 为克服p d h 的缺点而产生的，它是先有目标再定规范，然后研制设备，因此在最大 限度地满足了电信网发展的需求。 s d h 上f 路电信号2 m b i t j s 图1 3s d h 支路信号解复用的过程 1 2 3 波分复用系统( w d m ) 从9 0 年代中期起，为了充分利用光纤的带宽能力，提出了利用频分复用原理， 在一条光纤上同时传送多个波长的光信号，这就是波分复用( w d m ) 系统。i t u t 规 定了w d m 网络中使用的标准波长分布 5 1 ，以保证不同厂商设备的互通。常用的w d m 系统可以包含8 ：1 6 、3 2 个波长，每个波长的信号速率可直至2 5 g b i t s 。更高的复 用系统可以有1 2 8 个波长，实验室还研制出高达2 0 5 6 个波长的系统，这些都称为密 集波分复用( d w d m ) 系统，如图1 4 所示。目前商用的d w d m 系统采用1 5 5 0 n m 窗 口，因为这个窗口正好对应e d f a 增益平坦的放大区。 w d m 的引入是光网络发展的重大变革，除了提供了海量的传输带宽，它开创了 光层独立于电层发展的新局面，发挥了承前启后的作用。但是目前的w d m 仍然以 点到点的方式为主，无法实现灵活的网络互联。而且每个节点都要将光信号转换为 电信号才能进行处理，限制了网络节点的交换容量。 入1 入2 入3 入n 图i - 4w d m 系统构成 5 t 入2 3 入n 浙江大学博士论文 1 2 4 光传送网( o n d 由此可见，特别自9 0 年代中期以来，光传输系统的带宽能力飞速提升，目前单 根光纤都已能达到1 0 t b i t s 量级，而同期路由器和交换机的交叉容量却提升有限，仅 为数百g b i t s 量级。因此，通信网节点处理能力远远不及光传输的能力，已成为发 展宽带网络的瓶颈。解决这一问题的技术发展方向就是在交换机路由器中摒弃光 电光( o e o ) 的处理方式，直接在光域进行信号交换和处理，这就是光交换技术。 基于这样的考虑，1 9 9 8 年i t u t 提出了光传送网( o p t i c a l t r a n s p o r t n e t w o r k ，o t n ) 的概念6 1 。最初理想的模式是全光通信网，也就是在整个通信网内直接对光信号进行 传输、再生、交换和选路，完成端到端的透明光传送。可是由于技术条件所限，目 前全光通信网的目标还无法实现，o t n 的思想是在子网内实现全光透明传送，在子 网边界仍然采用o e o 技术。 o t n 主要是从组网的角度考虑制定的技术标准，原则上说，o t n 可以采用任何 形式的复用技术，但是最有发展前景的是基于w d m 的o t n 。和s d h 网络类似， o t n 的主要网络节点是光交叉连接设备( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ，o x c ) 和光分插复用 器( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ，o a d m ) ，设备的核心部件是光交换结构。 1 3 自动交换光网络( a s o n ) 技术 1 3 1 研究背景 至今为止讨论的光传输网，包括上述由o x c 和o a d m 构成的o t n ，只有管理 平面，没有控制平面，也就是说不存在信令的概念，其光传送层的交叉连接都是通 过管理平面的配置完成的。这种管理方式配置的问题是，指配长距离的连接耗时长， 操作复杂，无法适应i p 应用中经常出现的突发业务；只能调配光路级的连接，无法 控制较细粒度的连接；发生故障时依靠i p 层恢复速度太慢，依靠冗余光纤恢复虽然 速度较快但资源利用率很低。因此，随着整个网络向i p 为核心的方向发展，信息通 信业务愈益具有突发、多变、不确定和不可预见的特点，传送网不但要能提供足够 的带宽，更需要具有自动交换和带宽分配的能力。 在此背景下，美国s y c a m o r e 公司率先在1 9 9 8 年提出了智能光网络的概念，在光 传送网中引入了信令、交换和波长路由等动态控制技术，推动光网由静态配置网络 6 浙江大学博士论文 向动态交换网络方向发展。2 0 0 0 年，i t u t 基于欧美的提案起草建议标准，将智能 光网络正式定名为自动交换光网络( a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k , a s o n ) t 7 l 。其 主要技术思想是：在网络资源和拓扑结构自动发现的基础上，通过路由算法和网络 指令，按需动态建立端到端的连接，同时通过可靠的保护恢复机制实现故障情况下 连接的自动重构。 1 3 2a s o n 标准化进程 目前a s o n 已纳入n g n 的范畴，成为下一代传送网的主流研究方向，许多标准 化组织正着手研究其网络标准。目前主要有四个标准化组织在进行智能光网络的研 究和标准制订工作，分别为国际电信联n 盟( i t u t ) ，因特网工程任务组( i e t f ) ，光互 联网论坛( o i f ) 和光域业务互联联盟( o d s i ) ，由于o d s i 的一些成果，如0 一u n i 规范 已经被o i f 吸收，因此我们主要介绍前三个组织。事实上，a s o n 标准的制定工作 是在l t u t 的主导下，各组织密切配合、互相补充、共同推进。 1 i t u t i t u 玎采用从上向下的思路来设计a s o n - , 主要规范网络体系结构和与协议无关 的要求。由于i t u t 的成员主要是来自电信方面的公司，因此a s o n 吸取了电信网 络( 例如s o n e t s d h ，s s 7 ，a t l v o 协议的概念。作为一个通用的参考模型，力图使 a s o n 更完整，在设计时考虑了网络的可扩展性和可靠性。 i t u t 的有关控制平面的标准包括以下一些内容： 体系结构和总体要求方面。g 8 0 7 t 8 1 定义了自动交换传送网总体要求，g 8 0 8 0 7 】 定义了自动交换光网络结构。 信令方面。g 7 7 1 3 9 1 定义了与协议无关的分布式呼叫和连接管理信令( d c m ) ， g 7 7 1 3 1 t 1 0 1 定义了基于p n n i 的d c m 信令，g 7 7 1 3 2 t 1 1 】定义了采用g m p l s r s v p t e 的d c m 信令，g 7 7 1 3 3 t 1 2 1 定义了采用g m p l sc r - l d p 的d c m 信 令。 自动发现方面和链路管理方面。g 7 7 1 4 1 8 1 定义了通用自动发现技术， g 7 7 1 4 1 t 1 4 1 定义了有关s d h 网络和o t n 中的自动发现协议，仍在制订中的 g 7 7 1 6 将定义a s o n 链路的管理。 路由技术方面。g 7 7 1 5 t 1 5 1 定义了在a s o n 中的路由体系结构和要求。 7 浙江大学博士论文 2 i e t f i e t f 将i p 网络中成熟的框架结构和信令和路由协议扩展，在2 0 0 1 年提出了面向 光网络控制的通用多协议标记交换( g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ， g m p l s ) 。g m p l s 是一个协议族，主要包括： g m p l s 体系结构。r f c 3 9 4 5 t 1 6 】对m p l s 结构进行扩展，支持t d m ( p d h ， 3 o i f s o n e t s d h 和( 2 7 0 9o t n ) 、波长和空间交换的连接。 信令方面。对m p l s 信令扩展以支持分布式连接的管理和控制。r f c 3 4 7 3 t 1 7 1 对m p l s 中的r s v p t e 进行扩展；r f c 3 4 7 2 t 1 8 1 对m p l s 中的c r - l d p 进 行扩展。 路由方面。扩展对多种属性链路的支持。对i p 网络中的o s p f t e 和i s i s t e 路由协议进行扩展【1 9 , 2 0 。g m p l s 中没有给出明确的路由算法，设备商可 以自主选择。 链路管理协议。对相邻节点间的链路进行管理【2 1 1 。 o i f 主要是制定一些实施协议，并采用这些协议进行互操作性试验。由于o i f 的 成员来自i t u 和i e t f ，因此o i f 对于协调这两个标准组织关于光控制平面的工作起 到了重要的作用。 o i f 最重要的成果是“用户网络接口1 0 ( 0 1 , 4 1 1 0 ) ”信令规范【2 2 乏4 1 。u n l l 0 允许 用户使用信令和协议自动建立和删除光连接，并提供通过u n i 接口的邻居发现和业 务发现功能。后续的u n l 2 0 t 2 5 1 ，根据运营商的需求增加一些新的功能，包括支持双 归属、链路带宽修改以及以太网业务和扩展的安全性等。o i f 另一个重要的工作就是 开发e - n n i 实施协议，主要是定义域间信令协议【2 6 1 、发现功能以及运营商内基于 o s p f 的e - n n i 路由【2 7 】。2 0 0 3 年3 月在亚特兰大o f c 会议上，1 2 个成员单位成功 地展示了基于o i fn n i 草案的u n i - n n i 的互操作以及多厂商光网络控制平面路由和 信令协议的互通。 1 3 3a s o n 体系结构 图l 一5 为i t u t 提出的a s o n 体系结构模型7 1 ，整个网络包括3 个平面，即控制 平面、管理平面以及传送平面。而通过数据通信网( d a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， 8 浙江大学博士论文 d c n ) t 2 8 1 联系三大平面，d c n 是负责实现控制信令消息和管理消息传送的信令网络。 7 、7 、堡堡! 耍! ! 旦 图1 5a s o n 体系结构 控制平面可以说是a s o n 区别于传统光网络的最主要特点，它由分布于各个 a s o n 节点设备中的控制网元组成。控制网元主要由路由选择、信令转发以及资源 管理等模块组成，而各个控制网元相互联系共同构成信令网络，用来传送控制信令 消息。控制网元的各个功能模块之间通过a s o n 信令系统协同工作，形成一个统一 的整体，实现了连接的自动化，并且能在连接出现故障时，进行快速而有效的恢复。 管理平面完成传送平面、控制平面和整个系统的维护功能，它负责所有平面间的 协调和配合。除了支持传统光网络的端到端静态连接指配和网络管理功能( 即性能管 理、故障管理、配置管理、计费管理和安全管理功能等) 外，还要支持具有a s o n 特 色的新功能，例如配置软永久连接，配置控制平面、路由协议、u n i 和n n i 等。 传送平面由一系列的传送实体组成，包括交叉连接单元和物理传送链路。传送平 面负责为网络用户间数据传输提供所需的带宽与连接。此外传送平面还可以用于提 供控制平面和管理平面的通信通道。根据构建传送平面的基础设施在网络中的位置 ( 骨干网、城域网、接入网) ，所组建的传送平面将有所不同，一般为网状网结构，也 支持环状保护。传送平面实体在控制平面和管理平面的指挥下为用户提供多粒度交 换、多保护方式的光连接服务。 这三个平面之间，以及平面内部各实体之间的信息交互都是是通过数据通信网 ( d c n ) 来实现的。如图1 5 右下角所示，最主要的两个应用是管理通信网( m a n a g e m e n t c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ，m c n ) 和信令通信( s i g n a l i n gc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ， 9 浙江大学博士论文 s c n ) | 2 8 1 。管理通信网为网络管理系统之间传递管理信息；信令通信网为控制代理之 间提供连接。d c n 的实现可以分为纤内和纤外两种：纤内是指信息与数据同享一根 光纤传输，如在s d h 中，用特定的开销字节来实现控制元素之间的数据包通信；纤 外是指采用与光数据平面无关的独立的网络技术，如可以使用一个外部的i p 网络。 1 3 4a s o n 控制平面的关键技术及协议 控制平面是体现a s o n 动态选路、自动交换等智能特性的核心部分。从前面的讨 论中我们不难看出，a s o n 的正常运行主要依赖于控制平面的3 个基本功z f i , 匕v - , ：信令 功能、路由功能和资源管理功能。这3 种功能相辅相成，构成了实现a s o n 控制平 面核心功能的基础平台。在控制平面中，包括连接管理、资源发现和生存性控制等 在内的核心功能都是建立在此3 个基本功能之上的。 相应的，控制平面所使用的协议也主要包含三大部分：信令协议、路由协议和链 路资源管理协议。目前，i t u t 还没正式提出关于a s o n 控制平面协议，而i e t f 通 过对i p 网络中原有协议的改进，提出了g m p l s 的协议框架，并把这种可应用于多 种技术网络的控制协议应用于a s o n 中。 1 信令协议 信令协议模块用于创建、维护、恢复和删除光链路连接。信令协议中包含如下几 个方面的问题，即地址和命名、信令的过程、信令的类型、信令的具体内容以及安 全性等。为了实现一种可靠的、能够支持快速指配、快速恢复和有效删除机制的信 令协议，i e t f 提出了改进的信令协议如r s v p t e 协议和c r - l d p 协议。 2 路由协议 路由协议模块负责在网络路由域内部以及它们之间可靠地广播光网络的拓扑和 资源状态信息。由于传送平面和控制平面拓扑结构不需要完全一致，路由协议需要 负责广播它们的拓扑，使得每个节点可保持对网络拓扑视图的一致性。传送平面的 拓扑用于在连接建立时的路径选择，而控制平面拓扑用于构建i p 控制消息的路由表。 路由协议需实现的基本功能包括资源发现、状态信息传播和信道选择。i e t f 基于 g m p l s 提出的内部网关协议主要包括o s p f t e 协议和i s i s t e 协议。 3 l m p 协议 资源管理模块的主要功能是维护网络中的链路资源信息，为连接的建立提供资源 l o 浙江大学博士论文 的保障。包括：控制通道管理，在相邻节点间建立并维护控制通道；链路特征信息 关联，同步链路属性和检查链路配置；链路连通性检验，实现传送平面的自动发现 和连通性检验；故障管理，实现链路失效的快速定位和通告。目前，i e t f 已经提出 了链路管理协议( l m p ) 来实现相关功能。 1 3 5a s o n 技术的应用现状 目前，a s o n 网络虽然没有大规模普及，但在国外运营商的网络中已经有了不少 应用实例。 美国电话电报公司( a t & t ) 的a s o n 网络目前已经有1 4 0 个骨干节点，是当今全 球最大的商用a s o n 项目。网络采用网状结构，核心交叉设备使用c i e n a 的 c o r e d i r e c t o r 设备，负责a s o n 骨干节点之间的连接。业务汇聚采用与c i s c o 开发的 多业务平台，可以为用户提供出租业务服务。 英国电信( b t ) 的2 1 c n 网络目前己建设了有4 0 个节点的a s o n 网络，并在继续 扩容中，预计还会建设1 0 0 个节点。c i e n a 的c o r e d i r e c t o r 设备放置在城域汇聚层， 负责对各种数据业务( v o i p 、v o d 、互联网等) 的汇聚。 英国沃达丰( v o d a f o n e ) 网络己建设了1 3 1 个a s o n 节点的骨干网络，使用s y c a m o r e 的s n l 6 0 0 0 设备，交叉容量为6 4 0 g b i t s 。该网络主要承载无线语音业务。v o d a f o n e 网络中的所有业务都采用动态恢复机制，恢复时间一般为几百毫秒。 日本电话电报公司( n 盯) 的a s o n 网络规模为5 0 1 0 0 个节点，使用s y c a m o r e 的s n l 6 0 0 0 设备，节点交叉容量为1 6 0 g b i t s 。该网络主要承载a t m 、i p 和以太网 业务，并采用了1 + 1 保护和动态恢复两种业务保护机制。 国内的a s o n 网络建设起步相对较迟，但发展迅速。江苏电信2 0 0 4 年开始采用 l u c e n t 的l a m b d a u n i t e 设备构建全省的a s o n 传输平台，进行语音和数据业务的传 输，成为国内首个商用a s o n 项目。中国网通正在建设中的长途传输网a s o n 商用 实验网将成为国内第一个全面采用a s o n 技术的集团级骨干网，此实验网主要采用 华为的o p t i xo s n 系列设备和解决方案。 1 4a s o n 中的的光无源器件技术 对于a s o n 的研究，除了这些明确定义和制定体系结构以及具体实现协议的工 作之外，各种相关技术和器件的发展也极为关键。a s o n 中的光电子器件除了o t n l l 浙江大学博士论文 的一般要求外，在网络性能的检测、控制，各种可调谐器件，光开关和开关阵列等 方面都有较高的要求，这些新型器件的先进性、可靠性和经济性会直接影响到系统 设备乃至整个网络的生命力和市场竞争力【2 9 1 。 1 4 1 光无源器件在a s o n 中的应用 在a s o n 中，需要大量的光无源器件用于光交叉连接、光分插复用、光网检测 以及自愈保护等领域【3 0 1 。对光无源器件提出了新的要求：在器件的技术指标上，要 求器件具有更高的工作速度、更低的插入损耗和更长的工作寿命；在器件的体积 上，由于光节点器件的增多，为使器件小型化，就要求器件有更高的集成度；在 成本方面，由于网络的扩充，所需器件将会大大增加，由此也带来了光网络设备高 昂的成本，因此必须采取技术措施，发展新技术，降低光器件的成本。 光无源器件是光网络系统中的重要组成部分，根据美国e l e c t r o n i c a s t 公司对今后 2 5 年光纤通信元件市场的展望，指出在各类光纤通信元件的市场中，光无源器件的 年增长率将位居首位。主要包括光开关，光滤波器，波分复用解复用器，光衰减器， 光耦合器等。其中，光开关是在光纤通信线路中具有光路转换功能的器件；光衰减 器可以解决光信号的功率均衡和信道管理。本文着重对这两种器件进行深入研究。 1 光开关在a s o n 系统中的应用 d e m u x s w i t c h e s m u x 菲彗 x 啡i ： 图1 - 7光开关在o x c ( 左) 和o a d m ( 右) 中的应用 从前面的介绍和各种关键技术的讨论中可知，光交叉连接设备( o x c ) 并n 光分插复 用设备( o a d m ) 可以说是a s o n 的核心器件技术。研制全光的交叉连接o x c 和分插 复用o a d m 设备，成为建设规模网络和大容量通信干线网络十分迫切的任务。 1 2 浙江大学博士论文 光开关和光开关阵列是a s o n 节点实现自动交换的物理基础。光开关作为o x c 的核心部件，使o x c 具有交换业务的动态配置、支持保护倒换等功能，从而实现光 层上支持波长路由的选择及其动态选路。如图1 7 左边所示基于空间光开关矩阵和波 分复用器解复用器o x c 结构，通过波长解复用器将每个光纤链路中的各波长通道 分开，然后通过空间开关矩阵完成这些波长通道的交叉连接，最后再通过波长复用 器将所需波长通道合路到相应的光纤链路中去。图1 7 右边显示光开关作为o a d m 的核心部件，使o a d m 可通过软件控制动态上下任意波长，增强网络配置的灵活性。 o x c 和o a d m 中的空间光开关矩阵可以使用m n 类型，也可以采用1 2 、2 2 光开关的组合。 此外，光开光的使用，也使得a s o n 中的业务连接具有自愈保护和恢复的功能， 当光纤断裂或传输发生故障时，就可以通过光开关改变业务的传输路径，实现对业 务的保护，增强了网络的生存能力。 2 光衰减器在a s o n 系统中的应用 入1 入2 九3 n 入1 入2 入3 九n o u t p u tf r o me m i t t e r s o u t p u ta f t e rv o aa m p l i f i e rp r o p e r t yo u t p u ta tr e c e i v e r s k h 广一t 、a 厂、 j j 擎 lw i “ w i t h o u tv o a 已r n 八仑 w a v e l e n g t h ( p m ) 毒￥ w a v e l e n g t h ( u m ) 图1 - 6 可调光衰减器( v o a ) 在增益均衡中的作川 在a s o n 节点技术中，o x c 交叉状态的改变必然带来各链路光功率重新分配。 由于网络中存在大量的光放大器和可调谐器件，整个系统和网络会出现切换后光信 道失衡过程，严重时甚至会影响业务。此外o a d m 需要根据不同的线路衰减，自动 调整光功率，适应环境对线路的影响，并且避免上下路分插操作带来功率变化影响 业务。目前，光信道均衡比较成熟的方法是采用阵列可变光衰减器( v a r i a b l eo p t i c a l 浙江大学博士论文 a t t e n u a t o r , v o a ) 实现。另外在a s o nm e s h 组网中存在复杂的光纤链路连接关系， 尤其是采用全光波长交换后，每个链路对应不同的方向和不同的传输距离，不同信 道内光功率差别很大。因此在利用掺铒光纤放大器( e d f a ) 对光信号放大之前，需要 大量的v o a 来调整不同信道进入放大器的光功率，以实现动态增益均衡( 如图1 - 6 所示) 。 1 4 2 光开关和可调光衰减器原理 光开关及可调光衰减器的原理和结构相似，同一种结构往往稍做改动即可构成光 开关及可调光衰减器两种器件。根据工作原理的不同，这两种器件可以分为，波导 型，液晶型，机械型，m e m s 型等3 1 1 。 1 波导型 波导型光开关及可调光