（信号与信息处理专业论文）光路由器核心模块oxc交换阵列的实验开发与性能分析.pdf

重庆邮电大学硕十论文摘要 摘要 随着i n t e r n e t 的迅猛发展以及i n t e m e t 数据业务量的爆炸性持续增长，在网 络连接方面迫切需要扩大网络容量。同步光纤网难以承受i n t e m e t 如此巨大的业 务量。密集波分复用技术应运而生，未来的骨干网络将步入个全光网的时代。 全光网带宽巨大，处理速度高，必然要求未来的路由器向着具有更高的传输速率 以及更大的传输带宽的方向发展。不仅如此，它还应很好地解决以往路由器中长 期困扰人们的服务质量、流量控制和价格昂贵问题。尽管采用硬件替代软件实现 路由器使路由器性能提高了好几个数量级，电子处理器的设计模式仍然不能满足 日益增长的网络流量和带宽需求。在数据信号的传输领域，用光纤取代电缆是网 络带宽几乎达到无限，每根光纤上能承载的光波长数量还每年增加一倍，当数据 传输带宽增长近1 0 0 万倍时，电子器件的带宽同期增加近1 0 0 倍，这样的发展差距 产生的网络瓶颈集中在核心路由器上。针对这样的问题，很多厂商开发出光路由 器【2 1 。 本论文主要研究光路由器系统，通过在实验室搭建模拟的路由器系统，了解 和把握光路由器的技术与工作原理。根据控制方式的不同，先后搭建了两个试验 系统。第阶段的试验系统是采用的全互连控制方式，存在同步控制效率低、连 线复杂、数据交换存在阻塞、系统规模升级困难等几个方面的缺陷。为克服这几 大不足，我们对每个问题所涉及到的模块都进行了重新设计，控制方式改用了集 中仲裁控制，采用单独的p c 充当控制机，以基于有向图的算法对光开关交换矩 阵的拓扑结构进行了重新设计，连线结构采用总线方式，大大简化了系统的连线 复杂程度。本论文对两个阶段试验系统的性能进行了仿真分析，通过数据交换时 延的比较，能够直观的看出改进后的第二阶段试验系统的性能明显优于第一阶段 系统，初步建立起了光路由器试验系统的雏形。 本论文研究的内容源于重庆市教委项目光路由器系统的研制。论文所设 计的集中仲裁控制系统，所使用的光开关元件数比较少，实现了无阻塞的数据交 换，并设计了相应的通信协议，具备优先级控制，在一定程度上保证了输出端出 现冲突的情况下，仍然能够进行无阻塞的数据交换。 关键词：光路由交换、波分复用、无阻塞数据交换 巫庆邮电人学硕- 论文摘要 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n de x p l o s i v e l ys u s t a i n e dg r o w t ho fd a t a t r a f f i c ，c a p a c i t yo fn e t v r o r kc o n n e c t i o ni sn e e d e dt ob ee n l a r g e du r g e n t l y i ti sd i f f i c u l t f o rs o n e tt oa f f o r ds u c hh u g et r a f f i c ，f o rm e e t i n gt h en e t w o r kr e q u i r e m e n t ，d w d m i s d e v e l o p e d ，a n df u t u r en e t w o r kw i l lb e c o m ea l lo p t i c a ln e t w o r kg r a d u a l l y a l l o p t i c a ln e t w o r kn e e d i n gr o u t e r s w i t h h i g h e r t r a n s m i s s i o n s p e e d a n d l a r g e r t r a n s m i s s i o n b a n d w i d t h ，f e a t u r e sh u g eb a n d w i d t ha n dh i g hp r o c e s s i n g s p e e d f u r t h e r m o r e ，f u t u r er o u t e r ss h o u l dw o r ko u tp r o b l e m s ，s u c ha sq u a l i t yo fs e r v i c e ，f l o w c o n t r o la n de x p e n s i v ep r i c e a d o p t i n gh a r d w a r et oi m p l e m e n tr o u t e r si n s t e a do f s o f t w a r e ，t h ep e r f o r m a n c ew i l lb er a i s e ds e v e r a lo r d e r so fm a g n i t u d e ，b u tt h ed e s i g n m o d ec a n ts a t i s f yt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fn e t w o r kf l o wa n db a n d w i d t h ，i nt h e f i e l do fd i g i t a l s i g n a l st r a n s m i s s i o n ，n e t w o r kb a n d w i d t hc a nb er e a c h e da l m o s t i n f i n i t e l yw h e no p t i c a lf i b e rr e p l a c e sc a b l e t h eo p t i c a lw a v e l e n g t h st h a tc a r lb et a k e n f o re a c ho p t i c a lf i b e ra r ei n c r e a s e do n et i m ee v e r yy e a r w h e ni n c r e a s i n gt r a n s m i s s i o n w i d t hb yn e a r l ym i l l i o nt i m e s ，t h eb a n d w i d t ho fe l e c t r o nd e v i c ew i l lb er a i s e db yo n e h u n d r e dt i m e sc o r r e s p o n d i n g l y t h eb o t t l e n e c kc a u s e db ys u c hl a r g ed e v e l o p m e n tg a p i sf o c u s e do nc o r er o u t e r s t h e r e f o r e ，o p t i c a lr o u t e r sa r er e s e a r c h e da n dp r o d u c e db y m a n yv e n d o r s i nt h ep a p e r ，o p t i c a lr o u t e rs y s t e mi sm a i n l yr e s e a r c h e d s i m u l a t i v es y s t e m sa r e b u i l ti nl a bf o rd i s c u s s i n go p e r a t i n gp r i n c i p l eo fo p t i c a lr o u t e rd i r e c t l y a c c o r d i n g d i f f e r e n tc o n t r o lm o d e s ，t w oe x p e r i m e n ts y s t e m sa r ec o n s t r u c t e d a l li n t e r c o n n e c t i o n c o n t r o li si m p l e m e n t e di nt h ef i r s ts y s t e m ，w h i c hi sd e f i c i e n ti nl o ws y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o le f f i c i e n c y , c o m p l e xc o n n e c t i n gl i n e s ，b l o c k i n gd a t as w i t c h i n g ，a n dd i f f i c u l tt o u p g r a d et h es y s t e ms c a l e i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，s e v e r a lm o d u l e sa r e r e d e s i g n e d i nt h es e c o n ds y s t e m ，i n t e g r a t i n gc o n t r o lm o d ei sa d o p t e d ，a n das i n g l e p ci su s e dt ob et h ec o n t r o l l e r m o r e o v e r , a l g o r i t h mb a s e do nd i r e c t e dg r a p hi s u t i l i z e dt or e d e s i g nt h et o p o l o g yf o ro p t i c a ls w i t c hm a t r i x ，a n da d o p t i n gb u sm o d et h a t s i m p l i f i e st h ec o m p l e x i t yo fs y s t e mc o n n e c t i n gl i n e sr e m a r k a b l y i nt h ee n d ，t w o s y s t e m sa r ee m u l a t e di nt h ep a p e r t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft i m ed e l a yf o rt w o s y s t e m s ，ac o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es e c o n ds y s t e mi s b e t t e rt h a nt h a to ff i r s ts y s t e me v i d e n t l y t h ei n i t i a l e x p e r i m e n ts y s t e mo fo p t i c a l r o u t e ri sb u i l t t h em a i nr e s e a r c hp a r to ft h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h er e s e a r c hp r o j e c to f i i 重庆邮i 毡夫学硕十论文 摘要 c h o n g q i n ge d u c a t i o nm i n i s t r y p r c t h es e c o n di n t e g r a t i n g c o n t r o ls y s t e m d e s i g n e di nt h ep a p e rh a sr e a l i z e dn o n b l o c k i n gd a t as w i t c h i n g w h i c hu s e sl e s s2 2 o p t i c a l s w i t c h e s ，d e v e l o p sc e r t a i n c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dp r o v i d e sp r i o r i t y c o n t r o l ，s ot h a tw h e no u t p u tc o n f l i c th a p p e n s ，t h ed a t as t r e a m si nd i f f e r e n tp r i o r i t yc a r l b es w a p p e da sw e l l k e y w o r d s ：o p t i c a lm u t i n g s w i t c h i n g ，w d m ，n o n b l o c k i n gd a t as w i t c h i n g 独创性声明 本人声明所曼交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭壑鱼盍堂或其他教 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对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 、i 学位论文作者签名：沙1 ) 7 - - 签字日期：o o 年f 月。口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖塑电太堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重麽邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文： ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：副7 、z 导师签名屯萄 签字日期： o 口口6 年。f 月形日签字日期：a 一，年堂月扣日 重庆邮i n 人学硕七论文引言 引口 随着社会的进步可以极大丰富和改善人们通信效果和质量的宽带视频、多 媒体业务、基于i p 的实时准实时业务等新兴数据业务的社会需求不断增长。由 于新兴业务占用的带宽资源较多，高速宽带综合业务网络已成为本世纪通信网络 的发展趋势。光纤具有巨大的带宽1 3j 。在1 5 5um 波长附近2 0 0 r i m 范围内，传输 损耗较低。由公式f = c x ，其中f 为频率、x 为波长、c = 3 x 1 0 s r n s 为光速， 可得知2 0 0 r i m 的对应带宽约为2 5 t h z ( 1 t h z = 1 0 1 2 h z ) 。在1 3um 波长附近， 也有约2 5 t h z 可利用的带宽。这样，一根光纤可提供的理论传输带宽约为5 0 t h z 。 但是，目前串行电信号传输速率上限为4 0 g b p s ，即使用此速率在光纤上传输， 也仅利用了光纤容量的千分之一。在众多的网络技术实现方案中，基于电子技术 的网络方案由于受限于器件工作上限速率4 0 g ，难以完成高速宽带综合业务的传 送和交换处理，网络中还会出现带宽“瓶颈”。只有基于光纤的全光网络方案能 提供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输的“瓶颈”，可以在很长的 时间内适应高速宽带业务的带宽需求。全光网络【4 】( 全光通信网络) 是指光信息， 流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光电、电光变 换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内，波长成为 全光网络的最基本积木单元【5 j 。由于全光网络中的信号传输全部在光域内进行， 因此，全光网络具有对信号的透明性，它通过波长选择器件实现路由选择。全光 网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，成为下一代高速( 超 高速) 宽带网络的首选。 全光网络具有如下优点：1 ) 提供巨大的带宽。2 ) 与无线或铜线比，处理 速度高且误码率低。3 ) 采用光路交换的全光网络具有协议透明性，即对信号形 式无限制。允许采用不同的速率和协议，有利于网络应用的灵活性。4 ) 全光网 中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光电光转换工作量及设备，提高网络 整体的交换速度，降低了成本并有利于提高可靠性。 在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输和恢复等所有功能都以光的形 式进行。目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指光信息流在传输 和交换过程中以光的形式存在，用电路方法实现控制部分。从当前光电子元器件 的现状和发展趋势来看，力图实现整个网络的全光化是不现实也是不必要的。全 光网络主要由核心网、城域网【6 1 和接入网三层组成，三者的基本结构相类似，由 d w d m 系统、光放大器、o a d m ( 光分插复用器) 和o x c ( 光交叉连接设备) 等设 备组成。全光网络的相关技术主要包括光交换光路由( 全光交换) 、光交叉连接、 全光中继和光分插复用等。 光交换光路由属于全光网络中关键光节点技术【7 l ，主要完成光节点处任意光 重庆邮电人学硕七论文 引言 纤端口之间的光信号交换及选路，它所完成的最关键工作就是波长变换。由于实 质上是对光的波长进行处理，所以更确切地说，光交换光路由应该称之为波长 交换波长路由。全光网络的几大优点如带宽优势、透明传送、降低接口成本等 都是通过该技术体现的。从功能上划分，光交换，光路由、o x c 、o a d m 是顺序 包容的。即o a d m 是o x c 的特例，而o x c 是光交换光路由的特例。目前的光 交换光路由大多以o x c 甚至o a d m 暂时充当。 通常o x c 有3 种实现方式| 8 j ：光纤交叉连接、波长交叉连接和波长变换交 叉连接。其中，光纤交叉连接以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行交叉连 接，容量大但不灵活；波长交叉连接可将任何光纤上的任何波长交叉连接到使用 相同波长的任何光纤上。波长的选路路由由内部交叉矩阵决定，一个n n 的交 叉矩阵可以同时建立2 n 条路由。波长变换交叉连接可将任何光纤上的任何波长 交叉连接到使用不同波长的任何光纤上，具有最高的灵活性。它和波长交叉连接 的区别是可以进行波长转换。 本论文的具体内容安排如下： 首先我们将对全光网络的概念，及其几大关键技术、系统结构作简要的阐述， 为第三章和第四章的试验系统设计作理论铺垫。第三章对光路由器的功能模块进 行了划分和各自的功能简介，然后设计了全互连控制方式的8 8 光路由器试验 系统，其中光交换矩阵采用的是2 2 的机械光开关元件，通过采用一定的拓扑 结构搭建为8 8 的光开关交换核心模块，并对其性能进行了分析，指出了其存 在的不足。第四章在第三章所设计的系统的基础上，对存在性能缺陷的功能模块 进行了重新设计，并搭建了集中仲裁式的实验系统。第五章对两个阶段的系统的 性能进行了仿真，通过对时延的比较，证明了第二阶段系统性能上的优越性。 2 重庆邮电人学硕十论文第一章全光网络的概念 第一章全光网络的概念 1 1 全光网络概念的提出 面对i n t e m e t 宽带接入需求的飞速发展，迫切需要成倍的提升通信容量，而 光纤通信的优势之一是其具有近3 0 t h z 的巨大潜在带宽容量，完全可以满足容 量提升的要求，密集波分复用光传输系统无疑满足了提升通信容量的需求，但也 带来很多新的问题，例如现在的通信网络是多种接入方式并存，语音通过时分复 用网络，i p 通过以太网或异步传输方法，视频通过h f c 网络，骨干网普遍采用 同步数字体系，包括本地、地区以及全国三级，并通过a d m 和数字交叉连接 ( d x c ) 连接起来。在这种体制下，d w d m 只用在地区以及全国两级。骨干网 中光信号需要再生，成为影响系统成本和性能的关键。此外，现有的体制如果要 修改s d h 的上百话路、交叉连接以及环的设置往往需要几个星期甚至几个月的 时间。现有的数字交叉连接设备也无法处理应用d w d m 带来的成百上千的端1 3 连接。在这种形势下，提出了全光网络概念。在全光网络中，不仅可根据客户端 需求，动态的调整网络，而且网络不再是环形的，而是网状的，从而大大降低连 接设置的复杂度。因此，未来的光网络是基于i p 的，是三网( 通信网、计算机 网和有线电视网) 合一的。 1 2 全光网络概述 所谓全光网络，就是指网络中直到用户节点之间的信号通路仍保持着光的形 式，即端到端的链路中间没有光电转换。换句话说，只有信号在进入和离开网络 时才进行电光和光电( e o 和o e ) 转换，而在网络中的传输和交换过程中始 终以光的形式存在。由于在整个传输过程中没有电的处理，所以s d h 、a t m 等 各种传送方式均可使用，提高了网络资源的利用率。在全光网络中，由于没有光 电转换的障碍，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，使信息传输具有透明 性，且无须面对电子器件处理信息速率难以提高的困难，因此全光网络成为宽带 通信网未来的发展目标。 未来的光网络必须具备以下几个方面的特性： 1 必须是开放的、能支持各种业务的光网络 因为全光网络是建立在i p 的基础上，而i p 技术正在使通信网、计算机网和 有线电视网融合在一起，但为了实现真正意义上的“三网合一”，传送这些业务 的骨干光网络必须能够支持各种业务。从现有和可预见到的光网络业务来看，大 致可分为两类：一类是人与人之问的通信，如i p 电话和视频电话；另一类业务 是人与计算机之间的通信，如e m a i l 。由于这些业务对时延的服务质量等有不同 重庆邮电火学硕十论文 第一章全光网络的概念 要求，再加之一些无法预测的新业务兴起，都决定着光网络必须能够支持多业务， 并且是开放的。 2 光网络灵活、易升级 由于i p 业务是突发性的，且i p 业务是不平衡的，即流入与流出同一端口的 业务量相差悬殊。这就要求全光网络必须具有能够根据业务量的变化，灵活、快 速的调整网络的拓扑，实时按需分配带宽的能力。同时，i p 业务量与接入用户 数的高速增长，未来业务量的不可预测性以及各种新技术的不断涌现，都要求全 光网络能方便的升级和扩充。 3 具有更高效的保护和恢复能力 利用具有波长插分复用器( w a d m ) 和光交叉连接器的w d m 光网络使得 直接由光层提供网络保护功能成为可能，因为w a d m 和o x c 可以实现光复用 段级的保护倒换，从而使基于光i n t e m e t 技术的新型网络结构可以同时使用工作 光纤和备份光纤。 4 具有更简单、更有效的网络控制和管理功能 随着光层技术的不断完善和提高，特别是多协议波长标签交换( m p l s ) 技 术向光层的拓展，使建立简单的、集成的网络控制与管理系统成为可能，这将大 大降低网络的成本，提高网络的性能。m p l s 流量工程控制层非常适合于o x c 的控制层，当o x c 使用m p l s 流量工程控制时，则变成一个有效的可寻址 设备，m p l s 流量工程控制层将负责光信道踪迹的建立，提供光传送网网络的流 量工程能力和网络恢复能力。 全光网络的结构分为服务层和传送层。网络传送层分为s d h 层、a t m 层和 光传送层。图1 1 是典型的全光网络的构形。光传送层【9 】由光插分复用器 ( o a d m ) 和光交叉连接器( 0 x c ) 组成。在光传送层，通过迂回路由波长( r w ) ， 在网络中形成大带宽的重新分配。当光缆断开时，光传送层起网络恢复的作用， 在远端，光纤环中的o a d m 插入分离所确定的波长通道至a t m 复用器，而o x c 则连接两个光w d m 环路到a t m 交换机。 利用波分复用技术的全光网络将采用三级体系结构：0 级( 最低一级) 是众 多单位各自拥有的局域网，它们各自连接若干用户的光终端。每个o 级网的内部 使用一套波长，但各个0 级网多数也可重复使用同一套波长，1 级网可看作许多 城域网，它们各自设置波长路由器连接若干0 级网。2 级网可以看作全国或国际 的骨干网，它们利用波长转换器或交换机连接所有的l 级网。 重庆t l l i t 毡火学硕七论文第一章全光网络的概念 图1 - 1 全光网络的构形 这样一个基于w d m 的全光网络，与现行光通信系统相比有如下优点： 有更大通信容量； 结构简单，网络中无光电转换与存储，许多光器件都是无源的，便于维护， 可靠性高； 加入新的网络节点时，不影响原有网络结构和设备，具有网络可扩展性； 具有更高效的保护和恢复能力以及更简单的网络控n 管理功能。 1 3 全光网络的关键技术 1 3 1 全光交换 传统的光交换，在交换过程中存在光转变为电、电转变为光，而且它们的交 抉容量都受到电子器件工作速度的限制，使得整个光通信系统的带宽受到限制。 而全光交换无需在光纤传输线路和交换机之间设置光端机进行光电、电光转换， 并且在交换过程中还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应等优点。全光 交换技术作为全新的交换技术，它主要有五种交换方式【l0 】：空分( s d ) 光交换、 时分( t d ) 光交换、波分( w d ) 光交换、复合型光交换和自由空间光交换。 t 1 ) 空分光交换是指空闻划分的交换，其基本原理是将光交换元件组成门阵列 开关，并适当控制门阵列的开关，即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间 构成通路。根据交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反 重庆邮l h 人学硕十论文 第一章全光网络的概念 射型和激光二级管门开关型等。 ( 2 ) 时分光交换的原理与现行电子程控交换中的时分交换完全相同，时分光交 换系统与传输系统很好的配构成全光网。时分光交换网由时分型交换模块和空分 型交换模块构成。时分型光交换模块中需要光存储器( 如光纤延迟线存储器、双 稳态激光二极管存储器、光选通器) 以进行相应的光交换。 ( 3 ) 波分光交换是指信号不同的波长( 或频率) 选择不同的通路来实现光交换。 波分光交换的优点是能充分利用光路的宽带特性。可调波长滤波器和波长变换器 是实现波分光交换的基本元件，前者的作用是从输入的复用光信号中选出所需波 长的光信号，后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换成适当的波长后输出。 波分光交换网络由波长复用器解复用器、波长选择空间开关和波长开关组成。 ( 4 ) 复用型光交换是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式，例 如空分波分复用型光交换系统、波分时分复合型光交换系统。后者的复用数是 时分和波分复用数的乘积，例如，波分和时分的复用数均为1 6 ，则最终可实现 的复用数可达2 5 6 ( 1 6 x1 6 ) 。 ( 5 ) 自由空间光交换可以看作是种空分光交换，由于它具有极高的分辨率， 因此把它归为一种光交换。 在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输和恢复等所有功能都以光的形 式进行。然而，目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指光信息在 传输和交换过程中以光的形式存在，用电学方法实现控制部分。从当前光电子器 件的现状和发展趋势来看，实现整个网络的全光化是不现实的，也是不必要的。 全光网络主要由核心网、城域网和接入网三层组成，三者的基本结构类似，都是 由d w d m 系统、光放大器、光插分复用器( o a d m ) 和光交叉连接器( o x c ) 等设备组成。全光网有三种基本类型：星形网、总线网和树形网。 1 3 2 光插分复用 目前的点对点光通信，波长的下载路是通过光电转换后，再经电子上下路 插分复用器( a d m ) 完成的。而采用d w d m 技术的光网络可以利用波长作为 信道的标识，在复杂的网络中灵活的提取或载入信息。因此光插分复用器 ( o a d m ) 成为全光网络的核心技术之一，它可以处理任何格式和速率的信号， 能提高网络的可靠性、降低节点成本、提高网络运行效率，是组建全光网络必不 可少的关键设备。 o a d m 器件位于多节点光纤通信网中间节点处，其作用是下载( d r o p ) 光 通道中通往本地的信号，同时上载( a d d ) 本地用户发往其他节点用户的信号进 入复用光通道。对o a d m 节点的基本要求是，使所需波长上，下路的同时，保证 6 重庆邮电大学日j i - l - ：论文 第一章全光网络的概念 其他波长无阻塞的通过。o a d m 是以波长为基本操作单位，使用户可以方便的 在节点处加载和下找信号，从而大大的提高整个光网络的吞吐量，增加网络的灵 活性。 实现o a d m 的方案根据上下路波长是否固定可分为两类：非重构型和重构 型。实现o a d m 的方案有多种多样，如利用光纤b r a g g 光栅原理的、利用色散 原理的、利用集成光学阵列波导光栅( a w g ) 原理和利用干涉滤波原理等。 1 3 3 光交叉连接 光交叉连接( o x c ) 是用于光纤网络节点的设备，通过它对光信号进行交 叉连接，能够灵活有效的管理光纤传输网络，是实现可靠的网络保护恢复以及 自动配线和监控的重要手段。 o x c 主要由光交叉连接矩阵、输入输出接1 3 管理控制单元等模块组成l 。 为了增加o x c 的可靠性，每个都具有主用和备用的冗余结构，o x c 自动进行主 备倒换。输入输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入输出信号进行适配、 放大。管理控制单元通过编程对光交叉连接矩阵、输入输出接口模块进行监测 和控制。光交叉连接矩阵是o x c 的核心，它要求无阻塞、低串扰、低延迟、无 偏振依赖、宽带和高的可靠性，并要求具有单向、x y n 和广播形式的功能 1 2 1 。 波长选择的o x c 和o a d m 能使末端彼此相通，并可得到高的通过量和短 的等待时间，从功能上划分，o x c 和o a d m 是顺序包容的，即o a d m 是o x c 的特例，因此有的公司把现有的o a d m 和o x c 都称为光交叉系列，有称为光 路由器。 o x c 和光交换一样，也有空分、时分和波分三种类型。目前比较成熟的技 术是波分和空分技术，时分技术还不成熟，如果将波分复用技术和空分技术相结 合，可大大提高交叉连接矩阵的容量和灵活性。 实现o x c 功能的硬件结构也有多种方案，比较现实可行的是基于光开关矩 阵和a w g 复用解复用器，同时辅有波长变换器组成的o x c 。现有的o x c 节点 功能还限于波长路由交叉连接( w r x c ) ，而随着波长变换器件的成熟，o x c 则 由w r x c 向波长变换交叉连接( w c ) 方向发展，因而在网络管理上就需考 虑“虚波长”通道的设置，以保证交叉连接畅通无阻。 1 3 4 波长变换 波长变换( w c ) 是指将一个调制在载波上的信息变换成不同波长的光载波 的技术，这样的变换可以允许在几个全光网段中的波长得到重新使用【1 3 】。相邻 的环形网络中，同等数量的波长信道都已分配给各自的用户，但各个环形网中的 7 重庆邮电火学硕十论文 第章全光网络的概念 信道并非都处于工作状态，因而总是存在一定数量的空闲信道。当网络1 中的 。 信道经过o x c 接入网络2 时，可能在网络2 中的五。信道正在工作，因此出现了 阻褒效应，- h ? 无法实现交叉互连，波长变换就是将五。信道波长变换为其中某 一空闲信道的波长而使网络的运行处于无阻塞的畅通状态，最大限度的利用了 网络中的波长资源，这就是波长变换的光交换系统。 此外，在广域或环形骨干网与各区域网间为了节约波长资源的消耗也需要波 长交换。例如，节目点播有可能在同一时间内有许多用户都需要，此刻骨干网向 区域网的传送无须以旯l ，a2 ，a 。的信道同时传送节目的信息，只需要用一路 五。的信道传送到各区域网的节点，在节点处按用户信道的波长标识实现复转换 为五i ，五2 ，五。后直接输送给用户。但是在波长变换的同时，还需要有光放大 的功能。 早期的波长变换是采用光电光的间接方法，其响应速率受到“电子瓶颈” 的限制，成本也高，不能适应d w d m 光网络的要求，必须发展光一光直接波长 转换技术【l ”。对执行波长变换的器件一波长变换器的基本要求是： 快的转换速度( 至少对1 0 g b i t s 的信息流能够响应) ： 对光信息流的各种传输格式是透明的； 有较宽的转换范围； 对输入信号光功率要求不高； 偏振敏感性小； 啁啾噪声低。 1 3 5 信道争夺解决技术 在全光网络中，急需解决的一个问题是输出端的信道争夺问题。信道争夺往 往发生在从两个输入口进入的同一波长的数据信息要求从同一输出端口输出时。 为解决这一问题，提出三种解决方案，如图1 2 所示，使用任一中方案都能得到 所期望的输出端口。 c h 1 ，a c h 2 ， c h 2 ，兄 ( a ) 本地缓冲 重庆邮电大学硕士论文第一章全光网络的概念 c h 1 旯 c h 2 ，五 c h 1 ，无 c h 2 ， ( b ) 偏移迂回 移迂回 ( c ) 波长变换 图卜2 三种信道争夺解决方案 第一种方案是本地缓冲，缓冲器可由一组分离长度的光纤级联而组成的延迟 线构成，并使用光开关选择适当的路线。这样的缓冲器的设计非常直观，但光纤 延迟线的数量随缓冲器的延时而增加，从而增大光开关节点的尺寸。争夺的信息 包在光纤环中不断循环，直至找到一个开放的时隙，由于一个单环的循环时间等 于信息包长度，所以总的存储时间有可能取决于环缓冲器中的循环数。使用这种 方法有一个内在问题，那就是在每个循环期间信号得到放大，使积累的自发发射 噪声增加，这是不希望的。 第二种方案是偏转迂回，即先把有争夺的一个信息包偏转路由到个中转端 口( 这个中转端口并非是期望的输出端口) ，然后再从这个端口路由到期望的输 出端口。这种技术只有当网络拓扑可以提供备份路由线路时才能使用。这种技术 的优点是执行简单，无需缓冲器，同时这种技术还可增加网络的总信息量，然后 却诱发了附加的信号等待时间。 第三种方案是波长变换，即把争夺的一个信息包变换到另一个波长上，然后 再把两个不同波长的信息包路由到它们喜欢的输出端口，这种办法实质上增加 w d m 开关的效率和通过量。 1 3 6 网络管理与控制技术 为了充分发挥全光网的优势，必须具有行之有效的网络管理与控制系统。网 络的配置管理、信道的分配管理、控制协议管理、网络性能测试等都是网络管理 与控制需要解决的技术。若没有行之有效的网管控制系统，则全光网是无法商用 9 重庆邮电火学硕_ 论文第一章全光网络的概念 的【15 1 。 - 基于多协议波长标签交换( m p l s ) 是将光交叉连接设备视为标签交换路由 进行网络控制和管理，是一种降低网管复杂性和网络成本的方案。在基于m p l s 的网络中，光路由器有两种【l “：一种是边界路由器，另一种是核心路由器。前 者用于速率较低的网络进行业务接入，同时电子处理功能模块完成m p l s 中较 复杂的标签处理功能。核心路由器利用光连接和波长变换技术实现波长标签交换 和上下路等比较简单的光信号处理功能，它可以更灵活的管理和分配网络资源， 并能较有效的实现业务管理及网络的保护恢复。 上述波长标签选路仍是种光层上的电路交换技术。为了更有效、更灵活的 承载未来的i p 包分组业务，应采用具有光分组交换功能的核心路由器构成光网 络，因为光分组交换网络中的核心路由器i l ”可以同时实现空分、时分和波分交 换，它具有高速、大吞吐量、低延时、业务和比特率透明等突出优点，能高效的 承载i p 业务，同时它还能灵活的组网和实现网络升级，大幅度提高网络适应性 和生存能力。要实现真正的自适应路由和波长分配，还必须考虑业务流量制约下 的选路问题，最理想的情况是在d w d m 光网络节点监测光信道上的业务流量， 根据情况相应的增加，减少光信道数量和提高降低数据速率。 1 4 本章总结 在本章中，我们提出了全光网络的概念，并简要分析了全光网络应该具有的 特性和优势。同时，指出了要实现全光网络，必须要解决的几个关键问题，以及 解决相应问题的关键技术，包括全光交换、光插分复用、光交叉连接、波长变 换、信道争夺解决技术和网络管理与控制技术。这些关键技术的进步将对全光网 络的实用化起到极大的推动作用。 0 重庆邮电人学硕。e 论文第二章光插分复“j 技术以及光交义互连技术 第二章光插分复用技术以及光交叉互连技术 2 1 光插分复用技术 光分插复用器( o a d m ) 光分插复用器是在光域上实现支路信号的分插和复用的设备，主要实现技术 有w d m 、o c d m a 和o t d m 。本小节将主要讨论基于w d m 技术的o a d m 系 统的功能、节点结构及其产品和应用，其分插复用的支路信号以波长为单位，称 为光通道。o a d m 是全光网络的关键节点设备之一。 类似于s d h 的a d m 设备，o a d m 的基本功能是从w d m 传输线路上选择 性的分出或插入一个或多个波长，而不影响其他信道的透明传输。如果选择某个 或某些固定的波长通道进行分插复用，节点的路由是确定的，则称为固定波长 o a d m ，这种方式缺乏灵活性，但性能可靠、延时小，如果分插复用的波长通道 是可配置的，则称为可配置o a d m ，这种方式能动态调节o a d m 节点上、下通 道的波长，可实现光网络的动态重构，使网络的波长资源得到良好的分配，但结 构复杂。当然，还可以是前两种情况的综合，称为半可配置o a d m 。o a d m 有 效克服了传统电子a d m 设备的电子瓶颈限制，大大拓展了网络带宽。 当然，一个完整的o a d m 还具有以下附加功能： ( 1 ) 线路( 或称复用段) 及通道保护倒换功能，支持各种自愈环，包括二纤单 向复用段保护环、二纤单向通道保护环、二纤双向复用段保护环、二纤双 向通道保护环、四纤双向复用段保护环和链型组网等。 ( 2 ) 光中继放大和均衡功能，每个o a d m 节点根据需要可具有光功率放大功 能，以弥补线路和o a d m 节点本身带来的光功率损耗，使o a d m 节点 设备适应不同跨距的应用；同时，o a d m 节点也可根据需要配置光功率 均衡功能( 包括线路光功率均衡和通道光功率均衡) ，以提高传输系统的 性能。 ( 3 ) 上路光通道波长指配、下路光通道端口指配功能，这是种独特的功能， 具有这种功能的0 a d m 可以使某一上路信号以不同的波长接入光网络， 相当于接入0 t u 具有可调谐波长转换功能；而下路信号则可以指配到不 同的光纤端口。这一功能极大的扩展o a d m 在实际组网应用中的灵活性。 ( 4 ) 多业务接入功能，如s t m - n 系列s d h 信号的接入和吉比特以太网信号的 接入。 o a d m 在光域内实现了传统电域s d h 的分插复用设备在时域上的功能，而 且对信号的格式与速率具有透明性，从而大大增加了节点的吞吐容量，突破了传 统网络中电子瓶颈限制。评价o a d m 性能的主要指标有： 重庆邮电火! 学硕十论文第二章光插分复刚技术以及光交义互连技术 o a d m 的端口数量( 即支持的链路数) 、每端口可容纳的波长数量和可以 上下路的波长数量。这些参数反映出o a d m 节点的容量。 o a d m 能否能够根据网管的指令，灵活的对上下路的通道进行动态配置。 节点的链路模块性和波长模块性，其概念同o x c 。未来的光网络应有良 好的扩展性，因此节点的模块性是衡量o a d m 升级能力的一个重要标准。 是否具有指配功能。指配是指上下路的波长通道可以灵活的选接端v 1 ，可 以将任意的下( 上) 路波长指配到某下( 上) 路端1 ：3 ，使网络的灵活性更 好。可分为同向异波指配，双向同波指配和双向异波指配三种类型。 环回功能。环回功能主要用于网络的诊断，包括近端环回和远端环回。近 端环回指在本地节点进行环回，用来诊断本地节点是否出现故障。远端环 回指从本地到远端节点、再回到本地的环回，它可用于诊断线路和节点是 否出现故障。 网元管理能力和支持的保护倒换类型。o a d m 应该具有良好的网元管理 能力，支持o s c 通道。应支持环网的复用段和或通道的保护倒换。支持 双向复用段共享保护自愈环网的o a d m 节点应具有双向上下路能力，与 单向环相比，该功能需要双倍配置物理设备。另外，保护倒换时间也是重 要指标，网络运行出现故障时，环形网应能在5 0 m s 之内快速恢复所承载 的业务。 节点的损耗和串扰。串扰是影响w d m 光传送网的传输性能的重要因素， 在0 a d m 结构中，我们不仅要考虑o a d m 引入的串扰及消除的措施， 而且在下路信号中也应考虑到如何消除由其他的网络节点引入的串扰。 2 2o a d m 的体系结构和节点实现方案 根据o a d m 应实现的功能，o a d m 系统主光通道包括放大单元、分插复用 单元、保护倒换单元、接入单元、上路信号波长指配单元和下路信号端口支配单 元、功率均衡单元等功能单元，如图2 1 为一双向o a d m 节点体系结构框图。 最主要的实现方案有： ( 1 ) 分波器+ 空间交换单元+ 合波器 这种方案的优点是结构简单，分插复用控制方便，器件成熟。合，分波器都 可以用普通的薄膜滤波器或阵列波导光栅( a w g ) 型，空间交换单元一般采用 光开关和光开关阵列，机械2 x 2 光开关的插损、隔离度性能相当优越 1 8 】，但开 关速度较慢，在毫秒级；固态光开关的开关速度虽然较快，在微秒甚至纳秒量级， 但插入损耗、隔离等重要指标目前均不如机械光开关。此种结构的分插复用单元 的串扰主要来自合分波器，但如果合波器也采用滤波器型器件，则会大大减小 i) ) “ o 重庆邮电人学硕一 ：论文第二章光插分复蹦技术以及光交义互连技术 系统的串扰伸i 。 图2 一l0 a i ) f i 节点主光通道的体系结构框图 ( 2 ) 耦合单元十滤波单元十合波器 这是用f p 腔滤波器实现的o a d m ，输入的干线信号经f p 腔滤波器下路所 需波长的话路信号，其他被反射的信号结合本地的上路信号继续向前传输，本地