（通信与信息系统专业论文）未来高速光纤通信网中光交换等关键技术的研究.pdf

未来高速光纤通信网中光交换等关键技术的研究 摘要 数据、图象和宽带视音频等宽带综合多媒体通信业务的持续增长 对电信骨干网提出了更高要求，要求其可以动态地、智能地进行资源 分配。光网络技术是承载快速增长的通信业务的关键技术。新的光网 络技术应该能够通过使用高速的传输技术和交换技术来支持快速增长 的网络负载。光波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 传输技术由于能够大大增加链路传输容量、对上层协议透明和可扩展 性好而被大规模采用。这给交换系统的发展带来了新的挑战和机遇。 目前交换节点上采用的是电子交换，其本身固有的r c 参数、钟歪、漂 移、串话、响应速度慢等缺点限制了交换速度的进一步提高，形成了 “电子瓶颈”问题，并且在节点入口和出口处需要进行光- 电电一光变 换，它们不仅增加了成本而且限制了网络的吞吐量和灵活性。随着通 信业务的迅速发展，未来的交换系统将需要每秒处理成百上千太比特 的信息，只有采用光交换技术才能突破上述限制。在未来高速光纤通 信网中，光信号在交换系统中不经过光电电光变换直接在光域进行 处理和交换，这样就不受检测器和调制器等光电器件响应速度的限制， 而且，对比特速率、调制方式和协议的透明性克服了“电子瓶颈”的 限制。本论文对光交换技术进行了前瞻性和探讨性的理论研究，主要 着重于面向通用多协议标签交换( 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 l s w i t c h i n g g m p l s ) 。的宽带全光w d m 网络中如何简化光交换节点的 结构、降低其成本和提高其性能的研究，分为两个部分： f 1 )w d m 波长交换光网络的光交换系统中交换矩阵和交换：宵点 的新型简化结构的研究。具体内容包括：基于光学微机电( o p t i c a l m i c r o e l e c t r o n i c sm e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s l 光开关的结构、多级 多粒度光开关结构、基于s o a 门等光器件的三级空域一波域空 域( s w - s ) 的w d m 光交换节点结构。对应本文的三到五章。 韭室酆垫盘生谴逢塞 摘差 f 2 )未来w d m 分组交换光网络的光交换系统中w d m 光缓存的 研究。具体内容包括：异步到达且分组长度可变的网络情形下的 w d m 光缓存的设计和数学建模、未来g m p l s 网光分组交换节点 中优化的波长分配算法。对应本文的六到七章。 本文第二章对大量最新文献记述的目前各种光开关技术依据其基 本性能、网络要求、系统要求的各种基本参数进行深入地性能分析与 比较，并着重分析了目前在大端口数o x c 交换领域中最有前途的技术 o p t i c a lm e m s 技术。 第三章提出了采用重排b e n e s 级间互连规则的多级集成o p t i c a l m e m s 光开关结构。它非常适合于建造大端1 2 数的二维o p t i c a lm e m s 光开关。而且它使所需微镜数目达到最少，放松了制作工艺和晶片尺 寸的限制，同时改进了性能，比如：降低了光束扩散损耗，减小了微 镜尺寸和晶片尺寸，增强了端口到端口的重复性和降低了功率损耗。 第四章对面向g m p l s 的多级多粒度光交换矩阵结构进行了研究。 为了更好地满足支持多级体系光路径结构的g m p l s 控制平面的要求， 我们提出了包含波长、波带和光纤三级交换粒度的体系光交叉连接器 ( h i e r a r c h i c a lo p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，h o x c ) 的可扩展的设计，这种设计优 化了h o x c 的使用，更适合支持在波长级和波带级具有不对称上下路 业务的应用。并对其成本和性能进行了首次数学建模，这样通过数学 计算就可以得到性价的合理折中点，以期在动态业务请求下，降低光 交换节点的复杂度同时保持低的阻塞概率。 第五章提出了具有波长变换能力的三级空域一波域一空域 ( s - w - s ) 的w d m 光交换节点结构的设计。该设计适合于制作大端口 数光开关并降低其成本。我们只考虑了三级的情形，因为级数太多会 引入太多的信号劣化。性能分析证明，与已提出的方案相比，它降低 了成本和复杂度，从而简化级间连接并且提供模块性和可扩展性。 第六章提出了在可变分组长度、异步操作的情形下一个w d m 光 缓存的简单近似业务模型，通过仿真验证了这个理论模型的合理性， 结果表明，该模型能够有效的分析丢包率等性能和最佳光纤延时线单 韭盏竖垫盘茔蠖造塞摘璺 位。在w d m 光分组交换机中，波域和时域同时被用来解决光分组竞 争是很有效的方法，而且可以大大降低对光纤延时线的要求。但是， 可变分组长情形很复杂，目前对它的分析和建模只局限在固定分组长 的情形。由于可变分组长、异步光分组网能够很好地适配i p 业务，因 此上述建模是十分具有吸引力的，并对工程设计有很好地指导作用。 笫七章提出了两种未来g m p l s 光分组交换节点中w d m 光缓存 的优化波长分配方案最短队列分配方案和最小空隙分配方案。 g m p l s 协议是面向连接的控制平面协议，利用标签的方式建立和释放 单向或双向的标签交换路径，对多层转发平面( 分组交换层，时分复 用层，波长、波段和光纤层) 提供统一的控制。目前i e t f 正在制订的 g m p l s 草案，其控制的光域的层只包括波长、波段和光纤层，还没有 考虑到光分组层。我们把g m p l s 扩展到对光分组层的支持，提出了上 述两种波长分配方案。通过网络仿真证实，与已经提出的算法相比， 这两种波长分配算法进一步降低了光分组的丢失率、减小了光分组延 迟。 关键字波分复用光交换技术交换结构光缓存波长选择算法 旦i 丛4 1 i q 鱼! h ：立：i 壁q 叠! ：q 匹蛰丛丑：坠g ： s 鱼堑 s t u d i e so no p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g i e si n t h ef u t u r e 珏i g h s p e e d0 p t i c a lf 皿e r n e t w o i u ( s ： s w i t c h i n gn o d ea r c m t e c t u r e s o p t i c a lb u f f e r i n ga n d w a v e l e n g t hs h a r 矾ga l g o r i t h m s a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u sg r o w t ho fb r o a d b a n d i n t e g r a t e dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n st r a m ch a si n c r e a s e dt h ed e m a n df o rt e l e c o m m u n i c a t i o n s b a c k b o n en e t w o r k st ob ea b l et o a s s i g nr e s o u r c e sd y n a m i c a l l ya n d i n t e l l i g e n t l y o p t i c a ln e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e s 8 1 et h ek e yt oc a r r y i n g r a p i d l yi n c r e a s e dc o m m u m c a t i o n st r a f f i c n e wo p t i c a l n e t w o r k i n g t e c h n o l o g i e ss h o u l db ea b l et ou s eh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n g t e c h n o l o g i e st os u p p o r te x p l o s i v en e t w o r kl o a d w i t ht h em e r i t ss u c ha s t h eg r e a ti n c r e a s eo ft h el i n k s t r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , t h et r a n s p a r e n c yt o h i g h e rl a y e r sp r o t o c o l s a n de a s ys c a l a b i l i t y , o p t i c a lw a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yd e p l o y e d t h a tb r i n g s c h a l l e n g e sa n do p p o r t u n i t i e st os w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s a tp r e s e n t ，t h e n o d e si nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa d o p te l e c t r o n i cs w i t c h i n g t e c h n o l o g i e s ，w h i c hl i m i t s t h ei n c r e a s ei nn e t w o r kt h r o u g h p u ta n d f l e x i b i l i t yd u et o “e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k p r o b l e m o p t i c a ls w i t c h i n gc a n o v e r c o m et h a tp r o b l e ms i n c ei ts w i t c h e so p t i c a ls i g n a l si no p t i c a ld o m a i n w i t h o u tt r a n s f o r m i n gt h e mi n t oe l e c t r i c a ls i g n a l s m o r e o v e r , i th a st h e a d v a n t a g e ss u c ha st r a n s p a r e n c yt ob i tr a t e f o r m a t ，m o d u l a t i o nm o d e sa n d p r o t o c o l s t h e r e f o r e ，o p t i c a ls w i t c h i n gh a sb e e nv i e w e da st h em o s t a 旦i 照鱼q 丛鱼! 丛：坠：也q p ! ：q 霉里3 坐：星n g ： b ! ! 缎l t h eb e h a v i o r so fp a c k e t si nt h ew d mf d lb u f f e r ，a na p p r o x i m a t e a n a l y t i c a lt r a 伍cm o d e l i s e s t a b l i s h e d p r o v e d t ob er e a s o n a b l e b y s i m u l a t i o n s b a s e do nt h em o d e l ，w ec a ne f f e c t i v e l yd i m e n s i o nt h er e q u i r e d n u m b e ro ff d l sa n dt u n a b l ew a v e l e n g t h s ，a n da n a l y z et h ep a c k e tl o s s p e r f o r m a n c ea n de s t i m a t et h eo p t i m a lv a l u eo ft h eb a s i ct i m eu n i to ft h e f d l s 、a n de x a m i n et h ei n f l u e n c e o fw d mo nt h e o p t i m a l v a l u e f u r t h e r m o r e ，t h ei m p a c to fw a v e l e n g t hc o n v e r s i o no nt h eo p t i c a ls w i t c h s i z ei sa n a l y z e d c h a p t e r7 i sd e v o t e dt od i m e n s i o n i n ga n do p t i m i z i n go p t i c a lb u f f e r s f o ra s y n c h r o n o u s v a r i a b l el e n g t hp a c k e t si ng m p l s b a s e dw d mo p t i c a l p a c k e t s w i t c h e dn e t w o r k s w h i c ha i m st ol o w e rn e t w o r kc o n g e s t i o na n d i n c r e a s eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fo p t i c a lb u f f e r s w ep r o p o s e s t h e a l g o r i t h m s f o r w a v e l e n g t hs h a r i n ga m o n gm u l t i p l ec o n n e c t i o n s ( i e m i n i m u m - g a pw a v e l e n g t hs h a r i n g ( m g w s ) a n d m i n i m u m l e n g t h q u e u ew a v e l e n g t hs h a r i n g ( m l q - w s ) a l g o r i t h m s ) i n o r d e rt om i n i m i z ec o n g e s t i o na n dq u e u i n gd e l a yi nt h i sn e t w o r ks c e n a r i o a n dt h eo p t i m a lv a l u eo ft h eb a s i ct i m eu n i to ft h ef d l si se x a m i n e db y s i m u l a t i o n s m o r e o v e r , c o m p a r e dw i t ho t h e ra l g o r i t h m s ，t h ep r o p o s e d o n e sh a v es u p e r i o rp e r f o r m a n c e s d u et ot h er e a l i s t i cb u f f e r i n gc a p a c i t yo f o p t i c a lf i b e r - d e l a y 1 i n e ( f d l s ) b u f f e r si sc u r r e n t l yl i m i t e d ，t h ea l g o r i t h m f o rw a v e l e n g t hs h a r i n ga n dd e s i g no ft h eo p t i m a lv a l u eo ft h eb a s i ct i m e u n i to ft h ef d l si nw d mo p t i c a lb u f f e r sa r ei n d i s p e n s a b l et os h o r t e n f d l sa n dp u t0 p si n t op r a c t i c e k e y w o r d sw a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m )o p t i c a l s w i t c h i n gt e c h n o l o g i e ss w i t c h i n g a r c h i t e c t u r e o p t i c a l b u f f e r w a v e l e n g t hs e l e c t i o na l g o r i t h m d 韭壶坚垫盘生盛迨童 筮i 煎塑 第三章 ( m ，n ) p z 脚0 ) r 0 ) 丘( r ，力 z o w o p ， d ( s ，g ，m ) 第四章 f 日 矽 攀，e ”1 符号说明 光交叉连接矩阵的输入输出端口数； 在n x n 的微镜阵列中处于m 行n 列的微镜标号； 两个邻近微镜之间的距离，亦称为周期； 高斯光束由激光器发出，沿z 轴的传播距离； 高斯光束振幅衰减到1 e 处的光束半径，随z 而变化。也可以说， 在z 坐标处高斯光束等相位面上的光斑半径： 在z 坐标处高斯光束等相位面曲率半径； 高斯光束的电场，是轴向坐标z 和极坐标r 的函数； 瑞利范围，是光束半径由最小值增长到最小值的2 倍时所经历的 路径长度； 最小的光束半径，称为光腰，由置于输入光纤前面的透镜来决定； 在z 坐标处入射高斯光束的光功率； 高斯光束经z 处半径为，的微镜反射出去的光功率； 透镜距坐标原点的距离； 模块组中模块的标号，其中，s 一级号，g 一该级中的组号，m 一该 组中的模块号。 输入输出的光纤端口数目； 每光纤的波带数目； 每波带包含的波长数目； 指定节点的输入输出链路的数目，由网络拓朴给出： a 韭烹坐垫盘生墁圭迨塞筮量煎塑 指定节点的可以上路和下路的波长总数，由业务量估计给出； 在w x c 矩阵中上下路的波长数目： 在w b x c 矩阵中上下路的波带数目； h o x c 中w x c 矩阵中输入端口的数目： h o x c 中w b x c 矩阵中输入端口的数目； h o x c 中f x c 矩阵中输入端口的数目； 从w b x c 下来到w x c 中进行处理的波带数目； 从w x c 上来到w b x c 中进行处理的波带数目： 连接w b x c 和f x c 的光纤数目； 光网络中给定节点的成本削减； 仅使用w x c 级时单级o x c 的复杂度： 使用提出的h o x c 的复杂度，即w x c 、w b x c 和f x c 三部分的 复杂度之和； 被指配在f x c 进行交换的光纤业务数目，即每根光纤中的业务作 为一个整体进行交换并在h o x c 使用相同的路径； 被指配在w b x c 进行交换的光纤业务数目； 被指配在w x c 进行交换的光纤业务数目： 呼叫请求到达速率； 平均呼日q 持续时间； 每波长的业务负载，也就是每个波长被使用的概率： 波长竞争概率； w x c 的吞吐量； w b x c 的吞吐量； f x c 的吞吐量。 第五章 f 输入输出光纤端口数 b 一一，严严俨严，r 邱 如肋五p足巧巧 n ， m 第六章 d w b d u 乙 乃( = 1 ，2 ) l 口 p 口e p o r r 叼 p e q ，( x ) d + d + f 每根光纤承载的波长数； 输入腧出信道总数； 第一级中每个模块的输入，输出数目； 第一级中输入模块总数； 第二级中交换模块总数 光纤延时线的基本延时单位； 每根光纤承载的波长数： 输出光缓存包含光纤延时线f d l 的段数； 光纤延时线能实现的最大延时； 新分组的到达时刻； 第i 个队列完成服务的时刻； 每个波长队列的平均队列长度； 平均分组到达速率； 平均分组服务时间； 分组排队概率； 队列为空或分组无需排队的概率； 服务窗口空闲而分组不能被服务的时间段，等效于增加分组的服 务时间； 分组的实际平均服务时间； 分组的平均等效服务时间； 每个队列的等效业务强度，即每个波长信道的等效负载； 俐聊畎o o ) 排队系统中所有分组的服务时间和的概率分布； 归一化光纤延时线单位； 归一化光纤延时线单位的最优值。 c 些盏塑塾盘生签圭盈支签量煎塑 第七章 d f 矿 占 d m 瓦( 1 t 哟 f 。( 1 兰七叻 m d + 光纤延时线的基本延时单位： 输入输出光纤端口数： 每根光纤承载的波长数； 输出光缓存包含光纤延时线f d l 的段数； 光纤延时线能实现的最大延时： 新分组的到达时刻； 波长厶( 1 七即变为空闲的时刻： 新分组必须在“队列里的延时； 波长ak 空闲而分组不能被服务的时间段，等效于增加分组的服 务时间： 每个波长上承载的g m p l s 光分组连接的数目： 归一化光纤延时线单位。 d 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蔓堕笙日期：丝! 墨堑卫 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名： 曼堕竖 矗塞垒 日期：兰! ! 乡，i 韭盏竖垫盘兰监盈塞箜= 童 第一章绪论 1 1引言 随着人类社会全面进入信息化时代，宽带多媒体业务日益兴起特别是i n t e r n e t 业务实现了前所未有的空前发展，对通信骨干网的容量和带宽需求呈现加速增长 的趋势。只有通过采用高速的传输技术和交换技术才能够支持快速增长的网络负 载。 自上世纪六十年代以来，网络传输技术就一直经历着革命性的变化和突飞猛 进的发展。起点就是1 9 6 0 年第一个红宝石激光器的发明【l 和1 9 6 6 年光纤可用于长 距离传输光信号理论的提出f 2 1 。此后，随着低损耗光纤的问世，1 9 7 7 年世界上第 一个速率为4 5m b i t s 的单波长单模光纤通信系统投入商用【引。而今，1 0g b i f f s 的 商用光纤通信系统早已在全世界范围内广泛使用【4 1 。光纤传输技术不仅凭借着其具 有接近5 0 t b i t s 巨大的潜在带宽岭j ，同时还具有成本低、损耗低( 可达到o 2 d b k m ) 、 抗电磁干扰和功率要求低等优点，而成为现代通信骨干网的基础传输技术。 虽然已经有人进行在光纤中单波长信道1 6 0 g b i t s 速率的试验，但是，由于传 输媒质的色散和极化模色散以及系统的性价比是否合理等限制，该系统的商用化 变得遥遥无期。目前普遍认为单波长信道的最高实用化速率为4 0 g b i t s 。因此，在 集成电路材料的电子迁移速率的限制随着技术的发展已经不再成为提高速率的限 制的今天，采用时分复用( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 方式来提高单波长 信道速率仍然不是传输系统扩容的出路嘲。 光波分复用( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w i ) m ) 技术的出现为传输容 量的增加提供了新的契机。它将多路t d m 信号调制到不同的波长信道上，并用一 根光纤传输，这样就通过对光纤低损耗窗口中的频率进行分割而使光纤的巨大潜 在带宽得到了很好的利用，同时每个信道都可以按照当前的最高速率进行传输。 与此同时，掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术的迅速实用化推动w d m 技术的发展， 为其在长距离骨干网中应用铺平了道路。因此，w d m 技术以节省光纤线路成本、 能够大大增加链路传输容量、对数据速率和上层协议透明、可扩展睦好而成为未 来宽带通信骨干网络的主导传输技术口】 近十几年来，w d m 技术发展迅速并被广泛使用。目前，单根光纤上承载的波 长数目可以达到1 0 2 2 个，单路由上的通信容量可离达1 0 0 0 t b s 。并且，点到点的 w d m 传输系统已经广泛商用化，在国内和国际间的长途干线和海底光缆系统中大 量使用。目前电信网络中使用的波分系统的主流设备是3 2 1 0g b i 以、4 0 1 0 g b i t s ，全球实际敷设的点到点w d m 系统已经超过5 0 0 0 个，而实用化系统的最 大容量已经达到4 0 0g b i t s 。1 9 9 5 至1 9 9 9 年美国各大长途干线网逐步引入w d m 并且基本实现w d m 传输【8 】。从1 9 9 7 年我国引入第一套8 波长w d m 系统起，开 始了对省际和省内光缆干线用w d m 技术进行改造，2 0 0 0 至2 0 0 4 年并对原有的“八 横八纵”光缆网进行w d m 改造和扩容【9 】。为实现我国通信骨干网的高速率、大容 量以及满足网络安全和未来发展的需要，采用w d m 技术对旧网改造和铺设新网 的工作已全面展开。 w d m 技术的大规模使用极大地提高了点到点的传输系统容量，这给交换系统 的发展带来了新的挑战和机遇。目前节点上采用的是电子交换，随着半导体技术 发展，交换系统规模越来越大，处理速度越来越高，吉比特交换机和路由器已经 商用化。但是，电子交换和处理本身固有的r c 参数、钟歪、漂移、串话、响应速 度慢等缺点限制了交换速度的进一步提高，这就是通常所说的“电子瓶颈”问题【1 0 】， 并且在节点入口和出口处需要进行光电电光变换，它们不仅增加了成本而且限 制了网络的吞吐量和灵活性。随着通信业务的迅速发展，未来的交换系统将需要 每秒处理成百上千太比特的信息，只有采用光交换技术才能突破上述限制。在 w d m 传送网中采用光交换设备，从点到点的传输技术逐渐发展为网络技术，实现 全光通信网，是未来发展的必然趋势。全光通信网中，光信号在交换系统中不经 过光一电电光变换直接在光域进行处理和交换，这样就不受检测器和调制器等光 电器件响应速度的限制，而且，对比特速率、调制方式和协议的透明性克服了“电 子瓶颈”的限制u 。可见，全光网实现的关键在于光交换技术的成熟和完善。 1 2 光交换技术 光交换技术分为光路光交换和分组光交换两种。这也是光交换技术实用化过 韭立竖童盘茎谴圭丝塞差= 童 程中的两个阶段【n 1 ， 第3 屡 第2 层 第1 层 如图1 1 所示。 o x c0 p s 图l 一1 光交换网络两个发展阶段的协议栈模型 1 2 1光路交换技术的优点墨研究现状 光路交换( o p t i c a lc i r c u hs w i t c h i n g ，o c s ) 是把输入端的任一光纤信号( 或其各 波长信号) 可控制地路由到输出端的任一光纤( 或其各波长) 中去，并且这一过程是 完全在光域中进行的。这样就避免了交换节点中光信号的电层处理，简化了网络 管理并大大提高了交换容量。它要求光交换节点能在光域进行分波、合波、波长 上路下路、路由、交换和波长变换等波长管理操作，由光交换设各( 如：光交叉 连接器( o p t i c a lc r o s s c o r m 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 ) ) 来完成，实现将点到点光纤链路连接成具有任意拓扑结构、基于波长交 换的w d m 光网络。该网络具有波长重用能力，因而可扩展性好。波长交换光网 络的交换颗粒粗，其资源分配策略适于面向连接的业务，因此，它主要适用于长 距离、大范围的通信骨干网中【5 ，1 2 ，1 3 ，1 4 , ”1 。 为了实现基于波长交换的w d m 光网络中动态的资源分配和智能的网络管理， 韭室坚垫盘茎谴迨塞差= 童 目前提出了一种称之为通用多协议标签交换( 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 l s w i t c h i n g ，g m p l s ) 技术作为网络的控制平面，它是将g m p l s 业务量工程和o x c 相结合的一项新技术。g m p l s 协议是面向连接的控制平面的协议，扩展了多协议 标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n gm p l s ) ，将标签交换用于波长选路和交换， 能够建立双向或单向标签交换路径( l s p ) ，实现对多层转发平面( 分组交换层、 时分复用层、波长或波带层和光纤层) 进行统一的控制，实现有效的网络管理和 流量工程【1 6 i 。该协议考虑到用户的需求与目前的技术水平，采用光纤的空分交换、 波长的信道交换、电域时分交换( s d h 技术) 和分组的包交换的有机结合，以实 现不同粒度的交换与选路，实现向高效承载i p 分组业务的w d m 全光网迈进的第 一步，也是关键一步 1 7 1 。同时，该协议也对0 x c 技术的设计和功能结构提出了新 的要求。 自上世纪九十年代以来，基于波长路由的w d m 光网络技术受到了世界各国 业界的研究热点。在欧洲，8 0 年代的r a c e 计划就对w d m 光网络进行研究，随 后的a c t s 计划在欧洲各地建立了一系列的实验性w d m 传送网，如泛欧光网络 ( o p e n ) 、泛欧光子传送网( p h o t o ) 、城域光网( m e t o n ) 等1 1 8 ，1 9 , 2 0 , 2 ”。在 北美洲，9 0 年代美国d a r p a ( 国防部攻击研究计划局) 资助了全光网( a o n ) 、 光网技术联盟( o n t c ) 、国家透明光网( n t o n ) 等几个大规模研究项目，多波 长光网络( m o n e t ) 项目在新泽西和华盛顿之间建立了w d m 传送实验网，对许 多新技术进行了试验和验证1 2 2 】。九十年代末加拿大政府建设了基于i po v e rw d m 结构的c a n e t 骨干网，是第一个光互联网田】。同时，国际标准化组织和团体也开 始积极致力于w d m 光传送网的标准和草案的制订工作，世界上很多国家也开始 大力推广和建设w d m 网络。我国8 6 3 计划和国家自然科学基金会都设立了w d m 光网络的重大研究项目 2 4 】，主要由北京邮电大学、清华大学、北京大学及一些著 名研究机构承担，并且取得了很多重要的研究成果。 1 2 2 分组光交换技术的优点及研究现状 分组光交换技术主要包括光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) r 术和光 突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 技术。由于光分组交换对光器件的要求大大 高于光路交换，而且光逻辑器件和光缓存器件至今还未成熟，因此，光分组交换 4 盏竖垫蠢生攫迨塞篓= 童 在实用化的过程中还有十年、二十年或更长的路要走。后者透过单向带宽申请_ 手i j 偏置时间等机制降低了对光开关速度和光缓存功能的要求，是全光网向光分组交 换网发展过程中，一种较为有效的过渡技术【2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 , 2 9 ，3 0 ，3 “。 光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 技术是以光分组为单位米承载业 务，直接在光域传输和交换具有统计特性的i p 分组业务的智能光网络技术口2 ，3 3 , o ”1 。它能够彻底解决了“电子瓶颈”问题，并高效地支持分组业务而被认为会成为 最终交换解决方案的强有力的竞争技术。光分组网( o p t i c a lp a c k e t s w i t c h e d n e t w o r k ，o p n ) 实现的基本功能是先将业务数据( 如：i p 业务、s d h 业务、a t m 业务等) 在网络边缘作为净荷，加上控制光标签或分组后封装成光分组：然后， 光分组承载业务数据在光域中进行传输和交换，而控制信息由光电变换后在电域 处理，或在光逻辑器件成熟后完全在光域处理；通过对光分组的控制可以实现对 光分组的路由、同步、解决冲突和限制拥塞等。光分组交换网具有交换颗粒小、 对带宽统计复用并且对业务数据透明等优点1 3 ，因而，光分组交换网必将是未来 通信网的最终形态，但由于其在交换节点处进行复杂费时的处理，在边缘节点必 须进行流量梳理，核心网处尽量让大量的大粒度中转流量进行低层交换( 如波长、 波带和光纤交换) ，而小部分小粒度业务进行分组级交换【3 7 1 。 光分组交换网分为同步操作模式和异步操作模式【3 8 】。在同步操作模式下，分 组长度固定并且出现在固定时隙上，这样交换节点不仅要进行比特级( 时钟) 同 步还要让所有分组与节点同步，而且还增加了封装、拆分和重组等处理，与i p 业 务的统计特性不相符；在异步操作模式下，分组的长度可以固定或者不固定，分 组的交换可以在任意时刻进行，因而，与前者相比，其实现起来更容易、价格便 宜，而且，更强壮、灵活性更好，能很好地为i p 业务提供适配，但是，分组发生 冲突的概率更大，必须为其仔细设计交换节点结构和冲突解决方案。 如果将o p s 技术与w d m 技术的集成在一起，就可以同时继承了w d m 的高 速率、大容量、透明性、可重用性和可扩展性等特点，并具有光分组交换技术的 灵活性好、可扩展性好、带宽利用率高等优势，实现具有更高吞吐量的宽带光网 络。这样的w d mo p s 网络将可以灵活地利用波长域和时间域来统计复用空闲的 带宽资源，能够显著的提高网络的带宽利用率；交换的粒度更多样化，易于实现 多业务的接入，并便于实施流量管理；能提供端到端的光通道或者无连接的传输， 丝立坚垫叁兰垃圭造塞 差= 至 具有很高的灵活性；光分组通道可以是面向连接的，可采用g m p l s 机制简化控制 和丌销，实现快速路由；也可以是无连接的，如采用m 寻址机制。它能有效地解 决网络瓶颈，并满足多样化的未来业务需求。 目前o p s 技术正受到越来越多的关注，研究热点主要集中在o p s 节点技术和 网络技术。在欧洲，二十世纪九十年代的a t m o s 项目【3 9 ，删、w a s p n e t 项目【4 1 - 4 2 4 3 ，4 4 1 和k e o p s 项目4 6 , 4 7 , 4 8 1 对o p s 网络结构和o p s 技术的可行性进行的初步 研究，并且，a l c a t e l 与欧洲许多高校联合实施的k e o p s 项目中提出了o p s 节点 结构和功能单元，率先建立了第一个o p s 试验系统。九十年代后期，欧洲将研究 重点从节点级上升到网络级，并设立了关于o p s 城域网和广域网技术的一系列大 型研究项目，如r o m 项目 4 9 】和d a v i d 研究计划【5 0 1 ，着重研究o p s 的组网、相关 协议和服务质量等，并验证o p s 网络提供差别服务的能力。在北美，美国的c o r d 项目研究了多信道副载波复用( s c m ) 技术在o p n 信令和控制中的应用【5 l 5 2 】， p o n d 项目研究了基于1 0 0 g b i t so t d m 技术的规则多径拓扑o p n “】，h o r n e t 项目研究了基于w d m 技术的环形光电混合o p n 5 5 ，5 6 , 5 7 1 。近几年我国8 6 3 计划和 国家自然科学基金会也开始设立了一些o p n 研究项目，主要由北京邮电大学、清 华大学、北京大学、上海交通大学等高校和研究机构承担，研究涉及交换机制和 结构、媒质接入控制和光缓存机制等，取得了初步进展f s s , 观6 0 , 6 1 6 2 , 6 3 她酷6 6 , 6 t 6 8 l 。 1 3 光交换节点的关键技术 1 3 1光交叉连接嚣( o x c ) 一、o x c 的功能 o x c 是w d m 智能全光网中核心器件。o x c 完成两个主要功能，即光信道的 交叉连接功能和本地业务上下路功能。o x c 主要分为四个模块，光交叉连接矩阵 ( 交换级) 、输入模块( 扩展级) 、输出模块( 集中级) 、控制单元。如图1 2 所 示。o x c 节点中的输入模块先将w d m 信号在空间域或波长域上进行分解，接着， 在控制单元的控制下交叉连接矩阵在空间域或波长域对波长信道中的光信号进行 在光域的交换，最后，输出模块完成对光信号的复用。光交叉连接矩阵和控制单 6 !盔坚垫叁生接圭熊塞董兰童 元是o x c 的核心【9 1 。 籍入缓 输出援 图1 2o x c 的功能结构示意图 o x c 设备是近十几年来光传送网中的研究热点，并一直为设备制造商所重视， 如n o r t e l 、a l c a t e l 、c i e n a 、s i e m e n s 、t e l l i u m 、l u c e n t 、n e c 、n t t 和e r i c s s o n 等， 目前有一些产品推出，但至今还没有广泛应用。主要问题是直未能找到性能价 格比好、容量可扩展、稳定可靠的光交换矩阵，核心是光开关单元技术。 二、o x c 的关键技术及其性能指标 o x c 实现的关键是o x c 节点结构的设计、其中的交叉连接矩阵的设计和光 开关单元。 o x c 节点结构和其中的交叉连接矩阵的设计必须考虑如下性能指标：支持波 长通道( w p ) 还是可以支持虚波长通道( v w p ) 、阻塞特性、链路模块性、波长 模块性、广播发送能力和成本6 9 ，7 0 , 7 1 , 7 2 , 7 3 , 7 4 , 7 5 , 7 6 , 7 7 1 。根据o x c 是否具有波长 变换功能，光通道分为w p 和v w p ，w p 是指o x c 中没有波长变换功能，一个光 通道在每段光纤链路中必须使用同一波长，v 、p 是指o x c 具有波长变换功能， 一个光通道在每段光纤链路中可以使用不同的波长，具有较高的波长利用率和较 低的阻塞概率。o x c 结构的阻塞特性有严格无阻塞、可重构无阻塞和阻塞三种。 o x c 结构最好为绝对无阻塞型，但当节点需要交换的光通道数量比较大时，交叉 结构将变得非常复杂。可重构无阻塞型是指经过合理的可重构算法实现优化配置 来避免阻塞，且结构相对简化。链路模块性是指除了增加新模块外，不需改动现 有o x c 的结构，就能增加节点的链路数，称这种结构具有链路模块性。波长模块 性是指除了增加新模块外，不需改动现有o x c 的结构，就能增加每条链路中复用 的波长数，则称这种结构具有波长模块性。模块性反映了o x c 的空间扩展能力。 广播发送能力是指如果输入光通道中的信号经过o x c 后，可以被广播发送到多个 输出的光通道中，称此结构具有广播发送能力。这种能力可以很好地支持新业务。 此外，成本将是决定采用哪种结构的关键因素。 o x c 的结构主要有基于空间交换的o x c 结构和基于波长交换的o x c 结构。 前者仅具有波长模块性或仅具有链路模块性，而后者可以既具有波长模块性又具 有链路模块性【6 9 7 0 , 7 ”。随着光网络的规模的不断提升；如何以含理的结构设计降 低o x c 结构所需的元件数目，提高起性能，并且降低成本，已成为设计大端口数 o x c 的关键1 7 8 ，7 9 , 8 0 , 8 1 , 8 2 ，8 3 - 8 4 8 5 , 8 6 1 。通过对业务进行多粒度的划分从而进行多级 多粒度交换，可以实现扩大网络交换容量的作用，同时使交换矩阵的规模减小、 简化控制的复杂度、大大降低设备的成本。因此，多级体系的光路径结构被视为 是下一代大规模波分复用骨干网的最有前途的解决方案。随着支持多级体系光路 径的g m p l s 控制协议的提出和广泛接受，设计体系光交叉连接器( h i e r a r c h i c a l o x c ，h o x c ) 成为研究热点，目前提出的主要有串行型和反馈型两种结构瞰，船， 8 9 ，9 0 ，9 1 , 9 2 1 ，前者需要的开关单元数目较大，后