（通信与信息系统专业论文）波长转换技术及其在光网络中的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 在w d m 系统广泛应用的今天，w d m 网络的带宽已经可以满足每个 用户的需求，但是系统的波长数目仍然大大少于实际的节点数目和用户数 目这就使得当两个或多个波长信号向相同的路由连接时造成波长竞争。 这时w d m 网络会有很高的阻塞率解决上述问题的关键技术就是波长转 换( w c ) 波长转换即为波长的再分配和再利用，以解决交叉连接中的波长 竞争、有效地进行路由选择、降低网络的阻塞率，从而提高网络的灵活性 和可扩展性，同时也有利于网络的运行、管理和控制，以及通道的保护倒 换在全光网络中，波长转换器也是必不可少的器件可以说波长转换技 术是w d m 系统和全光网络的一项关键技术。 正是在这种形势下，本论文以重庆市教委项目光路由器的研制( 项 目编号：k j 0 5 0 5 0 1 ) 为背景，对光网络中的波长转换技术进行了深入分析 与研究 本文首先从全光网络的概念着手，对全光网络应该具有的特性和优势 进行分析与探讨同时。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然后对全光网络中的一个关键技术 即波长转换技术进行了深入分析，对其在全光网络中的技术特征、性能要 求以及作用与分类进行了探讨。 基于上述分析与探讨，本文提出了一种在光网络的光分组交换( o i s ) 结构中优化波长转换器数目的模型，经过理论分析与仿真，得出了该结构 模型能降低丢包率和减少波长转换器的数目；接着，分析了波长转换器在 光网络中的作用，并分类讨论了波长转换对光网络各个方面的影响 最后，本文在分析了波长转换器的设计要求及其对光网络的优化情况 后，提出并分析了一种具有波长转换器的光网络模型，描述了在光网络中 影响其阻塞概率的三种算法，并对这三种算法进行了比较分析及仿真，得 出了阻塞概率最小的优化算法及结论，即在光网络中，可以只在部分节点 中装备有限数且的波长转换器，其性能与在全部节点中装备波长转换器一 样，从而大大减少光网络中波长转换器的数目，提高波长转换器的利用率 关键词；波长转换技术；波长转换器：全光网络；丢包率；网络模型 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t h ew d ms y s t e mi sw i d e l yu s e da tp r e s e n t ，a n dt h eb a n d w i d t ho ft h e w d mn e t w o r kh a sa l r e a d ys a t i s f i e dt h ed e m a n do fe v e r yc o n s u m e r , h o w e v e r , t h ew a v e l e n g t hn u m b e ro ft h es y s t e mi sg r e a t l yl e s st h a na c t u a ln o d en u m b e r a n dc o n s u m e rn u m b e r i tw o r k st h ew a v e l e n g t hc o m p e t i t i o nw h e nt o wo rm o r e w a v e l e n g t hs i g n a ll i n kt h es a m er o u t ea n dt h ew d ms y s t e mw i l lh a sh i g h b l o c kc l u s t e r t h ek e yt e c h n o l o g ys o l v i n gt h eu p w a r d s p r o b l e mi sw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ( w c ) w ci st h er e a l l o c a t ea n dr e c y c l eo ft h ew a v e l e n g t ht os o l v e t h ew a v e l e n g t hc o m p e t i t i o ni nt h ec r o s s o v e rc o n n e c t ，c h o o s et h er o u t e e f f e c t i v e l y , r e d u c et h eb l o c kr a t eo ft h en e t w o r ka n di m p r o v et h ea g i l i t ya n d e x p a n s i b i l i t yo ft h en e t w o r k i ta l s oi sp r o p i t i o u st ot h er u n ，m a n a g e ，c o n t r o l o ft h en e t w o r ka n dt h es a f e g u a r dr e a r r a n g eo ft h ep a s s a g e i nt h ea no p t i c a l n e t w o r k ，w a v e l e n g t hc o n v e r t o ri sa na b s o l u t e l yn e c e s s a r yd e v i c ea n d i tc a nb e s a i dt h a tw a v e l e n g t hc o n v e r t i n gt e c h n o l o g yi st h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ew d m s y s t e ma n da l lo p t i c a ln e t w o r k c o n s i d e r i n g t h es i t u a t i o n ，t h e p a p e r s t a r t st h er e s e a r c hw i t h “d e v e l o p m e n to fo p t i c a lr o u t e r ”( g r a n tn o ：k j 0 5 0 5 0 1 ) a s i t sb a c k g r o u n d w ct e c h n o l o g yi no p t i c a ln e t w o r ki sd e e p l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e di nt h i s p a p e r a b o v ea l l ，i nt h i sp a p e r , a f t e ri n t r o d u c t i o no ft h ea l lo p t i c a ln e t w o r k ， t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds u p e r i o r i t i e sw h i c ht h eo p t i c a ln e t w o r ks h o u l de n j o yi s a n a l y z e da n ds t u d i e d m e a n w h i l e ，t oa c h i e v et h et a r g e to fa l lo p t i c a ln e t w o r k ， s e v e r a lk e yi s s u e sa n dc o r r e s p o n d i n gc o r et e c h n o l o g yt os e t t l et h e s ei s s u e si s p o i n t e do u t t h e n ，o n ec o r et e c h n o l o g y , w ct e c h n o l o g y , i si l l u s t r a t e di nd e t a i l ， i n v o l v i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft e c h n o l o g yt h ed e m a n do fp e r f o r m a n c ea n d e f f e c ta n dc l a s s i f i c a t i o ni nt h ea l lo p t i c a ln e t w o r k b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，an o v e lm o d e li s p r e s e n t e d tw h i c hc a nb e u s e dt o o p t i m i z et h en u m b e ro fw c i no p s ( o p s ：o p t i c a lp a c k e tn e t w o r k ) a r c h i t e c t u r ei no p t i c a ln e t w o r k a f t e rt h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，i ti s i n d i c a t e dt h a ti tc a nn o to n l yd r o pt h ep a c k e tl o s sp o s s i b i l i t yb u tr e d u c et h e n u m b e ro fw ca sw e l l t h e n ，t h ee f f e c to fw ci no p t i c a ln e t w o r ki sa n a l y z e d a n dt h ei m p a c to nv a r i o u sp a r t so ft h en e t w o r ki sd i s c u s s e di nc l a s s 重庆邮电大学硕士论文 f i n a l l y , t h er e q u i r e m e n to fd e s i g n i n gw ca n di t so p t i m i z a t i o no no p t i c a l n e t w o r ki sa n a l y z e d ao p t i c a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r ew i t hw ci sp r e s e n t e da n d i l l u s t r a t e d t h r e ea l g o r i t h m sw h i c ha f f e c tt h eb l o c kp o s s i b i l i t yi n o p t i c a l n e t w o r ka r ed e s c r i b e da n dc o m p a r a t i v e l y a n a l y z e d ，t h e n ，ao p t i m i z e d a l g o r i t h mi so b t a i n e d t h ec o n c l u s i o ni s ，i no p t i c a ln e t w o r k ，w h e np a r t so ft h e n o d e sa r ee q u i p p e dw i t hl i m i t e dw a v e l e n g t hc o n v e r t o r s ，i tc a nr e a c ht h e p e r f o r m a n c e 。a sg o o d a st h es i t u a t i o nw h e na l ln o d e sa r ge q u i p p e dw i t h w a v e l e n g t hc o n v e r t o r s s o i tw i l l g r e a t l yd e c r e a s e t h en u m b e ro ft h e w a v e l e n g t h su s e di no p t i c a ln e t w o r k ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h e w a v e l e n g t hc o n v e r t o r s k e yw o r d s ：w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , w a v e l e n g t hc o n v e r t o r , a l l o p t i c a ln e t w o r k ，l o s sp o s s i b i l i t y , n e t w o r km o d e l ， f i t 独创性声明 本人声明所呈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，也不包含为获得重废鲣电太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材科与我一向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谢意。 学位论文作者签名；幸文苻 签字日期： 岬年歹月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废蛏虫盘堂有关保留、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医整盥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；韦文冲永 签字日期：州年月j日 导师签名：毛矽勾 签字日期：z 衫年日 ， 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 随着社会经济的发展，人们对信息的需求急剧增加，信息量呈指数增 长，对通信容量提出了越来越高的要求波分复用技术的应用打破了电时 分复用技术的技术瓶颈限制，充分利用了光纤的带宽资源，使通信容量大 大增加l 但是，目前的可用波长数目却大大少于实际所需的数量，因为 光网络中的波长数量决定了具有独立地址的节点数或可选路由数可用波 长的匮乏使基于波长选路和o x c 的w d m 光网络的阻塞率大大提高，同 时当两个或多个波长信号向相同的路由连接时，就会造成波长竞争。如果 没有波长转换器( w c ) ，要想在两个节点间建立光的连接，光路上所有光 路的连接必须采用同一波长相反，如果在光网络干线网的交叉点引入 o x c 器件和w c 器件。便可形成端到端的“波长”通道，只要各链路有未 被占有的空闲波长，就可通过w c 器件建立通信路由，即可把波长由全局 分配变为本地分配，并实现波长的再利用，从而大大提高波长利用率，有 效解决o x c 中的波长竞争以及动态路由选择等问题此外，引入波长转 换器后，有利于网络的运行、管理、控制和通道的保护倒换因此，波长 转换技术对充分利用光网络的波长资源、保护网络系统中通道最大限度的 畅通无阻起着重要作用，并成为全光网络中不可缺少的关键器件之一 1 1 2 研究的意义 波长转换即为波长的再分配和再利用，以解决交叉连接中的波长竞 争、有效地进行路由选择、降低网络的阻塞率，从而提高网络的灵活性和 可扩展性，同时也有利于网络的运行、管理和控制，以及通道的保护倒换 而且在全光网络中，波长转换器也是必不可少的器件可以说波长转换技 术是w d m 系统和全光网络的一项关键技术有研究资料显示，在2 5 g b s 全光网中不加波长转换器会比加波长转换器的网络大概损失2 到3 倍的容 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 量如果在2 1 的节点上加波长转换可以减少一半的损失；在3 5 的节点 上加波长转换则可以减少7 5 的容量损失因此，随着光网络传输技术日 新月异的飞速发展，进行光网络中波长转换技术的应用研究具有重大的实 用价值和课题意义 1 2 国内外研究现状 由于光波长转换对波分复用系统节点的交换路由和全光网的实现有 重要的意义，因此今年来很多国内外公司都对波长交换技术进行了研究 目前商用化的波长转换器绝大多数是光电光型转换器，例如国内有武汉 光讯推出的o e o 光波长模式转换器，中兴的u n i t r a n s z x w m 3 2 系统中 的波长转换模块。全光波长转换器基本上停留在理论研究和实验室水平 上，真正投入商用化的产品并不多国内已投入运行的全国高速互连研究 试验网络n s f c n e t 是一个基于d w d m 技术的高速网络，其中利用s o a 的非线性效应已经实现了1 0 g b p s 的全光波长转换 北京邮电大学利用非线性环境，将两个不同波长的探测光耦合其中， 从而将2 5 g b s 的归零码脉冲转换到两个波长上，最大的波长转换间隔为 3 0 n m ，脉冲宽度为2 0 p s 。清华大学研究了基于可调谐外腔激光器的波长转 换器，进行了6 2 2 m b s 及2 5 0 b s 的转换实验 中科院上海光机所提出基于光纤光栅外腔激光器增益饱和机理的波 长转换方案与d f b 方案相比，结构简单，成本低，由于采用了光纤光栅， 转换信号波长稳定性高。并可通过光纤光栅波长调制来改变转换波长最 近已实现波长间隔2 0 n m 的上、下波长转换，最大的波长转换间隔可达 3 0 n m ，并且进行了1 5 5 m b s 的非归零随机码( 周期2 1 5 1 ) 的动态转换实 验。 。 国外由a t & t 、贝尔实验室、m i t 等参与的全光网络联盟( a o n ) 在 美国波士顿所建立的实验网是一个2 0 信道的w d m 系统，其中采用了三 种可选用的波长转换技术朗讯的r a n d yg i l e s 演示了基于集成8 波长多 量子阱激光器的波长转换实验，信号可以转换到其中的一个波长上，必要 时可以同时转换到这8 个波长上。这8 个波长满足i t u t 波长间隔标准， 这对于实际应用是非常有益的实验演示了速率为6 2 2 m b s 及1 2 5 g b s 的 波长转换，误码率低于l o 一在2 0 0 2 年o f c 会议上以色列的k a i l i g h t 光学公司在国际光纤通信暨展览会( o f c c e ) 上展示新近开发的全光波长 转换器( a 0 w c ) ，它可以稳定的工作在1 0 g b s 的速率上这是业界第一 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 次出现1 0 g 速率的全光波长转换技术相信在技术和市场的双重驱动下， 全光波长转换器离大规模商用化的时间越来越近了1 2 l i3 1 1 3 本文的主要研究内容 基于波长转换在全光网络中的重要应用，本文在了解波长转换技术的 国内外研究水平后，阐述了全光网络的内容，重点对波长转换技术的基本 结构原理及波长转换器的内容进行了详细介绍，并提出了一种在光网络的 o p s 结构中优化波长转换器数目的网络模型，对其进行了理论分析及仿真 最后阐述了在光网络中确定波长转换器位置与数目的启发式算法，并进行 了分析与仿真；分析了波长转换器在光网络中的作用，分类讨论了波长转 换对光网络各个方面的影响并利用波长转换器对光网络进行优化 1 4 本章小结 本章首先介绍与分析与本课题“波长转换技术及其在光网络中的研 究”的选题背景和课题意义，介绍了国内外的研究现状，最后概括性地介 绍了本课题的研究目标和主要研究内容 重庆邮电大学硕士论文第二章全光网络 2 1 全光网络概述 第二章全光网络 面对i n t e r n 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h j 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口连接在这种形势 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 所谓全光网络，就是指网络中直到用户节点之问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： 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”， 4 重庆邮电大学硕士论文第二章全光网络 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：一类是人与人之间的通信，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 ( d 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 ( d 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 r n 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。 ( d 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1 p 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 层和光传送层嶂1 图2 1 是典型的全光网络的构形光传送层由光插，分复 用器( o a d m ) 和光交叉连接器( o 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1 4 1 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0 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， l 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 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章全光网络 有的1 级网。 图2 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： ( d 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制，管理功能 2 2 全光网络的关键技术 2 2 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 们的交换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 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章全光网络 种交换方式：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。 空分光交换是指空间划分的交换，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、全反射型和激光二级管门开关型等 ( 萤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。 ( 多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 波器和波长转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 信号转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。 ( d 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 1 6 ) ( d 自由空间光交换可以看作是一种空分光交换，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 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章全光网络 2 2 2 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、输入输出接口、管理控制单元等模块 组成。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、双向和广播形式的功能。 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，又称为光路由器 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，同时辅有波长转换器组成的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 ) ，而随着波长转换器 件的成熟，o x c 则由w r x c 向波长转换交叉连接( w l x 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 2 2 3 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 8 重庆邮电大学硕士论文第= 章全光网络 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载信号，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。 2 2 4 波长转换 波长转换( w c ) 是指将一个调制在载波上的信息转换成不同波长的 光载波的技术，这样的转换可以允许在几个全光网段中的波长得到重新使 用。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a n 信道经过o x c 接入网络2 时，可能在网络2 中的 a n 信道正在工作，因此出现了阻塞效应，一时无法实现交叉互连，波长 转换就是将a n 信道波长转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 波长转换的光交换系统【6 1 此外，在广域或环形骨干网与各区域网问为了节约波长资源的消耗也 需要波长交换例如，节日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a 1 ，a 2 ，a n 的信道同时传送节目的 信息，只需要用一路a n 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a i ，a 2 ，a n 后直接输送给用户但是在 波长转换的同时，还需要有光放大的功能 早期的波长转换是采用光电，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。对执行波长转换的器件一波长转换器的基本要求 是： 1 ) 快的转换速度( 至少对1 0 g b i t s 的信息流能够响应) ； 9 重庆邮电大学硕士论文第二章全光网络 2 ) 对光信息流的各种传输格式是透明的； 3 ) 有较宽的转换范围； 4 ) 对输入信号光功率要求不高； 5 ) 偏振敏感性小； 6 ) 啁啾噪声低 2 2 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2 2 所示，使 用任一种方案都能得到所期望的输出端口 c h 1 ， c h 2 ， c h 1 ， c h 2 ， c h 1 ， c h 2 ， c h 2 ， ( a ) 本地缓冲 ( b ) 偏移迂回 迂回 ( c ) 波长变换 图2 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 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章全光网络 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一个 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，然而却诱发了附加的信号等待时间 第三种方案是波长转换，即把争夺的一个信息包转换到另一个波长 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 2 2 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的 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 l6 】：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 长转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一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 7 10 - - j - 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 1 1 重庆邮电大学硕士论文第二章全光网络 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 2 3 本章小结 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、波长转换、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 重庆邮电大学硕士论文第三章波长转换技术 3 1 波长转换技术 第三章波长转换技术 随着社会的发展，对通信的需求不断上升，通信技术也有了突飞猛进 的发展，信息的传输和交换正由电光网络向全光网络发展全光网络以光 纤为传输媒介，采用光波分复用( w d m ) 技术提高网络的传输容量。在w d m 网络中，波长数目决定了信道的容量，尽管光纤的通信窗口很宽，然而目 前受诸多因素限制，可用的波长数仍然有限，不足以支持大量节点的应用 在这种情况下，当相同波长的两个信道争用同一输出端时，可能出现阻塞， 解决这些问题的一种方法是进行波长转换 波长转换是把某一波长的输入光信号转换为另一波长的输出光信号 的光电子器件，它是全光网络、波分复用系统( w d m ) 以及全光交换系统的 重要器件，它能实现波长的再利用，不但能提高系统及光网络的灵活性， 提高波分复用系统的容量，而且在光开关、波长路由选择、光交换方面也 有极为重要的应用 一个理想的波长转换器是具有单一输入、输出口的一种装置，且输入 波长信道和输出波长信道的波长不同，它的作用是能把输入端波长信道的 波长转换到输出端的波长信道上( 如图3 1 所示) 波长转换器的作用是将 从波分复用终端或其他设备来的光信号进行转换。一是将承载于某波长上 的光信号经过转换使之转载于其他波长上，或是将非匹配波长上的光信号 转换到符合i t u 规定的标准波长上然后插入到光耦合器中，以满足系统的 波长兼容性，从而实现灵活的动态可重构的网络节点以波长转换器为核 心就可构成光转发器( t r a n s p o n d e r ) ，这时它还可被看作为一种网络定界设 备，通过提供网络工作状态信号和测试能力来确保网络的完整性【6 】i 钉 p 囤 q - p = l ，2 ，n q = l ，2 ，n 图3 1 波长转换器的功能结构 1 3 重庆邮电大学硕士论文第三章波长转换技术 全光波长转换器( a o w c , a l l - o p t i c a lw a v e l e n g i hc o n v e r t e r ) 是光纤通 信系统中的一个关键部件，它的主要特点是，把带有信号的光从一个波长 ( i n ) 转换为另一波长( o u t ) ，实现波长的再利用和再分配，避免了波长 争用，提高了网络系统的容量 波长转换技术已经成为光通信基础研究的一项热点，并在一些全光试 验网中采用。较为理想的波长转换器应当具备以下基本特点； 1 ) 对光信号透明； 2 ) 对输入光信号功率要求不苛刻，并且偏振敏感度低； 3 ) 转换速率高( 1 0 g b i t s 或更高) ； 4 ) 光信噪比和消光比的恶化程度较低或为零； 5 ) 波长转换的范围宽，既可以向长波长转换，也可以向短波长转换； 6 ) 波长转换系统实现简单、工作稳定，波长转换器价格合理。 根据工作原理的不同可以把波长转换技术分为光电，光型和全光波长 转换技术 3 1 1 光电光波长转换技术 这种波长转换技术就是将光信号经光电转换变成电信号，电信号再调 制成所需的波长，从而实现波长转换由于光，电技术己很成熟，对信号具 有再生能力，相当于光传输线路中的1 r ( r e g e n e r a t i o n ) 或3 r ( r e g e n e r a t i o n 。 r e s h a p i n g ，r e t i m i n g ) 0 p 继器 光，电，光波长转换技术的优点是：系统原理简单，在较宽的输入光功 率下都能够适应，而且对偏振不敏感但是电路结构相对复杂，不能对传 输速率完全透明；同时，经过光电，光的转换，原先光信号的相位、幅度 等信息会丢失，无法实现光信号的完全透明传输，它的透明度只能保持在 数字级( d i g i t ) 的透明，而不能保证信号级的透明但是，由于其技术成熟、 性能稳定，几乎是目前所有厂家实现w d m d w d m 系统的共同手段l 加】 然而，由于e d f a 在光纤通信系统中的大量使用和人们对全光网的憧 憬，网络运营商都尽量保持光层的透明性，避免光电转换，因此现在人们 主要致力于全光波长转换技术的研究1 8 1 1 9 1 。 3 1 2 基于非线性混频原理的全光波长转换技术 当多束光在非线性介质中传输时，由于非线性作用将产生新的波长， 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章波长转换技术 根据发生作用的光波数目可分为：三波混频( 两个输入波长，一个输出波长) 和四波混频( f w m ：三个输入波长，一个输出波长) ，它们分别来源于二阶 非线性效应和四阶非线性效应这种a o w c 是目前唯一一种能对输入信 号进行透明转换的a o w c ，它同时还可将一组波长的信号转换到另一组波 长上去，转换效率可达1 0 0 g b i t s 上，但由于这些效应是参量过程，需要 满足相位匹配条件，并且转换效率很低，对1 7 d b m 的泵浦光，典型的转换 效率为2 0 d b 左右 四波混频的主要优点是它是完全透明的，因为这种效应并不依赖于调 制方式( 原因是在混频的过程中，幅度