（物理电子学专业论文）dwdm光传送网中光交叉连接结构和性能的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 l 经济全球化和社会信息化的深入，促使网络体系絮构向着高速大容量和离质爨服 务方向飞速发展。基于d w d m 技术的光网络充分利用光纤所具商的巨大传输容蹩， 加上节点设备中灵活的网络配置和有效的网络管理，必将成为组建下一代高可靠性、 趣大容量、超高速信息网络的核心技术。随着传输容蹙的不断提高，传统的d x c 设 备在传输网络中已不能满足用户和业务发展的满簧，厦涡传输网络的瓶颈。因此开发 光交叉连接设备成为构建高速大容量光网络的关键，光交叉连接节点的设计包括瓶方 面，其一是物理结构的设计，其二是管理层西的设计，本论文重点研究前者。 本论文以d w d m 光传送网中光交叉连接节点的结构和性能为研究对象，研究内 容主要包括光交叉连接节点总体结构设计、总体功能规定，以及其内锫个单元模块对 总体性能的影响，并从o x c 光交叉连接模块的结构、光交叉连接节点中的波长转换、 光交叉连接节点中的串扰与光信母再生、光放大与光交叉连接节点中的光功率均衡几 个方颇进行了专题探讨。 针对具体的光传遴网网络环境，按照相应的标准匈建议，本论文提出了实用的光 交叉连接节点设计性能指标，设计了光交叉连接节点总体结构，包括光纤链路交叉连 接、光通道交叉连接、光开关阵列、波分复用解复用单元、光放大单元、波长转换 器单元、波长路由控制、节点管理控制等模块。从光传送阏的三屡模型出发，提出并 设计了两种两个功能屡次的o x c 方案，并选用了其中的一种，既能灵活实现光通道 层次的交叉连接，又其有光复用段层次交换、保护倒换简单方便的特点。 ，光交叉连接模块结构赢接影响到o x c 节点是否支持虚波长通道、透明传输性、 横块性、阻塞性和传输性。在o x c 光交义连接模块结构一般模型的纂础上，详细介 绍了包括w s x c 和w i x c 的几种基本o x c 光交义连接模块结构，并对现存的各种结 构进行了总结和归类。 介绍了多种光交叉连接模块中的光交换网络；提出了一种额型的光交换网络：寻 径型c r o s s b a r 光交换网络。与置换型和常规型c r o s s b a r 光交换网络相比，在光功率损 耗、路由计算复杂程度、路径均匀性等方面具有一些特点。 光开关和波分复用，解复用器是光交叉连接节点中黼种重要的光无源器件。本论文 在总络现存各种制作技术的基础上，提出了一种新型光开关阵列的实现方法，具有插 损低、串话小、开关时间中等( m s 量级) 等特点，采用的是目前已经成熟的工艺， 性能稳定，适含于中等规模光汗关阵列的制作。 华中科技大学博士学位论文 在光网络中使用波长转换器能够有效减小网络阻塞率、提高网络管理灵活性。本 论文光通道级交叉连接结构采用部分波长转换方式，在支持虚波长连接与路由的同 时，提高了波长转换器利用率，降低节点成本。其中波长转换器的利用与光交叉连接 规模对链路利用率的影响、以及波长转换节点共享型光交叉连接结构中连接数与阻塞 率的关系这两个问题是本论文重点讨论的两个专题。分别采用不具有独立链路与负载 概率模型和容斥原理等数学工具对这两个问题迸行了定量计算和分析。 光网络中的链路传输和节点处理给光信号带来不可避免的信号损伤，经过积累后 将导致严重的光信号质量恶化，降低光网络性能，限制光网络规模。分析光交叉连接 结构各种串扰源并进行3 r 再生是控制和消除光信号质量恶化的必须手段。本论文采 用最大功率代价作为评价指标，对波长分组型光交叉连接结构中串扰的影响进行了具 体计算和分析。、产一。 掺铒光纤放态器以其成熟的技术、优越的性能被广泛采用于光网络中。本论文设 计的光交叉连接结构配置了前置光放大器和功率放大器，对光信号线路及节点光功率 损耗进行补偿。作为光放大的重要手段，其自身自发辐射噪声沿途经过光放大后对光 交叉连接节点处信噪比的影响也不可忽视。本论文利用节点隔离原理，对有无3 r 再 生光传送网中的该问题进行了数学计算和分析，得到了在保证一定信噪比的情况下， 相邻光交叉连接节点之间最大线路放大器个数，以及最大无3 r 再生光交叉连接节点 个数。采用了光复用段级和光通道级双级光功率均衡，灵活有效地消除光通道间光功 率差异累积，并对其信噪比进行了计算和分析。 oo， 关键词：光网络光传送网光交叉连接 n 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h en e t w o r k s h i e r a r c h y a n df u n d a m e n t a l sh a v eb e e n r u n n i n gt o w a r dh i g h - s p e e d ， l a r g e c a p a c i t ya n dh i g h - - s e r v i c e - q u a l i t yw i t hu r g e n tr e q u i r e m e n t so fe x p l o s i v e l yi n c r e a s i n g t e l e c o m m u n i c a t i o ni n f o r m a t i o n b a s e do nd w d mt e c h n o l o g i e s ，a l o n gw i t hf l e x i b l e n e t w o r k so a & m p r o v i d e db yn o d e s ，o p t i c a ln e t w o r k sm a k e f u l lu s eo f p o t e n t i a l l yb r o a d b a n d w i d t ho f o p t i c a lf i b e r a n dw i l lb e c o m e m o r ee f f i c i e n t d u r i n gt h i sg r e a tr e v o l u t i o no f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，t r a d i t i o n a ld x c h a ss h o w nm o r ed i s a d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n s ， w h i c hc a nb eo v e r c o m eb yo x cw i t hc o s tc u td o w n e x t r e m e l y t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e so no x cs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ei nd w d m o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k s ，w h i c hm o s t l y i n c l u d e s d e s i g no fo x cs t r u c t u r e ，d e f i n i n g f u n c t i o no fo u rp r a c t i c a lo x c ，a n do x c p e r f o r m a n c ea n a l y s i s b e s i d e s ，f o u ri m p o r t a n t s p e c i a lt o p i c sa r ea d d r e s s e da n dd i s c u s s e d ，w h i c ha r eo p t i c a lc r o s s c o n n e c tm o d u l es t r u c t u r e ， w a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni no x c ，c r o s s t a l ki no x c a n d3 r r e g e n e r a t i o n ，o p t i c a la m p l i f i e r a n d o p t i c a lp o w e re q u a l i z a t i o ni no x c a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d sa n dr e c o m m e n d a t i o n s ，ap r a c t i c a lo x c n o d es t r u c t u r ei s p r o p o s e d ，s u i t a b l et ot h ed e t a i l e do p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k sc o n d i t i o n sd e s c r i b e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，c o m p o s e do f s e v e r a lm o d u l e s ，s u c ha so p t i c a lf i b e rc r o s s c o n n e c tu n i t ，o p t i c a l p a t hc r o s s c o n n e c tu n i t ，m u x d e m u x ，o p t i c a la m p l i f i e ru n i t , w a v e l e n g t h c o n v e r s i o nu n i t ， n o d em a n a g e m e n ta n dc o n t r o lu n i t t w o t y p e so fo p t i c a lc r o s s c o n n e c ts c h e m ea r ep r e s e n t e d ， b o t ho fw h i c hc a ni m p l e m e n tt h i sf u n c t i o ni no p t i c a lm u l t i p l e x i n gs e c t i o nl a y e ra n do p t i c a l p a t hl a y e rf l e x i b l ya n de a s i l y s o m ec h a r a c t e r so fo x ca r ed e c i d e db y o p t i c a l c r o s s c o n n e c ts t r u c t u r e ，s u c ha s w p v w p t r a n s p a r e n c y , m o d u l a r , a n dt r a n s p o r tp e r f o r m a n c e a l o to fs t r u c t u r e so fw s x c a n dw i x ca r ei n v e s t i g a t e d ，c o m p a r e da n da n a l y z e d a so n eo fi m p o r t a n ta s p e c t so f o p t i c a lc r o s s c o n n e c ts t r u c t u r e ，m a n yk i n d so fo p t i c a l s w i t c h i n g n e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d s i m u l t a n e o u s l y , o n eo r i g i n a lt y p e ：r o u t i n gc r o s s b a r o p t i c a ls w i t c h i n g n e t w o r ki s p u tf o r w a r d ，w h i c h s h o w ss e v e r a l a d v a n t a g e s t ot h e p e r m u t a t i o na n dg e n e r a lc r o s s b a ro p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k s ，s u c ha s i n s e r t i o nl o s s ， r o u t i n gc o m p l e x i t y , r o u t e ru n i f o r m i t y , e ta 1 i i l 华中科技大学博士学位论文 t w ok i n d so fn e c e s s a r ya n di m p o r t a n to p t i c a lp a s s i v ec o m p o n e n t s ：o p t i c a ls w i t c h e s a n dm l p x d e m u xa r ei n t r o d u c e d s u m m a r i l y a n d an e ws t y l eo fo p t i c a ls w i t c h e s i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d i sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hf e a t u r e sl o wi n s e r t i o nl o s s ，l o wc r o s s t a l k ， a n dm e d i u m s w i t c h i n g t i m e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nh e l p st od e c r e a s eo p t i c a ln e t w o r k sb l o c k i n gp r o b a b i l i t y , a n d f a c i l i t a t en e t w o r k sm a n a g e m e m n o d e s h a r e dw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni s a d o p t e di no u r o x c d e s i g nt os u p p o r t 、聊v 但w h i c hi m p r o v e sw a v e l e n g t hc o n v e r t e ru s a g ea n dc u t d o w nn o d ec o s ta to r t et i m e w i t hd e p e n d e ml i n k - l o a dp r o b a b i l i t ym o d e l ，t h er e l a t i o n a m o n gw a v e l e n g t hc o n v e r t e ru s a g e ，s i z e o fo x c ，a n dl i n ku s ea r e m a t h e m a t i c a l l y c a l c u l a t e da n da n a l y z e d a l s of o r m u l ao fb l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n dc o n n e c t i o nn u m b e ri s d e d u c e da n dn u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d u n a v o i d a b l eo p t i c a ls i g n a ld a m a g ei n d u c e da l o n go p t i c a ll i n ka n dn o d ee q u i p m e n t ， d e c r e a s e sn e t w o r k sp e r f o r m a n c e ，a n dl i m i t sn e t w o r k ss i z e a n a l y z i n gc r o s s t a l kg e n e r a t e di n o x c s t r u c t u r e ，a l o n gw i t h3 rr e g e n e r a t i o na r en e c e s s a r yt oc o n t r o la n de l i m i n a t es i g n a l d a m a g ea c c u m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e t a i l e ds t r u c t u r e ：w a v e l e n g t h - g r o u p e do x c ，t h e c r o s s t a l ka n da l s oi t se f f e c t sa r cc a l c u l a t e d b o o s ta m p l i f i e r sa n d p o w e ra m p l i f i e r sa l ee q u i p p e di no u ro x cd e s i g nt oc o m p e n s a t e o p t i c a lp o w e rl o s sa l o n go p t i c a ll i n k sa n dn o d e s b u ta tt h es a m et i m e ，a s en o i s er e s u l t e d f r o me d f a sa c c u m u l a t e sa n di s a m p l i f i e db yt h e l a t t e re d f a s ，w h i c ha f f e c t ss n r s e r i o u s l y a n dn e g a t i v e l y b a s e do nn o d ei s o l a t i o np r i n c i p l e ，t h i se f f e c ti sc o n s i d e r e d ， m a x i m u mn u m b e ro fl i n ka m p l i f i e r sa n do x cn o d ea r ec a l c u l a t e dw i t hs n r g u a r a n t e e d d u a l e q u a l i z a t i o ni sa d o p t e di n o u ro x cs l l a l c t u r e ，a n ds n rr e l a t i v et ot h i sd e s i g ni s a n a l y z e d k e yw o r d s ：o p t i c a ln e t w o r k s ，o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k s ，o p t i c a l c r o s s c o n n e c t i v 华中科技大学博士学位论文 1 1 光传送网 1 引言 随着经济全球化和社会信息化的深入，接入i n t e m e t 的主机数目迅速增长，不断 涌现的新的通信应用，如视频点播、视频电话和视频远程会议等将依赖于通信网络巨 大带宽的技术支持。网络体系架构也正向着高速大容量和高质量服务方向飞速发展。 密集波分复用( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i l c i l e x i n g ) 光网络是一种 以光纤作为基本传输链路，充分利用光纤所具有的大带宽、低损耗、不易受噪声和电 磁干扰等优点，并且采用密集波分复用技术而组成的一种通信体系网络结构。基于 d w d m 光联网技术的多波长光网络总体结构如图1 1 所示，它由光分插复用器 ( o a d m ，o p t i c a l a d d i ) r o p m u l t i p l e x e r ) 、光交叉连接器( o x c ，o p t i c a lc r o s s c o r m e c t ) 、 光线路系统( o l s ，o p t i c a ll i n es y s t e m ) 和光放大器( o a ，o p t i c a la m p l i f i e r ) 等作 为光联网设备而构成 0 1 8 】。本文研究的内容限定于光骨干网和光城域网的光基础结构。 图1 1 由接入网到骨干网的d w d m 光网络总体结构示意图 现有的同步数字体系( s d h ，s y n c h r o n o u s d i g i t a l h i e r a r c h y ) 传送网对于目前以及 将来通信业务的发展日益显得效率低下，具体表现在以下几个方面：“电子瓶颈”的 限制、不适合综合业务的开发、对信号不透明、网络动态调整复杂、运营成本较高。 利用d w d m 技术的光传送网成为各个电信运营商最优选择。光传送网从功能上 柬讲，就是在光域内实现业务信号的传输、复用、路由选择、监控，并保证其性能指 华中科技大学博士学位论文 标和生存性。其基本思想是将点到点的波分复用系统用光交叉连接节点和光分插复用 节点连接起来，波分复用技术完成光传送网节点之间多波长光通道的光信号传输，光 交叉连接节点和光分插复用节点则完成网络的交叉连接、波长上下路等功能。现在的 d w d m 光传送网的发展与当年的s d h 光传送网非常相似，有背对背d w d m 终端、 o a d m 、o x c 等几种网元，在网络拓扑上也要经过点到点线性系统、d w d m 自愈环、 基于o x c 网状网和光分组网络等几个发展阶段。 与s d h 传送网技术相比，光传送网具有以下几个特征： ( 1 ) 光传送网中间节点采用光分插复用和光交叉连接设备，在一定程度上消除了 “电子瓶颈”的制约。 ( 2 ) 光传送网最终将对所传送信号的传输速率、数据格式以及调制方式完全透明， 并且适合未来新业务的开发。但目前受光电子器件技术成熟度的影响，还不可能做到 完全透明。 ( 3 ) 由于采用d w d m 技术，除了能够实现超大容量传输，光传送网还具有很强 的扩充性，使得光网络能够根据业务的发展进行扩容。 ( 4 ) 以波长路由为基础，光传送网具有很强的网络重构、保护与恢复能力，可以 在波长级、波长组级和光纤级进行灵活配置，其故障恢复时间也可以降至1 0 0 m s 以下。 但目前光传送网还缺乏全光域内完整、足够的性能监测和故障管理能力，这是制约光 传送网发展的重要因素。 ( 5 ) 光传送网将大幅度简化现有网络，降低网络建设、运营和维护成本。用光交 叉连接和光分插复用设备取代现有的电交叉连接和电分插复用设备，其运营成本将随 着光器件技术与工艺的成熟及其集成化、模块化而大幅度降低。 同s d h 传送网一样，光传送网满足传送网的通用模型，遵循一般传送网组织原理、 功能结构的建模和信息的定义。国际电信联盟i t u t 从1 9 9 7 年开始进行光传送网的 标准化问题，现已形成一系列框架性标准，包括g 8 7 1 & 8 7 5 ，g 7 9 8 ，g 7 0 9 ，g 6 6 4 ， g 6 7 1 ，g 6 6 1 ，g 6 6 2 ，g 6 6 3 ，g 9 5 9 1 。此外，i t u t 还在开发有关光传送网的配套 建议，如g o t n j i t 、g o p t p e f f , g 【_ d c n 、g ；d s n 等。 由于d w d m 全光网自身的优点及d w d m 技术的成熟与商用，近l o 年来全球形 成r 对d w d m 全光通信网研究的热潮1 1 9 - 2 5 。以美国为代表的北美地区、欧洲联盟以 及亚洲的日本都已开展了对d w d m 全光网络技术的研究，并进行了系统性的大规模 网络应用试验，如美国m o n e t ( m u l t i w a v e l e n g t ho p t i c a ln e t w o r k i n g ) 计划，欧洲r a c e 2 华中科技大学博士学位论文 ( r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti na d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e si ne u r o p e ) 计 划，以及a c t s ( a d v a n c e d c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g i e s a n ds e r v i c e ) 计划中的的“泛 欧光子传送叠加网( p h o t o n ，p a n e u r o p e a np h o t o n i ct r a n s p a r e n to v e r l a yn e t w o r k ) ” 和“泛欧光网( o p e n ，o p t i c a lp a n e u r o p e a nn e t w o r k ) ”。 我国自1 9 9 9 年开始设立国家高技术项目( 8 6 3 ) “中国高速信息示范网 ( c a i n o n e t ，c h i n aa d v a n c ei n f o o p t i c a ln e t w o r k ) ”项目，取得了突出进展，并于 2 0 0 1 年完成并通过验收。研制成功了1 3 个节点的全光通信网络，在北京海淀区地区 连接中科院、北京大学、清华大学、北京邮电大学和信息产业部电信研究院等，成为 全球规模最大的全光试验网之一。自主研究开发6 个3 2 3 2 的光交叉连接设备、7 个光分插复用设备和支持多厂家互操作的网络管理系统，为以光互联网技术为代表的 先进网络技术的研究、开发、测试提供了一个试验平台。 在“中国高速信息示范网”研究成果的基础上，2 0 0 2 年国家高技术项目( 8 6 3 ) 又提出建立一个能适应i n t e m e tr v 等媒体流实时传输的高性能、广域( 城域) 宽带演 示验证网络3 t n e t 。以高性能宽带信息示范网3 t n e t 的创建为手段，重点攻克t 比特 级智能光网络、t 比特级w d m 光传输、t 比特级路由器等系统设备的关键技术，全 面带动我国在新一代信息网络基础设施核心设备方面的自主开发。 未来光网络的发展趋势是高速化( 0 1 1 ) m 与d w d m 技术的结合) 、集成化( 光 电集成、功能模块集成) 、模块化、业务综合化，以充分适应全光通信网高速、可扩 展、业务透明以及离生存性的发展要求。 1 2 光传送网中的关键节点：光交叉连接设备 1 2 1o x o 在光传送网中的应用与功能 d w d m 技术的普遍采用，解决了网络节点间传输容量的问题。未来几年，骨干 网上单纤传送容量将达到t b ，s 。但网络节点瓶颈的问题依然很突出。随着更多的波长 在全光网中应用，网络将变得越来越复杂，逻辑上更趋向予完全的网状拓扑。光传送 网络节点总容量也将随之大幅度增长而达到t b s 量级。传统的以电为基础的网络节点 设备已经不能满足网络发展的需要，而具有更大波长处理能力和灵活组网能力的光交 叉连接设备( o x c ) 将成为组建全光网的必要【2 ”。 通过这几年的讨论和研究，对于o x c 的应用范围有了相对统一的看法，即o x c 华中科技大学博士学位论文 交叉连接、光层保护和恢复，以及作为光通道管理器，实现波长与波长之间的交换( 速 率高于2 5 g b i t s 信号间的交换) 。对于低速率的信号交换，应由电设备完成，如图1 2 所示。这样，不仅实现了网络的大容量传输，而且使网络更加可靠和灵活。与单独使 用d x c 相比较，既可以满足大容量交叉连接的需要，又可以对网络进行更精细的配 置和调度，增加了网络的可靠性和灵活性。此外，o x c 也可以单独用于特殊业务的 宽带网，例如f d d i 、c a t v 、h d t v 等，以单向、双向或广播的形式传输宽带数据、 视频的音频信号。 图1 2 0 x c 的应用 作为光传送网的核心节点，o x c 应具有节点无阻塞交换功能、有限广播或全广 播功能、光传送网自愈保护倒换功能、波长转换功能，此外，它还应具备波长信道光 功率均衡、光功率光信噪比，误码率检测、节点网元管理等功能。对于昌前作为实际 应用的o x c ，应提供以下基本功能： ( 1 ) 超大容量。以d w d m 技术为基础实现多方向、大容量的传送能力，能够满 足未来不断增长的传输容量要求。 ( 2 ) 大容量无阻塞光交叉连接能力。能够实现波长颗粒度的交叉连接。 ( 3 ) 多种业务接入方式。对于接入信号中所承载的业务是透明的，即接入信号可 以承载多种不同的宽带业务。 ( 4 ) 能够克服光传送网的传输损伤，如色散管理、光功率管理、消除光环路等。 ( 5 ) 基于波长通道的端到端连接指配。 ( 6 ) 光层动态带宽管理。随着更多光纤和波长接入光网络节点，带宽管理就变得 极为重要。o x c 应能够在光纤和波长两个层次上提供这样的管理。 ( z ) 基士这量亟鲎的茜圈络握芷塑遂复：自篮丛瑟置监由塑自弛塞吐让簋西挂盔 4 华中科技大学博士学位论文 式支持各种拓扑结构光网络的路由保护和恢复。 ( 8 ) 完善的网元和网络管理系统。网元管理实现节点内部管理功能，网络管理实 现由o x c 、o a d m 、o l t 等设备组成的d w d m 光网络的管理。 ( 9 ) 与其他厂商设备的互连互通。能够实现不同厂商设备之间光通道的互通，并 且能够根据标准的协议，实现网管信息的互通、自愈环的互通和波长路由动态重构的 互通。 12 20 x c 节点中的关键技术 建立由o x c 节点组成的全光网络，需要解决o x c 中的几个关键技术问题： ( 1 ) 光交叉连接节点的结构光交叉连接节点的结构直接影响其性能，如是否支 持波长通道虚波长通道、阻塞特性、模块性、升级能力以及节点成本。不同的节点结 构使用的光电子器件种类不同。根据选路功能主要是由哪一种器件实现，o x c 节点 结构通常分为两种，即基于空间交换的o x c 结构，和基于波长交换的o x c 结构。目 前已提出的o x c 结构有很多种，并且由于器件的相互可替代性，它们又可以演化为 更多种的结构。 ( 2 ) 光交叉连接节点中的光电子器件光交叉连接节点功能的实现依赖于光电子 器件的技术与性能，其成本也主要由光电子器件的数量与成本决定。其主要的光电子 器件有光开关、波分复用解复用器、光耦合器、可调谐滤波器、波长转换器、光再生 器、光放大器等。这些器件相关的光电和光子技术还没有很好地得到发展，因此目前 还不很成熟，其产品也不像电子器件那样便宜。但是这些领域正在不断取得巨大进步， 随着相关光子技术的逐渐成熟，光交叉连接设备的性能必将大大提高，其成本也将显 著降低。 ( 3 ) 光交叉连接节点控制管理单元该节点控制管理单元应能支持光网络管理中 心对本光交叉连接节点设备的运行进行控制、维护和管理，包括对光通道的路由控制、 性能监测、对节点的运行状况进行监测以及自愈控制等，进而完成对网络的故障管理、 配置管理与性能管理等。 1 230 x c 研究概况 从2 0 世纪9 0 年代开始，世界各国研究机构开始对o x c 设立研究开发项目。欧 洲r a c e 计划o s c a r 项目完成的o x c 样机用于宽带本地网络。交叉连接矩阵为8 8 严格无阻塞结构，采用4 个无极性的l i n b 0 3 4 x 4 空分交叉连接矩阵和1 6 个无极性的 华中科技大学博士学位论文 l i n b 0 3 1 2 空分交叉连接矩阵组成。o x c 的每个输入端都有再生器用于检测信号丢失 和补偿插入损耗。o x c 的管理由计算机完成。1 9 9 2 年在4 个0 x c 节点组成的格形光 纤网络上进行了实验，用于传输1 4 0 m b i t s 的视频信号，成功地验证了光纤链路的快 速保护倒换、路由选择和网络重配置等功能。 目前，国内外开展0 x c 产品研究的厂家很多，尤其是大的通信设备厂商几乎都 进行o x c 的研发，如l u c e n t 、s i e m e n s 、c o r v i s 、t e l l i u m 、国内的华为、大唐电信、 中兴通讯和峰火通信等，基本处于样机研发阶段，成为产品的还很少，比较有代表性 的主要有下面几种： ( 1 ) s i e m e n s 子公司o p t i s p h e r e 的光网络产品：t r a n s x p r e s s 光服务节点o s n m o d i f 0 x c 该产品定位于大容量的城域网和骨干网，目的是将各种各样的点到点w d m 系统 连接成一个真正的光网络。该o x c 系统使用基于m e m s 硅片制造技术的光开关来执 行交换功能，由于采用了真正的光交换，减少了运行维护代价，提高了安全可靠性。 采用分布式管理框架m o d i f ，可以管理数量为2 1 6 0 个光信号的交叉连接而不会产生 阻塞。该o x c 可以将i p 业务有效地汇集到一个开放的平台，采用1 + 1 光信道保护。 该产品的特征：能够管理多达2 1 6 0 个宾正的光交叉连接；相当好的模块性；对光信 号和制式完全透明；q 3 网络管理接口。 该o s n 节点还配备了一系列t r a n s x p r e s so c u 光信道单元，包括光转发单元、中 继器、多个速率登基的复用光终端单元、1 + 1 光信道保护倒换盘，并且采用光电光 方式执行3 r 再生功能。 f 2 ) c o r v i s 公司的c o r w a v e 全光网络系统 c o r v i s 公司的c o r w a v e 全光网络系统是世界上第一个全光网络系统。该系统可以 通过乔面点击来配置光开关的状态，支持的速率可以是2 5 g b ，s 和1 0 g b s 。在1 9 9 9 年全球s u p e r c o m m 9 9 会议的展示会上，c o r w a v e 公司展示了它们的c o r - 2 4 0 0 光路由 器产品，该产品可以透明交换最高容量2 4 t b s 的业务，并且可以在5 0 m s 内提供光域 保护，但是具体的实现方案没有透露。 ( 3 1l u c e n tw a v e s t a rl a m b d a r o u t e r 全光波长路由器 2 0 0 1 年7 月，朗讯科技公司推出了世界上第一个真正意义上的全光波长交换的 o x c ，命名为波长路由器。其系统内部的开关采用m e m s 开关技术，开关的动作可 以通过软件来实现，控制都采用双重备份，提高了可靠性。由于内部不存在光电光 曲处理过提。减尘工光僮。光琏换蓝塞的成盔。输厶输出接目透盟。该亡品主要应田 6 华中科技大学博士学位论文 fi p 网、传送网网关、环形网和格型网中。该产品的特点是：能够传送无速率限制 的光信号；对协议和比特率透明；该系统相对于电的解决方案有更少的连线；能够支 持2 5 6 2 5 6 个双向交换端口，并且单个端口能够支持容量高达4 0 g b s 的速率：内部 采用2 5 6 2 5 6 纵横开关结构，能实现真正的快速严格无阻塞全交叉连接；交换结构对 比特率和协议透明，可以支持s d h 、g b e 、a t m ；1 + 1 光信道保护，并且保护倒换时 间小于5 0 m s 。 国内在o x c 研究方面起步较晚，前几年主要由几所著名高校( 清华、北大、上 海交大、北邮) 在国家“8 6 3 ”计划和国家自然科学基金的资助下在这方面进行了一些 开创性的工作，取得了一些阶段性的研究成果，积累了一些经验。近两年，国家“8 6 3 ” 计划启动中国高速信息示范网( c a 矾0 n e t ) ，国内几家大的通信设备制造厂家( 如 烽火、大唐、中兴等) 积极开展o x c 设备研制，极大地提高了我国光交叉连接设备 的研究水平。通过现场联试和试验，在系统与网络问的兼容性、设备的互操作性、o x c 设备的级联特性、系统的保护恢复能力、组网能力、网络管理等方面取得了不少成功 的经验，极大地缩短了与国际水平的差距。 1 3 本论文研究方法与论文结构 近1 0 多年来，北美、欧洲、日本等国著名的通信研究机构和通信公司对光交叉 连接进行了大量研究，并在这方面发表了相关的技术文献。本实验室近几年对此也进 行了研究工作。本人的工作是在阅读大量相关文献的基础上设计具有节点功能的光交 叉连接总体结构，并进行性能分析，得出对o x c 设计具有指导意义的结论。 光交叉连接节点设备是一个庞大复杂的系统，它不仅涉及到其应用环境：光传送 网的一些限制，必须遵循某些传统电的通信设备设计原则与标准，还必须考虑到目前 仍不成熟且正在发展的光予光电子器件技术与工艺水平。因此进行光交叉连接节点 的设计也必须考虑到这些因素的影响。 与目前大多数文献报道不同的是，本论文设计的光交叉连接结构，具有节点级功 能，它不仅包含有其核心的光交叉连接模块，还包括了节点放大单元、节点光功率管 理单元、波长转换单元、支持网络管理的节点控制与管理单元等。因此，对这些单元 对整个光交叉连接节点结构影响的分析成为本文工作必需的部分。在进行光交叉连接 总体结构设计中，本论文从光传送网三层模型出发，并遵照相关的标准和协议，采用 了两个功能层次的光交叉连接模块，既保证了光复用段层交叉连接的简单与快速保护 倒换特性，同时又兼顾光通道层交叉连接的灵活性。 7 华中科技大学博士学位论文 各章主要研究内容分别描述如下： 第一章引言 介绍光传送网相对于传统的s d h 传送网技术具有的特征和存在的优势，对光传 送网主要研究内容和关键技术进行了分解和介绍，对近年来光传送网的研究进展和发 展趋势进行了展望。简单介绍了光传送网中的光交叉连接节点，归纳了o x c 节点中 的关键技术问题，总结了世界各国主要研究机构和产业界在o x c 方面研究与开发的 最新进展和发展动态。 第二章光传送网中的光交叉连接节点及总体结构设计 简要介绍了o x c 在光传送阚中的功能、应用、特征及三种类型。简单阐述了评 价o x c 性能的多个指标。详细描述了o x c 节点一般结构、主要模块及原理。针对 具体的光传送网网络环境，按照相应标准或标准草案，重点进行了实用光交叉连接结 构设计。提出并设计了两种两个功能层次的o x c 方案，给出了光交叉连接总体框架 设计方案，规定了各功能模块实现的功能。 第三章o x c 光交叉连接模块结构 详细介绍了几种基本的o x c 光交叉连接模块结构，包括w s x c 和w i x c ，并对 它们进行了总结和归类。介绍了光交叉连接模块中多种光交换网络。提出了一种新型 的寻径型c r o s s b a r 光交换网络，并将它与前面两种c r o s s b a r 光交换网络进行了比较。 第四章寻径型c r o s s b a r 光开关阵列的研制 采用新型方法按寻径型c r o s s b a r 光交换网络实现了4 4 光开关阵列的制作。详细 描述了该开关阵列的总体结构、工作原理、各部分元器件结构与设计。对其插入损耗 进行了详细的数学计算与分析。对制作的光开关阵列进行了包括插入损耗、远端串扰、 开关时间的性能测试。 第五章光交叉连接节点中的波长转换 从波长转换对光网络阻塞性能的影响、对光网络逻辑拓扑结构设计两方面简单介 绍了波长转换在光网络中的作用。扼要介绍了有效利用波长转换网络设计的三种限 制。针对波长转换对光网络阻塞性能影响的定量分析，总结了几种典型的理论模型。 对其中不具有独立链路负载假设的概率模型进行了详细介绍。在不具有独立链路负载 假设的概率模型上，定量计算和分析了波长转换与光交叉连接规模的关系。对于波长 分组光交叉连接结构，计算了有无波长转换光网络链路利用率及链路利用率增益。简 单介绍了三种共享波长转换器o x c 结构，其中重点计算和分析了节点共享型o x c 结 构性能。最后简要介绍了目前常用的几种波长转换器技术及相应性能。 华中科技大学博士学位论文 第六章光交叉连接节点中的串扰与光信号再生 简单介绍光网络中引起光信号传输损伤的因素和串扰的类型。具体分析了光交叉 连接模块中线性串扰的主要引入源，并对几种常用的光交叉连接模块结构中的串扰作 了定性比较。针对其中一种典型结构：波长分组光交叉连接结构内串扰引起的光信号 质量下降进行了定量计算和分析。从多个方面对光网络透明性问题进行了综合论述。 最后介绍了几种光再生器的原理、结构和性能。 第七章光放大与光交叉连接节点中的光功率均衡 扼要介绍了掺铒光纤放大器工作原理、应用环境以及主要性能。分析了光传送网 中影响光功率均衡的主要因素及由此产生的光网络性能恶化。简单介绍了几种掺铒光 纤放大器光功率均衡的方法。定量计算和分析了配置掺铒光纤放大器光交叉连接节点 信噪比，利用节点隔离原理得到了信噪比与线路放大器、前置放大器、功率放大器的 增益与噪声系数的关系；在保证一定信噪比的情况下，相邻光交叉连接节点之间最大 线路放大器个数，以及最大无3 r 再生光交叉连接节点个数。对双级光功率均衡光交 叉连接进行了具体定量计算和分析。 第八章全文总结 9 华中科技大学博士学位论文 2 光传送网中的光交叉连接节点及总体结构设计 2 、1 o x c 分类 按照功能和内部结构划分，o x c 可以分为以下三类【2 s 1 【3 3 1 ： 光纤交叉连接( f x c ，f i b e rc r o s s c o n n e c t ) ：将任意一根输入光纤中的所有波长一 次性地交叉连