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a s o n 中多粒度光节点技术的研究 摘要 摘要 基于i po v e rw d m 技术的光互联网被公认是目前实现数据网和光 网融合的最有前途的网络解决方案。而以i p 业务为代表的数据业务 的爆炸式增长，单信道传送速率的快速增长，密集波分复用技术的使 用，骨干网的电信级大容量快速交换需求，使得对光传送网交换节点 的要求越来越高。在光网络骨干网上，o x c 的交换容量大，其端口数 多，同时每个端口将承载多个波长。这些大容量交换提出网络的扩展 性和o x c 的设计问题。增加光网络容量同时不增加其复杂度的一个办 法是：多粒度交换方法。其基于相同的波长、波带和光纤交换粒度， 将去往同一目地的波长或波长带分组，减小了o x c 交换矩阵光端口的 数量。从元件和管理的观点上看，它减小了基于o x c 的网络的费用和 复杂度。支持多粒度光交换的智能网节点技术及其系统应用是新一代 信息网发展的重要方向之一。 本文主要研究自动交换光网络中多粒度光节点关键技术与实现 方案等相关问题。文中首先简要介绍了自动交换光网络的体系结构并 对光网络的节点技术的发展进行简单分析：然后分别对自动交换光网 络中多粒度光节点关键技术如节点结构、性能比较、实现方案等进行 论述，同时简单分析了传统o x c 的基本结构及功能、应用；本文接着 对光网络的阻塞率的计算方法进行了阐述，重点对自动交换光网络中 多粒度光节点的阻塞率问题进行了研究；最后，本文针对自动交换光 网络中多粒度光节点的故障检测问题进行分析，重点研究了波带故障 恢复技术，给出了在多粒度光交换节点试验平台上进行波带故障恢复 的演示方案和结果。 关键词 自动交换光网络光交叉连接节点多粒度光交换波带交换 北京邮 乜人学顺l 学位论殳 r e s e a r c h0 nt e c h n o l o g i e s0 f m u i j i g ra n u l a r ao x ci na u t o m a = f i ( 址乙y s w i t c h i n go p t i c a ln e t w o r k a b s t r a c t a b s t r a c t t h em o s tp r o m i s i n g w a y t or e a l i z et h ei p i n t u s eo ft h ed a t an e t w o r k a n dt h eo p t i c a ln e t w o r ki so p t i c a li n t e r n e t ，w h i c hi sb a s e do nt h ei po v e r w d ma n dr e c o g n i z e da l lo v e rt l l ew o r l d t h ee x p l o s i v ei n c r e a s eo ft h e d a t ab u s i n e s sr e p r e s e n t e db yt h ei pb u s i n e s s ，t h ef a s td e v e l o p m e n to ft h e t r a n s p o r t r a t eo ft h e s i n g l ec h a n n e l ，t h eu s eo ft h e d e n s ew 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 ( d w d m ) t e c h n o l o g ya n d t h e g r e a t d e m a n do f r a p i ds w i t c h i n gi nl a r g ec a p a b i l i t y a tb o n e b a c kn e t w o r k ，a l lt h e s eh a v e b r o u g h ta b o u tat r e m e n d o u sd e m a n d ( i e n u m b e ro fp o r t s ) f o ro p t i c a l c r o s s c o n n e c t s ( o x c s ) t h e o x c sh a sn o t o n l y a l a r g es w i t c h i n g c a p a b i l i t yb u ta l s oh a sp l e n t yo fp o r t s a tt h es a m e t i m ee a c h p o r t c a nh a s s e v e r a lw a v e s w h i c hr e s u l t si nt h ep r o b l e m sa b o u tt h ee x t e n s i o no ft h e n e t w o r ka n dt h ed e s i g no f0 x c s t h ew a yt oi n c r e a s et h ec a p a b i l i t yo f n e t w o r kb u tn o tt oi n c r e a s ei t s c o m p l e x i t yi sm u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a l c r o s sc o n n e c t s ( m g - 0 x c s ) t h ew a v w h i c hi sb a s e do nt h ei d e n t i c a l w a v e l e n g t h ，w a v e b a n da n do p t i cf i b e r ，g r o u p s t h e w a v e l e n g t h o rt h e w a v e b a n dt h a th a st h es a m ed e s t i n a t i o ns ot h a ti tr e d u c e st h en u m b e ro f p o r t s f o r o p t i c a l c r o s sc o n n e c t s ( o x c s l i nt h ev i e wo fe l e m e n ta n d m a n a g e m e n t i tl o w e r st h ec o s ta n dt h ec o m p l e x i t yo ft h en e t w o r kb a s e d o n0 x c s t h ec r o s s c o n n e c tt e c h n o l o g yo ft h ei n t e l l i g e n tn e t w o r kt h a t 北京邮电大学坝i 学化沦文 s u p p o r tm u l t i g r a n u l a r i t y o p t i c a l s y s t e m i so n eo ft h e i m p o r t a n t i n f o r m a t i o nn e t w o r k a b s t r a c t s w i t c h i n g a n dt h e a p p l i c a t i o n o ft h e d e v e l o p m e n t s f o r t h e n e w g e n e r a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l ya b o u tt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ea s o n s m g o x c sa n dt h e i m p l e m e n t i n gp r o j e c t a n ds o m eo t h e rr e l a t i v e p r o b l e m s t h ea r t i c l e f i r s t b r i e f l yi n t r o d u c e ss y s t e m a t i cs t r u c t u r e o ft h e a s o na n dt h e n a n a l y s e s t h e d e v e l o p m e n t o ft h ec r o s s c o n n e c t t e c h n o l o g y s e c o n d l y , i td i s c u s s e st h ek e yp r o b l e m s ( i e ，t h ea r c h i t e c t u r e o fo x c s ，c o m p a r i s o no ft h ea b i l i t ya n dt h ei m p l e m e n t i n gs c h e m e ) a n d a n a l y s e st h eb a s i ca r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o na n da p p l i c a t i o n so f t h et r a d i t i o n a l 0 x c s t h e n i ts e t sf o i r t ht h em e a s u r et oc a l c u l a t et h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t y o ft h eo p t i c a ln e t w o r k f i n a l l y , i ta n a l y s e st h ep r o b l e mo ff a u l td e t e c ti n a s o n sm g o x c s t h ec e n t e ri st h e t e c h n o l o g y o f r e c o v e r i n g t h e w a v e b a n d sf a u l ta n dg i v e st h ed e m o n s t r a t i n gs c h e m ea n dr e s u l t si nt h e e x p e r i m e n tf r a m eo fm g 0 x c s k e yw o r d s a u t o m a t i c a l l ys w i t c h i n go p t i c a ln e t w o r k ( a s o n )o p t i c a l c r o s s c o n n e c t ( o x c s )m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n g w a v e b a n d s w i t c h i n g 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：五丛型壅整日期：卫! ：王：堕 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) 本学位论文不属于保密范围。适用本授权书。 本人签名：；篮差鱼盔r 期：丛! 。1 。丛 导师签名：盈i 型垦日期：竺竺：2 ：塑： 北京邮电大学硕f 学位论殳 1 1 引言 第一章绪论 第一章绪论 从历史上来看，光网络发展到今天，大致可以分为两代：第一代光网络以 s d h s o n e t 为代表，它在历史上第一次实现了全球统一的光网络互联技术，而 i t u t 提出的光传送网( o t n ) 可以认为是第二代光网络，其主要特点为在光层 上增加了交换、选路和其他智能功能，从而是真正意义上的“光”网络。随着光 传送网技术的成熟，网络的智能化和自动化的程度越来越高，同时o o s 保证和流 量工程的特征也日益明显，这些都预示了光网络向下一代的发展。以自动交换光 网络( a s o n ) 为代表的智能光网络正是在这一历史发展潮流中从各项技术中脱颖 而出的 1 2 。 a s o n 的概念来源于智能光网络。1 9 9 8 年以美国s y c a m o r e 公司为代表的一批 创业型小公司，在市场和网络建设的驱动下，率先提出了智能光网( i o n ) 的概念， 将a t m 和i p 路由功能引入到光网中，使得以w d m 为基础的光层组网技术和以i p 为基础的网络智能化技术迅速发展并结合起来。s y c a m o r e 还联合其他公司发起 成立了光域互联联盟( o d s i ) ，倡导发展智能光网技术标准。1 9 9 9 年，由北电和 朗讯公司牵头在t i x i 5 会议上提出了a s o n 的概念和研究方向，受到众多通信厂 商和运营商的重视和认可。t i x i 将a s o n 结构作为北美的建议提交给i t u t 。在 2 0 0 0 年的i t u t 会议上，正式确定由s g l 5 组开展对a s o n 的标准化工作。i t u t 迸一步提出自动交换传送网a s t n 的概念，明确a s o n 是a s t n 应用与o t n 的一个 子集，制定了有关a s o n 总体结构和需求方面的标准。 自动交换光网络( a s o n ) 概念的提出是传送网概念的重大历史性突破，代表了 下一代光网络发展的方向。随着自动交换光网络技术的应用，光传送网将从过去 单纯提供连接的基础网络，转向提供多种智能服务的业务网络。自动交换光网络 的基本思想是在光传送网络中引入控制平面，以实现网络资源的实时按需分配， 从而实现光网络的智能化。采用自动交换光网络技术之后，传统的多层复杂网络 结构可变得简单化和扁平化，光网络层开始直接承载业务，避免了传统网络中业 务升级时受到的多重限制，从而满足用户对资源动态分配、高效保护恢复能力以 及波长应用新业务等方面的需求。 1 、自动交换光网络的体系结构 北京邮电大学顾i 。学位论义第一章绪论 图卜l 为a s o n 光网络体系结构模型e 4 3 5 1 2 ，整个网络主要包括三个 平面，即控制平面、管理平面和传送平面，三个平面之问通过相应的接口交互信 息。 嚣i ，舒辊擅。：s h 。? 嚣簇：镕擅。：井_ _ * _ 镕接。 c c i = 毫接控材接口m l _ ，珞警曩蠢口1 4 1 1 1 - i ，舟蜡f 丑接口t 图1 1 智能光网络林系结构图 与传统的光网络相比，智能光网络中增加了一个核心的控制平面。它由分布 于各个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 源管理等功能模块组成，而各个控制网元相互联系共同构成信令网络，用来传送 控制信令信息。控制网元的各个功能模块之间通过信令系统协同工作，形成一个 统一的整体，可实现连接的自动化，并且能在连接出现故障时，进行快速而有效 的业务恢复。 智能光网络中，传统的光传送网管理体系被基于传送平面、控制平面和信令 网络的新型多层面管理结构所替代，构成了一种集中管理与分布智能相结合、面 向运营者的维护管理需求与面向用户的动态服务需求相结合的综合化的光网络 管理方案。管理平面与控制平面技术互为补充，可以实现对网络资源的动态配置、 性能监测、故障管理以及业务连接管理等功能。 智能光网络传送平面由一系列的传送实体组成，它可提供用户信息端到端的 单向或者双向传输。传送网络基于格状( m e s h ) 网络结构，光传送节点主要包括 光交叉连接( o x c ) 和光分插复用器( o a d m ) 等设备。 如图1 1 所示，三个平面通过三个接口实现信息的交互。其中，连接控制接 口( c c i ) 是智能光网络控制平面与和传送平面之间的接口，通过它可传送连接 控制信息，建立光交换机端口之间的连接。而网络管理接口a ( n m i a ) 和接口t ( n m i t ) 的作用是实现管理平面对控制平面和传送平面的管理。此外，在控制 甲面内部存在两种逻辑接口用户网络接口( u n i ) 和网络网络接口( n n i ) ， 2 北京邮电人学坝l 学位论业 第一章绪论 通过这些接【j 可交换信令路由信息。 2 、自动交换光网络的优点： 在传统的传送网中引入动态交换的概念不仅是几十年来传送网概念的重大 历史性突破，也是传送网技术的一次重要突破。与现有的光传送网技术相比，a s o n 有以下特点 1 3 1 4 ： $ 允许将网络资源动态地分配给路由； $ 采用了专用的控制平面协议不是通用的网管协议； 书可扩展的信令集； 多厂家环境下的连接控制； $ 快速的业务提供和拓展； 减少了业务提供者开发和维护用于新技术配置管理的需要； 宰奄受好的恢复能力，使网络在出问题时仍能维持一定水准的业务，特别 是分布式恢复能力，可以实现快速业务恢复； 可以引入新的业务类型； 按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、按使用量付费、光 拨号业务、动态路由分配、闭合用户群、光层虚拟专用网等，使传统的传送网向 业务网方向演进； 丰可以提供各种不同质量档次的特色业务，例如，可以按照不同层面上 的不同保护级别提供不同的业务类别。 可以预计，随着全网业务的迅速数据化，特别是宽带i p 业务的快速发展， a s o n 将不仅可以提供巨大的网络节点容量，而且可以提供可持续发展的动态网 络结构、可靠的性能以及廉价的成本来支持当前和未来的任何业务和信号，成为 支持下一代电信网灵活有效的基础设施和新波长业务的直接提供者。 3 、自动交换光网络中的节点技术 目前以i p 业务为代表的数据业务爆炸式增长，单信道传送速率从2 5 g b s 到1 0 g b s 到4 0 g b s 的快速增长，密集波分复用技术的使用，骨干网的电信级大 容量快速交换需求，使得光传送网交换节点要求越来越高。网络的生存性，网络 的恢复和自愈问题都变得非常重要。f 3 o x c 技术的发展，提供了替代复杂的电 交叉连接，使空闲光纤数减小，同时，不需要光电转换，提供了比电交叉连接更 高的交换效率。光交叉连接设备( o x c ) 能在光层解决网络恢复和自愈问题，极 大提高网络的生存性和网络的恢复时间。因此，光交叉连接设备作为了光传送网 的关键网元设备，它的发展将对光传送网的发展起到重大的影响和推动作用。 在光网络骨干网上，o x c 的交换容量大，其端口数多，同时每个端厂| 将承 载多个波长。这些大容量交换提出网络的扩展性和o x c 的设计问题【6 】。增加光 3 北京邮l 扎人学碳i 学位论史第一帝绪论 网络容量同时不增加其复杂度的一个办法是：多颗粒度方法。a s o n 的总体需求 框架标准g 8 0 8 0 中明确指出，a s o n 节点应具有多粒度交叉、多业务接入的能 力。多粒度方法基于相同的波长、波带和光纤交换粒度，将去往同一目地的波长 或波长带分组，减小了o x c 交换矩阵光端口的数量，从元件和管理的观点上看， 它减小了基于o x c 的网络的费用和复杂度。多粒度o x c 能交换不同的粒度， 包括：波长级( w x c ) 、波带级( b x c ) 、光纤级( v x c ) 。 基于多粒度交换o x c 有两种方案，第一种方案( 静态疏导) 将输入业务直 接送到需要交换的端口处，即将需要进行光纤交叉连接的业务汇聚到f x c 端口， 将需要波带交叉连接的业务汇聚到b x c 端口，将需要波长交叉连接的业务汇聚 到w x c 端口，分别进行交换，并将交换的业务送到其输出端。第二种方案( 动 态疏导) 将所有的光纤通过f x c 。其中需要更小粒度交换的业务将通过f x c 交 换到b x c 输入口，同时，需要再更小粒度交换的业务交换到w x c 输入端口， 交换后返回。同时，在w x c 输出端口可以添加波长变换器，动态汇聚较静态汇 聚而言需更少的端口数。基于多粒度交换的o x c 结构具有更灵活的交换功能， 减小了大容量交换的端口数目，为网络提供了更灵活的动态重构方式，增强了网 络的生存性1 7 8 1 。 光纤交叉连接f f x c ) ：将任意一根输入光纤中的所有波长一次性地交叉连接 到任意一根输出光纤。可以看成是自动光纤配线架。结构简单，交叉连接的颗粒 度最大，可提供最简单的配置和网络恢复能力。对于光纤切断的大故障，f x c 是一 种可行的解决方案。但是不够灵活，无法提供端到端的波长业务【9 1 。 波带交叉连接x c l ：能够将任意一根输入光纤中的一个波带交叉连接到任 意一根输出光纤的波带上，具有业务疏导能力，颗粒度在f x c 和w x c 之间， 可以节省o x c 的交换成本，具有配置和网络恢复能力。 波长选择交叉连接( w s x c ) ：将输入光纤中任意波长交叉连接到使用相同波 长的输出光纤，实现波长颗粒度的交叉连接，具有提供端到端的波长业务能力和 波长级业务量疏导能力，可以实现复杂网络波长通路的保护和恢复。 波长交换交叉连接( w i x c ) ：具有波长变换能力的w s x c 。能够将任意一根 输入光纤中的任意波长交叉连接到使用不同波长的任意根输出光纤上，在组 网、业务提供和恢复方面有最大的灵活性，缺点是实施技术复杂成本较高。 作为网元级管理代理，节点控制管理单元安装在o x c 节点中，根据了网级 或网络级管理中心的指令，完成对波长通道的路由控制。节点控制管理单元还负 责对节点和网络的运行状态进行实时监测，当检测到网络故障时应及时发出报警 信息，并肩动网络自愈功能，保证网络通信的正常进行。通过o x c 节点控制管 理单元，可以实现对o x c 节点和w d m 网络的智能化管理。 4 北京邮电人学硕f 学位论文 第一章绪论 4 o x c 前景分析： 随着光网络朝高速大容量方向发展，t e r a 比特网络成为需求。同时，以i p 、业务为主导的多业务的接入，和能支持光分组交换的未来光网络，使得对光网络 的关键网元设备o x c 提出更高的要求和更重要的应用前景。首先是交换容量需 求大大增加，使得对o x c 的交换能力要能适用电信级骨干网的需求，端口数量 至少要上千，同时稳定性和可靠性要求保证。其次，未来光网络的生存性和保护 策略是对网络性能至关重要，要求o x c 节点能支持网络的恢复自愈和动态重构， 在光层倒换，解决故障。能对波长、波带、光纤级保护恢复，使网络结构最优 化。同时，o x c 要求能提供连接和带宽的管理功能，提供清晰的通道连接，提 供波长上下路功能，及全光通道。随着下一代光网络a s o n 的出现和控制平面 的引入，o x c 要求能支持多协议业务。同时，未来o x c 要能支持光分组交换， 这就要求o x c 交换速度达到纳秒量级。总之，o x c 的发展将对光网络中的发展 起到重大的推动作用【9 】【1 0 】 1 1 】。 支持多粒度光交换的智能网元节点技术及其系统应用是新一代信息网发展 的重要方向之一。“多粒度光交换”思想的引入不仅提高了光网络设备的传送效率 和吞吐容量，而且丰富了光网络的智能化控制和管理的层次与水平，从而大大增 强了网络对不同颗粒度带宽处理能力的灵活性。 1 2 本论文的工作 本论文主要内容是进行自动交换光网络中多粒度节点技术的研究，并针对实 验室项目所需提出节点总体结构设计及具体实现，其中包括项目演示设计，硬件 故障检测，硬件故障及恢复演示设计，并进行了相关理论分析。论文各章主要内 容包括以下几个方面： 1 简单介绍了自动交换光网络的体系结构、优点，并对自动交换光网络的节点 结构进行了简单分析，指出了多粒度交换节点技术的基本思想，并对光网络 的节点技术的发展进行简单分析。 2 多粒度交换节点技术是目前研究的热点问题，也是发展自动交换传送网的关 键技术，在对传统交叉连接节点进行基本结构、功能、应用等方面的简单介 绍之后，本章重点针对目前提出的多粒度交换节点结构进行多方面的比较分 析，并给出了实验室多粒度试验平台的多粒度节点结构，具体实现方案。 3 光网络的阻塞率是影响网络性能的一个主要方面，对于光网络阻塞率的研究 和分析是本章的重点内容，本章介绍了两种计算简单的分析光网络阻塞率的 方法，并针对多粒度节点结构给出了一种分析阻塞率的方法。 4 在传统的波长路由光网络中，根据恢复粒度的大小，故障恢复呵以分为基于 北京邮l u 大学硕i j 学位论义 第章绪论 链路的恢复和基于( 波长) 通道的恢复。而在多粒度交换网络中，出于波带 交换的引入导致在故障类型和恢复机制上具备了一些新的特征，本章的主要 内容就是在分析光网络的故障检测机制前提f ，重点分析波带故障恢复技术 及利用多粒度交换节点试验平台实现故障恢复。 北京邮i 乜= 学硕i j 学位论文 2 1o x c 概述 第一章多粒度a s o n 的节点技术 第_ _ _ 章多粒度a s o n 的节点技术 从2 0 世纪后半叶至今，光纤通信技术得到了很大的发展，但是从目前光纤 通信技术的整体水平看，其巨大潜力尚未完全发挥出来，其中的主要障碍是节点 的电子瓶颈问题。 所以人们就提出了光交叉连接( o x c ) 这个概念，o x c 是最典型的光传网的 网元设备，它具有多个标准的光纤接口，它可以把输入端的任一光纤信号f 或其 各波长信号) 可控地连接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。通过使用光交叉连接设备，可以有效地解决现有的数字交 叉连接( d x c ) 设备的电子瓶颈问题 2 0 1 。 瑚】o m ) 竹基皋撼构 图2 10 x c 的基本结构 o x c 的结构及其工作原理 如图2 1 所示，o x c 主要由输入部分( 放大器e d f a ，解复用d m u x ) ，光交叉 连接湘分( 关交叉连接矩阵) ，输出部分( 波长变换器0 t u ，均功器，复用器) ，控 制和管理部分及其分插复用这血大部分组成 1 5 。 假设图2 1 中输入输出0 x c 设备的光纤数为m ，每条光纤复用n 个波长。这 些波分复用光信号首先进入放大器e d f a 放大，然后经解复用器d m u x 把每一条光 北京邮i u 人学硕i 学位论文 第一亭多粒度a s o n 的节点技术 纤中的复用光信号分解为单波长信号( x 。 、) ，m 条光纤就分解为m n 个单波 长光信号。所以信号通过( m n ) ( m n ) 的光交叉连接矩阵在控制和管理单元的 操作下进行波长配置，交叉连接。由于每条光纤不能同时传输两个相同波长的信 号( 即波长争用) ，所以为了防止出现这种情况，实现无阻塞交叉连接，在连接矩 阵的输出端每波长通道光信号还需要经过波长变换器0 t u 进行波长变换。然后再 进入均功器把各波长通道的光信号功率控制在可允许的范围内，防止非均衡增益 经e d f a 放大导致比较严重的非线性效应。最后光信号经复用器m u x 把相应的波 长复用到同一光纤中，经e d f a 放大到线路所需的功率完成信号的汇接。 o x c 的基本模块 光交叉连接矩阵 纯光交叉矩阵的0 x c 仍然处于研发和现场实验阶段，主要问题之一是尚 未有性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的光交换矩阵。光交换矩阵的主 要指标是与偏振无关，光通道隔离度大，插入损耗小，通道损耗小，通道均 匀性好，多波长操作能力好。 目前有许多方法来实现光交叉连接 1 6 1 7 。有传统的光机械开关、 l i n b 0 3 开关、i n p 开关、半导体光放大器( s o a ) 开关等。光机械开关可靠性 好，但开关速度太慢，并且它们不能适合大批量生产，所以不适合用于高速 宽带网络节点0 x c 中：基于l i n b 0 3 的交换矩阵，由于对波长较敏感，损耗 偏高，所以也不是很理想；基于l n p 的集成数字光开关矩阵，对偏振状态不 敏感，可靠性好，适合于批量生产，但还需要解决插入损耗和光通道隔离度 的问题。另外光放大器( s o a ) 开关虽然可以对信号进行放大以补偿分波合波 的损耗，具有很宽的光带宽，但是s o a 的偏振相关性很大，不容易克服，所 以这种光丌关也得不到广泛的应用。 近来，一种称为微电子机械开关( m e b l s ) 的新型光开关已显示出了远大的 发展前途 1 8 。以m e m s 为基础制造出来的光开关是无源开关，与光信号的 格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时在进行 光处理过程中不需要经过光电或电光转换，可直接在光域中进行。 波长变换器 波长变换器是实现波分交换的关键器件。波长变换器有多种实现方案【1 6 】， 目前较为成熟的有o e o 方案，用o t u 进行波长变换，光信号首先被转换为电 信号，再用电信号来调制新的光源；基于半导体光放大器( s o a ) 的交叉增益调 制( x g m ) 型全光波长变换器：基于s o a 的交叉相位调制( x p m ) 型全光波长 变换器；四波混频型波氐变换器。 其他模块 北京邮【乜大学坝 。学位论文 第一章多粒艘a s o n 的节点技术 在o x c 设备中，掺铒光纤放大器0 s d f a ) 的作用是有效补偿线路损 耗和节点内部损耗，延长传输距离。e d f a 具有宽频带，对调制方式和 传输码率透明等特点。 均功器使各波长通道光功率的差异在允许的范围内，防止在经过多 个节点的e d f a 级联以后对系统造成严重的非线性效应。 控制可管理单元实现o x c 设备各功能模块的控制和管理。它有自动 保护倒换功能，也能够支持光传送网的端到端的连接指配，动念配置波 长路由，快速保护和恢复网络传输业务。 2 1 1 典型的0 x 0 基本结构 o x c 节点结构普遍方案 目前0 x c 节点结构普遍采用三种方案 1 9 ：图2 2 所示的是一种传统的0 x c 节点结构，具有p 个输入输出链路，每链路内传输n 个波长，链路内的波长分 别由光前置放大器( 0 p a ) 完成全光信号放大功能和由光分波单元( 0 d u ) 完成分 波功能，然后在核心部分采用( p + m ) x ( p + m ) 同波交换矩阵模块和光转发单元 ( 0 t u ) 模块阵列，以实现m n 个波长的上路和m x n 个波长的下路，最后由光 合波单元( 0 m u ) 完成合波功能并由光功率放大器( 0 b a ) 完成全光信号放大功能。 此方案不能实现任意波长上下路到指定端口，缺乏灵活性，同时对所有波长采用 0 t u 来实现波长信号电再生，存在成本昂贵、缺乏波长透明性以及难以实现波长 变换及广播功能等缺点。 图2 3 所示是另一种常用的0 x c 节点结构，该结构将图2 2 中的光转发单 元( 0 t u ) 模块换成了光可调谐衰减器( v o a ) ，并增加上路0 t u 模块，从而具有 波长的透明性，同时具有波长模块性和可扩展性等特点。但此方案同样难以实现 任意波长上下路到指定端口功能、波长变换及广播功能，而且如何在0 x c 节点有 效地实现波长信号电再生也是个问题。 图2 4 是另外一种普遍采用的0 x c 节点实现方案，与图2 2 所示方案相比， 核心部分采用一个( p x n 十m ) ( p y l + m ) 的大型光交叉连接矩阵替换1 3 个( p + m ) ( p + m ) 同波交换矩阵，从而实现了所有波长完全交叉到指定端口，完全波长变 换以及波长信号电再生功能，但是由于光交叉连接矩阵的规模太大，实现困难， 成本高，大量的0 t u 进一步增加了0 x c 设备成本，而且此方案缺乏波长透明性， 缺少波长模块性，不易于扩展，难以完成有限广播功能。 9 北京邮l u 人学碘 学位论文第一章多粒度a s o n 的节点技术 图2 2 常用0 x c 节点结构 图23 常用0 x c 节点结构 1 0 北京邮电人学坝i ：学位论文 第一章多粒度a $ o n 的节点技术 图2 4 常用0 x c 节点结构 传统光交叉连接节点的结构 目前提出的0 x c 节点，按功能结构可分为三级 1 5 ：输入级、交换级、输出 级。交换的粒度可分三种，波长交换、波长组交换、链路交换。输入级通常有以 下几种结构：( 1 ) 解复用器；( 2 ) 耦合器+ 可调谐滤波器；( 3 ) 耦合器和多波长 选择滤波器；( 4 ) 耦合器。交换级通常有以下几种结构：( 1 ) 空分交换矩阵；( 2 ) 分送耦合器( d e l i v e r i n g a n d c o u p l i n gs w i t c h e s ) ：( 3 ) 耦合器+ 滤波器多波 长选择滤波器进行波长波长组交换；( 4 ) 级联阵列波导光栅复用器 ( a r r a y e d w a v e g u i d eg r a t i n gm u l t i p l e r x e r ) 的特性实现波长交换等。输出级通 常有以下几种结构：( 1 ) 复用器将输入波长复用到输出端；( 2 ) 利用耦合器将交 换后的信号复用到输出端；( 3 ) 可调谐滤波器+ 耦合器。将输入级，交换级、输 出级各种不同结构合理组合，便可构功能齐全的0 x c 结构。下面几种典型的0 x c 结构： 北京邮电人学硕i ：学位论文 第一章多粒度a s o n 的节点技术 1 型基于空问光开关矩阵的o x c 结构型基于多波长选择滤波器的o x c 结构 l i i 型基于平行波长开关o x c 结构i v 型基于分送藕合器开关的o x c 结构 图2 5 典型0 x c 结构 2 1 2o x c 基本功能及应用 0 x c 是光网络的关键网元设备，其主要功能包括为 1 5 ： 路由和交叉连接 光交叉连接节点可以完成寻路和交叉连接功能。光交叉连接节点可以实现波 长级、波长组级和光纤级的交叉连接，以更有效的进行带宽管理。 连接和带宽管理 光交叉连接节点可以响应各种形式的带宽请求，提供在任意的输入端口波长 信道和任意输出端口波长信道之间建立连接。 波长指配 根据需要为进入光交叉连接节点的光通道提供合适的波长，建立波长通道连 接或者虚波长通道连接。 保护和恢复功能 北京邮电人学欢 学位论史第一二章多粒度a s o n 的节点技术 o x c 节点不仅能提供对链路的保护和恢复能力，而且能提供对节点失效的保 护措施。当网络中链路或节点故障时，邻接的o x c 节点产生相关的动作，柬为故 障业务重新选路，迂回路由实现信号的正常传输，恢复故障业务。 波长汇聚功能( w a v e l e n g t hg r o o m i n g ) 波长汇聚是指在光交叉节点上将不同速率或者相同速率的、去往相同方向的 低高速波长信号进行汇聚，形成一个高低速率的波长信号在网络中进一步传 输。波长汇聚功能主要可以在光网络边缘上交叉节点中使用。波长汇聚是在电域 内对业务信号进行解复用和复用。 上下路功能 o x c 节点可以提供本地上下路的功能。 波长变换功能 波长变换是实现虚波长路由必须具有的功能。由于光域内波长变换器的成本 昂贵，其性能提高有限，因此目前多采用o e o 型的波长变换器，可以对电域信号 变换、再生，提高了传输信号的质量。其对不同设备厂商设备之间的互操作，网 络的控制、管理、维护等都提供了方便。 信号监控与告警 光交叉连接节点必须具有对进、出节点的每个波长进行监控的能力，在波长 发生异常的情况下，必要时能以一定的方式告警。另外也要具有对节点中器件性 能进行监控和告警的能力。 通信控制接口功能 通信和控制接口主要是用于传递信令，进行网元管理单元和网络管理单元之 间的通信等。 2 13o x c 的主要参数 端口数：衡量o x c 的交换能力。在城域网或局域网中，o x c 的端口数不需太 多，而在骨干网上，随着目前数据业务的爆炸式急剧增长，特别是为适应电 信级的业务交换，o x c 的端口数量要达到上千的要求。 交叉连接时间：目前o x c 的交换核心主要采用光开关设备，交换速度可以达 到毫秒级。对网络保护和恢复而言，o x c 的交换速度很重要。对s d h s o n e t 的目标是5 0 m s ，当前网格网需要几分钟。 模块性：模块性是指o x c 节点无需改动内部结构，直接添加模块到达升级的 的。模块性包括：波长模块性和链路模块性。波长模块性是指o x c 添加新 波长时的升级能力。链路模块性是指o x c 添加链路时升级的能力。 阻塞特性：阻塞特性包括：严格无阻塞、可重构无阻塞和有阻塞特性。严格 北京邮l u 人学帧i j 学位论义第一章多粒度a s o n 的节点技术 无阻塞指输入端随时能交换到任意的输出端的特性。阻塞特性与o x c 内部结 构、级联特性相关。 透明传输特性：主要是指业务协议和传送速率的透明性。在骨干网和各种城 域网的交汇处可能要交叉连接各种不同速率、不同协议的业务。因此，要求 o x c 能对协议和速率的透明传输。 损耗和串扰特性：损耗和串扰特性对光网络传输性能影响很大。对以功率预 算的光网络，o x c 串扰和损耗及级联的串扰和损耗将降低网络的性能，影响 信号的传输质量。 2 2 多粒度交换光网络的节点技术 2 2 1a s o n 中的光交换节点结构 a s o n 的总体需求框架标准g 8 0 8 0 中明确指出，a s o n 节点应具有多粒度交叉、 多业务接入的能力，应是一种具有疏导交叉功能的节点。a s o n 必须能够灵活地 为用户提供业务服务，在未来相当长的一段时间内，a s o n 节点不可能是全光的 ( 以波长为粒度提供给用户实在是太大了) ，业务接入、汇聚最好由电的交叉连 接来完成( 业务汇聚层) 。对于a s o n 的传送平面的核心交换结构，全光方式和光 电光方式各有其优缺点，在目前情况下，两者都可满足a s o n 所规定的节点功能 需求，而且两者互为补充。光电光方式具有交叉颗粒度小、电性能监测完备以及 强大的业务汇聚能力等特点，但它对信号格式不透明，在多业务情况下，必须有 统一的承载层，比较适合s d h 网络。全光方式的优点是对业务透明，不需要进行 大量的光电、电光转换，但它本身只能完成波长以上级的交换。 光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域直接将输入光信号交换到不 同的输出端的技术。光交换技术可分成光路光交换类型和分组光交换类型，前者 可利用光分插复用器( o a d i ) 、光交叉连接( o x c ) 等设备来实现，而后者对光部 件的性能要求更高，由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复 杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组交换单元还要由电信号来控制，即所 谓的电控光交换 6 。 实现a s o n 光节点传送平面交叉连接的功能和特性与一定的体系结构紧密相 关。根据光信号的分割复用方式，光的交叉连接可以分为空分、时分和波分3 种， 由于现有光器件性能和技术水平以及成本因素的限制，波分+ 空分的交叉连接体 系结构是比较成熟的光节点传送平面实现方案，即首先通过波长解复用器将每个 光纤链路中的各波长通道分开，然后通过空问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。 1 4 北京邮叱大学坝 学位论文 第二章多粒艘a s o n 的节点技术 图2 6 传送平面体系结构示意图 在此基础上，为满足多带宽粒度( 波长、波带、光纤) 交叉连接的需要，同 时提供灵活组网需要的业务分插、波长变换、信号再生等功能，可以建立多层次 的光节点传送平面体系结构，光纤级交叉连接、光波长通道级交叉连接、本地交 叉连接及适配处理层。其中本地交叉连接及适配处理层完成本地业务的上下路， 同时实现波长变换、信号再生、汇聚、广播功能等功能，如图2 6 6 所示。 可扩展性包括功能和性能的扩展升级。考虑功能的可扩展性主要是着眼于设 备功能的兼容性和可平滑升级性，为用户提供灵活配置能力，减少初期投资规模 并保护已有投资。实现功能的可扩展性要求光节点传送平面的软硬件体系具有功 能模块性。性能的可扩展性主要涉及当交叉连接规模扩大时，光节点设备是否具 有链路和波长模块性，如何实现无阻塞或有限阻塞的级联扩展等。链路模块性是 指除了增加新模块外，不需改动现有交叉结构，就能增加节点的输入输出链路 数的性质；波长模块性是指除了增加新模块外，不需改动现有交叉结构，就能增 加每条链路中复用的波长数的性质。 2 2 2a s o n 中多粒度光交换节点结构 传统的光节点设备一般在光层采用基于波长单粒度的交换结构方案。由于所 有光路信号都必须适i 目2 , n 波长级别进行处理，其核心是一个超大容量的波长交叉 连接矩阵。目f j i 提出的解决方法包括采用无阻的电交叉矩阵单元的沪e 一0 方案和 北京邮i u 人学颤j 学位论史 第一章多粒度a s o n 的节点技术 使用无阻的全光交叉矩阵的0 0 0 方案。前者受到电交叉芯片交叉能力及电背板 总线速度的限制，单板交叉能力都有限，采用多板扩展会造成交叉板数量成指数 级增长，同时外围又要进行大量的0 一e 、e - 0 变换，功能复杂，设备升级扩展性 较差。后者目前还没有实用的大规模交叉矩阵，采用小规模光开关阵列扩展同样 面临交叉矩阵数量巨大的困境，且完全无阻配置下必须配置与总波长数等量的光 转发单元( 0 t u ) ，同样增加了节点成