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1、全光通信网2022/8/29全光通信网全光通信光纤通信光通信通信按通信信道分类通信有线通信有线电通信光纤通信双绞线同轴电缆无线通信短波通信微波通信卫星通信红外线通信同步卫星中、低轨道卫星按通信手段分类通信有线电通信光通信无线电通信自由空间光通信光纤通信大气光通信深空光通信对潜光通信机载光通信全光通信网2022/8/29全光通信网课程主要内容第一章 概述第二章 光开光技术第三章 光交换技术第四章 光传送网技术第五章 光交叉连接设备第六章 光分插复用器第七章 全光网络结构与保护技术第八章 光传送网管理第九章 IP over WDM第十章 自动交换光网络2022/8/29教材及参考资料全光通信网技术

2、李维民北京邮电大学出版社2009.8IP数据光网络技术与应用黄善国人民邮电出版社2008.4光纤通信网李跃辉西安电子科技大学出版社2009.11智能光网络技术与应用实践唐雄燕电子工业出版社2005.32022/8/29全光通信网相关的中文期刊 光通信技术 光通信研究 光子学报 半导体光电 光电子. 激光 光学学报2022/8/29全光通信网相关的数据库 CNKI中国期刊全文数据库 CNKI中国博士学位论文全文数据库 万方数据库 维普中文期刊数据库 超星数字图书馆 国际光学工程协会会议文献(SPIE) 美国IEL（IEEE/IEE Electronic Library）数据库： 美国电气与电子工

3、程师（IEEE）学会和英国电气工程师（IEE） 2022/8/29全光通信网学时:20考核方法：“1:1:3:5”综合评定方式成绩组成分值合计平时作业及大作业10100课堂提问与发言10课程论文撰写及汇报30课终考试成绩50考核说明第一章 概述2022/8/29主要内容1. 全光通信网基本概念2. 光网络的发展和演变2022/8/29目的、要求：掌握全光通信网的基本概念；理解光网络的发展和演进。重点：全光通信网的基本概念难点：光网络的发展和演进2022/8/29全光通信网光纤通信工作在近红外区，即波长是0.8-1.8m，对应的频率为167-375THz。 什么是光纤通信？ ？ 以光波为载频，以

4、光导纤维（光纤)为传输媒介的通信方式。 2022/8/29全光通信网电端机电端机光发送机光接收机光缆光缆中继器O/EE/O用户信号用户信号一般的光纤通信系统2022/8/29全光通信网1310nm、1550nm 两个窗口 约27 THz0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.72.01.51.00.5 0(dB/km)(m)12THz15THz普通单模光纤的损耗特性曲线把光纤可能应用到的波段范围划分为若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输预定波长的光信号。WDM: Wavelength Division Multiplexing WDMl0数据 话音l1ln2

5、.波分复用：在一根光纤中同时传输多波长光信号的 一种技术。WDM系统工作原理M40MUXDEMUXM40T1T2Tn-1Tn 1, 2, n12n-1nR1R2Rn-1Rnn-112n光 纤发送端接收端SDH signalIP packageATM cells2022/8/29全光通信网Wavelength Division Multiplexing 在一根光纤中用不同波长的光载波同时传输若干个信道的信号。 粗波分复用（CWDM），通道间隔小于50nm 密集波分复用（DWDM），通道间隔小于0.8nm超密集波分复用（SDWDM），间隔小于0.2nm2022/8/29全光通信网 单信道比特率2.

6、5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s 20G 80G 320G 40G 160G 640G400G 1.6T 6.4T1603216 8 1WDM通路数WDM网络容量的演进如何提高网络容量？2022/8/29全光通信网目前商用系统主要为(16-40)2.5/10Gb/s2009年单信道速率160Gb/s的DWDM系统2009.4单信道速率100Gb/s 在法国和德国电信网络中开展商用试验已规划商用容量：6.4Tb/s(80 x80Gb/s)(北电)2022/8/29全光通信网WDM技术的发展研究方向 更多波长、单波长更高速率点对点系统环形网网状网 WDM联网什么是网络？由节点和链路组成一定的

7、拓扑结构什么是光网络？由光纤链路和光节点设备（光终端、光交换、光路由等）组成的网络光网络的基本概念transmitterreceiverLinkTelecommunications: Point-to-Point SystemsNode 1LinkLinkLinkLinkLinkLinkNode 3Node 2Node kNode 1LinkLinkNode 3Node 2Node kServerNode 1LinkLinkLinkLinkNode 3Node 2Node kNode 1Node 3Node 2Node kTelecommunications NetworksMesh Topo

8、logyStar TopologyRing topologyBus TopologyLinkLinkLinkInformationInformation(voice, video, data)(voice, video, data)Transmission medium2022/8/29光网络的基本概念代表由光纤提供的大容量、长距离、高可靠的链路传输手段。网络强调在上述媒质基础上，利用先进的电或光交换技术，引入控制和管理机制，实现多节点间的联网，以及针对资源与业务的灵活配置。光光网络（ON，Optical Network） 2022/8/29全光通信网全光网络（AON，All Optical

9、Network）业务信号的上传、下载及交换过程均以光波的形式进行，而没有任何的光电及电光转换，全部过程都在光域范围内完成。 不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特速率和调制方式透明，可以大大提高整个网络的传输容量和交换节点的吞吐量。2022/8/29全光通信网光传送网络(OTN，Optical Transport Network)在现有的传送网中加入光层，提供光交叉连接和分插复用功能，提供有关客户层信号的传送、复用、选路、管理、监控和生存性功能。子网内全光透明，而在子网边界处采用O/E/O技术。 2022/8/29全光通信网光传输系统交换/选路节点 光网络的基本构成多波长光网络示意

10、图2022/8/29全光通信网多波长光网络的基本思想 将点到点的WDM系统用OXC节点和OADM节点连接起来，组成以端到端为基础的光传送网。 WDM技术负责完成OTN节点之间的多波长通道的光信号的传输； OXC节点和OADM节点则负责完成对光通道的交换配置功能。 2022/8/29全光通信网 ASON, Automatic Switched Optical Network自动交换光网络 在传统的静态光网络中引入动态交换和智能控制能力，从而使传送网实现从承载网向业务网的演进。2022/8/29全光通信网光通信网络的发展和演变全光网络光电混合网电网络2022/8/29全光通信网以光传送网(OTN)

11、为代表以SDH网络为代表以ASON/ASTN为代表的智能光网络第一代第二代第三代 光网络的发展历程2022/8/29全光通信网ADMADMADMADMADMADMDXCSDH/SONET环网SDH/SONET环网链路传输采用光技术，而交换采用电技术；交换粒度：一般为STM-1（155Mb/s），可对E1 （2Mb/s）分插复用。第一代光网络：SDH/SONET环网强大而灵活的交叉调度能力多种完善的保护机制规范的映射、复用，多层次的嵌入式开销丰富的可运营可管理经验SDH的优势电层处理机制 目前的光电混合网络仅由光传输系统和电子节点组成。光电混合网电子节点光节点边缘电网络光传输系统核心光网络现有光

12、电混合网不足： 光技术仅用于两个节点间的点对点传输，以VC调度为基础，不能满足未来骨干网节点Tbit/s以上的大容量业务调度SDH在传送层面的不足2022/8/29全光通信网OXC，OADM+DXC，ADM驱动力：光传输容量急剧提高，节点处交换量大增 （Tb/s至Pb/s）ADMADMOXCADMOADMADMOADMDXCADMOADMADMOADM第二代光网络：OTNOBA.MuxDemux. l1.OTUOSCOSCOSCOSCOBA：光功率放大器OLA：光线路放大器OPA：光前置放大器OSCOPAOLAOLAOPAOLAOLAOBADemuxMuxlkk+1Nl1lkk+1NOTUOT

13、UOTU彩色接口彩色接口彩色接口彩色接口普通接口普通接口客户客户客户客户普通接口普通接口客户客户客户客户多波长传输信号OTU：光转发单元OSC：光监控信道Mux/Demux：复用器/解复用器WDM点亮了光网络层波分复用系统：WDM业务调度不灵活组网能力差保护机制不完善简单的OSC，无法对通道进行精确的管理传统WDM在宽带业务承载方面的局限传统的WDM设备无法满足要求，问题主要在调度、保护、管理等方面。WDM和OTN技术比较WDM波分复用把不同波长的光信号复用到一 根光纤中传送的技术主要功能（线路技术、模拟信号）多波长复用高速长距离传输光层监控和管理OTN光传送网络通过引入电域子层，为客户信号提

14、供在波长/子波长上进行传送、复用、交换、监控和保护恢复的技术特点（节点技术、数字化、交叉）线路上采用WDM技术采用G.709封装和开销管理，提高管理和互通能力对波长/子波长进行交叉连接提高组网、保护和调度能力2022/8/29全光通信网routerrouterOXCrouterOADMrouterOADMrouterrouterOADMrouterOADMOXC，OADM+router驱动力：动态带宽分配，集成的智能控制层面。第三代光网络：智能光网络等级钻石级金级银级铜级铁级标志保护方式永久11保护保护与恢复（重路由）恢复（重路由）无保护额外传送业务恢复时间30ms50ms100ms2s不保证

15、不保证业务分级，提供差异化等级服务 通过将业务配置为不同的保护和恢复类型，可划分不同的业务等级，为用户提供差异化服务 传送平面控制平面智能控制的引入丰富了光网络内涵信令处理资源管理业务发现保护恢复路由控制提供BoD、OVPN等新型增值业务Time7:00pm3:00pm 9:00am带宽需求9:003:003:007:007:00后BBOD实现真正的按需分配按需带宽业务2022/8/29全光通信网光网络将从不透明逐步走向透明透明子网不透明节点透明子网中光通道实现端到端的连接不透明节点实现子网间互联，包括电子3R再生随着光子技术的发展，透明子网的范围逐步扩大。透明节点光交换结构电交换结构不透明节

16、点O/EE/O2022/8/29全光通信网下一代光网络： 智能感知、面向业务应用、可赢利的光网络“技术”与“需求”的推、拉二重奏“手脚”与“头脑”的革命带宽服务的“量变”与“质变”效益几点结论 一代立标准、二代扩容量、三代重智能、四代比服务 2022/8/29全光通信网光网络的发展演进传输复用交换/选路组网全光传输距离约为600km，无电再生中继距离已达4000km向基于光分组的统计复用方式发展沿着“点到点环多环网状网”的方向发展沿着“干线网本地/城域网接入网/用户驻地网”的次序逐步渗透应用向光分组交换的方向发展2022/8/29全光通信网光网络功能的演变2022/8/29全光通信网光网络组网

17、技术的发展2022/8/29全光通信网小 结光通信的发展WDM技术光网络的发展和演变 超高速大容量长距离网络化更多波长、单波长更高速率WDM联网WDM在城域网和接入网的应用几个基本概念光网络发展历程光网络发展演进传输、复用、交换、组网方式和应用领域2022/8/29全光通信网作业 1. 简述光网络、全光网络和光传送网的含义。 2. 简述光网络的发展演变过程。 第二章 光开关技术2022/8/29全光通信网开关switch 开关动作switching光开关optical switch, optical switching optical switching光交换主要内容2022/8/29全光通信

18、网一. 光开关的基本概念二. MEMS光开关三. 热光开关四. 气泡光开关五. 光开关在光通信中的应用2022/8/29全光通信网？光开关参量：功率(光强)、波长(频率)、方向、相位、偏振等定义1：使光信号的参量发生快速、可逆转换的器件。李淳飞全光开关原理科学出版社2022/8/29全光通信网光开关定义2：光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口、可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。全光通信网技术2022/8/29全光通信网22 平行连接 交叉连接光开关基本的形式2022/8/29全光通信网2*2光开关级联构成8*8光开关光开关的性能参数插入损耗开关时间消光比隔离

19、度串扰某一输出端口与输入端口光功率的比值。2022/8/29全光通信网Pi输入功率Pn直通功率Pm1. 插入损耗（Insertion Loss)插入损耗与开关的状态有关！指开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间。开关时间(Switching Time)开关时间从开关上施加或撤去转换能量的时刻算起。 开-关比/消光比(Extinction Ratio)2022/8/29ILin表示当i、n两端口处于导通状态的插入损耗IL0in 表示当i、n两端口处于不导通状态的插入损耗 输入和输出两端口处于导通（开启）与非导通（关闭）状态的插入损耗之差。开-关比/消光比(Extinction Ratio)2

20、022/8/29全光通信网Pmax表示光开关的最大输出光功率Pmin表示光开关的最小输出光功率 开关比的大小影响着光交换信号的质量，最终影响光传输系统的误码率（数字系统）或质量（模拟系统）。2022/8/29全光通信网Pi输入功率Pn直通功率Pm隔离度（Isolation）指两个相隔离输出端口光功率的比值。n导通，m断开，Pin是光从i端口输入时n端口的输出光功率；Pim是光从i端口输入时在m端口测得的光功率。2022/8/29串扰（crosstalk) 串入相邻某输出端的光功率与光开关接通输出端的光功率的比值。Pn为从开关接通的n输出端输出的光功率；Pm为串入m输出端的光功率。2022/8/

21、29全光通信网光通信网络中的光开关2022/8/29按照器件原理，光开关可以分为机械式开关和非机械式开关。损耗越来越高，速度越来越快机械式光开关非机械式光开关电机械原理热光原理电光原理移动轨道光反射反射镜棱镜SiO2聚合物交叉波导MEMS电介质半导体液晶LiNb03InpSOA光开关的分类其他原理(声光/磁光等)2022/8/29依靠光纤或光学元件的移动或旋转，使光路发生改变输入光纤输出光纤12N1N移动光纤光开关12移动反射镜开关旋转轴反射镜光纤机械式光开关反射镜型光开关示意图 2022/8/29全光通信网机械式光开关优缺点优点 插入损耗低(45dB)，与波长和偏振无关； 制作技术成熟。缺点

22、 开关动作时间较长（ms量级）； 体积偏大，且不易做成大型的光开关矩阵； 有时存在回跳抖动和重复性差的问题。2022/8/292022/8/29依靠电光效应、磁光效应、声光效应和热光效应等来改变波导折射率使光路发生变化具有开关时间短，体积小，便于集成的优点，但插入损耗大，隔离度低。非机械式光开关（波导型光开关）MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems)2022/8/29全光通信网MEMS光开关MEMS是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。二维

23、微镜转动示意图2022/8/29全光通信网二维微电机系统(MEMS )光开关示意图2022/8/29全光通信网二维MEMS开关需要N2个微镜来完成NN自由空间光交叉连接 2022/8/29全光通信网MEMS微机电系统开关 2022/8/29全光通信网 在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。左图采用16个可以转动的微型反射镜，实现两组光纤束间的44光互连。 开关微镜及其阵列的显微照片2022/8/29全光通信网开关微镜及其阵列的显微照片三维MEMS光开关 2022/8/29全光通信网三维是通过光束偏转改变光束方向，实现光交叉互连。其在N路输入光纤和N路输出光纤之间使用了2N

24、个微镜，每个微镜有N个可能的位置，从而实现NN开关矩阵。通常微反射镜的尺寸只有140m150m，驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。2022/8/29全光通信网MEMS光开关的特点这种器件的特点是体积小、消光比大(60dB左右)、对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约5ms)，插入损耗小于1 dB。 波导型光开关通过改变波导折射率使光路发生改变，从而实现对光信号的开关控制。其中折射率的改变可基于不同的原理，如磁光效应、声光效应、电光效应和热光效应等。2022/8/29全光通信网热光开关波导型光开关的定义2022/8/29全光通信网 指通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在

25、介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。 干涉式光开关（Interferometric Switches）数字光开关（DOS：Digital Optical Switches） 也叫分支器型热光开关热光效应2022/8/29 主要利用马赫-曾德尔干涉原理制造，主导思想：利用光相位特性与光的传输距离有关，输入光被分成两路，在两个分开的光波导里面进行传输，再合并。在两个波导臂上镀上金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，以达到开关的目的。干涉式热光开关2022/8/29全光通信网3dB定向耦合器I2I1O1(不加热)O2(加热)热光移相器(薄膜加热)LnMZI型热光开

26、关P，P /2, (p), (-p)P /2,(-p/2)(-p/2), (-p/2)(p), (-p)(p/2), (-p/2)不加热时为交叉连接加热时为平行连接干涉式光开关 MZI型热光开关2022/8/29I2I1O1(不加热)O2(加热)热光移相器(薄膜加热)L n材料折射率相移区域长度设信号从I1端输入，则从O2端与O1端输出的透射率分别为：为温度的变化量；为真空波长；a为热光系数，与材料的种类有关；L为相移区域的长度；MZI型热光开关为相位的变化.2022/8/29全光通信网干涉式光开关 消光比是传统结构的2倍。器件制作的容差能力加大。相当于两个带通滤波器并联，有较大的带宽，有益于

27、DWDM网络。在开关阵列中减少开关数量。双MZI型热光开关不通电流加热：1 2，2 1 通电流加热：1 1，2 2数字式光开关 2022/8/29全光通信网原理：非对称Y分支器中，光波主要向有效折射率大的分支传输。被加热的分支波导折射率减小，从而阻止光沿着该分支传输（即处于“关”的状态）功耗比较大(200mW左右)，插损约3 - 4dB，消光比约20dB。薄膜加热器输入输出1输出22022/8/29全光通信网 安捷伦公司结合热喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出的二维光交叉连接系统。又称为“光子交换平台”。 由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟道组成，沟道中填充特定的折射率匹配液。 缺省条件下

28、，入射光可沿着波导无交换传输。当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，气泡将入射波导中的光信号全反射至输出波导，实现光路的选择、转换。四、气泡光开关 2022/8/29全光通信网匹配液被加热形成气泡对通过的光产生全反射交叉点匹配液波导Agilent公司已制出32x32光开关子系统开关时间小于10ms,串扰做到-70dB四、气泡光开关 2022/8/29全光通信网各种光开关的性能比较2022/8/29全光通信网器件种类串扰dB优点缺点应用机械光开关60100插入损耗小，串扰低体积大，低速，扩展性差网络保护、OADM电光开关(LiNbO3波导)3035高速(1ns)损耗大、串

29、扰大、偏振敏感、扩展性差保护、OADM热光开关30集成度高损耗大、串扰大、消耗功率大、扩展性差保护、OADM半导体增益门开关50高速(1ns)能补偿损耗噪声大、失真大、扩展性差保护、广播、OADM、分组交换液晶开关40规模大温度敏感、封装不容易保护、OXC、OADM气泡技术开关4550规模大扩展性差、封装不容易保护、OXC、OADM微电机系统MEMS5055规模大封装不容易OXC光网络的保护倒换系统光纤测试中的光源控制网络性能的实时监控系统光器件的测试构建OXC设备的交换核心光分插复用光传感系统光学测试2022/8/29全光通信网光开关在光通信中的应用 当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，

30、光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输。2022/8/29全光通信网光网络的保护倒换系统源端桥接保护通道工作通道目的端优收光耦合器光开关TXRX2022/8/29全光通信网光网络的保护倒换系统 在远端光纤测试点，通过1N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控。2022/8/29全光通信网网络性能的实时监控系统 利用1N光开关，每一个通道对应一个特定的测试参数，可同时测试多种光器件，提高效率。光器件的测试 12光开关在光纤测试技术中主要应用于控制光源的接通和切断。 光纤测试中的光源控制2022/8/29全光通信网网络性能的实时监控、光器件的测试2022/8/29全光通信网光开关

31、DEMUXDEMUX光开关MUXMUX波长变换节点共享波长变换器的OXC结构 构建OXC设备的交换核心2022/8/29全光通信网 用光开关OADM可以通过软件控制动态上下任意波长，增加网络配置的灵活性。光分插复用器OADMSingle wavelength drop portsInput portOutput portSingle wavelength add portsi j j i j i 1 n i 1 j n 输出信号 光开关 解 复 用 器 复 用 器 上路波长 下路波长输入信号 1N光开关还可应用于点传感系统，实现空分复用和时分复用。2022/8/29全光通信网光传感系统 1N和

32、N1光开关还可组成光学扫描镜阵列。光学测试2022/8/29全光通信网思考题： 光开关技术的研究进展。作业题：书上P26，13题 1. 简述光开关的应用范围。 2. 什么是MEMS光开关？简述其工作原理。 3. 什么是波导型光开关？热光开关主要有几种？ 画图并说明MZI型热光开关的工作原理 。？光开关参量：功率(光强)、波长(频率)、方向、相位、偏振等定义1：使光信号的参量发生快速、可逆转换的器件。李淳飞全光开关原理科学出版社插入损耗开关时间消光比隔离度串扰二维微电机系统(MEMS )光开关示意图2022/8/29全光通信网二维MEMS开关需要N2个微镜来完成NN自由空间光交叉连接 3dB定向

33、耦合器I2I1O1(不加热)O2(加热)热光移相器(薄膜加热)LnMZI型热光开关1，211(p)1, 2(-p)2(-p/2)1(-p/2), 2(-p/2)1(p), 2(-p)1(p/2), 2(-p/2)不加热时为交叉连接加热时为平行连接为相位的变化.第三章 光交换技术3.1-3.4课堂主要内容2022/8/29全光通信网一. 光交换技术概述二. 空分光交换三. 时分光交换四. 波分光交换理解理解2022/8/29全光通信网终端终端传输媒介点对点通信有交换设备的通信交换机可降低用户线路的投资光交换：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。2022/8/29全光通

34、信网1）业务的需求2）技术的发展3）网络性能的优化2022/8/29全光通信网光交换的必要性 光电混合网电子节点光节点边缘电网络光传输系统核心光网络现有光电混合网光交换特点2022/8/29全光通信网不受检测器、调制器等光电器件速度的限制，极大地提高了交换节点的吞吐量。不需要经过光/电/光转换，降低了交换节点成本。对比特率、调制方式和通信协议都具有透明性，有良好的升级能力。2022/8/29全光通信网工作原理不同复用方式不同光路交换(OCS)光分组交换(OPS) 光分组交换技术 光突发交换技术 光标签交换技术空分光交换时分光交换波分光交换码分光交换复合型光交换 优点：控制相对简单, 不必为每个

35、IP包寻找路由。而且光通路建立后, 其业务的时延小, 丢包率很低, 能保证业务的QoS 要求。2022/8/29全光通信网光路交换传送数据之前需要建立好光连接通路（独占的一条光纤线路或光复用线上的一个信道）Choose capacityand path/next-hop 用户信息经过光调制形成一串光脉冲，它被分割成一个个同一文本的分组，每个分组被贴上光标记(分组报头)，说明它的源地址、目的地址及其序号等。通过逐个查对分组报头的标记，获得路由信息并寻找空闲的路由，将它们发送到目的地。2022/8/29全光通信网光分组交换以分组为单位进行交换、传输AB12345678136457282828123

36、456784572022/8/29全光通信网光通信网络中的光开关光路交换与光分组交换2022/8/29全光通信网123123123123(a) Cross-Connect (1000 by 1000, ms switching time)123123123123(b) Packet-Switch (64x64, with ns switching time)22434311光路交换与光分组交换five src/dest pairscircuit-switching (wavelength routing)3 ls if without l- conversion only 2 ls other

37、wise packet-switchingonly 1 l needed with statistical muxing2022/8/29全光通信网光路交换光分组交换本质区别适用业务2022/8/29全光通信网光路交换光分组交换本质区别任一通信业务独立地占用一条通路或信道任一通路只在传送某一用户信息包时才被占用，其他时间可以传送别的用户信息包适用业务实时性、互动性通信业务间歇性、交互性通信业务2022/8/29全光通信网光分组交换技术光突发交换技术光标记分组交换技术2022/8/29全光通信网光分组交换分类根据对控制包头处理及交换粒度的不同光分组交换技术光突发交换技术光标签交换技术控制包头处理

38、方法交换粒度2022/8/29全光通信网光分组交换技术光突发交换技术光标签交换技术控制包头处理方法光分组头识别、光分组头重写控制分组在电域中单独传送提取更换光包头标签，识别、分析包头标签信息交换粒度光分组(定长分组头净荷保护时间）光突发(由多个分组组成)光包(IP数据包光标签包头）2022/8/29全光通信网2022/8/29全光通信网空分光交换1.定义： 根据需要在两个或多个点之间建立物理通道，这个通道可以是光波导也可以是自由空间的波束，信息交换通过改变传输路径来完成。 功能：使光信号的传输通路在空间上发生改变。2. 基本原理：用光开关组成门阵列开关，通过控制开关矩阵的状态使输入端的任一信道

39、与输出端的任一信道接通或断开。 2022/8/29全光通信网空分光交换的基本结构控制空分交换矩阵12N12M输入输出 空分光交换节点包括光开关阵列和控制回路，由控制回路给出控制信号，控制光开关处于通或断状态，使用户光信号从一个空间子通道变换到另一个空间子通道上。 空分光交换基本单元 2022/8/29全光通信网较大型的空分光交换单元 2022/8/29全光通信网in Aout Ain Bout B12345678123456781234567812345678a) crossbar 结构2022/8/29全光通信网b) Banyan 树拓扑主要性能指标：对不同空间光交换网络进行评价 2022/

40、8/29全光通信网 基本光开关数和可集成度 阻塞特性光路损耗信噪比 几种空分光交换网络 2022/8/29全光通信网绝对无阻塞型：不需特殊的交换算法就能将任何入线连接至任何未占用的出线。广义无阻塞型：利用特殊的交换算法就能将任何入线连接至任何未占用的出线。可重构无阻塞型：将目前存在的连接重新调整后可以能将任何入线连接至任何未占用的出线。有阻塞型：虽然入线和出线都空闲，但是由于交换网络内部结构问题，在它们之间无法建立连接。2022/8/29全光通信网部分连接光网络(部分光互连)阻塞型空分光交换网络1032547610325476若25，则3不能到达4 虽然入线和出线都空闲，但是由于交换网络内部结

41、构问题，在它们之间无法建立连接。2022/8/29全光通信网88 Benes三级互连网络(全光互连)1032547610325476若25，则3只能到达03，不能连接到4，6，7阻塞型空分光交换网络2022/8/29全光通信网88 Benes光交换网络44 Benes网络1032547610325476输入输出 将目前存在的连接重新调整后可以能将任何入线连接至任何未占用的出线。可重构无阻塞型空分光交换网络2022/8/29全光通信网广义无阻塞型空分光交换网络输入输出10321032 利用特殊的交换算法就能将任何入线连接至任何未占用的出线。2022/8/29全光通信网88 Benes光交换网络严

42、格无阻塞型空分光交换网络10320输入输出123不需特殊的交换算法就能将任何入线连接至任何未占用的出线空分光交换典型系统日本NTT的多媒体空分光交换系统2022/8/29全光通信网波导光开关阵列系统构成：空分光交换节点；单、双向传输 链路；呼叫检测器等提供四种典型的终端业务数字传真业务数字通信业务电视图像业务高清晰度图形传输业务 呼叫检测器根据各终端发出的基带频率信号来区分不同的业务，并选用相应的传输媒体。波分复用终端信令时分复用 分3级，每级由88光开关单元组成 88光开关由64个22光开关组成多媒体空分光交换系统2022/8/29全光通信网波导光开关具有低损耗、低串话，也不存在脉冲整形、再

43、生的问题，不会引起光信号失真波导光开关阵列为这些窄带、宽带及高清晰度电视的综合业务提供了路由交换由波导光开关组成的空分光交换网能够支持模拟或数字通信业务，且不同数字业务的比特率可以是不同的空分光交换特点 优点：直接利用光交换的宽带特性 能够以低速交换（开关速度要求不高） 只采用光矩阵开关即可构成交换网 构成简单，易于实现（所用光电器件少） 缺点：实现大规模交换有困难 同步与控制困难 2022/8/29全光通信网适合中小容量交换机2022/8/29全光通信网时分光交换 以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能。即在时间轴上将复用的光信号的时间位置t1转换成另一个时间位置t2。 时分复用是把时

44、间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上，在接收端用分接器恢复各路原始信号。 时隙互换，即把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。 2022/8/29全光通信网2022/8/29全光通信网 时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器，通过光读写门对光存储器的控制完成交换动作。 时隙交换器完成将输入信号一帧中任一时隙交换到另一时隙输出的功能，目前由空间光开关和一组光纤延时线构

45、成。 2022/8/29全光通信网时分光交换网络 工作原理：首先，把时分复用信号送入空间开关分路，使它的每条出线上同时都只有某一个时隙的信号；然后，把这些信号分别经过不同的光延迟线器件，使其获得不同的时间延迟；最后，再把这些信号经过一个空间开关复用重新复合起来，时隙互换就完成了。时分光交换的典型系统2022/8/29全光通信网时分光交换优缺点 优点：能与现有光传输系统良好匹配构成全光通信网 与WDM相比，交换硬件减少，控制和管理简单 可利用光的高速处理能力，支持任意速率等级及格式的数据 缺点：光定时检测与控制同步较难硬件限制，仅能小规模集成（缺少成熟的高速光处理器件）2022/8/29全光通信

46、网2022/8/29全光通信网波分光交换 波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长转换的方法实现交换功能。 波分光交换技术，是指光信号在网络节点中不经过光/电转换，直接将所携带的信息从一个波长转移到另一个波长上。即信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，由波长开关进行交换。2022/8/29全光通信网波分光交换 波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长变换器（波长开关）组成。 波长变换器将波分复用信号中任一波长i变换成另一波长j。 波分光交换2022/8/29全光通信网 一般先用波分解复用器件将波分信道空间分割开，然后对每一波长信道分别进行波

47、长变换，再把它们复用起来输出，从而实现波分交换。WCWC波分解复用器 耦合器/波分复用器 WC1N 1N 1 i N .波长变换器j k 2 12ijN波分光交换优缺点优点：利用波长资源，光交换信号具有透明性波长子通道比特速率独立利用光频的宽带性，速率达100Tb/s交换硬件减少（相对于其他光交换方式）缺点：器件开发难 同步与控制较困难 2022/8/29全光通信网2022/8/29全光通信网波长变换器是实现波分交换的关键器件。O/E/O方案 光信号首先被转换为电信号，再用电信号来调制新的光源。新光源最好是波长可调谐激光器，可以将输入波长变换到需要的各种波长上。2022/8/29全光通信网输入

48、转换可调谐激光器PIN探测器电子放大和再生外调制器光电光型波长变换器原理结构基于SOA的交叉增益调制（XGM）型基于SOA的交叉相位调制（XPM）型基于SOA的四波混频效应（FWM）型 半导体光放大器（SOA）具有响应速度快（10 Gbit/s）、易于和其他半导体光电器件集成等优点，因此基于SOA的光电处理器，尤其是全光波长变换器（AOWC）受到了广泛的重视。2022/8/29全光通信网b.全光波长变换器 2022/8/29全光通信网光泵电泵信号光S信号光S输出探测光C输出增益调制连续的探测光C电流SOA基于SOA中XGM的AOWC原理图原理：当信号波长为逻辑高电平“1”时，探测光信号不会被放

49、大， 而当信号波长为逻辑低电平“0”时，探测光则得到放大。 2022/8/29全光通信网波长选择法交换 2022/8/29全光通信网波长转换法交换 用同一个NWNW空分交换器处理NW路信号的交叉连接，在空分交换器的输出必须加上波长变换器，然后进行波分复接 空分时分光交换系统；波分空分光交换系统；频分时分光交换系统；时分波分空分光交换系统。2022/8/29全光通信网混合型光交换2022/8/29全光通信网混合型光交换光交换层次示列作业光交换2022/8/29全光通信网1、什么是光交换技术？与电交换技术相比，光交换技术有哪些特点？2、试比较光电路交换与光分组交换。3、目前的复合型光交换方式有哪些

50、？请设计并画出其中一种复合光交换的结构图。4、说明空分光交换的原理，并设计一个3*3严格无阻塞的空分光交换网络，完成下列交换：交换光5、说明时分光交换的原理，设计一个时分光交换网络，完成下列交换：“abcd”“bdca”，并计算延时量。光路交换与光分组交换2022/8/29全光通信网123123123123(a) Cross-Connect (1000 by 1000, ms switching time)123123123123(b) Packet-Switch (64x64, with ns switching time)224343112022/8/29全光通信网时分光交换网络 工作原理

51、：首先，把时分复用信号送入空间开关分路，使它的每条出线上同时都只有某一个时隙的信号；然后，把这些信号分别经过不同的光延迟线器件，使其获得不同的时间延迟；最后，再把这些信号经过一个空间开关复用重新复合起来，时隙互换就完成了。2022/8/29全光通信网(a) TST结构；(b) STS结构两种空分与时分结合型光交换单元1) 空分与时分结合型交换系统2022/8/29全光通信网一种波长复用的空分光交换模块 2) 波分与空分结合型交换系统 2022/8/29全光通信网混合型光交换光交换层次示列第三章 光交换技术3.5-3.7课堂主要内容2022/8/29全光通信网一. OPS基本概念二. OPS关键

52、技术三. OBS基本概念四. OBS关键技术五. OBS与OCS及OPS技术的比较理解理解理解光分组交换（OPS）技术（OPS: Optical Packet Switching) 不同类型的用户能够用灵活和有效的方式来动态地分享带宽。基于波长路由的光传送网尽管很具优势，但交换的粒度较大，不能有效地使用WDM系统的传输能力，传送的效率较低。2022/8/29全光通信网OPS基本概念OPS定义2022/8/29全光通信网 OPS是以光分组的形式来承载业务数据，净荷的传输和交换在光域中进行，而信头处理和控制在光域或电域中完成。2022/8/29全光通信网保护时隙保护时隙保护时隙路由标记载荷同步比特

53、分组头同步比特时隙 T: 1.646s = 128byte (分组头为622Mbit/ s)5字节14字节2字节102字节5字节分组头180ns64.3ns26ns64.3ns载 荷1311ns时间保护时隙用来补偿光器件的交换时间、净荷在节点处可能的抖动以及在网络节点接口处同步单元的有限的冲突解决能力。载荷比特率在一定程度上是透明的(比特率可变)。光分组的固定时隙长度可简化同步操作。2.5-10G透明光分组的帧格式2022/8/29全光通信网OPS节点结构及工作原理光分组的预放大和同步、信头提取、净荷定位和缓存等 光分组净荷的输出缓存、定位、同步、放大以及新报头插入、冲突解决等负责光分组路由交

54、换、上/下路、冲突解决等，决定了节点的交换速率、吞吐量、可扩展性等分析、判断报头信息，发出同步、交换路由的控制信号去控制输入模块和交换矩阵，再产生新报头信息输入到输出模块中2022/8/29全光通信网纯空分型OPS节点输入分组在其报头信息被识别并给出控制信号后，由第一级空分交换选择不同的延迟线，这样使某些将在同一时刻到达同一输出口的分组经历不同的延时，然后由第二级空分矩阵对这些分组的输出口进行交换选择。2022/8/29全光通信网广播-选择型OPS节点光分组由WC转换成不同的波长进入NK星形耦合器中，后被广播发送到K条光纤延迟线上，被延时的光分组再被广播发送到各个输出端口，由两级光开关实现对输

55、出口的路由选择：第一级进行路由和延时的筛选，第二级进行波长选择。2022/8/29全光通信网波长路由型OPS节点 WDM分组信号一方面被报头处理器提取报头信息加以分析，并输出光分组的缓存、路由等信息至控制回路；另一方面各分组的净荷在控制回路的控制下确定其缓存要选取的延迟线，并由TWC将外部波长转换到这条延迟线所对应的内部波长上，由第一个AWG将这些光分组分配到各自选择的延迟线上，得到各自的延时量后，由第二个AWG从M条入线转换到N条出线。根据各分组数据的输入端口和所使用的波长对其进行选路，即固定路由的波长路由器的作用2022/8/29全光通信网OPS网络结构光分组网的分层参考模型近期中期远期底

56、层为物理层：也称传输层，与光纤链路的物理特性直接相关。中间层为光层，即透明光分组层，由光传输层和光分组层组成。今后随着光层功能的集成，光分组层与光传输层的功能将聚合在一起。最上层为业务层，由ATM、SDH和IP等构成。2022/8/29全光通信网光透明分组的接入接口划分成4个子层数据汇聚子层：用于数据速率的适配，将IP数据包封装成光的分组网络子层：产生光透明分组的路由标签/地址，并将其插入光透明分组头中。链路子层：利于简单的FIFO的规则对链路子层进行复用/解复用，然后将其作为一个独特的数据包流发送。波长汇聚子层：提供适用于在光纤中传输的适当的波长编码。 光分组的产生 2022/8/29全光通

57、信网OPS关键技术 必须具有码速提升的功能，即分组压缩，才能在连接的用户信息（ATM信元或IP分组）中加入必须的分组头部分和保护时间。方案1：同步装置由一系列串联的22光开关和FDL组成。分组同步2022/8/29全光通信网2X2光开关2X1光耦合器输入1/2分组长度光纤延时线1/4分组长度 分组长度光纤延时线输出 分组长度分组同步2022/8/29全光通信网两种方案都已得到现场测试与检验。信头读取控制器可调谐波长 转换器高色散光纤方案2：充分利用色散来控制光信号的传输时间 不同波长的光信号在高色散光纤中的传输时延不同，因此将数据包调制到恰当的波长上就能得到恰当的时延。2022/8/29全光通

58、信网 在OPS节点处，有2个以上的同一波长的数据包同时去往同一个输出端时，就会发生对输出端资源的竞争，从而使竞争失败的数据包受阻，这时称输出端产生了冲突。分组的竞争与冲突2022/8/29全光通信网光缓存.分组的竞争与冲突(1)可编程的并行FDL阵列，由2个空分交换开关与一系列并行的延时不同的FDL组成，如图(a)所示，可以动态配置，但损耗大，不易升级；2022/8/29全光通信网B个K(B+1)(B+1)KFDL(a)常见的光缓存结构(2)串联的FDL阵列由22光开关与FDL串联而成，如图 (b)所示，在同步机制中也常采用这种结构；2022/8/29全光通信网22FDL(b)FDLFDL常见

59、的光缓存结构(3)有源或无源的光纤环路 这是反馈式的缓存结构，环路上配有偏振控制器，还可能有光放大器，光信号可以在环路中多次环回。2022/8/29全光通信网空分交换矩阵光放大器光纤环路常见的光缓存结构光突发交换(OBS)的提出2022/8/29全光通信网 OPS存在着两个近期内难以克服的障碍： 1. 光缓存器技术还不成熟，目前实验系统中采用的光纤延迟线往往比较笨重、不灵活，存储深度有限； 2. 在OPS的节点处，多个输入分组的精确同步难以实现OBS基本概念2022/8/29全光通信网OBS( Optical Burst Switching，光突发交换)2022/8/29全光通信网 OBS采用

60、单向资源预留机制，以光突发作为交换网中的基本交换单位，突发是多个分组的集合，包括突发数据分组（BDP：Burst Data Packet）和突发控制分组（BCP: Burst Control Packet）两部分。 OBS( Optical Burst Switching，光突发交换) 带宽粒度介于电路交换和分组交换之间，比电路交换灵活、带宽利用率高，比光分组交换更贴近实用。2022/8/29全光通信网 OBS首先在控制波长上发送控制分组(连接建立)，然后在另一个不同的波长上发送突发数据。突发数据从源节点到目的节点始终在光域内传输，而控制分组在每个节点都需要进行光/电/光的变换以及电处理。OB