光交換技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

光纖網(wǎng)絡(luò)作為高速有效的代名詞已經(jīng)深入人心，在通信系統(tǒng)中也已經(jīng)大規(guī)模的實(shí)現(xiàn)部署和應(yīng)用。而實(shí)現(xiàn)透明的、高生存性的全光通信網(wǎng)是寬帶通信網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)。光交換技術(shù)作為全光通信網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用很大程度上決定未來光通信網(wǎng)絡(luò)的前進(jìn)方向。對光交換技術(shù)的概念及發(fā)展和其在通信中應(yīng)用的情況作概要的介紹，以供廣大科研工作者研究和探討。

光纖通信的優(yōu)勢在于巨大的信息容量和極強(qiáng)的抗干擾能力，其優(yōu)越的性能早已得到證實(shí)，并且在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中逐步取代以往電子線路為主要組成的通信網(wǎng)絡(luò)，成為現(xiàn)代通信的重要組成方式。而原有通信系統(tǒng)中的電子線路卻缺阻礙了光纖通信系統(tǒng)優(yōu)勢的發(fā)揮，成為性能的瓶頸。

在光纖通信系統(tǒng)中，只有科學(xué)合理的通信體系結(jié)構(gòu)才能夠發(fā)揮光纖系統(tǒng)的優(yōu)勢，組成理想的高速、大容量、高質(zhì)量的光纖網(wǎng)絡(luò)，而原有的電子線路通信在全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)行中是一個(gè)巨大的阻礙，要去除電子線路的影響需要光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步[1]。傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)并存時(shí)存在光電變換的過程，并且二者的結(jié)合受限于電子器件，光電交換信息的容量決定于電子部分的工作速度，本來帶寬較大的光纖網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行光電交換時(shí)就變得狹窄了，致使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬也隨之受限。因此在光通信網(wǎng)絡(luò)中需要在交換節(jié)點(diǎn)上直接進(jìn)行光交換而省去光電變換的過程，這樣才能釋放光纖的通信帶寬，實(shí)現(xiàn)其通信容量大和通信速率高的優(yōu)點(diǎn)。所以光交換技術(shù)倍受矚目，被認(rèn)為是新一代寬帶技術(shù)中最重要的部分。

1、光交換的方式

光信號(hào)復(fù)用一般有空分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用三種方式，相應(yīng)的也有空分交換、時(shí)分交換和波分交換來完成三種復(fù)用信道的交換[2]。

空分交換是將交換空間域上的光信號(hào)，其基本的功能組件是空間光開關(guān)。空間光開關(guān)原理是將光交換元件組成門陣列開關(guān)，可以在多路輸入與多路輸出的光纖中任意的建立通路。其可以構(gòu)成空分光交換單元，也可以和其他類型的開關(guān)一起構(gòu)成時(shí)分或者波分的交換單元?？辗止忾_關(guān)一般有光纖型和空間型兩種，空分交換的是交換空間的劃分。

時(shí)分復(fù)用是通信網(wǎng)絡(luò)中常用的信號(hào)復(fù)用方式，將一條信道分為若干個(gè)不同的時(shí)隙，每個(gè)光路信號(hào)分配占用不同的時(shí)隙，將一個(gè)基帶信道擬合為高速的光數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。時(shí)分交換需要使用時(shí)隙交換器來實(shí)現(xiàn)。時(shí)隙交換器將輸入信號(hào)依序?qū)懭牍饩彺嫫?，然后按照既定順序讀出，這樣就實(shí)現(xiàn)了一幀中的任一時(shí)隙交換到另外的一個(gè)時(shí)隙而輸出，完成了時(shí)序交換的程序。一般雙穩(wěn)態(tài)激光器可以用來作為光緩存器，但是它只能按位輸出，不能滿足高速交換和大容量的需求。而光纖延時(shí)線是一種使用較多的時(shí)分交換設(shè)備，將時(shí)分復(fù)用的光路信號(hào)輸入到光分路器中，使得其每條輸出通路上都只有某個(gè)相同時(shí)隙的光信號(hào)，然后將這些經(jīng)過不同光延時(shí)線的信號(hào)組合起來，經(jīng)過了不同延時(shí)線的信號(hào)獲得了不同的時(shí)間延遲，最后組合起來正好符合了信號(hào)復(fù)用前的原信號(hào)，從而完成時(shí)分交換。

在光傳輸系統(tǒng)中波分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，一般在光波分復(fù)用系統(tǒng)中，源端和目的端都需要使用同樣波長的光來傳輸信號(hào)，如非如此多路復(fù)用復(fù)用時(shí)每個(gè)復(fù)用終端都需要使用額外的復(fù)用設(shè)備，這樣就增加了系統(tǒng)的使用成本和復(fù)雜度[3]。因此如果在波分復(fù)用系統(tǒng)中，在中間傳輸節(jié)點(diǎn)上使用波分光交換，就可以滿足不額外增加器件實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用系統(tǒng)的源端與目的端互通，并且可以節(jié)約系統(tǒng)資源，提高資源利用率。

波分光交換系統(tǒng)首先將光波信號(hào)用分解器分割為多個(gè)進(jìn)行波分光交換所需的波長信道，在對每個(gè)信道都進(jìn)行波長交換，最后將得到的信號(hào)復(fù)用后組成一個(gè)密集的波分復(fù)用信號(hào)，由一條光纜輸出，這就利用光纖寬帶的特性，在損耗低的波段復(fù)用多路光信號(hào)，大大提高了光纖信道的利用率，提高了通信系統(tǒng)容量。

混合交換技術(shù)則是在大規(guī)模的通信網(wǎng)絡(luò)中使用多種交換技術(shù)混合組成的多級(jí)鏈路的光路連接。由于在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中需要將多路信號(hào)分路后再接入不同的鏈路，使得波分復(fù)用的優(yōu)勢無法發(fā)揮，因此需要在各級(jí)的連接鏈路中使用波分復(fù)用技術(shù)，然后再在各級(jí)鏈路交換時(shí)使用空分交換技術(shù)完成鏈路間的銜接，最后再目的端再用波分交換技術(shù)輸出相應(yīng)的光信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)合并最后分路輸出。常用的混合使用的交換技術(shù)有空分-時(shí)分混合、空分-波分混合、空分-時(shí)分-波分混合等幾種。

2、全光網(wǎng)交換技術(shù)

全光交換的實(shí)現(xiàn)第一步，首先要利用基于電路交換方式的光分插復(fù)用(OADM)和光交叉連接(OXC)技術(shù)實(shí)現(xiàn)波長交換，然后再進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光分組交換[4]。

波長交換是以波長為單位進(jìn)行光域的電路交換，波長交換是為光信號(hào)提供端到端的路由和分配波長信道。進(jìn)行波長交換的關(guān)鍵是要使用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，即光分插復(fù)用或者光交叉連接。光分插復(fù)用的工作原理是以全光的方式在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中分出和插入所需的波長通路。其主要的組成元件有復(fù)用器和解復(fù)用器，以及光開關(guān)和可調(diào)諧波器等。光分插復(fù)用的工作原理和同步數(shù)字系統(tǒng)(SDH)中分插復(fù)用器的功能類似，不過一個(gè)是在時(shí)域，而另一個(gè)是作用在光域。而光交叉連接則是和同步數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)字交叉連接器(DXC)作用相似，不過是實(shí)現(xiàn)在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的波長通路的交叉連接。

光波長交換本質(zhì)上任然是效率不高的光交換方式，其面向連接的屬性使其對已經(jīng)建立的波長通道不能實(shí)現(xiàn)再次分配以實(shí)現(xiàn)利用效率最大化，即使通信處于閑置狀態(tài)。而光分組交換能夠以極小的交換粒度實(shí)現(xiàn)帶寬資源的復(fù)用，提高光網(wǎng)絡(luò)的通信效率。光分組交換目前一般有光透明包交換(OTPS)、光突發(fā)交換(OBS)和光標(biāo)記交換(OMPLS)技術(shù)。光透明包交換主要特點(diǎn)是分組長度固定，采用同步交換的方式，需要對所有輸入分組在時(shí)間上同步，因此增大了技術(shù)難度，增加了使用成本。而光突發(fā)使用了變長度分組，使用傳輸包頭的控制信息和包身的數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上分離的傳輸方式，克服了同步時(shí)間的缺點(diǎn)，但是有可能產(chǎn)生丟包的問題。而光標(biāo)記交換則是在IP包在核心網(wǎng)絡(luò)的接入處添加標(biāo)記進(jìn)行重新封包，并在核心網(wǎng)內(nèi)部根據(jù)標(biāo)記進(jìn)行路由選擇的方法。

雖然光交換的方式對數(shù)字傳輸速率要求較高(一般10Gb/s以上)的通信場合更為合適，可以實(shí)現(xiàn)更低的傳輸成本和更大的系統(tǒng)容量;但當(dāng)系統(tǒng)要求的傳輸速率要求較低(指2.5Gb/s以下)、連接配置方式較為靈活時(shí)，使用舊式的光電轉(zhuǎn)換的方式接入可能更為合適。因此在當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用場景選擇合適的系統(tǒng)部署。

隨著未來通信網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，光交換技術(shù)也會(huì)以更加新穎和更有效率的方式為通信網(wǎng)絡(luò)的全光化做出貢獻(xiàn)，成為社會(huì)發(fā)展和人們生活中的重要部分。