全光网络技术发展趋势研究_毕业论文(24页).doc

-全光网络技术发展趋势研究_毕业论文-第 22 页设计（论文）题目：全光网络技术发展趋势研究目录摘 要1ABSTRACT1引言21 概 述31.1全光网概述31.2通信网络的发展概况32 全光网络的相关技术52.1.2 波分复用（WDM）52.1.3 光分插复用（OADM）62.2光节点技术72.3 全光中继83全光网络的核心光交换技术103.1光交换元件103.1.1半导体光开关103.1.2耦合波导开关103.1.3波长转换器113.1.4光存储器113.2光交换技术123.2.1光路交换123.2.2分组交换技术154 全光网络的结构174.1全光网络的基本结构174.2全光网的传输网络175 光网络的控制与管理技术215.1控制与管理开销通道215.2控制与管理配置模式215.3光层动态控制信令协议226 全光网的现状及发展246.1全光网的两个发展阶段246.2目前全光网的发展状况246.3全光网络国外研究概况246.4全光网的发展前景及面临的困难和挑战25谢 辞29参考文献30摘 要全光网络（AON）的出现标志着网络传输技术又向前迈出了重大的一步，它与传统的传输网络相比具有卓越的性能，被称为第三代网络，不久的将来，它将成为电信、Internet等网络的核心。本文简要介绍全光网络的基本概念、相关技术(全光交换、光交叉连接、全光中继、光复用/解复用)，全光网的网络结构、全光网络的管理、以及全光网络的发展历程、出现的背景、最新的国内外进展状况和目前存在的技术问题和发展前景等。关键词: 全光网络、光波复用、光交换、光节点ABSTRACTAll optical network (AON) marked the emergence of the network transmission technology has taken a major step forward， compareing with traditional transmission networks ， it has outstanding performance， known as the third-generation network， In the near future， it will be the core of telecommunications Internet and other network. This article introduced briefly the entire light network the basic concept， the correlation technology (all optical switching， optical cross-connect， the optical relay， retrocession by / to the use)， all optical network network structure， the all optical network management， and the entire optical network development process， the emergence of the background， the latest and state of progress and existing technical problems and development prospects.Keywords: all optical networks， the use of light waves， optical switching， optical.引 言21世纪是信息社会的时代，社会对信息的大量需求，推动了网络传输技术的高速发展，国家骨干通信网（含广播电视与电信数字传输交换网、数字微波网、卫星通信网）为信息传送提供了高速通道，但仍难于满足Internet爆炸式的增长、难于满足大量传输多媒体及丰富图形终端用户的带宽需求；特别是这些信息最终都要经过“最后一公里”的接入网才能传送到用户手中。不管是电信网络或者广电网络，这最后一公里的接入网在整个网络中均占有重要的地位，它不但投资大，而且又是制约目前与将来业务高速发展的瓶颈，全光网技术的出现，将会彻底改变该现状而产生深远的意义。全光网由于具有频带宽、容量大、扩容升级方便，适合高速业务的发展，它最终将发展成为宽带综合业务基础数字网络平台。1 概 述目前，光通信的发展主要向更大的容量发展，但是，在向大容量进军的同时，如何有效的运行、管理和维护如此大规模的网络已经逐渐被人们关注。为此人们提出了全光通信网的概念，指出了未来光通信的发展方向。1.1全光网概述随着社会的进步，可以极大丰富和改善人们通信效果和质量的宽带视频、多媒体业务、基于IP的实时/准实时业务等新兴数据业务的社会需求不断增长。由于新兴业务占用的带宽资源较多，高速宽带综合业务网络已成为本世纪通信网络的发展趋势，而光纤具有巨大的带宽，1.55m波长附近200nm范围内，传输损耗较低。由公式f = c/，其中f为频率、为波长、c = 3×108m/s 为光速，可得知200nm的对应带宽约为25THz（1THz=1012Hz）。在1.3m波长附近，也有约25THz可利用的带宽。这样，一根光纤可提供的理论传输带宽约为50THz。但是，目前串行电信号传输速率上限为40Gbps，即使用此速率在光纤上传输，也仅利用了光纤容量的千分之一。在众多的网络技术实现方案中，基于电子技术的网络方案由于受限于器件工作上限速率40G，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，网络中还会出现带宽“瓶颈”。只有基于光纤的全光网络方案能提供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输的“瓶颈”，可以在很长的时间内适应高速宽带业务的带宽需求。全光网络（全光通信网络）是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内，波长成为全光网络的最基本单元。由于全光网络中的信号传输全部在光域内进行，因此，全光网络具有对信号的透明性，它通过波长选择器件实现路由选择。全光网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，成为下一代高速（超高速）宽带网络的首选。未来光通信网络发展的主要趋势为：组网方式开始从简单的点到点传输向光层联网方式前进，改进组网效率和灵活性；光联网将从静态联网开始向智能化动态联网方向发展，改进网络响应和生存性是未来发展的一项主要任务；智能网络对于运营商在竞争中推出与众不同的服务，以及节省运营开支起着至关重要的作用。1.2通信网络的发展概况1. 第一代网络电缆网络电缆网络采用传输电缆将各网络节点连接在一起，该传输网络技术已经相当成熟，根据传输信号不同，传输电缆可以是同轴电缆也可以是双绞线电缆，该网络传输损耗大，频带较窄，主要利用频分复用技术(FDM)来提高带宽。电缆网络具有以下特点:主要用于传输模拟信号；各传输节点对信号产生一定的时延、噪声和失真；传输距离较短；可靠性较低，这些特点是由于整个网络都是在电信号领域完成信号的传输、交换、处理等功能，必然受到电子器件自身物理参数极限的限制。2.第二代网络光电混合网络光电混合传输网络是在各个节点之间用光缆代替电缆，实现节点之间传输光缆化，节点仍采用电子处理与交换设备，节点至用户终端之间仍采用电缆网络，这是目前广泛采用的网络。光缆与电缆比较具有如下优点:通信容量大，传输距离远，抗电磁干扰性能好，传输质量佳，节省金属材料资源。特别是数字传输干线采用时分复用(OTDM) 技术，充分挖掘光纤的带宽资源，实现大容量信息在网络节点上的交换。目前应用最广的是数字同步复接体系(SDH)，这种网络实现了传输干线信息的远距离高速大容量传输。3.第三代网络全光网络全光网络以光节点代替电节点，光节点之间采用光纤互联在一起，实现信息完全在光领域的传输与交换，是未来信息网络的核心。全光网络最显著的优点是它的开放性，它对所有不同调制频率、不同速率和协议、不同制式的信号都同时兼容，是完全透明的，并允许几代传输设备(PDH/ SDH/ ATM) 共存于一个传输网络系统；全光网络结构简单，组网非常灵活，可以随时增加新节点(包括无源分路/合路器) 而不必安装新的信号交换与处理设备。全光网络与光电混合网络的最大区别在于它具有最少量的电/光- 光/电转换设备，任何一个光节点都无需为其他节点处理信息与服务，光节点与用户终端之间的信号传输与处理均在光域进行。全光网络具有如下优点：1)提供巨大的带宽。2)与无线或铜线比，处理速度高且误码率低。3)采用光路交换的全光网络具有协议透明性，即对信号形式无限制。允许采用不同的速率和协议，有利于网络应用的灵活性。4)全光网中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光/电/光转换工作量及设备，提高网络整体的交换速度，降低了成本并有利于提高可靠性。对于全光网络的发展来说，目前还存在一些技术挑战，如光网络的网络管理、网络的互连和互操作、光性能的监视和测试等。网络管理除了基本的功能外，核心光网络的网络管理应包括下列功能：光波长路由管理、端到端性能监控、保护与恢复、疏导和资源分配策略管理。目前这方面的协议已经被人们提出并逐步走向完善。光通信一直是推动整个通信网络发展的基本动力之一，已经提出的智能光网络和城域光网络等代表了光通信的未来发展方向。2 全光网络的相关技术2.1光复用/解复用技术 2.1.1光时分复用（OTDM） 光时分复用（OTDM）是用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光信道，经复用后在同一根光纤传输的扩容技术。光时分复用技术主要包括：超窄光脉冲的产生与调制技术、全光复用/解复用技术、光定时提取技术。1.超窄光脉冲的产生光时分复用要求光源提供520GHz的占空比相当小的超窄光脉冲输出，实现的方法有增益开关法、LD的模式锁定法、电吸收连续光选通调制法及光纤光栅法、SC(Supercontinum）光脉冲。增益开关法可以产生脉宽57ps、脉冲重复频率在10GHz左右可任意调整的光脉冲，其优点是很容易与其它信号同步。增益开关法已用于各种高速光传输实验中的脉冲源产生和光测量中。SC光脉冲宽度可1ps，最窄达0.17ps。另外利用调整线性调制光纤光栅的色散值对电吸收调制器输出的光脉冲形状进行修正，也可以产生脉宽为5.8ps、占空比为6.3%的10GHz的光脉冲。2.全光复用/解复用技术全光时分复用可由光延迟线和3dB光方向耦合器构成。在超高速系统中，最好将光延线及3dB光方向耦合器集成在一个平面硅衬底上所形成的平面光波导回路（PLC）作为光复用器。全光去复用器在光接收端对OTDM信号进行去复用。目前已研制出4种形式的器件作为去复用器，它们是光克尔开关矩阵光去复用器、交叉相位调制频移光去复用器、四波混频开关光去复用器和非线性光纤环路镜式（NOLM）光去复用器。无论采用何种器件，都要求其工作性能可靠稳定，控制用光信号功率低，与偏振无关。3.光定时提取技术光定时提取要求超高速运转、低相位噪声、高灵敏度以及与偏振无关。目前已研制出一种采用高速微波混频器作为相位探测器构成的锁相环路（PLL），另外使用法布里一珀罗干涉光路构成的光振荡回路（FPT）也可以完成时钟恢复功能。2.1.2 波分复用（WDM）光波分复用是多个信源的电信号调制各自的光载波，经复用后在一根光纤上传输，在接收端可用外差检测的相干通信方式或调谐无源滤波器直接检测的常规通信方式实现信道的选择。采用WDM技术不仅可以扩大通信容量，而且可以为通信带来巨大的经济效益。因而，近些年对这方面的研究方兴未艾，特别是密集波分复用可望很快获得应用。1995年NTT进行了10个信道、每个信道的传输速率高达10Gb/s，中继间距为100km，传输距离为600km的全光传输实验，系统容量高达60（Tb/s）km。1996年NEC、AT&T、富士通3个公司进行了总容量超过1Tb/s的WDM实验（NEC：20Gb/s×132ch-120km；富士通：20Gb/s×55ch-150km；AT&T：40Gb/s×25ch-55km）。1997年初，总容量为40Gb/s（2.5Gb/s×16信道）的WDM系统已经商用。目前，大部分公司的DWDM系统都是以2.5Gb/s为基本速率的，仅加拿大北电网络等少数公司是以10Gb/s为基本速率。北电（Nortel）的8×10Gb/s波分复用系统开通实际业务的运营商。MCI公司70%的网络中已采用了WDM系统。泛欧运营商HER公司(Herms EuropeRailtel）将采用Cienc公司的40×2.5Gb/s系统。 Williams公司将为Frontier在休士顿、亚特兰大等地的网络提供16×10Gb/s的DWDM系统。目前，国内开发DWDM系统的单位有原邮电部五所、北京大学、华为公司和武汉邮电科学研究院等。武汉邮电研究院的8×2.5Gb/s波分复用系统已用于济南-青岛工程。现在WDM技术的研究方向主要有两个：一个是朝着更多波长、单波长更高速率的方向发展；另一个是朝着WDM联网方向发展。点到点的DWDM系统只提供了原始的带宽，在竞争激烈的市场中，按需分配容量、个性化业务和成本低等是竞争的优势，因此业务提供者需要与此相适应的方案，需要提供灵活的交叉节点才能更好地满足对传输容量和带宽的巨大需求，具有全光交换能力的光交换节点，主要研究集中在OXC、OADM器件以及由这些器件构成的系统上，它可以在此基础上形成具有全光交换能力的产品。2.1.3 光分插复用（OADM）在波分复用（WDM）光网络领域，人们的兴趣越来越集中到光分插复用器上。这些设备在光波长领域内具有传统SDH分插复用器（SDH ADM）在时域内的功能。特别是OADM可以从一个WDM光束中分出一个信道分出功能），并且一般是以相同波长往光载波上插入新的信息（插入功能）。对于OADM，在分出口和插入口之间以及输入口和输出口之间必须有很高的隔离度（25dB），以最大限度地减少同波长干涉效应，否则将严重影响传输性能。已经提出了实现OADM的几种技术：WDMDEMUX（解复用）和MUX（复用）的组合；光循环器间或在Mach-Zehnder结构中的光纤光栅；用集成光学技术实现的串联Mach-Zehndr结构中和干涉滤波器。前两种方式使隔离度达到最高，但它们需要昂贵的设备如WDM MUX/DEMUX或光循环 器。Mach-Zehnder结构（用光纤光栅或光集成技术）还在开发这中，并需要进一步改进以达到所要求的隔离度。上面几种OADM都被设计成以固定的波长工作。意大利电信中心研究实验室研制了一种新结构使用干涉滤波器的OADM，与传统的单根光纤设计相比，它提供了插入口和分出口之间的高隔离度，对输出口的分出信号双倍的抑制功能以及波长可调性，这种方法的可行性已通过样机进行了试验。测得的输入和分出口之间隔离度55dB，对分出信道的抑制16dB，调节范围8nm。2.2光节点技术光交叉技术光交叉连接（OXC）是用于光纤网络节点的设备，通过对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光纤传输网络，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。OXC主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等模块组成。为增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用的冗余结构，OXC自动进行主备倒换。输入接口、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、输入接口、输出接口模块进行监测和控制、光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠，并且要具有单向、双向和广播形式的功能。光交叉设备的一般结构如图2-1： 图2-1 光交叉连接设备一般结构OXC也有空分、时分和波分3种类型。目前比较成熟的技术是波分复用和空分技术，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。日本NEC公司研制的8×8无极性LiNbO3光交叉矩阵由64个无极性定向耦合开关单元组成，所有开关单元都以简单树形结构（STS）的形式集成在LiN-bO3芯片上。英国BT实验室研制的OXC采用WDM技术与空分技术相结合，已用于波分复用系统。在伦敦地区本地网络上进行了现场实验，传输速率为622Mb/s。另外，西门子、NTT和爱立信等国外大公司所 属实验室对OXC的结构、应用技术也进行了类似研究和实验。2.3 全光中继传统的光纤传输系统是采用光电光再生中继器，这种方式的中继设备十分复杂，影响系统的稳定性和可靠性。多年来，人们一直在探索去掉上述光电光转换过程，直接在光路上对信号进行放大传输，即用一个全光传输型中继器代替目前这种再生中继器。科技人员已经开发出半导体光放器（SOA）和光纤放大器（掺铒光纤放大器EDFA、掺镨光纤放大器PDFA、掺铌光纤放大器NDFA）EDFA具备高增益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关 等一系列优点，这将可以促进超大容量、超高速、全光传输等一批新型传输技术的发展。利用光放大器构成的全光通信系统的主要特点是：工 作波长恰好是在光纤损耗最低的1.55m波长，与线路的耦合损耗很小，噪声低（48dB）、频带宽（3040nm），很适合用于WDM传。但是在WDM传输中，由于各个信道的波长不同，有增益偏差，经过多级放大 后，增益偏差累积，低电平信道信号SNR恶化，高电平信道信号也因光纤非线性效应而使信号特性恶化。为了使EDFA的增益平坦，主要采用 “增益均衡技术”和“光纤技术”。增益均衡技术利用损耗特性与放大 器的增益波长特性相反的原理均衡抵消增益不均匀性。目前主要使用光纤光栅、介质多层薄膜滤波器、平面光波导作为均衡器。“光纤技术”是通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变EDF特性，从而改 善EDFA的特性。其技术包括以下几个方面：（1）研制掺铒碲化物玻璃 光纤。用这种光纤制作的EDFA，可使增益特性平坦，频带扩宽。而且频带向长波长一侧移动。据NTT公司在OFC97上报道，其最高带宽达80nm。在15351561nm之间，实现了增益基本平坦，最大偏差不超过1.5dB。（2）多芯EDFA。多芯EDFA使用的EDF最多纤芯的。激励光能大致均匀地 分配到第一纤芯中，各个纤芯内的光信号均以小信号进行放大，从而在很宽的波长范围内获得接近平坦的增益。（3）研制掺铒氟化物光纤放 大器，在带宽的频带内可获得平坦的增益。（4）通过在掺铒光纤中掺铝，改变铒的放大能级分布，加宽可放大的频带。（5）用不同掺杂材料和掺杂量的光纤进行组合，制作混合型EDFA。主要有（A1-EDF）和P-A1-EDF）组合；A1-EDF和P-Yb-EDF组合；掺铒石英光纤和掺铒氟化物光纤组合。这样可以使增益平坦性、噪声特性和放大效率达到最佳。EDFA最高输出功率已达到27dBm，这种光纤放大器可应用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中光图像信号分配系统、空间光通信等。目前光放大技术主要是采用EDFA。SOA虽然研制得比较早，但受噪 声、偏振相关性等影响，一直没有达到实用化。但应变量子阱材料的SOA研制成功，引起了人们的广泛兴趣，且SOA具有结构简单、成本低、可批量生产等优点，人们渴望能研制出覆盖EDFA、PDFA应用窗口的1310nm和1550nm的SOA。用于1310nm窗口的PDFA，因受氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制，研究进展比较缓慢，尚未实用。 目前来看，虽然在全光通信方面的技术方面有了很大的进展，很多关键的技术得到了很好的改进，能够基本适应全光通信的基本需要，但是也还存在很多关键技术不足的地方，如下面将要介绍到的全光网络的核心光交换方面的技术就不是很成熟，但是全光网络具有很大的优点和潜力可挖，它必将是下一代网络的首选方案，是未来通信网络的发展方向。3 全光网络的核心光交换技术通信网的两大主要组成部分传输和交换，随着通信容量和带宽要求的迅速增加都在不断发展和革新。由于光波分复用技术的成熟，传输容量的迅速增长带来的对交换系统发展的压力和动力，通信网中交换系统的规模越来越大，运行速率越来越高。但目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近电子速率的极限，其固有的RC参数、钟歪、漂移、串话和响应速度等缺点限制了交换速率的提高，为了解决电子瓶颈的限制问题。在交换系统中引入光子技术实现光交换，光交叉连接（OXC）和光分叉复用（OADM）实现全光通信。全光通信网的优点是：光信号在通过光交换单元时，不需要经过光电、电光转换。因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调制方式透明，可以大大提高交换单元的信息吞吐量。由于信息的传输技术的不断完善，光交换技术成为全光通信网的关键。3.1光交换元件3.1.1半导体光开关通常半导体光放大器是用来对输入光信号进行放大，并且通过控制放大器的偏置电流来控制其放大倍数。当偏置电流为零时，输入的光信号将被器件完全吸收，使得器件不输出光信号。器件的这个作用相当于一个开关把光信号给“关断”了；当偏置电流信号为某一个不为零的值时，输入的光信号便会被适当放大后而输出，这相当于开关闭合让光信号“通过”。因此半导体光放大器也可以用于作光交换中的空分交换开关，通过控制电流来控制光信号的输出选向。3.1.2耦合波导开关半导体光放大器只有一个光输入端和一个光输出端，而耦合波导开关除了一个控制电极外，还有两个光输入端和两个光输出端，可实现平行连接或交叉连接。耦合波导开关是利用铌酸锂材料制作的，铌酸锂是一种折射率随外电场变化而改变的光电材料。在铌酸锂基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的波导，再焊上电极就可以作为光交换元件了。如图3-1所示。当两个很接近的波导进行适当耦合时，通过这两个波导的光束将发生能量交换，其交换能量的强度随着耦合系数，平行波导的长度而变化。只要所选的参数得当，那么光束将会在两个波导上完成交换，通过控制电极上的电压，将获得平行连接和交叉连接两种交换状态。典型的波导长度为数个毫米。激励电压为5伏，交换速度主要依赖于电极之间的电容，最大速率可达Gb/S量极。光信号通道控制电极平行连接交叉连接 图3-1 耦合波导开关结构图3.1.3波长转换器一种用于光交换的器件是波长转换器，最直接的波长转换是光电光交换，即将波长为i输入光信号，去驱动一个波长为o的激光器输出光信号，利用外调制器实现间接的波长转换，即在外调制器的控制端施加适当的直流偏压，使得i入射光调制成o的输出光。而直接调制是利用激光器的注入电流直接随承载信息的信号而变化，少量电流的变化就可以调制激光器的波频(波长)，大约是1nm/mA。通过不同的信号的注入电流不同产生不同的波长的信号输出。可调谐激光器是实现波分复用最重要的器件，近年来制成的单频激光器用的是量子阱结构。分布反馈或分布喇格反射式结构，有些可在10nm或1THz范围内调谐，调节速度大有提高。激光外调整器，采用具有电光效应的某些材料制成，这些材料有半导体、绝缘晶体、有机聚合物。最常用的是采用钛扩散铌酸锂波导构成H-Z干涉型外调整器。其相位受滞后随注入电流变化引起折射率变化的影响。在晶体和各向异性的聚合物中，利用电光效应（折射率随施加的外加电压而变化）实现对激光的调制。3.1.4光存储器在电设备中，存储器实现着电位状态延时保持作用。在全光系统中，为了实现光信息的处理，光信息的存储显得极为重要。在光存储方面，首先试制成功的光纤延迟线存储器，而后又研制出了双稳态激光二极管存储器。 图3-2 双稳态激光二极管图如图3-2为双稳态激光二极管构成的光存储器的实例结构。它由一个带有串联电极的双非均匀的波导组成。串联电极是一个沟道隔开的两个电流注入区，由于沟道没有电流输入，它起着饱和吸收区的作用。此吸收区抑制双稳态触发器自激振荡，使器件有一个输入与输出滞后特性。当输入光脉冲时，激光二极管翻转为导通状态，输入光消失。为使双稳态触发器复位，只要在激活区注入负电流脉冲即可。此时激光二极管返回到截止状态。开关速度与置位脉冲的光通量和激励电流的偏置量有关。在毫微秒量级的高速交换时具有大于20dB的高信号增益。3.2光交换技术光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。3.2.1光路交换光信号的分割复用方式有三种：空分、时分和波分。相应也有空分、时分和波分三种光交换。分别完成空分信道、时分信道和波分信道的交换。这三种交换方式的特点和其实现方案各不相同。若光信号同时采用两种或三种交换方式则称复合光交换。1.空分光交换空分光交换是空间域上将光信号进行交换。空间光开关是光交换中最基本的功能元件。它可是连接构成空分光交换单元，也可以与其他功能开关一起构成时分交换单元和波分交换单元，空间光分开关可以分光纤型光开光和空间型光开关。空分光交换的基本单元是2×2的光交换模块，在输入端具有两根光纤，输出端也有两根光纤，它的工作状态有平行连接状态和交叉连接状态如图4，其中波导型光开关型结构如图3-3（a），半导体光开关型结构如图3-3（b）。利用2×2基本光交换模块可构成大型的空分光交换单元。 （a） (b)图3-3 空分光交换结构图2.时分光交换时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式。光时分复用和电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙，N个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。要完成时分光交换，必须有时隙交换器实现将输入信号一帧中任一时隙交换到另一时隙输出的功能。完成时隙交换必须有光缓存器，把时分复用信号按一定顺序写入储存器，然后按一种顺序读出来，这样便完成了时隙交换。双稳态激光器可用作光缓存器，但它只能按位输出，而且还需解决高速化和扩大容量问题。光纤延时线是一种比较适用于时分交换的光缓存器。利用光纤延时线的光时分交换的工作原理：首先把时分复用的光信号经过光分路器，使它的每条出线上同时都只有某一时隙的光信号；然后让这些信号分别经过不同的光延时器件，使其获得不同的时间延迟；最后，再把这些信号经过一个光合路器重新复合起来，就完成了时分交换。利用光时分交换技术实现的时分交换系统组成如图3-4 图3-4 时分光交换结构图3.波分光交换波分复用技术在光传输系统中已经得到广泛应用。一般说来，在光波复用系统中其源端和目的端都采用相同的波长来传递信号，否则将在多路复用中，每个终端都将增加终端设备的复杂性。这样要求在传输系统中间节点上要采用光波分交换，采用这样的技术不仅满足光波分复用终端的互通，而且还能提高传输系统的资源利用率。光波分交换网络的结构如图3-5所示。波分光交换所需波长交换器是先用分解复用器将光波分信道空间分割开，对每个波长信道分别进行波长交换，然后再把它们复用起来，经由一条光纤输出。 图3-5 波分光交换网络结构图密集波分复用是光纤通信中的一种趋势，它利用光纤的宽带特性，在1550nm波段的低损耗窗口中复用多路光信号，大大提高光纤的通信容量。4.混合型光交换在波光交换技术的基础上设计大规模交换网络的一种方法是进行多级链路的连接，在各级的连接链路中均采用波分复用技术。然而由于需要把多路信号进行分路后再接入链路，从而抵消了波分复用的优点。解决这个问题的措施是在链路上采用波分复用技术，然后利用空分交换完成链路级交换，最后利用波分交换技术选出相应的信号进行波分合路输出。常用混合交换方式有空分+时分，空分+波分，空分+时分+波分等复合方式。3.2.2分组交换技术光分组交换系统所涉及的关键技术主要包括：光分组交换（）技术；光突发交换（）技术；光标记分组交换（）技术；光子时隙路由（）技术等。这些技术能确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。光突发交换为IP骨干网的光子化提供了一个非常有竞争力的方案。一方面，通过光突发交换可以使现有的IP骨干网的协议层次扁平化，更加充分的利用DWDM技术的带宽潜力；另外一方面，由于光突发交换网对突发包的数据是完全透明的，不经过任何的光电转化，从而使光突发交换机能够真正的实现所谓的T比特级光路由器，彻底消除由于现在的电子瓶颈而导致的带宽扩展困难。此外，光突发交换的QoS支持特征也符合要求。因此，光突发交换网络很有希望取代当前基于SDH同步数字体系架构和电子路由器的IP骨干网，成为下一代光子化的骨干网。作为一项具有广泛前景和技术优势的交换方式，光突发交换技术已引起了国内外众多研究机构的关注，我国的863计划已将光突发交换技术列为重点资助项目。从应用的角度，光突发交换还有一些重要的课题需要研究。突发封装，突发偏置时延的管理，数据和控制信道的分配，QoS的支持，交换节点光缓存的配置(如果需要的话)等问题还需要作深入研究。对于光突发交换网来说，在边缘路由器光接收机上的突发快速同步也是对系统效率有重要影响的问题。光缓存中光纤延迟线的配置与突发长度的统计分布相关，而突发长度又取决于突发封装过程；突发封装、光路由器的规模、数据和控制信道组的大小又会影响突发偏置时延的管理；交换节点的分配器和控制器运行快慢以及网络规模又会反过来影响突发封装。在网络设计当中，所有的这些问题都必须仔细考虑和规划。由于光纤延迟线的限制，为了降低丢包率，光突发交换网络必须通过波分复用网络信道成组来实现统计复用。如何在光突发交换网络中实现组播功能也是一项非常重要的课题，为了实现组播，光开关矩阵和交换控制单元都必须具备组播能力，且二者之间必须能有效地协调。此外，将光突发交换与现有的动态波长路由技术有机的结合，可以使网络具有更有效的调配能力，但也需要进一步的细致研究。光分组交换技术独秀之处在于：一是大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点，支持未来不同类型数据；二是能提供端到端的光通道或者无连接的传输；三是带宽利用效率高，能提供各种服务，满足客户的需求；四是把大量的交换业务转移到光域，交换容量与WDM传输容量匹配，同时光分组技术与OXC、MPLS等新技术的结合，实现网络的优化与资源的合理利用因而，光分组交换技术势必成为下一代全光网网络规划的“宠儿”。光分组技术的制约因素：光分组交换的关键技术有光分组的产生、同步、缓存、再生，光分组头重写及分组之间的光功率的均衡等。光分组交换技术与电分组技术相比，光分组交换技术经历了近10年的研究，却还没有达到实用化，主要有两大原因：第一是缺乏深度和快速光记忆器件，在光域难以实现与电路由器相同的光路由器；第二是相对于成熟的硅工业而言，光分组交换的集成度很低，这是由于光分组本身固有的限制以及这方面工作的不足造成的。通过近期的技术突破与智能的光网络设计，可充分地利用光与电的优势来克服这些不利因素。4 全光网络的结构4.1全光网络的基本结构NNMS:网络管理系统 EMS:网元管理系统 TM:终端复用 图4-1 全光网络结构图如图4-1所示为全光网络结构图，光传送网可以从垂直方向分为三个网络层，从上到下依次是光路层（OCH），光复用段（OMS）层和光传输段（OTS）层，即光纤传送层。光路层即波长层，为透明传递各种格式客户层信号的光路提供端到端联网功能，其主要传送实体有网络连接，链路连接，子网连接和路径。光网路层网络的功能有：光路连接的重组，以便能够实现灵活的选路；光路开销（开支消息简称开销）处理，以确保光路适配信息的完整一致；光路监控的功能，以实现网络的操作和管理。光复用段层为多波长光路（含单波长光路）光信号提供联网功能其主要传送实体有网络连接，链路连接，子网连接和路径。光复用段层的网络功能有：光复用段开销处理，以确保光路适配信息的完整一致；光复用段监控的功能，以实现复用段层网络的操作和管理。光传输段层为光信号在各种类型传输介质，如G.652 G.653 G.655光纤上提供传输功能，其主要传送实体有网络连接，链路连接，子网连接和路径。光传输段层网络功能有：光传输段开销处理，以确保光路适配信息的完整一致；光传输段监控的功能，以实现光传输段层网络的操作和管理，例如传输的可靠性生存性等。4.2全光网的传输网络随着光网络需求和技术的发展，光网络将分为核心层即沟通城市之间的长途光缆干线网、城市范围的光城域网、以及光接入网，包括城市和农村的光接入网和校园、企业等用户驻地网。从网络功能上讲，全光网络将由光核心网和光边缘网组成，光边缘网包括城域边缘网络、城域接入、城城接入、农村接入，以及校园网企业等用户驻地网络：而光核心网络则包括城市之间的骨干核心网络与城域核心网络。如图4-2所示图4-2 全光传输网络结构图全光网络一般由3级组成:光纤局域网（接入网）LAN，光纤城域网MAN，光传送网OTN(光纤核心长途干线网)，各级网络结构不尽相同。1.光纤局域网LAN一般局域网的网径较小，传输延迟小，数据吞吐量较高，因此常用星型结构或者总线型结构，其节点就是光收发器，每个星型子网分配一个光信号波长，采用媒质控制协议来解决资源共享问题，结构较为简单，当需要将各个子网互联起来时，则需要波长路由器。电话业务接入、广播电视(含数字电视)、不对称业务(如视频点播VOD)为主业务的光纤接入网也属于局域网范畴。目前广播电视网络由于混合光纤接入网(HFC)造价较低而进入商业化阶段，但随着光无源星形耦合器等光器件的成熟及成本的下降，无源光纤接入网(PON)将成为最具潜力的接入网方案(光纤到家FTTH方案)，由于该网络都采用无源光器件，其可靠性非常高。2.光纤城域网(WAN)光纤城域网多以城市或行政区为单位，跨度一般为几千米至几十千米，这需要光节点将许多局域网(子网) 连接起来，要求传输速率较高，其结构多为环型网。因为每一个光节点都发射、接收固定波长的光信号，所以需要一定的协议如CSMA和ALOHA等。3.光传送网(OTN)国际电信联盟在ITU - T的G.872建议中，定义了光传送网为一组可为客户信号提供主要在光域上进行传送、复用、选路、监控和生存性处理的功能实体，能够支持各种上层技术，是适应公用通信网络演进的基础传输网络，通俗地说，它是由高性能的光电转换设备连接众多的全光透明子网的集合。光传送网的性能与它对光信号的透明程度有关，如果能做到全透明，那么它就可以充分利用光交换及光纤传输的潜力，网络带宽可以做到近乎无限的程度。目前光网络的传输性能会受到状态监控、业务运营、标准开发等因素的制约，只能做到半透明传送的程度，网络结构虽然多少影响了传输速率，但却可以充分利用电领域已成熟的技术和灵活处理资源的能力，充分利用网络中已大量使用的SDH、PDH、ATM 等设备，既不浪费现有资源，又极大地提高传输性能。所以ITU - T决定按光传送网(OTN)的概念来研究