光交换技术应用与发展论文.docx
《光交换技术应用与发展论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光交换技术应用与发展论文.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
光交换技术应用与发展论文
毕业设计论文
题目：
光交换技术应用与发展
论文题目
光交换技术应用与发展
指导教师
电话
Email
办公室
时间要求
论文初稿电子版上交指导教师邮箱，时间截止：
2013年4月1日；
论文终稿纸质版上交指导教师本人，时间截止：
2013年5月15日。
要求：
1、光交换概述；
2、光交换系统；
3、光交换系统中的技术热点；
4、光交换技术应用。
*论文字数不少于8000字！
参考资料：
毕业设计（论文）任务书
毕业设计的封面、任务书、成绩评定表以及格式要求等相关资料，须在陕邮职院通信系网站进行下载，格式必须按照要求书写、打印、装订，如不符合要求的将按不合格处理；在毕业设计中严禁出现相互抄袭、雷同的情况，如有发现，将按照零分处理。
陕邮职院通信系2013届毕业设计论文成绩评定表
学生姓名
性别
女
系别
通信系
专业
课题名称
光交换技术应用与发展
班级
起止时间
2012年12月～2013年5月
指导教师
课题任务
完成情况
论文14300（千字）；图纸22（张）；
其它（含附件）：
表2（张），流程图0（张）
指导
教师
意见
评阅成绩：
评阅/指导教师（签字）：
年 月 日
学生实得成绩
（百分制）
评阅成绩
评定级别（级别为“优秀”、“合格”、“不合格”三档）
目录
目录III
摘要1
1光交换概述2
1.1光交换2
1.1.1光交换基本概念2
1.1.2光交换的特点2
1.2光交换基本器件3
1.2.1光开关3
1.2.2波长转换器3
1.2.3光存储器4
1.2.4光调制器4
1.2.5光滤波器4
2光交换系统5
2.1光电路交换的分类5
2.1.1时分光交换（TDPS）5
2.1.2时分光交换原理5
2.1.3空分光交换（SDPS）6
2.1.4空分光交换原理6
2.1.5波分光交换（WDPS）7
2.1.6波分光交换原理7
2.1.7复合光交换7
2.2光分组交换系统8
2.2.1光分组交换概念8
2.2.2光分组交换技术特点：
8
2.2.3光分组交换机组成8
2.2.3光分组交换原理9
2.2.4光分组交换优点10
3光交换系统中的技术热点11
3.1光交换的特点11
3.2ATM光交换技术11
3.2.1ATM光交换技术的机构11
3.2.2ATM光交换技术特点12
3.3光突发交换技术12
3.3.1光突发交换优点12
3.3.2OBS的关键技术13
3.3.3OBS与OCS和OPS技术的比较14
4光交换技术应用15
4.1光交换技术的交换方式及其应用15
4.1.1空分光交换方式15
4.1.2波分光交换方式15
4.1.3时分光交换方式16
4.1.4自由空间光交换方式16
4.1.5混合型光交换方式16
4.2光交换技术发展趋势17
4.2.1智能自动化17
4.2.2全光交换17
4.2.3光交换机多样化18
致谢19
参考文献20
摘要
近年来，随着通信行业的不断发展，光交换技术是全光通信网中核心技术，光交换作为全光通网中一个重要支撑技术，在全光通信网中发挥着重要的作用。
文章论述了在光通信网络技术中对将发挥重要作用的光交换技术，并还详细介绍了光交换技术的概念，空分光交换、时分光交换、波分光交换、ATM光交换技术、分组光交换技术，突发光交换技术，以及光交换技术的应用和发展前景进行了描述。
关键字：
光交换、通信技术、光交换技术应用
1光交换概述
现代rpoej道现代通信网中，先进的光纤通信技术以其高速、带宽的明显特征而为世人瞩目。
实现透明的、具有高度生存性的。
全光通信网是带宽网未来发展目标。
从系统角度来看，支撑全光网络的关键技术又基本上分为光监控技术、光交换技术、光处理技术、光放大技术几大类。
而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它在全光通信技术中发挥着重要的作用。
1.1光交换
光交换是指不经过任何光/电转换，在光域内为输入光信号选择不同输出信道的交换方式。
1.1.1光交换基本概念
光交换（photonicswitching）技术也是一种光纤通信技术，它是在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。
与电子数字程控交换相比，光交换无须在光纤传输线路和交换机之间设置光端机进行光/电O/E和电/光E/O交换，而且在交换过程中，还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点。
光纤传输技术与光交换技术融合在一起，可以起到相得益彰的作用，从而使光交换技术成为通信网交换技术的一个发展方向。
1.1.2光交换的特点
a.由于光交换不涉及到电信号，所以不会受到电子器件处理速度的制约，与高速的光纤传输速率匹配，可以实现网络的高速率。
b.光交换根据波长来对信号进行路由和选路，与通信采用的协议、数据格式和传输速率无关，可以实现透明的数据传输。
c.光交换可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由手段。
1.2光交换基本器件
1.2.1光开关
光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口。
其作用是对光传输线路或集
成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。
光开关和光放大、光信号储存等都是光学装置材料。
光开关可以在皮秒（10-12秒）内进行操作。
目前它以铌酸锂和镓铝砷化合物为基础，从电子工业中脱胎形成。
有一些新的材料，如液晶、聚乙炔等都比铌酸锂有更好的光学效用。
1.2.2波长转换器
波长转换是增加光交换网络灵活性，降低阻塞的必要手段，对光网络波长转换节点的设计方案也有很多。
最简单的当然是专注式的转换节点设计，也就是在复用前，给每个通道都各配置一个波长转换器，显然这样作是元件利用率最低的。
一些波长转换器的共享方案，也被陆续提出，常见的有节点共享式（SPN）和链路共享式（SPL）两种。
对前一种共享方案，通常需要较大的光开关以便在单节点可以共享同一个波长转换器。
本期香港城市大学的研究者对此做了改进研究，旨在使用更小更便宜的光开关，替换用在同样的系统里，却能获得和原来一样的性能。
主要思路是预设一定数量的小尺寸光开关，来支持同样通道数的波长转换。
当任意一波长的输入信号要进行波长转换时，它先被切换到一个共享的波长转换通道，以这种方式节点仅需要几个小的光开关，且能共享昂贵的波长转换器。
波长转换器有直接波长转换和外调制器波长转换两种。
直接波长转换是光/电/光转换，如图1.1所示，将波长为λi的输入光信号，由光电探测器转变成电信号，然后再去驱动一个波长为λi的激光器，使得输出光信号的输出波长为λi
图1-1直接波长转换
全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络的关键部件。
波长转换器有多种结构和机制，目前研究较为成熟的是以半导体光放大器为基础的波长转换器,包括交叉增益饱和调制型、交叉相位调制型以及四波混频型波长转换器等。
1.2.3光存储器
光存储器是由光盘驱动器和光盘片组成的光盘驱动系统,光存储技术是一种通过光学的方法读写数据的一种技术,它的工作原理是改变存储单元的某种性质的反射率,反射光极化方向,利用这种性质的改变来写入存储二进制数据.在读取数据时,光检测器检测出光强和极化方向等的变化,从而读出存储在光盘上的数据.由于高能量激光束可以聚焦成约0.8μm的光束,并且激光的对准精度高,因此它比硬盘等其他存储技术具有较高的存储容量。
1.2.4光调制器
光调制器也称电光调制器,是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。
它是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。
它所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-KEldYsh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。
在整体光通信的光发射、传输、接收过程中,光调制器被用于控制光的强度,其作用是非常重要的。
1.2.5光滤波器
光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。
它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。
光耦合器或者光复用器是把不同波长的光复用到一根光纤中的，不同的波长传载着不同的信息。
那么在接收端，要从光纤中分离出所需的波长，就要用到光滤波器。
光滤波器类型有：
基于干涉原理的滤波器（熔锥光纤滤波器、法布里-伯罗滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德尔干涉滤波器）；基于光栅原理的滤波器（体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器）。
2光交换系统
光交换技术可分成光路交换（OS）系统、分组光交换（OPS）系统。
光路交换系统可分为空分交换、时分交换、波分交换、混合交换等等。
空分又分为：
波导空分和自由空间，分组光交换系统可分为：
光分组交换、光突发交换、光标记分组交换和光子时隙路由。
2.1光电路交换的分类
光电路交换系统所涉及的技术有空分交换技术SD、时分交换技术TD、波分/频分交换技术WD/FD、码分交换技术和复合型交换技术，其中空分交换技术包括波导空分和自由空分光交换技术。
其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。
光分组交换中，异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。
2.1.1时分光交换（TDPS）
时分光交换是以时分复用为基础，把时间划分为若干互不重叠的时隙，由不同的时隙建立不同的子信道，通过时隙交换网络完成话音的时隙搬移，从而实现入线和出线间话音交换的一种交换方式。
其基本原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统配。
在这种技术下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。
该技术组成的通信技术网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。
它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合型阵列开关）以进行相应的交换。
2.1.2时分光交换原理
TDPS的基本原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。
在这种技术下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。
该技术组成的通信技术网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。
它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器、光选通器，如定向复合型阵列开关，以进行相应的交换。
2.1.3空分光交换（SDPS）
这是指在交换过程中的入线是通过在空间的位置来选择出线，并建立接续。
通信结束后，随即拆除。
比如，人工交换机上塞绳的一端连着入线塞孔，由话务员按主叫要求把塞绳的另一端连接被叫的出线塞孔，这就是最形象的空分交换方式。
此外，机电式（电磁机械或继电器式）、步进制、纵横制、半电子、程控模拟用户交换机、以至宽带交换机都可以利用空分交换原理实现交换的要求。
2.1.4空分光交换原理
SDPS的基本原理是将光交换组成门（Gate）阵列开关,并适当控制门阵列开关,即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。
因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等,如耦合波导型交换元件钥酸钾,它是一种电光材料,具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。
以铌酸钾为基片,在基片上进行钛扩散,以形成折射率逐渐增加的光波导,即光通路,再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。
当将两条很接近的波导进行适当的复合,通过这两条波导的光束将发生能量交换。
能量交换的强弱随复合系数。
平行波导的长度和两波导之间的相位差变化,只要所选取的参数适当,光束就在波导上完全交错,如果在电极上施加一定的电压,可改变折射率及相位差。
由此可见,通过控制电极上的电压,可以得到平行和交叉两种交换状态。
波分光交换以光波分复用原理为基础，根据光信号的波长进行通路选择。
其基本原理是通过改变输入光信号的波长，把某个波长的光信号变换成另一个波长的光信号输出。
波分光交换模块由波长复用器（合分器）/解分器（分波器）、波长转换器组成，如图2-1所示。
图2-1波分光交换模块
这是来自一条多路复用输入的光信号，先通过分波器进行分路；再用波长转换器进行交换处理；对每个波长信道分别进行波长变换；最后通过合波器进行合路，输出的还是一个多路复用光信号，经由一条光纤输出。
2.1.5波分光交换（WDPS）
WDPS充分利用光路的宽带特性,获得电子线路所不能实现的波分型交换网。
可调波长滤波器和波长变换器是实现波分（WD）光交换的基本元件。
前者的作用是从输入的多路波分光信号中选出的光信号,后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换为适当的波长后输出。
WDPS系统基本结构等效于一个NAN阵列型交换系统。
它将每个输入的光波变换成波长（1-（N中的一个波,用星型耦合器将这N条光波混合,再通过输出端的可调波长滤波器,分别选出所需波长的光波，这样就完成了N条光波的交换。
也可在两个输出端口上选取波长相同的光波，以实现广播分配型的通信。
2.1.6波分光交换原理
波分光交换以波分复用原理为基础，根据光信号的波长进行通路选择。
其基本原理是通过改变输入光信号的波长，把某个波长的光信号变换成另一个波长的光信号输出。
波分交换模板由波长复用器（合波器）/解复用器（分波器）、波长转换器组成，如图2-2所示。
图2-2波分光交换原理
这波分光交换原理图，来自一条多路复用输入的光信号，先通过分波器进行交换处理，对每个波长信道分别进行波长变换；最后通过合波器进行合路，输出的还是一个多路复用光信号，经由一条光纤输出。
是从1到4输入的多路波分复用光信号中选出所需波长的光信号。
2.1.7复合光交换
该技术是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。
例如，在波分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连接，链路连接在各级内均采用波分交换技术。
因这种方法需要把多路信号分路接入链路，故抵消了波分复用的优点。
解决这个问题的措施是在链路上利用波分复用方法,实现多路化链路的连接,空分——波分复合型光交换系统就是复合型光交换技术的一个应用。
空分——波分复合型光交换系统的突出优点是，链路级数和交换元件数量少，结构简单,可提供广播型的多路连接。
另一种极有前途的大容量复合型光交换系统就是时分——波分复合型交换模块。
其复用度是时分多路复用度与波分复用度的乘积，即二者复用度分别为8时,可实现64路复合型交换。
若将这种交换模块用于4级链路连接的网络，则可构成最大终端数为4096的大容量交换网络。
2.2光分组交换系统
光分组交换系统所涉及的关键技术主要包括：
光分组交换（OPS）技术；光突发交换（OBS）技术；光标记分组交换（OMPLS）技术；光子时隙路由（PSR）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。
2.2.1光分组交换概念
光分组交换是电分组交换在光域的延伸，交换单位是高速光分组。
OPS沿用电分组交换的“存储-转发”方式，是无连续的，在进行数据传输前不需要建立路由和分配资源。
采用单向预约机制，分组净荷紧跟分组头后，在相同光路中传输，在网络节点需要缓存分组净荷，等待分组头处理，以确定路由。
与OCS相比，OPS有着很高的资源利用率和很强的适应突发数据的能力。
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支持特征也符合下一代Internet的要求。
因此，光突发交换网络很有希望取代当前基于ATM/SDH架构和电子路由器的IP骨干网，成为下一代光子化的Internet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。
2.2.2光分组交换技术特点：
a.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。
b.能提供端到端的光通道或者无连接的传输。
c.带宽利用效率高，能提供各种服务，满足客户的需求。
2.2.3光分组交换机组成
OPS交换由输入接口、光交换矩阵单元、控制单元和输出接口组成，如图2.3所示。
图2-3OPS交换模式
a.输入接口:
对来自不同输入端口的光分组进行时间和相位对准，完成光分组读取和同步功能，并保持数据净荷的透明传输。
b.交换矩阵单元：
OPS节点的关键部分，它为同步的光分组选择路由并解决输出端口的竞争问题。
光交换矩阵单元具有光分组缓存功能，对于本
c.地交换节点，光交换矩阵单元同时完成上下路功能。
根据使用交换开关类型的不同，OPS结构分为空间光开关结构、广播选择交换结构、波长路由交换结构等。
d.控制单元：
利用光分组头信息控制核心交换。
控制部分要处理信头信息，并发出必要的指示。
输出接口：
通过输出同步和再生模块，降低交换机内部不同路径光分组的相位抖动，进行功率均衡，同时完成光分组头的重写和光分组再生，以补偿光交换矩阵所带来的消光比和信噪比恶化。
2.2.3光分组交换原理
a.在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
b.每一个数据段前面添加上首部构成分组。
c.每一个分组的首部都含有地址等控制信息。
分组交换网中的结点交换机根据收到分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机，暂存到交换机的存储器（内存）中。
结点交换机处理分组的过程：
（1）把收到的分组先放入缓存（暂时存储；
（2）查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
（3）把分组送到适当的端口转发出去。
d.用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终的目的地。
e.接收端收到分组后剥去首部还原成报文
2.2.4光分组交换优点
（1）OPS属于分组级的光信号处理，和OTDM相比对光器件工作速度的要求大大降低，与WDM相比更加灵活，可有效地提高带宽利用率。
（2）交换粒度小，能与IP分组很好地兼容。
（3）容量大、可配置、数据率和格式透明，可支持未来不同类型数据。
（4）能提供端到端的光通道或者无连接传输，带宽利用效率高，适应性好，能提供各种服务。
（5）将大量的交换业务转移到光域，交换容量与WDM传输容量匹配，同时与OXC、MPLS等新技术结合，实现网络优化与资源的合理利用，有很高的资源利用率和很强的适应突发数据的能力。
3光交换系统中的技术热点
光路交换系统所涉及的技术有空分交换技术、时分交换技术、波分／频分交换技术、码分交换技术和复合型交换技术，其中空分交换技术包括波导空分和自由空分光交换技术。
光分组交换系统所涉及的技术主要包括：
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。
光路交换技术已经实用化。
光分组交换技术目前主要是在实验室内进行研究与功能实现，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。
其中，光分组交换技术和光突发交换技术是光交换中的最有开发价值的热点技术，也是全光网络的核心技术，她将有着广泛的市场应用前景。
3.1光交换的特点
随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重霎。
光交换能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，尽管现有的通信系统都采用电路交换技术，但发展中的全光网络却需要由纯光交换来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。
光交换为进入节点的高速信息流提供动态光域处理，仅将属于该节点及其子网的信息上下路并交由电交换设备继续处理，这样具有以下几个优点：
a.可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题。
b.可以大量节省建网和网络升级成本。
如果采用全光网技术，将使网络的运行费用节省70%，设备费用节省90%。
c.可以大大提高网络的重构灵活性和生存性，以及加快网络恢复的时间。
d.可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由手段。
3.2ATM光交换技术
ATM光交换遵循电领域ATM交换的基本原理，以ATM信元为交换对象，采用波分复用、电或光缓存技术，由信元波长进行选路。
依照信元的波长，信元被选路到输出端口的光缓存器中，然后将选路到同一输出端口的信元存储于输入公用的光缓存器内，完成交换的目的。
3.2.1ATM光交换技术的机构
一是采用广播选择方式的超短光脉冲星形网络。
具有结构简单、可靠性高和成本较低等优点；
二是采用光矩阵开关的超立方体网络。
具有模块化结构、可扩展性、路由算法简单、高可靠的路由选择等优点。
3.2.2ATM光交换技术特点
.ATM是采用固定长度的信元，可使信元像STM的时隙一样定时出现。
因此，ATM可以采用硬件方式高速地对信头进行识别和交换处理。
.具有同样标志的信元的传输线上并不对应某个固定的时隙，也不是按周期出现的。
.任何业务都能按实际需要来占用资源。
.信息传输速率随信息到达的速率而变化，因此网络资源得到最大限度的利用。
.ATM传送技术融合了电路传送模式与分组传送模式的特点。
.ATM网络可以适用于任何业务，不论其特性如何，网络都按同样的模式来处理。
3.3光突发交换技术
光突发交换（OBS）是作为OCS向OPS的过渡技术提出的。
OBS的交换单位是突发，即为多个分组的集合，其带宽粒度介于OCS和OPS之间。
OBS比OCS灵活、带宽利用率高，比OPS更贴近实用。
可以说，OBS结合了OCS和OPS的优点克服了两者的部分缺点，且由于对光器件的要求较低，因此成为目前国内外的研究热点。
3.3.1光突发交换优点
（1）粒度适中：
OBS的粒度介于OCS和OPS之间，它比OCS粒度细，比OPS粒度粗。
网络数据颗粒度的基本尺寸一般用帧长表示。
例如：
假定在1000Km光纤传输中，在10Gbit/s传输速率条件下，基本波长的OCS以SDH作为基本，以125微妙为基本颗粒度，帧长为160k比特。
（2）BCP与BP在信道上分离：
BCP与BP在时间和空间上分离，空间上分离指在物理信道上采用同一光纤中的不同波长；时间上分离是指BCP提前于BP一段时间发送，且在中间节点经过电信息处理，为BP预留资源，而BP在BCP之后传送，在中间节点通过预留好的资源直通，无需O/E/O处理。
将BCP于BP分离的意义在于BCP可以先于BP传输，以弥补BCP在交换节点的处理过程中O/E/O变换及电处理造成的时延。
随后发出的BP在交换节点进行全光交换透明传输，无需进行光存储，避开了目前光缓存器技术不成熟的缺点。
（3）无光缓存：
突发数据在中间节点不需要任何光存储，而是通过相应的BCP预留进行直通传输，因而在经过中间节点
升级会员 