现代通信中的光交换技术资料课件

1 现代通信中的光交换技术北京邮电大学北京邮电大学余余 重重 秀秀2 0 0 6 年年 3 月月 2 讲授内容 引言引言 国内外发展概况国内外发展概况 光交换中的光技术光交换中的光技术 光交换方式与系统光交换方式与系统光分组交换与光子光分组交换与光子IP路由路由光子交换新进展光子交换新进展 3 现代通信中的光交换技术一、引言一、引言 1.通信交换发展进程通信交换发展进程人工交换机人工交换机步进式交换机步进式交换机纵横交换机纵横交换机程控交换机程控交换机数字程控交换机数字程控交换机光交换光交换?4 现代通信中的光交换技术2.光交换问题的提出光交换问题的提出OpticalOpticalCommunicationCommunicationTelecommunicationsTelecommunicationsNetworks&ServicesNetworks&ServicesTelecommunicationsTelecommunicationsSwitchingSwitchingOpticalOpticalComputingComputingAdvancedAdvancedPhotolectronnicsPhotolectronnicsPhotonicsPhotonicsInInSwitchingSwitchingInternet Internet Networks&ServicesNetworks&Services 5 现代通信中的光交换技术3.光交换基本内容及特点光交换基本内容及特点光光交换研究交换研究光交换机制光交换机制光交换器件光交换器件光交换方式光交换方式光交换系统光交换系统特点特点（1）宽带性（大于）宽带性（大于1Tb/s）（2）高速、并行处理高速、并行处理（3）抗扰性）抗扰性（4）光交换与传输系统的匹配性好）光交换与传输系统的匹配性好（5）透明性便于扩展业务）透明性便于扩展业务（6）功耗小）功耗小（7）成本低）成本低（8）便于集成）便于集成 6 现代通信中的光交换技术4.通信光交换的发展通信光交换的发展 两个阶段：两个阶段：第一阶段：电控光交换第一阶段：电控光交换 近期技术近期技术 第二阶段：光控光交换第二阶段：光控光交换 远期技术远期技术 （全盘光化的交换技术）（全盘光化的交换技术）7 现代通信中的光交换技术二、国内外发展概况二、国内外发展概况 1.国外：国外：（1）理论研究理论研究（2）器件研究器件研究（3）光交换方式、系统研究）光交换方式、系统研究2.国内：国内：（1）跟踪国际研究水平，发展光开关、光调）跟踪国际研究水平，发展光开关、光调 制器等器件制器等器件（2）光、电技术结合研究光交换系统）光、电技术结合研究光交换系统（3）国家）国家863计划：计划：ATM、ASON等光交换技术等光交换技术3.现状：现状：（1）处于探索研究阶段）处于探索研究阶段（2）国际专题研讨会：多次）国际专题研讨会：多次（3）实用化问题：预计）实用化问题：预计21世纪中期推出商品化世纪中期推出商品化 光交换机光交换机 8 现代通信中的光交换技术三、光交换中的光技术三、光交换中的光技术 1、光交换器件技术光交换器件技术 2、调制（编码、解码等）调制（编码、解码等）3、光互连光互连 4、光放大光放大光放大光放大 5、光复用解复用光复用解复用光复用解复用光复用解复用 6 6、光滤波、光滤波、光整形光整形光整形光整形、定时、定时、光均衡等光均衡等光均衡等光均衡等 7、光的相关识别、光的相关识别 8、波长波长/频率转换、波长动态寻址频率转换、波长动态寻址 9 9、光计算等、光计算等 9 现代通信中的光交换技术四、光交换方式与系统四、光交换方式与系统 按功能分：按功能分：光光交换网络交换网络控制网络控制网络光光电电按按交换方式：交换方式：光路交换光路交换分组交换分组交换空分交换空分交换时分交换时分交换自由空间光交换自由空间光交换波波/频分光交换频分光交换ATM光交换光交换 10 现代通信中的光交换技术1.空分光交换空分光交换 （1 1）定义：）定义：空间分割空间分割 以空间的不同位置建立信息传输子通道以空间的不同位置建立信息传输子通道 按需要控制光开关，实现用户信息的子通道在空间位按需要控制光开关，实现用户信息的子通道在空间位 置上的变化置上的变化 （2）基本结构）基本结构 Space divisionSpace divisionSwitchingSwitchingMatrixMatrixInput Input OutputOutput 11 现代通信中的光交换技术（3）光交换典型系统）光交换典型系统多媒体空分光交换系统多媒体空分光交换系统 12 现代通信中的光交换技术（4）特点）特点 优点：优点：直接利用光交换的宽带特性直接利用光交换的宽带特性 能够以低速交换能够以低速交换 只采用光矩阵开关即可构成交换网只采用光矩阵开关即可构成交换网 构成简单，易于实现（小容量集成）构成简单，易于实现（小容量集成）缺点：实现大规模交换有困难缺点：实现大规模交换有困难 同步与控制困难同步与控制困难 13 现代通信中的光交换技术2.时分光交换时分光交换 （1）定义）定义时间分割：时间分割：Frame time slot（or packet）在时间轴上建立信息传输子信道在时间轴上建立信息传输子信道按需要改变用户信息按需要改变用户信息time slot（or packet）在时间轴上的相对位置在时间轴上的相对位置 （2）结构）结构 14 现代通信中的光交换技术（3）时分交换的典型系统）时分交换的典型系统 44时分复用光子交换网络实例时分复用光子交换网络实例 15 现代通信中的光交换技术（4）优缺点）优缺点 优点：优点：能与现有光传输系统良好匹配构成全光通信网能与现有光传输系统良好匹配构成全光通信网 与与WDM相比，交换硬件减少，控制和管理简单相比，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格式的数据 缺点：缺点：光定时检测与控制同步较难光定时检测与控制同步较难硬件限制，仅能小规模集成（缺少成熟的高速光硬件限制，仅能小规模集成（缺少成熟的高速光处理器件）处理器件）16 现代通信中的光交换技术3.自由空间光交换自由空间光交换 （1）定义）定义 （2）特点）特点 （3）关键器件：激光二极管阵列）关键器件：激光二极管阵列 声光开关阵列声光开关阵列 偏振开关阵列偏振开关阵列 微透镜阵列微透镜阵列 全息图阵列全息图阵列等等 17 现代通信中的光交换技术（4）典型系统）典型系统 自由空间微透镜和自由空间微透镜和 HOE光开关阵列光开关阵列二维微透镜二维微透镜二维微透镜二维微透镜MEMSMEMS光开关阵列光开关阵列光开关阵列光开关阵列 18 现代通信中的光交换技术 利用利用LCSLM 19 现代通信中的光交换技术（5）特点）特点 优点：优点：所需互连不用物理接触所需互连不用物理接触 无信号干扰和串音无信号干扰和串音 有效利用空间维数有效利用空间维数 能以低速交换宽带信号能以低速交换宽带信号 分辨率高分辨率高 缺点：光机械封装技术困难缺点：光机械封装技术困难 交换控制复杂交换控制复杂 20 现代通信中的光交换技术4.波波/频分光交换频分光交换 （1）定义）定义 波长波长/频率分割：频率分割：建立不同的波长子通道建立不同的波长子通道 按照信息交换的要求，改变其信息传输的波长子通道。按照信息交换的要求，改变其信息传输的波长子通道。（2）基本结构）基本结构InputInputWDMWDMSignalSignalMultiplexerMultiplexerTunableTunableWavelengthWavelengthfilterfilterWavelengthWavelengthconverterconverterOutputOutputWDMWDMSignalSignalDemultiplexerDemultiplexer 21 现代通信中的光交换技术（3）关键技术）关键技术WDM信号的复用信号的复用/解复用解复用波长变换（解决波长竞争）波长变换（解决波长竞争）波长路由（波分交换）结构波长路由（波分交换）结构 波长变换方式：波长变换方式：O-E-O XGM in SOAs XPM in SOAs&NOLM(Sagnac干涉原理）干涉原理）光注入光注入型型LD波长变换波长变换 FWM in SOAs&Fiber DFG 波长转换波长转换 22 现代通信中的光交换技术（4）典型系统）典型系统 KEOPS系统系统 23 现代通信中的光交换技术FDM（交叉连结）光交换交叉连结）光交换 24 现代通信中的光交换技术（5）特点）特点优点：优点：利用波长资源，光交换信号具有透明性利用波长资源，光交换信号具有透明性波长子通道比特速率独立波长子通道比特速率独立利用光频的宽带性，速率达利用光频的宽带性，速率达100Tb/s交换硬件减少（相对于其他光交换方式）交换硬件减少（相对于其他光交换方式）缺点：缺点：器件开发难器件开发难 同步与控制较困难同步与控制较困难 25 现代通信中的光交换技术5.光光ATM交换交换 （1）定义）定义 信元结构信元结构 协议参数模型：协议参数模型：B-ISDN 分层参数模型分层参数模型 26 现代通信中的光交换技术（2 2）基本功能）基本功能路由选择路由选择信元排队信元排队信头处理信头处理（3 3）关键技术）关键技术u 信元编码信元编码 u 路由控制路由控制 u 拥塞控制拥塞控制 u信头处理信头处理u 异、同步处理异、同步处理u 信元的汇聚与压缩信元的汇聚与压缩信头提取与识别：自相关、正交信头提取与识别：自相关、正交信头提取与识别：自相关、正交信头提取与识别：自相关、正交 27 现代通信中的光交换技术（4 4）典型系统）典型系统 大容量大容量大容量大容量ATMATMTDM/WDMTDM/WDM系统系统系统系统 28 现代通信中的光交换技术北邮的北邮的ATM光交换实验系统光交换实验系统 29 现代通信中的光交换技术（5 5）特点）特点 优点：优点：实现超大容量实现超大容量B-ISDNB-ISDN理想交换方式理想交换方式充分利用光充分利用光频宽带特性特性充分利用光充分利用光纤系系统巨大潜力巨大潜力 缺点：缺点：控制复杂（分组部分）控制复杂（分组部分）光机械封装技术困难光机械封装技术困难 30 现代通信中的光交换技术6.多维、复合光交换系统多维、复合光交换系统提供高容量、高速率（提供高容量、高速率（Tb/s）光交换光交换 减少交换器件、减少交换网络的复杂减少交换器件、减少交换网络的复杂ST/TS/TST/STS，快速快速TW/SW分组，分组，TWS/T-SW-T分组等分组等（1）SD与与TD复合复合 31 现代通信中的光交换技术（2）TD与与FD复合复合 32 现代通信中的光交换技术（3）FT-S-FT复合复合 33 现代通信中的光交换技术 （4）多维光交换系统）多维光交换系统 34 现代通信中的光交换技术五、光分组交换五、光分组交换(OPS)与光子与光子IP路由路由 1.OPS 交换方式交换方式:固定分固定分组长度同步方式度同步方式(时隙型隙型)可可变分分组长度异步方式度异步方式(非非时隙型隙型)35 光分组交换与光子IP路由vvOPSOPS节点结构节点结构节点结构节点结构 36 光分组交换与光子IP路由 空分分空分分组交交换型型分分组波波长广播广播选择型型波波长路由型路由型Tb/s级混合型混合型环形网形网结构构 37 光分组交换与光子IP路由v OPS的研究的研究 分分组的的产生与同步生与同步 分分组包包头的的产生与生与处理理 分分组光光缓存存 分分组路由路由选择、竞争解决争解决 3R再生再生v IP级OPS:38 现代通信中的光交换技术2.光子光子IP路由路由 39 现代通信中的光交换技术IP over Photonic Network的优缺点的优缺点v省了省了ATMATM层与层与SDHSDH层层，减化了层次，减少了网络减化了层次，减少了网络设备设备v减少了功能重叠，简化了设备，减轻了网管复减少了功能重叠，简化了设备，减轻了网管复杂性杂性,特别是配置特别是配置v开销最低，传输效率最高开销最低，传输效率最高v通过流量工程设计，可以与通过流量工程设计，可以与IPIP的不对称业务量的不对称业务量特性相匹配特性相匹配v可以利用光纤环的保护光纤来吸收突发业务量，可以利用光纤环的保护光纤来吸收突发业务量，避免了传统大缓存引起的延时或包丢失避免了传统大缓存引起的延时或包丢失 40 光分组交换与光子IP路由v实现光子实现光子IP路由的关键技术路由的关键技术1.光的编码技术光的编码技术 产生产生光光IP头头2.时域中光的相关技术时域中光的相关技术 光寻址（解码）光寻址（解码）3.光包的变化和转发光包的变化和转发4.光包的时延光包的时延5.光域的路由与交换控制光域的路由与交换控制 MPLS的应用的应用 优势：优势：提高路由转发性能提高路由转发性能 具有协同流量工程的能力具有协同流量工程的能力 MPLS控制波长控制波长路由路由OXC MPLS 41 光分组交换与光子IP路由v 结构结构 42 光分组交换与光子IP路由v 光子光子IP路由的运行原理路由的运行原理 43 光分组交换与光子IP路由v 光子光子IP标签交换的典型实验标签交换的典型实验偏置12合波器快速波长调谐激光器可调谐光滤波器接收器RF信号产生器XI(t)新的IP标签12分束器12合波器SOA1SOA2SOA IWC预调制PRBS IP 包 2.5Gb/s低通滤波器DFB 激光器PRBS 150Mbps头部1.6GHz SC振荡器90/10分束器OSCM直接探测接收器突发模式时钟和数据恢复IP标签处理器EDFAXMZ调制器原始分组10%90%数据时钟固定光滤波器SOA12耦合器本地激光器新波长选择XGM SOA-WC 44 现代通信中的光交换技术六、六、光子交换新进展光子交换新进展 1.宽带光交换的要求宽带光交换的要求基于单信道的高速率：基于单信道的高速率：80Gb/s，光子集成回路光子集成回路基于基于DWDMDWDM系统：通道系统：通道数数100100，可变波长，可变波长（几几十十nmnm范围内范围内）更宽的可用波长范围，更宽的可用波长范围，C、L和和S波长带波长带波长同步波长同步WDM光交换：克服波长抖动光交换：克服波长抖动 多级多级开关组成大容量光交换系统开关组成大容量光交换系统 45 现代通信中的光交换技术2.OXC 节点及其技术节点及其技术u功能：功能：光通道的交叉连结、本地上光通道的交叉连结、本地上/下路下路 （配置（配置/恢复恢复/监测光信号）监测光信号）uOXC的性能评价的性能评价1.1.是否支持波长通道是否支持波长通道（WPWP）和虚波长通道（和虚波长通道（VWPVWP）2.2.阻塞特阻塞特性性3.链路模块性链路模块性4.4.波长波长模块性模块性5.广播发送能力广播发送能力6.成本成本 46 现代通信中的光交换技术uOXC的结构的结构 基于空间交换 光开关矩阵 波分复用/解复用器 光开关矩阵 波长变换器 空间光开关矩阵 可调谐滤波器 分送耦合器 波长变换器 平行波长开关 波长变换器 基于波长交换 阵列波导光栅复用器（AWGM）波长变换器 可调谐滤波器 波长变换器 47 现代通信中的光交换技术光开关矩阵光开关矩阵光开关矩阵光开关矩阵 波分复用波分复用波分复用波分复用/解复用器解复用器解复用器解复用器 48 现代通信中的光交换技术现代通信中的光交换技术可调谐滤波器光开关矩阵可调谐滤波器光开关矩阵可调谐滤波器光开关矩阵可调谐滤波器光开关矩阵波长变换器波长变换器波长变换器波长变换器 49 现代通信中的光交换技术现代通信中的光交换技术可变波长变换器分送耦合器可变波长变换器分送耦合器可变波长变换器分送耦合器可变波长变换器分送耦合器（波长波长波长波长模块性）模块性）模块性）模块性）50 现代通信中的光交换技术现代通信中的光交换技术可变波长变换器可变波长变换器可变波长变换器可变波长变换器分送耦合器分送耦合器分送耦合器分送耦合器（链路模块性）（链路模块性）（链路模块性）（链路模块性）51 现代通信中的光交换技术现代通信中的光交换技术平行波长开关平行波长开关平行波长开关平行波长开关 波长变换器波长变换器波长变换器波长变换器 52 现代通信中的光交换技术AWG级联波长变换器级联波长变换器 53 现代通信中的光交换技术3.OADM节点及其技术节点及其技术u功能：功能：有选择地上有选择地上/下路本地光信号下路本地光信号uOADM OADM 的性能评价的性能评价1.1.插入损耗插入损耗2.2.信道间隔信道间隔3.3.信道滤波信道滤波4.串扰串扰 54 OADM的结构的结构：分波器光开关阵列合波器光耦合器滤波器阵列合波器光开关波长光栅路由器(WGR)光开关AWG复用/解复用器+光开关阵列偏振分束器声光调谐滤波器偏振分束器 现代通信中的光交换技术 55 现代通信中的光交换技术 56 现代通信中的光交换技术 57 现代通信中的光交换技术 58 现代通信中的光交换技术 59 现代通信中的光交换技术 60 现代通信中的光交换技术 61 现代通信中的光交换技术4.MEMS光交换光交换特点：特点：u以集成回路形式在石英基片上建立多层、三维结构以集成回路形式在石英基片上建立多层、三维结构 u低损耗、低串扰、高质量、高容量光交换低损耗、低串扰、高质量、高容量光交换实现方法：实现方法：1.1.光路遮挡光路遮挡2.2.光纤移动对接光纤移动对接3.3.微透镜移动微透镜移动4.4.微反射镜移动或转动微反射镜移动或转动5.5.衍射方法衍射方法6.6.改变全反射条件改变全反射条件7.7.其他其他 62 现代通信中的光交换技术典型器件或系统：典型器件或系统：（1）自由空间集成微反射镜光开关阵列）自由空间集成微反射镜光开关阵列 63 现代通信中的光交换技术Connection-symmetric micro-mirror switches of matrix 64 现代通信中的光交换技术Connection-symmetric micro-mirror switch of polygon configuration 65 现代通信中的光交换技术光光光光开关开关开关开关/OADMOADM阵列阵列阵列阵列 66 光交换技术的发展5.新型的光交换技术新型的光交换技术 -突发交换突发交换（OBS：Optical Burst Switching）结构及特点：结构及特点：DPSDPSRFDRFDCPCP RFD(Reserve a Fixed Duration)用于用于CPCP的的O/E/O O/E/O 转换及包接收、传转换及包接收、传 输时延输时延 （不需要光缓存器）（不需要光缓存器）67 现代通信中的光交换技术串固定周期串固定周期BAT(Burst Assembly Time)多个数据包组成多个数据包组成Burst 控制包头波长不同于控制包头波长不同于 Packets Packets 波长波长单向处理方式（不需要下游节点証实）单向处理方式（不需要下游节点証实）-保留保留带宽资源带宽资源协议协议:TAG,TAW,控制协议等控制协议等 建立（类似建立（类似于于ATM中的）虚通道交换（中的）虚通道交换（VPI）68 现代通信中的光交换技术Burst缓存：在源节点：有缓存：在源节点：有 在中间节点：无在中间节点：无灵活地发送、接收灵活地发送、接收Burst 具有高带宽利用率、低同步开销具有高带宽利用率、低同步开销 提供更高的容量，减少提供更高的容量，减少protocol层层实现方法简单实现方法简单 在入、出口路由器之间，净荷波长保持一致在入、出口路由器之间，净荷波长保持一致包吞吐量高（相对包吞吐量高（相对于于OFS）69 现代通信中的光交换技术Basic system configuration of AWG-STARBasic system configuration of AWG-STAR 70 现代通信中的光交换技术Detailed structure of OPR and the demonstration of optical packet routing 71 现代通信中的光交换技术6.Multi-Tbit 智能光交换的实现智能光交换的实现（1）智能光交换智能光交换(ASON)基本功能基本功能:发现功能发现功能 路由功能路由功能 信令功能信令功能 策略功能策略功能 业务功能业务功能 -基于基于Softswitching、MPLS 和和 OBS 72 特点特点:1.以控制为主的工作方式以控制为主的工作方式 2.分布式智能分布式智能 3.多层统一与协调多层统一与协调 4.面向业务面向业务 -高灵活性、高可扩展性高灵活性、高可扩展性 提供新业务：提供新业务：1.超寛带业务和非标准带寛业务超寛带业务和非标准带寛业务 2.按需带寛业务按需带寛业务；73 3.虚拟光网络业务虚拟光网络业务 4.动态虚拟环配置和端到端配置动态虚拟环配置和端到端配置 MPLS+OBS=LOBS u 波长复用及波长转换波长复用及波长转换 u 异步运行异步运行u Void filling 技术技术 u 缓存器级联缓存器级联；74 现代通信中的光交换技术 (2)IP与与WDM相结合相结合 建立建立MPL（ambda）ms MPLS=MPLS+(WR-OXC)(3)GMPLS 解决全光高速交换的解决全光高速交换的QOS问题：问题：RSVP 路由路由协议的扩展：协议的扩展：OSPF 链路链路管理协议：管理协议：LMP 75 现代通信中的光交换技术v GMPLS标签标签 Packet Switch Label(PSC,L2SC)Packet Switch Label(PSC,L2SC)Circular Switch Label(TDMC)new Circular Switch Label(TDMC)new Optical Switch Label Optical Switch Label(LSC,FSC)label GMPLS GMPLS五种接口类型五种接口类型五种接口类型五种接口类型:76 现代通信中的光交换技术 标记交换路径标记交换路径标记交换路径标记交换路径（LSPLSP）分级技术分级技术分级技术分级技术 77 现代通信中的光交换技术 利用利用利用利用GMPLSGMPLS标记栈实现标记栈实现标记栈实现标记栈实现LSPLSP 78 ThankThanks s