光交换技术发展概述

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摘要：光交换是光通信的关键技术。本文分类阐述了光交换的不同类型。比较了纯光交换和电交换的差异。最后展示了光交换发展的几大趋势。
关键词：光交换类型电交换趋势
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宽带通信网未来发展目标。从系统角度来看，支撑全光网络的关键技术又基本上可分为光监控技术、光交换技术、光放大技术和光处理技术几大类。而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它的全光通信系统中发挥着重要的作用，可以这样说光交换技术的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。
一、什么是光交换
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。
光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。光路光交换可利用OADM、OXC等设备来实现，而分组光交换对光部件的性能要求更高，由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。
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。光交换技术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技术来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。光交换技术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。
二、光交换技术的分类
光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。
（一）光路交换技术
光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。
1、时分光交换技术（TDPS）
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、空分光交换技术（SDPS）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。
3、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NxN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。
4、复合光交换技术
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。
（二）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（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。
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。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。
三、纯光交换和电交换比较
随着新技术的不断涌现，很多人预言纯光交换将会很快取代电交换在核心电信网络中的地位。但是仔细地研究电交换和纯光交换技术就会发现它们有着非常不同的特征，因此，不存在后者完全取代前者的可能性。这两种技术将很可能共存于电信网络中。
1、光与电的比较
目前有两种技术能够满足光交换的广泛需求。这里的光交换是指用光纤传输信号的交换。举例来说，假设有一个OC-48或OC-192业务流要从旧金山通过光纤传送到纽约。从端局到端局之间的长途传输可采用DWDM。但在每个端局中也需要信号指向下一条路径，包括指定到纽约使用的链路、光纤和波长。光交换可以通过纯光技术或电技术实现。纯光交换机可使用反射或折射效应来重定向光束。电交换机则是对从光信号中提取的电信号比特流进行处理。电交换可利用现有的多种交换机体系结构和技术。
纯光交换有显而易见的优点。光纤中承载的是光信号，当它们通过交换机时不必进行光电转换。纯光交换机的另一个优点是：它的运行与光信号的比特速率无关。不管光纤中的信号速率是OC-48、OC-192还是OC-768(40Gb/s)都一样。对于光信号，交换机的作用只是把它加以反射而不考虑它的速率。正是根据这一特点，纯光交换机厂商宣称他们的设备能随传输速率而扩展。由于以上两个优点，人们对于纯光交换结构进行了大量的研究和商业投资。然而，纯光交换结构并不能完全满足光交换的需求。纯光交换在某种程度上说也有其局限性。如，纯光交换机对于数据来说是透明的，这将会给业务量的管理和整形带来困难。2、电交换结构
当光纤从街道进入端局时，通常要先对光信号进行处理，包括信号放大、光性能监测以及将波长解复用到独立的物理光纤上。所有这些操作对于光交换方案来说都是通用的。下一步是将每一个长距DWDM信号送到转发器中，后者从长途侧接收光信号，产生一个电信号流，然后将其转换为一个短距（1310nm）光信号。转发器的主要功能是接收长距信号并将其转换为短距信号。这一短距信号在端局内被传送到光交换机。光交换机将短距信号转换为电信号后交换到另一端口，然后将其再转换为短距信号。实现了这种转换的交换机被称为光-电-光（OEO）交换机。处理过程的最后一步是通过另一个转发器将短距信号再转换为长距信号并将其复用到光纤中。
在这种模型中，光交换机的主要功能是将一根光纤上的每一个输入波长连接到另一根光纤的一个不同的波长。一般说来，任何输入流都可通过交换被转移到任何光纤上的任何可用波长上。这是一种非常灵活的结构，它还能方便地执行信号的再生并允许对数据流进行SONET水平上的性能监测。这种体系结构的成本完全取决于光电（OE）转换。
3、纯光交换结构
长途网中所使用的纯光交换机有两种模型。在这一例子中，与电模型类似，第一步也是光信号处理。分离的波长被识别后便直接通过纯光结构被交换到输出端，然后，这些波长在输出端经光信号处理被送到下一条链路进行传输。这种模型很显然几乎没有OE转换，但它失去了一些关键功能。
全光模型主要有三个局限性，其中最重要的是输入波长和输出波长必须相同。在一个大型网络中，这很快就会产生问题。例如，在两个不同的输入光纤上的第35号通道都要求输出到同一根光纤时，由于在输出光纤中只能有一个第35号通道而无法实现。因此只有一个信号将会被允许通过，而另一个信号则不能使用相同的路由。这种现象称为波长阻塞。
这种简单模型的第二个问题是它不能在SONET层上完成性能监测。这一功能在光层不能被简单地复制。全光模型存在的第三个严重问题是它只能对整个波长进行交换。大多数运营商都希望能在他们的核心网中交换OC-48信号。如果光纤传输速率为OC-48，那么交换是不成问题的。但是在现有的核心网中更常见的传输速率是OC-192，这不是运营商所希望的传输粒度。当传输速率超过OC-192时情况会变得更困难。注意：我们忽略了在单一镜面上交换多个波长的例子。这属于不同的应用范筹。
四、光交换技术的发展趋势
1、智能自动化
智能自动交换光网络即网络的管理和控制具有智能化特点，能够动态、自动地完成端到端光通道的建立、拆除和修改。当网络出现故障时，应该能够根据网络拓扑信息、可用的资源信息、配置信息等动态指配最佳恢复路由。对这种技术的需求源自互联网容量的增长。容量的增长要求光交换层的交换能力不断增强，使之向更易于管理、更加灵活和更具有健壮性，同时业务指配和故障恢复也能够更快地自动完成并具有智能性的方向发展。近期，在组网技术方面的两项技术进展使得对光网络带宽的动态指配成为可能。首先是可重构型的光联网节点的开发成功，如光交叉连接器和光分插复用器，使得由运营商动态支配带宽成为现实。另外，由于在IP路由器、ATM交换机等设备中强化了新的流量技术和路由技术，使这些设备具有了动态决定增减带宽的能力。这两种技术的使用，为传统的光网络引入了智能控制和管理信令，从而使光网络具有了智能性和自动性，为发展按需分配带宽和买卖带宽的新型商业模式提供了条件。2、全光交换
所谓全光交换是指从波长到波长的转换，基于这种技术的光交换或波长路由器能使网络配置更灵活，使运营商可以在光骨干网中方便地提供OC-1到光波长的业务，把选路定位在波长上而不是光纤上，遇到故障可以自动恢复工作。由于无须ATM交换机、SONETADM和数字交叉连接器等设备，网络的结构将得到大大简化。近期在光网络的建设热潮中，运营商和制造商都显示出了对全光交换设备的浓厚兴趣，预计成熟的产品很快就能面世。
现代波分复用（WDM）、空分复用、时分复用和码分复用等复用技术的出现，丰富了光信号交换和控制的方式，使得全光网络的发展呈现出全新的面貌。专家认为，未来全光网络的主要构架可能就是以WDM技术为主导，结合光时分复用（OTDM）和光码分复用（OCDMA）技术。OTDM技术可以使一个固定波长的光波携带信息量十几倍、几十倍地增长，OCDMA则提供一种全光的接入方式。
3、光交换机多样化
目前市场上出现的光交换机大多数是基于光电和光机械的，随着光交换技术的不断发展和成熟，基于热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机将会逐步被研究和开发出来。
由光电交换技术实现的交换机通常在输入输出端各有两个有光电晶体材料的波导，而最新的光电交换机则采用了钡钛材料，这种交换机使用了一种分子束取相附生的技术，与波导交换机相比，该交换机消耗的能量比较小。基于光机械技术的光交换机是目前比较常见的交换设备，该交换机通过移动光纤终端或棱镜来来将线引导或反射到输出光纤，实现输入光信号的机械交换。光机械交换机交换速度为毫秒级，但它成本较低，设计简单和光性能较好，而得到广泛应用。使用热光交换技术的交换机由受热量影响较大的聚合体波导组成，它在交换数据信息时，由分布于聚合体堆中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时，它改变波导分支区域内的热量分布，从而改变折射率，将光从主波导引导自目的分支波导。热光交换机体积非常小，能实现微秒级的交换速度。
随着液晶技术的成熟，液晶光交换机将会成为光网络系统中的一个重要设备，该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成，而液晶在交换机中的主要作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片的光线极化角为90°，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。而由声光技术实现的光交换设备，因其中加入了横向声波，从而可以将光线从一根光纤准确地引导到另一根光纤，该类型的交换机可以实现微秒级的交换速度，可方便地构成端口较少的交换机。但它不适合用于矩阵交换机。
另外，市场上目前又开发了基于不同类型的特殊微光器件的光交换机，这种类型的交换机可以由小型化的机械系统激活，而且它的体积小，集成度高，可大规模生产，我们相信这种类型的交换机在生产工艺水平不断提高的将来，一定能成为市场的主流。
参考文献：
[1]计育青.日新月异的光通信技术.中国电子报,2002年03月14日.
[2]IanWright,MarcSchwager,RobNewman.Electricalorphotonic:yingandyangofswitching.Lightwave,2001.6.
[3]光交换网络技术热点跟踪.通信产业报,2002.11.27.
作者简介：白杉（1963—），男，硕士，湖南长沙人，高级工程师。就职于76140部队，在通信部门从事研究工作。