光交换技术的应用与发展

光交换技术的应用与发展

光交换技术的应用与发展

光交换技术是用光纤来进行网络数据、信号传输的网络交换传输技术。光纤通信的发展方向，是实现最大可能地利用光纤给人们提供巨大带宽资源将信息进行无阻碍的传输和交换。多年以前，人们就提出了构建全光网络的设想，那是一个完全建立在光域上进行信息采集、处理、放大、存储、传输、交换、恢复全过程光学化的理想光子网络。然而，如此美好的设想在技术方面的实施却是极其艰难的。目前人们心中的全光网已经被广义化了，现在的全光网是指在网络中光信息流的传输和交换过程是以光的形式存在和完成，而电子技术在其中仍然发挥着极其重要的作用，例如用电子电路实现控制等得网络。

随着信息化的发展，各种新型业务对通信网的宽带和容量提出了更高的要求。但是，在目前的光纤通信系统中，网络的各个节点要经过多次的光-电、电-光变换，而其中的电子器件在适应高速、大容量的需求上存在诸多缺点，如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等，由此产生通信网中的“电子瓶颈”现象。而且目前的电子交换机和信息处理网络的发展已经接近了电子速率的极限。为了解决这一问题，充分发挥光纤通信的极宽频带、抗电磁干扰、保密性强、传输损耗低等优点，研究人员开始在交换系统中引入光交换技术。

广义化的全光网络实际上是一个由光学技术与电子学技术相结合的网络，但必须指出的是，在广义化的全光网络中，光学技术是主体，电子学技术只是辅助，这是有别于传统的由O/E、E/O变换所构成的光电结合网络的。

光电网络具有如下优点：（1）提供巨大的带宽。使人们上网的速度大大提高，节约了大量时间与精力，上网更加流畅，尤其是对企业用户而言，能够实现效益最大化；（2）与如今所用的铜线相比，处理速度高且误码率低，且维护费用低了很多；（3）采用光路交换的全光网络具有协议透明性，即对信号形式不限制。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。

有如下几种光交换模式：

码分光交换,是指对进行了直接光编码和光解码的码分复用光信号在光域内进行交换的方法。所谓码分复用,就是靠不同的编码来区分各路原始信号,而码分光交换则是由具有光编解码功能的光交换器将输入的某一种编码的光信号变成另一种编码的光信号进行输出,由此来达到交换目的。随着光码分复用(OCDMA)技术的发展,码分光交换技术必将得到迅速的发展和应用。

复合型交换技术,由于各种光交换技术都有其独特的优点和不同的适应性，将几种光交换技术合适地复合起来进行应用能够更好地发挥各自的优势,以满足实际应用的需要。已见介绍的复合型光交换主要有:(1)空分/时分光交换系统;(2)波分/空分光交换系统;(3)频分/时分光交换系统;(4)时分/波分/空分光交换系统等。例如,将时分和波分技术合起来可以得到一种极有前途的大容量复合型光交换模块,其复用度是时分多路复用度与波分复用度的乘积。如果他们的复用度分别为8,则可实现64路的时分2波分复合型交换。将此种交换模块用于4级链路连接的网络,可以构成最大终端数为4096的大容量交换网络。分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。从交换技术的发展历史看，数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交换和综合业务数字交换的发展过程。分组交换实质上是在“存储转发”基础上发展起来的。它

兼有电路交换和报文交换的优点。分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。

光突发交换技术，它的特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作为最小的交换单元。obs克服了ops的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，同时与ocs相比，它又大大提高了资源分配的灵活性和资源的利用率。被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色。OBS结合了光电路交换和光分组交换的优势，同时避免了它们的缺点。通过控制与数据在时间和空间上的分离，控制分组提前发送，并在中间节点经过电信息处理，从而为数据分组预留相应的资源。而数据分组随控制分组之后传送，在中间节点通过预留好的资源直通，无需光/电/光处理。同时它具有延时小(单向预留)，带宽利用率(统计复用)，效率高，交换灵活、数据透明、交换容量大(电控光交换)等特点，可以达到Tb/s级的交换容量，甚

至Pb/s量级。因此，OBS网络主要应用于不断发展的大型城域网和广域网。

光标记分组交换技术，也称为gmpls或多协议波长交换.它是mpls技术与光网络技术的结合。mpls是多层交换技术的最新进展，将mpls控制平面贴到光的波长路由交换设备的顶部就具有mpls能力的光节点。由mpls控制平面运行标签分发机制，向下游各节点发送标签，标签对应相应的波长，由各节点的控制平面进行光开关的倒换控制，建立光通道。201*年5月ntt开发出了世界首台全光交换mpls路由器，结合wdm技术和mpls技术，实现全光状态下的ip数据包的转发。为了能适应未来智能光网络动态地提供网络资源和传送信令的要求，我们需要对传统的MPLS进行扩展和更新。OMPLS正是MPLS向光网络扩展的产物，它在支持传统的分组交换、时分交换、波长交换和光纤交换的同时，还对原有的路由协议、信令协议作了修改和扩展。

对光交换的探索始于20世纪70年代，80年代中期发展比较迅速。目前对光交换所需器件的研究已具有相当水平。在光器件技术推动下，光交换系统技术的研究也有了很大进展。第一步进行电控光交换，即信号交换是全光的，而光器件的控制仍由电子电路完成。目前实用系统大都处于这一水平，相关成果报道得也比较多。第二步为全光交换技术，即系统的逻辑、控制和交换均由光子完成。

我国在“七五”期间就开展了光交换技术的研究，并将光交换技术列为“八五”、“九五”期间的高科技基础研究课题。1990年，清华大学实现了我国第一个时分光交换演示系统。1993年，北京邮电大学光通信技术研究所研制出光时分交换网络实验模型。目前，光交换技术市场日益成熟，价格也在迅速下降。许多运营商，比如GlobalCrossing、法国电信和日本电信等都已经计划在他们的网络中广泛采用光交换技术。目前北京联通已实现8M宽带入户，随着带宽的提升，北京三网融合项目之一的互联网高清电视项目已经启动，今年年底，联通将推出此业务。

此前，北京市政府要求，到201*年底，互联网家庭入户带宽要超过20M。推进光纤到楼入户，逐步替代传统铜缆。在此基础上，北京联通早在201*年便开始实施“全光宽带网络建设工程”，预计在三年内基本完成光纤到户的覆盖。据联通公司的统计，截至201*年上半年，光纤到户在全市覆盖率为42%；预计到201*年底，光纤到户在全市覆盖率将达到55%。这对公司和个人无疑都是极好的消息，光交换技术的前景会越来越好。

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通信系201*届毕业设计

论文

题目：光交换技术应用与发展专业：移动通信技术班级：移动通信技术1032学生姓名：李倩(0202103239)导师姓名：王琦起止时间：201*年12月15日

至201*年5月15日

通信系201*级毕业设计（论文）任务书

论文题目指导教师王琦光交换技术应用与发展电话办公室15336113993通信技术教研室EmailWq_8500@163.com时间要求论文终稿纸质版上交指导教师本人，时间截止：201*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！论文初稿电子版上交指导教师邮箱，时间截止：201*年4月1日；参考资料：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。I

陕邮职院通信系201*届毕业设计论文成绩评定表学生姓名课题名称起止时间课题任务完成情况李倩性别女系别通信系专业班级光交换技术应用与发展移动通信技术移动通信技术1032王琦201*年12月～201*年5月指导教师论文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）II

目录

目录.................................................................III摘要...................................................................11光交换概述............................................................2

1.1光交换..........................................................2

1.1.1光交换基本概念...........................................21.1.2光交换的特点.............................................2

1.2光交换基本器件........................................................3

1.2.1光开关...................................................31.2.2波长转换器...............................................31.2.3光存储器.................................................41.2.4光调制器..................................................41.2.5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）.......................................52.1.2时分光交换原理...........................................52.1.3空分光交换（SDPS).......................................62.1.4空分光交换原理...........................................62.1.5波分光交换(WDPS)........................................72.1.6波分光交换原理...........................................72.1.7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...........................................82.2.2光分组交换技术特点：......................................82.2.3光分组交换机组成.........................................82.2.3光分组交换原理...........................................92.2.4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...................................................113.2ATM光交换技术.................................................11

3.2.1ATM光交换技术的机构.....................................113.2.2ATM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..........................................123.3.2OBS的关键技术...........................................133.3.3OBS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...........................................154.1.2波分光交换方式...........................................154.1.3时分光交换方式...........................................16

III

4.1.4自由空间光交换方式.......................................164.1.5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..............................................174.2.2全光交换.................................................174.2.3光交换机多样化..........................................18

致谢.................................................................19参考文献.................................................................20

IV光交换技术应用与发展

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

光交换技术应用与发展

1光交换概述

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。

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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

光交换技术应用与发展

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）。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

光交换技术应用与发展

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。

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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

光交换技术应用与发展

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

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留进行直通传输，因而在经过中间节点时无时延，偏置时间远远小于波长路由中的波长通道建立时间。

（4）单向预留：采用单向预留方式分配资源，即BCP提前于BP一段时间发送，为BP预留资源，源点在发送突发数据之前，不需要等待目的节点的响应，因此端到端时延相对较小。

（5）透明传输：由于OBS网对突发包的数据是完全透明的，不需要经过任何光电转换，从而使OBS能够真正的实现比特级光路由器，彻底消除由于现在的电子瓶颈而导致的带宽扩展困难的问题。

（6）统计复用：允许每一个波长的突发数据流统计复用，不需要占用几个波长，效率高、交换灵活、交换容量大。

3.3.2OBS的关键技术

OBS关键技术主要包括高速光交叉模块技术、竞争解决方案、光子时隙路由技术、组装算法、波长分配和生存性。

a.光交叉模块，是OBS核心节点的关键部分，对OBS网络的性能影响很大。OBS要求其中的光开关速度达到微秒级甚至纳秒级。全息光开关，开关速度非常快，只需几个纳秒，可靠性比较好，插入损耗小于4dB，但是它的功耗比较大，并且需要高电压供电。因此高速光交叉矩阵技术有待进一步研究。

b.竞争解决方案：为了处理当多个分组同时到达同一个输出端口时，竞争解决方案是

必需的，这是所有分组交换方式所必然会遇到的问题，即所谓的外部阻塞。比较典型的解决方式是通过缓存其它冲突的分组，只允许一个输出。在OBS与OPS中，竞争解决方案有光缓存、波长变换和偏射路由，或者其中多种技术融合。

c.光子时隙路由(PSR)(PhotonicSlotRouting)技术，按照PSR原理，用户的分组数据在被连带交换的所有波长上的相同时隙(光子时隙)内传输，交换节点将每一个时隙作为一个整体来看待，而无需在不同的分立波长上执行分组的变换或接入。从一个节点到另一个特定节点的分组数据，首先在该节点上被分配到可用波长上的一个特定的时隙中，以便被正确传输到目的节点。注意，该时隙就是专门被指定要去那个特定目的瑞节点的一个特定时隙。

d.组装算法：光交换技术的边缘接入节点要按照一定规则对进入OBS网络的突发数据进行汇聚组装，如何将来来自不同网络的数据适配组装成合适的突发包是OBS网络的关键技术之一。突发包的组装一般两个参数，一个是组装时间，另一个是突发包的最大长度。

e.波长分配：在波长路由网络中，波长分配问题是网络设计的一个关键问题，在

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OBS中，控制分组在每个突发数据分组发送之前发送，虽然克服了波长一制性原则，波长资源是统计复用的，利用率也远远高于波长路由网络，但是在没有全光波长变换的情况下，波长分配问题仍是制约网络性能的一个重要问题，它通知该数据分组要通过的中间节点在预定的时间段内为该分组预留资源。如果预留失败，该数据分组将被丢弃或使用反射路由送到其他节点。

f.生存性：光突发交换技术的生存性包括控制信道和数据信道的保护机制，它与传统的光网络由许多相似的地方，可以借鉴传统光网络的保护和恢复机制。但OBS网络其有自身的特性，如控制信道要经过O/E/O处理，数据信息在光域中透明传输，所以光突发交换技术网络的生存性在许多方面有待进一步研究。

3.3.3OBS与OCS和OPS技术的比较

表3-2三种交换技术区别(1)

序号1交换粒度比较内容光电路交换波长/波带/光纤23交换方式控制方式制456信息长度建立链接时延建立链接占用信道固定高占用可变低不占用可变低占用直通带外控10纳米-10微1纳米-100微光分组交换光突发交换米光分组（小颗粒）米突发包（大颗粒）存储-转发带内控制直通带外控制表3-3三种交换技术区别(2)

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技术粒度特点光电路交换光突发交换光分组交换波长/波带/光纤1s-100s突发包10ns-10s光分组静态配置或者端到端信令预留带宽交换，无需缓存存储转发交换，需要缓存光交换技术应用与发展

4光交换技术应用

4.1光交换技术的交换方式及其应用

随着现代科学技术的不断发展，在现在通信网中，实现透明的、具有高度生存性的全光通信网未来的发展目标。让更多的光交换技术发展起来。

4.1.1空分光交换方式

空分光交换的基本原理是将光交换节点组成可控的门阵列开关,通过控制交换节点的状态可实现使输入端的任一信道与输出端的任一信道连接或断开,完成光信号的交换。简言之,光空分交换是使按空间顺序排列的各路信息进入空分交换阵列后,交换阵列节点根据信令对信号的空间位置进行重新排列,然后输出,完成交换。空分光交换的交换过程是在光波导中完成的,有时也称为光波导交换。空分光交换的交换节点可由机械、电、光、声、磁、热等方式进行控制。就目前情况而言,机械式控制光节点技术是比较成熟和可靠的空分光交换节点技术。

4.1.2波分光交换方式

在光时分复用系统中,可采用光信号时隙互换的方法实现交换。在光波分复用系统中,则可采用光波长互换(或光波长转换)的方法来实现交换。光波长互换的实现是通过从光波分复用信号中检出所需的光信号波长,并将它调制到另一光波长上去进行传输。在波分光交换系统中,精确的波长互换技术是关键。波分光交换方式能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光交换的基本元件,前者的作用是从输入的多路波分复用光信号中选出所需波长的光信号;后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换为所需要的波长后输出。用分布反馈型和分布布喇格反射型的半导体激光器可以实现这两类元件的功能。目前,能用的波长转换方式主要还是有源的方式,利用某些光学晶体在特定条件下能够改变光波频率的现象在此不妨大胆设想一下：也许不久的将来，一种无源的光波长变换实用化装置就会诞生,它能够在光域内实现宽频带的光波长变换。如果这一设想能够成为现实,将会给波长光交换带来广阔的应用空间。

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4.1.3时分光交换方式

时分光交换方式的原理与现行电子学的时分交换原理基本相同,只不过它是在光域里实现时隙互换而完成交换的,因此,它能够和时分多路复用的光传输系统匹配。时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器,通过光读写门对光存储器的受控有序读写操作完成交换动作。由于时分光交换可以时分复用各个光器件,所以能够减少硬件设备,构成大容量的光交换机。时分光交换系统能与光传输系统很好配合构成全光网,所以时分光交换技术研究开发进展很快,其交换速率几乎每年提高1倍,目前已研制出几种时分光交换系统。

4.1.4自由空间光交换方式

自由空间光交换可以看作是一种空分光交换,它是通过在空间无干涉地控制光的路径来实现的。由于自由空间光交换方式的构成比较简单,有时只需移动棱镜或透镜即可实现交换，因此它是较早出现的光交换技术。它与空分光交换的不同在于:在自由空间光交换网络中，光是通过在自由空间或均匀材料中传播而到达目标的;而空分光交换中光的传播则完全在波导进行。与空分光交换相比,因为它利用的是光束互连,适合做三维高密度组合,即使光束相互交叉,也不会相互影响,因此比较容易构成大规模的交换系统。典型的自由空间光交换是由二维光偏振控制的交换阵列或开关门器件组成。另外,使用全息光交换技术可以构成大规模的自由空间光交换系统,且无需多级连接。

4.1.5混合型光交换方式

由于各种光交换技术都有其独特的优点和不同的适应性,将几种光交换技术合适地复合起来进行应用能够更好地发挥各自的优势,以满足实际应用的需要。已见介绍的复合型光交换主要有:

(1)空分/时分光交换系统;(2)波分/空分光交换系统;(3)频分/时分光交换系统;(4)时分/波分/空分光交换系统等。

例如，将时分和波分技术合起来可以得到一种极有前途的大容量复合型光交换模块，其复用度是时分多路复用度与波分复用度的乘积。如果他们的复用度分别为8,则可实现64路的时分2波分复合型交换。将此种交换模块用于4级链路连接的网络，可以构成最大终端数为4096的大容量交换网络。

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4.2光交换技术发展趋势

现代通信网络中，先进的光通信技术以其高速、宽带的明显特征而为世人瞩目，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。

4.2.1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。

4.2.2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。

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4.2.3光交换机多样化

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。

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致谢

这篇论文是在王琦老师的细心指导下进行的。在写作过程中，王琦老师给我提出切实可行的指导性建议，并细心全面地修改了我的论文。王琦老师这种一丝不苟的负责精神，使我深受感动。更重要的是王琦老师在指导我的论文的过程中，始终践行着“授人以鱼，不如授之以渔”的原则。

在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！

通过该毕业设计，我对无线局域网的发展有了大致的了解，熟悉了无线局域网的系统结构、关键技术、现在社会中的应用和未来的发展，更使我加深了对本课题的理解。

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参考文献

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