全光網絡技術發展趨勢研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 波長為λi輸入光信號，去驅動一個波長為λo的激光器輸出光信號，利用外調制器實現間接的波長轉換，即在外調制器的控制端施加適當的直流偏壓，使得λi入射光調制成λo的輸出光。而直接調制是利用激光器的注入電流直接隨承載信息的信號而變化，少量電流的變化就可以調制激光器的波頻(波長)，大約是1nm/mA。通過不同的信號的注入電流不同產生不同的波長的信號輸出。可調諧激光器是實現波分復用最重要的器件，近年來制成的單頻激光器用的是量子阱結構。分布反饋或分布喇格反射式結構，有些可在10nm或1THz范圍內調諧，調節速度大有提高。激光外調整器，采用具有電光效應的某些材料制成，這些材料有半導體、絕緣晶體、有機聚合物。最常用的是采用鈦擴散鈮酸鋰波導構成HZ干涉型外調整器。其相位受滯后隨注入電流變化引起折射率變化的影響。在晶體和各向異性的聚合物中，利用電光效應（折射率隨施加的外加電壓而變化）實現對激光的調制。在電設備中，存儲器實現著電位狀態延時保持作用。在全光系統中，為了實現光信息的處理，光信息的存儲顯得極為重要。在光存儲方面，首先試制成功的光纖延遲線存儲器，而后又研制出了雙穩態激光二極管存儲器。 圖32 雙穩態激光二極管圖如圖32為雙穩態激光二極管構成的光存儲器的實例結構。它由一個帶有串聯電極的雙非均勻的波導組成。串聯電極是一個溝道隔開的兩個電流注入區，由于溝道沒有電流輸入，它起著飽和吸收區的作用。此吸收區抑制雙穩態觸發器自激振蕩，使器件有一個輸入與輸出滯后特性。當輸入光脈沖時，激光二極管翻轉為導通狀態，輸入光消失。為使雙穩態觸發器復位，只要在激活區注入負電流脈沖即可。此時激光二極管返回到截止狀態。開關速度與置位脈沖的光通量和激勵電流的偏置量有關。在毫微秒量級的高速交換時具有大于20dB的高信號增益。光交換技術可以分成光路交換技術和分組交換技術。光信號的分割復用方式有三種：空分、時分和波分。相應也有空分、時分和波分三種光交換。分別完成空分信道、時分信道和波分信道的交換。這三種交換方式的特點和其實現方案各不相同。若光信號同時采用兩種或三種交換方式則稱復合光交換。空分光交換是空間域上將光信號進行交換。空間光開關是光交換中最基本的功能元件。它可是連接構成空分光交換單元，也可以與其他功能開關一起構成時分交換單元和波分交換單元，空間光分開關可以分光纖型光開光和空間型光開關。空分光交換的基本單元是22的光交換模塊，在輸入端具有兩根光纖，輸出端也有兩根光纖，它的工作狀態有平行連接狀態和交叉連接狀態如圖4，其中波導型光開關型結構如圖33（a），半導體光開關型結構如圖33（b）。利用22基本光交換模塊可構成大型的空分光交換單元。 （a） (b)圖33 空分光交換結構圖時分復用是通信網中普遍采用的一種復用方式。光時分復用和電時分復用類似，也是把一條復用信道劃分成若干個時隙，每個基帶數據光脈沖流分配占用一個時隙，N個基帶信道復用成高速光數據流信號進行傳輸。要完成時分光交換，必須有時隙交換器實現將輸入信號一幀中任一時隙交換到另一時隙輸出的功能。完成時隙交換必須有光緩存器，把時分復用信號按一定順序寫入儲存器，然后按一種順序讀出來，這樣便完成了時隙交換。雙穩態激光器可用作光緩存器，但它只能按位輸出，而且還需解決高速化和擴大容量問題。光纖延時線是一種比較適用于時分交換的光緩存器。利用光纖延時線的光時分交換的工作原理：首先把時分復用的光信號經過光分路器，使它的每條出線上同時都只有某一時隙的光信號；然后讓這些信號分別經過不同的光延時器件，使其獲得不同的時間延遲；最后，再把這些信號經過一個光合路器重新復合起來，就完成了時分交換。利用光時分交換技術實現的時分交換系統組成如圖34 圖34 時分光交換結構圖波分復用技術在光傳輸系統中已經得到廣泛應用。一般說來，在光波復用系統中其源端和目的端都采用相同的波長來傳遞信號，否則將在多路復用中，每個終端都將增加終端設備的復雜性。這樣要求在傳輸系統中間節點上要采用光波分交換，采用這樣的技術不僅滿足光波分復用終端的互通，而且還能提高傳輸系統的資源利用率。光波分交換網絡的結構如圖35所示。波分光交換所需波長交換器是先用分解復用器將光波分信道空間分割開，對每個波長信道分別進行波長交換，然后再把它們復用起來，經由一條光纖輸出。 圖35 波分光交換網絡結構圖密集波分復用是光纖通信中的一種趨勢，它利用光纖的寬帶特性，在1550nm波段的低損耗窗口中復用多路光信號，大大提高光纖的通信容量。在波光交換技術的基礎上設計大規模交換網絡的一種方法是進行多級鏈路的連接，在各級的連接鏈路中均采用波分復用技術。然而由于需要把多路信號進行分路后再接入鏈路，從而抵消了波分復用的優點。解決這個問題的措施是在鏈路上采用波分復用技術，然后利用空分交換完成鏈路級交換，最后利用波分交換技術選出相應的信號進行波分合路輸出。常用混合交換方式有空分+時分，空分+波分，空分+時分+波分等復合方式。光分組交換系統所涉及的關鍵技術主要包括：光分組交換（ＯＰＳ）技術；光突發交換（ＯＢＳ）技術；光標記分組交換（ＯＭＰＬＳ）技術；光子時隙路由（ＰＳＲ）技術等。這些技術能確保用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光波技術，即數據從源節點到目的節點的傳輸過程都在光域內進行。光突發交換為IP骨干網的光子化提供了一個非常有競爭力的方案。一方面，通過光突發交換可以使現有的IP骨干網的協議層次扁平化，更加充分的利用DWDM技術的帶寬潛力；另外一方面，由于光突發交換網對突發包的數據是完全透明的，不經過任何的光電轉化，從而使光突發交換機能夠真正的實現所謂的T比特級光路由器，徹底消除由于現在的電子瓶頸而導致的帶寬擴展困難。此外，光突發交換的QoS支持特征也符合要求。因此，光突發交換網絡很有希望取代當前基于SDH同步數字體系架構和電子路由器的IP骨干網，成為下一代光子化的骨干網。作為一項具有廣泛前景和技術優勢的交換方式，光突發交換技術已引起了國內外眾多研究機構的關注，我國的863計劃已將光突發交換技術列為重點資助項目。從應用的角度，光突發交換還有一些重要的課題需要研究。突發封裝，突發偏置時延的管理，數據和控制信道的分配，QoS的支持，交換節點光緩存的配置(如果需要的話)等問題還需要作深入研究。對于光突發交換網來說，在邊緣路由器光接收機上的突發快速同步也是對系統效率有重要影響的問題。光緩存中光纖延遲線的配置與突發長度的統計分布相關，而突發長度又取決于突發封裝過程；突發封裝、光路由器的規模、數據和控制信道組的大小又會影響突發偏置時延的管理；交換節點的分配器和控制器運行快慢以及網絡規模又會反過來影響突發封裝。在網絡設計當中，所有的這些問題都必須仔細考慮和規劃。由于光纖延遲線的限制，為了降低丟包率，光突發交換網絡必須通過波分復用網絡信道成組來實現統計復用。如何在光突發交換網絡中實現組播功能也是一項非常重要的課題，為了實現組播，光開關矩陣和交換控制單元都必須具備組播能力，且二者之間必須能有效地協調。此外，將光突發交換與現有的動態波長路由技術有機的結合，可以使網絡具有更有效的調配能力，但也需要進一步的細致研究。光分組交換技術獨秀之處在于：一是大容量、數據率和格式的透明性、可配置性等特點，支持未來不同類型數據；二是能提供端到端的光通道或者無連接的傳輸；三是帶寬利用效率高，能提供各種服務，滿足客戶的需求；四是把大量的交換業務轉移到光域，交換容量與WDM傳輸容量匹配，同時光分組技術與OXC、MPLS等新技術的結合，實現網絡的優化與資源的合理利用因而，光分組交換技術勢必成為下一代全光網網絡規劃的“寵兒”。光分組技術的制約因素：光分組交換的關鍵技術有光分組的產生、同步、緩存、再生，光分組頭重寫及分組之間的光功率的均衡等。光分組交換技術與電分組技術相比，光分組交換技術經歷了近10年的研究，卻還沒有達到實用化，主要有兩大原因：第一是缺乏深度和快速光記憶器件，在光域難以實現與電路由器相同的光路由器；第二是相對于成熟的硅工業而言，光分組交換的集成度很低，這是由于光分組本身固有的限制以及這方面工作的不足造成的。通過近期的技術突破與智能的光網絡設計，可充分地利用光與電的優勢來克服這些不利因素。4 全光網絡的結構NNMS:網絡管理系統 EMS:網元管理系統 TM:終端復用 圖41 全光網絡結構圖如圖41所示為全光網絡結構圖，光傳送網可以從垂直方向分為三個網絡層，從上到下依次是光路層（OCH），光復用段（OMS）層和光傳輸段（OTS）層，即光纖傳送層。光路層即波長層，為透明傳遞各種格式客戶層信號的光路提供端到端聯網功能，其主要傳送實體有網絡連接，鏈路連接，子網連接和路徑。光網路層網絡的功能有：光路連接的重組，以便能夠實現靈活的選路；光路開銷（開支消息簡稱開銷）處理，以確保光路適配信息的完整一致；光路監控的功能，以實現網絡的操作和管理。光復用段層為多波長光路（含單波長光路）光信號提供聯網功能其主要傳送實體有網絡連接，鏈路連接，子網連接和路徑。光復用段層的網絡功能有：光復用段開銷處理，以確保光路適配信息的完整一致；光復用段監控的功能，以實現復用段層網絡的操作和管理。光傳輸段層為光信號在各種類型傳輸介質， ，其主要傳送實體有網絡連接，鏈路連接，子網連接和路徑。光傳輸段層網絡功能有：光傳輸段開銷處理，以確保光路適配信息的完整一致；光傳輸段監控的功能，以實現光傳輸段層網絡的操作和管理，例如傳輸的可靠性生存性等。隨著光網絡需求和技術的發展，光網絡將分為核心層即溝通城市之間的長途光纜干線網、城市范圍的光城域網、以及光接入網，包括城市和農村的光接入網和校園、企業等用戶駐地網。從網絡功能上講，全光網絡將由光核心網和光邊緣網組成，光邊緣網包括城域邊緣網絡、城域接入、城城接入、農村接入，以及校園網企業等用戶駐地網絡：而光核心網絡則包括城市之間的骨干核心網絡與城域核心網絡。如圖42所示圖42 全光傳輸網絡結構圖全光網絡一般由3級組成:光纖局域網（接入網）LAN，光纖城域網MAN，光傳送網OTN(光纖核心長途干線網)，各級網絡結構不盡相同。一般局域網的網徑較小，傳輸延遲小，數據吞吐量較高，因此常用星型結構或者總線型結構，其節點就是光收發器，每個星型子網分配一個光信號波長，采用媒質控制協議來解決資源共享問題，結構較為簡單，當需要將各個子網互聯起來時，則需