光交换

    这些年来陆陆续续在接触一些电信有关的技术，但是又因为缺乏完善的环境和条件进行深入系统的研究。网络上的资料分散且新老不齐，不禁让我想将自己所了解的一点点皮毛结合收集整理的部分素材简单的归纳一下，搞个小连载。往高手前辈批评指正。

前言——有关传送网的问题？

    网络进入TB级时代后，大家就感兴趣是什么东西在维持着这么高速的数据传输？有人说是光纤，很正确，那么光纤是如何组成我们这个丰富多彩的网络“光世界”的呢？有人会说“光网”“传送网”“智能光网”“无源光网”等等，那么又是什么东西组成了这张网？是如何运作的呢？“光放大”“光中继”“光交换”“光频分复用”“光交叉连接”“光分叉复用”……从某种意义上讲，很多厂商对这块的定义还是很模糊，有的就直接将OXC和OADM等成为光交换，有的甚至叫光路由。好了，我们不管他们叫什么，我们想知道的是为什么要弄这一堆东西出来。

一、光交换还是电交换？

    要弄清这两者之间的区别，首先来复习下光交换的基础：

    我们知道，这两个东西，包括其他的光设备，很大程度是为了解放一个瓶颈，什么瓶颈？就是光电光的瓶颈，这里我没打错，也没多打，光电光是指光在传送过程中，遇到需要“路由”或者“交换”的地方，就需转回电信号，进行各种复用后再次转为光传输。很显然，大家都知道这种转化不但耗费大量的设备和资源，对带宽质量和速度也是有影响的。尤其在超高速互联网服务中（中美新建的太平洋海缆带宽达5000Gbps以上）=。=

 

这种瓶颈现象是无法容忍的。全光网的出现解决了这个问题，即光在网内传送时，无需经过电信号转化，直接进行交换动作。

二、交换原理？

    好，问题来了，光在远距传送过程中，都是经过复用的。一束光打过来，里面包含了不同的信源和信宿，在节点处如何交换？如何插入和剥离？电信号可以通过对振幅、频率、相位等进行准确的调制解调，光纤呢？OK，世界最早的光交换技术，也是现在相比热学、液晶、声学等技术更有发展潜力的一种交换技术——MEMS微电机光开关，比如朗讯的，有1296×1296MEMS的矩阵，单口容量为1.6Tbps,交换时间小于50ms，典型的尺寸为10cm。怎么理解？这个玩意在入口光纤和出口光纤之间使用一系列微机械镜，这些微镜可以在光纤之间任意改变角度来改变光束传输方向达到实时对光信号进行重新选路的目的。当一路波长光信号照到镜面时，镜面倾斜以便将其导引到某一特定出口光纤中，从而实现光路倒换的目的。如图。

 

    很好很强大的东东，我们来看看这个东西的应用范围：几乎所有的光网络各个组成单元都能采用MEMS技术制作器件。长途传输网中的OADM节点／均衡器、交叉连接矩阵、发射功率限幅器、泵浦源选择开关，城域网中的监控保护开关、信道均衡器、增益均衡器，无源光网络中的调制器以及海底光缆中的平衡单元……基于MEMS技术的8×8光交换芯片尺寸可以做到1×1CM2大小。需要的电压为80V，最高交换速度为400μS。最小插入损耗为3dB，隔离度在60dB以上。

    说了那么多看不懂的参数，到底性能怎么样呢？换句话说，用我们常见的“背板带宽”来形容的话，这个技术能有多强？嘿嘿，2000年OFC会议上报道的MEMS型OXC用2组2轴微镜和一个反射镜组成112×112光交叉连接器，容量达35.8Tbps……无敌了。ASON的愿望就要实现了~~~~

    不幸的是，这些东西对全波长交换的支持还不是很成熟，无法保证系统的透明性，此外，由于受光器件的制约，特别是大规模光交叉矩阵开关的制约，系统的规模和灵活性不够理想。

    哦，忘记说了，MEMS光交换是贝尔的人发明的（贝尔真是强大啊……）

    当然，除了MEMS之外，还有无交换式光路由、阵列波导光栅路由器、光子时隙路由等等，就不具体说了。

三、哪些交换？

    主要有四种交换方式：空分光交换、时分光交换、波分光交换、复合型光交换。

    (1)空分光交换是指空间划分的交换，空间光开关是光交换中最基本的功能开关。其基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。最基本的就是最基本的，它只能“一对一”的处理问题，即入射光经过矩阵后原样输出，仅仅变换接口，而不对其中不同波长的光进行分叉。空分光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。

 

有人会有疑问，既然平行状态的空分交换没有做光路径的改变，为什么还要产生这种模式呢？其实这里有两个原因，首先是作为一种实现标准，必须考虑到应用的完整性，就像OSPF中有个区域设计成为绝对STUB区域，在实际应用中发现很鸡肋，所以弄出了个NSSA，但是还是要写入标准中的；第二，光交换本身具备放大的作用，即便没有做路径转换，也能起到延长传送距离的效果。

    (2)时分光交换就是在时间轴上将复用的光信号的时间位置转换成另一时间位置。其交换原理与现成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相匹配。在这种方式下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量光交换机。

    时分复用是把时间划分成帧，每帧划分为N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图所示。

 

    所谓时隙互换，就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条线上一次传输某一个时隙的信号，然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间，最后用复接器把这些信号重新组合起来。如图。

 

    (3)波分光交换就是将波分复用信号中任一波长变换成另一波长。可调波长滤波器和波长变换器是实现波分交换的基本元件，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成适当的波长后输出。波分光交换可以分为波长选择法交换和波长变换法交换。

    波分复用是指把N个波长互不相同的信道复用在一起，就可以得到一个N路的波分复用信号。信号都是从某种多路复用信号开始，先进行分路，再进行交换处理，最后进行合路，输出的还是一个多路复用信号。如图。

 

    (4)复合型光交换是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。空分+时分，空分+波分，空分+时分+波分等都是常用的复合光交换方式。

    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。除此之外，还可将波分和时分技术结合起来得到另一种极有前途的复合型光交换，其复用度是时分多路复用度与波分多路复用度的和乘积。如它们的复用度分别为16，则可实现256路的时分--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。

 

    看完这一大堆东西，你是不是觉得很混乱呢？好，下面我们用一张图总结下目前主流的光交换技术。

 

小结   

    在现代通信网中，全光网是未来宽带通信网的发展方向。光交换作为光网的核心技术，必然需要承受更大的压力和关注，同时也有助于其快速健康的发展。目前光交换尤其是大规模的只能光网仅仅处于起步阶段，交换技术和设备都如雨后春笋般出现，也远不止本文中简述的这几种，从整体上看，光网的标准还有待时间的检验从而趋向进一步的统一，也相信光网络的工程师们都能研发出更能适应下一代网络的传送产品。

    下一弹中，我们将一起来关注光网内的几种主要设备。

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