核心通信網(wǎng)的光分組交換

2019-11-03 10:20:34

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供稿：網(wǎng)友

張煦上海交通大學教授，中國科學院院士 1 通信網(wǎng)需要使用分組交換的由來

　　在公用交換電話網(wǎng)(PSTN)中，長期以來一直使用電路交換，在電報/打字電報通信網(wǎng)，則很早就使用文本交換.20世紀60年代起，數(shù)據(jù)通信開始流行，曾使用數(shù)據(jù)“塊”、數(shù)據(jù)“包”或數(shù)據(jù)“分組”，以表示每一數(shù)據(jù)信息的文本分成若干部分，各含一定的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù).最初數(shù)據(jù)通信采用的數(shù)據(jù)速率為1.59 Mbit/s，分組長度為1 024 bit.自那時起，數(shù)據(jù)信息交換就開始使用分組交換(PS).到了90年代中期，Internet開始盛行，它主要提供數(shù)據(jù)通信，其交換方式一直沿用分組交換.雖然也有文稿對此另行使用“包交換”的概念，但英文總是“Packet Switching”.近年國際上數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量急劇上升，新一代通信網(wǎng)為了迎合新的形勢要求，必將一律采用分組交換，因而分組交換技術(shù)和裝備顯得十分重要，需要重點研究和實施.60年代有人建議使用“Packet Switching”名詞，現(xiàn)在時隔四五十年了，國際上數(shù)據(jù)通信形勢與從前大不相同，而這一名詞、技術(shù)和設(shè)備仍在使用.在電通信網(wǎng)中使用電的分組交換，將來進化至光通信網(wǎng)，將相應(yīng)地改用光的分組交換。

　　在使用分組交換時，發(fā)送端必須把發(fā)收兩方的網(wǎng)絡(luò)地址加上數(shù)據(jù)信息分組，通信網(wǎng)的某點可以根據(jù)數(shù)據(jù)分組所示地址將數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳送至接收端.同一文本的各個分組可能沿不同的路由向前傳送，到達目的地時各個分組可能不再與發(fā)送時的次序相同，因此，該目的地收集了各個分組后，將重新組合成為原來文本，或者，每一分組附加控制信息，便于選取路由、排列次序和核對誤差.這樣，就有可能讓每一通信通路由幾個用戶合用，每一用戶僅在需要發(fā)送各個分組的時間內(nèi)，才使用這通路，從而提高了通路利用率。

　　據(jù)報道，美國于1980年試圖把分組交換施行于與全美PSTN同樣規(guī)模的全國通信網(wǎng).那時，美國全國的PSTN已有1億(108)用戶，通信網(wǎng)總?cè)萘考s)為109 bit/s，即1 Tbit/s.后來準備將通信網(wǎng)提升為寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)，通信網(wǎng)總?cè)萘可秊?015 bit/s，即1 Pbit/s。 90年代中期起，Internet開始廣泛應(yīng)用，它采取寬帶分組交換；美國人就提出這樣一個問題：如果在全國公共通信網(wǎng)一律使用寬帶分組交換，規(guī)模究竟應(yīng)擴大多少?答案是需要加大規(guī)模105～108倍.如果真能做到這樣，那么全國通信網(wǎng)就能全部使用分組交換來代替原來的電路交換，這對于發(fā)展以數(shù)據(jù)為主的新一代通信網(wǎng)是完全必要的.。

　　參考文獻［1］和［2］追憶了60年代擬議利用分組交換和80年代擬議寬帶Internet采用寬帶分組交換的具體經(jīng)過.這些當然是指以數(shù)據(jù)通信為主的電通信網(wǎng)采用電的分組交換.后來，90年代中期起的統(tǒng)計曲線表明：數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量的年增長率超過傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)量的年增長率，而在21世紀初不到幾年，數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)量將超過電話的總業(yè)務(wù)量.由此，傳統(tǒng)的PSTN必將進化為新一代通信網(wǎng)，即以數(shù)據(jù)通信為主、使用分組交換、以互聯(lián)網(wǎng)規(guī)約(ip)為基礎(chǔ)的新型通信網(wǎng).這意味著，新型的電通信網(wǎng)將普遍使用分組交換，以替代傳統(tǒng)的PSTN長期使用的電路交換.電的分組交換將成為通信網(wǎng)的主要交換方式。

2 未來光分組交換的發(fā)展前途

　　20世紀90年代中期，國際上已經(jīng)認識到電通信網(wǎng)在不遠的將來必將進化為光通信網(wǎng).為了適應(yīng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)快速增長的趨勢和數(shù)據(jù)信息必須利用分組傳送的事實，電通信網(wǎng)已經(jīng)準備從電路交換進化為分組交換.與此同時，核心網(wǎng)越來越多地利用光的波分復用(WDM)和光交叉連接(OXC).相應(yīng)地，認識到電的IP路由器交換難于適應(yīng)WDM速率提升至Tbit/s級的要求.人們開始感到有必要積極研究光分組交換(OPS).這意味著，核心網(wǎng)中數(shù)據(jù)分組從輸入至輸出，必將全面利用OPS，以克服電交換的瓶頸.當然，迄今為止，OPS各部分技術(shù)尚在研究實驗階段，還沒有達到成熟程度.參考文獻［3］可以作為借鑒。

　　概括地說，OPS的交換過程有兩種主要形式，其一是同步的、用時隙的、分組長度是固定的.其二是異步的、不用時隙的、分組長度是可變的。目前的研究幾乎集中于固定長度的光分組，所涉及的光器件除了光插分復用器(OADM)和OXC外，還有光的微電機系統(tǒng)(MEMS)，它們都將采用新材料和新工藝，比以前大有改進.。

　　利用OPS的核心節(jié)點的結(jié)構(gòu)包括復用/去復用器、輸入和輸出接口以及內(nèi)部的緩沖器和控制器.輸入接口完成的功能有：(1) 對輸入的數(shù)據(jù)信號整形、定時和再生，藉以形成完善質(zhì)量的信號以便進行后續(xù)的處理和交換.(2) 檢測信號的漂移和抖動.(3) 使每一分組的開頭和末尾、信頭和有效負載都安排適當.(4) 使分組獲取同步并與交換的時隙對準.(5) 將信頭分出，并傳送給控制器，由它進行處理.(6) 將外部WDM傳輸波長轉(zhuǎn)換為內(nèi)部交換機盤使用的波長。

　　交換機盤的控制部分要處理信頭信息，并發(fā)出必要的指示，以便交換機盤按照辦理.為此，它要參考在每一節(jié)點中保持的轉(zhuǎn)發(fā)表，其內(nèi)容借助網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMS)不斷更新.控制器還要進行信頭更新(或標簽交換)，并將新的信頭傳給輸出接口，新的信頭指出分組前進路程的下一節(jié)點.目前這些控制功能都是電子器件操作的.交換機盤就是按照控制部分的指示，對信息有效負載進行交換操作。

　　輸出接口必須完成的功能有：(1) 對輸出信號整形、定時和再生，以克服由交換機盤引起的串擾和損傷，恢復信號的質(zhì)量.(2) 給信息有效負載加上新的信頭.(3) 分組的描繪和再同步.(4) 按需要將內(nèi)部波長轉(zhuǎn)換為外部用的波長.(5) 由于信號在交換機盤內(nèi)路程不同、插損不同，因而信號功率也不同，需要均衡輸出功率。

　　最近歐洲的研究方案對未來同步OPS提出了每一交換時隙的光分組格式.它包含信頭、保護帶、有效負載和保護帶.其中保護帶是用以對付定時的不定性.信頭包含這樣的幾部分：(1) 同步比特；(2) 信源標記，表示入口邊緣的節(jié)點地址；(3) 目的地標記，表示出口邊緣的節(jié)點地址；(4) 分組形式，表示業(yè)務(wù)性質(zhì)和優(yōu)先次序；(5) 分組序列號碼，以辨別分組有沒有按規(guī)定序列到達；(6) 運行、管理和維護；(7) 信頭糾錯碼。

　　對于OPS，有些技術(shù)需要特別重視研究，諸如：再生、同步、信頭處理、緩沖、空間交換和波長轉(zhuǎn)換等，需要進一步分析解決.一般地說，光信號在傳送過程中不可避免地受到衰減、噪聲、色散、串擾、抖動和非線性等影響。尤其是傳輸距離延長，每根光纖載荷的波長路數(shù)加多，每一通路傳送的數(shù)字速率提高等，它們都會明顯地引起傳輸損傷，包括幅度減小、脈沖形狀畸變和定時漂移等等.有必要采取措施以恢復原來信號形狀和消除各種損傷，才能在網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)傳輸和進行交換過程.上面提到的再生，就是指整形、放大、定時的三再(3R)。這是因為光放大只能加大信號幅度，并不能糾正脈沖波形的畸變；色散引起的脈沖變寬只能另外用色散補償來解決.再定時是利用時鐘提取和同步，同步網(wǎng)需要使用分組的同步.為了對信號再定時，再生器必須知道數(shù)據(jù)信號速率和格式.迄今常用的3R再生過程需要光/電(O/E)轉(zhuǎn)換，以便由電實行再生。

　　但在OPS，需要全光的3R，有待于具體深入的研究.全光的3R再生器由3部分組成：光放大器、時鐘恢復系統(tǒng)和門限檢測器.這里的光放大器是根據(jù)M-Z干涉儀構(gòu)成的半導體光放大器(SOA)，可在高速率使用，其制造技術(shù)已成熟.時鐘恢復系統(tǒng)利用分布反饋(DFB)激光管作為光振蕩器，可在6～46 GHz范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧.這種3R已在實驗室試驗成功。

　　數(shù)據(jù)分組從各不同地點經(jīng)過各種光纖線路和不同波長來到OPS的節(jié)點，由于受到路程差異和溫度變化及色散差異的影響，必然存在不同的傳輸時延.當然，光纖中的群速率色散可以由色散補償?shù)霓k法來克服，但不同的光纖路程可能引起較大的時延變化，因而各分組到達OPS節(jié)點是非同步的.而且，交換機盤產(chǎn)生的抖動也是沿線定時抖動的原因.為此，OPS節(jié)點的輸入端必須去除輸入的抖動.同時，分組格式中留有一定的保護頻帶也是必要的.而且每一節(jié)點必須設(shè)置分組同步電路，并采取信頭誤碼控制(HEC)措施，有些是利用電的操作。這些必要措施現(xiàn)時仍需要繼續(xù)進行研究、實驗，力求改善。

　　數(shù)據(jù)分組的信頭包含OPS網(wǎng)絡(luò)中交換和傳送有效負載所必需的信息.目前實際使用的暫時辦法是經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換對信頭進行電處理.早期的信頭處理技術(shù)曾利用比信息有效負載的數(shù)字速率低的串行信頭，這種方法實現(xiàn)起來容易，但處理速度慢.也曾讓信頭與信息有效負載的基帶使用副載波復用，信頭頻帶位置較高，它們位于同一時隙.這種方法的處理速度較快，但在信息數(shù)字速率提高時，限制信頭頻率提高.總的來說，信頭處理如用電子處理技術(shù)，其速率將限于幾十Gbit/s，因而OPS有必要采用光的信頭處理.90年代初已經(jīng)開展全光信頭處理的實驗，但未達到預期目的，還需要加大研究力量才能滿足要求。

　　光緩沖是OPS所必需的.這是因為光子不能象電子那樣任意儲存，在網(wǎng)絡(luò)中有必要讓光子得到適當緩沖.光纖延遲線(FDL)可在這方面被充分利用.光交換機盤使用了FDL，可以達到可變時延的目的.但使用FDL的數(shù)目是有限的，最多約幾十個.它們在有些情形引起的損耗，可以利用光放大器來補償.最近對陣列波導光柵(AWG)和FDL聯(lián)合使用的方案，正在進行研究實驗。

　　在OPS，交換機盤應(yīng)能提供路由，讓各個數(shù)據(jù)分組依次從任一輸入端口傳至任一輸出端口，需要很高的交換速率.例如在10 Gbit/s系統(tǒng)，分組長度為125字節(jié)，即1 kbit，從輸入端口傳至交換機盤約需100 ns.各個分組到達的時間相隔極短，交換機盤必須在一個交換時隙內(nèi)保持這一分組，讓下一分組進入下一時隙.交換時間應(yīng)在ns范圍，而目前的光技術(shù)很少能達到這樣快的交換速率.準備利用SOA和鈮酸鋰(LiNbO3)的電光開關(guān).但這種開關(guān)的插入損耗太大，每個約8 dB.另外，這兩種器件都用平面波導結(jié)構(gòu)，可以做到不受偏振影響。

　　波長轉(zhuǎn)換是一類重要的功能.在節(jié)點的輸入和輸出接口，都可能需要設(shè)置波長轉(zhuǎn)換器，作為緩沖系統(tǒng)的一部分.過去曾利用光/電/光(O/E/O)來獲得波長轉(zhuǎn)換，但在OPS，應(yīng)當采用全光波長轉(zhuǎn)換.這方面的許多研究是基于SOA，使用交叉相位調(diào)制(XPM).利用SOA和干涉儀，可以做到40 Gbit/s的波長轉(zhuǎn)換.如SOA使用延遲的干涉環(huán)路，就可能做到100 Gbit/s的波長轉(zhuǎn)換。但是，一般認為，全光波長轉(zhuǎn)換尚需繼續(xù)深入研究。

　　眾所周知，新一代通信網(wǎng)將肯定采用分組交換，而且以IP為基礎(chǔ).未來的趨勢是由電通信網(wǎng)進化為光通信網(wǎng)，那時必將使用OPS，其詳情正如本文所述.但是，OPS還沒有成熟，要經(jīng)過認真研究實驗，才有可能在5～10年以后實現(xiàn)公用.當然，通信網(wǎng)進化至新的方案和新的設(shè)備，還必須考慮到實際投資是否符合經(jīng)濟原則，各方面需要全面具體考慮。

摘自《光通信研究》2003年第1期

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