波長(zhǎng)變換在光分組交換網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

2019-11-05 01:32:44

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供稿：網(wǎng)友

　　一、概述
　　近年來(lái)隨著Internet的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，這要求網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬可以利用，并且要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有足夠高的數(shù)據(jù)吞吐量，而這些正是在WDM網(wǎng)中應(yīng)用分組交換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。WDM光傳送網(wǎng)具有優(yōu)異的傳輸性能，為信息的傳輸提供了足夠的帶寬；分組交換技術(shù)是快速交換數(shù)據(jù)的最佳選擇。光分組交換技術(shù)將二者有機(jī)的結(jié)合，能極大地拓展現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬，最大限度地提高線路利用率，被認(rèn)為是為下一代光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)之一[1]。目前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行了這方面的研究，如歐洲RACE計(jì)劃的ATMOS項(xiàng)目和ACTS計(jì)劃的KEOPS項(xiàng)目[8]，美國(guó)DARPA支持的POND項(xiàng)目和CORD項(xiàng)目[10]日本NTT光網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目等。
　　
　　光分組交換網(wǎng)絡(luò)參考模型分為三層，如圖1所示。最上層為電交換層，對(duì)應(yīng)于已普遍使用的接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，如ATM、SDH和PDH及其他常用的標(biāo)準(zhǔn)分組和基于幀的業(yè)務(wù)。最底層為透明光傳輸層，對(duì)應(yīng)于WDM光傳送網(wǎng)，鏈路的傳輸容量為數(shù)Gb/S至數(shù)百Gb/S。在最上層和最底層之間是比特率和傳輸方式透明的光分組層，它在高層的低速信道和底層的高速信道之間進(jìn)行適配，為WDM光傳送網(wǎng)中的高速波長(zhǎng)信道和電交換網(wǎng)之間架起一座橋梁，從而大大改進(jìn)了帶寬的利用率和網(wǎng)絡(luò)的靈活性。
　　　

　　
　　波長(zhǎng)變換技術(shù)是組成全光分組交換網(wǎng)絡(luò)中的重要技術(shù)，它的功能是將從波分復(fù)用終端或其它設(shè)備來(lái)的光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將非匹配波長(zhǎng)上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換到所需的波長(zhǎng)上。它的主要特點(diǎn)是高效、可靠、簡(jiǎn)便地把帶有信號(hào)的光從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的再利用，解決網(wǎng)絡(luò)中交叉連接中的波長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，有效地進(jìn)行路由的選擇，降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性[2~4]。
　　
　　二、波長(zhǎng)變換技術(shù)在OPS網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
　　光分組網(wǎng)(OPN)是在光域上實(shí)現(xiàn)光分組交換(OPS)技術(shù)的智能光網(wǎng)絡(luò)，即以光分組的形式來(lái)承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸在光域中進(jìn)行，而路由和控制在光域或電域中進(jìn)行。OPS網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示：
　　　

　　（1）輸入接口光部分有一個(gè)補(bǔ)償色散的無(wú)源段(如色散位移光纖)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光纖延遲線，使分組向初始參考面被動(dòng)排隊(duì)。每一輸入端口都如此。電部分包括分組頭提取電路和負(fù)載荷位置確定(本地時(shí)鐘的提取,分組的遲時(shí)確定,光開(kāi)關(guān)門(mén)的觸發(fā)選擇等)。分組頭提取電路用以解決競(jìng)爭(zhēng)情況和安排交換端的分組路由。（2）交換矩陣這是交換接點(diǎn)的核心部分,電路部分控制路由處理,解決競(jìng)爭(zhēng),按參考時(shí)鐘安排虛分組;全光交換矩陣給出分組路由,使用光纖延遲線和虛分組解決競(jìng)爭(zhēng)(緩存器)。（3）輸出接口為滿足系統(tǒng)的需要,包括系統(tǒng)的可級(jí)聯(lián)性,需要再生凈載荷。這由輸出接口完成。它包括一個(gè)光再生系統(tǒng)和重寫(xiě)分組頭和再生光信號(hào)用的時(shí)鐘電子電路。光再生系統(tǒng)包括快速功率均衡,去除抖動(dòng)的再定時(shí),波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和分組頭重寫(xiě)。整個(gè)接口必須保證信號(hào)質(zhì)量足夠高,以使其能夠通過(guò)幾個(gè)光交換節(jié)點(diǎn)和WDM傳輸鏈路。
　　
　　在OPS網(wǎng)絡(luò)中，解決波長(zhǎng)路由、網(wǎng)絡(luò)沖突、透明的網(wǎng)間互聯(lián)互操作、和超高速光信號(hào)處理等功能都離不開(kāi)全光波長(zhǎng)變換器的應(yīng)用。
　　
　　首先波長(zhǎng)變換是解決網(wǎng)絡(luò)沖突的有效方案。在OPS節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)同一波長(zhǎng)上多個(gè)光分組同時(shí)去往同一個(gè)輸出端時(shí)，就會(huì)發(fā)生對(duì)輸出端資源的競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)失敗的光分組將受阻，這時(shí)我們稱(chēng)輸出端產(chǎn)生了沖突。沖突解決方案主要有三種：即通過(guò)偏射路由技術(shù)在空間域上解決沖突；通過(guò)光緩存技術(shù)在時(shí)間域上解決沖突，如圖3（a）所示；通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)在波長(zhǎng)域上解決沖突，由可調(diào)諧全光波長(zhǎng)變換器完成，如圖3（b）所示。前兩種技術(shù)都可看作偏射機(jī)制，一個(gè)是在空間上偏射，另一個(gè)是在時(shí)間上偏射。隨著WDM技術(shù)和波長(zhǎng)變換器的發(fā)展，波長(zhǎng)空間解決分組沖突的方式越來(lái)越受到人們的重視。
　　　

　　其次，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換還是波長(zhǎng)路由中至關(guān)重要的技術(shù)之一?；诓ㄩL(zhǎng)路由的交換結(jié)構(gòu)是OPS網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)的主要交換形式，其交換結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)使用波長(zhǎng)編碼來(lái)完成分組的路由和緩存。它由3個(gè)功能模塊組成：分組編碼模塊（分組波長(zhǎng)分配）、緩存模塊和分組解復(fù)用模塊。分組編碼模塊由N個(gè)可調(diào)諧全光波長(zhǎng)變換器（TOWC）組成，每個(gè)TOWC根據(jù)各分組所要輸出的端口給分組分配相應(yīng)的波長(zhǎng)。例如：當(dāng)分組要在第i個(gè)端口輸出時(shí)，就給它分配波長(zhǎng)λi。緩存模塊由N×K個(gè)半導(dǎo)體光放大器（SOA）開(kāi)關(guān)門(mén)陣列和K個(gè)長(zhǎng)度范圍為0~(K-1)T的光纖延遲線組成，T為單個(gè)分組所占時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)控制SOA開(kāi)關(guān)門(mén)，可以使分配了波長(zhǎng)后的分組以先進(jìn)先出（FIFO）的方式經(jīng)過(guò)某一相應(yīng)的光纖延遲線，到達(dá)指定的輸出端口。解復(fù)用器模塊由一個(gè)K×N的星型耦合器和K×N個(gè)帶通濾波器組成。也可以用一個(gè)K×N的AWG（Arrayed Wave-guide Grating）來(lái)實(shí)現(xiàn)。帶通濾波器的作用是使特定的波長(zhǎng)和特定的輸出端口對(duì)應(yīng)起來(lái)。
　　　

　　此外，波長(zhǎng)變換在高速全光信號(hào)處理中有十分廣泛的應(yīng)用。OPN中載有信頭和凈荷的光分組需經(jīng)過(guò)同步、凈荷識(shí)別和地址識(shí)別等復(fù)雜的光信號(hào)處理過(guò)程。在其中的各個(gè)環(huán)節(jié)都不難發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能。以波長(zhǎng)變換在同步時(shí)鐘提取方面的應(yīng)用為例，較為精確的同步方案由一個(gè)可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和一段高色散參數(shù)的光纖組成，如圖5所示[9]。因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的光信號(hào)在高色散光纖中的傳輸延時(shí)不同，所以將光分組調(diào)制到恰當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)上就能得到恰當(dāng)?shù)难訒r(shí)。該同步方案常用于較精確的輸出端同步，但其連續(xù)性可調(diào)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。
　　　

　　最后，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)也常用于分組信頭再生過(guò)程。當(dāng)在交換節(jié)點(diǎn)處需要改變數(shù)據(jù)包的路由或優(yōu)先級(jí)時(shí)，要進(jìn)行信頭再生，即產(chǎn)生新的信頭并在輸出端將之插入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)包上，目前一般通過(guò)光電變換實(shí)現(xiàn)信頭再生。據(jù)國(guó)際最新報(bào)道，利用InP材料的半導(dǎo)體光放大器制成全光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，適用于非歸零（NRZ）編碼的全光信頭標(biāo)記再生，數(shù)據(jù)速率達(dá)10Gb/S，并可引伸至40Gb/S或更高。當(dāng)帶著NRZ標(biāo)記的RZ數(shù)據(jù)分組輸入光層時(shí)，先提取出標(biāo)記分組，隨即經(jīng)過(guò)主要的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換部分和再生過(guò)程，最后重寫(xiě)新的NRZ標(biāo)記，帶著RZ數(shù)據(jù)分組輸出。
　　
　　三、波長(zhǎng)變換技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀：
　　由以上討論可以看出全光波長(zhǎng)變換技術(shù)是OPS網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)要害技術(shù),在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中占有重要地位。全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器也正是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前波長(zhǎng)變換器主要可以分為四類(lèi)：（1）光－電－光型波長(zhǎng)變換器；（2）相干型波長(zhǎng)變換器；（3）基于光邏輯門(mén)的波長(zhǎng)變換器。
　　
　　光/電/光型的WC先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)定時(shí)再生后，產(chǎn)生再生的電信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，再用該電信號(hào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的激光器重新進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換。由于光電變換技術(shù)已很成熟，且它對(duì)信號(hào)具有再生能力，具有輸入動(dòng)態(tài)范圍較大，無(wú)需光濾波器件且對(duì)輸入偏振不敏感等許多優(yōu)點(diǎn)，是目前唯一的一種非常成熟的波長(zhǎng)變換器。但是它對(duì)信號(hào)格式和調(diào)制速率不透明，系統(tǒng)升級(jí)受限、應(yīng)用范圍受限。相干型波長(zhǎng)變換器，主要原理是應(yīng)用四波混頻（FWM）原理。根據(jù)所使用的器件不同，又可分為：基于無(wú)源波導(dǎo)中FWM效應(yīng)；半導(dǎo)體激光器中FWM效應(yīng)；半導(dǎo)體光放大器中FWM效應(yīng)?；诠饪剡壿嬮T(mén)的波長(zhǎng)變換器，采用的原理主要有XGM效應(yīng)和XPM效應(yīng)。所采用的器件與相干型波長(zhǎng)變換器的器件類(lèi)似也可分為無(wú)源波導(dǎo)型、半導(dǎo)體激光器型和半導(dǎo)體放大器型。下表為基于三種不同效應(yīng)的全光波長(zhǎng)變換器的性能參數(shù)比較：
　　

　　四、結(jié)論
　　長(zhǎng)變換技術(shù)是組成OPS網(wǎng)絡(luò)的要害技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)的再利用,解決了全光網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,可以有效地進(jìn)行路由選擇,降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率,從而改善了網(wǎng)絡(luò)性能,同時(shí)也簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、治理和控制。但是目前，全光波長(zhǎng)變換器尚未成熟,研制出性能優(yōu)異、具有商用價(jià)值全光波長(zhǎng)變換器還需要相當(dāng)時(shí)間的努力。此外,波長(zhǎng)變換器在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，如波長(zhǎng)變換器放在什么位置、所需要波長(zhǎng)變換器的數(shù)目以及對(duì)哪些波長(zhǎng)進(jìn)行變換等問(wèn)題，仍需要進(jìn)一步研究。
　　
　　目前商用化的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器絕大多數(shù)是光-電-光型轉(zhuǎn)換器，例如國(guó)內(nèi)有武漢光訊推出的O/E/O光波長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)換器，中興的UnitransZXWM-32系統(tǒng)中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換模塊。全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器基本上停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)室水平上，真正投入商用化的產(chǎn)品并不多。國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)行的全國(guó)高速互連研究試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)NSFCNET是一個(gè)基于DWDM技術(shù)的高速網(wǎng)絡(luò)，其中利用SOA的非線性效應(yīng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10Gbp/s的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。國(guó)外由AT&T、貝爾實(shí)驗(yàn)室、MIT等參與的全光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（AON）在美國(guó)波士頓所建立的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)是一個(gè)20信道的WDM系統(tǒng)，其中采用了三種可選用的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)。在2002年OFC會(huì)議上，以色列一家公司展示了其生產(chǎn)的AOWC，它可以穩(wěn)定的工作在10Gb/s的速率上。相信在技術(shù)和市場(chǎng)的雙重驅(qū)動(dòng)下，全光波長(zhǎng)變換器離大規(guī)模商用化的時(shí)間越來(lái)越近了。

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