光交换技术的基本原理

1.光交换的概念

通信技术中，信号的传输是指将发端信息调制成适合传输的信号，在通信线路上传送到接收端，再将信号解调成与原始发端信号相同的信息。信号可以用射频无线电波作为载波完成调制，实现以微波或毫微波进行传送。也可以对可见光进行调制，实现可见光波段的信号传送，即光传输技术。对传输的光信号可直接采用光交换设备实现信息交换，称为光交换技术。

光交换和ATM交换一样，是宽带交换的重要组成部分。在长途信息传输方面，光纤已经占据了绝对优势。用户环路光纤化也得到了很大发展，尤其是宽带综合业务数字网（B-ISDN）中的用户线路必须采用光纤。在B-ISDN中，宽带交换系统的输入和输出信号都是光信号，而不是电信号。但目前使用的交换设备仍为电交换机，即光信号要先变成电信号才能送到交换机中进行处理，从交换机送出的电信号又要变成光信号才能送入光传输线路。如能采用光交换设备，就可以省去这些光电变换过程。与电子数字程控交换机相比，光交换设备无须在光纤传输线路和交换机之间设置用于光/电和电/光变换的光端机，并能在交换过程中充分发挥光信号高速、宽带和无电磁感应的优点。

B-ISDN是以信元为单位并采用异步时分复用方式来传输信息的，这就要求每个交换单元中必须对信头进行处理，使它能够通过适合该单元的目的输出端口进行输出。信头处理需要大量的逻辑运算，目前只能使用电子方式实现，但在不久的将来很可能采用光计算和光存储来处理信头。采用电子方式对光交换进行连接控制响应速度慢，难以适应快速的信元级交换控制要求，但这并不影响其在当前环境中的应用。可以将空分或波分复用的光交换矩阵引入到光交叉连接中。交叉连接不要求对每个信元都进行选项控制，只是在建立或释放连接时才需要控制矩阵，使用电子控制方式完全可以满足要求，还可省去昂贵的光/电和电/光接口设备。

目前，光通信领域中各种新技术层出不穷，如光复用技术、光交换技术、全光标签分组交换技术和光交叉连接技术等。随着通信网络宽带化、智能化的发展，研究和开发支持多种宽带业务的光交换技术已成为当务之急。光交换作为全新的交换技术，与光纤传输技术相融合可形成全光通信网络，从而将通信网和有线电视网综合在一起，成为通信的发展方向。

2.光交换的实现

传统的光交换在交换过程中存在光/电和电/光的变换，其交换容量受到电子器件工作速度的制约，限制了整个光通信系统的带宽。直接光交换可省去光/电和电/光的变换过程，充分利用了光通信的宽带特性。因此，光交换被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代交换技术。人类对光交换的探索始于20世纪70年代，而进入20世纪80年代中期以后得到了快速发展。

（1）光复用技术

在光网络中，提高光纤容量所使用的主要技术是波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术和时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）技术。WDM技术采用的方法是将光分成许多波长或颜色，其中每一个波长的光信号都可以同时携带不同的信息流。TDM技术采用的方法是提高激光的速度或激光脉冲每秒开关的次数。

因为多数WDM技术均采用波长间隔非常近的光信号，所以它又称为密集波分复用（DWDM）技术。目前，DWDM系统已可在一条光纤上组合多达80～100个光波长，使服务供应商无须付出铺设更多光纤的代价即可将带宽提高数百倍。

现今，同步光纤网（Synchronous Optical Network，SONET）是北美地区采用的TDM传输标准，同步数字体系（SDH）是该地区以外采用的标准，SONET/SDH系统已经可以在单一波长上提供10Gbit/s的容量了。(www.xing528.com)

（2）光交换技术的实现

与电交换技术相似，光交换技术按交换方式可分为电路交换和分组交换。其中，电路交换又包括空分（Space Division，SD）、时分（Time Division，TD）、波分/频分（Wavelength Division/Frequency Division，WD/FD）等方式；分组交换则有ATM光交换等方式。

1）光空分交换。光空分交换中，按空间顺序排列的多路信号进入交换网络后，网络对信号的空间位置重新排列并输出，以此实现交换。光空分交换的优点是各信道中传输的信号相互独立，并且与交换网络的开关速率无严格的对应关系。

在空间上可以对光交换进行高密度并行处理，便于实现小型化、大容量的交换机。光空分交换系统的主要指标是系统规模和无阻塞的程度。系统对阻塞的要求越高，则系统中器件的单片集成度要求就越高。所以，要实现大规模、无阻塞的系统并非易事。

2）光时分交换。光时分交换中，按时间顺序排列的多路信号进入交换网络后，在时间上进行存储和延迟。在交换信号控制下，对时序有选择地进行重新安排并输出，从而达到交换的目的。在时分交换系统中，各信道的数据速率相互有关。按位交换时，开关速率等于数据速率，这在当前采用电控光波导开关的条件下，信道数据速率受到了开关电路的限制。时分交换的优点是能够与现在广泛使用的时分数字通信体制相匹配。

第一个光时分交换网实验是采用光纤延迟线演示的，其交换速率为256Mbit/s。双稳态激光二极管在时分交换网中用做高速光存储器。在获得大容量光时分交换系统之前，许多问题仍有待解决。因为时分交换系统必须知道各信道的比特率，所以需要有光高速存储器、光比特/同步器和光复用器/分路器。发展光时分交换的关键在于实现高速光逻辑器件，这个与光信号处理和光计算设备开发相关的问题目前正在全世界范围内进行深入探讨。

3）光波分交换。光波分交换中的每个波长代表不同的信道，信息在不同的波长间进行交换，从而实现波长信道的交换功能。波分交换网络由波长复用/分路器、波长选择空间开关和波长转换器组成。波长转换器是完成波长交换的关键部件。可调波长滤波器和波长变换器是构成光波分交换的基本元件。光波分交换系统具有两大特点：一是专用波长信道的比特率独立，各种速率的宽带信号能无困难的进行交换；二是交换控制电路不必高速运行，低速传输的电子电路可作为控制电路使用。另外，波分交换系统具有扩充为广域网的潜力。这种广域网可与具有独立比特率专用信道的波分复用（WDM）传输系统相结合，在用户之间提供光比特率独立的接续。

4）光ATM交换。目前，光ATM交换系统已用在时分交换系统中，主要运用了光宽带特性，具有两种结构：一种是采用广播和选择方式的超短光脉冲星形网络；另一种是采用光矩阵开关的超立方体网络。采用广播和选择方式的超短光脉冲星形网络是基础的光ATM交换系统，有多个输入和受输出缓冲器控制的输出通道，它由调制器、星形耦合器、信元选择器以及信元检测器等部分组成。由光矩阵开关组成的超立方体网络是ATM信元光交换系统的另一种结构。超立方体网络实际上是一个计算机多处理机系统。该结构在信元交换中有许多优点，如模块化的结构，可扩展性强，路由算法简单以及高可靠路由选择等。采用超立方体网络后，光ATM交换机的端子数可以取得很大，其目标容量为10Tbit/s。

光ATM核心技术是光路的自选路由。每个信元有目标地址信息，交换控制系统能自动识别出这个目标地址，并通过对路径的分析将其输送到相应的路径上去。采用空间光调制器的光自选路由可以实现优先级控制，防止光信元在输出端口发生冲突。