光交换方式与光交换网络
光交换方式与光交换网络
光交换方式
由于光通信传输技术的传输速率达到了Tb/s 的数量级，大大提高了通信传输的质量和可靠性，但是在第一代光网络中，节点具有的电子速率的极限使得不断增长的传输速率受到限制。此时，为了实现光信号的直接交换，摆脱光电转换所受的限制，光子技术被引入到节点的交换系统，以期实现全光网络。因此，光交换的实现成为第二代光网络的基础。 光交换是指不经过任何光/电转换，将输入端光信号直接交换到任意的光输出端。光交换的实现可以简单归结为如何实现交换回路和控制部件的光子化，目前由于实用的光逻辑器件还相当缺乏，光交换系统的交换路径是全光的，控制部件则由电子电路完成，也称电控光交换。光交换方式、器件以及网络的组建是光交换的研究重点。和普通的电交换技术相似，光交换分为光路（通道）交换和光分组交换两种方式。光路交换是通过在主叫和被叫两个终端之间建立一个光连接通道。该通道可能是一根光纤，也可能是采用复用技术构建的存在于光复用线路中的一个信道。这条通道在一个呼叫的通信期间将一直保持到通信结束。光分组交换是一种信息包的交换。通过某种光调制方式将用户信息形成光信号序列，然后分割成一个个分组，并被附加上各自的光分组头（描述其源地址、目的地址和分组序号等）。它们独立经过光分组网的节点，节点解读分组头获得路由信息然后进行选路，然后将它们发送到目的地。
以下是原理图：
光路交换中一个通信业务独占一条通路或信道，而分组交换允许多个通信业务动态地、分时段共享某一通道，因此它对网络的利用比光路交换更充分和灵活。通常实时性要求高、业务量平稳的通信会使用光路交换，突发性明显的通信使用分组交换。
光交换按照光信号信道复用方式可划分为空分光交换、时分光交换、波/频
A
B 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 7 5 4 7 5 4 6 3 1 8 2 8 2 8 2 A B
Figure 光路交换 Figure 光分组交换
分光交换和码分光交换等。
光交换的特点：1、由于光交换不涉及到电信号，所以不会受到电子器件处理速度的制约，与高速的光纤传输速率匹配，可以实现网络的高速率。2、光交换根据波长来对信号进行路由和选路，与通信采用的协议、数据格式和传输速率无关，可以实现透明的数据传输。3、光交换可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由手段。
1.空分光交换
空分光交换（Space Division Optical Switching）就是在空间域上对光信号进行交换。其基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。
空分光交换可以在媒质空间和自由空间中完成，因此又被细分为波导空分光交换和自由空间光交换。自由空间光交换在电交换中没有对应的结束，它基于自由空间的光波传播规律，在2维或者3维空间实现光互连和光交换，具有更大的容量，建立没有物理接触的光互连，子信道间不存在串扰，系统性能优于波导空分交换。空分光交换的基本结构图如下所示：
输入接口空分交
换矩阵
输
出
接
口
2 2
M
1
2
M
输出
输入
控制部件
Figure 空分光交换基本结构图
2.时分光交换
时分光交换（Time Division Optical Switching）是以常见的时分复用为基础，把时间划分为若干可大可小互不重叠的时隙，由不同的时隙建立对应的子信道，通过时隙交换网络完成不同用户信息的交换。
根据时隙信号的组成，子信道可分为位置子信道和标志子信道。前者的子通道以时隙位置不同区别，后者以各自特殊的标志区别。位置子通道光交换常用于同步传输，标志子通道可用于同步传输和异步传输。
时分光交换节点的基本结构由光（时隙）分路器、光缓存器、光（时隙）合路器及其控制部件组成。原理图如下：
Figure 时分光原理图
3.波分/频分光交换
波分光交换（Wavelength Division Optical Switching）技术是以波分复用原理为基础，结合空分光交换技术，通过波长选择或波长变换的方法实现交换功能。波分光交换与频分光交换没有本质区别，仅仅是他们的子通道间隔有差别，前者大，后者小。这种交换利用了波长资源和光频宽带性，其光信号具有透明性，与时分光交换相比，其特点在于各波长子通道的比特率是独立的，便于实现不同速率的宽带信号交换，交换硬件较少，对控制部件要求不高，是当前研究热点之一。波/频分光交换节点由波长/频率复用和解复用器、波长变换器、光滤波器及控制部件等组成。其中波长变换器和滤波器有两种组合方式：固定波长变换器和可变波长滤波器、可变波长变换器和固定波长滤波器。载有N 个用户信息的WDM信号首先被驳分解复用器分成N路，根据波长交换要求控制
每个波长子通道上的波长变换器，将入射波长λi转换为所要求的波长λj，然
后经光滤波器滤波，再由波分复用器将N路新波长信号复用起来，送到输出光纤总线，通过改变承载信息的子通道波长就实现了用户的信息交换。
波长变换技术是波/频分光交换系统的一项关键技术。目前已研究的多种波长变换分为一光一电方式和全光方式两类。后者分别基于广播的非线性效应。
波分光交换原理如下图所示：
Figure 波分交换原理图
4.码分光交换
码分光交换（Code Division Optical Switching）的原理就是将某个正交码上的光信号交换至另一个正交码上，实现不同码字之间的交换。在光码分复用多址(OCDMA)网络中，每个用户都分配有一个惟一的地址码，可以用来进行地址的识别、路由的选择，即可利用用户的地址码实现全光自路由和光交换。码分光交换与光时分交换相比不需要同步，下图中OCDM编码主要完成的功能是用不同的正交码来对光比特或光分组进行填充，星型耦合器将信息送到所有的输出端口。
Figure 光码分交换原理图
光交换网络
目前光网络中的交换技术主要有三种：光路交换OCS(Optical Circuit Switching),光分组交换OPS(Optical Packet Switching),光突发交换
OBS(Optical Burst Switching).三种光路交换技术，构成了光交换的三种网络。
其中研究得最多最成熟的是光路交换OCS,网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的地端的光路(每一个链路上均需要分配一个专业波长)。交换过程共分三个阶段：①链路建立阶段是双向的带宽申请过程，需要经过请求与应答确认两个处理过程。②链路保持阶段，链路始终被通信双方占用，不允许其他通信方共享该链路。③链路拆除阶段，任意一方首先发出断开信号，另一方收到断开信号后进行确认，资源就被真正释放。
从长远来看，全光的分组交换OPS是光交换的发展方向。OPS是一种不面向连接的交换方式，采用单向预约机制，在进行数据传输前不需要建立路由。分配资源。分组净荷紧跟分组头在相同光路中传输，网络节点需要缓存净荷，等待带分组目的地的分组头的处理，以确定路由。相比OCS,OPS有着很高的资源利用率，和很强的适应突发数据的能力。但是也存在着两个近期内难以克服的障碍：一是光缓存器技术还不成熟；二是在OPS交换节点处，多个输入分组的精确同步难以实现。因此光分组交换难于在短时间内实现。
1997年，由Chunming Qiao和J.S Tunnor分别提出的一种新的光交换技术——光突发交换OBS,作为由电路交换到分组交换技术的过渡技术。OBS结合了电路交换和分组交换两者的优点且克服了两者的部分缺点，已引起了越来越多人的关注。
光突发交换中的“突发”可以看成是由一些较小的具有相同出口边缘节点地址和相同QoS要求的数据分组组成的超长数据分组，这些数据分组可以来自于传统IP网中的IP包。突发是光突发交换网中的基本交换单元，它由控制分组(BCP, Burst Control Packet,作用相当于分组交换中的分组头)与突发数据BP(净载荷)两部分组成。突发数据和控制分组在物理信道上是分离的，每个控制分组对应于一个突发数据，这也是光突发交换的核心设计思想。例如，在WDM 系统中，控制分组占用一个或几个波长，突发数据则占用所有其它波长。
将控制分组和突发数据分离的意义在于控制分组可以先于突发数据传输，以弥补控制分组在交换节点的处理过程中O/E/O变换及电处理造成的时延。随后发出的突发数据在交换节点进行全光交换透明传输，从而降低对光缓存器的需求，甚至降为零，避开了目前光缓存器技术不成熟的缺点。并且，由于控制分组大小远小于突发包大小，需要O/E/O变换和电处理的数据大为减小，缩短了处理时延，大大提高了交换速度。
总论
在现代通信网中，全光网是未来宽带通信的发展方向。光交换作为光网的核心技术，必然会承受更大的压力和关注，这有助于其快速健康的发展。未来，基于电路交换的电信网必然要升级到以数据为重心以分组为基础的新型通信网，而光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分组交换，是下一代全光网络技术，其应用前景广阔。光分组交换网的实用化，取决于一些关键技术的进步，如光标记交换、微电子机械系统MEMS 、光器件技术等。光器件技术中固态光交换技术已开始迅速发展，在芯片上实现光交换一直是人们的梦想。利用固态交换技术，交换速度可以在纳秒的范围之内，这样高的速度主要用于光的分组交换。