常见光交换方式

常见光交换方式
关键词：光通信 光交换 系统 结构
引言
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。

基本概念 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。

1 1 2 8 2 Figure 光路交换 Figure 光分组交换
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/频分光交换和码分光交换等。

下图为光交换方式的分类：
Figure 光交换方式
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。

交换方式
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：
光路交换 光分组交换 自由空间光交换
波导空分光交换 码分光交换 波/频分光交换 时分光交换 空分光交换 光交换
方式
2 2 M 1 2 M 输出
输入 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
5.光分组交换
光分组交换（Optical Packet Switching）从信源到信宿的过程中数据包的净荷部分都保持在光域中，而依据交换/控制的技术不同，数据包的控制部分(开销)可以在中间交换节点处经过或不经过O/E/O变换。

换句话说，数据包的传输在光域中进行，而路由在电域或光域中进行。

它包括ATM光交换、 IP包光交换、光突发交换。

光分组交换具有大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点光分组交换把大量的交换业务转移到光域实现，能实现交换容量与WDM的传输容量相匹配。

分组技术与OXC、MPLS等新兴技术的结合，实现网络的优化与资源的合理利用。

采用光分组作为交换颗粒，使得OPS网络更适合承载突发性高且分布非对称的IP等数据业务。

通过对波长通道实施统计复用，OPS网络的带宽分配灵活，资源利用率很高。

操作光分组可以实现优先级服务。

OPS网络不仅能实现非连接和面向连接的服务，还可以承载语音业务，因此，OPS网络被认为是下一代网络（NGN）的理想承载平台。

6.复合光交换
通过组合两种和两种以上的光交换方式就是复合光交换。

这种复合光交换通过合理组合，能够尽可能发挥每一种光交换方式的优势，并兼顾系统容量、速率和成本等要求。

目前已提出多种复合光交换方案，包括有空分+时分、空分+波分、空分+时分+波分等。

如下图所示的空分+时分的复合光交换系统
Figure空分+时分的复合光交换系统
小结
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。