波长变换在OPS网络中的应用

2019-11-03 18:26:03

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供稿：网友

季伟张民叶培大

北京邮电大学电信学院光通信中心

　　摘要：OPS（光分组交换）被认为是下一代光网络的发展方向之一，波长转换技术作为组成其网络节点的关键技术成为近来研究的热点。本文在简单介绍OPS网络的分层结构、交换节点结构的基础上，重点讨论了波长转换器在OPS网络中的作用。最后重点介绍了各种全光波长转换器的类型及研究和应用现状和发展方向。

　　关键词：光分组交换；全光波长变换器；波长路由；冲突解决；全光信号处理

　　一、概述

　　近年来随着Internet的迅速发展，数据业务呈快速增长趋势，这要求网络有足够的带宽可以利用，并且要求网络节点有足够高的数据吞吐量，而这些正是在WDM网中应用分组交换技术的优势所在。WDM光传送网具有优异的传输性能，为信息的传输提供了足够的带宽；分组交换技术是快速交换数据的最佳选择。光分组交换技术将二者有机的结合，能极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，被认为是为下一代光网络的发展趋势之一[1]。目前世界上许多发达国家进行了这方面的研究，如欧洲RACE计划的ATMOS项目和ACTS计划的KEOPS项目[8]，美国DARPA支持的POND项目和CORD项目[10]日本NTT光网络实验室的项目等。

　　光分组交换网络参考模型分为三层，如图1所示。最上层为电交换层，对应于已普遍使用的接入网和核心网的标准，如ATM、SDH和PDH及其他常用的标准分组和基于帧的业务。最底层为透明光传输层，对应于WDM光传送网，链路的传输容量为数Gb/S至数百Gb/S。在最上层和最底层之间是比特率和传输方式透明的光分组层，它在高层的低速信道和底层的高速信道之间进行适配，为WDM光传送网中的高速波长信道和电交换网之间架起一座桥梁，从而大大改进了带宽的利用率和网络的灵活性。

　　波长变换技术是组成全光分组交换网络中的重要技术，它的功能是将从波分复用终端或其它设备来的光信号进行转换，将非匹配波长上的光信号转换到所需的波长上。它的主要特点是高效、可靠、简便地把带有信号的光从一个波长转换到另一波长，从而实现波长的再利用，解决网络中交叉连接中的波长竞争问题，有效地进行路由的选择，降低网络阻塞率，提高网络的灵活性和可扩展性[2~4]。

　　二、波长变换技术在OPS网络中的应用

　　光分组网(OPN)是在光域上实现光分组交换(OPS)技术的智能光网络，即以光分组的形式来承载业务数据，数据的传输在光域中进行，而路由和控制在光域或电域中进行。OPS网络交换节点的典型结构如下图所示：

　　（1）输入接口光部分有一个补偿色散的无源段(如色散位移光纤)，一个标准光纤延迟线，使分组向初始参考面被动排队。每一输入端口都如此。电部分包括分组头提取电路和负载荷位置确定(本地时钟的提取,分组的迟时确定,光开关门的触发选择等)。分组头提取电路用以解决竞争情况和安排交换端的分组路由。（2）交换矩阵这是交换接点的核心部分,电路部分控制路由处理,解决竞争,按参考时钟安排虚分组;全光交换矩阵给出分组路由,使用光纤延迟线和虚分组解决竞争(缓存器)。（3）输出接口为满足系统的需要,包括系统的可级联性,需要再生净载荷。这由输出接口完成。它包括一个光再生系统和重写分组头和再生光信号用的时钟电子电路。光再生系统包括快速功率均衡,去除抖动的再定时,波长转换和分组头重写。整个接口必须保证信号质量足够高,以使其能够通过几个光交换节点和WDM传输链路。

　　在OPS网络中，解决波长路由、网络冲突、透明的网间互联互操作、和超高速光信号处理等功能都离不开全光波长变换器的应用。

　　首先波长变换是解决网络冲突的有效方案。在OPS节点中，当同一波长上多个光分组同时去往同一个输出端时，就会发生对输出端资源的竞争，竞争失败的光分组将受阻，这时我们称输出端产生了冲突。冲突解决方案主要有三种：即通过偏射路由技术在空间域上解决冲突；通过光缓存技术在时间域上解决冲突，如图3（a）所示；通过波长转换技术在波长域上解决冲突，由可调谐全光波长变换器完成，如图3（b）所示。前两种技术都可看作偏射机制，一个是在空间上偏射，另一个是在时间上偏射。随着WDM技术和波长变换器的发展，波长空间解决分组冲突的方式越来越受到人们的重视。

　　其次，波长转换还是波长路由中至关重要的技术之一。基于波长路由的交换结构是OPS网络交换节点的主要交换形式，其交换结构如图4所示。这种结构使用波长编码来完成分组的路由和缓存。它由3个功能模块组成：分组编码模块（分组波长分配）、缓存模块和分组解复用模块。分组编码模块由N个可调谐全光波长变换器（TOWC）组成，每个TOWC根据各分组所要输出的端口给分组分配相应的波长。例如：当分组要在第i个端口输出时，就给它分配波长λi。缓存模块由N×K个半导体光放大器（SOA）开关门阵列和K个长度范围为0~(K-1)T的光纤延迟线组成，T为单个分组所占时长。通过控制SOA开关门，可以使分配了波长后的分组以先进先出（FIFO）的方式经过某一相应的光纤延迟线，到达指定的输出端口。解复用器模块由一个K×N的星型耦合器和K×N个带通滤波器组成。也可以用一个K×N的AWG（Arrayed Wave-guide Grating）来实现。带通滤波器的作用是使特定的波长和特定的输出端口对应起来。

　　此外，波长变换在高速全光信号处理中有十分广泛的应用。OPN中载有信头和净荷的光分组需经过同步、净荷识别和地址识别等复杂的光信号处理过程。在其中的各个环节都不难发现波长转换功能。以波长变换在同步时钟提取方面的应用为例，较为精确的同步方案由一个可调谐波长转换器和一段高色散参数的光纤组成，如图5所示[9]。因为不同波长的光信号在高色散光纤中的传输延时不同，所以将光分组调制到恰当的波长上就能得到恰当的延时。该同步方案常用于较精确的输出端同步，但其连续性可调问题有待进一步研究。

　　最后，波长转换技术也常用于分组信头再生过程。当在交换节点处需要改变数据包的路由或优先级时，要进行信头再生，即产生新的信头并在输出端将之插入到相应的数据包上，目前一般通过光电变换实现信头再生。据国际最新报道，利用InP材料的半导体光放大器制成全光的波长转换器，适用于非归零（NRZ）编码的全光信头标记再生，数据速率达10Gb/S，并可引伸至40Gb/S或更高。当带着NRZ标记的RZ数据分组输入光层时，先提取出标记分组，随即经过主要的波长转换部分和再生过程，最后重写新的NRZ标记，带着RZ数据分组输出。

　　三、波长变换技术的发展现状：

　　由以上讨论可以看出全光波长变换技术是OPS网络中的一个关键技术,在未来网络中占有重要地位。全光波长转换器也正是目前国内外研究的热点。目前波长变换器主要可以分为四类：（1）光－电－光型波长变换器；（2）相干型波长变换器；（3）基于光逻辑门的波长变换器。

　　光/电/光型的WC先将光信号转换成电信号，经定时再生后，产生再生的电信号和时钟信号，再用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而实现波长变换。由于光电变换技术已很成熟，且它对信号具有再生能力，具有输入动态范围较大，无需光滤波器件且对输入偏振不敏感等许多优点，是目前唯一的一种非常成熟的波长变换器。但是它对信号格式和调制速率不透明，系统升级受限、应用范围受限。相干型波长变换器，主要原理是应用四波混频（FWM）原理。根据所使用的器件不同，又可分为：基于无源波导中FWM效应；半导体激光器中FWM效应；半导体光放大器中FWM效应。基于光控逻辑门的波长变换器，采用的原理主要有XGM效应和XPM效应。所采用的器件与相干型波长变换器的器件类似也可分为无源波导型、半导体激光器型和半导体放大器型。下表为基于三种不同效应的全光波长变换器的性能参数比较：

　　四、结论

　　波长变换技术是组成OPS网络的关键技术，它实现了波长的再利用,解决了全光网络的波长竞争问题,可以有效地进行路由选择,降低网络阻塞率,从而改善了网络性能,同时也简化了网络的设计、管理和控制。但是目前，全光波长变换器尚未成熟,研制出性能优异、具有商用价值全光波长变换器还需要相当时间的努力。此外,波长变换器在网络的应用，如波长变换器放在什么位置、所需要波长变换器的数目以及对哪些波长进行变换等问题，仍需要进一步研究。

　　目前商用化的波长转换器绝大多数是光-电-光型转换器，例如国内有武汉光讯推出的O/E/O光波长模式转换器，中兴的UnitransZXWM-32系统中的波长转换模块。全光波长转换器基本上停留在理论研究和实验室水平上，真正投入商用化的产品并不多。国内已投入运行的全国高速互连研究试验网络NSFCNET是一个基于DWDM技术的高速网络，其中利用SOA的非线性效应已经实现了10Gbp/s的全光波长转换。国外由AT&T、贝尔实验室、MIT等参与的全光网络联盟（AON）在美国波士顿所建立的实验网是一个20信道的WDM系统，其中采用了三种可选用的波长转换技术。在2002年OFC会议上，以色列一家公司展示了其生产的AOWC，它可以稳定的工作在10Gb/s的速率上。相信在技术和市场的双重驱动下，全光波长变换器离大规模商用化的时间越来越近了。

　　参考文献：

　　1 M. Listanti, R. Sabella, and V. Eramo, Architectural and technological issues for future optical Internet networks IEEE Commun. Mag., vol.38, pp. 82–92, Sept. 2000.

　　2 Zhu Y H，Rouskas G N，Perros H G。Blocking in wavelength routing networks，part I: The single path case。In: PRoc IEEE INFOCOM，New York，1999。321-328

　　3 TripathiT，SivarajanKN。Computing approximate blocking probabilities in wavelength routed all-optical networks with limted range wavelength conversion。In: Proc IEEEINFOCOM，New York，1999。329-336

　　4 Subramaniam S。A performance model for wavelength conversion with non-Poisson traffic。In: Proc IEEE INFOCOM，Kobe，1997。499-506

　　5 Birman A。Computing approximate blocking probabilities for a class of all- optical networks。IEEE Journal on Selected Areasin Communications，1996，14 (5):852-867

　　6 Subramaniam S，AzizogluM，SomaniA。All-Optical network with sparse wavelength conversion。IEEE/ACM Trans Net-working，1996，4(4):544-557

　　7 Yoo SJB Wavelength conversion technologies for WDM network applications. IEEE J. Lightwave Technology 1996,14(6):955～966

　　8. C. Guillemot, et.al,, J. Lightwave Technol., 1998, 16(12): 2117

　　9. G. Prati, “Photonic Networks”, Springer Ltd., 1999, Part 1: 103, Part 3: 362

　　10. Toliver, P., et al., J. Lightwave Technol., 1998, 16(12): 2169

　　11. D. K. Hunter, et al., OSA Topical Meeting on Photon. in Switching, 21-23 July 1999, Santa Barbara, CA

　　12. S. L. Danielsen, et al., J. Lightwave Technol., 1998, 16(12): 2095

　　本项目受国家高技术研究发展计划（863计划，编号：2003AA122530）资助。

　　本项目受国家自然科学基金（编号：60372100）资助。

　　本项目受高校博士科研基金（编号：20030013004）资助。

　　
摘自　光纤新闻网

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