CN1996810B - 一种分布式的波分纤分光路交换*** - Google Patents

Abstract

一种分布式波分纤分光路交换***，采用基于分布式节点的光路交换体系，在节点内完成光路交换，实现了***内无关键节点；采用侧面泵浦，一泵多纤的方式同时对多根光纤补偿链路损耗的新型光放大器。利用可靠廉价的光电子器件如可调谐光纤光栅，阵列波导光栅以及光缆中大量的光纤和光纤中的海量带宽资源，配合网络信令协议建立可靠，高效，安全，健壮的光交换***，可实现粗粒度及细粒度的交换，可以有效克服目前基于IP分组交换网络的缺点。

Description

一种分布式的波分纤分光路交换***

技术领域

本发明涉及一种分布式的波分纤分光路交换***，属于光纤通信***技术领域。

背景技术

通信由电到光是一次革命，光通信是由光传输和光交换两部分所组成，目前光传输技术已经达到了极高的水平。由于光纤低廉的价格，极大地传输容量和飞速发展的光通信技术，光纤传输已经可以满足社会的需求，甚至超过了当前人类的需求。但是交换却是电的交换，其交换容量非常有限，需将光传输的大量高速信息先变成电，再由路由器进行交换，然后由电变成光，再进行高速大容量的光通信传输。这就像人们建设了极好极宽的高速公路，可以跑几百辆几千辆甚至几万辆的车，车速可以是每小时几百公里甚至几千公里。但是过河没有桥，人们需从高速车上下来排队乘轮渡，而轮渡的速度和容量非常有限，人们经轮渡到达对岸后再去乘高速汽车，这样的交通***是极不合理，不能令人满意的。人们首先需要解决的是如何建造高速公路的立交桥，而这种立交桥就是光的交换，可以说，通信由电到光的历程进行了还不到一半，所以光交换成为了目前世界上最热门的研究课题。

目前在光交换技术的研究主流是：

1.属于光分组交换的OPS，光突发交换OBS，光标记交换OLS，其目的在于提高光路效率，但这种技术的实现必须以关键的光器件的成熟为前提，其中最主要的有1)光交换需要高速光开关来实现，为了实现大容量的交换，甚至需要大交换能力的光开关矩阵；2)需要有光逻辑器件完成交换信息的识别和处理，为了减小网络的阻塞率要求网络中有适当的光缓冲设备。而研究到目前为止，光逻辑器件还很不成熟，不能完成复杂的逻辑处理功能；控制信息的执行只能在电域完成，即在电域上识别信头，由电信号来控制光开关的动作，因此并不是一种真正意义的理想的全光交换，而是电控光交换，由于它没有摆脱电子“瓶颈”的限制因而其发展和应用受到了限制。3)目前也没有全光的随机存储器，只能通过无源的光纤延时线(FDL)或有源的光纤环路来模拟光缓存功能。因此全光的包交换在目前仍然需要进行继续进行大量的研究工作，离实用化有相当遥远的距离。

2.以波长交换为主的光网络，从全光网AON到光传送网OTN到目前的自动交换光网络ASON，人们进行了大量的研究工作，并取得了一定的进展。但ASON沿用了集中交换的概念，将众多光纤的终端引向交换局，所需光开关组件非常庞大。如果每根光纤传输n个波长，共有m根光纤，则共需要m*n个光波长变换器，而开关阵列将更加庞大和复杂，电控制层的技术难题也是前所未有的。所以最终ASON的复杂性将前所未有，价格也将是天文数字。因此也在短期内无法实用化。

另外，上述两种光交换模式都没有从结构上解决网络的安全问题。需要着重指出的是，在IP分组交换网络中，受信者不能实时地、准确地知道发信者的地址码，这是导致犯罪的根源：容易产生黑客入侵、病毒流行、黄色泛滥、垃圾信息成山、网上赌博盛行；而且，在非常时期敌人对网络的攻击将使整个互联网陷于瘫痪。显然，这不是一个信息安全的网络。所以，电子商务不可能在不安全的网络上得到迅速的发展，同时也阻碍了IP网自身的发展。目前计算机的速度已经达到了每秒数十万亿次，即将达到每秒千万亿次的量级，在这样高的计算速度下，IP网的防火墙和密钥将被迅速解密。在未来战争中，敌我双方首先攻击的将是对方的网络，网络的安全牵系国家的安危，社会的稳定和信息社会的进一步发展。目前我国军委的重要文件只能通过车递传送，效率极低，对未来的国防安全极为不利。

为克服现有光网络交换技术的缺陷和不足之处，本发明提供了一种“一种分布式的波分纤分光路交换***”的结构体系和设计思想。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种分布式的波分纤分光路交换***。本发明目的是充分利用廉价的光纤、宽阔的波长资源和各种非常廉价的光电子器件，实现结构简单高效，扩展性强和安全健壮的交换体系。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

采用光路交换方式，建立起端到端的连接，受信者确定发信者的信息和地址；

采用具有光路交换功能的光节点，进行分布式的交换，每个节点都是对等的，整个交换体系中不存在关键节点；

同时对多根光纤进行放大的损耗补偿方式；

采用波分和纤分的复用方式，利用现有光缆中大量光纤数量以及光纤的传输带宽；

采用交换和信令协议；

利用阵列波导光栅波长选择器件和线性波长变换器，进行细粒度交换。

本发明的有益效果；

优势在于：基于光路交换设计，直接建立端到端的连接，从而在根本上保证了光路交换***的安全性；采用分布式的节点，在节点内完成光路的交换和上下话路，保证整个交换***无关键节点，保证了健壮性；充分利用光纤中大量的波长资源和光缆中的光纤资源，保证了结构的简单和可扩展性。

附图说明

图1是本发明的光路交换***拓扑图。

图2是本发明的光路交换***节点内部结构图。

图3是一个具有四个节点的分布式波分纤分光交换网络的具体结构图。

表1是本发明的各节点的波长分配。

下面结合附图本发明进一步说明。

具体实施方式：

实施例1：

首先，采用光路交换方式，建立起端到端的连接，从而保证受信者可以准确实时地确定发信者的信息和地址，因此从原理上确保了体系的安全，避免出现黑客入侵、病毒流行等现有网络难以消除的威胁；其次，采用具有光路交换功能的光节点实现了分布式的交换功能，每个节点都是对等的，整个交换体系中不存在关键节点，从而大大提高效率，克服了传统网络中集中控制所造成的性能下降和结构复杂，更符合“边缘论”的要求，同时对多根光纤进行放大的损耗补偿方式，降低了组网成本；第三，采用波分和纤分的复用方式，充分利用现有光缆中大量光纤数量以及光纤的极大传输带宽，以更简单更廉价的方式实现了大容量的全光交换，避免了“电子瓶颈”的限制；第四，采用较为简单的交换和信令协议，可以高效安全的实现节点间的正常、突发交换以及组播等功能，减少了阻塞的产生。第五，利用阵列波导光栅波长选择器件和线性波长变换器，可以实现高效的细粒度交换功能。

本发明的技术包括：

1.本交换***采用环形拓扑结构，可实现双环自愈功能。在不同位置布置主节点，各节点之间采用多根光纤相连，每根光纤内又复用多个波长信道，从而保证交换***带宽的要求。从每个主节点还可以引出多个次级节点，次级节点又可以引出下一级节点，从而形成大环套小环的结构，以完成从骨干到接入***的交换。如图1所示。所有节点功能类型相同。例如京沪穗这个环上，大的城市有15个，如图1所示，在这个主干通信网中有：北京、天津、济南、南京、上海、杭州、宁波、福州、厦门、深圳、广州、衡阳、长沙、武汉、石家庄，每个城市就是一个OXC光节点。每个主节点引出多个次级节点，每个次级节点又引出下一级节点。

2.分布式光节点具有光纤光路和波长光路的交换功能，可以根据信令控制通路的建立和拆除。波长分配办法是根据网络的复杂程度以及节点在交换体系中的位置给每个节点分配一组信令接收波长，这些波长均符合ITU-T的标准波长规定，并且在相同级别的节点所分配到的波长不重复。每个节点都具有上下话路的能力。每节点有固定的接收波长，采用对应中心波长的可调谐光纤光栅来实现下话路，光纤光栅还可以同时实现色散补偿的功能。在某一个节点，只有规定接收波长的光才能由光栅下载到本地，其余波长的光由另一光栅串进行色散补偿后进入下一个节点，完成波长选路及光信号的色散补偿。分布式光节点的内部结构示意图如图2所示，在正向工作状态下，光信号进入节点，经EDFA放大，该节点的接收波长经与环行器(CLT)相连的啁啾光栅色散补偿后下载到该节点，完成本节点信号的接收，此处的光栅同时起到光分插复用器(OADM)的作用。其余的与本节点接收波长不符的信号经对应的啁啾光栅串进行色散补偿后进入合波器，经光开关处输出至正向环下一个节点；该节点发送波长经过合波器后，经光开关输出。当环路出现故障出现链路倒换后，即节点工作在反向工作状态时，信号进入节点，经EDFA放大，进行对应波长的下载，完成本节点信号的接收，然后其余的波长经对应的光栅串色散补偿后进入耦合器Q，输出至反向环下一节点；该节点发射波长经合波器至光开关，然后经耦合器Q输出。

3.若节点间距离较远，应设置光纤放大器，采用包层泵浦结构，用一个或几个泵浦源可以同时获得对多根光纤和多个波长的放大，称为一泵多纤技术；具体实现是采用侧面耦合方式将泵浦光注入光纤束中，从而实现对多根光纤的同时放大。

在本发明的光路交换***节点结构，可以支撑多种业务方式。由光分插复用器下载到本地节点的信号包括以下信号波长：常规业务波长、突发业务波长(信令和信号)、组播业务波长、环路状态辅助判断波长，分别完成常规呼叫、突发呼叫、组播业务和***管理功能，具体内容如下：

(1)常规业务，意为波长上承载的是普通语音数据视频业务信息；常规业务是***的两个节点通过点对点的方式进行连接传送信号，对应于实际网络中的两个大城市之间正常的业务连接，信道中可以传输高速数据。

(2)突发呼叫，用于满足敏感业务或大容量业务的需要；突发业务采用信令握手机制。发出业务请求的节点首先向其欲开展业务的节点发出呼叫请求，即向被叫节点发送信令，被叫节点收到信令后，检测突发信号波长是否被占用，如果突发信号信道空闲，则向呼叫节点返回接受信令，同时将本地接收信道配置为突发信号信道；如果突发信号信道已被占用，则拒绝呼叫请求。若双方可以握手成功，则随着突发信道的建立完成，突发业务便建立；突发业务结束后，突发信道拆除。

(3)组播业务，主要用于一些带宽密集型的业务，是将发送端的信息复制多份且传递给多个接收端，即实现一点到多点的通信。本发明通过对***内各个节点处设置统一的波长来作为组播波长，实现组播业务。每个节点都可以作为组播业务的发起端，向其他节点提供组播业务。组播通道的建立也是通过信令机制来实现的，若某节点发起组播业务，首先向网内其余节点发送信令，通知其它节点准备接收组播信息；各个接收端做好节点相关配置，返回信令至发送端节点，且准备接收组播信息，由此建立组播信号通道，实现组播业务。

(4)环路状态辅助判断波长用于本发明***光路状态的监测，从而为***管理提供依据。***管理是***节点的重要功能。本波长交换***的管理参照了SNMP的网络管理模型，并针对本***的实际情况做了适当调整。网管硬件部分由PC机和多台单片机构成，其中PC机相当于网管工作站，1片主单片机和4片从单片机共同作为代理，主单片机位于工作站附近，从单片机分布于四个节点，在实现故障监测时采用中断响应的方式。4片从单片机分别采集1、2、3、4四个节点的光电探测器和光开关状态，主单片机转换这些信息成适当的格式(网管工作站可以接受，适合传送的格式)，并将这些信息发送到网管工作站。同时应网管工作站的要求，设置***中个单板的工作状态。如果检测到***异常，网管工作站立即通过网管代理通知相应的光开关动作，而且工作站能够分析故障所在区间，便于故障处理。在每个节点内部，有状态采集模块、节点控制模块和显示模块，用于完成经过本节点辅助信道光功率的采集、光信噪声比的计算，通信信道信号有无的判断以及节点各设备供电、告警等状况的收集，在环网故障时完成本节点内相关光开关的倒换，对本节点异常情况下的紧急处理和安全恢复，并将这些信息经过节点处理后显示。节点间环路的运行状况是通过功率监测方式获得的。在环路中注入一个固定波长的直流光，在四个节点处分别对直流光的功率进行判断，实现对环路工作状况的监控。环路运行状态、光开关状态等信息经网管代理编码处理后，传送至工作站PC机实时显示。在可视化控制程序里，将环路运行信息由主控PC实时显示，主控PC能在故障时发出警告，自动发送控制信息，切除故障，并且显示并分析记录故障所在的光纤区间。

实施例2：

在不同位置布置主节点，各节点之间采用多根光纤相连，每根光纤内又复用多个波长信道，从而保证交换***带宽的要求。从每个主节点还可以引出多个次级节点，次级节点又可以引出下一级节点，从而形成大环套小环的结构，以完成从骨干到接入***的交换。如图1所示。所有节点功能类型相同。例如京沪穗这个环上，大的城市有15个，如图1所示，在这个主干通信网中有：北京、天津、济南、南京、上海、杭州、宁波、福州、厦门、深圳、广州、衡阳、长沙、武汉、石家庄，每个城市就是一个OXC光节点。这些节点为主节点。北京市的各个区为次级节点，各次级节点可以组成一个环网，通过OXC与主节点相连。各次级节点又可以引出下一级节点，连接到区内的各个单位，从而完成整个交换***的拓扑。

下面以四节点环网为例，说明本交换体系的具体实施方式。

整个光纤自愈环实现双向1200km传输，共设四个节点，如图4所示。环路中功率放大器、在线放大器、前置放大器均采用掺铒光纤放大器(EDFA)，作为前置放大器时使用的EDFA的噪声指数小于5，其它位置小于6。在节点之间，啁啾光纤光栅用于色散补偿和信道外的噪声滤除，从而提高传输信号的光信噪比(OSNR)；在节点内部，光栅在实现色散补偿的同时，还实现了本地业务的下话路和远程业务的选路功能，从而实现了分布路由。

在本发明搭建下的四节点光路交换***中，需要为每一个连接请求建立从源端到目的地端的光路，在该交换***中每个节点都固定的分配三个发送波长、三个接收波长。每个波长由发送节点和接收节点唯一确定，从而建立节点间的端到端的连接。所使用的波长符合ITU-T规定，各节点具体发送接收波长见表1。

    表1本发明例中四节点的波长分配

每个节点的内部结构如图2所示，当环路正常工作，即信号工作在正向环，光信号进入节点，EDFA放大信号用于补偿节点的***损耗，由于光纤光栅非线性效应比较小，在信号进入节点处较高的入纤功率不至于对传输信号造成非线性损伤；放大后的信号再经一系列的光环行器，该节点的接收波长通过相应的光栅色散补偿后由环形器从环路中下载，完成信号的接收；其余的与本节点接收波长不符的信号在光栅串中补偿了传输过程中引入的色散后进入合波器，与本节点的发送信号一起经过光开关后，输出进入环路继续传输。这样节点完成了本地业务的下载、远程业务信号的色散补偿以及路经本节点的连接经过本节点交换转至其他节点等功能。当环路出现故障进行链路倒换后，这时光信号由反向环入口进入节点，信号经EDFA放大后，同样在经一系列的光环行器后，进行该节点对应波长的下载，完成该节点信号的接收；其余与本节点接收波长不符的信号在光栅串完成了色散补偿后进入耦合器Q输出至反向环下一节点；该节点发射波长经合波器至光开关，然后经耦合器Q输出。由于环路这时工作在逆向环状态，使得该发起连接的信号能进入逆向环传输。节点内这种配置，使得无论环路在工作线路和保护线路，节点都能完成所需的本地业务下载、信号色散补偿和分布交换等功能，且工作在两种状态下的信号基本没有串扰，保证了经过节点传输信号的性能。

链路中的损耗采用一泵多纤的方式。采用侧面耦合的方式将泵浦光耦合进传输光纤，从而实现光信号的放大，节约***成本。

在表1中，每个波长由发送节点和接收节点唯一确定，例如：发送节点为2，接收节点为3，则节点2须向节点3发送波长λ10。其中，波长λ4、λ8、λ12、λ16即为预留突发波长。用预留波长完成节点之间的突发信息，即表中的λ4、λ8、λ12、λ16，预留波长为四个节点都可以呼叫的波长。每个预留波长收到发送者信令后该节点立即向发送节点发送其预留波长的信令，同时其预留接收端波长都产生Δλ的变化，发送波长也相应产生Δλ的变化，这样其它节点不能进入。如当节点3需要突发呼叫节点1时，它利用波长λ4向节点1发出带有自己节点信息的呼叫请求信息，如果此时节点1的备用波长信道未被占用，节点1在收到节点3的呼叫请求并判断出是节点3向自己发出的呼叫请求后，将利用λ8向节点3回复接收请求，两节点握手成功。同时，节点1和节点3将同时采用调谐装置对本节点的预留波长光栅实施应力作用，使光栅产生应变，工作波长改变至事先约定好的信号传输波长上(注意，此波长处于ITU-T规定的标准波长附近，但并不等于标准波长)，两节点采用对方的信号传输波长发送信号，实现通信。此时，如果存在第三节点，如节点4再采用波长λ4向节点1发出呼叫请求时，由于节点1的预留波长光栅的工作波长由于产生了应变，已经发生了改变，节点1将无法收到此呼叫请求，体现为通道已经被占用。

Claims (4)

1.一种分布式的波分纤分光路交换***，其特征是：采用光路交换方式，建立起端到端的连接，受信者确定发信者的信息和地址；

采用具有光路交换功能的光节点，即建立起端到端的连接，分布式光节点具有光纤光路和波长光路的交换功能，波长分配办法是根据网络的复杂程度以及节点在交换体系中的位置给每个节点分配一组信令接收波长，这些波长均符合ITU-T的标准波长规定，并且在相同级别的节点所分配到的波长不重复；

每个节点都具有上下话路的能力；

每节点有固定的接收波长，采用对应中心波长的可调谐光纤光栅来实现下话路，光纤光栅还可以同时实现色散补偿的功能；

在某一个节点，只有规定接收波长的光才能由光栅下载到本地，其余波长的光由另一光栅串进行色散补偿后进入下一个节点，完成波长选路及光信号的色散补偿；

进行分布式的交换，每个节点都是对等的，整个交换体系中不存在关键节点；

同时对多根光纤进行放大的损耗补偿方式；

采用波分和纤分的复用方式，利用现有光缆中大量光纤数量以及光纤的传输带宽；

采用交换和信令协议；

利用阵列波导光栅波长选择器件和线性波长变换器，进行细粒度交换。

2.根据权利要求1所述的一种分布式的波分纤分光路交换***，其特征是：采用环形拓扑结构，在不同位置布置主节点，各节点之间采用多根光纤相连，每根光纤内又复用多个波长信道，从每个主节点还可以引出多个次级节点，次级节点又可以引出下一级节点，次节点及下一级节点均采用环形拓扑结构，从而形成大环套小环的结构，以完成从骨干到接入***的交换。

3.根据权利要求1或2所述的一种分布式的波分纤分光路交换***，其特征是：分布式光节点进行光纤光路和波长光路的交换，根据信令控制通路的建立和拆除，波长分配办法是根据网络的复杂程度以及节点在交换体系中的位置给每个节点分配一组信令接收波长，每节点有固定的接收波长，该节点的接收波长通过相应的光栅色散补偿后由环形器从环路中下载，光纤光栅同时实现色散补偿。

4.根据权利要求1所述的一种分布式的波分纤分光路交换***，其特征是：在链路中设置光纤放大器，采用包层泵浦结构，用一个或几个泵浦源对多根光纤和多个波长的放大；采用侧面耦合方式将泵浦光注入光纤束中，对多根光纤的同时放大。

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