自动交换光网络中光开关矩阵的应用探讨

自动交换光网络中光开关矩阵的应用探讨

林资山

（广东电网有限责任公司佛山供电局）

摘要：自动光交换网络是光网络的发展趋势，其核心技术是光开关矩阵。光开关矩阵是智能光交叉连接设备和可重构光分插复用器核心技术，是构建自动交换光网络的基础。对于相关领域科研工作者和同行业工作人员具有十分重要的参考意义。

关键词：自动交换光网络；光开关矩阵；应用

1自动交换光网络

ASON（自动交换光网络）是用于传输网络演进的概念，其允许基于用户和网络组件之间的信令对光学或SDH网络进行动态策略驱动控制。其目的是自动化网络内的资源和连接管理。在IETFASON定义作为替代/补充基于NMS连接管理。

在没有ASON的光网络中，无论何时用户需要更多带宽，都需要从用户到服务提供商的新连接。然后，服务提供商必须手动规划和配置网络中的路由。这不仅耗时，而且如果用户谨慎使用连接，也会浪费带宽。带宽正日益成为宝贵的资源，未来光网络的期望是它们应该能够尽快有效地处理资源。ASON满足光网络的一些要求，例如：快速自动的端到端配置；快速高效的重新路由；支持不同的客户端，但针对IP进行了优化；动态建立连接；支持光虚拟专用网（OVPN）；支持不同级别的服务质量；这些要求不限于光网络，可以应用于任何传输网络（包括SDH网络）。

ASON的逻辑架构可分为3个平面：传输平面；控制平面；管理平面。传输平面包含许多负责通过连接传输用户数据的交换机（光学或其他）。这些开关通过PI（物理接口）相互连接。控制平面负责ASN网络内的实际资源和连接管理。它由一系列OCC（光纤连接控制器）组成，通过NNI（网络到网络接口）互连。这些OCC具有以下功能：网络拓扑发现（资源发现）；信令，路由，地址分配；连接设置/拆卸；连接保护/恢复；交通工程；波长分配。管理平面负责管理控制平面。其职责包括控制平面资源的配置管理，路由区域，控制平面中的传输资源和策略。它还提供故障管理，性能管理，会计和安全管理功能。管理平面包含网络管理实体，该实体通过NMI-A（ASON控制平面的网络管理接口）连接到控制平面中的OCC，并通过NMI-T（网络管理接口）连接到其中一个交换机。运输网络）。来自连接到ASON网络的用户的流量包含传输和控制平面的数据。用户通过PI（物理接口）连接到传输平面，同时通过UNI（用户网络接口）与控制平面通信。

图1自动交换光网络

2光开关矩阵

光开关矩阵是一种光开关设备，使光信号被选择性地接通和断开，或从一个信道切换到另一个。前者被称为光学（时域）开关或光学调制器，而后者可以具体地称为光学空间开关或光学路由器。在其在时间上或空间上切换的方式中，可以将其视为电路中的单向或双向开关的物理类比。通常，光调制器和路由器可以彼此制造。

光学开关可以通过机械装置操作，例如物理地移动光纤以驱动一个或多个替代光纤，或者通过电光效应，磁光效应或其他方法。诸如使用移动光纤的那些慢速光开关可以用于光开关传输路径的交替路由，例如绕过故障的路由。快速光学开关，例如那些使用电光或磁光效应的光学开关，可用于执行逻辑操作；还包括在这一类是半导体光放大器，其光电可用作光学开关并与分立或集成微电子电路集成的器件。

任何交换机的功能都可以根据它可以建立的连接来描述。连接是交换机上两个端口之间的关联，并表示为一对端口标识符（i，j），其中i和j是两个端口，在这两个端口之间建立连接。连接标识两个端口之间的传输路径。光信号可以应用于任何一个连接端口。但是，在另一个端口出现的信号的性质取决于光开关和连接状态。连接可以处于开启状态或关闭状态州。如果施加到一个端口的光信号在另一个端口出现而光学能量损失基本为零，则称连接处于接通状态。如果在另一个端口处出现基本上零光能，则称连接处于关闭状态。

在光开关中建立的连接可以是单向的或双向的。单向连接仅允许在连接端口之间沿一个方向传输光信号。双向连接允许通过连接在两个方向上传输光信号。无源和透明光开关中的连接是双向的，即，如果建立连接（i，j），则可以从i到j以及从j到i进行光传输。

如果在输入端发射的光信号在其整个传输路径中保持光学并且在输出端显示为光信号，则该设备在光学上是“透明的”。光学透明设备在称为通带的一系列波长上工作。

无源光开关不具有光学增益元件。有源光学开关具有光学增益元件。全光开关是透明光开关，其中致动信号也是光学的。因此，在全光开关中，光信号用于切换另一光信号通过开关的路径。

定义和指定各种参数以量化光学开关的性能。光开关（或光开关矩阵）的稳态性能是通过其在“开”状态传输路径上有效地将光功率从输入端口传输到N个输出端口中的任何一个的能力来测量的，并且其有效隔离的能力通过“关闭”状态传输路径从所有非活动端口输入电源。其他关键的光学性能参数包括在一定波长范围内的传输效率，最小化反射回输入光纤的输入光功率，传输平衡和双向传输的能力。

两种速率可与开关相关联：开关速率和信号传输速率。切换速率是开关改变状态的速率。信号传输速率是通过交换机的信息的调制速率。信号传输速率通常远大于切换速率。（如果开关速率接近或超过传输速率，则开关可称为光调制器。）

开关在压力环境条件下和长时间内维持其稳态和瞬态性能规格的能力也是一个重要特征。光交换技术是由提供光网络连接灵活性的需要驱动的。Prime应用包括光保护，测试系统，远程可重配置分插复用器和传感。未来可能的应用包括远程光学配置和恢复。

当前的切换应用包括用于在中断之后的服务恢复的被动保护切换，例如光纤切断。交换机的一个常见应用是远程光纤测试系统（RFTS），它可以监视和定位光纤传输线上的故障。光开关的新兴应用是光交叉连接。光交叉连接利用光交换结构在多个光输入和输出之间建立互连。

3自动交换光网络中光开关矩阵的应用

3.1基于光开关矩阵的智能光交叉连接装置

智能光交叉设备构成智能光网络核心ASON的交换平台。ASON所需的动态交换和基础网络的智能化都需要IOXC设备的支持[6]。

IOXC主要由光交叉矩阵，输入接口，输出接口，管理控制单元等组成，如图1所示。输入输出接口一般具有放大和调整光信号的功能。光交叉矩阵是IOXC的核心，负责交叉连接光信号。管理控制单元负责控制光交叉矩阵，完成光交换功能，监控输入输出端口信号和光交叉矩阵。

3.2基于光开关矩阵的可配置光叉复用装置

OADM（光分插复用器）是WDM光纤通信网络的重要节点设备。其基本功能是将信号从光纤下载到光通道中的本地信道，并将本地用户发送的信号上传到其他节点进入光纤通道，不影响其他波长信道的传输，并保持光域的透明度。可以处理任何格式和速率的信号。但是，OADM只能上下固定光信道的数量和波长，并没有真正实现灵活的光层组网，不能满足ASON动态配置光信道的要求。WDM全光网的分层结构见表1。

表1WDM全光网的分层结构

可重新配置的光分插复用器的ROADM功能更像是相应的SONET/SDH网元ADM和DXC。更成熟的是第三代ROADM系统支持类似SDH性能的能力，允许在需要时灵活地增加容量，而无需昂贵的升级并且不会对当前服务造成任何干扰。提供全自动光学层，包括可重新配置的光分插复用，单波长粒度，自动电源和瞬态控制，以及连续的实时性能监控，以确保服务质量和故障管理。ROADM可以轻松配置和动态更改波长资源分配，以满足动态可配置的业务需求。

近年来，具有波长选择性切换的ROADM发展最快，它们主要使用自由空间切换技术来实现波长选择性切换。目前，最成熟的方式是使用分光器+光开关矩阵+合路器。分路器通常由具有更好隔离的WDM解复用器实现，并且组合器由WDM复用器实现。

参考文献：

[1]王颜国，王崇，金志鹏.ASON自动交换光网络如何绽放智能之美[J].黑龙江科技信息，2016（33）：68.

[2]方晨.自动交换光网络技术在电力通信传输网中的应用[J].科技经济导刊，2016（27）：23+108.

[3]洪兴龙.浅析自动交换光网络技术在传送网中的应用[J].电子世界，2016（12）：113.

[4]王红伟，张志利.光开关矩阵在自动交换光网络中的应用[J].广西通信技术，2014（03）：45-47.

[5]管爱红.WDM光网络中的串扰及其抑制技术研究[D].华中科技大学，2006.