全光交换与全光缓存技术

北京交通大学

吴重庆2012,9

问题的提出

• 发展全光网已经提上日程：863、973、国家支撑计划、自然基金重大等提出了一系列课题：10Pb/s交换，CPON, OTN, OBS，OCS，OPS，OLS…，验收了一批课题

• 梳理发展思路，制定演进策略• 器件配合• 缓存器是关键之一

目录

• 1. 概述• 为什么要发展全光交换网？全光网的基本问题

• 2. 全光网分类与主要交换技术，小结• 3. 全光缓存技术，小结

1. 概述

v 1.1 全光通信网的一般概念v 1.2 为什么要发展全光网？v 1.3 全光网可能的应用场景（需求？）v 1.4 全光网的节点

1.1 全光通信网的一般概念

用户

用户

源

目的

全光网

边缘节点

边缘节点

核心节点

• 指用户信息从源节点出发到目的节点接收，都是用光作为信息载体。不包括控制信息

1.2 为什么要发展全光网？

• 1.传输和交换不匹配

• 传输：

• 交换：

• 路由器：

• 缓存器容量：

单波1Tb/s, WDM:64Tb/s

并行VC-4,150.912Mb/s，发展Tb/s交换

包处理速度：数十us

排队延时

• 2.直达路由：3000km，节点跨距50km，可行性

• 3.接口：每个端口需要多次的E/O/E转换，

• 4. 耗能：30MW,100Tb/s路由器克服传输技术与交换技术的失衡，发展灵活可重路由的全光通信网络是一个必然选择。

必要性—（2）国内现状

• 2011，十二五863项目：新型超大容量全光交换网络构架及关键技术研究

• 课题1：新型超大容量全光交换网的网络架构、关键技术及性能评价研究

• 课题2：新型无栅格可变速率全光交换技术研究• 课题3：C波段16X1Tb/s超大容量WDM光传输技术及实验研究

• 课题4: 10Pb/s以上超大容量、高可靠光交换节点关键技术研究及试验系统的研制

• 十一五研制成功了160Gb/s400公里QPSK传输系统（北邮、武汉邮科院），下一步目标是1Tb/s。

• 满足IEEE802.3标准的100Gb/s距离50km的以太网GE传输系统已通过验收（武邮、华为），下一个目标是研制适合该速率的组网技术。

1.3 全光网可能的应用场景

• （1）接入网——PON• （2）骨干网或核心网（含城域网）• （3）传感网

• 目前被广泛接受的网络划分

接入网用户驻地网

城域网 长途网 国际网

核心网

骨干网

骨干网或核心网（含城域网）

• 城域网▲SDH——MSTP——RPR▲边缘节点与核心节点为同一个节点

▲容量小，但是业务类型复杂

• 核心网▲大容量交换

▲流量稳定

▲边缘节点与核心节点划分明确

▲距离长，要经过多次“中继”

1.4 全光网的节点

• （1）边缘节点：汇聚功能，将各个用户的业务汇聚到一起，进行包封，以便适合在网内传输。只汇聚，不交换

• （2）核心节点：主要进行光交换或者光路由，不进行汇聚

• （3）混合节点：兼具两个功能。

用户

用户

源

目的

全光网

边缘节点

边缘节点

核心节点

边缘节点与核心节点功能对比

节点 边缘节点 核心节点

被处理（交换）

的信息单元

净负荷 汇聚（打包与拆包） 不改变

控制信息 可改变 可改变

转接性能 不交换（缓存排队） 交换

波长适配 可进行 可改变（波长转换）

控制层面被控制的对象

层间映射 OXC, ROADM, AWG

流量控制 可TCP, 可梳理 无缓存 不可梳理

有缓存 可梳理

v 2.1 交换技术：面向连接与分组交换v 2.2 波长交换（OTN+ASON—WSON？）v 2.3 突发交换（PTN—OBS）v 2.4 标记交换（OLS）与分组交换（OPS）全光网：交换技术是关键。

关键问题：如何在现有光电网上实现全光交换？

2.全光网分类与主要交换技术

2.1 交换技术：面向连接与分组交换

• （1）长期占用路径——面向连接• 建立连接——传输——拆除连接• （2）一次或短期占用——无连接• 路由事先不预知• 每到一个节点：存储——转发• 转发依据路由表和当前链路的拥塞情况确定• （3）多用户（分组数据）面向连接• 汇聚——连接——传输——拆除与分解

2.2 波长交换

• （1）WDM光传送网（OTN）• （2）波长交换网1.——基于OXC• 底层（交换矩阵）——OXC• 自动交换光网络ASON，WSON？• （3）波长交换网2.——基于AWG+WC• 底层（交换矩阵）——AWG+WC• 交换控制层: 研究中：WSON？• （4）波长交换网3.——基于AWG+WSS• 底层（交换矩阵）——AWG+WSS• 交换控制层: 研究中：WSON？

（1）OTN（光传送网）• 只传送，不交换；• 面向连接：在边缘节点分配给用户一个波长，中途经过若干个节点，最后达到目的节点

• 波长路由：一个波长（用户）经过若干个核心节点，到达目的节点所建立的路由

用户

用户

源

目的

全光网

边缘节点

边缘节点

核心节点

OTN的体系架构

• G.872，限制了OTN的发展，原本可以覆盖SDH与PTN 电路层

SDH通道层SDH段层光通道层

光复用段层

光传输层

传输介质（光纤）

传输介质（光纤）

光传送网

电传送网

分层结构

• 从复用的角度看体系架构

传输段

复用段

通道层

OAOA OA多波长输出

多 波 长输入

OTN的分层结构

a. 光传输层

用户

用户

源

目的

全光网

边缘节点

边缘节点

核心节点

b. 光复用段层

用户

用户

源

目的

全光网

边缘节点

边缘节点

核心节点

b. 光通道层

用户

用户

源

目的

全光网

边缘节点

边缘节点

核心节点

虚波长路由

• 中间经过波长转换

用户

用户

源

目的

全光网

边缘节点

边缘节点

核心节点

（2）全光波长交换网1—OXC

• 波长交换的基本概念• 在OTN的基础上增加交换功能

光交换节点

• 特点：• 属于模拟交换——也称为光路交换• 面向连接• 切换速度0.5ms• 优点：简单易行• 缺点：交换粒度（信息单元）大

节点结构

• 电控光节点

交换矩阵

控制算法控制信息 控制信息

交换矩阵——光开关阵列

• MEMS

波长交换控制层面（ASON）• 在OTN基础上，根据不同的业务进行自动控制

• 增加一个控制平面

• 模拟交换，快速链接

ASON• （1）TDM交换：主要控制OXC• （2）对分组的交换（不是分组交换）：POS• （a）连接控制• 连接请求、连接建立、连接保持、连接删除

• （b）网络状态沟通——资源动态分配

（3）全光波长交换网2—AWG+WC

交换矩阵

控制算法控制信息 控制信息

WC

WC

WC

WC

WC

WC

WC

WCAWG

A1 B1

A3

A4

A2 B2

B3

B4

利用AWG的多波长无阻塞连接只需正确选择波长:关键部件：AWG+WC

交换矩阵

波长变换器WC• 波长变换器在DWDM网络中，可以增加许多波长-路由，提高网络的灵活性

• 利用SOA的XGM• 基于SOA的XPM• 基于SOA的NPR

λ1

λ2

λ2

λ1+λ2

WDM WDMSOA

• 缺点：消光比不足（<8dB），有严重的直流基座• 反相位

基于SOA的XPM• 优点：消光比好，同相放大• 缺点：M-Z光纤干涉仪不稳定

λ1

λ2 λ2λ1+λ2

WDM1 WDM3

λ1

λ2

λ2

WDM2 WDM4

λ1+λ2λ1+λ2

SOA-MZ型波长变换器

λ1+λ2

λ1

λ1

C1 C2SOA1

SOA2

已经有集成的SOA-MZI对

基于SOA的NPR• 优点：旋转速度快• 缺点：需要很大的控制功率和非线性

λ1λ2

λ2

λ1+λ2

WDM

Circulλ1SOA

P

控制层面WSON• ASON技术的扩展与简化；• 2007年6月，华为首次向IETF提出； 2011年，体系架构和波长标签成为RFC标准

• 2012年，WSON标准体系完善

WSON

• （1）无损伤控制技术• 网络资源使用模型：资源编码• 节点资源（WC、OXC ）、链路资源的调度• 本质上是网络控制技术• （2）光层损伤控制技术——链路• 损伤发现• 损伤补偿• 本质上是物理层的监控技术

（3）波长交换网3—AWG+WSS

利用AWG的多波长无阻塞连接利用WSS组成交换序列（波长—时间片序列）

WSS WSS

AWG

A1 B1

A3

A4

A2 B2

B3

B4

WSS

WSS

WSS

WSS

WSS

WSS

波长可选择光开关WSS

• 可构成一个波长——时间片的序列• 省去了解复用-交叉连接的复杂过程

• 控制层面：波长——时间片序列的控制• 连接控制、路由控制

2.3突发交换（PTN—OBS）

v（1）分组传送网PTNv（2）光突发交换OBS

（1）分组传送网（PTN）• 基于分组传送（异步方式）、面向连接的多业务传送。• 摒弃了原有的分组交换网络在每个节点上都要进行存储—

—转发• 建立传送路径，保持多包在同一路径上端到端传输；

用户 用户

边缘边缘

核心

与全光网的结构极其相似！

PTN的优点

• 实现以太网业务的电信级传输，• 满足业务标准化、高可靠性、灵活扩展性、严格服务质量(QoS) 和完善的运行治理维护(OAM)等5个基本属性，具有传送网风格的网络保护机制和OAM能力。

• 兼顾了支持传统时分复用(TDM) 和异步传输模式(ATM)业务，

• 支持无线移动的3G业务

（2）OBS光突发交换• 在边缘节点将小的数据包包封成一个大的数据包（Bust）• 先发一个短信息（控制分组），要沿途各个节点都准备好，建立短时连接

• 在各个节点准备好的基础上一次通过各个节点• 类似零担装整车。

边缘边缘

核心

用户 用户

OXC OXC

OBS的概念

用户A

源

目的

全光网

边缘节点

边缘节点

核心节点

用户B

用户A

用户B

关键技术

• （1）边缘节点：汇聚技术• （2）核心节点：底层：交叉连接• （3）控制层面：• 控制分组的超前量

• 连接状态的通知（回传PTN）

2.4 分组交换网（OLS，OPS）• 为什么要发展OPS？• 波长交换的问题：• 模拟交换技术；• 刚性连接；• 交换粒度粗糙；• 交换资源（波长数量）有限；• 有可能产生竞争和阻塞• 网络限制：• 灵活性、可扩展性、即插即用性能差

数字分组交换优点• 柔性连接，• 交换粒度可变，• 交换资源（时间片）丰富，• 无竞争和阻塞，• 提高网络性能：交换和路由分配的灵活性、交换用户的数量大、网络节点的自动识别（可扩展性好）即插即用功能（灵活性好）

O-RPR

OLS光标记交换

• 对每一个数据包附加一个“标记”，说明其源地址、目的地址及其他信息

• 标记：可以是二次调制的数据，副载波等• 是一种包交换技术• 当标记交换的标记，是数据帧的包头时，就是全光分组交换（OPS)

TDM

Internet

10GigE

GigE

GigE

Node A Node B

Node CNode D

O-RPR

O-RPR拓扑结构

（2）O-RPR的节点结构

TransitionBufferInput

Receiver Transmiter

Output

Receivingbuffers

Sending buffers

Switch

Inputbuffer

节点的分层结构

去下游节点

来自上游节点 分离与输

入缓存B1 光开关

光电变换下路缓存

光缓存器B2

帧同步信号

下路数据 上路数据

合路器

电缓存器B3

用户侧

光接收与帧同步提取

光开关控制

光缓存器读写控制

电缓存器读写控制

CPU调度算法

数据通道

控制子层

调度子层

分类 信息单元 交换方式 连接 光缓存

WDM光传送网(OTN) 波长 不交换 面向连接 不需要

自动交换光网络(ASON，WSON)

波长 波长交换 面向连接 不需要

光突发交换（OBS） 分组（大） 重组、预留路由、不交换

面向连接 不需要

光标记交换(OLS)

分组（可大可小）

重组、分组交换

无需连接 前向缓存

光分组交换（OPS）

分组（可大可小）

重组、分组交换

无需连接 随机缓存

各种全光网比较

结论

• 全光交换网问题的核心：仍然是要解决好同步数据与异步数据的兼容性问题；

• 由于缺少光缓存器，在连接方式上（面向连接-模拟交换，无连接-分组交换），目前仍然以面向连接的交换为主

• 在同步SDH基础上发展的MSTP—OTN—ASON—WSON是一条发展主线

• 在异步ATM基础上发展的PTN—OBS可能成为另一条主线

• 在分组交换基础上发展的OPS目前还需要做大量的基础工作。

3. 全光缓存器

v 3.1 概念和基本要求v 3.2 分类v 3.3 基本缓存单元DLOBv 3.4 大范围延时可调的缓存器v 3.5 多波长缓存（略）v 3.6 基于偏振控制的缓存器v 3.7 慢光缓存

3.1概念和基本要求

（1）概念：• 全光缓存器不等同于光纤延迟线

• 光延迟器：可调时间，需预知

• 缓存器：• ①延迟时间可调控：不可预知，事件触发

• ②可预置和随机触发• ③有地址

)(tfin)(tfout

)()( τ−≈ tftf inout

τ

i( ) eH ωτω =

)(tfin )(tfoutτ

控制层面

写入控制 读出控制延时控制

（2）基本要求• ①缓存时间和动态范围：不可预知，40dB• ②缓存容量: 一个IP包• ③存储深度：>80% • ④缓存数据的速率（b/s）和带宽：10Gb/s以上• ⑤读写速度：越快越好，应在比特级<1ns• ⑥多级缓存的无缝连接问题• ⑦寻址功能• ⑧功耗要小• ⑨可集成

3.2分类

光缓存器

并行存储 串行存储

空间光并行存储

多波长并行存储

利用光的高度并行性

利用光的高速性

速率越高，存储密度越大。40Gb/s对应5mm/b。1Tb/s对应0.2mm/b电子器件不可比拟

光缓存器实现机理分类

• 状态转换型：Optical Flip-Flop• 延迟线型

• （1）增加光路长度——光纤延迟线• （2）降低群速度——慢光：不适合做缓存器

dd

gcv L Lnn

τω

ω

= =+

3.3 基本缓存单元DLOB

• G.Agrawal的工作

M1 M2

图2 FP腔光缓存器

全光缓存器DLOB

• 双环耦合全光缓存器（返回式）

Pin

Pout

Pctl

CouplerLoop1

Loop2

SOA

基本器件

• 数据速率40Gb/s以上，光缓存器单元——基本器件；

3.4大范围延时可调的缓存器

DLOB0 DLOB1 DLOB2 DLOB3

Optical Packet

实验结果

• 4级级联缓存，2.5Gb/s

-20 -15 -10 -5 0-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

Received power (dBm)

log(

BER

)

9×48m9×(48+530)m9×(48+530+4800)m

9×48m

9×(48+530)m

3.5 多波长缓存

实验结果

速率2.5Gb/s

3.6. 基于偏振控制的缓存器

• 如何实现偏振旋转

消光比H端：25dBV端：5dB

•实验系统变包长的多级缓存

SOA FIL CP PBS2

PA

PC2 PC3 PC 4PBS 1

PC 51=1556.37nm

H

V

LD1

ModulatorPPGH

V

Synchronized trigger

PC1

SOA FIL CP PBS2

PA

PC2 PC3 PC4PBS 1

H

V

H

V

SOA FIL CP PBS 2

PA

PC2 PC3 PC4PBS1

H

V

H

V

FPGA

SMF1

SMF2

SMF 3

PC5

PC5

SOA FIL CP PBS 2

PA

PC2 PC3 PC4PBS1

H

V

H

V

SCOP

SMF 3PC5

PC1

PC1

PC1

3.7 慢光缓存

• 原理：降低群速度• 问题：带宽延时乘积不大于折射率

• 例• 速率100Gb/s, 对应带宽100GHz

• 斜率dn/dw=1.5/100GHz

• =15ps最多1bit

dd

gcv L Lnn

τω

ω

= =+

0

n

ω∆

利用SBS慢光效应

• 原理 20{1 3[2( ) / ] }d s B

B

GT ΓΓ

ω ω∆ ≈ − −• 实验系统

Tunable laser

PC

acousto-opticcell modulator

PCPhase Mod

Micromave generator

PC PC 1 km SMF

Optical Communication Oscillograph

dector

12

3

Isolator

Trigger

EDFA

50:50coupler

利用SBS慢光效应——实验结果

• 原始信号

• 延迟信号

实现了双波长延时

各种缓存器结构比较

结构类型 光纤延迟线型 SBS慢光型

DLOB 偏振型 多波长型 立8结构

延迟范围 从ns~ms级 从ns~ms级 从ns~μs级 从ns~μs级 ns级

缓存容量 大 大 最大 中等 ？

缓存深度 小 大 小 中等 小

读写速度 中等 最快 中等 中等 不能随机读写

可级联性 中 好 中 中 ？

稳定性 好 中等 中等 不好 未实验

综合评价 可走向实用 还有较大的改进发展余地

还有问题需解决

基本问题尚未最后解决

基本问题没有解决

7. 结论

v全光缓存器是全光分组交换的关键之一，无论哪种交换都需要。

v成功研制出1-9999T大动态范围延时缓存子系统，八波长并行缓存系统以及4级级联的多包时序交换，以及偏振型全光缓存器

v研究基于SBS效应缓存，由于慢光不能解决带宽与延时的矛盾，不适合做缓存器。

谢 谢