1、桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）全光网络技术及其发展前景学院（系）： 电子信息工程系 专 业： 通信技术 学 号： 081221231 学生姓名： 张记 指导教师： 龙腾 桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）开题报告1：目的及定义（含国内外的研究现状分析）据国外统计，骨干因特网的带宽在 1997 年为 622Mbps,1998 年是2.5Gbps,1999 年突破 10Gbps,2000 年接近 40Gbps；也就是说每经过 6-9 个月因特网的带宽或业务量翻一番。按照目前单波长光纤系统
2、的传输速率最高为40Gbps 考虑，仅因特网的数据流就占满了整个单波长系统的传输容量，更不用说宽带业务和其他多媒体应用了。事实上随着因特网的飞速发展，几乎在网络的所有层面，如企业网、接入网，传输、选路与交换等都在研发与应用高速宽带技术。目前世界各国研究研发中的全光网络主要集中在美国、欧洲和日本。例如前几年开始的美国 ARPA(Advanced Research Projects Agency)一期计划(ONTC、AON 等)和二期全球网计划(MONET、NTON、ICON、WEST 等)；欧洲的RACE(Research and development in Advanced Communic
3、ations technologies in Europe)和 ACTS(Advanced Communications Technologies and Services)光网络计划；日本有 NTT、NEC 和富士通等主要大公司和实验室进行的研究研发项目；此外，在法国、德国、意大利和英国同时也在做全光网络方面的研究。最近有 Oxygen 计划，美国光互连网规划、加拿大光网络规划，欧洲光网络规划等，既建立了许多试验平台，又进行了现场试验，以研究光网络结构、光网络管理、光纤传输、光交换和光网络对新业务的适应性等关键技术。比较著名的有美国的多波长光网络 MONET(Multiwavelength
4、Optical Networking)和国家透明光网络 NTON；欧洲 ACTS 计划中的泛欧光传送网 OPEN 和光纤城域网METON；日本 NTT 的企业光纤骨干 COBNET 和光城域网 PROMETEO 等。在我国则有中科院、高等院校和科研院所进行的国家“863“计划重大项目“中国高速信息示范网 CAINONET“等。值得注意的是，当业务变得以 IP 为中心时，在光领域的分组交换将具有明显的好处。因为他能有效地将各种业务量集中在一起，提高每一波长或光路的利用率，降低每比特的费用，而不必过多地仅依靠设置和增加桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）波长来疏通调节业务量；所以，将光分组
5、交换和光波长交换相结合，才是一条实现全光通信网的技术坦途2：基本内容和技术方案全光网,是指信号只是在进出网络时才进行电光和光电转换,而在网络中传输和交换的过程信号始终以光的形式存在由于光纤传输的成功和优越性,国家通信网有从电通信网逐步进化为光通信网的倾向,称为全光网.实践表明,光通信比电通信有利,在通信领域,光通信是未来的发展趋向 WDM，现在的应用只是点到点的方式还没有“网”的概念但现在 ITUT 正在做工作试图形成一个光层的网络也称为全光网.从组网技术的发展来看传输网的下一步发展应是在 SDH 电层面以下建设全光网层面届时传输网将在拓扑上分为光、电两层面 ，为了和现在应用中的光通信网络相区
6、别我们把具有上述性能的光通信网络称为全光网.二、全光网的主要技术全光网的主要技术有光纤技术、SDH、WDM、光交换技术、OXC、无源光网技术、光纤放大器技术等 。为此,网络的交换功能应当直接在光层中完成,这样的网络称为全光网.它需要新型的全光交换器件,如光交叉连接(OXC)、光分插复用(OADM)和光保护倒换等。光交叉连接(OXC) OXC 是全光网中的核心器件，它与光纤组成了一个全光网络。OXC 交换的是全光信号，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而有效地利用波长资源，实现波长重用，也就是使用较少数量的波长，互连较大数量的网络节点。当光纤中断或业务失效时，OXC 能够自动完成故障隔离、重
7、新选择路由和网络重新配置等操作，使业务不中断。光分插复用(OADM) OADM 具有选择性，可以从传输设备中选择下路信号或上路信号，也可仅仅通过某个波长信号，但不要影响其他波长信道的传输。OADM 在光域内实现了 SDH 中的分插复用器在时域内完成的功能，且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，能提高网络的可靠性，降低节点成本，提高网络运行效率，是组建全光网必不可少的关键性设备。光交换技术 光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。光路交换又可分成 3 种类型，即空分（SD） 、时分（TD）和波分/频分（WD/FD）光交换，以及由这些交换形式组合而成的结合型。其中空分交换按光矩阵开关所
8、使用的桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）技术又分成两类，一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。光分组交换中，异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。同时不可忽略的一个，全光中继技术 在传输方面，光纤放大器是建立全光通信网的核心技术之一。3、进度安排2010.12：查阅相关文献资料，完成论文选题。 2011.1：确定论文方向，完成任务书。2011.1.72011.3：完成论文初稿。2011.3.12011.4.30：提交毕业论文，并完成修改毕业论文，最后定稿。2011.52011.6: 准备答辩4、指导教师意见指导教师签名：年 月 日桂林电子科技大
9、学职业技术学院毕业设计（论文）目录：1、摘 要 12、绪论 23、全光网的定义 3 4、全光网的相关技术 45、全光网的优点 56、全光网的技术特点 67、全光网的主要技术及未来发展展望 77.1 光交换的定义与特点 7.1 7.2 组成光交换系统的核心器件 7.2 7.3 光交换技术的未来发展展望 7.38、总结 89、致谢 9桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）摘要：进入新世纪以来，数据业务量继续以高于话音业务量数倍甚至十倍的速度在增长。传统的由 IP,ATM,SDH 和 WDM 构成的多层网络虽然有 Qos 和生存性措施，但由于其管理的复杂性和数据业务成本偏高促使人们不断探讨如何
10、简化层次。鉴于 WDM 技术能提供巨大的带宽，已经无可争议地成为骨干网络中最为主要的传输技术，但是全光网络无疑成为这个世纪的代名词。什么是全光网络？全光网络，是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。因为在整个传输过程中没有电的处理，所以 PDH、SDH、ATM 等各种传送方式均可使用，提高了网络资源的利用率。关键词：光网络技术前景绪论：自高昆和霍克曼于 1966 年提出玻璃纤维可传输光信号，并明确指出通讯光纤的要求是每公里衰减小于 20 分贝之后，通信领域开启了光纤通信技术时代。光纤通信的技术自此层出 不穷，推动了光纤通信的快速发展。
11、1970 年，美国康宁公司首次研制成功石英光纤；1972 年，首次光纤通信实验成功；1977 年，美国芝加哥研制成功第一套光纤通信系统；1987 年，英国南安普顿大学研制出掺铒光纤放大器；1992 年，美国朗讯公司研制出实用化 的波分复用（WDM）系统；1996 年，波分复用 WDM 系统开始商用；1999 年，华为公司推出商用的 3210Gbit/sDWDM 系统产品；2001 年，NEC 在 OFC 上展示了10.92Tbit/s（27340Gbit/s）WDM 无电中继传输试验。随着光纤传输容量的不断提高，基于数字电子技术的电处理系统已经逼近电子器件的处理上限，进一步提高设备处理容量的难
12、度越来越大，电子技术的发展速度已经远远赶不上光纤容量急速增长速度。基于 WDM 技术，在光信号上直接完成光信号的转发，成为共识，这导致了全光网的产生。WDM 的广泛铺设进一步推动了全光网络研究热潮，以 WDM 技术为基础光交叉为核心的全光网成了竞相发展的重点。桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）3、全光网的定义全光网络，是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。因为在整个传输过程中没有电的处理，所以 PDH、SDH、ATM 等各种传送方式均可使用，提高了网络资源的利用率。 4、全光网络相关技术全光网络的相关技术主要包括全光交换、
13、光交叉连接、全光中继和 光复用/去复用等。 全光网络技术承诺的美好前景很简单: 数据将以更快的速度传输，因为数据仅以光的形式进行编码。 “仅”是个关键字。目前，光网络设备从光缆中接收光脉冲，将它转换为电信号进行处理，然后将电信号还原为光进行传输。即使处理时间为零，这种转换也会增加时延。 光技术鼓吹者说，消除光电转换将使数据传输速率达到万亿位级。一个经常引用的统计数据说光纤具有 25 万亿到 75 万亿位/秒的理论容量，并把这个数据与数据速率通常以百万位计的铜线进行比较，体现其优势。 但是，这种论点没有涉及全光网络的两个基本要求：路由和缓冲。 现在全光网络中没有路由协议这类东西。目前，光网络设备
14、运行在点到点或环路拓扑结构中。点到点是指，光脉冲要么由设备 A 传送到设备 B，要么不传送。如果电缆出现中断，点到点方式没有后备连接。像 SONET 的自动保护交换这样的环路技术提供了略好一些的冗余性：一旦电缆出现中断，环路可以绕过去。任何复杂的拓扑结构都需要路由技术。 一些光网络技术鼓吹者说，路由决策属于光网络的边缘。的确如此，只要全光网络很小并且简单。如果交换机制造商真正想增加销售量，他们就需要在他们的设备中提供更多的智能。 全光网络的另一主要障碍是找到一种缓冲光的方式。没有一种光设备可以像电子设备缓冲数据包那样减缓光的传播速度或存储光。无法缓冲光使得全光网络设备在任何存在拥塞的环境中不具
15、有实用性。假设有一台光网络交换机两个发向同一目的地的光脉冲同时到达到这台设备。这台交换机无法缓冲光则将桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）只有抛弃其中一个脉冲。5、全光网的优点基于波分复用的全光通信网可使通信网具备更强的可管理性、灵活性、透明性。它具备如下以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点：省掉了大量电子器件。全光网中光信号的流动不再有光电转换的障碍，克服了途中由于电子器件处理信号速率难以提高的困难，省掉了大量电子器件，大大提高了传输速率。提供多种协议的业务。全光网采用波分复用技术，以波长选择路由，可方便地提供多种协议的业务。组网灵活性高。全光网组网极具灵活性，在任何节点可以抽出
16、或加入某个波长。可靠性高。由于沿途没有变换和存储，全光网中许多光器件都是无源的，因而可靠性高6、 全光网的技术特点全光网可使通信网具有更强的可管理性、灵活性、透明性。和传统通信网和现行的光通信系统相比，他具有许多好处：全光网络能够提供巨大的带宽。因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量。全光网络具有传输透明性。因为采用光路交换，以波长来选择路由，因此对传输码率、数据格式及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议。全光网比铜线或无线组成的网络具有更高的处理速度和更低的误码率。全光网具有良好的兼容性，他不仅能和现有的通信网络兼容，而且还能支持未来
17、的宽带综合业务数据网及网络的升级。 全光网络具有可扩展性，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备。全光网具有可重构性，能根据通信容量的需求，动态地改动网络结构，可对光波长的连接进行恢复、建立、拆除等。 全光网中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光/电/光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）7、全光网的主要技术一个网络架构更好，同时也需要一个关键的技术支持。这里不得不提到这个关键技术：光交换技术。现代通信网中，密集波分复用（DWDM）光传送网络充分利用光纤的巨大带宽资源来满足各种通信业务爆炸式增长的需要。然而，高质量
18、的数据业务的传输与交换仍然采用如 IP over ATM 、IP over SDH 等多层网络结构方案，不仅开销巨大，而且必须在中转节点经过光电转换，无法充分利用底层 DWDM 带宽资源和强大的波长路由能力。为了克服光网络中的电子瓶颈，具有高度生存性的全光网络成为宽带通信网未来发展目标。而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它的全光通信系统中发挥着重要的作用，可以这样说光交换技术的 发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。7.1 光交换的定义与特点 光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四
19、部分组成，如图 1 所示。由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的光交换控制单元还要由电信号来完成，即所谓的电控光交换。在控制单元的输入端进行光电转换，而在输出端需完成电光转换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重要。采用光交换技术可以克服电子交换的容量瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性，提高网络的重构灵活性和生存性，大量节省建网和网络升级成本。目前，光交换技术可分成光的电路交换（OCS）和光分组交换（OPS）两种桂林电子科技大学职业
20、技术学院毕业设计（论文）主要类型。光的电路交换类似于现存的电路交换技术，采用 OXC、OADM 等光器件设置光通路，中间节点不需要使用光缓存，目前对 OCS 的研究已经较为成熟。根据交换对象的不同 OCS 又可以分为：光时分交换技术，时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式，时分光交换就是在时间轴上将复用的光信号的时间位置 t1 转换成另一个时间位置 t2 光波分交换技术，是指光信号在网络节点中不经过光/电转换，直接将所携带的信息从一个波长转移到另一个波长上。光空分交换技术，即根据需要在两个或多个点之间建立物理通道，这个通道可以是光波导也可以是自由空间的波束，信息交换通过改变传输路径来完成光码
21、分交换技术，光码分复用（OCDMA）是一种扩频通信技术，不同户的信号用互成正交的不同码序列填充，接受时只要用与发送方相同的法序列进行相关接受，即可恢复原用户信息。光码分交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码子之间的交换。未来的光网络要求支持多粒度的业务，其中小粒度的业务是运营商的主要业务，业务的多样性使得用户对带宽有不同的需求，OCS 在光子层面的最小交换单元是整条波长通道上数 Gb/s 的流量，很难按照用户的需求灵活地进行带宽的动态分配和资源的统计复用，所以光分组交换应运而生。光分组交换系统根据对控制包头处理及交换粒度的不同，又可分为：光分组交换（OPS）技术，
22、它以光分组作为最小的交换颗粒，数据包的格式为固定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分。在交换系统的输入接口完成光分组读取和同步功能，同时用光纤分束器将一小部分光功率分出送入控制单元，用于完成如光分组头识别、恢复和净荷定位等功能。光交换矩阵为经过同步的光分组选择路由，并解决输出端口竞争。最后输出接口通过输出同步和再生模块，降低光分组的相位抖动，同时完成光分组头的重写和光分组再生。光突发交换（OBS）技术，它的特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作为最小的交换单元。OBS 克服了 OPS 的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持
23、突发性的分组业务，同时与 OCS 相比，它又大大提高了资源分配的灵活性和资源的利用率。被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色光标记分组交换（OMPLS）技术，也称为 GMPLS 或多协议波长交换（MPS）.它是 MPLS 技术与光网络技术的结合。MPLS 是多层交换技术的最新进展，将 MPLS 控制平面贴到光的波长路由交换设备的顶部就具有 MPLS 能力的光节点。由 MPLS 控制平面运行标签分发机制，向下游各节点发送标签，标签对应相应的波长，由各节点的控制平面进行光开关的倒换控制，建立光通道。2001 年 5 月 NTT 开发出了世界首台全光交换 MPLS 路由器，结合 WDM 技术和桂林
24、电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）MPLS 技术，实现全光状态下的 IP 数据包的转发。7.2 组成光交换系统的核心器件 光开关器件 光开关是构成 OXC、OADM 的主要器件，目前制作光开关的技术主要有：阵列波导光栅(AWG)、半导体光放(SOA)开关、LiNbO3 声光开关(AOTS)和电光开关、微电子机械光开关（MEMS） 、液晶光开关、墨气泡技术光开关、全息光开关等。光缓存器件 光缓存时光分组交换的关键技术，目前还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。常见的光缓存结构有：可编程的并联 FDL 阵列、串联 FDL 阵列和有源光纤环
25、路 光逻辑器件该类器件由光信号控制它的状态，用来完成各类布尔逻辑运算。目前光逻辑器件的功能还较简单，比较成熟的技术有对称型自电光效应（S-SEED）器件、基于多量子阱 DFB 的光学双稳器件和基于非线性光学的与门等。 波长变换器全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络中的关键部件。 波长转换器有多种结构和机制，目前研究较为成熟的是以半导体光放大器(SOA)为基础的波长转换器 ,包括交叉增益饱和调制型 (XGM SOA)、交叉相位调制型 (XPM SOA)以及四波混频型波长转换器 (FWM SOA)等。7.3 光交换技术的未来发展展望2011 年 2 月 17 日消息，中国电信集团宣布启动光
26、网络工程，将用三年时间实现国内所有城市光纤化。按照工程目标，未来 35 年中国电信的带宽用户的接入将跃升 10 倍以上， “并将持续快速提升” ；资费在三年左右迎来“跳变期”，每兆单价持续大幅下滑“。中国电信网络重点分布在南方城市将全面实现光纤化，核心城区全部实现光纤接入，最高接入带宽达到 100M，城市家庭接入带宽普遍达到 20M 以上。市场和用户是决定光网络去向何方的重要因素。目前光的电路交换技术已发展的较为成熟，进入实用化阶段。光分组交换作为更加高速、高效、高度灵活的交换技术，其能够支持各种业务数据格式计算机通信数据、话音、图表、视频数据和高保真音频数据的交换。自十九世纪七十年代以来，分
27、组交换网经历了从 X.25 网、帧中继网、信元中继网、ISDN 到 ATM 网的不断演进，以至今天的 OPS 网成为被广泛关注和研究的热点。超大带宽的 OPS 技术易于实现10Gb/s 速率以上的操作，且对数据格式与速率完全透明，更能适应当今快速变桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）化的网络环境，能为运营商和用户带来更大的收益。在更加实用化的光缓存器件和光逻辑器件产生以前，对二者要求不是很高的 OBS 以及 OMPLS 技术作为OPS 的过渡性解决方案，将会成为市场的主流。光网络已经由过去的点到点 WDM 链路发展到今天面向连接的 OADM/OXC 和自动交换光网络(ASON)，再演进
28、到下一代 DWDM 基础上宽带电路交换与分组交换融合的智能光网络。我们认为，光交换技术发展将会在其中起到决定性的作用。8、总结自 1966 年 7 月，英籍华人高琨发表论文，认为只要设法降低玻璃纤维中的杂质，可使光纤损耗降为 20db/km，这是一篇划时代的论文。使得光纤通信成为可能，为光纤通信奠定了坚实的理论基础。FTTx（光纤接入到某处）技术不断成熟，成本不断降低，使光纤替代铜线缆的进程进一步加快。10Gb/sEPON（以太网无源光网络）和 10Gb/sPON（无源光网络）技术逐渐成熟，在技术上也拥有了取代 DSL（数字用户线路）的基础，并被运营商接受。而且，随着移动业务的发展，3G 基站
29、的覆盖范围逐渐缩小以提供更高的带宽。基站小型化并直接部署于室内，运营商要部署大量的家庭/SOHO 基站和微基站。此时，微基站的位置与 FTTB（光纤到楼）/FTTH（光纤到户）的接入点高度吻合，FTTx 完全可以作为微基站的低成本技术实现手段。这样，未来 3 年-5 年将是FTTx 持续快速增长的阶段。FTTx 飞速发展，IP 流量呈现爆炸式增长，其增速之快，来势之猛，大大超出人们的预期。光传输网络正朝着面向 IP 的互联网方向发展，它能承载更多业务，能进行灵活的资源配置。具有 40Gb/s 乃至100Gb/s 速率的光传输系统将成为未来光传输网的核心。对 10Gb/s 速率的传输网进行升级换
30、代已经势在必行。面对当前的国际金融危机，宽带基础建设成为各国推进经济增长、扩大内需并提高民众就业机会的主要振兴手段之一。我国政府也明确提出，通过下一代互联网建设，大力推动相关应用服务模式创新，加速光纤接入网络建设，带动相关产业链的快速发展。同时，我国政府将下一代互联网、数字电视网与第三代移动通信网络并列作为扩大内需的重大投资方向，预期总投资将超过 6000 亿元。可以预见，我国的光纤通信产业将面临重大的发展机遇。参考文献：1、 光纤通信原里与技术 作者：上海市教育委员会 出处：人民邮电出版社 20048桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）2、 光通信工程 作者：赵梓森 出处：人民邮电出版社 200273、 全光网络 作者：张宝富 出处：人民邮电出版社 200214、 光传送网设备 作者：任海兰 出处：北京邮电大学出版社 200485、 全光通信网（修订版） 作者：顾畹仪 张杰 出处：北京邮电大学出版社 2001116、中国通信网文章：全光网的发展趋势及其挑战7、中国联通官网：全光网光通信的发展方向8、中国市场调查网：20092012 年光纤通信行业发展前景分析及投资风险预测报告9 移动通信论坛10.新浪爱问知识人致谢：龙腾老师的认真指导 ，使我们顺利完成毕业论文，再次感谢! 2011 年 4 月 17日
