摘要：

文章分析了光分組交換提出的原因，介紹了光分組交換節(jié)點(diǎn)的組成，給出了與光分組交換相關(guān)的使能技術(shù)的進(jìn)展情況，最后對(duì)光分組交換的前景做了分析。

關(guān)鍵詞：

光分組交換；光緩存；光空分交換；波長(zhǎng)變換

Abstract:

The cause of considering OPS (Optical Packet Switching) technology as a possible candidate in the long term is analyzed first， and then the technical ingredients of a generic OPS core node and the status of OPS related enabling technologies are given in detail. Finally the future potential of OPS is prospected.

Key words:

OPS; Optical buffer; Optical space switching; Wavelength conversion

1 為什么提出光分組交換

自90年代初以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)一直在迅猛增長(zhǎng)。為了處理由此帶來(lái)的劇增的分組業(yè)務(wù)，路由器廠商提供的IP核心路由器規(guī)模越來(lái)越大、速度越來(lái)越快，這些路由器都基于光接口和電交換矩陣，因此，可以想象IP層將主要工作在由波分復(fù)用(WDM)和光交叉連接組成的電路交換光層的上面?，F(xiàn)在，電IP路由器的擴(kuò)展性及其對(duì)光層上WDM傳輸能力不斷提高的適應(yīng)性越來(lái)越被關(guān)注，估計(jì)在今后幾年內(nèi)，電IP路由器的能力將難以在太比特范圍跟上WDM的發(fā)展速度。

近兩年來(lái)，光空分交換技術(shù)取得了明顯的進(jìn)步。其中的核心部件——光交換矩陣從一二個(gè)端口的最小規(guī)模做到了幾千個(gè)端口。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，涌現(xiàn)了一些新技術(shù)，如光微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)和噴泡(Bubble jet)技術(shù)等?；谶@些技術(shù)并具有一定規(guī)模和特點(diǎn)的光交叉連接(OXC)和光插分復(fù)用(OADM)設(shè)備已經(jīng)上市，今后幾年將主導(dǎo)核心網(wǎng)。進(jìn)一步的發(fā)展將形成一個(gè)基于電路交換(即波長(zhǎng)交換)的智能光層，它們用作一服務(wù)器層，為諸如ATM、SDH和IP等客戶層服務(wù)。因此，在近期和中期內(nèi)，核心網(wǎng)的擴(kuò)增部分估計(jì)將主要基于兩層，即IP層和光層。在不久的將來(lái)，光層將提供大量波長(zhǎng)。也許有人會(huì)說(shuō)，帶寬效率已經(jīng)不是問(wèn)題，沒(méi)有必要再在提高單波長(zhǎng)利用率方面下功夫。但是，經(jīng)濟(jì)性始終要求我們盡可能有效地使用網(wǎng)絡(luò)資源?；陔娐方粨Q的OXC對(duì)IP業(yè)務(wù)不是帶寬效率最高的。

在光分組交換（OPS）中，分組是在光域上直接進(jìn)行交換的，通過(guò)OPS節(jié)點(diǎn)/路由器把分組從任一輸入端口交換到任一輸出端口。采用OPS就能避開(kāi)電交換的“瓶頸”和提供能與WDM傳輸能力相匹配的光交換能力，這是今天把OPS視作適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的一種候選技術(shù)的原因。

現(xiàn)在，對(duì)OPS的研究日益受到關(guān)注。當(dāng)然，真正實(shí)用的OPS需要許多成熟的相關(guān)器件和系統(tǒng)技術(shù)來(lái)支持，目前它們大多數(shù)尚處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。OPS的交換過(guò)程有兩種方式：固定分組長(zhǎng)度的同步方式(時(shí)隙型)和可變分組長(zhǎng)度的異步方式(非時(shí)隙型)。迄今，大多數(shù)研究工作集中在固定長(zhǎng)度OPS上。

2 光分組交換節(jié)點(diǎn)的組成

光分組交換核心節(jié)點(diǎn)的通用功能框圖如圖1所示。OPS核心節(jié)點(diǎn)包括復(fù)用器/去復(fù)用器、輸入接口、交換矩陣、輸出接口和控制單元。每一部分的功能根據(jù)采用同步交換還是采用異步交換而不同。本文主要考慮目前研究較多的同步交換。

輸入接口完成如下功能：

*對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)進(jìn)行3R(再生、再定時(shí)、波形整形)，以便在后面的處理和交換之前恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量；

*提取漂移和抖動(dòng)；

*進(jìn)行分組描述(Delineation)，以識(shí)別每一分組的頭尾以及報(bào)頭與凈負(fù)荷；

*進(jìn)行分組同步，使它們與交換的時(shí)隙對(duì)準(zhǔn)；

*把報(bào)頭分開(kāi)，并轉(zhuǎn)發(fā)給控制單元，好作處理；

*把分組的外部波長(zhǎng)(WDM傳輸波長(zhǎng))變換為在交換矩陣中使用的內(nèi)部波長(zhǎng)。

控制單元處理報(bào)頭信息和發(fā)布所有指令，對(duì)交換矩陣進(jìn)行配置。為此要詢問(wèn)保存在每一節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)表。轉(zhuǎn)發(fā)表需要借助網(wǎng)管系統(tǒng)(NMS)不斷予以更新。控制單元還要完成報(bào)頭更新和向輸出接口轉(zhuǎn)發(fā)新報(bào)頭的工作。新報(bào)頭將能識(shí)別分組路徑中的下一節(jié)點(diǎn)。目前，控制功能是用電子電路來(lái)完成的。交換矩陣根據(jù)控制單元的指令來(lái)完成凈負(fù)荷的交換操作。

輸出接口完成如下功能：

*再生、再定時(shí)、波形整形，以便在由于交換矩陣中元件不完善和串話引起失真之后重新恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量；

*把新報(bào)頭附加在相關(guān)的凈負(fù)荷上；

*進(jìn)行分組描述和再同步；

*把內(nèi)部波長(zhǎng)變換為外部波長(zhǎng)；

*進(jìn)行輸出功率均衡(因?yàn)樾盘?hào)功率電平隨不同路徑和交換矩陣插入損耗而變)。

通用的光分組格式如圖2所示，說(shuō)明了光分組格式是如何放在交換時(shí)隙中的。保護(hù)帶用來(lái)對(duì)付定時(shí)的不定性。凈負(fù)荷是用戶數(shù)據(jù)，占有分組長(zhǎng)度的大部分。報(bào)頭長(zhǎng)短是一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題，因?yàn)樗环矫嬉?wù)于所需的那么多控制功能，另一方面它是一種開(kāi)銷，不能夠太長(zhǎng)。

報(bào)頭由如下幾個(gè)字段組成：

*描述和同步比特；

*識(shí)別入口邊緣節(jié)點(diǎn)地址的源標(biāo)記；

*識(shí)別出口邊緣節(jié)點(diǎn)地址的目的地標(biāo)記；

*識(shí)別業(yè)務(wù)性質(zhì)和優(yōu)先權(quán)的分組型字段；

*如果發(fā)生分組不按序到達(dá)的情況，記錄數(shù)據(jù)用的分組序列號(hào)；

*運(yùn)行管理維護(hù)字段；

*報(bào)頭糾錯(cuò)字段。

在控制路徑或數(shù)據(jù)路徑中可能發(fā)生爭(zhēng)用時(shí)，控制單元中的爭(zhēng)用特別重要，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致報(bào)頭丟失或時(shí)延過(guò)大使凈負(fù)荷跑到報(bào)頭前面，使得不管是哪種情況，都必須放棄凈負(fù)荷。不過(guò)，由于控制功能是由電子電路完成的，有許多現(xiàn)成的技術(shù)可用于解決爭(zhēng)用問(wèn)題。電緩存器即是可用的技術(shù)之一，但緩存器大小必須合適，管理必須有效。

當(dāng)處在兩個(gè)不同輸入端口的兩個(gè)不同分組要同時(shí)被送往同一輸出端口時(shí)，就會(huì)在數(shù)據(jù)路徑中發(fā)生爭(zhēng)用。在內(nèi)部交換路徑或網(wǎng)絡(luò)路徑中也可能發(fā)生若干分組的爭(zhēng)用?，F(xiàn)在有3種解決爭(zhēng)用問(wèn)題的方案。它們是使用光纖延遲線(FDL)的虛擬光緩存、波長(zhǎng)變換和偏轉(zhuǎn)選路。上述3種方案也可以組合使用，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能達(dá)到最優(yōu)。

偏轉(zhuǎn)選路是把爭(zhēng)用的幾個(gè)分組偏轉(zhuǎn)到若干迂回路由上去。優(yōu)先權(quán)低的分組選擇離目的地較遠(yuǎn)的路徑，優(yōu)先權(quán)高的分組反之。這一方法有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一個(gè)是被偏轉(zhuǎn)的分組可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，尤其是在高業(yè)務(wù)負(fù)荷時(shí)；另一個(gè)是讓分組不按序列到達(dá)它們的目的地，報(bào)頭必須載有序列信息。

3 光分組交換使能技術(shù)的現(xiàn)狀

(1)3R再生

光信號(hào)對(duì)衰耗、噪聲、色散、串話、抖動(dòng)和非線性效應(yīng)造成的損傷是十分敏感的。由于傳輸距離、每光纖波長(zhǎng)數(shù)、每波長(zhǎng)比特率的提高，傳輸損傷變得更加嚴(yán)重，導(dǎo)致明顯的幅度下降，脈沖形狀畸變，定時(shí)漂移。為了在網(wǎng)絡(luò)中連續(xù)傳輸和交換，通常要求恢復(fù)原信號(hào)形狀和清除所有損傷，這一過(guò)程就叫3R再生。光放大只放大信號(hào)幅度，并不糾正畸變的脈沖形狀。色散補(bǔ)償可以彌補(bǔ)因色散造成的脈沖寬度展開(kāi)，從而減小脈沖成形問(wèn)題。再定時(shí)則通過(guò)時(shí)鐘提取和同步來(lái)完成。對(duì)同步網(wǎng)需進(jìn)行分組級(jí)同步，對(duì)異步網(wǎng)需進(jìn)行比特級(jí)同步。為了對(duì)信號(hào)再定時(shí)，必須讓再生器知道數(shù)據(jù)速率和格式，再生器必須能夠按比特率靈活操作。

用得最多的3R再生技術(shù)涉及光電(O/E)轉(zhuǎn)換，再生在電域進(jìn)行。全光3R再生是簡(jiǎn)化OPS的一個(gè)重要的使能技術(shù)。有些再生操作，如再定時(shí)，迄今難以在光域進(jìn)行，因此，全光3R再生目前僅限于實(shí)驗(yàn)。圖3所示為全光3R再生器的功能框圖，主要由放大器、時(shí)鐘恢復(fù)系統(tǒng)和閾值檢測(cè)單元組成。先把時(shí)鐘從被放大的信號(hào)中提取出來(lái)，然后再與信號(hào)混合，產(chǎn)生時(shí)間重對(duì)脈沖(Time-realigned pulses)，在閾值檢測(cè)單元的輸出端形成再生信號(hào)。迄今大多數(shù)全光3R再生器都是在基于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的馬赫-曾德干涉儀(MZI)的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究的。

(2)分組描述和同步

到達(dá)OPS節(jié)點(diǎn)的分組來(lái)自不同源頭，通過(guò)各種光纖路徑和不同波長(zhǎng)。因溫度變化、色散和路徑不同它們必然有不同的傳播時(shí)延。在光纖跨度較長(zhǎng)時(shí)，溫度變化的影響相對(duì)較小，因?yàn)楣饫w中群速度色散(GVD)引起的時(shí)延變化可以用色散補(bǔ)償技術(shù)來(lái)補(bǔ)償。但是因光纖路徑變化造成的變化可能較大，將使分組異步到達(dá)OPS節(jié)點(diǎn)。造成定時(shí)問(wèn)題的另一個(gè)原因是抖動(dòng)，抖動(dòng)發(fā)生在交換矩陣中。通過(guò)前面節(jié)點(diǎn)累計(jì)的抖動(dòng)必須在OPS輸入端加以處理。由于存在定時(shí)的不定性，分組格式要留有保護(hù)帶，每一節(jié)點(diǎn)應(yīng)裝備分組描述和同步電路。

現(xiàn)在提出的幾種描述和同步方案都是在電域內(nèi)進(jìn)行的。有的是利用標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)頭差錯(cuò)控制(HEC)檢驗(yàn)機(jī)理，有的是在報(bào)頭里交替使用兩個(gè)關(guān)鍵詞。目前這些方案都處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

(3)分組報(bào)頭處理

分組報(bào)頭含有在OPS網(wǎng)中交換和轉(zhuǎn)發(fā)凈負(fù)荷所必需的信息。現(xiàn)今實(shí)用的方法都是先經(jīng)過(guò)O/E轉(zhuǎn)換，再在電域內(nèi)對(duì)報(bào)頭進(jìn)行處理。早期的報(bào)頭處理技術(shù)都使用比特率低于凈負(fù)荷的串行報(bào)頭，這種方法雖然比較容易實(shí)現(xiàn)，但處理速度較慢；另一種方法使用副載波復(fù)用(SCM)，對(duì)報(bào)頭進(jìn)行副載波調(diào)制再與凈負(fù)荷復(fù)用，報(bào)頭在頻譜上處于高于凈負(fù)荷帶寬的位置。兩種處理技術(shù)雖然都在同一時(shí)隙進(jìn)行，但SCM報(bào)頭的提取較快，處理速度高于串行報(bào)頭法。不過(guò)，隨著比特率的提高，相關(guān)的射頻分量可能碰上高的報(bào)頭頻率，使SCM受到限制。報(bào)頭的電處理速度限于幾十吉比特每秒，因此，為了滿足OPS今天的需要和未來(lái)的期望，必須要實(shí)行光的報(bào)頭處理。自90年代初以來(lái)，全光報(bào)頭處理一直是研究熱點(diǎn)，但至今仍處在早期階段。全光報(bào)頭處理需要光校正器，目前研究中有使用光纖延遲線的，也有基于光半導(dǎo)體放大器的。

(4)光緩存

為了解決OPS網(wǎng)中的爭(zhēng)用問(wèn)題，需要某些光緩存手段。光子不能像電子一樣予以捕捉與存儲(chǔ)，目前的研究方向是設(shè)法把它們延遲一個(gè)固定的時(shí)間周期。實(shí)際上，這相當(dāng)于某種形式的虛擬緩存。虛擬緩存現(xiàn)一般都用FDL作為緩存工具，但FDL比較笨重且不能擴(kuò)展。把一組FDL與光交換結(jié)合在一起，可以形成一個(gè)時(shí)延可變組件，能使用的FDL數(shù)量可達(dá)幾十個(gè)。對(duì)緩存器進(jìn)行再循環(huán)可以減少光纖數(shù)，此時(shí)，時(shí)延是環(huán)路長(zhǎng)度與循環(huán)次數(shù)的乘積。但是，為了補(bǔ)償因過(guò)多循環(huán)引起的損耗需要另外使用光放大，這將產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲被放大的問(wèn)題。最近有人在研究另一種可變時(shí)延電路，它在一個(gè)光纖環(huán)路中采用一系列波長(zhǎng)變換器和兩個(gè)陣列波導(dǎo)柵(AWG)。一個(gè)分組被延遲的時(shí)間取決于它的初始波長(zhǎng)，此初始波長(zhǎng)被變換為與所希望時(shí)延相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)。與目前分組網(wǎng)中使用的電子緩存器相比，F(xiàn)DL為OPS網(wǎng)只能提供有限的緩存能力。

(5)光空分交換技術(shù)

在OPS中，交換矩陣必須把分組一個(gè)個(gè)地從任一輸入端口送到任一輸出端口，故非常迅速的重新配置和非常高的交換速度是十分關(guān)鍵的。例如，在一個(gè)10 Gbit/s系統(tǒng)中，分組長(zhǎng)度為125字節(jié)，一個(gè)分組要完全離開(kāi)輸入端口到達(dá)交換矩陣需要大約100 ns，兩個(gè)相繼分組到達(dá)時(shí)間的間隔也是極短的。交換矩陣在必須重新配置以處理后面分組之前在交換時(shí)隙內(nèi)要保持一定的配置，所以重新配置和交換時(shí)間必須是毫微秒級(jí)的，當(dāng)今幾乎沒(méi)有一種光技術(shù)能有這樣高的交換速度。SOA和光電鈮酸鋰(LiNbO3)開(kāi)關(guān)是兩種候選技術(shù)。SOA的交換速度在幾個(gè)毫微秒數(shù)量級(jí)，可以進(jìn)行較大規(guī)模的合成，優(yōu)點(diǎn)是因其固有的放大作用可以補(bǔ)償功率損耗，缺點(diǎn)是給信號(hào)增加了噪聲；光電LiNbO3開(kāi)關(guān)的交換時(shí)間可達(dá)到亞毫微秒級(jí)，由于插入損耗較大，只能做中規(guī)模的集成，擴(kuò)展性受到限制。SOA和光電鈮酸鋰(LiNbO3)開(kāi)關(guān)都是平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的，對(duì)極化比較敏感。為了減小對(duì)極化的依賴，設(shè)計(jì)時(shí)必須很仔細(xì)。可靠性和成本也是重要問(wèn)題。

(6)波長(zhǎng)變換

波長(zhǎng)變換是解決爭(zhēng)用問(wèn)題的另一個(gè)重要工具。在節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出接口需作波長(zhǎng)變換，同時(shí)波長(zhǎng)變換也是有些緩存系統(tǒng)、全光3R再生器和光報(bào)頭檢測(cè)器的組成部分。波長(zhǎng)變換可以通過(guò)光電光(O/E/O)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在OPS中希望全光波長(zhǎng)變換。在這一領(lǐng)域中的大部分研究工作基于利用交叉增益調(diào)制(XGM)或交叉相位調(diào)制(XPM)的SOA。在XGM方案中，利用強(qiáng)輸入信號(hào)來(lái)使SOA的增益達(dá)到飽和，再把連續(xù)信號(hào)調(diào)制在新的波長(zhǎng)上?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室可以做到在高達(dá)100 Gbit/s的速度上進(jìn)行波長(zhǎng)變換。此法很容易實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)有脈沖失真，信噪比惡化，消光比惡化。為了克服這些缺點(diǎn)，可以把SOA集成在干涉儀結(jié)構(gòu)的每一條臂上。在XPM方案中，目前可以做到在高達(dá)40 Gbit/s的速度上進(jìn)行波長(zhǎng)變換，這需要精確的SOA偏壓控制。如果在SOA后面再跟一個(gè)延遲干擾環(huán)路，則可做到在100 Gbit/s的速度上進(jìn)行波長(zhǎng)變換。

波長(zhǎng)變換還可以基于混波技術(shù)，這種方法能保證速率和格式的透明性，但要求極化控制?？傊?，全光波長(zhǎng)變換雖已取得明顯進(jìn)步，但還有許多技術(shù)問(wèn)題有待克服，仍是一個(gè)研究課題。它的可靠性和成本同樣十分重要。

4 光分組交換的前景

如前所述，核心網(wǎng)的演進(jìn)方向是在基于電路交換的光層上布放一個(gè)正不斷發(fā)展著的IP層。在今后幾年內(nèi)，這一演進(jìn)方向可能是網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡的主導(dǎo)方向。在那以后的將來(lái)某一時(shí)刻，OPS將粉墨登場(chǎng)，但在此之前，還有許多開(kāi)發(fā)工作要做。OPS能否浮出水面走向商業(yè)應(yīng)用主要取決于3方面的工作：

(1)要攻克OPS目前面臨的許多技術(shù)挑戰(zhàn)。雖然迄今OPS已取得許多進(jìn)步和科研成果，但是并非所有挑戰(zhàn)已經(jīng)攻克，不少OPS使能技術(shù)仍處在研究探索階段，而且無(wú)論什么技術(shù)突破都必須要以成本有效為前提，唯有這樣才能在核心網(wǎng)中真正引入OPS。

(2)必須提出合理的過(guò)渡方法，使我們?cè)谝隣PS的同時(shí)，保護(hù)運(yùn)營(yíng)商在技術(shù)方面的投資。對(duì)OPS的未來(lái)預(yù)測(cè)必須考慮距今5到10年后的網(wǎng)絡(luò)，但這種預(yù)測(cè)又不可能有足夠的可信度。比較實(shí)際的設(shè)想是首先在基于OXC的那一層面上實(shí)施OPS。OPS面臨的問(wèn)題部分是由于交換顆粒非常小以及在光域讀/寫(xiě)分組報(bào)頭的要求引起的，所以，一種可以考慮的過(guò)渡辦法就是先進(jìn)行顆粒較大的光脈沖串(Burst)交換(OBS)。在OBS網(wǎng)中，分組被組裝成較大的數(shù)據(jù)脈沖串，為了進(jìn)行控制，給每一脈沖串加上一個(gè)脈沖串報(bào)頭分組(BHP)。數(shù)據(jù)脈沖串與BHP在不同的光信道里傳送，在每一節(jié)點(diǎn)，只對(duì)BHP進(jìn)行O/E/O轉(zhuǎn)換。但OBS面臨幾乎與OPS相同的技術(shù)挑戰(zhàn)，只是條件稍微寬松點(diǎn)，這是因?yàn)榭刂曝?fù)擔(dān)減小了，因?yàn)锽HP的電子處理不需光報(bào)頭讀/寫(xiě)。當(dāng)技術(shù)趨于成熟，運(yùn)營(yíng)商有需求時(shí)，可以在基于OXC的層面以外引入基于分組的光層。在部分網(wǎng)絡(luò)中，光IP分組可以在光域內(nèi)直接交換或組裝成光脈沖串，再注入到基于波長(zhǎng)的管道中。在其他網(wǎng)絡(luò)部分中，光IP分組可以通過(guò)其他網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)入這些管道。

(3)OPS的實(shí)施要運(yùn)營(yíng)商來(lái)決策，只有得到運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)同OPS才有可能走向商用，但至今對(duì)OPS/OBS的大多數(shù)研究工作并非來(lái)自運(yùn)營(yíng)商一邊。要促使運(yùn)營(yíng)商對(duì)OPS更加關(guān)注，技術(shù)難關(guān)的攻克、網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡策略的確立、互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展以及電信業(yè)的重新振興是重要因素。□

收稿日期：2002-10-14

作者簡(jiǎn)介：

雷震洲，信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院總工程師，教授級(jí)高工，中國(guó)通信學(xué)會(huì)會(huì)士、美國(guó)IEEE高級(jí)會(huì)員、北京市政協(xié)委員、信息產(chǎn)業(yè)部無(wú)線電頻率規(guī)劃專家咨詢委員會(huì)副主任、北京科技情報(bào)學(xué)會(huì)常務(wù)理事。曾獲部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)多次，出版過(guò)4本專著和4本譯著，發(fā)表過(guò)200多篇論文。1991年獲政府特殊津貼。