基于WDM的航電光交換網(wǎng)絡(luò)研究，針對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求和趨勢(shì)，將WDM技術(shù)和光交換技術(shù)應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)應(yīng)用中存在的WDM傳輸和交換問(wèn)題進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)WDM系統(tǒng)中傳輸技術(shù)的研究，解決光發(fā)射、光接收中存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)無(wú)波長(zhǎng)信道間干擾，支持?jǐn)?shù)字和模擬信號(hào)格式，支持多種信號(hào)速率的WDM傳輸系統(tǒng)；通過(guò)對(duì)WDM網(wǎng)絡(luò)的光交換技術(shù)研究，解決光交換系統(tǒng)中的架構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵器件選型、波長(zhǎng)交換等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)交換的航電光纖網(wǎng)絡(luò)。

　　0引言

　　隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航電網(wǎng)絡(luò)的速率、可靠性提出了更高的要求，光纖通道以其高速率、容錯(cuò)性、確定性等特點(diǎn)在航空電子系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高光纖的利用率，同時(shí)克服傳統(tǒng)交換的“電子瓶頸”，構(gòu)建靈活、擴(kuò)展性好而又具有體積小、重量輕、低功耗等特點(diǎn)的航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，引入了WDM技術(shù)和光交換技術(shù)[1]。WDM技術(shù)是在一根光纖中承載多個(gè)波長(zhǎng)（信道）的復(fù)用技術(shù)，其應(yīng)用解決了長(zhǎng)距離、大容量傳輸?shù)膯?wèn)題；光交換技術(shù)則是用光交換設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖系統(tǒng)中的電交換設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高效、快速交換，使數(shù)據(jù)流能更快地傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。將WDM技術(shù)和光交換技術(shù)應(yīng)用于航空電子系統(tǒng)，可以大幅提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和交換速率，基于WDM的航電光交換網(wǎng)絡(luò)是為了滿足下一代航空電子系統(tǒng)而進(jìn)行的深入探索。

　　1WDM概述

　　光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合（復(fù)用）起來(lái)，并耦合到光纜線路上同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)（解復(fù)用），并進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。[4]WDM技術(shù)是目前最為成功，應(yīng)用最廣泛的光信道復(fù)用技術(shù)。

　　WDM技術(shù)，通過(guò)一根光纖同時(shí)傳輸多個(gè)信道數(shù)字信號(hào)，使得傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加十倍到幾十倍，不僅極大的提高光纖的傳輸帶寬，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的靈活性和網(wǎng)絡(luò)的生存性。

　　圖1WDM光傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　WDM技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，目前在建的商用光纖通信系統(tǒng)基本都是WDM系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)九十年代末起，對(duì)WDM技術(shù)進(jìn)行了深入研究：武漢郵電科學(xué)研究院2004年研制成功了1.6Tbps的超長(zhǎng)距離WDM光傳輸系統(tǒng)；華為公司推出的OptiXBWS1600G骨干DWDM光傳輸系統(tǒng)可同時(shí)傳送160個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)10Gbit/s或者C波段80個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)40Gbit/s。

　　WDM技術(shù)不僅極大的提高了光纖的傳輸帶寬，也提高了網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的靈活性和網(wǎng)絡(luò)的生存性；未來(lái)航空電子信息傳輸需要航空電子網(wǎng)絡(luò)支持高速率、多服務(wù)通信，需要支持控制消息、音頻、視頻、乃至模擬信號(hào)的通信服務(wù)，對(duì)于容錯(cuò)、重構(gòu)、擴(kuò)展等性能提出了更高的要求，而WDM技術(shù)的應(yīng)用為滿足這些要求提供了可行的途徑。

　　2光交換概述

　　光交換是指在光纖通信系統(tǒng)中，光波長(zhǎng)通道通過(guò)交換機(jī)交換時(shí)無(wú)需進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，而直接由光交換設(shè)備完成交換。光交換可以采用光電路交換和光分組交換兩種形式。

　　WDM技術(shù)的應(yīng)用，使通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬得到極大的提高，克服了傳輸?shù)钠款i，但同時(shí)又帶來(lái)新的問(wèn)題，大量的光波長(zhǎng)通道需要交換，而在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中使用的交換機(jī)目前仍是電交換機(jī)，交換中心和交叉連接節(jié)點(diǎn)仍然需要進(jìn)行光-電-光交換。多個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流必須在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中介，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行交換，再轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。[5]這種做法，缺乏靈活性，同時(shí)有交換設(shè)備體積大，能耗高的問(wèn)題，成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。采用光交換的方式代替電交換方式是光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。

　　光電路交換中，交換粒度是單個(gè)光通道的帶寬，光電路交換往往指光波長(zhǎng)交換。光波長(zhǎng)交換技術(shù)，指的是以光纖中的一個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)作為最小的交換粒度進(jìn)行交換，輸入端口通過(guò)波分解復(fù)用器，將光信號(hào)分離到不同的波長(zhǎng)平面，在各波長(zhǎng)平面分別采用光開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)輸入端口和輸出端口之間的交換和連接，光開(kāi)關(guān)的輸出在經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器匯合后輸出。

　　光分組交換的交換粒度為單個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)報(bào)的處理為全光方式。光分組交換按照信令傳輸方式可以分為光分組交換（OPS）和光突發(fā)交換（OBS）；其不同之處在于，OBS突發(fā)包的長(zhǎng)度可以是固定的，也可以是變化的，其顆粒大于光分組。近幾年，國(guó)內(nèi)的華為和烽火等公司在光交換領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的成果；北京市通信公司采用北電網(wǎng)絡(luò)OPTeraDX光交換機(jī)完成的長(zhǎng)途光傳輸系統(tǒng)也投入商業(yè)服務(wù)。

　　傳統(tǒng)電交換設(shè)備體積大、能耗高，已成為現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i，而波長(zhǎng)交換避免了光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)為通信節(jié)點(diǎn)對(duì)之間建立直接相連的波長(zhǎng)路徑，更好的滿足了航電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求；波長(zhǎng)交換以其交換速度快、體積小、能耗低等特點(diǎn)，能更好的滿足航電系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

　　3航電光交換網(wǎng)絡(luò)研究

　　國(guó)內(nèi)對(duì)WDM技術(shù)和光交換技術(shù)的研究與應(yīng)用主要集中在民用通信領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是帶寬的增大與傳輸信息量的提高，而適應(yīng)航空電子環(huán)境的高可靠性WDM技術(shù)和光交換技術(shù)的研究基本上處于起步階段。相比民用通信領(lǐng)域，航電WDM技術(shù)和光交換技術(shù)除要求帶寬與傳輸信息量提高之外，還要求滿足航電多種通信速率的光發(fā)送機(jī)與接收機(jī)，WDM光網(wǎng)絡(luò)的高可靠性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法等，同時(shí)對(duì)航電系統(tǒng)特殊環(huán)境下的應(yīng)用提出了更高的要求。

　　基于WDM的航電光交換網(wǎng)絡(luò)研究包含以下方面：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)定義技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性技術(shù)，交換機(jī)與節(jié)點(diǎn)機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)配置及管理技術(shù)。

　　針對(duì)新型航電系統(tǒng)的要求，構(gòu)建高速率，可擴(kuò)展，具有容錯(cuò)能力和快速重構(gòu)能力的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；根據(jù)WDMLAN標(biāo)準(zhǔn)思想，將航電光網(wǎng)絡(luò)分為光骨干網(wǎng)（OBN）和光接入網(wǎng)（OAN）兩部分，在OBN中采用波長(zhǎng)路由和交換技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連，通過(guò)OBN連接多個(gè)OAN，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的互連。

　　通過(guò)對(duì)光開(kāi)關(guān)（OSW），平面光波導(dǎo)分路器（PLCS），光分插復(fù)用器（OADM），波分復(fù)用器（MUX），波分解復(fù)用器（DEMUX）等光網(wǎng)絡(luò)元素的研究，構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模型，節(jié)點(diǎn)機(jī)模型；交換機(jī)和節(jié)點(diǎn)機(jī)是網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，通過(guò)研究光交換機(jī)波長(zhǎng)分配策略，路由算法及網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模型；通過(guò)研究波分復(fù)用，解復(fù)用技術(shù)，光發(fā)射機(jī)，接收機(jī)技術(shù)等，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)模型。

　　網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況，在發(fā)送端，插入本節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的光監(jiān)控信號(hào)，在接收端，將接收到的光信號(hào)分波，輸出光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道信號(hào)；網(wǎng)絡(luò)配置系統(tǒng)通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)的配置，在光接入網(wǎng)中的光網(wǎng)絡(luò)接入（ONA）之間建立波長(zhǎng)路徑，利用光交叉連接（OXC）進(jìn)行波長(zhǎng)交換，利用光分插復(fù)用器（OADM）進(jìn)行波長(zhǎng)通道的輸入和輸出；實(shí)現(xiàn)對(duì)通信節(jié)點(diǎn)尋找數(shù)據(jù)傳輸路徑，為路徑分配波長(zhǎng)，支持路徑的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)發(fā)生重構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)功能節(jié)點(diǎn)的重新分布導(dǎo)致通信鏈路也需要相應(yīng)的進(jìn)行重新配置，實(shí)現(xiàn)路由和波長(zhǎng)分配方案間的變更。

　　網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控機(jī)制、硬件冗余層次與方法、故障處理等，主要利用冗余的波長(zhǎng)建立備份路徑（保護(hù)路徑），在工作路徑出現(xiàn)故障時(shí)，啟用備份路徑通信，從而提高網(wǎng)絡(luò)的生存性和可靠性。

　　圖2一種光交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　航電環(huán)境的特殊性及其對(duì)系統(tǒng)和元器件要求更為苛刻，因此航電環(huán)境下光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要比商用環(huán)境下的發(fā)展緩慢，在光纜逐漸取代電纜成為航電系統(tǒng)的主要通信傳輸媒介后，WDM技術(shù)受到了業(yè)界的普遍重視；WDM技術(shù)和光交換技術(shù)主要器件逐漸趨于成熟，商業(yè)的廣泛應(yīng)用給航電應(yīng)用積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)具備在航電系統(tǒng)應(yīng)用中規(guī)模小、實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)；隨著光纖通道在航電系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用，具有更高速率和可靠性的WDM和光交換技術(shù)應(yīng)用勢(shì)在必行。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　在航電光纖網(wǎng)絡(luò)中引入波分復(fù)用技術(shù)，在保持原有光纖通道傳輸?shù)幕A(chǔ)上，引入光交換技術(shù)，既提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬和靈活性，又適應(yīng)了航電光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了航電光纖網(wǎng)絡(luò)的平滑過(guò)度。該系統(tǒng)的建立，最終將實(shí)現(xiàn)航電環(huán)境中大容量，高速率的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，成為下一代航空電子系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]Naresh Chand. Approach to reducing swap and cost for avioncs high-speed optical data networks.

　　[2]Robert D.Gardner.A Photonic WDM Network Architecture for Next Generation Avionics Systems.

　　[3]Mark E.Daniel.Development of a fully interconnected optical network architecture(FIONA).

　　[4]武文彥，光波分復(fù)用系統(tǒng)與維護(hù).

　　[5]洪小斌，面向未來(lái)的光交換網(wǎng)絡(luò)及其器件技術(shù).

　　[6]顧畹儀，WDM超長(zhǎng)距離光傳輸技術(shù).