光信号收发交换单元、分布式光交换系统及其扩展方法

技术领域

本发明涉及一种光信号收发交换单元、分布式光交换系统及其扩展方法。适用于光网络通信技术领域。

背景技术

信息时代，随着云计算、数据中心、物联网、虚拟现实、高清短视频等应用的飞速增长，全球数据量呈爆炸式增长，预计未来全球数据年增长将维持在50％左右。而全球数据的90％来自于数据中心，如何处理大规模海量数据，就需要不断扩充大数据中心的基础设施，特别是光交换系统设备。

为应对数据量的飞速增长，光交换设备除了需要支持大容量光交换外，还要求光交换系统的可扩展性，易于容量的升级。

现有的光交换设备主要包括以下几种：

1、基于电-光-电转换的传统交换系统，需要多对光模块数据转发来做电光电转换，所用光模块数量较多，硬件系统扩容较困难(见图1)。

2、基于的WSS ROADM，基于WSS最大的特点是每个波长都可以被独立地交换。多端口的WSS模块能独立地将任意波长分配到任意路径，因此基于WSS技术的ROADM具有多个自由度，可实现Mesh网络互联，大容量的WSS技术难度大(见图2)。

3、基于光交叉开关的光交换系统，该系统光交叉开关制作难度大成本高(见图3)。

4、基于可调波长转换器和CyclicAWG的光交换系统(见图4、5、6)，通过级联或者合波结构实现较大容量光交换。但是以上结构都是集总式光交换，总容量的扩展受限于AWG和光交叉开关的端口数，不便于任意扩展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种光信号收发交换单元、分布式光交换系统及其扩展方法。

本发明所采用的技术方案是：一种光信号收发交换单元，其特征在于，具有N个输入/输出光端口，每个光端口能同时发射和接收光信号，该光信号收发交换单元包括：

NxN的循环寻址阵列波导光栅路由器，一侧的N个光端口作为内部输入/输出光端口，另一侧的N个光端口作为该光收发交换单元的输入/输出光端口；

N个可调谐光模块，与所述循环寻址阵列波导光栅路由器的N个内部输入/输出光端口一一对应互联；可调谐光模块具有光发射单元和光接收单元，其中光发射单元能够通过循环寻址阵列波导光栅路由器的输出光端口发送包含数据信息和管理信息的光信号，光接收单元能够通过循环寻址阵列波导光栅路由器接受远端节点发送的包含数据信息和管理信息的光信号；

控制主板，与N个所述可调谐光模块电连接，用于根据接收的管理信息控制相应可调谐光模块发出相应波长的指定波长光信号，以使相应可调谐光模块发出的指定波长光信号经所述循环寻址阵列波导光栅路由器后从另一侧指定的光端口发出；

所述控制主板接收的管理信息由上位机发送或由所述光接收单元接收的光信号解调得到。

一种光信号收发交换单元，其特征在于，具有N个能发射光信号的输出光端口和N个能接收光信号的输入光端口，该光信号收发交换单元包括：

NxN的循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ，一侧的N个光端口作为内部输入光端口，另一侧的N个光端口作为该光收发交换单元的输出光端口；

N个光发射单元，与所述循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ的N个内部输入光端口一一对应互联，光发射单元能够向循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ发送包含数据信息和管理信息的光信号；

NxN的循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅱ，一侧的N个光端口作为内部输出光端口，另一侧的N个光端口作为该光收发交换单元的输入光端口；

N个光接收单元，与所述循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅱ的N个内部输出光端口一一对应互联，光接收单元能够接收循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅱ输出的包含数据信息和管理信息的光信号；

控制主板，与N个所述光发射单元和N个所述光接收单元电连接，用于根据接收的管理信息控制相应光发射单元发出相应波长的指定波长光信号，以使相应光发射单元发出的指定波长光信号经所述循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ后从另一侧指定的输出光端口发出；

所述控制主板接收的管理信息由上位机发送或由所述光接收单元接收的光信号解调得到。

所述管理信息由调顶技术构建的低比特率管理通道传输；

发送端光信号收发交换单元的控制主板接收到管理信息后，将低比特率的管理信息加载到光信号中；

经过光纤传输后，光信号中的管理信息通过接收端光信号收发交换单元中光接收单元解调出与高比特率的数据信息分离的低比特率管理信号，该低比特率管理信号通过去噪、放大后再送入控制主板。

所述管理信息包括网络状态变更信息、波长切换信息和同步控制信号。

所述光发射单元由一个发射光信号的可调谐激光器和驱动电路组成；所述光接收单元由一个接收光信号的探测器和接收电路组成。

一种分布式光交换系统，具有若干节点，其特征在于：节点之间经光纤直接互联或经光纤和节点间接互联，每个节点包括服务器集群或主机，以及所述的光信号收发交换单元；

所述服务器集群或主机与同一节点中的光信号收发交换单元互联，服务器集群或主机通过与其互联的光信号收发交换单元发送和接收数据；

节点中光信号收发交换单元的光端口经光纤直接连接系统中另一节点中光信号收发交换单元的相应光端口，或经一个或多个中间节点间接连接系统中另一节点中光信号收发交换单元的相应光端口。

发送端节点的光信号收发交换单元中的控制主板获取同一节点中服务器集群或者主机发送的待传输数据和管理信息；

所述光信号收发交换单元的控制主板根据管理信息确定光发射单元中的可调激光器所发射信号的波长，并结合待传输数据控制相应光发射单元发出指定波长光信号；

光发射单元发出的指定波长光信号传输至循环寻址阵列波导光栅路由器上的相应内部输入光端口，循环寻址阵列波导光栅路由器将相应内部输入光端口接收的指定波长光信号从另一侧与管理信息对应的光端口发出；

发送端节点发出的光信号经相应光纤直接传输至与其直接连接的管理信息对应接收端节点，或经一个或多个中间节点传输至与其间接连接的管理信息对应接收端节点；

接收端节点的光信号收发交换单元控制主板从接收到的光信号中解调出数据信息和管理信息，控制主板在确认管理信息与本节点对应后将数据信息上传至同节点的服务器集群或主机。

中间节点的光信号收发交换单元从上一节点发送的光信号中解调出数据信息和管理信息；

控制主板根据管理信息确定相应的光发射单元中的可调激光器所发射信号的波长，并结合待传输数据控制相应光发射单元发出指定波长光信号；

光发射单元发出的指定波长光信号传输至循环寻址阵列波导光栅路由器上的相应内部输入端，循环寻址阵列波导光栅路由器将相应内部输入端接收的指定波长光信号从另一侧与管理信息对应的光端口发出。

一种所述分布式光交换系统的扩展方法，用于在现有分布式光交换系统中增加节点，其特征在于：

将新增节点中光信号收发交换单元的输出光端口经光纤连接现有分布式光交换系统中节点上光信号收发交换单元的输入光端口；

将新增节点中光信号收发交换单元的输入光端口经光纤连接现有分布式光交换系统中节点上光信号收发交换单元的输出光端口；

更新各节点中光信号收发交换单元的各个光端口与系统中其余节点的直接和间接连接关系。

本发明的有益效果是：本发明中光信号收发交换单元利用NxN循环寻址阵列波导光栅路由器的波长路由功能(从特定输入光端口输入的特定波长信号能够从特定的输出光端口输出)，结合N个光发射单元，可以控制光发射单元发出的光信号经循环寻址阵列波导光栅路由器后输出的光端口。循环寻址阵列波导光栅路由器可使多个光发射单元发出的不同波长光信号耦合于同一输出光端口。

本发明中NxN循环寻址阵列波导光栅路由器与N个光接收单元结合，能在循环寻址阵列波导光栅路由器接收到外界光信号后从接收的外界光信号中分离出多个不同波长的光信号(如有多个)，多个不同波长的光信号分别发送个多个光接收单元，光接收单元从其接收的光信号中解调出管理信息和数据信息。

本发明中分布式光交换系统采用分布式光交换架构，结合光信号收发交换单元可按需确定光信号输出端口的特点，一方面可以实现交换系统的按需扩容，而无需替换已有交换系统单元，不受限于光信号收发交换单元的端口数；另一方面可以实现不同路径的光信号收发交换单元之间的相互保护。

附图说明

图1～6为现有技术的结构示意图。

图7为实施例中分布式光交换系统的结构示意图(以5个网络节点为例，全连接工作)。

图8为实施例中光收发交换单元单纤双向结构示意图。

图9为实施例中可调谐光模块的结构示意图。

图10为实施例中分布式光交换系统非全连接结构示意图(以5个网络节点为例子，非全连接工作)。

图11为实施例中树状分布式光交换系统的结构示意图。

图12为实施例中光收发交换单元双纤结构示意图。

具体实施方式

实施例1：本实施例为一种分布式光交换系统，具有若干节点，每个节点包含一个光信号收发交换单元。

图7为实施例中分布式光交换系统的结构示意图，每个节点中的光收发交换单元1通过光纤或者波导2与其它4个节点中的光收发交换单元均直接互联，组成分布式光交换系统的全连接结构形式。

本例中分布式光交换系统中每个节点具有一个光信号收发交换单元，每个光信号收发交换单元具有N(本例中N大于等于4)个输入/输出光端口，该光信号收发交换单元的任意4个输入/输出光端口分别连接其余4个节点中光信号收发交换单元上的某一输入/输出光端口。

图8为实施例中光收发交换单元的单纤双向结构示意图。光收发交换单元1由可调激光器模块11、NxN的循环寻址阵列波导光栅路由器14、控制主板16组成，其中循环寻址阵列波导光栅路由器一侧为N个内部输入/输出光端口，另一侧为N个外部输入/输出光端口。调谐光模块具有N个，与循环寻址阵列波导光栅路由器14一侧的N个内部输入/输出光端口一一对应，可调谐光模块的输入/输出光端口12通过光纤或者波导与循环寻址阵列波导光栅路由器14一侧相应内部输入/输出光端口互联，循环寻址阵列波导光栅路由器14另一侧的外部输入/输出光端口作为光收发交换单元的N个输入/输出光端口，光收发交换单元的输入/输出光端口能同时发射和接收光信号。

图9为实施例中可调谐光模块11的结构示意图，可调谐光模块11由包含滤波器104、光发射单元和光接收单元，光发射单元由一个发射光信号的可调谐激光器TLD 101和驱动电路组成，能够发送包含高比特率数据信息和低比特率管理信息的光信号；光接收单元由一个接收光信号的探测器(本例采用光电二极管PD102)及接收电路组成，能够接收包含高比特率数据信息和低比特率管理信息的光信号。本例中可调谐激光器TLD 101和光电二极管PD102安装于驱动及接收电路板103上，驱动及接收电路板103上制有驱动电路和接收电路。

本实施例中可调谐激光器TLD 101发出的光信号通过滤波器104后，经模块输入/输出光端口12输出光信号；输入模块输入/输出光端口12的光信号通过滤波器104后，由光电二极管PD102接收。本例中滤波器104可以由环形器替代以实现滤除输入和输出信号的波长无关特性。

本例中控制主板16与N个可调谐光模块11均电连接，控制主板16根据接收的管理信息控制相应可调谐光模块11发出相应波长的指定波长光信号，以使相应可调谐光模块发出的指定波长光信号经循环寻址阵列波导光栅路由器14后从循环寻址阵列波导光栅路由器另一侧指定的外部输入/输出光端口发出。

本实施例中控制主板接收的管理信息由同一节点中的上位机发送给控制主板或由光接收单元从其接收的光信号解调出管理信息后发送给控制主板。

本实施例中管理信息包括网络状态变更信息、波长切换信息和同步控制信号。网络状态变更信息包含光收发交换节点网络状态信息以及根据发送端节点和接收端节点结合存储的系统中各节点之间的之间和间接连接关系确定的传输路径信息；波长切换信息用来控制可调激光器波长通道的切换；同步控制信号用来同步触发不同节点的可调激光器的波长切换。管理信息由调顶技术构建的低比特率管理通道传输，发送端的控制主板接收到管理信息后，通过单载波调幅、多载波调幅或者调频等调顶方式将低比特率的管理信息加载到光信号中；经过光纤传输后，光信号中的管理信息可以通过接收端的接收电路解调出与高比特率数据分离的低比特率管理信号，该低比特率管理信号通过去噪、放大后再送入接收端控制主板处理。

本例中分布式光交换系统的节点与节点之间的数据传输方法如下：

发送端节点的光信号收发交换单元获取上位机发送的一组或多组管理信息和待传输数据；

该光信号收发交换单元的控制主板根据管理信息确定相应的光发射单元中的可调激光器所发射信号的波长，并将远端节点的波长路由信息通过单载波调幅、多载波调幅或者调频等调顶方式加载到低比特率的管理信号中。

光发射单元发出的指定波长光信号传输至循环寻址阵列波导光栅路由器上的相应内部输入/输出光端口，指定波长光信号经循环寻址阵列波导光栅路由器后从循环寻址阵列波导光栅路由器另一侧指定的外部输入/输出光端口输出；如同时有多组数据传输至同一发送端节点时，循环寻址阵列波导光栅路由器将多个不同波长的光信号耦合到同一外部输入/输出光端口输出；

发送端节点经其光信号收发交换单元上循环寻址阵列波导光栅路由器发出的光信号经相应光纤直接传输至相应的接收端节点；

接收端节点中循环寻址阵列波导光栅路由器的外部输入/输出光端口接收光纤传输来的光信号，并从接收到的光信号中分离出多个不同波长的光信号(如接收到的光信号中耦合有多个不同波长光信号)，分离出的多个不同波长光信号分别从循环寻址阵列波导光栅路由器的多个内部输入/输出光端口输出，内部输入/输出光端口对应的光接收单元接收内部输入/输出光端口输出的光信号并从中解调出数据信息和管理信息；

接收端节点中光接收单元将解调出的数据信息和管理信息发送给控制主板，控制主板在确认管理信息与本节点对应后将数据信息上传至同节点的上位机。

本实施例中分布式光交换系统的扩展方法，包括：

将新增节点中光信号收发交换单元的至少一输入/输出光端口经光纤连接现有分布式光交换系统中至少一个节点上光信号收发交换单元的输入/输出光端口；

更新各节点中光信号收发交换单元的各个输入/输出光端口与系统中其余节点的直接和间接连接关系，并存储。

实施例2：如图10所示，本实施例中非全连接结构形式的分布式光交换系统，该分布式光交换系统与实施例1基本相同，不同之处仅在于本例中节点与节点之间不全直接互联，存在节点与节点之间仅能通过系统中另一或另几个节点间接互联的情况。

本例中分布式光交换系统的节点与节点之间的数据传输方法如下：

A、当发送端节点和接收端节点直接互联时，节点之间的数据传输方法同实施例1的数据传输方法；

B、当发送端节点和接收端节点仅通过系统中另一或另几个节点间接互联时，数据传输的方法如下：

发送端节点的光信号收发交换单元获取上位机发送的一组或多组管理信息和待传输数据；

该光信号收发交换单元的控制主板根据管理信息确定相应的光发射单元及其所产生信号的相应波长，并结合同组中相应待传输数据控制相应光发射单元发出相应波长的指定波长光信号；

光发射单元发出的指定波长光信号传输至循环寻址阵列波导光栅路由器上的相应内部输入/输出光端口，指定波长光信号经循环寻址阵列波导光栅路由器后从循环寻址阵列波导光栅路由器另一侧指定的外部输入/输出光端口输出；如同时有多组数据传输至同一发送端节点时，循环寻址阵列波导光栅路由器将多个不同波长的光信号耦合到同一外部输入/输出光端口输出；

发送端节点经其光信号收发交换单元上循环寻址阵列波导光栅路由器发出的光信号经相应光纤传输至数据传输路径上的下一节点(中间节点)；

中间节点的光信号收发交换单元从上一节点发送的光信号中解调出数据信息和管理信息；

中间节点中控制主板根据管理信息确定相应的光发射单元及其所产生信号的相应波长，并结合数据信息控制相应光发射单元发出相应波长的指定波长光信号；

中间节点中相应光发射单元发出的指定波长光信号传输至循环寻址阵列波导光栅路由器上的相应内部输入/输出光端口，循环寻址阵列波导光栅路由器将相应内部输入/输出光端口接收的指定波长光信号从另一侧指定的外部输入/输出光端口发出；

中间节点发出的光信号经光纤传输至数据传输路径上的下一中间节点(如有)或相应接收端节点；

接收端节点中循环寻址阵列波导光栅路由器的外部输入/输出光端口接收光纤传输来的光信号，并从接收到的光信号中分离出多个不同波长的光信号(如接收到的光信号中耦合有多个不同波长光信号)，分离出的多个不同波长光信号分别从循环寻址阵列波导光栅路由器的多个内部输入/输出光端口输出，内部输入/输出光端口对应的光接收单元接收内部输入/输出光端口输出的光信号并从中解调出数据信息和管理信息；

接收端节点中光接收单元将解调出的数据信息和管理信息发送给控制主板，控制主板在确认管理信息与本节点对应后将数据信息上传至同节点的上位机。

实施例3：如图11所示，本实施例中树状分布的分布式光交换系统，该分布式光交换系统与实施例2基本相同，不同之处仅在于本实施例中的节点呈树状分布，节点中服务器集群(上位机)的数据通过与其互联的光信号收发交换单元发射和接收。

实施例4：本实施例与实施例1、2或3基本相同，不同之处仅在于本例中光收发交换单元1采用双纤结构，光收发交换单元1由一个NxN的循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ105、一个NxN的循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅱ106、N个光发射单元、N个光接收单元和一控制主板16组成。

本例中循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ一侧的N个光端口作为内部输入光端口110，另一侧的N个光端口作为外部输出光端口107并作为该光收发交换单元的输出光端口。N个光发射单元与循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ的N个内部输入光端口一一对应，光发射单元的光发射端口109通过光纤或者波导2连接循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ上的相应内部输入光端口110。

本实施例中循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅱ一侧的N个光端口作为内部输出光端口112，另一侧的N个光端口作为外部输入光端口108并作为该光收发交换单元的输入光端口。N个光接收单元与循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅱ的N个内部输出光端口一一对应，循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅱ上的内部输出光端口112通过光纤或者波导2连接相应光接收单元的光接收端口111。

本例中控制主板16与N个光发射单元和N个光接收单元均电连接，控制主板16根据接收的管理信息控制相应光发射单元发出相应波长的指定波长光信号，以使相应光发射单元发出的指定波长光信号经循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ后从循环寻址阵列波导光栅路由器Ⅰ另一侧指定的外部输出光端口发出。

本实施例的分布式光交换系统中节点上光收发交换单元的输出光端口经光纤直接或经其他节点间接连接系统中任意节点上光收发交换单元的输入光端口，该节点上光收发交换单元的输入光端口经光纤直接或经其他节点间接连接系统中任意节点上光收发交换单元的输出光端口。

本实施例中分布式光交换系统的扩展方法，包括：

将新增节点中光信号收发交换单元的至少一个输出光端口经光纤连接现有分布式光交换系统中节点上光信号收发交换单元的输入光端口；

将新增节点中光信号收发交换单元的至少一个输入光端口经光纤连接现有分布式光交换系统中节点上光信号收发交换单元的输出光端口；

更新各节点中光信号收发交换单元的各个输入、输出光端口与系统中其余节点的直接和间接连接关系。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。