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光纖通信中光交換矩陣可靠性分析論文
針對(duì)光纖通信系統(tǒng)中的可靠性研究已取得了很多成果，但是對(duì)于光纖通信核心部件光開關(guān)交換矩陣的可靠性研究較少。研究半導(dǎo)體光放大器在光纖通信中的可靠性，并針對(duì)樹型半導(dǎo)體光放大器光交換矩陣進(jìn)行了詳細(xì)分析。分析結(jié)果表明，用SOA組件構(gòu)建的半導(dǎo)體放大器光交換矩陣可靠性差，必須采取一定的保護(hù)措施。采用雙構(gòu)架構(gòu)成保護(hù)系統(tǒng)，可以降低成本，增強(qiáng)性能，提高可靠性。
0引言
目前，互聯(lián)網(wǎng)和多媒體應(yīng)用正在越來越多地依賴光纖通信網(wǎng)絡(luò)。由于信息技術(shù)的發(fā)展，要求光纖通信具有大量端口和更高的效率。光纖通信的優(yōu)勢(shì)來源于光開關(guān)器件，半導(dǎo)體光放大器的開關(guān)矩陣已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)與光纖通信的光開關(guān)系統(tǒng)。
光纖通信系統(tǒng)在信息社會(huì)中獲得了廣泛應(yīng)用，在信息傳輸和交換中也起到更加重要的作用。雖然光纖通信的可靠性已成為設(shè)計(jì)人員和運(yùn)營(yíng)商高度關(guān)注的問題，但只有少數(shù)基于SOA的光開關(guān)矩陣比較可靠。
本文首先闡述了目前光開關(guān)可靠性方面存在的問題，然后分析樹形SOA開關(guān)矩陣的可靠性。分析表明：①微小的SOA可靠性差，不能滿足通信中的可靠性要求;②必須對(duì)SOA開關(guān)矩陣采取保護(hù)措施。根據(jù)此分析，提出了雙開關(guān)矩陣SOA的保護(hù)與冗余構(gòu)架。研究如何提高開關(guān)矩陣多組件和單獨(dú)組件的可靠性以及可靠性與容量之間的關(guān)系，并提供了設(shè)計(jì)更高可靠性的光矩陣SOA的線索和方法。
1光開關(guān)可靠性分析
隨著人類對(duì)信息技術(shù)的依賴越來越強(qiáng)，在中國(guó)一個(gè)中等發(fā)達(dá)城市，一小時(shí)沒有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，可能造成數(shù)百萬美元的損失。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無間斷的服務(wù)，在光纖通信的交換節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了大量研究，主要包括兩類：組件級(jí)與系統(tǒng)級(jí)。組件級(jí)開關(guān)矩陣的研究成果已有較高可靠性。本文重點(diǎn)研究系統(tǒng)級(jí)光開關(guān)矩陣的可靠性。
增強(qiáng)系統(tǒng)級(jí)光開關(guān)可靠性較為簡(jiǎn)單與常見的方案是整個(gè)系統(tǒng)采用備份方式，但該方式所需成本較高。隨著信息社會(huì)的發(fā)展，未來無線網(wǎng)絡(luò)將覆蓋城鄉(xiāng)，與無線路由器相鏈接的光纖也將形成巨大規(guī)模。規(guī)模變大將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)功耗巨大，不利于集成化和小型化，與現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向不一致。因此，研究更為理想的系統(tǒng)級(jí)光開關(guān)矩陣，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)高可靠性網(wǎng)絡(luò)勢(shì)在必行。
目前的研究結(jié)果認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的高可靠性，主要目標(biāo)是提供冗余路徑。有兩種途徑可以提供冗余路徑：重路由和共享冗余。
與采用整個(gè)系統(tǒng)備份的方式比較，引入系統(tǒng)電路共享，采用一些冗余關(guān)鍵性組件或子系統(tǒng)的光開關(guān)矩陣系統(tǒng)能夠有效提高系統(tǒng)的可靠性。冗余組件大多是電子開關(guān)，通常與光開關(guān)并行。電子開關(guān)提供了傳輸?shù)男峦緩剑?dāng)光開關(guān)出現(xiàn)問題時(shí)，冗余組件的電子開關(guān)開始工作。此方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低、功耗小、小型化，并降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)通信容量減小、通信速度降低。
如果不采用冗余組件(電子開關(guān))，也可以采用重路由來提供冗余路徑。當(dāng)一個(gè)主路徑信號(hào)中斷或變?nèi)鯐r(shí)，次路徑開始工作。但在有些系統(tǒng)中，不能采用重路由。
2基于SOA的光開關(guān)矩陣
SOA是一種通用的通信接口，針對(duì)SOA的通信接口，確定接口的接線位置。通訊時(shí)不涉及底層編程接口和通訊模型，可使構(gòu)建在各種系統(tǒng)中的服務(wù)使用統(tǒng)一的方式進(jìn)行交互。現(xiàn)研究基于SOA的光開關(guān)矩陣，其中本文重點(diǎn)研究基于SOA的樹型轉(zhuǎn)換矩陣。
光纖通信中SOA樹型轉(zhuǎn)換矩陣是一個(gè)通信過程暢通的矩陣系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，失真小，擴(kuò)展功能強(qiáng)大，圖1為一個(gè)基于SOA的樹型轉(zhuǎn)換矩陣。它由基于SOA的N×N陣列組成N1SOA和N2SOA組合器，并在輸入與輸出間構(gòu)建光路。
圖2是光矩陣的可用性與可靠性分析圖。在光纖通信系統(tǒng)中，隨著矩陣尺寸增加，可用性和可靠性下降。當(dāng)N=4時(shí)，矩陣尚可使用，但不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(可靠性標(biāo)準(zhǔn)=99.999%);當(dāng)N>4時(shí)，可靠性低于電信基本要求(基本要求標(biāo)準(zhǔn)=99.9%)，不能使用。因此，不受保護(hù)的開關(guān)矩陣基本上是不能使用的。
3SOA高可靠性光矩陣設(shè)計(jì)
為了增強(qiáng)SOA光矩陣的可靠性和可用性，研究了基于SOA架構(gòu)，并引入冗余開關(guān)保護(hù)矩陣的方法。
3.1SOA光矩陣的1：1保護(hù)體系結(jié)構(gòu)
分析光通信系統(tǒng)中的備份系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)引入小型專用的冗余開關(guān)矩陣，具有降低成本、提高可靠性和可用性的效果。采用小型專用冗余開關(guān)矩陣時(shí)，每個(gè)冗余開關(guān)矩陣都有冗余路徑，但沒有冗余路徑實(shí)現(xiàn)共享。圖3是一個(gè)SOA光矩陣的1：1保護(hù)體系結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)全冗余構(gòu)架結(jié)構(gòu)，每一個(gè)都有相應(yīng)的備份 SOA，并采用N1和N2分割與組合構(gòu)建的分割組合器。顯然這種結(jié)構(gòu)的分割組合器可以允許部分SOA的失敗，但另一方面需要大量的雙重SOA和更大的分割組合器，必將增加成本和能耗�，F(xiàn)研究能實(shí)現(xiàn)冗余路徑共享的結(jié)構(gòu)體系。
3.2節(jié)點(diǎn)共享體系結(jié)構(gòu)
基于每個(gè)節(jié)點(diǎn)分享冗余構(gòu)架的基本思想，引入共享冗余SPN的概念，2個(gè)備份和1個(gè)星形耦合器組成的SPN體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道有N個(gè)輸入點(diǎn)，可共享共同冗余結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系允許在N個(gè)通道中，有一個(gè)失敗的輸入信號(hào)，而且所用組件少，成本低。
4結(jié)果與討論
通過對(duì)兩個(gè)不同保護(hù)結(jié)構(gòu)(1∶1保護(hù)體系和SPN保護(hù)體系)的功能和可靠性分析，可以得出系統(tǒng)在采用1∶1保護(hù)體系時(shí)，其采用大分割組合器，性能穩(wěn)定，可靠性增加，但成本也隨之增加，且矩陣與功耗變大，導(dǎo)致用戶不愿意接收使用;在采用SPN體系結(jié)構(gòu)時(shí)，在N個(gè)通道中，可允許有一個(gè)失敗的輸入信號(hào)，而且所用組件少、成本低，但如果有兩個(gè)信號(hào)輸入失敗，則將不能使用，因此在設(shè)計(jì)開關(guān)矩陣時(shí)必須仔細(xì)考慮。
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