光纤通信中光交换矩阵可靠性分析

　　针对光纤通信系统中的可靠性研究已取得了很多成果，但是对于光纤通信核心部件光开关交换矩阵的可靠性研究较少。研究半导体光放大器在光纤通信中的可靠性，并针对树型半导体光放大器光交换矩阵进行了详细分析。分析结果表明，用SOA组件构建的半导体放大器光交换矩阵可靠性差，必须采取一定的保护措施。采用双构架构成保护系统，可以降低成本，增强性能，提高可靠性。

　　0引言

　　目前，互联网和多媒体应用正在越来越多地依赖光纤通信网络。由于信息技术的发展，要求光纤通信具有大量端口和更高的效率。光纤通信的优势来源于光开关器件，半导体光放大器的开关矩阵已广泛应用于数据处理中心、超级计算机与光纤通信的光开关系统。

　　光纤通信系统在信息社会中获得了广泛应用，在信息传输和交换中也起到更加重要的作用。虽然光纤通信的可靠性已成为设计人员和运营商高度关注的问题，但只有少数基于SOA的光开关矩阵比较可靠。

　　本文首先阐述了目前光开关可靠性方面存在的问题，然后分析树形SOA开关矩阵的可靠性。分析表明：①微小的SOA可靠性差，不能满足通信中的可靠性要求;②必须对SOA开关矩阵采取保护措施。根据此分析，提出了双开关矩阵SOA的保护与冗余构架。研究如何提高开关矩阵多组件和单独组件的可靠性以及可靠性与容量之间的关系，并提供了设计更高可靠性的光矩阵SOA的线索和方法。

　　1光开关可靠性分析

　　随着人类对信息技术的依赖越来越强，在中国一个中等发达城市，一小时没有网络信号，可能造成数百万美元的损失。为了实现网络无间断的服务，在光纤通信的交换节点上进行了大量研究，主要包括两类：组件级与系统级。组件级开关矩阵的研究成果已有较高可靠性。本文重点研究系统级光开关矩阵的可靠性。

　　增强系统级光开关可靠性较为简单与常见的方案是整个系统采用备份方式，但该方式所需成本较高。随着信息社会的发展，未来无线网络将覆盖城乡，与无线路由器相链接的光纤也将形成巨大规模。规模变大将导致网络功耗巨大，不利于集成化和小型化，与现在通信网络发展方向不一致。因此，研究更为理想的系统级光开关矩阵，实现系统级高可靠性网络势在必行。

　　目前的研究结果认为，要实现光开关的高可靠性，主要目标是提供冗余路径。有两种途径可以提供冗余路径：重路由和共享冗余。

　　与采用整个系统备份的方式比较，引入系统电路共享，采用一些冗余关键性组件或子系统的光开关矩阵系统能够有效提高系统的可靠性。冗余组件大多是电子开关，通常与光开关并行。电子开关提供了传输的新途径，当光开关出现问题时，冗余组件的电子开关开始工作。此方案的优点是成本低、功耗小、小型化，并降低了系统复杂性，但会导致系统通信容量减小、通信速度降低。

　　如果不采用冗余组件(电子开关)，也可以采用重路由来提供冗余路径。当一个主路径信号中断或变弱时，次路径开始工作。但在有些系统中，不能采用重路由。

　　2基于SOA的光开关矩阵

　　SOA是一种通用的通信接口，针对SOA的通信接口，确定接口的接线位置。通讯时不涉及底层编程接口和通讯模型，可使构建在各种系统中的服务使用统一的方式进行交互。现研究基于SOA的光开关矩阵，其中本文重点研究基于SOA的树型转换矩阵。

　　光纤通信中SOA树型转换矩阵是一个通信过程畅通的矩阵系统，结构简单，失真小，扩展功能强大，图1为一个基于SOA的树型转换矩阵。它由基于SOA的N×N阵列组成N1SOA和N2SOA组合器，并在输入与输出间构建光路。

　　图2是光矩阵的可用性与可靠性分析图。在光纤通信系统中，随着矩阵尺寸增加，可用性和可靠性下降。当N=4时，矩阵尚可使用，但不能达到标准(可靠性标准=99.999%);当N>4时，可靠性低于电信基本要求(基本要求标准=99.9%)，不能使用。因此，不受保护的开关矩阵基本上是不能使用的。

　　3SOA高可靠性光矩阵设计

　　为了增强SOA光矩阵的可靠性和可用性，研究了基于SOA架构，并引入冗余开关保护矩阵的方法。

　　3.1SOA光矩阵的1：1保护体系结构

　　分析光通信系统中的备份系统，发现引入小型专用的冗余开关矩阵，具有降低成本、提高可靠性和可用性的效果。采用小型专用冗余开关矩阵时，每个冗余开关矩阵都有冗余路径，但没有冗余路径实现共享。图3是一个SOA光矩阵的1：1保护体系结构，这是一个全冗余构架结构，每一个都有相应的备份 SOA，并采用N1和N2分割与组合构建的分割组合器。显然这种结构的分割组合器可以允许部分SOA的失败，但另一方面需要大量的双重SOA和更大的分割组合器，必将增加成本和能耗。现研究能实现冗余路径共享的结构体系。

　　3.2节点共享体系结构

　　基于每个节点分享冗余构架的基本思想，引入共享冗余SPN的概念，2个备份和1个星形耦合器组成的SPN体系结构，每个通道有N个输入点，可共享共同冗余结构。这种结构体系允许在N个通道中，有一个失败的输入信号，而且所用组件少，成本低。

　　4结果与讨论

　　通过对两个不同保护结构(1∶1保护体系和SPN保护体系)的功能和可靠性分析，可以得出系统在采用1∶1保护体系时，其采用大分割组合器，性能稳定，可靠性增加，但成本也随之增加，且矩阵与功耗变大，导致用户不愿意接收使用;在采用SPN体系结构时，在N个通道中，可允许有一个失败的输入信号，而且所用组件少、成本低，但如果有两个信号输入失败，则将不能使用，因此在设计开关矩阵时必须仔细考虑。

　　作者：李向莉 来源：软件导刊 2016年2期