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光纖通信中光交換矩陣可靠性分析論文
針對光纖通信系統(tǒng)中的可靠性研究已取得了很多成果，但是對于光纖通信核心部件光開關交換矩陣的可靠性研究較少。研究半導體光放大器在光纖通信中的可靠性，并針對樹型半導體光放大器光交換矩陣進行了詳細分析。分析結果表明，用SOA組件構建的半導體放大器光交換矩陣可靠性差，必須采取一定的保護措施。采用雙構架構成保護系統(tǒng)，可以降低成本，增強性能，提高可靠性。
0引言
目前，互聯(lián)網(wǎng)和多媒體應用正在越來越多地依賴光纖通信網(wǎng)絡。由于信息技術的發(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)勢來源于光開關器件，半導體光放大器的開關矩陣已廣泛應用于數(shù)據(jù)處理中心、超級計算機與光纖通信的光開關系統(tǒng)。
光纖通信系統(tǒng)在信息社會中獲得了廣泛應用，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計人員和運營商高度關注的問題，但只有少數(shù)基于SOA的光開關矩陣比較可靠。
本文首先闡述了目前光開關可靠性方面存在的問題，然后分析樹形SOA開關矩陣的可靠性。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SOA開關矩陣采取保護措施。根據(jù)此分析，提出了雙開關矩陣SOA的保護與冗余構架。研究如何提高開關矩陣多組件和單獨組件的可靠性以及可靠性與容量之間的關系，并提供了設計更高可靠性的光矩陣SOA的線索和方法。
1光開關可靠性分析
隨著人類對信息技術的依賴越來越強，在中國一個中等發(fā)達城市，一小時沒有網(wǎng)絡信號，可能造成數(shù)百萬美元的損失。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡無間斷的服務，在光纖通信的交換節(jié)點上進行了大量研究，主要包括兩類：組件級與系統(tǒng)級。組件級開關矩陣的研究成果已有較高可靠性。本文重點研究系統(tǒng)級光開關矩陣的可靠性。
增強系統(tǒng)級光開關可靠性較為簡單與常見的方案是整個系統(tǒng)采用備份方式，但該方式所需成本較高。隨著信息社會的發(fā)展，未來無線網(wǎng)絡將覆蓋城鄉(xiāng)，與無線路由器相鏈接的光纖也將形成巨大規(guī)模。規(guī)模變大將導致網(wǎng)絡功耗巨大，不利于集成化和小型化，與現(xiàn)在通信網(wǎng)絡發(fā)展方向不一致。因此，研究更為理想的系統(tǒng)級光開關矩陣，實現(xiàn)系統(tǒng)級高可靠性網(wǎng)絡勢在必行。
目前的研究結果認為，要實現(xiàn)光開關的高可靠性，主要目標是提供冗余路徑。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，采用一些冗余關鍵性組件或子系統(tǒng)的光開關矩陣系統(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，通常與光開關并行。電子開關提供了傳輸?shù)男峦緩剑敼忾_關出現(xiàn)問題時，冗余組件的電子開關開始工作。此方案的優(yōu)點是成本低、功耗小、小型化，并降低了系統(tǒng)復雜性，但會導致系統(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)，也可以采用重路由來提供冗余路徑。當一個主路徑信號中斷或變?nèi)鯐r，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的光開關矩陣
SOA是一種通用的通信接口，針對SOA的通信接口，確定接口的接線位置。通訊時不涉及底層編程接口和通訊模型，可使構建在各種系統(tǒng)中的服務使用統(tǒng)一的方式進行交互�，F(xiàn)研究基于SOA的光開關矩陣，其中本文重點研究基于SOA的樹型轉換矩陣。
光纖通信中SOA樹型轉換矩陣是一個通信過程暢通的矩陣系統(tǒng)，結構簡單，失真小，擴展功能強大，圖1為一個基于SOA的樹型轉換矩陣。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N=4時，矩陣尚可使用，但不能達到標準(可靠性標準=99.999%);當N>4時，可靠性低于電信基本要求(基本要求標準=99.9%)，不能使用。因此，不受保護的開關矩陣基本上是不能使用的。
3SOA高可靠性光矩陣設計
為了增強SOA光矩陣的可靠性和可用性，研究了基于SOA架構，并引入冗余開關保護矩陣的方法。
3.1SOA光矩陣的1：1保護體系結構
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矩陣時，每個冗余開關矩陣都有冗余路徑，但沒有冗余路徑實現(xiàn)共享。圖3是一個SOA光矩陣的1：1保護體系結構，這是一個全冗余構架結構，每一個都有相應的備份 SOA，并采用N1和N2分割與組合構建的分割組合器。顯然這種結構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)研究能實現(xiàn)冗余路徑共享的結構體系。
3.2節(jié)點共享體系結構
基于每個節(jié)點分享冗余構架的基本思想，引入共享冗余SPN的概念，2個備份和1個星形耦合器組成的SPN體系結構，每個通道有N個輸入點，可共享共同冗余結構。這種結構體系允許在N個通道中，有一個失敗的輸入信號，而且所用組件少，成本低。
4結果與討論
通過對兩個不同保護結構(1∶1保護體系和SPN保護體系)的功能和可靠性分析，可以得出系統(tǒng)在采用1∶1保護體系時，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，導致用戶不愿意接收使用;在采用SPN體系結構時，在N個通道中，可允許有一個失敗的輸入信號，而且所用組件少、成本低，但如果有兩個信號輸入失敗，則將不能使用，因此在設計開關矩陣時必須仔細考慮。
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