光纖通信:第8章光纖通信網絡.ppt
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8 1通信網的發(fā)展趨勢8 2SDH傳送網 8 3WDM光網絡8 4光接入網 第8章光纖通信網絡 返回主目錄 第8章光纖通信網絡 8 1通信網的發(fā)展趨勢 通信網總的發(fā)展趨勢是數字化 綜合化和寬帶化 與光纖通信關系最為密切的是寬帶化 這是人類社會發(fā)展到信息時代的迫切需求 也是科技進步的必然產物 數字化就是在通信網的各個部分 核心網和接入網 及各個環(huán)節(jié) 傳輸 交換 接入 終端等 全面采用數字技術 目前核心網 或稱骨干網 已實現了數字化 采用了數字傳輸和數字交換技術 其優(yōu)越性已十分明顯 接入網的情況比較復雜 模擬的東西還大量存在 如電話網從核心網邊緣的端局交換機到用戶終端的用戶環(huán)路 大量使用的還是模擬二線 有線電視系統(tǒng)也基本上是模擬的 新近采用的非對稱數字用戶線 ADSL 實際上是模數混合體制 綜合業(yè)務數字網 包括窄帶和寬帶 的主要目的是要實現接入部分的數字化 提供端到端數字連接 從而支持綜合業(yè)務 但由于種種原因 并沒有普遍推廣應用 所以現在只能說接入網正處于數字化的過程中 還不能說已實現了數字化 綜合化 主要指業(yè)務的綜合 即通信網要由原來的單一業(yè)務網 如電話網 分組數據網 發(fā)展為能同時提供多種業(yè)務 包括話音 數據 圖像等 特別是多媒體業(yè)務的網絡 數字化是綜合化的前提 當各種類型的消息都用統(tǒng)一的數字符號表示時 通過端到端的數字傳輸 便能實現綜合業(yè)務 長期以來 通信網的主要業(yè)務是話音 所以電信網基本上等同于電話網 電信網中還有一種業(yè)務是電報 相當于原始的低速數據業(yè)務 隨著計算機網絡的出現和發(fā)展 特別是因特網 Internet 擴展到全世界 對數據業(yè)務量的需求不斷增長 近十年來 幾乎每半年翻一番 數據業(yè)務量猛增的主要推動力是因特網的WWW業(yè)務和高速多媒體業(yè)務 因此 用不了多少時間 數據業(yè)務的總量將超過電話業(yè)務 此外 電視會議 遠程教育 電子商務等應用都要求通信網提供高速數據和視頻業(yè)務 而這些業(yè)務所需的帶寬都遠大于電話業(yè)務 因此業(yè)務綜合化必將導致網絡的寬帶化 通信網絡從電話業(yè)務為主演進到多媒體業(yè)務為主 每個用戶占用的帶寬由64kb s要提高到6Mb s左右 由此估計總業(yè)務量約增加100倍 如果考慮到今后要支持高清晰度電視等更寬帶寬的業(yè)務 則總業(yè)務量還會不斷增加 所以網絡寬帶化首先是人們的迫切需求 另一方面 由于光纖通信技術的成就 特別是密集波分復用 DWDM 技術的發(fā)展 使得網絡的傳輸帶寬大大增加 如果雙絞銅線的傳輸帶寬按2Mb s估計 一根光纖采用DWDM技術 傳輸容量可達到20 200Gb s 也就是說 光纖的傳輸容量是銅線的一萬至十萬倍 因此寬帶化意味著光纖將成為主要的傳輸媒質 今天 在核心網內以光纖為傳輸媒質 采用DWDM技術實現寬帶傳輸 同時采用光交換技術構成全光通信網 已成為現實 在接入網中 光纖正在伸向用戶 從光纖到路邊 FTTC 光纖到大樓 FTTB 發(fā)展到光纖到交接箱 FTTCab 最后將實現光纖到家 FTTH 當然 從帶寬需求和經濟性考慮 接入網采用光纖沒有必要也不可能如同核心網那樣采用DWDM技術 而是采用比較簡單和廉價的光纖通信設備 因此接入網和核心網實現寬帶化的技術途徑是不同的 本章將分別予以介紹 8 2SDH傳送網 8 2 1SDH傳送網的功能結構一個電信網有兩大功能群 傳送功能群和控制功能群 所謂傳送網就是完成傳送功能的手段 當然傳送網也能傳遞各種網絡控制信息 傳送網主要指邏輯功能意義上的網絡 是一個復雜龐大的網絡 為了便于網絡的設計和管理 通常用分層 Laying 和分割 Partitioning 的概念 將網絡的結構元件按功能分為參考點 接入點 拓撲元件 傳送實體和傳送處理功能四大類 網絡的拓撲元件分為三種 即層網絡 子網和鏈路 只需這三種元件就可以完全地描述網絡的邏輯拓撲 從而使網絡的結構變得靈活 網絡描述變得容易 1 傳送網的分層和分割 傳送網是分層的 由垂直方向的連續(xù)的傳送網絡層 即層網絡 疊加而成 從上而下分別為電路層 通道層和傳輸媒質層 又分為段層和物理層 每一層網絡為其相鄰的高一層網絡提供傳送服務 同時又使用相鄰的低一層網絡所提供的傳送服務 提供傳送服務的層稱為服務者 Server 使用傳送服務的層稱為客戶 Client 因而相鄰的層網絡之間構成了客戶 服務者關系 SDH傳送網分層模型如圖8 1所示 自上而下依次為電路層網絡 通道層網絡和傳輸媒質層網絡 圖8 1SDH傳送網的分層模型 電路層網絡涉及到電路層接入點之間的信息傳遞并直接為用戶提供通信業(yè)務 如電路交換業(yè)務 分組交換業(yè)務 租用線業(yè)務和BISDN虛通路等 根據提供業(yè)務的不同可以分為不同的電路層網絡 如64kb s電路交換網 分組交換網 租用線電路網和ATM交換網等 電路層網絡的設備包括用于各種交換業(yè)務的交換機 例如電路交換機或分組交換機 和用于租用線業(yè)務的交叉連接設備等 電路層網絡與相鄰的通道層網絡是相互獨立的 通道層網絡用于通道層接入點之間的信息傳遞并支持不同類型的電路層網絡 為電路層網絡提供傳送服務 其提供傳輸鏈路的功能與PDH中的2Mb s 34Mb s和140Mb s SDH中的VC11 VC12 VC2 VC3和VC4 以及BISDN中的虛通道功能類似 能夠對通道層網絡的連接性進行管理控制是SDH網的重要特性之一 SDH傳送網中的通道層網絡還可進一步分為高階通道層網絡和低階通道層網絡 傳輸媒質層網絡為通道層網絡結點提供合適的通道容量 并且可以進一步分為段層網絡和物理媒質層網絡 簡稱物理層 其中段層網絡是為了保證通道層的兩個結點間信息傳遞的完整性 物理層是指具體的支持段層網絡的傳輸媒質 如光纜或無線 SDH網中的段層網絡還可以進一步細分為復用段層網絡和再生段層網絡 其中復用段層網絡涉及復用段終端之間的端到端的信息傳遞 再生段層網絡涉及再生器之間或再生器與復用段終端之間的信息傳遞 一個完整的SDH傳送網分層模型如圖8 2所示 圖8 2SDH傳送網完整分層模型 將傳送網分為獨立的三層 每層能在與其它層無關的情況下單獨加以規(guī)定 可以較簡便地對每層分別進行設計與管理 每個層網絡都有自己的操作和維護能力 從網絡的觀點來看 可以靈活地改變某一層 不會影響到其它層 傳送網分層后 每一層網絡仍然很復雜 地理上覆蓋的范圍很大 為了便于管理 在分層的基礎上 將每一層網絡在水平方向上按照該層內部的結構分割為若干個子網和鏈路連接 分割往往是從地理上將層網絡再細分為國際網 國內網和地區(qū)網等 并獨立地對每一部分行使管理 圖8 3給出了傳送網分割概念與分層概念的一般關系 圖8 3傳送網的分割 a 分層概念 b 分割概念 采用分割的概念可以方便地在同一網絡層內對網絡結構進行規(guī)定 允許層網絡的一部分被層網絡的其余部分看作一個單獨實體 可以按所希望的程度將層網絡遞歸分解表示 為層網絡提供靈活的連接能力 從而方便網絡管理 也便于改變網絡的組成并使之最佳化 鏈路是代表一對子網之間有固定拓撲關系的一種拓撲元件 用來描述不同的網絡設備連接點間的聯系 例如兩個交叉連接設備之間的多個平行的光纜線路系統(tǒng)就構成了鏈路 2 傳送網的功能結構 圖8 4為傳送網的功能模型示例 層網或子網之間通過連接 網絡連接 子網連接 鏈路連接 和適配 如層間適配 包括復用解復用 編碼解碼 定位與調整 速率變化等 構成整個傳送網 相鄰的層間符合客戶 服務者關系 圖8 4傳送網的功能模型 8 2 2SDH網的物理拓撲網絡的物理拓撲泛指網絡的形狀 即網絡結點和傳輸線路的幾何排列 它反映了物理上的連接性 除了最簡單的點到點的物理拓撲外 網絡物理拓撲一般有5種類型 即線形 星形 樹形 環(huán)形和網孔形 如圖8 5所示 1 線形 將通信網的所有站點串聯起來 并使首末兩個點開放 就形成了線形拓撲 在這種拓撲結構中 要使兩個非相鄰點之間完成連接 其間的所有點都必須完成連接功能 這是SDH早期應用的比較經濟的網絡拓撲形式 首末兩端使用終端復用器 TM 中間各點使用分插復用器 ADM 圖8 5SDH網絡的物理拓撲 a 線形 b 星形 c 樹形 d 環(huán)形 e 網孔形 2 星形 當通信網的所有點中有一個特殊的點與其余點以輻射的形式直接相連 而其余點之間相互不能直接相連時 就形成了星形拓撲 又稱樞紐形拓撲 在這種拓撲結構中 除了特殊點外的任意兩點間的連接都是通過特殊點進行的 特殊點為經過的信息流進行路由選擇并完成連接功能 這種網絡拓撲可以將特殊點 樞紐站 的多個光纖終端綜合成一個 具有靈活的帶寬管理 能節(jié)省投資和運營成本 但是在特殊點存在失效問題和瓶頸問題 3 樹形 將點到點拓撲單元的末端點連接到幾個特殊點就形成樹形拓撲 樹形拓撲可以看成是線形拓撲和星形拓撲的結合 這種拓撲結構在特殊點也存在瓶頸問題和光功率預算限制問題 特別適用于廣播式業(yè)務 但不適用于提供雙向通信業(yè)務 4 環(huán)形 將通信網的所有站點串聯起來首尾相連 而且沒有任何點開放 就形成了環(huán)形網 將線形結構的兩個首尾開放點相連就變成了環(huán)形網 在環(huán)形網中 要完成兩個非相鄰點之間的連接 這兩點之間的所有點都必須完成連接功能 環(huán)形網的最大優(yōu)點是具有很高的網絡生存性 因而在SDH網中受到特別的重視 5 網孔形 當通信網的許多點直接互連時就形成了網孔形拓撲 如果所有的點都直接互連時就稱為理想的網孔形 在非理想的網孔形中 沒有直接相連的兩個點之間需要經由其它點的轉接功能才能實現連接 網孔形的優(yōu)點是不存在如星形拓撲那樣的瓶頸問題和失效問題 兩點間有多種路由可選 缺點是結構復雜 成本較高 上述的拓撲結構都有各自的特點 在網中都有不同程度的應用 網絡拓撲的選擇要考慮的因素很多 如網絡的生存性是否高 網絡配置是否容易 網絡結構是否適于引進新業(yè)務等 一個實際網絡的不同部分適宜采用的拓撲結構也有可能不同 例如本地網適宜采用環(huán)形和星形拓撲結構 有時也可用線形拓撲 市內局間中繼網適宜采用環(huán)形和線形拓撲 而長途網可能采用網孔形拓撲 8 2 3自愈網 隨著人類社會進入信息社會 人們對通信的依賴性越來越大 對通信網絡生存性的要求也越來越高 一種稱為自愈網 Self healingNetwork 的概念應運而生 所謂自愈網就是無需人為干預 網絡就能在極短的時間內從失效故障中自動恢復 使用戶感覺不到網絡已出了故障 其基本原理就是使網絡具備發(fā)現替代傳輸路由并重新確立通信的能力 自愈網的概念只涉及重新確立通信 不管具體失效元部件的修復或更換 后者仍需人員干預才能完成 PDH系統(tǒng)采用的線路保護倒換方式是最簡單的自愈網形式 但是當光纜被切斷時 往往是同一纜內的所有光纖 包括主用和備用 都被切斷 在這種情況下上述保護方式就無能為力了 改善網絡生存性的最好辦法是將網絡結點連成一個環(huán)形 形成所謂的自愈環(huán) Self healingRing 環(huán)形網的結點可以是ADM 也可以是DXC 但通常由ADM構成 SDH的特色之一便是能夠利用ADM的分插復用能力構成自愈環(huán) 自愈環(huán)結構可分為兩大類 通道倒換環(huán)和復用段倒換環(huán) 通道倒換環(huán)屬于子網連接保護 其業(yè)務量的保護是以通道為基礎 是否倒換以離開環(huán)的每一個通道信號質量的優(yōu)劣而定 通常利用通道AIS信號來決定是否應進行倒換 復用段倒換環(huán)屬于路徑保護 其業(yè)務量的保護以復用段為基礎 以每對結點的復用段信號質量的優(yōu)劣來決定是否倒換 通道倒換環(huán)與復用段倒換環(huán)的一個重要區(qū)別是前者往往使用專用保護 即正常情況下保護段也在傳業(yè)務信號 保護時隙為整個環(huán)專用 而后者往往使用公用保護 即正常情況下保護段是空閑的 保護時隙由每對結點共享 如果按照進入環(huán)的支路信號與由該支路信號分路結點返回的支路信號方向是否相同 又可以將自愈環(huán)分為單向環(huán)和雙向環(huán) 正常情況下 單向環(huán)中所有業(yè)務信號按同一方向在環(huán)中傳輸 雙向環(huán)中進入環(huán)的支路信號按一個方向傳輸 而由該支路信號分路結點返回的支路信號按相反的方向傳輸 如果按照一對結點間所用光纖的最小數量還可以分為二纖環(huán)和四纖環(huán) 下面以四個結點的環(huán)為例 介紹4種典型的自愈環(huán)結構 1 二纖單向通道倒換環(huán) 二纖單向通道倒換環(huán)如圖8 6所示 通常單向環(huán)由兩根光纖來實現 S1光纖用來攜帶業(yè)務信號 P1光纖用來攜帶保護信號 8 6二纖單向通道倒換環(huán) 這種環(huán)采用 首端橋接 末端倒換 結構 例如 在結點A進入環(huán)傳送給結點C的支路信號 AC 同時饋入S1和P1向兩個不同方向傳送到C點 其中S1光纖按順時針方向 P1光纖按逆時針方向 C點的接收機同時收到兩個方向傳送來的支路信號 擇優(yōu)選擇其中一路作為分路信號 正常情況下 S1傳送的信號為主信號 同理 在C點進入環(huán)傳送至結點A的支路信號 CA 按上述同樣的方法傳送到結點A S1光纖所攜帶的CA信號為主信號 當BC結點間的光纜被切斷時 兩根光纖同時被切斷 從A經S1光纖到C的AC信號丟失 結點C的倒換開關由S1轉向P1 結點C接收經P1光纖傳送的AC信號 從而使AC間業(yè)務信號不會丟失 實現了保護作用 故障排除后 倒換開關返回原來的位置 2 二纖單向復用段倒換環(huán) 二纖單向復用段倒換環(huán)的結構如圖8 7所示 這是一種路徑保護方式 在這種環(huán)形結構中每一結點都有一個保護倒換開關 正常情況下 S1光纖傳送業(yè)務信號 P1光纖是空閑的 當BC結點間光纜被切斷 兩根光纖同時被切斷 與光纜切斷點相鄰的兩個結點B和C的保護倒換開關將利用APS AutomaticProtectionSwitching 協(xié)議執(zhí)行環(huán)回功能 例如在B結點S1光纖上的信號 AC 經倒換開關從P1光纖返回 沿逆時針方向經A結點和D結點仍然可以到達C結點 并經C結點的倒換開關環(huán)回到S1光纖后落地分路 故障排除后 倒換開關返回原來的位置 圖8 7二纖單向復用段倒換環(huán) 當BC結點間光纜被切斷 兩根光纖同時被切斷 與光纜切斷點相鄰的兩個結點B和C的保護倒換開關將利用APS AutomaticProtectionSwitching 協(xié)議執(zhí)行環(huán)回功能 例如在B結點S1光纖上的信號 AC 經倒換開關從P1光纖返回 沿逆時針方向經A結點和D結點仍然可以到達C結點 并經C結點的倒換開關環(huán)回到S1光纖后落地分路 故障排除后 倒換開關返回原來的位置 3 四纖雙向復用段倒換環(huán) 通常雙向環(huán)工作在復用段倒換方式 既可以是四纖又可以是二纖 四纖雙向復用段倒換環(huán)的結構如圖8 8所示 它由兩根業(yè)務光纖S1與S2 一發(fā)一收 和兩根保護光纖P1與P2 一發(fā)一收 構成 其中S1光纖傳送順時針業(yè)務信號 S2光纖傳送逆時針業(yè)務信號 P1與P2分別是和S1與S2反方向傳輸的兩根保護光纖 每根光纖上都有一個保護倒換開關 正常情況下 從A結點進入環(huán)傳送至C結點的支路信號順時針沿光纖S1傳輸 而由C結點進入環(huán)傳送至A結點的支路信號則逆時針沿光纖S2傳輸 保護光纖P1和P2是空閑的 當BC結點間光纜被切斷 四根光纖同時被切斷 根據 APS協(xié)議 B和C結點中各有兩個倒換開關執(zhí)行環(huán)回功能 從而環(huán)工作的連續(xù)性得以維持 故障排除后 倒換開關返回原來的位置 在四纖環(huán)中 僅僅光纜切斷或結點失效才需要利用環(huán)回方式來保護 而如果是單纖或設備故障可以使用傳統(tǒng)的復用段保護倒換方式 圖8 8四纖雙向復用段倒換環(huán) 當BC結點間光纜被切斷 四根光纖同時被切斷 根據APS協(xié)議 B和C結點中各有兩個倒換開關執(zhí)行環(huán)回功能 從而環(huán)工作的連續(xù)性得以維持 故障排除后 倒換開關返回原來的位置 在四纖環(huán)中 僅僅光纜切斷或結點失效才需要利用環(huán)回方式來保護 而如果是單纖或設備故障可以使用傳統(tǒng)的復用段保護倒換方式 4 二纖雙向復用段倒換環(huán) 在四纖雙向復用段倒換環(huán)中 光纖S1上的業(yè)務信號與光纖P2上的保護信號的傳輸方向完全相同 如果利用時隙交換技術 可以使光纖S1和光纖P2上的信號都置于一根光纖 稱S1 P2光纖 中 例如S1 P2光纖的一半時隙用于傳送業(yè)務信號 另一半時隙留給保護信號 同樣 光纖S2和光纖P1上的信號也可以置于一根光纖 稱S2 P1光纖 上 這樣S1 P2光纖上的保護信號時隙可以保護S 2 P1光纖上的業(yè)務信號 S2 P1光纖上的保護信號時隙可保護S1 P2光纖上的業(yè)務信號 于是四纖環(huán)可以簡化為二纖環(huán) 如圖8 9所示 當BC結點間光纜被切斷 二根光纖也同時被切斷 與切斷點相鄰的B和C結點中的倒換開關將S1 P2光纖與S2 P1光纖溝通 利用時隙交換技術 可以將S1 P 光纖和S2 P1光纖上的業(yè)務信號時隙轉移到另一根光纖上的保護信號時隙 于是就完成了保護倒換作用 圖8 9二纖雙向復用段倒換環(huán) 前面介紹了4種自愈環(huán)結構 通常通道倒換環(huán)只工作在二纖單向方式 而復用段倒換環(huán)既可以工作在二纖方式 又可以工作在四纖方式 既可以單向又可以雙向 自愈環(huán)種類的選擇應考慮初建成本 要求恢復業(yè)務的比例 用于恢復業(yè)務所需要的額外容量 業(yè)務恢復的速度和易于操作維護等因素 8 3WDM光網絡 WDM技術極大地提高了光纖的傳輸容量 隨之帶來了對電交換結點的壓力和變革的動力 為了提高交換結點的吞吐量 必須在交換方面引入光子技術 從而引起了WDM全光通信的研究 WDM全光通信網是在現有的傳送網上加入光層 在光上進行分插復用 OADM 和交叉連接 OXC 目的是減輕電結點的壓力 由于WDM全光網絡能夠提供靈活的波長選路能力 又稱為波長選路網絡 WavelengthRoutingNetwork 基于WDM和波長選路的全光網絡及其與單波長網絡的關系 如圖8 10所示 圖8 10基于WDM和波長選路的光網絡 8 3 1光傳送網的分層結構ITUT的G 872 草案 已經對光傳送網的分層結構提出了建議 建議的分層方案是將光傳送網分成光通道層 OCH 光復用段層 OMS 和光傳輸段層 OTS 與SDH傳送網相對應 實際上是將光網絡加到SDH傳送網分層結構的段層和物理層之間 如圖8 11所示 由于光纖信道可以將復用后的高速數字信號經過多個中間結點 不需電的再生中繼 直接傳送到目的結點 因此可以省去SDH再生段 只保留復用段 再生段對應的管理功能并入到復用段結點中 為了區(qū)別 將SDH的通道層和段層稱為電通道層和電復用段層 圖8 11光傳送網的分層結構 a SDH網絡 b WDM網絡 c 電層和光層的分解 光通道層為不同格式 如PDH565Mb s SDHSTMN ATM信元等 的用戶信息提供端到端透明傳送的光信道網絡功能 其中包括 為靈活的網絡選路重新安排信道連接 為保證光信道適配信息的完整性處理光信道開銷 為網絡層的運行和管理提供光信道監(jiān)控功能 光復用段層為多波長信號提供網絡功能 它包括 為靈活的多波長網絡選路重新安排光復用段連接 為保證多波長光復用段適配信息的完整性處理光復用段開銷 為段層的運行和管理提供光復用段監(jiān)控功能 光傳輸段層為光信號在不同類型的光媒質 如G 652 G 653 G 655光纖 上提供傳輸功能 包括對光放大器的監(jiān)控功能 WDM光網絡的結點主要有兩種功能 即光通道的上下路功能和交叉連接功能 實現這兩種功能的網絡元件分別是光分插復用器 OADM 和光交叉連接器 OXC 8 3 2光分插復用器在SDH傳送網中 分插復用器 ADM 的功能是對不同的數字通道進行分下 drop 與插入 add 操作 與此類似 在WDM光網絡也存在光分插復用器 OADM 其功能是在波分復用光路中對不同波長信道進行分下與插入操作 無論ADM還是OADM 都是相應網絡中的重要單元 在WDM光網絡的一個結點上 光分插復用器在從光波網絡中分下或插入本結點的波長信號的同時 對其它波長的向前傳輸并不影響 并不需要把非本結點的波長信號轉換為電信號再向前發(fā)送 因而簡化了結點上信息處理 加快了信息的傳遞速度 提高了網絡組織管理的靈活性 降低了運行成本 特別是當波分復用的波長數很多時 光分插復用器的作用就顯得特別明顯 光分插復用器可以分為光 電 光和全光兩種類型 光 電 光型光分插復用器是一種采用SDH光端機背靠背連接的設備 在已鋪設的波分復用線路中已經使用了這種設備 但是光 電 光這種方法不具備速率和格式的透明性 缺乏靈活性 難以升級 因而不能適應WDM光網絡的要求 全光型光分插復用器是完全在光波域實現分插功能 具備透明性 靈活性 可擴展性和可重構性 因而完全滿足WDM光網絡的要求 光分插復用器的核心部件是一個具有波長選擇能力的光學或光子學元件 例如本書第7章介紹的幾種光濾波器等 下面介紹幾種光分插復用器的實現方法 1 基于解復用 復用結構的OADM 這種光分插復用器采用解復用器和復用器背靠背的形式來實現 如圖8 12所示 在這種結構中 可以把需要在本地結點分下的一路或多路光波長信號很方便地從多波長輸入信號中分離出來并連接到本地結點的光端機上 同時將本地結點需要發(fā)送的光波長通過復用器插入到多波長輸出信號中去 其它波長的光信號可以不受影響地透明通過該分插復用器 是 隨著波分復用的波長數的增加 用于連接每個波長的光纖連線也會相應地增加 例如如果是32路波長的光分插復用器 考慮到雙向傳輸總共需要64根光纖連線 這肯定會給設備管理帶來困難 圖8 12基于解復用 復用結構的OADM 在這種結構中 由于不需要作分插的波長不能直接地通過 而解復用器和復用器的濾波特性會改變傳輸光譜的形狀 因而會影響整個系統(tǒng)的傳輸性能 由于這種光分插復用器使用了光解復用器和復用器 如果系統(tǒng)要增加波長 就必須改造甚至更換解復用器和復用器 因而這種光分插復用器不具備波長透明性 2 基于光纖馬赫 曾德爾干涉儀加上光纖布喇格光柵結構的OADM圖8 13所示的是基于平衡的馬赫 曾德爾干涉儀 MZI 加上光纖布喇格光柵 FBG 結構的全光纖型光分插復用器 在理想情況下 耦合器的分束比為1 1 MZI的兩臂等長 兩光柵寫入在等長位置上并接近全反射 因此與光纖布喇格光柵的峰值波長相對應的光波長 將在分下 drop 口取出 而其它光波長信號將全部通過 并從輸出 output 口輸出 圖8 13基于光纖馬赫 曾德爾干涉儀加上光纖布喇格光柵結構的OADM 而且這種結構是左右對稱的 同樣可以插入與光柵峰值波長相對應的光波長信號 但是實際上要做到兩個耦合器 兩個光柵和兩臂長完全相同是很困難的 因此要實現它也很困難 實現上述馬赫 曾德爾結構可采用一種等效變通的方法 在雙芯光纖上連續(xù)采用熔融拉錐方法制成有一定距離的兩個3dB定向耦合器 然后在兩個耦合器之間的光纖上一次寫入 曾德爾結構和光柵反射路徑 但是要從雙芯光纖中引出光信號需要特殊的光纖連接線 3 基于光纖耦合器加上光纖布喇格光柵結構的OADM 圖8 14示出基于光纖耦合器加上光纖布喇格光柵結構的OADM 這種結構是在光纖定向耦合器的腰區(qū)寫入光柵 如果在入射光中某一波長的光信號與光柵的峰值波長在波長上一致 就會形成選擇性反射 此處定向耦合器中兩根光纖中的一根已經過預處理 熔融拉細 使兩根光纖的芯徑略有差別 因此在兩根光纖中模式傳播常數稍微有些不同 選擇適當的光柵常數 使反射模式的耦合恰好發(fā)生在入射光纖基模與另一根光纖的反方向傳輸基模之間 要實現這種結構需要復雜的特殊制作工藝 因而不適宜大量制作 圖8 14基于光纖耦合器加上光纖布喇格光柵結構的OADM 4 基于光纖光柵加上光纖環(huán)行器結構的OADM 圖8 15示出基于光纖光柵加上光纖環(huán)行器結構的OADM 采用光纖環(huán)行器和光纖光柵的結合可以實現多個波長的分插復用 與基于馬赫 曾德爾加上光纖布喇格光柵結構相比 這種結構對每一個波長只需一個而不是一對光柵 結構較為簡單 性能較為穩(wěn)定 在兩個環(huán)行器之間接入m個光纖光柵 在兩個環(huán)行器的端口3分別接入解復用器和復用器 這樣就可以分下和插入m個波長信號 而其它的沒有被光纖光柵反射的光信號 無阻擋地從輸出端口輸出 如果采用可調諧光纖光柵 就可以得到在調諧范圍內的任意波長信號 最后還可以通過不同組合形式的光開關 從m個波長中選取任意的分插波長 在這種結構中 由于環(huán)行器的回波損耗很大 所以根本不需要外加隔離器 圖8 15基于光纖光柵加上光纖環(huán)行器結構的OADM 5 基于介質膜濾波器加上光纖環(huán)行器結構的OADM 圖8 16示出基于介質膜濾波器加上光纖環(huán)行器結構的OADM 其中使用了多層介質膜 Multi layerDielectricFilm 濾波器 2 光開關和光纖環(huán)行器等 多層介質膜濾波器由于其良好的溫度穩(wěn)定性目前已經在商業(yè)的波分復用系統(tǒng)中使用 多波長光信號從輸入端經環(huán)行器到達濾波器 由于介質膜濾波器屬于帶通濾波器 因此只有位于通帶內的波長才可以通過濾波器 其它波長則被反射回環(huán)行器 通過濾波器的波長由光開關選擇從分下 drop 口輸出 插入的波長經過右邊的同波長濾波器再通過右邊環(huán)行器而輸出 從左面濾波器反射回左面環(huán)行器的光從端口2到端口3再進入下面環(huán)行器的端口1 重復以上過程 每經過一個環(huán)行器和濾波器組合后 其余波長則繼續(xù)往下走 如果不在本結點作分插復用的波長就再連接到右側的光纖環(huán)行器 然后依次經過環(huán)行器和多層介質膜帶通濾波器 一直傳輸到多波長輸出端口 圖8 16基于介質膜濾波器加上光纖環(huán)行器結構的OADM 8 3 3光交叉連接器光交叉連接器 OXC OpticalCrossconnect 是光波網絡中的一個重要網絡單元 其功能可以與時分復用網絡中的交換機類比 主要用來完成多波長環(huán)網間的交叉連接 作為網格狀光網絡的結點 目的是實現光波網的自動配置 保護 恢復和重構 光交叉連接通常分為三類 即光纖交叉連接 FXC FiberCrossconnect 波長固定交叉連接 WSXC Wavelength SelectiveCrossconnect 和波長可變交叉連接 WIXC WavelengthInterchangingCrossconnect 光纖交叉連接器連接的是多路輸入輸出光纖 如圖8 17所示 每根光纖中可以是多波長光信號 在這種交叉連接器中 只有空分交換開關 交換的基本單位是一路光纖 并不對多波長信號進行解復用 而是直接對波分復用光信號進行交叉連接 這種交叉連接器在WDM光網絡中不能發(fā)揮多波長通道的靈活性 不能實現波長選路 因而很少在WDM網絡結點中單獨使用 波長固定交叉連接的典型結構如圖8 18所示 多路光纖中的光信號分別接入各自的波分解復用器 解復用后的相同波長的信號進行空分交換 交換后的各路相同波長的光信號分別進入各自輸出口的復用器 最后復用后從各輸出光纖輸出 圖8 17光纖交叉連接 圖8 18波長固定交叉連接 在這種結構中由于不同光纖中的相同波長之間可以進行交換 因而可以較靈活地對波長進行交叉連接 但是這種結構無法處理兩根以上光纖中的相同波長光信號進入同一根輸出光纖問題 即存在波長阻塞問題 而波長可變的交叉連接可以解決波長阻塞問題 3 波長可變交叉連接 在波長可變交叉連接器中 使用波長變換器 WavelengthConverter 對光信號進行波長變換 因而各路光信號可以實現完全靈活的交叉連接 不會產生波長阻塞 研究表明 在光交叉連接器中對各波長通路部分配備波長變換器和全部配備波長變換器所達到的通過率特性幾乎相同 圖8 19為一種帶專用波長變換器的波長可變交叉連接器 WIXC WithdedicatedWavelengthConverters 結構 這種結構中每一個波長經過空分交換后都配備有波長變換器 設輸入輸出光纖數為M 每根光纖中波長數為N 若要實現交叉連接則共需要MN個波長變換器 在這種結構中 每根輸入光纖中每個波長都可以連接轉換成任意一根輸出光纖中任意一個波長 不存在波長阻塞 但是在一般情況下并不是所有波長都需要進行波長變換 因而這種結構的波長變換器的利用率不高 很不經濟 若要提高波長變換器的利用率 可采取所有端口共用一組波長變換器的辦法 圖8 20是所有輸入波長共用一組波長變換器情況 需要進行變換的波長由光開關交換后進入共用的波長變換器 經過變換的波長再次進入光開關與其它波長一起交換到所要輸出的光纖中去 圖8 19專用波長變換器的波長可變交叉連接 圖8 20共享波長變換器的波長可變交叉連接器 4 交叉連接的多層結構 在實際應用中并不是所有的交叉連接都要在波長級上進行 當業(yè)務量很大時 多路光纖上的信號直接進行光纖交叉連接 FXC 并不需要對每根光纖的波長進行解復用與復用 圖8 21所示為交叉連接的多層結構 最上層是電的交叉連接 EXC 中間層是波長交叉連接 可以是波長固定交叉連接 WSXC 也可以是波長可變交叉連接 WIXC 底層是光纖交叉連接 FXC 在FXC層 輸入光纖中有需要作波長級交叉連接的光纖經FXC交叉連接后到上一層交叉連接端口 再作波長交叉連接 在WSXC WIXC層 輸入端口有來自FXC層需要進行波長級交叉連接的光纖和來自EXC層的基于波長的各路信號一起進行波長級交叉連接的光纖 WSXC WIXC輸出的波長信號分為兩路 一路經波長復用后連接至FXC層 另一路直接連接到EXC層進行電的交叉連接和交換 FXC 光纖交叉連接 WSXC 波長固定交叉連接 WIXC 波長可變交叉連接 EXC 電的交叉連接 圖8 21交叉連接的多層結構 8 3 4WDM光網絡示例為了加深對WDM光網絡的了解 我們簡單地介紹一下美國的MONET網 MONET是 多波長光網絡 的簡稱 該項目是由AT T Bellcore和朗訊科技發(fā)起的 參加單位有Bell亞特蘭大 南Bell公司 太平洋Telesis NSA 美國國家安全局 和NRL 美國海軍研究所 MONET試驗網包括三個部分 MONETNewJersey網 Washington D C 網和連接兩個地區(qū)的多波長長途光纖鏈路 如圖8 22所示 在NewJersey是以AT TBellLabs為中心的星形網 在Washington D C 是三結點的環(huán)形網 該網絡在1560nm附近復用了20個WDM信道 單信道速率有3種 即1 2Gb s 2 5Gb s和10Gb s 在網絡中還使用了可調諧激光器和可調諧波長轉換器等單元器件 圖8 22美國的MONET 該網絡的試驗目標是把網絡結構 先進技術 網絡管理和網絡經濟結合在一起 實現一種高性能的 經濟的和可靠的多波長網絡 最后將該網擴展為全國網 支持MONET觀點的人認為 未來的通信網是分層的 基礎層是基于WDM的光層 用于支持電層的業(yè)務傳送 該層由透明的 可以重新配置的和完全受網管控制的光網絡單元構成 光層之上的層是電層 可能是SDH或ATM等電傳送信號 最上層是應用層 為此 MONET項目定義和開發(fā)了一組MONET網絡單元 例如 WTM 波長終端復用器 WADM 波長分插復用器 即OADM WAMP 多波長放大器 WSXC 波長固定交叉連接器 和WIXC 波長可變交叉連接器 8 4光接入網 8 4 1光接入網概述 1 接入網的概念 電信網包含了為在不同地方的用戶提供各種電信業(yè)務的所有傳輸及復用設備 交換設備及各種線路設施等 接入網是電信網的重要組成部分 負責將電信業(yè)務透明地傳送到 用戶 ITUT的G 902建議 參看圖8 23 對接入網給出如下定義 接入網由業(yè)務結點接口 SNI 和用戶網絡接口 UNI 之間的一系列傳送實體 如線路設施和傳輸設施 組成 為供給電信業(yè)務而提供所需的傳送承載能力 可經由網絡管理接口 Q3 配置和管理 原則上對接入網可以實現的UNI和SNI的類型和數目沒有限制 接入網不解釋信令 圖8 23接入網的界定 2 光接入網的參考配置 光接入網 OAN 為共享相同網絡側接口并由光傳輸系統(tǒng)所支持的接入鏈路群 有時稱之為光纖環(huán)路系統(tǒng) FITL 從系統(tǒng)配置上可以分為無源光網絡 PON 和有源光網絡 AON 如圖8 24所示 ODN 光分配網絡 是OLT和ONU之間的光傳輸媒質 由無源光器件組成 OLT 光線路終端 提供OAN網絡側接口 并且連接一個或多個ODN ODT 光遠程終端 由光有源設備組成 ONU 光網絡單元 提供OAN用戶側接口 并且連接到一個ODN或ODT 圖8 24光接入網的參考配置 ONU 光網絡單元 提供OAN用戶側接口 并且連接到一個ODN或ODT UNI 用戶網絡接口 SNI 業(yè)務結點接口 S 光發(fā)送參考點 R 光接收參考點 AF 適配功能 V 與業(yè)務結點間的參考點 T 與用戶終端間的參考點 a AF與ONU之間的參考點 在OLT和ONU之間沒有任何有源電子設備的光接入網稱為無源光網絡 PON PON對各種業(yè)務是透明的 易于升級擴容 便于維護管理 缺點是OLT和ONU之間的距離和容量受到限制 用有源設備或有源網絡系統(tǒng) 如SDH環(huán)網 的ODT代替無源光網絡中的ODN 便構成有源光網絡 AON AON的傳輸距離和容量大大增加 易于擴展帶寬 運行和網絡規(guī)劃的靈活性大 不足之處是有源設備需要供電 機房等 如果綜合使用兩種網絡 優(yōu)勢互補 就能接入不同容量的用戶目前 用戶網光纖化的途徑主要有兩個 一是在現有電話銅纜用戶網的基礎上 引入光纖傳輸技術改造成光接入網 二是在現有有線電視 CATV 同軸電纜網的基礎上 引入光纖傳輸技術使之成為光纖 同軸混合網 HFC 3 光接入網的拓撲結構 光接入網的拓撲結構一般有4種 單星形 雙星形 總線形和環(huán)形 如圖8 25所示 4 光接入網的應用類型 根據ONU的位置不同 光接入網有4種基本應用類型 光纖到路邊 FTTC 光纖到大樓 FTTB 光纖到辦公室 FTTO 和光纖到家 FTTH 在FTTC結構中 ONU設置在路邊的人孔或電線桿上的分線盒處 有時也可以設置在交接箱處 FTTC一般采用雙星形結構 從ONU到用戶之間采用雙絞線銅纜 若要傳送寬帶業(yè)務則要用高頻電纜或同軸電纜 圖8 25光接入網的拓撲結構 FTTB是將ONU直接放在大樓內 如企業(yè) 事業(yè)單位辦公樓或居民住宅公寓內 再由銅纜將業(yè)務分配到各個用戶 FTTB比FTTC的光纖化程度更進一步 更適合高密度用戶區(qū) 也更容易滿足未來寬帶業(yè)務傳輸的需要 如果將FTTC結構中設置在路邊的ONU換成無源光分路器 將ONU移到大企業(yè)事業(yè)單位 如公司 政府機關 大學或研究所 的辦公室內就成了FTTO 將ONU移到用戶家里就成了FTTH FTTH是一種全透明全光纖的光接入網 適于引入新業(yè)務 對傳輸制式 帶寬和波長等基本上沒有限制 并且ONU安裝在用戶處 供電 安裝維護等都比較方便 8 4 2無源光網絡1 網絡結構 無源光網絡的信號由端局和電視節(jié)目中心通過光纖和光分路器直接分送到用戶 其網絡結構如圖8 26所示 其下行業(yè)務由光功率分配器以廣播方式發(fā)送給用戶 在靠近用戶接口處的過濾器讓每個用戶接收發(fā)給它的信號 在上行方向 用戶業(yè)務是在預定的時間發(fā)送 目的是讓它們分時地發(fā)送光信號 因此要定期測定端局與每個用戶的延時 以便上行傳輸同步 這是PON技術的難點 由于光信號經過分路器分路后 損耗較大 因而傳輸距離不能很遠 圖8 26PON結構 a 采用TDM FDM WDM的PON b 采用TDM WDM的PON PON的一個重要應用是來傳送寬帶圖像業(yè)務 特別是廣播電視 這方面尚無任何國際標準可用 但已形成一種趨勢 即使用1310nm波長區(qū)傳送窄帶業(yè)務 而使用1550nm波長區(qū)傳送寬帶圖像業(yè)務 主要是廣播電視業(yè)務 原因是1310 1550nm波分復用 WDM 器件已很便宜 而目前1310nm波長區(qū)的激光器也很成熟 價格便宜 適于經濟地傳送急需的窄帶業(yè)務 另一方面 1550nm波長區(qū)的光纖損耗低 又能結合使用光纖放大器 因而適于傳送帶寬要求較高的寬帶圖像業(yè)務 具體的傳輸技術主要是頻分復用 FDM 時分復用 TDM 和密集波分復用 DWDM 三種 圖8 26 a 使用1310 1550兩波長WDM器件來分離寬帶和窄帶業(yè)務 其中1310nm波長區(qū)傳送TDM方式的窄帶業(yè)務信號 1550nm波長區(qū)傳送FDM方式的圖像業(yè)務信號 主要是CATV信號 圖8 26 b 也使用1310 1550兩波長WDM器件來分離寬帶和窄帶業(yè)務 與圖8 26 a 不同之處在于先將電視信號編碼為數字信號 再用TDM方式傳輸 2 多址技術 PON中常用的多址技術有三種 頻分多址 FDMA 時分多址 TDMA 和波分多址 WDMA 它們的原理框圖如圖8 27所示 圖8 27無源光網絡的三種多址技術 a 頻分多址 b 時分多址 c 波分多址 FDMA的特點是將頻帶分割為許多互不重疊的部分 分配給每個用戶使用 其優(yōu)點是設備簡單 技術成熟 缺點是當多個載波信號同時傳輸時 會產生串擾和互調噪聲 會出現強信號抑制弱信號現象 單路的有效輸出功率降低 且傳輸質量隨著用戶數的增多而急劇下降 TDMA的特點是將工作時間分割成周期性的互不重疊的時隙 分配給每個用戶 其優(yōu)點是在任何時刻只有一個用戶的信號通過上行信道 可以充分利用信號功率 沒有互調噪聲 缺點是為了分配時隙 需要精確地測定每個用戶的傳輸時延 并且易受窄帶噪聲的影響 WDMA的特點是以波長作為用戶的地址 將不同的光波長分配給不同的用戶 用可調諧濾波器或可調諧激光器來實現波分多址 其優(yōu)點是不同波長的信號可以同時在同一信道上傳輸 不必考慮時延問題 缺點是目前可調諧濾波器或可調諧激光器的成本還高 調諧范圍也不寬 3 ATM無源光網絡 在無源光網絡中采用ATM技術 就成為ATMPON 簡稱APON APON實現用戶與四個主要類型業(yè)務結點之一的連接 這些是PSTN ISDN窄帶業(yè)務 BISDN寬帶業(yè)務 非ATM業(yè)務 即數字視頻付費業(yè)務和Internet的IP業(yè)務 ATMPON的模型結構如圖8 28所示 圖8 29為一個ATM PON系統(tǒng)結構 該系統(tǒng)為各種業(yè)務提供ATM標準的接入平臺 UNI 用戶網絡接口 SNI 業(yè)務結點接口 ONU 光網絡單元 OLT 光線路終端 圖8 28APON模型結構 ONU 光網絡單元 MUX 復用器 VOD 視頻點播 圖8 29一個APON系統(tǒng)結構 8 4 3有源光網絡在一些土地遼闊的國家 用戶線有時比較長 在接入網中也用有源光網絡 AON 如圖8 24所示 有源光網絡由OLT ODT ONU和光纖傳輸線路構成 ODT可以是一個有源復用設備 遠端集中器 HUB 也可以是一個環(huán)網 一般有源光網絡屬于一點到多點光通信系統(tǒng) 按其傳輸體制可分為PDH和SDH兩大類 通常有源光網絡采用星形網絡結構 它將一些網絡管理功能 如倒換結口 寬帶管理 和高速復分接功能在遠端終端中完成 端局和遠端間通過光纖通信系統(tǒng)傳輸 然后再從遠端將信號分配給用戶 8 4 4光纖同軸電纜混合網接入網除了電信部門的環(huán)路接入網以外 還有廣播電視部分的CATV接入網 隨著社會的發(fā)展 要求在一個CATV網內能夠傳送多種業(yè)務并且能夠雙向傳輸 為此一種新興的光接入網 HFC HybridFiber Coax 網應運而生 從傳統(tǒng)的同軸電纜CATV網到HFC網 經歷了單向光纖CATV網 雙向光纖CATV網最后發(fā)展到HFC網 HFC網的基本原理是在雙向光纖CATV網的基礎上 根據光纖的寬頻帶特性 用空余的頻帶來傳輸話音業(yè)務 數據業(yè)務或個人信息 以充分利用光纖的頻譜資源 HFC的原理如圖8 30所示 由前端出來的視頻業(yè)務信號和由電信部門中心局出來的電信業(yè)務信號在主數字終端 HDT 處混合在一起 調制到各自的傳輸頻帶上 通過光纖傳輸到光纖結點 在光纖結點處進行光 電轉換后由同軸電纜分配到每個用戶 每個光纖結點能夠服務的用戶數大約500個左右 1 HFC系統(tǒng)的頻譜安排 HFC采用副載波頻分復用方式 其頻譜安排目前國際上還沒有統(tǒng)一標準 但在實際應用中存在一種趨勢 HFC系統(tǒng)有750MHz系統(tǒng) 也有1000MHz系統(tǒng) 其頻率資源采用低分割分配方案 將下行和上行的各種業(yè)務信息劃分到不同的頻段 如圖8 31所示 通常安排50 750MHz 或1000MHz 為下行通道 5 40MHz為上行通道 圖8 30HFC原理圖 圖8 31HFC系統(tǒng)頻譜安排 50 550MHz這段頻譜用來傳輸模擬電視 對于PAL制式每個信道的頻帶為8MHz 這段頻譜能傳輸 550 50 8 60信道的模擬電視 550 750MHz這段頻譜用來傳輸數字電視 也可以用其中一部分來傳輸數字電視 另一部分來傳輸下行電話和數據信號 5 30MHz這段頻譜用來傳輸上行電話信號 由于每個光纖結點能服務的用戶數約為500個 所以每個用戶的上行回傳信道頻帶為25MHz 500 50kHz 也有另一種分配上行頻段的方法 將其擴展為5 42MHz 其中5 8MHz傳輸狀態(tài)監(jiān)視信息 8 12MHz傳輸VOD 視頻點播 信令 15 40MHz用來傳輸上行電話信號 750 1000MHz這段頻譜用于各種雙向通信業(yè)務 其中695 735MHz和970 1000MHz可用于個人通信業(yè)務 其它未分配的頻段可以有各種應用 也可用于將來可能出現的新業(yè)務 2 HFC的調制和復用方式 對模擬視頻信號的調制 主要采用模擬的VSB AM調制方式和FDM復用方式 便于與家庭使用的電視機兼容 對于長距離傳輸 也可采用FMSCM 副載波調頻 方式 對于數字視頻信號的調制 可以將數字視頻進行BPSK QPSK或64QAM調制到載波上 再使用FDM或SCM復用方式 下行的數字話音或數據經QPSK調制到下行副載波上 上行的數字話音或數據經QPSK調制到上行副載波上 經FDM或SCM復用后的射頻信號或微波信號再對光源進行直接強度調制 經光纖傳輸后再在接收端解調 當然 光信號也可采用WDM DWDM甚至OFDM復用方式 3 HFC網的結構和功能 HFC網主要由前端 HE 主數字終端 HDT 傳輸線路 光纖結點 FN 和綜合業(yè)務單元 ISU 等組成 如圖8 32所示 視頻前端的作用是將各種模擬的和數字的視頻信號源處理后混合起來 主數字終端的作用是將CATV前端出來的信息流和交換機出來的電話業(yè)務信息流合在一起 其主要功能有 通過V5 2接口與交換機進行信令轉換 對網絡資源進行分配 對業(yè)務信息進行調制與解調和合成與分解 光發(fā)送與光接收 提供對HFC網進行管理的管理接口 圖8 32HFC網的結構圖 光纖結點的作用主要是接收來自HDT的光形式的圖像和電話信號 將其轉換為射頻電信號 再由射頻放大器放大后送給各個同軸電纜分配網 并且還能對上行信號進行頻譜安排 對信令進行轉換 綜合業(yè)務單元 ISU 是一個智能的網絡設備 分為單用戶的ISU和多用戶的ISU 主要提供各種用戶終端設備與網絡之間的接口 實現信令轉換 對各種業(yè)務信息進行調制與解調和合成與分解- 配套講稿:
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