光纤通信：第8章光纤通信网络.ppt

8 1通信网的发展趋势8 2SDH传送网 8 3WDM光网络8 4光接入网 第8章光纤通信网络 返回主目录 第8章光纤通信网络 8 1通信网的发展趋势 通信网总的发展趋势是数字化 综合化和宽带化 与光纤通信关系最为密切的是宽带化 这是人类社会发展到信息时代的迫切需求 也是科技进步的必然产物 数字化就是在通信网的各个部分 核心网和接入网 及各个环节 传输 交换 接入 终端等 全面采用数字技术 目前核心网 或称骨干网 已实现了数字化 采用了数字传输和数字交换技术 其优越性已十分明显 接入网的情况比较复杂 模拟的东西还大量存在 如电话网从核心网边缘的端局交换机到用户终端的用户环路 大量使用的还是模拟二线 有线电视系统也基本上是模拟的 新近采用的非对称数字用户线 ADSL 实际上是模数混合体制 综合业务数字网 包括窄带和宽带 的主要目的是要实现接入部分的数字化 提供端到端数字连接 从而支持综合业务 但由于种种原因 并没有普遍推广应用 所以现在只能说接入网正处于数字化的过程中 还不能说已实现了数字化 综合化 主要指业务的综合 即通信网要由原来的单一业务网 如电话网 分组数据网 发展为能同时提供多种业务 包括话音 数据 图像等 特别是多媒体业务的网络 数字化是综合化的前提 当各种类型的消息都用统一的数字符号表示时 通过端到端的数字传输 便能实现综合业务 长期以来 通信网的主要业务是话音 所以电信网基本上等同于电话网 电信网中还有一种业务是电报 相当于原始的低速数据业务 随着计算机网络的出现和发展 特别是因特网 Internet 扩展到全世界 对数据业务量的需求不断增长 近十年来 几乎每半年翻一番 数据业务量猛增的主要推动力是因特网的WWW业务和高速多媒体业务 因此 用不了多少时间 数据业务的总量将超过电话业务 此外 电视会议 远程教育 电子商务等应用都要求通信网提供高速数据和视频业务 而这些业务所需的带宽都远大于电话业务 因此业务综合化必将导致网络的宽带化 通信网络从电话业务为主演进到多媒体业务为主 每个用户占用的带宽由64kb s要提高到6Mb s左右 由此估计总业务量约增加100倍 如果考虑到今后要支持高清晰度电视等更宽带宽的业务 则总业务量还会不断增加 所以网络宽带化首先是人们的迫切需求 另一方面 由于光纤通信技术的成就 特别是密集波分复用 DWDM 技术的发展 使得网络的传输带宽大大增加 如果双绞铜线的传输带宽按2Mb s估计 一根光纤采用DWDM技术 传输容量可达到20 200Gb s 也就是说 光纤的传输容量是铜线的一万至十万倍 因此宽带化意味着光纤将成为主要的传输媒质 今天 在核心网内以光纤为传输媒质 采用DWDM技术实现宽带传输 同时采用光交换技术构成全光通信网 已成为现实 在接入网中 光纤正在伸向用户 从光纤到路边 FTTC 光纤到大楼 FTTB 发展到光纤到交接箱 FTTCab 最后将实现光纤到家 FTTH 当然 从带宽需求和经济性考虑 接入网采用光纤没有必要也不可能如同核心网那样采用DWDM技术 而是采用比较简单和廉价的光纤通信设备 因此接入网和核心网实现宽带化的技术途径是不同的 本章将分别予以介绍 8 2SDH传送网 8 2 1SDH传送网的功能结构一个电信网有两大功能群 传送功能群和控制功能群 所谓传送网就是完成传送功能的手段 当然传送网也能传递各种网络控制信息 传送网主要指逻辑功能意义上的网络 是一个复杂庞大的网络 为了便于网络的设计和管理 通常用分层 Laying 和分割 Partitioning 的概念 将网络的结构元件按功能分为参考点 接入点 拓扑元件 传送实体和传送处理功能四大类 网络的拓扑元件分为三种 即层网络 子网和链路 只需这三种元件就可以完全地描述网络的逻辑拓扑 从而使网络的结构变得灵活 网络描述变得容易 1 传送网的分层和分割 传送网是分层的 由垂直方向的连续的传送网络层 即层网络 叠加而成 从上而下分别为电路层 通道层和传输媒质层 又分为段层和物理层 每一层网络为其相邻的高一层网络提供传送服务 同时又使用相邻的低一层网络所提供的传送服务 提供传送服务的层称为服务者 Server 使用传送服务的层称为客户 Client 因而相邻的层网络之间构成了客户 服务者关系 SDH传送网分层模型如图8 1所示 自上而下依次为电路层网络 通道层网络和传输媒质层网络 图8 1SDH传送网的分层模型 电路层网络涉及到电路层接入点之间的信息传递并直接为用户提供通信业务 如电路交换业务 分组交换业务 租用线业务和BISDN虚通路等 根据提供业务的不同可以分为不同的电路层网络 如64kb s电路交换网 分组交换网 租用线电路网和ATM交换网等 电路层网络的设备包括用于各种交换业务的交换机 例如电路交换机或分组交换机 和用于租用线业务的交叉连接设备等 电路层网络与相邻的通道层网络是相互独立的 通道层网络用于通道层接入点之间的信息传递并支持不同类型的电路层网络 为电路层网络提供传送服务 其提供传输链路的功能与PDH中的2Mb s 34Mb s和140Mb s SDH中的VC11 VC12 VC2 VC3和VC4 以及BISDN中的虚通道功能类似 能够对通道层网络的连接性进行管理控制是SDH网的重要特性之一 SDH传送网中的通道层网络还可进一步分为高阶通道层网络和低阶通道层网络 传输媒质层网络为通道层网络结点提供合适的通道容量 并且可以进一步分为段层网络和物理媒质层网络 简称物理层 其中段层网络是为了保证通道层的两个结点间信息传递的完整性 物理层是指具体的支持段层网络的传输媒质 如光缆或无线 SDH网中的段层网络还可以进一步细分为复用段层网络和再生段层网络 其中复用段层网络涉及复用段终端之间的端到端的信息传递 再生段层网络涉及再生器之间或再生器与复用段终端之间的信息传递 一个完整的SDH传送网分层模型如图8 2所示 图8 2SDH传送网完整分层模型 将传送网分为独立的三层 每层能在与其它层无关的情况下单独加以规定 可以较简便地对每层分别进行设计与管理 每个层网络都有自己的操作和维护能力 从网络的观点来看 可以灵活地改变某一层 不会影响到其它层 传送网分层后 每一层网络仍然很复杂 地理上覆盖的范围很大 为了便于管理 在分层的基础上 将每一层网络在水平方向上按照该层内部的结构分割为若干个子网和链路连接 分割往往是从地理上将层网络再细分为国际网 国内网和地区网等 并独立地对每一部分行使管理 图8 3给出了传送网分割概念与分层概念的一般关系 图8 3传送网的分割 a 分层概念 b 分割概念 采用分割的概念可以方便地在同一网络层内对网络结构进行规定 允许层网络的一部分被层网络的其余部分看作一个单独实体 可以按所希望的程度将层网络递归分解表示 为层网络提供灵活的连接能力 从而方便网络管理 也便于改变网络的组成并使之最佳化 链路是代表一对子网之间有固定拓扑关系的一种拓扑元件 用来描述不同的网络设备连接点间的联系 例如两个交叉连接设备之间的多个平行的光缆线路系统就构成了链路 2 传送网的功能结构 图8 4为传送网的功能模型示例 层网或子网之间通过连接 网络连接 子网连接 链路连接 和适配 如层间适配 包括复用解复用 编码解码 定位与调整 速率变化等 构成整个传送网 相邻的层间符合客户 服务者关系 图8 4传送网的功能模型 8 2 2SDH网的物理拓扑网络的物理拓扑泛指网络的形状 即网络结点和传输线路的几何排列 它反映了物理上的连接性 除了最简单的点到点的物理拓扑外 网络物理拓扑一般有5种类型 即线形 星形 树形 环形和网孔形 如图8 5所示 1 线形 将通信网的所有站点串联起来 并使首末两个点开放 就形成了线形拓扑 在这种拓扑结构中 要使两个非相邻点之间完成连接 其间的所有点都必须完成连接功能 这是SDH早期应用的比较经济的网络拓扑形式 首末两端使用终端复用器 TM 中间各点使用分插复用器 ADM 图8 5SDH网络的物理拓扑 a 线形 b 星形 c 树形 d 环形 e 网孔形 2 星形 当通信网的所有点中有一个特殊的点与其余点以辐射的形式直接相连 而其余点之间相互不能直接相连时 就形成了星形拓扑 又称枢纽形拓扑 在这种拓扑结构中 除了特殊点外的任意两点间的连接都是通过特殊点进行的 特殊点为经过的信息流进行路由选择并完成连接功能 这种网络拓扑可以将特殊点 枢纽站 的多个光纤终端综合成一个 具有灵活的带宽管理 能节省投资和运营成本 但是在特殊点存在失效问题和瓶颈问题 3 树形 将点到点拓扑单元的末端点连接到几个特殊点就形成树形拓扑 树形拓扑可以看成是线形拓扑和星形拓扑的结合 这种拓扑结构在特殊点也存在瓶颈问题和光功率预算限制问题 特别适用于广播式业务 但不适用于提供双向通信业务 4 环形 将通信网的所有站点串联起来首尾相连 而且没有任何点开放 就形成了环形网 将线形结构的两个首尾开放点相连就变成了环形网 在环形网中 要完成两个非相邻点之间的连接 这两点之间的所有点都必须完成连接功能 环形网的最大优点是具有很高的网络生存性 因而在SDH网中受到特别的重视 5 网孔形 当通信网的许多点直接互连时就形成了网孔形拓扑 如果所有的点都直接互连时就称为理想的网孔形 在非理想的网孔形中 没有直接相连的两个点之间需要经由其它点的转接功能才能实现连接 网孔形的优点是不存在如星形拓扑那样的瓶颈问题和失效问题 两点间有多种路由可选 缺点是结构复杂 成本较高 上述的拓扑结构都有各自的特点 在网中都有不同程度的应用 网络拓扑的选择要考虑的因素很多 如网络的生存性是否高 网络配置是否容易 网络结构是否适于引进新业务等 一个实际网络的不同部分适宜采用的拓扑结构也有可能不同 例如本地网适宜采用环形和星形拓扑结构 有时也可用线形拓扑 市内局间中继网适宜采用环形和线形拓扑 而长途网可能采用网孔形拓扑 8 2 3自愈网 随着人类社会进入信息社会 人们对通信的依赖性越来越大 对通信网络生存性的要求也越来越高 一种称为自愈网 Self healingNetwork 的概念应运而生 所谓自愈网就是无需人为干预 网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复 使用户感觉不到网络已出了故障 其基本原理就是使网络具备发现替代传输路由并重新确立通信的能力 自愈网的概念只涉及重新确立通信 不管具体失效元部件的修复或更换 后者仍需人员干预才能完成 PDH系统采用的线路保护倒换方式是最简单的自愈网形式 但是当光缆被切断时 往往是同一缆内的所有光纤 包括主用和备用 都被切断 在这种情况下上述保护方式就无能为力了 改善网络生存性的最好办法是将网络结点连成一个环形 形成所谓的自愈环 Self healingRing 环形网的结点可以是ADM 也可以是DXC 但通常由ADM构成 SDH的特色之一便是能够利用ADM的分插复用能力构成自愈环 自愈环结构可分为两大类 通道倒换环和复用段倒换环 通道倒换环属于子网连接保护 其业务量的保护是以通道为基础 是否倒换以离开环的每一个通道信号质量的优劣而定 通常利用通道AIS信号来决定是否应进行倒换 复用段倒换环属于路径保护 其业务量的保护以复用段为基础 以每对结点的复用段信号质量的优劣来决定是否倒换 通道倒换环与复用段倒换环的一个重要区别是前者往往使用专用保护 即正常情况下保护段也在传业务信号 保护时隙为整个环专用 而后者往往使用公用保护 即正常情况下保护段是空闲的 保护时隙由每对结点共享 如果按照进入环的支路信号与由该支路信号分路结点返回的支路信号方向是否相同 又可以将自愈环分为单向环和双向环 正常情况下 单向环中所有业务信号按同一方向在环中传输 双向环中进入环的支路信号按一个方向传输 而由该支路信号分路结点返回的支路信号按相反的方向传输 如果按照一对结点间所用光纤的最小数量还可以分为二纤环和四纤环 下面以四个结点的环为例 介绍4种典型的自愈环结构 1 二纤单向通道倒换环 二纤单向通道倒换环如图8 6所示 通常单向环由两根光纤来实现 S1光纤用来携带业务信号 P1光纤用来携带保护信号 8 6二纤单向通道倒换环 这种环采用 首端桥接 末端倒换 结构 例如 在结点A进入环传送给结点C的支路信号 AC 同时馈入S1和P1向两个不同方向传送到C点 其中S1光纤按顺时针方向 P1光纤按逆时针方向 C点的接收机同时收到两个方向传送来的支路信号 择优选择其中一路作为分路信号 正常情况下 S1传送的信号为主信号 同理 在C点进入环传送至结点A的支路信号 CA 按上述同样的方法传送到结点A S1光纤所携带的CA信号为主信号 当BC结点间的光缆被切断时 两根光纤同时被切断 从A经S1光纤到C的AC信号丢失 结点C的倒换开关由S1转向P1 结点C接收经P1光纤传送的AC信号 从而使AC间业务信号不会丢失 实现了保护作用 故障排除后 倒换开关返回原来的位置 2 二纤单向复用段倒换环 二纤单向复用段倒换环的结构如图8 7所示 这是一种路径保护方式 在这种环形结构中每一结点都有一个保护倒换开关 正常情况下 S1光纤传送业务信号 P1光纤是空闲的 当BC结点间光缆被切断 两根光纤同时被切断 与光缆切断点相邻的两个结点B和C的保护倒换开关将利用APS AutomaticProtectionSwitching 协议执行环回功能 例如在B结点S1光纤上的信号 AC 经倒换开关从P1光纤返回 沿逆时针方向经A结点和D结点仍然可以到达C结点 并经C结点的倒换开关环回到S1光纤后落地分路 故障排除后 倒换开关返回原来的位置 图8 7二纤单向复用段倒换环 当BC结点间光缆被切断 两根光纤同时被切断 与光缆切断点相邻的两个结点B和C的保护倒换开关将利用APS AutomaticProtectionSwitching 协议执行环回功能 例如在B结点S1光纤上的信号 AC 经倒换开关从P1光纤返回 沿逆时针方向经A结点和D结点仍然可以到达C结点 并经C结点的倒换开关环回到S1光纤后落地分路 故障排除后 倒换开关返回原来的位置 3 四纤双向复用段倒换环 通常双向环工作在复用段倒换方式 既可以是四纤又可以是二纤 四纤双向复用段倒换环的结构如图8 8所示 它由两根业务光纤S1与S2 一发一收 和两根保护光纤P1与P2 一发一收 构成 其中S1光纤传送顺时针业务信号 S2光纤传送逆时针业务信号 P1与P2分别是和S1与S2反方向传输的两根保护光纤 每根光纤上都有一个保护倒换开关 正常情况下 从A结点进入环传送至C结点的支路信号顺时针沿光纤S1传输 而由C结点进入环传送至A结点的支路信号则逆时针沿光纤S2传输 保护光纤P1和P2是空闲的 当BC结点间光缆被切断 四根光纤同时被切断 根据 APS协议 B和C结点中各有两个倒换开关执行环回功能 从而环工作的连续性得以维持 故障排除后 倒换开关返回原来的位置 在四纤环中 仅仅光缆切断或结点失效才需要利用环回方式来保护 而如果是单纤或设备故障可以使用传统的复用段保护倒换方式 图8 8四纤双向复用段倒换环 当BC结点间光缆被切断 四根光纤同时被切断 根据APS协议 B和C结点中各有两个倒换开关执行环回功能 从而环工作的连续性得以维持 故障排除后 倒换开关返回原来的位置 在四纤环中 仅仅光缆切断或结点失效才需要利用环回方式来保护 而如果是单纤或设备故障可以使用传统的复用段保护倒换方式 4 二纤双向复用段倒换环 在四纤双向复用段倒换环中 光纤S1上的业务信号与光纤P2上的保护信号的传输方向完全相同 如果利用时隙交换技术 可以使光纤S1和光纤P2上的信号都置于一根光纤 称S1 P2光纤 中 例如S1 P2光纤的一半时隙用于传送业务信号 另一半时隙留给保护信号 同样 光纤S2和光纤P1上的信号也可以置于一根光纤 称S2 P1光纤 上 这样S1 P2光纤上的保护信号时隙可以保护S 2 P1光纤上的业务信号 S2 P1光纤上的保护信号时隙可保护S1 P2光纤上的业务信号 于是四纤环可以简化为二纤环 如图8 9所示 当BC结点间光缆被切断 二根光纤也同时被切断 与切断点相邻的B和C结点中的倒换开关将S1 P2光纤与S2 P1光纤沟通 利用时隙交换技术 可以将S1 P 光纤和S2 P1光纤上的业务信号时隙转移到另一根光纤上的保护信号时隙 于是就完成了保护倒换作用 图8 9二纤双向复用段倒换环 前面介绍了4种自愈环结构 通常通道倒换环只工作在二纤单向方式 而复用段倒换环既可以工作在二纤方式 又可以工作在四纤方式 既可以单向又可以双向 自愈环种类的选择应考虑初建成本 要求恢复业务的比例 用于恢复业务所需要的额外容量 业务恢复的速度和易于操作维护等因素 8 3WDM光网络 WDM技术极大地提高了光纤的传输容量 随之带来了对电交换结点的压力和变革的动力 为了提高交换结点的吞吐量 必须在交换方面引入光子技术 从而引起了WDM全光通信的研究 WDM全光通信网是在现有的传送网上加入光层 在光上进行分插复用 OADM 和交叉连接 OXC 目的是减轻电结点的压力 由于WDM全光网络能够提供灵活的波长选路能力 又称为波长选路网络 WavelengthRoutingNetwork 基于WDM和波长选路的全光网络及其与单波长网络的关系 如图8 10所示 图8 10基于WDM和波长选路的光网络 8 3 1光传送网的分层结构ITUT的G 872 草案 已经对光传送网的分层结构提出了建议 建议的分层方案是将光传送网分成光通道层 OCH 光复用段层 OMS 和光传输段层 OTS 与SDH传送网相对应 实际上是将光网络加到SDH传送网分层结构的段层和物理层之间 如图8 11所示 由于光纤信道可以将复用后的高速数字信号经过多个中间结点 不需电的再生中继 直接传送到目的结点 因此可以省去SDH再生段 只保留复用段 再生段对应的管理功能并入到复用段结点中 为了区别 将SDH的通道层和段层称为电通道层和电复用段层 图8 11光传送网的分层结构 a SDH网络 b WDM网络 c 电层和光层的分解 光通道层为不同格式 如PDH565Mb s SDHSTMN ATM信元等 的用户信息提供端到端透明传送的光信道网络功能 其中包括 为灵活的网络选路重新安排信道连接 为保证光信道适配信息的完整性处理光信道开销 为网络层的运行和管理提供光信道监控功能 光复用段层为多波长信号提供网络功能 它包括 为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段连接 为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销 为段层的运行和管理提供光复用段监控功能 光传输段层为光信号在不同类型的光媒质 如G 652 G 653 G 655光纤 上提供传输功能 包括对光放大器的监控功能 WDM光网络的结点主要有两种功能 即光通道的上下路功能和交叉连接功能 实现这两种功能的网络元件分别是光分插复用器 OADM 和光交叉连接器 OXC 8 3 2光分插复用器在SDH传送网中 分插复用器 ADM 的功能是对不同的数字通道进行分下 drop 与插入 add 操作 与此类似 在WDM光网络也存在光分插复用器 OADM 其功能是在波分复用光路中对不同波长信道进行分下与插入操作 无论ADM还是OADM 都是相应网络中的重要单元 在WDM光网络的一个结点上 光分插复用器在从光波网络中分下或插入本结点的波长信号的同时 对其它波长的向前传输并不影响 并不需要把非本结点的波长信号转换为电信号再向前发送 因而简化了结点上信息处理 加快了信息的传递速度 提高了网络组织管理的灵活性 降低了运行成本 特别是当波分复用的波长数很多时 光分插复用器的作用就显得特别明显 光分插复用器可以分为光 电 光和全光两种类型 光 电 光型光分插复用器是一种采用SDH光端机背靠背连接的设备 在已铺设的波分复用线路中已经使用了这种设备 但是光 电 光这种方法不具备速率和格式的透明性 缺乏灵活性 难以升级 因而不能适应WDM光网络的要求 全光型光分插复用器是完全在光波域实现分插功能 具备透明性 灵活性 可扩展性和可重构性 因而完全满足WDM光网络的要求 光分插复用器的核心部件是一个具有波长选择能力的光学或光子学元件 例如本书第7章介绍的几种光滤波器等 下面介绍几种光分插复用器的实现方法 1 基于解复用 复用结构的OADM 这种光分插复用器采用解复用器和复用器背靠背的形式来实现 如图8 12所示 在这种结构中 可以把需要在本地结点分下的一路或多路光波长信号很方便地从多波长输入信号中分离出来并连接到本地结点的光端机上 同时将本地结点需要发送的光波长通过复用器插入到多波长输出信号中去 其它波长的光信号可以不受影响地透明通过该分插复用器 是 随着波分复用的波长数的增加 用于连接每个波长的光纤连线也会相应地增加 例如如果是32路波长的光分插复用器 考虑到双向传输总共需要64根光纤连线 这肯定会给设备管理带来困难 图8 12基于解复用 复用结构的OADM 在这种结构中 由于不需要作分插的波长不能直接地通过 而解复用器和复用器的滤波特性会改变传输光谱的形状 因而会影响整个系统的传输性能 由于这种光分插复用器使用了光解复用器和复用器 如果系统要增加波长 就必须改造甚至更换解复用器和复用器 因而这种光分插复用器不具备波长透明性 2 基于光纤马赫 曾德尔干涉仪加上光纤布喇格光栅结构的OADM图8 13所示的是基于平衡的马赫 曾德尔干涉仪 MZI 加上光纤布喇格光栅 FBG 结构的全光纤型光分插复用器 在理想情况下 耦合器的分束比为1 1 MZI的两臂等长 两光栅写入在等长位置上并接近全反射 因此与光纤布喇格光栅的峰值波长相对应的光波长 将在分下 drop 口取出 而其它光波长信号将全部通过 并从输出 output 口输出 图8 13基于光纤马赫 曾德尔干涉仪加上光纤布喇格光栅结构的OADM 而且这种结构是左右对称的 同样可以插入与光栅峰值波长相对应的光波长信号 但是实际上要做到两个耦合器 两个光栅和两臂长完全相同是很困难的 因此要实现它也很困难 实现上述马赫 曾德尔结构可采用一种等效变通的方法 在双芯光纤上连续采用熔融拉锥方法制成有一定距离的两个3dB定向耦合器 然后在两个耦合器之间的光纤上一次写入 曾德尔结构和光栅反射路径 但是要从双芯光纤中引出光信号需要特殊的光纤连接线 3 基于光纤耦合器加上光纤布喇格光栅结构的OADM 图8 14示出基于光纤耦合器加上光纤布喇格光栅结构的OADM 这种结构是在光纤定向耦合器的腰区写入光栅 如果在入射光中某一波长的光信号与光栅的峰值波长在波长上一致 就会形成选择性反射 此处定向耦合器中两根光纤中的一根已经过预处理 熔融拉细 使两根光纤的芯径略有差别 因此在两根光纤中模式传播常数稍微有些不同 选择适当的光栅常数 使反射模式的耦合恰好发生在入射光纤基模与另一根光纤的反方向传输基模之间 要实现这种结构需要复杂的特殊制作工艺 因而不适宜大量制作 图8 14基于光纤耦合器加上光纤布喇格光栅结构的OADM 4 基于光纤光栅加上光纤环行器结构的OADM 图8 15示出基于光纤光栅加上光纤环行器结构的OADM 采用光纤环行器和光纤光栅的结合可以实现多个波长的分插复用 与基于马赫 曾德尔加上光纤布喇格光栅结构相比 这种结构对每一个波长只需一个而不是一对光栅 结构较为简单 性能较为稳定 在两个环行器之间接入m个光纤光栅 在两个环行器的端口3分别接入解复用器和复用器 这样就可以分下和插入m个波长信号 而其它的没有被光纤光栅反射的光信号 无阻挡地从输出端口输出 如果采用可调谐光纤光栅 就可以得到在调谐范围内的任意波长信号 最后还可以通过不同组合形式的光开关 从m个波长中选取任意的分插波长 在这种结构中 由于环行器的回波损耗很大 所以根本不需要外加隔离器 图8 15基于光纤光栅加上光纤环行器结构的OADM 5 基于介质膜滤波器加上光纤环行器结构的OADM 图8 16示出基于介质膜滤波器加上光纤环行器结构的OADM 其中使用了多层介质膜 Multi layerDielectricFilm 滤波器 2 光开关和光纤环行器等 多层介质膜滤波器由于其良好的温度稳定性目前已经在商业的波分复用系统中使用 多波长光信号从输入端经环行器到达滤波器 由于介质膜滤波器属于带通滤波器 因此只有位于通带内的波长才可以通过滤波器 其它波长则被反射回环行器 通过滤波器的波长由光开关选择从分下 drop 口输出 插入的波长经过右边的同波长滤波器再通过右边环行器而输出 从左面滤波器反射回左面环行器的光从端口2到端口3再进入下面环行器的端口1 重复以上过程 每经过一个环行器和滤波器组合后 其余波长则继续往下走 如果不在本结点作分插复用的波长就再连接到右侧的光纤环行器 然后依次经过环行器和多层介质膜带通滤波器 一直传输到多波长输出端口 图8 16基于介质膜滤波器加上光纤环行器结构的OADM 8 3 3光交叉连接器光交叉连接器 OXC OpticalCrossconnect 是光波网络中的一个重要网络单元 其功能可以与时分复用网络中的交换机类比 主要用来完成多波长环网间的交叉连接 作为网格状光网络的结点 目的是实现光波网的自动配置 保护 恢复和重构 光交叉连接通常分为三类 即光纤交叉连接 FXC FiberCrossconnect 波长固定交叉连接 WSXC Wavelength SelectiveCrossconnect 和波长可变交叉连接 WIXC WavelengthInterchangingCrossconnect 光纤交叉连接器连接的是多路输入输出光纤 如图8 17所示 每根光纤中可以是多波长光信号 在这种交叉连接器中 只有空分交换开关 交换的基本单位是一路光纤 并不对多波长信号进行解复用 而是直接对波分复用光信号进行交叉连接 这种交叉连接器在WDM光网络中不能发挥多波长通道的灵活性 不能实现波长选路 因而很少在WDM网络结点中单独使用 波长固定交叉连接的典型结构如图8 18所示 多路光纤中的光信号分别接入各自的波分解复用器 解复用后的相同波长的信号进行空分交换 交换后的各路相同波长的光信号分别进入各自输出口的复用器 最后复用后从各输出光纤输出 图8 17光纤交叉连接 图8 18波长固定交叉连接 在这种结构中由于不同光纤中的相同波长之间可以进行交换 因而可以较灵活地对波长进行交叉连接 但是这种结构无法处理两根以上光纤中的相同波长光信号进入同一根输出光纤问题 即存在波长阻塞问题 而波长可变的交叉连接可以解决波长阻塞问题 3 波长可变交叉连接 在波长可变交叉连接器中 使用波长变换器 WavelengthConverter 对光信号进行波长变换 因而各路光信号可以实现完全灵活的交叉连接 不会产生波长阻塞 研究表明 在光交叉连接器中对各波长通路部分配备波长变换器和全部配备波长变换器所达到的通过率特性几乎相同 图8 19为一种带专用波长变换器的波长可变交叉连接器 WIXC WithdedicatedWavelengthConverters 结构 这种结构中每一个波长经过空分交换后都配备有波长变换器 设输入输出光纤数为M 每根光纤中波长数为N 若要实现交叉连接则共需要MN个波长变换器 在这种结构中 每根输入光纤中每个波长都可以连接转换成任意一根输出光纤中任意一个波长 不存在波长阻塞 但是在一般情况下并不是所有波长都需要进行波长变换 因而这种结构的波长变换器的利用率不高 很不经济 若要提高波长变换器的利用率 可采取所有端口共用一组波长变换器的办法 图8 20是所有输入波长共用一组波长变换器情况 需要进行变换的波长由光开关交换后进入共用的波长变换器 经过变换的波长再次进入光开关与其它波长一起交换到所要输出的光纤中去 图8 19专用波长变换器的波长可变交叉连接 图8 20共享波长变换器的波长可变交叉连接器 4 交叉连接的多层结构 在实际应用中并不是所有的交叉连接都要在波长级上进行 当业务量很大时 多路光纤上的信号直接进行光纤交叉连接 FXC 并不需要对每根光纤的波长进行解复用与复用 图8 21所示为交叉连接的多层结构 最上层是电的交叉连接 EXC 中间层是波长交叉连接 可以是波长固定交叉连接 WSXC 也可以是波长可变交叉连接 WIXC 底层是光纤交叉连接 FXC 在FXC层 输入光纤中有需要作波长级交叉连接的光纤经FXC交叉连接后到上一层交叉连接端口 再作波长交叉连接 在WSXC WIXC层 输入端口有来自FXC层需要进行波长级交叉连接的光纤和来自EXC层的基于波长的各路信号一起进行波长级交叉连接的光纤 WSXC WIXC输出的波长信号分为两路 一路经波长复用后连接至FXC层 另一路直接连接到EXC层进行电的交叉连接和交换 FXC 光纤交叉连接 WSXC 波长固定交叉连接 WIXC 波长可变交叉连接 EXC 电的交叉连接 图8 21交叉连接的多层结构 8 3 4WDM光网络示例为了加深对WDM光网络的了解 我们简单地介绍一下美国的MONET网 MONET是 多波长光网络 的简称 该项目是由AT T Bellcore和朗讯科技发起的 参加单位有Bell亚特兰大 南Bell公司 太平洋Telesis NSA 美国国家安全局 和NRL 美国海军研究所 MONET试验网包括三个部分 MONETNewJersey网 Washington D C 网和连接两个地区的多波长长途光纤链路 如图8 22所示 在NewJersey是以AT TBellLabs为中心的星形网 在Washington D C 是三结点的环形网 该网络在1560nm附近复用了20个WDM信道 单信道速率有3种 即1 2Gb s 2 5Gb s和10Gb s 在网络中还使用了可调谐激光器和可调谐波长转换器等单元器件 图8 22美国的MONET 该网络的试验目标是把网络结构 先进技术 网络管理和网络经济结合在一起 实现一种高性能的 经济的和可靠的多波长网络 最后将该网扩展为全国网 支持MONET观点的人认为 未来的通信网是分层的 基础层是基于WDM的光层 用于支持电层的业务传送 该层由透明的 可以重新配置的和完全受网管控制的光网络单元构成 光层之上的层是电层 可能是SDH或ATM等电传送信号 最上层是应用层 为此 MONET项目定义和开发了一组MONET网络单元 例如 WTM 波长终端复用器 WADM 波长分插复用器 即OADM WAMP 多波长放大器 WSXC 波长固定交叉连接器 和WIXC 波长可变交叉连接器 8 4光接入网 8 4 1光接入网概述 1 接入网的概念 电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及复用设备 交换设备及各种线路设施等 接入网是电信网的重要组成部分 负责将电信业务透明地传送到 用户 ITUT的G 902建议 参看图8 23 对接入网给出如下定义 接入网由业务结点接口 SNI 和用户网络接口 UNI 之间的一系列传送实体 如线路设施和传输设施 组成 为供给电信业务而提供所需的传送承载能力 可经由网络管理接口 Q3 配置和管理 原则上对接入网可以实现的UNI和SNI的类型和数目没有限制 接入网不解释信令 图8 23接入网的界定 2 光接入网的参考配置 光接入网 OAN 为共享相同网络侧接口并由光传输系统所支持的接入链路群 有时称之为光纤环路系统 FITL 从系统配置上可以分为无源光网络 PON 和有源光网络 AON 如图8 24所示 ODN 光分配网络 是OLT和ONU之间的光传输媒质 由无源光器件组成 OLT 光线路终端 提供OAN网络侧接口 并且连接一个或多个ODN ODT 光远程终端 由光有源设备组成 ONU 光网络单元 提供OAN用户侧接口 并且连接到一个ODN或ODT 图8 24光接入网的参考配置 ONU 光网络单元 提供OAN用户侧接口 并且连接到一个ODN或ODT UNI 用户网络接口 SNI 业务结点接口 S 光发送参考点 R 光接收参考点 AF 适配功能 V 与业务结点间的参考点 T 与用户终端间的参考点 a AF与ONU之间的参考点 在OLT和ONU之间没有任何有源电子设备的光接入网称为无源光网络 PON PON对各种业务是透明的 易于升级扩容 便于维护管理 缺点是OLT和ONU之间的距离和容量受到限制 用有源设备或有源网络系统 如SDH环网 的ODT代替无源光网络中的ODN 便构成有源光网络 AON AON的传输距离和容量大大增加 易于扩展带宽 运行和网络规划的灵活性大 不足之处是有源设备需要供电 机房等 如果综合使用两种网络 优势互补 就能接入不同容量的用户目前 用户网光纤化的途径主要有两个 一是在现有电话铜缆用户网的基础上 引入光纤传输技术改造成光接入网 二是在现有有线电视 CATV 同轴电缆网的基础上 引入光纤传输技术使之成为光纤 同轴混合网 HFC 3 光接入网的拓扑结构 光接入网的拓扑结构一般有4种 单星形 双星形 总线形和环形 如图8 25所示 4 光接入网的应用类型 根据ONU的位置不同 光接入网有4种基本应用类型 光纤到路边 FTTC 光纤到大楼 FTTB 光纤到办公室 FTTO 和光纤到家 FTTH 在FTTC结构中 ONU设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒处 有时也可以设置在交接箱处 FTTC一般采用双星形结构 从ONU到用户之间采用双绞线铜缆 若要传送宽带业务则要用高频电缆或同轴电缆 图8 25光接入网的拓扑结构 FTTB是将ONU直接放在大楼内 如企业 事业单位办公楼或居民住宅公寓内 再由铜缆将业务分配到各个用户 FTTB比FTTC的光纤化程度更进一步 更适合高密度用户区 也更容易满足未来宽带业务传输的需要 如果将FTTC结构中设置在路边的ONU换成无源光分路器 将ONU移到大企业事业单位 如公司 政府机关 大学或研究所 的办公室内就成了FTTO 将ONU移到用户家里就成了FTTH FTTH是一种全透明全光纤的光接入网 适于引入新业务 对传输制式 带宽和波长等基本上没有限制 并且ONU安装在用户处 供电 安装维护等都比较方便 8 4 2无源光网络1 网络结构 无源光网络的信号由端局和电视节目中心通过光纤和光分路器直接分送到用户 其网络结构如图8 26所示 其下行业务由光功率分配器以广播方式发送给用户 在靠近用户接口处的过滤器让每个用户接收发给它的信号 在上行方向 用户业务是在预定的时间发送 目的是让它们分时地发送光信号 因此要定期测定端局与每个用户的延时 以便上行传输同步 这是PON技术的难点 由于光信号经过分路器分路后 损耗较大 因而传输距离不能很远 图8 26PON结构 a 采用TDM FDM WDM的PON b 采用TDM WDM的PON PON的一个重要应用是来传送宽带图像业务 特别是广播电视 这方面尚无任何国际标准可用 但已形成一种趋势 即使用1310nm波长区传送窄带业务 而使用1550nm波长区传送宽带图像业务 主要是广播电视业务 原因是1310 1550nm波分复用 WDM 器件已很便宜 而目前1310nm波长区的激光器也很成熟 价格便宜 适于经济地传送急需的窄带业务 另一方面 1550nm波长区的光纤损耗低 又能结合使用光纤放大器 因而适于传送带宽要求较高的宽带图像业务 具体的传输技术主要是频分复用 FDM 时分复用 TDM 和密集波分复用 DWDM 三种 图8 26 a 使用1310 1550两波长WDM器件来分离宽带和窄带业务 其中1310nm波长区传送TDM方式的窄带业务信号 1550nm波长区传送FDM方式的图像业务信号 主要是CATV信号 图8 26 b 也使用1310 1550两波长WDM器件来分离宽带和窄带业务 与图8 26 a 不同之处在于先将电视信号编码为数字信号 再用TDM方式传输 2 多址技术 PON中常用的多址技术有三种 频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 和波分多址 WDMA 它们的原理框图如图8 27所示 图8 27无源光网络的三种多址技术 a 频分多址 b 时分多址 c 波分多址 FDMA的特点是将频带分割为许多互不重叠的部分 分配给每个用户使用 其优点是设备简单 技术成熟 缺点是当多个载波信号同时传输时 会产生串扰和互调噪声 会出现强信号抑制弱信号现象 单路的有效输出功率降低 且传输质量随着用户数的增多而急剧下降 TDMA的特点是将工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙 分配给每个用户 其优点是在任何时刻只有一个用户的信号通过上行信道 可以充分利用信号功率 没有互调噪声 缺点是为了分配时隙 需要精确地测定每个用户的传输时延 并且易受窄带噪声的影响 WDMA的特点是以波长作为用户的地址 将不同的光波长分配给不同的用户 用可调谐滤波器或可调谐激光器来实现波分多址 其优点是不同波长的信号可以同时在同一信道上传输 不必考虑时延问题 缺点是目前可调谐滤波器或可调谐激光器的成本还高 调谐范围也不宽 3 ATM无源光网络 在无源光网络中采用ATM技术 就成为ATMPON 简称APON APON实现用户与四个主要类型业务结点之一的连接 这些是PSTN ISDN窄带业务 BISDN宽带业务 非ATM业务 即数字视频付费业务和Internet的IP业务 ATMPON的模型结构如图8 28所示 图8 29为一个ATM PON系统结构 该系统为各种业务提供ATM标准的接入平台 UNI 用户网络接口 SNI 业务结点接口 ONU 光网络单元 OLT 光线路终端 图8 28APON模型结构 ONU 光网络单元 MUX 复用器 VOD 视频点播 图8 29一个APON系统结构 8 4 3有源光网络在一些土地辽阔的国家 用户线有时比较长 在接入网中也用有源光网络 AON 如图8 24所示 有源光网络由OLT ODT ONU和光纤传输线路构成 ODT可以是一个有源复用设备 远端集中器 HUB 也可以是一个环网 一般有源光网络属于一点到多点光通信系统 按其传输体制可分为PDH和SDH两大类 通常有源光网络采用星形网络结构 它将一些网络管理功能 如倒换结口 宽带管理 和高速复分接功能在远端终端中完成 端局和远端间通过光纤通信系统传输 然后再从远端将信号分配给用户 8 4 4光纤同轴电缆混合网接入网除了电信部门的环路接入网以外 还有广播电视部分的CATV接入网 随着社会的发展 要求在一个CATV网内能够传送多种业务并且能够双向传输 为此一种新兴的光接入网 HFC HybridFiber Coax 网应运而生 从传统的同轴电缆CATV网到HFC网 经历了单向光纤CATV网 双向光纤CATV网最后发展到HFC网 HFC网的基本原理是在双向光纤CATV网的基础上 根据光纤的宽频带特性 用空余的频带来传输话音业务 数据业务或个人信息 以充分利用光纤的频谱资源 HFC的原理如图8 30所示 由前端出来的视频业务信号和由电信部门中心局出来的电信业务信号在主数字终端 HDT 处混合在一起 调制到各自的传输频带上 通过光纤传输到光纤结点 在光纤结点处进行光 电转换后由同轴电缆分配到每个用户 每个光纤结点能够服务的用户数大约500个左右 1 HFC系统的频谱安排 HFC采用副载波频分复用方式 其频谱安排目前国际上还没有统一标准 但在实际应用中存在一种趋势 HFC系统有750MHz系统 也有1000MHz系统 其频率资源采用低分割分配方案 将下行和上行的各种业务信息划分到不同的频段 如图8 31所示 通常安排50 750MHz 或1000MHz 为下行通道 5 40MHz为上行通道 图8 30HFC原理图 图8 31HFC系统频谱安排 50 550MHz这段频谱用来传输模拟电视 对于PAL制式每个信道的频带为8MHz 这段频谱能传输 550 50 8 60信道的模拟电视 550 750MHz这段频谱用来传输数字电视 也可以用其中一部分来传输数字电视 另一部分来传输下行电话和数据信号 5 30MHz这段频谱用来传输上行电话信号 由于每个光纤结点能服务的用户数约为500个 所以每个用户的上行回传信道频带为25MHz 500 50kHz 也有另一种分配上行频段的方法 将其扩展为5 42MHz 其中5 8MHz传输状态监视信息 8 12MHz传输VOD 视频点播 信令 15 40MHz用来传输上行电话信号 750 1000MHz这段频谱用于各种双向通信业务 其中695 735MHz和970 1000MHz可用于个人通信业务 其它未分配的频段可以有各种应用 也可用于将来可能出现的新业务 2 HFC的调制和复用方式 对模拟视频信号的调制 主要采用模拟的VSB AM调制方式和FDM复用方式 便于与家庭使用的电视机兼容 对于长距离传输 也可采用FMSCM 副载波调频 方式 对于数字视频信号的调制 可以将数字视频进行BPSK QPSK或64QAM调制到载波上 再使用FDM或SCM复用方式 下行的数字话音或数据经QPSK调制到下行副载波上 上行的数字话音或数据经QPSK调制到上行副载波上 经FDM或SCM复用后的射频信号或微波信号再对光源进行直接强度调制 经光纤传输后再在接收端解调 当然 光信号也可采用WDM DWDM甚至OFDM复用方式 3 HFC网的结构和功能 HFC网主要由前端 HE 主数字终端 HDT 传输线路 光纤结点 FN 和综合业务单元 ISU 等组成 如图8 32所示 视频前端的作用是将各种模拟的和数字的视频信号源处理后混合起来 主数字终端的作用是将CATV前端出来的信息流和交换机出来的电话业务信息流合在一起 其主要功能有 通过V5 2接口与交换机进行信令转换 对网络资源进行分配 对业务信息进行调制与解调和合成与分解 光发送与光接收 提供对HFC网进行管理的管理接口 图8 32HFC网的结构图 光纤结点的作用主要是接收来自HDT的光形式的图像和电话信号 将其转换为射频电信号 再由射频放大器放大后送给各个同轴电缆分配网 并且还能对上行信号进行频谱安排 对信令进行转换 综合业务单元 ISU 是一个智能的网络设备 分为单用户的ISU和多用户的ISU 主要提供各种用户终端设备与网络之间的接口 实现信令转换 对各种业务信息进行调制与解调和合成与分解