1、第4章 光纤技术p4.1 光纤通信概述p4.2 光纤通信基本原理p4.3 自动交换光网络p4.4 光纤弧子通信技术p4.5 光网络的发展趋势4.1 光纤通信基本原理4.1.1 光纤通信概述一、光纤通信的定义p光纤通信是以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信。图4.1 光纤通信示意图二、光纤通信特点1、传输频带宽，通信容量大p可见光波长范围大约在390nm至780nm之间，而用于光纤通信的近红外区段的光波波长为8002000nm之间，具有非常宽的传输频带。2、传输损耗小，中继距离长p由于光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下），若配以适当的光发送与光
2、接收设备，可使其中继距离达几十上百公里，这是传统的电缆、微波等根本无法与之相比拟的。3、保密性能好p光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。4、适应能力强p光纤不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25厘米时其性能不受影响）。5、体积小、重量轻、便于施工维护p一根光纤外径不超过125um，经过表面涂敷后尺寸也不大于1mm。制成光缆后直径一般为十几毫米，比金属制作的电缆线径细、重量轻，光缆的敷设方式方便灵活。6、原材料来源丰富，潜在价格低廉p 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜
3、在价格是十分低廉的。4.1.2 光纤通信的发展过程一、20世纪70年代的起步阶段1、研制出低损耗光纤p1970年，美国Corning公司制成20dB/km损耗的光纤。p1972年，美国Corning公司制成4dB/km损耗的光纤。p1973年，美国贝尔实验室制成 1dB/km损耗的光纤。p1976年，日本电报电话公司和富士通公司制成0.5dB/km低损耗的光纤。p1979年，日本电报电话公司和富士通公司制成0.2dB/km低损耗的光纤。p现在，光纤损耗已低于0.4dB/km(1.31um波长窗口）和0.2dB/km(1.55um波长窗口）。2、研制出小型高效的光源和低噪声的光检测器件p 这一时
4、期，各种新型长寿命的半导体激光器件（LD）和光检测器件（PD）陆续研制成功。3、研制出光纤通信实验系统p 19761979年，美国、日本相继进行了0.85um波长、速率为几十Mb/s的多模光纤通信系统的现场试验。二、20世纪80年代进入商用阶段p 这一阶段，发达国家已在长途通信网中广泛采用光纤通信方式，并大力发展洲际海底光缆通信。如横跨太平洋的海底光缆，横跨大西洋的海底光缆等。在此阶段，光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85um发展到1.31um和1.55um，通信速率达到几百Mb/s。p 我国于1987年前在市话中继线路上应用光纤通信，1987年开始在长途干线上应用光纤通信。铺设了多条省内
5、二级光缆干线，连通省内一些城市。从1988年起，我国的光纤通信系统由多模向单模发展。三、20世纪90年代进入提高阶段p这一阶段，许多国家为满足迅速增长的带宽需求，一方面继续铺设更多的光缆。如1994年10月世界最长的海底光缆（全长1.89万公里，连接东南亚、中东和西欧的13个国家）在新加坡正式启用。另一方面，一些国家还不断努力研究开发新器件、新技术，用来提高光纤的信息运载量。1993年和1995年先后实现2.5Gb/s和10 Gb/s的单波长光纤通信系统，随后推出的密集波分复用技术可使光纤传输速率提高到几百Gb/s。p20世纪90年代也是我国光纤通信大发展的时期。1998年12月，贯穿全国的“
6、八纵八横”光纤干线骨干通信网建成，网络覆盖全国省会以上城市和70的地市，全国长途光缆达到20万公里。至此，我国初步形成以光缆为主、卫星和数字微波为辅的长途骨干网络，我国电信网的技术装备水平进入世界先进行列，综合通信能力发生了质的飞跃，为国家的信息化建设提供了坚实的网络基础。p从20世纪70年代至今，光纤通信给整个通信领域带来了一场革命。通信系统的传输容量成万倍的增加，传输速度成千倍的提高。目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过90%，国内各大城市之间都已经铺通了20GB以上的大容量光纤通信网络。4.2 光纤通信系统的组成p光纤数字通信系统主要由光发射、光传输和光接收3部分组成。图4.
7、2 数字光纤通信系统框图p数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。在发送端，电发送端机把信息（如话音）进行A/D转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件（如LD），则光源器件就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经低损耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机中的光检测器件（如APD）把数字信号从光波中检测出来，由电端机将数字信号转换为模拟信号，恢复成原来的信息。这样就完成了一次通信的全过程。图中的中继器起到放大信号、增大传输距离的作用4.2.1 光纤的结构与分类一、光
8、纤的结构p光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成，如图4.3所示。图4.3 光纤的结构1、纤芯p纤芯位于光纤的中心部位，其成份是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率。2、包层p包层位于纤芯的周围，其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率n2，使之略低于纤芯的折射率n1。3、涂敷层p光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。一般涂敷后的光纤外径约1.5厘米。二、光纤的分类 目前光纤的种类繁多，就其分类方法而
9、言大致有四种，即按光纤剖面折射率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。1、按折射率分布分类p（1）阶跃光纤：在纤芯与包层区域，折射率的分布分别是均匀的，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，其值分别为n1与n2，如图4.4所示。图4.4 阶跃光纤的折射率分布（2）渐变光纤：光纤轴心处的折射率最大，沿剖面径向逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，如图4.5所示图4.5渐变光纤的折射率分布2、按传播模式分类（1）多模光纤：当光纤的几何尺寸（主要是纤芯直径）远远大于
10、光波波长时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式，这种光纤叫做多模光纤。（2）单模光纤：根据电磁场理论与求解麦氏方程组发现，当光纤的几何尺寸可以与光波长相比拟时，如芯径在510微米范围，光纤只允许一种模式（基模)在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信。3、按工作波长分类（1）短波长光纤：光纤通信发展初期，人们使用的光波的波长在0.60.9微米范围内（典型值为0.85微米），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤（2）长波长光纤：随着研究工作的不断深入
11、，人们发现在波长1.31微米和1.55微米附近，石英光纤的衰耗急剧下降。不仅如此，而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在1.02.0微米波长范围的光纤称之为长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。图4.6石英光纤的衰耗谱线4、按套塑类型分类（1）紧套光纤：二次、三次涂敷层与预涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多（2）松套光纤：经过预涂敷后的光纤松散地放置在塑料管内，不再进行二次、三次涂敷。松套光纤的制造工艺简单，其衰耗-
12、温度特性与机械性能也比紧套光纤好，因此越来越受到人们的重视。三、光缆p 光纤在经过涂覆和套塑等表面层处理后已具有一定的抗拉强度，但一般还经不起实用场合的弯曲、扭曲和侧压力的作用。为构成实用的传输线路，同时，便于工程上的施工安装，常常将多根光纤借用传统的绞合、套塑、金属带恺装等成缆工艺组合成像通信用的各种铜线电缆那样的光缆。这样既保持了光纤原有的传输特性，又具备了满足实际工程使用要求的力学性能。为工程应用打下了基础。4.2.2 光纤的导光原理和传输特性一、全反射原理 当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图4.7所示。图4.7 光的反
13、射与折射根据光的反射定律，反射角等于入射角根据光的折射定律：p显然，若nln2，则会有。如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射角90O，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过(折射角=90O时），或者重返回到纤芯中进行传播(折射角90O时）。这种现象叫做光的全反射现象。p人们把对应于折射角等于90O的入射角叫做临界角。很容易可以得到临界角p 不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。二、光在阶跃光纤中的传播p 了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，如图4.8所示。
14、图4.8 光在阶跃光纤中的传播示意图p通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的能力，于是产生了光纤数值孔径NA的概念。当入射光源与光纤纤芯的横截面进行入射光耦合时，入射光线的角度不能太大，只有当小于某个角度时才可以获得全反射传输的条件，我们称这个角度的正弦值为光纤的数值孔径NA。p这里首先定义光纤的相对折射率差p因为光在空气中的折射率n0=1，若想实现全反射，连续应用折射定律，光在纤芯端面的最大入射角应满足三、光在渐变光纤中的传播1、定性解释p 渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大，而沿剖面径向的增加而折射率逐渐变小。采用这种分布规律是有其理论根据的。假设光纤是由许多同轴的
15、均匀层组成，且其折射率由轴心向外逐渐变小，这样光在邻层的分界面都会产生折射现象。由于外层总比内层的折射率要小一些，所以每经过一个分界面，光线向轴心方向的弯曲就厉害一些，就这样一直到了纤芯与包层的分界面。而在分界面又产生全反射现象，全反射的光线沿纤芯与包层的分界面向前传播，而反射光则又逐层地折射回光纤纤芯。就这样完成了一个传输全过程，使光线基本上局限在纤芯内进行传播，其传播轨迹类似于正弦波图4.9 渐变光纤中光的传播轨迹2、光在单模光纤中的传播p光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，如图4.10所示。图4.10光在单模光纤中的传播轨迹四、光纤的传输特性p光纤的
16、传输特性主要包括光纤的损耗特性、色散特性和非线性特性。1、光纤的损耗特性p光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率会不断下降。光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗。p衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数），定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值。其表达式为：2、光纤的色散特性p光源信号作为载波，理想情况下应是频率单一的单色光，但现实中难以做到纯粹的单色光，光源信号含有不同的波长成分，这些不同波长成分在折射率为n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽度展宽，甚至有了明显的失真，严重时前后脉冲
17、相互重叠，难以分辨。光纤的色散不仅影响传输质量，也限制了光纤通信系统的中继距离，它是限制传输速率的主要因素。p光纤的色散可以分为三部分即模式色散、材料色散与波导色散。（1）模式色散p因为光在多模光纤中传输时会存在着许多种传播模式，而每种传播模式具有不同的传播速度与相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达到接收端的时间却不同，于是产生了脉冲展宽，这种现象称为模式色散。（2）材料色散p由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散叫材料色散。（3）波导色散p同一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，从而引起色散，称为波导色散。描述
18、光纤色散的参数有一下三种：（1）色散系数：定义为单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，即（2）最大时延差：定义为光纤中传播速度最快和最慢的两种光波频率成分的时延之差，时延差越大说明色散越严重。单位是ns/km。（3）光纤的带宽系数：定义为一公里长的光纤，其输出光功率信号下降到其最大值的一半时，此时光功率信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数。3、数值孔径NAp数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征了光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.180.23。4、归一化频率p归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光
19、纤中传输模式的数量，其表达式为：4.2.3 光发送端机和光接收端机一、光端机的基本概念p光端机是位于电端机和光纤之间不可缺少的设备。如前所述，光端机包含发送和接收两大单元。光端机的功能是：其发送单元将电端机发出的电信号转换成符合一定要求的光信号后，送至光纤传输；其接收单元将光纤传送过来的光信号转换成电信号后，送至电端机处理。可见，光端机的发送单元是完成电/光转换，光端机的接收单元是完成光电转换。通常，一套光纤通信设备含有2个光端机、2个电端机。p二、光发送端机的组成框图p光发送机原理框图如图4.11所示，其各部分的功能如下。图4.11 光发送机原理图1、均衡放大pITU-T规定了不同速率的光发
20、送机接口速率和接口码型。由PCM端机送来的HDB3或CMI码流，经过电缆的传输产生了衰减和畸变，首先要进行均衡放大，用以补偿由电缆传输所产生的衰减或畸变，以便正确译码。2、码型变换p在数字电路中，由均衡器输出的HDB3码或CMI码，需通过码型变换电路，将其变换为二进制单极性码。3、扰码p扰码电路可有规律地破坏长连“0”或长连“1”的码流，从而达到“0”、“1”等概率出现。相应的接收机需要加一个解扰电路，以恢复原来的信号流。4、时钟提取p由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据，因此，在均衡放大电路之后，由时钟提取出时钟信号，供给均衡放大、码型变换、扰码电路和编码电路使用。5、编码p如上所
21、述，经过扰码后的码流，尽量使得“1”和“0”的个数均等，这样便于接收端提取时钟信号。而且在实用上，为了便于不间断业务的误码监测，区间通信联络、监控及克服直流分量的波动，在实际的光纤通信系统中，都要对经过扰码以后的信码流进行编码，以满足上述要求。经过编码以后，线路码型已适合在光纤线路中传送。6、驱动（调制）p光源驱动电路用经过编码以后的数字信号来调制发光器件的发光强度，完成电/光转换。光源发出的光强随经过编码后的信号源变化，形成相应的光脉冲送入光导纤维。7、自动光功率控制p光源经一段使用时间将出现老化，如果光源采用LD管，必须设有自动光功率控制APC和自动温度控制ATC电路，达到稳定输出光功率的
22、目的。采用LED管时，可不设置。8、自动温度控制p由于半导体光源的调制特性曲线对环境温度变化的反应很灵敏，使输出光功率出现变化，一般在发送机盘上装有ATC电路。在发送盘，除上述主要功能以外，还有一些辅助功能，如光源过流保护功能、无光告警功能等。三、光接收端机的基本组成p光接收机是光通信系统中的一个主要组成部分，目前广泛使用的强度调制直接检波系统中接收机的示意图图4.12 光接收机结构框图1、光电检测器p由光纤传输过来的光信号，送到光接收机，光信号进入光电检测器，将光信号转变为电信号。光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电转换的。p在光纤通信中，由于光纤的芯径很细，因此要求器件的体积小，重量轻
23、，故多采用半导体光电检测器。它是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的。p在光纤通信中常用的半导体光电检测器是光电二极管PIN和雪崩光电二极管APD。这两种光电管的主要区别是APD管需外加高反偏电压，使得其内部产生雪崩增益效应，因此，它不但具有光电转换作用，而且具有内部放大作用。PIN管比较简单，只需10V20V的电压即可工作，且不需要偏压控制，但没有增益2、前置放大器p在一般的光纤通信系统中光信号经光电检测器的光电变换后，输出的电流是十分微弱的，为了使光接收机判决电路正常工作，必须将这种微弱的电信号进行若干级放大。p大家知道，放大器在将信号放大的过程中，放大器本身的电阻将引入热噪声；放大器
24、中的晶体管将引入散弹噪声。不仅如此，在一个多级放大器中，后一级放大器还会把前一级放大器输出的信号和噪声同时放大。p因此，对多级放大器的前级就有特别要求，前主放大器的性能对接收机的性能有十分重要的影响，要求它是低噪声、高增益的放大器。这样才能得到较大的信噪比SNR。前置放大器一般采用APD，它的输出为毫伏数量级3、主放大器p主放大器的作用是将前置放大器输出的信号，放大到几伏数量级，使后面判决电路能正常工作。主放大器一般是一个多级增益可调节放大器。当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路AGC用反馈环路来控制放大器，对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定
25、范围内保持恒定，主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围，使判决器的信号稳定。4、均衡器p在数字光纤通信系统中，送到光发送机进行调制的数字信号是一系列矩形脉冲。由信号分析知道，理想的矩形脉冲具有无穷的带宽。这种矩形脉冲从发送光端机输出后，要经过光纤、光电检测器、放大器等部件，而这些部件的带宽却是有限的。这样，矩形脉冲频谱中只有有限的频率分量可以通过，使从接收机主放大器输出的脉冲形状不再是矩形的了，可能出现很长的拖尾。这种拖尾现象将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。p因此，均衡器的主要作用是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形，即对已产生畸变的波形进
26、行补偿，并使邻码判决时使本码的拖尾接近0值，消除码间干扰，减小误码率。5、判决器和时钟恢复电路p判决器由判决电路和码形成电路构成。判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路。脉冲再生电路的作用，是将均衡器输出的信号，恢复为“0”或“1”的数字信号。判决器中需用的时钟信号也是从均衡器输出的信号中取得，时钟恢复电路是由箝位、整形、非线形处理调谐放大、限幅、整形、移相电路组合而成6、解码、解扰、编码电路p为了使信码流能够高质量地在光纤中传输，光发射机送入光纤的信号是经过扰码、编码处理的。这种信号经过光纤传到接收机后，还需要将上述经过扰码、编码处理过的信号进行一系列的“复原”工作。这些将由接收机中的解
27、码、解扰及码型反变换来完成。p首先要通过解码电路，将在光纤中传输的光线路码型恢复为发端编码之前的码型。然后再经解扰电路，将发送端“扰乱”的码恢复为被扰之前的状况。最后再进行码型反变换，将解扰后的码变换为原来适于在PCM系统中传输的HDB3或CMI码，它是发端码型变换部分的逆过程，最后送至电端机中4.2.4 光中继器p光脉冲信号从光发射机输出，经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真。这样，就限制了光脉冲信号在光纤中作长距离的传输。为此，就需在光波信号经过一定距离传输以后，要加一个光中继器，以放大衰减的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生，从
28、而克服光信号在光纤传输中产生的衰减和色散失真，实现光纤通信系统的长途传输。p光中继器一般可分为光-光中继器和光-电-光中继器两种，前者就是光放大器，后者是由能够完成光-电变换的光接收端机、电放大器和能够完成电-光变换的光发送端机组成。4.3 自动交换光网络4.3.1 ASON概述一、ASON的提出p为了解决未来业务和现有光网络之间的矛盾，智能控制被引入到下一代光网络中来。在2000年3月日本召开的国际电信联盟-电信标准局一次会议上，Q19/Q13研究组提出了自动交换光网络，并将它形成了G.astn和G.ason的建议。ASON网络在ITU-T中的定义为：“通过能提供自动发现和动态连接建立功能的
29、分布式（或部分分布式）控制平面，在OTN或SDH网络之上，实现动态的、基于信令和策略驱动控制的一种网络。”pASON的提出，使原来复杂的多层网络结构可以变得简单化和扁平化，从光网络层开始直接承载业务，避免了在传统网络中业务升级时受到的多重限制。在这种网络结构中核心的特点就是支持电子交换设备（如IP路由器等）动态地向光网络申请带宽资源。电子交换设备可以根据网络中业务分布模式动态变化的需求，通过信令系统或者管理平面自主地去建立或者拆除光通道，不需要人工干预。pASON直接在光纤网络之上引入了以IP为核心的智能控制技术，可以有效地支持连接的动态建立与拆除，可基于流量工程按需合理分配网络资源，并能提供
30、良好的网络保护恢复功能。因此，可以说ASON代表了光通信网络技术新的发展阶段和未来的前进方向。二、ASON的特点1、控制为主的工作方式pASON最大的特点就是从传统的传输节点设备和管理系统中抽象分离出了控制平面。自动控制取代管理成为ASON最主要的工作方式。2、分布式智能pASON的重要标志是实现了网络的分布式智能，即网元的智能化，具体体现为依靠网元实现网络拓扑发现、路由计算、链路自动配置、路径的管理和控制、业务的保护和恢复等。3、多层统一与协调p在ASON中，网络层次细化，体现了多种粒度，但多层的控制却是统一的，通过公共的控制平面来协调各层的工作。多层控制时涉及层间信令、层间路由和层发现，还
31、有多层生存机制。4、面向业务pASON业务提供能力强大，业务种类丰富，能在光层直接实现动态业务分配，提高了网络资源的利用率。4.3.2 ASON基本原理和体系结构一、ASON的基本原理pASON网络之所以是自动交换光网络，就在于它本身具备的智能性，即ASON网络在不需要人为管理和控制的作用下，可以依据控制面的功能，按用户的请求来建立一条符合用户需求的光信道。这一前所未有的革命性进步为光网络带来了质的飞跃。而ASON网络之所以具备这种智能，是因为它首次引入了光网络中的控制面。p在引入了控制平面以后，光网络从逻辑上可分为个平面：控制平面、传送平面、管理平面。ASON力图将三者有机结合，传送平面负责
32、信息流的传送；控制平面关注于实时动态的连接控制；管理平面面向网络操作者实现全面的管理，并对控制平面的功能进行补充。图4.13 ASON网络参考结构体系p在ASON网络的整体结构中，层次模型关系是一个非常重要的方面。因为从实现目的讲，ASON网络设计的目的是实现大范围全局性整体网络，因此ASON网络在结构上采用了层次性的可划分为多个域的概念性结构。这种结构可以允许设计者根据多种具体条件限制和策略要求来构建一个ASON网络。在不同域之间的互作用是通过标准抽象接口来完成的，而把一个抽象接口映射到具体协议中就可以实现物理接口，并且多个抽象接口可以同时复用在一个物理接口上二、ASON的体系结构p 传统的
33、光传送网络只是由网管层面和传输层面组成的，而自动交换光网络与传统的光传送网络相比，突破性地引入了更加智能化的控制平面，从而使得光网络能够在信令的控制下完成网络连接的自动建立、资源的自动发现等过程。也就是说，ASON由控制平面、管理平面和传送平面组成pSON的体系结构主要表现在具有ASON特色的3个平面、3个接口以及所支持的3种连接类型上。p控制平面用于实现对传送平面的灵活控制，完成信令转发、资源管理、呼叫控制、连接控制和传送控制等功能。控制平面提供网络节点接口(I-NNI和E-NNI)以及用户网络接口(UNI)。图4.14 ASON的体系结构p传送平面由一系列的传送实体组成,它是业务传送的通道
34、，提供用户信息的单向或双向传输。ASON传输网络基于网状网结构，也支持环网保护，具有如SDH(STM-N)接口、以太网接口、ATM接口以及一些特殊的接口，同时也具有与控制平面交互连接的控制接口(CCI)。节点可使用智能化的光交叉连接(OXC)或光分插复用(OADM)等光交换设备。p管理平面可分别通过NMI-T和NMI-A网络管理接口，同时对传送平面和控制平面进行管理。p3个平面之间通过3个接口实现信息的交互。控制平面和传送平面之间通过CCI相连，交互的信息主要为从控制节点到传送平面网元的交换控制命令和从网元到控制节点资源状态信息。管理平面通过NMI-T和NMI-A分别与控制平面和传送平面相连，
35、实现管理，接口中的信息主要是网络管理信息。控制平面上还有用户与网络间的接口(UNI)、内部网络之间的接口(I-NNI)和外部网络之间的接口(E-NNI)。UNI是客户网络和光层设备之间的信令接口,客户设备通过这个接口动态地请求获取、撤销、修改具有一定特性的光带宽连接资源。I-NNI是一个自治域内部或有信任关系的多个自治域中的控制实体间的双向信令接口。E-NNI是不同自治域中控制实体之间的双向信令接口。pASON支持3种连接类型，以适应当前复杂结构网络条件下端到端连接管理的需要。这3种连接类型分别为永久连接、交换连接和软永久连接。p永久连接是在没有控制平台参与的前提下由管理平面支配的连接类型，它
36、沿袭了传统光网络的连接建立形式。管理平面根据连接要求以及网络资源利用情况预先计算和确定连接路径，然后沿着连接路径通过网络管理向网元发送交叉连接命令，进行统一支配，完成PC的创建、调整、释放等操作过程。永久连接如图4.15所示。图4.15 ASON中的永久连接p交换连接的创立过程由控制平面独立完成，先由端点用户发起呼叫请求，通过控制平面内信令实体间的信令交互建立连接，是一种全新的动态连接类型。管理平面需要对SC的发起者进行身份认证，完成对SC的资源管理。交换连接实现了连接的自动化，满足快速性、动态性要求，并符合流量工程的要求，也体现了ASON的最终实现目标图4.16 ASON中的交换连接p软永久
37、连接由管理平面和控制平面共同完成，是一种分段的混合连接方式。软永久连接中用户到网络的部分由管理平面直接配置，而网络到网络部分的连接由控制平面完成。其过程为：先由管理平面配置用户到网络的连接，然后向控制平面发送请求（该请求信息中包含管理平面中已配置完成的用户到网络连接的有关信息等），控制平面根据该请求信息建立网络到网络之间的连接，并将连接建立的结果报告给管理平面。SPC可以看成是从永久连接到交换连接的过渡类型的连接方式，如图4.17所示。图4.17 ASON中的软永久连接4.4 光纤弧子通信技术4.4.1光孤子通信系p光孤子的概念可以概括为：某一相干光脉冲在通过光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤，使
38、之激活，而脉冲后沿部分则受到光纤的作用得到增益。这样，波前沿失去的能量和后沿得到的能量相抵，光脉冲就好像在完全透明的介质中传播一样，没有任何损耗，形成一个传播中稳定、不变形的光脉冲。p1973年，光孤子的观点开始引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲二、基本工作原理p光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是损耗和色散。损耗使信号在传输时能量不断减弱；而色散
39、会使光脉冲在传输中逐渐展宽。所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合。光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。p光纤的色散会使光脉冲展宽，而光纤还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。如果能够将光脉冲变宽和变窄这两种效应互相抵消，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大
40、容量的通信。p光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性效应导致对光脉冲的压缩，可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出一两个数量级，中继距离可达几百千米。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一三、光孤子通信系统的基本组成p光孤子通信系统的基本组成结构如图4.18所示图4.18 光孤子通信系统的基本组成4.4.2 光孤子通信中的关键技术一、适合光孤子传输的光纤技术p研究光孤子通信系统的一项重要任务就是评价光孤子沿光纤传输的演化情况。研究
41、特定光纤参数条件下光孤子传输的有效距离，由此确定能量补充的中继距离，这样的研究不但为光孤子通信系统的设计提供数据，而且通常导致新型光纤的产生。二、光孤子源技术p光孤子源是实现超高速光孤子通信的关键。根据理论分析，只有当输出的光脉冲为严格的双曲正割形，且振幅满足一定条件时，光孤子才能在光纤中稳定地传输，目前，研究和开发的光孤子源种类繁多，有拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器等。现在的光孤子通信试验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关DFB半导体激光器作光孤子源。理论和实验均已证明光孤子传输对波形要求并不严格，高斯光脉冲在色散光纤中传输时，由于非线性自
42、相位调制与色散效应共同作用，光脉冲中心部分可逐渐演化为双曲正割形三、光纤损耗与光孤子能量补偿放大p利用提高输入光脉冲功率产生的非线性压缩效应，补偿光纤色散导致的脉冲展宽，维持光脉冲的幅度和形状不变是光纤孤子通信的基础。然而，只有当光纤损耗可以忽略时，这种特性才能保持。当存在光纤耗损时，孤子能量被不断吸收，峰值功率减小，减弱了补偿光纤色散的非线性效应，导致孤子脉冲展宽。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗，不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状。因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。p全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了目前光通信系统中光/电、电
43、/光的转换模式。它既可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器件。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。p目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器的方法，另一种是集总的光放大器法。1、分布式放大 p分布式放大是指光孤子在沿整个光纤的传输过程中得以放大的技术，如图4.19所示。通过向普通传输光纤中注入泵浦光，产生喇曼效应，利用受激喇曼增益机制使孤子脉冲得到放大以补偿光纤损耗，当增益系数正好等于光纤损耗系数时，就能实现光孤子脉冲无
44、畸变“透明”传输。图4.19 分布式放大示意图2、集总式放大 p集总式放大如图4.20所示，与非孤子通信系统的放大方法相同，沿光纤线路周期性地接入集总式光纤放大器（EDFA），通过调整其增益来补偿两个光放大器之间的光纤耗损，从而达到使光纤非线性效应所产生的脉冲压缩恰恰能够补偿光纤群色散所带来的影响，以保持光孤子的宽度不变。集总放大方法是通过掺铒光纤放大器实现的，是当前孤子通信的主要放大方法。图4.20 集总式放大示意图4.4.3 发展前景p全光式光孤子通信，是新一代超长距离、超高码速的光纤通信系统，更被公认为是光纤通信中最有发展前途、最具开拓性的前沿课题。光孤子通信和线性光纤通信比较有一系列显
45、著的优点：一是传输容量比最好的线性通信系统大一两个数量级；二是可以进行全光中继。p由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化为一个绝热放大过程，大大简化了中继设备，高效、简便、经济。光孤子通信和线性光纤通信比，无论在技术上还是在经济上都具有明显的优势，光孤子通信在高保真度、长距离传输方面，优于光强度调制/直接检测方式和相干光通信。4.5光网络的发展趋势4.5.1 从技术驱动向业务驱动转型p光网络发展乃至电信网发展，其驱动力主要来自三个方面：技术、业务和政策。三者相互依赖、相互影响，共同作用于光网络的发展。p虽然技术和业务都是光网络发展的驱动力，二者的作用方式是不同的，技术对光网络起支撑作用，而光网络
46、又是业务的支撑者，业务对光网络的驱动力最终还要通过技术起作用。当技术发展适应光网络发展需求的时候，就促进光网络的发展，反之则阻碍光网络的发展。而光网络发展的需求来源于业务发展的需求，业务通过与光网络的矛盾促进技术革新，从而带动光网络的发展。所以如果排除政策对光网络发展的影响，技术、业务和光网络发展形成了一个传动作用的闭环，如图4.21所示。图4.21 技术、业务和光网络发展关系图4.5.2 未来业务与下一代光网络一、从业务的特点看下一代光网络的发展pASON将自动控制引入光网络可以称得上是光通信网发展中的一场革命。它相比传统的完全基于网络管理系统的光传送网具备以下一些突出优点：p1、业务连接基
47、于控制技术快速拆建和修改，更好的满足数据业务的动态性需求。p2、实现流量工程要求，将网络资源动态、合理地分配给网络中的连接。p3、具有灵活的恢复能力，对业务不仅可以实现保护，而且可以自动快速恢复。p4、提供多种新业务，如带宽按需分配、光虚拟专用网(OVPN)等。pAS0N可以说是对传统光网络的重大突破，是从IP、SONEUSDH、WDM环境中升华而来，将IP的灵活和效率、SONET/SDH的超强生存能力以及WDM的容量，通过创新的分布式控制系统有机地结合在一起，形成以软件为核心的，能感知网络和业务要求，并具有高灵活性和高扩展性的新一代光网络二、从业务的自适应性需求看下一代光网络的发展p随着光网
48、络逐渐接近用户层面，通过提供差异化服务来满足用户的应用将变得越来越重要。在美国、日本等发达国家新兴的业务提供商已经开始致力于这个市场的各个方面。但是这些供应商需要业务可以更加灵活，新业务的开发更加容易，光层业务类型更丰富，提供周期更短。p在这个业务和网络发展的环境下，对光网络自适应性的研究变得十分必要。光网络需要能够自动适应业务量增长；能够自动分析业务的多样性需求，根据需求自动建立不同的光连接；能够使得业务的提供更加灵活，对业务需求改变的响应更加快速；能够自动适应未来可能出现的新业务，使得新业务的设计和开展更加容易。p目前的光网络体系并不适应光层业务的上述需求，我国通信网的光层采用的是点到点的
49、WDM技术，用SDH环进行组网。虽然AS0N在光传送网中引入控制平面，实现了连接拆建的自动化，但现在部署的AS0N网络还是基于SDH的，信号在光上只做点到点传输。所以网络规划中常常假设光通道的信号质量都是有保障的，所有光纤链路和信道都具有标准的传输特性。目前对这种组网方式来说，WDM传输技术虽然具备提供带宽的能力，但其静态带宽提供方式却与数据业务的动态特性背道而驰，其弊端包括1、SDH天然的具有与下一代网络发展不适应的诸多不足，包括扩展性差、运维费用高、传输效率低、电子瓶颈问题、组网形式单一、资源调度复杂、不适应IP over WDM的发展要求等。2、无光层路由、信令、资源管理功能，无法在光层
50、为数据业务提供端到端按需的带宽分配，光通道提供慢。3、无法提供光层网络功能，也就无法进行光网络资源共享和优化调度，导致资源浪费、重复建设。4、不能在光层提供快速的保护恢复功能。为了克服上述弊端，必须采用WDM技术进行光层组网，提供端到端的光连接，使客户网络可以直接请求光网络带宽资源。对于存在光电光转换的网络，由于网络规模大，器件设备多，其间必然存在诸多差异。信号传输过程中经过的路径不同，信号的衰减、畸变就会不同，而且业务光通道的传输环境会不断发生变化，比如温度变化、光纤震动、故障后重路由等。如果不采用自适应技术，网络规划设计和工程施工会变得极其困难，光网络的信号传输质量将无从保证p所以，应该研
