第10章光纤通信新技术new

1第十章光纤通信新技术2主要内容光孤子通信下一代光网络光交换技术智能光网络全光网络通信量子通信技术310.1光孤子通光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至几万公里，目前还处于试验阶段。我们知道，光纤通信的传输距离和传输速率受到光纤损耗和色散的限制。光纤放大器投入应用后，克服了损耗的限制，增加了传输距离。此时，光纤传输系统，尤其是传输速率在Gb/s以上的系统，光纤色散引起的脉冲展宽，对传输速率的限制，成为提高系统性能的主要障碍。4为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定的距离，可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗。但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实表明，克服其害还不如利用其利。光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。510.1.1光孤子的形成在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n和入射光强(光功率)无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验良好一致的结果。然而，在高功率条件下，折射率n随光强而变化，这种特性称为非线性效应。6在强光作用下，光纤折射率n可以表示为n=n0+|E|22n式中，E为电场，n0为E=0时的光纤折射率，约为1.45。这种光纤折射率n随光强|E|2而变化特性，称为克尔(Kerr)效应，=10-22(m/V)2，称为克尔系数。虽然光纤中电场较大，为106(V/m)，但总的折射率变化Δn=n-n0=|E|2还是很小(10-10)。即使如此，这种变化对光纤传输特性的影响还是很大的。2n2n710.1.2光孤子通信系统的构成和性能光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。8孤子源调制脉冲源EDFA隔离器探测光纤传输系统EDFAEDFAEDFA(a)9光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有掺铒光纤孤子激光器、锁模半导体激光器等。目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10Gb/s时，传输距离达到1000km；在传输速率为20Gb/s时，传输距离达到350km。对循环光纤间接实验系统(参看图7.37(b))，传输速率为2.4Gb/s，传输距离达12000km；改进实验系统，传输速率为10Gb/s，传输距离达106km。10§10.2下一代光网络下一代网络（NGN,NextGenerationNetwork）是以软交换为中心，以智能OTN为光传输的开放的宽带IP网络，是一种综合、开放的网络构架。从业务上看，应支持话音和视频业务及多媒体业务从网络上看，在垂直方向应包括业务层和传送层，在水平方向应覆盖核心网和边缘网。是一个极其松散定义的术语，泛指不同于目前的数据为中心的融合网络如果特指业务层则下一代网络指下一代业务网络，如果特指传送层，则下一代网络指下一代传送网络。泛指的下一代网可以指两者，也可单指下一代业务网络。下一代网络应该是因特网与电信网技术的结合，即IP十QoS=NGN11NGN的特点业务节点将是基于软交换的体系；传送网络将是自动交换传送网(ASTN)；城域网技术将是多业务传送平台(MSTP)移动通信将是3G和超3G技术协议将是IPv6§10.2下一代光网络12光传送网络体系结构Optical(PhotonicNetwork)ATMSDHIPIPOptical(PhotonicNetwork)SDHIPOptical(PhotonicNetwork)MPLS网络的分层及其演化光传送网的功能：为透明传送SDH、PDH、ATM、IP等业务信号提供光通道。13SDH和OTN的分层结构光传输段层OTS光复用段层OMS光信道层OCH(没有虚道层虚道层电路层电路层PDH通道层SDH通道层电复用段层电复用段层光传送网络电路层通道层复用段层再生段层SDH网络物理层(光纤)物理层(光纤)IP业务的传送IP包封成光分组、光通路连接信息适配、光通路监控光分组的复用、段信息适配、段监控在光纤介质上提供传输功能IP层采用波长交换路由技术光信道层需要有全光交换技术、全光路由等；光复用段层需采用光波复用技术，如OCDM、OTDM、DWDM；光传输段层需解决光信号的放大、色散管理。IP头处理、分段、转发（光域）14下一代光传送网提出由于IP业务量本身的不确定性和不可预性、自相似性和不对称性，IP业务对网络带宽的动态分配要求越来越迫切。传统的主要靠人工配置网络连接,原始方法耗时费力，不仅难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要。自动交换传送网(ASTN)：能够自动完成网络连接以OTN为基础的ASTN称为自动交换光网络ASON（简称智能光网络）。引入动态交换是传送网概念重大突破，是传送网一次革命15现状：全光网（AON）:光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，不需要经过O/E/O。光域实现放大、整形、时钟提取、波长变换等十分困难无法在光域上增加开销对信号进行监视，管理和维护还必须依靠电信号进行不能组成全球性／全国性的网以实现全网内的波长调度和传输目前的光传送网智能性很低，大部分采用的都是固定的光链路连接模式，对高速带宽的指配基本上是静态的，不能满足可预见的客户层需求。光传送网络的全光化和智能化16光传送网络的全光化和智能化主要发展趋势：组网方式开始从简单的点到点传输向光层联网方式前进，改进组网效率和灵活性；光联网将从静态联网开始向智能化动态联网方向发展，改进网络响应和生存性是未来发展的一项主要任务；智能网络对于运营商在竞争中推出与众不同的服务，以及节省运营开支起着至关重要的作用。17能功络网时间1996201020002005WDM点到点传输OADM具有静态光上下路功能的WDM点到点传输DWDM点到点传输OADMOADMOADMOADM具有动态光上下路功能的DWDM传送网OADMOADMOADMOXC具有动态光上下路和静态光交叉互连功能的DWDM传送网OADMOADMOXCOXCOADMOADMOADMOADMOADMOXCOADMOADMOADM全动态光上下路/光交叉互连DWDM传送网OADM具有静态光上下路功能的DWDM点到点传输光网络的发展趋势18§10.3光交换技术光交换：对送来的光信号直接进行交换，无需光/电/光变换实现全光通信的关键技术光的“电路”交换（OCS:OpticalCircuitSwitching）空分光交换时分光交换波分/频分光交换码分光交换光分组交换（OPS:OpticalPacketSwitching）ATM光交换IP包光交换光突发交换复合光交换：采用两种或多种交换方式19空分光交换空分光交换（SpaceDivisionOpticalSwitching）技术是指通过控制光选通元件的通断，实现空间任意两点（点到点、一点到多点、多点到一点）的直接光通道连接。实现的方法是通过空间光路的转换加以实现，关键器件：光开关及相应的光开关阵列矩阵。光耦合器呼叫处理中心用户监控电路8×8光开关矩阵光耦合器用户用户光耦合器20时分光交换时分光交换（TimeDivisionOpticalSwitching）是以时分复用为基础，用时隙互换原理来实现交换功能。时隙互换是指把N路时分复用信号中各个时隙的信号互换位置。时分光交换中最核心的工作是将时分复用信号顺序地存入存储器并将经过时隙互换操作后形成的另一时隙阵列顺序地取出。关键器件：光开关和光存储器12...N12...N12N时隙帧输出复接器1243344311延迟22延迟延迟延迟4132输入12341234分接器分接器复接器时分复用原理时隙互换原理等效的空分交换21波分光交换波分光交换（WavelengthDivisionOpticalSwitching）技术是以波分复用原理为基础，结合空分光交换技术，通过波长选择或波长变换的方法实现交换功能关键器件：光交叉连接器（OXC）和光波长转换器。波长变换法交换波长选择法交换每个空分交换机可能提供的连接数为N×N，故整个交换机可提供的连接数为N2W。每个空分交换机可能提供的连接数为NW×NW，故整个交换机可提供的连接数为N2W2。22码分光交换码分光交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码字之间的交换。在光码分复用多址(OCDMA)网络中，每个用户都分配有一个惟一的地址码，可以用来进行地址识别、路由选择，即可利用用户的地址码实现全光自路由和光交换光码分交换原理23光分组交换光分组交换(OPS)：从信源到信宿的过程中数据包的净荷部分都保持在光域中，而依据交换/控制的技术不同，数据包的控制部分(开销)可以在中间交换节点处经过或不经过O/E/O变换。目前解决方案：传输与交换在光域实现，路由和转发功能以电的方式实现。光分组交换完成功能：选路；流量控制与竞争解决方案；同步分组头的产生/插入光分组交换具有巨大的竞争力：•光分组交换具有大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点•光分组交换把大量的交换业务转移到光域实现，能实现交换容量与WDM的传输容量相匹配。•光分组技术与OXC、MPLS等新兴技术的结合，实现网络的优化与资源的合理利用。2410.4自动交换光网络ION（智能光网络）：在光路由和信令控制下完成自动交换连接功能的新一代的光网络，是一种具备标准化智能的光传送网ASON(自动交换光网络)的关键技术指在专门信令网控制之下完成光传送网内光网元连接的、具有自动交换功能的一种新型网络，可以被看作是新一代光传送网或下一代光传送网，目前已成为光通信领域研究的热点之一。ASON≈OTN+标准化智能可以动态分配光通路实现端到端连接的保护和恢复实现数据网网元与光层网元的控制协调，将光网络资源与数据业务分布自动地联系起来25什么是自动交换光网络？ABCTMN请求建立Ａ－Ｂ的通道网络操作者用户用户传统光网络的通道建立方式：通过网管系统人工配置26TMN连接建立连接拆除ABTMNforO&MLERLERLERLERACC专用记费系统什么是自动交换光网络？通道的自动建立：按带宽需求需建立通道，自动选择路由．ASON:AutomaticSwitchOpticalNetwork自动交换光网络27自动交换光网络提出2000年3月在国际电联ITU-TSG13工作会议上正式提出ASON,适应光传送网OTN的自动化和智能化的发展ITU-TSGl3命名为ASTN，主要从高层描述ITU-TSGl5命名为ASON，主要从相对细节的结构描述在ITU-T的2001~2004研究期由SG15承担光互联网论坛（OIF）主要从用户节点接口方面提出业务和相关信令的要求Internet工程任务组（IETF）主要从信令和选路方面对自动交换光网络进行要求光域业务互联（ODSI）组加快定义与智能光网络的开放式接口28智能光网络的演进有两种基本网络结构，即重叠模型结构和对等模型结构。重叠模型又称客户-服务者模型（ITU、光互联论坛（OIF）和光域业务互联（ODSI）等支持）。实施方法