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光纤通信课件第七章

发布者:zhanglaoshi        发布时间:2019-08-21 10:57:23

光纤通信

第7章光纤通信新技术第6章 SDH技术

本章内容、重点和难点

本章内容  DWDM技术的概念及系统结构。

 光接入网的概念及相关的接入技术。

 相干光通信技术。

 光弧子通信技术。

 全光通信网。

本章重点和难点  DWDM技术。

 光接入技术。

 全光通信网。2第6章 SDH技术

学习本章目的和要求

 掌握DWDM技术及系统结构。

 了解光接入的原理,掌握光接入网的相关技术。

 了解相干光通信及光弧子通信的基本概念。

 了解全光网的概念。7.1 DWDM技术

介绍:DWDM的原理 DWDM关键技术和实现方式传输媒质(也就是光纤)的种类和特性 DWDM系统组网 DWDM概述

1.DWDM技术产生背景

传统的传输网络扩容方法采用空分多路复用(SDM)和时分多路复用(TDM)两种方式。

(1)SDM靠增加光纤数量的方式线性增加传输系统的容量, 传输设备也线性增加。空分多路复用的扩容方式十分受限。

(2)TDM是比较常用的扩容方式,从PDH的一次群至四次群的复用,到SDH的STM-1、STM-4、STM-16至STM-64的复用。

但达到一定的速率等级时,会受到器件和线路等特性的限制。

DWDM技术不仅大幅度地增加了网络的容量,而且还充分利用了光纤的宽带资源,减少了网络资源的浪费。 DWDM概述

2.DWDM原理概述

DWDM技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性,采用多个波长作为载波,允许各载波信道在一条光纤内同时传输。

通常把光信道间隔较大(甚至在光纤的不同窗口上)的复用称为光波分复用(WDM),而把在同一窗口中信道间隔较小的WDM称为密集波分复用(DWDM)。

DWDM系统的构成及光谱示意如图7-1所示。 DWDM概述

图7-1 DWDM系统的构成及频谱示意图 DWDM概述

3.DWDM工作方式

(1)双纤单向传输双纤单向传输指一根光纤只完成一个方向光信号的传输,反向光信号的传输由另一根光纤来完成。如图7-2所示,

图7-2 双纤单向传输的DWDM系统 DWDM概述

(2)单纤双向传输单纤双向传输指在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输,两个方向的光信号应安排在不同波长上。

图7-3 单纤双向传输的DWDM系统 DWDM概述

(3)光信号的分出和插入通过光分插复用器(OADM)可以实现各波长的光信号在中

间站的分出与插入,即完成上/下光路,利用这种方式可以完成 DWDM系统的环形组网。

图7-4 光信号的分出和插入传输 DWDM概述

4.DWDM的应用形式

有开放式DWDM和集成式DWDM。

开放式DWDM系统采用波长转换技术,将复用终端的光信号转换成符合ITU-T建议的波长,然后进行合波。

集成式DWDM系统没有采用波长转换技术,它要求复用终端的光信号符合ITU-T建议的波长,然后进行合波。 DWDM概述

5.DWDM的优越性

(1)超大容量 (2)对数据“透明” (3)系统升级时能最大限度地保护已有投资 (4)高度的组网灵活性、经济性和可靠性 (5)可兼容全光交换 DWDM系统结构

1.DWDM器件

DWDM器件分为合波器和分波器两种,如图7-5所示。

合波器的主要作用是将多个信号波长合在一根光纤中传输。

分波器的主要作用是将在一根光纤中传输的多个波长信号分离。

图7-5 DWDM器件 DWDM系统结构

2.DWDM的几种网络单元类型

DWDM设备可分为光终端复用器(OTM)、光线路放大器

(OLA)、光分插复用器(OADM)和电中继器(REG)几种类型。

以华为公司的波分320G设备为例讲述各种网单元的作用。

(1)光终端复用器(OTM)

在发送方向,OTM把波长为λ1~λ16(或λ32)的STM-16信号经

合波器复用成DWDM主信道,然后对其进行光放大,并附加上波长为λs的光监控信道。

在接收方向,OTM先把光监控信道取出,然后对DWDM主信道进行光放大,经分波器解复用成16(或32)个波长的STM-16信号。OTM的信号流向如图7-6所示。 DWDM系统结构

图7-6 OTM信号流向图 DWDM系统结构

(2)光放大器(OLA)

每个传输方向的OLA先取出光监控信道(OSC)并进行处理,

再将主信道进行放大,然后将主信道与OSC合路并送入光纤。如图7-7所示。

图7-7 OLA信号流向图 DWDM系统结构

(3)光分插复用器(OADM)

OADM设备接收线路的光信号后,先提取监控信道,再用WPA

将主光通道预放大,通过MR2单元把含有16或32路STM-16的光信号按波长取下一定数量后送出设备,要插入的波长经MR2单元直接插入主信道,再经功率放大后插入本地光监控信道,向远端传输。以MR2为例,其信号流向如图7-8所示。 DWDM系统结构

图7-8 静态OADM(32/2)信号流向图 DWDM系统结构

(4)两个OTM背靠背组成的光分插复用器

用两个OTM背靠背的方式组成一个可上/下波长的OADM,如图7-9所示。

图7-9 两个OTM背靠背组成的OADM信号流向图 DWDM系统结构

(5)电中继器(REG) 以STM-16信号的中继为例,其的信号流向如图7-10所示。

图7-10 电中继器(REG)的信号流向图 DWDM系统结构

3.DWDM网络的一般组成

(1)点到点组网 DWDM的点到点组网示意图如图7-11所示。

(2)链形组网 DWDM的链形组网示意图如图7-12所示。

(3)环形组网 DWDM环形组网示意图如图7-13所示。

图7-11 DWDM的点到点组网示意图 DWDM系统结构

图7-12 DWDM的链形组网示意图图7-13 DWDM的环形组网示意图 DWDM系统结构

4.DWDM网络的保护

点到点线路保护主要有两种保护方式

一种是基于单个波长、在SDH层实施的1+1或1︰N的保护;

另一种是基于光复用段上的保护,在光路上同时对合路信号进行保护,这种保护也称光复用段保护(OMSP)。

另外还有基于环网的保护。7.2 光接入技术

以前的接入网主要是铜缆网,携带的业务主要是电话业务。

铜缆网的故障率很高,维护运行成本也很高,为了减少铜缆网的维护运行费用和故障率,光接入网技术应运而生。 光接入网的基本概念

1.光接入网基本概念及位置

所谓接入网就是指端局到用户环路之间的所有机线设备,通常又称为用户网,如图7-14所示。

光接入网(OAN)是指本地交换机或远端交换模块与用户设备之间采用光传输或部分采用光传输的系统。

图7-14 接入网在电信网中的位置 光接入网的基本概念

2.OAN的优点与功能

(1)减少网路的维护运行费用,降低故障率。

(2)利于开发新业务,特别是宽带多媒体业务,加强竞争力,

提高业务收入。

(3)大大延长传输距离,扩大交换机的覆盖范围。

(4)引入OAN后,连接到用户设备的双绞线或同轴电缆段的长度很短,可实现宽带传输,充分利用现有的巨大的网络投资。

功能:OAN可为企事业单位和居民住宅用户服务;OAN工作于多厂家、多类型交换机环境;OAN能提供所有原来铜缆网所提供的业务(主要是2Mbit/s以下速率的业务),并能升级提供图像和数据等宽带业务。 光接入网的基本概念

3.OAN的参考配置

图7-15所示的是OAN的参考配置。可见,光接入网又可定义为:共享同一网络侧接口且由光接入传输系统支持的一系列接入链路,由光线路终端(OLT)、光分配网(ODN)、光网络单元 (ONU)及适配功能(AF)组成,可能包括若干与同一OLT相连的ODN。

OLT的作用是为OAN提供网络侧与本地交换机之间的接口,完成电/光转换,并经一个或多个ODN与用户侧的ONU通信。

ODN的功能是完成光信号功率的分配。

ONU的作用是提供远端用户侧接口,完成光/电转换。

AF为ONU和用户设备提供适配功能。 光接入网的基本概念

图7-15 OAN的参考配置 无源光网络(PON)

1.无源光网络(PON)的应用类型与组网应用类型:按ONU所处的位置不同,可将PON分为3种基本的应用类型,光纤到路边(FTTC),光纤到大楼(FTTB),光纤到家(FTTH)和/或光纤到办公室(FTTO)。如图7-16所示。

图7-16 PON基本应用类型 无源光网络(PON)

组网:

PON的组网有总线结构、树形结构、星形结构和混合结构。如图 7-17所示,图中SP是光分支器,一个OLT一般能带 500个用户,一个ONU可带4、16、32、64个用户。

图7-17 无源光网络的组网 无源光网络(PON)

2.PON的业务支持能力

PON可支持2.048Mbit/s以下速率的窄带业务,基本业务有下面7种:普通电话业务(POTS)、租用线、分组数据、ISDN基本

速率接入(BRA)、ISDN基群速率接入(PRA)、n×64kbit/s和

2.048Mbit/s(成帧和不成帧)。

可支持宽带业务,诸如单向广播式业务(如CATV业务)、双

向交互式业务(如VOD或数据通信业务)和模拟广播业务等。

图7-18所示是采用TDM+FDM+WDM方式传送宽带图像业务的

PON系统。 无源光网络(PON)

图7-18 TDM+FDM+WDM的PON系统 数字环路载波(DLC)

1.数字环路载波系统构成

DLC是业务节点(SN)和用户终端设备之间的接入网设备, 在SN与用户所在地之间采用点对点的有源光网络传输系统。

DLC系统由局端机(COT)、远端机(RT)和光线路终端 (OLT)三部分组成,如图7-19所示。

图7-19 DLC系统参考配置 数字环路载波(DLC)

2.DLC系统的特点

(1)COT和SN之间通过标准的2Mbit/s和n×2Mbit/s数字接口

相接。

(2)COT和RT之间使用光传输设备传送信息,光传输设备既传

送用户信息也用于传送监测信号、公务及其他数据信号的辅助信道。

(3)RT与用户终端设备之间采用标准化的用户接口。 数字环路载波(DLC)

3.DLC系统的功能

(1)DLC系统不解释信令,提供PSTN用户口信令信息的双向传输功能,提供ISDN D通道信息的双向传输功能。

(2)DLC系统提供透明传送ISDN B通道或PCM64kbit/s信道的双向传送功能。

(3)DLC系统提供各部分的性能监测、告警信号。提供每个用户口的状态信息。通过标准化的Q接口与TMN相连。

(4)DLC系统的COT到RT之间可以采用各种标准化的SDH和

PDH传输系统实现接入网传输功能。

(5)DLC系统提供“公务”等辅助功能。利用内嵌操作信道完成管理信息的传送。 数字环路载波(DLC)

4.灵活数字环路系统(FDLC)

为提高信道资源的利用率,可采用动态分配时隙的方法,这种 DLC系统称为灵活数字环路系统(FDLC)。

在DLC设备内加入集线/压缩功能,在相同的传输速率下可容纳更多的用户,如采用4∶1的集线比,可在2Mbit/s的传输速率下传送120路电话(如图7-20所示)。

图7-21所示的是另一种灵活分配时隙的例子,在2Mbit/s信道的30个时隙中,12个时隙留作租用线业务,将108路电话以6∶1 的集线比在余下的18个时隙中传输,在COT处恢复为4个2Mbit/s 进入交换机。 数字环路载波(DLC)

图7-20

4︰1集线的FDLC

图7-21 另一种FDLC用法 混合光纤同轴网(HFC)

1.HFC的基本概念

双向HFC网络能进行交互式通信,它是在现有CATV的单向

HFC网络基础上改造而成的,如图7-22所示。

2.HFC的特点

(1)HFC的优点

① 频带宽 ② 传输速率高 ③ 灵活性 ④ 经济性

(2)需要解决的问题

① 频谱相互间的干扰问题。

② 噪声干扰的“漏斗效应”问题。

③ 共享带宽,要解决好信道争用的问题。

④ 进行交互式数据通信时要注意安全性和可靠性。 混合光纤同轴网(HFC)

图7-22 双向HFC网络结构 混合光纤同轴网(HFC)

3.HFC网络结构双向HFC网络的结构如图7-22所示,主要由以下部分组成。

(1)局端设备:相当CATV系统的前端设备,但功能扩展了。

① 对各业务节点设备的接口功能。② 各路射频信号的混合。

③ 光电转换。

④ 提供监控接口功能。

(2)光纤馈线网与光节点

(3)同轴电缆信号传输与分配网,含双向放大器及分配器等。

(4)综合业务单元(ISU)

ISU分单用户(H-ISU)和多用户(M-ISU)两类。 混合光纤同轴网(HFC)

4.HFC频带分配

频带分配如表7-1所示。

波段频率范围

R 5.00~30.0

R1

30.0~42.0

I

48.5~92.0

FM 87.0~108.0

A1

111.0~167.0

III 167.0~223.0

A2

223.0~295.0

B 295.0~463.0

IV 470.0~582.0

V 582.0~710.0

VI 710.0~750.0

业务 (上行)电视及非广播业务 (上行)电信业务模拟广播电视调频广播模拟广播电视模拟广播电视模拟广播电视模拟广播电视数字或模拟广播电视电信业务(1)(VOD等) 电信业务(2)(电话、数据) 混合光纤同轴网(HFC)

5.HFC的业务支持能力

(1)基于数字传输的业务

① 普通电话业务(POTS) ③ E1(成帧与不成帧)业务 ⑤ 数据业务 ⑦ 个人通信业务(PCS)

(2)模拟业务

① 模拟广播电视

② p×64kbit/s租用线业务

④ ISDN业务:BRA和PRA ⑥ 数字视频业务(如VOD)

② 调频广播 混合光纤同轴网(HFC)

6.HFC的用户设备

HFC的用户设备由综合业务单元(ISU)与电信业务终端和/或有线电视终端组成。

ISU提供与电信业务终端和/或有线电视终端的接口功能。常见的ISU有电缆调制解调器(CM)和机顶盒(Set Top Box)。

CM用于提供数据通信业务,连接PC或局域网。CM具有标准以太接口,可以连接单台PC,也可以接多台PC或局域网。

机顶盒用于配合电视机收看模拟的或数字的广播电视节目。

功能强的机顶盒可同时具有CM的功能,用户可通过电视机上网,同样CM也可能兼有接收模拟和数字广播电视的功能。 固定无线接入(FWA)

1.固定无线接入的基本概念和特点

(1)基本概念固定无线接入是指业务节点到用户终端间部分或全部采用了无线传输的接入方式。其终端不含或含有有限的移动性。

(2)无线本地环路的优点

① 系统安装快捷,维护方便,费用低。

② 网络灵活性高,扩容方便,便于网络重组和用户变迁。

③ 有有限的移动性,方便用户,享受到移动通信的部分功能,

且仅仅支付普通市话费用即可。

④ 免去干线建设,提高了农村电话网建设的速度和安全性。

⑤ 频谱利用率高,可以构建高密度的室内无线电话网。 固定无线接入(FWA)

2.固定无线接入的系统构成典型的固定无线接入系统由下述单元组成,如图7-23所示。

图7-23 固定无线系统的参考配置 固定无线接入(FWA)

(1)用户单元是用户携带的或固定在某一位置的无线收发信机,分为固定式、

移动式和便携式3种。它为用户提供电话、传真等终端的标准接口, 也可与终端做成一体。

(2)基站基站通过无线接口提供与用户单元之间的无线信道。

(3)基站控制器提供与基站、网络和操作维护中心的接口,提供无线信道控制和基站监测等功能,并完成与交换机的转换。

(4)网管中心网管中心管理整个固定无线接入系统。它的功能包括配置管理、

故障管理、性能管理、安全管理和计费管理。 固定无线接入(FWA)

3.固定无线接入的分类

按照服务对象和覆盖范围,固定无线接入可分成以下3类。

(1)宏区:又称大区,覆盖区半径为5~55km,主要用于农村、山区、沿海和沙漠地区。

(2)微区:覆盖区半径为0.5~5km,主要用于城市、郊区和农村。

(3)微微区:覆盖区半径为50~500m,主要用于大城市人口密集的区域。 固定无线接入(FWA)

4.业务和功能

支持电话、话带数据和传真等固定电话网提供的业务。

(1)支持公网交换机所发出的拨号音、忙音等信号音。

(2)支持DTMF信号和拍叉簧功能,及各项派生业务。

(3)支持基本业务及补充业务的透明传送。

(4)具有用户识别鉴权功能。

(5)固定无线接入用户的管理。

(6)系统能提供对固定用户终接设备的检测监视能力。

(7)呼叫处理能力。 固定无线接入(FWA)

5.固定无线接入中采用的无线传输技术

(1)微波一点多址接入系统是一种利用无线传输的广播性,实现多个分散点用户业务的集中的通信系统,又称无线用户集中器。

(2)蜂窝移动通信系统用于固定接入在移动蜂窝系统的基础上针对固定接入的特点进行改造的,

以降低成本,适合于本地环路环境。

(3)专用的无线接入技术由厂商根据无线接入的特点自行制定标准专门为用于本地环路而开发的技术,没有统一的国际标准。

(4)无绳通信系统用于固定接入:有 CT2系统和DECT系统。 固定无线接入(FWA)

① CT2系统主要用作公用电话网的接入手段,而不是独立的网络,结构如图7-24所示。

图7-24 CT2系统结构 固定无线接入(FWA)

② DECT系统 DECT系统继承了CT2的一些特点,克服了一些缺点,特点是  DECT系统有良好的越区切换功能。

 DECT系统可利用多时隙组合支持较高速率的数据链路,用于144kbit/s的ISDN 2B+D业务、G4传真机业务等。DECT系统也采用32kbit/s的ADPCM语音压缩编码,语音质量很好。

 DECT系统有很强的定位能力,可以自动找到1

000个用户。

 DECT系统还具有较强的信令能力,呼叫建立快,通路变化迅速,既可呼出,也可呼入。 固定无线接入(FWA)

6.固定无线接入的应用

(1)人口稀疏的农村、边缘地区及库区 (2)城市新兴商业区和居民区 (3)在难于架设有线的地方 (4)临时应用或紧急措施7.3 相干光通信技术

相干光通信系统:利用先进的调制方式(ASK、FSK和PSK) 和外差接收构成的一种新型系统。

相干光通信系统与IM-DD系统比较,主要有以下优点。

(1)光接收机灵敏度高,中继距离长 (2)频率选择性好,通信容量大 (3)具有多种调制方式7.3 相干光通信技术

1.相干光通信系统的组成与基本原理相干光通信系统由光发射机、光纤和光接收机组成。

(1)光发射机光发射机的组成框图如图7-25所示。

图7-25 光发射机框图7.3 相干光通信技术

① 调制方式光发射机中的光调制器根据调制方式的不同,可分为ASK、 FSK和PSK 3种形式,这3种形式的已调光波图如图7-26所示。

② 调制方式的比较

ASK方式最简单,缺点是要损失一部分光源功率,通断消光比不理想,耦合时所附加的插入损耗较大。

FSK方式的一个突出优点是无需外部调制器,可对半导体激光器进行直接注入电流调制,但这种方式对激光器要求较高。

PSK方式的接收灵敏度最高可达20光子/比特,适用于长距离无中继传输,但它对光源的线宽要求极高。7.3 相干光通信技术

图7-26 各种调制方式的波形7.3 相干光通信技术

(2)光纤单模光纤作为一种传输媒介,其作用是将已调光波从发送端传送到接收端,传送模式为基模。

(3)光接收机光接收机的组成框图如图7-27所示。

图7-27 光接收机框图7.4 光孤子通信技术

1.光孤子通信技术的起源

孤子(Soliton)又称孤立波,是一种特殊形式的超短脉冲, 或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为:孤子与其他同类孤立波相遇后,能维持其幅度、形状和速度不变。

1834年英国海军工程师Scott Russel观察到河面上船过后隆起

的水波可以保形传输,从此揭开了孤子理论的研究序幕。

1973年,Hasegawa与Tappert一起从理论上证明了光孤子脉

冲能在光纤中保形传输这一现象,这种发现诱发了人们将光孤子作为一种信息载体用于高速通信的遐想。7.4 光孤子通信技术

2.光孤子通信技术的基本原理

光孤子(Optical Soliton)就是一种具有双曲正割形状的光脉冲, 这种脉冲在光纤中传输是利用光纤的群速度色散(GVD)和非线性作用中的自相位调制(SPM)两种影响达到平衡的情况下,从而能保持原来的形状传输。利用光孤子的这种特性,可以实现超长距离、超大容量的光通信。

3.光孤子通信技术的新进展

(1)理论研究进展 (2)色散管理孤子(DMS)

DMS比普通孤子系统具有更长的光中继距离,可达120~ 140km,而普通孤子系统仅为30~50km。7.4 光孤子通信技术

采用如图7-28所示的实验装置:增益开关DFB激光器产生

5GHz脉冲串,啁啾参量C=−2.29,并采用普通单模光纤(SMF)

和色散补偿光纤(DCF)搭配进行孤子脉冲传输,其中SMF长度

为30km,D=17ps/nm·km,DCF的长度为8km, D=−62ps/nm·km,通过利用DCF补偿色散,传输38km以后的孤子脉冲仍能保持原来的形状,并且啁啾参量C=−1.57,也就是说

经过色散补偿后的DMS改善了脉冲的传输质量。

图7-28

5GHz,38km色散管理孤子传输试验图7.4 光孤子通信技术

4.光孤子通信实用化研究进程

20世纪90年代前,孤子技术在实验室完成的.

1995年后开始现场试验和实用化研究。

现已经日趋成熟并已引起工业界和电信运营商的高度重视, 它将是下一代光纤通信的主流方式。7.5 全光通信网

1.全光网的概念

全光网是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术,即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行, 而其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备(OXC)。

2.全光网的基本结构

如图7-29所示,可以分为光网络层和电网络层。

光网络层的拓扑结构可以是环形、星形和网孔形等,交换方式各采用空分、时分或波分光交换。目前国际上所试验的全光网更注重于波分光交换的应用。7.5 全光通信网

图7-29 全光网的基本结构7.5 全光通信网

3.全光网络中的关键技术

(1)光交叉连接设备(OXC)

(2)光分插复用器(OADM)

(3)掺铒光纤放大器(EDFA)

(4)全光网的管理、控制和运作

① 网络层与传输层一致的问题。

② 使用新的监控方法的问题。

③ 协调处理好不同系统、不同传输层之间关系的问题。7.5 全光通信网① 全光网通过波长选择器来实现路由选择,即以波长来选择路由,对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性的优点。

② 全光网不仅可以与现有的通信网络兼容,而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。

③ 全光网络具备可扩展性。可同时扩展用户、容量和种类。

④ 全光网还具备可重构性,动态地改变网络结构,可为突发

业务提供临时连接,从而充分利用网络资源。

⑤全光网的光网络层有许多光器件,可靠性高,维护费用低。小结

1.DWDM概念。

2.DWDM的工作方式有双纤单向和单纤双向两种。

3.DWDM技术特点。

4.DWDM设备类型。

5.光接入网(OAN)概念、类型、应用。

6.相干光通信系统概念、优点及组成。

7.光孤子的概念。

8.全光网概念及关键技术。

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