《光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件第8章

第8章全光網(wǎng)絡(luò)8.1全光網(wǎng)絡(luò)的概念及特點(diǎn)

8.2全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)8.3全光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

8.4全光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備

通信網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)歷了三代：

第一代為純電網(wǎng)，它采用電纜將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)在一起，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用電子交換節(jié)點(diǎn)。在純電網(wǎng)絡(luò)中，信息的傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理均在電域中進(jìn)行。其特點(diǎn)是：

①以模擬信號(hào)為主要信息；8.1全光網(wǎng)絡(luò)的概念及特點(diǎn)②信息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延較大；

③節(jié)點(diǎn)的信息吞吐量小；

④損耗大，帶寬窄。

第二代為光電混合網(wǎng),它在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間用光纖(光纜)取代傳統(tǒng)的電纜，其拓?fù)浼軜?gòu)基本上是電信網(wǎng)的模式。光電混合網(wǎng)的成本和性能得益于光纖的優(yōu)點(diǎn)。典型網(wǎng)絡(luò)有同步光網(wǎng)絡(luò)(SONET)、SDH和各類企業(yè)網(wǎng)如FDDI(光纖分布數(shù)據(jù)接口)等。

第三代為全光網(wǎng)絡(luò),全光網(wǎng)(AON,AllOpticalNetwork)用光節(jié)點(diǎn)取代電節(jié)點(diǎn)，并用光纖(光纜)將光節(jié)點(diǎn)互聯(lián)成網(wǎng)，即在光域中完成信息的傳輸、交換和處理等功能，克服了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)在信息傳送和交換時(shí)的電子瓶頸問(wèn)題，減少了信息傳輸?shù)膿砣?，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。全光網(wǎng)絡(luò)與光電混合網(wǎng)絡(luò)的顯著區(qū)別是它只有最小量的電/光和光/電轉(zhuǎn)換，沒(méi)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)為其他節(jié)點(diǎn)的傳輸和處理信息服務(wù)。

AON以在光域中完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的選路與交換為重要標(biāo)志，隨著DWDM設(shè)備、光層直接聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)帶寬分配的、具有智能型的光交換機(jī)(光路由器)的相繼開(kāi)發(fā)成功，特別是在組網(wǎng)方面的兩項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展使全光網(wǎng)成為可能。這兩項(xiàng)組網(wǎng)技術(shù):一是可重構(gòu)型的光聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)如光交叉連接器(OXC)和光分插復(fù)用器(OADM)的開(kāi)發(fā)成功，在這些光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制通路中通過(guò)使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(如多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS、開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議OSPF)來(lái)決定路由，并可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)指配帶寬；二是在IP路由器、ATM交換機(jī)和光交換機(jī)等設(shè)備中強(qiáng)化了流量工程(TrafficEngineering)和基于約束的路由(Constraint-basedRouting)技術(shù)，使這些設(shè)備能動(dòng)態(tài)地決定在什么時(shí)間和什么位置需要增加(或減少)多少帶寬。上述這兩項(xiàng)技術(shù)將智能控制和管理信令引入光網(wǎng)絡(luò)，從而使光網(wǎng)絡(luò)具有智能性和自動(dòng)性。全光網(wǎng)絡(luò)的概念一提出便引起人們極大的興趣和廣泛的關(guān)注。在20世紀(jì)90年代初，一些雄心勃勃的光網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)網(wǎng)項(xiàng)目相繼在美國(guó)、歐洲和日本出現(xiàn)，這些項(xiàng)目都以關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備、部件、器件以及材料的研制開(kāi)發(fā)為突破口，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)完成實(shí)用化和商用化進(jìn)程。例如,美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景規(guī)劃局于20世紀(jì)90年代初便著手部署光網(wǎng)絡(luò)及其支持技術(shù)方面的重大研究計(jì)劃。該計(jì)劃分為兩期進(jìn)行，第一期側(cè)重于驗(yàn)證光網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上的可行性，并形成了兩個(gè)研究集團(tuán)：全光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(AON)和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)會(huì)(ONTC)；第二期研究從1994年底到1995年初開(kāi)始，ARPA支持四個(gè)新集團(tuán)：MONET、NTON、ICON和WEST。目前它們?cè)谄骷夹g(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管理和控制以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。歐洲通信委員會(huì)進(jìn)行的光網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃有RACE(歐洲先進(jìn)通信研究與技術(shù)發(fā)展)和ACTS(先進(jìn)通信技術(shù)與業(yè)務(wù))等。在光網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中，RACE計(jì)劃著重于建設(shè)集中寬帶網(wǎng)絡(luò)用到的基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作，通過(guò)關(guān)鍵器件的研制和測(cè)試證實(shí)它們?cè)谧酉到y(tǒng)和系統(tǒng)中的應(yīng)用；而ACTS計(jì)劃則把注意力集中在光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,ACTS計(jì)劃當(dāng)前開(kāi)展的代表性援救項(xiàng)目主要有PHOTON(泛歐光子傳輸網(wǎng))和OPEN(泛歐光網(wǎng)絡(luò))等。

我國(guó)也在加緊對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的研究,1999年9月國(guó)家“863”項(xiàng)目組設(shè)立中國(guó)高速信息示范網(wǎng)(CAINONET)項(xiàng)目，目的是要在中國(guó)建立一個(gè)DWDM全光互聯(lián)網(wǎng)，為所有的接入業(yè)務(wù)如IP、ATM、PSTN和SDH等建立一個(gè)統(tǒng)一的操作平臺(tái)，使子網(wǎng)之間在全光域上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

在各國(guó)加緊對(duì)全光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究、試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)的同時(shí)，ITU-T也正在抓緊研究有關(guān)全光網(wǎng)絡(luò)的建議。ITU-T在光組網(wǎng)傳送結(jié)構(gòu)、光參數(shù)規(guī)范、光接口定義、光網(wǎng)元的功能定義和全光網(wǎng)的管理等方面加速了標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

全光網(wǎng)絡(luò)全部采用光波技術(shù)來(lái)完成信息的傳輸和交換，包括光傳輸、光放大、光再生、光選路、光交換、光存儲(chǔ)和光信息處理等先進(jìn)的全光技術(shù)。全光網(wǎng)絡(luò)既是光纖通信技術(shù)發(fā)展的最高階段，也是理想階段,實(shí)現(xiàn)透明、應(yīng)用靈活、性能穩(wěn)定和具有高度生存性的全光通信網(wǎng)是寬帶通信網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)。全光網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：

(1)充分利用光纖的帶寬資源，傳輸信息的容量大、質(zhì)量高。全光網(wǎng)采用DWDM技術(shù)，可以充分發(fā)掘光纖的寬帶潛力，增大傳輸容量；光域的組網(wǎng)使網(wǎng)內(nèi)光信號(hào)的流動(dòng)沒(méi)有光/電轉(zhuǎn)換的障礙和信息傳輸電子瓶頸的限制。

(2)全光網(wǎng)最重要的優(yōu)點(diǎn)在于它的開(kāi)放性。它不但與現(xiàn)有的通信網(wǎng)有良好的兼容性，而且還支持未來(lái)的B-ISDN以及網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)。

(3)全光網(wǎng)具有可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性。全光網(wǎng)利用OADM可在不同的節(jié)點(diǎn)上靈活地上/下波長(zhǎng)。在網(wǎng)絡(luò)中使用OXC，可以方便地增加節(jié)點(diǎn)或移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)用戶通信量增加或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)改變OXC的連接方式動(dòng)態(tài)地變換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)。

(4)波長(zhǎng)再利用。在網(wǎng)絡(luò)不同位置的光通道中可重復(fù)使用同一波長(zhǎng)，即在兩個(gè)空間上不重疊的光通道中可以用同一波長(zhǎng)來(lái)傳送數(shù)據(jù)。例如,在圖8-1中，節(jié)點(diǎn)A、B之間和節(jié)點(diǎn)C、D之間的光通道可以同時(shí)采用波長(zhǎng)λ1來(lái)傳送信息。雖然可用的波長(zhǎng)數(shù)量是有限的，但網(wǎng)絡(luò)可提供的光通道數(shù)量比可用波長(zhǎng)的數(shù)量要多得多。

圖8-1波長(zhǎng)選擇路由示意圖

(5)全光網(wǎng)通過(guò)波長(zhǎng)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)路由選擇，即以波長(zhǎng)來(lái)選擇路由(見(jiàn)圖8-1)，各個(gè)連接是通過(guò)承載信息的波長(zhǎng)來(lái)識(shí)別的，因此它具有對(duì)調(diào)制方式(模擬或數(shù)字)、轉(zhuǎn)移模式(ATM、STM等)、傳輸速率的透明性，可以提供多種協(xié)議業(yè)務(wù)，同時(shí)不受限制地提供端對(duì)端業(yè)務(wù)。全光網(wǎng)在本質(zhì)上是完全透明的。

(6)全光網(wǎng)具有高的靈活性和可靠性。在組網(wǎng)上,可通過(guò)波長(zhǎng)選路由，減少了網(wǎng)絡(luò)硬件，降低了費(fèi)用，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。在全光網(wǎng)中引入了一個(gè)新的通道層——光通道子層，它能夠完成路由選擇、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、保護(hù)倒換和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)等功能。另外，在網(wǎng)絡(luò)中使用的許多光器件是無(wú)源器件，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可維護(hù)性。

8.2.1全光傳輸

采用單模光纖的好處是傳輸距離長(zhǎng)、通信頻帶寬，但隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們已開(kāi)始不滿足于目前常規(guī)單模光纖的傳輸距離和通信容量，對(duì)單模光纖的傳輸能力提出了更高的要求。8.2全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)影響傳輸距離的因素主要有兩個(gè)，其一是光纖損耗，其二是光纖色散。光纖損耗所限制的最長(zhǎng)傳輸距離可通過(guò)光放大器得以繼續(xù)延伸，光纖色散所導(dǎo)致的距離限制可以采用色散補(bǔ)償技術(shù)和非線性色散調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)解決。

1.光放大器

補(bǔ)償光纖損耗最有效的辦法是用光放大器直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，無(wú)需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這一技術(shù)的出現(xiàn)是光纖通信發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，是實(shí)現(xiàn)全光通信的關(guān)鍵。至今研制出的光放大器有兩大類，即光纖放大器(最典型的是EDFA)和半導(dǎo)體光放大器(SOA)，其中光纖放大器又分為兩種，即摻稀土元素的光纖放大器和利用常規(guī)光纖的非線性效應(yīng)(如受激拉曼散射、受激希里淵散射等)的光放大器(見(jiàn)圖8-2)；半導(dǎo)體光放大器主要是行波半導(dǎo)體激光放大器，商用化的是EDFA，但半導(dǎo)體激光放大器(SOA)是研究的熱點(diǎn)，這是因?yàn)樗谌饩W(wǎng)中有較好的應(yīng)用前景。

圖8-2光放大器的類型

1)光纖放大器

光纖放大器的工作原理與固體激光器的工作原理非常相似。在激光激活物質(zhì)內(nèi)造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，并產(chǎn)生受激輻射。為了造成穩(wěn)定的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，參與光躍遷的能級(jí)應(yīng)超過(guò)兩個(gè)，一般是三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)，同時(shí)要有泵浦源不斷地提供能量。為了有效的提供能量，泵浦光子的波長(zhǎng)應(yīng)短于激光光子的波長(zhǎng)，即泵浦光子的能量要大于激光光子的能量。另外諧振腔形成正反饋，這樣一來(lái)就可形成激光放大器。

(1)摻鉺光纖放大器(EDFA)的特性。摻Er3＋光纖中的鉺離子被泵浦光激勵(lì)后從低能態(tài)激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)信號(hào)光(1.53μm~1.56μm)通過(guò)該光纖時(shí)就會(huì)產(chǎn)生受激發(fā)射，使信號(hào)得到放大。這種光纖放大器具有以下一些特點(diǎn)：

①帶寬值很大。若增益為27dB，則3dB帶寬為33nm，如果每路占5GHz的帶寬，那么可同時(shí)放大1000路信號(hào)。

②增益值很高。增益一般可大于30dB，甚至高于46dB。

③泵浦效率很高。在激光器中，外部能量通常會(huì)以光或電流的形式輸入到產(chǎn)生激光的媒質(zhì)中，把處于基態(tài)的電子激勵(lì)到較高的能級(jí)(高能態(tài))。若用980nm光源泵浦，則效率為10dB/mW；若用1480nm光源泵浦，則效率為5.1dB/mW。④噪聲低，并接近量子極限。在1000km干線上用幾十或上百個(gè)光放大器，能在很寬的頻帶內(nèi)保持低噪聲。

⑤工作穩(wěn)定性好。增益與泵浦頻譜和泵源的大小之間關(guān)系不大，基本上不受溫度變化的影響，而且串?dāng)_也很小。

⑥放大特性與偏振無(wú)關(guān)，即對(duì)偏振不敏感。放大特性與光信號(hào)的傳輸方向無(wú)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)雙向放大。

⑦光纖放大器與傳輸光纖之間的連接耦合效率高。

光纖放大器的唯一一個(gè)缺點(diǎn)就是不能與其他器件集成，這將限制它在光電子集成(OEIC)中的應(yīng)用，而光電子集成又是光電子領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

(2)拉曼(Raman)光放大器。拉曼光放大器是在最近幾年內(nèi)對(duì)光放大器的研究所取得的重要成果，已開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。它的工作原理是這樣的：當(dāng)一定波長(zhǎng)的大功率激光耦合進(jìn)入光纖時(shí)，激光就會(huì)與光纖波導(dǎo)介質(zhì)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生非線性效應(yīng)，如受激拉曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)等。拉曼光放大器就是利用拉曼散射過(guò)程中，把泵浦光的能量不斷轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，從而使信號(hào)光不斷地得到放大，這就是拉曼光放大器的工作原理。拉曼光放大器有以下優(yōu)點(diǎn)：

①帶寬值很大，幾乎無(wú)限；

②低噪聲；

③靈活的帶寬設(shè)計(jì)，帶寬取決于泵浦波長(zhǎng)，如1480nm和1450nm；

④分體式放大，即沿光纖線路逐漸地放大,這可使非線性影響最小化；

⑤傳輸介質(zhì)直接作增益介質(zhì)，避免或減少了有關(guān)的耦合和連接。

當(dāng)前拉曼光放大器已廣泛地應(yīng)用于各種光纖通信系統(tǒng)，為了降低光纖線路的非線性效應(yīng)，常常同時(shí)采用EDFA和拉曼光放大器，將兩者混合使用。

2)半導(dǎo)體光放大器

半導(dǎo)體光放大器(SOA)基本上是偏置在略低于閾值電流的半導(dǎo)體激光二極管(LD)芯片，被放大的信號(hào)從其一端輸入，在有源區(qū)放大后從其另一端輸出。通常LD芯片兩端面的反射系數(shù)為R1＝R2＝0.3左右；但對(duì)于SOA，其兩端面一般要抗反(AR)鍍膜以降低反射系數(shù)，一方面是為了增大增益帶寬，另一方面可減小偏置電流、溫度和輸入信號(hào)偏振態(tài)等的脈動(dòng)對(duì)增益特性的影響。為了降低芯片與輸入光纖的耦合損耗，通常采用透鏡光。按端面反射系數(shù)值的大小可將SOA分為兩類：一類為FP的放大器(FPA)，端面反射系數(shù)為0.01~0.3，輸入信號(hào)在兩端面間產(chǎn)生正反饋諧振放大后才輸出；另一類為行波放大器(TWA)，理論上要求端面反射系數(shù)為0，即沒(méi)有端的反饋。輸入信號(hào)單向通過(guò)放大器被放大后輸出，稱為單通放大；其增益稱為單通增益或行波增益。在實(shí)際情況中，TWA的端面反射系數(shù)不可能為0，但要盡可能地低，小于10－4甚至10－6。半導(dǎo)體光放大器工作在線性狀態(tài)時(shí)，可作為光纖通信系統(tǒng)的全光中繼器、功率提升放大器及接收機(jī)前置放大器等；若而工作在非線性狀態(tài)時(shí)，則可作為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器和雙穩(wěn)態(tài)器件等。SOA的主要優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、體積小、功率消耗小，同時(shí)在波長(zhǎng)的選擇上比EDFA和FRA有更大的自由度，能填補(bǔ)EDFA不能工作的波長(zhǎng)間隙。傳統(tǒng)的SOA中存在的主要問(wèn)題是較高的噪聲系數(shù)，多信道應(yīng)用時(shí)的信道間串?dāng)_和增益對(duì)偏振態(tài)靈敏，限制了它在光纖通信系統(tǒng)，尤其是在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.超高速光纖傳輸

光纖制造技術(shù)正在進(jìn)入成熟階段，自從20世紀(jì)70年代后期光纖實(shí)現(xiàn)商業(yè)化以來(lái)，光纖的制造技術(shù)逐漸走向成熟，光纖在通信、數(shù)據(jù)網(wǎng)以及有線電視產(chǎn)業(yè)中得到了應(yīng)用。在通信中光纖可用于局間子線、陸地長(zhǎng)途骨干網(wǎng)、饋入環(huán)網(wǎng)以及海底的長(zhǎng)途系統(tǒng)；在數(shù)據(jù)網(wǎng)中，光纖的應(yīng)用包括局域網(wǎng)(LANs)、城域網(wǎng)(MANs)和廣域網(wǎng)(WANs)?，F(xiàn)在全光網(wǎng)絡(luò)正在面臨新的挑戰(zhàn)。從光纖的角度來(lái)看，全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是在一根光纖中必須能夠?qū)⒏嗟牟ㄩL(zhǎng)傳輸更遠(yuǎn)的距離，通常是以更高的速率和功率電平實(shí)現(xiàn)的。無(wú)再生中繼傳輸?shù)木嚯x可以從少于300m的系統(tǒng)到遠(yuǎn)至幾千千米的海底通信系統(tǒng)。每個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的速率可能只有10Mb/s，但也有速率可能高達(dá)10Gb/s的長(zhǎng)途通信系統(tǒng)，而且在不久的將來(lái)速率可能高達(dá)40Gb/s?，F(xiàn)在全光網(wǎng)絡(luò)對(duì)光纖提出的新的要求使其更加完善和專業(yè)化。自1990年以來(lái),人們?yōu)榱颂岣吖饫w的傳輸速率進(jìn)行了各種研究和測(cè)試,有幾項(xiàng)技術(shù)日漸成熟:

(1)EDFA。摻鉺光纖放大器改變了傳統(tǒng)的光—電—光中繼方式,使光通信的格局發(fā)生了巨大變化,它可以同時(shí)放大一根光纖中的多路光信號(hào),可使一根光纖中傳輸?shù)男畔⒘繕O大地增加,解決了光中繼的成本和傳輸中的損耗問(wèn)題。

(2)WDM。波分復(fù)用能在一根光纖中傳輸多路不同波長(zhǎng)的信號(hào)。

(3)色散管理。色散管理可以在一定程度上解決信號(hào)傳輸過(guò)程中的色散和非線性的限制。目前,實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信主要有四種方式:光時(shí)分復(fù)用、光頻分復(fù)用、采用特殊的光脈沖和編碼方式，使相同碼元攜帶更多的信息。

1)光時(shí)分復(fù)用

光時(shí)分復(fù)用(OTDM)是將多路光信號(hào)用時(shí)分復(fù)用的方式使它們?cè)谕桓饫w中傳輸,實(shí)現(xiàn)超高速傳輸,達(dá)到大幅度、大容量的目的。OTDM采用超短光脈沖,可使單信道的最高速率達(dá)到640Gb/s,頻帶的利用率很高。由于其傳輸只采用一個(gè)載波,因此OTDM系統(tǒng)可在光頻上直接進(jìn)行信號(hào)處理,控制和管理十分方便。

OTDM的關(guān)鍵技術(shù)有超短光脈沖的產(chǎn)生技術(shù)、時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)、同步和時(shí)鐘提取技術(shù)以及超高速光脈沖的傳輸和測(cè)量技術(shù)。

2)光頻分復(fù)用

光頻分復(fù)用就是使用不同的光載波在頻率上分開(kāi),包括WDM(波分復(fù)用)、DWDM(密集波分復(fù)用)和FDM(頻分復(fù)用),這三種傳輸方式的基本原理相同,但因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)之間的間隔不同,所以其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)也有所不同。WDM中光波的波長(zhǎng)間隔比較大,容易實(shí)現(xiàn),因而實(shí)用性較強(qiáng),應(yīng)用也比較普遍。下面以WDM為例,簡(jiǎn)單介紹一下其關(guān)鍵技術(shù)以及受限因素和相應(yīng)的解決辦法。

WDM的關(guān)鍵技術(shù)有:

(1)器件及設(shè)備。在WDM中有多個(gè)光載波,因而必須有頻率穩(wěn)定、多波長(zhǎng)的光源-波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器，如寬帶增益平坦的ED2FA,穩(wěn)定的可調(diào)諧濾波器,大規(guī)模開(kāi)關(guān)陳列,波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器,光交叉連接設(shè)備(OXC),光分插復(fù)用設(shè)備(OADM)等。

(2)長(zhǎng)距離傳輸中的管理。它包括減少光傳輸中的色散,使各波長(zhǎng)的色散相等以減小非線性的影響等。

(3)WDM組網(wǎng)。它包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和資源分配以及維護(hù)控制,主要解決WDM網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在通信網(wǎng)絡(luò)中的位置，如波長(zhǎng)分配,路由選擇算法，全光網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理、可重構(gòu)性和可擴(kuò)展性等問(wèn)題。

現(xiàn)階段的WDM主要應(yīng)用于點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)中,在長(zhǎng)距離傳輸中其受到限制的因素有兩個(gè):光信噪比SNR和色散及色散傾斜率。

(1)在長(zhǎng)距離傳輸中，ED2FA的級(jí)聯(lián)使放大的自發(fā)輻射(ASE)噪聲累積,從而降低了光信噪比,可以通過(guò)減小兩個(gè)放大器之間的距離或者改善放大器的噪聲指數(shù)來(lái)改善SNR。

(2)發(fā)射機(jī)信號(hào)與色散的混合效應(yīng)和光纖的非線性效應(yīng)(克爾效應(yīng)與色散的混合)使光信號(hào)發(fā)生畸變，可以采用色散管理技術(shù),使傳輸中采用的光纖的色散正、負(fù)值交替,使系統(tǒng)總的色散值為0,以減小信號(hào)畸變的影響。另外,色散斜率使WDM不同信道的色散不同,導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降,可以采用在接收端加入色散均衡設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，也可在系統(tǒng)中進(jìn)行色散補(bǔ)償,如采用光纖布拉格光柵色散補(bǔ)償器等。

3)光孤子

光孤子是一種在傳輸過(guò)程中形狀和速度均不改變脈沖狀的波,這些孤立的波在相互碰撞后保持各自原來(lái)的形狀和速度,像粒子一樣,因此也被稱做孤立子。在光纖中,光孤立子的產(chǎn)生是光纖中的色散和非線性效應(yīng)共同作用的結(jié)果,由于光孤子脈沖波形在傳輸過(guò)程中保持不變,減小了光纖色散對(duì)光纖傳輸速率及傳輸距離的限制,因此大大提高了光纖通信的傳輸速率。同時(shí),利用光孤子可以實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用及雙向傳輸,即在OTDM和WDM技術(shù)中利用光孤子來(lái)傳輸。光孤子通信是一種全光非線性通信,在光孤子的傳輸中,光纖折射率的非線性效應(yīng)導(dǎo)致對(duì)光脈沖的壓縮可以與群速色散引起的光脈沖展寬平衡。在一定條件下,光孤子能夠長(zhǎng)距離、不變形地在光纖中傳輸,完全擺脫了光纖色散對(duì)傳輸速率和通信容量的限制。

4)光CDMA

CDMA是基于OTDM和WDM之上的一種多路存取方式,它可以使相同帶寬和比特率的光信號(hào)攜帶更多的信息。在光纖CDMA(OCDMA)中,每一位數(shù)據(jù)都被一個(gè)序列編碼,每個(gè)用戶都有一個(gè)單獨(dú)的序列,在發(fā)送端,對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的序列碼進(jìn)行光正交編碼,然后實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶共享同一光纖信道;在接收端,用與發(fā)送端相同的地址碼進(jìn)行光正交解碼,恢復(fù)原用戶數(shù)據(jù)。OCDMA技術(shù)以光纖作為傳輸信道,利用高速光信息處理技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)頻和解頻,實(shí)現(xiàn)了多址接入和信道共享,其關(guān)鍵技術(shù)主要是采用何種擴(kuò)頻碼和光編/解碼技術(shù)。

3.色散補(bǔ)償

色散是光纖具有的一種重要的光學(xué)特性，色散引起光脈沖的展寬，嚴(yán)重限制了光纖的傳輸容量及帶寬。對(duì)于多模光纖，起主要作用的色散機(jī)理是模式色散或稱模間色散(即不同的模以不同的速率傳輸所引起的色散)。對(duì)于單模光纖，起主要作用的色散機(jī)理是色度色散或稱模內(nèi)色散(即不同的光頻率在不同的速率下傳輸所引起的色散)。由于多模光纖受模間色散的限制，因此其傳輸速率不能超過(guò)100Mb/s，而單模光纖則比多模光纖更優(yōu)越，在長(zhǎng)途干線實(shí)際應(yīng)用中用的也都是單模光纖，下面也僅考慮單模光纖的色散。單模光纖的模內(nèi)色散主要是材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散是指由于頻率的變化導(dǎo)致介質(zhì)折射率變化而造成的傳輸常數(shù)或群速變化的現(xiàn)象;波導(dǎo)色散是指由于頻率的變化導(dǎo)致波導(dǎo)參數(shù)變化而造成的傳輸常數(shù)或群速變化的現(xiàn)象。造成模內(nèi)色散的主要原因是實(shí)際光源都是復(fù)色光源。另外,在單模光纖中實(shí)際上傳輸著兩個(gè)相互正交的線性偏振模式，但由于光纖的非圓對(duì)稱、邊應(yīng)力、光纖扭曲和彎曲等造成輕微的傳輸速度差，從而形成偏振模色散。目前，已有多種光纖色散補(bǔ)償方案被提了出來(lái)，如后置色散補(bǔ)償技術(shù)、前置色散補(bǔ)償技術(shù)、色散補(bǔ)償濾波器、高色散補(bǔ)償光纖(DCF)技術(shù)、凋啾光纖光柵色散補(bǔ)償技術(shù)以及光孤子通信技術(shù)等。后置色散補(bǔ)償技術(shù)是通過(guò)電子技術(shù)在光信號(hào)接收端補(bǔ)償光纖色散引起的脈沖展寬，多用于相干光纖通信系統(tǒng)，適應(yīng)于低碼速的通信系統(tǒng)，傳輸距離僅有幾個(gè)色散長(zhǎng)度。前置色散補(bǔ)償技術(shù)主要包括預(yù)啁啾技術(shù)、完全頻率調(diào)制技術(shù)、雙二進(jìn)制編碼技術(shù)、放大器誘導(dǎo)啁啾技術(shù)和光纖誘導(dǎo)啁啾技術(shù)，無(wú)論是使用哪種前置色散補(bǔ)償技術(shù),都要在光脈沖進(jìn)入光纖之前產(chǎn)生一個(gè)正的凋啾(C>0)，以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。色散補(bǔ)償濾波器技術(shù)是采用Fanry-Perot干涉和Mach-Zehnder干涉技術(shù)進(jìn)行色散補(bǔ)償。然而相對(duì)較高的損耗和較窄的帶寬限制了Fabry-Perot干涉技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)輸入光偏振比較靈敏和帶寬比較窄是Mach-Zehnder干涉技術(shù)的缺點(diǎn)。8.2.2光波分復(fù)用技術(shù)

光波分復(fù)用技術(shù)是將光纖的低損耗窗口可使用的光譜帶寬劃分為若干極窄的子帶寬，信號(hào)經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制后，被調(diào)制在子帶寬的中心波長(zhǎng)上并在子帶寬內(nèi)傳輸，即在一根光纖中同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)。人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用成為密集波分復(fù)用(DWDM,DenseWavelengthDivisionMultiplexing)；光信道十分密集的稱為光頻分復(fù)用(OFDM，OpticalFrequencyDivisionMultiplexing)。習(xí)慣上采用WDM和DWDM來(lái)區(qū)分是由1310/1550nm簡(jiǎn)單復(fù)用(雙波長(zhǎng)復(fù)用)還是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的復(fù)用。由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光頻分復(fù)用還較為困難，而1310/1550nm的復(fù)用由于超出了摻鉺光纖放大器(EDFA)的范圍，只用在一些專門場(chǎng)合，在這種情況下，在電信網(wǎng)中應(yīng)用時(shí)都采用DWDM技術(shù)，因此本書在下面的內(nèi)容中均采用DWDM這個(gè)名稱來(lái)介紹WDM技術(shù)。目前DWDM都是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，其中波長(zhǎng)區(qū)段1525nm~1565nm一般被稱為C波段，這是目前系統(tǒng)所用的波段，若能消除其損耗譜中的尖峰，則可在1280nm~1620nm波段內(nèi)充分利用光纖的低損耗特性(稱之為全波光纖)，使波分復(fù)用系統(tǒng)的可用波長(zhǎng)范圍達(dá)到340nm左右，從而大大提高傳輸容量。

WDM采用C波段的8、16或更多個(gè)波長(zhǎng)，在一對(duì)光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成光通信系統(tǒng)，其中每個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，分別對(duì)應(yīng)約200GHz、100GHz或更窄的帶寬。目前一般系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)所采用的信道波長(zhǎng)是等間隔的，即k×0.8nm(k取正整數(shù))。人們正在研究與開(kāi)發(fā)的波段是L波段(1570nm~1620nm)和S波段(1400nm)的DWDM系統(tǒng)。

WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容升級(jí)，發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV、HDTV和B-ISDN等)，充分挖掘光纖帶寬能力，實(shí)現(xiàn)超高速通信等具有十分重要的意義，尤其是WDM加上摻鉺光纖放大器(EDFA)更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。就光通信系統(tǒng)的發(fā)展而言，如果某一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上/下路的光分插復(fù)用器(OADM)，那么在原來(lái)由光纖鏈路組成的物理層上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道可以連接起來(lái)，形成一個(gè)跨越多個(gè)OXC和OADM的光通道，完成端到端的信息傳送，并且這種光通路還可以根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，這個(gè)光層就是目前引人注目的、新一代的WDM全光網(wǎng)絡(luò)。下面分析WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)：

(1)充分利用光纖的巨大帶寬資源。WDM技術(shù)充分利用了光纖的巨大帶寬資源(低損耗波段)，使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸?shù)脑黾訋妆吨翈资?，從而增加光纖的傳輸容量，降低其成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前光纖通信系統(tǒng)只在一根光纖中傳輸一個(gè)波長(zhǎng)信道，而光纖本身在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域有很寬的低損耗區(qū)，有很多的波長(zhǎng)可以利用，例如，現(xiàn)在人們所利用的只是光纖低損耗頻譜中極少的一部分，即使全部利用摻鉺光纖放大器(EDFA)的放大區(qū)域帶寬(1530nm~1565nm)，也只是占用其帶寬的1/6左右，所以WDM技術(shù)可以充分利用單模光纖的巨大帶寬，從而在很大程度上解決了傳輸?shù)膸拞?wèn)題。

(2)同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)。由于WDM技術(shù)中使用的各波長(zhǎng)相互獨(dú)立，因而可以傳輸具有完全不同特性的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)的綜合和分類，包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，以及PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多媒體信號(hào)(如音頻、視頻、數(shù)據(jù)、文字和圖像等)的混合傳輸。

(3)實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸。由于許多通信(如電話業(yè)務(wù))都采用全雙工方式，因此采用WDM技術(shù)可節(jié)省大量的線路投資。

(4)多種應(yīng)用形式。根據(jù)需要WDM技術(shù)可有很多應(yīng)用形式，如陸地長(zhǎng)途干線網(wǎng)、廣播式分配網(wǎng)絡(luò)、用戶接入網(wǎng)、局域網(wǎng)絡(luò)和海底光纜等，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用十分重要。

(5)節(jié)約線路資源。采用WDM技術(shù)可使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來(lái)在單模光纖中傳輸，在大容量長(zhǎng)途傳輸時(shí)可以節(jié)約大量的光纖。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率富余度較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)做大的改動(dòng)。

(6)降低器件的超高速要求。隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的性能已不能滿足要求，使用WDM技術(shù)既可降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，如激光器的頻率穩(wěn)定性等，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。

(7)IP的傳送通道。波分復(fù)用通道對(duì)數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號(hào)的速率及電調(diào)制的方式無(wú)關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充和發(fā)展中是理想的擴(kuò)容手段，也是引入寬帶新業(yè)務(wù)(如IP等)的方便手段，通過(guò)增加一個(gè)附加波長(zhǎng)即可引入任意想要的新業(yè)務(wù)或新容量，如目前或?qū)⒁獙?shí)現(xiàn)的IPoverWDM技術(shù)。

(8)高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。利用WDM技術(shù)進(jìn)行波長(zhǎng)的選擇，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的交換和恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)透明、靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。8.2.3全光交換

1.光交換技術(shù)的概念及特點(diǎn)

光交換技術(shù)也是一種光纖通信技術(shù)，它是指不經(jīng)過(guò)任何光／電轉(zhuǎn)換在光域直接將輸入光信號(hào)交換到不同的輸出端。光交換系統(tǒng)主要由輸入(接口)模塊、光交換矩陣、輸出(接口)模塊和控制單元四部分組成，如圖8-3所示。光交換技術(shù)可分成光路光交換和分組光交換兩種類型，前者可利用OADM(光分插復(fù)用器)和OXC(光交叉連接設(shè)備)等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，而后者對(duì)光部件的性能要求更高。

圖8-3光交換系統(tǒng)的組成由于目前光交換技術(shù)不算十分成熟，還不能完成控制部分復(fù)雜的邏輯處理功能，因此國(guó)際上現(xiàn)有的分組光交換單元還要由電信號(hào)來(lái)控制，即電控光交換。隨著光器件技術(shù)的發(fā)展，光交換技術(shù)的最終發(fā)展趨勢(shì)將是光控光交換。光分組交換系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：光分組交換(OPS)技術(shù)、光突發(fā)交換(OBS)技術(shù)、光標(biāo)簽分組交換(OMPLS)技術(shù)和光子時(shí)隙路由(PSR)技術(shù)等，目前主要是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行研究與功能實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)能確保用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)程都在光域內(nèi)進(jìn)行。隨著通信網(wǎng)絡(luò)逐漸向全光平臺(tái)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、路由、保護(hù)和自愈功能在光通信領(lǐng)域中顯得越來(lái)越重要。光交換技術(shù)能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和提供靈活的信號(hào)路由平臺(tái)，盡管現(xiàn)有的通信系統(tǒng)都采用電路交換技術(shù)，但是發(fā)展中的全光網(wǎng)絡(luò)卻需要由純光交換技術(shù)來(lái)完成信號(hào)路由功能以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性。光交換技術(shù)為進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的高速信息流提供動(dòng)態(tài)光域處理，僅將屬于該節(jié)點(diǎn)及其子網(wǎng)的信息上/下路并交由電交換設(shè)備繼續(xù)處理，它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以克服純電子交換的容量瓶頸問(wèn)題。

(2)可以大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的成本。如果采用全光網(wǎng)技術(shù)，那么網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行費(fèi)用將節(jié)省70％，設(shè)備費(fèi)用將節(jié)省90％。

(3)可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，以及縮短網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時(shí)間。

2.光交換技術(shù)的分類

目前，光交換技術(shù)可分成光的電路交換(OCS)和光分組交換(OPS)兩種主要類型。光的電路交換類似于現(xiàn)存的電路交換技術(shù)，采用OXC、OADM等光器件設(shè)置光通路，中間節(jié)點(diǎn)不需要使用光緩存，目前對(duì)OCS的研究已經(jīng)較為成熟。根據(jù)交換對(duì)象的不同OCS又可以分為光時(shí)分交換技術(shù)、光波分交換技術(shù)、光空分交換技術(shù)和光碼分交換技術(shù)。

(1)光時(shí)分交換技術(shù)。時(shí)分復(fù)用是通信網(wǎng)中普遍采用的一種復(fù)用方式，時(shí)分光交換就是在時(shí)間軸上將復(fù)用的光信號(hào)的時(shí)間位置t1轉(zhuǎn)換成另一個(gè)時(shí)間位置t2。

(2)光波分交換技術(shù)。它是指光信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中不經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換而直接將所攜帶的信息從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)波長(zhǎng)上。

(3)光空分交換技術(shù)。它是根據(jù)需要在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)之間建立物理通道，這個(gè)通道可以是光波導(dǎo)也可以是自由空間的波束，信息交換是通過(guò)改變傳輸路徑來(lái)完成的。

(4)光碼分交換技術(shù)。光碼分復(fù)用(OCDMA)是一種擴(kuò)頻通信技術(shù)，不同用戶的信號(hào)用互成正交的不同碼序列來(lái)填充，接收時(shí)只要用與發(fā)送方相同的碼序列進(jìn)行相關(guān)接收即可恢復(fù)原用戶信息。光碼分交換的原理就是將某個(gè)正交碼上的光信號(hào)交換到另一個(gè)正交碼上，實(shí)現(xiàn)不同碼之間的交換。光分組交換系統(tǒng)根據(jù)對(duì)控制包頭處理及交換粒度的不同，又可分為光分組交換技術(shù)、光突發(fā)交換技術(shù)和光標(biāo)簽分組交換技術(shù)。相關(guān)內(nèi)容在7.1節(jié)中已作了介紹。

8.3.1全光網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于全光網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通俗地說(shuō)，拓?fù)渚褪蔷W(wǎng)絡(luò)的形狀，包括一組節(jié)點(diǎn)的集合和一組點(diǎn)到點(diǎn)的光纖鏈路的集合。任何通信網(wǎng)絡(luò)都存在兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那就是物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)?也稱為虛拓?fù)?，其中物理拓?fù)浔碚骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)；邏輯拓?fù)浔碚骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)的分布情況。8.3全光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.物理拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)渚褪蔷W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理連接關(guān)系，從其組成上講，它是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與光纜鏈路的集合。在波分復(fù)用技術(shù)發(fā)展的早期，點(diǎn)到點(diǎn)的連接是唯一的應(yīng)用方式。隨著節(jié)點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展，WDM組網(wǎng)技術(shù)得到了人們的重視，光分叉復(fù)用器(OADM)以及光交叉連接(OXC)設(shè)備的出現(xiàn)使各種物理拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)成為可能。除簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)的連接方式外，基本的物理拓?fù)溥€有以下幾種，如圖8-4所示。

(1)線型。當(dāng)所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以一種非閉合的鏈路形式連接在一起時(shí)，就構(gòu)成了線型拓?fù)?，如圖8-4(a)所示。通常這種結(jié)構(gòu)的端節(jié)點(diǎn)是波分復(fù)用終端(LTmcs)，中間節(jié)點(diǎn)是光分叉復(fù)用器(OADM)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可以靈活上/下光載波，但其生存性較差,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)或鏈路的失效將把整個(gè)系統(tǒng)割裂成若干個(gè)獨(dú)立的部分，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)通信。圖8-4全光網(wǎng)物理拓?fù)?/p>

(2)星型。當(dāng)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中只有一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)與其他所有節(jié)點(diǎn)有物理連接，而其他各節(jié)點(diǎn)之間都沒(méi)有物理連接時(shí)就構(gòu)成了所謂的星型結(jié)構(gòu)(也稱樞紐結(jié)構(gòu))，如圖8-4(b)所示。其中該特殊節(jié)點(diǎn)稱為中心節(jié)點(diǎn)，它通常由具有WXC功能的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)；而其他節(jié)點(diǎn)稱為從節(jié)點(diǎn)，可以使用波分復(fù)用終端設(shè)備。

在這種結(jié)構(gòu)中，除中心節(jié)點(diǎn)外，其他任何節(jié)點(diǎn)之間的通信都要經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)接(光或電的轉(zhuǎn)換)，這為網(wǎng)絡(luò)帶寬的綜合管理提供了有利的條件，但一個(gè)潛在的危險(xiǎn)是中心節(jié)點(diǎn)的失效。另外，這種網(wǎng)絡(luò)要求中心節(jié)點(diǎn)有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)處理能力，以疏導(dǎo)各從節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)以及從節(jié)點(diǎn)之間的通信業(yè)務(wù)，這種結(jié)構(gòu)與樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)通常用于業(yè)務(wù)分配網(wǎng)絡(luò)，在這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，除與中心節(jié)點(diǎn)的通信外，各節(jié)點(diǎn)之間的通信要求比較低。

(3)樹(shù)型。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)是星型網(wǎng)絡(luò)與線型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，如圖8-4(c)所示，也可以看做是星型拓?fù)涞耐卣?，可以使用分割概念?duì)樹(shù)型拓?fù)溥M(jìn)行分析，即把它分割成若干個(gè)星型與線型子網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合，再在子網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合。

(4)環(huán)型。如果在線型拓?fù)渲袃蓚€(gè)端節(jié)點(diǎn)也使用光分插復(fù)用設(shè)備，并用光纜鏈路連接，那么就形成了環(huán)型拓?fù)?，如圖8-4(d)所示?？梢宰⒁獾剑诃h(huán)型拓?fù)渲?，任何兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間都有長(zhǎng)短不同的兩條且傳輸方向相反的路由，這就為網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)提供了有力的物理基礎(chǔ)。環(huán)型拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，生存性強(qiáng)，可以應(yīng)用于各種場(chǎng)合。

(5)網(wǎng)孔型。在保持連通的情況下，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間至少存在兩條不同的物理連接的非環(huán)型拓?fù)浔銥榫W(wǎng)孔型拓?fù)洌鐖D8-4(e)所示。若所有節(jié)點(diǎn)兩兩之間都有直接的物理連接，則成為理想的網(wǎng)孔型。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)連通要求，構(gòu)成網(wǎng)孔型網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)至少應(yīng)該是OADM，通常使用OXC。顯然，與其他拓?fù)湎啾?，網(wǎng)孔型拓?fù)涞目煽啃宰罡?，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相關(guān)的控制和管理也相當(dāng)復(fù)雜，通常僅在要求高可靠性的骨干網(wǎng)絡(luò)中使用。

綜上所述，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，在選用時(shí)，應(yīng)該根據(jù)其建設(shè)成本、站點(diǎn)分布、業(yè)務(wù)需求以及網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性等多方面的因素進(jìn)行綜合考慮。

2.邏輯拓?fù)?虛拓?fù)?

邏輯拓?fù)渲傅氖蔷W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間業(yè)務(wù)的分布狀況，它與物理拓?fù)渎?lián)系緊密，比較常見(jiàn)的以下幾種結(jié)構(gòu)，如圖8-5所示。

圖8-5全光網(wǎng)的邏輯拓?fù)?)星型

星型邏輯拓?fù)溆袉涡切秃碗p星型兩種，分別如圖8-5(a)和(b)所示。在單星型結(jié)構(gòu)中，存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)(M)，負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)(S)溝通，這樣，除中心節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)之間的所有通信聯(lián)系都要經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)，這給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信帶來(lái)不便。在單中心節(jié)點(diǎn)的情況下，中心節(jié)點(diǎn)的失效將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓，因此它的可靠性比較差。為了加強(qiáng)可靠性，可使用雙中心節(jié)點(diǎn)的配置，如圖8-5(b)所示，其中M1和M2是兩個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，S1~S3是從節(jié)點(diǎn)。在這種配置中，所有的從節(jié)點(diǎn)都與兩個(gè)中心節(jié)點(diǎn)有通信聯(lián)系，同時(shí)中心節(jié)點(diǎn)之間也有通信聯(lián)系，這樣，即使一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)失效，也不會(huì)影響從節(jié)點(diǎn)之間的通信，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2)平衡型拓?fù)?/p>

平衡型拓?fù)淙鐖D8-5(c)所示，這種邏輯拓?fù)錁?gòu)型只存在于線型與環(huán)型物理拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)中。在這種結(jié)構(gòu)中，業(yè)務(wù)連接關(guān)系只存在于有物理連接的節(jié)點(diǎn)之間,沒(méi)有物理連接的節(jié)點(diǎn)之間的通信將要通過(guò)所有中間節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)。在本質(zhì)上，這是一種點(diǎn)到點(diǎn)通信方式的背靠背組合形式，因而在很大程度上喪失了全光通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性，通常只用于相鄰節(jié)點(diǎn)間有業(yè)務(wù)的情況。

3)網(wǎng)孔型拓?fù)?/p>

如果任選兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)，那么在網(wǎng)孔型邏輯拓?fù)渲?，除了可以保證所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能建立通信連接外，絕大部分節(jié)點(diǎn)對(duì)都存在直接的通信通道，如圖8-5(d)所示。這種邏輯拓?fù)溆泻軓?qiáng)的生存能力，但相應(yīng)的控制和管理相當(dāng)復(fù)雜。

3.物理拓?fù)渑c邏輯拓?fù)涞膮^(qū)別

由上所述，波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)涫侵赣删W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的波分復(fù)用鏈路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)物理連接結(jié)構(gòu)，與光纜線路的敷設(shè)路由直接相關(guān)，通常不可能隨業(yè)務(wù)的改變而隨時(shí)改變。利用光通道概念構(gòu)成的邏輯拓?fù)渑c節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)分布緊密相關(guān)，可以由軟件配置而比較容易地將其改變。

物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)涞闹饕獏^(qū)別如下：

(1)物理拓?fù)涞幕A(chǔ)是節(jié)點(diǎn)之間的物理連接；邏輯拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ)是節(jié)點(diǎn)之間的邏輯連接(業(yè)務(wù)連接)關(guān)系，而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是節(jié)點(diǎn)的物理連接關(guān)系。

(2)在全光網(wǎng)絡(luò)中，物理拓?fù)浞从沉宋锢砻劫|(zhì)的連接關(guān)系，拓?fù)涞膹?fù)雜度與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的端口數(shù)量緊密相關(guān)；邏輯拓?fù)浞从沉斯馔ǖ缹拥木W(wǎng)絡(luò)連接、傳輸和處理能力，拓?fù)涞膹?fù)雜度與節(jié)點(diǎn)端口的數(shù)量、復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)構(gòu)都有直接的關(guān)系。

(3)物理拓?fù)湓O(shè)計(jì)是以滿足網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求為目的，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地理分布和節(jié)點(diǎn)之間的物理連接關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程；邏輯拓?fù)湓O(shè)計(jì)是依據(jù)已有的物理拓?fù)?，以提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)(如何使用網(wǎng)絡(luò))指標(biāo)為目的，優(yōu)化光通道層網(wǎng)絡(luò)功能的過(guò)程。8.3.2全光網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

分層結(jié)構(gòu)是定義和研究全光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),在ITU-T標(biāo)準(zhǔn)G.otn和G.872發(fā)布以前，許多學(xué)者根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)對(duì)光傳送網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。光傳送網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)應(yīng)該考慮SDH網(wǎng)絡(luò)到WDM光網(wǎng)絡(luò)的平滑過(guò)渡，并滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理的需要。已發(fā)布的G.872建議(草案)，已明確在光傳送網(wǎng)絡(luò)加入光層，按照該建議，光層由光信道層、光復(fù)用段層和光傳輸段層組成，如圖8-6所示。

圖8-6光通信網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)

1.光信道層

光信道層(OpticalChannelLayer)負(fù)責(zé)為來(lái)自電復(fù)用段層的客戶信息選擇路由和分配波長(zhǎng)，為靈活的網(wǎng)絡(luò)選路并安排光信道的連接，處理光信道開(kāi)銷，提供光信道層的檢測(cè)和管理功能。在故障發(fā)生時(shí)，它可通過(guò)重新選路或直接把工作業(yè)務(wù)切換到預(yù)定的保護(hù)路由來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)倒換和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。

2.光復(fù)用段層

光復(fù)用段層(OpticalMultiplexingSectionLayer)保證相鄰兩個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用傳輸設(shè)備間多波長(zhǎng)復(fù)用光信號(hào)的完整傳輸，為多波長(zhǎng)信號(hào)提供網(wǎng)絡(luò)功能。其主要包括：為靈活的網(wǎng)絡(luò)選路重新安排光復(fù)用段功能；為保證多波長(zhǎng)光復(fù)用段適配信息的完整性處理光復(fù)用段開(kāi)銷；為網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和維護(hù)提供光復(fù)用段的檢測(cè)和管理功能。

3.光傳輸段層

光傳輸段層(OpticalTransmissionSectionLayer)為光信號(hào)在不同類型的光傳輸媒質(zhì)(如光纖G.652、G.653和G.655等)上提供傳輸功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光放大器或中繼器的檢測(cè)和控制功能等。通常會(huì)涉及以下問(wèn)題：功率均衡問(wèn)題、EDFA增益控制問(wèn)題和色散的積累與補(bǔ)償問(wèn)題。

8.4.1光交叉連接設(shè)備

1.光交叉連接類型

通常OXC有三種交叉連接類型：光纖交叉連接、波長(zhǎng)選擇交叉連接和波長(zhǎng)變換交叉連接。8.4全光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備

1)光纖交叉連接

一種基于光纖級(jí)的交叉連接(FXC)，可以將其理解為具有交叉能力的光配線架(ODF)，或稱為智能光配線架，是OXC的初級(jí)階段。FXC的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)雜程度低，容量大，有一定的市場(chǎng)需求；缺點(diǎn)是缺乏靈活性，設(shè)備本身獨(dú)立組網(wǎng)的能力差。

2)波長(zhǎng)選擇交叉連接

波長(zhǎng)選擇交叉連接(WSXC)能夠轉(zhuǎn)換從輸入光纖到輸出光纖的一個(gè)子集的波長(zhǎng)信道，因此，從功能上講，需要將一個(gè)來(lái)向的波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用為它的組成波長(zhǎng)。這種交叉連接比FXC具有更大的靈活性，允許提供波長(zhǎng)業(yè)務(wù)，而波長(zhǎng)業(yè)務(wù)可支持音頻分配、遠(yuǎn)程教育或一系列其他業(yè)務(wù)。WSXC在業(yè)務(wù)恢復(fù)方面的靈活性也較好，使用樹(shù)型、環(huán)型或混合型保護(hù)方案可以對(duì)波長(zhǎng)信道逐個(gè)地進(jìn)行保護(hù)。

3)波長(zhǎng)變換交叉連接

波長(zhǎng)變換交叉連接(WIXC)是一種具有附加功能的WSXC，它能夠使信道的波長(zhǎng)改變。這一特性減少了由于波長(zhǎng)爭(zhēng)用而將一個(gè)波長(zhǎng)從輸入光纖轉(zhuǎn)到輸出光纖的不可能性，WIXC在業(yè)務(wù)恢復(fù)和提供方面具有最大的靈活性。它和波長(zhǎng)交叉連接的區(qū)別是可以進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

實(shí)現(xiàn)OXC的關(guān)鍵技術(shù)是光信號(hào)的交換技術(shù)。和電交換技術(shù)類似，光交換技術(shù)按交換方式可分為電路交換和包交換，其中電路交換又含有空分(SD)、時(shí)分(TD)、波分/頻分(WD/FD)等方式；包交換有ATM光交換等方式。

2.OXC結(jié)構(gòu)及工作原理

OXC主要由輸入部分(放大器EDFA和解復(fù)用DMUX)、光交叉連接部分(關(guān)交叉連接矩陣)、輸出部分(波長(zhǎng)變換器OTU、均功器和復(fù)用器)、控制和管理部分及其分插復(fù)用這五大部分組成，如圖8-7所示。

圖8-7OXC結(jié)構(gòu)及其工作原理設(shè)圖8-7中輸入/輸出OXC設(shè)備的光纖數(shù)為M，每條光纖復(fù)用N個(gè)波長(zhǎng)。這些波分復(fù)用光信號(hào)首先進(jìn)入放大器EDFA放大，然后經(jīng)解復(fù)用器DMUX把每一條光纖中的復(fù)用光信號(hào)分解為單波長(zhǎng)信號(hào)(λ1～λN)，M條光纖就分解為M×N個(gè)單波長(zhǎng)光信號(hào)。所以信號(hào)通過(guò)(M×N)×(M×N)的光交叉連接矩陣,在控制和管理單元的操作下進(jìn)行波長(zhǎng)配置和交叉連接。由于每條光纖不能同時(shí)傳輸兩個(gè)相同波長(zhǎng)的信號(hào)，因此為了防止出現(xiàn)這種情況，實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞交叉連接，在連接矩陣的輸出端，每個(gè)波長(zhǎng)通道的光信號(hào)還需要經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)變換器OTU進(jìn)行波長(zhǎng)變換，再進(jìn)入均功器把各波長(zhǎng)通道的光信號(hào)功率控制在可允許的范圍內(nèi)，防止非均衡增益經(jīng)EDFA放大導(dǎo)致比較嚴(yán)重的非線性效應(yīng)。最后光信號(hào)經(jīng)復(fù)用器MUX把相應(yīng)的波長(zhǎng)復(fù)用到同一光纖中，經(jīng)EDFA放大到線路所需的功率后完成信號(hào)的匯接。

3.OXC性質(zhì)

光交叉連接(OXC)是光網(wǎng)絡(luò)最重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，光分插復(fù)用器(OADM,OpticalAdd/DropMultiplexer)可以看成是OXC功能的簡(jiǎn)化。OXC要完成的兩個(gè)主要功能為光通道的交叉連接功能和本地上/下路功能。除了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)主要功能外，評(píng)價(jià)OXC結(jié)構(gòu)時(shí)還必須考慮以下主要指標(biāo)：

(1)通道性質(zhì)。OXC結(jié)構(gòu)是支持波長(zhǎng)通道，還是支持虛波長(zhǎng)通道，這關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。

(2)阻塞特性。交換網(wǎng)絡(luò)的阻塞特性可分為絕對(duì)無(wú)阻塞型、可重構(gòu)無(wú)阻塞型和阻塞型三種。由于光通道的傳輸容量很大，阻塞對(duì)系統(tǒng)性能的影響非常嚴(yán)重，因此