8.1 通信网的发展趋势
8.2 SDH传送网
8.3 WDM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 64 kb/s要提高到 6 Mb/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 2 Mb/s估计,一根光纤采用 DWDM技术,传输容量可达到 20～ 200 Gb/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 。
8.2 SDH 传 送 网
8.2.1 SDH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 8.1 SDH传送网的分层模型电路层网络通道层网络传输媒质层网络
6 4 k b / s电路交换网分组交换 网租用线电路网
S D H V C － 1n 通道网
S D H V C － 3通道网光传输网 无线传输网传送网 示例
n ＝ 1,2
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 64 kb/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 2 Mb/s,34 Mb/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 8.2 SDH传送网完整分层模型
VC － 11 VC － 12 VC － 2 VC － 3
电 路 层 网 络
VC － 3 VC － 4
复用段层网络再生段层网络低阶通道层高阶通道层段层物理层网络电路层通道层传输媒质层
S D H
传送层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
(a) 分层概念； (b) 分割概念电路层网络通道层网络传输媒质层网络子网 链路层网络分层视图
( 客户/ 服务者联系)
分割视图
( a ) ( b )
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.
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
S N C
S N C
T C P CP
LC
CP
LC
CP
LC
CP T C P
APAP
S N C
AP
AP
路径网络连接链路连接路径路径终端客户层到服务层适配
T C P
路径终端 路径终端客户层到服务层适配
T C P
路径终端客户层网络服务层网络
AP,接入点
CP,连 接点
LC,链路 连 接
T C P,终端连接点
S N C,子网连接
CP
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.
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
(a) 线形； (b) 星形； (c) 树形 ; (d) 环形； (e) 网孔形
( a ) ( b ) ( c )
( d ) ( e )
2.
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.
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
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 healing Network)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 healing Ring)。 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 。
CA AC
S
1
P
1
A
B
D
C
P
1
S
1
CA AC
( a )
CA AC
S
1
P
1
A
B
D
C
P
1
S
1
CA AC
( b )
倒换
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(Automatic Protection Switching)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
CA AC
S
1
P
1
A
B
D
C
P
1
S
1
CA AC
( a ) ( b )
倒换
CA AC
S
1
P
1
A
B
D
C
P
1
S
1
CA AC
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(Automatic Protection Switching)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.
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 。
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
CA AC
S
1
P
1
S
2
P
2
A
CA AC
P
2
S
2
P
1
S
1
C
D B
( a )
CA AC
S
1
P
1
S
2
P
2
A
CA AC
P
2
S
2
P
1
S
1
C
D B
( b )
倒换当 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.
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/P２ 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
S
1
/ P
2
A
BD
CA AC
( a )
S
2
/ P
1
S
2
/ P
1
S
1
/ P
2
S
1
/ P
2
A
B
D
CA AC
( b )
S
2
/ P
1
S
2
/ P
1
S
1
/ P
2
C C
倒换
CA AC CA AC
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 。
8.3 WDM 光 网
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 (Wavelength Routing Network)。
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
E- X C
E- X C
E- X C
E- X C
O LT
O X C
光通道网络单波长网络单波长网络
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
(a) SDH网络； (b) WDM网络； (c) 电层和光层的分解电路层电通道层电复用段层光层物理层( 光纤)
W D M 光网络电路层通道层复用段层再生段层物理层( 光纤)
S D H 网络
( a ) ( b )
P D H 通道层电复用段层电路层
S D H 通道层电复用段层电路层虚通道
( 没有)
虚通道光通道层光复用段层光传输段层物理层( 光纤)
光传送网络
( c )
光通道层为不同格式 (如 PDH 565 Mb/s,SDH STMN,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
M U XD M U X
多个波长输入多个波长输出
A d d?
S
D r o p?
S
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
1
…?
n
d r o p
3 d B 耦合器
F B G a t?
S
输入
1
…?
n
输出
a d d
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 3
dB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
1
…?
n
d ro p
1
…?
n
a d d
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
D M U X
…
1
,?
2
…?
m
D r o p
…
M U X
…
A d d
可调谐光纤光栅环行器多个波长输入环行器多个波长输出
1 2
3
1
,?
2
…?
m
1
3
2
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 layer Dielectric Film)
滤波器,2× 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
1
Ad d?
1
1
D r o p?
1
21
3
2
3
2
Ad d?
2
2
D r o p?
2
2
3
2
3
Ad d?
3
3
D r o p?
3
2
3
2
4
Ad d?
4
4
D r o p?
4
2
3
2
1
1
1
1
3
1
3
1
3
多个波长输入环行器带通介质膜滤波器
2 × 2
S O A
开关带通介质膜滤波器环行器多个波长输出可变衰减器
8.3.3光交叉连接器光交叉连接器 (OXC,Optical Crossconnect)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,Fiber
Crossconnect)#,波长固定交叉连接 (WSXC,Wavelength
Selective Crossconnect)和波长可变交叉连接 (WIXC,Wavelength
Interchanging Crossconnect)。
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 。
光纤 1
光纤 2
光纤 M
M × M 开关光纤 1
光纤 2
光纤 M
图 8.17 光纤交叉连接图 8.18 波长固定交叉连接
D
M
U
X
M × M 开关
1 M
U
X
D
M
U
X
M × M 开关
2 M
U
X
D
M
U
X
M × M 开关
N M
U
X
1
2
N
1
2
N
1
2
N
光纤 2
光纤 1
光纤 M
光纤 2
光纤 1
光纤 M
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.
在波长可变交叉连接器中,使用波长变换器 (Wavelength
Converter)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,With dedicated Wavelength Converters)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
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
M
U
X
1
2
N
M
U
X
1
2
N
M
U
X
光纤 1
光纤 2
光纤 M
光纤 1
光纤 2
光纤 M
波长变换器空间光开关矩阵图 8.20 共享波长变换器的波长可变交叉连接器
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
M
U
X
1
2
N
M
U
X
1
2
N
M
U
X
光纤 1
光纤 2
光纤 M
光纤 1
光纤 2
光纤 M
波长变换器空间光开关矩阵
4.
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:
图 8.21交叉连接的多层结构本地光纤插入光纤入 ( 自网络 )
本地波长插入本地电信号插入本地电信号分出到 EX C 的波长到 W S X C / W I X C
的光纤光纤出 ( 去网络 )
EX C
W S X C / W I X C
F X C
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：
MONET New Jersey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 New Jersey是以 AT&T
Bell Labs为中心的星形网,在 Washington,D.C.是三结点的环形网 。 该网络在 1560 nm附近复用了 20个 WDM信道,单信道速率有 3种,即 1.2 Gb/s,2.5 Gb/s和 10 Gb/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 。
M O N E T T e s t b e d s & F i e l d D e m o n s t r a t i o n
T O D e m o ns t r a te,
·T r a n s pa r e nt,W D M O p t ic a l N e t w or k i ng
·S e a m l e s s O p e r a t i o n o v e r L oc a l & W i de A r e a s
·R e c o nf i g ur a t i on v i a W D M C r o s s - C on n e c t s
·S e a m l e s s N e t w or k M a n a g e m e n t & C on t r ol
·C iv i l l a n a n d D e f e n s e A pp l i c a t i o ns
B e l l c o r e,
M or r i s t o w n,N J
A T & T B e l l L a b s,H ol m d e l,N J
X - C o nn e c t F a c il i t y
B e l l c o r e,R e d B a nk,N J
L oc a l - E x c ha n ge T e s t b e d
A T & T B e l l L a b s,
C r a w f or d H l l l s,N J
L on g - D i s t a n c e T e s t be d
B e l l A t la n t i c C e nt r a l O f f i c e,
S i lv e r S p r i ng,M D
N a t i o na l S e c u r i ty A ge n c y,
F or t M e a d e,M D
N a v a l R e s e a r c h L a b or a t or y,
W a s h i ng t on,D,C,
WV MD
VA
DE
NJ
PA
A
T
&
T
L
ong-
D
i s
t a
nc
e
N
e
t w
or
k
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
8.4.1
1.
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,
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 接入网的界定电信管理网 ( T M N )
接入网 ( A N )
业务结点接口
( S N I )
业务结点 ( S N )
Q
3
接口 Q
3
接口用户网络接口 ( U N I )
2.
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
O N U
…
O N U
O D N O L T
…
AF
a
S / R R / S
T
业务结点功能
O N U
…
O N U
O D T O L T
…
AF
业务结点功能
( A O N )
U N I ( P O N ) S N I
接入网系统管理功能
Q
3
用户侧接入链路群网络侧
V
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一般有 4种,单星形,双星形,总线形和环形,如图 8.25所示 。
4.
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
O L T O N U
O N U
O N U
单星 形网
O L T O D N O N U
O N U
O N U
双星 形网
O L T
O N U O N U O N U
O N U O N U
总线 形网
O L T
O N U O N U
O N U O N U O N U
环形 网
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.
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 8.26 PON
(a) 采用 TDM+FDM+WDM的 PON； (b)采用 TDM+WDM的 PON
TV
1
编码
TV
2
编码
TV
n
编码
TD M O LT ( B )
1 5 5 0 n m (电视 )
交换机
G,7 0 3或 G,7 0 8或 V,5
O LT ( N )
1 3 1 0 n m
光纤电视 1,2 分路电话 1,8 分路端局
1,1 6 分路
W D M
1 3 1 0 n m
O N U ( N )
O N U ( B ) 解码电话电视用户电话 1,1 2 8分路( 数字)
电视 1,3 2分路( 数字)
电视节目中心
( b )
2,5 G b / s
1 5 5 0 n m
TV
1
TV
2
TV
n
F D M
O
LT
(
B
)
1 5 5 0 n m (电视 )
交换机
G,7 0 3或 G,7 0 8或 V,5
O LT ( N )
1 3 1 0 n m
光纤电视 1,2 分路电话 1,8 分路端局
1,1 6 分路
W D M
1 3 1 0 n m
O N U ( N )
O N U ( B )
电话电视用户电话 1,1 2 8分路( 数字)
电视 1,3 2分路( 数字)
电视节目中心
( a )
( 0,4 ～ 2,5 ) G H z
1 5 5 0 n m
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 1310 nm波长区传送窄带业务,而使用 1550 nm波长区传送宽带图像业务 (主要是广播电视业务 )。 原因是 1310/1550 nm
波分复用 (WDM)器件已很便宜,而目前 1310 nm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,1550 nm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 1310 nm波长区传送 TDM方式的窄带业务信号,
1550 nm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.
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
(a) 频分多址； (b) 时分多址； (c) 波分多址电话可视电话
PC
调制器
N Q A M
用户 1
用户 2
N Q A M
用户 k N Q A M
分接盒 结点
f
1
f
2
f
k
( a )
( b )
电话可视电话
PC
调制解调器 N Q A M
用户 1
用户 2
N Q A M
用户 k N Q A M
分接盒 结点
f
f
f
门门门
T
1
T
2
T
k
电话可视电话
PC
调制解调器
O N U 1
O N U 2?
2
O N U k?
k
O D N O L T
可调谐光滤波器可调谐光滤波器可调谐光滤波器
( c )
1
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
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:
图 8.28APON模型结构
P S TN / I S D N S N
B - I S D N S N
非 A TM S N ( 视频服务器）
非 A TM S N ( IP 路由器）
O LTO N U
A TM - P O N
S N I
U N I
ONU:
MUX,复用器 ; VOD:
图 8.29一个 APON系统结构译码器信元装拆通道选择控制计算机电话
A TM
接口信元 装拆
M
U
X P O N
LT
P O N
LT
A TM
M U X
节目选择分支
A TM
接口
A
TM
M
U
X
A TM
接口供住宅用户使用前端切换装置计算机 A TM
接口信元 装拆
M
U
X P O N
LT
供商业用户使用
LA N
P B X
P O N
LT
A TM
M U X
1 5 0 M b / s接口插件
1 5 0 M b / s接口插件信元装拆接口
V-
接口
A TM
接口
O LT C A T V
中心专用 线交换 机标准 接口
1 5 0 M b / s
1,5 5? m
1,3 1? m
I P 路由器
V O D 服务器
O N U
O N U
6 M b / s
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(Hybrid Fiber 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
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
750 MHz系统,也有 1000 MHz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～ 750 MHz(或 1000 MHz)为下行通道,5~40 MHz为上行通道 。
图 8.30 HFC原理图前端 H
D
T
光纤结点
抽头
I S U
1 8
用户同轴分配网同轴电缆光纤
I S U
图 8.31 HFC系统频谱安排
0
5 42 50 5 5 0 7 5 0 1 0 0 0
话音数据等非广播业务 模拟电视数字电视话音或数据 个人通信
M H z
50～ 550 MHz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 8 MHz,这段频谱能传输 (550-50)÷ 8≈60信道的模拟电视 。 550～ 750 MHz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～ 30 MHz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 25 MHz÷ 500=50 kHz；也有另一种分配上行频段的方法,将其扩展为 5～ 42 MHz,其中 5～ 8 MHz传输状态监视信息,8～ 12 MHz传输 VOD(视频点播 )信令,15～
40 MHz用来传输上行电话信号 。 750～ 1000 MHz这段频谱用于各种双向通信业务,其中 695～ 735 MHz和 970～ 1000 MHz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
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 64
QAM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
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 8.32 HFC网的结构图交换机
H
D
T
光纤结点抽头
I S U
1
同轴分配网电话数据电视电话数据电视电话数据电视
M - I S U
前端
V 5,2
M P E G - 2
服务器
H F C
8
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 。
8.2 SDH传送网
8.3 WDM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 64 kb/s要提高到 6 Mb/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 2 Mb/s估计,一根光纤采用 DWDM技术,传输容量可达到 20～ 200 Gb/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 。
8.2 SDH 传 送 网
8.2.1 SDH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 8.1 SDH传送网的分层模型电路层网络通道层网络传输媒质层网络
6 4 k b / s电路交换网分组交换 网租用线电路网
S D H V C － 1n 通道网
S D H V C － 3通道网光传输网 无线传输网传送网 示例
n ＝ 1,2
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 64 kb/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 2 Mb/s,34 Mb/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 8.2 SDH传送网完整分层模型
VC － 11 VC － 12 VC － 2 VC － 3
电 路 层 网 络
VC － 3 VC － 4
复用段层网络再生段层网络低阶通道层高阶通道层段层物理层网络电路层通道层传输媒质层
S D H
传送层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
(a) 分层概念； (b) 分割概念电路层网络通道层网络传输媒质层网络子网 链路层网络分层视图
( 客户/ 服务者联系)
分割视图
( a ) ( b )
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.
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
S N C
S N C
T C P CP
LC
CP
LC
CP
LC
CP T C P
APAP
S N C
AP
AP
路径网络连接链路连接路径路径终端客户层到服务层适配
T C P
路径终端 路径终端客户层到服务层适配
T C P
路径终端客户层网络服务层网络
AP,接入点
CP,连 接点
LC,链路 连 接
T C P,终端连接点
S N C,子网连接
CP
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.
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
(a) 线形； (b) 星形； (c) 树形 ; (d) 环形； (e) 网孔形
( a ) ( b ) ( c )
( d ) ( e )
2.
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.
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
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 healing Network)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 healing Ring)。 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 。
CA AC
S
1
P
1
A
B
D
C
P
1
S
1
CA AC
( a )
CA AC
S
1
P
1
A
B
D
C
P
1
S
1
CA AC
( b )
倒换
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(Automatic Protection Switching)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
CA AC
S
1
P
1
A
B
D
C
P
1
S
1
CA AC
( a ) ( b )
倒换
CA AC
S
1
P
1
A
B
D
C
P
1
S
1
CA AC
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(Automatic Protection Switching)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.
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 。
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
CA AC
S
1
P
1
S
2
P
2
A
CA AC
P
2
S
2
P
1
S
1
C
D B
( a )
CA AC
S
1
P
1
S
2
P
2
A
CA AC
P
2
S
2
P
1
S
1
C
D B
( b )
倒换当 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.
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/P２ 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
S
1
/ P
2
A
BD
CA AC
( a )
S
2
/ P
1
S
2
/ P
1
S
1
/ P
2
S
1
/ P
2
A
B
D
CA AC
( b )
S
2
/ P
1
S
2
/ P
1
S
1
/ P
2
C C
倒换
CA AC CA AC
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 。
8.3 WDM 光 网
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 (Wavelength Routing Network)。
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
E- X C
E- X C
E- X C
E- X C
O LT
O X C
光通道网络单波长网络单波长网络
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
(a) SDH网络； (b) WDM网络； (c) 电层和光层的分解电路层电通道层电复用段层光层物理层( 光纤)
W D M 光网络电路层通道层复用段层再生段层物理层( 光纤)
S D H 网络
( a ) ( b )
P D H 通道层电复用段层电路层
S D H 通道层电复用段层电路层虚通道
( 没有)
虚通道光通道层光复用段层光传输段层物理层( 光纤)
光传送网络
( c )
光通道层为不同格式 (如 PDH 565 Mb/s,SDH STMN,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
M U XD M U X
多个波长输入多个波长输出
A d d?
S
D r o p?
S
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
1
…?
n
d r o p
3 d B 耦合器
F B G a t?
S
输入
1
…?
n
输出
a d d
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 3
dB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
1
…?
n
d ro p
1
…?
n
a d d
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
D M U X
…
1
,?
2
…?
m
D r o p
…
M U X
…
A d d
可调谐光纤光栅环行器多个波长输入环行器多个波长输出
1 2
3
1
,?
2
…?
m
1
3
2
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 layer Dielectric Film)
滤波器,2× 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
1
Ad d?
1
1
D r o p?
1
21
3
2
3
2
Ad d?
2
2
D r o p?
2
2
3
2
3
Ad d?
3
3
D r o p?
3
2
3
2
4
Ad d?
4
4
D r o p?
4
2
3
2
1
1
1
1
3
1
3
1
3
多个波长输入环行器带通介质膜滤波器
2 × 2
S O A
开关带通介质膜滤波器环行器多个波长输出可变衰减器
8.3.3光交叉连接器光交叉连接器 (OXC,Optical Crossconnect)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,Fiber
Crossconnect)#,波长固定交叉连接 (WSXC,Wavelength
Selective Crossconnect)和波长可变交叉连接 (WIXC,Wavelength
Interchanging Crossconnect)。
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 。
光纤 1
光纤 2
光纤 M
M × M 开关光纤 1
光纤 2
光纤 M
图 8.17 光纤交叉连接图 8.18 波长固定交叉连接
D
M
U
X
M × M 开关
1 M
U
X
D
M
U
X
M × M 开关
2 M
U
X
D
M
U
X
M × M 开关
N M
U
X
1
2
N
1
2
N
1
2
N
光纤 2
光纤 1
光纤 M
光纤 2
光纤 1
光纤 M
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.
在波长可变交叉连接器中,使用波长变换器 (Wavelength
Converter)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,With dedicated Wavelength Converters)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
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
M
U
X
1
2
N
M
U
X
1
2
N
M
U
X
光纤 1
光纤 2
光纤 M
光纤 1
光纤 2
光纤 M
波长变换器空间光开关矩阵图 8.20 共享波长变换器的波长可变交叉连接器
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
D
M
U
X
1
2
N
M
U
X
1
2
N
M
U
X
1
2
N
M
U
X
光纤 1
光纤 2
光纤 M
光纤 1
光纤 2
光纤 M
波长变换器空间光开关矩阵
4.
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:
图 8.21交叉连接的多层结构本地光纤插入光纤入 ( 自网络 )
本地波长插入本地电信号插入本地电信号分出到 EX C 的波长到 W S X C / W I X C
的光纤光纤出 ( 去网络 )
EX C
W S X C / W I X C
F X C
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：
MONET New Jersey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 New Jersey是以 AT&T
Bell Labs为中心的星形网,在 Washington,D.C.是三结点的环形网 。 该网络在 1560 nm附近复用了 20个 WDM信道,单信道速率有 3种,即 1.2 Gb/s,2.5 Gb/s和 10 Gb/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 。
M O N E T T e s t b e d s & F i e l d D e m o n s t r a t i o n
T O D e m o ns t r a te,
·T r a n s pa r e nt,W D M O p t ic a l N e t w or k i ng
·S e a m l e s s O p e r a t i o n o v e r L oc a l & W i de A r e a s
·R e c o nf i g ur a t i on v i a W D M C r o s s - C on n e c t s
·S e a m l e s s N e t w or k M a n a g e m e n t & C on t r ol
·C iv i l l a n a n d D e f e n s e A pp l i c a t i o ns
B e l l c o r e,
M or r i s t o w n,N J
A T & T B e l l L a b s,H ol m d e l,N J
X - C o nn e c t F a c il i t y
B e l l c o r e,R e d B a nk,N J
L oc a l - E x c ha n ge T e s t b e d
A T & T B e l l L a b s,
C r a w f or d H l l l s,N J
L on g - D i s t a n c e T e s t be d
B e l l A t la n t i c C e nt r a l O f f i c e,
S i lv e r S p r i ng,M D
N a t i o na l S e c u r i ty A ge n c y,
F or t M e a d e,M D
N a v a l R e s e a r c h L a b or a t or y,
W a s h i ng t on,D,C,
WV MD
VA
DE
NJ
PA
A
T
&
T
L
ong-
D
i s
t a
nc
e
N
e
t w
or
k
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
8.4.1
1.
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,
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 接入网的界定电信管理网 ( T M N )
接入网 ( A N )
业务结点接口
( S N I )
业务结点 ( S N )
Q
3
接口 Q
3
接口用户网络接口 ( U N I )
2.
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
O N U
…
O N U
O D N O L T
…
AF
a
S / R R / S
T
业务结点功能
O N U
…
O N U
O D T O L T
…
AF
业务结点功能
( A O N )
U N I ( P O N ) S N I
接入网系统管理功能
Q
3
用户侧接入链路群网络侧
V
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一般有 4种,单星形,双星形,总线形和环形,如图 8.25所示 。
4.
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
O L T O N U
O N U
O N U
单星 形网
O L T O D N O N U
O N U
O N U
双星 形网
O L T
O N U O N U O N U
O N U O N U
总线 形网
O L T
O N U O N U
O N U O N U O N U
环形 网
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.
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 8.26 PON
(a) 采用 TDM+FDM+WDM的 PON； (b)采用 TDM+WDM的 PON
TV
1
编码
TV
2
编码
TV
n
编码
TD M O LT ( B )
1 5 5 0 n m (电视 )
交换机
G,7 0 3或 G,7 0 8或 V,5
O LT ( N )
1 3 1 0 n m
光纤电视 1,2 分路电话 1,8 分路端局
1,1 6 分路
W D M
1 3 1 0 n m
O N U ( N )
O N U ( B ) 解码电话电视用户电话 1,1 2 8分路( 数字)
电视 1,3 2分路( 数字)
电视节目中心
( b )
2,5 G b / s
1 5 5 0 n m
TV
1
TV
2
TV
n
F D M
O
LT
(
B
)
1 5 5 0 n m (电视 )
交换机
G,7 0 3或 G,7 0 8或 V,5
O LT ( N )
1 3 1 0 n m
光纤电视 1,2 分路电话 1,8 分路端局
1,1 6 分路
W D M
1 3 1 0 n m
O N U ( N )
O N U ( B )
电话电视用户电话 1,1 2 8分路( 数字)
电视 1,3 2分路( 数字)
电视节目中心
( a )
( 0,4 ～ 2,5 ) G H z
1 5 5 0 n m
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 1310 nm波长区传送窄带业务,而使用 1550 nm波长区传送宽带图像业务 (主要是广播电视业务 )。 原因是 1310/1550 nm
波分复用 (WDM)器件已很便宜,而目前 1310 nm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,1550 nm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 1310 nm波长区传送 TDM方式的窄带业务信号,
1550 nm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.
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
(a) 频分多址； (b) 时分多址； (c) 波分多址电话可视电话
PC
调制器
N Q A M
用户 1
用户 2
N Q A M
用户 k N Q A M
分接盒 结点
f
1
f
2
f
k
( a )
( b )
电话可视电话
PC
调制解调器 N Q A M
用户 1
用户 2
N Q A M
用户 k N Q A M
分接盒 结点
f
f
f
门门门
T
1
T
2
T
k
电话可视电话
PC
调制解调器
O N U 1
O N U 2?
2
O N U k?
k
O D N O L T
可调谐光滤波器可调谐光滤波器可调谐光滤波器
( c )
1
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
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:
图 8.28APON模型结构
P S TN / I S D N S N
B - I S D N S N
非 A TM S N ( 视频服务器）
非 A TM S N ( IP 路由器）
O LTO N U
A TM - P O N
S N I
U N I
ONU:
MUX,复用器 ; VOD:
图 8.29一个 APON系统结构译码器信元装拆通道选择控制计算机电话
A TM
接口信元 装拆
M
U
X P O N
LT
P O N
LT
A TM
M U X
节目选择分支
A TM
接口
A
TM
M
U
X
A TM
接口供住宅用户使用前端切换装置计算机 A TM
接口信元 装拆
M
U
X P O N
LT
供商业用户使用
LA N
P B X
P O N
LT
A TM
M U X
1 5 0 M b / s接口插件
1 5 0 M b / s接口插件信元装拆接口
V-
接口
A TM
接口
O LT C A T V
中心专用 线交换 机标准 接口
1 5 0 M b / s
1,5 5? m
1,3 1? m
I P 路由器
V O D 服务器
O N U
O N U
6 M b / s
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(Hybrid Fiber 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
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
750 MHz系统,也有 1000 MHz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～ 750 MHz(或 1000 MHz)为下行通道,5~40 MHz为上行通道 。
图 8.30 HFC原理图前端 H
D
T
光纤结点
抽头
I S U
1 8
用户同轴分配网同轴电缆光纤
I S U
图 8.31 HFC系统频谱安排
0
5 42 50 5 5 0 7 5 0 1 0 0 0
话音数据等非广播业务 模拟电视数字电视话音或数据 个人通信
M H z
50～ 550 MHz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 8 MHz,这段频谱能传输 (550-50)÷ 8≈60信道的模拟电视 。 550～ 750 MHz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～ 30 MHz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 25 MHz÷ 500=50 kHz；也有另一种分配上行频段的方法,将其扩展为 5～ 42 MHz,其中 5～ 8 MHz传输状态监视信息,8～ 12 MHz传输 VOD(视频点播 )信令,15～
40 MHz用来传输上行电话信号 。 750～ 1000 MHz这段频谱用于各种双向通信业务,其中 695～ 735 MHz和 970～ 1000 MHz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
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 64
QAM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
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 8.32 HFC网的结构图交换机
H
D
T
光纤结点抽头
I S U
1
同轴分配网电话数据电视电话数据电视电话数据电视
M - I S U
前端
V 5,2
M P E G - 2
服务器
H F C
8
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 。
