光纖與移動通信復(fù)習(xí)

1、光纖通信的概念：以半導(dǎo)體光源產(chǎn)生的光波為載波，以光纖作為傳輸介質(zhì)的這種通信方式激光LASER，其含義是受激輻射光放大。光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)：1、長波長激光器2、單模光纖3、SDH傳輸體制4、光放大器5、WDM復(fù)用技術(shù)6、全光網(wǎng)絡(luò)光纖通信采用的光源是半導(dǎo)體光源。采用的光纖波長為1.3m和1.55mSDH傳輸體質(zhì)：STM_1 155.52MB/s STM_4 622.08MB/s全光網(wǎng)絡(luò)的概念：全光網(wǎng)絡(luò)，是指信號只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時才進(jìn)行電/光和光/電的變換，而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過程中時鐘以光的形式存在。因為在整個傳輸過程中沒有電的處理，所以PDH、SDH、ATM等各種傳送方式均可使用，提高了網(wǎng)絡(luò)資源

2、的利用率。自發(fā)輻射：處于低能態(tài)E1的一個原子，在頻率為f的輻射場作用（激勵）下，受激地向E2能態(tài)躍遷并吸收一個能量為hf的光子，這種過程稱為受激吸收躍遷。受激輻射：受激吸收躍遷的反過程就是受激輻射躍遷。由原子受激輻射躍遷發(fā)出的光子稱為受激輻射。光纖的結(jié)構(gòu)：纖芯、包層、防護(hù)層。光纖的制造方法：化學(xué)汽相沉積法。分兩步：預(yù)制棒的制造、拉絲。光纜的主要性能：1、機械性能2、溫度特性3、重量和尺寸根據(jù)光纖橫截面上折射率分布的情況來分類，即階躍光纖和漸變光纖。光纖模：就是滿足邊界條件的電磁場波動方程的解，即電磁場的穩(wěn)態(tài)分布。目前光通信使用的光波波長為1m。材料色散：由于石英材料的折射率隨波長變化而引起的。

3、波導(dǎo)色散：由于光纖中模式的傳播常數(shù)是頻率的函數(shù)而引起的。自動功率控制（APC）的主要功能：自動補償LD由于環(huán)境變化和老化效應(yīng)而引起的輸出光功率的變化，保持其輸出光功率不變，或保持其變化幅度不超過數(shù)字光纖通信工程設(shè)計要求的指標(biāo)范圍。有三個低損耗窗口，其中心波長分別位于0.85m、1.30m、1.55m處四波混頻FWM：當(dāng)有三個不用波長的光波同時注入光纖時，由于三者的相互作用，產(chǎn)生了一個新的波長或頻率，即第四個波，新波長的頻率是由于入射波長組合產(chǎn)生的新頻率。這種現(xiàn)象稱為四波混頻效應(yīng)。光孤子：是指經(jīng)過長距離傳輸而保持形狀不變的光脈沖。光脈沖注入光纖后，經(jīng)過長距離傳輸后光脈沖的寬度被展寬了，這種光脈沖

4、的展寬通常稱為色散。光源和光纖耦合的好壞可以用耦合效率來衡量，它的定義為，影響光源與光纖耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑（NA）。發(fā)散角越大，耦合效率越低；數(shù)值孔徑NA越大，耦合效率越高。此外，光源的發(fā)光面，光纖端面尺寸、形狀以及二者間距都會直接影響耦合效率。光檢測過程：光檢測器由半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)光照射到其表面時，價帶中的電子吸收光子，獲得能量的電子躍遷到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下了空穴。在外加偏置電壓的情況下，電子空穴對的運動形成了電流，即由光產(chǎn)生電的過程。雪崩二級管可以對尚未進(jìn)入后面放大器的輸入電路的初級電流進(jìn)行內(nèi)部放大。這樣可以顯著地增加接收機的靈敏度，因為在還沒有遇到接收

5、機電路的熱噪聲之前就已放大了光電流。光源器件：光纖連接器、光纖光纖耦合器、光開關(guān)、光纖光柵、光濾波器、WDM合波/分波器、光隔離器與光環(huán)永久性的鏈接：光纖熔接法（光纖連接是指兩個光纖之間的永久或半永久連接）連接器的三個性能指標(biāo)：插入損耗、回波損耗、可重復(fù)性在光纖通信的光纖測量中，有時需要把光信號在光路上由一路向兩路或多路傳送，有時需把N路光信號合路再向M路或N路分配，能完成上述功能的器件就是光耦合器光開光的性能指標(biāo)：開關(guān)時間、通斷消光比、插入損耗主要的幾種光開關(guān)：微電機械光開關(guān)MEMS、電光開關(guān)、熱光開關(guān)、SOA光開關(guān)（半導(dǎo)體光放大器）光濾波器全稱為光學(xué)濾波，可以選擇一個波長，濾除的是特定波長

6、的光信號光電混合中繼器（再生器）放大光信號。首先將光纖中送來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后對電信號進(jìn)行放大，最后再將放大了的電信號轉(zhuǎn)換為光信號送到光纖中去。增益：輸出光功率與輸入光功率的比值。增益大小與多種因素如光纖中的摻鉺濃度、泵浦光功率、光纖長度、泵浦光的波長等因素有關(guān)聯(lián)。摻鉺光纖放大器EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。四種基本光放大器：在線放大器、后置放大器、前置放大器、功率補償放大器擾碼：擾碼是一個比特流與另一個比特流的一到一的映射，即將一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特流在發(fā)送之前一對一的映射為另一比特流。分組碼：將信源的信息序列按照獨立的分組進(jìn)行處理和編碼。強度調(diào)制直接檢波（

7、IM-DD）光纖通信系統(tǒng)還是最常用的方式。PDH各次群的標(biāo)準(zhǔn)比特率：一次群：30路 2.048Mb/s 二次群：120路 8.448Mb/s光纖通信系統(tǒng)的基本要求：預(yù)期的傳輸距離、信道帶寬或碼速率、系統(tǒng)性能（誤碼率、信噪比）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮：假想?yún)⒖紨?shù)字鏈路、采用的傳輸制式、工作波長的確定、光纖的選擇、光檢測器的選擇、光源的選擇。常用移動通信系統(tǒng)：無線電尋呼系統(tǒng)、蜂窩移動通信系統(tǒng)、無繩電話系統(tǒng)、集群移動通信系統(tǒng)、移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)、分組無線網(wǎng)區(qū)群：GSM系統(tǒng)中，由若干個小區(qū)構(gòu)成一個區(qū)群，區(qū)群內(nèi)不能使用相同的頻道，同頻道距離保持相等。越區(qū)交換：概念，當(dāng)移動臺從一個小區(qū)進(jìn)入另一相鄰的小區(qū)時

8、，其工作頻率及基站與移動交換中心所用的接續(xù)鏈路必須從它離開的小區(qū)轉(zhuǎn)換到正在進(jìn)入的小區(qū)?？刂茩C理：當(dāng)通信中的移動臺到達(dá)小區(qū)邊界時，該小區(qū)的基站能檢測出此移動臺的信號正在逐漸變?nèi)?，而鄰近小區(qū)的基站能檢測出這個移動臺的信號正在逐漸變強，系統(tǒng)收集來自這些有關(guān)基站的檢測信息，進(jìn)行判決。第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)主要包括WCDMA(聯(lián)通)、CDMA2000（電信）、TD-SCDMA（移動）一個典型的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)由下列主要功能實體組成：移動臺（MS）、基站分系統(tǒng)(BBS)（包括基站收發(fā)信機（BTS）和基站控制器（BSC）移動交換中心（MSC）、歸屬位置寄存器（HLR）、訪問位置寄存器（VLR）、設(shè)備標(biāo)識

9、寄存器（EIR）、認(rèn)證中心（AUC）、操作維護(hù)中心（OMC）。周期性登記：當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，網(wǎng)絡(luò)和移動臺往往會失去聯(lián)系：1、如果當(dāng)移動臺開著機而移動到網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)以外的地方，此時由于移動臺無法向網(wǎng)絡(luò)作出指示，因而網(wǎng)絡(luò)因無法知道移動臺目前的狀態(tài)，而仍會認(rèn)為該移動臺還處于附著狀態(tài)。2、當(dāng)移動臺在向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送“IMSI分離”消息時，如果此時無線路徑的上行鏈路存在著一定的干擾導(dǎo)致鏈路的質(zhì)量很差，那么網(wǎng)絡(luò)就有可能不能正確的譯碼該消息，這就意味著系統(tǒng)仍認(rèn)為MS處于附著的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生這兩種情況后，若在此時該移動臺被尋呼，則系統(tǒng)將在此前用戶所登記的位置去內(nèi)發(fā)出尋呼消息，其結(jié)果必然是網(wǎng)絡(luò)以無法收到尋呼響應(yīng)而告終，導(dǎo)

10、致無效的占用系統(tǒng)的資源。也就是讓MS每隔一定時間主動登記一次，若該規(guī)定時間沒有接收到MS發(fā)送的周期性登記信息，那么系統(tǒng)將自動認(rèn)為該MS已經(jīng)關(guān)機或者移出服務(wù)區(qū)，然后在MSC/VLR中進(jìn)行分離標(biāo)記，該狀態(tài)稱為“隱分離”，只有當(dāng)再次接收到正確的周期性登記信息后再將它改寫成“附著”狀態(tài)。光檢測器：光檢測器接受光信號并將其轉(zhuǎn)換成與光功率成正比的光生電流信號，前置放大器將微弱的電流信號放大到所需的電平電流信號。如果是數(shù)字信號，還有送后續(xù)的判決電路完成數(shù)字信號的再生，具體的電路形式由不同的編碼和調(diào)制。GSM系統(tǒng)的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)：將無線頻率定在900MHz范圍，第二階段DCS為1800MHz。第一階段的指標(biāo)如下

11、：頻段：上行線路：MS發(fā)，BTS收的頻段為890915MHz。下行線路：BTS發(fā)，MS收的頻段為935860MHz。頻帶寬度25MHz。上下行頻率間隔：45MHz。載頻間隔：200KHz。通信方式：全雙工。信道分配：每載頻8個時隙，包含8個全速信道，16個半速信道。信道總速率：270kbit/s調(diào)制方式：GMSK，高斯濾波最小頻移鍵控。接入方式：TDMA。話音編碼：規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼RPELPC 13kbit/s。分集接收：跳頻每秒217跳，交錯信道編碼，自適應(yīng)均衡。MZ干涉濾波器的原理和結(jié)構(gòu)：MZ干涉濾波器MZI，使用了一個馬赫曾德爾干涉儀的對稱結(jié)構(gòu)，調(diào)諧通過改變一個臂的折射率和溫度得

12、到。利用兩個不同長度的干涉路徑來區(qū)分不同的波長以實現(xiàn)濾波，結(jié)構(gòu)是利用兩個3dB光纖耦合器將兩個路徑互連起來，是一個4端口光器件。假設(shè)只有輸入端口1有光信號輸入， 光信號經(jīng)第一個3 dB耦合器后分成兩路功率相同的光信號， 但其相位相差/2， 圖中下臂滯后上臂/2; 然后光信號沿MZI的兩個不等長的臂向前傳播， 由于路徑相差L， 因此下臂又滯后L相位； 下臂的信號經(jīng)第二個 3 dB耦合器從上輸出端口1輸出， 又滯后/2相位， 因而兩路信號的總相位差為/2+L+/2， 而與從下輸出端口2輸出的光信號之間的相位差為/2+L-/2=L。 光隔離器的原理框圖。 具有任意偏振態(tài)（SOP）的輸入信號， 首先通

13、過空間分離偏振器（SWP）分成相互垂直的兩個偏振分量: 一個水平方向和一個垂直方向。 水平分量偏離輸入方向， 垂直分量直通。 然后水平分量和垂直分量均經(jīng)過法拉第（Faraday）旋轉(zhuǎn)器， 偏振方向旋轉(zhuǎn)45， 再經(jīng)過一個/2波片，偏振方向再旋轉(zhuǎn)45， 這樣水平分量正好變成垂直分量， 垂直分量變成了水平分量，最后兩個分量又在另一個SWP上合路輸出。 反方向的輸入信號沿原路返回時， 由于/2波長和法拉第旋轉(zhuǎn)器的作用相互抵消， 因而兩個分量通過這兩個器件后偏振態(tài)保持不變， 在輸入端的SWP上不能合路輸出。EDFA的基本組成， 包括： 泵浦激光、 波分復(fù)用(WDM)耦合器、 光隔離器和摻鉺光纖。泵浦激光

14、：為了獲得增益，光能必須注入摻鉺光纖中，我們把這種能量稱為泵浦，它以980nm或1480nm的波長傳送光能。泵浦的功率典型范圍是10400mW。波分復(fù)用(WDM)耦合器：能有效地將信號光和泵浦光耦合進(jìn)/出摻鉺光纖。光隔離器：將系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反射回放大器的光減小到一個可接受的水平。如果沒有光隔離器，光發(fā)射將降低放大器的增益并附加噪聲（使光信號正向輸出，組織反向輸出）摻鉺光纖：放大光信號。漫游舉例：當(dāng)A地的一個移動臺a在B地開機后，B地的MSC會通過移動臺的IMSI得知該移動臺的歸屬地是A地，然后B地MSC向A地的GMSC報告A地移動臺已出現(xiàn)在B地。此時，A地的GMSC向B地VMSC回送移動臺a

15、是否合法。若是合法用戶，A地的GMSC在其HLR中登記移動臺a已到B地。當(dāng)A地的移動臺a在B地漫游做主叫時，可按撥打長途電話的方式撥打網(wǎng)內(nèi)移動臺或PSTN用戶。因為B地的VMSC已經(jīng)知道A地移動臺a在B地漫游且是合法用戶，所以B地VMSC會幫助完成交換接續(xù)。當(dāng)A地的移動臺a在B地漫游做被叫時，若主叫是網(wǎng)內(nèi)C地的移動臺，C地的MSC向A地的MSC發(fā)送移動臺a的MSISDN，A地的MSC會在HLR中查詢得到移動臺目前在B地，則A地的MSC就向B地的VMSC進(jìn)行MSRN的查詢，B地的VMSC在收到查詢要求后產(chǎn)生一個MSRN并與其IMSI聯(lián)系在一起，同時將該MSRN送給A地的MSC。然后A地的MSC將

16、收到的MSRN發(fā)送給C地的MSC，C地的MSC根據(jù)受到的MSRN向B地發(fā)生呼叫，當(dāng)A地的移動臺a與B地的漫游做被叫是，若主叫是C地的PSTN用戶，其呼叫接續(xù)示意圖如下，C地的PSTN根據(jù)主叫用戶所撥的MSISDN連接C地到A地GMSC的呼叫路由1，A地的GMSC會在HLR中查詢得到移動臺用戶目前在B地2，A地的HLRT就向B地的VMSC/VLR進(jìn)行MSRN的查詢3，B地的VMSC/VLR在收到查詢要求后產(chǎn)生一個MSRN并與其IMSI聯(lián)系在一起，同時通過A地的HLR將該MSRN送給A地的GMSC。隸屬于不同的移動交換中心的用戶之間通信的接續(xù)過程：呼叫傳遞過程主要分兩步：確定為被呼MS服務(wù)的VLR

17、及確定被呼移動臺正在訪問哪個小區(qū)，第一步：主叫MS通過基站向其MSC發(fā)出呼叫初始化信號，MSC通過地址翻譯過程確定被呼MS的HLR地址，并向該HLR發(fā)送位置請求信息，HLR確定出為被叫MS服務(wù)的VLR，并向該HLR發(fā)送路由請求消息，該VLR將該消息中轉(zhuǎn)給為被叫MS服務(wù)的MSC，被叫MSC給被叫的MS分配一個稱為臨時本地號碼TMSN臨時標(biāo)識，并向HLR發(fā)送一個含有TMSN的應(yīng)答消息，HLR將上述消息中轉(zhuǎn)給為主叫MS服務(wù)的MSC，主叫MSC根據(jù)上述信息便可通過SS7網(wǎng)絡(luò)向被叫MSC請求呼叫建立。固定網(wǎng)用戶與移動用戶進(jìn)行呼叫的接續(xù)過程：固定網(wǎng)絡(luò)用戶A撥打GSM用戶B的MSISDN號碼，A所處的本地交

18、換機根據(jù)此號碼與GSM網(wǎng)相應(yīng)入口交換局（GMSC）建立鏈路，并將此號碼傳送給GMSC，GMSC據(jù)此號碼分析出B的HLR，即向該HLR發(fā)送此MSISDN號碼，并向其所要B的漫游號碼。HLR將此MSISDN號碼轉(zhuǎn)換為移動用戶識別碼（IMSI），查詢內(nèi)部數(shù)據(jù)，獲知用戶B目前所處的MSC業(yè)務(wù)區(qū)，并向該區(qū)的VLR發(fā)送此IMSI號碼，請求分配一個MSRN，VLR分配并發(fā)送一個MSRN給HLR，再由HLR傳送給GMSC，GMSC有了MSRN，就可以把入局呼叫接到B用戶所在的MSC處。GMSC與MSC的連接可以是直達(dá)鏈路，也可以是由匯接局轉(zhuǎn)接的間接鏈路。MSC根據(jù)從VLR處查到的該用戶的位置區(qū)識別碼（LAI）

19、，將向該位置區(qū)內(nèi)所有BTS發(fā)送尋呼信息，而這些BTS再通過無線尋呼信道向該位置區(qū)內(nèi)的素有MS發(fā)送尋呼信息，B用戶的MS收到此信息并識別出其IMSI碼后，即發(fā)送應(yīng)答相應(yīng)，即完成了固定用戶呼叫MS的進(jìn)程。光纖通信的系統(tǒng)組成及各部分功能：通信鏈路中最基本的三個組成部分是光發(fā)射機、光接收機和光纖鏈路。光發(fā)射機：是實現(xiàn)電/光信號轉(zhuǎn)換的光端機。由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。功能是將來自于信號源（視頻、音頻、射頻）的電信號對光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號耦合到光纖去傳輸。光接收機：是實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機。由光檢測器和光放大器組成。功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

20、電信號（視頻、音頻、射頻），再將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到用戶接收端去。光纖或光纜：構(gòu)成光的傳輸同路。功能是將發(fā)射端發(fā)出的已調(diào)光信號，經(jīng)過光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到接收端的光檢測器上去，完成傳送信息任務(wù)。移動通信系統(tǒng)的組成及其各自功能：移動臺（MS）：是移動通信網(wǎng)的用戶終端。基站系統(tǒng)（BSS）：包括基站控制器（BSC）和基站收發(fā)信臺（BTS）。 BSS負(fù)責(zé)在一定區(qū)域內(nèi)與移動臺之間的無線通信。 基站收發(fā)信臺：完成BSC與無線信道之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)BTS與MS之間通過空中接口的無線傳輸及相關(guān)的控制功能?；究刂破鳎褐饕δ苁菬o線信道管理、實施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，并為

21、本控制區(qū)內(nèi)移動臺越區(qū)切換進(jìn)行控制等。移動業(yè)務(wù)交換中心（MSC）：MSC完成移動呼叫接續(xù)、越區(qū)切換控制、無線信道資源和移動性管理等功能，是移動通信網(wǎng)的核心。同時，MSC也是PLMN與固定網(wǎng)之間的接口設(shè)備。歸屬位置寄存器（HLR）：是一種用來存儲本地用戶位置信息的數(shù)據(jù)庫。訪問位置寄存器（VLR）：是一個用于存儲進(jìn)入其覆蓋區(qū)的用戶位置信息的數(shù)據(jù)庫。設(shè)備標(biāo)識寄存器（EIR）：是存儲移動臺設(shè)備參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，用于對移動設(shè)備的鑒別和監(jiān)視，并拒絕非法移動臺入網(wǎng)。鑒權(quán)中心（AC）：存儲移動用戶合法性檢驗的專用數(shù)據(jù)和算法。用于防止無權(quán)用戶接入系統(tǒng)和保證通過無線接口的移動用戶通信的安全。操作維護(hù)中心（OMC）：是網(wǎng)絡(luò)運營者對全網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視和操作的功能實體。位置更新：概念，就是MS通知網(wǎng)絡(luò)自己身在何處，便于其他用戶尋呼該MS。過程：若MS是第一次開機，在其SIM卡中找不到原來的位置區(qū)別碼（LAI），它就立即要求接入網(wǎng)絡(luò)，向MSC發(fā)送“位置更新請求”消息，通知GSM系統(tǒng)這個一個此位置區(qū)內(nèi)的新用戶。若MS不是第一次開機，MS接收到的LAI（來自于廣播控制信道上的廣播信息）與S