光纖通信第8章課件

1、第8章光纖通信新技術(shù)9/8/20221用于內(nèi)部商業(yè)通信的局域網(wǎng)（LAN）和Telco/PTT廣域網(wǎng)（WAN）中的SONET/SDH。當(dāng)企業(yè)之間需要互相通信或需要將其總部與分部連接在同一個(gè)LAN時(shí)，互連的問(wèn)題便應(yīng)運(yùn)而生了，因?yàn)樵赟ONET/SDH上并不直接支持以太網(wǎng)的傳輸。以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)具有突發(fā)和不定長(zhǎng)的特性， 這與要求嚴(yán)格同步的SDH幀有很大的區(qū)別，因此需要引入合適的數(shù)據(jù)鏈路層適配協(xié)議來(lái)完成以太數(shù)據(jù)封裝，實(shí)現(xiàn)到SDH的幀映射。8.1MSTP技術(shù)9/8/20222目前，有三種鏈路層適配協(xié)議可以完成以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)封裝：PPP（Point-to-Point Protocol）點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議和ML-PPP

2、擴(kuò)展協(xié)議；LAPS（Link Access Procedure-SDH）協(xié)議；GFP（Generic Framing Procedure）通用成幀規(guī)程協(xié)議；9/8/20223GFP幀結(jié)構(gòu)GFP協(xié)議定義了兩種類型的GFP幀：GFP客戶幀和GFP管理幀。GFP的幀結(jié)構(gòu)按字節(jié)排列，它包括GFP幀頭（Core Header）和GFP凈荷區(qū)（GFP Payload Area）兩部分。GFP幀頭包括幀長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)2 字節(jié)（PLI 0-65535）和幀頭錯(cuò)誤檢驗(yàn)（Core HEC）。當(dāng)PLI大于或等于4時(shí)，表明該幀是GFP客戶幀，否則為GFP管理幀（目前只定義了PLI等于0時(shí)的空閑幀）。幀頭錯(cuò)誤檢驗(yàn)也為2個(gè)字節(jié)

3、，它采用CRC-16的檢錯(cuò)方法給幀頭提供保護(hù)。9/8/20224GFP凈荷區(qū)包括：凈荷頭4-64（Payload Header）、凈荷信息域0-65531（Payload Information）和凈荷的幀檢驗(yàn)序列4（Payload FCS）三部分，而凈荷頭包括：凈荷類型2（Payload Type）、凈荷類型的HEC2（Type HEC）和擴(kuò)展頭0-60（Extension Header）擴(kuò)展頭HEC2四個(gè)部分 9/8/202258.3 光接入技術(shù) 以前的接入網(wǎng)主要是銅纜網(wǎng)，攜帶的業(yè)務(wù)主要是電話業(yè)務(wù)。 銅纜網(wǎng)的故障率很高，維護(hù)運(yùn)行成本也很高，為了減少銅纜網(wǎng)的維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用和故障率，光接入網(wǎng)技術(shù)

4、應(yīng)運(yùn)而生。9/8/202268.3.1 光接入網(wǎng)的基本概念 1光接入網(wǎng)基本概念及位置 所謂接入網(wǎng)就是指端局到用戶環(huán)路之間的所有機(jī)線設(shè)備，通常又稱為用戶網(wǎng)，如圖8-14所示。 光接入網(wǎng)（OAN）是指本地交換機(jī)或遠(yuǎn)端交換模塊與用戶設(shè)備之間采用光傳輸或部分采用光傳輸?shù)南到y(tǒng)。圖8-14 接入網(wǎng)在電信網(wǎng)中的位置9/8/202278.3.1 光接入網(wǎng)的基本概念圖8-15 OAN的參考配置9/8/2022108.3.2 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON） 1無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的應(yīng)用類型與組網(wǎng) 應(yīng)用類型：按ONU所處的位置不同，可將PON分為3種基本的應(yīng)用類型，光纖到路邊（FTTC），光纖到大樓（FTTB），光纖到家（F

5、TTH）和/或光纖到辦公室（FTTO）。如圖8-16所示。圖8-16 PON基本應(yīng)用類型9/8/2022118.3.2 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON） 組網(wǎng)： PON的組網(wǎng)有總線結(jié)構(gòu)、樹(shù)形結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。如圖8-17所示，圖中SP是光分支器，一個(gè)OLT一般能帶500個(gè)用戶，一個(gè)ONU可帶4、16、32、64個(gè)用戶。圖8-17 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)9/8/2022128.3.3 數(shù)字環(huán)路載波（DLC） 2DLC系統(tǒng)的特點(diǎn) （1）COT和SN之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的2Mbit/s和n2Mbit/s數(shù)字接口相接。 （2）COT和RT之間使用光傳輸設(shè)備傳送信息，光傳輸設(shè)備既傳送用戶信息也用于傳送監(jiān)測(cè)信號(hào)、公務(wù)及其他

6、數(shù)據(jù)信號(hào)的輔助信道。 （3）RT與用戶終端設(shè)備之間采用標(biāo)準(zhǔn)化的用戶接口。9/8/2022168.3.3 數(shù)字環(huán)路載波（DLC） 3DLC系統(tǒng)的功能 （1）DLC系統(tǒng)不解釋信令，提供PSTN用戶口信令信息的雙向傳輸功能，提供ISDN D通道信息的雙向傳輸功能。 （2）DLC系統(tǒng)提供透明傳送ISDN B通道或PCM64kbit/s信道的雙向傳送功能。 （3）DLC系統(tǒng)提供各部分的性能監(jiān)測(cè)、告警信號(hào)。提供每個(gè)用戶口的狀態(tài)信息。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的Q接口與TMN相連。 （4）DLC系統(tǒng)的COT到RT之間可以采用各種標(biāo)準(zhǔn)化的SDH和PDH傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)傳輸功能。 （5）DLC系統(tǒng)提供“公務(wù)”等輔助功能。利用

7、內(nèi)嵌操作信道完成管理信息的傳送。9/8/2022178.3.3 數(shù)字環(huán)路載波（DLC） 4靈活數(shù)字環(huán)路系統(tǒng)（FDLC） 為提高信道資源的利用率，可采用動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙的方法，這種DLC系統(tǒng)稱為靈活數(shù)字環(huán)路系統(tǒng)（FDLC）。 在DLC設(shè)備內(nèi)加入集線/壓縮功能，在相同的傳輸速率下可容納更多的用戶，如采用41的集線比，可在2Mbit/s的傳輸速率下傳送120路電話（如圖8-20所示）。 圖8-21所示的是另一種靈活分配時(shí)隙的例子，在2Mbit/s信道的30個(gè)時(shí)隙中，12個(gè)時(shí)隙留作租用線業(yè)務(wù)，將108路電話以61的集線比在余下的18個(gè)時(shí)隙中傳輸，在COT處恢復(fù)為4個(gè)2Mbit/s進(jìn)入交換機(jī)。9/8/202

8、2188.3.3 數(shù)字環(huán)路載波（DLC）圖8-20 41集線的FDLC圖8-21 另一種FDLC用法9/8/2022198.3.4 混合光纖同軸網(wǎng)（HFC） 4HFC頻帶分配 頻帶分配如表8-1所示。波 段頻 率 范 圍業(yè) 務(wù)R5.0030.0(上行)電視及非廣播業(yè)務(wù)R130.042.0（上行）電信業(yè)務(wù)I48.592.0模擬廣播電視FM87.0108.0調(diào)頻廣播A1111.0167.0模擬廣播電視III167.0223.0模擬廣播電視A2223.0295.0模擬廣播電視B295.0463.0模擬廣播電視IV470.0582.0數(shù)字或模擬廣播電視V582.0710.0電信業(yè)務(wù)（1）（VOD等）V

9、I710.0750.0電信業(yè)務(wù)（2）（電話、數(shù)據(jù)）9/8/2022238.3.4 混合光纖同軸網(wǎng)（HFC） 5HFC的業(yè)務(wù)支持能力 （1）基于數(shù)字傳輸?shù)臉I(yè)務(wù) 普通電話業(yè)務(wù)（POTS） p64kbit/s租用線業(yè)務(wù) E1（成幀與不成幀）業(yè)務(wù) ISDN業(yè)務(wù)：BRA和PRA 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 數(shù)字視頻業(yè)務(wù)（如VOD） 個(gè)人通信業(yè)務(wù)（PCS） （2）模擬業(yè)務(wù) 模擬廣播電視 調(diào)頻廣播9/8/2022248.3.4 混合光纖同軸網(wǎng)（HFC） 6HFC的用戶設(shè)備 HFC的用戶設(shè)備由綜合業(yè)務(wù)單元（ISU）與電信業(yè)務(wù)終端和/或有線電視終端組成。 ISU提供與電信業(yè)務(wù)終端和/或有線電視終端的接口功能。常見(jiàn)的ISU有電纜調(diào)

10、制解調(diào)器（CM）和機(jī)頂盒（Set Top Box）。 CM用于提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，連接PC或局域網(wǎng)。CM具有標(biāo)準(zhǔn)以太接口，可以連接單臺(tái)PC，也可以接多臺(tái)PC或局域網(wǎng)。 機(jī)頂盒用于配合電視機(jī)收看模擬的或數(shù)字的廣播電視節(jié)目。 功能強(qiáng)的機(jī)頂盒可同時(shí)具有CM的功能，用戶可通過(guò)電視機(jī)上網(wǎng)，同樣CM也可能兼有接收模擬和數(shù)字廣播電視的功能。9/8/2022258.4 全光通信網(wǎng) 1全光網(wǎng)的概念 全光網(wǎng)是指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，而其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則使用高可靠、大容量和高度靈活的光交叉連接設(shè)備（OXC）。 2全光網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) 如圖8-

11、29所示，可以分為光網(wǎng)絡(luò)層和電網(wǎng)絡(luò)層。 光網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是環(huán)形、星形和網(wǎng)孔形等，交換方式各采用空分、時(shí)分或波分光交換。目前國(guó)際上所試驗(yàn)的全光網(wǎng)更注重于波分光交換的應(yīng)用。9/8/2022268.4 全光通信網(wǎng)圖8-29 全光網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)9/8/2022278.4 全光通信網(wǎng) 3全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù) （1）光交叉連接設(shè)備（OXC） （2）光分插復(fù)用器（OADM） （3）摻鉺光纖放大器（EDFA） （4）全光網(wǎng)的管理、控制和運(yùn)作 網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層一致的問(wèn)題。 使用新的監(jiān)控方法的問(wèn)題。 協(xié)調(diào)處理好不同系統(tǒng)、不同傳輸層之間關(guān)系的問(wèn)題。 9/8/2022288.4 全光通信網(wǎng) 4全光網(wǎng)的特點(diǎn) 全光網(wǎng)通

12、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，對(duì)傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式以及調(diào)制方式具有透明性的優(yōu)點(diǎn)。 全光網(wǎng)不僅可以與現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)兼容，而且還可以支持未來(lái)的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)。 全光網(wǎng)絡(luò)具備可擴(kuò)展性?？赏瑫r(shí)擴(kuò)展用戶、容量和種類。 全光網(wǎng)還具備可重構(gòu)性，動(dòng)態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可為突發(fā)業(yè)務(wù)提供臨時(shí)連接，從而充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。 全光網(wǎng)的光網(wǎng)絡(luò)層有許多光器件，可靠性高，維護(hù)費(fèi)用低。9/8/2022298.5 相干光通信技術(shù) 相干光通信系統(tǒng)：利用先進(jìn)的調(diào)制方式（ASK、FSK和PSK）和外差接收構(gòu)成的一種新型系統(tǒng)。 相干光通信系統(tǒng)與IM-DD系統(tǒng)比較，主要有以下優(yōu)點(diǎn)。 （1）光接收機(jī)靈敏度高

13、，中繼距離長(zhǎng) （2）頻率選擇性好，通信容量大 （3）具有多種調(diào)制方式9/8/2022308.5 相干光通信技術(shù) 1相干光通信系統(tǒng)的組成與基本原理 相干光通信系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)組成。 （1）光發(fā)射機(jī) 光發(fā)射機(jī)的組成框圖如圖8-25所示。圖8-25 光發(fā)射機(jī)框圖9/8/2022318.5 相干光通信技術(shù) （2）光纖 單模光纖作為一種傳輸媒介，其作用是將已調(diào)光波從發(fā)送端傳送到接收端，傳送模式為基模。 （3）光接收機(jī) 光接收機(jī)的組成框圖如圖8-27所示。圖8-27 光接收機(jī)框圖9/8/2022348.6 光孤子通信技術(shù) 1光孤子通信技術(shù)的起源 孤子（Soliton）又稱孤立波，是一種特殊形

14、式的超短脈沖，或者說(shuō)是一種在傳播過(guò)程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。有人把孤子定義為：孤子與其他同類孤立波相遇后，能維持其幅度、形狀和速度不變。 1834年英國(guó)海軍工程師Scott Russel觀察到河面上船過(guò)后隆起的水波可以保形傳輸，從此揭開(kāi)了孤子理論的研究序幕。 1973年，Hasegawa與Tappert一起從理論上證明了光孤子脈沖能在光纖中保形傳輸這一現(xiàn)象，這種發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了人們將光孤子作為一種信息載體用于高速通信的遐想。9/8/2022358.6 光孤子通信技術(shù) 2光孤子通信技術(shù)的基本原理 光孤子(Optical Soliton)就是一種具有雙曲正割形狀的光脈沖，這種脈沖在光纖

15、中傳輸是利用光纖的群速度色散（GVD）和非線性作用中的自相位調(diào)制（SPM）兩種影響達(dá)到平衡的情況下，從而能保持原來(lái)的形狀傳輸。利用光孤子的這種特性，可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超大容量的光通信。 3光孤子通信技術(shù)的新進(jìn)展 （1）理論研究進(jìn)展 （2）色散管理孤子（DMS） DMS比普通孤子系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的光中繼距離，可達(dá)120140km，而普通孤子系統(tǒng)僅為3050km。 9/8/202236在考慮色散作用下，并引入光纖非線性效應(yīng)中自相位調(diào)制作用時(shí)，光脈沖包絡(luò)的傳輸方程可寫(xiě)為下式：式中：A(z,t)為脈沖包絡(luò)，1=1/g，2為群速度色散系數(shù)，3為高階色散系數(shù)，是代表自相位調(diào)制效應(yīng)的非線性系數(shù)。9/8/2022379/8/2022389/8/2022399/8/2022408.6 光孤子通信技術(shù) 采用如圖8-28所示的實(shí)驗(yàn)裝置：增益開(kāi)關(guān)DFB激光器產(chǎn)生5GHz脈沖串，啁啾參量C=2.29，并采用普通單模光纖（SMF）和色散補(bǔ)償光纖（DCF）搭配進(jìn)行孤子脈沖傳輸，其中SMF長(zhǎng)度為30km，D=17ps/nmkm，DCF的長(zhǎng)度為8k