基于單根光纖節(jié)點(diǎn)的星形單跳網(wǎng)組網(wǎng)

基于單根光纖節(jié)點(diǎn)的星形單跳網(wǎng)組網(wǎng)

通信網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)平臺。根據(jù)波分交換技術(shù)（tdm）的全光網(wǎng)絡(luò)，由于其傳輸?shù)臐B透性、網(wǎng)絡(luò)的可重建性、良好的擴(kuò)展性和巨大的帶寬資源，已被高度重視。這是下一代光網(wǎng)的理想選擇，也是目前研究的先鋒和熱點(diǎn)。波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有:星形、總線形、環(huán)形和樹形等.目前研究及應(yīng)用較多的是星形結(jié)構(gòu).星形結(jié)構(gòu)又可分為無源星形結(jié)構(gòu)和有源星形結(jié)構(gòu),尤其前者在當(dāng)前研究和應(yīng)用中最受關(guān)注.采用無源星形結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)為:(1)由于無源星形耦合器中耦合電路的分光器是二元樹形結(jié)構(gòu),所以耦合器呈現(xiàn)對數(shù)分裂損失.(2)和總線形相比,沒有抽頭(分流)損失,且由于其無源特性,使網(wǎng)絡(luò)更加可靠.(3)給光信號提供了快速中繼轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù),由于不需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,也就無需面對光電轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的瓶頸現(xiàn)象.常規(guī)波分復(fù)用星形網(wǎng)(如圖1所示,其中T為節(jié)點(diǎn)發(fā)射機(jī),R為節(jié)點(diǎn)接收機(jī))是用傳輸型星形耦合器構(gòu)成的:每個節(jié)點(diǎn)通過兩根光纖與星形耦合器相連,一根傳輸該節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的信息,一根傳輸送往該節(jié)點(diǎn)的信息,一個N×N星形耦合器連接N個節(jié)點(diǎn)要用2N根光纖.根據(jù)信息傳送過程的不同,波分復(fù)用星形網(wǎng)又可分為:單跳網(wǎng)和多跳網(wǎng).通常,單跳網(wǎng)作為局域網(wǎng),而多跳網(wǎng)則用于大規(guī)模網(wǎng)狀網(wǎng).目前,單跳網(wǎng)研究主要集中在以下問題:(1)減小調(diào)諧時(shí)間造成的對頻帶資源的浪費(fèi);(2)在信道數(shù)有限的情況下,如何擴(kuò)展整個網(wǎng)絡(luò)的有效容量.當(dāng)前,可調(diào)諧光濾波器的研究已取得很大成功,其調(diào)諧時(shí)間不超過10ns,達(dá)到實(shí)用化水平,有望解決單跳網(wǎng)的調(diào)諧時(shí)間問題.為了擴(kuò)展單跳網(wǎng)的有效容量,本文提出了一種新的基于單根光纖連接節(jié)點(diǎn)的星形耦合器并聯(lián)組網(wǎng)方案,其優(yōu)點(diǎn)在于:(1)使同一星形耦合器所連節(jié)點(diǎn)數(shù)增加一倍;(2)通過耦合器并聯(lián)組網(wǎng)方式,能最大限度地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量,方便、平滑地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容、升級,滿足通信業(yè)務(wù)的實(shí)際和未來發(fā)展需要.這樣,可有效地解決單跳網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量問題.1中心部分—基于單根光纖連接節(jié)點(diǎn)的星形耦合器并聯(lián)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)用單根光纖連接節(jié)點(diǎn)與星形耦合器的波分復(fù)用星形網(wǎng)的耦合器并聯(lián)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,它由(N+3)×(N+3)星形耦合器、寬帶摻鉺光纖放大器(B-EDFA)、功率分路器、帶通濾波器等組成.其中:與耦合器1#的端口11～1N對應(yīng)連接的節(jié)點(diǎn)11～1N為第1組節(jié)點(diǎn),同理有第2、3、4組節(jié)點(diǎn);λij代表第i(1≤i≤4)組節(jié)點(diǎn)中,第j(1≤j≤N)個節(jié)點(diǎn)發(fā)射的波長,每個節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器采用固定發(fā)送機(jī)/可調(diào)接收機(jī)(FT/TR)方式,即每個節(jié)點(diǎn)發(fā)射機(jī)順次發(fā)射唯一固定的波長,可調(diào)接收機(jī)根據(jù)需要能接收網(wǎng)中任意一節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的波長;功率分路器的功率按一定分配比例輸出,使得進(jìn)入兩星形耦合器的功率相等;帶通濾波器1只允許第1組節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的波長通過,帶通濾波器2、3、4同理;帶通濾波器(1、3)只允許第1、3組節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的波長通過,帶通濾波器(2、4)亦同理.整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為四部分:(1)中心部分為(N+3)×(N+3)星形耦合器它們是無源對稱傳輸型星形耦合器,為可逆性光器件,其每個端口既作輸入又作輸出.每個耦合器中的三對端口用作耦合器之間的并行連接及構(gòu)成反饋回路時(shí)使用,其余N對端口中,每個端口連接一個節(jié)點(diǎn);這樣,每個耦合器可連接2N個節(jié)點(diǎn),同時(shí)與另一耦合器并行連接.(2)節(jié)點(diǎn)連接每個節(jié)點(diǎn)用一根光纖與星形耦合器一個端口相連.(3)反饋回路每個耦合器的左、右兩邊各有一個反饋回路:如與耦合器1#右邊相連的反饋回路1由端口5、帶通濾波(1、3)、光放大器、功率分路器、連接光纖和端口6構(gòu)成;其他的反饋回路2、3和4結(jié)構(gòu)與組成是類似的.下面以反饋回路1、2及第1、2組節(jié)點(diǎn)為例來說明反饋回路的作用.由于左邊的任何一個節(jié)點(diǎn)可將其發(fā)送的信息發(fā)向右邊的所有節(jié)點(diǎn),但卻不能發(fā)向同是左邊的另外(N-1)個節(jié)點(diǎn);同時(shí),左邊的任何一個節(jié)點(diǎn)可接收來自右邊所有節(jié)點(diǎn)的信息,但卻無法接收來自同是左邊的另外(N-1)個節(jié)點(diǎn)的信息.為此,在星形耦合器的兩邊,各留有兩個端口,分別形成了兩個反饋回路1、2.反饋回路1將左邊節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息接收后再反饋回到耦合器中,進(jìn)而傳給左邊的各節(jié)點(diǎn);同理,反饋回路2起類似的作用.為了避免產(chǎn)生循環(huán)反饋形成振蕩及濾除帶外的ASE,在每個反饋回路中分別接入了一個光帶通濾波器.每個節(jié)點(diǎn)都順次發(fā)射特定波長(λij)的信號,且將2N個光波的頻譜分成上、下兩個頻帶:左邊的為下頻帶(含:λ11,…,λ1j,…,λ1N);右邊的為上頻帶(含:λ21,…,λ2m,…,λ2N),其中:1≤m≤N.左邊的帶通濾波器(2、4)只允許右邊上頻帶的光通過,阻止同是左邊下頻帶的光通過.同理,右邊的帶通濾波器(1、3)只允許左邊下頻帶的光通過,阻止同是右邊上頻帶的光通過.考慮到反饋回的光波要再一次通過耦合器而存在功率損耗及光濾波器插入損耗,在每個反饋回路中分別接入了一個光放大器進(jìn)行功率補(bǔ)償.(4)并聯(lián)通路連接星形耦合器1#、2#的并聯(lián)通路有四條.例如并聯(lián)通路1由端口5、帶通濾波(1、3)、放大器、功率分路器、連接光纖、帶通濾波1和端口4′構(gòu)成,其他的并聯(lián)通路結(jié)構(gòu)是類似的.它們的作用是顯然的,例如并聯(lián)通路1將第1組節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息傳送到星形耦合器2#,并經(jīng)其傳至第3、4組節(jié)點(diǎn).從上述兩星形耦合器并聯(lián)組網(wǎng)結(jié)構(gòu),還可推衍出三個以及多個星形耦合器的并聯(lián)組網(wǎng)結(jié)構(gòu).易見,這種基于單根光纖連接節(jié)點(diǎn)的星形耦合器并聯(lián)組網(wǎng)方案的優(yōu)點(diǎn)在于:它不僅使同一星形耦合器所連節(jié)點(diǎn)數(shù)增加一倍,而且,通過耦合器并聯(lián)組網(wǎng)方式,既能最大限度地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量,又可方便、平滑地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容、升級,滿足通信業(yè)務(wù)的實(shí)際和未來發(fā)展需要.由此,能有效地解決單跳網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量問題.2節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的通信下面就各節(jié)點(diǎn)之間的通信情況進(jìn)行分析.第1組節(jié)點(diǎn)內(nèi)部任意兩節(jié)點(diǎn)之間的通信設(shè)第1組節(jié)點(diǎn)中第j個節(jié)點(diǎn)1j發(fā)射的波長為λ1j,第k(1≤k≤N)個節(jié)點(diǎn)1k發(fā)射的波長為λ1k,節(jié)點(diǎn)1j發(fā)射的光載波λ1j經(jīng)星形耦合器1#進(jìn)入反饋回路1,經(jīng)其反饋后再次進(jìn)入該耦合器,由此將光載波λ1j傳送至節(jié)點(diǎn)1k;同理,節(jié)點(diǎn)1k發(fā)送的光載波λ1k亦可傳至節(jié)點(diǎn)1j;因此,第1組節(jié)點(diǎn)內(nèi)部任意兩節(jié)點(diǎn)之間可進(jìn)行通信.同理,第2,3,4組節(jié)點(diǎn)中,各自內(nèi)部任意兩節(jié)點(diǎn)之間亦可進(jìn)行通信.第1組節(jié)點(diǎn)與第2組節(jié)點(diǎn)之間的通信設(shè)第2組節(jié)點(diǎn)中第m(1≤m≤N)個節(jié)點(diǎn)2m發(fā)射的波長為λ2m,節(jié)點(diǎn)1j發(fā)射的光載波λ1j經(jīng)星形耦合器1#可到達(dá)節(jié)點(diǎn)2m;同理,節(jié)點(diǎn)2m發(fā)射的光載波λ2m,亦可到達(dá)節(jié)點(diǎn)1j;因此,第1組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)與第2組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)可相互通信.同理,第3組節(jié)點(diǎn)中任意一節(jié)點(diǎn)與第4組節(jié)點(diǎn)中任意一節(jié)點(diǎn)之間亦可相互通信.第1組節(jié)點(diǎn)與第3組節(jié)點(diǎn)之間的通信設(shè)第3組節(jié)點(diǎn)中第n(1≤n≤N)個節(jié)點(diǎn)3n發(fā)射的波長為λ3n,節(jié)點(diǎn)1j發(fā)射的光載波λ1j經(jīng)與它直接相連的星形耦合器1#進(jìn)入并聯(lián)通路1,并經(jīng)其進(jìn)入下面的星形耦合器2#,再由耦合器2#傳至與其直接相連的反饋回路3,經(jīng)反饋后,光載波λ1j再次通過耦合器2#,最后到達(dá)節(jié)點(diǎn)3n;同理,節(jié)點(diǎn)3n發(fā)射的光載波λ3n,亦可到達(dá)節(jié)點(diǎn)1j;因此,第1組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)與第3組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)之間可相互通信.同理,第2組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)與第4組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)亦可相互通信.第1組節(jié)點(diǎn)與第4組節(jié)點(diǎn)之間的通信設(shè)第4組節(jié)點(diǎn)中第p(1≤p≤N)個節(jié)點(diǎn)4p發(fā)射的波長為λ4p,節(jié)點(diǎn)1j發(fā)射的光載波λ1j經(jīng)與它直接相連的星形耦合器1#進(jìn)入并聯(lián)通路1,并經(jīng)其進(jìn)入下面的星形耦合器2#,由耦合器2#將光載波λ1j傳送到節(jié)點(diǎn)4p;同理,節(jié)點(diǎn)4p發(fā)射的光載波λ4p亦可到達(dá)節(jié)點(diǎn)1j;因此,第1組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)與第4組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)可相互通信.同理,第2組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)與第3組節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)亦可相互通信.由上可知,網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)之間均可進(jìn)行通信.3分配損耗ls某節(jié)點(diǎn)光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光載波經(jīng)星形耦合器和光路衰減后,到達(dá)另一節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)接收,要滿足以下關(guān)系式中:PT(dBm)為光發(fā)射機(jī)發(fā)射光功率,PR(dBm)為光接收機(jī)要求的平均接收光功率,PM(dB)為系統(tǒng)工作余量,LCT(dB)為連接光發(fā)射機(jī)的連接損耗,LCR(dB)為連接光接收機(jī)的連接器損耗,LC(dB)為耦合器的連接損耗,Lstar(dB)為星形耦合器的總損耗,D(km)為首末兩節(jié)點(diǎn)之間的最長光纖距離,α(dB/km)為每公里光纖損耗.對于(N+3)×(N+3)星形耦合器,一般由多個2×2耦合器單元組合構(gòu)成,它能將從一個輸入端輸入的光功率均勻分配給(N+3)個輸出端輸出,其損耗由分配損耗(LS)和插入損耗(LI)兩部分構(gòu)成;分配損耗(LS)可表示為:LS=10*lg(N+3)(dB);所以,(N+3)×(N+3)星形耦合器的總損耗(Lstar)可表示為Lstar=10*lg(N+3)+LI(2)式中,(N+3)為星形耦合器的端口對數(shù),LI(dB)為星形耦合器的插入損耗.從以上兩式可求得lg(N+3)≡PT?PR?PM?LCT?2LC?LCR?LI?Dα10(3)lg(Ν+3)≡ΡΤ-ΡR-ΡΜ-LCΤ-2LC-LCR-LΙ-Dα10(3)因此,網(wǎng)絡(luò)容量為NRL=4*N=4*10X-12(4)式中:X=[PT-PR-(PM+LCT+2LC+LCR+LI+Dα)]/10.上述結(jié)論是根據(jù)相距最遠(yuǎn)的兩節(jié)點(diǎn)得出的,即:只考慮了傳輸損耗最大的情況.一般情況下,網(wǎng)絡(luò)容量要比上述計(jì)算結(jié)果大一些.圖3給出了當(dāng)PM=3dB,LCT=LCR=LC=1dB,LI=5dB,D=10km,α=0.2dB/km時(shí)的網(wǎng)絡(luò)容量(NRL)與功率預(yù)算(PT-PR)的關(guān)系曲線.從圖中可以看出,在通常條件下,若發(fā)射機(jī)輸出功率PT=0dBm,接收機(jī)靈敏度PR=-30dBm,即PT-PR=30dBm時(shí),網(wǎng)絡(luò)容量(NRL)達(dá)147個節(jié)點(diǎn);若發(fā)射機(jī)輸出功率PT=0dBm,接收機(jī)靈敏度PR=-35dBm,即PT-PR=35dBm時(shí),網(wǎng)絡(luò)容量(NRL)達(dá)492個節(jié)點(diǎn);若發(fā)射機(jī)輸出功率PT=0dBm,接收機(jī)靈敏度PR=-40dBm,即PT-PR=40dBm時(shí),網(wǎng)絡(luò)容量(NRL)高達(dá)1580個節(jié)點(diǎn).顯然,要達(dá)到如此高的網(wǎng)絡(luò)容量,在耦合器端口有限的情況下,通過耦合器并聯(lián)組網(wǎng)方式,即能順利組網(wǎng).由于篇幅所限,本文僅從功率預(yù)算的角度對網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行了計(jì)算.在波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中,信號串?dāng)_、噪聲和色散積累以及非線性光學(xué)效應(yīng)等都對光網(wǎng)絡(luò)容量有非常重要的影響,對此,作者將以另文專