（通信与信息系统专业论文）时分波分复用光网络及其信道分配策略的研究.pdf

r e s e a r c ho ft d m w d mo p tic a ln e t w o r k s a n dit sc h a n n e la l l o c a tio ns c h e d u l e s a b s t r a c t o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i sar e v o l u t i o ni nc o m m u n i c a t i o n h i s t o r y i t h a si n c r e a s e dn e t w o r kb a n d w i d t h g r e a t l y w d m i sa p r o m i s i n g t e c h n o l o g ye x p l o i t i n g t h ee n o r m o u s c a p a c i t y o fa s i n g l e f i b e r m u l t i - w a v e l e n g t ho p t i c a ln e t w o r k sc a l ls a t i s f yt h eg r e a td e m a n do ft h e r a p i d l yi n c r e a s i n gc o m m u n i c a t i o n b u s i n e s s e s t h ec o m b i n a t i o no fd i v e r s e m u l t i p l e x i n g c a n p r o v i d e al o to fl o g i c a lc o n n e c t i o n sw h i c hi sa n i m p o r t a n tr e q u e s to fl a r g es c a l e dn e t w o r k s i pi s t h et r e n do fn e t w o r k s t h ef o c u so ft h i sd i s s e r t a t i o ni s d e s i g n i n g a n d s t u d y i n g a n o p t i c a l n e t w o r kw h i c hc a nr e a l i z et h em e r i t sa b o v e o p t i c a lc o n n e c t i o n s ， s t a t i c m u l t i p o i n tn e t w o r k s ， a n d t d m t - w d m an e t w o r k sb a s e do nb r o a d c a s ts t a r t o p o l o g y a r e d i s c u s s e d a no p t i c a ln e t w o r kb a s e do nt d m ，w d ma n dd y n a m i c s p a c e - d i v i s i o ns w i t c h i n g i s d e s i g n e d w h i c hi st h em a i np a r to ft h i s d i s s e r t a t i o n t h e r o u t i n g m e t h o do fi p p a c k e t s a n d s l o t - w a v e l e n g t h c h a n n e la l l o c a t i o ns c h e d u l e sa r cs t u d i e di nd e t a i l s t h ec o m b i n a t i o no fw o m ，t d ma n dd y n a m i cs p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gp r o v i d e sa b i l i t i e st or e a l i z em u l t i - p o i n tl o g i c a lc o n n e c t i o n s ， a n dt oa v a i lt h ec a p a c i t yo fas i n g l ef i b e ri nt h en e t w o r kd e s i g n e d a l s o ， i pp a c k e t sc a l lb et r a n s f e r r e dt r a n s p a r e n t l ym e e t i n gt h ec o m m u n i c a t i o n t r e n d s k e y w o r d s ：t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d m ) ，w a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l f i p l e x i n g ( w d m ) ，s p a c e d i v i s i o ns w i t c h i n g ， s l o t - w a v e l e n g t hc h a n n e l ，c h a n n e la l l o c a t i o ns c h e d u l e ( c a s ) 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 糟辑 日期：2 0 0 ：；年f 月j 旧 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：蒋锋 日期：2 一口；年，月i f 日 铸 一 尹朋 名 革 鹕 忤 雕 加 教 = = 影 期 指 日 第一章前言 由于新技术革命的推动，经济全球化和社会信息化趋势日益明显在全球信息 化浪潮的冲击下，人类对通信的容量业务的种类和通信的质量的要求更是有增无 减个人计算机和因特网的普及数据业务与电子邮件通信的飞速发展，使得社会 对通信及信息的需求呈几何级数的增长，并给今天的通信网络提出了革命性的要 求和设想人们设想在不久的将来可以拥有一个更为理想的通信环境，即在任何时 间任何地点，可以使用非常便宜而且安全的通信方式进行相互联系与交流，这个 目标支持并推动着现代通信网络技术的不断演进和持续发展此外，诸如可视图 文远程教育远程医疗电视购物电视会议高清晰度电视交互式有线电视等数字或 模拟图像通信新业务的出现，提出了进一步实现网络高速化和宽带化的迫切要求 高速宽带网络逐渐展示出它在信息技术中的核心地位。 通信业务量的爆炸式增长和对未来的理想通信方式的渴望，迫使人们不断提 高网络的传输速度和交换容量光纤通信的诞生成为通信史上的一次重要革命，它 极大的增加了传输带宽近年来由于波分复用( w d m ) 技术能用相对简单的技术充 分挖掘光纤的可用带宽，而且成本比较低廉，因此得到了迅猛的发展目前己可实 现同时传输上百个信道，单信道的传输速率可以达到4 0 g b i t s ，总的传输容量达 到7 t b i t s ( 1 7 6 4 0 g b i t s ) 或6 4 t b i t s ( 8 0 8 0 g b i t s ) 的水平在实验室，光纤 通信的传输容量正以每半年翻一番的速度增长随着可用波长数的不断增加，人们 发现波分复用技术不仅可以充分利用光纤中的带宽，而且其多波长的特性还具有 无可比拟的光通道直接联网的优势。 通过使用多波长光路来联网的光网络技术利用波分复用和波长路由技术，将 一个个波长作为通道，全光地进行路由选择通过可重构的选路节点建立端到端的 “虚波长”通路，实现源和目的之间端到端得光连接，这将是通路之间的调配和 转接变得简单和方便在多波长光网络中，由于采用光分插复用( o a d m ) 光奴连 接( o x c ) 和光路由器光交换机等设备，极大地增强了节点处理的容量和速度， 它具有对信息传输码率调制方式传输协议等透明的优点，有效地克服了节点的 “电子瓶颈”的限制因比，只有w d m 多波长光网络才能满足当前和未来通信业务 量迅速增长的需求也正是基于这些原因，近年来在国际上形成了对高速宽带光网 络的研究热潮，其中尤其以美国欧洲最为突出。对卜个规模较大的网络来说， 通常需要很强的多点连接能力然而，给每一个逻辑连接l c 都分配一个专用的波 长信道的w d m w d m a 实现方法所付出的代价十分昂贵，并且随着光连接数目的增 长可用光谱消耗得非常快因此，要获得大的连接能力用时又较少的使用网络资源 必须使用其它的可行方法这就需要波分复用技术和其它的复用技术以及多址接 入技术的混合技术。 第二章光网络中的网络连接 2 1 光网络分层结构 如图2 - l 和图2 2 所示为光网络的分层结构模型。在这种分层网络模型下， 其上层结构代表基于分组或信元交换的逻辑网络( l n ) 层，它包含一个虚连接子 层。由于广域网w a n 的运作是基于专用的和或按需分配的全光连接，因此以广 域网为例对光网络分层模型各层功能进行描述很具有代表性。但是在一些小型的 网络中用w a n 网络描述的一些子层功能可能并不存在。“1 逻辑层t 匡互 传输信道子层 光连接子层 光层波长信道子层 光波带通路子层 光纤层光纤链路子层 光纤段子层 图2 - 1 光网络的分层结构( a ) f i g 2 1 t h el a y e r e da r c h i t e c t u r eo f o p t c a ln e t w o r k s ( a ) 就硬件而言，逻辑层与物理层的接口处与网络接入点n a s 的外部( 电的) 端 口上。接入站n a s 的作用是终止一个全光连接，然后将其和电的终端系统( 用户 设备) 相连或将这个全光连接继续倒换( 由通信业务提供商的交换设备来执行) 到光网络中( 接入站的角色是电层和光层的边界设备，负责在外部端口上一边的 电一光接口与另一边的光接口之间传输和倒换信息) 。在光接口一侧，每一个n a s 通过一个接入链路( a c c e s s1 i n k ) 连接到一个光网络节点o n n 上，该接入链路 可以包含一对或多对接入光纤。光信号通过接入站上的光收发器在该接入站和通 信网络之间传递通信信息。每一个节点通过一对光纤连到相邻的节点上，从而形 成了节点间网络链路( i n t e r - n o d a ln e t w o r kl i n k s ) 。我们把描述网络链路和网 络节点之间相互连接关系的图形成为网络的物理拓扑( p h y s i c a lt o p o l o g y ) 。一 条距离很长的光通路可能包含一个或多个用以补偿光纤衰减的光放大器，这样的 2 厂，l，、，ll 层理物 第二章光网络中的网络连接 2 1 光网络分层结构 如图2 - l 和图2 2 所示为光网络的分层结构模型。在这种分层网络模型下， 其上层结构代表基于分组或信元交换的逻辑网络( l n ) 层，它包含一个虚连接子 层。由于广域网w a n 的运作是基于专用的和或按需分配的全光连接，因此以广 域网为例对光网络分层模型各层功能进行描述很具有代表性。但是在一些小型的 网络中用w a n 网络描述的一些子层功能可能并不存在。“1 逻辑层t 匡互 传输信道子层 光连接子层 光层波长信道子层 光波带通路子层 光纤层光纤链路子层 光纤段子层 图2 - 1 光网络的分层结构( a ) f i g 2 1 t h el a y e r e da r c h i t e c t u r eo f o p t c a ln e t w o r k s ( a ) 就硬件而言，逻辑层与物理层的接口处与网络接入点n a s 的外部( 电的) 端 口上。接入站n a s 的作用是终止一个全光连接，然后将其和电的终端系统( 用户 设备) 相连或将这个全光连接继续倒换( 由通信业务提供商的交换设备来执行) 到光网络中( 接入站的角色是电层和光层的边界设备，负责在外部端口上一边的 电一光接口与另一边的光接口之间传输和倒换信息) 。在光接口一侧，每一个n a s 通过一个接入链路( a c c e s s1 i n k ) 连接到一个光网络节点o n n 上，该接入链路 可以包含一对或多对接入光纤。光信号通过接入站上的光收发器在该接入站和通 信网络之间传递通信信息。每一个节点通过一对光纤连到相邻的节点上，从而形 成了节点间网络链路( i n t e r - n o d a ln e t w o r kl i n k s ) 。我们把描述网络链路和网 络节点之间相互连接关系的图形成为网络的物理拓扑( p h y s i c a lt o p o l o g y ) 。一 条距离很长的光通路可能包含一个或多个用以补偿光纤衰减的光放大器，这样的 2 厂，l，、，ll 层理物 光通路连接就可以理解为有一系列光纤段彼此通过光放大器相连而构成。出于简 单性考虑，我们通常假设是由两个单向传输的光纤组成光纤对，以实现双向传输 ( 实际上，为了降低成本，一根光纤有时候也用于双向传输) 。“。 光层的各个子层是按照对光谱的不同分割方式来划分的。在分割中最小分割 实体是兄信道( 也称为波长信道，a c h a n n e l ) ，每一个信道都被分配了一个独 立的波长( 或光频率) 。a 信道是物理层最基本的信息载体，从这一点上考虑， 光网络节点o n n 就应该能够对相互独立的a 信道进行选路由( 或波长交换) 操作 ( 这也是目前大多数多波长光网络的基本构建思路和具体的构建方式) 。每一个 承载于a 信道之上的点到点光连接o c ( o p t i c a lc o n n e c t i o n ) 是通过以下两步 来形成的： 1 ) 首先给源端发射机和目的端接收机分别在给定的波长上分配一个a 信道。 2 ) 然后通过一系列的网络节点建立一个光通路o p ( o p t i c a lp a t h ) 来承载 这个从源端到目的端的波长。这些操作通常在网络管理器的控制之下来 完成。 n a sn a s 卜豁1 一网络链路r 豁 科品 o r 阡 o n n 一) 毛毛j n n j i = 习r p il ； i i 卜光纤段一 i iii ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： j 一 光纤链路叫 ： ： ： ： ： ：； ：； ； ：； ： li； i 一光胺带通路一 ；lii iilillii l til l i i l l 一波长信道一 l ： ： ： ：一光连接叫： iii i l ii i l k 一 传输信道一 j i i l i 一 逻辑连接一 图2 - 2 光网络中的分层结构( b ) f i g 2 2 t h e l a y e r e da r c h i t e c t u r eo f o p t i c a ln e t w o r k s ( b ) 我们把在一对源端n a s 与目的端n a s 之上的外部端口之间的单向连接称为逻 辑连接l c ( 1 0 9 i c a lc o n n e c t i o n ) 。这些连接所承载的逻辑信号在一定程度上是 基于电的信号格式( 例如：a t m 信元、i p 数据包、s o n e t 数据比特流或模拟的视 频信号) 。每一种逻辑信号的格式都与某种特殊的逻辑网络l n 或终端系统所特有 的信号格式相匹配。所有的逻辑连接都占用物理层的资源。每一个l c 通过传输 信道( t r a n s m i s s i o nc h a n n e l ) 的媒介作用承载在一个光连接上。传输信道的职 责是完成从逻辑信号到传输信号( t r a n s m i s s i o ns i g n a l ) 的转换功能。这种转 换功能( 在多点连接中也就是某种复用功能) 是由传输处理器t p ( t r a n s m i s s i o n p r o c e s s o r ) 来执行的，同样在接收处理器r p ( r e c e p t i o np r o c e s s o r ) 中完成与 之相反的从传输信号到逻辑信号的转换操作。就像要求逻辑信号的格式与支撑起 进行通信的逻辑网络l n 的格式必须相符合一样，传输信号的格式也必须符合负 责承载它的光学设备的要求。例如，传输信号的带宽就受光发射机( 0 t ) 的带宽 特性、光接收机( o r ) 的带宽特性和承载光信号的光信道所占据的光谱等因素的 制约。 全光连接是由起始终止光信号作用的网络接入站n a s 建立起来的，通过把 n a s 中的收发器的工作波长调谐到给定波长上所分配的信道上从而建立起这种 全光连接。同样，在节点之间就产生了一个工作在这个波长上的全光通路。这样 一来，这些光连接或光通路就可以支持网络中可能具有的各种各样的连接关系。 当收发器可以准确调谐时，才能激发一个在光通路o p 上的连接关系。 把光层分为很多层的主要目的是为了研究多信道复用、( 在很多层上的) 多 址接入和多路交换技术，可以将分别有几个局产生的多个a 信道复用到一个目的 地的多个l c 来分别承载；而使用多信道技术，则通过使用( 或重用) 同一波长 上的不同兄信道，就能在网络中不同光纤上产生很多不同的光路径。 在光纤层，光通路( o p t i c a lp a t h ) 是由连接网络节点的一系列光纤链路( f i b e r l i n k s ) 来承载的。光纤层可以进一步细分为光纤段子层( f i b e rs e c t i o n s u b l a y e r ) 和光纤链路子层( i n e r n o d a lc o n n e c t i o n ) 就组成了一个光跳数 ( o p t i c a lh o p ) 。 2 2 网络接入站n a s 在我们所讨论的网络结构中，如图2 1 所示，所有在逻辑连接、传输信道和 波长信道层上的功能的执行都是在网络接入站n a s 上完成的。n a s 使用光通路层 的服务为连接到它外部端口的终端系统或电交换设备提供l c 服务。 因此，接入站主要执行两大功能：1 ) 它负责把外部l c 通过接口与光收发器 相连；2 ) 它( 在收发器上) 完成在电域和光域之间搬运信号的一些必要的功能。 这些功能执行起来非常复杂，尤其当执行的连接是多点连接时，就变得更加复杂。 这里我们主要关心的是n a s 如何支持点到点的l c 和光层信号的传输时它必须具 有的功能。 如图2 3 所示，在发射端包括一个发射处理器( t p ) ，该处理器具有一组l c 输入端口和传输信道输出端口。t p 的输出端口连接到光发射机( o t ) 上，每一个 发射机轮流与接入光纤相连接( 如果需要有几个发射机复用到同一根光纤上时， 就必须使用一个合波器或v 雕u x ) ，t p 的功能是把每一个逻辑信号转换成适合于在 4 的信号格式相匹配。所有的逻辑连接都占用物理层的资源。每一个l c 通过传输 信道( t r a n s m i s s i o nc h a n n e l ) 的媒介作用承载在一个光连接上。传输信道的职 责是完成从逻辑信号到传输信号( t r a n s m i s s i o ns i g n a l ) 的转换功能。这种转 换功能( 在多点连接中也就是某种复用功能) 是由传输处理器t p ( t r a n s m i s s i o n p r o c e s s o r ) 来执行的，同样在接收处理器r p ( r e c e p t i o np r o c e s s o r ) 中完成与 之相反的从传输信号到逻辑信号的转换操作。就像要求逻辑信号的格式与支撑起 进行通信的逻辑网络l n 的格式必须相符合一样，传输信号的格式也必须符合负 责承载它的光学设备的要求。例如，传输信号的带宽就受光发射机( 0 t ) 的带宽 特性、光接收机( o r ) 的带宽特性和承载光信号的光信道所占据的光谱等因素的 制约。 全光连接是由起始终止光信号作用的网络接入站n a s 建立起来的，通过把 n a s 中的收发器的工作波长调谐到给定波长上所分配的信道上从而建立起这种 全光连接。同样，在节点之间就产生了一个工作在这个波长上的全光通路。这样 一来，这些光连接或光通路就可以支持网络中可能具有的各种各样的连接关系。 当收发器可以准确调谐时，才能激发一个在光通路o p 上的连接关系。 把光层分为很多层的主要目的是为了研究多信道复用、( 在很多层上的) 多 址接入和多路交换技术，可以将分别有几个局产生的多个a 信道复用到一个目的 地的多个l c 来分别承载；而使用多信道技术，则通过使用( 或重用) 同一波长 上的不同兄信道，就能在网络中不同光纤上产生很多不同的光路径。 在光纤层，光通路( o p t i c a lp a t h ) 是由连接网络节点的一系列光纤链路( f i b e r l i n k s ) 来承载的。光纤层可以进一步细分为光纤段子层( f i b e rs e c t i o n s u b l a y e r ) 和光纤链路子层( i n e r n o d a lc o n n e c t i o n ) 就组成了一个光跳数 ( o p t i c a lh o p ) 。 2 2 网络接入站n a s 在我们所讨论的网络结构中，如图2 1 所示，所有在逻辑连接、传输信道和 波长信道层上的功能的执行都是在网络接入站n a s 上完成的。n a s 使用光通路层 的服务为连接到它外部端口的终端系统或电交换设备提供l c 服务。 因此，接入站主要执行两大功能：1 ) 它负责把外部l c 通过接口与光收发器 相连；2 ) 它( 在收发器上) 完成在电域和光域之间搬运信号的一些必要的功能。 这些功能执行起来非常复杂，尤其当执行的连接是多点连接时，就变得更加复杂。 这里我们主要关心的是n a s 如何支持点到点的l c 和光层信号的传输时它必须具 有的功能。 如图2 3 所示，在发射端包括一个发射处理器( t p ) ，该处理器具有一组l c 输入端口和传输信道输出端口。t p 的输出端口连接到光发射机( o t ) 上，每一个 发射机轮流与接入光纤相连接( 如果需要有几个发射机复用到同一根光纤上时， 就必须使用一个合波器或v 雕u x ) ，t p 的功能是把每一个逻辑信号转换成适合于在 4 o t 中调制激光器的一种传输信号的形式。在点a 处出现传输信号，光信号在点b 产生，而复用后的信号则出现在点c 。如果从几个l c 来的数据流要被综合到一 个普通的波长信道上，并通过一个光多播连接将信号分配到几个目的端，这时 t p 可能就要具有复用功能了。j j 图2 - 3 网络接入站n a s 的典型示意图 f i g 2 - 3c l a s s i c a ln e t w o r k a c c e s ss t a t i o n 假设o t 是可调谐的，每一个o t 发射一个光信号，这些光信号承载在网络管 理系统所指定的波长上。可以通过把几个固定调谐的激光器组成阵列结构与接入 的光纤复用到一起，以集成阵列的形式来构造可调谐的o t 。这时如果在一段时 间内阵列中只有一个激光器处于激活状态，那么这种组合激光器阵列实际上扮演 的角色仍旧是一个单一波长的固定调谐发射杌。因此这时所说得o t 具有可调谐 性，其实是通过阵列激光器所产生的不同波长来实现调谐作用的。相应的，如果 所有的波长都互不相同，则系统可以实现在几个固定的波长上的同步传输，而每 一个波长都承载属于自己的一个逻辑连接l c 。 在接收侧，到达节点内部接入光纤入口端的光信号被分波或进行波长解复 用，出来的信号被传送到光接收器( 0 r ) ，由光接收机把光功率转换为电信号形 式的传输信号，这个信号相对于发射机的原始信号来存在一定的信号损失。在接 收处理器( r p ) 中，需要进行额外的电处理把破环的有损伤的传输信号转换成逻 辑信号。例如将数字信号进行再生处理，从而产生一个干净的逻辑信号( 可能会 有一些误码) ，同样，可以对模拟信号进行滤波处理，从而去除噪声、失真以及 传输过程中的干扰累积。此外，当几个输入信号是同一个接入光纤上的复用信号 时，在r p 和o r 上将可能执行接收端的一些多址接入协议。 n a s ：a 电层 光层 图2 - 4 在两个n a s 之间建立一个逻辑连接的过程 f i g 2 4 t h e p r o c e s so f l o g i c a lc o n n e c t i n g b e t w e e nt w on a s n a s ：b 如图2 4 所示说明了在对n a s 站点a 、b 之间如何产生一个点到点l c 逻辑 连接的整个操作过程和各个相关设备所提供的功目酥由图中 a ，b 所表示的一个 逻辑连接l c 起源于站点a 的一个外部业务输入端口上，之后它在t p 上与从其它 输入端口进来的其它逻辑连接l c 首先是执行逻辑连接的复用操作，然后将这个 l c 承载到一个传输信道上( 图中以点a 来表示) 并对o t 中的激光器进行调制， 就产生了承载与波长为九的波长信道上的光信号，在图中该光信号出现在b 点。 6 所以可以说o t 是一个光连接的起始点，图中将这个光连接用l 丑，髟，a 来表示， 它负责把逻辑连接l c a ，b 传送到b 站点。如果这时在站点a 中还有其它的o t 存在，那么在这里还要将所有这些光连接的信号复用到一起，复用后的信号就出 现在站点a 的输出光纤上，图中用点c 来表示。这个c 点所表示的正是一个光通 路的起始点，在图中用 来表示一个光通路，所以整个连接的建立过程是： 先将多个逻辑连接l c 在t p 上进行复用，然后用复用的信号来调制光发射机0 t ， 从而产生一个光连接o c ，每一个光连接分别承载于一个波长信道上，最后再将 多个波长信道复用到一个光通路上。 在站点8 的入口，现将光连接【彳，b ) 尢从接入光纤上的所有复用在一起的 光连接中解复用出来，与该光连接复用在一起的这些光连接可能是从其它站点过 来的、目的站点都是b ，而且全部位于同一根接入光纤上。被解复用出来的信号 ( 图中以d 表示) 然后在o r 中被转换到传输信道上，最后在r p 中执行所有为了 保证信号质量所需要进行的额外的电处理( 例如信号再生、解复用等) 操作，最 后由站点a 发起的该逻辑连接在站点b 的一个输出端口上被终结了。 2 3 光谱分割 通过多层的复用技术，可以在网络链路上实现并发的大量连接。一个由光纤 光缆构成的典型的网络链路一般每根光缆包含很多根光纤，通常将这些光纤按两 两插入构成光纤对，每根光纤按一个方向传输信号从而构成了双向传输光纤对。 ( 在给定成本和给定铺设光缆所需的劳动力的情况下，如果只铺设包含一对光纤 对的光缆，则很不经济。) 在一根光缆中存在的许多束光纤就是一个在光纤层上 的空间分割( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 复用技术的典型例子。在一根光 纤上，可用的光谱范围是很宽广的，它们足以通过几个附加层的多路复用技术来 承载大量的高速光连接。在我们的讨论中，波长分割技术是一种最基本的复用技 术，在光纤上承载的每一个连接都是具有不同波长的a 信道。光纤的光谱首先可 以粗略的分为很多波带( w a v e b a n d s ) ，之后每个波带又进一步可细分为很多的a 信道。这些在给定的波长上的a 信道在空间上必须进行充分的间隔，以避免相邻 信道光谱的重叠。( 相邻信道光谱的重叠可以引起信道之间的串扰( c r o s s t a l k ) ， 换句话说，在接收器内接收的信号之间会相互干扰。) “o 2 4 耦合器 先研究最基本的耦合器一2 2 方向耦合器。一个2 2 的方向耦合器是一共 有4 个输入和输出端口的光器件，可以用如图2 5 所示的结构来表示。其中，端 口l 和端口2 时输入端口，端口1 和端口2 是输出端口。光功率通过与输入端口 相连接的光纤进入耦合器中，在耦合器中进行线性的分波和合波处理，然后通过 所以可以说o t 是一个光连接的起始点，图中将这个光连接用l 丑，髟，a 来表示， 它负责把逻辑连接l c a ，b 传送到b 站点。如果这时在站点a 中还有其它的o t 存在，那么在这里还要将所有这些光连接的信号复用到一起，复用后的信号就出 现在站点a 的输出光纤上，图中用点c 来表示。这个c 点所表示的正是一个光通 路的起始点，在图中用 来表示一个光通路，所以整个连接的建立过程是： 先将多个逻辑连接l c 在t p 上进行复用，然后用复用的信号来调制光发射机0 t ， 从而产生一个光连接o c ，每一个光连接分别承载于一个波长信道上，最后再将 多个波长信道复用到一个光通路上。 在站点8 的入口，现将光连接【彳，b ) 尢从接入光纤上的所有复用在一起的 光连接中解复用出来，与该光连接复用在一起的这些光连接可能是从其它站点过 来的、目的站点都是b ，而且全部位于同一根接入光纤上。被解复用出来的信号 ( 图中以d 表示) 然后在o r 中被转换到传输信道上，最后在r p 中执行所有为了 保证信号质量所需要进行的额外的电处理( 例如信号再生、解复用等) 操作，最 后由站点a 发起的该逻辑连接在站点b 的一个输出端口上被终结了。 2 3 光谱分割 通过多层的复用技术，可以在网络链路上实现并发的大量连接。一个由光纤 光缆构成的典型的网络链路一般每根光缆包含很多根光纤，通常将这些光纤按两 两插入构成光纤对，每根光纤按一个方向传输信号从而构成了双向传输光纤对。 ( 在给定成本和给定铺设光缆所需的劳动力的情况下，如果只铺设包含一对光纤 对的光缆，则很不经济。) 在一根光缆中存在的许多束光纤就是一个在光纤层上 的空间分割( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 复用技术的典型例子。在一根光 纤上，可用的光谱范围是很宽广的，它们足以通过几个附加层的多路复用技术来 承载大量的高速光连接。在我们的讨论中，波长分割技术是一种最基本的复用技 术，在光纤上承载的每一个连接都是具有不同波长的a 信道。光纤的光谱首先可 以粗略的分为很多波带( w a v e b a n d s ) ，之后每个波带又进一步可细分为很多的a 信道。这些在给定的波长上的a 信道在空间上必须进行充分的间隔，以避免相邻 信道光谱的重叠。( 相邻信道光谱的重叠可以引起信道之间的串扰( c r o s s t a l k ) ， 换句话说，在接收器内接收的信号之间会相互干扰。) “o 2 4 耦合器 先研究最基本的耦合器一2 2 方向耦合器。一个2 2 的方向耦合器是一共 有4 个输入和输出端口的光器件，可以用如图2 5 所示的结构来表示。其中，端 口l 和端口2 时输入端口，端口1 和端口2 是输出端口。光功率通过与输入端口 相连接的光纤进入耦合器中，在耦合器中进行线性的分波和合波处理，然后通过 所以可以说o t 是一个光连接的起始点，图中将这个光连接用l 丑，髟，a 来表示， 它负责把逻辑连接l c a ，b 传送到b 站点。如果这时在站点a 中还有其它的o t 存在，那么在这里还要将所有这些光连接的信号复用到一起，复用后的信号就出 现在站点a 的输出光纤上，图中用点c 来表示。这个c 点所表示的正是一个光通 路的起始点，在图中用 来表示一个光通路，所以整个连接的建立过程是： 先将多个逻辑连接l c 在t p 上进行复用，然后用复用的信号来调制光发射机0 t ， 从而产生一个光连接o c ，每一个光连接分别承载于一个波长信道上，最后再将 多个波长信道复用到一个光通路上。 在站点8 的入口，现将光连接【彳，b ) 尢从接入光纤上的所有复用在一起的 光连接中解复用出来，与该光连接复用在一起的这些光连接可能是从其它站点过 来的、目的站点都是b ，而且全部位于同一根接入光纤上。被解复用出来的信号 ( 图中以d 表示) 然后在o r 中被转换到传输信道上，最后在r p 中执行所有为了 保证信号质量所需要进行的额外的电处理( 例如信号再生、解复用等) 操作，最 后由站点a 发起的该逻辑连接在站点b 的一个输出端口上被终结了。 2 3 光谱分割 通过多层的复用技术，可以在网络链路上实现并发的大量连接。一个由光纤 光缆构成的典型的网络链路一般每根光缆包含很多根光纤，通常将这些光纤按两 两插入构成光纤对，每根光纤按一个方向传输信号从而构成了双向传输光纤对。 ( 在给定成本和给定铺设光缆所需的劳动力的情况下，如果只铺设包含一对光纤 对的光缆，则很不经济。) 在一根光缆中存在的许多束光纤就是一个在光纤层上 的空间分割( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 复用技术的典型例子。在一根光 纤上，可用的光谱范围是很宽广的，它们足以通过几个附加层的多路复用技术来 承载大量的高速光连接。在我们的讨论中，波长分割技术是一种最基本的复用技 术，在光纤上承载的每一个连接都是具有不同波长的a 信道。光纤的光谱首先可 以粗略的分为很多波带( w a v e b a n d s ) ，之后每个波带又进一步可细分为很多的a 信道。这些在给定的波长上的a 信道在空间上必须进行充分的间隔，以避免相邻 信道光谱的重叠。( 相邻信道光谱的重叠可以引起信道之间的串扰( c r o s s t a l k ) ， 换句话说，在接收器内接收的信号之间会相互干扰。) “o 2 4 耦合器 先研究最基本的耦合器一2 2 方向耦合器。一个2 2 的方向耦合器是一共 有4 个输入和输出端口的光器件，可以用如图2 5 所示的结构来表示。其中，端 口l 和端口2 时输入端口，端口1 和端口2 是输出端口。光功率通过与输入端口 相连接的光纤进入耦合器中，在耦合器中进行线性的分波和合波处理，然后通过 与两个端口相连的光纤传送出去。假设进入输入端口的信号是由相互独立的不同 的光源产生的，则耦合器的作用可以通过输入信号功率只和b 与输出信号功率 c 和爿之间的不同分配关系来表达。输入、输出的功率关系为 卜 卜 to as ， 图2 - 5 方向耦合器原理图 f i g 2 5t h ep r i n c i p l eo f a d i r e c t e dc o u p l e r 对于理想的对称的耦合器，功率传输矩阵a = a 。 为 a = i i ：a 。二a 弦z ， 其中参数a 可以取0 到1 之间的任意值。这是一个无源的而且是无损的光学 器件，它表明信号功率在通过它时是完全保留和直通的。如果分光比参数a 固定， 我们称之为静态器件。如果a 在外部的一些控制下，可以发生变化( 例如电或机 械的调节) 则该器件就是动态的或可控的。现在假设，例如a = 1 2 ( 固定) ，如 果在两个输入端都有信号，这时它就成为2 2 的星型耦合器。 如果我们假定只= 0 ，则该2 2 方向耦合器就变成为一个功率分配器。同样 如果我们只使用输出端口l ，而用一个虚拟的( 吸收的) 负载来终止端口2 ，这 时2 2 方向耦合器就变成为一个合波器。 在实际情况中，所有的物理装置都是有损耗的。例如在一个有损耗的2 2 方 向耦合器中，q ，+ a ， l ，而且口1 ：+ a 2 2 l ，该式中所表明的额外损耗是由于装 置的不完善性所造成的。 其它的任何结构更为复杂的静态节点都可以通过2 2 方向耦合器的相互连 接而构建起来。如图2 - 6 所示给出了一个1 6 1 6 的星型耦合器，它是用3 2 个2 2 方向耦合器阵列按照b y n y a n 结构构建起来的，其中将每一个耦合器都设定在 a = l 2 ( 固定) 。 撮旋 吼口 卜 + 月一吒 | | i l 吖巧 甥 入口出 图2 - 6 一种1 6 1 6 的星型耦合器的组成结构 f i g 2 - 6 t h ea r c h i t e c t u r e o f a1 6 1 6c o u p l e r 在动态情形中，一个理想的方向耦合器应该能够在a = o ( 平行状态) 和a = l ( 交叉状态) 两种状态之间实现完全的功率可控制调节。因为光开关通常只使用 平行和交叉两种开关状态，因此一个充当二次交换的可控制的方向耦合器通常可 以作为构建光开关的最基本组成单元。如果同时使用2 2 方向耦合器的输入和 输出端口，则它将实现从输入端口进来的光信号在输出端口上调换顺序的功能。 当然方向耦合器还可以用作构建更加复杂的网络节点，这时a 就成为个连续可 调的变量。例如，如果只使用端口1 和端口1 ，那么它就可以成为一个可变衰减 器。 2 5 网络连接 假设有6 个终端系统通过一个传输网互连起来，我们可以提供全方位连接性 的专有连接( 图中用虚线来表示) 。这相当于一个l a n 相互连接的应用例子，在 这里的每一个终端系统都是可以在6 个l a n 之间提供网间互联的一个网关。 图2 7 中给出了一种可能的传输网络结构，它的物理拓扑如图2 - 8 所示，是 一个星型结构，其中中央节点采用的是星型耦合器。每一个终端系统通过它们自 己的网络接入站n a s 连接到星型耦合器结构上去。这时如果要实现整个网络的全 连接则需要3 0 个单向的逻辑连接。图2 9 中给出了网络的逻辑拓扑，该图给出了 逻辑拓扑图l c g 的双向逻辑连接表示图，这种双向逻辑连接表示图将发射站和接 9 旧 。2 3 4 5 6 7 8 9 加 儿他 埒m 坫 2 3 4 5 6 7 8 9 加 n 屹 蝎h 坫m 入口出 图2 - 6 一种1 6 1 6 的星型耦合器的组成结构 f i g 2 - 6 t h ea r c h i t e c t u r e o f a1 6 1 6c o u p l e r 在动态情形中，一个理想的方向耦合器应该能够在a = o ( 平行状态) 和a = l ( 交叉状态) 两种状态之间实现完全的功率可控制调节。因为光开关通常只使用 平行和交叉两种开关状态，因此一个充当二次交换的可控制的方向耦合器通常可 以作为构建光开关的最基本组成单元。如果同时使用2 2 方向耦合器的输入和 输出端口，则它将实现从输入端口进来的光信号在输出端口上调换顺序的功能。 当然方向耦合器还可以用作构建更加复杂的网络节点，这时a 就成为个连续可 调的变量。例如，如果只使用端口1 和端口1 ，那么它就可以成为一个可变衰减 器。 2 5 网络连接 假设有6 个终端系统通过一个传输网互连起来，我们可以提供全方位连接性 的专有连接( 图中用虚线来表示) 。这相当于一个l a n 相互连接的应用例子，在 这里的每一个终端系统都是可以在6 个l a n 之间提供网间互联的一个网关。 图2 7 中给出了一种可能的传输网络结构，它的物理拓扑如图2 - 8 所示，是 一个星型结构，其中中央节点采用的是星型耦合器。每一个终端系统通过它们自 己的网络接入站n a s 连接到星型耦合器结构上去。这时如果要实现整个网络的全 连接则需要3 0 个单向的逻辑连接。图2 9 中给出了网络的逻辑拓扑，该图给出了 逻辑拓扑图l c g 的双向逻辑连接表示图，这种双向逻辑连接表示图将发射站和接 9 旧 。2 3 4 5 6 7 8 9 加 儿他 埒m 坫 2 3 4 5 6 7 8 9 加 n 屹 蝎h 坫m 收站分离开来表示，因此，从节点i 到节点j 的一个弧线就代表起始于站点i 而终止于站点j 的一个逻辑连接。 图2 - 9 有向星型逻辑拓扑图2 8 星型物理拓扑结构 f i g 2 9 d i r e c t e ds t a r1 0 9 i c a lt o p o l o g y f i g 2 8 s t a rp h y s i c a lt o p o l o g y 每一个网络接入站n a s 通过接口把4 对逻辑连接连到与之相连的终端上，从 而产生了如图所示的具有全连接性的逻辑拓扑。使用逻辑拓扑使得在传输网络中 可以实现的连接能力同样也能由终端系统感知，但它却隐藏了物理层下面的详细 信息。当在一个给定的透明的光的基础构架上完成了一套逻辑连接之后，我们就 认为逻辑拓扑已经嵌入到了物理拓扑中。在这种情况下，逻辑拓扑是一套直接连 接所有终端系统的链路对。支持全连接性的逻辑连接所带来的负担将全由光网络 来承受，这个光网络将在每根光纤上复用许多光连接，同时，为了支持多个连接， 在n a s 中也必须有多个相应的光和或电的设备。如果在星型拓扑上使用w d m 技 术，那么，每一个逻辑拓扑都需要一个不同的波长和它自己的发射机和接收机对。 因此，一个全连接的逻辑拓扑在每一个站都需要4 个光收发机，并且每一个发射 机工作在不同的波长，而且总共需要3 0 个波长。 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 图2 一t o 中给出了另一种物理拓扑的构造方法，它采用了包含波长选路光网 络节点的一种透明的光纤双向