（电磁场与微波技术专业论文）城域网低成本波分复用解复用器研究.pdf

北京邮电大学硕士毕业论文 摘要 信息技术是当代工业的先导，互联网是当代信息技术的核心。为 解决目前互联网的“交通堵塞”问题，必须发展以w d m 波分复用光 纤通信技术为基础的“信息高速公路”。从目前情况来看，长途骨干网 的建设改造已经完成，长途骨干网的容量问题已经基本解决，限制网络 瓶颈的关键问题己从长途骨干网上转移到城域网( m e t r o n e t w o r k m a n ) 与接入网( a c c e s s n e t w o r ka n ) ，网络设备供应商及网络运行商们一致认 为，未来几年内网络建设的重点将转移到城域网与接入网的改造中。 在将d w d m 技术应用到城域与接入网中时，网络设备供应商及 网络运行商遇到了一个难题：成本。在城域网及接入网的应用上，由 于终端客户相较长途骨干网的客户群要少得多，也就是说平均分摊成 本的人要少得多，从而限制了d w d m 在城域网及接入网上的应用。 因此降低设备成本是建设城域网及接入网的必然要求。 为此，出现了多种解决方案，其中c w d m 系统正是在这种 环境下才得到重视，c w d m 由于在价格、性能及维护性等诸 多方面相较d w d m 系统具有更大的优势，为城域网改造提供 了最佳解决方案。 而波分复用器作为c w d m 城域网和接入网中的关键器件，其成 本的下降对于整个c w d m 系统成本的下降有极其重要的意义，本论 文主要围绕如何降低c w c m 波分复用器的成本以及薄膜干涉滤波器 的设计而展开的。希望能够为城域网接入网提供一种透过率高，温度 系数小，性能稳定低成本的波分复用解复用器件。该低成本波分复 用器的具体实现方式为：滤波片采用透过率高，温度系数小，性能稳 定的多腔介质膜滤光片，再通过封装做成波分复用解复用器件。其 中多腔介质膜滤光片采用低成本方案，对多腔介质膜滤光片的设计要 求是满足下面条件的最低成本设计方案：能把c w d m 系统采用的波长 中没有滤除的波长中的一个波长滤出( 即对这个波长反射对剩余的波 长透射，或对这个波长透射对剩余的波长反射) ，同时避免对其它没 有滤除的任一波长部分透射部分反射。其中滤波片的反射率和透射率 要满足通信系统要求。 关键字：w d m ，城域网，c w d m ，波分复用器，薄膜滤波器，多腔 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi st h ef o r e r u n n e ro ft h ei n d u s t r ya tt h e p r e s e n ta g e i n t e m e ti st h ek e r n e lo fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya t m o d e m t i m e s t os o l v et h ep r o b l e mn a m e d “t r a f f i cj 舡n ”o fi u t e r n e t ，w e m u s t b u i l d i n f o r m a t i o nf r e e w a y ”b a s e do no p t i cf i b e rc o m m u n i c a t i o n w i t h t h ew i d eu s eo fd w d mt e c h n o l o g yi nl o n gh a u lb a c k b o n en e t w o r k s ， t h e m a i np r o b l e mo fn e t w o r kh a st r a n s f e r r e d t o m e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ( m a n ) a n d a c c e s sn e t w o r k ( a n ) m u x d e m u xi sak e ym o d u l ei nc w d ms y s t e m ，w h o s ec o s tf e l l i so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rc u t t i n gd o w nt h ec o s to fc w d m s y s t e m i nt h i s p a p e r , t h em a i nr e s e a r c hi sh o wt or e d u c et h ec o s to fm u x d e m u x w eh o p et op r o v i d eam u x d e m u xw i t hl o wc o s t ，l i t t l ep a s s b a n dr i p p l e ， l o wi n s e r tl o s sa n dh i 曲p e r f o r m a n c eo ft h e r m a lw a v e l e n g t hd r i f t i n g t h e f o r mo fr e a l i z a t i o ni su t i l i z i n gt h et f f ( t h i nf i l mf i l t e r ) t oe n c a p s u l a t e m 1 d e 町x i te s t a b l i s h e dag e n e r a lm o d e la n dc a l c u l a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c m a t r i xf i m c t i o na n dt h et r a n s m i t t a n c ee x p r e s s i o n so ft h et h i nf i l mf i l t e r i t g a v et h et r a n s m i t t a n c ep e r f o r m a n c eo ft h i nf i l mf i l t e rb ym a t l a bt o o la n d s u g g e s t e dt h ea p p r o a c h e so fm a n u f a c t u r i n g at h i nf i l mf i l t e r t h e c o n f i g u r a t i o no ft h i nf i l mf i l t e rw a si n v e s t i g a t e d t ov e r i f yt h ef u r t h e r a p p l i c a t i o n ，w ec o m b i n e dt h e s ef i l t e r si n t oam u x d e m u x k e yw o r d s ：c w d m ，m u x d e m u x ，t h i nf i l mf i l t e r ( t f f ) ，b a n d - p a s sf i l t e r ( b p f ) ，m u l t i c a v i t y 独创性( 或创新性) 声观 本人声明所里交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 警妊：“餐芎警专譬蔼 。关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名：知弘牟 适用本授权书a 日期：竺! ；! 之) 日期：蛰堑= 2 二塑 北京邮电大学硕士毕业论文 1 1 引言 第一章绪论 1 9 6 6 年，被称为“光通信之父“的美籍华人高锟( k a oc k ) 博士发 表一篇名为光频率的介质纤维表面波导的论文后，使得长距离、 大容量光通信得以实现。由光通信的传输损耗低、带宽极大、抗电磁 干扰、传输质量好、保密性好等特点而广受人们青睐。计算机和多媒 体通信的要求，无形中也促进了光通信技术的发展。目前，光通信已 是通信网的主要传输方式，不同层次的光通信网几乎遍布全球。 当前的光通信技术正以超乎人们想象的速度发展，在过去的1 0 年里，光通信的传输容量提高了近1 0 0 倍。近几年随着i p 业务爆炸 式的发展，光通信又一次呈现了蓬勃发展的新局面。光通信本身也处 于深刻的变革之中，特别的“全光通信网”的兴起与发展，在光域上直 接进行复用与解复用，选路和交换，可以充分利用光纤的巨大带宽资 源，增加网络容量，实现各种业务的透明传输。 从目前全球网络建设情况来看，大多数国家己基本完成了长途骨 干网的光纤化、长途交换及市内交换的数字化。在长途骨干网中，基 本都采用了密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g d w d m ) 技术，d w d m 技术通过将多个波长结合到一根光纤中传输来 实现传输容量的增加。从目前情况柬看，长途骨干网的建设改造已经 完成，长途骨干网的容量问题已经基本解决，限制网络瓶颈的关键问题 已从长途骨干网上转移到城域网( m e t r o n e t v c o r k m a n ) 与接入网 f a c c e s s n e t w o r ka n ) ，网络设备供应商及网络运行商们一致认为，未来 几年内网络建设的重点将转移到城域网与接入网的改造中。在将 d w d m 技术应用到城域与接入网中时，网络设备供应商及网络运行商 遇到了一个难题：成本。d w d m 系统是一种昂贵的系统。在长途骨 干网中，由于大容量，高速率等一系列严格的品质要求，必须选择采用 d w d m 系统，这导致系统成本很高，但是由于长途骨干网使用客户群 极其庞大，所以成本分摊下来还是可以接受的。而在城域网及接入网 的应用上，由于终端客户相较长途骨干网的客户群要少得多，也就是说 平均分摊成本的人要少得多，从而限制了d w d m 在城域网及接入网 上的应用。因此降低设各成本是建设城域网及接入网的必然要求。 为此，出现了多种解决方案，其中c w d m 系统正是在这种环境下 第1 页 北京邮电大学硕士毕业论文 才得到重视，c w d m 由于在价格、性能及维护性等诸多方面相较 d w d m 系统具有更大的优势，为城域网与接入网的改造提供了最佳解 决方案。事实上，c w d m 概念并不是近几年才提出的，旱在2 0 年 前，c w d m 技术就被用来在多模光纤中传输数字视频信号，q u a n t e 公 司推出了一个工作在8 0 0 n m 窗口、每信道的速率为1 4 0 m b s 的四波 系统，这种系统首先应用在有线电视的广播链路，后来，这种技术并没 有得到广泛应用。然而，近几年随着长波长器件技术的成熟及成本的 降低，以及目前城域网与接入网市场的迫切需求，c w d m 才重新引起 大家的兴趣。1 9 9 8 年5 月，美国加州的m r v c o m m u n i c a t i o n s 公司利用 无致冷激光器及相应无源器件组装成了第一套真正意义上四波段 c w d m 模块，一年后又推出了第一台结合c w d m 与g i g a t b i t 超高速以 太网的开关路由器，并在韩国城域网中首次应用，第一次实现了商用 化。 c w d m 如何应对城域网、接入网的市场需求主要可集中在几个 方面：( 1 ) 极大地降低成本；( 2 ) 具有良好的兼容性；( 3 ) 技术上日渐成熟。 总的来说，远程传输由于必须使用光纤放大器而采用了d w d m 技术， 而城域网及接入网由于必须要降低成本而使用了c w d m 技术。初期 的c w d m 由于其特有的技术特点，使得其在日后网络的扩容上存在一 定的难度，如何解决这一难题是今后研究的重点之一。 1 2 光纤通信发展方向 1 2 14 0 g b i t s 系统的发展、挑战和应用 目前1 0 g b i t s 系统已大批量装备网络，不少电信公司实验室已开 发出4 0 g b i t s 的系统。从网络应用看，带1 0 0 b i t s 接口的路由器已经 开始应用，而且路由器间的突发性i p 业务量还在迅速增长，为了提 高核心网的效率和功能，希望单波长内能处理多个数字连接，因此核 心网的单波长速率向4 0 g b i t s 乃至更高速率的方向演进是合乎逻辑 的。 然而，单路波长的传输速率会受限于集成电路材料的电子和空穴 的迁移率。其次还受限于传输媒质的色散和极化模色散。最后还受限 于所丌发系统的性能价格比是否合算。目前看来，材料问题已不是主 要限制，但后两项限制成为这一速率的实用化瓶颈。 从实际应用看，对于4 0 g b i t s 传输系统，必须用外调制器；能 第2 贝 北京邮电大学硕士毕业论文 具备足够输出电压驱动外调制器的驱动集成电路也不成熟；沿用多年 的n r z 调制方式能否有效可靠地工作于4 0 0 b i t s 还没有定论，是否 应转向普通r z 调制方式，载频抑制的r z 调制方式( c s r z ) ，差 分相移键控r z 码( r z = 一d p s k ) 调制方式，光孤子( s o l i t o n ) 调制方 式，伪线性r z 调制方式，啁啾的r z ( c r z ) ，全谱r z ( f s r z ) ， 双 二进制，还是其他调制方式都还在探索过程之中。 最后，除了技术因素外，、经济上是否可行也是必须考虑的因素， 从历史经验看，只有成本降到2 5 倍以内才有可能获得规模应用。理 论上，4 0 g b i t s 系统应用的理想场合仍然是长途网，因为长途网需要 最大的容量l 和最低的比特传送成本。然而，由于前几年的过度建设， 网络的这一部分目前并不需要大规模扩容，即便需要扩容，靠增加 1 0 0 b i t s 波长既方便又经济。因而，4 0 0 b i t s 系统的应用可能还会继 续推迟，首先可能由短距离互连应用开始，包括端局内路由器、交换 机和传输设备间的互连。在这样的距离内，无须色散补偿，光放大器 和外调制器，4 0 g b i t s 系统具有最低的单位比特成本。下一步的应用 有可能是城域网领域或长途网领域。 1 2 2 向超大容量超长距离波分复用系统的发展 由于技术上的重大突破和市场的驱动，这几年波分复用系统发展 十分迅猛。目前1 6 t b i t s sw d m 系统已经大量商用。日本n e c 和 法国阿尔卡特公司分别在1 0 0 k m 距离上实现了总容量为 1 0 9 t b i t s s ( 2 7 3x 4 0 g b i t s ) 和总容量为l o 2 t b i t s s ( 2 5 6 x 4 0 0 b i t s ) 的传 输容量最新世界记录，其中前者实现了2 7 3 个通路，每通路4 0 g b i t s 速率，间隔5 0 g h z ，覆盖s 、c 和l 波段。而后者实现了2 5 6 个通 路，利用锗硅技术实现每通路速率4 2 7 g b i t s ，其中f e c 开销7 ， 结合采用了交替间插的7 5 g h z 和5 0 g h z 通路间隔，残留边带过滤 和极化复用技术，有效减少了路际干扰，频谱效率高达 1 2 8 b i t s h z ，系统工作范围覆盖c 和l 波段。 w d m 系统除了波长数和传输总容量不断突破以外，为了尽量减 少电再生点的数量，降低初始成本和运营成本。改进可靠性以及应付 i p 业务越来越长的落地距离，全光传输距离也在大幅度扩展，从目前 的6 0 0 k m 左右扩展到2 0 0 0 k m 以上，主要的使能技术有分布式喇曼 放大器，超强前向纠错技术( f e c ) ，色散管理技术，严格的光均衡技 术以及高效的调制格式等。从技术上看，在5 年左右的时间，实用化 第3 页 北京邮电大学硕士毕业论文 的最大传输链路容量有可能达到5 1 0 t b i t s s ，甚至有研究结果报导 单波长容量达到1 0 0 t b i t s s 是可能的。简言之，网络容量将不会受限 于传输链路，焦点将集中在网络节点上。近年来超大容量密集波分复 用系统的发展不仅彻底发掘了无穷无尽的光传输链路的容量，而且也 成为i p 业务快速发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。 1 2 3 城域c w d m 技术的发展 随着技术的进展和业务的发展，w d m 技术正从长途传输领域向 城域网领域扩展，适用于城域网领域的w d m 系统称为城域w d m 系 统。低成本是城域w d m 系统最重要的特点。由于城域网范围传输 距离通常不超过1 0 0 k m ，因而长途网必须用的外调制器和光放大器 可以不一定使用。由于可能省掉光放大器，波长数的增加和扩展不再 受光放大器频带的限制，可以容许使用波长间隔较宽波长精度和稳定 度要求较低的光源，合波器，分波器和其他元件，使元器件特别是无 源器件的成本大幅度下降，降低了整个系统的成本。 尽管城域w d m 系统的成本已明显低于长途网w d m 系统，但 目前绝对成本仍然较高，特别是传输距离较长时光纤放大器有时不能 省掉，因此需要开发低成本光纤放大器。其次，当前在网络边缘需要 整个波长带宽的用户和应用毕竟很少，w d m 多业务平台主要适用于 核心层，特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。 为了进一步降低城域w d m 多业务平台成本，出现了粗波分复 用( c w d m ) 的概念。这种系统的典型波长组合有三种，即4 、8 和1 6 个，波长通路间隔达2 0 n m 之宽，允许波长漂移士6 5 n m ，大大降低了 对激光器的要求，其成本可以大大降低。此外，由于c w d m 系统对 激光器的波长精度要求很低，无须致冷器和波长锁定器，不仅功耗低， 尺寸小，而且其封装可以用简单的同轴结构，比传统碟型封装成本低， 激光器模块的总成本可以减少三分之二。从滤波器角度看，以典型的 1 0 0 g h z 间隔的介质薄膜滤波器为例，需要15 0 层镀膜，而2 0 n m 间 隔的c w d m 滤波器只需要5 0 层镀膜即可，其成品率和成本都可以 获得有效改进，预计成本可以至少降低一半。 简言之，c w d m 系统无论是激光器输出功率要求，还是对温度 的敏感度要求以及对色散容忍度的要求，乃至对封装的要求都远低于 d w d m 激光器，再加上滤波器要求的降低，使系统成本有望大幅度 下降。特别出于8 波长c w d m 系统的光谱安排避开了13 8 5 n m 附近 第4 弧 北京邮电大学硕士毕业论文 的o h 吸收峰，可以适用于任意一类光纤，将会首先获得应用。 从业务应用上看，c w d m 收发器已经应用于g b i t s 接口转换器 ( g b i c ) 和小型可插拔器件( s f e ) ，可以童接插入到g b i t s 以太网交换 机和光纤通路交换机中，其体积、功耗和成本均远小于对应的d w d m 器件。 1 2 4 从点到点w d m 走向光联网 普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量，但只提 供了原始的传输带宽，需要有灵活的节点才能实现高效的灵活组网能 力。然而现有的电d x c 系统十分复杂，其节点容量大约为每2 3 年翻番，显然无法跟上网络传输链路容量的增长速度。进一步扩容的 希望转向光节点，即光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接器( o x c ) 。 从实现技术上看，o x c 可以划分为两大类，即采用电交叉矩阵的 o x c ( 有时简称o e o 方式或电o x c ) 和采用纯光交叉矩阵的 o x c ( 有时简称o o o 方式或光o x c ) 。前者可以比较容易地实现信号 质量监控和消除传输损伤，网管比较成熟，容量不很大时成本较低， 与现有线路技术兼容，更重要的是可以对小于整个波长的带宽进行处 理和调配，符合近期市场的容量需要。然而其扩容主要是通过持续的 半导体芯片密度和性能的改进来实现的，改进的速度无法跟上网络传 输链路容量的增长速度。 另方面，采用光交叉矩阵的o x c 省去了光电转换环节，不仅 节约了大量光电转换接口，而且由于消除了带宽瓶颈，容量可望大幅 度扩展，随之带来的透明性还可以使其支持各种客户层信号，功耗较 小，具有更长远的技术寿命。但是，这类设备可以交换的带宽粒度至 少是整个波长，不经济。其次，为了引入全光交换机，可能必须更新 改造已有线路系统。第三，在光域实现性能监视很困难。第四，与全 光交换机相连的线路是由一系列均衡过的光放大器构成的，试图在均 衡好的网状网中快速动态地实施波长选路很困难，但在电层上实现就 很容易。最后，由于色散非线性损伤问题，使全光网的覆盖范围受限。 o x c 的研究工作已进行了很多年，但目前仍处于现场试验和小 规模商用阶段。主要问题之一是尚未有性能价格比好、容量可扩展、 稳定可靠的光交换开关矩阵。目前业界普遍看好微电子机械开关 ( m e m s ) ，这种机电一体化的开关器件结合了机械光开关和固体波导 丌关的特点，结构紧凑、集成度高、性能优良、矩阵规模大、便于批 第5 页 北京邮电大学硕士毕业论文 量生产，正成为实用化大型o x c 的主选开关技术之一。 光传送联网的一个最新发展趋势是引入自动波长配置功能，即所 谓自动交换光网络( a s o n ) ，使光联网从静态光联网走向自动交换光 网络，所带来的主要好处有：允许将网络资源动态地分配给路由，缩 短了业务层升级扩容时间，明显增加业务层节点的业务量负荷；具有 可扩展的信令能力集；快速的业务提供和拓展；降低维护管理运营费 用；光层的快速业务恢复能力；减少了用于新技术配置管理的运行支 持系统软件的需要，只需维护一个动态数据库，也减少了人工出错机 会；还可以引入新的业务类型，诸如按需带宽业务、波。长批发、波长 出租、分级的带宽业务、动态波长分配租用业务、动态路由分配、光 层虚拟专用网( v p n ) 等，使传统的传送网向业务网方向演进。按照 f r o s ts u l l i y a n 公司最近的预测，尽管全球电信设备市场总 体呈低迷状态，但全球o x c 的市场将仍然从2 0 0 1 年的3 3 6 亿美圆 增加到2 0 0 6 年的6 0 亿美元，智能光网络将成为未来几年光通信发展 的重要方向和市场机遇。 1 2 5 无源宽带光接入网技术的发展 无源宽带光接入网技术是光通信界在过去2 5 年间追求的理想目 标，在历史上曾经几起几落。近来，由于垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 的技术突破，使人们重新唤起了对f t t x ，特别是f t t h 的兴趣。然 而，实现无源宽带光接入网是一项涉及方方面面的工作，不是单项技 术的突破就够的。 首先是系统技术，无源宽带光网络一直是一种最有吸引力的纯介 质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部 设备的故障率，消除了带宽瓶颈，提高了系统可靠性，同时节省了维 护成本，是电信维护部门长期期待的技术。然而，其二层技术用什么? 并无明确结论。前些年采用a t m 的a p o n 曾经看好，终因成本太 高而没有发展起来，最近在北美再度受到几个地方贝尔公司的青睐。 近来，由于以太网作为一种二层技术有着一系列应用优势和很大的发 展潜力。一种试图将物理层的无源光网络与未来最有发展潜力的二层 以太网结合在一起的思路产生了一种新技术一一e p o n ( 以太网 p o n ，i t u 称为g p o n ) 。e p o n 的基本作法是在g 9 8 3 的基础上， 设法保留物理层p o n ，而以以太网代替a t m 作为二层协议，构成一 个可以提供更大带宽、更低成本更宽业务能力的新的结合体。无论是 第6 页 北京邮电丈学颂：士= 毕业论文 a p o n 还是e p o n 都是无源宽带技术，都具有明显的技术和带宽优 势，但系统成本将始终成为发展的瓶颈，不妥善解决这个问题，无源 宽带光接入网技术仍将是阳春白雪的高端解决方案。 除了系统技术外，无源宽带光接入网还涉及光有源和无源器件， 光缆技术，接续技术，敷设施工技术，测试技术，网络管理技术等方 方面面的突破，任意一个环节的技术，成本和操作上的瓶颈都可能限 制无源宽带光接入网的大规模发展。因此，对于f t t x ，特别是f t t h 还需要有大量的基础性和开发性工作要作。 1 3 本文主要研究工作 波分复用解复用器作为c w d m 城域网和接入网中的关键器件， 其成本的下降对于整个c w d m 系统成本的下降有极其重要的意义， 本论文的工作就是围绕如何降低c w c m 波分复用器的成本而展开 的。希望能够为城域网提供一种透过率高，温度系数小，性能稳定低 成本的波分复用解复用器件。 低成本波分复用，解复用器的具体实现方式为：滤波片采用透过 率高，温度系数小，性能稳定的多腔介质膜滤光片，再通过封装做成 波分复用，解复用器件。其中多腔介质膜滤光片采用低成本方案，对 多腔介质膜滤光片的设计要求是满足下面条件的最低成本设计方案： 能把c w d m 系统采用的波长中没有滤除的波长中的一个波长滤出( 即 对这个波长反射对剩余的波长透射，或对这个波长透射对剩余的波长 反射) ，同时避免对其它没有滤除的任一波长部分透射部分反射。其 中滤波片的反射率和透射率要满足通信系统要求。 该论文的主要工作是围绕实现即能满足c w d m 波分复用器的性 能要求，又要是成本最低的滤光片的设计。本文使用薄膜干涉滤光片 来实现分波和合波，这些干涉滤光片，无论在设计、制各还是测试等方 面都具有极高的难度。本文通过理论分析和借助计算机仿真，总结了 一些薄膜滤波器设计时的特性，指导薄膜滤波器的设计。编写了一套 程序，能够根据滤波器的性能指标，利用程序自动设计出满足性能要 求的滤波器结构。 全文共分七章： 第一章“绪论”，简述了光纤通信的发展过程，并结合现代通信 对网络的新要求，提出了网络建设的重点将有骨干网转移到城域网与接入网 的改造中，而降低城域网的建设成本将是近阶段网络研究的重点。 第7 虹 第二章“城域光传送网”，简单地介绍了城域网地概念，体系结构，现状以 及发展趋势，分析了c w d m 城域网的优点。 第三章“常见波分复用器及低成本波分复用器结构设计”，对现有的波分复 用器类型及原理作了系统的总结，其中包括光栅型波分复用解复用器、介质薄 膜滤型波分解复用器、耦合器型波分复用解复用器、阵列光波导型波分复用器 解复用器。通过这一章我们可以深入的了解波分复用器的类型。并且提出了一种 低成本的介质薄膜波分复用解复用器结构。 第四章“介质薄膜滤波器的理论分析”，分析了介质薄膜滤波器滤波原理， 推导了薄膜滤波器透射系数和反射系数计算公式，为后面设计介质薄膜滤波器打 下了理论基础。 第五章“薄膜滤波器设计”，分析了薄膜滤波器的性能指标，以及腔厚对滤 波器性能的影响。提出了不等厚滤波器和对称滤波器两种设计方法，并做了仿真 仿真分析 第六章“介质膜系的计算机自动设计”，分析了薄膜滤波器膜系的设计原则， 根据该原则，设计了一套计算机自动设计膜系的程序，并给出实例。 第六章“结论”，对全文做了总结 第8 页 北京邮电大学硕士毕业论文 第二章城域光传送网 宽带业务的兴起，城域网范围内用户和信息流的相对独立，运营 收入的主要来源等原因已把城域网领域里无足轻重的地位发展到当 前网络建设的热点，城域网是城市信息基础设施，城域网的目的是高 速有效地将各种媒体信息送到用户身旁。 2 1 城域光传送网的概述 网络技术和数据等新业务的高速发展，促使通信网络向宽带化、 智能化、一体化和个人化方向发展。高效、可靠、使用简便和多业务 的用户需求是网络发展的动力；而拥有统一的、可运营的宽带核心网 络，并通过综合业务接入平台向用户提供丰富、可靠和安全的网络服 务，同时对网络资源进行有效的管理，使网络运营成本降低、提高效益， 则成为电信运营商建设网络的核心目标。近年来，发展宽带城域网成 为运营商争取更多终端用户、把握经营机遇的重点。 城域网位于骨干网与接入网的交汇处，是通信网中最复杂的应用 环境，各种业务和各种协议都在此汇聚、分流和进出骨干网。多种交 换技术和业务网络并存的局面是城域网建设所面对的最主要问题。 总体来说，宽带城域网的建设应包括城域光传送网、宽带数据骨 干网、宽带按入网和宽带城域网业务平台等几个层面。新一代的宽带 城域网应以多业务的光传送网为开放的基础平台，在其上通过路由 器、交换机等设备构建数据网络骨干层，通过各类网关、接入设备实 现语音、数据、图像、多媒体、i p 业务接入和各种增值业务及智能业 务，并与各运营商的长途骨干网互通，形成本地市综合业务网络，承担 城域范围内集团用户、商用大楼、智能小区的业务接入和电路出租业 务，具有覆盖面广、投资量大、接入技术多样化、接入方式灵活、强 调业务功能和服务质量等特点。 一般来说，城域光传送网被定义为覆盖l o o k m 左右，特别是服务 于大中型城市和地区的光网络。城域光传送网是骨干光传送网和接入 网的桥接区，主要完成接入网中的企业和个人用户与骨干网运营商之 间全方位的业务互联互通。骨干网与城域光传送网相连，并在区域之 间相互延伸以实现互联互通，骨干网的发展重点是网络容量和长距离 传输。接入网将业务直接提供给终端用户，其特点是有多种多样的应 第9 页 北京邮电大学硕士毕业论文 用和灵活的结构。处在骨干网和接入网之间的城域光传送网是整个网 络体系中的一个重要组成部分，不仅要承载多种网络协议和信道速率， 还要具有组网的灵活性和可扩展能力。 目前构建宽带城域光传送网采用的3 种技术主要是：城域w d m 环网、以s d h 为基础的多业务传送平台( m s t p ) 以及弹性分组环( r p r ) ， 它们各有自己的特点和适用范围。 2 2 三种主要城域光传送网技术 2 2 1 城域w d m 环网 在点到点线性w d m 系统广泛应用于骨干网后，适用于城域网的 w d m 系统特别是o a d m 环网正在蓬勃发展，波长透明性使w d m 技 术非常适合城域网的多业务传送，并在容量和可扩展性方面具有优 势。利用w d m 环网可实现波长出租、企业互联和存储网络( s a n ) 互 联，是非常理想的大中型城域传送网骨干层解决方案城域w d m 环 所涉及的主要技术问题有以下几个方面。 w d m 环网的保护 常用的w d m 环网保护方式为单向光通道保护( u s e r ) 、光子网连 接保护( o s n c p ) 、双向光线路共享保护( b l s r 或o m s s p r i n g ) 和双向 光通道共享保护( b p s r 或o s h s p r i n g ) 。单向光通道保护属于专用式 光通道保护，采用并发选收( i + 1 ) 的方式，实现起来比较简单；光子网连 接保护属于专用式的双向光通道保护，也采用并发选收的方式。这两 种保护方式比较适合于汇聚型的业务分布。双向光线路共享保护属于 共享式保护，保护通路在闲置的情况下可以传送一些低等级的业务，适 合于环网中各节点之间业务流量相对均匀的情况；双向光通道共享保 护属于共享式双向光通道保护，即采用1 ：1 方式，保护通道在正常情 况下可以传送低优先级的额外业务，适合于均匀型的业务分布模式。 由于城域网中终端用户协议的多样性，多种生存性( 保护方式) 共存有 利于城域运营商向用户提供多种级别的业务服务，因此运营商可以根 据业务情况灵活配置。 当w d m 环网承载s d h 业务时，若同时采用s d h 层保护和光层保 护，一方面需要设置s d h 层保护的延迟( h o l d o f d 时间，这将大大增加 业务的受损时间，同时目前大多数厂商提供的s d h 复用段共享保护环 不支持延迟时间的设置：另一方面w d m 环网的光复用段和通道共享 北京邮电大学硕士毕业论文 保护倒换两种方式还不是十分成熟，远不如s d h 的保护倒换成熟和灵 活，另外同时采用两层保护还减少了实际可用的网络资源。因此当 w d m 环网( 特别是采用l + l 光通道保护方式) 承载s d h 业务时，一般建 议仅采用s d h 层的保护，而在w d m 光层不配置保护。当w d m 环网 直接承载数据业务时，由于数据业务( 如i p 、a t m ) 自身的恢复收敛时 间为几十秒，物理层十几毫秒的保护倒换时间对数据业务基本没有影 响，因此建议同时采用w d m 和数据业务的两层保护机制。 多业务支持能力和子速率复用 w d m 环网是采用波长转换器( o t u ) 来实现与客户端设备( 如s d h 设备、路由器和以太网交换机等) 的适配和互联互通的。通过o t u 的 适配，w d m 环网可接入和传输多种业务：s d h 、a t m 、i p p o s ( p a c k e t o v e rs d h ) 、快速以太网( f e ) 、千兆比以太网( g e ) 业务以及未来可能 广泛应用的其他数据业务，如l o g e 、f i b e r c h a n n e l ( 光纤通道) 、 e s c o n ( e n t e r p r i s e sys t e m c o n n e c t i o n ，企业系统互联) 、 f i c o n ( f i b e r c o n n e c t i o n ，光纤互联) 、d i g i t a l v i d e o 等。为了减 少o t u 单板种类和数量，一般将收发o t u 集成为一块双向o t u ，并且 可将其配置为支持多种业务类型，大大提高了设备的灵活性，并降低了 各板的种类和数量。城域w d m 环网可大量承载客户的多种协议和多 种速率的业务，但每个波长承载一种业务的方式中波长将会很快被耗 尽，为提高每个波长的带宽利用率，应尽量避免低速率业务单独占用一 个光波长通道。一种新兴的经济有效的方法是将多个低速率客户信号 复用到一个波长信道中，从而实现“单波长多业务”，该技术被称为子速 率( 或子波长) 复用，一般应用较多的是4 8 1 6 路s t m - i 4 信号的复用、 2 4 8 路千兆以太网( g e ) 信号的复用以及多种低速率业务( s t m 1 4 、 e s c o n 、f d d i 、数字视频等) 的混合复用。 w d m 环网的应用在 大多数应用情况下，o a d m 环网的环长在l o o k m 以内，当应用在 地区网时，环网的环长可在1 0 0 3 0 0 k m 。一个w d m 环网上的节点数 不宣过多，一般为3 8 个，典型值为4 6 个。在实际应用时，需要考虑 o a d m 环网的长度及光功率预算、系统光通路数、o a d m 节点数量 和类型、环网的保护方式、波长通路的分配、每个节点的上下波长数 量等诸多因素，并且根据每个城市的具体情况和承载业务的分邗类型 进行具体的规划和设计。目前，许多设各供应商可提供依据自己的 o a d m 产品特点和参数开发的城域w d m 网络规划设计软件，以帮助 第1 i 砸 北京邮电大学硕士毕业论文 运营商进行网络规划设计。 w d m 环网的物理拓扑结构是环型，其承载的业务分布类型决定 了波长通路的分配结构，因此应根据实际业务分布规划各o a d m 节点 之间的波长分配结构。典型的城域业务分布有集中汇聚型和均匀型两 种类型，因此w d m 环网的波长通路分配结构也可分为集中汇聚型、 均匀型( 网状) 或上述两种类型的混合形式。 w d m 系统成本 对大多数运营商来说，是否在城域传送网采用w d m 解决方案，成 本是一个需要考虑的重要因素。因此，一方面为了能占领和推动市场 设各供应商应努力降低系统成本并提高其性能价格比。另一方面，运 营商应充分考虑城域w d m 的真正优势：具备大容量、多业务支持和 快速提供新业务的能力；便于实现向“i p + 光”网络的平滑演进，适应未 来不可预测的数据业务发展，构建“真正经得起未来考验”的城域智能 光网络。 2 2 2 基于s d h 的多业务传送平台( m s t p ) 多业务传送平台( m s t p ，m u l t i s e r v i c e t r a n s f e r p l a tf o r m ) 是对传统的s d h 设备进行改进，在s d h 帧格式中提供不同颗粒的多种 业务、多种协议的接入、汇聚和传输能力，是目前城域传送网最主要 的实现方式之一。m s t p 的主要特点有：能够支持v c 3 v c 4 v c ，1 2 各种等级的交叉连接和连续级联或虚级联处理；提供丰富的多种业务 ( p d h s d h 、a t m 、以太网i p 、图像业务等) 接口，可以通过更换接口 模块，灵活适应业务的发展变化；具有以太网和a t m 业务的透明传输 或二层交换能力，传输链路的带宽可配置，支持v l a n 、流量控制、业 务和端口的汇聚或统计复用功能；具备多种完善的保护机制；具有灵活 的组网特性；可实现统一、智能的网络管理；具有良好的兼容性和互操 作性。 城域w d m 的出现和应用不会取代s d h 多业务平台，并且两者可 以同时存在，即w d m 系统可承载s d h 业务。城域w d m 主要应用于 城域核心层，而m s t p 主要应用于城域汇聚和接入层，这是大型城域传 送网建设的一种很好的组合方式。 第1 2 页 北京邮电大学硕士毕业论文 弹性分组环协议是一种新兴的m a c 层协议，是为优化在环型拓 扑上传输数据包而提出的一种全新的千兆i p 包直接由光纤承载( i p o v e rf i b r e ) 的技术，扩展了以太网现有的点到点、点到多点和网状 网拓扑应用。它一方面吸收了千兆以太网经济、灵活和可扩展等特点， 另一方面吸收了s d h 对延时和抖动性能的严格保障、可靠的时钟和 s d h 环网的5 0 m s 快速保护的优点，具有双环结构、空间复用机制、 灵活的业务带宽颗粒、带宽动态共享和分配、统计复用、支持业务级 别、自动识别网络拓扑结构、基于源路由的保护倒换等主要特点，是 当前光网络上传输数据包的种优化技术，目前i e e e 8 0 2 1 7 工作组正 在对r p r 进行标准化工作，已于2 0 0 3 年3 月能够完成。 r p r 的l 2 采用类似以太网的帧封装模式，比p o s 更简化和灵活。 帧的头开销中含有逻辑m a c 地址( 1 个字节) 和标准的m p l s 位，环上 的所有节点被配以惟一的逻辑m a c 地址，可标识2 5 4 个节点，所有节 点都可基于逻辑m a c 地址进行快速的l 2 交换。r p r 在公用网上可 为用户提供具有扩展性的i p 业务，同时支持t d m 语音和数据化的图 像业务传送，具有严格的抖动和延迟保障机制以及同步机制，并可为 t d m 业务分配高优先级。可在城域网内提供宽带虚拟专线服务 ( v l l ，v i r t a l l e a s e l i n e ) 。透明l a n 服务( t l s ，t r a n s p a r e n t l a n s e r v i c e ) 和v p n 业务等。 r p r 作为一种新兴技术正得到业界人士的广泛关注和重视，它以 i p 业务为核心，适应了网络的发展方向。可以预见，随着i e e e s 0 2 1 7 标准化工作的不断进行和完善，r p r 的应用将越来越广泛。 根据我国电信业务的发展现状和特点，城域w d m 环网主要适合 于传输大颗粒的业务( 如s t m 一1 6 、s t m 一6 4 、g e 和10 g e 等) 或特殊格 式的数据业务( e s c o n 、f i b e r c h a n n e l 、f i c o n 等大型主机间通信 接口) ，即主要应用在经济发达的大中型城市的骨干层、汇聚层及业务 量较大的数据专网。 大容量的s t m 1 6 和s t m 6 4 多业务传送平台( m s t p ) 能够提供丰 富的、高密度的群路和支路接口，具有强大、灵活的交叉连接功能和 多业务传送、接入能力，非常适合于大城市传送网的汇聚和接入层，以 及中小城市传送网的骨干和汇聚层，并适合用作w d m 系统的终端设 备和作为业务枢纽节点的汇聚和疏导设备。 第1 3 页 北京邮电大学硕士毕业论文 基于r p r 技术的城域设备可承载具有突发性的i p 业务，同时支持 传统语音传送，是一种很好的解决方案，适合于大中型城域传送网的接 入层和小型城域传送网的骨干和汇聚层。目前的r p r 产品在支持大 量t d m 业务方面还有些欠缺，并且不适合于多个环网相交和相切的应 用，因此r p r 产品的适用范围是以数据业务为主的本地运营商和i sp 不适合以t d m 业务为主的传统运营商。目前，许多设备开发商都在基 于s d h 的多业务平台上增加r p r 功能，提高了m s t p 中的以太网业务 的带宽共享能力和公平竞争性，进一步提高了m s t p 产品的竞争力。 2 3c w d m 城域网的优点 在长途传输中，d w d m 由于采用了e d f a ( 掺铒光纤放大器) 将光 信号直接放大，节省了大量的电中继设备，从而大大节约了成本。但 另外一方面，由于e d f a 平坦增益带宽较窄和它本身某些增益特性的 限制，人们不得不采用高波长稳定度的激光器和密集波分复用器和解 复用器，并且在整个线路上进行光功率均衡；此外，由于电中继传输 距离加长，对激光器的色散容限和啁瞅特性也提出了很高的要求。这 些技术又提高了系统成本。在传输距离较短的城域网中，如果也采用 d w d m ，