第一讲 光网络概述

光网络 许国良 xugl 南京大学光通信工程研究中心 第一讲概述 概念 什么是光通信 回顾 概念 什么是光网络三代网络光网络课程所涉及的内容 光通信基本概念 什么是通信 通 传送 信 信息 信息的传送基本组成 发送 传输 接收什么是光通信 用光波载运信息 实现通信什么是光纤通信 以光波载运信息 用光纤作传输媒体 实现通信 现代通信方式示意图 数字光纤通信系统的组成 表1三种载波信号的比较 光纤通信器件的发展过程 雏形 古代烽火 手旗 灯光 1880年贝尔的光电话 激光器 光纤 1960Maiman发明红宝石激光器 1962半导体激光器诞生 GaAs870nm 70年代室温工作LD GaAsAl850nm 1300 1550nm多模LD 静态单模LD 动态单模LD 1965E Miller透镜光波导 1966高锟 Hockham理论预言 1970康宁制出低损耗光纤 20dB km 19791300 1550nm低损耗窗口光纤开发 单模光纤 1951医用玻璃纤维 损耗1000dB km 1989EDFA研制成功 光纤通信系统的发展历程 70年代 室内光纤通信实验76年后 实用光纤通信系统出现80年美国电报电话公司45Mb s光纤通信系统FT 3商用光纤通信的发展经历了短波长 长波长 多模光纤 单模光纤 低速率 高速率 大体上可分为四代 第一代 多模光纤 工作波长850nm第二代 多模及单模光纤 多模激光器 工作波长1310nm第三代 单模光纤 单模激光器 工作波长1550nm第四代 采用掺铒光纤放大器 EDFA 铺设光纤 几千万公里传输速率 从565Mb s 10Gb s 甚至40Gb s 几代光纤通信系统的速率与无中继距离的关系 光纤通信的发展趋势 基本目标 发挥光纤带宽潜力克服光纤损耗 色散限制延长中继距离扩大传输容量减低成本 光纤通信新技术光电集成技术 OEIC 密集波分复用 DWDM 光时分复用 OTDM 全光网络技术光接入网孤子通信技术 具体方法 抓住光纤通信技术发展的精髓 如何提高光纤通信系统容量 BL乘积 中心思想 围绕如何提高系统的BL乘积 了解光纤通信系统三个关键器件 光纤 光源和光探测器的性能和发展 信息爆炸催生光网络发展 电话 电视 传真 数字广播家庭影院 视频点播 高清晰度电视可视电话 可视会议 家庭办公计算机 互连网 电子邮件远程学习 远程诊断 资讯检索股票交易 金融业务 社区服务安全监控 报警系统 智能家庭 信息时代 信息家庭化 个体化 信息传输速率与媒介的容量 信息传输速率Audio 9 6 128kbit sTV 1 6Mbit sHDTV 10 100Mbit s通信媒介传输速率 卫星 微波 140Mbit s同轴电缆 60Mbit s光纤 50Tbit s 九十年代以来 以因特网为代表的信息技术革命正在深刻地改变传统电信概念和体系 话音业务 数据业务 宽带综合业务世界电话业务年增长率为10 数据业务年增长40 中国话音业务14 的增长率 数据业务400 增长 容量的需求 250200150100500 115 135 2 IP 23 106 250 话音 话音和IP通信量的增长情况 199619971998199920102020 10 58 Tbit技术到干线网 Gbit技术到办公室 家庭 Mbit技术到个人 21世纪的信息需求 光通信速率的不断提升 速率 Mb s 容纳电话 路 230812034480155192062276802 5Gb s3072010Gb s12288040Gb s491520 2 5Gb s10Gb s40Gb s 10Gb s40Gb s 20Gb s80Gb s 80Gb s320Gb s 32168 4 1 WDM波长数 每波长比特率 TDM 40Gb s 网络容量演进战略 工作在Tbit s速率光纤通信容量 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年 光带宽9个月 几种关键技术的发展速度 存储器12个月 摩尔定律18个月 性能价格比翻番速度 近几年 网络时代的三大基本定律 摩尔定律 MOORE CPU性能18个月翻番 10年100倍 所有电子系统 包括电通信系统 计算机 图象 光定律 GILDER 超摩尔定律 骨干网带宽9个月翻番 10年10000倍 带宽需求无限制增加 迈特卡尔夫定律 Metcalfe 网络价值随用户数平方成正比 以前未联网设备增加N倍 效率只增加N倍 现在联网设备数增加N倍 效率增加N2倍 带宽智能 E Mail遍天飞扬QQ MSN鸿雁传情Web页上一览世界小 网络真正的挑战 如何知道我们所需要的数据位于世界的什么地方 如何将这处数据组合并以有用的形式提供给用户 以及如何在几秒钟内 甚至瞬间就能得到这些数据 WWW并不意味着 全世界都在等待 WorldWideWait 也不应该是 全世界都陷入茫茫的数据游涡之中 wholeworldisWallowinginData 让人茫然不知所措 光网络基本概念 什么是网络 由节点和链路组成一定的拓扑结构什么是光网络 由光纤链路和光节点设备 光终端 光交换 光路由等 组成的网络 光 光波 网络是一种以光纤作为基本传输链路 并充分利用光纤所具有的非常独特的特性而组成的一种通信体系网络结构 即一种基于光纤的电信网 合适的高性能的光网络体系结构必然包括比较复杂的光电设备以及二者的结合 这样 光或光波网络未必意味着一定是一个纯粹的光网络 它只不过是指由电交换而终结的一套光纤连接 两个问题1 为什么需要光网络 总有一种技术原动力推动着新系统的开发和想要利用这种新系统的市场需求2 另一个是加速光波网络发展的关键技术和支撑技术是什么 同时又是什么大问题阻碍了光网络技术的开发和使用 图1 1给出了我们将要讨论的多层网络结构示意图 它显示了物理层是基础光结构 基础光层的作用是为上层许多相互独立的逻辑网LN提供最基本的通信连接 每一种逻辑网络专门为一群用户提供一类特殊业务 在图1 I上显示的业务类型是因特网业务 视频点播分发系统 传统的电话业务 以及能够按需分配的纯粹的光连接 或空闲信道 注意 ATM逻辑网本身就是一种更高的虚连接层基础结构 它也能支持各种业务 多层光网络 如何看待光网络自下而上光网络的结构和性能与诸多的技术限制紧密相关自上而下 用户和业务提供者 即对象 广域光网络必须为大量的 不同种类的 地理上分散的用户群提供业务它们应该遵循下列目标进行设计 光网络中光子技术和电子技术的比较 网络接入站NAS代表电域 在网络的纯光部分以外的没备 和光域之间的光电接口 有时也称为光以太网 而每一个业务站点的作用是向光纤输入光 使用激光器 和接收光 使用光检测器 当信号以光的形式存在时 光子技术非常适合在节点内实现某些简单的信号选路和交换 使用静态光子设备 就能非常容易地执行像对光能量进行合波 分波 滤波 波长复用 解复用和选路等功能 通过增加适当的控制 能够以或快或慢的速度动态地控制静态设备 控制速度在机械或热控制下可达到毫秒量级 在电控制下能达到微秒级 提高单根光纤利用率 带宽通道化复用技术 频域波分复用 时域OTDM OCDM 应该注意到在这些网络中光域上的光选路和交换功能都是线性 linear 操作 因此 在光层上网络仅包括一些线性设备 这些设备或固定或可控 为了将这些线性网与其它类型的光网络区别开 我们经常将这些线性光网络称为透明光网络 在网络中所执行的典型的非线性操作是信号检测 再生 缓存和一些逻辑功能 如 读写包头 依目前的技术 在光域上执行这些非线性操作是非常困难的 因此 非线性会使光通路变得不透明而成为不透明网络 在信号通路中消除非线性操作会带来很多的技术优势 1 端到端的光通路成为一条透明的 清澈渠道 在信号通路上不再有什么限制光纤吞吐量的因素了 一个透明的信道就像一个没有噪声 具有非常大带宽的理想通信信道 2 由于基本上没有信号处理 因此光网络节点的结构可以非常简单 光节点的简化也意味着网络控制的简化 尽管透明网络具有很大的技术优势 但由于许多的实际问题使得网络中也会出现透明性下降的问题 首先 由设备失效导致的问题会在网络中传播 使差错管理变成一件比在个透明网络中更复杂的事情 与此相似 干扰 噪声 光纤色散和非线件效应等在长距离通道上积累所造成的信号损伤也限制了光连接在地理上的可达性 第二 当信号在光域上时 诸如源和目的地的地址 序列号 通道数 奇偶校验比特等带内信息 如 数据网在包头中携带的控制信息 是不能使用的 内此 透明光网络不能执行像传统包交换数据网中所需要的各种处理功能 应该注意到在IP 以数据包为基础 或ATM 以信元为基础 网中的数据所携带的带内控制信息是实现这些网络高度虚连接的关键 比较典型的是 许多虚连接在一个物理链接中可以被复用起来 在每一个网络节点上利用包或信元头中所含的信息 并以包 信元为基础进行分类 因此如果维持物理层的透明性就一定减小了处理这些信息的必要的智能性 所以很容易在透明网中产生光的 连接瓶颈 电的特性是光学持性的有力的补充 对于复杂的非线性操作来说 使用电子处理技术比较理想 但这受限于电子和光电设备 如 电交换 存储设备 处理单元等 的速度 在宽带网络中如果给电层上增加比较高的处理负荷会在光传输系统产生众所周知的 电子瓶颈 问题 把电终端放到光纤上 将使光纤潜在的每秒数太比特的吞吐量变成为每秒数吉比特的细流 这也是电处理技术所能达到的最大吞吐量 这就是我们比喻 高速公路 牛车道 的来源 更简洁一点说 光快但笨拙 而电慢但灵活 这种状态在可预见的将来仍将继续存在 多层网络结构中的光和电技术 给出了三个平行的且相互独立的逻辑层 IL1 IL2 IL3 它们都是由物理层来提供支持 代表纯光网络的物理层现在被分成一个光层和一个光纤层 前者包括光纤支持的光互连 后者体现了自身物理基础结构的布局 光纤 交换机和光收发器 网络性能的三角关系 需要理解下面两个传统上被分离对待的知识实体之间的相互关系 基本设备的物理基础和分析 设计以及控制由这些设备组成的系统的数学方法 光波网络可用三个基本特征来概括 1 物理 光纤 拓扑结构 2 链路 光网络的节点和接入点的功能特性 3 对连接进行分配 选路和复用的控制算法 一个宽裕的物理拓扑可以在接入局之间提供多条替换通路 增加了网络的合计容量和生存性以及对负荷类型变化的适应能力 但是如果没有链路 节点和接入局所具有的非常完善的功能特性 就不能充分发挥物理拓扑的这些特性 我们在这里所说的链路功能特性是指一个网络具有好的链路特性 即具有较大的带宽距离乘积 有用的节点和局的功能特性包括可控制的交换和复用特性 如果没有节点和局端的可控性 光信道的分配和信号通路就必须始终保持一致 这样的话每一种连接就被固定了 网络也就没有灵活地适应变化的能力 反过来 节点和局在网络管理系统的监控下的高度可控性提高了资源的利用率 在具有波动性的需求的情况下仍能使网络保持令人满意的性能 也可以在元件失效的情况下重新配置网络 当然 可控性又要求必须具有合适的控制算法来协调各个网络实体的功能 总之 三个特性 拓扑 功能和控制密切合作 从而制约和影响着网络的全局件能 三代数字传送网 网络中业务 CPU 带宽关系 对于骨干光网络 瓶颈是 CPU 由于其处理的是电信号 如交换机 路由器 网桥等 无法适应与其相连的大量WDM光纤链路的Tbit s传输速率 业界要求实现全光交换 PXC 的呼声很高 在边缘网络 或者是到最终用户之前 瓶颈是 带宽 不是因为光纤本身的传输容量不足 而是这部分仍然采用低速率的电话线和无线链路 并且网络更新换代较为缓慢 业务应用也的确是个问题 需要远营商把服务价格降到大多数家庭所能承受的水平 主要光网络节点 光网络节点结构 光传送系统的演化历程 光网络技术 光复用技术 WDM OTDM光放大技术 EDFA SOA FRA光分插复用 OADM 光交叉连接 OXC 技术光交换技术 空分 SD 时分 TD 波分 频分 WD FD 光交换全光中继控制和管理技术 结构管理 光学特性管理 差错管理 信息网模型 光网络课程的内容 光网络结构及其演进SDH技术大容量超长距离网络及其关键技术和器件城域光网络 智能光网络光接入网 高速以太网 光通信改进和革新方向 1 光传输链路的每比特成本将继续下降 方向是高速 多波长 宽频谱 窄间隔以及低成本多功能器件和集成化器件技术 2 组网方式开始从点到点和环网向网状网方式演变