《光纤通信网络》PPT课件

第8章光纤通信网络,8.1通信网的发展8.2SDH传送网8.3WDM光网络8.4光接入网,第14讲全光通信网,一、全光网络的兴起与发展二、全光网的分层结构和网络结构三、OXC和OADM四、全光网的网络管理五、全光网的传输限制,一、全光网络的兴起与发展1、从WDM传输系统到光网络,2、发展的驱动力,市场的需求:人类社会对通信容量的需求持续增长；光纤传输容量已达到Tb/s量级；网络的瓶径越来越集中在交换节点上，对光交换需求迫切。技术上的成熟程度：ATM光交换或分组光交换技术上尚不成熟；WDM技术成熟，且可以提供波长路由。,3、光子交换的类型,（1）空分交换（2）时分交换（3）波分交换（4）混合交换,（1）空分交换,22空间光开关的实现方案,机械光开关,2维MOEMS,微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接平移盘铰接点。转换状态通过SDA（ScratchDriveActuator）调节器调节平移盘使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束通过该微镜，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。,三维主要靠两个N微镜阵列完成两个光纤阵列的光波空间连接，每个微镜都有多个可能的位置，为确保任何时刻微镜都处于正确的位置，其控制电路需要十分复杂的模拟驱动方法，较二维复杂的多。,三维MOEMS,热光开关,MZI型热光开关,Y型分支热光开关结构,加热器下面的波导的折射率减小，相应的，光功率被转向另一分支即处于开的状态，而在有源加热器的分支则处于关的状态,88热光开关矩阵,（2）时分交换,时隙交换器(timeslotinterchanger)缓存器,四种时隙交换器,光突发交换集中了较大粒度的波长（电路）交换和较细粒度的光分组交换两者的优点，并避免两者的不足，因此能有效地支持上层协议或高层用户产生的突发业务。在OBS中，首先在控制波长上发送控制（连接建立）分组，然后在另一个不同的波长上发送突发数据。,光突发交换（BOS）网络,（3）波分交换,波分光交换需要波长交换器WC（Wavelengthconverter)波分交换和波长路由,（4）空分波分光交换,4、WDM全光网的优点,（1）极大地提高网络的传输容量和节点的吞吐量，适应未来信息社会对容量和带宽的需求；（2）WDM全光网对信号的速率和格式透明，从而提供透明的光平台；（3）提供灵活的波长选路、动态资源配置能力，使组网更加灵活；（4）可以在光层实现网络的重构、故障的自动恢复和自愈，从而建成具有高度透明性、灵活性和生存性的光网络。,5、WDM全光网的发展情况,（1）美国MONET网络试验MONET是“多波长光网络”计划的简称。该计划由AT另一类是专用局域网。而光纤局域网（LAN）就是一种专用局域网，它是公用MAN的子网。,光纤局域网的体系模型如图6.20所示。专用的LAN的拓扑结构通常是简单的总线型或环型，各个节点共用一个传输媒质系统，因此，一般不需要路由选择功能。又由于共用一个媒质系统，各节点必须具备媒质接入控制器和一套媒质接入控制的协议以便各节点都按一定的规则占用传输媒质进行信息传送，从而防止不必要的竞争使网络性能恶化。,图6.20几种体系结构模型,6.5.1局域网的拓扑结构光纤局域网的基本结构一般是总线型和环型。1总线型光纤局域网的拓扑结构所谓总线型，就是各节点都直接连接到一个公用的总线的媒质系统上。总线型结构的示意图如图6.21所示，从图中可以看出，每个分站都有光发射和光接收，每个终端站都有光耦合器与光纤总线相连。光纤总线分为无源和有源两类。有源光纤总线网除了光纤和光纤耦合器之外还有光中继器。光纤耦合器一般有三种，T形耦合器，Y形耦合器和星形耦合器。用不同的耦合器可以构成各种形状的光纤总线结构。,图6.21总线型连接局域网构成示意图,这种总线网的优点是：（1）节点上下网方便，一个节点的故障不会影响其它节点的正常工作，就是说，总线网的可靠性较高；（2）节点的构成简单，成本低。总线网的缺点是：（1）无源总线网中的一个节点发送的光信号必须经总线分配给所有的其它节点，因此，会带来相当大的总线损耗，从而限制了网径和网的容量；（2）在各种结构的总线网中除了线性总线外，都不适合高速传输。,2环型光纤局域网的拓扑环型光纤网中节点与光纤环路的连接都采用有源接入方式，不需要光纤耦合器，因此环网的结构种类较少。主要有双环网和星状环网。双环网结构如图6.22所示。在这种网中，每个节点必须有两套光收发系统与两个环路相连，两个环的信号传输方向通常是相反的。,图6.22双环光纤网,星型环网的结构如图6.23所示。图中接线中心由许多光转发器连接成一个光纤环，各转发器中包含两套光收发系统，一套与光纤环相连，另一套经光缆与远方节点相连。相对总线网的的优缺点，环型网的缺点是：（1）一个节点或一段光纤故障就会使全网瘫痪，所以可靠性较差；（2）环型网的节点站的结构比较复杂，所以节点站的设计和制造都比较困难。,环型网的优点是：（1）网径和网的容量较大；（2）由于节点串接的缘故，环型网适于高速传输。,图6.23星状环网,3环型网与总线网的复合环型网与总线网的复合结构是以光纤双环网为主干网，以光纤和电缆总线网为子网。两种网通过环网节点中的网关相互连接。采用网关是为两个网的通信协议往往是不同的。网关的作用是协议转换和数据速率变换。这种复合型光纤网特别适合于大型局域网和城域网。环型网与总线网的复合结构见图6.24。,图6.24环型网与总线网的复合结构,6.5.2局域网的媒质接入控制（MAC）协议影响和决定局域网的最主要的因素和技术除了网络拓扑结构外还有传输媒质和媒质接入控制（MAC）方式。局域网所用的传输媒质有双绞线、同轴电缆和光纤等。目前由于光纤的巨大优点以及光纤技术的快速发展，光纤局域网已经逐步取代了电缆网。而媒质接入控制（MAC）方式是局域网的关键技术，包括各种复用方式，交换方式和控制方式，如图6.25所示。下面我们介绍几个常见的MAC协议。,1CSMA/CD协议IEEE802.3标准的MAC协议是CSMA/CD方式，也就是载波监听多路接入/碰撞检测方式。以这种方式工作的两个或多个工作站共享一个公共的总线传输媒质。某个工作站要发送信息，必须等到传输媒质空闲，才能以串行形式发送指定的信息，以减少各工作站发送信息时之间的碰撞，提高信道利用率，这就是监听CSMA。如若发生碰撞，则每个发送站都要立即停止发送信息，并发出一个简单的阻塞信号，以减少碰撞时间，也能提高信道利用率，这就是CD。然后，发送站在退避一段时间后，再次试图发送。,图6.25MAC方式分类,2令牌总线协议IEEE802.4标准的MAC协议是令牌总线方式，它是用令牌控制接入传输媒质的权利，只有掌握了令牌的工作站才暂时获得媒质，才可通过传输媒质发送数据。虽然各工作站共享一条物理总线，可以接收所有发送的信号，但是令牌是从一个站传到另一个站，从而形成一个逻辑环，如图6.26所示。各个站的物理连接对于逻辑环的传递次序没有影响。不在逻辑环内的站（如H和F站），由于得不到令牌，因此不能发送数据，但可以接收数据和响应询问。,图6.26令牌总线网的结构,每个工作站都具有让逻辑环初始化、恢复遗失的令牌、新站加入等管理功能。MAC子层通过逻辑环将对媒质的控制从一个工作站传递到下一个工作站，提供对共享媒质的顺序接入。还通过识别和接收上一个工作站来的令牌来决定本站何时有权接入媒质，并决定何时应该将令牌传递给下一个工作站。,3令牌环协议IEEE802.5标准的MAC协议是令牌环方式，它是由传输媒质把一组工作站串联组成一个环状，如图6.27所示。令牌环协议中信息是一个比特一个比特地从一个工作站传至下一个工作站的。通常每个站再生和转发每一个比特，并可通过它把工作站连到环上，达到与环上其它工作站相互通信的目的。对媒质具有接入权的某个工作站可把待发信息发送到环上，并将在环上从一个站到下一个站地环行。,当信息通过所寻址的目的站时就拷贝此信息，最后由发送该信息的站从环上取消此信息。当一个站检测到令牌时，它就取得了发送信息的权力。在完成信息的发送和对正常操作进行相应的检验之后，该站将发一个新令牌以供其它站获得使用环路的机会。,图6.27令牌环网的逻辑结构,6.5.3光纤局域网的发展在短短的十几年间，光纤局域网的发展经历了以下几个方面的重大演变：（1)在电缆局域网的基础上发展低速光纤计算机局域网；（2）由低速光纤局域网发展到第二代的高速光纤计算机局域网；（3）由高速光纤计算机局域网发展到宽带综合业务光纤局域网及城域网。,就目前的这种发展趋势可以预测未来的光纤局域网的发展趋势：（1）进一步高速化和宽带化；（2）研究和发展光波长交换技术，这是在WDM基础上发展的光交换技术；（3）相应于前两种技术的发展，研究新型网络拓扑结构及其通信协议；（4）在光纤局域网中发展和应用ATM技术。,6.6同步数字网(SDH),6.6.1SDH网产生的技术背景随着信息社会的发展，人们要求得到高质量的信息服务，要求通信网提供多种多样的电信业务，且通过电信网传输、交换、处理的信息量将不断增加，这就要求现代化通信网向数字化、综合化、智能化和个人化发展。,1缺乏统一的世界标准以前数字通信的信号系列是准同步数字系列（PDH），它只有地区性的电接口规范，不存在世界性的标准，这样造成了世界互通的困难。2缺乏统一的光接口标准由于各个厂家采用各自开发的线路码型，使得同一等级的光接口的信号速率不一样，致使不同厂家的设备无法相互兼容。这给组网、管理及网络互通带来很大的困难。,3复用结构复杂现有的PDH系列的基群是同步的，从低次群到高次群的复接是异步的，需通过码速的调整达到速率的匹配和容纳时钟频率的偏差，由此造成设备的复杂性和成本的增加。4网管信息有限目前的PDH的复用帧结构中没有很多用来网络管理和维护的比特，因而无法实现分层管理和对通道的传输性能实现端对端的监护。,5缺乏统一的网管标准目前对传输系统的管理也都是厂家各自开发的管理系统，没有统一的规范，不利于形成一个统一的电信管理网。6缺乏灵活的网络管理能力传统的PDH的网络运行和管理主要靠人工的数字信号交叉连接，无法实现在线实时控制，难以满足用户对网络动态组网和新业务接入的要求。,6.6.2SDH的基本概念和特点SDH概念的核心是从统一的国家电信网和国际互通的高度来组建数字通信网，并构成综合业务数字网（ISDN），特别是宽带综合业务数字网的重要组成部分。由SDH组建的网具有高度统一的标准的智能化的网络，它采用全球统一的标准实现了多厂家产品的兼容，在全程全网范围实现了统一的管理和操作，可进行灵活的组网与业务调度，实现高可靠的网络自愈，从而大大提高网络资源的利用率，降低管理和维护的成本。进一步说明如下：,(1)对网络节点接口（NNI）进行了统一的规范。这些网络节点的接口包括数字速率等级、帧结构、复接方法、线路接口、监控管理等。使得同一线路可安装不同厂家的设备，实现了兼容。(2)灵活的扩容和升级能力。SDH的基本速率是155.520Mb/s（STM1），更高的同步数字系列的信号可通过简单的将STM1信号进行字节间插同步复接而形成，大大简化了复接分接，使SDH十分适合大容量光纤通信。,(3)SDH对PDH的兼容。SDH信号可容纳北美、日本和欧洲的现有数字系列。可将不同等级的数字系列装入虚容器，然后经复接进入155.520Mb/s的SDH的STM1信号的净负荷内，使新的SDH能支持PDH，便于PDH向SDH的过渡。,(4)简化了电路。采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，从而可利用软件使高速信号一次直接分插出低速支路信号，可避免对全部高速信号进行解复用的做法。因而省去了大量的电路接口数量。(5)灵活的动态组网能力。SDH同步和灵活的复用方式也使数字交叉连接（DXC）功能的实现大大简化，DXC的引入使网络增强了自愈能力，便于根据用户的要求进行动态组网。,(6)增强的网络管理能力。SDH帧结构中安排了丰富的开销字节，这些开销包括段开销（SOH）和通道开销（POH），这样使网络的维护管理能力大大增强。(7)SDH的广泛应用。SDH不仅支持基于电路交换的同步传送模块（STM），还支持基于分组交换的异步转移模式（ATM）。,6.6.3SDH复用结构1帧结构SDH的帧结构是以字节做基础的矩形块状帧结构，如图6.28所示。这种结构便于实现支路的同步复用、交叉连接（DXC）、上下话路等。STMN的帧结构是由9行N列的8比特字节组成的码块。帧长为9270N8=19440N比特，若用时间来表示，对于任何STM等级，其帧长都为125s。帧结构由信息净负荷（Payload）、段开销（SOH）和管理单元指针三个主要区域组成。,图6.28STM-N的帧结构,（1）信息净负荷是帧结构中存放等待STMN传送的各种信息码块的地方，也存放少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销（POH）字节。POH通常作为净负荷的一部分与信息码块一起在网络中传输。（2）段开销是为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须附加的供网络运行、管理和维护使用的字节。段开销又分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）。（3）管理单元指针是用来指示信息净负荷第一字节在STMN帧内的准确位置的指示符，以便在收信端正确分离信息净负荷。,2复用单元SDH的复用结构是由一系列的基本复用单元组成，而复用单元实际上是一种信息结构，不同的复用单元在复用过程中所起到的作用各不相同。我国使用的复用结构如图6.29所示。,图6.29我国的SDH基本复用映射结构,下面，我们从每个容器的作用看这种复用结构。（1）容器C。容器C是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构，主要完成PDH信号与VC之间的适配功能（如码速调整）。对于不同的码速有C12，C3，C4。其中C4为高阶容器，C12和C3为低阶容器。,（2）虚容器VC。VC是用来支持SDH通道层连接的信息结构，它由容器C的信号再加用来维护与管理的通道开销（POH）构成。能容纳高阶容器的VC称为高阶虚容器，容纳低阶容器的VC称为低阶虚容器。VC信号仅在PDH/SDH网络边界处才进行分接，从而在SDH网络中始终保持完整不变，独立地在通道的任意一点进行分出，插入或交叉连接。,（3）支路单元TU。它为低阶通道层与高阶通道层提供适配功能的一种信息结构，它由一个低阶VC和指示高阶VC中初始字节位置的支路单元指针（TUPTR）组成。可见低阶VC可在高阶VC中浮动，并且由一个或多个在高阶VC净负荷中占有固定位置的TU组成一个支路单元组TUG。,（4）管理单元AU。它是在高阶通道层与复用段层之间提供适配的一种信息结构。它由高阶VC和指示高阶VC在STMN中的起始字节位置的管理单元指针（AUPTR）构成。同样，高阶VC在STMN中的位置也是浮动的，但AU指针在STMN帧结构中的位置是确定的。一个或多个在STM帧中占有固定位置的AU组成一个管理单元组（AUG）。（5）同步转移模块STM。在N个AUG的基础上，加上用来运行、维护和管理的段开销，便形成了STMN信号。,6.6.4SDH设备SDH传输网的设备有3种，即交换、传输和接入设备。对于光纤通信系统而言，SDH作为传输设备，它又包括再生器、复用器和交叉连接设备。下面，我们逐一简单地对它们进行介绍。1再生器由于光纤的长距离传输及本身的损耗影响，必须对传输中变弱的光波信号进行放大和整形，这个设备就是再生器，其逻辑功能如图6.30所示。从图中可看出再生器主要由SDH物理接口（SPI）、再生段终端（RST）和开销插入功能块（OHA）组成。,图6.30再生器模型,（1）SDH物理接口（1）完成光/电转换功能，并提取定时信号送入再生定时发生器，同时对信号进行放大和再生。（2）再生器终端（1）完成从STMN中恢复帧定位字节以识别帧的起始位置，然后进行解扰码处理并提取再生器开销字节（RSOH），送入开销插入功能块（OHA）。（3）开销插入功能块完成对再生器踪迹字节J0的识别，并做相应的处理。（4）再生器终端（2）完成对再生器终端RST（1）来的STM1码流插入变换后的RSOH。,（5）SDH物理接口（2）完成电/光转换，同时将定时信号回送给再生器定时发生器。2复用设备在SDH传输网中有两种传输设备，即终端复用设备TM和分插复用设备ADM。（1）终端复用设备能一次完成复用功能，并进行电/光转换后送入光纤。（2）分插复用器可灵活地完成上下话路功能。3数字交叉连接器数字交叉连接器可完成电路调度功能、业务汇集和疏导功能、保护倒换功能。,6.6.5SDH的管理功能ITUT建议G.784规定了在同一SDH管理子网（SMS）内或跨网络接口的不同网元间的单端维护能力和SMS所需的一套最起码的管理功能。1一般性管理功能（1）嵌入控制通路（ECC）的管理。为了有效的管理，构成SDH网元间逻辑通信链路的ECC，应保证ECC的横向兼容性；为建立以DCC作物理层的ECC，还需对网络地址进行管理，并且能在某节点处对DCC的运行状态进行检索，还要有能按需要接入或不接入DCC的能力。,（2）时间标记。（3）其它一般管理功能，如安全、软件下载和远端注册等2故障管理（1）内告警监视。（2）外部事件告警。（3）告警历史记录。（4）测试接入、诊断和环回。,3性能管理性能管理包括利用与SDH结构有关的性能基元采集误码性能、缺陷和各种监视项目数据；15分钟和24小时性能监视历史数据寄存和记录；门限设置和门限通知；性能数据分析和性能数据突破门限事件报告；不可用时间的起止记录和其间的性能监视等功能。4配置管理配置管理包括供给和网元状态控制两类基本功能。5安全管理安全管理涉及注册、口令和安全等级等。,光纤接入网,接入网定义为本地交换机LE(LocalExchange)和用户之间的实施系统，它可以部分或全部代替本地线路分配网，具有复用、交叉连接和传输等功能。接入网所覆盖的范围可以由三个接口来定界，在网络侧经由业务节点接口(SNI)与业务节点(SN)相连，用户侧经由用户网络接口(UNI)与用户相连，管理方面经Q3接口与电信管理网(TMN)相连。,接入网的分类,在原有铜缆基础上采用新的数字调制技术提高速率，如对称数字用户环路(HDSL)、不对称数字用户环路(ADSL)、高速不对称数字用户环路(VADSL)等光纤接入网，如光纤与同轴混合接入网(HFC)、有源光网络(AON)、无源光网络(PON)、可交换的数字图像接入(SDV)等无线接入，如微波、卫星、固定无线接入（FWA)等在实际应用中往往将各种接入方式混合使用，并与网管系统一起组成一个完整的接入网,混合光纤同轴型接入网（HFC),HFC的概念：它的基本特征是以模拟传输方式为主，称为副载波调制光纤同轴总线型(SMFCB)接入网，它具有交换功能，可以提供交互式业务，综合接入多种业务信息。结构：HFC的主干系统使用光纤，采取频分复用方式传输多种信息；配线部分使用树状拓扑结构的同轴电缆系统传输和分配用户信息。在HFC网上传输数字语音和数字图像信息时，必须经过宽带调制器(如64QAM)，将数字信号调制到模拟信道中传输。HFC可以解决CATV、电话、数据等业务的综合接入问题。,HFC的双向通道,HFC网是在CATV传输网基础上提出的接入网形式，广播式的CATV信号通常占据45-550MHz的频带，为了满足双向通信业务的要求，它在传输频谱中专门划出两部分用于话音和数据的通信，其中5-30MHz为上行频谱，即信号由用户传送至中心局；700-750MHz为下行频谱，即信号由中心局传送至各用户。5-3OMHz通常称为HFC的反向通道，它是区别于原有CATV网的一个重要标志，也是HFC实现交互式业务的关键所在。,HFC网的噪声,由于HFC网的同轴电缆部分是树形结构(一点到多点)，所以反向通道的噪声是各支路放大器的级联噪声和各支路间噪声的叠加，这种噪声叠加的现象称为噪声的漏斗效应。噪声的漏斗效应对反向通道的信噪比影响很大，例如对一个用户数为1500的节点来说，在设计反向通道信噪比时，就需要留出14-27dB的余量。由于反向通道的带宽有限，再加上噪声的漏斗效应，使得每个节点的用户数不能太多，一般为500-1000户,反向通道的噪声来源的分类,窄带短波噪声：它的频带为5-30MHz，正好与反向通道的频带重合，因此它的影响是比较大冲击噪声：这类噪声通常是人为所致，如发动机、引擎点火和开关电源等，它的频带为60Hz-2MHZ。虽然冲击噪声的频谱不在反向通道的频带内，但由于它的幅度较高，使得其各次谐波对反向通道产生影响共模失真：它是由设备的非线性引起的本地干扰：由于各用户住宅内的情况千差万别，在使用各种电器时，会有意无意地产生频带在3OMHz以下的信号或噪声，这些信号和噪声一旦藕合进反向通道，便会形成干扰。这类噪声的产生往往很难控制，它具有很大的随机性和持久性,反向通道的噪声的消除,冲击噪声：持续时间短，通常只造成一段码流的误码率增高，所以采取前向误码校验(FEC)可有效地消除冲击噪声带来的影响。共模失真:由传输设备引起的，一般通过系统的优化设计和对设备的良好维护，可以把它的影响控制在很小的范围内。本地干扰：随机性大，持续时间长，噪声幅度大，难于控制，所以可采用搜索的方法，对噪声源进行定位，然