第4章波分复用

1、4.8.1 波分复用波分复用技术技术4.8.2 相干光通信技术相干光通信技术4.8.3 光孤子通信技术光孤子通信技术4.8.4 全光通信网全光通信网4.8.1 波分复用波分复用技术技术1 波分复用的基本概念波分复用的基本概念2 波分复用技术波分复用技术3 波分复用系统波分复用系统4 基于基于WDM的光传送网的光传送网1 波分复用的基本概念波分复用的基本概念 光纤通信复用技术主要分为：光波复用和光信号复用两大类。 光波复用包括波分复用(WDM)和空分复用(SDM)， 光信号复用包括光时分复用(OTDM)和光频分复用(OFDM)，此外还有光码分复用(OCDMA)。1）光波复用(1) 波分复用（WD

2、M） 光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一步的处理，使原信号复原，这种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系统，同时也适用于单向或双向传输。(2) 空分复用（SDM） 空分复用就是利用空间分割，根据需要构成不同的信道进行光复用的一种复用技术。2）光信号复用(1) 光频分复用（OFDM） 当光载波之间的间隔较小时，用波长来衡量其间隔就很不方便，所以对于波长间隔小于1nm的系统习惯称为OFDM系统。(2) 光时分复用（OTDM） OTDM是

3、指可以将多个高速电调制信号分别转换为等速率的光信号，然后在光层上利用超窄光脉冲进行时域复用。(3) OCDMA 在OCDMA通信系统中，每个用户都拥有一个惟一的地址码，该码是一组光正交码中的一个。2 光波分复用技术光波分复用技术1） WDM、DWDM和CWDM2 ）WDM的特点3 ）WDM与光纤4 ）WDM对光源和光电检测器的要求1 ）WDM、DWDM和CWDM DWDM和CWDM技术实际上它们是同一种技术，只是通道间隔不同。 WDM系统的通道间隔为几十纳米以上，例如最早的1310/1550nm两波长系统，它们之间的波长间隔达两百多纳米，这是在当时技术条件下所能实现的WDM系统。 随着技术的发

4、展，特别是EDFA（掺铒光纤放大器）的商用化，使WDM系统的应用进入了一个新的时期。 1） WDM、DWDM和CWDM 图6-1 WDM系统的频谱分布图 1） WDM、DWDM和CWDM DWDM是密集波分复用的英文缩写。 DWDM系统是一种波长间隔更紧密的WDM系统。 所谓密集是针对波长间隔而言的，而且DWDM技术其实是WDM技术的一种具体表现形式。 为了满足接入网应用的要求，因而近来流行一种称为粗波分复用的技术，即CWDM技术。1） WDM、DWDM和CWDM 图6-2 1550nm DWDM系统的结构图 1 ）WDM、DWDM和CWDM CWDM系统是在1 5301 560nm的频谱范围

5、内每隔10nm分配一个波长。 无论是DWDM，还是CWDM，它们的本质都是相同的，即都是建立在频谱分割基础之上的不同表述形式。 WDM系统中光波长区的分配问题。2 ）WDM的特点（1） 光波分复用器结构简单、体积小、可靠性高（2） 提高光纤的频带利用率（3） 降低对器件的速率要求（4） 提供透明的传送通道（5） 可更灵活地进行光纤通信组网（6） 存在插入损耗和串光问题3 ）WDM与光纤 图6-3 WDM与光纤特性 4 ）WDM对光源和光电检测器的要求 A对光源的要求(1) 激光器的输出波长保持稳定(2) 激光器应具有比较大的色散容纳值(3) 采用外调制技术B对光检测器的要求 光检测器应具有多波

6、长检测能力。4） WDM对光源和光电检测器的要求 图6-4 温度反馈控制原理示意图 4 ）WDM对光源和光电检测器的要求 图6-5 波长反馈控制原理示意图 3 波分复用系统波分复用系统1） 波分复用系统结构2） WDM系统的基本应用形式3 ）WDM系统中的光监控信道1） 波分复用系统结构 图6-6 WDM系统总体结构示意图（单向） 2 ）WDM系统的基本应用形式（1）单向结构（2）双向结构（1）单向结构 图6-7 单向结构WDM传输系统 （2）双向结构 图6-8 双向结构WDM传输系统 3 ）WDM系统中的光监控信道 随着EDFA的商用化进程的发展，在WDM系统中通常使用EDFA作为中继器，这

7、样使无电中继距 离大大提高，因而在WDM系统中的监控内容增加了对EDFA的监控与管理的内容。 在WDM系统中是通过增加一个新的波长来对EDFA的工作状态进行监控。 除监控线路中的EDFA之外，WDM系统中的监控系统还应完成对各波道工作状态的监控。 监控信号所传信息包括帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等。 4 基于基于WDM的光传送网的光传送网1） WDM光传送网分层结构2） WDM网络的交换形式和波长路由机制3） WDM网络的关键设备OADM和OXC4 ）采用光波分复用技术的高速光纤通信线路5 ）WDM网络的生存性1 ）WDM光传送网分层结构A光传送网与通信网之间的关系BWDM光传送网

8、分层结构A光传送网与通信网之间的关系 图6-9 通信网的分层结构 BWDM光传送网分层结构(1) 分层结构(2) 光通道网络 光通道层的逻辑功能模型 光复用段层的逻辑功能块模型(3) WDM光传送网的网络单元连接模型BWDM光传送网分层结构 图6-10 WDM光传送网的功能分层模型图 BWDM光传送网分层结构 图6-11 WDM光传送网的逻辑功能模块图 BWDM光传送网分层结构 图6-12 VWP机制的波长转换过程示意图 BWDM光传送网分层结构 图6-13 WDM光传送网的网络单元连接模型图 2） WDM网络的交换形式和波长路由机制 AWDM网络的交换形式B波长路由机制AWDM网络的交换形式

9、(1) 光路交换(2) 分组交换(3) 光突发交换(4) 光分组流交换AWDM网络的交换形式 图6-14 广播式星形光网络结构示意图 AWDM网络的交换形式 图6-15 光分组交换网络节点结构 AWDM网络的交换形式 图6-16 光突发交换网络节点结构 AWDM网络的交换形式 图6-17 光分组流交换数据包格式 B波长路由机制 图6-18 WDM网络中的波长通路 3） WDM网络的关键设备OADM和OXC WDM已经成为光纤通信的主要发展方向，因而光分插复用器(OADM)和光数字交叉连接器OXC将成为光传送网中的关键器件，其性能直接对通信网络的性能构成影响。 AOADM(1) OADM的功能

10、波长上、下话路的功能。 具有波长转换功能。 具有光中继放大和功率平衡功能。 提供复用段和通道保护倒换功能，支持各种自愈环。 具有多业务接入功能。AOADM(2) OADM的基本结构 由分波器、空间交换单元和合波器组成的OADM 由耦合单元、滤波单元和合波器构成的OADM 电声光可调滤波器构成的OADM 由波长光栅路由器(WGR)构成的OADMAOADM 图6-19 OADM节点主光通道的体系结构框图 AOADM 图6-20 基于分波器、空间交换单元和合波器组成的OADM AOADM 图6-21 由耦合单元、滤波单元和合波器构成的OADM结构 AOADM 图6-22 由电声光可调滤波器构成的OA

11、DM结构 AOADM 图6-23 由波长光栅路由器(WGR)构成的OADM的结构图 BOXC(1) OXC的功能 与SDH网络中的DXC设备的功能相比，它们在网络中的地位和作用相同，但功能上存在下列区别。 OXC是在光域完成交叉连接功能的，而DXC是在电层上进行交叉连接。 OXC可以对不同速率和采用任何传输格式的信号进行交叉连接操作；DXC设备针对不同传输格式和不同传输速率的信号的处理方式不同。 DXC受电子速率的限制，交叉连接速率较低；OXC无论在交叉连接速率、接入速率以及总容量等方面，都优于DXC。 OXC中无需进行时钟信号同步与开销处理，便于网络升级(无需更换设备)，而DXC必须进行时钟

12、信号同步与开销处理，在网络升级时必须更换设备。BOXC(1) OXC的功能 OXC的实现方式 OXC共有三种实现方式：光纤交叉连接、波长交叉连接和波长转换交叉连接。BOXC 图6-24 OXC的实现方式 BOXC(1) OXC的功能 OXC的主要功能 OXC可以在光纤和波长两个层面上为网络提供带宽管理，如动态重构光网络、提供光信道的交叉连接以及本地上、下话路操作、动态调节各个光纤中的流量分布等。 同时在出现继纤故障时，OXC还能提供1+1光复用段保护。BOXC(2) OXC结构 基于WDM技术和空分复用技术的OXC 基于空分技术和可调光滤波器技术的OXC 基于分送耦合开关的第一类和第二类OXC

13、 基于平行波长的开关的OXC 完全基于波长交换的OXC结构BOXC 图6-25 OXC的一般结构 BOXC 图6-26 WDM技术和空分复用技术相结合的OXC的结构 BOXC 图6-27 基于空分技术和可调光滤波器技术的OXC结构 BOXC 图6-28 基于分送耦合开关的OXC结构 2OXC 图6-29 基于平行波长的开关的OXC结构 BOXC 图6-30 完全基于波长交换的OXC结构 4 ）采用光波分复用技术的高速光纤通信线路A影响波分复用系统性能的因素B与WDM系统设计有关的几个问题A影响波分复用系统性能的因素(1) 制作技术和成本限制(2) 串扰影响(3) 稳频(4) 阻塞特性A与WDM

14、系统设计有关的几个问题（1） WDM系统中的最小和最大光功率 最小光功率 最大光功率（2） 信噪比、通道间隔、总通道数传输距离的影响（3） 最大中继距离的计算B与WDM系统设计有关的几个问题 图6-31 典型WDM系统的结构框图 B与WDM系统设计有关的几个问题 图6-32 SNR与EDFA级联数K的关系 5） WDM网络的生存性A网络生存性的概念B网络生存性策略保护和恢复CWDM网络保护A网络生存性的概念 网络的生存性是指网络在经受各种故障(网络失效和设备失效)后能够维持可接受业务质量的能力。 经常出现的网络故障包括以下几种。 设备故障 链路故障 软件故障B网络生存性策略保护和恢复 为了保证

15、网络的正常工作，必须建立一个具有快速、可靠的交叉连接机制和重选路由技术的保护倒换方案。 就网络生存性而言，它包含两个方面的内容：保护和恢复。(1) 保护恢复技术分类(2) 网络生存性性能指标B网络生存性策略保护和恢复（1）保护恢复技术分类 按网络中所使用的协议层次进行划分： IP层恢复技术 ATM层恢复技术 SDH层恢复技术 光层恢复技术 WDM网络的恢复方案又可分为保护倒换和利用OXC重新选路进行业务恢复两种。B网络生存性策略保护和恢复(2) 网络生存性性能指标 冗余度是指网络中总的空闲容量与总工作容量之比。 恢复率是指已恢复的通道数占原来失效的总通道数的比例。 恢复时间是与恢复率有关的指标

16、，它是指在以一定恢复率为目标的情况下，恢复网络所需要的时间。CWDM网络保护(1) WDM系统线路保护方式 基于单个波长的、在SDH层上实现的1+1或1 n保护 光复用段保护(OMSP)(2) WDM环网的保护 WDM环形网络的分类 两纤环(3) 网状网的OXC保护CWDM网络保护 图6-33 采用分路器和光开光复用段保护(OMSP) CWDM网络保护 图6-34 两纤单向配置环 CWDM网络保护 图6-35 两纤双向配置环(集中波长产生) CWDM网络保护 图6-36 OXC节点的保护示意图 相干光通信系统：利用先进的调制方式（ASK、FSK和PSK）和外差接收构成的一种新型系统。 相干光通

17、信系统与IM-DD系统比较，主要有以下优点。 （1）光接收机灵敏度高，中继距离长 （2）频率选择性好，通信容量大 （3）具有多种调制方式 1相干光通信系统的组成与基本原理 相干光通信系统由光发射机、光纤和光接收机组成。 （1）光发射机 光发射机的组成框图如图所示。 调制方式 光发射机中的光调制器根据调制方式的不同，可分为ASK、FSK和PSK 3种形式，这3种形式的已调光波图如图7-26所示。 调制方式的比较 ASK方式最简单，缺点是要损失一部分光源功率，通断消光比不理想，耦合时所附加的插入损耗较大。 FSK方式的一个突出优点是无需外部调制器，可对半导体激光器进行直接注入电流调制，但这种方式对

18、激光器要求较高。 PSK方式的接收灵敏度最高可达20光子/比特，适用于长距离无中继传输，但它对光源的线宽要求极高。各种调制方式的波形 （2）光纤 单模光纤作为一种传输媒介，其作用是将已调光波从发送端传送到接收端，传送模式为基模。 （3）光接收机 光接收机的组成框图如图所示。 1光孤子通信技术的起源 孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。 1834年英国海军工程师Scott Russel观察到河面上船过后隆起的水波可以保形传输，从此揭开

19、了孤子理论的研究序幕。 1973年，Hasegawa与Tappert一起从理论上证明了光孤子脉冲能在光纤中保形传输这一现象，这种发现诱发了人们将光孤子作为一种信息载体用于高速通信的遐想。 2光孤子通信技术的基本原理 光孤子(Optical Soliton)就是一种具有双曲正割形状的光脉冲，这种脉冲在光纤中传输是利用光纤的群速度色散（GVD）和非线性作用中的自相位调制（SPM）两种影响达到平衡的情况下，从而能保持原来的形状传输。利用光孤子的这种特性，可以实现超长距离、超大容量的光通信。 3光孤子通信技术的新进展 （1）理论研究进展 （2）色散管理孤子（DMS） DMS比普通孤子系统具有更长的光中继距离，可达120140km，而普通孤子系统仅为3050km。 采用如图所示的实验装置：增益开关DFB激光器产生5GHz脉冲串，啁啾参量C=2.29，并采用普通单模光纤（SMF）和色散补偿光纤（DCF）搭配进行孤子脉冲传输，其中SMF长度为30km，D=17ps/nmkm，DCF的长度为8km，D=62ps/nmkm，通过利用DCF补偿色散，传输38km以后的孤子脉冲仍能保持原来的形状，并且啁啾参量C=1.57，也就是说经过色散补偿后的DMS改善了脉冲的传输质量。 5GHz，38k