光纤通信系统与网络的背景知识

1、Outline,相关背景知识 光交换 光分组交换（OPS,OBS,OLS） 自动交换光网络（ASON) 城域光网络,背景知识,光纤通信的产生 -激光与光纤的发明 光纤通信系统的演变 -EDFA+DWDM的突破 光纤通信网的快速发展 - 呼唤Switching+Buffering技术,光纤通信的产生-激光与光纤的发明,1958 发表红宝石激光器论文,Schawlow and Townes Invent the Laser,1958 scientific paper, Infrared and Optical Masers, by Arthur L. Schawlow, and Charles H

2、. Townes, Physical Review,Masers and Maser Communications System Laser Patent Number(s) 2,929,922,1960 Maiman世界上第一个红宝石激光器问世,Dr. T H Maiman with the first ruby laser,1966 高锟 理论预言,1998 International Lecture by IEE, Prof Charles Kao inventor of fibre optics,1970 康宁制出低损耗光纤(20dB/km),2000， President Clint

3、on announced the winner of National Medal of Technology of 2000 to Corning inc. Of inventors of low loss optical fiber For the 1970 team of corning scientists honored for breakthrough that transformed telecommunications, paved way for the internet. Donald B. Keck. Robert D. Maurer Peter C Schultz,光纤

4、通信系统（1st G),电复用 电解复用,第二代光纤传输系统(2nd G),第三代光纤传输系统(3rd G),Beginning,From a paper,IEEE Communication Magazine,.,September 2003 Vol.41 No.9 After the Optical Bubble: The Reality Check Sudhir S. Dixit and Jacek Chrostowski,Next-Generation Optical Networks as a Value Creation Platform Botaro Hirosaki, Kats

5、umi Emura, Shin-ichiro Hayano, and Hiroyuki Tsutsumi, NEC Corporation,next-generation optical network,A Road map of an all-optical Network,Technologies Innovations example:,Evolution of High Capacity DWDM system,OXC,Selected Paper ended,Contents,Background of fiber optics Current optical networks Fu

6、ture of optical networks,Background of fiber optics,Optical fiber Laser Optical fiber Communication system,Current optical networks,Key techniques Networks evolution,How Much is 10 Gb/s,1. ASCII Character (8 bit) 109 Char./s (1000 books) 2. Voice Channel (64Kb/s) 155,000 Channels 3. HDTV (600Mb/s) 1

7、6 Channels Compressed (20Mb/s) 500 Channels 4. HIPPI (800Mb/s) 12 Channels 5. Gigabit Ethernet (1Gb/s) 8 Channels,2.8 Terabit,T3 - 45 Mbps OC48 - 2.5 Gbps Tbps,Time for 2.8 Terabit,Communication Rate,25 hours 15 minutes 2.8 seconds,Other Traffic Sources,DOD Information Superiority Requires Terabit B

8、attlefield Communications,1 ft x 10 bits,Radar/SAR Multi-spectral sensors - Infrared - ?wave - RF (Tbps),100 miles,100 miles,SuperNet Applications,DARPA,24,几种关键技术的发展速度,It took about a century to install the worlds first 700 million phone lines; an additional 700 million lines will be deployed in the

9、 next 15-20 years. There are more than 200 million wireless subscribers in the world today; an additional 700 million more will be added over the next 15-20 years. There are more than 200 million cable TV subscribers in the world today; 300 million more will be added over the next 15-20 years. More

10、than 100 million additional Internet users will come on-line by 2001.,The Communications Revolution is fueled by the Incredible Pace of Change,Technology Silicon chips Photonics Data/Web Wireless Power Compression Software,Trend 2 is density/speed every 18-24 months 2 in transmission capacity every

11、year 2 Internet subscribers every 2-3 years 2 Internet hosts/servers every year 1000 in capacity every 5 years 2 MIPs/MIW every 2 years (DSPs) 2 in information density every 5 years From closed to open environment for creating network services,21 世纪的传输：Tbit 到干线网 Gbit 到办公室/家庭 Mbit 到个人,Originating Ban

12、dwidth U.S. Interstate Communication Traffic,Service drivers for Broadband Networks,网络业务量变化的战略趋势,根据初步分析,今后5到10年中国网上的数据 业务量将可能会超过话音业务量。 (7-8年最有可能,干线网可能仅3年) IP业务将最终成为主导的联网协议。 业务总量将有大幅度增加(几十倍)。 传统电话网将不可避免要过渡到分组交换为 基础的融合的下一代网，下一代网将最终支 持包括话音在内的所有业务。,Optical Networking ( Core Long Haul ) Probable View - H

13、ybrid Rings USA CA*net 3:Canada Keops:EU, explained inlater time,vBNS = NGNet,Map of Network,NGNet Node,CA*Net3,Router,IP业务的增长速度远高于摩尔定律，路由器容量的发展不能适应IP业务的增长，必须引入光技术,Future of optical networks,Challenges Trends New networks, new chances,通信网络面临的挑战,如何高效利用光纤提供大量的带宽资源？(How to make full use of optical fibe

14、r bandwidth?) 由于DWDM等相关技术的发展，每根光纤传输速率达到7Tb/s,但是节点处的电子瓶颈限制了光纤提供的带宽资源的利用 如何使光层变得“灵巧”和“智能”,通信网络面临的挑战,归根结底：如何建立适于承载未来互联网业务的光通信网络？,光通信网络的演进,光通信网络正在进行深层次的变革,70s-80s,跨世纪,光通信网络的发展趋势（1）,光网络将从不透明逐步走向透明,透明子网中光通道实现端到端的连接 不透明节点实现子网间互联，包括电子3R再生 随着光子技术的发展，透明子网的范围逐步扩大， （网络层次中产生光传送层）,透明节点,光通信网络的发展趋势（2）,光技术的发展重点将从容量向

15、光连接甚至“光层智能”发展,IP对光网络的影响向深层次扩展,光IP路由器,IP over WDM 或 packet over wavelength 成为研究热点 标签交换概念扩充到光层，波长成为一种标签 有可能在光层上实现全光分组交换，直接承载IP,router,OXC,光标签交换 （OLS）,未来全光分组交换,光通信网络的发展趋势（3）,Layer 3,Layer 2,Layer 1,Opt. Layer,Wrap layer,Tomorrow,Future,IP over WDM,下一代骨干光网络的要求,下一代骨干光网络必须面向未来的互联网业务,开放的、支持多业务open 灵活和易升级的

16、flexible 更高效的保护与恢复策略 更简单有效的网络控制和管理（NC&M）,针对未来IP业务的种类、业务量的不可预测性和IP业务的突发性(Burst,unexpected),未来光网络方案,基于动态波长路由的光传送网 数字包封 MPLmS (MPS) OXC 光分组交换网 光标签交换网（OLS） 光突发交换（OBS） 超高速光时分复用网（OTDMA）,基于动态波长路由的光传送网,数字包封 MPLmS (MPS) OXC,0基于动态波长路由的光传送网,光传送层与业务层一起实施网络功能， 光层上的网络功能包括： 通过波长路由实现端到端的光路径建立、保持和拆除； 光路径的保护与恢复,1数字包封

17、技术（1） Data Assembling,IP层与光层间加入包封层，实现IP over WDM,Optical transport layer,每个波长通道包含端到端的 OAM, 与带外1.51m的监控相比，以适应网络的复杂性，并支持更强的网络管理 支持多业务（ATM， IP， SDH， GbE, PDH. ） 帧结构中，各种业务是透明的，具有开放性 支持FEC，提高OSNR，适于更大透明传输范围 在网络边缘可以通过线速电子3R再生,特性与解决的问题,1数字包封技术（2）,2多协议波长交换MPS（1）,IP 路由器,OXC,将MPLS的概念引入OXC 将OXC看成一个标签交换路由器 将波长作

18、为一种标签 Router recognize the wavelength only to choose route,IP路由器分组的转发（作为边缘路由器，） OXC实现流的交换（作为核心交换机） MPS：完成流的收集，业务分类等QoS功能 及光层路径的建立、保持与拆除等功能,2多协议波长交换MPS（2）,特性与解决的问题,充分发挥电子与光子的优点，电子处理复杂的但耗时转发功能，光子处理相对简单且快速的交换功能 借用MPLS的业务工程和流汇集等实现QoS功能； 通过改进较成熟的标签交换信令CR-LDP或RSVP-TE和 OSPF和IS-IS等路由协议动态地建立和管理光路径和分布式路由控制,3光

19、交叉互连（OXC）,功能：光通道的交叉连接功能和本地上下路功能 实现方案：基于空间交换、基于波长交换 主要指标： 只支持波长通道，还是支持虚波长通道（决定于是否具有波长转换功能） 阻塞特性：绝对无阻塞（支持虚波长通道）、可重构无阻塞（通过路由算法来解决）、阻塞 链路模块性：不需要改动现有结构，就可增加节点的输入/输出链路 波长模块性：不需要改动现有结构，就可增加每条链路中复用的波长数 广播发送能力 成本,OXC基本结构,特点： 具有波长模块性，不具备 链路模块性 只支持波长通道 阻塞型 加入波长转换器，可支持 虚波长通道,特点： （a）具有波长模块性，不具有链路模块性 （b）具有链路模块性，不

20、具有波长模块性 具有广播发送能力，支持虚波长通道,基于波长交换的OXC-NN AWG,光分组交换网,光标签交换网（OLS） 光突发交换（OBS） 超高速光时分复用网（OTDMA）,WHY optical packet?,Inherit from electrical packet, Especially from ATM,IP etc.,光分组交换网络,建立光分组网络的必要性,传送网络中的光路径建立时间在秒至分钟量级，对于传送突发性高的IP业务效率较低；分组网则可达ms甚至ns级 efficiency in channel 传送网络中的用于路由的波长资源虽在不同区域可重复使用，但总体上来说是稀

21、缺的；分组网通过信头路由，足够满足；utility of wavelength 传送网络中可管理的带宽粒度是一个波长，（达2.5,10甚至40Gb/s ），可能太粗，而分组网管理的带宽粒度可调整，可达到最佳；(granularity:packet length suitable for different services 路径的保护与恢复将更加灵活(protection and recovery :agility)(Some body think ? ),网络结构 network structure,X,X,X,X,X,Electrical Subnetwork,Optical packet

22、 switching network,Global WDM Transport network,Edge interface,optical packet switching node,Input interface,Switching matrix,Output interface,Header processing and switch control,switching,buffering,分组网络中的光节点基本结构 Optical node,Network Mgmt,What the optical packet is,Header and Payload,Header and Pay

23、load,A optically transparent payload and header for electronic processing,B All-optical processing,(which we mainly concern),Header Format I,Channel-associated TDM,payload,header fixed length with lower bit rate,header guard time,packet guard time,Requirement of high-speed electronic processing,Head

24、er Format II,Format III,One wavelength for header One wavelength for payload,lh,lp,More?,E-Packet(l1)+O-Packet (l2),Packet Synchronization,Flag recognize & electronic control,T/2,T/2n,Static delay,Static delay: matching with electronic processing speed precision: T/2(n+1),Switching Matrix I,1,2,3,4,

25、space interconnection,multi-wavelength input,wavelength-shared optical buffer,1,4,2,3,1,3,2,2,1,3,3,1,2,3,4,Switching Matrix I,1- 4,1- 4,16/1,1- 4,1- 4,gate,space switch,demux,TOWC,44 WDM packet switch with 4 wavelength I/O,Space for routing, delay line for buffering, TOWC for sharing the buffer wit

26、h wavelength,Switching Matrix II,Wavelength Routing + Wavelength Interconnect,wdm demux,combiner,Switching Matrix II,One plane of wavelength routing node,TOWC,MUX/DEMUX,分组光网络的关键技术及现状,由于光信号处理技术正处于发展阶段，特别是光同步远未成熟，为了同时充分发挥光子和电子的优点，目前分组光网络方案有：,光分组交换网络的方案,光标签交换网络（OLS） 光突发交换网络（OBS）,同时对基于超高速全光信号处理技术的光时分多址（OTDMA）进行研究,光标签交换（OLS）网络,将标签交换的