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第十二章 光网络. 本章内容. 基本网络结构 同步数字传输体系: SDH/SONET 广播选择网络和波长路由光网络 光纤非线性对网络性能的影响. 12.1 基本网络. 一些网络的基本术语: 1. 数据终端设备:计算机、终端、电话 2. 网络:数据终端设备通过传输信道进行互联的产物 3. 节点:网络中数据汇集和转接的设备,如路由器、交换机 4. 网络拓扑:信道连接节点或数据终端的逻辑关系 5. 交换:通过中间节点将信息从源传到目的站点的过程 6. 路由:为信息传递寻找通过网络路径的过程 7. 协议:信息的传递规则. 网络分类. 八纵八横光纤网.
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本章内容 基本网络结构 同步数字传输体系:SDH/SONET 广播选择网络和波长路由光网络 光纤非线性对网络性能的影响
12.1 基本网络 一些网络的基本术语: 1. 数据终端设备:计算机、终端、电话 2. 网络:数据终端设备通过传输信道进行互联的产物 3. 节点:网络中数据汇集和转接的设备,如路由器、交换机 4. 网络拓扑:信道连接节点或数据终端的逻辑关系 5. 交换:通过中间节点将信息从源传到目的站点的过程 6. 路由:为信息传递寻找通过网络路径的过程 7. 协议:信息的传递规则
网络分类 八纵八横光纤网 接入网 99-00年 – 上海科技网改造
几种基本的网络拓扑 总线型 星型 环形 格型 局域网、接入网 (树型) 城域网 骨干网
网络拓扑——总线型和星型结构 光局域网 光接入网 控制简单,节点对网络资源一般采用时分复用的方式进行访问
网络拓扑——环型结构 具有较强的灵活性 和自愈能力,当网 络发生故障时能快 速进行业务的保护 倒换。环网一般用 于城域。
网络拓扑——格型结构 具有较强的灵活性和自愈能力, 但是网络控制比较复杂。这种 拓扑结构一般用于广域网。
无源总线网络 损耗类型: 1. 光纤路径损耗 A0 = 10-aL/10 2. 连接点的损耗 Lc = -10log(1-Fc),其中Fc为损耗比例 3. 收发器抽头损耗 (耦合效率为CT)Ltap = -10logCT 4. 无用的光耦合损耗 Lthru = -10log(1-CT)2 5. 本征传输损耗 Li = -10log(1-Fi),其中Fi为功率损失比
相邻站点的功率预算 P1,2 2 1 L P0 相邻站点的损耗: 1. 光纤路径损耗 A0 = 10-aL/10 2. 4个连接点,每个连接点的插入损耗为 Fc 3. 2个收发器抽头效率CT 4. 2个耦合器本征传输损耗,每个耦合器损失的功率比为Fi 那么,站2所能检测到的功率为: 于是,损耗的功率分贝值为:
节点1和N之间的功率预算 第1站通过耦合器进入第一段光纤的功率比例 通过中间各站耦合器的功率比例 中间各段光纤的路径损耗 第N站从总线进入耦合器的功率比例 x N 1
节点1和N之间的功率预算 进一步可以得到从站1到站N的损耗分贝值: 每个站检测器需要能够检测的动态范围为: 损耗类型: 1. 光纤路径损耗 A0 = 10-aL/10 2. 连接点的损耗 Lc = -10log(1-Fc),其中Fc为损耗比例 3. 收发器抽头损耗 (每个抽头耦合效率为CT)Ltap = -10logCT 4. 无用的光耦合损耗 Lthru = -10log(1-CT)2 5. 本征传输损耗 Li = -10log(1-Fi),其中Fi为功率损失比
星型网络 总的耦合器损耗等于器件附加损耗 Lexcess与功率分配 Lsplit损耗之和。其 中附加损耗表示为: 在理想的星型耦合器中,任意端口输入的 光功率都平均分配到各个输出端口。因此, 分配损耗为:
星型网络 那么,从一个节点到另一个节点的损耗等于附加损耗Lexcess、功率分配Lsplit损耗、连接器损耗以及路径传输损耗之和:
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12.2 SONET/SDH 产生背景: 时分复用技术的产物 为了方便低速信号到高速信号之间的互通 满足更加丰富的数据通信需求 在多业主干线网中允许不同服务供应商光纤传输设备互通 产生历史: 1984年美国贝尔提出光同步传送网(SYNTRAN) 1985年更名为同步光网络(SONET),并成为美国正式标准 1986年这一体系引起了 ITU-T的关注 1988年 ITU-T接受了SONET的概念,修改后更名为同步数字体系 (SDH),能同时适于光纤、微波和卫星传输
SONET STS-1和STS-N帧结构 网管信息 性能监视、统计、信号标记等 STS-N由N个STS-1字节 间插而成,N = 1, 3, 12, 24, 48, 192, … 《光同步数字传送网》 韦乐平
SONET/SDH的速率等级 两套相互兼容的标准 北美标准 SONET (ANSI T1.105.06) 欧洲日本标准 SDH (ITU-T G.957)
SONET/SDH环 UPSR 二纤、单向通道切换环 APS < 50 ms 正常运营时,信号沿顺时针方向传播,发生故障时业务倒换到 保护通道上
SONET/SDH环 BLSR 二纤或四纤、双向链路切换环 BLSR比UPSR选路更加灵活
SONET/SDH网络 骨干互联 本地低速业务 城域业务 ADM是关键设备,用于子信道的分插复用
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12.3 广播选择WDM网络 广播选择网络 (采用无源星型、总线型实现本地应用) —单跳网络:信号全光地从源发送到目的 —多跳网络:信息到达目的前经过若干次电处理 d s i d s
广播选择单跳网络 单跳网络:每个接收机都监视所有波长,并将寻址到本地的那 个波长通过可调滤波器选出 星型 优点:可以支持广播、对协议透明 缺点:需要快速波长可调的滤波器 需要业务调度机制避免冲突 总线型
广播选择多跳网络 多跳网络:(1) 每个节点配备几个固定波长的收发模块 (2) 发往其它站点的信息需要经过中间站路由转发 (3) 中间站信号经历“光-电-光”转换 – 多跳 避免了信息的碰撞,但是 由于信息需要中转,增加 了网络带宽的开销和功率 的衰减
洗牌多跳网 Shuffle Net 包含k列,每列pk个节点 (p为节点配备的固定收发机数目) 的柱状结构。因此,一个规模为 (k, p) 的网络包含 N = kpk个节点和kp(k+1)个波长。 (k = 2, p = 2) (k = 2, p = 3)
8=32-1 3 6=32-3 洗牌网的跳数 从源节点到目的节点要经历的最大跳数为Hmax = 2k – 1,而平均跳数为:
网络容量 网络多跳机制使得一条链路需要为多个源-目的节点对服务 比如链路(1,12) 服务于112和012等其它多个通信任务 网络总共有 kpk+1条链路,网络 平均能建立的通路数为: 上式可以衡量网络可以提供的 容量。则分摊到每个节点的容 量: 说明增大p (减小k) 可以扩大网 络容量
广播选择网络存在的问题 单跳网络中所需的波长数与节点数相当 多跳网络中以平均跳数的增加换取波长数量的减少 无法在大范围内实现互联,尤其是星型网络和总线网络中使用 了耦合器使得信号衰减严重
12.4 波长路由网络 格形网络拓扑 在不同的链路可以实现波长重用 节点执行波长信道的交换 采用有源交换设备构成广域网
光交叉连接节点:全光交换 电控光耦合器、SOA、MEMS AWG AWG
波长变换 波长连续性限制 当输入端有两个波长相同的信道需要交换到同一根输出光纤 时,会发生阻塞。此时加入波长变换器可以消除这种冲突, 增加波长重用的灵活性。
没有波长变换器时的网络性能 考虑网络中一条由H段光纤构成的链路AB。A 到 B的连接请求 是否能得到满足,决定于链路中是否有一个波长在所有 H条光 纤中都处于空闲状态。那么这种情况下,请求的阻塞率为: 其中 F为波长数。 由于波长连续性限制,即使在某些跳有空闲波长的情况下,连 接依然无法建立,空闲波长资源被闲置。 B A H = F = 3
没有波长变换器时的网络性能 给定阻塞率时,波长利用率为: H增大波长连续性限制越显著 H增加 -> 空闲波长资源被闲置率增加
有波长变换器时的网络性能 此时,AB之间的连接请求的阻塞率取决于该链路上是否还有 空闲波长: 给定阻塞率的情况下, 可以得到波长利用率: pb很小时 B A H = F = 3
12.5 非线性对网络性能的影响 挑战: 尽可能高的数据率 尽可能少的放大器 尽可能长的距离 影响因素: 群速率色散 EDFA非平坦增益 偏振模色散 反射致光源不稳定 非线性效应
本章内容 基本网络结构 同步数字传输体系:SDH/SONET 组网方式:广播选择网络和波长路由光网络 光纤非线性对网络性能的影响
非线性效应的分类 所有的非线性效应均与信号光功率的强度有关,当输入信号光 功率超过一定阈值时便会引起非线性效应: 1. 非线性非弹性散射:光信号与光纤中分子的相互作用 - 受激布里渊散射 (SBS); - 受激拉曼散射 (SRS); 2. 非线性折射率变化:光纤折射率随光强的变化而变化 - 自相位调制 (SPM); - 交叉相位调制 (XPM); - 四波混频 (FWM)
非线性效应带来的后果 1. SBS、SRS及FWM等非线性过程对某些信道则产生功率损耗而对另一些信道提供增益,从而使各个波长间产生串扰 2. SPM和XPM都只影响信号的相位,从而使脉冲产生啁啾,这将会加快色散引起的脉冲展宽,尤其在高速系统中 非线性效应在传输过程中将带来信号损伤。此时需要获得附加 的功率才能维持BER与无非线性效应影响时的一样。这部分的 附加功率就称为非线性带来的功率损伤。
有效距离 在给定光强下,非线性效应对信号的影响随距离的增大而增 加。但光纤损耗使信号在传输的过程中连续下降,给分析造 成困难。因此,对于实际传输距离 L,引入一个有效长度Leff 的概念。在Leff内,可以假设光强不变: 当l = 1550 nm,a≈0.22 dB/km,L 时,Leff = 20 km。 P P P0 P0 等效 Leff L L
有效面积 在给定光强下,非线性效应对信号的影响随距离的增大而 增加。但是,光强反比于光纤纤芯的横截面积。由于光功率在 纤芯内分布不均,为简单起见,截面采用有效面积Aeff表示。 普通单模光纤的Aeff 80 m2 色散位移光纤的Aeff 55 m2 色散补偿光纤的Aeff 20 m2 r P P Pc Pc 等效 Aeff r r
受激拉曼散射 (SRS) 泵浦光子 hv1 hv2 斯托克斯光子 vm 吸收 SRS是一种非弹性散射 SRS使WDM信道中短波长能量向长波长转移,导致: 1. 短波长能量损耗 2. 长波长信号被串扰
拉曼增益带宽 Dv < 16 THz时,拉曼增益gR随Dv的增加而线性增加
受激拉曼散射导致的功率损伤 阈值功率:输入光有一半功率转化到斯托克斯光时的输入功率 Pth≈16Aeff/gR,peakLeff 例: SMF中Aeff=80mm2 Leff=20km gR,peak=7×10-13m/W Pth910 mW 一般系统应用中,入纤功率不大于 10 mW,因此 SBS通常不起很大作用。
拉曼放大器 泵浦光 信号光 信号光 泵浦光
受激布里渊散射 (SBS) 三者满足动量守恒 hv1 声子 hv2 vm 斯托克斯光 当入纤功率高于一个阈值的时候发生SBS现象,入射光的一部分能量转化为反向传播的斯托克斯光,造成正向传播的光信号的衰减。另外,反向光入射到光源会造成光源工作不稳定。
布里渊频偏 斯托克斯光相对于入射光的频率差称为布里渊频偏: 其中:n是介质折射率 Vs是介质中的声波传播速率。 例: 光纤折射率为1.45,Vs = 5.76 km/s,工作于1550 nm附近,那么频偏为11 GHz (0.09 nm)。这表明,在 WDM 系统中,布里渊散射一般不会造成信道间的串扰。