第10章光纤通信新技术new

1、12主要内容主要内容v 光孤子通信 v 下一代光网络v 光交换技术v 智能光网络v 全光网络通信v 量子通信技术3 光孤子光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。 光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信。 光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至几万公里，目前还处于试验阶段。 我们知道，光纤通信的光纤通信的传输距离传输距离和和传输速率传输速率受到受到光纤损耗光纤损耗和和色散色散的限制的限制。光纤放大器投入应用后，克服了损耗的限制， 增加了传输距离。此时，光纤传输系统，尤其

2、是传输速率在Gb/s以上的系统，光纤色散光纤色散引起的脉冲展宽，对传输速率的限制，成为提高系统性能的主要障碍。成为提高系统性能的主要障碍。4 为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定的距离， 可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗。但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实表明，克服其害还不如利用其利。 光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变， 因而

3、形成光孤子。 5 10.1.1 光孤子的形成光孤子的形成 在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n和入射光强(光功率)无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验良好一致的结果。然而，在高功率条件下，折射率n随光强而变化，这种特性称为非线性效应非线性效应。6 在强光作用下，光纤折射率n可以表示为 n=n0+ |E|2 2n式中，E为电场，n0为E=0时的光纤折射率，约为1.45。这种光纤折射率n随光强|E|2而变化特性，称为克尔克尔(Kerr)效应效应， =10-22(m/V)2，称为克尔系数。虽然光纤中电场较大， 为106(V/m)，但总的折射率变化n=n-n0= |E|

4、2还是很小(10-10)。即使如此，这种变化对光纤传输特性的影响还是很大的。2n2n7 10.1.2 光孤子通信系统的构成和性能光孤子通信系统的构成和性能 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子光孤子流流，作为信息的载体进入光调制器， 使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。 为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA， 向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。8孤子源孤子源调制调制脉冲源脉冲源EDFA隔离器隔离器探测探测光纤

5、传输系统光纤传输系统EDFAEDFAEDFA(a) 光孤子通信系统光孤子通信系统 9 光孤子源光孤子源是光孤子通信系统的关键。是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。光孤子源有很光孤子源有很多种类，主要有掺铒光纤孤子激光器、多种类，主要有掺铒光纤孤子激光器、 锁模半导体激光器等锁模半导体激光器等 。 目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10 Gb/s时，传输距离达到1000 km；在传输速率为20 Gb/s时， 传输距离达到350 km。 对循环光纤间接实验系统(参看图7.37(b)，传输速率为2.4

6、Gb/s，传输距离达12 000 km；改进实验系统，传输速率为10 Gb/s，传输距离达106 km。 10下一代网络（下一代网络（NGN,Next Generation NetworkNGN,Next Generation Network）是以软交换为中心，以智能OTN为光传输的开放的宽带IP网络，是一种综合、开放的网络构架。从业务上看，应支持话音和视频业务及多媒体业务从网络上看，在垂直方向应包括业务层和传送层，在水平方向应覆盖核心网和边缘网。是一个极其松散定义的术语，泛指不同于目前的数据为中心的融合网络 如果特指业务层则下一代网络指下一代业务网络， 如果特指传送层，则下一代网络指下一代传

7、送网络。 泛指的下一代网可以指两者，也可单指下一代业务网络。下一代网络应该是因特网与电信网技术的结合，即IP十QoS=NGN11NGNNGN的特点的特点业务节点将是基于软交换的体系；业务节点将是基于软交换的体系；传送网络将是自动交换传送网传送网络将是自动交换传送网(ASTN)(ASTN)；城域网技术将是多业务传送平台城域网技术将是多业务传送平台(MSTP)(MSTP)移动通信将是移动通信将是3G3G和超和超3G3G技术技术 协议将是协议将是IPv6IPv612Optical(Photonic Network)ATMSDHIPIPOptical(Photonic Network)SDHIPOpt

8、ical(Photonic Network)MPLS网络的分层及其演化光传送网的功能：为透明传送光传送网的功能：为透明传送SDHSDH、PDHPDH、ATMATM、IPIP等业务等业务信号提供光通道。信号提供光通道。13光传输段层光传输段层OTSOTS 光复用段层光复用段层OMSOMS 光信道层光信道层OCHOCH ( (没有没有 虚道层虚道层 虚道层虚道层 电路层电路层 电路层电路层 PDHPDH通道层通道层 SDHSDH 通道层通道层 电复用段层电复用段层 电复用段层电复用段层 光传送网络光传送网络 电路层电路层 通道层通道层 复用段层复用段层 再生段层再生段层 SDHSDH网络网络物理层

9、物理层( (光纤光纤) )物理层物理层( (光纤光纤) )IP业务的传送IP包封成光分组、光通路连接信息适配、光通路监控光分组的复用、段信息适配、段监控在光纤介质上提供传输功能IPIP层层 采用波长交换路由技术光信道层光信道层 需要有全光交换技术、全光路由等；光复用段层光复用段层 需采用光波复用技术，如OCDMOCDM、OTDMOTDM、DWDMDWDM；光传输段层光传输段层 需解决光信号的放大、色散管理。IP头处理、分段、转发（光域）14由于IP业务量本身的不确定性和不可预性、自相似性和不对称性，IP业务对网络带宽的动态分配要求越来越迫切。传统的主要靠人工配置网络连接,原始方法耗时费力，不仅

10、难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要。自动交换传送网(ASTN)：能够自动完成网络连接以OTN为基础的ASTN称为自动交换光网络ASON （简称智能光网络）。引入动态交换是传送网概念重大突破，是传送网一次革命15现状：现状：全光网（全光网（AONAON）: :光信息流在通信网络中的传输及交换时光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，不需要经过始终以光的形式存在，不需要经过O/E/OO/E/O。光域实现放大、整形、时钟提取、波长变换等十分困难光域实现放大、整形、时钟提取、波长变换等十分困难无法在光域上增加开销对信号进行监视，管理和维护还无法在光域上增加开

11、销对信号进行监视，管理和维护还必须依靠电信号进行必须依靠电信号进行不能组成全球性全国性的网以实现全网内的波长调度不能组成全球性全国性的网以实现全网内的波长调度和传输和传输目前的光传送网目前的光传送网智能性智能性很低，大部分采用的都是固定的很低，大部分采用的都是固定的光链路连接模式，对高速带宽的指配基本上是静态的，不能光链路连接模式，对高速带宽的指配基本上是静态的，不能满足可预见的客户层需求。满足可预见的客户层需求。光传送网络的全光化和智能化光传送网络的全光化和智能化16主要发展趋势：主要发展趋势： 组网方式组网方式开始从简单的点到点传输向光层联网方开始从简单的点到点传输向光层联网方式前进，改进

12、组网效率和灵活性；式前进，改进组网效率和灵活性； 光联网将从静态联网开始向智能化动态联网方向光联网将从静态联网开始向智能化动态联网方向发展，改进网络响应和生存性是未来发展的一项主要发展，改进网络响应和生存性是未来发展的一项主要任务；任务； 智能网络对于运营商在竞争中推出与众不同的服智能网络对于运营商在竞争中推出与众不同的服务，以及节省运营开支起着至关重要的作用。务，以及节省运营开支起着至关重要的作用。 17能能功功络络网网时间时间1996201020002005WDM点到点传输OADM具有静态光上下路功能的W D M点 到 点传输DWDM点到点传输OADMOADMOADMOADM具有动态光上下

13、路功能的D W DM传 送 网OADMOADMOADMOXC具有动态光上下路和静态光交叉互连功能的D W D M 传送网OADMOADMOXCOXCOADMOADMOADMOADMOADMOXCOADMOADMOADM全动态光上下路/ 光交叉互连D W D M传 送 网OADM具有静态光上下路功能的D WDM点 到点传输18光交换：对送来的光信号直接进行交换，无需光光交换：对送来的光信号直接进行交换，无需光/ /电电/ /光变换光变换实现全光通信的关键技术实现全光通信的关键技术n 光的“电路”交换（OCS:Optical Circuit Switching） 空分光交换 时分光交换 波分/频分

14、光交换 码分光交换 n 光分组交换（OPS: Optical Packet Switching） ATM光交换 IP包光交换 光突发交换n 复合光交换：采用两种或多种交换方式 19空分光交换（Space Division Optical Switching）技术是指通过控制光选通元件的通断，实现空间任意两点（点到点、一点到多点、多点到一点）的直接光通道连接。实现的方法是通过空间光路的转换加以实现，关键器件：光开关及相应的光开关阵列矩阵。 光耦合器 呼叫处理中心 用户 监控电路 88 光开关矩阵 光耦合器用户用户光耦合器20时分光交换（Time Division Optical Switchin

15、g）是以时分复用为基础，用时隙互换原理来实现交换功能。时隙互换是指把N路时分复用信号中各个时隙的信号互换位置。时分光交换中最核心的工作是将时分复用信号顺序地存入存储器并将经过时隙互换操作后形成的另一时隙阵列顺序地取出。关键器件：光开关和光存储器 1 2 . N1 2 . N 1 2 N时隙 帧 输出 复接器 1 2 4 3 3 4 4 3 1 1 延迟 2 2 延迟 延迟 延迟 4 1 3 2 输入 1 2 3 4 1 2 3 4 分接器分接器复接器时分复用原理时隙互换原理等效的空分交换21波分光交换（Wavelength Division Optical Switching）技术是以波分复用

16、原理为基础，结合空分光交换技术，通过波长选择或波长变换的方法实现交换功能关键器件：光交叉连接器（OXC）和光波长转换器。 波长变换法交换波长选择法交换每个空分交换机可能提供的连接数为NN，故整个交换机可提供的连接数为N2W。每个空分交换机可能提供的连接数为NWNW，故整个交换机可提供的连接数为N2W2。22码分光交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码字之间的交换。在光码分复用多址(OCDMA)网络中，每个用户都分配有一个惟一的地址码，可以用来进行地址识别、路由选择，即可利用用户的地址码实现全光自路由和光交换光码分交换原理 23光分组交换(OPS)：从信源到信宿的过

17、程中数据包的净荷部分都保持在光域中，而依据交换/控制的技术不同，数据包的控制部分(开销)可以在中间交换节点处经过或不经过O/E/O变换。目前解决方案：传输与交换在光域实现，路由和转发功能以电的方式实现。 光分组交换完成功能：选路；流量控制与竞争解决方案；同步分组头的产生/插入光分组交换具有巨大的竞争力：光分组交换具有大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点光分组交换把大量的交换业务转移到光域实现，能实现交换容量与WDM的传输容量相匹配。光分组技术与OXC、MPLS等新兴技术的结合，实现网络的优化与资源的合理利用。24 ION（智能光网络）：在光路由和信令控制下完成自动交换连接功能的新一代的

18、光网络，是一种具备标准化智能的光传送网 ASON(自动交换光网络)的关键技术指在专门信令网控制之下完成光传送网内光网元连接的、具有自动交换功能的一种新型网络，可以被看作是新一代光传送网或下一代光传送网，目前已成为光通信领域研究的热点之一。 ASONOTN+标准化智能n 可以动态分配光通路n 实现端到端连接的保护和恢复n 实现数据网网元与光层网元的控制协调，将光网络资源与数据业务分布自动地联系起来25ABCTMN请求建立请求建立的通道的通道网络操作者网络操作者用户用户用户用户传统光网络的通道建立方式：通过网管系统人工配置26TMN 连接建立连接建立 连接拆除连接拆除AB TMN for O&am

19、p;MLERLERLERLERACC 专用记费系统专用记费系统通道的自动建立：按带宽需求需建立通道，自动选择路由ASON: Automatic Switch Optical Network 自动交换光网络272000年3月在国际电联ITU-T SG13工作会议上正式提出ASON,适应光传送网OTN的自动化和智能化的发展ITU-T SGl3命名为ASTN，主要从高层描述ITU-T SGl5命名为ASON，主要从相对细节的结构描述在ITU-T的20012004研究期由SG15承担光互联网论坛（OIF）主要从用户节点接口方面提出业务和相关信令的要求Internet 工程任务组（IETF）主要从信令和

20、选路方面对自动交换光网络进行要求光域业务互联（ODSI）组加快定义与智能光网络的开放式接口28有两种基本网络结构，有两种基本网络结构，即重叠模型结构和对等模型结构。即重叠模型结构和对等模型结构。 重叠模型重叠模型又称客户又称客户- -服务者模型（服务者模型（ITUITU、光互联论坛（、光互联论坛（OIFOIF）和光域业务互）和光域业务互联（联（ODSIODSI）等支持）。）等支持）。 实施方法实施方法：将光层特定的控制智能完全放在光层独立实施，无须客户层干预。光层将成为一个统一、透明、开放的通用传送平台，可以为包括IP层在内的多种客户层提供动态互连。这种模型有两个独立的控制平面，一个在核心光网

21、络即光网络层，另一个在客户层，两者之间不交换信息，独立选路，最大限度地实现了光网络层和客户层的控制分离。 对等模型对等模型也称集成模型和混合模型（也称集成模型和混合模型（IETFIETF所支持）所支持） 实施方法实施方法：将光网络和IP网看成一个集成的网络，运行同样的控制层面进程，实现一体化的管理和流量工程。其基本思路是将IP层用于MPLS通道的选路和信令经适当修改后直接应用于包括光传送层在内的各个层面的连接控制。2930在光层实现动态业务分配，可根据业务需要提供带宽，是面向业务的网络；具有端对端网络监控保护、恢复能力；具有分布式处理功能；与所传送客户层信号的比特率和协议相独立，可支持多种客户

22、层信号；实现了控制平台与传送平台的独立；实现了数据网元和光层网元的协调控制，将光网络资料和数据业务的分布自动地联系在一起；与所采用的技术相独立；网元具有智能性；（智能配线架、智能光放大器等）可根据客户层信号的业务等级(CoS)来决定所需要的保护等级。31三个平面：三个平面： 控制平面、传送平面、管理平面控制平面、传送平面、管理平面PI：物理接口 I-NNI：内部网络网络接口 CCI：连接控制接口 NMI-T：网络管理接口TUNI：用户网络接口 E-NNI：外部网络网络接口 ISI：内部信令接口 NMI-A：网络管理接口A 3233 控制层面：利用实时信令和协议系统，动态控制OTN的端到端光通道

23、连接（建立、拆除和修改等）。 控制平面的引入是ASON不同于传统OTN的一个根本点，它包括了一系列实时的信令及协议系统，负责快速有效地对网络中的端到端连接进行动态控制，如连接的建立、删除及修改等等。 管理层面：类似OTN网管系统，通过控制层面对ASON进行监测和管理。 与传统OTN中的网络管理系统、组成结构相当。 传送层面：系列的传送实体组成，它是业务传送的通道，可提供端到端用户信息的单向或者双向传输。 光节点使用具有智能的光交叉连接(OXC)和光分插复用(OADM)等光交换设备34 全光网络(AON) ：光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，即信息从源节点到目的节点的整个过程

24、中都处在光域内，电光转换与光电转换仅仅存在于信源端(发送端)和接收端。 特点n 带宽不再受制于电子器件的“瓶颈”极限，能提供更为巨大的带宽容量n 所有信息处理都在光域进行，节省成本，提高了系统的可靠性和运行速度n 具有业务和协议透明性，允许采用不同的速率和协议，网络灵活性高、可扩展性好。35 OADM TM ：终端复用 EMS ：网元管理系统 NMS ：网络管理系统 0 1 NOADM WDM-TM 0OXC 0 NMS/EMS WDM-TM基于WDM技术的全光网络结构（端到端 ）36OADMOADMOADMOADM OADMOADMOADMOADM 接入层光路信号速率： 2.5Gbps 以上

25、816OADM接入网OLS:光线路通信系统 40OXC城域网核心层光路信号速率： 10Gbps 以上 OXC网状网 自愈环OADMOADM核心网（长途干线）OLS OLS4080 4080 OXCOLSOLS OXC OLSOADM37光复用充分利用光纤的传输带宽资源，完成各分层网络之间的分路、合路与组网。从复用原理来划分，光复用方式可采用光波分复用、光时分复用和光码分复用等方式。光交换和路由全光网络中关键光节点技术，主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路。波分复用全光网络关键工作就是波长变换(WC)从功能上划分OADM是OXC的特例，OXC是光交换/光路由的特例高速、远距离传输解

26、决光纤线路衰减和光分路损耗导致的光功率下降问题（OA）解决光纤色散和非线性效应导致的脉冲波形展宽问题（色散补偿）38光信息处理光交换、光复用、光调制和光放大等全光信息再生、全光时钟提取、光集成、光存储、光计算全光器件高功率、窄谱线、高调制速率的激光光源低损耗、小色散、更宽传输窗口的光纤高速率高灵敏度低噪声的探测器高性能的光交换/光路由器和光放大器全光通信的一个发展方向是器件的全光纤化39 利用光在微观世界中的粒子特性，让一个个光子传利用光在微观世界中的粒子特性，让一个个光子传输输“0”0”和和“1”1”的数字信息。的数字信息。 用量子态来表示信息是量子信息的出发点，有关信息的所有问题都采用量子

27、力学理论来处理。 原理原理n量子态是信息的载体，量子信息的加工处理归根到底是一种量子态的操纵过程 信息传输就是量子态在量子通道中的传送， 信息处理（计算）是量子态的幺正变换， 信息提取便是对量子系统实行量子测量。 n量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置 40亚泊松态激光器 光纤 信号 信号 量子无破坏检测 调制器 光纤 亚泊松激光 规定电平 QND LD 比较器 量子无破坏（QND）检测的原理：让信号光通过光学克尔介质，该介质具有克尔效应，因而可以使折射率随着信号的强弱变化而变化。当探测光通过介质时，会受到变化的折射率的调制，将信号转载到探测光上，通过对探测光的解调，得到原始信号。亚泊松态激光器的工作原理：激光二极管LD输出经过量子无破坏(QND)检测，输出与规定电平