2-全光通信网
全光通信网技术课程设计
全光通信网技术课程设计简介全光通信网（All optical communication network）是指利用光信号传输代替电信号，在整个通讯系统中不采用电子学元件，只使用光学元件的通信网络。
相对传统的光纤通信网路，在光传输和光探测之间至少有电子转换环节，而在全光通信网路中不需要电子转换环节。
全光通信网是我国新一代光通信网路的重要组成部分。
本课程设计旨在让学生深入了解全光通信网路的基本结构、光传输技术和光探测技术，并对其进行实际操作演练，以提高学生对全光通信网路的理论和实践能力。
设计目标本课程设计的主要目标是培养学生全光通信网技术的实际操作能力，具体目标如下：1.熟练掌握全光通信网路的基本结构、光传输技术和光探测技术。
2.掌握实现全光通信网路的相关设备和软件工具。
3.进行全光通信网构建实验，并对其进行完整项目设计实现。
4.掌握全光通信网故障排除和维修技能。
设计内容理论部分基础知识1.全光通信网路概述2.全光通信网路的优点与局限性3.通信光波的基本概念4.全光通信网路中的光纤传输技术5.全光通信网路中的光探测技术高级知识1.全光通信网路的构建（各难点）2.全光通信网的光传输技术（各难点）3.全光通信网的光探测技术（各难点）实践部分实验一：简单的全光通信网路构建本实验旨在让学生了解全光通信网路的基本结构和设备，实现能够实现双向通信的简单全光通信网路。
实验内容1.使用全光通信网路构建软件工具进行全光通信网路的绘制和模拟。
2.实现通过全光通信网路实现双向数据传输的功能。
3.对全光通信网路在数据传递时进行性能测试和优化。
实验二：复杂的全光通信网路构建本实验旨在让学生通过实践掌握全光通信网路构建的基本方法，以及理解网络工程的技术实现和应用环境。
实验内容1.使用全光通信网路构建软件工具进行复杂全光通信网路的绘制和模拟。
2.对全光通信网路进行构建、验证和测试。
3.对全光通信网路的性能进行评估，并进行改进和优化。
第3章全光通信网-光交换技术(2)详解
分组头同步比特
载荷同步比特
保护 时隙
路由标记
保护 时隙
保护
2.5-10G
时隙
64.3ns
5字节
分组头 180ns
14字节
26ns
2字节
载荷
1311ns
102字节
64.3ns
5字节
时间
透明光分组包括分组头和载荷，在分组头和载荷之间有一定的保护时隙， 分组头的信息包括同步比特和路由标记，载荷包括同步比特和净荷。载 荷比特率在一定程度上是透明的(比特率可变)
6. IP层与光层的适配
▪ 当把IP分组与DWDM光层相连接时，如何解决帧结 构、线路编码等是光分组交换推向应用必须解决的 问题，可基于以下几点来考虑：
▪ （1）DWDM极大的带宽和现有IP路由器的有限处 理能力之间的不匹配问题还不能得到有效的解决；
▪ （2）为了解决信息拥塞问题，可采用同时并行处理 一群IP信包的方法，假定每一个信包使用不同的波 长，则由于DWDM可以利用的波长数量有限，很可 能出现波长不够用的情况。
该同步方案常用于较精确的输出端同步，但这种延时不是 连续性的，它的精确度由波长转换器的调谐范围限制。
信头读取
可调谐波长 转换器
控制器
高色散光纤
两种方案都已得到 现场测试与检验。
分组的竞争与冲突
解决方案
在OPS节点处，有2个以上的同一波长的数据 包同时去往同一个输出端时，就会发生对输出 端资源的竞争，从而使竞争失败的数据包受阻， 这时称输出端产生了冲突。冲突解决方案是影 响光分组交换网络性能的重要因素，它在很大 程度上决定着OPS网络的利用率、包丢失率、 数据包平均跳转次数和平均延时等参数。
在实际应用中，光缓存是最常用的。除非光RAM 变成现实，否则，我们一直需要依赖光延迟线作 为光缓存。当两个分组竞争一条输出链路时，一 个分组被传输，另一个被送入一圈光纤，让它经 过充分的延迟来解决竞争问题。
全光通信网的特点及其关键技术
全光通信网的特点及其关键技术摘要：全光通信网是一种利用光学技术传输信息的高速数据传输网络。
该网络具有高带宽、低能耗、安全可靠、无电磁干扰等特点，适合用于音视频传输、数据中心、云计算等领域。
本文首先介绍了全光通信网的基本架构及其特点，然后重点阐述了光纤通信技术、光光转换技术、光路交换技术、无源光网络技术和光网络安全性技术等关键技术的实现原理与应用。
关键词：全光通信网，光纤通信技术，光光转换技术，光路交换技术，无源光网络技术，光网络安全性技术。
正文：一、全光通信网的基本架构及其特点全光通信网是指在通信网络中全部使用光学器件来完成光信号的生成、放大、传输和接收等工作，避免了电信号到光信号的转换。
全光通信网具有以下特点：1.高带宽：由于光信号的频率非常高，因此可以实现高速、大容量的数据传输，大大提高了网络的数据通信速度。
2.低能耗：光学器件本身具有低能耗和高可靠性，可以有效地减少网络的能耗和维护成本。
3.安全可靠：光信号无法被窃听和干扰，使网络具有更高的安全性和可靠性。
4.无电磁干扰：由于全光通信网仅仅使用光学信号传输数据，因此避免了电磁干扰现象的产生，可以更好地保障通信质量。
二、光纤通信技术全光通信网中，光纤是一种重要的传输介质。
光纤通信技术采用光纤作为传输媒介，可以实现高速、远距离的数据传输。
光纤通信技术主要包括以下方面：1.波分复用技术（WDM）：利用不同颜色（波长）的光来传输不同的信号，以实现多路复用和高速数据传输。
2.光放大器技术：将信号通过光纤传输时，信号会因为衰减而逐渐变弱，光放大器可以增强光信号，使信号能够在长距离的光纤中传输。
三、光光转换技术光光转换技术是指将光信号转换成另一种波长或者将光能量转换成电能量。
光光转换技术包括以下方面：1.光电转换器件：将光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号，以实现光电互换。
2.光调制技术：将不同波长的多个光信号调制为一个复合信号，可以将多个同时传输的光信号合并。
全光通信网概要
用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等) 代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；
光纤通信系统
数字通信系统的优点：
① 抗干扰能力强，传输质量好。 ② 可以用再生中继，传输距离长。 ③ 适用各种业务的传输，灵活性大。 ④ 容易实现高强度的保密通信。 ⑤ 数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现 小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。
μm发展到1.31 μm和1.55 μm(短波长向长 波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十
Gb/s。
▪
随着技术的进步和大规模产业的形成，
光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目 前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光
纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的 支柱。
光纤特点
➢ 频带极宽：拥有极宽的频带范围； ➢ 损耗小，无中继距离长； ➢ 保密性强：不会向外幅射信号，有效地防止了窃听； ➢ 重量轻，体积小； ➢ 抗干扰性强：不会受外界电磁干扰影响； ➢ 光纤通信不带电，可用于易燃易爆场合； ➢ 使用环境温度范围宽； ➢ 抗化学腐蚀，使用寿命长。
▪ 第三阶段(1986~1996年)，这是以超大容量超长距离 为目标、全面深入开展新技术研究的时期。
光纤的特点
6
5
第一窗口
4
3
2
1
0。4 0。2
C 波段
1525~1565nm 第二窗口
第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
波长——λ（μm）
▪ 1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验 系统。
▪ 1982年，中国第一个实用化光纤通信系统工程由武 汉邮科院研制并在武汉电信投入使用 。
全光通信网——未来宽带的发展方向
全光通信网——未来宽带的发展方向随着社会经济的发展，人们对通信业务出现了高层次和多样化的需求，这对通信网络的容量提出了巨大的挑战，而光通信技术的出现给通信领域带来了蓬勃发展的机遇。
特别是在提出信息高速公路以来，光技术开始渗透于整个通信网，光纤通信有向全光网（AON）推进的趋势。
一、全光网的提出光纤通信的优势之一是其近30THZ的巨大潜在带宽容量。
贝尔实验室于去年推出了一项突破性的技术，就是允许在单报光纤上传输相当于整个Interent上每秒传输总量的光网络技术。
目前在单报光纤上可以实现400千兆字节的传输；预计到2002年，这个传输数字将达到千千兆字节。
光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。
在这种超高速传输的网络中，如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光／电和电／光转换费用所抵消。
为了解决这一问题，人们提出了全光网的概念。
二、何为全光网1．全光网的概念全光网，原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。
这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。
目前大多数宽带网的底层是单波长点到点光纤链路，而波分复用（WDM）技术和短脉冲光时分复用（OTDM）技术可以大大增加传输链路的带宽。
波分复用传输系统将光纤带宽分成很多光波带，每个光波带以电子速率（约10GpbS）携带信息；光时分复用系统将光纤带宽分成几个较宽的波带，以很高的速率（＞1000GbPS）传送信息。
然后，这些脉冲流经过光的分接处理之后，速率下降以便交换和分配给用户。
由于波分复用技术远比光时分复用技术成熟，所以，波分复用系统现在是宽带通信网中最有前途的传输系统。
2．全光网的网络结构全光通信网络的结构分为服务层（Service layer）和传送层（Transport layer），网络传送层分为SDH层。
全光通信网
五、光交叉连接
OXC光交叉主要功能：1光交叉连接2分插复用和带宽管理3保护和恢复4波长变换5网元管理
OXC的主要性能：1交叉连接容量大小取决于OXC的端口数2通道特性指OXC只支持波长通道还是也可以支持虚波长通道，波长通道指OXC没有波长转换功能，光通道在不同的光纤段中必须使用同一波长。虚波长通道是指OXC具有波长转换功能，光通道在不同的光纤段中可以占用不同的波长，从而提高了波长的利用率，降低了阻塞概率。
六、光分叉复用
OADM是波分复用光传送网的主要节电设备，其主要功能是能从线路传输光信号中将某些波长通道分出和插入，并具有操作、管理与维护功能
OADM的主要性能：1容量大小2业务接入及汇聚能力3多种粒度的业务调度能力4模块性5支持保护倒换的能力6色散管理能力7网管能力
光纤光栅和光环形器的OADM结构
图6-5
光纤级的交叉连接就是将一根光线中的业务作为整体一起进行交换，交换力度最大。波长级的交叉连接就是将光纤中的波长进行交换，交换力度较大是当前主要的交叉连接形式，是OXC的核心模块。
缩略语
ADM分插复用器AON全光网络APS自动保护倒换ASON自动交换光网络ATM异步传输模式AWG阵列波导光栅CTPS复合型光交换DWDM密集波分复用EDFA掺铒光纤放大器FDL光纤延时线IP因特网协议LAN局域网LMP链路管理协议LSC波长交换能力LSL链路子路MAN城域网MPLS多协议标签交换MSP服用段保护MSTP多业务传送平台NSL网络子网OADM光分叉复用OBS光突发交换OCH光通道层OCh光通道OS光开关OPS光分组交换
全光网路是指信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生、光交叉连接、光分叉复用和交换／选路，中间不需经过光电、电光转换，因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特速率和调制方式透明，可以大大提高整个网络的传输容量和交换节点的吞吐量。
全光网基础知识
虽然OXC和DXC在网络中的作用相同，但由 于两者的功能和实现的方法不同，因此它 们各有不同的应用范围。理想的方式是将 传输节点分为光层和数字层，光层的OXC和 数字层的DXC配合使用。
按照网络的功能与作用的不同进行分类 ：
1.全光核心网
全光核心网络用作长途骨干网，是当前研 究的主流，重点解决多媒体全业务信息的 超大容量、超高速的全光传输和交换，基 于光放大技术、光调制技术、光多路复用 技术、光交换技术，以及新型光纤及色散 补偿等技术，构成多种类型的全光网络。
2.全光接入网
全光接入网是最终实现光纤到家(FTTH)的 网络形式，利用全光多址接入和抗多址干 扰技术，实现全业务服务。
六、全光网的分层结构
1．分层结构 全光网采用分层结构，将应用层直接接入 光层，形成两层结构，即光层和IP层，减 少了网络层次，IP业务在光域上实现传输 和交换。
全光网与现有的传统网络应具有好的开放 性和兼容性，允许以多种方式接入，如SDH 、ATM等
IP
SDH
IP
IP
ATM
ATM
ATM
IP
光
层
2.光层结构 光层应能为实现全光传输和交换构建相应 的结构。光层的功能包括： 1)光信道，以传递业务信息。 2)多路光信道的信息进行复用，以获得更 有效率的传输和交换。 3)实现在光域上的信息传输和交换。
载频，实现光信道的多路复用和多址组 网，利用密集波分复用技术和光放大技 术实现网络链路的全光传输。
优点：
容量大，可成倍地扩展；传输速率高， 可运作在10Gbit／s和更高的速率信道 上；兼容性好，适用于ATM、SONET、IP 、FR以及其他信息制式；具有对传输和 交换的速率、波长和协议的透明性；网 络的抗毁恢复性能好；网络易于升级， 可扩展性好。
走进全光通信网络
全光网络的发展趋势
• 从光电子器件实现的功能来看，使光网络
容量更大、更智能仍是光电子器件发展方 向，但研究的侧重点有所改变 。在系统传 输容量方面，光电子器件的研究方向将注 重降低传输系统的每公里每比特的成本， 而不再一味追求单纤传输速率的突破
• 小型化和集成化正成为光电子器件保持竞
争力的一个新的趋势。随着光电子器件在 光传输设备中的比例越来越大，对光电子 器件的小型化要求日益显现。使设备能少 占机房的面积和少消耗能源，能有效地降 低网络的运行成本。光电子器件的小型化 要求还促进了集成技术的发展。
全光通信的网络结构
全光网络的关键技术
• • • • • • • •
光纤技术 SDH 技术 光多址技术 全光信息再生技术 网络管理控制 光交换网络技术 光交叉连接(OXC) 无源光网技术（PON）
光多址技术
• 光多址技术是光纤通信系统的关键技术之一。主要有3种：
光波分多址、光时分多址、副载波多址。
• 光波分多址(WDMA)是将多个不同波长且互不交叠的光载
波分配给不同的光网络单元（ONU），用以实现上行信号 的传输，即各ONU根据所分配的光载波对发送的信息脉冲 进行调制，从而产生多路不同波长的光脉冲，然后利用波 分复用方法经过合波器形成一路光脉冲信号来共享传输光 纤并送入到光交换局
信号的传送。其基本原理是将多路基带控制信号调制到不 同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射 频信号复用后再去调制一个光载波。不仅可降低网络成本， 还可解决控制信道的竞争
谢谢观赏
• 全光通信是指用户与用户之间的信号传输与交换
全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点 的传输过程都在光域内进行，而且其在各网络节 点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光 交叉连接设备（oxc）。
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光复用段层（OMS） 光传输段层（OTS）
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WDM全光网的分层结构 SDH网络 WDM网络
电路层 通道层 电路层 电通道层 电路层
PDH通道层
光传送网
电路层
SDH通道层
虚通道 虚通道
复用段层
再生段层
电复用段层
光层
电复用段层
电复用段层
光信道层 光复用段层 光传输段层 物理层 物理层
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物理层
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光传送网络节点接口的结构
光信道层的子层
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几个基本概念
波分交换网和波长选路网 波长通道和虚波长通道 交叉连接和分插复用
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2、节点结构
OXC的主要指标
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二纤单向光复用段保护环
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光通道保护环
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4、格形网和路由波长ຫໍສະໝຸດ 化算法RWA（Routing and Wavelength Assignment）： 为连接请求计算路由并分配波长 优化目标：最小的全网阻塞 率、或最大的资源利用率、 或考虑全网负载的均衡 路由选择子问题：FR，AFR， AR
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b.基于空间光开关矩阵和可调谐 滤波器的OXC结构
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基于空间光开关矩阵和可调谐 滤波器的OXC结构
图(a)特点： 2 具有MN 个交叉点； 不支持虚波长通道； 具有波长模块性； 具有广播发送能力。 图(b)特点： 支持虚波长通道； 其它特性同(a)。
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（2）基于波长交换的OXC结构
不需要空间交换 器件; 支持虚波长通道； 具有链路模块性 和波长模块性； 具有广播发送能 力。
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OXC的发展的趋势：多层次多粒度交换
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支持四种粒度的OXC结构
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OXC的发展的趋势— 共享波长变换器的交 换结构
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b) 同频串扰的计算
2 2r Ps 0 Ps Ps1 Ps r 1 r 1 N E1 t 2 Ps1 cos s t s t is t 2 Pi cosi t i t ii t
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耦合单元＋滤波单元＋合波器
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基于AWG和滤波器及光环形器的双向OADM
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2）WDM环形光网络
• 光环网的保护分类 – 1＋1保护方案， 1：1保护方案， 1：N保护方案 – 复用段保护， 通道保护
• WDM光环形网络结构可以分为物理拓扑结构和逻辑 拓扑结构。 – 环网的物理结构 • 两纤单向环， 两纤双向环 • 四纤双向环 – 环网的逻辑结构 • 星型结构， 网状连接 • 多跳网， 平衡式连接
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波长分配子问题：FF，LL，MaxSum …
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5、全光网的同频串扰
串扰原因：（1）复用器/解复用器引入的串扰
（2）光开关 的隔离度有限 （3）滤波器引入的串扰
类型：(1）异频串扰
（2）同频串扰：相干串扰 非相干串扰
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N
I 0 t I s0 2 I s0 I i cos i t i t cosi t
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N
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OXC的应用：采用电核心实现的WXC
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3、光分插复用器和WDM环形自愈
1）OADM结构 分波器＋波长交换单元＋合波器 耦合单元＋滤波单元＋合波器 基于波长光栅路由器（WGR）
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分波器＋光开关矩阵＋合波器
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第5.2 全光通信网
1. 2. 3. 4. 5. 光传送网的体系结构 光交叉连接节点结构 光分插复用器和WDM环形自愈网 格形网和路由波长优化算法 WDM全光网中的同频串
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1、光传送网的体系结构
在现存的传送网的电复用段层和物理层之间加 入光层； 光层分为： 光信道层（OCH）
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基于空间交换的OXC结构
a.基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构
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基于空间光开关矩阵和波分复 用/解复用器对的OXC结构
图(a)特点： 具有MN2个交叉点； 不支持虚波长通道； 具有波长模块性。 图(b)特点： 具有M2N2 交叉点； 可以有端口指配； 支持虚波长通道； 既无波长模块性，又无链路模块性。
E 0 t 2 Ps0 cos s t s t is t 2 Pi cos i t i t ii t
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I 1 t I s1 2 I s1 I i cos i t i t cosi t
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a）同频串扰的产生
三种途径：
解复用器 光开关 复用器
信号本身从解复用器泄漏一
a
λ 0,a
3 λ0 λ1
1 2
b
λ 0,b
λ2 λ3
部分功率到其它信道，由于光 a 开关处于平行状态，经过不同 的路由后在复用器又与原信号 耦合在一起； 其它链路中相同频率的光信 号 (如0b) 通过同一光开关时， b 由光开关不理想产生的串扰; 其它链路中同频的信号漏过解 复用器和复用器的部分。
通道性质 阻塞特性 模块性 广播/组播发送能力
指配功能
成本
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1）波长交叉的物理结构
波长交叉的OXC类型
基于光开关和基于电交叉芯片的结构 基于空间交换的OXC结构 a.基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC 结构 b.基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构 c.基于分送耦合开关的OXC结构 d.基于平行波长开关的OXC结构 基于波长交换的OXC结构 a. 基于阵列波导光栅复用器的三级波长交换OXC结构 b. 完全基于波长交换的OXC结构