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工信部公布人体受电磁辐射等23项通信行业标准
近日，工信部在网站公布了23项通信行业标准，涉及到通信系统、终端和软件等方面。其中光波分复用(WDM)系统测试方法标准规定了光波分复用(WDM)系统技术指标和性能要求的测试方法。电磁辐射对人体影响示意图 主要包括系统配置和测试参考点定义、光波长转换器测试、主光通道测试、光波分复用器/解复用器测试、光放大器测试、色散补偿器测试、FEC测试、动态功率控制和增益均衡测试、OADM测试、监控通路测试、传输功能和性能测试、网管系统功能验证、WDM温循测试和APR功能验证等内容，适用于单通道速率为2.5Gbit/s、10Gbit/s、40Gbit/s和100Gbit/s的开放式光波分复用(WDM)系统，集成式光波分复用(WDM)系统也可参照执行。　　& & 人体暴露于设施周边的射频电磁场的评定、评估和监测方法、用于近场电磁辐射数值评估的成年人头部模型，该标准规定了如何从多种可用的人体暴露于电磁辐射的评估方法标准中，根据需要和环境条件选择最合适的标准的程序，适用的频率范围为9kHz～300GHz，内容包括评价暴露的程序和证明符合现有暴露限值标准的程序。适用于人体暴露于无线通信设施周边的射频电磁场的评定、评估和监测。
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多项选择题下面关于开放式WDM系统和集成型WDM的说法正确的是（）。
A.开放式WDM系统没有OTU
B.集成式WDM系统没有OTU
C.开放式WDM系统要求业务层SDH光板配置长距离接收机
D.集成式WDM系统要求业务层SDH光板配置长距离接收机
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A.传输子架ＷＤＭ技术回顾与展望_光纤通信_动态网站制作指南
ＷＤＭ技术回顾与展望
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信息产业部电信传输研究所
　　随着以ＩＰ为代表的数据业务的爆炸增长，新的高速率大容量传输技术应运而生，以满足网络不断增长的带宽需求。近年来以波分复用（ＷＤＭ）技术为代表的高速大容量传输系统发展非常迅速，并在世界范围内得到非常广泛的应用，在北美的骨干网上大量地装备了波分复用系统，我国的干线网上波分复用系统也占有相当大的比重。相信未来随着全光网技术的进一步发展，会更加带动ＷＤＭ技术的进一步发展。
ＷＤＭ技术及其特点
　　ＷＤＭ技术是指将多个波长复用在一根光纤上进行传输的技术。ＷＤＭ系统的参考配置如图１所示，它在发送端用合波器，将各个特定波长的光载波信号复用在一起，送到一根光纤上进行传输，在接收端用分波器，将这些不同波长承载不同信号的光载波分离开来，送到相应的接收端，在光纤上传输的过程中用掺铒光纤放大器进行无再生的光放大。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），因而只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输，也可实现双向传输。
　　ＷＤＭ系统具有下列参考点：Ｓ１…Ｓｎ：是通路１…ｎ在发射机光输出连接器处的光纤上的参考点；ＲＭ１…ＲＭｎ：是通路１…ｎ在ＯＭ／ＯＡ的光输入连接器处的光纤上的参考点；
ＭＰＩ－Ｓ：是ＯＭ／ＯＡ的光输出连接器后面光纤上的参考点；Ｓ＇：是线路光放大器的光输出连接器后面光纤上的参考点； Ｒ＇：线路光放大器的光输入连接器前面光纤上的参考点； ＭＰＩ－Ｒ：是ＯＡ／ＯＤ的光输入连接器前面光纤上的参考点； ＳＤ１…ＳＤｎ：是ＯＡ／ＯＤ的光输出连接器处的参考点； Ｒ１…Ｒｎ：接收机光输入连接器处的参考点。
　　根据系统是否配有波长转换器，可以将系统分为集成式系统、开放式系统和半开放式系统。集成式系统指的是ＷＤＭ系统所承载的ＳＤＨ信号的发送机发出的是ＷＤＭ系统要求的特定波长信号；开放式系统指的是在发送端和接收端都配有波长转换器（ＯＴＵ）的ＷＤＭ系统；半开放式系统指的是仅在发送端配有波长转换器（ＯＴＵ）的ＷＤＭ系统。根据在一根光纤上传输光信号的方向可以将系统分为单纤单向系统和单纤双向系统。
　　波分复用系统最大的优点是节约光纤。它将原来需要多对光纤承载的系统复用在一对或一根光纤上传输，大大节约光纤的用量，对于租用光纤的运营商更有吸引力；其次ＷＤＭ系统大大延长了无电中继的传输距离，减少中继站的数目，节约了建设和运行维护成本；波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关，可以承载多种业务，在现在多业务需求的运营环境下很有竞争力；利用ＷＤＭ技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。
ＷＤＭ技术回顾及展望
　　回顾ＷＤＭ系统的发展历程，从通路数方面看，通路数呈现出越来越多的趋势，通路数从早期的２路、８路到如今的３２通路、４０通路，直至１００多个通路的ＷＤＭ试验系统也已经出现。从单通路的传输速率来看，也呈现越来越高的趋势。从应用的形式来看，早期是点到点无光放大器的系统，后来出现了线路光放大器，现在又出现了在线路上上下波长的ＯＡＤＭ，使得ＷＤＭ系统的应用越来越灵活，随着适用于环形网的ＯＡＤＭ与ＯＸＣ设备的进一步商用化，全光网将逐步成为现实。
　　一、容量逐步变大
　　从ＷＤＭ系统发展的历史来看，早期的ＷＤＭ系统是简单的两波分复用系统，使用的两个波长分别是处于１３１０ｎｍ和１５５０ｎｍ窗口的波长。发送端Ｔｘ１和Ｔｘ２分别产生的是１３１０ｎｍ和１５５０ｎｍ窗口的波长信号，用简单的两波分复用器将两个波长的信号合并在一起，在一根光纤上传输，接收端用分波器将这两个波长信号分离开来。这种系统的特点是实现起来容易，对ＷＤＭ器件的要求低，无光放大器，传输距离较短，只是一种较为粗糙的ＷＤＭ系统。
　　ＷＤＭ技术的发展与器件产业的发展有着相当大的关系，可以说是器件产业的发展驱动了ＷＤＭ技术的进步。随着光放大器技术逐渐成熟，工作波长处于１５５０ｎｍ的掺铒光纤放大器商用化之后，为工作在１５５０ｎｍ窗口的密集波分复用系统奠定了基础。另外，波分复用器件的技术也不断发展，插损较小、通带特性较好的波分复用器件相继出现。在这样的前提下，８通路ＷＤＭ系统在９０年代初期商用化，当时合波器使用较多的是简单的耦合器型器件，因波长不多，相应的插损也不大，分波器则百花齐放，光栅型、介质薄膜滤波器型和阵列波导型ＷＤＭ器件都有应用。很快更多波长的波分复用器件也迅速商用化，因此在一两年的时间内，１６通路的ＷＤＭ系统也迅速商用化。ＷＤＭ系统通路数下一步发展的目标是３２通路或４０通路，它与８通路向１６通路过渡不同，整个系统对光放大器提出了更严格的要求。３２通路系统要求光放大器的增益平坦带宽更宽，以容纳３２或４０个波长，同时波分复用器件因通路数较多，也要求插损增加不大，而且通路特性要好。在３２或４０通路的ＷＤＭ系统中的合波器和分波器一般采用波长敏感器件，如介质膜滤波器型ＷＤＭ器件和阵列波导型ＷＤＭ器件，也有部分厂商使用波长不敏感型ＷＤＭ器件作为合波器，３２和４０通路的ＷＤＭ系统在去年都相继商用化。在实验室中已有６４个波长、１２８波长、１６０波长甚至１０００余个波长的试验系统。
　　目前对Ｌ波段的应用也成为大家关注的热点。常规波段的频率资源通过增加波长数目，减小频率间隔，可以尽最大可能地应用资源，但这些频率资源仍是有限的。为了进一步增加波长数，对长波长区域的应用成为下一步发展的潮流，当然这还取决于适用于该波段的波分复用器件和光放大器等技术的进一步成熟。
　　从单通路速率的发展角度来看，在两波分复用系统的应用当中，单通路采用的是较低速率的ＳＤＨ系统或ＰＤＨ系统，如１５５Ｍｂｉｔ／ｓ、６２２Ｍｂｉｔ／ｓ或１４０Ｍｂｉｔ／ｓ等。目前应用最广泛的是单通路速率为ＳＤＨ ２．５Ｇｂｉｔ／ｓ。在ＷＤＭ系统迅速发展的９０年代中期，ＳＤＨ ＳＴＭ－１６的技术已经非常成熟，有关的芯片和器件已经大规模生产，成本大大降低，对于ＳＴＭ－１６已经没有任何技术瓶颈。而ＳＴＭ－６４的技术还未完全商用化，有些技术瓶颈如色散补偿、高速芯片和ＦＥＣ等尚未突破，但网络对于高速系统已经有需求，加之ＷＤＭ系统所必需的波分复用器件和光放大器等技术已经成熟。因此，当时的ＷＤＭ系统的基本速率是可以达到的ＳＤＨ最高速率ＳＴＭ－１６。这样的发展趋势持续到现在，目前几乎所有的传输设备厂商都有单通路速率为２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的ＷＤＭ设备产品。单通路速率为ＳＴＭ－６４（１０Ｇｂｉｔ／ｓ）的ＷＤＭ系统已经相继出现。由于当时对向ＴＤＭ还是ＷＤＭ方向发展存在争议，ＴＤＭ １０Ｇｂｉｔ／ｓ的技术在９０年代中期只有个别公司有商用化产品，开发ＴＤＭ １０Ｇｂｉｔ／ｓ产品的多为北美和日本的厂商，国内在开发这方面产品时也遇到比较大的困难。到现在为止北电网络公司的单纤双向３２×１０Ｇｂｉｔ／ｓ ＷＤＭ系统已经商用化，在世界范围内已经敷设，１６０×１０Ｇｂｉｔ／ｓ的产品已经在现场作了验证；朗讯公司的ＯＬＳ４００Ｇ ＷＤＭ产品也已经商用化；另外，富士通等日本公司的单通路速率为１０Ｇｂｉｔ／ｓ的ＷＤＭ系统也已经有产品。国内的类似产品也正在开发当中。可以预见在不久的将来，基于ＳＴＭ－６４的ＷＤＭ系统将广泛商用化并会在我国的干线网上应用，而且系统的通路数还会逐渐加大，从１６到３２（４０）、６４（８０）、１２８甚至１６０通路。
　　二、应用形式越来越灵活
　　ＷＤＭ系统的应用也分为几个发展阶段。最简单的是无光放大器的ＷＤＭ系统。这种系统的传输距离很短，一般用于早期的两波分复用系统（１３１０ｎｍ／１５５０ｎｍ），存在的时间很短，应用也很少，仅仅是一种过渡产品。随后出现了有功率放大器和前置放大器的ＷＤＭ系统。这种系统也是适用于无电中继传输，距离较短，约为１００ｋｍ左右或更短，在本地网有一些应用，作为局间中继在上海等大城市开始陆续应用。当传输距离很短的时候，不用光放大器的系统也可以实现，但这并不是ＷＤＭ系统发展的主流，尤其是在干线网上，这种无电中继传输距离过短的ＷＤＭ系统的应用前景受到限制。目前应用最广泛的是有线路放大器的ＷＤＭ系统，对于８×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ和１６×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ可以有８×２２ｄＢ（即有７个线路放大器，两个光放大器之间的光放段目标传输距离为８０ｋｍ）、５×３０ｄＢ（即有４个线路放大器，两个光放大器之间光放段的目标损耗为３０ｄＢ）和３×３３ｄＢ（即有两个线路放大器，两个光放大器之间的光放段目标传输距离为１２０ｋｍ），这些ＷＤＭ系统的无电中继传输距离在３６０ｋｍ至６４０ｋｍ之间，根据线路上光纤的实际衰耗情况还可以酌情调整传输距离。
　　随着ＷＤＭ系统通路数增多，在两点之间对超大容量的需求并不是很多，为了使大容量的系统应用更加灵活，在线性链路上分插复用波长的ＯＡＤＭ已经出现，它的作用是在线性链路中间的光线放站上分插出几个波长。各个公司在线放站上分插的波长数各不相同，有４个波长、８个波长，大部分波长是固定的，但这几个波长可以配置为分插，也可以配置为直通。能够灵活上下所有波长的ＯＡＤＭ也处在开发过程当中。总的来说这种应用在线性链路上分插波长的ＯＡＤＭ是为了增强组网的灵活性，在近期内会有较多的应用，特别是对于通路数比较多的系统，而且这种产品分插复用波长的灵活性会越来越强，从固定分插到固定波长灵活分插到将来的完全灵活分插，应用方式会越来越随意而且灵活。
　　ＯＡＤＭ最能表现它的特点的应用还是在环网上。ＯＡＤＭ组环后不仅可以在节点上下波长，而且可以具有环网上的保护恢复功能，与以往的点到点线性系统相比，组网将有更大的灵活性。它也是全光网中的一种基本设备，在将来全光网的发展进程中，这种设备将占有比较重要的地位。支持环网的ＯＡＤＭ设备已经有商用化的产品，目前主要是用于城域网的产品，上海等大城市也将陆续开始试用，国内８６３计划支持的中国高速信息示范网中也在开发支持环网的ＯＡＤＭ设备。光交叉连接（ＯＸＣ）设备在全光网中起着与ＤＸＣ在ＳＤＨ网络中类似的作用，一方面使组网的方式较之采用ＯＡＤＭ设备更加灵活，另一方面又可以使用恢复算法在故障情况下对网络进行恢复，保证生存性目标的实现。
　　总的来说，ＷＤＭ技术的发展呈现出从简单到复杂，通路数从少到多，容量从小到大，应用灵活性越来越高的趋势。发展初期是两波分复用系统，通路数少，实现简单，传输距离短。随后出现了通路数为８等基于ＳＤＨ单通路速率２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的ＷＤＭ系统，从无线路放大器到有线路放大器，将无电中继传输距离大大延长，通路数的增加也非常迅速，从８通路、１６通路到３２通路和１２８通路的ＷＤＭ系统均有商用化产品。下一步发展有两种趋势，一方面基于ＳＴＭ－１６的ＷＤＭ系统的通路数还会有所提高，另一方面单通路速率为ＳＴＭ－６４的ＷＤＭ系统也将有更加广泛的应用。ＴＤＭ ４０Ｇｂｉｔ／ｓ的传输技术也正在研究当中，可见大容量、高速率是ＷＤＭ传输始终未变的一个趋势。另外，用于未来全光网中的ＯＡＤＭ和ＯＸＣ设备的研究也受到广泛的重视，初期是应用于点到点线性系统上下波长的ＯＡＤＭ设备，支持环网功能的ＯＡＤＭ设备也已经相继问世。
　　从应用方面来看，我国从１９９７年开始在干线上安装ＷＤＭ系统，短短３年多的时间，干线上已经有１０多条ＷＤＭ系统，最高容量也将达到３２０Ｇｂｉｔ／ｓ。在省网中ＷＤＭ系统的应用也越来越广泛，开始在东部沿海地区，如广东省等有应用，现在从南到北有多个省份应用了ＷＤＭ系统，有些系统的容量也非常大，而且ＷＤＭ系统在本地网中的应用也初见端倪。总之，ＷＤＭ技术从技术和应用等方面发展都非常迅速，随着全光网技术的进一步发展，作为全光网基础的ＷＤＭ技术也将有更大的技术突破，为电信网的建设提供越来越优质的传输平台。
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选择合适的技术部署40G WDM系统
在大带宽数据业务的大力驱动下，路由器40G接口已经开始商用，40G波分复用（WDM）技术的难点逐步解决，近期人们讨论的技术焦点已经由40GWDM是否可商用演化为在实际网络中应该选择什么样的技术来部署40GWDM系统。
&& 在大带宽数据业务的大力驱动下，路由器接口已经开始商用，40G波分复用（WDM）技术的难点逐步解决，近期人们讨论的技术焦点已经由40GWDM是否可商用演化为在实际网络中应该选择什么样的技术来部署40GWDM系统。 && 随着个别厂家40G路由器设备可提供彩色光接口，路由器和WDM系统采用彩色光口还是白光口对接成为业界关注的焦点,由于路由器采用彩光口与WDM系统对接时存在关键缺陷，因此路由器采用白光口和WDM进行对接依然是最佳组网方案。 && 另外，相对于以往的WDM技术，采用差异化的传输码型成为40GWDM系统的最显著特点,选择什么码型的WDM技术是业界关注的另一个话题。面对多种特征各异的40G调制编码格式，在综合考虑其他系统设计参数的基础上，应主要从传输距离、通路间隔、与10G系统的混传、成本与性能的平衡等方面进行选择。ODB作为成熟可行的技术，性价比高，适合短距离传送；DRZ是40波超长距离传输中性价比最好的技术；RZ-DQPSK是80波超长传送技术的发展方向。 && 彩光与白光之争 && 路由器采用彩光与WDM系统对接的优势是成本上省去了路由器和光转发单元的白光接口,由于光接口的主要成本在彩光口，采用这种方式的成本节省程度非常有限，但在网络的运行维护、组网层次等方面存在明显的缺陷。 && 首先，无法对WDM网络及链路实施有效维护和管理，且与现有网络维护体制冲突。由于路由器和WDM系统一般是两个独立的厂商设备，如果在WDM侧不采用OTU进行故障定位和性能监视，一旦出现故障异常，路由器很难实施有效的故障定位;路由器要完成数据和传输设备的功能，但是这两类设备的维护体系不同，会造成故障定位方面的混乱和不一致、责任不清。 && 其次，无法保障WDM网络性能。WDM网络性能的保障通过OTU、色散补偿、光放大器自动功率调整等多种措施综合实现，一旦去掉OTU单元，采用不同厂家的彩色光口对接，难以进行统一的系统设计，网络性能很难保证。 && 最后，组网的可扩展性差。这种组网方式类似WDM网络中的集成式系统，需要针对不同的路由器彩光口进行系统设计，不同的彩色光口的码型、CD和PMD容限都可能不同，会造成彩色光口波长在已有的WDM系统上难以开通。 && 路由器采用白光口与WDM系统对接时回避了上述问题，同时也是网络中长期采用的开放式WDM系统的组网模式。因此，采用白光口进行对接是路由器与WDM互联的最佳选择，而路由器之间短距互联时可根据具体物理传输条件选择白光或彩光口。 && 调制编码格式比较 && 鉴于实际应用需求程度和设备成本等因素，现有10GWDM系统主要采用强度调制的NRZ编码格式。40GWDM系统最显著特点是采用差异化的码型，如基于强度调制的NRZ、DRZ、ODB、PSBT，基于相位调制的DPSK和DQPSK以及结合偏振复用的调制技术DP-QPSK等。 && 由于目前40GWDM系统有众多调制编码格式，在实际商用中如何选择合适的传输码型成为目前业界关注的问题。实际上，40GWDM系统调制编码格式具体选择比较复杂，其与整个40G系统设计的其他参数密切相关，如FEC增益、系统功率自动控制功能、可调精细色散补偿、接收机动态判决技术等等。因此，以下仅在其他设计参数假设一致的前提下讨论40GWDM系统调制编码选择时应着重考虑的方面。 && 第一，传输距离是决定码型选择的关键因素之一。在上述的几种典型码型中，若不考虑50GHz通路间隔的应用需求，NRZ可用于局内、短距和600km以内的长距;ODB/PSBT可用于640km以上的长距,DRZ具有超强的非线性抑制能力，可以支持1200km以上超长距,DQPSK波特率是20Gbaud/s，OSNR灵敏度高，也适合1200km以上超长距传输。 && 第二，通路间隔也是码型选择的主要条件。目前商用N×10Gbit/s系统通路间隔最小为50GHz，若考虑40G系统也支持50GHz通路间隔，那么实际应用时可选择ODB/PSBT、RZ-DQPSK和DP-QPSK等，其中RZ-DQPSK可以支持50GHz间隔超长距传输，是建设C波段80波系统的优选码型。 && 第三，与10G系统的混传也是目前40G码型选择时需要考虑的问题。40G与10G混传时，除了考虑传输距离和通路间隔等共性问题之外，还需考虑两种速率间不同调制格式之间的通道间干扰问题，目前公开的一些试验和仿真研究表明，在某些特定条件下强度调制和相位调制混传有一定的系统代价，DP-QPSK(相位调制)与10GNRZ(强度调制)混传系统在波长安排时须考虑该系统代价；而40GDRZ(强度调制)与10G系统(强度调制)混传的系统代价可以忽略。 && 第四，综合考虑调制编码格式的成本与性能的平衡。与NRZ相比，ODB/PSBT码型在发射机侧增加了预编码，相应成本有所提高，但支持50GHz通路间隔和高的色散容限；RZ-DPSK采用了二相位调制，除了在发射机侧增加预编码，接收机侧也需要采用相位解调，相应成本提高更多，但由于采用了相位调制、RZ脉冲和平衡接收，支持高的非线性容限和高的OSNR灵敏度，显著延长了传输距离；RZ-DQPSK采用了四相位调制，相应的调制和解调过程相对RZ-DPSK而言复杂性增大，成本进一步增加，由于波特率降低了一半（20Gbaud/s），相应的CD和PMD容限更大，但非线性效应容限由于相位噪声的影响提升幅度不大；DP-QPSK除了采用四相位调制之外，又采用了偏振复用技术，信号波特率降低到10Gbaud/s，相应的CD和PMD容限显著提升，但由于受相位噪声的影响较大，非线性容限明显降低；另外目前主要采用相干接收技术，光域处理速率较低，但电域处理速率较高，结构非常复杂，总体成本进一步提升。 && 因此，在具体应用时应根据实际的网络传输需求、系统其他参数的设计、实现成本等方面综合考虑以选择合适的调制编码格式。其中ODB/PSBT实现简单、成本低，是640km以上50GHz长距系统的最佳选择;DRZ编码非线性抑制能力强，比DPSK实现简单、成本低，是40波系统的最佳选择;DQPSK编码OSNR灵敏度高，PMD容限大，比DP-QPSK实现简单，在50GHz间隔超长距传输中性价比最高，是C波段80波系统的最佳选择。&& (编辑:xiaoyao)
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WDM全光通信网中的若干重要问题研究
南京邮电学院 硕士学位论文 WDM全光通信网中的若干重要问题研究 姓名：祁志甫 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：杨祥林
南京邮电学院硕士学位论文摘要摘要ｗＤＭ全光网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点，是当前光纤通信领域的研究热点和前沿，本文对ＷＤＭ全光网的一些重要方面进行了研究。本文首先介绍了全光网的发展历程，接着分析了全光网的结构特点和关键器件，并讨论了光交换及路由与波长分配技术，重点分析了 全光网的节点结构和光网络的生存性问题，对光交叉连接器和光分插 复用器进行了仔细的比较研究，提出了多种保护倒换方案，最后简单 地介绍了串扰对光网络的影响。关键词：波分复用、全光网络、路由和波长分配、光交叉连接器、光分插复用器堕塑型逐壁堂生一ＡＢＳＴＲＡＣＴＷＤＭ ａｌｌ。ｏｐｔｉｃａｌ ｎｅｔＷｏｒｋ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｗｉｍ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ、塑ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ、ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ、ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌ时ａ１１ｄｓｕｂｓｉｓｔｅｎｃｅ，ｅｔｃ，ｉｓ ｈｏｔｓｐｏｔ ａｎｄ ｆｏｒｅｐａｒｔｉｎ舶ｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃｕ玎ｅｎｔｌｙ＇ｔｈｉｓ ｐ印ｅｒ ｅＸｐｌｏｒｅｓ ＷＤＭ ａｌｌ―ｏｐｔｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ矗ｏｍ ｄｉ仃ｅｒｅｎｔａｓｐｅｃｔｓ． Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｗｅ ｉｍｒｏｄｕｃｅ ｄｅＶｅｌｏｐｍｃｏｌｌｒｓｅｏｆａ１１一ｏｐｔｉｃａｌｎｅｔ、Ⅳｏｒｋ．ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｗｅａ１１ａｌｙｓｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｃｎｔｓ ｏｆ ａ１１．ｏｐｔｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｅｃｈｎｏＩｏｇｙ ｏｆ ｏｐｔｉｃａＩ’ｓｗｉｔｃｈｊｎｇ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ａⅡａｌｙｓｅａＩｌｄ刚忪（ｒｏｕｔｉｎｇ姐ｄｗａｖｅｌｅｎｇｍａｓｓｉｇｍｅｎｔ），ｎｏｄｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｂｓｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ａｎ．ｏｐ“ｃａ】ｎｅｔｗｏｒｋ．ｃｒｏｓｓｅｓｐｅｃⅫｙ，ｅＸｐｌｏｆｅｏｘｃ（ｏｐｔｉｃａｌｃｏｎｎｅｃｔｅｒ）棚１ｄ ＯＡＤＭ（ｏｐｔｉｃａｌ ａｄｄ ａ１１ｄ ｄｒｏｐｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ），ｐｕｔ ｆｏ刑ａｒｄ ｓｏｍｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆｓ疵ｇｕａｒｄ姐ｄ ｒｅａｒｒａｎｇｅ．Ｌａｓｎｙ，ｗｅｓｉｍｐｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆｃｒｏｓＳ协Ｉｋ ｔｏ ａＩｌ―ｏｐｔｉｃａｌ ｎｃｔｗｏｒｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＷＤＭ、ａｌｌ―ｏｐｔｉｃａＪ ｎｅｔｗｏｒｋ（ＡＯＮ）、ＲＷＡ、ＯＸＣ、ＯＡＤＭＩＩ南京邮电学院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期南京邮电学院学位论文使用授权声明南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电学院研究生部办理。研究生签名：导师签名：日期南京邮电学院硕士学位论文第一章ｗＤＭ全光网概述第一章ｗＤＭ全光网概述随着不断向信息社会的推进，人们对网络的依赖性也在不断增加。尤其是在近几年Ｉｎｔｅｍｅｔ业务量持续以指数级增长和ＩＰ已经成为信息通信技术（ＩｃＴ）的核心协议的情况下，更是如此。下一代网络面临的一个重要挑战是容量压力。 １００年来，电信网的主要业务一直是电话业务。传统的电话网设计都是以信 道对称且流量恒定的话音业务为主要服务对象，这种以话音为主的网络随着时间 的推移，业务量和网络规模均呈稳定低速增长态势。近１０年来，全世界电话用 户的年增长率平均为５％．１０％左右。然而，近年来，由于计算机的广泛应用和普 及，数据业务正呈现高速增长态势，平均年增长率达２５％－４０％，远高于电话业 务。按此趋势，用不了几年，网上的数据业务将会超过电话业务。从全世界范围 看，估计在未来ｌＯ年内，包括中国电信网在内的世界主要网络的数据业务量都将先后超过电话业务。 接入网方面，由于一系列宽带接入技术的应用，例如电缆调制解调器（ｍｏｄｅｍ）、非对称数字用户线（ＡＤｓＬ）、以太网和ＡＴＭ无源光网络（ＡＰＯＮ） 接入等，使接入速率增加了数十至数百倍，导致核心骨干网上的业务流量大幅度增加。另外，在网络业务组成中将占主导地位的Ｉｐ业务量的分布模式将使未来的网络业务量分布大幅度向核心网转移，进一步加剧了骨干网容量需求的压力。 个人计算机和国际互联网（Ｉｎｔｅｍｅｔ）的普及、数据业务与电子邮件通信的飞速发展使得人类社会对通信及信息的需求呈几何级数增长；而且，ＩＰ业务量的高度不确定性使不同路由的负荷会随时发生变化，造成网络资源利用的高度不平衡。所以要求网络，尤其是骨干网应该从网络拓扑到网络设备等诸方面充分考虑数据业务的特性，更加有效快速地传送数据业务，从而产生了基于ｗＤＭ技术的全光网络［１】。．１．１网络的发展历史和新一代光纤通信系统 １．１．１网络的发展历史通信网络的发展历史悠久，经历了现在已开始逐步淘汰的电通信网络、目前 正在广泛使用的光电混合网络，正朝着全光网络迈进【２】。一、电网络电网络采用电缆将网络节点互连在一起，网络节点采用电子交换节点，是一南京邮电学院硕士学位论文第一市ｗＤＭ全光网概述种相当成熟的网络，如图１―１（ａ）所示。作为电信号承载信道的电缆有同轴（大、 中、小）电缆和对称电缆之分，是一种损耗较大、带宽较窄的传输信道，主要采 用了频分复用（ＦＩ）Ｍ）方式来提高传输的容量。电网络具有以下特点：（Ｉ）信 息以模拟信号为主：（２）信息在网络节点的时延较大：（３）节点的信息吞吐量小； （４）信道的容量受限、传输距离较短等。这些特点都由于电网络完全是在电领 域完成信息的传输、交换、存储和处理等功能，因此，受到了电器件本身的物理极限的限制。。电节点（ａ）电网络●光节点――图１．１口电缆（ｂ）光电网络 三代通信网络简示图（ｃ）全光网络二、光电混合网光电混合网在网络节点之间用光纤取代了传统的电缆，实现了节点之间的全光化。这是目前广泛采用的通信网络，如图１．１（ｂ）所示。光纤和电缆相比有如 下优点：（１）通信容量大、传输距离远；（２）信号串扰小、保密性能好：（３）抗 电磁干扰、传输质量佳；（４）光纤尺寸小、重量轻、便于敷设和运输；（５）节约 有色金属。这是一个数字的网络采用了时分复用（ＴＤＭ）来充分挖掘光纤的宽 带资源进行信息的大容量传输，采用时分交换网络（结合空分）实现信息在网络 节点上的交换。ＴＤＭ有两种数字系列，即基于点到点准同步数字系列（ＰＤＨ） 和基于点到多点、与网络同步的同步数字系列（ＳＤＨ），由于ｓＤＨ优于ＰＤＨ， 因而目前广泛用ｓＤＨ取代ＰＤＨ。三、全光网络全光网以光节点取代电节点，并用光纤将光节点互连在一起，实现信息完全 在光领域的传送和交换，是未来信息网的核心，如图ｌ－１（ｃ）所示。全光网络最 重要的优点是它的开放性。全光网络本质上是完全透明的，即对不同速率、协议、２蔓塑塑塑塑！！塑主兰垡笙塞苎二主！里竺全鲞塑塑堕调制频率和制式的信号同时兼容，并允许几代设备（ＰＤＨ／ｓＤＨ／ＡＴＭ）共存于同一个光纤基础设施。全光网的结构非常灵活，因此可以随时增加一些新节点，包 括增加一些无源分路／合路器和短光纤，而不必安装另外的交换节点或者长光缆。 全光网络与光电混合网络的显著不同之处在于它具有最少量的电／光和光，电转 换，没有一个节点为其它节点传输和处理信息服务。１．１．２新一代光纤通信系统为了全面利用光子作为信息载体的优越性，以充分开发光纤通信的雄厚资 源，近年来已提出和开拓出多种通信新模式，为新一代光纤通信的发展奠定了坚实基础。一、复用光纤通信 主要有两种复用通信方式：波分复用和时分复用。其中发展最快的是波分复 用ｗＤＭ，近来时分复用ＴＤＭ也开始被看好，它与ｗＤＭ结合，开拓出Ｔｂ，ｓ量 级的系统，已引起广泛关注。由于复用光源（如复用ｕ）、复用ＥＤＦＬ等）在研 制中有重要进展，高密集型的复用与解复用技术及相关器件也逐渐成熟，因此近 年来，高密集型波分复用（ＤｗＤＭ）、Ｔｂ／ｓ量级的光通信系统不断涌现，而且有 望很快转入实用化。在一定意义上讲，超高速率、超大容量的ＤｗＤＭ光通信系 统的开拓，为人类进入高度信息化的二十一世纪提供了信心和基础。空分复用（ｓＤＭ）光通信利用的是光的并行性，而光纤复用，即光缆，不是严格意义下的ｓＤＭ。用光的空间相干度调制与解调机制建立起来的光通信系统 属于真正的ｓＤＭ，但由于光纤中相干性在传输中变坏，这种系统的长距离传输 在短期内难以得到解决。偏振复用也遇到类似的问题。二、光孤子通信利用光纤具有的丰富的非线性效应，变不利因素为有利因素，一直是人们追逐的目标。光孤子通信就是～个成功的实例。它是利用光纤中产生的一种三阶非 线性一自相位调制（ｓＰＭ）效应来补偿传输过程中光脉冲的群色散，二者的平衡 相抵导致光信号的无失真传输，即光孤子传输。光孤子的丰富内涵和诱人的应用 前景，引起了极为广泛的关注，不断地有高水平的研制成果报道。当前在光孤子 通信的研制方面取得优异成就的主要集中于三家：美国的Ｂｅｌｌ、日本的ＮＴＴ和 英国的ＢＴＲＬ。实验中已获得的最高码速典型值为１００Ｇｂ，ｓ，传输距离最高到达南京邮也学院硕士学位论文第一章ｗＤＭ全光网概述１０６ｋｍ以上，因此，码速距离积可达１０ＴｂｋＩｌｌ／ｓ以上。 我国最早的光孤子通信试验工作是在国家自然科学基金的支持下进行的，近 期己成功地完成了光孤子的传输实验。当然，光孤子这种现象也可以很好地为目 前的光通信所利用，特别是在高速长途通信系统中应用［３］。三、相干光通信相干光通信的特点是：在发射端，除使用幅度调制外，还使用频率调制、相 位调制等，充分利用光子载体的相干性，挖掘其荷载潜力；在接收端，则采取相 干检测，即引入一本地光，与信号光进行外差检波，将幅度、频率、相位等方面 荷载的信息分别检测出来，完成通信的职能。显然，这种系统在传输的信息容量、 检测灵敏度等方面具有很大优势，例如，在接收灵敏度上，它比ＩＭ／ＤＤ系统起码高出２０～２５ｄＢ。系统的高性能是靠以下苛刻条件来保障的：首先，作为载体的激光源和本地光源应具有相当高的频谱纯度，即非常窄的线宽，而且温度稳定性 极高；其次，混频外差时要保证偏振关系确定，因此要求光纤是偏振保持的。 七十年代后期，相干光通信引起广泛关注，人们做了大量出色的研究工作：研制出了性能优异的动态单模半导体激光器（ＤｓＭ―ＤＦＢ．ＬＤ），其线宽可达ｌｋＨｚ以下，插入自动频率控制装置后，频率稳定性能达到１０－１２，即温漂在１ｋＨｚ以下。 同时，还先后研制出各种类型的保偏光纤。有了这样的基础，在八十年代相继推 出诸多相干光通信实验系统。这些系统分别采用了ＡｓＫ、ＦｓＫ、ＰｓＫ、ＤＰｓＫ等 调制方式以及包络检波、同步检波与双滤波等检测方式，获得了一系列出色的结果。系统的码速在１０Ｇｂ／ｓ以上，接收灵敏度达一５０ｄＢｍ，传输距离在数百公里。特别要指出的是，近年来，光子集成（ＰＩＣ）与光电子集成（ＰＥＩＣ）的发展迅速， 已研制出由ＰＩｃ与ＰＥＩｃ技术制作的相干光通信系统发射机和接收机，为相干光通信系统的小型化、高性能化创造了有利条件。相干光通信与复用通信，特别是ｗＤＭ系统相比较，毕竟因结构复杂、运行 条件苛刻等而显得逊色，因此在目前正当ｗＤＭ得势的情况下，相干光通信则显 得缺乏竞争力。如果由ＰＩｃ与ＰＥＩｃ技术制作的相干光通信系统能够尽快地达到 实用化水平，其地位将会迅速得到改观。但是其经济可行性仍然有待于进一步的 证实［４］。四、量子光通信４南京邮电学院硕士学位论文第一章ｗＤＭ全光网概述从通信的物理观念上讲，上述所有通信，包括ＩＭ／ＤＤ通信、复用通信、光孤子通信、相干光通信等均属于经典模式，在这里，光子虽作为信息的载子，但 没有顾及它的量子特性。在经典通信模式里，其通信容量最终受到量子噪声极限的限制。这也可能是未来高速信息化社会中通信系统将要遇到的最严峻的挑战。为此，人们非经典地研究了光子的量子特性，并开辟了基础光子学的研究领 域。至今，已提出了一种称之量子光通信的通信模式。它的发射端是一种新型的非经典激光器（或称亚伯松态，或称光子数态光子源），发射出均匀的光子流，经光子调制器，对每个光子编码载入信息。信道仍然是光纤，但它是非经典信道。 接收端是由量子非破坏测量（ＱＮＤＭ）装置与光子计数器构成。由于是光子数态， 并对光子与光子数编码，不再受量子噪声限制，因此信息效率与信噪比大幅度增长。又因为使用ＱＮＤＭ解调，光子计数器接收，不但进一步提高了信噪比，而且由于不再需要从信号中吸取能量，因此接收灵敏度也有实质上的提高。形象地 讲：量子光通信即为光子通信，在这里，一个光子有可能将大量的信息长距离地传送给大量的收信者。 显然，光子通信的开拓，将在观念上、原理上引起通信领域的一场深刻变革。 庆幸的是，近年来，光子通信各个环节的研究均有实质性进展。压缩态、光子数态激光器已有成功的实验实例，为了能适宜于实用化要求，压缩态、光子数态的 半导体激光器成为研究热点。用光纤作克尔介质研制出小型ＱＮＤＭ器件、用ＡＰＤ作探测器研制出小型光子计数器等也均有实验报道。可见，光子通信已不再是理 论家的、也不是遥远未来的事情了。不过，实事求是地讲，光子通信虽属最理想的通信模式，前景诱人，但与上述几种光通信模式比较，条件苛刻，技术难点多，因此，在今后一段较长的时间里尚处于基础研究阶段［６］。１．２ｗＤＭ全光网的提出 光通信的复用技术已有１０多年的历史了，其中波分复用（ｗＤＭ）技术已成为复用技术中实用化最高的一种。ｗＤＭ技术是利用一根光纤同时传输多个不同 波长的光载波，并通过具有波长选择作用的器件（如干涉滤光膜、光栅等）进行 合波或分波，用以提高光纤传输容量的一种技术。ｗＤＭ不仅能实现点到点的传 输，还具有上下波长和交叉波长的能力，能够在对原有系统改动较小的情况下， 充分利用光纤的带宽资源来提高传输速率和扩大通信容量，因而在远距离的通信南京邮电学院坝上学位论文第一章ｗＤＭ全光嘲概述过程中显示出了巨大的优越性。 但目前，ｗＤＭ的潜力还没有被完全挖掘出来，这是因为ｗＤＭ是在现行光 通信系统之中应用的，现行光通信系统是光电结合的系统，所传输的原始信号必须是电信号，然后通过电／光（Ｅ，Ｏ）转换为光信号，再由光端机发射并进入光纤 线路传输出去。在接受端，还需由光接收机通过光，电（Ｏ／Ｅ）转换将光信号再变换为电信号传送给收信者。 正是由于这些转换的环节限制了光纤通信优越性的发挥，比如在基于电子技 术的网络中会受到串行电信号传输速率的限制，其上限仅为４０Ｇｂｉｔ，ｓ，因而难以 实现高速率宽带综合业务的传送和交换，对宽带信号产生“瓶颈”效应。因此只 有基于光纤的全光网络才能提供高速率、大容量的信息传输处理能力和打破对宽 带信号的“瓶颈”效应，并可在长时间内适应高速宽带业务的发展。“全光网络 （全光通信网络）”正是在这样的背景下，随着ｗＤＭ技术的日益成熟而提出来的。全光网络，就是信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号传输、再生和交换，选路的，也就是说光信息流从信源到信宿的整个传送过程都始终在 光层面上进行，中间不需要任何Ｅ／Ｏ、Ｏ／Ｅ的变换，就可达到在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的全光透明通信的目的。全光网络在复用方式上可以分为：ＷＤＭ、光时分复用（ＯＴＤＭ）、光空分复用（ＯＳＤＭ）、光码分多址复用（ＯｃＤＭＡ）、光频分复用（ＯＦＤＭ）’以及上述各种方式组合的复用方式。但从 目前的技术条件看，基于ｗＤＭ的全光网络技术最为成熟，最具有实用性，前景也最为诱人。１．３ｗＤＭ全光网的技术特点［７］（１）利用光波长选取路由在传输高速率的数据信息时，ｗＤＭ的每个光波长都会载荷许多路的ＴＤＭ 电信号。在传输网的内部由光波长起控制作用，避免了高比特率用户信息在中间 节点进行光／电／光（Ｏ／Ｅ，ｏ）的转换及处理，因而不会产生类似电子网络中的那 种“瓶颈”效应。同时，由于其采用全光路由器，能同时处理多路ｗＤＭ信号， 而且允许使用ＯＡＤＭ和ＯＸＣ，其所用的重要网络单元都能受光波长的控制等等。（２）透明传输６』塑塑塑茎塑至壁兰竺堡苎苎二童！望坚全鲞堕堑垄由于采用了由波长选寻路由和操纵各种网络单元，以及光分组交换的方式， 因而使传输网络无需Ｏ／Ｅ或Ｅ／０转换设备，就能将光信号和光波长融通。即只 要在某个波长上建立连接关系，就能在两个节点问透明地传递任何协议、任意格式和码速的信号。（３）有可扩展性即在加入新节点时，对原有的网络和节点设备不会有任何影响或影响很小， 因此在扩建网络时，无需铺设新的光纤线路，也不必对原系统作较大的改动，只 需接入ｗＤＭ器件和端机，再生器（光放大器），就可实现扩容，从而大大降低了网络建设和维护工作的费用及成本。 （４）有可重构性 在网管系统的调度下，能根据通信业务量的变化，动态地改变网络的结构，用以满足实际通信的需要和充分利用网络的资源，能够实现网络在光层上的自愈，进而提高了网络的可靠性。 １．４本文工作简介 第一章回顾了网络的发展历史和新一代光纤通信系统，指出在当今社会对信息的需求急速增加的情况下，基于ＷＤＭ技术的全光网才是最有前途的解决方案。并着重介绍了ｗＤＭ全光网的概念和技术特点。第二章简要介绍了光网络分割和分层的概念，详细阐述了全光网的网络结 构，并建立了一个全光网的结构模型，以待后续章节对实现全光网的功能进行分 析研究；另外也介绍了全光网中的关键器件，包括光源、光放大器、光转发器、 光分插复用器、光交叉连接器、光开关、交换路由器。 第三章全面分析了光开关技术，在此基础上介绍了光交换的种类，并阐明其发展前景：然后讨论了全光网的路由和波长分配的概念、意义以及ＲｗＡ算法， 并提出一种新的ＲＷＡ算法。第四章着重分析了ｗＤＭ全光网的节点结构，详细讨论了光交叉连接器ＯＸＣ中波长变换器的增减对节点性能的影响。并且还讨论光分插复用器ＯＡＤＭ 的结构特点和基于ＡｗＧ的ＯＡＤＭ的结构性能。第五章从光网络管理和控制机制的演变和发展提出了光信令网的概念，然 后分析了光信令网链路及节点的实现方式：最后着重分析了全光网生存性问题，南京邮电学院硕士学位论文第一章ｗＤＭ全光网概述包括生存性的概念、故障的检测和定位、故障信息的传送以及保护倒换和路由恢复的具体实现方法。第六章分析了ｗＤＭ全光网中的串扰问题，从串扰的产生到同频串扰和异频 串扰的不同特点都作了具体讨论，并利用数学公式和理论模型进一步分析了０ＸＣ的结构对系统串扰的影响。 最后本文的结束部分，并对全文进行了总结。 本章参考文献：【１】徐荣、龚倩，高速宽带光互联网技术，人民邮电出版社。 ［２】张肇仪等译，光纤通信系统，人民邮电出版社。 ［３】蔡炬，杨祥林，光孤子通信技术现状与未来，半导体光电，２００３，１：６“７０。 【４］刘喜斌，相干光通信，现代通信，１９９８，６：４～５。 【５］纪越峰等编著，光波分复用系统，北京邮电大学出报社。 【６１韦乐平编著，光同步数字传送网，人民邮电出版社。［７］ＩＴＵ．ＴＲｅｃ Ｇ８０６．“Ｇｅｎｅｒｉｃ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｎｅｔ、ｖｏｒｋ，’．２０００ａ南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件第二章ＷＤＭ全光网的网络结构和关键器件传统的电话网（基于电路交换的）和数据网（基于分组／包交换的）都是经 过专门的设计以便为语音用户和数据用户分别提供这种共享服务，例如ＡＴＭ交 换和ＩＰ路由器网络都是为许多宽带的多媒体业务提供非常相似的资源共享的网络设备。而且网络呈现多种接入方式并存的状况，语音通过ＴＩ）Ｍ网络、ＩＰ通过 以太网或ＡＴＭ、视频通过ＨＦｃ网络。在这种情况下，针对某一种业务的通信连 接在逻辑上就构成了一种独立的网络结构，任何一种网络都不能很好地同时适用于其它类型的业务类型，于是就形成了分别面向单一业务的多种业务网络相互重 叠的结构形式，从而导致整体通信网络架构呈现业务专门化、结构重叠化和功能重复化等特点。这种多种网络同时并存的“大网套小网”结构使得网络的运营和维护繁杂且昂贵，而且资源利用率十分低。因此，迫切需要一种能综合多重业务、一提供多重用途、结构统一、十分灵活的通用网络结构。ＷＤＭ全光网正好承担起了这一艰巨的任务【ｌ】。２．１全光网的分割和分层基于ｗＤＭ的光网络总体结构图２―１所示，它是由光分插复用器（ｏＡＤＭ）、 光交叉连接器（Ｏｘｃ）和各种接入方式以及光放大器（ｏＡ）等；按照分层分割的 原理，光网络可横向分割为核心网、城域／本地网和接入网［２］［３］。ＩＴｕ―Ｔ的Ｇ８７２为光传送网（ＯＴＮ）的分层结构作了定义。由一系列光网元经光纤链路互联而成，能按照Ｇ８７２的要求提供有关客户信号的传送、复用、选路、管理、监控和生存性功能的网络称为光传送网。如图２―２所示。ＯＴＮ将整 个光层细分为光通路（０ＣＨ）、光复用段（ＯＭＳ）和光传输段（ＯＴｓ）三层。０ｃＨ层直接与各种数字化的用户信号相连接，它为透明地传送ＳＤＨ、ＰＤＨ、ＡＴＭ、 ＩＰ等业务信号提供点到点的以光通路为基础的组网功能。ＯｃＨ指单一波长的传输通路。ＯＭＳ为经ｗＤＭ复用的多波长信号提供组网功能。ＯＴＳ经光接口与传 输媒质相接，它提供在光介质上传输光信号的功能。相邻的层网络形成所谓的客户，服务者关系，每一层网络为相邻的上一层网络提供传送服务，同时又使用相 邻的下一层网络所提供的传送服务。光传送网络的各子层功能如下：（１）客户层：由各种不同格式的客户信号（如ｓＤＨ、ＰＤＨ、ＡＴＭ、ＩＰ等）组成：９南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件城图２．１客户层｛ＳＤＨ／ＳＯＮＥＴ光网络横向分割结构示意图ＡＴＭ ＦＤＤＩ ＩＰ ＰＤＨ其它光通道（０ｃＨ）层 光层＜ 光复用段（０Ｍｓ）层光传送段（０Ｔｓ）层图２．２光传送网的分层结构示意图 （２）光通路层（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈ趾ｎｃｌ Ｌａｙｅｒ）：光通路层负责为来自电复用段的不同格式的客户信息选择路由和分配波长， 为灵活的网络选路安排光通路连接，为透明地传递各种不同格式的客户层信号的光通路提供端到端的联网功能。处理光通路开销，提供光通路层的检测、管理功能，提供端到端的连接。并在故障发生时，通过重新选路或直接把工作业务切换 到预定的保护路由实现保护倒换和网络恢复。主要传送实体有网络连接、链路连接、子网连接和路径： （３）光复用段层：该层保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输，为多 波长信号提供网络功能。主要包括：为灵活的多波长网络选路重新安排光复用功ｌＯ南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件能；为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理复用段开销；为段层的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能；（４）光传输段层：该层为光信号在不同类型的光媒质（如Ｇ６５２、Ｇ６５３、Ｇ６５５光纤等）上提 供传输功能；光传输段开销处理以便确保光传输段适配信息的完整性；同时实现 对光放大器或中继器的检测和控制功能等。整个光传送网由最下面的物理媒质层 网络所支持，即物理媒质层网络是光传输段的服务者。 ２．２全光网的网络结构［４］［５］ｎ１点到点的结构 点到点结构是ＷＤＭ全光网的基本连接方式，根据在单根光纤中不同波长光信号能够传输的方向，具有单向传输和双向传输两种结构。如２．３给出了单向传 输ｗＤＭ点到点系统的结构示意图。载有各种信息的、具有不同波长的Ｎ路己调光信号＾、五：…五。作为信道载波，在发射端通过波分复用器（合波器）被耦合到一根光纤中传输，由于各信号是通过不同波长来传送，因而不会引起彼 此之间的混淆。在传输过程中采用掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）对信号进行放大，以补偿信号在耦合与传输等各环节中引起的损耗。光发射机坞ｌ到光接收机波 分 复用 器ｌＩ光发射机ｂ Ｉ ｌＶ卜＼ｏ光纤ｏ／１汀ＥＤＦＡＥＤＦＡ解 复 用 器匀光接收机山 吲光接收机‘光发射机Ｂｌ图２―３点到点单向ｗＤＭ全光传输系统 在接收端则通过鹪复用器（分波器）将Ｎ路不同波长的光信号分开，经光 电转换后接收，从而完成Ｎ路信号的并行传输。在这里，值得一提的是ＥＤＦＡ。 由于ＥＤＦＡ可以将不同波长的光在传输过程中同时放大，从而使得无光电转换的 ｗＤＭ技术得以实用化。解复用器的原理类似色散元件，能将同一光纤中不同波长的信号光在终端分开。（２）环形结构通过在各节点处接入光分插复用器（ＯＡＤＭ），可将点对点结构的ｗＤＭ全南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件光网扩展为环形的ｗＤＭ全光网络。图２．４为一个由ＯＡＤＭ组成的包含５个节 点的ＷＤＭ环形网络结构示意图。在每一个节点处设有一个交换机，这样在节点 处便可插入／分离某一特定的信道，并允许其它的信道无阻碍地通过此节点。例 如在节点１处可分离出波长＾的信道，也可将要发送的信息以波长＾为载波插入到信息流中，而波长为五：、也、九的信道则可无干扰地通过节点１。图２―４ｗＤＭ全光网的环形结构由于在节点处引入了ＯＡＤＭ，因而在节点处便可实现特定波长通道的信号 经过分接器“分出”，并允许把与刚分出一样的特定波长通道信息“插入”复接 器，从而使网络成为完整的环型。如果单个并行光束能很容易地分离出来，并且 重新插入的话，在传输的光链路上实现光载波信号的上／下信道，即可分支出另一个完整的光传输系统，可应用于多信道传输系统，这对于扩展网络是十分重要的。（３）广播～波长选择网络结构 广播一波长选择网络结构如图２．５所示。广播一波长选择网络可以分配信息到多个用户。在这里每个用户可接受所有的信道，采用适当的解复用方式，每个 用户可以选择自己想接收的信道。每个节点被分给不同的波长，各节点以自己特 定的波长发出的信息经星型耦合器汇集，再由星型耦合器将所有信号分送到每一个节点。广播一波长选择网络能实现一个用户对多个信道信号的任意选择，每个节点 利用可调谐接收器选择接受。一般各节点的发射器是固定频率的，而接收器是可南京邮电学院顼士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件调谐的（实际上也可以有相反的情况）。注意，此处接受节点要想接受某发送节 点的信息，必须利用调谐接收器把接受波长调到与发送信息的波长一致，这就要用到某种媒质接入控制协议（ＭＡＣ协议）。图２―５ ＷＤＭ的广播网状结构 （４）基于波长路由的ｗＤＭ网络波长路由选择指光信号通过信源和目的地之间的网络部件时，光信号按波长设定可选择的路由。在光网络中的波长路由具有两个突出特征：１、波长路由决定光信号所选取的光信道，由某个确定节点发出多个光波长信号，每个光信号可通过波长路由通向不同的目的地；２、因每个光信号限于一个特定的光通道，每 一波长在网络中的非重叠部分可多次重复使用。图２．６基于路由器的ｗＤＭ结构 由此可见，在波长路由选择网络中，对于特定波长上的光信号，是通过波长 直接寻址到目的节点，而不是向全网广播。这样不仅避免了不必要的信号光能损耗，并能同时实现同一个波长在网络非重叠部分的重复使用，在信道光波波长有 限的情况下，可提高信道光波波长的利用率，增加网络节点的数目。 图２．６显示出一个采用路由器的简单光纤ｗＤＭ系统的结构，通过路由器可 实现通信两端对＾和ｚ：信号分别下行并分别插入新的信息载波五和五。。在这种 网络结构中设置恰当的路由算法和波长分配规则是其中最为重要的问题。有关路 由算法和波长分配，在第三章会详细讨论。南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件２．３本论文要着重讨论的全光网结构模型 为了便于讨论，不妨设计出如图２―７所示的结构模型。图中ｌ、２、３、４节 点为光分插复用器ＯＡＤＭ，用于光路的上下，为承载不同业务提供端口；５、６、 ７节点为光交叉连接器０ＸＣ，用于光纤链路和不同环网的交叉连接。不同类型 的业务（如语音、数据和多媒体等）和不同格式的业务（如ＰＤＨ、ｓＤＨ、ＡＴＭ 和ＩＰ等）都可以通过这个全光网平台进行传输交换。在光纤链路中还有若干光放大器（如ＥＤＦＡ等），用于光功率的补偿，为了简化，图中没有画出。 图中各节点（ＯＡＤＭ和ＯＸＣ）的具体结构和特点在第四章讨论；其中的路由算法和波长分配在第三章讨论；网络的管理和保护倒换在第五章讨论。２．４全光网的关键器件 （１）光源臣二一?乏，臣图２．７ ｗＤＭ全光网的结构模型ｗＤＭ光网络对光源的要求是高速（大容量）、低啁啾（以提高传输距离）、工 作波长稳定，且是用一个器件可使多个波长能同时振荡的光源，实现满足这些要 求的光源是一项重要课题。从技术发展趋势来看，集成光源是首选方案，激光器 与调制器的集成兼有了激光器波长稳定、可调与调制器的高速、低啁啾等功能。现已提出多种集成光源方案：其一是ＤＦＢ半导体激光器与电吸收调制器的单片集成；其二是ＤＦＢ半导体激光器与Ｍ．ｚ型调制器的单片集成；还有分布布拉格 反射器（ＤＢＲ）激光器与调制器的单片集成以及半导体与光纤光栅构成的混合集１４南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件成ＤＢＲ激光器。 （２）光放大器在光放大器出现以前，相隔一定距离就需要设置一个中继器，通过光／电／ 光的过程对信号进行再生。实际上补偿光纤损耗的最有效方法是用光放大器直接 对光信号进行放大，而无需转换成电信号。 光放大器（ＯＡ）技术目前主要有三类：掺稀土类光放大器（ＥＤＦＡ，ＰＤＦＡ，ＴＤＦＡ， ＥＤｗＡ等）、半导体光放大器（ＳｏＡ等）、非线性效应光放大器（ＦＲＡ等）。光放大器技 术极大地推动了光纤通信的发展，在系统应用中，具有里程碑的意义。它解决了 衰减对光传输网络（ｏＴＮ）传输速率与距离的限制，并使超高速、超大容量、超长 距离的波分、密集波分、全光传输、光孤子传输等成为现实。主要应用为发射机 后的功率放大（ＢＡ）、接收机前的预放大（ＰＡ）和线路中的中继放大（ＬＡ），用来补偿 线路传输衰减，节点分配衰减，色散补偿，并降低非线性效应等。在系统成本中， 光放大器的成本达到系统总成本的ｌ／３，是系统成本预算的主要控制内容。 ＥＤＦＡ是目前及未来一段时间放大器的主要选择，在骨干网和城域网及接入网 中发挥着关键性作用。但ＥＤＦＡ级联噪声大以及带宽受限，它与ＤＲＡ（分布式ＦＲＡ） 混合使用，在长距离、大容量传输中是当前的一种优秀方案。喇曼光纤放大器ＦＲＡ 具有宽带、低噪声、抑制非线性、提高传输距离、能进行色散补偿等功能，必将 成为下一代光放大器的主流。城域网／接入网中光放大器目前具有竞争力的技术 为Ｍｉｎｉ￡ＤＦＡ、ＥＤｗＡ和ｓｏＡ技术，这种低价放大器正在标准化。随城域网建设的兴 起，光放大器在低价领域必有一番作为。（３）光转发器转发器的作用是对从路山器或其它设备来的光信号进行转换，将非匹配波长 上的光信号转换到符合ＩＴｕ―Ｔ规定的标准波长上，然后插入到光耦合器中，以满足系统的波长兼容性。当网络的某一点信号质量劣化时它又承担信号再生任务。目前在光网络中使用的是光电转发器，在下１一代的光网络中全光转发器将取代光电转发器。全光波长转发器是波分复用和波分多址（ｗＤＭＡ）光纤通信系统中的一个关键部件，它在光开关、光交换、波长路由、波长再用等技术中有着广泛的应用。它的主要特点是取代现有的先光电后电光转换的结构，高效、可靠、简便地把带 有信号的光从一个波长转换到另一波长，从而使波分复用和波分多址网络系统的南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件容量大大提高，避免了波长竞争、使通信网络管理更为灵活、合理。近年来已发展了多种全光波长转换技术，主要有：１、采用交叉增益调制（ＸＧＭ―ＳＯＡ）转换器；２、采用交叉相位调制（ｘＰＭ―ＳＯＡ）转换器；３、利用半导体光放大器中四波混频效应（ＦｗＭ―ＳＯＡ）的光波长转换器；４、利用周期性波导中准相位匹 配的四波混频波长转换器。另外，以半导体激光器为基础的全光波长转换器有：１、利用分布布拉格反 射激光器中光吸收增益饱和机制（ｘＧＭ―ＤＢＲ）的波长转换器：２、利用分布布拉格反 射ＬＤ或Ｙ型ＬＤ中光吸收双稳态波长转换器；３、利用边（侧面）注入的光双稳型波长 转换器。除此以外，还有光纤中四波混频效应（ＦｗＭ）的波长转换器和采用晶体中声光效应的波长转换器。 （４）光分插复用器ＯＡＤＭ０ＡＤＭ是一种在光域进行波长业务分插复用的设备，能提供多路光通道接口，可适用于ｗＤＭ的开放式系统或集成式系统。波长分插复用使得某些波长可以经过 光波长转发单元（０ＴＵ）（开放式系统）或不经过ＯＴｕ（集成式系统），直接在中间局站 分出和插入，而不需要ｓＤＨ终端设备，其功能类似于ｓＤＨ中的ＡＤＭ设备。它以光波信号为操作对象，利用光波复用技术在光域上实现波长通道的上下，使某些波长在中间局站的终端设备上终结，也就是说某些波长在中间局站分出和插入业务。 光分插复用设备可从ｗＤＭ光纤信道中有选择性地分出和插入某些光通道（分插复用的支路信号以波长为单位，称为光通道），而不影响其他光通道的透明传输。 已研制出的光分捕复用器有波分复用器和解复用器的组合型：马赫－曾德尔结构中的光纤光栅型；将光波导、马赫一曾德尔结构及干涉滤光片集成在‘起的 甲面集成犁，它们都以固定波长工作。工作波长可调的光分插复用器『Ｆ在刀：发之 中，并日．已取得突破性进展。还有一种新型光分插复用器足由波导光栅阵列组成 的，能够实现低成本集成，可很好地应用于城域｜＝回接入。 除基于光波导的光分插复用器外也可以基于空间光学原理进行设计，这种结构使用较大体积的光学器件而且以空间作为连接载体。空问互连增加了对信号进行操作控制的距离，这一点也是它的一大优点。 （５）光交叉连接器ＯＸＣ光交叉连接器ＯｘＣ是用于光纤网络节点的装置，通过对光信号进行交义连１６南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件接，能灵活有效地管理光纤传输网络，是实现可靠的网络保护，恢复以及自动配 线和监控的熏要技术。光交叉连接器的核心是光交叉连接矩阵，它要求无阻塞、低串扰、低延迟、无偏振依赖性、宽带宽和高可靠性，并要求具有单向、双向和 广播形式的功能。光交叉连接器有光路交叉和光分组交叉两大类。 光路交叉又可分为光空分交叉、光时分交叉和光波长交叉。其中，光空分交叉技术最为成熟，它通过光开关实现各个光通道信号的交叉。光波ｌ主＝交叉是将信 息在不同的波长间进行交叉，它与空分交叉相结合可大大提高交叉矩阵的容量和 灵活性。光时分交叉与电时分交叉雷同，也是按时间段交叉光信号，不过要求物 理速率很高，在技术上有…定的难度。光分组交叉采用光ＡＴＭ交叉技术，其原理与电ＡＴＭ相似，优点是能适应各种速率，信息处理能力强，但离实用化还较远。目前的许多光分插复用器和光交叉连接器都是无源器件，而且要求在节点上插入／分按特定波长之前必须预先配置好。另一方面，Ｎ×Ｎ光开关已开始商用，它可以动态重组光分插复用器和交叉连接器。朗讯公司已推出实用商品化的全光 交换产品一ＭＥＭｓ一５２００系列产品，并通过Ｂｅｌｌｃａｒｅ的有关可靠性试验，该产品采用三维结构，同时集成了微处理器，以提供对光交换实时监控。有关光分插连接器ＯＡＤＭ和光交叉连接器０ｘｃ，在第四章会详细讨论。｛６）光开关使用微机械镜（ｔｉｎｙｍｅｃｈａｌｌｉｃａｌｍｉｒｒｏｒｓ）或声表面波滤波器技术可以实现光丌关功能，但这些器件的玎关速度目前仍比较低。利用微电子机械光开关（ＭＥＭｓ） 技术制作的新型光开关，体积小、重量轻、能耗低，可以与大规模集成电路制作 工艺兼容，易于大批量生产、集成化、方便扩展、有利于降低成本。成为近几年 光通信发展的亮点。 此外，ＭＥＭＳ光开关与信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时在进行光处理过程中不需要进行光／电或电／光转换。特别 是大规模光开关阵列，几乎非ＭＥＭＳ技术而不能实现。而０ｘＣ必需使用大规模光开关阵列。因此大规模ＭＥＭｓ阵列几乎成为目前发展全光通信唯一可行的技术路 线。另外ＭＥＭｓ光开关及其阵列在现有光通信中的应用范围也很广。长途传输网 中的光开关／均衡器，发射功率限幅器：城域网中的监控保护开关、信道均衡器、 增益均衡器；无源网中的调制器等都需要光开关及其阵列。南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件从各公司目前发布的信息看，微机械光开关的实现方案多种多样，总体结构从２Ｄ―ＭＥＭＳ向３Ｄ―ＭＥＭＳ发展，其中驱动结构主要采用静电数字驱动、静电模拟驱动或电磁驱动，驱动方式包括倾斜、扭转、平移微镜等，微镜制作采用表面微机 械技术或体硅腐蚀技术。总的来说，２Ｄ―Ｍ跳ｓ光开关技术相对成熟，３Ｄ～ＭＥＭｓ光 开关由于空间利用率较高、通道均衡性好、锅台封装简单而受到广泛关注；表面 微机械加工的扭动／倾斜镜光开关在扩展性方面具有较大优势，但它在重复定位 精度方面存在相当大的问题，要产品化必须有较大突破，而体硅工艺加工的光开 关工艺简单、成本低，但工艺控制精度较差。 （７）交换路由器（路由交换机） 早期的路由器由于采用软件实现路由识别、计算和包转发，因而其速度远低 于网络交换机的速度，普遍认为它不能适应今天的高速率网络。１９９７年下半年 以来，一些公司开始陆续推出采用专用集成电路进行路由识别、计算和转发的新 型路由器。商品化的吉比特路由交换机的交换速率…般为ｌＯ一６０兆包／ｓ，包转 发速率为１０―６０Ｍｂｊｔ／ｓ，其时延和时延抖动为微秒数量级，在网络中即便通过多 级线速路由交换机，其积累时延仍在可接受范围之内。此类产品的杰出代表是 ｃｉｓｃ。公司的１２０００系列吉比特交换路由器。目前，新型路由器系列传送每个包 所消耗的时间已降至０．４―３ｍｓ以下，出／入所有设备的时延在５０―７５ｍｓ范围内，所以路山器传送时延已不再成为问题。目前交换速度达几太比特的路由交换机已问世，一般采用并行或大规模并行 计算技术。例如，Ａｖｉｃｉ公司的ＴｓＲ交换路由器由２０块交换路由卡组成，每块卡采用专用硬件构成，总体交换速率为１．４ Ｔｂｉｔ／ｓ。Ｐｌｕｒｉｓ ＩＮＣ公司的ＴＮＳ路ｌｊｉ交换机采用大规模并行技术，共有１６×１０２４个处理机节点，每个处理机节点 支持１５５Ｍｂｉｔ／ｓ的端口：采用通用器件构成，总交换速枣为５Ｔｂｉｔ／ｓ，支持１０００个２．５ ６ｂｎ／ｓ的ＳＴＭ～１６端口。Ｎｅｏ公司的Ｓｔｒｏａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ２４００，采用ｌ０００个Ｒｌｓｃ（精简指令集计算机）处理机大规模并行构成，其交换速率为５１２Ｇｂｉｔ／ｓ，包的传送速度可达４００兆包／ｓ。本章参考文献：（１］徐荣、龚铸，高速宽带光互联网技术，人民邮电出版社。南京邮电学院硕士学位论文第二章ｗＤＭ全光网的网络结构和关键器件［２］顾畹仪、张杰，全光通信网，北京邮电大学出版社。 ［３］张保富等，全光网络，人民邮电出版社。 ［４］鄂大伟，基于ｗＤＭ的全光网结构与应用技术，计算机工程与设计，２００１年１２月。［５］叶东翔，江中澳，基于ｗＤＭ技术的未来光传输网络，光通信研究，２００１年第３期。１９南京邮电学院硕士学位论文第兰章光交换和波长路由与分配技术第三章光交换和波长路由与分配技术随着波分复用设备能力的持续增长（从传输８、１６和３２个波长到现在的在 一根光纤中传输１６０个波长），骨干网的光纤光学连接点已成了一个大型业务汇聚点。在这种情况下，运营商在骨干网络的光纤光学连接点需要巨大的交换能力来处理这些波长，而且光层现在普遍运行在Ｏｃ．４８（即２．５Ｇｂｉ眺）和０ｃ．１９２（即 １０Ｇｂｉ“ｓ）速率上，而原有的交换设备无法提供相应的接口速率和端口密度。为 了解决电子交换系统的瓶颈问题，研究人员开始在交换系统中引入光子技术，实 现光交换。采用高速的光交换选路设备可以把大量的原始带宽转换成可用带宽， 解决骨干网络潜在的瓶颈问题，并确保现有ＩＰ（国际互联网）、ＡＴＭ（异步转移 模式）、ＦＲ（帧中继）等网络之间的互操作性［１】。 实现光交换的最关键的部分是光开关，下面首先讨论光开关技术。３．１光开关技术通常的开关系统需要完成的功能有： （１）时域上基于缓冲器和同步的复用和解复用；（２）基于波长变换的波长复用和解复用； ｆ３）空分开关。 基于电的ＡＴＭ开关结构已经被广泛研究，它们的吞吐量受限于电子电路的速率。在高速数据传输电路中速率限制主要来源于电磁感应和电子电路中Ｒ．ｃ时间常数导致的波形变化。另外，逻辑门操作晶体管的速度越快，需要的能量就 越高，因此降低能量消耗和减少热量产生成为高速电子电路中需要解决的问题。 ｌＴｂｉｔ，ｓ被认为是纯电子技术所能达到的极限，而在光域中由于光信号在系统传输速率高于１Ｔｂｉ“ｓ时可以实现无变形的传输，所以可以解决在电域中遇到的上述 问题。而且，光纤的低损耗特性使得传输系统中的高带宽得以充分利用。光子技 术是解决纯电子电路吞吐量限制问题的关键，研究人员在光域中研究了三类光开 关，它们是：空分开关、时分开关和波分开关【２】。一、空分开关空间光开关是光交换中最基本的功能开关。它可以直接构成空分光交换单 元，也可以与其它功能开关一起构成时分光交换单元和波分光交换单元。根据光 信号在光开关中通过媒质的不同，空间光开关可以分为光纤或波导型光开关和自南京邮电学院硕士学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术由空间型光开关两类。前者有机械光开关、ＬｉＮｂ０３的方向耦合器和半导体光开关等多种类型。由于锂酸铌优良的光电及波导属性，并且它的处理技术相对成熟， 使它成为集成光学的主要材料。每一个信号从输入端到输出端由互联的几个锂酸 铌交叉连接点提供不同的路径，树形结构是最具吸引力的空分开关网络。这些光开关最基本的形式都是２×２，即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接。这样的光开关有三种实现方案，如图３．１所示。１ｘ２光开关 光门（ａ）（ｂ）（ｃ）图３．１２×２空间光开关的实现方案（１）１个２×２光开关如图３．１（ａ），如基于ＬｉＮ－ｂ０３的方向耦合器和机械光开关；（２）４个１×２光开关用光纤如图３．１（ｂ）互连起来。１×２光开关可用Ｙ分支型１１１Ｐ数字光开关；（３）４个１×２光耦合器＋４个门型光开关如图３―１（ｃ）构成。门型光开关可用半 导体光放大器或其它类型的门型光开关。（１）、（２）中的２×２和１×２光开关属于波导型光开关，都是由外部控制波导的折射率，选择输出波导。折射率控制由电流注入／夕｝加电场或通过加热来进行。 这类光开关在交换信号时，除了其本身的插损外，将把所有的信号功率交换到输出线去。而（３）中光开关将把一半的光能浪费掉，从而引入附加损耗，且交换的路数越多，损耗越大。用光放大器作门型光开关可以解决这个问题。但是空间光 丌关多级互连成大型交换单元时，光放大器引入的放大的自发辐射和通带变窄等问题难以解决。另外，（３）中光开关具有广播发送能力，这在提供点到多点和广播业务时非常有用。但是由于机械光开关的体积大、控制复杂，波导型光开关又有损耗大、串扰 大等缺点，采用这些光开关构成的光交换单元都很难达到很大的容量（２５６ｘ２５６ 以上）。自由空间型光开关是指光信号以光束的形式在输入、输出端之间交换。 光束在自由空间传输的特点决定了这类光开关具有低损耗、低串扰的优点，在构南京邮电学院硕士学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术成大型交换模块时具有优势。最近正在成为研究热点的一项新技术一光微电机系统技术使空间光开关技术得到很大发展。它能在单片半导体材料上集成大量光开 关元件，同时使光信号在自由空间传播。据报道，２０００年朗讯公司已推出 ＭＥＭＳ２５６×２５６光开关。二、时分开关多数报道中的时分开关与电域中的开关相似，它们用ｌ×Ｎ和Ｎ×１开关矩 阵集成Ｎ×Ｎ光开关作为读和写单元。要完成时分光交换，必须有时隙交换器 （，ｒｉｍｅＳｌｏｔＩｎｔｅｒｃｈａｎｇｅｒ）完成将输入信号一帧中任～时隙交换到另一时隙输出的功 能，而完成时隙交换必须有光缓存器，通常用光纤延时线或光学双稳态器件作为 光存储器。双稳态激光器用作光缓存器时只能按位缓存，且还需要解决高速化和 扩容等问题。光纤延时线是一种比较适用于时分光交换的光缓存器，它以光信号在其中传输一个时隙时间经历的长度为单位，光信号需要延时几个时隙，就让它经过几个单位长度的光纤延时线。目前的时隙交换器都是由空间光开关和一组光纤延时线构成。 三、波分开关波分开关由于具有很大的潜在吞吐量而吸引了人们的注意力，ｗＤＭ亦作为 一种有前途的技术被人们关注，并且已经取得了巨大的进展。它们要么基于广播 选择配置，要么基于有源波长路由配置，如果不结合其它技术它们也会受到～些限制。注意这里波分光交换与波长路由（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｌｌＲｏ砸ｎｇ）不同。后者利用波长的不同来实现选路，即实现空分交换，其中不包含波长交换功能。与时分光交换 类似，波分光交换所需的波长交换器（ｗａｖｅｌｅｎｇｔＩｌＩｍｅ卜ｃｈａｎｇｅｒ）也只能先用波分解 复用器件将波分信道空间分割开，对每一波长信道分别进行波长转换，然后再把 它们复用起来输出，近来人们更关心的是不仅将ＷＤＭ作为一种纯传输技术而且 要将其应用到全光网的透明传输中去。这些技术有波长路由开关、开关源、可调光源及可调探测器。未来的光丌关会首选时间短的重配置，这是由于用户通信量需求和服务类型随时间快速改变，时间短的重配置可充分利用由此带来的累计带宽。因此，波长 选择、波长路由ｗＤＭ开关成为任何重配置、任何规模的光网络的关键器件。目 前在测试床主要开发两种不同的技术，一种是基于声光可调滤波器（ＡＯＴＦ），它可南京邮电学院硕士学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术以独立选择、独立开关波长信道；另一种是基于混合开关，它是用多层电介质薄 膜干涉滤波器，可采用离散的２×２交叉光开关作为复用器和解复用器。在全光 网中声光可调滤波器（ＡＯＴＦ）是波长选择、波长路由的关键技术，下面将着重讨论。（１）操作原理：ＡＯＴＦ由三个功能单元组成，如图３―２所示。设备的核心是一个波长选择偏振转换器（ＰＴ），在ＰＴ两侧的一对偏振路由（ＰＲ）将输入光线分 类，根据偏振态重新组合输出光线，这样一来，每一个信道要么被送到滤波波长 端口（Ｆ），要么被送到非滤波波长端口（ｕ）。控制命令以受激电声波的形式加载到 ＰＴ上，这种声控门只有在光频是声频的整数倍时才有效，这一特性使得输入光 谱可以分成独立的波长信道。声光频率转换因子约为１０６：ｌ，也是实现了大的波长变换由微量的ＲＦ驱动实现。黜｜ｉ｜ｊｊ亘Ｈ茎］＿面：ｌＲＦ输入光线ｎ―１Ｉ１ｌＬ―＿ｊ“图３―２ＡＯＴＦ结构示意图（２）与其它滤波器相比较：ＡＯＴＦ是唯一的一种能够同时为许多波长信道选择路由的滤波器，并且可以随意选择滤波信道。当多种声频同时添加到ＡＯＴＦ 晶体时，所有相关光频可以同时独立地被选择，不需要限制选择波长的顺序。其它滤波器要达到这种平行处理能力需要级联，增加了复杂性和子网损耗，ＡＯＴＦ 避免了这些弊病。（３）ＡＯＴＦ商业化的局限性：ＡＯＴＦ体积大，能量消耗大，输入光线的偏 振态需要固定，这使得插损严熏依赖于偏振态，集成的ＡＯＴＦ可以解决上述问 题。采用单模信道波导可以使每信道能量损耗从几ｗ降至几ｍＷ。将偏振分离 器和偏振合成器集成在同一个衬底上使输入偏振态和输出偏振态经由同一声波 独立转换，保证了偏振态的独立性。ＡＯＴＦ具有独立选择和开关波长信道的优点， 同时也有信道间串扰影响大的缺点。总之，在ＡＯＴＦ设备中，用人工或远程（经由ＲＳ一２３２接口）ＲＦ控制来配置网络中的波长，也就是说，发射至ＡＯＴＦ的Ｉ心信号产生表面声波来控制开关波长。量！塞！堕兰堕堡圭兰堡堡兰笙三皇堂奎垫塑垫堡堕虫兰坌墼垫查ＡＯＴＦ的优点是设备紧凑、费用低、开关速度快，但也有一些问题有待于进一步解决。通常是系统评价测试ＡｏＴＦ交叉连接模块的开关和串扰特性、通频带宽 及相位噪声向强度噪声的转换现象。ＡＯＴＦ的研究工作主要是解决降低串扰和损耗问题。 ３．２光交换的种类和发展前景 光交换方式主要有以下几种： （１）空分光交换技术空分光交换的实现是几种交换方式中最简单的～种。空分光交换是由开关矩 阵实现的，开关矩阵节点可由机械、电、或光进行控制，按要求建立物理通道， 使输入端任一条信道与输出端任一条信道相连，完成信息的交换。图３―３所示为 一个３ｘ３光开关矩阵结构原理，３个输入端和３个输出端构成９个交叉控制点， 通过控制交叉点的开关状态实现信道交换。‘＞１。＞弋＞、－＞，＼．］ ＾、●＞．一＼●、。＞飞１＞、２．＞、３黜图３．３空分交换图３．４时分交换（２）时分光交换技术时分光交换方式采用光器件或光电器件作为时隙交换器，时隙交换网络由光 读／写门和光存储器组成。光写入门将输入时分复用信号中的各路分开，分别写 入相应存储器，光读出门按照控制指令顺序逐比特读出后合为一路输出，达到交换目的。时分光交换网络由时分复用器／解复用器、时间复用的空间开关（ｓｓ）和时 隙互换器（时间开关（，ｒｓ））组成，这些器件可以由高速光开关矩阵构成。图３―４ 所示为ＳＴｓ（空一时一空）结构的光时分交换网络原理。．时分光交换的关键器件是光开关和光存储器。光读／写门可由定向耦合器担南京邮电学院硕士学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术当，光存储器可使用光纤延时线、双稳态激光二级管等，如自电光效应器件、非 线性法布里埃光逻辑器件。 （３）波分光交换技术 波分交换是频分交换的扩展。波分交换即信号通过不同的波长，选择不同的 网络通路来实现，由波长开关进行交换。 波分光交换网络由波长复用器／解复用器、波长选择空间开关和波长互换器 （波长开关）组成。波长开关是完成波长交换的光键器件。可调波长滤波器和波 长变换器是构成波分光交换的基本元件，图３―５所示为ｓｗｓ（空一波一空）结构的光波分交换网络原理。鬻雾愀夯希Ｌ谧～西婴图３，５波分交换（４）复合光交换技术 该技术是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。空分＋时分，空分＋波分，空分＋时分＋波长等都是常见的复合光交换方式。例如，极有前途的波分＋时分技术结合起来的复合型光交换，其复用度是时分多路复用度与 波分多路复用度的和乘积。如它们的复用度分别为１６，则可实现２５６路的时分． 波分复合型交换，（５）光突发数据交换技术该技术是针对目前光信号处理技术尚未足够成熟而提出的，在这种技术中有 两种光分组技术：包含路由信息的控制分组技术和承载业务的数据分组技术。控 制分组技术中的控制信息要通过路由器的电子处理，而数据分组技术不需光，电、 电／光转换和电子路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。控制分 组在ｗＤＭ传输链路中的某一特定信道中传送，每一个突发的数据分组对应于一南京邮电学院硕士学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术个控制分组，并且控制分组先于数据分组传送，通过“数据报”或“虚电路”路由模式指定路由器分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。数据信道与控制信道的隔离简化了突发数据交换的处理，且控制分组长度非常短，因此使高速处理得以实现。同时由于控制分组和数据分组是通过控制分组中含有的可重 置的时延信息相联系的，传输过程中可以根据链路的实际状况，随时对控制信元作调整，因此控制分组和信号分组都不需要光同步。可以看出，这种路由器充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相对较低、非常适合于在承 载未来高突发业务的局域网（ＬＡＮ）中应用，超大容量的光突发数据路由器同样可用于构建骨干网。展望：市场上出现的光交换机大多数是基于光电和光机械的，随着光交换技 术的不断发展和成熟，基于热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机将会逐步 被研究和开发出来。由光电交换技术实现的交换机通常在输入和输出端各有两个有光电晶体材料的波导，而最新的光电交换机则采用了钡钛材料，这种交换机使 用了一种分子束取相附生的技术，与波导交换机相比，该交换机消耗的能量比较 小。随着液晶技术的成熟，液晶光交换机将会成为光网络系统中的一个重要设备，该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成，而液晶在交换 机中的主要作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片的光线极化角为９０。，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。另外，市场上目前又开发了基于不同类型的特殊微光器件的光交换机， 这种类型的交换机可以由小型化的机械系统激活，而且它的体积小，集成度高， 可大规模生产，我们相信这种类型的交换机在生产工艺水平不断提高的将来，一 定能成为市场的主流。３３路由和波长分配技术全光网中任意两节点之间的通信是靠光通道完成的，光通道的建立需要在两 点之间在物理网上选择一条全光路由，并为其分配一定的波长（或时隙，码字）， 因此全光网中为了满足一定的业务需求，建立光通道实质上是全光路由和波长（或时隙，码字）资源的分配，由于波长（或时隙，码字）资源的有限，因而全光路由的选择与优化对光层的设计显得很重要。在图２．７中。如果需要从节点１上路的信息从节点３下路，经过怎样的路由选择和波长分配，就是此类问题。南京邮电学院硕士学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术３．３．１全光网路由和波长分配（ＲｗＡ）的概念和意义路由和波长分配（Ｒ、ⅣＡ）是指：在给定一套需要在网络上建立的光通道， 和给定最大可用波长数量限制的情况下，如何来决定具体的路由和分配合适的波 长以使可建立的光连接最多（或使所需的波长数量最少或连接的拥塞概率最低）。 在波长通道（ｗＰ）和虚波长通道（ＶｗＰ）的情况下，这个问题又有不同的 解决方案，如在波长通道网络中，由于必须满足波长连续性的原则，即对任意一 条全光路径，在它经过的所有链路上必须占用同～个波长，相邻通道分配不同的 波长，因此路由选择和波长分配问题可以分解成两个独立的子问题： （１）选路问题：按照某种优化目标寻找从源节点到目的节点的路由； （２）波长分配问题：在满足一定优化性能的情况下为这些路由分配波长： 而在虚波长通道网络中，采用波长转换技术可以在同一个路由上分配不同的 波长，故不存在波长分配问题，这样的Ｒ－ｗＡ问题就可简化为只考虑选择路由的 问题了。虚波长通道网络可以大大提高波长的重用率，被认为是未来全光网络的 关键技术之一，但由于涉及到波长转换且成本高，实用化的道理仍很漫长。３ ３ ２ＲｗＡ算法的功能分类与性能分析目前已有大量的ＲｌＷＡ算法，按照算法所共有的特征对其进行分类，以总结研究的现状，对进一步研究更优性能的算法具有启发意义。 算法分类结果如图３．６所示，首先按照实际中的求解过程把问题分成选路和 波长分配两部分。每一个子问题中又分成两步，’即寻找与选择，最后按照所用的 具体算法进行分类。当采用最短路或加权最短路算法时，为每一个光连接寻找到 一条路由时，就得到了选路子问题的解。当采用ｋ一最短路时，得到了ｋ条路由，需要从中选择一条最佳路由，即图３．６中“选择路由”框以下的算法。在波长分配中，所有可用的波长都是选择对象。表３―１和表３．２中分别给出了一些主要算 法在选路和波长分配中所采用的具体实现方法，下面对其中的算法功能块进行解释［３】【４】。南京邮电学院硕士学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术二蒸磊击下三孑■§ 一个路由ｌ １多个路由ｌ选择路由ｌ选路与波长分配（ＲｗＡ）Ｊ寻找路由ＪｌＩｌ磊森辛蕊ｌ选择波长面万｝新７矗舂溉贪婪式算法ｌ ｌ启发式算法ｌ ｌ优化算法图３．６算法分类 表３．１选路算法混合算法顺序算法（贪婪算法） 选择顺序随机启发式算法优化算法固定最长路优先最短路优先 随机循环整数线性规划随机循环（多商品流问题）选择规则随机以概率链路权最小Ｆｉｒｓｔ（ＦＦ）一、选路算法最短路算法（ｓＰ）：是指在给定的网络图中为给定的源和目的节点寻找最短路径。该路径的连接成本比其它任何路径都低。 加权最短路算法（ｗｓＰ）：也是一种最短路径算法，但是链路成本可以根据 已经建立的路由数量而动态地进行调节。因此，该算法需要按照一定的搜索次序 来执行。例如：最大业务流量优先策略或按随机次序进行搜索。 表３―２波长选择算法混合算｝去顺序算法（贪婪算法）选择顺序启发式算法优化算法邻居数最可用波长业务量最路由最长路由最短 随机循环 大优先 最大优先大优先优先最少使用最多使用Ｆｉ哑 优先遗传算法 模拟退火算法穷尽式搜索选择规则随机 随机优先优先Ｆｊｔ（ＦＦ）禁忌搜索算法ｋ．最短路径（ｋ－ｓＰ）：该算法为每一对源和目的对都寻找不止一条的光通道。南京邮电学院硕上学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术Ｋ条可替换通道增加了路由选择的灵活性。然而它将选路问题转化为多路选择问题，通过在ｋ条通道中进行选择来获得所需的最小成本（总跳数和总链路成本最小）的连接通道。在选路算法中，最短路算法和加权最短路算法直接得到了每一个连接的路 由，没有路由选择，表３．１中没有列出，表中都是在ｋ．最短路算法的结果中选择。 选择顺序是指先为哪一个光连接选择路由，选择规则决定了以何种方式从ｋ条待 选路由中选择最后的使用路由。在组合算法（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）中，需要 多次循环，选择顺序和规则是相互关联的。 （１）顺序算法（贪婪算法）（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ＜ｇｒｅｅｄｙ＞）ａ、选择顺序?随机（Ｒａｌｌｄｏｍ）顺序从所有未建立路由的光连接中以随机的方式选择： ?固定（Ｆｉｘｅｄ）机制把光连接按某种规则排序（如按链路数降序），然后依次选取；－最长路优先（Ｌｏｎｇｅｓｔ一矗ｒｓｔ）机制把光通路按通路的长度（跳数或代价）由大 到小排序，先选长路路由；?最短路优先（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ―ｆｉｒｓｔ）机制与最长路优先恰好相反。ｂ、选择规则?随机机制从ｋ条备选路由中随机地选择一条作为光连接的路由； ?ＦＦ（ＦｉｒｓｔＦｉｔ）机制从备选路由中选取第一个满足条件的路由；?以概率（Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ）机制以一定的概率从备选路由中选择：?链路权最小优先（Ｍｉｎｉｍｕｍ―ｗｅｉ曲ｔｅｄ的路由数最小的路由。 （２）组合算法ｌｉｌｌｋｆｉｒｓｔ）选择所有链路上已经建立起启发式算法（Ｈｕｒｉｓｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｌｌｒｎ）在所设计的规则指导下修改所选的路由，多次循环以靠近优化目标，直到循环无法得到更优结果为止。 优化算法（ＯｐｔｈＩｌａｌ ａｌｇｏ州ｌＩｌｌ）一般使用整数线性规划，建立多商品流模型 来求解，可得到最优解，但运算量最大。二、波长分配算法波长分配算法也分为顺序和组合算法，顺序算法中分为选择顺序和选择规南京邮电学院硕士学位论文第三章光交换和波长路由与分配技术则，这两者在组合算法中相互依赖。下面解释路由算法中没有用到的实现方法。（１）顺序算法 ａ、选择顺序?邻居数最大优先（Ｌａｒｇｅｓｔ由首先分配波长；ｎｕｍｂｅｒｏｆｎｅｉ曲ｂｏｒ－ｎｒｓｔ）机制选择邻居数最大的路?可用波长最大优先（Ｌａ玛ｅｓｔ ａｖａｉｌａｂｌｅ、Ⅳａｖｅｌｅｎｇｔｈ―ｆｉｒＳｔ）机制把路由按可用波 长数多少从大到小排序； ?业务量最大优先（Ｌａｒｇｅｓ}