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第十二章 光网络

第十二章 光网络. 本章内容. 基本网络结构 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.

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第十二章 光网络

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Presentation Transcript

  1. 第十二章 光网络

  2. 本章内容 基本网络结构 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

  3. 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

  4. 网络分类 八纵八横光纤网 接入网 99-00年 – 上海科技网改造

  5. 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

  6. 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

  7. 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。

  8. 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。

  9. 本章内容 基本网络结构 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

  10. 12.3 广播选择WDM网络 广播选择网络 (本地应用) —单跳网络：信号全光地从源发送到目的 总线拓扑 星型拓扑 —多跳网络：信息到达目的前经过若干次电处理 d s i d s

  11. 无源光总线网络的损耗因素 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)，Fc为损耗比例 3. 发射抽头损耗 (耦合到总线的效率为CT)Ltap = -10logCT 4. 无用的光耦合损耗 Lthru = -10log(1-CT)2 5. 总线耦合器本征传输损耗 Li = -10log(1-Fi)，Fi为功率损失比

  12. 相邻站点的功率损耗 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：

  13. 节点1和N之间的功率损耗 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 进一步可以得到从站1到站N的损耗分贝值：

  14. 检测器的动态范围 每个站检测器需要能够检测的动态范围至少为： 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

  15. 星型网络的损耗因素 附加损耗Lexcess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：

  16. 星型网络的功率损耗 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：

  17. 总线网络和星型网络带节点能力的比较

  18. 单跳网络的路由 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 总线型 星型 优点：可以支持广播 缺点：需要快速可调的滤波器或激光器 需要业务调度机制避免信息碰撞

  19. 广播选择多跳网络 (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 有效地避免了信息的碰撞， 但信息的中转增加了网络带 宽和功率的开销

  20. 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)

  21. 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：

  22. 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112和012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： 上式用于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

  23. 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

  24. 12.4 波长路由光网络 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 采用有源光交换设备构成广域网

  25. 光交叉连接节点：全光交换 电控光耦合器、SOA、MEMS AWG AWG

  26. 波长变换 波长连续性限制：无波长转换时光路须由同一波长构成 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。

  27. 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r为波长被占用的概率，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

  28. 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的概率增加

  29. 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

  30. 波长变换器的性能增益

  31. 本章内容 基本网络结构 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

  32. 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

  33. 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 - 受激拉曼散射 (SRS) - 受激布里渊散射 (SBS) 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)

  34. 有效距离 非线性效应对信号的影响与信号光强有关，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。为了分析方 便，引入一个有效长度Leff的概念：假设在Leff内光强不变。 当l=1550 nm，a≈0.22 dB/km，L时，Leff=20 km。 P P P0 P0 等效 Leff L L

  35. 有效面积 光强反比于距光纤轴心的距离。同样为分析简单起见，截面 采用有效面积Aeff表示，假设在Aeff内光强分布均匀。 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

  36. 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

  37. 拉曼增益带宽 Dvs < 16 THz时，拉曼增益gR随Dvs的增加而线性增加

  38. 受激拉曼散射的阈值功率 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 Pth910 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。

  39. 拉曼放大器 泵浦光 信号光 信号光 泵浦光

  40. 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。

  41. 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。但会导致光损耗。

  42. Pth 布里渊阈值功率 阈值功率表达式如下： gB为增益系数，近似等 于 5×10-11 m/W，与波 长无关；b = 1~2。 当入射功率到达阈值功率时，散射光强度等于正向传播的光强 度。对于常用的单模光纤Pth可以低至10dBm以下 (如例12.7)。这说明布里渊散射很容易发生，会对系统的入纤功率产生限制。

  43. 减小SBS损伤的办法 1. 保持每个WDM信道光功率比较小，减小EDFA间的跨度 2. 增加光源线宽，光源线宽越宽，SBS功率阈值越高，但是会 付出色散的代价 减少EDFA输出功率 减小EDFA之间的跨度

  44. 克尔 (Kerr) 效应 克尔效应的本质在于，传输介质的折射率会随着光强发生微小变化： n2为非线性系数，一般在2.2到3.4×10-8mm2/W之内。这种非线性效应称为克尔非线性。

  45. 自相位调制 (SPM) 和交叉相位调制 (XPM) SPM是指对自身光强对自身信号载波相位的调制 XPM是指对其它信号载波相位的调制

  46. 频率展宽程度与波形相关 给定信号峰值功率：沿越陡啁啾越严重 频率展宽加大了系统色散对传输性能的影响

  47. 四波混频 (FWM) FWM是光纤中的三阶非线性效应。当波长信道处于零色散位置时，或者入纤功率比较大时，容易产生此效应。当3个波长FWM时，频率产生的规则如下： 产物个数为： N为输入波长数 N=2 N=3

  48. 1 2 3 FWM产生的串扰和解决办法 在WDM链路中，信道之间等间距，FWM会 使产生的谐波交叠到信号波长，产生串扰。 解决的办法有： 1. 降低信道光功率 2. 适当增加色散 3. 增加信道间的间隔或者让信道间隔不均匀

  49. 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，可能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

  50. 串扰 • 几乎所有器件都会引入串扰：滤波器、复用器、放大器、光开关和光纤本身 • 包括信道间串扰 (例FWM) • 信道内串扰 (如IFWM：不同比特之间的干扰，使原本是0的比特出现鬼脉冲，一般在>40 Gb/s的高速信道中会造成比较明显的损伤) 信道间 信道内

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