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1、2G、3G 网络的研究之网络的研究之-光纤通信光纤通信2G 和和 3G 网络的研究之光纤通信网络的研究之光纤通信一一2G 网络和网络和 3G 网络简介网络简介1. 2G（second generation）表示第二代移动通讯技术。代表为 GSM。以 数 字语音传输技术为核心。不过手机短信 SMS （Short message service） 在 2G 的某些规格中能够被执行。2. 3G 是英文 3rdGeneration 的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模 拟制式手机（1G）和第二代 GSM、TDMA 等数字手机（2G），第三代手机 一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结
2、合的新一代移动通信 系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、 电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够 支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支 持至少 2Mbps（兆比特每秒）、384kbps（千比特每秒）以及 144kbps(千比 特每秒)的传输 速度。 目前，手机制式主要包括 GSM、CDMA、3G 三种，手机自问世至今，经历了 第一代模拟制式手机（1G）、第二代 GSM、TDMA 等数字手机（2G）、第 2. 代移动通信技术 CDMA 和第三代移动通信技术 3G。二二.2G 网络和网络和 3G 网络的区
3、别网络的区别1. 3G 是第三代移动通信技术，是下一代移动通信系统的通称。3G 系统致 力于为用户提供更好的语音、文本和数据服务。与现有的技术相比较而言，3G 技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此 外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和 Internet 连接起来， 从 可对移动终端用户提供更多更高级的服务。 2. 3G 即为英文 3rd Generation 的缩写，代表着第三代移动通信技术。手 机自问世至今，经历了第一代模拟制式手机（1G）和第二代 GSM、TDMA 等 数字手机（2G），而当前通信运营商和终端产品制造商倡导的 3G 是指将无线
4、 通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、 语音、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多 种信息 务。为手机融入多媒体元素提供强大的支持。 3.第三代通信网络的主要目标定位于实时视频、高速多媒体和移动 Internet 访问业务。利用先进的空中接口技术、核心包分组技术，再加上对频 谱的高效利用，是可以实现上述业务的。虽然高速数据传输能力是第三代无线 网络的关键特征之一，但其真正优势是扩大高质量话音业务容量。当前第二代 网络所能支持的高质量话音业务容量的拓展速度已不能满足客户对其需求的增 长。高数据容量可使移动用户与 Internet 更加贴
5、近。除了增加一定的技术复杂 性外，基于 ATM 或 IP 技术的网络通信将会极大降低话音、数据业务的成本。三三. . 光纤通信光纤通信-由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点，现已成为通信系 统的重要传输介质之一。光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。 结构特性主要指光纤的几何尺寸（芯径等）； 光学特性包括折射率分布、数值 孔径等；传输特性主要是损耗及色散性。 光纤通信的发展：20 世纪提出了构建信息高速公路的伟大设想。信息高速公 路从根本上 是一个全国范围乃至全球范围的宽频带、高速度、高可靠性、无传输错误的先 进综合通信网络，它将任何信息源(包括声音、文件、图形、影视、数据
6、等)连 接到全部网络，送达千家万户。21 世纪是个信息时代，为了满足人类不断增 长的信息需求，现在这种高价全新的宽带IP网络能传输千兆比特多媒体数字信 号。为了增加光缆的传输距离， 近来研究成功了光放大器，这样就不必进行光 电转换、放大、再电光转换，从而实现了直接光放大到全光网络。这对于提高 信号质量、降低成本、提高网络的可靠性都是非常有益的。 我国经济正在高速发展，已进入信息时代。现已铺设了 360 000km 光缆；建 成连接21 个主要城市的数据网络；有强大的航天卫星工业；已经建造并在高 速发展的巨大的有线电视网。具有中国特色的信息高速公路正在高速发展。我 们深信中国在21 世纪的信息时
7、代会有更伟大的作为。 3.1 光纤基本结构光纤基本结构 光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构纤芯和包层由透明介质材料构成，其折射率分别为纤芯和包层由透明介质材料构成，其折射率分别为 n1 和和 n2。 为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是 n1n2。 3.2 光纤分类光纤分类 1按纤芯和包层材料划分可分为石英光纤和塑料光纤按纤芯和包层材料划分可分为石英光纤和塑料光纤 2按光纤折射率分布特点划分主要分为阶跃光纤和渐变光纤按光纤折射率分布特点划分主要分为阶跃光纤和渐变光纤3按光波模式（即电磁波类型）划分可分为多模光纤和单模
8、光纤按光波模式（即电磁波类型）划分可分为多模光纤和单模光纤 。 多模光纤：多模光纤： 纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50 m 左右）适左右）适 用于中容量、中距离通信。用于中容量、中距离通信。 单模光纤：单模光纤： 纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个微米）纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个微米） ，适用于大容量、长距离通信。，适用于大容量、长距离通信。3.3 光缆类型举例：光缆类型举例：3.4 光纤传光原理光纤传光原理 3.4.1 光的射线理论及光纤传光分析光的射线理论及光纤传光分析 1光的射线理论光的射线理论
9、（1）直线传播定律）直线传播定律 光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为 v = c/n c 是真空中光速是真空中光速，n 是均匀介质折射率是均匀介质折射率 。 （2）反射定律和折射定律）反射定律和折射定律 光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。 （3）全反射）全反射 光线从光密介质光线从光密介质 n1 射向光疏介质射向光疏介质 n2 时，若入射角时，若入射角1 满足以下关系：满足以下关系：1 c arcsin(n2/n1)则只有反射光，而无折射光。则只有反射光，而无折射光。c 称为全反射临
10、界角。称为全反射临界角。首先，我们来看光在分层介质中的传播，如图2-3 所示。图中介质1 的折射率 为n1,介质2 的折射 率为n2，设。N1n2时，当光线以较小的角1入射到介质界面时，部分光进入 介质2 并产生折射，部分光被反射。它们之间的相对强度取决于两种介质的折 射率。 由菲涅耳定律可知反射定律 （1）折射定律 （2）在 n1n2 时，逐渐增大，进入介质 2 的折射光线进一步趋向界面，直到趋于 90。此时，进入介质 2 的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近于入射光强。当=90 极限值时，相应的角定义为临界角，由于 sin90=1，所以临界角当 时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当
11、光线从折射率大的介质进入折射率小的介质，即 n1n2 时，在界面上才能产生全反射。（3）接下来分析一下全反射，全反射现象是光纤传输的基础。 光纤的导光特性基于 光射线在纤芯和包层界面上的全反射，使光线限制在纤芯中传输。光纤中有两 种光线，即子午光线和斜射光线。子午光线是位于子午面(过光纤轴线的平面) 上的光线，而斜射光线是不经过光纤轴线传输的光线。下图所示阶跃型的光纤， 纤芯折射率为n1，包层的折射率为n2，且n1n2，空气折射率为n0。在光纤内传输的子午光线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于时，才能保证光线在纤芯内产生多次全反射，使光线沿光纤传输。2光纤的两类入射光 子午光线：
12、若入射光线与光纤轴心线相交，则称为子午光线。 斜射光线：若入射光线与光纤轴心线无论在光纤的入射端面上还是在光纤内 部都不相交，则称为斜射光线。 3子午光线的传播分析 （1）在阶跃光纤内图 2-13 子午光线在阶跃光纤内的传播示意图 （光纤纵剖面图） 子午光线在阶跃光纤内传播的基本特点： 光纤纤芯内传光路线是一系列在纤芯与包层交界面上不 断反射前进的折 线，这些折线与光纤轴心线相交，并且与光纤轴心线共面。 若选择光纤内的光线恰好满足全反射定律，于是在光纤 入射端面上的折 射律公式为n0sin0 = n1sin1= n1cosc 在光纤内 n1, n2 交界面上的全反射公式为 n1sinc = n
13、2（2）在渐变光纤内图 2-14 子午光线在渐变光纤内的传播示意图 （光纤纵剖面图） 子午光线在渐变光纤内传播的基本特点：子午光线在渐变光纤内传播的基本特点： 光纤纤芯内传光路线是周期性连续曲线，与光纤轴心线相交，并且传光路线 与光纤轴心线共面。 光纤端面临界入射角为0(r) = ，与光纤端面上 入射点位置 r 有关。其中，0(r = 0)称为中心临界入射角，0(r 0)称为非中心 临界入射角。 可见，0(r = 0)0(r 0)，表明中心入射光线比非中心入射光 线可以有大一些的入射角。 光纤端面入射角in 越小，则光纤纤芯内光线越靠近轴心线传播。 4斜射光线的传播分析斜射光线的传播分析 （1
14、）在阶跃光纤内）在阶跃光纤内 斜射光线在阶跃光纤内传播的基本特点： 纤芯内传光路线是一系列折线，这些折线与光纤轴心线不共面，而是围绕光 纤轴心线旋转前进的。这些折线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆，内 切圆的半径大小与斜射光线的入射角有关。 光纤端面临界入射角为 （是入射光线进入纤芯后的第一条折线在光纤横截面上的正投影与半径之间 的夹角） 。可见斜射光线比子午光线可以有更大的入射角。 （2）在渐变光纤内）在渐变光纤内 斜射光线在渐变光纤内传播的基本特点： 纤芯内传光路线是一系列曲线，这些曲线与光纤轴心线不共面，而是围绕光222 01121sin1 sin2cnnnn2212212nn n
15、22 12arcsin( )n rn纤轴心线旋转前进的。这些曲线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆，内 切圆的半径大小与斜射光线的入射角有关。 上述这些曲线的起点和终点形成一个外圆，外圆上各点的介质折射率都相等， 称为等折射率面。外圆的半径大小与斜射光线的入射角有关，外圆的最大半径 等于纤芯半径。 光纤端面入射角in 越小，则外圆和内切圆半径越小， 即 纤芯内曲线越靠近轴心线传播。 若光纤折射率为抛物线分布，则外圆和内切圆重合， 此时光纤内传光路线 是围绕光纤轴心线旋转前进的螺旋线。 3.53.5 光纤的损耗光纤的损耗 -光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损 耗，该损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特 性之一。自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31m 光纤的损耗值在05dB/km以下，而1.55m 的损耗为0.2dB/km 以下，这个数量级接近了光纤损耗的理论极限。光纤的损耗如图2-16 所示-形 成光纤损耗的原因很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂 (有些是不能计算 的)。降低损耗主要依赖于工艺的提高相对材料的研究等。光纤
