第一讲 光网络概述

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1、2024/7/29许国良许国良1光网络光网络许国良南京大学光通信工程研究中心南京大学光通信工程研究中心2024/7/29许国良许国良2第一讲 概述v 概念：什么是光通信(回顾）v 概念：什么是光网络v 三代网络v 光网络课程所涉及的内容v 2024/7/29许国良许国良3 光通信基本概念什么是通信？什么是通信？“通”传送，“信”信息；信息的传送基本组成：发送、传输、接收什么是光通信？什么是光通信？用光波载运信息，实现通信什么是光纤通信？什么是光纤通信？以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信2024/7/29许国良许国良4现代通信方式示意图现代通信方式示意图2024/7/29许国良许国良5数

2、字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统的组成2024/7/29许国良许国良6表表1 三种载波信号的比较三种载波信号的比较2024/7/29许国良许国良7光纤通信器件的发展过程光纤通信器件的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年年 贝尔的光电话贝尔的光电话激光器激光器光纤光纤1960 Maiman发明红宝石激光器发明红宝石激光器1962 半导体激光器诞生（半导体激光器诞生（GaAs 870nm)70 年代室温工作年代室温工作LD(GaAsAl 850nm)1300、1550nm 多模多模LD静态单模静态单模LD动态单模动态单模LD1965 E.Miller 透镜光波

3、导透镜光波导1966 高锟、高锟、Hockham 理论预言理论预言1970 康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1979 1300、1550nm低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发单模光纤单模光纤1951 医用玻璃纤维（损耗医用玻璃纤维（损耗1000dB/km）1989 EDFA研制成功研制成功2024/7/29许国良许国良8光纤通信系统的发展历程光纤通信系统的发展历程70年代，室内光纤通信实验年代，室内光纤通信实验76年后，实用光纤通信系统出现年后，实用光纤通信系统出现80年美国电报电话公司年美国电报电话公司45Mb/s光纤通信系统光纤通信系统FT-3商用商用光纤通信的发展

4、经历了短波长光纤通信的发展经历了短波长-长波长、多模光纤长波长、多模光纤-单模单模光纤、低速率光纤、低速率-高速率，大体上可分为四代：高速率，大体上可分为四代：第一代：多模光纤、工作波长第一代：多模光纤、工作波长850nm第二代：多模及单模光纤、多模激光器、工作波长第二代：多模及单模光纤、多模激光器、工作波长1310nm第三代：单模光纤第三代：单模光纤 、单模激光器、工作波长、单模激光器、工作波长1550nm第四代：采用掺铒光纤放大器（第四代：采用掺铒光纤放大器（EDFA） 铺设光纤：几千万公里铺设光纤：几千万公里 传输速率：从传输速率：从565Mb/s10Gb/s，甚至，甚至40Gb/s .

5、2024/7/29许国良许国良9几代光纤通信系统的速率与无中继距离的关系2024/7/29许国良许国良10光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势基本目标：基本目标：发挥光纤带宽潜力发挥光纤带宽潜力克服光纤损耗、色散克服光纤损耗、色散限制限制延长中继距离延长中继距离扩大传输容量扩大传输容量减低成本减低成本光纤通信新技术光纤通信新技术光电集成技术（光电集成技术（OEIC）密集波分复用密集波分复用（DWDM） 光时分复用（光时分复用（OTDM）全光网络技术全光网络技术光接入网光接入网孤子通信技术孤子通信技术2024/7/29许国良许国良11具体方法具体方法抓住光纤通信技术发展的精髓 如何提高光纤通信系

6、统容量（ BL乘积）中心思想： 围绕如何提高系统的BL乘积，了解光纤通信系统三个关键器件光纤、光源和光探测器的性能和发展2024/7/29许国良许国良12信息爆炸催生光网络发展信息爆炸催生光网络发展电话、电视、传真、数字广播电话、电视、传真、数字广播电话、电视、传真、数字广播电话、电视、传真、数字广播家庭影院、视频点播、高清晰度电视家庭影院、视频点播、高清晰度电视家庭影院、视频点播、高清晰度电视家庭影院、视频点播、高清晰度电视可视电话、可视会议、家庭办公可视电话、可视会议、家庭办公可视电话、可视会议、家庭办公可视电话、可视会议、家庭办公计算机、互连网、电子邮件计算机、互连网、电子邮件计算机、互

7、连网、电子邮件计算机、互连网、电子邮件远程学习、远程诊断、资讯检索远程学习、远程诊断、资讯检索远程学习、远程诊断、资讯检索远程学习、远程诊断、资讯检索股票交易、金融业务、社区服务股票交易、金融业务、社区服务股票交易、金融业务、社区服务股票交易、金融业务、社区服务安全监控、报警系统、智能家庭安全监控、报警系统、智能家庭安全监控、报警系统、智能家庭安全监控、报警系统、智能家庭？信息时代：信息家庭化、个体化信息时代：信息家庭化、个体化2024/7/29许国良许国良13信息传输速率与媒介的容量信息传输速率与媒介的容量信息传输速率信息传输速率信息传输速率信息传输速率Audio: Audio: 9.6-1

8、28 kbit/s9.6-128 kbit/sTV: TV: 1-6 Mbit/s1-6 Mbit/sHDTV: HDTV: 10-100 Mbit/s10-100 Mbit/s通信媒介传输速率：通信媒介传输速率：通信媒介传输速率：通信媒介传输速率：卫星卫星卫星卫星/ /微波：微波：微波：微波： 140 Mbit/s140 Mbit/s同轴电缆：同轴电缆：同轴电缆：同轴电缆： 60 Mbit/s60 Mbit/s光纤：光纤：光纤：光纤：50 Tbit/s50 Tbit/s2024/7/29许国良许国良14 九十年代以来，以因特网为代表的信息技术革命正在深刻地九十年代以来，以因特网为代表的信息技

9、术革命正在深刻地九十年代以来，以因特网为代表的信息技术革命正在深刻地九十年代以来，以因特网为代表的信息技术革命正在深刻地改变传统电信概念和体系改变传统电信概念和体系改变传统电信概念和体系改变传统电信概念和体系 话音业务话音业务数据业务数据业务宽带综合业务宽带综合业务 世界电话业 务年增长 率为 10%，数据业务年增长 40% 中国 话音业务 1414% 的增长率，数据业务 400400% 增长2024/7/29许国良许国良15容量的需求容量的需求2502001501005001151352IP23106250话音话音话音和话音和IP通信量的增长情况通信量的增长情况1996 1997 1998

10、1999 2010 202010582024/7/29许国良许国良16Tbit技术到干线网技术到干线网Gbit技术到办公室技术到办公室/家庭家庭Mbit技术到个人技术到个人21世纪的信息需求世纪的信息需求2024/7/29许国良许国良17光通信速率的不断提升光通信速率的不断提升速率速率速率速率(Mb/s)(Mb/s)容纳电话容纳电话容纳电话容纳电话( (路）路）路）路）2 230308 812012034344804801551551920 1920 622622768076802.5 Gb/s2.5 Gb/s307203072010 Gb/s10 Gb/s12288012288040 Gb/

11、s40 Gb/s4915204915202024/7/29许国良许国良18 2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s80Gb/s 320Gb/s3216841WDM 波长数波长数每波长比特率每波长比特率(TDM)40Gb/s 网络容量演进战略网络容量演进战略2024/7/29许国良许国良19工作在Tbit/s速率光纤通信容量2024/7/29许国良许国良20第一年第一年第二年第二年第三年第三年第四年第四年第五年第五年光带宽光带宽9 个月个月 几种关键技术的发展速度几种关键技术的发展速度存储器存储器12 个月个月 摩尔定律摩尔定律18 个月个

12、月性能价格比翻番速度性能价格比翻番速度近几年：近几年：近几年：近几年：2024/7/29许国良许国良21网络时代的三大基本定律摩尔定律(MOORE):CPU性能18个月翻番，10年100倍。所有电子系统（包括电通信系统、计算机、图象） 光定律（GILDER）：超摩尔定律，骨干网带宽9个月翻番，10年10000倍。带宽需求无限制增加迈特卡尔夫定律（Metcalfe）:网络价值随用户数平方成正比。以前未联网设备增加N倍，效率只增加N倍。现在联网设备数增加N倍，效率增加N2倍2024/7/29许国良许国良22带宽智能E-Mail遍天飞扬QQ、MSN鸿雁传情Web页上一览世界小网络真正的挑战： 如何知

13、道我们所需要的数据位于世界的什么地方；如何将这处数据组合并以有用的形式提 供给用户，以及如何在几秒钟内，甚至瞬间就能得到这些数据。WWW并不意味着“全世界都在等待”(World Wide Wait)，也不应该是 “全世界都陷入茫茫的数据游涡之中”(whole world is Wallowing in Data)，让人茫然不知所措。2024/7/29许国良许国良23 光网络基本概念什么是网络？什么是网络？由节点和链路组成一定的拓扑结构什么是光网络？什么是光网络？由光纤链路和光节点设备（光终端、光交换、光路由等）组成的网络光(光波)网络是一种以光纤作为基本传输链路，并充分利用光纤所具有的非常独特

14、的特性而组成的一种通信体系网络结构即一种基于光纤的电信网。合适的高性能的光网络体系结构必然包括比较复杂的光电设备以及二者的结合。这样，光或光波网络未必意味着一定是一个纯粹的光网络，它只不过是指由电交换而终结的一套光纤连接。2024/7/29许国良许国良24两个问题1、为什么需要光网络？总有一种技术原动力推动着新系统的开发和想要利用这种新系统的市场需求2、另一个是加速光波网络发展的关键技术 和支撑技术是什么，同时又是什么大问题阻碍了光网络技术的开发和使用。 2024/7/29许国良许国良25图11给出了我们将要讨论的多层网络结构示意图。它显示了物理层是基础光结构，基础光层的作用是为上层许多相互独

15、立的逻辑网LN提供最基本的通信连接，每 一种逻辑网络专门为一群用户提供一类特殊业务。在图1I上显示的业务类型是因特网业 务、视频点播分发系统、传统的电话业务，以及能够按需分配的纯 粹的光连接（或空闲信道）。注意：ATM逻辑网本身就是一种更高的虚连接层 基础结构，它也能支持各种业务。2024/7/29许国良许国良26多层光网络2024/7/29许国良许国良27如何看待光网络自下而上光网络的结构和性能与诸多的技术限制紧密相关自上而下（用户和业务提供者(即对象)）广域光网络必须为大量的、不同种类的、地理上分散的用户群提供业务它们应该遵循下列目标进行设计：2024/7/29许国良许国良282024/7

16、/29许国良许国良29光网络中光子技术和电子技术的比较网络接入站NAS代表 电域(在网络的纯光部分以外的没备)和光域之间的光电接口，有时也称为光以太网。而每一个业务站点的作用是向光纤输入光(使用激光器)和接收光(使用光检测器)。 当信号以光的形式存在时，光子技术非常适合在节点内实现某些简单的信号选路和交换。使 用静态光子设备，就能非常容易地执行像对光能量进行合波、分波、滤波、波长复用、解复用和 选路等功能。通过增加适当的控制，能够以或快或慢的速度动态地控制静态设备(控制速度在 机械或热控制下可达到毫秒量级，在电控制下能达到微秒级)。提高单根光纤利用率：带宽通道化复用技术：频域波分复用、时域OT

17、DM、OCDM2024/7/29许国良许国良30应该注意到在这些网络中光域上的光选路和交换功能都是线性(linear)操作。因此，在光 层上网络仅包括一些线性设备，这些设备或固定或可控。为了将这些线性网与其它类型的光 网络区别开，我们经常将这些线性光网络称为透明光网络。在网络中所执行的典型的非线性 操作是信号检测、再生、缓存和一些逻辑功能(如：读写包头)。依目前的技术，在光域上执行这 些非线性操作是非常困难的。因此，非线性会使光通路变得不透明而成为不透明网络。在信 号通路中消除非线性操作会带来很多的技术优势：(1)端到端的光通路成为一条透明的“清澈 渠道”，在信号通路上不再有什么限制光纤吞吐量

18、的因素了(一个透明的信道就像一个没有噪 声，具有非常大带宽的理想通信信道)；(2)由于基本上没有信号处理，因此光网络节点的结构 可以非常简单。(光节点的简化也意味着网络控制的简化)2024/7/29许国良许国良31尽管透明网络具有很大的技术优势，但由于许多的实际问题使得网络中也会出现透明性 下降的问题。首先，由设备失效导致的问题会在网络中传播，使差错管理变成一件比在个透明 网络中更复杂的事情。与此相似，干扰、噪声、光纤色散和非线件效应等在长距离通道上积累 所造成的信号损伤也限制了光连接在地理上的可达性。第二，当信号在光域上时，诸如源和目的地的地址、序列号、通道数、奇偶校验比特等带内信息(如：数

19、据网在包头中携带的控制信息) 是不能使用的。内此，透明光网络不能执行像传统包交换数据网中所需要的各种处理功能。 2024/7/29许国良许国良32应该注意到在IP(以数据包为基础)或ATM(以信元为基础)网中的数据所携带的带内控制信息是实现这些网络高度虚连接的关键。比较典型的是，许多虚连接在一个物理链接中可 以被复用起来。在每一个网络节点上利用包或信元头中所含的信息，并以包信元为基础进行 分类。因此如果维持物理层的透明性就一定减小了处理这些信息的必要的智能性，所以很容 易在透明网中产生光的“连接瓶颈”。电的特性是光学持性的有力的补充。对于复杂的非线性操作来说，使用电子处理技术比 较理想，但这受

20、限于电子和光电设备(如：电交换、存储设备、处理单元等)的速度，在宽带网络 中如果给电层上增加比较高的处理负荷会在光传输系统产生众所周知的“电子瓶颈”问题。把 电终端放到光纤上，将使光纤潜在的每秒数太比特的吞吐量变成为每秒数吉比特的细流，这也 是电处理技术所能达到的最大吞吐量。这就是我们比喻“高速公路牛车道”的来源。更简洁 一点说，光快但笨拙，而电慢但灵活，这种状态在可预见的将来仍将继续存在。 2024/7/29许国良许国良33多层网络结构中的光和电技术给出了三个平行的且相互独立的逻辑层IL1、 IL2 、 IL3，它们都是由物理层来提供支 持。代表纯光网络的物理层现在被分成一个光层和一个光纤层

21、。前者包括光纤支持的光互 连，后者体现了自身物理基础结构的布局：光纤、交换机和光收发器。2024/7/29许国良许国良34网络性能的三角关系需要理解下面两个传统上被分离对待的知识实体之间的相互关系：基本设备的物理基础 和分析、设计以及控制由这些设备组成的系统的数学方法。 2024/7/29许国良许国良35光波网络可用三个基本特征来概括： 1物理(光纤)拓扑结构。 2链路、光网络的节点和接入点的功能特性。 3对连接进行分配、选路和复用的控制算法。 2024/7/29许国良许国良36一个宽裕的物理拓扑可以在接入局之间提供多条替换通路增加了网络的合计容量和生 存性以及对负荷类型变化的适应能力。但是如

22、果没有链路、节点和接入局所具有的非常完善 的功能特性，就不能充分发挥物理拓扑的这些特性。我们在这里所说的链路功能特性是指一个网络具有好的链路特性(即具有较大的带宽距 离乘积)。有用的节点和局的功能特性包括可控制的交换和复用特性。如果没有节点和局端 的可控性，光信道的分配和信号通路就必须始终保持一致，这样的话每一种连接就被固定了，网络也就没有灵活地适应变化的能力。反过来，节点和局在网络管理系统的监控下的高度可控性提高了资源的利用率，在具有波动性的需求的情况下仍能使网络保持令人满意的性能，也 可以在元件失效的情况下重新配置网络。当然，可控性又要求必须具有合适的控制算法来协 调各个网络实体的功能。总

23、之，三个特性拓扑、功能和控制密切合作、从而制约和影响着 网络的全局件能。2024/7/29许国良许国良37三代数字传送网三代数字传送网2024/7/29许国良许国良38网络中业务、网络中业务、CPU、带宽关系、带宽关系2024/7/29许国良许国良39对于骨干光网络，瓶颈是“CPU”，由于其处理的是电信号(如交换机、路由器、网桥 等)、无法适应与其相连的大量WDM光纤链路的Tbit/s传输速率。业界要求实现全光交换(PXC)的呼声很高。在边缘网络，或者是到最终用户之前瓶颈是“带宽”不是因为光纤本身的传输 容量不足，而是这部分仍然采用低速率的电话线和无线链路并且网络更新换代较为 缓慢)。业务应用

24、也的确是个问题。需要远营商把服务价格降到大多数家庭所能承受的水平。2024/7/29许国良许国良40主要光网络节点主要光网络节点2024/7/29许国良许国良412024/7/29许国良许国良422024/7/29许国良许国良43光网络节点结构光网络节点结构2024/7/29许国良许国良44光传送系统的演化历程光传送系统的演化历程2024/7/29许国良许国良45光网络技术光网络技术 光复用技术光复用技术 ： WDM 、OTDM 光放大技术：光放大技术：EDFA、SOA、FRA光分插复用（光分插复用（OADM）光交叉连接光交叉连接(OXC)技术技术 光交换技术光交换技术 ：空分（：空分（SD）

25、、时分（）、时分（TD）、波）、波分分/频分（频分（WD/FD）光交换光交换全光中继全光中继 控制和管理技术控制和管理技术 ：结构管理：结构管理 、光学特性管理、光学特性管理 、差错管理、差错管理 2024/7/29许国良许国良46信息网模型2024/7/29许国良许国良47光网络课程的内容光网络课程的内容光网络结构及其演进光网络结构及其演进SDH技术技术大容量超长距离网络及其关键技术和器件大容量超长距离网络及其关键技术和器件城域光网络城域光网络/智能光网络智能光网络光接入网、高速以太网光接入网、高速以太网2024/7/29许国良许国良48光通信改进和革新方向光通信改进和革新方向1、光传输链路

26、的每比特成本将继续下降，方向是高速、多波长、宽频谱、窄间隔以及低成本多功能器件和集成化器件技术；2、组网方式开始从点到点和环网向网状网方式演变，并进一步向智能化动态光联网方向发展，以适应上层业务的需要3、网络边缘趋向传送与业务层融合并将逐渐具备智能联网能力，以扩展核心层的智能联网能力。4、网络核心趋向传送层和业务层分别独立发展，光传送网本身也在向可盈利的业务网方向演变；5、网络垂直结构趋向扁平化，中间层（ATM和SDH层）逐渐薄化或淡出以便简化网络结构，降低网络成本，加速业务指配；6、网络水平方向的光化趋势继续由核心网向接入网乃至用户驻地网和用户延伸，光纤到办公室（FTTO）、光纤到驻地（FTTP）、光纤到路边（FTTC）、光纤到楼（FTTB）乃至光纤到家（FTTH）将逐渐成为现实。