码分多址蜂窝移动通信系统
CDMA技术的优点及问题及越区切换
由于CDMA技术本身所固有的许多特点,使它非常适合于数字蜂窝移动通信系统。它的优点主要表现在如下10个方面。
1.语音激活技术
统计结果表明,人们在通话过程中,只有35%的时间在讲话,另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,当某一用户没有讲话时,该用户的发射机不发射或少发射功率,其他用户所受到的干扰都相应地减少。为此,在CDMA系统中,采用相应的编码技术,使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求来作调整。当用户讲话时语音编码器输出速率高,发射机所发射的平均功率大;当用户不讲话时语音编码器输出速率很低,发射机所发射的平均功率很小,这就是语音激活技术。在蜂窝移动通信系统中,采用语音激活技术可以使各用户之间的干扰平均减少65%。也就是当系统容量较大时,采用语音激活技术可以使系统容量增加约3倍,但当系统容量较小时,系统容量的增加值要降低。在频分多址、时分多址和码分多址三种制式中,唯有码分多址可以方便而充分地利用语音激活技术。如果在频分多址和时分多址制式中采用语音激活技术,其系统容量将有不同程度的提高,但二者都必须增加比较复杂的功率控制系统,而且还要实现信道的动态分配,其结果必然带来时间延迟和系统复杂性的增加,而在CDMA系统中实现这种功能就相对简单得多。
2.扇区划分技术
扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特性把蜂窝小区分成不同的扇面,如下图所示。常用的方式有
利用120°圆形覆盖的定向天线组成的三叶草形无线区(图(a));利用60°扇形覆盖的定向天线组成的三角形无线蜂窝区(图(b));利用120°扇形覆盖的定向天线组成的120°扇形无线蜂窝区(图(c))。
在频分多址和时分多址制式中,在每个蜂窝小区中采用分扇区天线通常只能起到减少干扰的作用,不能增加系统容量。而在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成三个扇区(如图(c)所示)时,平均处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址干扰分量也减少为原来的三分之一左右,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻扇区之间有重叠,一般只能提高到2.55倍)。
3.高系统容量
由于码分数字蜂窝移动通信系统可以通过采用上述两种方法以及其他技术直接地或间接地提高系统容量,使码分系统的容量比模拟FDMA系统及数字GSM系统都要高出若干倍。理论分析表明,在相同的频率带宽下,对于宽带码分系统,每个蜂窝小区所能提供的信道数是模拟FDMA系统的20倍左右,是数字GSM系统的10倍左右;对于窄带码分系统来说,其系统容量的优势有所
降低,但也是模拟FDMA系统的10倍以上,是数字GSM系统的3倍以上。由此可以看出,在移动通信事业迅猛发展的今天,移动用户量日益猛增,而频率资源日趋紧张,采用码分数字蜂窝移动通信系统是势在必行。
4.软容量
在模拟频分系统和数字时分系统中,通信信道是以频带或时隙的不同来划分的,每个蜂窝小区提供的信道数一旦固定,很难改变。当没有空闲信道时,系统会出现忙音,移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他 用户的呼叫。当移动用户在越区切换时,也很容易出现通话中断现象。在码分系统中,信道划分是靠不同的码型来划分的,其标准的信道数是以一定的输入、输出信噪比为条件的,当系统中增加一个通话用户时,所有用户输入、输出信噪比都有所下降,但不会出现因没有信道而不能通话的现象。例如对一个标准信道数为40的扇区来说,当第41个用户呼叫时,对所有移动用户的影响是接收机的输入信噪比下降10lg(41/40)=0.1dB,即使再增加两个用户通信,比标准多三个,其影响是所有接收机的输入信噪比下降10lg[(40+3)/40]=2.3dB,这使该扇区内的移动用户信息数据的误码率有所升高,通话质量有所下降,但增加的三个用户都不会发生因无信道而出现忙音的现象。这对于解决通信高峰期时的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。
5.软切换
当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断用户的通信就要做一系列的调整,包括通信链路的转换,位置更新等,这个过程就叫越区切换。越区切换实现了小区(或扇区)间的信道转换,是保证一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。
在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,移动用户在越区切换时,需要在另一个小区(或扇区)寻找空闲信道,当该区有空闲信道时才能切换。这时移动台的收、发频率等都要作相应的调整,称之为硬切换。这种切换过程是首先切断原通话通路,然后与新的基站接通新的通话链路。这种先断后通的切换方式势必引起通信的短暂间断。另外由于通信环境的影响,在两小区的交叠区域内,移动台接收到的两个基站发来的信号的强度有时会出现大小交替变化,从而导致越区切换的“乒乓”效应,用户会听到“咔嗒”声,对通信产生不利的影响。此外切换时间也较长。
在CDMA系统中,由于所有的小区(或扇区)都可以使用相同的频率,小区(或扇区)之间是以码型的不同来区分的。当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,不需要移动台的收、发频率切换,只需在码序列上作相应地调整,称之为软切换。软切换的优点在于首先与新的基站接通新的通话,然后切断原通话链路。这种先通后断的切换方式不会出现“乒乓”效应,并且切换时间也很短。另外由于CDMA系统有“软容量”的优点,越区切换的成功率要远大于模拟FDMA系统和数字TDMA系统,尤其是在通信的高峰期。
6.特有的分集形式
在CDMA系统中,由于采用了宽带传输,使它具有了特有的频率分集特性,即当信道具有选频特性时,对CDMA系统中信息传输影响较小。
CDMA系统有分离多径信号的能力,可以实现路径分集。由于移动通信环境的复杂和移动台的不断运动,接收到的信号往往是多个反射波的叠加,形成多径衰落。在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,为了解决多径衰落对通信带来的不利影响,采取了包括增加发射功率等一系列措施。在CDMA系统中,可以采用它特有的技术(如瑞克(RAKE)接收技术),将多径信号分离出来,
分别接收,这样不但克服了多径衰落对通信带来的不利影响,还等效增加了接收有用信号的功率(或者说等效增加了发射信号的功率)。由于这种特有的分集形式以及其他措施,使CDMA系统的发射功率相对很低。
除了这种特有的分集形式外,CDMA系统还采用其他分集技术,如空间分集、时间分集等,使CDMA系统的性能更加提高。
7.与窄带系统(模拟系统)共存
当码分系统与窄带系统(例如模拟FDMA系统)工作于同一频段时,由于在CDMA系统中采用了宽带传输方式,并且发射功率较低,平均落到每个窄带系统中的带宽内的干扰信号功率很小。尤其是宽带CDMA系统,其对窄带系统的影响可以忽略不计,窄带系统对CDMA系统的影响可以等效为“人为干扰”,由于CDMA系统特有的抗干扰能力,把这个干扰降低到了最低限度。
这个干扰的存在只使得CDMA系统的容量降低,但不妨碍CDMA系统的正常工作。CDMA系统的带宽越宽,两个系统共存时相互间的影响越小,反之则越大。这给CDMA系统与模拟窄带系统双模式共存以及由模拟移动通信系统向数字移动通信系统平滑过渡提供了可能性。
8.良好的保密能力
码分数字移动通信系统的体制本身就决定了它具有良好的保密能力。首先在CDMA数字移动通信系统中必须采用扩频技术,使它所发射的信号频谱被扩展的很宽,从而使发射的信号完全隐蔽在噪声、干扰之中,不易被发现和接收,因此也就实现了保密通信。其次在通信过程中,各移动用户所使用的地址码各不相同,在接收端只有完全相同(包括码型和相位)的用户才能接收到相应的发送数据,对非相关的用户来说是一种背景噪声,所以CDMA系统可以防止有意或无意的窃取,具有很好的保密性能。
9.发射功率低、移动台的电池使用寿命长
由于在码分数字移动通信系统中,可以采用许多特有的技术来提高系统的性能,所要求的发射功率大大降低,从而对电池的体积减小和使用寿命增长都是非常有益的,对移动台整机的体积减小和成本的降低也是有利的。
10.频率分配和管理简单
在模拟频分多址和数字时分多址移动通信制式中,频率分配和管理是一项比较复杂的技术,而动态频率分配就更加复杂。在码分数字移动通信体制中,所有移动用户可以只用一个频率,不需要动态分配,其频率分配和管理都很简单。
以上是码分数字移动通信系统的主要优点,但同时它也存在需要人们攻克的难点。在CDMA数字移动通信系统中,突出的问题是远近效应。所谓远近效应是指距接收机近的用户对距离远的用户的干扰。
在CDMA数字移动通信系统中,由于在同一蜂窝的各用户使用的是同一频率,共享一个无线频道。由于路途衰耗的原因,距基站近的移动台所发射信号有可能完全淹没距离远(例如处于蜂窝区边缘)移动台所发送来的信号,如果不采取有力的措施,这将使基站无法正常接收远距离移动台所发送来的信号。而在模拟频分多址和数字时分多址移动通信系统中,由于各信道使用不同频率或时隙,且各信道之间有相应的保护带宽或保护时间,故远近效应问题不太突出。
当前,在CDMA系统中为解决这个问题所采取的措施主要有两种:第一种是信号处理方法,在接收端用信号处理的方法,依次逐个抵消掉较强信号,直到能解调出所需信号为止,但由于这种方法运算量很大及当前器件的运算速度等问题,还不能实际使用;当移动台距基站近时,其发射功率减小,当距离远时,发射功率增大,从而保证在基站所收到的每个移动台的信号功率相等,消除远近效应的影响,使系统处于最佳运行状态。功率控制技术已在实际当中采用,它是CDMA数字移动通信系统中的最关键技术之一。功率控制技术很复杂,其所控制的范围和精度直接影响到整个系统的性能,如偏差过大,不仅系统容量迅速下降,而且通信质量也将急剧下降。
码分数字蜂窝移动通信网的网路结构如下图所示。
它是一个抽象的平面图,其实现将随着功能实体在各个物理单元中的分布情况不同而有所改变。各部分的作用和功能如下:
1.移动台(MS)
其包括手机和车台等,是用户端终接无线信道的设备;通过空中无线接口Um,给用户提供接入网路业务的能力。
2.基站(BS)
其设于某一地点,是服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备的总称。它是在一定无线覆盖区域内,由移动交换中心(MSC)控制,与移动台通信的设备。
3.移动交换中心(MSC)
是完成对位于它所服务的区域中的移动台进行控制、交换的功能实体,也是与其他MSC或其他公用交换网之间的用户业务的自动接续设备。
4.归属位置寄存器(HLR)
是为了记录的目的而指定用户身份给它的一种位置登记器。登记的内容是用户的信息(例如ESN、DN、IMSI(MSI)、服务项目信息、当前位置、批准有效的时间段等)。
5.拜访位置寄存器(VLR)
是MSC检索信息用的位置寄存器。例如处理发至或来自一个拜访用户的呼叫信息——用户号码、向用户提供本地用户的服务等参数。
6.设备识别寄存器(EIR)
是为了记录的目的而分配用户设备身份给它的寄存器;用于对移动设备的识别、监视、闭锁等。
7.鉴权中心(AC)
是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体。
8.消息中心(MC)
是一个存储和转送短消息的实体。
9.短消息实体(SME)
是合成和分解短消息的实体。有时HLR、VLR、EIR及AC位于MSC之中,SMC位于MSC、HLR或MC之中。
码分数字蜂窝移动通信网不是公共交换电话网(PSTN)的简单延伸,它是与PSTN、PSPDN、ISDN等并行的业务网。由于移动用户大范围的移动,该网在管理上应相对的独立。
通信系统的通信容量可以用不同的表征方法进行度量。对于点对点的通信系统而言,系统的通信容量可以用信道效率来度量,即用在给定的频率带宽中所能提供的最大信道数目进行衡量。一般地说,在给定的频率带宽中所能提供的信道数目越大,系统的通信容量也越大。在蜂窝移动通信系统中,系统的容量有多种衡量方法,如用每小区可用信道数(ch/cell)、每小区每兆赫兹可用
信道数(ch/cell/MHz)、每小区爱尔兰数(Erl/cell)、每平方公里用户数(用户数/km)以及每平方公里每小时通话次数(通话次数h/km)等进行度量。这些表征方法从不同的角度对系统的容量进行衡量,它们之间是有联系的,在一定的条件下可以互相转换。考虑到信道的分配涉及到频率复用和由此而产生的同频干扰问题,一般认为用每小区可用信道数(ch/cell)或每小区每兆赫兹限制CDMA数字蜂窝移动通信系统容量的原因是由于系统中存在多址干扰,即同时通信的移动用户之间的相互干扰。在某个蜂窝小区内,如果有N个用户同时通信,系统必须能提供N个或N个以上的(逻辑)信道。同时通信的用户数N越大,多址干扰越强。N的最大值就是系统容量,即在保证接收所需信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值的条件下,该小区同时通信的最大用户数。
首先考虑一般码分通信系统(即暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点)的容量。若N个用户同时通信,每个用户的信号都受到其他N-1个用户信号的干扰。假定系统的功率
控制是理想的,即到达接收机的所有N个信号强度都一样,则理论分析表明,此时系统容量为
式中W是CDMA系统所占的有效频谱宽度;Rb是信息数据的速率;Eb是信息数据的一比特能量;N0是干扰(噪声)的功率谱密度(单位赫兹的干扰功率);W/Rb是CDMA系统的扩频增益。当CDMA系统所占的频谱宽度W一定时,它随着信息速率Rb的降低而增大。Eb/N0是比特能量与噪声密度比,其比值取决于系统对误码率或话音质量的要求,并与系统的调制方式和编码方案有关。
例如:N-CDMA系统所占的有效频谱宽度W=1.2288MHz,话音编码速率Rb=8.6kbit/s,若比特能量与噪声密度比Eb/N0=7dB,则N=29.5;若Eb/N0=6dB,则N=37。
结果说明:在满足一定通信要求的前提下,比特能量与噪声密度比Eb/N0越小,系统的容量越大。但在上面的结果中,没有考虑CDMA蜂窝系统的特点,还应该根据其特点对系统容量公式进行修正。
1.采用语音激活技术提高系统容量
统计结果表明,对话的激活期(占空比)d=0.35。也就是,人们在通话过程中平均只有35%的时间在讲话,
另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,如果采用语音激活技术,使通信中的用户有语音时才发射信号,没有讲话时,该用户的发射机就停止发射功率,那么任一用户话音发生停顿时,其他用户所受到的干扰都会相应地平均减少65%,从而系统容量可以提高到1/d=2.86倍。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变成
式中d是语音占空比(d=0.35)。
2.利用扇区划分提高系统容量
在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3个扇区时,处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址
干扰分量也减少为原来的约三分之一,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻天线覆盖区之间有重叠,一般能提高到G=2.55倍左右)。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变为
式中G是扇形分区系数(G=2.55)。
3.邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响
根据码分多址蜂窝移动通信系统的特点,在CDMA蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,即若干个小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此,任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰,任一小区的基站也都会受到相邻小区移动台的干扰。这些干扰的存在必然会影响系统的容量。其中任一小区的移动台对
相邻小区基站(反向信道)的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台(正向信道)的总干扰量是不同的,对系统容量的影响也有所差别,下面分别加以简要说明。
(1)正向信道(由基站到移动台)
在一个蜂窝小区内,基站不断地向所有通信中的移动台发送信号,移动台在接收它自己所需的信号同时,也接收到基站发给所有其他移动台的信号,而这些信号对它所需的信号将形成干扰。当系统采用正向功率
控制技术时,由于路径传播损耗的原因,位于靠近基站的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离远的移动台要大,但受到相邻小区基站的干扰较小;位于小区边缘的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离近的移动台要小,但受到相邻小区基站的干扰较大。移动台最不利的位置是处于3个小区交界的地方,如下图中的X点。
假设各小区中同时通信的用户数都是N,即各小区的基站同时向N个用户发送信号,
当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断通信就要做一系列的调整,包括位置更新、转换通信链路等,这个过程就叫越区切换。
越区切换实现了小区(或扇区)间和频道间的信道转换,保证了一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。切换是由于无线转播、业务分配、操作和维护激活、设备故障等原因而产生的。例如:
(1)移动台移动至小区的边界,信号强度低到一定程度;
(2)移动台在小区中进入信号强度缝隙中(阴影区),信号恶化到一定程度;
(3)移动交换中心发现一些小区太拥挤,而另一些小区很闲时,可命令拥挤的小区的一些移动台提前切换,以调整各小区的负荷量等等。
对越区切换的基本要求是:
(1)高的切换成功率;
(2)减少系统中不必要的切换;
(3)使用优化的越区切换算法来控制各小区的业务量;
(4)切换速度快,切换经历的时间短;
(5)对话音质量的影响小等。
在CDMA系统中的越区切换有两类,即硬切换(Hard Handoff)和软切换(Soft Handoff)。
硬切换是指移动台在不同频道之间的切换, 这些切换需要移动台变更收发频率,即先切断原来的收发频率,再搜索、使用新的频道。
硬切换会造成通话暂短中断,切换时间较长时(大于200ms),将影响用户通话。
软切换是指移动台在相同的CDMA频道中的切换。软切换不需要移动台变更收发频率,只需要在伪随机码的相位上作一调整。CDMA系统的移动台中有多个RAKE (瑞克)接收机,可以同时接收几个基站发来的信号。当需要切换时,移动台除了与原服
务基站保持通话链路外,还与新的基站建立了通话链路。直到移动台接收到的原基站发来的信号低于一门限时才切断与原基站的通话链路。这种先通后断的软切换保证了通话不会中断。通常所说的软切换中还包含一种更软切换(Softer Handoff)。更软切换是指同一蜂窝小区内不同扇区之间的切换。在两扇区边界,基站和移动台通过分集技术可以同时在两个扇区传输信号。
在软切换过程中,由于移动台中有多个RAKE接收机,移动台开始与目标基站建立通信时,不中断与原服务基站的通信,此时移动台同时与两个基站建立了通话链路。当原服务基站的信号强度低到一门限值时,再切断与原服务基站的通信联系。由于移动台在软切换中不变更收发频率,所以软切换只能在具有相同CDMA频道的小区(或扇区)之间进行切换。
软切换是CDMA系统中特有的一个重要概念。在CDMA蜂窝移动通信系统中,具有相同CDMA频道的各小区使用同一频率,移动台在小区之间移动时不需要像频分或时分系统那样重新分配频率或时隙,这使得软切换成为可能。
在CDMA系统中,一般情况下每个移动台拥有三个以上RAKE接收机,即每个移动台中有多个解调器,这允许移动台同时与两个或多个小区保持通信。
移动台在与基站A通信时,连续监视相邻小区的导频信号强度,任何一个导频信号(如基站B)的强度超过一预定的门限时,立即报告系统。系统则命令基站B建立与移动台的通信,开始软切换。此时移动台同时接收到来自两个基站的通信信号,两路信号密切结合,彼此加强。
在反向链路上,移动交换中心根据基站接收的信号强度确定哪个基站的接收信号更强,从而选择它。
参考文献
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光纤通信在配电网自动化上的应用 论文
1前言
随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。配网馈线自动化是配网系统提高供电可靠性最直接有效的技术手段之一。在近几年国家加大了对城网和农网的改造，国内各大供电局对配电网自动化的投入也在加大。在配网自动化实现的过程中，我们发现通信问题是一个难点问题。在此，仅就光纤通信在配网自动化方面的应用谈一点认识和体会。
2配电网自动化对通信的要求
同调度SCADA系统一样，配电自动化系统也需要一个有效的通信网，同时他有自己的特点：终端数量极多。配网系统拥有众多的开闭所、配电变压器、柱上断路器，要对这些设备进行监控就需要许多FTU和TTU，同时这些FTU随配电设备安装，地域分布广，通讯节点分散。
配网自动化系统的规模、复杂程度和自动化程度决定了通信系统应满足下述要求：
(1)可靠性：
配网系统的通信设备有很多暴露在室外，环境恶劣，因此必须能够抵御高温、低温、日晒、雨淋、风雪、冰雹和雷电等自然环境的侵袭。同时，尽量避免各种电磁干扰，保证长期稳定可靠地工作，并要求在线路停电时，通信系统仍能正常工作。
(2)经济性：
考虑到配电网系统的总体经济效益，通信系统的投资不应过大，力争充分利用现有的主网通信资源，进行主、配网整体规划，避免重复投资。
(3)寻址量大：
通信系统不仅要考虑目前及未来的数据传输的需要，还要考虑系统升级的要求。
(4)双向通信：
配网自动化要实现遥测、遥信、遥控功能，就必须要求具有双向通信能力。
(5)容易操作和免维护。
根据以上的要求，伴随着光纤价格的下降，目前，光纤通信正广泛地应用于电力系统。
3光纤通信
自激光器和低损耗光纤问世以来，光纤通信系统以其技术、经济上无可比拟的优越性而迅速崛起，并风靡全球。该系统是以光纤为传输介质，以光为载波信号传递信息的通信系统，应用的光波波长为1.0～1.μm靘，整个系统由电端机、光端机、光缆和中继器构成。光纤可分为单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF)、长波长低射散光纤(LMF)、保偏光纤(PMF)及塑料光纤(POF)等很多种；常用的为单模和多模光纤，多模光纤就是传输多个光波模式，而单模光纤只传输一个光波模式。单模光纤比多模光纤传输距离长，目前一般地，光信号在多模光纤内可传6km左右，在单模光纤内可传30km。因此，单模光设备的价格要高于多模光设备。实用的光纤通常都是由多根光纤、加强芯、保护材料、固定材料等组合成光缆构成的传输线。
光纤MODEM可完成光信号与数字信号之间的相互转换。光纤MODEM一般有一个以上的数据口用以传递同步或异步信号。通信速率可达到2Mbps或更高，配网常用的通信速率一般为同步N×64K或异步19200bps以下。故足以满足配网通信的需要，光纤MODEM的连接示意图如下：
另外，还有一种光纤MODEM具有双环自愈功能。这一功能使通信的可靠性大大增强。其功能示意图如图2所示：
图2(I)中，A，B，C三点是通过自愈光MODEM实现的双环网，若在D点发生故障，则如图2(II)所示，光路在A站和C站愈合(环回)，使通信不受影响，同时向主站发出相应的告警及定位信号，使维修人员及时修复故障段光缆。
4光纤通信的特点
光纤通信具有通信容量大，衰减小，不怕雷击，抗电磁干扰、抗腐蚀、保密性好、可靠性高、敷设方便等优点，不过投资费用相对较高，尤其对于城区内直埋式电缆线路的光纤敷设，施工费用将更大。
5光纤通信在配电网上的实现方案
光纤通信的组网方式非常灵活，可以构架成星型、链型、树状、网状、单纤网、双纤网、环上多分支、多环相交、多环相切等各种拓扑结构的网络。
根据配电自动化系统的特点，光纤网通常需组成环型网，并与计算机局域网连接，实现数据共享。常用的组网方式如图3所示。
图3中：“S”表示网络服务器，“W1、W2、Wn”表示工作站，“b”表示变电所，“k”表示开闭所，“T”表示配电变压器。
实际工程设计中，充分考虑到电力通信专网拓扑结构的复杂性，SDH传输系统可以采用多达126个E1(2M口)全交叉连接和双主光环+多光分支的设计思想。基本构架为1～3个SDH／STM-1双纤自愈环相交或相切，而且在需要时，可通过更换光卡的方式在线升级为SDH／STM-4。如果局调度中心局域网位于网络地理中心，建议设计为相切环，以调度中心为切点，如图4所示；如果局调度中心局域网偏离网络地理中心，建议设计为相交环，由于调度中心不在交点，为了环间可靠转接，各环相交至少两点，互为保护路由，如图5所示。
6结束语
在实际的配网自动化的通信系统，必须构建一个成本低、收效高的双向通信系统，用可以接受的费用在可靠性和信息流量方面提供非常高的性能。同时，由于配电网自动化系统所要完成的功能太多而系统复杂，采用单一的通信系统来满足所有的功能需要是不现实的，也是不经济的。因此，在配电网自动化系统中，要应用多种通信方式，按综合的经济技术指标而选取其中最优的组合。在电力系统中较常用的通信方式还有一点多址数字微波、数传电台、无线扩频、专线电缆、邮电本地网、载波、扩频载波等，可供组网时选择。
光通信从一开始就是为传送基于电路交换的信息的，所以客户信号一般是TDM的连续码流，如PDH、SDH等。随着计算机网络，特别是互联网的发展，数据信息的传送量越来越大，客户信号中基于分组交换的分组信号的比例逐步增加。分组信号与连续码流的特点完全不同，它具有随机性、突发性，因此如何传送这一类信号，就成为光通信技术要解决的重点。
另外，传送数据信号的光收发模块及设备系统与传统的传送连续码流的光收发模块及设备系统是有很大区别的。在接入网中，所实现的系统即为ATM-PON、EPON或GPON等。在核心网，实现IP等数据信号在光层（包括在波分复用系统）的直接承载，就是大家熟知的IP over Optical的技术。
由于SDH系统的良好特性及已有的大量资源，可充分利用原有的SDH系统来传送数据信号。起初只考虑了对ATM的承载，后来，通过SDH网络承载的数据信号的类型越来越多，例如FR、ATM、IP、10M-baseT、FE、GE、10GE、DDN、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等。
于是，人们提出了许多将IP等信号送进SDH虚容器VC的方法，起初是先将IP或Ethernet装进ATM，然后再映射进SDH传输，即IP/Ethernet over ATM，再over SDH。后来，又把中间过程省去，直接将IP或Ethernet送到SDH，如PPP、LAPS、SDL、GFP等，即IP over SDH、POS或EOS。
不断增加的信道容量
光通信系统能从PDH发展到SDH，从155Mb/s发展到10Gb/s，近来，40GB/s已实现商品化。同时，还正在探讨更大容量的系统，如160Gb/s（单波道）系统已在实验室研制开发成功，正在考虑为其制定标准。此外，利用波分复用等信道复用技术，还可以将系统容量进一步提高。目前32×10Gb/s（即320Gb/s）的DWDM系统已普遍应用，160×10Gb/s（即1.6Tb/s）的系统也投入了商用，实验室中超过10Tb/s的系统已在多家公司开发出来。光时分复用OTDM、孤子技术等已有很大进展。毫无疑问，这些对于骨干网的传输是非常有利的。
信号超长距离的传输
从宏观来说，对光纤传输的要求当然是传输距离越远越好，所有研究光纤通信技术的机构，都在这方面下了很大工夫。特别是在光纤放大器出现以后，这方面的记录接连不断。不仅每个跨距的长度不断增加，例如，由当初的20km、40km，最多为80km，增加到120km、160km。而且，总的无再生中继距离也在不断增加，如从600km左右增加到3000km、4000km。
从技术的角度看，光纤放大器其在拉曼光纤放大器的出现，为增大无再生中继距离创造了条件。同时，采用有利于长距离传送的线路编码，如RZ或CS-RZ码；采用FEC、EFEC或SFEC等技术提高接收灵敏度；用色散补偿和PMD补偿技术解决光通道代价和选用合适的光纤及光器件等措施，已经可以实现超过STM-64或基于10Gb/s的DWDM系统，4000km无电再生中继器的超长距离传输。
光传输与交换技术的融合
随着对光通信的需求由骨干网逐步向城域网转移，光传输逐渐靠近业务节点。在应用中人们觉得光通信仅仅作为一种传输手段尚未能完全适应城域网的需要。作为业务节点，比较靠近用户，特别对于数据业务的用户，希望光通信既能提供传输功能，又能提供多种业务的接入功能。这样的光通信技术实际上可以看作是传输与交换的融合。目前已广泛使用的基于SDH的多业务传送平台MSTP，就是一个典型的实例。
基于SDH的MSTP是指在SDH的平台上，同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入处理和传送，提供统一网管的多业务节点设备。实际上，有些MSTP设备除了提供上述业务外，还可以提供FR、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等众多类型的业务。
除了基于SDH的MSTP之外，还可以有基于WDM的MSTP。实际上是将WDM的每个波道分别用作各个业务的通道，即可以用透传的方式，也可以支持各种业务的接入处理，如在FE、GE等端口中嵌入以太网2层甚至3层交换功能等，使WDM系统不仅仅具有传送能力，而且具有业务提供能力。
进一步在光层网络中，将传输与交换功能相结合的结果，则导出了自动交换光网络ASON的概念。ASON除了原有的光传送平面和管理平面之外，还增加了控制平面，除了能实现原来光传送网的固定型连接（硬连接）外，在信令的控制下，还可以实现交换的连接（软连接）和混合连接。即除了传送功能外，还有交换功能。
互联网发展需求与下一代全光网络发展趋势
近年来，随着互联网的迅猛发展，IP业务呈现爆炸式增长。预测表明，IP将承载包括语音、图像、数据等在内的多种业务，构成未来信息网络的基础；同时以WDM为核心、以智能化光网络（ION）为目标的光传送网进一步将控制信令引入光层，满足未来网络对多粒度信息交换的需求，提高资源利用率和组网应用的灵活性。因此如何构建能够有效支持IP业务的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点之一。
对承载业务的光网络而言，下一步面临的主要问题不仅仅是要求超大容量和宽带接入等明显需求，还需要光层能够提供更高的智能性和在光节点上实现光交换，其目的是通过光层和IP层的适配与融合，建立一个经济高效、灵活扩展和支持业务QoS等的光网络，满足IP业务对信息传输与交换系统的要求。
智能化光网络吸取了IP网的智能化特点，在现有的光传送网上增加了一层控制平面，这层控制平面不仅用来为用户建立连接、提供服务和对底层网络进行控制，而且具有高可靠性、可扩展性和高有效性等突出特点，并支持不同的技术方案和不同的业务需求，代表了下一代光网络建设的发展方向。
研究表明，随着IP业务的爆发性增长，电信业和IT业正处于融合与冲突的“洗牌”阶段，新技术呼之欲出。尤其是随着软件控制（“软光”技术）的使用，使得今天的光网络将逐步演进为智能化的光网络，它允许运营者更加有效地自动配置业务和管理业务量，同时还将提供良好的恢复机制，以支持带有不同QoS需求的业务，从而使运营者可以建设并灵活管理的光网络，并开展一些新的应用，包括带宽租赁、波长业务、光层组网、光虚拟专用网（OVPN）等新业务。
综上所述，以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心，并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点，在未来的一段时间里，人们将继续研究和建设各种先进的光网络，并在验证有关新概念和新方案的同时，对下一代光传送网的关键技术进行更全面、更深入地研究。
从技术发展趋势角度来看，WDM技术将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展。从应用角度看，光网络则朝着面向IP互联网、能融入更多业务、能进行灵活的资源配置和生存性更强的方向发展，尤其是为了与近期需求相适应，光通信技术在基本实现了超高速、长距离、大容量的传送功能的基础上，将朝着智能化的传送功能发展。
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光纤通信技术的发展趋势
[摘要]对光纤通信技术领域的主要发展热点作一简述与展望,主要有超高速传输系统,
超大容量波分复用系统,光联网技术,新一代的光纤,IP over SDH与IP over
Optical以及光接入网.
关键词:光纤 超高速传输 超大容量波分复用 光联网
光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命.近几年来,随着技术的进步,
电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放,光纤通信的发展又一次呈现了蓬
勃发展的新局面,本文旨在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述与展望.
1 向超高速系统的发展
从过去2O多年的电信发展史看,网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主
要矛盾.传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用(TDM)方式进行,每当传输速率
提高4倍,传输每比特的成本大约下降30%～40%;因而高比特率系统的经济效益大致
按指数规律增长,这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去20多年来一直在持续
增加的根本原因.目前商用系统已从45Mbps增加到10Gbps,其速率在20年时间里增加了
20O0倍,比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多.高速系统的出现不仅增加了业
务传输容量,而且也为各种各样的新业务,特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能.
目前10Gbps系统已开始大批量装备网络,全世界安装的终端和中继器已超过5000个,主
要在北美,在欧洲,日本和澳大利亚也已开始大量应用.我国也将在近期开始现场试验.
需要注意的是,10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感,而已经敷设的光缆并不
一定都能满足开通和使用10Gbps系统的要求,需要实际测试,验证合格后才能安装开通.
在理论上,上述基于时分复用的高速系统的速率还有望进一步提高,例如在实验室
传输速率已能达到4OGbps,采用色度色散和极化模色散补偿以及伪三进制(即双二进制)
编码后已能传输100km.然而,采用电的时分复用来提高传输容量的作法已经接近硅和镓
砷技术的极限,没有太多潜力可挖了,此外,电的40Gbps系统在性能价格比及在实用中
是否能成功还是个未知因素,因而更现实的出路是转向光的复用方式.光复用方式有很
多种,但目前只有波分复用(WDM)方式进入大规模商用阶段,而其它方式尚处于试验
研究阶段.
2 向超大容量WDM系统的演进光纤接入|光纤传输
如前所述,采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而光纤的200nm可用带宽资
源仅仅利用了不到1%,99%的资源尚待发掘.如果将多个发送波长适当错开的光源信
号同时在一极光纤上传送,则可大大增加光纤的信息传输容量,这就是波分复用(WDM)
的基本思路.采用波分复用系统的主要好处是:(1)可以充分利用光纤的巨大带宽资
源,使容量可以迅速扩大几倍至上百倍;(2)在大容量长途传输时可以节约大量光纤
和再生器,从而大大降低了传输成本;(3)与信号速率及电调制方式无关,是引入宽
带新业务的方便手段;(4)利用WDM网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的,具
有高度生存性的光联网.
鉴于上述应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动,波分复用系
统发展十分迅速.如果认为1995年是起飞年的话,其全球销售额仅仅为1亿美元,而2000
年预计可超过40亿美元,2005年可达120亿美元,发展趋势之快令人惊讶.目前全球实
际敷设的WDM系统已超过3000个,而实用化系统的最大容量已达320Gbps(2*16*10Gbps),
美国朗讯公司已宣布将推出80个波长的WDM系统,其总容量可达200Gbps(80*2.5Gbps)
或400Gbps(40*10Gbps).实验室的最高水平则已达到2.6Tbps(13*20Gbps).预计不
久实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平.可以认为近2年来超大容量密集波分复用系
统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑.不仅彻底开发了无穷无尽的光传输键路的
容量,而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础.
3 实现光联网——战略大方向
上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量,但基本上是以点到点通
信为基础的系统,其灵活性和可靠性还不够理想.如果在光路上也能实现类似SDH在电
路上的分插功能和交叉连接功能的话,无疑将增加新一层的威力.根据这一基本思路,
光的分插复用器(OADM)和光的交叉连接设备(OXC)均已在实验室研制成功,前者已
投入商用.
实现光联网的基本目的是:(1)实现超大容量光网络;(2)实现网络扩展性,允
许网络的节点数和业务量的不断增长;(3)实现网络可重构性,达到灵活重组网络的
目的;(4)实现网络的透明性,允许互连任何系统和不同制式的信号;(5)实现快速
网络恢复,恢复时间可达100ms.
鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势,发达国家投入了大量的人力,物力和财力进
行预研,特别是美国国防部预研局(DARPA)资助了一系列光联网项目,如以Be11core
为主开发的"光网技术合作计划(ONTC)",以朗讯公司为主开发的"全光通信网"预
研计划","多波长光网络(MONET)"和"国家透明光网络(NTON)"等.在欧洲和
日本,也分别有类似的光联网项目在进行.光纤接入|光纤传输
综上所述光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮.其标准化
工作将于2000年基本完成,其设备的商用化时间也大约在2000年左右.建设一个最大透
明的.高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络不仅可以为未来的国家信息基础设施(
NII) 奠定一个坚实的物理基础,而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞
以及国家的安全有极其重要的战略意义.
4 新一代的光纤
近几年来随着IP业务量的爆炸式增长,电信网正开始向下一代可持续发展的方向发
展,而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础.传统的G.652
单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势,
开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分.目前,为了适应干线
网和城域网的不同发展需要,已出现了两种不同的新型光纤,即非
零色散光纤(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤).
4.1 新一代的非零色散光纤 非零色散光纤(G.655光纤)的基本设计思想是在1550
窗口工作波长区具有合理的较低色散,足以支持10Gbps的长距离传输而无需色散补偿,
从而节省了色散补偿器及其附加光放大器的成本;同时,其色散值又保持非零特性,
具有一起码的最小数值(如2ps/(nm.km)以上),足以压制四波混合和交叉相位调
制等非线性影响,适宜开通具有足够多波长的DWDM系统,同时满足TDM和DWDM两种发展
方向的需要.为了达到上述目的,可以将零色散点移向短波长侧(通常1510～1520nm
范围)或长波长侧(157nm附近),使之在1550nm附近的工作波长区呈现一定大小的色
散值以满足上述要求.典型G.655光纤在1550nm波长区的色散值为G.652光纤的1/6～
1/7,因此色散补偿距离也大致为G.652光纤的6～7倍,色散补偿成本(包括光放大器,
色散补偿器和安装调试)远低于G.652光纤.
4.2 全波光纤 与长途网相比,城域网面临更加复杂多变的业务环境,要直接支持大
用户,因而需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力.但其传输距离却很短,通常只有
50～80km,因而很少应用光纤放大器,光纤色散也不是问题.显然,在这样的应用环
境下,怎样才能最经济有效地使业务量上下光纤成为网络设计至关重要的因素.采用
具有数百个复用波长的高密集波分复用技术将是一项很有前途的解决方案.此时,可
以将各种不同速率的业务量分配给不同的波长,在光路上进行业务量的选路和分插.
在这类应用中,开发具有尽可能宽的可用波段的光纤成为关键.目前影响可用波段的
主要因素是1385nm附近的水吸收峰,因而若能设法消除这一水峰,则光纤的可用频谱
可望大大扩展.全波光纤就是在这种形势下诞生的.
全波光纤采用了一种全新的生产工艺,几乎可以完全消除由水峰引起的衰减.除
了没有水峰以外,全波光纤与普通的标准G.652匹配包层光纤一样.然而,由于没有了
水峰,光纤可以开放第5个低损窗口,从而带来一系列好处:
(1)可用波长范围增加100nm,使光纤的全部可用波长范围从大约200nm增加到
300nm,可复用的波长数大大增加;
(2)由于上述波长范围内,光纤的色散仅为155Onm波长区的一半,因而,容易实
现高比特率长距离传输;
(3)可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输,改进网络管理;
(4)当可用波长范围大大扩展后,允许使用波长间隔较宽,波长精度和稳定度要
求较低的光源,合波器,分波器和其它元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度
下降,这就降低了整个系统的成本.
5 IP over SDH与IP over Optical
以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力,因而能否有效地
支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志.
目前,ATM和SDH均能支持IP,分别称为IP over ATM和IP over SDH两者各有千秋.
IP over ATM利用ATM的速度快,颗粒细,多业务支持能力的优点以及IP的简单,灵活,
易扩充和统一性的特点,可以达到优势互补的目的,不足之处是网络体系结构复杂,
传输效率低,开销损失大(达25%～30%).而SDH与IP的结合恰好能弥补上述IP over
ATM的弱点.其基本思路是将IP数据包通过点到点协议(PPP)直接映射到SDH帧,省
掉了中间复杂的ATM层.具体作法是先把IP数据包封装进PPP分组,然后利用HDLC组帧,
再将字节同步映射进SDH的VC包封中,最后再加上相应SDH开销置入STM-N帧中即可.
IP over SDH在本质上保留了因特网作为IP网的无连接特征,形成统一的平面网,
简化了网络体系结构,提高了传输效率,降低了成本,易于IP组插和兼容的不同技术
体系实现网间互联.最主要优点是可以省掉ATM方式所不可缺少的信头开销和IP over
ATM封装和分段组装功能,使通透量增加25%～30%,这对于成本很高的广域网而言
是十分珍贵的.缺点是网络容量和拥塞控制能力差,大规模网络路由表太复杂,只有
业务分级,尚无优先级业务质量,对高质量业务难以确保质量,尚不适于多业务平台,
是以运载IP业务为主的网络理想方案.随着千兆比高速路由器的商用化,其发展势头
很强.采用这种技术的关键是千兆比高速路由器,这方面近来已有突破性进展,如美
国Cisco公司推出的12000系列千兆比特交换路由器(GSR),可在千兆比特速率上实
现因特网业务选路,并具有5～60Gbps的多带宽交换能力,提供灵活的拥塞管理,组
播和QOS功能,其骨干网速率可以高达2.5Gbps,将来能升级至10Gbps.这类新型高速
路由器的端口密度和端口费用已可与ATM相比,转发分组延时也已降至几十微秒量级,
不再是问题.总之,随着千兆比特高速路由器的成熟和IP业务的大发展,IP over
SDH将会得到越来越广泛的应用.光纤接入|光纤传输
但从长远看,当IP业务量逐渐增加,需要高于2.4Gbps的链路容量时,则有可能
最终会省掉中间的SDH层,IP直接在光路上跑,形成十分简单统一的IP网结构(IP over
Optical).显然,这是一种最简单直接的体系结构,省掉了中间ATM层与SDH层,减
化了层次,减少了网络设备;减少了功能重叠,简化了设备,减轻了网管复杂性,特
别是网络配置的复杂性;额外的开销最低,传输效率最高;通过业务量工程设计,可
以与IP的不对称业务量特性相匹配;还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务,尽
量避免缓存,减少延时;由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备,简化
了网管,又采用了波分复用技术,其总成本可望比传统电路交换网降低一至二个量级!
综上所述,现实世界是多样性的,网络解决方案也不会是单一的,具体技术的选
用还与具体电信运营者的背景有关.三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和
网络的不同部分发挥自己应有的历史作用.但从面向未来的视角看,IP over Optical
将是最具长远生命力的技术.特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后,这种对
IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术.在相当长
的时期,IP over ATM,IP overSDH和IP over Optical将会共存互补,各有其最佳应
用场合和领域.
6 解决全网瓶颈的手段——光接入网
过去几年间,网络的核心部分发生了翻天覆地的变化,无论是交换,还是传输都
已更新了好几代.不久,网络的这一部分将成为全数字化的,软件主宰和控制的,高
度集成和智能化的网络.而另一方面,现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的(90%
以上),原始落后的模拟系统.两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约
全网进一步发展的瓶颈.目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段,如双
绞线上的xDSL系统,同轴电缆上的HFC系统,宽带无线接入系统,但都只能算是一些
过渡性解决方案,唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网.
接入网中采用光接入网的主要目的是:减少维护管理费用和故障率;开发新设备,
增加新收入;配合本地网络结构的调整,减少节点,扩大覆盖;充分利用光纤化所带
来的一系列好处;建设透明光网络,迎接多媒体时代. 所谓光接入网从广义上可
以包括光数字环路载波系统(ODLC)和无源光网络(PON)两类.数字环路载波系统
DLC不是一种新技术,但结合了开放接口VS.1/V5.2,并在光纤上传输综合的DLC(ID
LC),显示了很大的生命力,以美国为例,目前的1.3亿用户线中,DLC/IDLC已占据
3600万线,其中IDLC占2700万线.特别是新增用户线中50%为IDLC,每年约500万线.
至于无源光网络技术主要是在德国和日本受到重视.德国在1996年底前共敷设了约230
万线光接入网系统,其中PON约占100万线.日本更是把PON作为其网络光纤化的主要技
术,坚持不懈攻关十多年,采取一系列技术和工艺措施,将无源光网络成本降至与铜
缆绞线成本相当的水平,并已在1998年全面启动光接入网建设,将于2010年达到6000
万线,基本普及光纤通信网,以此作为振兴21世纪经济的对策.近来又计划再争取提
前到2005年实现光纤通信网.光纤接入|光纤传输
在无源光网络的发展进程中,近来又出现了一种以ATM为基础的宽带无源光网络
(APON),这种技术将ATM和PON的优势相互结合,传输速率可达622/155Mbps,可以
提供一个经济高效的多媒体业务传送平台并有效地利用网络资源,代表了多媒体时代
接入网发展的一个重要战略方向.目前国际电联已经基本完成了标准化工作,预计
1999年就会有商用设备问世.可以相信,在未来的无源光网络技术中,APON将会占据
越来越大的份额,成为面向21世纪的宽带投入技术的主要发展方向.
7 结束语
从上述涉及光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看,完全有理由认为光纤通
信进入了又一次蓬勃发展的新高潮.而这一次发展高潮涉及的范围更广,技术更新更
难,影响力和影响面也更宽,势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响.它的
演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局,也将对下一世纪
的社会经济发展产生巨大影响.
