三网络的研究之光纤通信.doc

2G、3G网络的研究之
---光纤通信

2G和3G网络的研究之光纤通信
一．2G网络和3G网络简介
1. 2G（second generation）表达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。但是手机短信SMS （Short message service）在2G的某些规格中可以被执行。
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合的新一代移动通信系统。它可以解决图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供涉及网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须可以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可以分别支持至少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，手机制式重要涉及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。
二.2G网络和3G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技术的重要优点是能极大地增长系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外运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提倡的3G是指将无线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。它可以解决图像、语音、视频流等多种媒体形式，提供涉及网页浏览、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. 第三代通信网络的重要目的定位于实时视频、高速多媒体和移动
Internet访问业务。运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运用，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性之一，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更加贴近。除了增长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减少话音、数据业务的成本。
三. 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。光纤特性涉及它的结构特性、光学特性及传输特性。结构特性重要指光纤的几何尺寸（芯径等）； 光学特性涉及折射率分布、数值孔径等；传输特性重要是损耗及色散性。
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。信息高速公路从主线上
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(涉及声音、文献、图形、影视、数据等)连接到所有网络，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。为了增长光缆的传输距离， 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、减少成本、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 个重要城市的数据网络；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 世纪的信息时代会有更伟大的作为。
3.1 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n1和n2。
为了使纤芯可以远距离传光，构成光纤的必要条件是n1＞n2。
3.2 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
2．按光纤折射率分布特点划分重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光纤 。
多模光纤： 纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50 mm左右）适
用于中容量、中距离通信。
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），合用于大容量、长距离通信。

3.3光缆类型举例：

3.4光纤传光原理
3.4.1 光的射线理论及光纤传光分析
1．光的射线理论
（1）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
v = c/n c是真空中光速，n是均匀介质折射率 。
（2）反射定律和折射定律
光线通过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。
（3）全反射
光线从光密介质n1射向光疏介质n2时，若入射角θ1满足以下关系：
θ1 ≥ θc º arcsin(n2/n1)
则只有反射光，而无折射光。θc称为全反射临界角。

一方面，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。N1>n2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n1>n2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，只有当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质，即n1>n2时，在界面上才干产生全反射。
（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，而斜射光线是不通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n1>n2，空气折射率为n0。在光纤内传输的子午光线，简称内光线，碰到纤芯与包层的分界面的入射角大于时，才干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：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：
① 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。
② 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
n0sinf0 = n1sinf1= n1cosqc
在光纤内n1, n2交界面上的全反射公式为
n1sinqc = n2

（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：
① 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。
② 光纤端面临界入射角为f0(r) = ，与光纤端面上入射点位置r有关。其中，f0(r = 0)称为中心临界入射角，f0(r ¹ 0)称为非中心临界入射角。 可见，f0(r = 0)＞f0(r ¹ 0)，表白中心入射光线比非中心入射光线可以有大一些的入射角。
③ 光纤端面入射角fin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
（1）在阶跃光纤内
斜射光线在阶跃光纤内传播的基本特点：
① 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。
② 光纤端面临界入射角为 （ψ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
斜射光线在渐变光纤内传播的基本特点：
① 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。
② 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。③ 光纤端面入射角fin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。
④ 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。
3.5 光纤的损耗
----光波在光纤中传输，随着距离的增长光功率逐渐下降，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，人们在减少光纤损耗方面做了大量的工作，1.31μm 光纤的损耗值在0．5dB/km以下，而1.55μm 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----形成光纤损耗的因素很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂 (有些是不能计算的)。减少损耗重要依赖于工艺的提高相对材料的研究等。光纤损耗的因素重要有吸取损耗和散射损耗，尚有来自光纤结构的不完善。
3.6光纤通信的优点
(1) 频带极宽，通信容量大。
光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽敞的优势。通常采用各种复杂技术来增长传输的容量，特别是现在的密集波分复用技术极大地增长了光纤的传输容量。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到10Gbps。
(2) 损耗低，中继距离长。
目前，商品石英光纤损耗可低于0～20dB/km，这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低；若将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离；对于一个长途传输线路，由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大减少。
(3) 抗电磁干扰能力强。
光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，不易被腐蚀，并且绝缘性好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。这一点对于强电领域(如电力传输线路和电气化铁道)的通信系统特别有利。由于能免去电磁脉冲效应，光纤传输系还特别适合于军事应用。
(4)无串音干扰，保密性好。
在电波传输的过程中，电磁波的泄漏会导致各传输通道的串扰，而容易被窃听，保密性差。光波在光纤中传输，由于光信号被完善地限制在光波导结构中，而任何泄漏的射线都被围绕光纤的不透明包皮所吸取，即使在转弯处，漏出的光波也十分薄弱，即使光缆内光纤总数很多，相邻信道也不会出现串音干扰，同时在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。
除以上特点之外，尚有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设；光纤的原材料资源丰富，成本低；温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点，其不仅可以应用在通信的主干线路中，还可以应用在电力通信控制系统中，进行工业监测、控制，并且在军事领域的用途也越来越为广泛。
3.7发展趋势
1. 全光网络
传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍用电器件，限制了目前通信网干线总容量的提高，因此真正的全光网络成为非常重要的课题。全光网络以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，信息始终以光的形式进行传输与互换，互换机对用户信息的解决不再按比特进行，而是根据其波长来决定路由。全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、可靠性、可扩展性，并能提供巨大的带宽、超大容量、极高的解决速度、较低的误码率，网络结构简朴，组网非常灵活，可以随时增长新节点而不必安装信号的互换和解决设备。当然全光网络的发展并不也许独立于众多通信技术，它必须要与因特网、ATM网、移动通信网等相融合。目前全光网络的发展仍处在初期阶段，但已显示出良好的发展前景。从发展趋势上看，形成一个真正的、以WDM技术与光互换技术为主的光网络层，建立纯粹的全光网络，消除电光瓶颈已成未来光通信发展的必然趋势，更是未来信息网络的核心，也是通信技术发展的最高级别，更是抱负级别。

2.开发新代的光纤
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(G.655光纤)和无水吸取峰光纤(全波光纤)。其中，全波光纤将是以后开发的重点，也是现在研究的热点。从长远来看，BPON技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向，但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看，它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目的还会有一个较长的发展过程。对光纤通信而言，超高速度、超大容量、超长距离一直都是人们追求的目的，光纤到户和全光网络也是人们追求的梦想。