光纤通信（邱昆、王晟版）课后答案

忘是亡心i 2023-10-01 09:06 5阅读 0赞

**光通信**

## 1.概述 ##

**通信系统：** 将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道的总和

**光通信系统：** 采用光波作为信息载体，并采 用光导纤维作为传输介质的一种通信方式。

**光纤通信系统的基本构成：**  
![f6cfb5afe2d14e6cad3ca437a34c6a80.png][]

**光纤通信系统特点：**

*  传输容量大
 *  传输损耗小，中继距离长
 *  信号泄漏小，保密性好
 *  节省有色金属
 *  抗电磁干扰性能好
 *  重量轻，可扰性好，敷设方便

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**信道容量：** 当信号与信道噪声平均功率给定时，在一定频带贷款B的信道上，理论上单位时间可能传输的信息量的极限值。

**香农公式：** **C = △fch log2(1 + S/N)**

*C*：信道支持的最大速度或者叫信道容量

△fch：信道带宽

S：平均信号功率

N：平均噪声功率

S/N：信噪比

**为什么光波系统比微波系统具有更高的传输容量？**

与光波系统相比，光纤通信的信道宽度要大10000倍左右，虽然信道容量不是简单地增大这么多倍，但光线通信系统的信道容量仍然会比微波系统高得多。

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**如果对一个信噪比为60dB，带宽为6.5MHz的模拟视频信号进行数字化，则比特率至少应该达到多少？**

由公式：**SNR=20log10(Amax/AN)、B > (△f / 3) SNR**

得：SNR = 60dB △f = 6.5MHz

B > (△f / 3) SNR = (6.5×10^6 / 3)×60 = 1.3×10^8 bps

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**假设数字通信系统能工作在载波频率的1%的比特率下，用 5GHz 的微波载波能传输多少个 64kbps 的音频信道？换成 1.55μm 的光载波呢？**

5×10^9×1％ / 64×10^3 = 781.25 ≈ 781

由公式：**f = c / λ**

得：f = 193.55×10^12Hz

193.55×10^12×1％ / 64×10^3 = 30242187

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## 2.光通信基础 ##

**考虑一条阶跃折射率光纤，n1=1.50，n2=1.49，求此光纤的数位孔径NA和采用此光纤的系统的容量BL**

由公式：  
![请添加图片描述][6c1e0f54ffae4591be94ca8a6e8bc22c.png]

得：△ = (1.50 - 1.49) / 1.50 = 0.0067

NA = 1.50×(2×0.0067)^1/2 = 0.17

BL < 1.49 / 1.50 × 1.8 × 10^8 / 0.0067 = 29.7Mb/s\*km

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**如果阶跃型光纤n1=1.520，△=0.002，a=5μm，求：**

1.  λ1=1.50μm下，该光纤能支持多少个模式？
2.  λ2=0.85μm下，该光纤能支持多少个模式？
3.  λ3=1.50μm下，求出光斑尺寸，并求出光纤纤芯内所携带的光功率与总光功率之比

由公式：V：归一化频率，能够描述光纤结构和性能的综合参数  
![740b45c94e8e408aa7e7692433beb819.png][]

λ1=1.50μm：V = 2π/1.5×5×1.52×(2×0.002) ≈ 2.013 < 2.4035

光纤只支持HE11模式

λ2=0.85μm：V ≈ 3.553

光纤支持HE11、TE01、TM01、HE21四种模式

由公式：

![请添加图片描述][f34d21548e454aa4bf5fa800203e0230.png]

得：W = 5.7004μm

Pcore / Ptotal ≈ 78.53％

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**光纤最基本特性是什么？它们对传输信号会产生什么影响？**

*  光纤最基本特性是色散和损耗。
 *  色散导致光脉冲展宽，损耗使光信号能量损失，两者限制着光通信的传输速率和传输距离。

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**自发辐射与受激辐射的区别是什么？受激辐射与受激吸收的区别是什么？**

*  自发辐射与受激辐射的区别:  
    自发辐射产生的光子方向随机，出射光为非相干光;受激辐射产生的光子方向与发射光子相同，出射光为相干光。
 *  受激辐射与受激吸收的区别:  
    受激辐射是处于高能态的电子跃迁到低能态而发射光子;受激吸收是处于低能态的电子跃迁到高能态。

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**双异质结的作用有哪些？掩埋异质结对光子的限制作用的机理是什么？**

*  双异质结的能带结构对载流子的限制作用，波导结构对光子的限制作用。
 *  对光子的限制作用的机理是通过折射率分布来实现。

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**单纵模半导体激光器的设计思想是什么？**

采用特殊的结构（如分布光栅）只对某一模式提供正反馈，则可以实现半导体激光器的单纵模工作。

单纵模半导体激光器的设计思想是基于纵模的损耗差，使某一纵模的损耗最小（净增益最大）而达到振荡条件。

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**光纤通信系统中常用的光电探测器有哪几类？它们的特点如何？**

*  PN 光电二极管、PIN 光电二极管和雪崩光电二极管（APD）三种。
 *  PN 光电二极管:结构简单、电压低、效率低；
 *  PIN 光电二极管：结构简单、可靠性高、电压低、使用方便、量子效率高、噪声小、带宽较高；
 *  APD 雪崩光电二极管：高灵敏度、高增益、高电压、结构复杂，噪声大。

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**在光发射机中有哪些基本的电路？**

驱动电路、自动功率控制（APC）电路、自动温度控制（ATC）电路、示警电路与保护电路

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**典型数字光接收机由哪三个部分组成？**

前端、线性通道和数据恢复三部分组成。

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## 3.光放大器 ##

**目前的光放大器有哪几类？**

*  半导体激光放大器
 *  非线性光纤放大器（光纤喇曼放大器）
 *  掺杂光纤放大器三种

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**通常情况下，为什么半导体光放大器增益对偏振态有依赖关系？如何消除这种依赖关系？**

*  半导体激光放大器的增益系数表达式中限制因子参数和微分增益系数参数与两种不同的偏振态相关。
 *  消除方法:  
    将放大器宽度和厚度的尺寸设计得接近;  
    采用大光腔结构（对称放大）。

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**在 EDFA 的设计过程中需要考虑哪些要素？为什么在 EDFA 对多信道信号放大过程中，一般不考虑信道间的串扰？**

*  考虑要素:掺杂光纤参数，结合泵浦方式确定最佳的掺杂光纤长度，波分复用器和光隔离器。
 *  原因：信道间隔＜10kHz 才会出现四波混频干扰，而 EDFA 多信道复用系统的信道间隔通常大于10kHz,所以不用考虑串扰。

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**在光纤喇曼放大器中，通过什么方法可以实现宽带平坦的放大器？为什么？**

*  合理地选择多个泵浦波长。
 *  原因：喇曼放大是一个非协振过程，增益谱仅依赖于泵浦的波长和泵浦功率，通过合理的选择多个泵浦波长，可以精确的确定喇曼增益谱的形状和增资带宽；在光纤喇曼放大器与 EDFA 混合使用的基础上，加上增益均衡器平坦增益。

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## 4.SDH和WDM光纤传输系统 ##

**为什么会出现 SDH 的传输体制？**

传统 PDH 的缺陷需要改善，美国贝尔通信研究所提出了同步网络机制（SONET）改善了PDH 的性能。

PDH 的缺陷如下：

*  电接口规范未世界性标准化；
 *  光接口规范未世界标准化；
 *  从高速信号中分/插出低速信号要一级一级进行；
 *  层层复用和解复用造成的损伤加大，裂化传输性能；
 *  帧结构用于网络运行维护工作的开销字节少；
 *  网管接口不统一。

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**简述 SDH 的帧结构及其各个组成部分的功能。**

*  SDH 的帧结构：信息净负荷、段开销和管理单元指针。
    
    信息净负荷（业务信号+通道开销）
 *  POH 功能：对低速信号进行通道性能监视、管理和控制。
 *  段开销（RSOH 和 MSOH）功能：保证信息净负荷正常灵活传送所附加的供网络运行、管理和维护使用的字节，实现了
    
    层层监控。
 *  RSOH：监控 STM-16 信号的传输状态；
 *  MSOH：监控 STM-16 中 STM-1 信号的传输状态；
 *  POH：每个 STM 中低速支路信号。
 *  管理单元指针功能：指示信息净负荷的第一字节在 STM-N 帧内准确位置的指示符。

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**简述 PDH 各速率级别信号复用进 STM-N 信号的方法和步骤以及各种信息结构大致的作用，例如 C、VC、TU、TUG、AU 及 AUG。**

*  比特塞入法
    
     *  方法：固定位置的比特塞入。
     *  步骤：帧中有比特塞入指示和比特塞入；比特塞入和去塞入过程。
 *  固定位置映射法
    
     *  方法：低速信号在高速信号中的特殊位置。
     *  步骤：低速信号与高速信号同步，帧频一致；125us 缓存器来进行频率校正和相位对准。
 *  C（信息容器）：将常用的 PDH 信号适配进入标准容器；
 *  VC（虚容器）：支持通道层连接；
 *  TU（支路单元）：为低阶通道层与高阶通道层提供适配功能的信息结构；
 *  TUG（支路单元组）：汇聚在低阶 VC 净负荷中占有固定位置的 TU；
 *  AU（管理单元）：为高阶通道层与复用段层提供适配功能；
 *  AUG（管理单元组）：汇聚在 STM 帧中占有固定位置的 AU。

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**说明 2.048Mbps 到 STM-1 的映射、定位及复用过程。**

*  将 2.048Mbps 的 PDH 信号经过速率适配装载到对应的标准容器 C-12 中;
 *  将 C-12 再打包并加入相应的通道开销，使其成为 VC-12 的信息结构;
 *  在 VC-12 复帧的 4 个缺口上再加上 4 个字节的 TU-PTR，变成 TU-12 信息结构;
 *  3 个 TU-12 经过字节间插复用合成 TUG-2;
 *  7 个 TUG-2 经过字节间插复用合成 TUG-3 的信息结构;
 *  3 个 TUG-3 复用进一个 VC-4;
 *  一个 VC-4 复用进 1 个 STM-1。

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**AU-PTR 和 TU-PTR 是如何对 VC-4 和 VC-12 定位的？**

*  AU-4 PTR 指示 VC-4 在 AU-4 帧中的位置;
 *  每个复帧包括 4 个子帧，前两个子帧的 TU-12PTR 依次为 V1 和 V2，V1 字节的第 7、8 比特和 V2 字节的 8 个比特组成 10 比特指针，指示 VC-12 在复帧内的位置。

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**简述 SDH 网的基本网元及其功能。**

*  基本网元有：终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生器（REG）、数字交叉连接设备（DXC）。
 *  终端复用器：把 PDH/SDH 支路信号复用成 SDH 线路信号，或相反操作；
 *  分插复用器：网络的中间局站，完成直接上、下电路功能；
 *  再生器：设在网络的中间局站，延长传输距离，但不能上、下电路；
 *  数字交叉连接设备：兼有同步复用、分插、交叉连接、网络的自动恢复与保护等多项功能的SDH 设备。

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**说明同步网的等级结构。**

在网络中最高一级的时钟称为——基准主时钟或基准时钟

经过同步分配网分配给 基准主时钟、转接局时钟、端局从时钟和 SDH 网元时钟。

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**阐述波分复用的基本概念，并说明其特点。**

*  基本概念：来自不同信道的高速数字信号调制到不同的光载波上，多个光载波通过波分复用器耦合在一起。
 *  特点:
    
     *  充分利用光纤的巨大带宽资源;
     *  可同时传输多种不同类型的信号;
     *  可实现单根光纤双向传输以节省资源;
     *  多种应用形式;
     *  节约线路投资;
     *  降低对器件的超高速要求;
     *  方便地增加 IP 传送通道;
     *  高度的组网灵活性、经济性和可靠性。

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**举例说明光波分复用器有哪些，并简述其基本特点。**

*  光波分复用器类型：
    
     *  熔锥光纤型
        
        难以大批量生产，具有可逆性;
     *  介质膜干涉型
        
        原理简单，有成熟的镀膜工艺，有两个可调整的因素便于调试，但各波长成分的插损差异较大;
     *  光栅型
        
        具有理想的滤波特性，温度稳定性优良，便于设计制造，成本效率高;
     *  波导型
        
        AWG 型光波分复用器：波长间隔小，信道数多，通带平坦。

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## 5.光交换技术 ##

**请简单讨论三种不同的光交换模式之间的区别。**

*  光路交换（光波长路由交换）OCS：
    
    将原本在 SDH/SONET 层完成的某些功能（如业务适配等）移到光网络层上来完成。无光电转换；不需要实时解析每帧的帧头，根据波长选择路由。
    
    交换粒度粗糙，带宽利用率低，应用性较少，接续时延高，网络灵活性、适应性低，实现难度和复杂性低。
 *  光分组交换 OPS：
    
    模仿电域交换的处理过程，将电处理通过光处理来实现。从源节点到目的节点，净荷信号始终在光域存在。
    
    交换粒度好，带宽利用率高，应用性高，接续时延低，网络灵活性、适应性高，实现难度和复杂性高，技术还不成熟。
 *  光突发交换 OBS：
    
    粒度上，突发包，介于光波长粒度和光分组粒度之间；技术上，光的传输（净荷），电的处理（控制分组）；实现上，偏置时间和调度。
    
    交换粒度介于光路和分组之间的折中技术，交换粒度中等，带宽利用率较高，应用性中等，接续时延低，网络灵活性、适应性高，实现难度和复杂性中等。
    
    发展趋势：OCS ——>OBS——> OPS

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**在使用 JET 协议的 OBS 网络中突发数据和其头部的偏置时间应该是多少？对于不同优先级的突发数据如何调整该偏置？**

*  控制分组中含有突发长度信息和偏置时间信息，信源发出控制分组后，等待一个偏置时间 T再发送突发数据，T 的大小刚好足以补偿控制分组在各个中间节点所经历的处理时间，即 T>=n\* δ，其中 n 是中间节点数目，δ 是每个节点平均的控制分组处理时间。
 *  对于不同优先级的突发数据，采取区别预约（DIR：Differentiated Reservation.），出于对优先级别的支持。高优先级可预约时间长；低优先级可预约时间短。

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**OPS 和 OBS 的差异是什么？考虑到当前光硬件技术的限制，哪种方案（OPS 或 OBS）看起来更有希望现实化？**

*  差异：OBS 交换粒度稍大，技术实现较 OPS 简单。
 *  OPS 作为光交换的理想形式，由于目前缺乏的相关的支撑技术，暂时不能实用化。考虑到当前光硬件技术的限制，OBS 看起来更有希望现实化。

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**请比较 OPS 网络中各种竞争解决机制的特性。你有什么样的方法可以有效地解决 OPS 网络中的竞争问题吗？**

*  竞争解决的三种方式：
    
     *  时域，FDL：光缓存器，提供了良好的网络吞吐量，但需要太多的硬件和控制开销。主要有
        
        前馈、反馈、共享 3 种形式：
        
         *  单级前向缓存器结构（前馈）可提供广播功能和对不同的分组实行不同的优先级控制，缺点是用了大量的元件和控制操作，成本较高；
         *  共享存储光分组交换结构，属于单级反馈式，需要光放大器，不可避免地降低了循环分组的信噪比；
         *  另一种单级反馈型光学缓存器是采用光纤环路的存储交换结构，支持数据分组的优先级机制。
        
        丢包率、网络时延、硬件成本、控制电路的复杂性以及分组重新排序等技术都是需要在设计光缓存器时需要考虑的问题。
     *  频域，波长转换：偏向路由和缓存器如果配合波长变换使用，它们各自的缺点可以被部分克服，因此也给了网络设计者更多的选择和更大的灵活性。在解决竞争问题上，延迟线比波长变换更有效，但波长变换可以提供噪声抑制和信号重整形功能。
     *  空域，偏射路由：偏向路由（热土豆路由选择），用作缓冲的另一种替代方法。实现比较简单，但无法提供完美的网络性能。
        
         *  网络中的分组所经历的平均延时，比存储/转发网络中的延时要大；
         *  较之于使用缓存器的路由选择，网络的分组通过量下降了，但选择一个好的拓扑结构和使用合适的偏向规则可以改善其性能；
         *  较之于不适用任何缓存器，使用数目非常有限的缓存器的偏向路由选择策略使分组通过量更大；
         *  采用偏向路由选择时，一个分组可能被永远偏向，无法到达目的地，这种现象被称为活锁。合理设计偏向规则，活锁可被消除，其中一方法是简单地丢弃在跳跃步数上超过一定门限的分组。
        
        有效地解决 OPS 网络中的竞争问题：可以采用将缓存器和波长变换，以及存储/转发式和偏向路由相结合的方法。

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**阐明时隙网络和非时隙网络的区别。在时隙网络中实现光分组的同步是很重要的，请为 OPS 网络设计一个同步机制。**

*  区别：
    
     *  时隙是指每路信号所占有的传输时间。时隙网络就是每路信号占据一个固定的时隙，时隙交换网络就是将信息从某个时隙搬移至另一个时隙的网络。非时隙网络中的信号不占有固定的传输时间。
     *  同步分组交换网络中，分组必须以相同的相位到达节点的入口。
     *  时隙是指每路信号所占有的传输时间。时隙网络就是每路信号占据一个固定的时隙，时隙交换网络就是将信息从某个时隙搬移至另一个时隙的网络。非时隙网络中的信号不占有固定的传输时间。
     *  同步分组交换网络中，分组必须以相同的相位到达节点的入口。  
        ![cad531097afb47f489d4e6c3061d822d.png][]
 *  分组同步需要确定分组入口分组和本地参考时钟之间的时延。考虑到负载、分组头和保护时间的相互位置与设置，有两种分组格式的设置：
    
     *  由分组头来定义时隙的开始位置。
     *  在时隙的开始处和分组头之间放了一个保护时间段，如同在分组头和负载之间一样。  
        ![5d17a7dc170d456790b3628b04a0155e.png][]
 *  分组同步需要确定分组入口分组和本地参考时钟之间的时延。考虑到负载、分组头和保护时间的相互位置与设置，有两种分组格式的设置：
 *  由分组头来定义时隙的开始位置。
 *  在时隙的开始处和分组头之间放了一个保护时间段，如同在分组头和负载之间一样。  
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**请简要讨论光分插复用器和光交叉连接器之间的区别。**

从节点功能是否强大、结构是否灵活方面来看，光交换机/光路由器、OXC、OADM 是顺序包容的，即 OADM 是 OXC 的特例，OXC 是光交换机/光路由器的特例，静态光节点是动态光节点的特例。OADM 比 OXC 多了同步复用。

*  光交叉连接器（Optical Cross-Connect, OXC）：兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管多项功能，DXC 的核心是交叉连接。主要完成光节点处任意光纤端口之间的光通路/光信号的交换及选路。
    
    分类：
    
     *  静态固定配置；
     *  动态可重构。
 *  光分插复用器（Optical Add-Drop Multiplexers，OADM）：应用广泛，因为它将同步复用和交叉连接功能综合于一体，具有灵活地分插任意支路信号的能力。通过使用 OADM 可以使不必要的光电转换设备大大减少。
    
    分类：
    
     *  固定；
     *  可重配置。

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**请简单比较各种波长变换实现技术的异同。**

目前在光网络中使用的波长变换器有两种：

*  光-电-光（O/E/O）波长变换：执行波长变换，当信号劣化时还可承担信号的再生功能。技术比较成熟，但对信号格式和调制速率不透明，系统升级受限，应用范围受限。只作为全光型的必要补充。  
    ![f1a42044e12f418b998fc6e248e6842c.png][]
 *  全光波长变换（AOWC）：最大优点是对数据透明，克服了电子瓶颈。实现方法有基于半导体光放大器（SOA）和基于光纤。  
    ![d7c32340f4794965990b71a77abd5d7e.png][]

以半导体光放大器为基础的全光波长变换器：

*  交叉增益调制（XGM-SOA）：变换后的信号反转；消光比不高。
 *  交叉相位调制（XPM-SOA）：变换后的信号可相同或反转；光功率要求严格。
 *  四波混频效应（FWM-SOA）：信号同向；转换效率低。

以光纤为基础的全光波长变换器——交叉相位调制（XPM）

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## 6.光网络技术 ##

**比较各种路由方案的特性。**

*  方法 1：固定路由，基本思想是无论什么时候，一个节点对之间的光路需求都用一条事先计算好的路径来承载 。
    
     *  方法：如采用最短路径算法（Dijkstra 算法）
     *  优点：方法简单易用，复杂度低 。
     *  缺点：负载不均衡，无保护功能。
 *  方法 2：固定备份路由，其基本思想是为每个节点对事先多准备几条路径，而不是只准备一条路径。
    
     *  方法：Ⅰ 路由表中有到每一个目的节点的一定数量的固定路由；Ⅱ 主路径部分重叠，也可以链路分离（link-disjoint）。
     *  优点：提供了简单地拆除和建立光路的方法，也可以用来在链路失效的情况下提供一定程度的容错，降低了阻塞率，具有一定的保护功能 。
     *  缺点：动态适应网络变化能力不足 。
 *  方法 3：自适应路由，其基本思想是根据当前网络状况，实时计算和选路。
    
     *  方法：Ⅰ 最不拥塞路径（Least-Congested-Path，LCP）；Ⅱ 跳数最小（最短路径）；Ⅲ 前 K 跳拥塞情况。
     *  优点：阻塞率更低，动态适应网络变化，性能比固定备份路由更好。
     *  缺点：必须依靠控制和管理协议来持续更新各个链路上的状态，计算复杂。

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**比较各种波长分配方案的特性。**

*  静态分配方法——图着色问题
    
    如果不同的波长采用不同的颜色来表达，在满足波长连续性约束的条件下，使占用波长最少的问题可以转化为图着色问题。两种比较简单的算法：
    
     *  最大最先（LF）算法；
     *  最小最后（SL）算法
        
        皆采用顺序着色策略，区别在于节点排序原则不同，但都能达到用最少数目的颜色给所有节点着色的目的，节约资源。
 *  动态分配方法——启发式方法
    
    一般不是试图最小化波长的数量，而是假设波长数量固定的情况下，试图最小化连接的阻塞概率。8 种不同的启发式波长分配算法
    
     *  随机分配：需要全局信息，为每一条路径都搜索整个波长空间，然后随机分配，算法开销大。
     *  最先分配（FF）：不需要全局信息，计算开销小，在阻塞概率和公平性上性能很好。实际使用中，不会引入额外通信开销。
     *  最少使用（LU）：性能比随机分配算法差，对需要跨越多个链路的所谓长链路，LU 算法不公平。短光路的阻塞率明显低于长光路。还需要额外的通信开销。
     *  最多使用（MU）：性能明显优于 LU，比 FF 算法也有一定优势。其通信开销、存储、计算开销都与 LU 类似。
     *  最小乘积（MP）：主要用于多光纤网络。
     *  最小负载（LL）：也用于多光纤网络。在单光纤网络中，退化为 FF 算法。
     *  M∑算法：既可以用于多光纤网络，又可以用于单光纤网。将所有已知路径的光路的影响都纳入考虑，试图使得建立后剩余的光路容量最大。可以看成是选择波长 j 使得所有光路的容量损失最小。
     *  相对容量损失（RCL）算法：在 M∑算法的基础上提出的，选择波长 j，使得“相对容量损失”最小。RCL 在大部分情况下比 M∑性能要好。

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**试简单讨论链路保护和路径保护的优缺点。**

环状保护和网状保护机制都可以被进一步分成两类：路径保护和链路保护。

*  路径保护：一旦工作路径发生了链路故障，就启用一条预先计算好的保护路径（或称为备用路径）进行数据传输。对同一个连接，工作路径和保护路径必须链路分离，以保证任何单一的链路故障都不会同时中断这两条路径。链路完全分离。
    
     *  优点：
        
         *  链路完全分离；
         *  备用资源利用率更高；
         *  恢复业务所经过的路径往往具有更低的端到端时延;
         *  缺点：切换时间长。
 *  链路保护：业务绕过中断的那条链路。链路部分分离。
    
     *  优点：更短的保护切换时延，即切换时间短。
     *  缺点：备用资源利用率低；恢复业务所经过的路径的端到端时延相对较高。

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## 7.光纤通信 ##

**请解释什么是接入网，并描述光纤接入网的类型和特点。**

接入网是由业务节点接口（SNI）和相关用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体组成，为电信业务提供所需传送承载能力的实施系统（AN）。

*  光纤到路边（FTTC）和光纤到楼（FTTB）
    
    用户接入线是每个用户专用的，可使用现有的同轴电缆或双绞线，具有较好的经济性；光纤干线采用 V5 接口，利用双绞线以及 ADSL 技术向用户提供用户；但干线光纤的宽带与接入部分双绞线或电缆的带宽存在巨大的反差。
 *  HFC 和 SDV
    
    HFC 兼顾了带宽业务的带宽和建立网络的开支，可由原有 CATV 网的基础上改造而成；SDV 综合了 FTTC 和 HFC 的优点，通过交互式数字信道为用户提供电话、多媒体信息和数据信息服务，同时通过 HFC 网络与模拟 CATV 网络结合，提供模拟视频业务。
 *  PON
    
    业务透明性较好，适用于任何制式和速率的信号、抗电磁干扰和易于维护等优点，被大量应用。而且减少网络维护管理费用和故障率；提供增值业务；减少光节点、提高覆盖率；充分利用光纤带来的宽带和低损耗；透明、低成本接入用户。
 *  FTTH
    
    用户拥有极大的传输带宽，可满足任何宽带综合业务的接入；但经济性能欠佳。
 *  综合接入网
    
    实现任何人在何时何地都能与任意一个人在任意地方以任意信息量进行通信。

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**画出光纤接入网的拓朴结构，并讨论它们的优缺点。**

*  总线型  
    结构简单，增减用户节点方便，性价比高；但安全性能较差，总线故障将影响全部用户。
 *  星型  
    单星型结构：各用户节点相对独立，保密性好，业务适应性强，易于升级扩容。  
    多星型结构：有源和无源的灵活配合，可提高性能，降低成本，使组网更灵活。
 *  树型  
    无源光网络对业务透明，可支持各种带宽业务，平均接入成本低。
 *  环型  
    安全性好，可构成双总线（内外环）；但成本高，实施困难。

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**描述 HFC 传输系统的组成和工作原理。**

*  HFC 传输系统主要由下行收发光端机、上行收发光端机、调制解调器和网管系统等部分组成。
 *  工作原理：前端信号经下行收发光端机送向用户端，用户端反向信号经上行收发光端机送向中心前端;同一台光端机下的用户被分为 4 个电缆小区，各个电缆小区的回传信号经过电频分复用后经上行光纤传输系统传输到中心前端;传输系统的工作状态由网管系统进行监控和管理，前端设备和网管主机的数据传输用双绞线，用户端设备和网管主机之间通信经过上下光纤传输系统来实现双向传输。

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**阐述 PON 的结构和工作原理。**

*  PON 主要由光纤线路终端（OLT）、光纤分配网络（ODN）和光网络单元（ONU）组成。
 *  工作原理：PON 技术是一种点对多点的光纤传输和接入技术，OLT 将全部下行信号广播下去，通过 ODN 分配到各 ONU;每个 ONU 接收到所有信号，但只取出属于自己的信号。

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**EPON 的工作原理和特点是什么？描述 EPON 的上下行帧结构。APON 和EPON 有哪些异同？**

*  EPON  
    工作原理:使用无源光网络（PON）的拓扑结构实现以太网的接入。  
    特点：低成本、高带宽和与 Ethernet 兼容。
 *  EPON 上行采用 TDMA 传输方式，下行采用 TDM 传输方式。
 *  EPON 与 APON 异同点：  
    帧结构不同，EPON 上下行传输速率高，提供较大的带宽和较低的用户设备成本；  
    其他技术与 G.983 建议中的许多内容类似，上行采用 TDMA 传输方式，下行采用 TDM 传输方式，皆可应用于 FTTB 和 FTTC，最终目标是在一个平台上提供全业务服务。

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**PON 物理层光传输的关键技术有哪些？论述光突发接收和光突发同步技术的工作原理。**

*  关键技术:  
    突发接收和同步技术；  
    测距和 TDMA 技术；  
    带宽分配技术；  
    实时业务传输质量；  
    安全性和可靠性。
 *  工作原理：  
    突发光接收：将光电探测器输出的电流送至差分放大器的正相输入，再将峰值探测电路输出幅度的一半作为判决门限输入差分放大器的反相端，从而对不同幅度的分组信号的判决门限实现自适应控制，差放每个输出端就会在判决电压上下摆动，判决出“0”和“1”。突发同步采用门控振荡法和相关同步法。门控振荡法包括 3 个振荡器，A、B 用于同步输入信号，C 用于控制 A、B，每一个振荡器随信号变化而开启或关断从而和输入信号达到同步；相关同步法是由多相时钟发生器产生多相时钟，根据每路时钟相位与主时钟相位的关系，分别加入一定的延时，使用样后的每路数据都与主时钟同步，抽样后的数据进入相关器，相关器把抽样的数据与关键字比较的结果传给选择器，选择器根据每路数据的相关结果选出与关键字最为相关的一路。

## 8.复习要点 ##

*  光调制有两种：内调制和外调制。
 *  光纤连接器可分为：活动连接器和固定连接器。
 *  原子的三种基本跃迁过程是：自发辐射、受激发射和受激吸收。广泛应用的两种光检测器是PIN和APD。
 *  光纤型光放大器可分为：  
    光纤喇曼放大器、掺铒光纤放大器、光纤布里渊放大器和光纤参量放大器。
 *  即使没有光纤传输也存在的造成接收机灵敏度恶化的因素有：  
    消光比、强度噪声和取样时间抖动。
 *  利用光纤的非线性效应的光纤型光放大器有：  
    受激喇曼散射光纤放大器和受激布里渊散射光纤放大器。
 *  EDFA的工作波长正好落在1.53～1.56μm的范围。  
    对于传输距离较短（<10km）的数据链路和局域网，光纤的低损耗并不能发挥重要作用。
 *  LAN通常采用三类拓扑结构：  
    总线结构、环形结构和星形结构。  
    段开销可以分为再生段开销和复用段开销。  
    LD是通过受激辐射发光的，输出的光是相干光。
 *  光纤通信的最低损耗波长是1.55μm，零色散波长是1.31μm
 *  数值孔径越大，光纤接收光线的能力就越强，光纤与光源之间的耦合效率就越高
 *  影响光源与光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径
 *  LED的主要特性参数为面发光LED和边发光LED。
 *  光纤的色散和损耗是限制光纤通信线路中继距离的主要因素。
 *  小型光源、低损耗光纤的这两个难题的解决，开创了光纤通信的时代。
 *  从折射率分布分类，光纤分为阶跃光纤和渐变光纤。
 *  若中继距离短，则一般使用PIN检测器，高速长中继要使用APD检测器
 *  半导体激光二极管的输出功率大，光发散角窄。
 *  光放大器有半导体激光放大器、非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器。
 *  掺铒光纤放大器的关键技术是掺铒光纤和泵浦源。
 *  当光纤连接长度达数千千米，光纤的低损耗和宽带宽对于降低建设和运行成本具有决定性作用。
 *  电缆传输的是电信号，电流是信号的载体；光缆传输的是光信号，光波是信号的载体。
 *  在准同步数字体系PDH中，我国采用的是以2048kb/s为基群的E系列。在WDM网络中，需要使用能够对光波进行分解和合成的多路器。

**光纤通信系统的基本结构是什么？**

*  光发射机：将电信号转化为光信号，并将光信号耦合到传输光纤中；
 *  光纤：将光信号无失真地由光发射机传输到光接收机；
 *  光接收机：将光信号转化为电信号。

**为什么说光纤通信比电缆通信的容量大？**

*  光纤通信的载波是光波，电缆通信的载波是电波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。光纤通信用近红外光（波长约1µm)的频率(约为300THZ）比电波（波长约为0.1µm～1mm）的频率（3～300GHZ）高三个数量级以上，载波频率越高，频带带宽越宽。因此信息传输容量越大。

**简述五代光纤通信所工作的波段和最大通信容量。**

*  第一代：工作于0.85µm，最大通信容量约500Mb/(s.km)；
 *  第二代：工作于1.31µm，最大通信容量约85Gb/(s.km)；
 *  第三代：工作于1.55µm，最大通信容量约1000Gb/(s.km)；
 *  第四代：采用光放大器增加中继距离，采用频分复用和波分复用技术增加比特率。最大通信容量为2000Gb/(s.km)；
 *  第五代：采用光孤子脉冲作为通信载体，以光时分复用（OTDM）和波分复用技术（WDM）联合复用为通信手段，以超大容量和超高速率为特征。

**光纤通信系统采用怎样的光源？这些光源具有什么优点？**

*  采用半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）作为光源。这类光源具有尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤适配，并且在高速条件下直接调制等优点。

**光调制器有什么作用？光调制器的应用场合有哪些？**

*  作用：提高光纤通信的质量，避免直接调制激光器时产生线性调频的限制，要采用外调制方式把激光的产生和调制分开。
 *  应用：在高速率通信系统、波分复用系统和相干光系统中都要用到。

**什么是光子的自发辐射、受激吸收、受激发射？**

*  自发辐射：处于激发态的原子自发地从高能级跃迁到低能级，同时辐射出一个光子的过程。
 *  受激吸收：处于低能级的原子，收到外来光子的激励下，吸收该光子，跃迁到较高能级的过程。
 *  受激发射：处于激发态的原子在外来辐射场的作用下，由高能级向低能级跃迁的过程。

**什么叫光接收机灵敏度恶化？造成光接收机灵敏度恶化的因素是什么？**

*  定义：在非理想条件下与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏值相比，接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。
 *  恶化因素：消光比、强度噪声、取样时间抖动。

**光接收机前端的作用是什么？有哪三种不同的前端设计方案？各有何特点？**

*  作用：将光纤线路的末端耦合到光电二极管的光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便做进一步处理。
 *  方案：  
    低阻抗前端：电路简单，不需要或者很少的均衡，前置级的动态范围也比较大。但缺点是灵敏度低，噪声大；  
    高阻抗前端：一般只适用于低速系统，带宽较窄；  
    跨阻抗前端：具有频带宽，噪声低，灵敏度高，动态范围广等综合优点被广泛采用。

**光放大器有什么作用？它在哪些方面得到应用？**

*  作用：在通信领域占中心地位，光通信中的很多最新进展都与光放大器有关。在长距离传输中补偿光信号在光纤中传输的损耗，即对信号进行放大和再生。
 *  应用：WDM系统、光纤通信网、光孤子通信。

**SDH帧中的传送顺序是什么？**

*  SDH的帧结构由横向270N列（N=1、4、16、64、256）和纵向9行字节的矩形块状结构组成。字节的传输从左向右，按行进行。首先由矩形的左上角第一个字节开始，从左向右，由上而下按顺序传送，直至9*270*N个字节都传送完毕，再转入下一帧。

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