一种光纤通信网络结构的设计方法及其可扩展的网络结构

摘要

本发明提供一种光纤网络结构的设计方法及其可灵活扩展的结构，它是以第一级网络结构为中心，通过在它的每个边缘节点上连接一个具有内部互通功能的三端口基本网络单元，使网络结构向外扩展，实现网络边缘节点数的倍增和全部边缘节点之间的互联互通，形成第二级网络结构；以此类推，在已构成的第i级网络的每个边缘节点上再继续连接一个具有三端口的基本网络单元，实现网络结构的向外幅射扩展和网络边缘节点数的倍增，形成第i+1级网络结构；直到所形成的第M级网络结构具有满足设计要求的网络边缘节点数目为止。它具有可靠性、灵活性高和可延展性的特点；而且，具有低复杂性、低成本和容易实现的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信和通信网络技术领域，具体涉及一种新型光纤通信网络结构的设计方法及其可灵活扩展的网络结构。

背景技术

光纤通信具有大传输带宽、低传输损耗和抗电磁干扰等特点，因此它可用于有效支持高速互联网、高清晰度数字电视和有线电视业务、数字语音业务、远程教育、数字图书馆、远程医疗、电子商务、智能交通、数据网格与大规模多站点分布式科学计算、智能家庭网、工业自动化等的应用。此外，由于光纤还具有体积小、重量轻和无电磁辐射的优点，光纤通信技术在车载数据总线、舰船用局域网、航空与航天数据总线以及其它军用数据通信网方面有着重要的应用价值。网络的拓扑结构设计对于光纤通信网的实现来讲是一项非常重要的工作，因为它将影响到网络的成本和通信性能、使用时的灵活性和可靠性以及在网络维护与维修方面的复杂性。

一般来讲，星形结构和环形结构是目前光纤通信网络经常使用的两种拓扑结构。环形结构是指所有通信节点共用一条光纤链路，并且光纤链路首尾相接形成一个封闭回路的网络结构。在此情况下，每个节点通过使用光收发器和光纤分别与它的两个邻近节点相连接，因此每个通信节点所发送的数据信号在光纤环形网上将会沿着一个方向传输。对于星形拓扑结构来讲，所有通信节点都需要连接到一个中心节点上，并且各用户终端必须通过一个位于中心节点的星形耦合器进行信息交换。因此，这种网络结构不存在损耗累积的问题，且易于实现升级和扩容。在实际应用中，采用普通环形结构的光纤网络却存在着可靠性差的问题，因为一旦该网络上的某个通信节点出现故障或者某一段光纤被损毁，则网络通信就会出现中断。这将无法适用于对通信可靠性具有很高要求的应用环境，例如航空与航天数据总线、车载数据总线、军用舰载局域网、银行部门和公安系统内部的局域网或本地接入网等。为了改进普通环形网络的可靠性，在实际应用中光纤通信网一般都采用双环网结构或者“自愈合环”技术。这就需要使用光开关器件和更多数量的光纤及其连接器，从而增加了光纤网络的成本和复杂性，因此该设计无法满足在家庭网络、低成本的局域网和本地接入网上的应用要求。此外，鉴于结构复杂性和体积及重量增加的原因，“自愈合环”技术也不利于在航空与航天数据总线、车载数据总线、坦克用数据总线上的应用。另一方面，采用星形结构的光纤网络与环形网相比，具有成本较低、易于实现、通信节点的复杂性低和可靠性高的优点。此外，无源星型光耦合器还具有将其输入端口的光信号均匀地分布到星型耦合器的全部输出端口之功能，从而大大降低了对光接收机的输入光信号动态范围的要求，这将有助于简化光接收机的设计和降低成本。因此，采用星形结构的光纤网络普遍地被用于支持计算机局域网、航空与航天数据总线、坦克用数据总线或者本地接入网等的应用。但是，星形网需要将其所有的通信节点连接到一个中心节点(即星型耦合器)上，才能实现网络终端设备之间的通信。因此，该网络存在着可靠性较差和网络终端设备的位置分布受限等缺点。例如，一旦星形光纤网的中心化星型耦合器(即网络的中心节点)被损坏/击毁，则整个网络的通信就会出现瘫痪，这在坦克、军用舰艇、军用指挥车、飞机、卫星、导弹等方面应用时将会导致重大问题。此外，在民用通信领域，星形光纤网一般都要求其通信节点距离该网络的中心节点较近或者其通信节点都比较集中地分布在一个较小的范围，以便于用光纤连接组网。这就对各个终端设备的地理位置分布加以显著限制，因此星形光纤网络的应用范围也就受到了局限。例如，当某些终端用户距离网络的中心节点较远时或者大部分终端用户之间相隔较远且分布较广时，其相应的终端设备就分别需要使用各自较长的光纤与网络的中心节点一一相连或者从四面八方将各自的光纤分别连接到网络的一个中心化节点(它可位于一间屋或一个机柜里)。这将会显著地增加光纤布线的难度和复杂性，从而降低了网络连接的灵活性和可延展性。

鉴于现有的星形结构和环形结构光纤网络在实际应用中存在着如上所述的缺点或问题，因此很有必要设计出一种新型的光纤通信网络结构，以满足实际应用所要求的高可靠性、高灵活性和可延展性。同时，它还应具有低复杂性、低成本和容易实现的优点。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种根据实际应用需要和用户要求，可灵活地使用光纤将处于不同位置的各个用户终端设备或通信设备相互连接起来组成一个通信网络、可以完全或者部分实现星形拓扑结构的功能并且具有高可靠性，同时还可以对网络结构进行灵活拓展的新型光纤网络结构。

本发明的目的是这样实现的：一种光纤网络结构的设计方法，其特征在于，以第一级网络结构为中心，通过在它的每个边缘节点上连接一个具有内部互通功能的三端口基本网络单元，使网络结构向外扩展，实现网络边缘节点数的倍增和全部边缘节点之间的互联互通，形成第二级网络结构；以此类推，在已构成的第i级网络的每个边缘节点上再继续连接一个具有三端口的基本网络单元，实现网络结构的向外幅射扩展和网络边缘节点数的倍增，形成第i+1级网络结构；其中，i＝1，2，3，4，....，M-1；直到所形成的第M级网络结构具有满足设计要求的网络边缘节点数目为止；

第M级网络结构的边缘节点数目K满足如下公式：

K＝2^M-1N        (1)

所述第一级网络结构由若干只无源光耦合部件和光纤连接而成；N为第一级网络结构的边缘节点数，N的取值为3或4；

具有内部互通功能的三端口基本网络单元和第一级网络结构使用光纤和无源光耦合部件来实现。

进一步的特点是，所述具有内部互连互通功能的三端口基本网络单元，它的输入和输出端口是可以互换的；即每个无源光耦合部件的两个输出或者输入端口都需要通过两段传输光纤分别与处于其左右两侧的另外两个无源光耦合部件相应的输出或者输入端口连接；再利用第三段光纤将另两个无源光耦合部件各自尚未使用的输出或者输入端口相连；当光信号被输入到该基本网络单元的任何一个输入端口时，它首先被一个无源光耦合部件分为两路光信号并分别沿着左右两段光纤传输到该基本网络单元的另外两个无源光耦合部件，从而实现了光信号经任何一个端口输入而从另外两个端口输出的传递功能。

所述无源光耦合部件为常规的无源光耦合器，或者是由一对无源光耦合器级联而成。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、采用模块化和标准化设计，快速实现第一级网络结构和具有内部互通功能的三端口基本网络单元。以第一级网络结构为基础，通过在它的所有边缘节点上分别各自连接一个三端口基本网络单元(见图3所示)，就能达到网络结构的向外扩展和边缘节点数的倍增之目的。基于这种模块化堆叠设计方法，每次只需通过在上一级网络结构的全部边缘节点上各自外接一个三端口基本网络单元，即可向外延伸扩展，构成下一级网络结构，从而快速实现具有所需边缘节点数目的光纤通信网络，并能确保所有边缘节点之间的互联互通功能。

2、能够根据实际应用的需要，灵活地选择各个“三端口基本网络单元”内部的传输光纤之长度，使得所设计出的光纤通信网的边缘节点能够容易地连接到处于不同位置/地点的用户终端设备或通信设备，从而确保任何一个用户的信号都可以经过该光纤通信网进行传输，然后被输入到网络上的其它所有用户终端设备或通信设备上。而且每个“三端口基本网络单元”内部的光纤和无源光耦合部件都能承载双向光信号的传递，这就意味着每个用户都能够通过它所在位置边缘节点处的一个三端口基本网络单元的其中一个无源光耦合部件，将其光信号发送到通信网上或者接收来自于该通信网上其它用户的光信号。由此可见，与采用常规的、基于中心化星型耦合器的光纤通信网相比，本发明设计出的光纤通信网具有光纤布线简单、方便和光纤利用率高的优点。

3、通过使用波长不敏感或波长敏感性低的无源光耦合部件实现各个“三端口基本网络单元”，就可以保证所设计出的光纤通信网络能够支持多波长光信号的传输。因此，本发明提出的设计方法也能够支持波分复用/密集波分复用(WDM/DWDM)光纤网络的应用。

4、按照本发明设计出的新型光纤通信网络，不仅可以确保任何用户终端设备或通信设备的光信号，经过该网络传送后输入到除了本发射用户之外的其余全部用户终端设备或通信设备中，而且还能根据光纤网络所采用的某些通信协议和网络管理的要求实现多路光信号在同一个网络上的并行传输或者同时支持多个用户终端设备或通信设备之间的数据通信。这将能支持先进的光纤组网通信技术的应用，例如，WDM/DWDM技术、光学时分复用(OTDM)技术、光学码分复用(OCDM)技术等。

5、对于一个具有M级网络结构的光纤通信网来讲，可以通过适当选择有关的“三端口基本网络单元”内部的无源光耦合器的耦合系数或者在某些特定的光学路径上引入适当的光学衰减，就能够确保从第M级网络结构的任何一个边缘节点输入的光功率信号，在经过该光纤通信网传输之后，被均匀地分布到第M级网络结构的其余全部边缘节点处，即这些边缘节点输出的光功率信号都是相等的。此时所设计出的光纤通信网在严格意义上讲就具有了一个标准的星形结构光纤网络的全部逻辑功能。

附图说明

图1是本发明提出的基于三端口的第一级网络结构和三端口基本网络单元的新型光纤网络结构的示意图；

图2是本发明提出的基于四端口的第一级网络结构和三端口基本网络单元的新型光纤网络结构的示意图；

图3是图1和图2中三端口基本网络单元结构示意图；

图4是本发明第一种实施方式的第一级光纤网络结构示意图；

图5是本发明第二种实施方式的第一级光纤网络结构示意图；

图6是本发明第三种实施方式的有关6个边缘节点的光纤通信网络结构示意图；

图7是本发明第四种实施方式的有关8个边缘节点的光纤通信网络结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，是本发明光纤网络结构的设计方法，是以第一级网络结构为中心，通过在它的每个边缘节点上连接一个具有内部互通功能的三端口基本网络单元(参见图3所示)，达到网络结构的向外扩展之目的，实现网络边缘节点数的倍增和全部边缘节点之间的互联互通，从而形成第二级网络结构。以此类推，如果在已构成的第i级网络的每个边缘节点上再继续连接一个具有三端口的基本网络单元，就能实现网络结构的向外幅射扩展和网络边缘节点数的倍增，形成第i+1级网络结构。其中，i＝1，2，3，4，....，M-1。重复这一步骤，直到所形成的第M级网络结构具有满足设计要求的网络边缘节点数目为止。如果第一级网络结构具有N个边缘节点(例如，N等于3或4)，那么第M级网络结构的边缘节点数目K就可以通过如下公式计算出来：

K＝2^M-1N        (1)

例如，当N分别等于3和4时，采用本发明提出的光纤网络结构设计方法可以确保第4级网络结构的边缘节点数目K分别为24和32。

具有内部互通功能的三端口基本网络单元和第一级网络结构可以使用光纤和无源光耦合器来实现。

图3为该三端口基本网络单元的设计示意图。它是由三个无源光耦合部件和三段光纤所组成的。根据实际需要，一个无源光耦合部件可以是一只常规的无源光耦合器，也可以是由一对无源光耦合器级联而成。因此，它的输入和输出端口是可以互换的。为了实现基本网络单元的内部互通功能，每个无源光耦合部件的两个输出(或者输入)端口都需要通过两段传输光纤分别与处于其左右两侧的另外两个无源光耦合部件相应的输出(或者输入)端口连接。然后再利用第三段光纤将另两个无源光耦合部件各自尚未使用的输出(或者输入)端口相连。当光信号被输入到该基本网络单元的任何一个输入端口时，它首先被一个无源光耦合部件分为两路光信号并分别沿着左右两段光纤传输到该基本网络单元的另外两个无源光耦合部件，从而实现了光信号经任何一个端口输入而从另外两个端口输出的传递功能，这样就构成了具有内部互连互通功能的三端口基本网络单元。类似的设计方法也可以用于实现第一级网络结构，具体的设计实例将在实施例中进行较详细的介绍。

在实际应用中，传输光纤与无源光耦合部件的尾纤之连接可以借助于光纤熔接机实现永久固定式连接，或者通过使用光纤连接器实现两根光纤之间的插拔式活动连接。此外，每段传输光纤既可以是一根光纤，也可以是由几根光纤连接而成的(它们可以带有或者不带有光纤连接器)。由于现有的单模光纤具有很低的传输损耗(例如，0.2dB/km)，因此即使单模光纤的长度改变一公里，它所导致的输出光信号功率的变换也是很小的(例如，约为5％左右)；而100米光纤长度的差异所引起的输出光信号强度的变化就更小了。这对于“三端口基本网络单元”的设计来讲，是非常有用的。因为它容许三段传输光纤的长度可以是不等的，故可以根据实际应用的需要灵活地选择三段传输光纤的长度，实现具有内部互通功能的三端口基本网络单元，用于构建灵活连接各个用户终端设备或通信设备的光纤通信网。另外，对于特殊应用场合来讲(例如，车载/舰载/机载光纤网络，卫星/导弹用光纤总线，工业自动化用光纤网，核电站用的光纤监控系统等)，按照本发明设计出的光纤通信网络还允许根据实际需要在某些或全部“三端口基本网络单元”上使用特种光纤和/或无源光耦合器，以达到耐高/低温、抗压、抗核辐射/抗太空辐照等目的。本发明提出的技术还包括在结构设计上采用各种措施实现抗冲击、抗磨损、耐弯曲/扭动、耐油污和抗化学污染等的三端口基本网络单元。

本发明设计出的新型光纤通信网络结构之基本工作原理为：全部用户终端设备或通信设备都通过第M级网络结构的边缘节点连接到一个具有M级网络结构的光纤通信网，如图1和图2所示。当某个用户终端设备或通信设备(简称A)需要将它的信息传送到这个网络上的所有其他用户终端设备或通信设备时，该信息发送用户首先需要通过它所在位置边缘节点处的一个三端口基本网络单元的其中一个无源光耦合部件将它所要发送的光信号分为两路，然后分别沿着左右两段光纤传输到同一基本网络单元的另外两个无源光耦合部件上。由于位于边缘节点处的每个三端口基本网络单元都可以分别连接两个用户终端设备或通信设备(即A和B)，因此设备B可以通过与之相连的另一个无源光耦合部件接收到来自于设备A的光信号。同时，此三端口基本网络单元所剩下的那一个无源光耦合部件则用于将设备A所发送的光信号输入到与该无源光耦合部件相连的、但位于第M-1级网络结构处的一个三端口基本网络单元(为便于叙述，简称为基本网络单元Ω)。当设备A发送的光信号到达了位于第M-1级网络结构处的这个三端口基本网络单元时，它仍被分为两路光信号，然后分别沿着左右两段光纤传输到基本网络单元Ω的另外两个无源光耦合部件上。由于这两个无源光耦合部件是分别向上与第M-2级网络结构相连和向下与第M级网络结构相连的，因此来自于设备A的光信号就能通过向下连接的这个无源光耦合部件传输到与之相连的、位于第M级网络结构处的另外一个三端口基本网络单元，再经过其内部分路传输，最后将来自于设备A的光信号输入到位于网络边缘节点处的另外两个用户终端设备或通信设备(简称C和D)。至此，设备A发送的光信号已经输入到B、C和D共三个设备中。同时，来自于设备A的光信号经过第M-1级网络结构处的基本网络单元Ω的内部分路传输后到达了向上连接的那个无源光耦合部件，再通过与之相连的、但位于第M-2级网络结构处的一个三端口基本网络单元(简称为基本网络单元Γ)，就能实现将设备A所输出的光信号馈送到第M-2级网络结构。基于相同的原理，位于第M-2级网络结构处的基本网络单元Γ将接收到的来自设备A的光信号经过内部分路传输后，向上输送到第M-3级网络结构，以便达到进一步向上逐级传输之目的；而向下则通过与基本网络单元Γ相连的、但位于第M-1级网络结构处的一个三端口基本网络单元实现广播式的信号传输，最后将来自于设备A的光信号输入到位于网络边缘节点处的另外四个用户终端设备或通信设备(简称E、F、G和H)。此时，设备A发送的光信号已经能够被B至H共七个设备接收到。以此类推，设备A发送的光信号在经过向上逐级传输的过程中，同时还向下进行广播式的信号传输，最终输入到越来越多的用户终端设备或通信设备中。当设备A发送的光信号到达了第1级网络结构时，它将通过与该级网络结构相连的其余的三端口基本网络单元实现向下的广播式传输，以便进一步覆盖此前在向上逐级传输过程中还未能涉及到的那些三端口基本网络单元，从而实现了将设备A发送的光信号分别传输到同一光纤通信网所连接上的、除设备A之外的全部设备中。由于任何一个用户的光信号都可以经过这些具有互通功能的三端口基本网络单元在所设计出的光纤通信网上进行传输，然后再分布到该通信网的其它所有用户终端设备或通信设备上，因此这就具有了一个星形网络的主要拓扑结构特征。

下面将分别针对具有三端口和四端口的第一级网络结构，以及与此有关的部分光纤通信网络结构的具体设计实例进一步阐述本发明。

如图4所示，按本发明方法设计的第一种实施方式的光纤通信网络结构，由一个具有三端口的第一级网络结构可以用三只常规的、耦合系数为50:50的2X2无源光方向耦合器分别与三段光纤连接而成。当光信号通过任何一个光方向耦合器(简称A)的输入端口进入到该第一级网络结构时，它首先被A一分为二，成为两路相等的输出光信号并被分别输入到左右两段光纤中进行传输，然后分别到达该网络结构的其余两个光方向耦合器(简称B和C)的输入端口。再经过B和C分别将其各自的输入光信号一分为二，那么从耦合器A输入的光信号在通过第一级网络结构传输之后，就能被均匀地分布到耦合器B和C的输出端口。由于B和C的输入端各自剩余的一个端口也是通过一段光纤相连接的，因此这就实现了光信号经任何一个边缘节点输入而从另外两个边缘节点输出的传递功能，从而构成了一个具有互连互通功能、带有3个边缘节点的第一级网络结构。

如图5所示，按本发明方法设计的第二种实施方式的一种光纤通信网络结构，由一个具有四端口的第一级网络结构可以由四只标准的2X3无源光方向耦合器(其三个输出/输入口的耦合系数为33.33:33.33:33.33，而两个输入/输出口的耦合系数则为50:50)分别与六段光纤连接而成。当光信号通过任何一个光方向耦合器(简称A)的输入端口进入到该第一级网络结构时，它首先被A一分为三，成为三路相等的输出光信号并被分别输入到左、中、右三段光纤中进行传输，然后分别到达该网络结构的其余三个光方向耦合器(简称为B、C和D)的输入端口。再经过B、C和D分别将其各自的输入光信号一分为二，那么从耦合器A输入的光信号在通过第一级网络结构传输之后，就能被均匀地分布到耦合器B、C和D的输出端口。由于B、C和D各自剩余的两个输入端口也是分别通过两段光纤相连接的，因此这就实现了光信号经任何一个边缘节点输入而从另外三个边缘节点输出的传递功能，从而构成了一个具有互连互通功能、带有4个边缘节点的第一级网络结构。

如图6所示，按本发明方法设计的第三种实施方式的光纤通信网络结构，由一个具有2级网络结构、带有6个边缘节点的光纤通信网络结构可以用一个具有三端口的第一级网络结构分别与三个“三端口基本网络单元”连接而成。需要注意的是在此处第一级网络结构的每个边缘节点与每个三端口基本网络单元的其中一个端口共用一只耦合系数为50:50的2X2无源光方向耦合器。另外，每个三端口基本网络单元的其余两个端口需要分别使用两只耦合系数为33.33:66.67的1X2无源光耦合器。根据上面所述的三端口基本网络单元和具有三端口的第一级网络结构的工作原理，所设计出的一个具有2级网络结构、带有6个边缘节点的光纤通信网络结构能够确保光信号经第二级网络结构的任何一个边缘节点输入而从该级网络结构的另外五个边缘节点均匀输出，即这些边缘节点输出的光功率信号都是相等的。按照此设计方法实现的光纤通信网络结构就具有了一个星形结构光纤网络的全部逻辑功能。

如图7所示，按本发明方法设计的第四种实施方式的光纤通信网络结构，由一个具有2级网络结构、带有8个边缘节点的光纤通信网络结构可以用一个具有四端口的第一级网络结构分别与四个“三端口基本网络单元”连接而成。此处，第一级网络结构的每个边缘节点与每个三端口基本网络单元的其中一个端口共用一只标准的2X3无源光方向耦合器。为了确保等功率光信号输出，位于第二级网络结构边缘节点处的每只1X2光耦合器的耦合系数应选择为29:71。根据上面所述的三端口基本网络单元和具有四端口的第一级网络结构的工作原理，所设计出的一个具有2级网络结构、带有8个边缘节点的光纤通信网络结构能够确保光信号经第二级网络结构的任何一个边缘节点输入而从该级网络结构的另外七个边缘节点均匀输出。因此，所设计出的光纤通信网络结构就具有了一个星形结构光纤网络的全部逻辑功能。

虽然以上的具体设计实例主要是针对采用目前商用化的、常规的2X2无源光方向耦合器、1X2无源光耦合器和标准的2X3无源光方向耦合器进行，但是本发明提出的设计方法也适用于采用集成光学技术或光学集成的2X2无源光方向耦合器、1X2无源光方向耦合器和2X3无源光方向耦合器实现所设计出的光纤通信网络结构。

在本发明中，所述边缘节点是指：(1)对于第M级网络结构来讲，其边缘节点是一个用于连接终端设备和/或通信设备的光纤网络端口/接口。(2)如果在第i级网络结构上(i＝1，2，3，...，M-1)，它的一个边缘节点则是一个用来连接该级网络结构与下一级网络结构的光纤网络端口/接口，即用于连接第i级网络结构和第i+1级网络结构之间的每个“三端口基本网络单元”、且位于第i级网络结构的一个光纤网络端口/接口。

本发明光纤网络结构，采用可任意外延扩展的多级光纤网络结构，通过光纤和无源光耦合器有效地连接各个终端设备和/或通信设备，实现网络通信。在实际应用中，这些终端设备和通信设备既可以被集中放置于一处，也可以分布在不同的位置/地方。