基于一種新型有機(jī)物光纖的全光交換系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引言

近年來，隨著internet及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對通信容量、傳輸速率提出了越來越高的要求，現(xiàn)在以電為基本傳輸媒質(zhì)的物理層，在信息高速接入時受到電子器件的限制，產(chǎn)生了所謂的“瓶頸效應(yīng)”，同時隨著網(wǎng)絡(luò)不斷延伸，在特殊場所對網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾、抗輻射、安全保密性能也提出了更高要求，這些使得主要采用雙絞線接入的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)在多方面已不能適應(yīng)用戶需求，為解決這一問題，人們提出了采用光纖連接的“全光網(wǎng)絡(luò)”，對石英光纖來說，傳輸帶寬和電磁兼容性完全能滿足使用需要，且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，但在短距離的局域網(wǎng)（lan）接入中，石英光纖存在器件成本高、熔接困難、柔韌性差、布線不方便等缺點(diǎn)。所以在100米范圍內(nèi)傳輸帶寬可達(dá)數(shù)ghz、價格便宜、耐震動、抗輻射、直徑較大易連接、柔韌性好的有機(jī)物光纖就成為短距離信息高速接入的理想媒介?；谟袡C(jī)物光纖的全光交換系統(tǒng)的實現(xiàn)，將很好地解決布線復(fù)雜、電磁環(huán)境惡劣等特殊環(huán)境下短距離寬帶光接入問題，在艦船內(nèi)部通信、工業(yè)控制網(wǎng)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

有機(jī)物光纖的特點(diǎn)

有機(jī)物光纖是采用高分子有機(jī)物聚合而成的一種新型光纖光纜材料，它具有傳輸帶寬高（1~3gb/s），能與石英光纖帶寬（2.5~1000gb/s）相匹配，滿足接入網(wǎng)高速低耗的技術(shù)要求，而且保密性好，抗干擾能力強(qiáng)，防雷擊，重量輕，韌性好，施工簡便，模量低，芯徑大（0.3~1.0mm），接續(xù)容易（可使用簡單的有機(jī)物光纖連接器，即使是光纖接續(xù)中心對準(zhǔn)產(chǎn)生30 m的偏差也不會影響耦合損耗），光源便宜（650nm激光光源約1~2元/個），綜合成本低等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于信息通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，國防和國家安全網(wǎng)絡(luò)，軍事通信網(wǎng)絡(luò)，辦公、小區(qū)局域網(wǎng)，機(jī)、車載通信網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，是短距離寬帶，多接點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)理想傳輸介質(zhì)。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)按功能結(jié)構(gòu)可分為4大部分，如圖1所示。

交換控制部分完成網(wǎng)絡(luò)交換、管理控制功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的快速交換，這部分也是設(shè)計的重點(diǎn)難點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)接口部分主要是同時提供一個（或兩個）石英光纖上行接口和多個（8、16、或24等）650nm有機(jī)物光纖下行接口，通過上行接口與外部網(wǎng)絡(luò)相連，用戶通過下行光接口接入系統(tǒng)。

中繼轉(zhuǎn)換部分主要是光纖中繼放大器、波長轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器。光纖中繼放大器用來完成光纖信號中繼接收放大轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的信息傳輸；波長轉(zhuǎn)換器完成石英光纖和有機(jī)物光纖上傳輸?shù)牟煌ㄩL之間的轉(zhuǎn)換；光電轉(zhuǎn)換器完成的電信號與可在650nm光纖上傳輸?shù)墓庑盘栔g的轉(zhuǎn)換。 用戶終端部分主要是終端光網(wǎng)卡終端接入設(shè)備，為計算機(jī)等終端設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入接口。

網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案

在該方案中，網(wǎng)絡(luò)的主干部分——工作組交換機(jī)之間采用石英光纖連接，以保證傳輸距離和帶寬，工作組與用戶之間，采用有機(jī)物光纖連接，實現(xiàn)整個局域網(wǎng)內(nèi)全部采用光來傳遞信息。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由中心路由交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、有機(jī)物光纖交換機(jī)、波長轉(zhuǎn)換器、650nm光纖中繼器、650nm光電轉(zhuǎn)換器、適用于計算機(jī)等終端設(shè)備的650nm光網(wǎng)卡組成。并在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上采用千兆有機(jī)物光纖網(wǎng)卡，與中心交換機(jī)的千兆口相連，使服務(wù)器的訪問速度達(dá)到千兆。

有機(jī)物光纖交換機(jī)

此交換機(jī)為工作組級的交換設(shè)備?？梢蕴峁┒鄠€以太網(wǎng)絡(luò)光纖端口。可在工作組之間或工作組內(nèi)部提供高帶寬、高性能的光纖連接，讓用戶能快速存取整個網(wǎng)絡(luò)資源。解決計算機(jī)與工作組交換機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)帶寬的瓶頸。交換機(jī)同時提供一個（或兩個）1550nm、1310nm或850nm石英光纖（這里用的是1310nm）上行接口和多個（8、16、或24等）650nm有機(jī)物光纖下行接口（用作計算機(jī)等終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)），很多廠商均能提供這種技術(shù)成熟的光纖收發(fā)器，交換機(jī)的設(shè)計完全符合常規(guī)以太網(wǎng)交換機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。

波長轉(zhuǎn)換器

它是一個波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供一個650nm光纖端口及一個自適應(yīng)石英光纖連接端口。用于石英光纖上傳輸?shù)墓庠矗?550nm、1310nm或850nm）和650nm光源之間的轉(zhuǎn)換。

中繼器

650nm中繼器完成信號接收再放大傳輸?shù)墓δ?，增加信息傳輸?shù)木嚯x，由于技術(shù)和工藝上的原因，現(xiàn)在生產(chǎn)的650nm有機(jī)物光纖的衰耗比較大，還不能滿足較遠(yuǎn)距離的信息傳輸（一般100m以內(nèi)不需要中繼設(shè)備）。

光網(wǎng)卡

具有以太網(wǎng)有機(jī)物光纖接口的計算機(jī)pci網(wǎng)卡，采用標(biāo)準(zhǔn)sc接口，符合ieee802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用，全雙工1000mbps傳輸速率。

光電轉(zhuǎn)換器

650nm光電轉(zhuǎn)換器是以太網(wǎng)光纖接口至rj45接口的轉(zhuǎn)換器。它提供一個650nm光纖端口以及一個rj45連接口的雙絞線端口。它將以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的電信號轉(zhuǎn)換為可在650nm光纖上傳輸?shù)墓庑盘?；反之亦然?50nm光電轉(zhuǎn)換器也可作為一個獨(dú)立設(shè)備為無光纖接口的以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供接口轉(zhuǎn)換。

性能分析

傳輸速率及帶寬

該方案采用光纖交換機(jī)和光網(wǎng)卡，避免了多次電/光、光/電轉(zhuǎn)換，保證了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)母咚俾屎透邘?，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用千兆以太網(wǎng)設(shè)備，傳輸速率最高可達(dá)1000mbps，特別是采用了低損耗、高帶寬的有機(jī)物光纖連接各終端設(shè)備，大大提高了終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)訪問速率，“最后一公里”問題在這里也可以得到解決。

經(jīng)濟(jì)性

有機(jī)物光纖由高分子有機(jī)物聚合而成，生產(chǎn)成本較低，現(xiàn)在國內(nèi)對這種光纖材料的研究已經(jīng)有了重大突破，價格已基本與石英光纖持平，隨著材料技術(shù)的提高和規(guī)模生產(chǎn)，相信在不久的將來它的價格可能會比雙絞線還便宜。雖然現(xiàn)在有機(jī)物光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的價格較高，但隨著它的大量應(yīng)用和規(guī)模生產(chǎn)，還有很大的降價空間。

安全性、保密性

該方案全部采用光傳輸媒質(zhì)，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，即使在最惡劣的電磁環(huán)境下也能正常工作，不會像五類雙絞線一樣，一旦遭到強(qiáng)電磁干擾，就無法工作。同時，電傳輸時會產(chǎn)生電磁輻射，可能會導(dǎo)致泄密，而該方案線路上傳輸?shù)娜枪獠ǎ粫a(chǎn)生電磁輻射，網(wǎng)絡(luò)具有很好的安全性和保密性。這在軍事通信上具有極高的價值。

網(wǎng)絡(luò)的開放性和升級能力

網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)協(xié)議，其協(xié)議和設(shè)備均符合國際標(biāo)準(zhǔn)，確保了網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)性和開放性，同時也使得網(wǎng)絡(luò)具有良好的擴(kuò)充和升級能力，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化布線，可以方便地通過交換機(jī)級聯(lián)、堆疊等方式增加網(wǎng)絡(luò)工作站。

應(yīng)用前景

有機(jī)物光纖作為短距離高速接入網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，在未來家庭智能化、辦公自動化、工控網(wǎng)絡(luò)化、車載機(jī)載通信網(wǎng)、軍事通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中將具有廣泛的應(yīng)用前景。該方案利用有機(jī)物光纖很好地解決了短距離寬帶光接入問題，特別是電磁環(huán)境惡劣等特殊環(huán)境下的寬帶接入。該方案在安全性、保密性上的優(yōu)勢，使得其在軍事通信領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。