宽带无线光网络通信技术初步研究

电子科技大学

硕士学位论文

宽带无线光网络通信技术初步研究

姓名：蔡然

申请学位级别：硕士

专业：通信与信息系统

指导教师：胡渝

20040501

摘要

利用室内和室外无线红外光技术而构建的无线光网络通信系统不但能提供传统有线网络通信系统所能提供的服务，而且有着其独特的优点，特别是其支持宽带移动通信，从而有着其它通信方式（比如电子移动通信）不可替代的应用。

本文首次提出从物理层到链路层，直至网络层，综合研究无线光网络构建，分析其运行特征，从而明了获得高的网络整体通信效率和高服务质量（ＱｏＳ）的相关要素。并给出了相关技术初步研究结果及仿真效果图，例如快速自适应时相技术、无线光网络时段技术、智能分级地址技术、无线网资源分配关键算法等组网、联网和运行关键技术。这是利用现有物理收发系统等组网，使高码率无线红外光网络通信系统的功用得到充分发挥的基础。同时，这也为各层技术及其软硬件开发和无线红外光通信技术的进一步发展提出合理的要求和指导。

进而，利用无线光网络通信系统的廉价和灵活的通信颗粒度，解决最后一公里问题，即无线光最后一公里，前景光明。为充分利用现有网络带宽，必须结合组网和网络运行，设计和建设一套被管网络的智能管理系统，无线光网络通信因其拥有移动特性而成为实现的主干。网络智能管理系统也是下一代网络提供高ＱｏＳ智能服务的关键，使用户能操作简便地快速完成复杂任务。

本文对进一步研究所需注意及应解决的问题亦作出了分析和展望。

关键词：无线光网络通信技术，宽带移动通信，瞄准跟踪技术（ＡＴＰ），快速自适应时相技术，无线光通信组网技术，无线光最后一公里，网络互联技术，网络智能管理系统，服务质量（ＱｏＳ）。

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

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Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｌｏｗ—ｃｏｓｔａｎｄｅｌａｓｔｉｃｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｍａｋｅｉｔ＇ｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅ１ａｓｔｍｉｌｅｐｒｏｂｌｅｍ．ＩｔｉＳ

ｔａｓｋｔｏｄｅｓｉｇｎａｎｄｂｕｉｌｄａａｈｕｇｅａｎｄｄｉ伍ｃｕｌｔｓｙｓｔｅｍｉｓｎｅｔｗｏｒｋｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ，ａｇｏｏｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｔｈｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ

ｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈｗｅｌｌ．Ｎｏｗｔｈａｔｂｒｏａｄｂａｎｄｃａｎｂｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ，ｉｔｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅｔｈｅｍａｉｎｓｕｐｐｏｒｔｅｒｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ

ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｎｕｓｅｒｃａｎｎｅｔｗｏｒｋｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｐｅｒａｔｅｓｉｍｐｌｙｔｏｄｏｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｗｏｒｋ，ｓｕｒｅｅｎｏｕｇｈ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｓｆａｓｔ．

Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｗｉｒｅｌｅｓｓｏｐｔｉｃｓｔｏｏ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

Ｐｏｉｎｔｉｎｇａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｒｏａｄｂａｎｄＭｏｂｉｌｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ

ｉｍｍｅｄｉａｔｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅＴｒａｃｋｉｎｇ（ＡＰＴ），ｆａｓｔｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｏｎｆｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｏｐｔｉｃａｌｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅｌａｓｔｍｉｌｅ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ

ｍａｎａｇｅｍｅｎｔｆｏｒｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍ，ＱｕａｌｉｔｙｏｆＳｅｒｖｉｃｅ（ＱｏＳ）．１１

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我～同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

签名：棼熟日期：ｚ。。午年ｓ月名白

关于论文使用授权的说明

本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：棼然：

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第一章引言

１．１概述

如果说１８世纪是机械时代，１９世纪是蒸汽机时代，人类用机器来代替手。那么２０世纪则是计算机时代，人类开始用机器来代替脑。２１世纪将是信息时代，信息高速公路的关健在于通信。

随着通信技术的不断进步、用户需求和通信业务的日趋多样，带宽越来越成为阻碍现代通信进一步发展的瓶颈。利用电磁波作为数据传输介质的传统电子通信，容量带宽太小，兼容、干扰、信息保密，通信时移动速度等都存在较大问题，并且建设成本高，敷设周期长，增值业务少，越来越不能满足人们的需要。实现通信的数字化、宽带化是今后发展的必然方向，光通信以其频带宽、通信容量大、中继距离长、保密性强、安全性好、抗干扰性好等其它通信方式无法比拟的优点，成为最好的实现手段。

但是采用光纤作传输介质，有着不能在无法或不方便铺线的环境中实现，无法应用于移动通信等缺点。无线激光通信不但能提供类似光纤通信的传输速率，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送；而且其各单元设备体积小、重量轻，搭建、配置和维护较为容易。此外．无线漫射通信与无线激光通信形成互补之势。

无线光信息传输、获取、处理是当今世界高新技术发展的重要领域。无线光通信不但是取代微波通信成为第三代卫星的星内、卫星——卫星、卫星——地面、卫星——大气飞行器、卫星——舰船的主要通信手段，同时也是新一代大气飞行器内、大气飞行器——大气飞行器、大气飞行器——地面、大气飞行器——舰船、舰船内、舰船——舰船、船——岸、某些地面通信的通信主体，有着特别重要的的军事用途和广阔的民用市场。

特别值得一提的是无线通信的抗毁性能，有线链路易遭破坏，一但关键链路被毁，将引起巨大连锁损失，然而无线链路，例如美国９１ｌ事件中从事高速无线接入业务的ｗｉ－ＬＡＮ，以其“先进的无线以太设各”帮助受团人和外界建立通讯联系，显示了其非儿的抗御链路毁坏能力，成为目前通信界兴起的亮点。

由此可见无线光传输，在家庭和办公自动化、家庭娱乐、电子商务、无线公文包应用、各类数字设备、工业控制、智能化建筑等场合有了迫切的需求和广阔的发展前景。无线光通信，在如机场、酒店、会展中心、股票大厅、港口、医院、

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人烟稀少的地区，这些铺设电、光缆投资巨大、维修不便，甚至还可能气候恶劣，以及需高速大带宽移动通信和实时通信要求较高的特殊场合，有其独特优越性。

为了最佳实现和进一步发展无线光通信技术，必须基于其独有的特性，从物理层到链路层，直至网络层和更高层系统化展开无线光网络通信技术研究，探讨其构建，分析其运行特征，掌握获得高的整体通信效率和高ＱｏＳ的相关技术，同时高层技术又可为低层技术及其进一步发展提出合理的要求和方向。

虽然无线光网络通信系统能够提供透明通信。但要充分发挥其效能，就必须利用其独有的属性组网通信。例如传播特性。这些特性决定了无线光网络通信系统的构建、相应的运行方式及其独到的应用和优点，应充分利用，建立物理无缝融合逻辑托扑的内外安全机制、权限机制和独特的路由机制等，以组建高ＱｏＳ网络。例如，为获理想的网络通信效率而开发的预测和修正信令机制是较好的传输协议。

因为有线通信技术已非常成熟，并且提供了非常多的服务。故而有无线互联接口技术就价值巨大。无线光通信网络可通过特殊接口技术与其它种类通信网络互联；有无线互联并利用无线光通信的小颗粒度和其固有的弹信及移动通信能力，结合智能分级一体化管理技术，可使通信臻于完善；从而为获得资源共享的主动和灵活奠定基础。

１．２国内外动态

加卅Ｉ的伯克利大学电子工程和计算机科学系，研究室内无线红外光通信取得好结果；美国圣地亚哥Ｔｅｒｒｉｃｋ公司在洛杉矶、日本邮政省在城市大楼间、俄罗斯在莫斯科、图拉、新西伯利亚、瓦洛涅什等地成功运行无线红外光通信；无线光通信已被电信运营商应用于商业服务网络，例如以色列无线红外光通信公司进军市场，以色列的ｏｒａｃｃｅｓｓ公司和Ｔｅｌ—Ａｖｉｖ大学合作．于２００１年８月首次实现了使用ＥＤｒＡ放大器的２５０Ｍ×２的再生传输间，传输速率分别为２．５Ｇｂｐｓ、１０Ｇｂｐｓ以及３×２．５ＧｂＰｓ。其中单波道工作波长为１５４８ｎｍ，ＷＤＭ传输分别使用

１５４５．３ｎｍ，１５４８ｎｍ和１５５３．３ｎｍ。系统还使用了光强自动增益控制和自动瞄准技术。

又如韩国Ｋｗａｎｇｗｏｏｎ大学于２０００年实现了１．２ｋｍ距离上４×１０Ｇｂｐｓ的多波道传输，并于２００１年９月进行了１．７ｋｍ×２距离上的１０Ｇｂｐｓ、４×１０Ｇｂｐｓ、８ｘ１０Ｇｂｐｓ的传输实验，工作波长为１５５１．９ｎｍ至１５５７．５ｎｍ，波道间隔１００ＧＨｚ。

在移动目标通信方面，美国ＴｒｅｘＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ公司的激光通信机（１ａｓｅｒｃｏｍ）性能较为领先。Ｌａｓｅｒｃｏｍ使用半导体激光器，传输速率为１．２Ｇｂｐｓ，并使用了

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卫星间光通信用的ＡｔｏｍｉｃＬｉｎｅＦｉｌｔｅｒ技术以及ＬｉｎｅｌｏｃｋｅｄＢｅａｃｏｎ技术，使噪声得到有效抑制，通信距离达１５０ｋｍ。最近，该公司又研制出一种跟踪系统，采用多ＣＣＤ面阵和陀螺稳定平台等技术，使跟踪精度达２毫弧度。该公司的下一个目标为５００ｋｍ通信距离。

再如Ｔｅｒａｂｅａｍ和Ａｉｒｆｉｂｅｒ公司，在悉尼奥运会上，Ｔｅｒａｂｅａｍ公司成功地使用无线光通信设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用无线光通信设备向客户提供１００Ｍｂ／ｓ的数据连接。该公司还计划４年内在全美建设１００个无线光通信城市网络。而Ａｉｒｆｉｂｅｒ公司则在美国波士顿地区将无线光通信网与光纤网通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。目前在点到点配置中，无线光通信能支持１５５Ｍｂｉｔ／ｓ到１０Ｇｂｉｔ／ｓ之间的速率，距离为２～４ｋｍ。例如ＯｒＡｃｃｅｓｓ公司声称能支持１０Ｇｂｉｔ／ｓ的带宽，ＴｅｒａＢｅａｍ最高能支持２Ｇｂｉｔ／ｓ，而ＡｉｒＦｉｂｅｒ和ＬｉｇｈｔＰｏｉｎｔｅ承诺提供千兆比太网的能力。在点到多点配置中，能支持１５５Ｍｂｉｔ／ｓ～１０Ｇｂｉｔ／ｓ之间的速率，距离在１～２ｋｍ。网状结构能支持６２２Ｍｂｉｔ／ｓ的速率，距离为２００～４５０ｍ。ＴｅｒａＢｅａｍ声称已成功地在实验室里试验了１６０Ｇｂｉｔ／ｓ的速率。最近的单信道速率达２．５Ｇｂｉｔ／ｓ，配合ＤｗＤＭ技术的多信道超过了２０Ｇｂｉｔ／ｓ。

Ｎｏｒｔｅｌ、Ｃｉｅｎａ、Ｃｉｃｓｏ、Ｌｕｃｅｎｔ、Ｎｅｃ等各大通信设备厂商正为赢得了技术与全球巨大市场的主动加紧研发，巨大的市场，成为光通信产业发展的不竭动力。以巨（龙）大（唐）中（兴）华（为）为代表的中国通信设备专业厂商，致力于光通信系统的研究与开发。由于巨大的市场需求及潜在的巨大发展空间，中国光通信市场吸引了全球几乎所有的著名光通信厂家，如已经开发出４ｘ２．５Ｇ（２．４公里自由空间距离）自由空间光通信系统的朗讯在我国建立光通信产销研系；这也使得中国光通信市场成为全球光通信企业竞争的中心并日益激烈，下一代光通信产品『Ｆ在逐渐成为光通信运营商的现实选择。“十五”期间，我国信息产业保持２’３倍于国民经济增速的发展趋势（根据政府工作报告和信息产业发展预测），光通信是发展的主流，也是通信事业前进的方向，网络建设的不断推进，是光通信产业大发展的直接动力，我国光通信将以年均１５％－２０％的速度发展。１．２．１无线光通信网络应用

对军用而言，现代战争是以核武器为后盾，陆海空协同作战立体化的军事对抗，对抗双方谁能够在战前短时间内，尽量多而有效地截取对方的信息，谁就能制定出高于敌方的战略战术。同时必须保障自己的信息安全可靠及时地传送至各独立作战单位，实现友军信息共享，正确地领会总部意图，互相配合作战，发挥整体优势。从而取得胜利。

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快速即时而隐蔽地互通战场信息，共享态势感知的全球性通信，也就成为现代战争致胜的前提条件。而这就需要天基、空基、海基、地基通信手段的高效协作。

例如，美国国防部依据制信息权在阿富汗军事打击行动的巨大作用，于２００３年《国防报告》提出“网络中心战”（ＮＣＷ）理念，利用正在兴起的信息技术，为军队“提供无缝、安全、宽带的链接和通用性手段”，把各作战单位有效地连接起来，使指挥员以更多手段捕捉战机，更具灵活性和适应性，从而使作战节奏加快，战斗力大大增强。并投入２５亿美元用于美军网络化建设，开始实施未来战争从以武器为平台转向以网络为中心的“全球信息网格”的第一步。

ＮＣＷ的实施，需要陆地、海上和空中的各种固定、移动的通信单元特别是骨干能获得足够的带宽，具备好的保密和抗干扰性能，并且可克服各种地形障碍等实现可重构、抗毁性强、组网灵活快速方便的多址通信，宽带无线光网络是理想实现手段。

美国在轰炸科索沃等已利用卫星、飞机、陆地、舰载无线激光网成功地实现高度保密军事调度通信，并辅助精确制导，初显其巨大威力。

就民用而言，采用无线光通信又无需像无线电通信那样申请频率许可证。另外，光通信技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便宜，大大降低了设备的造价，因而性价比好；与光纤线路相比，无线光通信系统不仅建设周期较短，成本也很低，根据Ａｉｒｆｉｂｅｒ公司的分析，在美国，通信的网状结构配置，每大楼的成本约２万美元，平均链路长度为５５ｍ，最长为２００ｍ，只需２￣３天就能安装完毕。相反，如用光纤连接大楼，则每大楼需５万～２０万美元，通常需要４－１２个月才能连通。

接入因特网骨干的重要链路——卫星通信必须借助于宽带无线光网络才能最好地实现；另外，电信网络、广播电视网络、数据网络最终将在ＩＰ技术基础上走向融合，成为未来通信网的统一平台，无线光网络就是实现这一技术的极佳方式之一，甚至在某些场合，无线光网绍是实现的唯一方式。更为重要的是无线光网络通信技术是融有线通信网同无线通信网为一体化系统，高效运行和管理的基础。

１．２．２无线光网络通信的关键技术

较高层技术建立在较低层技术之上，并为更高层提供增强的服务。网络技术构筑在物理层技术、链路层技术之上。对于不必经过大气的链路，例如卫星——卫星链路，仅须考虑光几何损耗、背景干扰、时相快速瞄准跟踪等技术；而对于全部或部分通过大气介质的链路，例如卫星——地面链路、卫星——大气飞行器链路、地面链路等还需考虑克服大气的负面影响，必须采用灵敏时相快速自适应４

等针对性技术。

对于卫星天基无线光组网，大气飞行器空基无线光组网，地基无线光组网，海基无线光组网。以下技术是关键：

配合信源属性及载波传播分布特性及地理因素的各种拓扑技术；用户的单播、组播、广播编址技术；带宽高效利用技术；快速移动多媒体通信的路由技术及管理技术；无线红外光通信网与有线激光通信网透明接口技术；无线红外光通信网与其它类型通信网相互联网透明接口技术。

对于天基、空基、海基、地基无线光网联网通信技术，与有线光和其它传统通信网络联网技术中，智能一体化管理技术是至关重要的。

１．３本课题意义

虽然我国光通信技术的发展与发达国家基本同步，但是光通信领域的技术发展方向、通信标准制订大多由发达国家掌握，光通信设备所需的很多关键技术、关键元器件、材料技术掌握在别人手里，光通信关键部分是制约我国“光经济”发展的瓶颈。

网络可实现资源共享，即无论用户处于什么地方，无论资源的物理位置在那里，用户都可以获得需要的资源；可节约经费，并充分利用各地资源，例如通过网络能使各小型机协作并行计算完成大的任务；可在其它地方有可留用的副本，以提高可靠性；可提供访问远程信息服务：可提供交互式娱乐服务等等。故而成为通信实现的最好方式。

然而对宽带无线光网络的研究，当前各强国虽大力投入，却都开始时间不长。无线光网络不但为分布在各地的用户提供强大的通信手段，而且是高效利用网络带宽的基础，使之能提供尽量多满足ＱｏＳ要求的服务给尽量多的用户。在某些场合，无线光网络是实现的唯一方式。

面对当前的国际政治、军事和经济形式，宽带无线光网络技术有了研究的迫切需要。比如在可能发生的未来战争中，特别是对抗双方都具有给对手以毁灭性打击的武器库时，通信的作用举足轻重，例如在海弯战争中伊拉克拥有大量前苏制威力巨大的武器，但美国是头号军事科技强国，在其先进的卫星、飞机、地面，舰船立体网络通信对抗设备面前，伊方调度尽被对方掌握，进而被美军通信干扰和迷惑，形同聋瞎地被牵着鼻子，未能发挥出己方武器功效，被动挨打，损失惨重；对比美军却依所获情报运筹帷幄，适时适地用兵，取胜所花代价甚小。

当前在台海等地域，美军利用电子战设备，截获电子信号，为了打破别人优势，争取主动权，保有一个和平的建设环境，并在可能的对抗中获胜，以利保卫祖国统一大业和世界和平，必须力争通信的控制权。传统电子通信网络，有其独到之处，但传输速度慢，带宽窄，建设周期长，其兼容、干扰、信息保密，网络标准、协议的完善及加密算法中的网络安全漏洞等也存在较大问题，而光通信组网却能很好地解决了这些问题。

无线光通信链路既提供类似运行光纤传输的速率，又不受铺线环境限制，架设简单，可扩展性好，拓扑直观，网络结构调整灵活机动，还是实现大容量快速移动通信的理想手段。

因此无线卫星天基光通信、无线大气飞行器空基光通信、无线地基光通信、无线海基光通信、有线地基光通信和它们相互之间通信及其与其它传统通信协同配合的立体网络的研究成为各国争夺制太空、制空、制地、制海主动权的重点，纷纷斥以巨资进行工程研发。

再如原有的传统通信网络应用广泛，可随着技术的不断进步、用户需求和通信业务的日趋多样，其传输处理速度、带宽、增值业务等越来越不能满足人们的需要，实现用户接入网的数字化、宽带化是用户网今后发展的必然方向，光纤用户网技术成熟，但成本高，其组网方式受环境限制较大，且不便于用户在移动中方便地接入网内：再者有线链路易遭破坏，而无线链路却有着非凡的抗御链路毁坏能力：利用“自由空间光通信技术”的无线光通信还因无需在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资和对人体无害而倍受用户青睐；另一个突出优点是与光纤线路相比，无线光通信系统不仅建设周期较短，而且成本很低，易接入、组网方便。特别适合时间敏感、延迟敏感、快速移动通信的要求，为解决服务质量（ＱｏＳ）问题，如网络阻塞控制、延迟控制、实时服务等提供了很好的解决办法。同时，无线光通信提供了最后一公里问题可行的解决方法，例如，其以合理的价格和修建的方便，提供光通信到大楼的接人手段。

光通信技术应用于网络不仅仅解决了传输带宽问题，还带来了路由交换层的巨大变化，为业务层开创了一个崭新的平台，人们可以在这个平台上实现各种新的业务，市场潜力巨大。由此可见，宽带无线光网络技术的研究就有了特别重要的社会意义和实用价值。

总之，宽带无线光网络能在最短时间内，有效提供用户博弈等所需的各方面信息，并进而把决策等传至各单位，使之正确地行动。这得天独厚的优点让无线光网成为军事上包括指挥核武库在内，以及民用经济发展关键——信息高速公路的研究重点之一，美国在当前局部战争和世界各强国经济竞争的结果是有目共睹的，这充分证明了无线光通信组网研究的重要性和必要性。

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１．４本文研究内容

着眼宽带无线光通信技术的现状，为获得相关的无线光网络通信理论、体系结构、优化配置、路由和疏导算法、协议设计、实现和实验平台等，打下第一步基础。

从物理层、逻辑链路层、网络层以及相关应用角度，获取满足高速通信要求的光放大、光滤波技术；三维陀螺式固定等辅助性技术：时相快速瞄准跟踪技术和克服湍流等大气作用，自然环境等对通信质量影响的灵敏时相快速自适应。

在此基础上研究卫星天基无线光组网技术，大气飞行器空基无线光组网技术，地基无线光组网技术，海基无线光组网技术。

最终获取天基、空基、海基、地基无线光网联网通信技术，与有线光和其它传统通信网络联网技术及其最佳实现，特别是智能一体化管理技术这个关键。

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第二章通信网络技术

通信网络是交换装置、终端设备和传输路径的总合。它使得空间上分开的通信者之间进行暂时的或持续的信息传输。这些信息包括语言，声音，文字，数据，图形，固定图像，移动图像等。未来的网络还可传送气昧，感觉等。

网络是由节点以及节点间的连接，即用于传输信息的导线或导线束构成的。节点是交换站或者是终端设备。描述网络拓扑和布局的网络结构中，网络物理结构与网络的逻辑或功能结构，即功能单元（控制部件、存储器、程序等）的链接与归类，应当相辅相成。

通过网络，信息沿着固定的或可变的路径，从一个源传到一个或数个目标。这个路径可以由几段组成，在各段，信息可用互不相同的方法和表达形式进行传输，如模拟、数字、复路等。用户设备间的，网络节点问的以及用户设备和网络节点间的信息交换是按照预先定义好的规则——通信协议进行。

物理的或逻辑的信息路径（线路、信道）以及网络节点可以用不同的结构形式构造起来。通信网络中需要进行目标选择，所以交换就成为网络控制的主要任务。

按信号传输方式，通信网络可划分为模拟通信网络和数字通信网络。模拟通信网络的传输线路传输模拟信号，其信号是按时间和幅值都连续的形式进行传输的，其传输质量是由带宽、动态范围、衰喊和噪声决定。噪声来源主要有串音、回声、延迟效应、频率失真等。为了保证一定的传输质量，需要对这些量进行严格的限制。

在传统网络中主要采用的是传输模拟语音信号和模拟图像信号。语音信号带宽大约为３ＫＺ（３００到３４００ＨＺ），图像信号大约为５ＭＨＺ。借助于调制器与解调器，数宇信号也能在模拟通信网络中进行传输。调制方式主要包括幅度调制、相位调制、频率调制，以及ＡＭ／ＰＭ等混合形式。

数字通信网络的传输线路传输数字信号。在数字网络中网络节点间传输的是数宇脉冲。担任传输任务的传输线路并不知道所传输的脉冲序列的意义，这些脉冲序列可能是语音，文字，数据，固定图像和移动图像等。数字信号儿乎可以没有失真地进行再生．在模拟传输中影响较大的一些因素如衰减、串音、回声等在数字传输中的影响很小。

数字信号在传输前必须进行编码并被转换成二进制信号，在现代网络中信号主要是以数字方式进行传输的。采用数字传输，网络中用于语音、数据、图形等的所有信号都可以按统一形式表达，信号处理简单灵活。数字技术成本较底，具有较高的抗于扰能力。网络越来越服务集成化。

２．１通信网络概貌

２．１．１通信网络的发展

通信网络，自古代的烟火信号，声音，信鸽开始，历经中世纪的信号旗：１７９１年的Ｃｈａｐｐｅ梁式电报：１８３３年的高斯韦伯电磁式电报：１８３７年带有编码符的莫尔斯电报：１８６１年的莱斯电话：１８７６年第一台技术上可使用的贝尔电话：１８７７年的休斯炭精麦克风：的发展历程，１８７７在美国出现了第一家人工交换电话局。

１８９２年美国拥有了使用Ｓｔｒｏｗｇｅｒ拨盘的自动交换：１９０２年柏林慕尼黑间的首次成功使用图形电报进行图形传输：自１９０８年起实现了本地电话局技术。１９２３年在德国巴伐利亚威尔海姆建成了世界上第一个全自动网络团体：１９２３年德国实现无线电广播：１９２９年发明的载频技术，使通信出现了一次飞跃，１９３０年美国开始提供图形电报服务：１９３２年德国出现电视；１９３３年德国拥有了第一家公共电传网；１９５２年德国开始提供公共电视服务。

随着１９５６年电话电缆，贵金属马达旋转拨盘（ＥＭＩ）；１９６０年电子耦合牙关：１９６２年半导体激光器的成功研制，以及１９６２年半导体激光器的成功研制和卫星通信的实现；１９６５年美国出现了第一台计算机控制的本地交换系统；同年带有时分复路电路切换的全电子交换系统在美国、德国得到实现。至此，电路交换通信基础被奠定。

通信自动化技术的成熟，特别是１９７０年低衰减光纤的成功研制，促进了通信的进一步飞跃发展，１９７０年长途电话实现自动拨号服务。１９７２年计算机网络ＡＲＰＡＮＥＴ在美国诞生，它是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的前身，至此电路交换与分组交换的公共数据网已成雏形。

伴随１９８０年同步光纤传输技术，自１９８０年起ＰＣＭ时分复路电路交换全数字本地交换系统，用于交换技术的高级语言，办公室传真，图文，远程复印，局域计算机网，宽带传输系统，ＩＳＯ开放式系统交互参考模型等现代通信技术闩益成熟。１９８３年在德国开始扩展光纤系统网络；１９８６年ＩＳＤＮ分支设备出现，自１９８８年起集电话、电传、传真、分组数据交换等服务于一体的综合服务数字网开始服务。

１９８９年开建宽带实验网（ＶＡＮ），１９９０年分组交换服务集中到ＩＳＤＮ中，１９９１年Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中采用ｗＷｗ，移动通信ＧＳＭ网，１９９４年起用于高比特率的图形和数据服务的基于异步传输模式ＡＴＭ的宽带交换技术，１９９８起用低空飞行卫星（ＬＥＯ）构造网络，自２０００起第三代移动通信系统，以及纯光学网络的研发，孕育了智能化主动网络时代的即将来临，而无线光网络在其中的作用至关重要。２．１．１．１现代网络

不管是用通信方式、广播方式，还是用检索方式：不管是用有线方式、无线方式，还是通过卫星，凡是能传递信息的网络都是信息网络。按照信息流通的不同途径来分，在现代信息基础设施中主要有六种信息网络，即公众电话网、蜂窝型和其他移动通信网、因特网、地面广播电视网、有线电视网与直播卫星网。当然，除此以外还有别的网，如数据网和专用网等。其中最有代表性的是公众电话网、因特网和有线电视网。

现代网络按物理结构可分别为用户住地网、接入网和核心网三大部分。用户驻地网指用终端至用户网络接口之间所使用的机线设备及用户室内布线系统；接入网是沟通用户住地网和核心网的部分，由一系列传输实体（诸如线路设备和传输设备等）组成，为传输信息业务提供所需的承戴能力，向用户提供了包括有线或无线、固定或移动等多种通信接入手段；核心网是传输信息的主体网络，是指除用户住地网和接入网之外的全部网络。

现代网络按功能结构分为传输网、业务网、应用层三层。其中传输网是各类通信媒体和各种通信方式的集合，它向业务网提供实现这些业务所需的传输和连接能力，传输网又分为物理层、通道层和电路层。业务网是基于传输网并由各种电路层设备（如交换机、路由器等）组成的网，提供各种不同特定目的信息服务，例如电话网、分组网、移动通信网、广播网、电视网以及计算机网等。应用层由基于网络的各种应用系统构成，它直接向用户提供各种应用如远程教育、远程医疗、会议电视、居家购物、电子邮件等。为了支持上述各层的有效运行和管理，还需要支撑网的介入，包括信令网、电信管理网、同步网。

因特网就是大量使用电话网的传输网；有线电视的传输网基本上是单建的。历史上电话、电脑和电视这三个行业各有各的业务范围，各用各的技术，各建各的网络，各立各的行规，无论从建设、所有权还是从运行、管制方面来看，它们都是各自独立的基础设施。全球信息化的推进对现代通信方式的影响越来越大，在技术、市场和管制三个方面不断发生的变化促成了使电话网、因特网和有线电视网这三个信息网逐渐汇聚的趋势。电话、电脑、电视三大行业在技术上走向趋１０

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同，在业务范围上互相渗透、互相交叉，在网络上互联互通形成无缝覆盖，在经营上互相竞争、互相合作，朝着向人类提供多样化、多媒体化、个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起。为了适应通信服务向信息服务的转变、单一媒体向多媒体的转变、地区性服务向全球性服务的转变以及非个性化服务向个性化服务的转变，信息网络的容量正在变得越来越大，不断缓解带宽瓶颈问题；网络的智能正在从网络核心向网络边缘转移，使传输网成为一个独立于业务和应用的动态灵活、安全可靠和低成本的基础平台，专职于信息传输：业务网将演变成提供不同服务质量、适应不同需求、与应用无关的网；在此基础上的应用层内，人们可以尽情地开发满足社会各界需求、千姿百态的大量应用。

２．１．２网络类型

网络类型包括：

（１）电话网络，其服务是电话和传真。己实现全世界范围的连网与可达到性。目前处于是模拟网络和数字网络混合阶段。工业化国家的安装密度已经饱和，提高服务特征、带宽等质量是首要任务。

（２）数据网络。数据网按数据包交换的原理工作，例如公共远程数据网包括广域网等计算机网络：并接合隧道技术运行，例如通过调制解调器利用电话网络在语音频带上传输数据。

（３）在公司或本地范围内的局域网通常为商高速分组交换数据网络。

（４）移动通信网络。包括：

①用于语音通信的无线电话网络。例如全球通（ＧＳＭ），它是一种重复利用频率与不间断更换小区的蜂窝网络；又如码分多址ＣＤＭＡ移动通信网络。

②集群无线通信网络，即专用调度移动通信系统，可用于公安、消防、防汛、急救、交通、出租汽车．建筑业、酒店业、旅游业以及一些生产性单位。

③卫星通信及其网络。

（５）特别是无线光通信网络。

（６）智能网络

在传统的网络结构中；“智能”主要集中在交换中心。在智能网中对服务进行管理的主要功能一方面是分布在交换中心上的，另一方面是分布在网络内部的中央计算机和数据库上的。因而能更快地引入新的服务和服务特征，实现由用户指定的更为复杂的服务。

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（７）集成网络，集成可在许多层面上以多种形式进行：

①线路集成，例如在同一根电缆里传输语音和数据；

②设备集成，例如电话＋ＰＣ（多功能的终端）；

③交换集成，例如在统一的数字系统交换语音信号和数据信号；

④应用集成，其设备虽然分离，但过些设备一起为一个共同的应用任务服

务。例如；呼叫中心的电话和计算机；

⑤管理集成，对网络各个方面进行共同管理（网络管理）：

⑥固定网络与移动网络的集成。

（８）宽带网包括用于ＬＡＮ和ＷＡＮ的高速网络；特别是采用光纤技术或无线激光的支线网络，例如无源光网ＰＱＮ；以及采用波分多址技术（ＷＤＭ）的远程主干网络。

（９）网络按覆盖范围可分为局域网（ＬＡＮ），城域网（ＭＡＮ），广域网（ｗＡＮ）和全网（ＧＡＮ）。ＬＡＮ表示主间较小的网络，它是一种高速传输数字信号并把所传输的信息作为独立的数据包进行交换的网络。ＬＡＮ的传输服务采用无连接方式。典型的ＬＡＮ为按ＩＥＥＥ８０２３建造的以太网络。ＭＡＮ是一种地区高速网络，它采用现有的传输装置在较远的范围内传输数据。其基本思想是把局部网络通过标准化的传输装置基于有连接和无连接传输方式连接起来。与ＭＡＮ相关的技术可归于宽带网络标准中。ＷＡＮ是一种覆盖广泛的公共网络，全国范围的电活网络和公共数据网络是ＷＡＮ的典型例子。ＧＡＮ是一种洲际网络；主要由卫星和海底电缆组成。

２．１．３网络结构

网络基本结构形式有交织网、星状网、总线网和环状网。

（１）全交织网的每一个节点都与任一个其他节点直接相连。Ｎ个节点的网络有Ｎ×（Ｎ．１）／２条线路，即每个节点有（Ｎ－１）／２条线路，连通信好，是适于高ＱｏＳ高速通信网的结构。对有线光网络，其成本高：但对无线光网络来讲，因其成本低，所以就成为了其有效而可行的良好结构形式。当对ｒ１个节点的交织网扩充一个新的节点时，需要增加ｎ条连接线路。由于存在多重路径所以安全性高，需要进行路由。部分交织仅有部分节点与其他节点直接相连。

（２）星状网，每个用户一条路径连接至可以是有源也可以是无源的中央节点，共有Ｎ条连接路径。对有线光网络，当Ｎ很大时比较经济，但当中央节点损

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坏时，全网就会瘫痪。中央节点备份较贵。我们研发出的无线光集中分布式星状网络技术，因采用多个分散中心节点捆绑构成中央节点，当某一中心节点损坏时，其它的中心节点仍然可以工作；并通过切换机制使被损坏的中心节点的负载转移到其它中心节点，从而保障了可靠性。

（３）无源总线网，为一人讲众人听的广播式网络。采用无源耦合，需要复路术；传输媒介共享，需要很高的传输带宽；可以实现成星状的形式。有源总线网即折叠总线网，通常为环形的。与被折叠起来的总线～样，传输方向为单向传输。

（４）环状网，采用有源耦合，有向传输，需要复路技术；共享媒介需要很高的传输带宽：属点对点传输。需要采取保证在通信站发生故障，环被断开等情况仍可安全运行的措施。

为简化网络管理，合理分配负载，提高运行安全性，大网络应采用一系列较小的网络构建而成。基本方式有等级结构、非等级结构。等级结构包含星状／星状，坏状／环状，环状／星状，分支网络与ＬＡＮ，耦台网络结构。等级结构中有若干网络层面。各网络层面的寻址方式、速度等可能互不相同；同一层面中两个网络问的通信需要通过较高层面的参与才能完成。如果两个网络间有横向直接路径，则不需要高层的参与。其最低层面为终端系统；各个层面不必完全占据，各个支路可以有不同的伸展程度。非等级结构一般用于局域网的耦合中。２．２通信服务

网络终端设备间特定形式的通信方式被称为通信服务，通信方式应保证所约定的服务性能。如电话服务用于语音通信，电传服务用干传输打印文字等、服务可粗略地分成两类：传送服务和远程服务。

２．２．１服务划分

按照操作方式服务可划分为：

（１）交互式服务包括

①对话服务，例如电话，可视电话，Ｐｃ机之间的通讯等；

②存储服务，例如电子邮件，声音邮件等；

③读取服务，例如访问数据库，电视点播等。

（２）分布式服务包括①无线电广播，电视等：

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②图文电视。

（３）还可按以下三个技术方面作划分：

①比特率：

②交换形式和连接类型。例如电路交换和分组交换以及相应的物理连接和逻辑连接；

③通信的时问进程：例如连续型和间断耦发型。

２．２．２服务技术细节

服务有以下技术细节：

（１）服务特征可在配置方面对服务进行的描述

①用户接入形式，例如可使用的信道比特率；

②连接形式，例如拨号连接或固定连接；

③信息表述，例如所采用的字符集。等基本配置是由基本服务特征来描述；对

更高的通信舒适程度或更高的通信质量方面，可用呼叫转移、电话会议、自动回打电话（例如当通信对方占线，然后又空闲时）、显示呼叫方的电话号码等附加服务特征对基本服务特征进行补充或修改。服务特征主要是通过用户方以及交换方的软件控制来实现。

（２）服务准则是质量尺度的描述，可以分成：

①传输准则，包括衰减，串音，回声，失真等等。

②交换准则即交换功能运行的质量，包括错接率，申断，计费等等。

③信息交换准则，包括封锁概率、等待时间、延迟时间等等。

目前几乎所有的网络都是与服务紧密相关的，其发展趋势将是与服务无关并集各种服务为一体的综合网络。

２．２．３交换技术

交换技术的任务是通过网络在两个伙伴间进行信息交换，分为有连接操作方式和无连接操作方式。伙伴间的地址必须是己知的，并且格式和协议必须事先约定好。建立连接是为在网络上以及在通信伙伴处预留资源。对连接的操作方式必领在用户和网络之间进行信令交换，信令交换用于交换用户和网络间以及网络节４

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点间控制信息。电话网络连接就是属于典型的有连接操作，其拨号信息的传输就是信令交换；Ｉｎｔｅｒｎｅｔ是属于典型的无连接操作。有连接操作方式是建立在无连接通信方式基础上的。

２．２．３．１连接操作方式

（１）有连接操作方式的通信伙伴和交换网络间要协调一致；对要进行的数据传输可以商定比特率、字符集等传输条件；因采用连接标识识别连接，故而可在一个信道上复路传输多个连接；各个数据包之间存在一定的关系，可通过随同传输的序列号进行序列检查和错误检查。

有连接操作方式有预先登记，所以可以减轻网络资源的测量、供应和监视；在数据传输时不需要随同传输全部地址，因此其传输附加无效负载较小。但是预先登记需要代价和时间，对短信息来说建立连接与取消连接有可能比数据传输本身花的时间还要长。

（２）有连接操作类型有：

ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｒｉｅｎｔｅｄ，包含建立两个伙伴间关系、建立连接、数据传输、退出连接四个方面。可在传输数据期间进行信令交换，例如在传输数据期间传输用于证实收到数掘的信令信息。或在建立连接期间进行数据传输。

（３）无连接操作方式仅需通信伙伴之间协调一致，不商定传输条件：其单个传输过程相互独立，前后传输过程之间没有顺序关系；数据包具有独立性；数据包捎带有用于到达目标所需的全部信息。有连接方式与无连接方式各有优缺点，在实际的通信系统中，二者相接合方可满足服务要求。

（４）无连接操作类型有：

①ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｌｅｓｓ，包含包含建立两个伙伴间关系、数据传输两个方面。②按单个信息块进行独立传输，不保证顺序，不告知信息丢失的电报操作

方式。

⑧成对交换信息ＤＡＴ和ＡＣＫ的有证实的电报操作方式。

２．２．３．２交换技木类型

交换就是基于给定的目标信息在信息网络中有选择地连接终端设备或线路。应用较广的有两种交换技木类型：电路交换和分组交换。连接有物理连接和虚拟连接。前者指从源到目标的一条路径被暂时地或持续地真正接通，在连接期间带宽固定。后者指包含若干路径段的一条路径被约定好，沿着这条路径复路传输各

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个数据包；数据包在网络节点被缓冲存储。在各个路径段上的比特率是可变的，每段有一个逻缉信道，这些逻辑信道链接形成了虚拟连接。

（１）电路交换在一个连接期间内专门提供一个固定带宽或比特率的信道为通信方使用，就像用一根专用的线路连起来一样。它等效于物理连接，电路交换节点由藕合网络和控制机构ｓＴ组成。电路交换在信令交换阶质，建立连接与取消连接。在数据传输阶段，不携带附加的目标信息进行信息传输．顶多在数据包网络中对数据包进行顺序编号。故而在数据传输期间仅有较小的或根本没有传输附加，时延也很小。但固定不变的信道或线路比特率；总是要采用有连接操作方式。

（２）可以多重使用传输路径的分组交换，信息是出节点传到节点，中间带有缓冲存储，连接控制可采用ｃＯ和ｃＬ。分组交换节点由存储器ｓＰ和控制机构ｓＴ组成。其比特率可变，线路利用效果好。但是需要进行分组，并且由于采用缓冲存储，延迟与线路负载有关；数据包中的控制信息也会带来传输附加负担和延迟。包含：

①一个信息块包含完整的信息．不进行分拆的信息交换（Ｍｅｓｓａｇｅ

ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）。

②较长的信息被分成较小的数据包的分组交换（ＰａｃｋｅｔＳｗｉｔｃｈｉｎｚ），

一般每个数据包有数百至１０００字节，在时间上先后进行传输，一数

据包可以进行交叠发送，交换控制按照路由表进行。

③首先存储数据包，分析数据包头部的目标地址，并寻找路径，然后选

择一条路径，从存储器中读出数据包并经路由所选择的路径发送数据

包的无连接方式ＣＬ的报文交换。

④有连接方式ｃＯ的虚拟信道分组交换，首先预留虚拟路径并存储数据

包，然后查连接表读出并发送数据包。在源和目标间按流量匹配采取

措施进行数据流量控制，编号进行顺序控制，并在出错时自动重发。

２．２．３．３信令交换包括

（１）在相同的频带传输信令和有效数据的带内信令交换，信令交换和数据传输在带内方式下不是同时进行的．而是先后完成的。例如，在数据分组网络中信令和数据在基带以数字方式传输就属于带内信令交换。

（２）在不同的频带传输信令和有效数据的带外信令交换。一个时隙的一部分被共同用于有效数据和信令的时隙内信令交换，有效数据和信令是交替传输的，６

需要同步。每个有效数据信道都有独立的信令信道的时隙外信令交换，即为与信道相关联的信令交换。

（３）一组有效数据信道共同使用一个独立的信令信道的混合形式。即与信道组相关联的信令交换。

２．３通信网络控制

通信网络中控制一方面解决交换技术方面的任务，即用户与网络节点间或网络节点间连接的建立与取消：路内：信息路径贯通：呼叫转移等执行服务特征所提出的要求。同时要解决管理技术方面的任务，即包括计费在内的线路、信道、耦合开关、计算机等资源管理：监视与错误处理。

２．３．１通信网络控制形式

相互有通信关系的用户在空间上是分开的，控制功能主要是分布在用户和网络装置上。控制形式包括中央控制、分散控制和部分集中的混合形式。

中央控制为所有控制都由一个由若干个控制机构组成的中心完成，用户通过外部设备和耦合装置与交换信息。分散控制则有多个控制装置，需要进行任务的分配，并进行协调；各套外部设备和耦合装置之间必须通信。采用交织网形式，可以大大提高可靠性。部分集中控制方式采用分组控制，并提供组内连接，各分组通过中央耦合装置与中央控制通信。

用数个控制单元来完成各种各样的任务，需要进行功能分配，有三种方案。（１）按负载分配，其安全性高，可以进行系统扩展，超载时可以相互帮助；但需要进行负载分配协惆。

（２）按功能分配，其一控制单元只需承担一项子任务。

（３）混合形式，其控制单元可承担一个或数个任务。

２．３．２通信网络耦合问题

２．３．２．１耦台布局

。对耦合装置即耦合矩阵进行分组规划的耦合布局用于建立入口线路与出口线路间的连接，分为用于电路交换和分组交换的耦合布局。电路交换耦合布局的组成部件按其复杂性由小变大的顺序排列为耦合点、选择器耦合行、耦合装置，耦合矩阵和耦合网络。分组交换包含传统的分组交换和快速分组交换。传统的分组交换耦合布局为计算机系统的存储器，用软件来实现数据分组：而快速分组交换用硬件实现数据分组。

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