第六章 光网络

1第六章光网络

6.1网络概念6.2传输格式和速率

6.3光接口

6.4SONET/SDH6.5光交换技术分类参数网络区域（服务范围）局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、国家与国际网、全球网传输信号格式数字网、模拟网带宽宽带网、窄带网物理层（媒介）有线：光纤网、铜线网无线：无线网、卫星网功能传输网，骨干网核心网接入网支线网广播网运营方式公网、专网协议体制SDH、ATM、IP等业务种类电信网、广播电视网、计算机网通信网络分类1、定义：以光为传输媒质的通信网络，传输的物理媒介有：光纤、自由空间等。2、功能：在光层上完成通信数据的传输、交换、汇聚和接入等网络的功能。3、特点：充分利用了光纤的巨大带宽资源。对数据的传输速率、协议、业务的透明性。可提供动态可重构网络，灵活升级。波长的在利用可靠的保护恢复机制。光网络的定义和功能第一代光网络

光纤纯粹作为传输媒介，作为铜缆替代品;点到点的传输；

所有交换和比特处理用电的方法完成：

第一代光网络的例子是SONET（同步光网络）和SDH（同步数字体系）网络，分别构成北美、欧洲和亚洲通信基础设施的核心。也有变化的企业网络，如FDDI（光纤分布式数据接口）。第二代光网络部分交换和路由功能从电层进入光层；发展了基于该优点的OTDM和WDM网络；为高层提供三种不同类型的服务：光通路服务，应用于WDM网虚电路服务，数据包服务（IP）一个主要优点是，一旦光通路建立，电路交换光通路服务对发送到上面的实际数据是透明的；在光域执行更多功能，比如路由和交换波长，最终以光形式交换包

分类参数网络功能核心交换网光传输网光接入网光局域网和光局域互连区域光广域网光城域网光局域网光信号的传输媒介光纤网、空间通信网光承载的信号数字、模拟信号承载方式PDH、SDH、WDM、IP等光网络分类分类参数网络业务静态业务网络动态业务网络波长变换无波长转换有波长转换节点单跳网络多跳网络拓扑结构总线、星型、网状、环形、树形选路广播与选择波长选路网光网络分类6.1网络概念

6.2传输格式和速率

6.3光接口6.4SONET/SDH6.5光交换技术6.2传输格式和速率图给出了SONET的基本帧结构。这是一个由9行、90列字节构成的二维结构。基本SONET帧的周期为125s，因此基本SONET信号的传输速率为：STS-1=(90字节/行)×(9行/帧)×(8比特/字节)×(125s/帧)=51.84Mb/s。

该信号称为STS-1信号，所有的SONET信号都是STS-1信号速率的整数倍，STS-N信号的比特速率是51.84Mb/s的N倍。当采用STS-N信号调制光源时，先对逻辑STS-N信号进行扰码以减少长连0和长连1，便于在接收机中进行时钟恢复。经过电光变换后的物理层光信号称为光载波(OpticalCarry,OC-N)。实际上采用OC-N链路表示SONET链路更为普遍。N值在1~255之间变化的生成算法都已提出，但ANSIT1.105标准认可的N仅为1,3,12,24,48和192。

传输格式和速率在SDH中基本速率等于STS-3，即155.22Mb/s，称为同步传输模式(SynchronousTransportMode,STM-1)，更高的速率表示为STM-M。ITU-T建议支持的M值为1,4,14和64，它们相当于SONET的OC-N信号。类似于SONET，SDH也先对逻辑信号进行扰码，但不同的是，SDH不区分逻辑电信号（如SONET中的STS-N）和物理光信号（如OC-N），这些信号都标记为STM-M。传输格式和速率帧结构中的前3列传输的开销字节承载了网管信息，剩下的87列承载了用户数据，称为同步有效载荷封装(SynchronousPayloadEnvelope,SPE)和9个字节的通道开销(PathOverHead,POH)。POH支持性能监视、统计、信号标记、寻迹功能和一个用户通道。这9个通道开销字节总是排成1列，它们可以出现在SPE中的任何位置。值得注意的是，SONET/SDH的同步字节间插复用特性，可以实现光网络中信息通道的分插复用。传输格式和速率表给出了常用的OC-N与STM-M值和对应关系。

常用的SONET和SDH传输速率表

SONET等级电等级线路速率(Mb/s)相应的SDHOC-1STS-154.84—OC-3STS-3155.52STM-1OC-12STS-12622.08STM-4OC-24STS-241244.16STM-8OC-48STS-482488.32STM-16OC-96STS-964976.64STM-32OC-192STS-1929953.28STM-64传输格式和速率当N值大于1时，帧结构的列数是原来的N倍，而行数仍然为9行，如图所示。

SONET的STS-N帧的基本结构6.1网络概念

6.2传输格式和速率

6.3光接口6.4SONET/SDH6.5光交换技术

光接口为了保证不同制造商的设备能够互联，SONET和SDH规范提出了光源特性、接收灵敏度以及不同类型光纤传输距离的特征。下表给出了标准定义的6种传输距离，它们在SONET和SDH中所用的称谓各不相同。

SONET和SDH规范和称谓传输距离SONET称谓SDH称谓光纤种类≤2km短距离局间渐变折射率光纤15km中距离短途常规非色散位移单模光纤40km（1310nm）长距离长途色散位移光纤光接口SONET和SDH规范提出了光源特性、接收灵敏度以及不同类型光纤传输距离的特征。标准定义的6种传输距离，它们在SONET和SDH中所用的称谓各不相同。

SONET和SDH规范和称谓传输距离SONET称谓SDH称谓光纤种类80km（1550nm）长距离长途色散位移光纤120km（1550nm）长距离甚长途色散位移光纤160km（1550nm）长距离超长途色散位移光纤光接口针对于表中不同等级的损耗和色散特性，可以采用的光源包括发光二极管(LED)、多横纵模(MultipleLongitudinalMode,MLM)激光器和单纵模(SingleLongitudinalMode,SLM)激光器。在ANSIT1.105.06和ITU-TG.957中给出了光源的各种谱参数。

表

波长范围和光纤损耗传输距离1310nm窗口1550nm窗口1310nm处损耗1550nm处损耗≤15km1260~1360nm1430~1580nm3.5dB/km未规定≤40km1260~1360nm1430~1580nm0.8dB/km0.5dB/km≤80km1280~1335nm1480~1580nm0.5dB/km0.3dB/km光接口表给出了传输速率从基群到OC-48或STM-16（传输速率为2.5Gb/s）的光功率。系统的误码率指标在速率低于1Gb/s时不超过10-10，而当速率更高或系统性能要求更高时不超过10-12，该性能的链路功率损伤不大于1dB。具体表7.4见书中134页给出的数值。6.1网络概念

6.2传输格式和速率

6.3光接口6.4SONET/SDH6.5光交换技术6.4SONET/SDH1985年，Bellcore提出了同步光纤网(SynchronousOpticalNetwork,SONET)标准，美国国家标准协会(ANSI)通过了一系列有关SONET的标准。1989年，国际电报电话咨询委员会CCITT接受了SONET概念并制定了同步数字系列(SynchronousDigitalHierarchy,SDH)标准，使之成为不仅适合于光纤也适合于微波和卫星传输的通用技术体制。SONET/SDH与SONET有细微差别，SDH/SONET定义了一组在光纤上传输光信号的速率和格式，通常统称为光同步数字传输网，是宽带综合数字网B-ISDN的基础之一。SDH/SONET都采用了时分复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)技术，是同步系统，由主时钟控制。两者都用于骨干网传输，是对沿袭应用的准同步数字系列(Pseudo-synchronousDigitalHierarchy,PDH)的一次革命。SDH多用于中国和欧洲，而SONET多用于北美和日本。SONET的物理配置在SONET标准中，按照设备的功能和它们之间连接的关系，把连接分为了段(Section)、线路(Line)和通道(Path)。“段”指的是直接连接相邻设备的连接关系，即点到点的链路，如再生器与同步传输信号(SynchronousTransportSignal,STS)复用器、再生器与再生器、添加/丢弃复用器与再生器之间的连接属于段连接；“线路”是指连接两个SONET复用器设备之间的连接，如STS复用器与添加/丢弃复用器之间的连接；而“通道”则是指两个STS复用器之间的端到端的连接，如图7.1所示。对于只由两个STS复用器直接连接构成的SONET系统，段、线路和通道是相同的。SONET系统

SONET的物理配置SONET系统主要包括三种设备：再生器(Regenerator)、添加/丢弃复用器(Add-DropMultilexer,ADM)和STS复用器。再生器就是转发器，接收光信号，整形后转发出去。添加/丢弃复用器也称分插复用器，其主要功能是向通道中添加信号，并可以从通道中提取出需要的信号。STS复用器在SONET系统中的位置处于边缘，有两个功能：实现电信号与光信号的相互转换和信号的复用/解复用。SONET/SDH环网络SONET和SDH通常配置成环状拓扑。当设备或链路发生故障时，可以采用环回分集实现不中断业务保护。SONET/SDH环也称为自愈环(SelfHealingRing)。SONET/SDH环可以分为8种可能的类型，而每一种类型均有两种可以互换的结构。它们具有三个主要特征：（1）环上连接结点的光纤可以是二纤，也可以是四纤；（2）数据流可以沿顺时针单方向传输，也可以沿两个方向传输；（3）保护切换既可以采用线路切换，也可以采用通道切换方案。在8种可能的环类型组合中，SONET和SDH网络中最普遍的两种结构是：二纤单向线路切换环(UPSR)和二纤/四纤双向线路切换环(BLSR)SONET/SDH环网络如图所示，在双纤单向自愈环配置中包括两个通道，即主用通道（简称主通道，实线表示）和保护通道（也称为副通道或备用通道，虚线表示）。双纤单向通道与逆向保护通道SONET/SDH环网络为了实现保护，从发送结点发出的光信号同时输入主通道光纤和副通道光纤，这样就建立了一个指定的保护通道，数据流在保护通道中逆时针传输，如图所示，称为通过链路5和链路6的1,3结点之间通道保护。结点1到结点3主副通道数据流SONET/SDH环网络两个主用光纤环（标注为1p到8p）用于常规双向通信，而另外两个辅助光纤环用于保护的备用环路（标注为1s到8s）。图为四纤双向自愈环原理图。与二纤单向自愈环不同，四纤双向自愈环在容量上占有优势，因为它使用了两倍于前者的光纤，而且两个结点之间的业务仅在环的一部分中传输。

SONET/SDH网络利用SONET/SDH设备可以构成不同的网络结构，如图所示。例如，配置成点对点链路、总线型拓扑、单向自愈环、双向自愈环和环际互联。

SONET/SDH网络结构原理图SONET/SDH网络分插复用器是一个重要的SONET/SDH网络设备。它是一个完全同步的、面向字节的复用器，可以分接和插入OC-N信号中的子信道。下图从概念上阐述了ADM的功能。若干个OC-12和OC-3信道复用到一个OC-48信道。ADM的功能SONET/SDH网络ONET/SDH结构也可以采用WDM。如图所示，一个DWDM系统由n个不同波长的OC-192主干环构成。从每一个OC-192发送机输出的不同波长光波，首先通过衰减器进行功率均衡，然后送入WDM复用器，通过可选的后置光放大器进行放大后，送入光纤传输。

由n个波长的OC-192主干环构成的DWDM设备6.1网络概念

6.2传输格式和速率

6.3光接口

6.4SONET/SDH6.5光交换技术

光交换系统光交换技术的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。光交换技术也是一种光纤通信技术，它是指不经过任何光/电转换，在光域直接将输入的光信号交换到不同的输出端。光交换技术可分成光路光交换和分组光交换两种类型。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。成熟的光交换技术研究得最多、最成熟的是光路交换(OpticalCircuitSwitching,OCS)，它是一种面向连接的交换技术，网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的端的光路（每一个链路上均需要分配一个专用波长）。交换过程共分三个阶段：(1)链路建立阶段(2)链路保持阶段(3)链路拆除阶段。光路交换系统所涉及的技术可分为:交换技术(TDPS)、空分交换技术(SDPS)、波分/频分交换技术(W/FDPS)、码分交换技术(CDPS)和复合型交换技术。成熟的光交换技术1．时分光交换技术时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器，通过光读/写门对光存储器的受控有序读/写操作完成交换动作，如图所示。

时分光交换原理图成熟的光交换技术2．空分光交换技术

空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵结点可以由机械、电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。各种机械、电或光控制的相关器件均可以构成空分光交换。构成光矩阵的开关有铌酸锂定向耦合器、微机电系统MEMS等。SDPS的基本原理是