第六章-高速公路数字光纤通信系统

第六章高速公路数字光纤通信系统6.1概述

6.2数字光纤通信系统

6.3光传送网6.4同步光纤数字通信网络与公路光纤数字通信网6.1概述近年来，通信领域最重要的技术突破之一就是光纤通信系统的发展，光纤是一种很细的可传送光信号的有线介质，它可以用玻璃、塑料或高纯度的合成硅制成。目前使用的光纤多为石英光纤，它以纯净的二氧化硅材料为主，为改变折射率，中间掺有锗、磷、硼、氟等。光纤传输原理以据光学定理光线由一种介质传向另一种介质时要发生反射和折射现象，其反射光的入射角等于反射角。而折射光的入射角和折射角呈以下比例关系，由于n1＞n2，所以折射角总是大于入射角，当折射角时，将没有折射光线产生，所有光线会发生全反射现象，把入射光的角度称为监界角，用来表示大于监界角的所有入射光将发生全反射，也就是说，光纤中传输的光发生全反射的条件是（1）n1＞n2，（2）＞。当光源发出的光以一定的入射角进入光纤端面时，只有入射角大于监界的光线才是有效光。光纤的数值孔径可决定光纤接入入射光的能力，有效光进入纤芯后，由于包层的折射率较小从而对折射光起到了壁垒作用，使有效光以全反射的形式在纤芯中不断的向前传送，对于进入包层的折射光很快衰减而不能传输。这就是光纤的传光原理。图6.1光纤的物理结构在光脉冲信号传输的过程中，所使用的波长与传输速率、信号衰减之间有着密切的关系。通常采用的光脉冲信号的波长集中在某些波长范围附近，这些波长范围习惯上又称为窗口，目前常用的有850nm、1310nm和1550nm为中心的三个低损耗窗口，在这三个窗口中，信号具有最优的传输特性。在局域网中较常采用850nm，而在长距离和高速率的传输条件下的城域网和长途网中均采用1550nm波长。光纤也是一种同轴性结构，由纤芯、包层和外套三个同轴部分组成，其中纤芯、包层由两种折射率不同的玻璃材料制成，利用光的全反射可以使光信号在纤芯中传输,包层的折射率略小于纤芯，以形成光波导效应，防止光信号外溢。外套一般由塑料制成，用于防止湿气、磨损和其他环境破坏。其物理结构如图6.1所示。相对于传统的传输方式，光纤通信具有如下优点：(1)大容量。光纤系统的工作频率分布在1014～1015Hz范围内，属于近红外区，其潜在带宽是巨大的。目前10Tb/s/100km的实验系统已试验成功，通过密集波分复用(DWDM)在一根光纤上实现40Gb/s/200km传输的实际系统已经在电信网上广泛使用，相对于同轴电缆的几百兆比特/每秒每千米和双绞线的几兆比特每秒/几千米，光纤比铜导线介质要优越的多。(2)体积小、重量轻。与铜导线相比，在相同的传输能力下，无论体积还是重量，光纤都小得多，这在布线时有很大的优势。(3)低衰减、抗干扰能力强。光纤传输信号比铜导线衰减小得多。目前，在1310nm波长处光纤每千米衰减小于0.35dB，在1550nm波长处光纤每千米衰减小于0.25dB。并且由于光纤系统不受外部电磁场的干扰，它本身也不向外部辐射能量，因此信号传输很稳定，同时安全保密性也很好。光纤按折射率分布来分类，可分为均匀光纤（阶跃突变型光纤）和非均匀光纤（渐变型光纤）两种。均匀光纤的n1＞n2且纤芯和包层的折射率呈阶梯型变化，在纤芯和包层内部折射率均匀不变。均匀光纤可用符号SI表示。对芯内所传光波具有自聚焦的能力。非均匀光纤又称渐变型光纤，梯度型光纤是为了克服多模阶跃光纤所存在的模式色散而设计的一种多模光纤。它的纤芯折射率分布是不均匀的，中心最大，随半径增大而逐渐减少，纤芯与包层的交界处，n1=n2。非均匀光纤芯折射率ni随半径的增加按一定规律减小到通常非均匀光纤纤芯折射率变化呈近似抛物线型，这类光纤也称为渐变型光纤，它具有自聚焦性能，可对进入纤芯的所有有效光进行自聚焦，迫使光线向轴线靠拢并以近似正弦曲线的轨迹向前传播。可用符号GI来表示。光纤按传输光的模数:

简单他说，在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可称之为光的一个传输模式。当光纤的芯直径较大时，则在光纤的受光角内，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时，就称光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤就称为多模光纤。如图所示，以不同入射角入射在光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传播模式。沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次模等。其中，模次较低的模为低次模，如二次模；模次较高的模为高次模。当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过，即只允许通过一个基模。这种只允许传输一个基模的光纤就称为单模光纤。可以看出光在光线中传输有以下几个特点：①并不是任何形式的光波都能在光纤中传输。每种光纤都只允许某些特定的光波通过，而其他形式的光波在光纤中无法存在。每一种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光纤的一个模式。②在同一光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、传输速度和传输路径不同，其受到光纤的衰减也不同。③进入光纤的光在芯包交界面上的入射角大于临界角时，就在光纤内产生全反射；而入射角小于临界角的光就有一部分进入包层，被很快衰减掉。④能满足全反射条件的光线也只是具有特定角度的部分才能在光纤中传输，因此，不同模式的光的传输方向不是连续改变的。当通过一段光纤时，以不同角度在光纤中传输的光所走的路径也不同。沿光纤轴前进的光走的路径最短，而与轴线交角大的光所走的路径则较长。光纤通信与电通信相比具有以下的优点：（1）传输频带宽，通信容量大，（传输带宽可达几拾GHz以上，通信容量比电通信大1000-10000倍）。（2）损耗低，传输距离远（目前损耗可达到0.1-0.2dB/km，传输距离能达到几十到几百公里）。（3）不受电磁干扰（由于光纤是非金属介质，所以它不受电磁干扰）。（4）线径细、重量轻、资源丰富，（直径约为0.1mm，制成光纤或光缆所耗材料较少，重量轻，制纤所用的SiO2自然界特别丰富，也易于提取）。（5）抗腐蚀，不易老化（由所用材料所决定）。6.2数字光纤通信系统光纤大容量数字传输系统的两种传输体制：（1）准同步数字系列(PDH)（2）同步数字系列(SDH)。1976年PDH实现了标准化。1984年美国提出了同步光纤网(SONET)。1988年，ITUT(原CCITT)参照SONET的概念，提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议。SDH是一种比较完善的传输体制，这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。随着技术的进步和社会对信息的需求，数字系统传输容量不断提高，网络管理和控制的要求日益重要，宽带综合业务数字网和计算机网络迅速发展，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有：(1)北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容，没有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营运、管理和维护变得十分复杂和困难。(2)各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩大、技术不断更新的要求。

(3)由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。SDH终端复用器TM、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。SDH终端的主要功能是复接/分接和提供业务适配。上图是“数字光纤通信传输系统结构示意图”,分为“数字端机”、“光端机”、“单模光缆”和“光中继机”四大部分。数字端机的主要作用是把用户各种数字信号,包括数字程控交换机和数字接口,通过复用设备组成一定的数字传输结构(帧结构),不同速率等级的数字信号流送至光端机,光端机把数字端机送来的数字信号进行处理,主要以NRZ或RZ编码的形式，变成光脉冲数字信号，送入光纤进行传输,接收端则进行相反的变换。

光端机主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组成。在光发送部分，光电转换器件是光发送电路的核心器件，主要有“发光二极管(LED)”和“激光二极管(LD)”两种。负责把数字脉冲电信号转换为光信号(E/O变换)；在光接收部分，核心的光检测器件主要有“光电二极管（PIN）”和“雪崩二极管（APD）”，将接收到的光信号转换为数字脉冲电信号(O/E变换)。信号处理,主要是指把数字端机送来的HDB3码等数字脉冲信号,转换为普通的二进制NRZ或RZ编码,使之适应光传输的需要。辅助电路主要包括告警、公务、监控及区间通信等等。

光中继机的作用,是将光纤长距离传输后,受到衰耗及色散畸变的光脉冲信号,恢复成标准的数字光信号，进行再次传输，以达到延长传输距离的目的。目前，再生中继方式主要有两种，较常用的是“电中继”方式：它将微弱变形的光信号先转变为电信号，经放大整形后，变成标准的数字电信号，再调制成光信号，继续沿光纤传输；另一种发展迅速的是“直接光中继”方式：直接使用光放大器，将接收到的微弱光信号放大并整形，而不需将其转换为电信号，这种类型的光放大器目前有两种，最成熟的是掺铒光纤放大器(EDFA)，其次，拉曼光纤放大器也是一种很有前途的光放大器。为了提高传输效率，提高带宽利用率，一般情况下通信系统中传输的都是频带信号，主要的复用技术有以下几种：FDMTDMCDMWDM图6.2FDM原理示意图(a)FDM信道划分；(b)FDM系统示意图图6.3TDM原理示意图(a)TDM信道划分；(b)TDM系统示意图图6.4直接序列扩频实现框图波分复用传输系统波分复用传输系统是指在光纤上采用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)技术的系统。WDM本质上是光域上的频分复用(FDM)技术，为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，WDM将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，每一信道占用不同的光波频率(或波长)，在发送端采用波分复用器(合波器)将不同波长的光载波信号合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器(分波器)将这些由不同波长光载波信号组成的光信号分离开来。由于不同波长的光载波信号可以看作是互相独立的(不考虑光纤非线性时)，在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。

WDM系统按照工作波长的波段不同可以分为两类：粗波分复用(CoarseWDM)和密集波分复用(DenseWDM)。最初的WDM系统由于技术的限制，通常一路光载波信号就占用一个波长窗口，最常见的是两波分复用系统(分别占用1310nm和1550nm波长)，每路信号容量为2.5Gb/s，总共5Gb/s容量。由于波长之间间隔很大(通常在几十纳米以上)，故称粗波分复用。现行的DWDM只在1550nm窗口传送多路光载波信号。由于这些WDM系统的相邻波长间隔比较窄(一般在0.8～2nm之间)，且工作在一个窗口内的各路信号共享EDFA光放大器(ErbiumDopedOpticalAmplifier)

，为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统。由于DWDM光载波的间隔很密，因此必须采用高分辨率波分复用器件来选取，如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分复用器件。图6.5是一个点到点的DWDM传输系统结构示意图。图6.5DWDM传输系统结构导致DWDM得以商用化的一个关键技术是1550nm窗口EDFA光放大器(ErbiumDopedOpticalAmplifier)的商用化。EDFA是通过在光纤中掺入少量稀有金属来制成的，使用EDFA后，多路光信号可以共享一个EDFA，EDFA可以直接在光域对它们同时进行放大，而无需像以前那样将每一路光信号先转换回电信号，再进行放大。通常1550nmEDFA整个放大频谱在1530～1565nm内，目前EDFA可以将在此范围内的输入信号增益+20dB以上。EDFA的使用大大降低了构建DWDM系统的成本，为全光网络的实现铺平了道路。但在目前的DWDM系统中，EDFA光放大器和普通的光电光(OEO)再生中继器还将共同存在，通常EDFA用来补偿光纤的损耗，而常规的OEO再生中继器用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真，一般在80～150km左右需设置一个EDFA，对光信号进行放大，每隔数个EDFA则需设置一个OEO再生中继器将光纤进行分段。按照信号在一根光纤中的传送方向来分，目前的DWDM系统分为两类：双纤单向传输系统和单纤双向传输系统。双纤单向指使用两根光纤实现两个方向的全双工通信。单纤双向指将两个方向的信号分别安排在一根光纤的不同波长上传输。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从两个至几十个不等，现在商用化的一般是8波长、16波长、40波长系统，每波长速率为2.5Gb/s或10Gb/s。目前实验系统中已实现了256波长，每信道40Gb/s，传输距离100km的DWDM系统。对于常规的G.652光纤，ITU-TG.692给出了以193.1THz为标准频率，间隔为100GHz的41个标准波长(192.1～196.1THz)，即1530～1561nm波段。现在，人们都喜欢用WDM来称呼DWDM系统。从本质上讲，DWDM只是WDM的一种形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。一般情况下，如果不特指1310nm和1550nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。WDM技术主要有以下优点：(1)可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加了几倍至几十倍，降低了长途传输的成本；(2)WDM对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个WDM系统可以承载多种格式的"业务"信号，如ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于业务层信号来说，WDM的每个波长与一条物理光纤没有分别。(3)在网络扩充和发展中，WDM是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务(如CATV、HDTV和B-ISDN等)的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。光纤通信以它独特的优点被认为是通信史上一次革命性的变革，未来光通信网将替代电缆通信网已被各国所公认，光的各类交换设备在以后将不断推出。光纤通信做为一门新的学科，其发展速度与潜力在通信史上很少有其它技术可与之相比。我国目前在长途和市话通信、微波通信、有线电视、计算机网络等很多领域都已大量采用了光纤通信的手段。自1974年光纤通信开始实用化以来，其传输容量以每4年增加10倍的速度发展。背景

20世纪90年代以来，SDH/SONet已成为传送网络主要的底层技术。它的优点是：技术标准统一，提供对传送网的性能监视、故障隔离、保护切换，以及理论上无限的标准扩容方式。其缺点主要是：SDH/SONet的体系结构是面向话音业务优化设计的，采用严格的TDM技术方案，对于突发性很强的数据业务，带宽利用率不高。6.3光传送网随着Internet和其他面向数据的业务快速增长，未来电信网对通信带宽的增长需求几乎不可预知，而以电TDM为基础的单波长每光纤的SDH/SONet系统，解决带宽的增长需求只有两种手段：埋设更多的光纤，但成本太高，且无法预知埋多少合适；采用TDM技术，提高每信道传输速度，目前商用化的SDH/SONet速度已达40Gb/s，接近电子器件的处理极限，然而仍不能满足带宽的增长需求。下一代网络NGN(

NextGenerationNetwork)/新一代网络(NewGenerationNetwork)是面向数据，基于分组技术的。随着Internet/Intranet上各种宽带业务的应用，未来带宽需求的增长几乎是爆炸性的。因此，需要一种新型的网络体系，它能够使运营商根据业务需求的变更灵活地进行网络带宽的扩充、指配和管理。基于DWDM技术的OTN(光传送网，OpticalTransportNetwork)正是为满足未来NGN的需求而设计的。

OTN与SDH/SONet传送网主要的差异在于复用技术不同，但在很多方面又很相似，例如，都是面向连接的物理网络，网络上层的管理和生存性策略也大同小异。比较而言，OTN有以下主要优点：(1)DWDM技术使得运营商随着技术的进步，可以不断提高现有光纤的复用度，在最大限度利用现有设施的基础上，满足用户对带宽持续增长的需求。(2)由于DWDM技术独立于具体的业务，同一根光纤的不同波长上接口速率和数据格式相互独立，使得运营商可以在一个OTN上支持多种业务。OTN可以保持与现有SDH/SONet网络的兼容性。(3)SDH/SONet系统只能管理一根光纤中的单波长传输，而OTN系统既能管理单波长，也能管理每根光纤中的所有波长。(4)随着光纤的容量越来越大，采用基于光层的故障恢复比电层更快、更经济。与OTN相关的主要标准有：ITU-TG.872，定义了OTN主要功能需求和网络体系结构；ITU-TG.709，主要定义了用于OTN的节点设备接口、帧结构、开销字节、复用方式以及各类净负荷的映射方式，它是ITU-TOTN最重要的一个建议；OTN网络管理相关功能则在G.874和G.875建议中定义。OTN的分层结构

OTN是在传统SDH网络中引入光层发展而来的，其分层结构如图2.15所示。光层负责传送电层适配到物理媒介层的信息，在ITU-TG.872建议中，它被细分成三个子层，由上至下依次为：光信道层(OCh：OpticalChannelLayer)、光复用段层(OMS：OpticalMultiplexingSectionLayer)、光传输段层(OTS：OpticalTransmissionSectionLayer)。相邻层之间遵循OSI参考模型定义的上、下层间的服务关系模式。图2.15OTN的分层结构

1．光信道层

OTN很重要的一个设计目标就是要将类似SDH/SONet网络中基于单波长的OMAP(Operations、Administration、MaintenanceandProvision)功能引入到基于多波长复用技术的光网络中，OCh就是为实现这一目标而引入的。它负责为来自电复用段层的各种类型的客户信息选择路由、分配波长，为灵活的网络选路安排光信道连接，处理光信道开销，提供光信道层的检测、管理功能，并在故障发生时，它还支持端到端的光信道(以波长为基本交换单元)连接，在网络发生故障时，执行重选路由或进行保护切换。2．光复用段层光复用段层是保证相邻的两个DWDM设备之间的DWDM信号的完整传输的，为波长复用信号提供网络功能。该段层功能主要包括：为支持灵活的多波长网络选路重新配置光复用段功能；为保证DWDM光复用段适配信息的完整性进行光复用段开销的处理；光复用段的运行、检测、管理等功能。

3光传输层光传输层为光信号在不同类型的光纤介质上(如G.652、G.655等)提供传输功能，同时实现对光放大器和光再生中继器的检测和控制等功能。例如，通常会涉及功率均衡问题、EDFA增益控制、色散的积累和补偿等问题。在图2.16中描述了OTN各分层之间的相互关系，其中OCh层为来自电层的各类业务信号提供以波长为单位的端到端的连接；OMS层实现多个OCh层信号的复用、解复用；OTS层解决光信号在特定光介质上的物理传输问题，各层之间形成Client/Server形式的服务关系。一个OCh层由多个OMS层组成，一个OMS层又由多个OTS层组成。底层出现故障，相应的上层必然会受到影响。图2.16光传送网各层间的关系2.4.3OTN的帧结构1．数字封包

ITU-TG.709中定义了OTN的NNI接口、帧结构、开销字节、复用以及净负荷的映射方式。如前所述，为了在OTN中实现灵活的OMAP，OTN专门引入了一个OCh层，在该层采用数据封包(DigitalWrapper)技术将每个波长包装成一个数字信封,每个数字信封由三部分组成，如图2.17所示。图2.17光信道的数字封包(1)开销部分(Overhead)：位于信封头部，装载开销字节。利用开销字节，OTN节点可以通过网络传送和转发管理、控制信息、执行性能监视，以及其他可能的基于每波长的网络管理功能。(2)FEC部分：位于信封尾部，装载前向差错校正码FEC(ForwardErrorCorrection)，FEC部分执行差错的检测和校正，与SDH/SONET中采用的BIP-8(BitInterleavedParity)错误监视机制不同，FEC有校正错误的能力，这使得运营商可以为支持不同级别的SLA(ServiceLevelAgreement)。通过最大限度地减少差错，FEC在扩展光段的距离、提高传输速率方面扮演了关键的角色。(3)净负荷部分：位于Header和Trailer之间，它承载现有的各种网络协议数据包，而无需改变它们，因此OTN是独立于协议的。

2．OTN的帧结构

OTN中的帧被称为光信道传送单元(OTU：OpticalChannelTransportUnit)，如前所述，它是通过数字封包技术向客户信号加入开销OH(Overhead)和FEC部分形成的。在G.709中，定义了三种不同速率的OTU-k(k=1，2，3)帧结构，速率依次为2.5Gb/s、10Gb/s、40Gb/s。

如图2.18所示，在OTN中客户层信号的传送经历如下过程：(1)客户信号加上OPU-OH形成OPU(OpticalChannelPayloadUnit)。(2)OPU加上ODU-OH后形成ODU(OpticalChannelDataUnit)。图2.18OTNITU-TG.709客户信号的映射(3)FAS(FrameAlignmentSignal)、OTU-OH、FEC加入ODU形成OTU。最后再加上OCh层非随路的开销(通过OSC传送)，完成OTU到OCh层的映射，并将其调制到一个光信道载波上传输。我们看到一个OTUk由以下三部分实体组成：(1)OPUk：由净负荷和开销组成，净负荷部分包含采用特定映射技术的客户信号，而开销部分则包含用于支持特定客户的适配信息，不同类型的客户都有自己特有的开销结构。(2)ODUk：除OPUk外,ODUk号包含多个开销字段，它们是PM(PathperformanceMonitoring)、TCM(TandemConnectionMonitoring)和APS/PCC(AutomaticProtectionSwitching/ProtectionCommunicationControlchannel)等。(3)OTUk：除ODUk外，还包括FEC和用于管理及性能监视的开销SM(SectionMonitoring)。FEC则基于ITU-TG.975建议的ReedSolomon算法。图2.19OTN的帧结构和开销字节

3．OTN的时分复用

OTN的时分复用采用异步映射方式，规则如下：四个ODU1复用成一个ODU2，四个ODU2复用成一个ODU3，即16个ODU1复用成一个ODU3。图2.20描述了四个ODU1信号复用成一个ODU2的过程。包含帧定位字段(Alignment)和OTU1-OH字段为全0的ODU1信号以异步映射方式与ODU2时钟相适配，适配后的四路ODU1信号再以字节间插的方式进入OPU2的净负荷区。加上ODU2的开销字节后，将其映射到OTU2中，最后加上OTU2开销、帧定位开销和FEC，完成信号的复用。M图2.20OTN的时分复用2.4.4光传送网的结构实现光网络的关键是要在OTN节点实现信号在全光域上的交换、复用和选路，目前在OTN上的网络节点主要有两类：光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)。

1．光分插复用器

OADM主要是在光域实现传统SDH中的SADM在时域中实现的功能，包括从传输设备中有选择地下路(Drop)去往本地的光信号，同时上路(Add)本地用户发往其他用户的光信号，而不影响其他波长信号的传输。与电ADM相比，它更具透明性，可以处理不同格式和速率的信号，大大提高了整个传送网的灵活性。

2．光交叉连接器

OXC的主要功能与传统SDH中的SDXC在时域中实现的功能类似，不同点在于OXC在光域上直接实现了光信号的交叉连接，路由选择，网络恢复等功能，无需进行OEO转换和电处理，它是构成OTN的核心设备。十几种的OXC节点还应包括光监控模块、光功率均衡模块以及光网络管理系统等。

3．典型的OTN拓扑结构图2.21描述了一个三级OTN结构。在长途核心网络中，为保证高可靠性和实施灵活的带宽管理，通常物理上采用网孔结构，在网络恢复策略上可以采用基于OADM的共享保护环方式，也可以采用基于OXC的网格恢复结构。在城域网中和接入网中则主要采用环形结构。图2.21光网络的结构在现有的公路机电系统中，大量的收费系统数据，气象信息数据，交通检测与控制信息，视频图像信息，语音信息等都是以靠光纤数字通信网络来传输的。通常，在高速公路的两边都预埋了通信用的光纤或光缆，预留了大量的光接点，在高速公路建成后，相应的光纤传输系统也建成了局域网或广域网。用光纤作为网络介质的LAN(LocalAreaNetwork)技术主要是光纤分布式数据接口（FDDI），FDDI是一种高性能的光纤令牌环LAN，运行速度为100Mb/s。使用多模光纤站间距离可达2km；使用单模光纤站间距离可超过20km。FDDI标准允许有200km的长度和1000个网络节点，它相当于500个节点和100km长的双光纤网。6.4同步光纤数字通信网络与公路光纤数字通信网

FDDI标准所关注的领域包括：（1）网络介质：光缆；（2）设备：站和集中器；（3）拓扑形式：双环配置。FDDI可以按与任何802局域网同样的方式使用，由于它的高宽带，还可以作为网络的主干，并对铜线介质局域网进行互联。目前除高速公路外，某些较大的单位的内联网往往采用100MFDD作为主干连接各分支单位局域网。有些路由器与集线器或服务器之间也用100M通道。一、宽带网与光纤网为了将叙述更为简明，选择在高速公路中已普遍使用的收费问题（收费系统的传输技术）为例来说明光纤在高速公路中的应用。由于高速公路上往往预留了光纤管道或已铺设了光缆，并且收费系统一般都接上了有线电视监控（CCTV）系统；同时，社会对宽带业务需求的大量增加，有力地促进了宽带技术的蓬勃发展。（1）宽带网这里所说的“宽带”主要指使用模拟信号。信号在宽带电缆上单向传输，一般采用FDM（频分复用）技术，把约400MHz电缆频带分为多个子频率或信道，形成多信道宽带系统。若宽带系统仅使用单个频带模拟信号，则为单信道宽带系统。宽带网常采用总线或树形拓扑结构。因使用模拟信号，传输距离可达数十公里，比一般的基带网仅仅传输几千米的范围大的多。由于宽带网有多个信道，容易支持数据、语音、图形和图像信号同时在电缆上传送，满足多媒体信息传输的需要，因而宽带系统将成为今后局域网发展的主要方向。宽带电缆使用现成的CATV标准元件，包括电缆、端电阻、放大器、分配器及接头和控制器等。（2）光纤网由于光纤传输数据的频带宽，使得光纤在网络的应用上有了很大的发展。光通信技术近年来已成功地应用于远程通信和电话系统，某些发达国家用光缆取代电缆并用光缆装备组成新的通信系统。组成完整的光纤系统需要光纤、光缆、光源和光接收器等。单模光纤的纤芯极细，使用单模光纤，脉冲色散能够基本清除，因此可以将大量信息传输到很远的距离。光纤不能直接原样使用，需要外加保护层。多股光纤组合在一条光缆里，可以进一步增加光的强度。光源可以是LED，也可以是激光二极管。光接收器也是光电半导体设备，它足以把光信号变成电信号。光纤局域网的结构有光纤环网、无源线性总线光纤网、无源星耦合光纤和有源星耦合光纤网。二、封闭式收费系统采用的管理结构（1）封闭式收费系统采用的管理结构封闭式收费系统的收费站建立在各互通立交出入匝道上，每个站管辖若干出入口，车辆在入口停车，进行车型判别，领取通行券，在出口通过通行券确定应交纳的通行费。封闭式收费系统能严格按车种和行车里程收费，控制少收、漏收情况，便于高速公路的运营管理，还能兼顾出入口的交通管理。封闭式收费系统的特点就是需要通行券作为收费凭证，记录车辆的车型、入口站名和入口的其他信息，以便于在出口时确定应收余额。借助通行券上的信息，还可以获得多种交通信息，如各出入口的交通流量、各立交交通流量的分配、各路段交通量及平均车速等，同时还能对收费人员的工作量、差错率和工作效率等实行跟踪管理与考核。

基于封闭式收费系统的这些特点，其计算机网络（利用光纤传输）应能将高速公路沿线的收费站统一起来管理，而用各个收费站也能统一管理本站的各个收费道口。

（2）收费系统局域网的组网方式通常，收费站的各个车道与收费站之间距离不超过1km，可以将车道计算机和站级计算机用局域网方式进行连接。在收费站网络中，最常用的是以太局域网。此外还有以集线器为中心的星形局域网，集线器自身具有各个端口互相独立的特点，使星形局域网能实现由一个功能强的服务器管理若干功能简单的微机的工作方式。下面介绍某高速公路计算机收费系统的网络情况。某高速公路收费系统的计算机网络是由14个收费站的局域网组成的广域网。各个收费站采用以光纤为传输介质，以集线器（HUB）为中心的星形局域网结构，如图5.5.11所示。图5-72高速公路收费系统局域网结构图由于其传输介质成本不是主要考虑的因素，考虑到公路现场的抗干扰