通信系统与技术基础-光纤通信技术

通信系统和技术基础4.光纤通信技术4.1光纤通信概述4.2光纤通信系统的组成4.3光纤通信传输介质4.4光纤传输网4.5光纤接入网4.1光纤通信概述

光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。下面

为光纤通信发展历史：1966年，华裔科学家高锟发表论文提出用石英制作玻璃丝（光纤），并证明了如果其损耗降到20dB/km以下，即可用于通信。1970年，康宁（Corning）公司研制出损耗低20dB/km、长约30m的石英光纤。1976年贝尔实验室在华盛顿亚特兰大建立了一条实验线路，传输速率仅45Mbit/s。1984年，通信用的半导体激光器研制成功，光纤通信的传输速率达到144Mbit/s，可同时传输1920路电话。4.1光纤通信概述1992年，一根光纤的传输速率达到2.5Gbit/s，可同时传输3万余路电话。1996年，各种波长的激光器研制成功，可实现多波长多通道的光纤通信，即所谓“波分复用”技术，也就是在一根光纤内，传输多个不同波长的光信号2000年，利用波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技术，一根光纤的传输速率达到640Gbit/s。4.1光纤通信概述对于电缆或微波通信，光纤通信具有如下独特的优点：1．通信频带宽，容量高2．低损耗，中继距离长3．强抗干扰性能4．无串音干扰，保密性强5．线径细，重量小4.2光纤通信系统的组成

基本的光纤通信系统由光发信机、光学信道和光收信机组成。

在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1”码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。光纤通信系统主要包括如下几个部分，如图4-1所示：图4-1光纤通信系统的基本组成4.2光纤通信系统的组成1.光发信机光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。2.光收信机光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。3.光纤光纤构成光的传输通路。其功能是将光发信机发出的已调光信号，经过光纤的远距离传输后，耦合到光收信机的光检测器上去，完成传送信息任务。4.中继器中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；二是对波形失真的脉冲进行整形。4.3光纤通信传输介质

光纤通信的传输介质称为光纤（光导纤维的简称），是一种由玻璃或塑料制成的纤维。光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，如图4-2所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。核心部分是纤芯和包层，其中纤芯由高度透明的材料制成，是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯，使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆，如图4-3所示。

4.3.1光纤的结构图4-2光纤结构图4-3光缆结构4.3.2光纤的种类（1）根据光纤横截面上折射率的不同，光纤可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤。（2）按传输模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤两种。其中，单模光纤又可以按照最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1310nm。色散位移型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如1310nm和1550nm。（3）按照制造光纤所用的材料可以分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。

4.3.3光纤传输特性

损耗和色散是光纤的主要的传输特性，它们限制了系统的传输距离和传输容量。

1．光纤的损耗

（1）吸收损耗（2）散射损耗（3）辐射损耗

2．光纤的色散

（1）材料色散（2）模式间色散（3）波导色散（4）偏振模色散

4.4光纤传输网

4.4.1传输网的发展

传输网是用作传送通道的网络，一般架构在交换网、数据网和支撑网之间，为各种专业网提供透明传输通道。现在电信传输网主要是以光纤为传输介质的光纤传输网。图4-4所示为传输网、接入网在电信网中的位置。

图4-4传输网、接入网在电信网中的位置4.4.1传输网的发展

传输网经历了从模拟到数字、从电缆到光缆、从几十千比特每秒的低速到几吉比特每秒甚至几万吉比特每秒的高速、从刚性通道到弹性通道的变化。在通信技术发展的过程中，典型的数字承载技术，在分组传送网（PacketTransportNetwork，PTN）和IP无线接入网（IPRadioAccessNetwork，IPRAN）出现以前，已经有很多种成熟的承载技术，典型的有准同步数字体系（PDH）、同步数字体系（SDH）、多业务传送平台（MSTP）、路由交换、ATM、密集波分复用（DWDM）、光传送网（OTN）技术等。

4.4.2SDH

1．基本原理在SDH传输网中，信息采用标准化的模块结构，即同步传送模块STM-N（N=1、4、16、64和256）（SynchronousTransportModulelevelN，同步传输模块N级），其中N=1是基本的标准模块信号。STM-N信号帧结构的安排应尽可能使支路的低速信号在一帧内均匀、有规律地分布，以便于实现支路信号的同步复用、交叉连接、分/插和交换，说到底就是为了方便地从高速信号中直接上/下低速支路信号。4.4.2SDH

SDH的整个帧结构大体可分为段开销（SectionOverhead，SOH）、管理单元指针（AdministrationUnitPoinTeR，AU-PTR）和净荷（Payload）的3个区域（1）段开销

段开销（SOH）是为了保证信息净荷正常传送所必须附加的网络OAM字节。

SOH又分为再生段开销（RegeneratorSectionOverhead，RSOH）和复用段开销（MultiplexSectionOverhead，MSOH），可分别对相应的段层进行监控。4.4.2SDH（2）管理单元指针管理单元指针（AU-PTR）是用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧内的准确位置的指示符，以便接收端能根据这个位置指示符的值（指针值）准确分离信息净负荷。（3）净荷净荷即信息净荷，每个帧中存放净荷的区域称为净荷域，也就是在STM-N帧结构中存放将由STM-N传送的各种用户信息码块的地方。2．SDH传输业务信号时的步骤SDH传输业务信号时，各种业务信号要进入SDH的帧都要经过映射、定位和复用3个步骤，具体如下。4.4.2SDH（1）映射是将各种速率的信号先经过码速调整装入相应的标准容器，再加入通道开销POH形成虚容器（VirtualContainer，VC）的过程，帧相位发生偏差被称为帧偏移。（2）定位是将帧偏移信息收进支路单元（TributaryUnit，TU）或管理单元（AdministrationUnit，AU）的过程，它通过支路单元指针（TributaryUnitPointer，TUPTR）或管理单元指针（AdministrationUnitPointer，AUPTR）的功能来实现。（3）复用是一种使多个低阶通道层的信号适配进高阶通道层，或把多个高阶通道层信号适配进复用层的过程。4.4.3MSTP

MSTP是指基于SDH平台同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点。

MSTP的出现不仅减少了大量独立的业务节点和传送节点设备，简化了节点结构，而且降低了设备成本，加快了业务提供速度，改进了网络扩展性，节省了运营维护和培训成本，还提供了诸如虚拟专用网（VirtualPrivateNetwork，VPN）或视频广播等新的增值业务。

MSTP基于SDH的多业务传送节点可根据网络需求应用在承载网的接入层、汇聚层等4.4.4PTN1．PTN概念和特性

PTN支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道，具有这些优点：适合各种粗细颗粒业务、端到端的组网能力，提供了更加适合IP业务特性的弹性传输管道；具备丰富的保护方式，遇到网络故障时能够实现50ms的电信级业务保护倒换，实现传输级别的业务保护和恢复；继承了SDH技术的OAM机制，具有点对点连接的“完美”OAM体系，保证网络具备保护切换、错误检测和通道监控能力；完成了与IP/MPLS多种方式的互连互通，无缝承载核心IP业务；网管系统可以控制连接信道的建立和设置，实现了业务QoS的区分和保证，灵活提供服务等级协议.4.4.4PTN2．PTN的典型技术

就实现方案而言，PTN可分为以太网增强技术和传输技术结合多协议标签交换（Multi-ProtocolLabelSwitching，MPLS），前者以骨干桥流量工程（ProviderBackboneBridge-TrafficEngineering，PBB-TE）为代表，后者以面向连接的多协议标签交换（Transport

MPLS，T-MPLS）为代表.T-MPLS网络分为层次清晰的3个层面：数据转发平面（也称传送平面）、控制平面和管理平面。4.4.4PTN3．PTN组网应用

PTN设备目前是承载网组网最主要的设备，大型的承载网在逻辑上可以划分为4个层次：接入层、汇聚层、核心层和骨干层，如图4-5所示接入层是承载网中离用户最近的一层，它下连基站和其他接入设备。接入层的传输速率都比较低，通常为155Mbit/s～1Gbit/s；汇聚层在接入层的上一层，汇聚层的传输速率比接入层要高，通常为622Mbit/s～10Gbit/s；核心层处于区域（一般是省）网络的核心，核心层的传输速率通常在1Gbit/s～10Gbit/s；骨干层是整个承载网的枢纽，包括省级骨干层和国家级骨干层，只有跨省数据才需要进入骨干层传输，骨干层的传输速率在10Gbit/s到Tbit/s数量级。4.4.4PTN图4-5承载网的分层4.4.5WDM/OTN1．WDM概述

波分复用（WDM）是将多路不同波长的光载波信号经复用器合成一路在光纤上传输的技术。采用这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送。每一路对应的就是一个波长信道。

在WDM技术发展的早期，相邻波道的间隔一般较大，通常大于20nm，波长数不超过16个，我们将这样的WDM技术称为稀疏波分复用（CWDM）。与之相对，如果信道间隔缩小到1.6nm、0.8nm或更小，系统的波长数在32个以上，则称为密集波分复用（DWDM）。4.4.5WDM/OTN2．WDM原理

WDM技术就是充分利用了单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的波长不同，可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一个波分解复用器（分波器）将这些不同波长的承载不同信号的光载波分开。WDM原理示意如图4-6所示。如果不考虑光纤非线性，不同波长的光载波信号可以看作互相独立，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。4.4.5WDM/OTN图4-6WDM原理示意目前DWDM的应用最为广泛，其技术特点如下。（1）充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。（2）具有在同一根光纤中，传送数个非同步信号的能力，有利于数字信号和模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出或加入信道。4.4.5WDM/OTN（3）对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统做大改动，具有较强的灵活性。（4）由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本。当出现故障时，恢复起来也迅速方便。（5）有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。（6）系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性。4.4.5WDM/OTN3．OTN

光传送网（OTN）是以WDM技术为基础，在光层实现业务信号的传送、复用、路由选择、监控，并且保证其性能指标和生存性的传送网络。OTN解决了传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力差、组网能力弱、保护能力弱等问题。OTN跨越了传统的电域（数字传送）和光域（模拟传送），是管理电域和光域的统一标准。OTN处理的基本对象是波长级业务，它将传送网推进到真正的多波长光网络阶段。4.4.5WDM/OTN（1）OTN的技术特性①多种客户信号封装和透明传输。②大颗粒的带宽复用、交叉和配置。③强大的开销和维护管理能力④增强了组网和保护能力（2）OTN技术架构OTN的架构分为光通道层（OCH）、光复用层（OMS）、光传送层（OTS）三部分，如图4-7所示。图4-7OTN网络分层4.4.5WDM/OTN（3）OTN应用

基于OTN的传送网主要由省际干线传送网、省内干线传送网、城域（本地）传送网构成，而城域传送网可进一步分为核心层、汇聚层和接入层。相对SDH而言，OTN技术的最大优势就是提供大颗粒带宽的调度与传送，因此在不同的网络层面是否采用OTN技术，取决于主要调度业务带宽颗粒的大小。4.5光纤接入网光纤接入网（OpticalAccessNetwork，OAN）中应用的光纤接入技术是目前电信网中发展最为快速的接入网技术。光纤接入网具有支持更高速率的宽带业务，可以有效解决接入网的“瓶颈效应”。它具有传输距离长、质量高、可靠性好、易于扩容和维护的优点。光纤接入技术是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体的接入技术，将这种技术应用于接入网，就是我们所说的光纤接入网。4.5.1无源光网络光纤接入网可以分为有源光网络（ActiveOpticalNetwork，AON）和无源光网络（PassiveOpticalNetwork，PON）两种。无源光网络所用的器件包括光纤、无源光分路器（PassiveOpticalSplitter，POS）等，都是无源器件，所以它被称为“无源光网络”。无源光网络（PON）的组网如图4-8所示。图4-8无源光网络的组网4.5.1无源光网络

PON由三个部分构成：光线路终端（OpticalLineTerminal，OLT）、光网络单元（OpticalNetworkUnit，ONU）及光分配网络（OpticalDistributionNetwork，ODN）。OLT是光纤接入网中的局端设备，它通过各种接口与业务网络（电信网、互联网、广电网）相连。

ONU是光纤接入网中的用户侧设备，实现收发双向的光电或电光转换。

ODN就是两个有源设备OLT和ONU之间所有光纤、无源分光器、光配线设备组成的一个网络，整个网络中没有任何有源器件。4.5.1无源光网络无源光接入网的优势具体体现:（1）无源光网络体积小，设备简单，安装维护费用低，投资相对也较小。（2）无源光设备组网灵活，拓扑结构可支持树形、星形、总线型、混合型、冗余型等网络拓扑结构。（3）安装方便，它分为室外型和室内型。（4）无源光网络适用于点对多点通信，仅利用无源分光器实现光功率的分配。（5）无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。（6）无源光网络扩容比较简单，不涉及设备改造，只需设备软件升级，硬件设备一次购买，即可长期使用，为光纤入