第5章光纖傳輸系統(tǒng)

《光纖通信簡明教程》原榮1第5章光纖傳輸系統(tǒng)5.1光纖通信系統(tǒng)基礎5.2SDH光纖傳輸系統(tǒng)5.3異步傳輸模式（ATM）技術5.4IP互聯網5.5光纖/電纜混合（HFC）網5.6波分復用（WDM）系統(tǒng)5.7光正交頻分復用（O-OFDM）光纖傳輸系 統(tǒng)5.8光纖技術在移動通信中的應用《光纖通信簡明教程》原榮2前言至此，我們已介紹了構成光纖傳輸系統(tǒng)所必須的傳輸介質—光纖和光纜，用于發(fā)射光信號的激光器和光發(fā)射機，用于接收光信號的光探測器和光接收機，在傳輸線路中對光信號進行放大的光放大器，以及光纖傳輸系統(tǒng)經常用到的光無源器件。本章將首先簡要介紹數字通信的基礎——脈沖編碼（PCM），光纖傳輸系統(tǒng)用到的調制、編碼和復用技術；接著講解光纖通信系統(tǒng)或網絡，如同步數字制式（SDH）系統(tǒng)、異步傳輸模式（ATM）技術和國際互聯網協議（IP）；然后介紹光纖/電纜混合（HFC）網、波分復用（WDM）系統(tǒng)；最后給出光正交頻分復用（O-OFDM）光纖傳輸系統(tǒng)和射頻信號光纖傳輸（RoF）系統(tǒng)?！豆饫w通信簡明教程》原榮35.1概述5.1.1脈沖編碼——將模擬信號變?yōu)閿底中盘?.1.2信道編碼——減少誤碼方便時鐘提取5.1.3信道復用——提高信道容量，充分利用光纖帶寬5.1.4光調制——讓光攜帶聲音和數字信號《光纖通信簡明教程》原榮45.1光纖通信系統(tǒng)的構成光纖通信系統(tǒng)目標：利用光纖的優(yōu)良傳輸特性實現

大容量通信：光頻率高

長距離通信：光纖損耗極低

高可靠性通信：保密性，抗干擾性為各種信息提供傳送服務光纖通信系統(tǒng)的種類：按傳輸信號類型分：

模擬光纖通信系統(tǒng)，數字光纖通信系統(tǒng)

按光波的調制檢測手段分

非相干光通信系統(tǒng)（IM-DD強度調制直接檢波方式）

相干光通信系統(tǒng)：相干調制和外差檢測，相干調制利用要傳輸的信號來改變光載波的頻率、相位和振幅，外差檢測，利用一束與本機振蕩產生的激光與輸入的信號光在混頻器中進行混頻，得到與信號光的頻率、相位和振幅按相同規(guī)律變化的中頻信號《光纖通信簡明教程》原榮55.1光纖通信系統(tǒng)的構成光纖通信系統(tǒng)的種類：按光載波路數分：

單路光纖通信系統(tǒng)，多路光纖通信系統(tǒng)

按波長劃分

長波長（1.31,1.55），中繼距離小于或等于10Km

短波長（0.85），中繼距離大于100Km

超長波長（大于2um），中繼距離大于或等于1000Km，使用非石英光纖

按光纖模式分：

單模光纖通信系統(tǒng)：采用單模光纖，容量大，距離長。多模光纖通信系統(tǒng)：多模梯度光纖，傳輸頻率受限，140Mbit/s

孤子光通信：用光纖的非線性進行超大容量，超長距離的通信方式。光孤子是一種特殊的波《光纖通信簡明教程》原榮65.1光纖通信系統(tǒng)的構成單路數字非相干光纖通信系統(tǒng)《光纖通信簡明教程》原榮75.1光纖通信系統(tǒng)的構成在電域對信息進行必要的處理：數字化模擬信號----數字信號抽樣、量化、編碼（PCM）復用單路數字電信號---多路數字電信號碼型變換NRZ---線路碼型常用的電線路碼型包括AMI，HDB3、CMI等

在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸的雙極性碼。光源不可能發(fā)射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適合于數字光纖通信系統(tǒng)傳輸的要求。數字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。

數字光纖通信是數字通信和光纖通信的優(yōu)化組合

數字通信：抗干擾能力強，易于集成，轉接方便

光纖通信：頻帶寬因此在通信網中數字通信是光纖通信的主要方式《光纖通信簡明教程》原榮95.1.1脈沖編碼——

將模擬信號變?yōu)閿底中盘柟饫w通信系統(tǒng)光源的發(fā)射功率和線性都有限，因此通常選擇二進制脈沖傳輸，因為傳輸二進制脈沖信號對接收機SNR的要求非常低（15.6dB），對光源的非線性要求也不苛刻。脈沖編碼調制（Pulse-CodeModulation，PCM）是光纖傳輸模擬信號的基礎。解碼后的基帶信號質量幾乎只與編碼參數有關，而與接收到的SNR關系不大。假如接收到的信號質量不低于一定的誤碼率，此時解碼SNR只與編碼比特數有關。圖5.1.1表示PCM編碼過程。在說明該圖之前，讓我們簡要地介紹一下實現PCM通信的3個最基本的過程，即取樣、量化和編碼?！豆饫w通信簡明教程》原榮101.取樣取樣是分別以固定的時間間隔T取出模擬信號的瞬時幅度值(簡稱樣值)的過程，如圖5.1.1(b)所示。要想實現模擬/數字(A/D)變換,首先要進行取樣。取樣定理:若取樣頻率不小于模擬信號帶寬的兩倍，則取樣后的樣值波形只需通過低通濾波器即可恢復出原始的模擬信號波形。圖5.1.1(b)表示具體的取樣過程，由圖可見，時間上連續(xù)的信號變成了時間上離散的信號，因而給時分多路復用技術奠定了基礎。但這種樣值信號，本身在幅度取值上仍是連續(xù)的（稱為脈沖幅度調制（PAM）信號），因此仍屬模擬信號，它不僅無法抵御噪聲的干擾，而且也不能用有限位數的二進碼組加以表示?！豆饫w通信簡明教程》原榮11圖5.1.1PCM編碼過程《光纖通信簡明教程》原榮122.量化所謂量化指的是將幅度為無限多個連續(xù)樣值變成有限個離散樣值的處理過程。具體來說，就是將樣值的幅度變化范圍劃分成若干個小間隔，每一個小間隔稱之為一個量化級，當某一樣值落入在某一個小間隔內時，可采用“四舍五入”的方法分級取整，近似看成某一規(guī)定的標準數值。這樣一來，就可以用有限個標準數值來表示樣值的大小。當然量化后的信號和原來的信號是有差別的，稱之為量化誤差，對于圖5.1.1(c)所示的均勻量化，各段的量化誤差均為

0.5。經過量化后的各樣值可用有限個值來表示，進而即可進行編碼?！豆饫w通信簡明教程》原榮133.編碼《光纖通信簡明教程》原榮14表5.1.18個樣值電平值與二進制代碼的對應關系至此，將一路模擬信號變成用二進制代碼表示的脈沖信號的處理過程就結束了。所產生的信號稱之為PCM信號。而描述所含信息量的大小，可用傳輸速率來表示，即每秒鐘所傳輸的碼元（比特）數目（比特/秒，bit/s）?！豆饫w通信簡明教程》原榮15我國PCM通信制式的基礎速率《光纖通信簡明教程》原榮164.PCM編碼《光纖通信簡明教程》原榮174.PCM編碼《光纖通信簡明教程》原榮185.1.2信道編碼

——減少誤碼方便時鐘提取

對數字信號進行編碼的理由是：(1)為了使接收再生電路把相位或頻率鎖定到信號定時上；(2)因為光接收機采用電容耦合，接收機不能對直流和低頻分量響應，使長連零信號的幅度逐漸下降，經判決電路后會產生誤碼，如圖5.1.3所示?！豆饫w通信簡明教程》原榮19圖5.1.3光接收機電容耦合使長連零信號幅度下降導致判決產生誤碼《光纖通信簡明教程》原榮20幾種有效的信道編碼方式使非歸零碼（NRZ）的“1”碼在T/2周期時由高電平變成低電平，即由非歸零碼變成歸零碼（RZ）；使用產生隨機碼的編碼多項式對NRZ碼進行擾碼，確保長連“1”（高電平）或長連“0”（低電平）光脈沖串不出現；使用相位調制碼，如曼徹斯特（Manchester）編碼，不管輸入信號如何，輸出占空比總是50%，如圖5.1.6（c）所示；在P-I特性的線性部分的半功率點偏置LED或LD，這樣發(fā)射光脈沖是雙極性碼，相當于三電平編碼，如圖5.1.6（d）所示；在半功率點偏置光源，并用差分輸入信號驅動它，發(fā)射脈沖總是正負相間變化，因此減小了所有的低頻分量，如圖5.1.6（e）和圖5.1.6（f）所示；使用很高電平的窄脈沖進行脈沖位置調制（PPM），在判決前進行積分和再生，以便恢復輸入信號，如圖5.1.6（g）所示。簡單的二電平碼會帶來如下問題：

?在碼流中，出現“１”碼和“0”碼的個數是隨機變化的，因而直流分量也會發(fā)生隨機波動(基線漂移)，給光接收機的判決帶來困難。

?在隨機碼流中，容易出現長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產生較大的定時誤差。

?不能實現在線(不中斷業(yè)務)的誤碼檢測，不利于長途通信系統(tǒng)的維護?！豆饫w通信簡明教程》原榮22編碼的目的使輸出的二進制碼不要產生長連“1”或長連“0”，而是使“1”碼和“0”碼盡量相間排列。這樣既有利于時鐘提取，也不會產生因長連零信號幅度下降使判決產生誤碼。

數字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求是保證傳輸的透明性，具體要求有：

(1)能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機的靈敏度。

(2)能給光接收機提供足夠的定時信息。因而應盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時信息豐富。

(3)能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。4.3.1擾碼為了保證傳輸的透明性，在系統(tǒng)光發(fā)射機的調制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。相應地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應的前饋移位寄存器實現。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…①不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現②沒有引入冗余，不能進行在線誤碼監(jiān)測；③信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，所以許多光纖通信設備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。擾碼有下列缺點：4.3.2mBnB碼

mBnB碼是把輸入的二進制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數，n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

1.mBnB碼編碼原理最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“０”和連“１”的數目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。

以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個碼字，變換為4B碼時，共有(24)16個碼字，見表4.2。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。設計者應根據最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變?yōu)?B碼時補1個“１”；在3B碼中有2個“1”，變?yōu)?B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B

表4.23B和4B的碼字

作為普遍規(guī)則，引入“碼字數字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字數字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個碼字的代數和即為WDS。如果整個碼字“１”碼的數目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數目多于“1”碼，則WDS為負；如果“0”碼和“1”碼的數目相等，則WDS為0。例如：對于0111，WDS=+2；對于0001，WDS=-2；對于0011，WDS=0。nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例，應選擇WDS=0和WDS=±2的碼字，禁止使用WDS=±4的碼字。表4.3示出根據這個規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負組交替使用。線路碼（4B）信號碼（3B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表4.3一種3B4B碼表

我國3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規(guī)則如下：

5B碼共有(25)32個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=±2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“１”和連“0”的數目，刪去：000011、110000、001111和111100。當然禁用WDS=±4和±6的碼字。表4.4示出根據這個規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負組交替使用。表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。線路碼（6B）信號碼（5B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表mBnB碼是一種分組碼，設計者可以根據傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點是：

(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數目較少，定時信息豐富。(2)高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小

(3)在碼流中引入一定的冗余碼，便于在線誤碼檢測。mBnB碼的缺點是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數量的區(qū)間通信的設備中，不宜用這種碼型。2.編譯碼器有兩種編譯碼電路：

?一種是組合邏輯電路，就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個大規(guī)模專用集成塊，國外設備大多采用這種方法。

?一種是把設計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)內而構成，國內設備一般采用這種方法。以3B4B碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖4.22。首先把設計好的碼表存入PROM內，待變換的信號碼流通過串-并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼，在地址碼作用下，PROM根據存儲的碼表，輸出與地址對應的并行4B碼，再經過并-串變換電路，讀出已變換的4B碼流。

圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當WDS=±2時，從A、B分別送出控制信號，通過C線決定組別。

譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。譯碼時，把送來的已變換的4B信號碼流，每4比特并聯為一組，作為PROM的地址，然后讀出3B碼，再經過并-串變換還原為原來的信號碼流。其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復雜程度有所區(qū)別。

4.3.3插入碼

插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特(mB)-一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線路碼流。根據插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。

1.插入碼的編碼原理

mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特(mB)一組，然后在每組mB碼的末尾插入1比特補碼，這個補碼稱為C碼，所以稱為mB1C碼。補碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“1”碼的數目最少。mB1C碼的結構如圖4.23所示，例如：

mB碼為：100110001101……mB1C碼為：1001110100101010……C碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監(jiān)測；同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。mB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應的碼位上插入一個混合碼(H碼)，所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據不同用途分為三類：第一類是C碼，它是第m位碼的補碼，用于在線誤碼率監(jiān)測；第二類是L碼，用于區(qū)間通信；第三類是G碼，用于幀同步、公務、數據、監(jiān)測等信息的傳輸。

圖4.23mB1C碼的結構

常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。以4B1H碼為例，它的優(yōu)點是碼速提高不大，誤碼增值??；可以實現在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。

缺點是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進行4B1H變換，可以滿足通信系統(tǒng)的要求。

在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗碼，其作用和C碼相似，但P碼有以下兩種情況：

(1)P碼為奇校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內“1”碼的個數為奇數，例如：mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1000000100101101……

當檢測得m+1個碼內“１”碼為奇數時，則認為無誤碼。(2)P碼為偶校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內“１”碼的個數為偶數，例如：mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1001000000111100……

當檢測得m+1個碼內“１”碼為偶數時，則認為無誤碼。2.編譯碼器和mBnB碼不同，mB1H碼沒有一一對應的碼結構，所以mB1H碼的變換不能采用碼表法，一般都采用緩存插入法來實現。圖4.24示出4B1H編碼器原理，它由緩存器、寫入時序電路、插入邏輯和讀出時序電路四部分組成。4B1H碼是每4個信號碼插入一個H碼，因此變換后碼速增加1/4。設信號碼的碼速為34368kb/s，經4B1H變換后，線路碼的碼速為(5/4)34368kb/s=42960kb/s。34368kb/s的NRZ信號碼送入緩存器。圖4.244B1H編碼器原理

緩存器是4D觸發(fā)器，它利用鎖相環(huán)中的4分頻信號作為寫入時序脈沖，隨機但有順序地把34368kb/s信號碼流分為4比特一組，與H碼一起并聯送入插入邏輯。

插入邏輯電路實際上是一個5選1的電路，它利用鎖相環(huán)中5分頻電路輸出讀出時序脈沖。由插入邏輯輸出碼速為42960kb/s的4B1H碼。圖4.25示出4B1H譯碼器原理，它由B碼還原、H碼分離、幀同步和相應的時鐘頻率變換電路組成。把42960kb/s的4B1H碼加到緩存器，因4B1H碼是5比特為一組，所以緩存器應有5級，并用不同的時鐘寫入。圖4.254B1H譯碼器原理

頻率變換電路要保證向各個部分提供所需的準確時鐘信號。通過緩存器，實際上已把B碼和H碼分開，只要用34368kHz的時鐘把B碼按順序讀出，B碼就還原了。

B碼的還原電路實際上就是并串變換電路，由4選1電路來實現。數字光纖通信系統(tǒng)常用幾種線路碼的主要性能列于表4.5?！豆饫w通信簡明教程》原榮51SDH干線采用擾碼的NRZ碼大多數高性能干線系統(tǒng)使用擾碼的NRZ碼，如SDH干線。這種碼型最簡單，帶寬窄，SNR高，線路速率不增加，沒有光功率代價，無需編碼，只要一個擾碼器即可，使其最適合長距離系統(tǒng)應用。《光纖通信簡明教程》原榮52CMI編碼ITU-TG.703建議中規(guī)定：PDH接口速率139.264Mb/s使用；SDH接口速率155.520

Mb/s的物理/電接口使用；CMI編碼規(guī)定輸入碼字為“0”時，輸出為01；輸入碼字為“1”時，輸出為00或11?！豆饫w通信簡明教程》原榮53線路碼型的主要參數(1)碼速提高率H若普通二進制的碼速率為f1，線路碼的碼速率為f2，則H=(f2-f1)/f1?100%(2)最大同符號連續(xù)次數不同碼型計算方法不同(3)誤碼倍增系數M=還原二進制碼中的總誤碼數/線路碼中總誤碼數誤碼倍增：傳輸中發(fā)生的誤碼使接收端的解碼發(fā)生多個錯誤要使M小必須付出光功率的代價(4)翻轉電平差DD=誤碼時高電平碼元總數/正常時高電平碼元總數《光纖通信簡明教程》原榮54線路碼型的主要參數(5)冗余度R線路碼型變換前后碼流大小不一樣，變換后的碼流冗余了部分定時、監(jiān)測、管理等信息R=(f2-f1)/f1

R大的線路碼傳送速率低，但傳送輔助信號能力強，充分利用冗余部分，R大些也值得，R大碼型實現簡單《光纖通信簡明教程》原榮555.1.3信道復用

——提高信道容量，充分利用光纖帶寬

信道復用目的：提高信道容量，充分利用光纖帶寬信道，方便光纖傳輸，把多個低容量信道以及開銷信息，復用到一個大容量傳輸信道?？梢栽陔娪蚝凸庥蛲瑫r復用多個信道到一根光纖上。因此，復用后的多個信道共享光源的光功率和光纖的傳輸帶寬。在電域內，信道復用有時分復用（TDM）、頻分復用（FDM）和正交頻分復用（OFDM）、微波副載波復用（SCM）和碼分復用（CDM）；在光域內，與此相對應，信道復用也有光時分復用（OTDM）、光頻分復用即波分復用（WDM）和光正交頻分復用（O-OFDM），以及光碼分復用（OCDM），如圖5.1.5所示。此外，還有空分復用，比如雙纖雙向傳輸就是空分復用?！豆饫w通信簡明教程》原榮56圖5.1.5光纖通信系統(tǒng)利用的各種復用技術碼分復用(CDM，CodeDivisionMultiplexing)是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復用方式，主要和各種多址技術結合產生了各種接入技術，包括無線和有線接入。頻分復用(FDM，FrequencyDivisionMultiplexing)就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶(或稱子信道)，每一個子信道傳輸1路信號。波分復用指在同一根光纖中同時讓兩個或兩個以上的光波長信號通過不同光信道各自傳輸信息,稱為光波分復用技術,簡稱WDM。光波分復用包括頻分復用和波分復用。光頻分復用(FDM)技術和光波分復用(WDM)技術無明顯區(qū)別,因為光波是電磁波的一部分,光的頻率與波長具有單一對應關系。通常也可以這樣理解,光頻分復用指光頻率的細分,光信道非常密集。光波分復用指光頻率的粗分,光信道相隔較遠,甚至處于光纖不同窗口。

時分復用(TimeDivisionMultiplexer,TDM)是把一個傳輸通道進行時間分割以傳送若干話路的信息，把N個話路設備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流的給各個設備分配一段使用通道的時間。當輪到某個設備時，這個設備與通道接通，執(zhí)行操作。與此同時，其它設備與通道的聯系均被切斷。待指定的使用時間間隔一到，則通過時分多路轉換開關把通道聯接到下一個要連接的設備上去?！豆饫w通信簡明教程》原榮605.1.4光調制

——讓光攜帶聲音和數字信號在無線電廣播和通信系統(tǒng)中，調制是用數字或模擬信號改變載波的幅度、頻率或相位的過程。調制分相干調制和非相干調制；非相干調制---改變載波的幅度；相干調制---改變載波的頻率或相位；光通信系統(tǒng)中非相干調制有直接調制和外調制兩種；直接調制---信息直接調制光源的輸出光強；外調制---信息通過外調制器對連續(xù)輸出光進行調制；最常用的光纖系統(tǒng)都是采用非相干的強度調制-直接檢測(IM/DD)方式；近來，采用偏振復用正交相移鍵控（PM-QPSK）調制，在接收端使用相干檢測，能夠實現在現有10Gb/s光纖線路上傳輸40Gb/s信號，這種相干檢測受到重視?！豆饫w通信簡明教程》原榮61圖5.1.6（a）表示用快速上下移動快門，使光波間斷通過遮光板的孔洞，從而實現光的脈沖調制。

（d）脈沖調制（e）偏振調制《光纖通信簡明教程》原榮62改變E0(t)的調制是幅度調制改變f(t)的調制是頻率調制改變

(t)的調制是相位調制《光纖通信簡明教程》原榮63IM/DD方式在發(fā)送端，電信號直接調制（IM）光載波的強度；在接收端，光信號被光電二極管直接探測（DD），從而恢復發(fā)射端的電信號?！豆饫w通信簡明教程》原榮64圖5.1.7光通信采用的調制方式《光纖通信簡明教程》原榮65圖5.1.8IM/DD方式實現圖解《光纖通信簡明教程》原榮66副載波調制（SCM）副載波調制是首先用信息信號調制一個比基帶信號最高頻率高幾倍的載波然后用該載波信號再去調制光波。因為信號是用光波傳輸的，載波對光波而言只扮演著副載波的作用，所以這種技術就稱為副載波調制（SCM，Subcarriermodulation）?！豆饫w通信簡明教程》原榮67SCM分類模擬調制

用輸入模擬信號調制高頻正弦波的過程叫模擬調制。在接收端基帶信號的恢復是通過低通濾波器，濾除所有的高頻成分而得到的。頻率調制

它是保持正弦載波的幅度不變，改變它的頻率，使其成為輸入信號電壓的函數。相位調制

它是保持正弦載波的幅度和頻率不變，改變它的相位，而使其輸出調制信號為輸入信號電壓的函數?！豆饫w通信簡明教程》原榮68當調制信號是數字信號時，調制原理與模擬強度調制相同，只要用脈沖波取代正弦波即可。但是工作點的選擇不同，模擬強度調制選在P-I特性的線性區(qū)；而數字調制選在閾值點。模擬強度調制 數字強度調制《光纖通信簡明教程》原榮691.模擬強度光調制《光纖通信簡明教程》原榮702.數字強度光調制《光纖通信簡明教程》原榮71例5.1.1“1”碼內的光振蕩數量計算

《光纖通信簡明教程》原榮725.2 SDH光纖傳輸系統(tǒng)5.2.1

時分復用工作原理5.2.2SDH基本概念5.2.3SDH幀結構和傳輸速率5.2.4SDH復用映射結構5.2.5SDH設備類型和系統(tǒng)組成5.2.6SDH物理層5.2.7SDH網同步的電時分復用光纖通信系統(tǒng)《光纖通信簡明教程》原榮73從PDH到SDH在SDH出現以前，電信網中所用的數字傳輸系統(tǒng)都屬于準同步數字制式（PDH），它可以很好地適應傳統(tǒng)的點對點通信，卻無法適應動態(tài)聯網的要求，也難以支持新業(yè)務應用和現代網絡管理。因此，光同步數字制式（SDH）應運而生，成為新一代公認的理想傳輸體制。同步數字制式（SDH）光纖傳輸系統(tǒng)可以說是一種最典型的電時分復用（TDM）應用?！豆饫w通信簡明教程》原榮745.2.1時分復用工作原理時分復用（TDM）是采用交錯排列多路低速模擬或數字信道到一個高速信道上傳輸的技術。時分復用系統(tǒng)的輸入可以是模擬信號，也可以是數字信號。目前TDM通信方式的輸入信號多為數字比特流，所以，我們只討論數字信號時分復用。《光纖通信簡明教程》原榮75數字輸入時分復用原理圖應用：PCMSDHAPONEPON《光纖通信簡明教程》原榮76時分復用（TDM）原理利用脈沖編碼調制（PCM）方法，將語音模擬信號經取樣、量化和編碼三個過程轉變?yōu)閿底中盘?。為了實現TDM傳輸，要把傳輸時間按幀劃分，每幀125s，把幀又分成若干個時隙，在每個時隙內傳輸一路信號的1個字節(jié)（8比特），當每路信號都傳輸完1個字節(jié)后就構成1幀，然后再從頭開始傳輸每一路的另1個字節(jié)，以便構成另1幀。也就是說，它將若干個原始的脈沖調制信號在時間上進行交錯排列，從而形成一個復合脈沖串，如圖5.2.1（b）所示，該脈沖串經光纖信道傳輸后到達接收端。在接收端，采用一個與發(fā)送端同步的類似于旋轉式開關的器件，完成TDM多路脈沖流的分離。為了速率適配，沒用時隙用空隙字節(jié)填充，在接收端把它們分離出來，并丟棄它們。在幀頭，插入一些定時、誤碼檢測和開銷比特(FOH)，其目的是為使解復用器與復用器同步，并進行誤碼檢測?！豆饫w通信簡明教程》原榮77

圖5.2.1

數字輸入時分復用原理圖《光纖通信簡明教程》原榮785.2.2SDH的基本概念SDH由一些基本的SDH網絡單元組成，在光纖上進行同步信息傳輸、復用和交叉連接。在SDH傳輸網中，信息具有一套標準化的結構等級，稱為同步傳送模塊STM-N，其中N=1、4、16、64、256，這些模塊具有矩形幀結構，允許安排豐富的比特開銷用于網絡的運行、維護和管理（OAM）；它有一套特殊的同步復用與映射方法，使得現存的PDH、SDH及寬帶綜合業(yè)務接入網（B-ISDN）中的ATM信元都能進入其幀結構，因而具有適應性強的特點?！豆饫w通信簡明教程》原榮79SDH的網絡單元（設備）SDH的基本網絡單元有終端復用器（TM）、分插復用器（ADM）、數字交叉連接設備（DXC）等，它們的功能各異，但都有互通的標準光接口；而且由于微處理器的大量采用，使得網絡單元及整個網絡的智能程度大大提高，因而易于網絡的配置和控制，利于網絡的升級換代?！豆饫w通信簡明教程》原榮80圖5.2.2PDH和SDH分插信號的比較《光纖通信簡明教程》原榮81采用SDH分插復用（ADM），可以利用軟件直接一次分插出2Mb/s支路信號，十分簡單和方便《光纖通信簡明教程》原榮825.2.3SDH幀結構和傳輸速率SDH光纖通信系統(tǒng)可以說是一種最典型的電時分復用（TDM）應用。在SDH傳輸網中，信息采用標準化的模塊結構，即同步傳送模塊STM-N（N=1、4、16、64和256），其中N=1是基本的標準模塊信號?！豆饫w通信簡明教程》原榮83圖5.2.3STM-N幀結構SDH的幀結構是塊狀幀，傳輸按從左到右，由上而下按順序一個一個字節(jié)傳送，直至整個9270

N個字節(jié)都傳送完為止，然后再轉入下一幀，如此一幀一幀地傳送，每秒共8000幀?！豆饫w通信簡明教程》原榮84SDH幀結構和傳輸速率在SDH傳輸網中，信息采用標準化的模塊結構，即同步傳送模塊STM-N（N=1、4、16和64），其中N=1是基本的標準模塊信號。塊狀幀由橫向270N列和縱向9行字節(jié)（1字節(jié)為8比特）組成，因而全幀由2430個字節(jié)，相當于19440個比特組成，幀重復周期仍為125s。因此對于STM-1而言（N=1），每秒傳送速率為（8bit/字節(jié)9270字節(jié)）/幀8000幀/s=155.52Mb/s；對于STM-16而言（N=16），每秒傳送速率為89270168000=2480.32Mb/s。。《光纖通信簡明教程》原榮855.2.4適用我國的SDH復用映射結構為了得到標準的STM-N傳送模塊，必須采取有效的方法將各種支路信號裝入SDH幀結構的凈荷域內，為此，需要經過映射、定位校準和復用這三個步驟?！豆饫w通信簡明教程》原榮86圖5.2.5SDH的等級復用首先幾個低比特率信號復用成STM-0信號，接著3個STM-0信號復用成STM-1信號，幾個低比特率信號也可以直接復用成STM-1信號。然后4個STM-1信號復用成STM-4信號，以此復用下去，最后4個STM-64信號復用成STM-256（39813.12Mb/s）信號?！豆饫w通信簡明教程》原榮875.2.5SDH設備類型和系統(tǒng)組成圖5.2.6適合我國制式的STM-1復用設備a）終端復用器（TM）b）分插復用器（ADM）c）分插復用器上/下話路的功能示意圖《光纖通信簡明教程》原榮88SDH設備完成的工作終端復用器（TM）的主要任務是將低速支路信號或者低速SDH信號復用進高速的SDH設備。分插復用器（ADM）具有靈活地分插任意支路信號的能力。數字交叉連接設備（DXC）是一種集復用、交叉連接（自動化配線）、保護/恢復、監(jiān)控和網管等功能為一體的傳輸設備?！豆饫w通信簡明教程》原榮89圖5.2.7DXC功能簡圖

a）電DXC原理圖b）光DXC原理圖

圖5.2.7a表示DXC的功能簡圖，傳輸系統(tǒng)送來的信號在輸入端解復用成m個并行的信號，然后由交叉連接矩陣按照預先存放的交叉連接表或動態(tài)計算出的交叉連接表，按時隙交換原理對這些信號重新安排通道，最后再將這些重新安排后的信號復用成高速信號輸出。圖5.2.7b表示的光學接口可以是光纖信道、SDH設備光接口、千兆位速率以太網光接口，也可以是WDM系統(tǒng)的波長信道、光正交頻分復用（O-OFDM）系統(tǒng)的波帶等?！豆饫w通信簡明教程》原榮90圖5.2.8STM-1分插復用器構成的SDH點對點系統(tǒng)通常，SDH系統(tǒng)為點對點系統(tǒng)和環(huán)狀系統(tǒng)。在點對點系統(tǒng)中，由包含復用功能和光接口的線路終端復用器（TM）、光纜、中繼器（如果配置的話）組成。中繼器可以是常規(guī)的光-電-光再生器，也可以是使用EDFA的全光中繼器。《光纖通信簡明教程》原榮91圖5.2.9用戶網通過匯接網接入骨干網《光纖通信簡明教程》原榮92STM-1/4/16/64SDH

設備

《光纖通信簡明教程》原榮93STM-1/4/16/64SDH設備《光纖通信簡明教程》原榮945.2.6SDH物理層ITU-T標準G.957和G.691已對SDH物理層作了規(guī)范；光接口規(guī)范的基本目的是為了在中繼段上實現橫向兼容，即允許不同廠家的產品在中繼段上互通，并保證中繼段的各項性能指標不變。同時，具有標準光接口的網絡單元可以經光路直接相連，即減少了不必要的光/電轉換，節(jié)約了網絡運行成本?！豆饫w通信簡明教程》原榮95表5.2.1光接口分類光接口規(guī)范規(guī)定了不同應用等級使用的光纖類型（多模光纖或單模光纖）、光源波長和類型（LED或LD）、允許中繼段的光纖損耗和色散值、傳輸距離等。根據應用環(huán)境不同，按照傳輸距離的長短可分為局內應用、短距離局內應用、長距離局內應用、超長距離局內應用和特長距離局內應用5個等級，如表5.2.1所示。通常，短距離低速率應用使用1310nm的多縱模F-P激光器，長距離高速率應用使用1550nm的單縱模分布反饋激光器（DFB）。如果使用線路光放大器，如摻鉺光纖放大器（EDFA），則中繼距離可達到400~600km?！豆饫w通信簡明教程》原榮96網同步的目的是使網中所有交換節(jié)點的時鐘頻率和相位都控制在預先確定的容差范圍內，以便使各交換節(jié)點的全部數字流實現正確有效的交換；否則，會使交換緩存器中產生信息比特流的溢出和丟失。5.2.7SDH網同步《光纖通信簡明教程》原榮975.2.7SDH網同步圖5.2.10時鐘在局間分配的樹形同步網結構 圖5.2.11時鐘在局內分配的星形同步網結構《光纖通信簡明教程》原榮98同步方式—主從同步目前，世界各國公用網中交換節(jié)點時鐘的同步采用主從同步方式。我國主從同步方式采用ITU-T規(guī)范的4級時鐘，每一級時鐘都同步于上一級時鐘，網中最高一級時鐘稱為基準主時鐘（PRC），一般采用銫原子鐘，精度為11011。該時鐘經同步分配網分配給二級本地局時鐘、三級端局從時鐘，如圖5.2.10所示。最低一級時鐘為數字小交換機、遠端模塊或SDH網元設備的內置時鐘，如石英晶振，精度為106~108?！豆饫w通信簡明教程》原榮99除國內網采用主從同步方式外，我國與其他國家的數字網采用偽同步方式。所謂偽同步就是大家都采用銫原子時鐘，都遵守G.811規(guī)范，由于時鐘精度高，網間各局的時鐘頻率和相位雖不完全相同，但誤差很小，接近同步，于是稱為偽同步。在國際網接口處，網間采用偽同步是正常工作方式。同步方式—偽同步方式《光纖通信簡明教程》原榮1005.3異步傳輸模式（ATM）技術

5.3.1從同步模式（STM）到異步模式（ATM）

SDH網是一個運行高效、維護能力強大的傳輸系統(tǒng)，它將時間分割成周期為125s的幀，使用傳統(tǒng)的同步時分技術，要求所有的數據按照一個標準的傳輸速率（如155Mb/s等）進行傳送，所以稱SDH系統(tǒng)為同步傳輸模式(STM)，它的分級也用STM-N表示。傳統(tǒng)的SDH設備不適合B-ISDN使用，因為在多媒體的雙向應用中，上/下行的傳輸速率是不對稱的,而SDH系統(tǒng)只傳輸恒定的比特率業(yè)務，上/下行傳輸速率和帶寬總是相同?！豆饫w通信簡明教程》原榮1015.3.1從同步模式（STM）

到異步模式（ATM）

為此，人們就提出一種與同步傳輸模式（STM）技術相對應的異步傳輸模式（ATM）技術。ATM可支持可變速率業(yè)務，支持時延要求較小的業(yè)務，具有支持多業(yè)務多比特率的能力，因此ATM接入系統(tǒng)能夠完成不同速率的多種業(yè)務接入，它既能夠提供窄帶業(yè)務，又能提供寬帶業(yè)務，即能提供全業(yè)務接入。ATM技術簡化了分組通信協議，并由硬件對簡化的協議進行處理，交換節(jié)點不再對信息進行差錯控制，從而減小了延時，極大地提高了網絡的通信處理能力。ATM技術已廣泛應用于ATM交換和ADSL和APON接入網中。目前，ATM已通過ADSL進入許多家庭。《光纖通信簡明教程》原榮1025.3.2ATM的基本概念ATM本質上是一種高速分組傳送模式，它將話音、數據及圖像等所有的數字信息分解成長度一定的數據塊，并在各數據塊前加上信頭（即信息發(fā)往的地址、丟棄優(yōu)先級等控制信息）構成信元。只要獲得空閑信元，即可以插入信息發(fā)送出去。因插入的信息位置不固定，故稱這種傳送方式為異步傳送模式（ATM）。

《光纖通信簡明教程》原榮103圖5.3.1STM時隙復用

與ATM標志復用的比較《光纖通信簡明教程》原榮104STM幀長為125s，它靠幀內的時隙位置來識別通路。ATM則靠信頭來識別通路，故稱這種復用為信頭復用或統(tǒng)計復用。ATM采用長度固定的信元，信元像STM的時隙一樣定時出現。因此，可以采用硬件高速地對信頭進行識別和交換處理。由此可見，ATM傳輸技術融合了電路傳送模式與分組傳送模式的特點?！豆饫w通信簡明教程》原榮1055.3.3ATM信元結構ATM網絡運載的信息被分組成一個個固定長度的信元（53個字節(jié)）。ATM信元分為兩部分：信頭和凈荷。信頭占5個字節(jié)，凈荷占48個字節(jié)，每個字節(jié)8個比特。信頭包含執(zhí)行路由選擇的通道識別符和信道識別符、流量控制符及其他功能。信頭的主要任務是用來識別一個異步時分復用信息流上屬于相同虛信道（VC）的信元。在ATM信頭中有流量控制域（GFC）、虛通道/虛信道標志符（VPI/VCI）、凈荷類型域（PT）、信元丟棄優(yōu)先級指示域（CLP）和信頭校驗碼（HEC）等比特?！豆饫w通信簡明教程》原榮1065.3.4ATM復用和交換原理在信頭的各個組成部分中，VPI和VCI是最重要的。這兩部分合起來構成了一個信元的路由信息，也就是這個信元從哪里來到哪里去。ATM交換機就是依據各個信元上的VPIVCI值，決定把它們送到哪一條出線上去的。運行維護（OAM)信元的作用是承載B-ISDN中的運行維護信息，例如故障、告警等?！豆饫w通信簡明教程》原榮107圖5.3.3ATM、STM和IP數據分組比較ATM信元都是定長的，在沒有信息傳送時，在線路上傳送的是空閑信元，因此，如果我們觀察一條B-ISDN中的通信線路，我們會發(fā)現，時間仍是被劃分成一個個等長的小時隙，每個小時隙都正好是一個ATM信元。這有些類似于SDH的同步時分復用情況，而不同于IP分組交換網中的情況，如圖5.3.3所示?！豆饫w通信簡明教程》原榮108VC、VP、物理鏈路以及物理層之間的關系VC、VP、物理鏈路以及物理層之間的關系如圖5.3.4所示。物理層是運載ATM信元的通路，其目的地點由ATM信頭表明。一個物理層可包括多個物理鏈路，而每個物理鏈路可運載多個VP，每個VP又包含多個VC。虛信道（VC）提供兩個或多個端點之間的ATM信元傳輸，這些端點可能用于用戶與用戶、用戶與網絡或網絡與網絡間的信息傳送。ATM信元信息凈荷被送到進行復用/交換處理的VC端點，VC的路由選擇在VC交換單元完成。該路由選擇包括將輸入VC鏈路的VCI值轉換為輸出VC鏈路的VCI值?！豆饫w通信簡明教程》原榮109圖5.3.4VC、VP、物理鏈路

以及物理層之間的關系《光纖通信簡明教程》原榮110圖5.3.5aATM虛信道(VC)復用《光纖通信簡明教程》原榮111圖5.3.5ATMb虛通道復用《光纖通信簡明教程》原榮112圖5.3.6ATM系統(tǒng)中的VP和VC交換示意圖《光纖通信簡明教程》原榮1135.3.5ADSL接入系統(tǒng)電信公司為了有效利用現有電話線資源，提高接入網的速度和帶寬，以便獲得更多的利潤，并滿足用戶對高速數據和寬帶業(yè)務的需求，開發(fā)了數字用戶線（xDSL）技術。xDSL有高速數字用戶線（HDSL）、非對稱數字用戶線（ADSL）和甚高頻數字用戶線（VDSL）之分。ADSL除提供T1/E1業(yè)務外，還能提供普通電話業(yè)務、IP業(yè)務和點播電視業(yè)務，適用于家庭使用。最大特點是無須改動現有銅纜網絡設施就能提供寬帶業(yè)務。所以1998年10月ITU-T提出了G.992.1建議，規(guī)定了全速率的ADSL技術規(guī)范。隨后，又推出G.992.2建議，規(guī)定了用戶端不用分離器的ADSL技術規(guī)范（G.Lite），其目的是降低設備安裝的復雜性和成本?！豆饫w通信簡明教程》原榮114圖5.3.7ADSL系統(tǒng)構成《光纖通信簡明教程》原榮115ATM/ADSL接入圖5.3.7表示用于異步傳輸模式（ATM）的ADSL系統(tǒng)的構成，由圖可見，ADSL分離/合路器由高通濾波器和低通濾波器組成，完成低頻電話信號和寬帶數據和視頻信號的分離和合路。在下行方向，ADSL分離/合路器將電話信號和經過ADSL局端收發(fā)器處理的寬帶業(yè)務信號復合在一起，通過同一對電話線傳輸到用戶端的ADSL分離/合路器，在這里電話信號由低通濾波器取出送到電話端機，而寬帶業(yè)務信號由高通濾波器取出送到ADSL遠端收發(fā)器。在上行方向，使用ADSL分離器，將寬帶信號和窄帶信號復合在一起，通過電話線傳到電話局后，通過信號合路/分離器時，如果是語音信號就傳到交換機上，如果是數字信號就接入Internet。ITU-TG.992.1除規(guī)范了ATM的ADSL外，還規(guī)范了一種用于同步傳輸模式（STM）的ADSL。《光纖通信簡明教程》原榮116圖5.3.8基于DMT的ADSL系統(tǒng)的傳輸頻譜ADSL采用頻分復用（FDM）方式，載波間距是4.3125kHz，音頻段占0~4kHz，用于傳輸普通電話業(yè)務（POTS）。高頻數據段占用25kHz~1.1MHz，其中25~138kHz用于上行傳輸。傳輸速度下行快、上行慢，正好滿足大多數應用場合，同時也可以大大減小近端串音。下行傳輸速率與距離有關，一般來說，隨著傳輸距離的增加，傳輸速率會下降。對于3km以內的傳輸距離，下行傳輸速率可以達到8Mb/s；當6km時速率降低到1.5Mb/s。上行速率通常為640kb/s?！豆饫w通信簡明教程》原榮117ADSL的優(yōu)缺點ADSL最大特點是無需改動現有銅纜網絡設施就能提供寬帶業(yè)務；主要缺點是對線路的苛刻要求，目前國內只有少部分雙絞線對可以開通ADSL業(yè)務。與同軸電纜和光纖相比，雙絞線的帶寬畢竟是有限的。因此，ADSL僅僅是近期接入的一種過渡性方式，隨著光纖到家的推進，ADSL終究將被淘汰?！豆饫w通信簡明教程》原榮1185.3.6ATM的現狀和未來G.983.1規(guī)定APON接入網傳輸系統(tǒng)下行傳輸速率最高為622Mb/s，隨著PON分光比的增加，光網絡單元（ONU）數也隨之增多，每個ONU所用的帶寬就有限。后來出現了EPON、GPON，鑒于APON與其他PON比較，標準復雜，成本高，在傳輸以太網和IP數據業(yè)務時效率低，以及在ATM層上適配和提供業(yè)務復雜，APON較低的承載效率以及在ATM層上適配和提供業(yè)務復雜等缺點，現在APON已漸漸淡出人們的視線。ADSL接入實際上是ATMoverADSL到家的系統(tǒng)結構。在這種結構中，基于ATMVC的虛交換方式取代了電路交換方式。此外，ATM系統(tǒng)可以適應不同的速率（非對稱速率），完全滿足ADSL上/下行速率不對稱的要求?！豆饫w通信簡明教程》原榮119圖5.3.10ATMoverADSL到家系統(tǒng)結構《光纖通信簡明教程》原榮120在ATM協議提出時，想用它來替代IP。然而，由于IP的獨特性，從臺式計算機到核心路由器都離不開它，很難被取代。一種可能的接入是IP數據包封裝在ATM信元中，然后ATM又把IP數據包交給SDH，或者使IP層具有ATM功能，IP直接和光傳送網相連。這就是IPoverATM，使IP路由穿越了ATM，同時它也提供網絡流量工程。目前世界上大量安裝的IP骨干網就是就是基于這種技術。之后出現的多協議標記交換（MPLS）技術，也對ATM構成了威脅，因為MPLS傳輸的信元有1500個字節(jié)，比ATM53個字節(jié)的信元更大，更便于數據網使用。不過，很多MPLS路由器內部交換功能都使用ATM硬件完成高速數據包的轉發(fā)，至少從這方面來看，ATM可以繼續(xù)存在。目前正在制定著的光傳輸網（OTN）標準準備讓40/100Gb/s以太網直接進入OTN

。不過，這只是一個設想，標準還在制定過程中?！豆饫w通信簡明教程》原榮1215.4IP互聯網5.4.1IP簡述5.4.2以太網5.4.3IP骨干網技術及其演進5.4.4多協議標記交換（MPLS）5.4.5通用多協議標記交換（GMPLS）《光纖通信簡明教程》原榮1225.4.1IP簡述因特網協議（IP）是互聯網的基本聯網協議，也是當今世界上用得最廣泛的聯絡技術。以太網（Ethernet）的幀格式與因特網協議（IP）一致，特別適合于傳輸IP數據。以太網和因特網均采用相同的傳輸控制協議（TCP）和簡單網管協議（SNMP）；既可以用于低速同軸鏈路傳輸，也可以用于高速光纖線路傳輸。采用IP協議的廣域網是光互聯網，實際上它是一種以光纖為物理媒質的IP數據網，其底層物理傳輸網為光傳輸網(OTN)。在傳統(tǒng)數據網絡中，主要設備是ATM交換機、路由器等；而在光傳輸網中，主要設備是DWDM設備，如光分插復用器（OADM）和光交叉連接設備（OXC）、光放大器等。《光纖通信簡明教程》原榮123傳統(tǒng)上，IP網絡提供“盡力而為”服務，即IP網盡最大能力將一個數據包從它的發(fā)送地傳輸到目的地。然而，不同的包可能選擇不同的路由以不同的延時在網絡中傳輸，假如網絡存在擁塞，一些包就不得不被丟棄，造成數據錯誤。為此，提出了一種等級服務措施，將待發(fā)送的數據包分組成不同的等級，以不同的速度處理。路由器把“加速級”數據包排在隊列的最前面，“確保級”數據包排在其后，而沒有要求的數據包則排在最后，這放在最后的數據包能否被發(fā)送只能聽其自然了。與多協議標記交換相比（見3.3.4節(jié)），IP協議的這種“盡力而為”服務不能提供端對端的QoS。IP簡述《光纖通信簡明教程》原榮1245.4.2以太網以太網（Ethernet）是當前最流行的一種使用IP協議的局域網（LAN）技術?，F在以太網一詞泛指所有采用CSMA/CD協議的局域網。以太網是最成功的聯網技術。以太網的幀格式與因特網協議（IP）的一致，特別適合于傳輸IP數據。速率等級有10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s和40Gb/s可按需升級。正在開發(fā)的還有100Gb/s光纖以太網，也即將商用?！豆饫w通信簡明教程》原榮125圖5.4.1IEEE802.3規(guī)定的以太網幀結構一幀由幀頭（前導碼）、幀頭結束符、源地址、數據送往上層協議的類型、目的地址、可變長度數據字節(jié)和幀校驗（FCS）組成。幀長可變，最長為1526個字節(jié)?！豆饫w通信簡明教程》原榮126未來的以太網以太網技術的固有機制不提供端到端的包延時、包丟失率以及帶寬控制能力，難以支持實時業(yè)務的服務質量。同時，目前以太網也不能提供故障定位以及多用戶共享節(jié)點和網絡所必需的計費統(tǒng)計能力。而且，以太網的建設需要單獨架線，投入高，施工麻煩；總之，由于以太網在計費、質量、尋址、管理、安全以及私有性等方面存在諸多問題，因此，傳統(tǒng)以太網必須經過改造后才能順利地應用于公用電信網。不過，采用GMPLS光網絡只需IP和WDM層就可以完成以前包括ATM和SDH網絡完成的功能（見圖5.4.8）。在GMPLS中，標記交換通道（LSP）承載的凈荷類型包括以太網IP數據包、ATM信元、SDH幀等（見5.4.3節(jié)）?！豆饫w通信簡明教程》原榮127圖5.4.2以太網通過路由器接入因特網在因特網中，每個設備都有它自己的IP地址，并且在一個給定的網絡范圍內，所有的設備必須有相同的IP網絡地址和唯一的主機編號?！豆饫w通信簡明教程》原榮1285.4.3IP骨干網

技術及其演進在光互聯網中，高性能的IP交換機或路由器可直接通過光纖連接到光網絡核心層，如圖5.4.3所示，核心層是WDM網絡，主要設備是光分插復用器、光交叉連接器（OXC）、光放大器等?！豆饫w通信簡明教程》原榮129圖5.4.4幾種可能的IP接入技術如何將IP接入光傳送網，還沒有定論。不過，光互聯網論壇推薦的幾種可能的IP接入技術如圖5.4.4所示。最近OTN標準化的設想是IP直接進入OTN

。

《光纖通信簡明教程》原榮130圖5.4.5設想的光層演進圖5.4.5表示IP進入光傳輸網的途徑，圖5.4.5（a）表示現在IP通過SDH、ATM或WDM進入光通道傳輸網的示意圖；圖5.4.5（b）表示未來IP進入光傳輸網波段的途徑，IP可能依次通過SDH（或ATM、WDM）進入光通道，然后再接入光波段傳輸網，或者再通過光快速電路交換接入光波段?；蛟S會有一種新協議取代IP，通過光快速電路交換進入光波段傳輸網?！豆饫w通信簡明教程》原榮131圖5.4.6光互聯網的體系結構圖5.4.6給出了光互聯網的體系結構，圖中WDM環(huán)網為核心網，終端設備是OADM和OXC；SDH環(huán)網為次核心網，終端設備是ADM和DXC。IP路由器、ATM交換機可以直接或通過光纖和SDH環(huán)或光傳送網（OTN）環(huán)相連?！豆饫w通信簡明教程》原榮1325.4.4多協議標記交換（MPLS）MPLS使用簡單的標記交換原理取代IP一跳一跳（HopbyHop）的轉發(fā)過程，節(jié)省了每一跳都需要高層處理的時間，從而實現了快速、高效的轉發(fā)。MPLS把路由和轉發(fā)合并在一起，它綜合了OSI參考模型中的L2層標記交換功能和L3層的路由功能。它吸收了ATM高速交換的優(yōu)點，并引入了面向連接的控制技術?！豆饫w通信簡明教程》原榮1335.4.5通用多協議標記交換（GMPLS）通用多協議標記交換（GMPLS）繼承了幾乎所有MPLS網絡的特性和協議，并對MPLS的標簽和標簽交換通道（LSP）機制進行了擴展，從而產生了通用的標簽及通用的LSP（GLSP）。而GMPLS除了支持GLSP的分組交換接口外，還支持時隙交換、波長交換接口，甚至還支持空分交換接口，如圖5.4.7所示，即既支持IP/ATM接口，也支持SDH、WDM接口和光纖交換接口?！豆饫w通信簡明教程》原榮134圖5.4.7GMPLS支持多種交換接口，多條低階標記交換通道（LSP）構成1條高階LSP一個接口可以復用多條相同的標記交換通道（LSP）《光纖通信簡明教程》原榮135圖5.4.8GMPLS

和MPLS的區(qū)別

采用GMPLS光網絡可以不再需要ATM和SDH層，而只需IP和WDM層就可以完成以前包括ATM和SDH網絡完成的功能。同時，GMPLS為光網絡提供強有力的控制平面，通過GMPLS，光網絡控制平面能夠實現資源發(fā)現并動態(tài)配置管理、路由控制和流量工程、連接管理和恢復等功能?！豆饫w通信簡明教程》原榮136MPLS與GMPLS的不同在MPLS中，LSP是單向的；而在GMPLS中，LSP是雙向的。GMPLS協議的上游節(jié)點可以限制下游節(jié)點選擇標簽的范圍，無論是單跳光網絡，還是多跳光網絡，這種做法在沒有波長轉換的光網絡中是十分有益的。GMPLS將網絡劃分成分組交換層、時分交換層、波長交換層和光纖交換層4個層次。每個層都是獨立的，各層間的路由交換可以由邊緣路由器實現?！豆饫w通信簡明教程》原榮1375.5光纖/電纜混合（HFC）網信源前端到小區(qū)使用光纜，小區(qū)到用戶使用同軸電纜傳輸的網絡叫光纖/電纜混合網（HFC），如圖5.5.1所示。它是一種典型的頻分復用光纖通信系統(tǒng)，主要任務是把多頻道模擬視頻信號以FDM技術復用在一起，通過光纖和電纜以廣播的形式傳送到千家萬戶，未來目標是從單向發(fā)送模擬視頻信號逐步向雙向數字網絡演進。為此，我們首先介紹頻分復用工作原理?！豆饫w通信簡明教程》原榮1385.5.1頻分復用（FDM）工作原理為了充分利用光纖的帶寬，人們首先采用電頻分復用對多路信號進行復用，然后再去調制光載波，所以它是一種副載波復用技術。圖5.5.1為電頻分復用（FDM）的原理圖。本質上，頻分復用把基帶帶寬分別為(f)1、(f)2、…、(f)N的多個信息頻率通道，分別調制到不同的載波上，然后再“堆積”在一起，以便形成一個合成的電信號，最后用這一合成信號以某種調制方式去調制光載波。經光纖信道傳輸后，在接收端對光信號進行解調，再進一步借助帶通濾波器（BITPF）與各信道的頻率選擇器（電相干檢測），將各基帶信息分離和重現出來。《光纖通信簡明教程》原榮139圖5.2.1電頻分復用

光纖傳輸系統(tǒng)原理圖《光纖通信簡明教程》原榮140電頻分復用（FDM）和

光頻分復用、時分復用的區(qū)別而光頻分復用解調，是用光纖法布里-珀羅濾波器或者采用相干檢測技術，首先把各個光載波分離和重現出來，然后用這里討論的帶通濾波器和各信道的頻率選擇器，把基帶信號分離和重現出來。FDM與TDM也不同，FDM是將各路信號的頻譜分別搬移到互不重疊的頻譜上，而TDM是在時域上采用交錯排列多路低速模擬或數字信道到一個高速信道上。因此，信道傳輸FDM信號時，各路信號盡管在時間上重疊，但其頻譜是不交錯的。與時分復用（TDM）比較，TDM發(fā)送同步（時鐘）脈沖，已確保發(fā)送兩端的路序在時間上一一對應；而在FDM中，則要求在發(fā)送端和接收端各路載波在頻率及相位上相同。《光纖通信簡明教程》原榮141FDM技術的典型應用----

光纖同軸電纜混合網絡（HFC）假