《光纖通信網(wǎng)》課件第1章

第1章光纖通信網(wǎng)概述1.1光纖通信的發(fā)展和應(yīng)用1.2光纖通信網(wǎng)絡(luò) 1.1光纖通信的發(fā)展和應(yīng)用

1.1.1光纖通信的基本概念

光纖通信是指利用相干性和方向性極好的激光作為載波（也稱(chēng)光載波）來(lái)攜帶信息，并利用光導(dǎo)纖維（光纖）來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。將需要傳輸?shù)男畔⒁阅撤N方式調(diào)制在光載波上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)乃枷牒茉缇鸵烟岢?，但始終未能實(shí)現(xiàn)。這主要有兩方面的原因。其一是沒(méi)有合適的光源，通常的自然光源及電光源光譜很寬，是非相干的，很難按無(wú)線電波方式進(jìn)行調(diào)制以實(shí)現(xiàn)通信；其二是沒(méi)有合適的傳輸媒質(zhì)，光在大氣中傳播時(shí)受天氣影響極為嚴(yán)重，同時(shí)光信號(hào)在一般的介質(zhì)材料中傳播時(shí)損耗極大。在20世紀(jì)60年代以前，即便在最好的光學(xué)玻璃中傳播時(shí)，光信號(hào)的傳輸損耗也在每公里1000dB以上，在這樣的介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸顯然也是不現(xiàn)實(shí)的。

20世紀(jì)50年代末60年代初，激光的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代意義上的光通信提供了合適的光源。激光器是譜線極窄、方向性極好的相干光源，可以對(duì)其進(jìn)行類(lèi)似于無(wú)線電波那樣的調(diào)制。在各種類(lèi)型的激光器中，半導(dǎo)體激光器由于其體積小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)而成為實(shí)用化、商品化的通信光源。

20世紀(jì)70年代初，低損耗光導(dǎo)纖維的問(wèn)世為光通信提供了合適的傳輸媒質(zhì)。1966年，英籍華裔科學(xué)家高錕博士指出，只要將石英玻璃中的金屬離子含量大幅度降低，即通過(guò)適當(dāng)?shù)睦z工藝可制造出損耗低于20dB/km的玻璃纖維，可以用于長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸。1970年，美國(guó)康寧玻璃公司率先根據(jù)這種思路制造了世界上第一根低損耗光導(dǎo)纖維，其損耗低于20dB/km。此后，低損耗光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱(chēng)光纖）的研究及制造技術(shù)取得了飛速的進(jìn)步，到了20世紀(jì)70年代末，在1310nm波長(zhǎng)上，石英光纖的損耗已降至0.4dB/km；而在1550nm波長(zhǎng)上，損耗已降至0.2dB/km以下，這已接近石英系光纖損耗的理論極限。1.1.2光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)

由于光纖通信是利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的，因此比起其他通信方式有其明顯的優(yōu)越性。光纖具有傳輸容量大、傳輸損耗小、重量輕、不怕電磁干擾等許多其他傳輸媒質(zhì)所不具有的優(yōu)點(diǎn)。

（1）傳輸容量大。光是頻率極高的電磁波，以它作為信號(hào)的載運(yùn)體就可傳輸極寬的信號(hào)頻譜。在光纖中傳輸?shù)募す鈱儆诮t外線范圍，波長(zhǎng)在0.75~2.5μm，頻率約為3×1014Hz。若以其十分之一作為傳輸頻帶，則可傳約1010個(gè)電話。因此光纖在單位面積上有極大的信號(hào)傳輸能力，即單位面積上的信息密度極高，傳輸容量極大。光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于光纖特性、光源特性和調(diào)制特性。目前，光纖通信系統(tǒng)中使用的是以SiO2為主要材料的光纖。根據(jù)SiO2光纖的損耗-波長(zhǎng)特性曲線，單模光纖有著極寬的頻帶寬度。通信中適用的1310nm波長(zhǎng)段和1550nm波長(zhǎng)段兩個(gè)低損耗區(qū)共有約200nm寬的低損耗區(qū)，理論上可提供相當(dāng)于30THz的頻段寬度。光纖的色散特性是決定光纖通信系統(tǒng)帶寬的因素之一。由于石英單模光纖在λ=1310nm或λ=1550nm處具有零色散特性，因此單模光纖都具有幾十吉赫茲·千米的帶寬。

在一根光纜中可以容納幾百根乃至幾千根光纖的帶狀光纜早已實(shí)現(xiàn)，使線路傳輸容量成百倍、千倍地增加。就單根光纖而言，采用波分復(fù)用技術(shù)或頻分復(fù)用技術(shù)、減小光源的譜線寬度、采用外調(diào)制方式等都是增加光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的有效辦法。（2）傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)。目前單模光纖在1310nm波長(zhǎng)窗口損耗約為0.35dB/km，1550nm窗口損耗約為0.2dB/km。而且在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)各頻率的損耗幾乎一樣，因此用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長(zhǎng)得多。波長(zhǎng)為1550nm的色散位移單模光纖通信系統(tǒng)，若傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達(dá)150km；若傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達(dá)100km；若采用光纖放大器、色散補(bǔ)償光纖，則中繼距離還可增加。

（3）泄漏小，保密性好。光在光纖中傳輸時(shí)，向外泄漏的光能很微弱，難以被竊聽(tīng)，因此比無(wú)線、有線通信有較好的保密性，信息在光纖中傳輸非常安全。（4）節(jié)省大量有色金屬。制造通常的電纜需要消耗大量的銅和鉛等有色金屬。以四管中同軸電纜為例，1km四管中同軸電纜約需460kg銅，而制造1km光纖，只需幾十克石英即可。同時(shí)制造光纖的石英（SiO2）資源豐富而價(jià)格便宜。

（5）抗電磁干擾性能好。光纖由SiO2材料制成，它不受各種電磁場(chǎng)的干擾。強(qiáng)電、雷擊等也不會(huì)影響光纖的傳輸性能。甚至在核輻射的環(huán)境中，光纖通信仍能正常進(jìn)行，這是通常的電纜通信所不能比擬的。因此，光纖通信在電力輸配、電氣化鐵路、雷擊多發(fā)地區(qū)、核試驗(yàn)等環(huán)境中應(yīng)用更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。（6）重量輕，可撓性好，敷設(shè)方便。在傳輸同一信息量時(shí)，光纜的重量比其他通信電纜的重量要輕得多。每根光纖的直徑很小，制成光纜后可充分利用地下管道。有二次套塑的光纖，即使以幾厘米的曲率半徑彎曲也不會(huì)斷，施工時(shí)可以采用與電纜相同的敷設(shè)技術(shù)進(jìn)行敷設(shè)。

通信設(shè)備的重量輕和體積小，對(duì)其在軍事、航空和宇宙飛船等方面的應(yīng)用具有特別重要的意義。

總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，而且在經(jīng)濟(jì)上亦具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此在通信領(lǐng)域中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。1.1.3光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代以來(lái)，光纖通信已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。回顧光纖通信的發(fā)展歷程，可以看到光纖通信在提高傳輸速率和通信容量上下了很大的功夫。目前，10Gb/s的系統(tǒng)已經(jīng)商用化，40Gb/s的系統(tǒng)也即將投入使用。采用波分復(fù)用技術(shù)，即在一根光纖上同時(shí)傳多個(gè)光載波，可成倍地提高通信容量。光纖通信研究的另一個(gè)方向則是提高中繼距離，采用的技術(shù)主要是提高接收機(jī)靈敏度和入纖光功率。提高接收機(jī)靈敏度的最有效的方法是采用相干光通信方式，而提高入纖光功率的最有效的方法是采用半導(dǎo)體激光放大器或光纖放大器。展望未來(lái)的光纖通信系統(tǒng)，仍將在超高速及超長(zhǎng)距離無(wú)中繼傳輸上下功夫?？v觀光纖通信的發(fā)展過(guò)程，可以看到今后光纖通信將主要在以下幾個(gè)方面發(fā)展：

（1）由單波長(zhǎng)通道向多波長(zhǎng)通道過(guò)渡。下一代光纖通信系統(tǒng)將普遍地采用波分復(fù)用WDM技術(shù)，使得系統(tǒng)傳輸總?cè)萘刻岣叩綆装偌忍孛棵爰耙陨?，而中繼距離也達(dá)數(shù)百公里乃至數(shù)千公里。

（2）用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)的光纖化。光纖通信的另一個(gè)重要領(lǐng)域是實(shí)現(xiàn)電信網(wǎng)的全光纖化。實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的全光纖化最困難的是光纖用戶(hù)網(wǎng)，因而光纖用戶(hù)網(wǎng)是近年來(lái)光纖通信領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。在未來(lái)的用戶(hù)網(wǎng)中需要傳輸多種寬帶業(yè)務(wù)，現(xiàn)在的電纜網(wǎng)可能無(wú)法擔(dān)此重任，向全光纖網(wǎng)過(guò)渡是大勢(shì)所趨。目前，由于光纖用戶(hù)網(wǎng)成本較高，在價(jià)格上難以與電纜網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)，加之圖像壓縮技術(shù)的進(jìn)展、電纜網(wǎng)較窄的傳輸帶寬還未成為致命的弱點(diǎn)，因此在用戶(hù)網(wǎng)中電線仍居于主要地位。隨著光纖及光器件成本的降低以及用戶(hù)對(duì)多種寬帶業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，光纖用戶(hù)網(wǎng)會(huì)取得突破性進(jìn)展，電信網(wǎng)的全光纖化已為期不遠(yuǎn)了。（3）光交換節(jié)點(diǎn)將取代電交換。由于采用波分復(fù)用技術(shù)使得傳輸速率極大提高，因此原有電交換節(jié)點(diǎn)的速率成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，將被光交換機(jī)取代。所謂光交換是指對(duì)光纖傳送的光信號(hào)直接進(jìn)行交換。光交換在光域中完成光交換功能，而無(wú)需將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入、輸出都是光信號(hào)，因而光交換有效地減少了延時(shí)，增大了系統(tǒng)的吞吐量。（4）相干光通信是未來(lái)的光纖通信方式。它與傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制－直接檢測(cè)（IM－DD）系統(tǒng)相比，主要差別在于其接收機(jī)采用外差式接收或零差接收，在接收機(jī)中增加了本振光源和光混頻器，具有混頻增益的特性，從而使得系統(tǒng)的接收靈敏度極高，而且具有出色的波長(zhǎng)選擇性。這些優(yōu)點(diǎn)使得相干光通信必將在波分復(fù)用系統(tǒng)，尤其是密集波分復(fù)用系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用。相干光通信對(duì)光源的譜寬、光源的頻率穩(wěn)定性以及光的偏振（極化）特性，光纖的損耗、色散、偏振狀態(tài)都提出了十分苛刻的要求，因而目前尚未實(shí)用化。隨著時(shí)間的推移，上述問(wèn)題必將得到解決。不久的將來(lái)，人們就可以像現(xiàn)在調(diào)節(jié)無(wú)線電接收機(jī)那樣，通過(guò)調(diào)節(jié)光接收機(jī)的本振光源波長(zhǎng)，即可從眾多的信息通道中極為方便地調(diào)出所需要的任何信息。（5）孤子通信與全光系統(tǒng)。光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，光纖的色散效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光脈沖展寬，從而限制了傳輸速率和中繼距離。而光纖的非線性作用則剛好相反，它使脈沖在傳輸過(guò)程中變窄，并最終導(dǎo)致脈沖破裂，從而限制了入纖光功率。如果同時(shí)利用上述兩種作用，則在一定條件下可以使光纖的非線性效應(yīng)與色散效應(yīng)相互抵消，從而保持光脈沖在傳播過(guò)程中不變形，而形成所謂的孤子。利用光孤子通信，傳輸速率可高達(dá)1Tb/s。將光孤子傳輸技術(shù)與光放大技術(shù)相結(jié)合即可拋棄傳統(tǒng)的光—電—光再生中繼方式，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超高速的全光通信，其關(guān)鍵在于光孤子的產(chǎn)生、光孤子的編碼調(diào)制技術(shù)以及光放大技術(shù)。目前，雖然距光孤子通信的真正實(shí)用化還有待時(shí)日，但光孤子通信的誘人前景必將吸引世界各國(guó)科學(xué)家、工程師不遺余力地去解決實(shí)用化過(guò)程中的難題。可以預(yù)料，以光孤子通信為標(biāo)志的全光通信時(shí)代必將到來(lái)。1.1.4光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成

目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)，較多采用的是數(shù)字編碼、強(qiáng)度調(diào)制－直接檢測(cè)的通信系統(tǒng)（IM－DD系統(tǒng)），這種系統(tǒng)的框圖如圖1－1所示。圖1－1光纖通信系統(tǒng)原理框圖（單向傳輸）

圖1－1所示的是一個(gè)方向的傳輸，反方向傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)是相同的。圖1－1中，電端機(jī)即為復(fù)用設(shè)備（準(zhǔn)同步復(fù)用或同步復(fù)用），其作用是對(duì)來(lái)自信息源的信號(hào)進(jìn)行處理，例如模/數(shù)變換、多路復(fù)用等。光發(fā)送機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)構(gòu)成了可作為獨(dú)立的“光信道”單元的基本光路系統(tǒng)，若配置適當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)備，則可以插入現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)(或模擬通信系統(tǒng))，或者有線通信系統(tǒng)(或無(wú)線通信系統(tǒng))的發(fā)射與接收之間；此外，若配置適當(dāng)?shù)墓馄骷€可以組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。例如，在光纖線路中插入光纖放大器組成光中繼長(zhǎng)途系統(tǒng)；配置波分復(fù)用器和解復(fù)用器組成大容量波分復(fù)用系統(tǒng)；使用耦合器或光開(kāi)關(guān)組成無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)等等。下面簡(jiǎn)要介紹基本光路系統(tǒng)的三個(gè)組成部分。

1.光發(fā)送機(jī)

光發(fā)送機(jī)的作用是把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并將光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。光發(fā)送機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。光發(fā)送機(jī)的核心是光源，對(duì)光源的要求是輸出功率足夠大，調(diào)制速率高，光譜線寬度和光束發(fā)散角小，輸出光功率和光波長(zhǎng)要穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng)。目前，最廣泛使用的光源有半導(dǎo)體激光器（或稱(chēng)激光二極管，LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）。普通的激光器譜線寬度較寬，是多縱模激光器，在高速率調(diào)制下激光器的輸出頻譜較寬，從而限制了傳輸?shù)拇a速和中繼距離。一種譜線寬度很窄的單縱模分布反饋（DFB）激光器已經(jīng)逐漸被廣泛應(yīng)用。光發(fā)送機(jī)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的過(guò)程是通過(guò)電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制而實(shí)現(xiàn)的。光調(diào)制有直接調(diào)制和間接調(diào)制（也稱(chēng)外調(diào)制）兩種。直接調(diào)制是利用電信號(hào)注入半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管從而獲得相應(yīng)光信號(hào)的，其輸出功率的大小隨信號(hào)電流的大小而變化，這種方式較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器特性所限制。外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)，在激光形成后再加載調(diào)制信號(hào)，是用獨(dú)立的調(diào)制器對(duì)激光器輸出的激光進(jìn)行調(diào)制的。外調(diào)制方法在相干光通信中得到了應(yīng)用。

2.光纖線路

光纖線路是光信號(hào)的傳輸媒質(zhì)，可把來(lái)自發(fā)送機(jī)的光信號(hào)以盡可能小的衰減和脈沖展寬傳送到接收機(jī)。對(duì)光纖的要求是其基本傳輸參數(shù)衰減和色散要盡可能小，并要有一定的機(jī)械特性和環(huán)境特性。工程中使用的是由許多根光纖絞合在一起組成的光纜。整個(gè)光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器等組成。目前使用的光纖均為石英光纖。石英光纖的損耗－波長(zhǎng)特性中有三個(gè)低損耗的波長(zhǎng)區(qū)，即波長(zhǎng)分別為850nm、1310nm、1550nm的三個(gè)低損耗區(qū)。因此光纖通信系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)只能選擇在這三個(gè)波長(zhǎng)區(qū)，激光器的發(fā)射波長(zhǎng)、光檢測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)都與其一致。這三個(gè)低損耗區(qū)的損耗分別小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖。單模光纖的傳輸性能比多模光纖好，在大容量、長(zhǎng)距離的光纖傳輸系統(tǒng)中都采用單模光纖。

為適合于不同要求的光纖通信系統(tǒng)，使用的光纖類(lèi)型有G.651光纖（多模光纖）、G.652光纖（常規(guī)單模光纖）、G.653光纖（色散位移光纖）、G.654光纖（低損耗光纖）和G.655光纖（非零色散位移光纖）等。

3.光接收機(jī)

光接收機(jī)的功能是把由發(fā)送機(jī)發(fā)送的、經(jīng)光纖線路傳輸后輸出的已產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大、再生恢復(fù)為原來(lái)的電信號(hào)。

光接收機(jī)由光檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路組成。對(duì)光檢測(cè)器的要求是響應(yīng)度高、噪聲低、響應(yīng)速度快。目前廣泛使用的光檢測(cè)器有光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程是通過(guò)光檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)的。光檢測(cè)器檢測(cè)的方式有直接檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種。直接檢測(cè)是由光檢測(cè)器直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。外差檢測(cè)是在接收機(jī)中設(shè)置一個(gè)本地振蕩器和一個(gè)混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的光進(jìn)行混頻產(chǎn)生差拍而輸出中頻信號(hào)，再經(jīng)光檢測(cè)器把中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在外差檢測(cè)方式中，對(duì)本地激光器的要求很高，要求光源是頻率非常穩(wěn)定、譜線寬度很窄、相位和偏振方向可控制的單模激光器，其優(yōu)點(diǎn)是接收靈敏度很高。目前使用的光纖通信系統(tǒng)中，普遍采用強(qiáng)度調(diào)制－直接檢測(cè)方式。外差檢測(cè)用在相干光纖通信中，雖然外調(diào)制－外差檢測(cè)的方式技術(shù)復(fù)雜，但其有著傳輸速率高、接收靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，所以是一種有應(yīng)用前途的通信方式。衡量接收機(jī)質(zhì)量的主要指標(biāo)是接收靈敏度。它表示在一定的誤碼率條件下，接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)接收微弱信號(hào)的能力。接收機(jī)的噪聲是影響接收靈敏度的主要因素。

對(duì)于長(zhǎng)距離的光纖傳輸系統(tǒng)，中途還需要中繼器，其作用是將經(jīng)過(guò)光纖長(zhǎng)距離衰減和畸變后的微弱光信號(hào)放大、整形，再生成具有一定強(qiáng)度的光信號(hào)，繼續(xù)送向前方，以保證良好的通信質(zhì)量。以往光纖通信系統(tǒng)中的光中繼器都是采用光—電—光的形式，即將接收到的光信號(hào)用光電檢測(cè)器變換成電信號(hào)，經(jīng)放大、整形、再生后再調(diào)制光源，將電信號(hào)變換成光信號(hào)重新發(fā)出，而不是直接把光放大。但隨著光放大器（如摻鉺光纖放大器）的開(kāi)發(fā)、成熟、使用，光的直接放大已成為可能，也就是說(shuō)采用光放大器的全光中繼和全光網(wǎng)絡(luò)已為期不遠(yuǎn)。1.1.5光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用

光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視、計(jì)算機(jī)網(wǎng)以及其他數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。

光纖通信的各種應(yīng)用概括如下：

（1）通信網(wǎng)，主要用于遍及全球的電信網(wǎng)中作為語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信，包括全球通信網(wǎng)（國(guó)家和國(guó)家間的光纜干線）、各國(guó)的公共電信網(wǎng)（如我國(guó)的國(guó)家一級(jí)干線、省級(jí)干線及縣以下的支線和市話中繼通信系統(tǒng)）、專(zhuān)用網(wǎng)（如電力、鐵道、國(guó)防通信等的光纜系統(tǒng)）和特殊的通信網(wǎng)絡(luò)（如石油、化工、煤礦等易燃易爆環(huán)境下使用的光纜通信系統(tǒng)）。（2）計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、路由器之間的高速傳輸鏈路等。

（3）有線電視網(wǎng)，如有線電視的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、銀行、商場(chǎng)、交通和公安部門(mén)的監(jiān)控；自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

（4）綜合業(yè)務(wù)的光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無(wú)源接入網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻及多媒體業(yè)務(wù)的接入，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。 1.2光纖通信網(wǎng)絡(luò)

1.2.1光纖通信網(wǎng)絡(luò)的基本概念

兩用戶(hù)間需要通信時(shí)，須利用通信系統(tǒng)來(lái)完成，也就是說(shuō)，欲讓A、B兩地的用戶(hù)互相通信，必須在他們之間建立一個(gè)通信系統(tǒng)。對(duì)于離散分布的n個(gè)用戶(hù)，若要讓其中任意兩用戶(hù)能互相通信，最簡(jiǎn)單的方法是用通信系統(tǒng)把各用戶(hù)分別一一連接起來(lái)，這就需要建立n(n-1)/2個(gè)通信系統(tǒng)，從而形成了一個(gè)連接多個(gè)用戶(hù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即“通信網(wǎng)”。

光纖通信網(wǎng)絡(luò)從承載的通信業(yè)務(wù)來(lái)分，有電話網(wǎng)、電報(bào)網(wǎng)、傳真通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)、圖像通信網(wǎng)及有線電視網(wǎng)等；按服務(wù)區(qū)域范圍分為長(zhǎng)途骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)以及用戶(hù)接入網(wǎng)。

光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是由用戶(hù)終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備等硬件系統(tǒng)和相應(yīng)的信令系統(tǒng)、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、資費(fèi)制度與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等軟件構(gòu)成的。

用戶(hù)終端設(shè)備是以用戶(hù)線為傳輸信道的終端設(shè)備，也稱(chēng)為終端節(jié)點(diǎn)。

傳輸設(shè)備是為用戶(hù)終端和業(yè)務(wù)網(wǎng)提供傳輸服務(wù)的電信終端，主要包括光收、發(fā)信機(jī)設(shè)備，PDH準(zhǔn)同步數(shù)字系列中的PCM復(fù)接設(shè)備，SDH同步數(shù)字系列中的終端復(fù)用器等各種復(fù)用設(shè)備。

交換設(shè)備用于對(duì)用戶(hù)群內(nèi)各用戶(hù)終端按需求提供相應(yīng)的臨時(shí)傳輸信道連接，并控制信號(hào)的流量、流向，以達(dá)到公用電信設(shè)備、提高設(shè)備利用率的目的。例如，電話通信中的程控交換機(jī)、數(shù)據(jù)通信中的分組交換機(jī)、寬帶通信中的ATM交換機(jī)及全光通信中即將問(wèn)世的光交換機(jī)等。信令系統(tǒng)是光纖通信網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)。比如，電話要接通，必須傳遞和交換必要的信令以完成各種呼叫處理、接續(xù)、控制與維護(hù)管理等功能。信令系統(tǒng)可使網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體而正常運(yùn)行，有效完成任何用戶(hù)之間的通信。

協(xié)議是光纖通信網(wǎng)中用戶(hù)與用戶(hù)及用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)資源間完成通信或服務(wù)所必須遵循的原則和約定的共同“語(yǔ)言”。這種語(yǔ)言使通信網(wǎng)能夠合理運(yùn)行，正確控制。而標(biāo)準(zhǔn)則是由權(quán)威機(jī)構(gòu)所制定的規(guī)范。1.2.2光纖通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)

光纖通信技術(shù)已滲透到了電信網(wǎng)的接入網(wǎng)、本地網(wǎng)（接入中繼網(wǎng)）和長(zhǎng)途干線網(wǎng)（骨干網(wǎng)）之中。由于價(jià)格和用戶(hù)所需帶寬的問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)完全實(shí)現(xiàn)光纖接入到戶(hù)還不現(xiàn)實(shí)。在這些典型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，光纖只用來(lái)代替各類(lèi)電纜，主要用做傳輸媒質(zhì)連接業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間鏈路傳輸?shù)墓庑盘?hào)格式化，而節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)的處理、隊(duì)列和交換等還是采用電子技術(shù)。這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為第一代光網(wǎng)絡(luò)，即光電混合網(wǎng)。典型的第一代光網(wǎng)絡(luò)有SONET（同步光網(wǎng)絡(luò)）和SDH（同步數(shù)字體系），還有各類(lèi)企業(yè)網(wǎng)如光纖分布數(shù)據(jù)接口（FDDI）等。當(dāng)數(shù)據(jù)速率越來(lái)越高時(shí)，采用電子技術(shù)處理交換節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率是相當(dāng)困難的?？紤]到節(jié)點(diǎn)處理的數(shù)據(jù)不僅有到達(dá)自身的，還有通過(guò)該節(jié)點(diǎn)到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的，如果到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能在光域選路，則電子技術(shù)處理的數(shù)據(jù)速率就下降了，其負(fù)擔(dān)就小得多了，這使得第二代光網(wǎng)絡(luò)即全光網(wǎng)絡(luò)誕生了。第二代光網(wǎng)絡(luò)以在光域完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的選路與交換為標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的部分光化。第二代光網(wǎng)絡(luò)中的代表技術(shù)包括波分復(fù)用（WDM）、光時(shí)分復(fù)用（OTDM）和光碼分復(fù)用（OCDMA）等。下面簡(jiǎn)單介紹一下第二代光網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)。

1.新型業(yè)務(wù)提供

為了更好地理解第二代光網(wǎng)絡(luò)，了解它提供給用戶(hù)的服務(wù)類(lèi)型是很重要的。任一網(wǎng)絡(luò)可看成由許多層構(gòu)成，每一層完成相應(yīng)的功能。第二代光網(wǎng)絡(luò)可看成是一個(gè)光層，借助于低層（如物理層）為其高層(如SDH層、ATM層、IP層等)提供服務(wù)，服務(wù)類(lèi)型包括：

(1)光通道服務(wù)。光通道是網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)之間的連接，通過(guò)給其通道上的每一個(gè)鏈路分配一個(gè)特定波長(zhǎng)來(lái)建立。

(2)虛電路服務(wù)。光層提供網(wǎng)絡(luò)兩節(jié)點(diǎn)之間的電路連接，但連接的帶寬可以小于鏈路或波長(zhǎng)上的總帶寬，如用戶(hù)需1Mb/s的帶寬連接，而網(wǎng)絡(luò)鏈路可工作于10Gb/s，則網(wǎng)絡(luò)必須采用復(fù)用技術(shù)（如時(shí)分復(fù)用）來(lái)復(fù)用許多虛電路到單個(gè)波長(zhǎng)上去。

(3)數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)。允許兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳送短的分組或消息，而無(wú)須建立希望連接的額外開(kāi)銷(xiāo)（如占用信息帶寬）。

2.信息的透明性

第二代光網(wǎng)絡(luò)的又一主要特點(diǎn)是光通道一旦建立起來(lái)，提供的電路交換業(yè)務(wù)對(duì)所傳數(shù)據(jù)是透明的，除了最大的數(shù)據(jù)速率或帶寬是規(guī)定的外，對(duì)數(shù)據(jù)采用的格式是沒(méi)有要求的，甚至可以是模擬數(shù)據(jù)信號(hào)。

第二代光網(wǎng)絡(luò)的透明程度取決于其物理層的參數(shù)，如帶寬和信噪比等。如果信號(hào)從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)其目的節(jié)點(diǎn)的通信過(guò)程全在光域，則透明程度最高。在這種情況下，模擬信號(hào)比數(shù)據(jù)需更高的光信噪比。然而在某些情況下，兩點(diǎn)之間的信號(hào)不能一直在光域，需要中繼，這意味著信號(hào)需由光域變換到電域，然后再反過(guò)來(lái)由電域變換到光域。在光通道上使用中繼器降低了網(wǎng)絡(luò)的透明程度。

3.電分組與光分組交換

考慮到第一代光網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中的保有量非常大，因此在第二代光網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的同時(shí)第一代光網(wǎng)絡(luò)仍然在繼續(xù)開(kāi)發(fā)之中，這意味著要進(jìn)一步增加光纖中的傳輸容量以及提高電子交換開(kāi)關(guān)的處理能力和端口數(shù)目。盡管電子交換技術(shù)是最成熟的技術(shù)且易于集成，但是當(dāng)傳輸速率增加到數(shù)十吉比特每秒乃至更高時(shí)，采用電子技術(shù)完成所有的交換和處理功能是相當(dāng)困難的。另一方面，光交換和選路技術(shù)還不是非常成熟，在網(wǎng)絡(luò)中光開(kāi)關(guān)只能實(shí)現(xiàn)電路交換或交叉連接功能，還不能提供像電分組交換那樣實(shí)現(xiàn)完全意義的分組交換，因此第二代光網(wǎng)絡(luò)一開(kāi)始只能提供電路交換型光通道業(yè)務(wù)。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)的分組交換網(wǎng)絡(luò)提供越來(lái)越多的虛電路業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。

4.光層

光層這一術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在普遍用來(lái)表示第二代WDM光網(wǎng)絡(luò)層的功能，它能夠?yàn)槠涔鈱拥挠脩?hù)提供光通道。光層位于現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)層，如SDH的下層。光通道代替了SDH網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的光纖?，F(xiàn)存的SDH網(wǎng)絡(luò)有許多功能，這些功能包括點(diǎn)到點(diǎn)連接以及分插功能。分插功能意味著節(jié)點(diǎn)不但可以分出業(yè)務(wù)，同時(shí)也可以讓業(yè)務(wù)直接通過(guò)該節(jié)點(diǎn)。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能終結(jié)經(jīng)過(guò)它們的業(yè)務(wù)總量的一小部分，因而這個(gè)功能是很重要的。SDH網(wǎng)絡(luò)同樣包括交叉連接功能，它可以完成多業(yè)務(wù)流之間的交換。SDH網(wǎng)絡(luò)還能在不中斷業(yè)務(wù)的情況下處理設(shè)備和鏈路故障。

光層可以執(zhí)行與SDH層相同的功能，它可以支持點(diǎn)到點(diǎn)WDM鏈路以及分插功能，即節(jié)點(diǎn)可以分出某些波長(zhǎng)，也能讓某些波長(zhǎng)直接通過(guò)。1.2.3光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向

光纖通信從一開(kāi)始就是為傳輸基于電路交換的信息的，客戶(hù)信號(hào)一般是TDM的連續(xù)碼流，如PDH和SDH等。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特別是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)信息的傳輸量越來(lái)越大，客戶(hù)信號(hào)中基于分組交換的具有隨機(jī)性、突發(fā)性的分組信號(hào)碼流的比例逐步增加，通過(guò)光纖通信網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)信號(hào)的種類(lèi)和數(shù)量也越來(lái)越多。從現(xiàn)有的光同步數(shù)字體系（SDH）網(wǎng)邁向新一代全光網(wǎng)，將是一個(gè)分階段演化的過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成和技術(shù)功能在不斷地變化，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)程如圖1－2所示。首先采用WDM技術(shù)和光放大技術(shù)，進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)通信擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)光域上的全光傳輸；在光傳輸路徑上設(shè)置光分插復(fù)用器（OADM），可實(shí)現(xiàn)本地光信號(hào)在光路上的上路和下路功能；傳輸鏈路采用波分復(fù)用技術(shù)，節(jié)點(diǎn)也采用光分插復(fù)用器作為光節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的光域傳輸；進(jìn)而利用光交叉連接（OXC），使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有光交換功能，構(gòu)成光傳送網(wǎng)到自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)，最終形成基于全光傳輸和光分組交換的全光網(wǎng)絡(luò)或光子網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)光域上的傳輸和交換。全光網(wǎng)絡(luò)采用光層保護(hù)，并具有好的存活性，可進(jìn)行靈活的帶寬分配、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、波長(zhǎng)路由和交換，實(shí)現(xiàn)光域上端到端的多粒度波長(zhǎng)服務(wù)。圖1－2光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)程

1.傳輸容量不斷增加

目前，實(shí)用化的單通道速率已由155Mb/s到10Gb/s乃至40Gb/s，160×10Gb/s的密集波分復(fù)用DWDM系統(tǒng)也已投入商用。在實(shí)驗(yàn)室中，NEC實(shí)現(xiàn)了274×