光纤通信课件第8章

第8章 光纤通信新技术1/15/20231用于内部商业通信的局域网（LAN）和Telco/PTT广域网（WAN）中的SONET/SDH。当企业之间需要互相通信或需要将其总部与分部连接在同一个LAN时，互连的问题便应运而生了，因为在SONET/SDH上并不直接支持以太网的传输。以太网的数据具有突发和不定长的特性，这与要求严格同步的SDH帧有很大的区别，因此需要引入合适的数据链路层适配协议来完成以太数据封装，实现到SDH的帧映射。8.1MSTP技术1/15/20232目前，有三种链路层适配协议可以完成以太网业务的数据封装：PPP（Point-to-PointProtocol）点到点协议和ML-PPP扩展协议；LAPS（LinkAccessProcedure--SDH）协议；GFP（GenericFramingProcedure）通用成帧规程协议；1/15/20233GFP帧结构GFP协议定义了两种类型的GFP帧：GFP客户帧和GFP管理帧。GFP的帧结构按字节排列，它包括GFP帧头（CoreHeader）和GFP净荷区（GFPPayloadArea）两部分。GFP帧头包括帧长度标识2字节（PLI0--65535）和帧头错误检验（CoreHEC）。当PLI大于或等于4时，表明该帧是GFP客户帧，否则为GFP管理帧（目前只定义了PLI等于0时的空闲帧）。帧头错误检验也为2个字节，它采用CRC-16的检错方法给帧头提供保护。1/15/20234GFP净荷区包括：净荷头4-64（PayloadHeader）、净荷信息域0-65531（PayloadInformation）和净荷的帧检验序列4（PayloadFCS）三部分，而净荷头包括：净荷类型2（PayloadType）、净荷类型的HEC2（TypeHEC）和扩展头0-60（ExtensionHeader）扩展头HEC2四个部分1/15/202358.3光接入技术

以前的接入网主要是铜缆网，携带的业务主要是电话业务。

铜缆网的故障率很高，维护运行成本也很高，为了减少铜缆网的维护运行费用和故障率，光接入网技术应运而生。1/15/202368.3.1光接入网的基本概念

1．光接入网基本概念及位置

所谓接入网就是指端局到用户环路之间的所有机线设备，通常又称为用户网，如图8-14所示。

光接入网（OAN）是指本地交换机或远端交换模块与用户设备之间采用光传输或部分采用光传输的系统。图8-14

接入网在电信网中的位置1/15/202378.3.1光接入网的基本概念

2．OAN的优点与功能

（1）减少网路的维护运行费用，降低故障率。

（2）利于开发新业务，特别是宽带多媒体业务，加强竞争力，提高业务收入。

（3）大大延长传输距离，扩大交换机的覆盖范围。

（4）引入OAN后，连接到用户设备的双绞线或同轴电缆段的长度很短，可实现宽带传输，充分利用现有的巨大的网络投资。

功能：OAN可为企事业单位和居民住宅用户服务；OAN工作于多厂家、多类型交换机环境；OAN能提供所有原来铜缆网所提供的业务（主要是2Mbit/s以下速率的业务），并能升级提供图像和数据等宽带业务。1/15/202388.3.1光接入网的基本概念

3．OAN的参考配置图8-15所示的是OAN的参考配置。可见，光接入网又可定义为：共享同一网络侧接口且由光接入传输系统支持的一系列接入链路，由光线路终端（OLT）、光分配网（ODN）、光网络单元（ONU）及适配功能（AF）组成，可能包括若干与同一OLT相连的ODN。

OLT的作用是为OAN提供网络侧与本地交换机之间的接口，完成电/光转换，并经一个或多个ODN与用户侧的ONU通信。

ODN的功能是完成光信号功率的分配。

ONU的作用是提供远端用户侧接口，完成光/电转换。

AF为ONU和用户设备提供适配功能。1/15/202398.3.1光接入网的基本概念图8-15OAN的参考配置1/15/2023108.3.2无源光网络（PON）

1．无源光网络（PON）的应用类型与组网

应用类型：按ONU所处的位置不同，可将PON分为3种基本的应用类型，光纤到路边（FTTC），光纤到大楼（FTTB），光纤到家（FTTH）和/或光纤到办公室（FTTO）。如图8-16所示。图8-16PON基本应用类型1/15/2023118.3.2无源光网络（PON）

组网：

PON的组网有总线结构、树形结构、星形结构和混合结构。如图8-17所示，图中SP是光分支器，一个OLT一般能带500个用户，一个ONU可带4、16、32、64个用户。图8-17

无源光网络的组网1/15/2023128.3.2无源光网络（PON）

2．PON的业务支持能力

PON可支持2.048Mbit/s以下速率的窄带业务，基本业务有下面7种：普通电话业务（POTS）、租用线、分组数据、ISDN基本速率接入（BRA）、ISDN基群速率接入（PRA）、n×64kbit/s和2.048Mbit/s（成帧和不成帧）。

可支持宽带业务，诸如单向广播式业务（如CATV业务）、双向交互式业务（如VOD或数据通信业务）和模拟广播业务等。图8-18所示是采用TDM+FDM+WDM方式传送宽带图像业务的PON系统。1/15/2023138.3.2无源光网络（PON）图8-18TDM+FDM+WDM的PON系统1/15/2023148.3.3数字环路载波（DLC）

1．数字环路载波系统构成

DLC是业务节点（SN）和用户终端设备之间的接入网设备，在SN与用户所在地之间采用点对点的有源光网络传输系统。

DLC系统由局端机（COT）、远端机（RT）和光线路终端（OLT）三部分组成，如图8-19所示。图8-19DLC系统参考配置1/15/2023158.3.3数字环路载波（DLC）

2．DLC系统的特点（1）COT和SN之间通过标准的2Mbit/s和n×2Mbit/s数字接口相接。（2）COT和RT之间使用光传输设备传送信息，光传输设备既传送用户信息也用于传送监测信号、公务及其他数据信号的辅助信道。（3）RT与用户终端设备之间采用标准化的用户接口。1/15/2023168.3.3数字环路载波（DLC）

3．DLC系统的功能（1）DLC系统不解释信令，提供PSTN用户口信令信息的双向传输功能，提供ISDND通道信息的双向传输功能。（2）DLC系统提供透明传送ISDNB通道或PCM64kbit/s信道的双向传送功能。（3）DLC系统提供各部分的性能监测、告警信号。提供每个用户口的状态信息。通过标准化的Q接口与TMN相连。（4）DLC系统的COT到RT之间可以采用各种标准化的SDH和PDH传输系统实现接入网传输功能。（5）DLC系统提供“公务”等辅助功能。利用内嵌操作信道完成管理信息的传送。1/15/2023178.3.3数字环路载波（DLC）

4．灵活数字环路系统（FDLC）为提高信道资源的利用率，可采用动态分配时隙的方法，这种DLC系统称为灵活数字环路系统（FDLC）。在DLC设备内加入集线/压缩功能，在相同的传输速率下可容纳更多的用户，如采用4∶1的集线比，可在2Mbit/s的传输速率下传送120路电话（如图8-20所示）。图8-21所示的是另一种灵活分配时隙的例子，在2Mbit/s信道的30个时隙中，12个时隙留作租用线业务，将108路电话以6∶1的集线比在余下的18个时隙中传输，在COT处恢复为4个2Mbit/s进入交换机。1/15/2023188.3.3数字环路载波（DLC）图8-204︰1集线的FDLC图8-21

另一种FDLC用法1/15/2023198.3.4混合光纤同轴网（HFC）

1．HFC的基本概念双向HFC网络能进行交互式通信，它是在现有CATV的单向HFC网络基础上改造而成的，如图8-22所示。

2．HFC的特点（1）HFC的优点

①频带宽②传输速率高③灵活性④经济性（2）需要解决的问题

①频谱相互间的干扰问题。

②噪声干扰的“漏斗效应”问题。

③共享带宽，要解决好信道争用的问题。

④进行交互式数据通信时要注意安全性和可靠性。1/15/2023208.3.4混合光纤同轴网（HFC）图8-22

双向HFC网络结构1/15/2023218.3.4混合光纤同轴网（HFC）

3．HFC网络结构双向HFC网络的结构如图8-22所示，主要由以下部分组成。

（1）局端设备：相当CATV系统的前端设备，但功能扩展了。

①对各业务节点设备的接口功能。②各路射频信号的混合。

③光电转换。④提供监控接口功能。

（2）光纤馈线网与光节点

（3）同轴电缆信号传输与分配网，含双向放大器及分配器等。（4）综合业务单元（ISU）

ISU分单用户（H-ISU）和多用户（M-ISU）两类。1/15/2023228.3.4混合光纤同轴网（HFC）

4．HFC频带分配

频带分配如表8-1所示。波

段频

率

范

围业

务R5.00～30.0(上行)电视及非广播业务R130.0～42.0（上行）电信业务I48.5～92.0模拟广播电视FM87.0～108.0调频广播A1111.0～167.0模拟广播电视III167.0～223.0模拟广播电视A2223.0～295.0模拟广播电视B295.0～463.0模拟广播电视IV470.0～582.0数字或模拟广播电视V582.0～710.0电信业务（1）（VOD等）VI710.0～750.0电信业务（2）（电话、数据）1/15/2023238.3.4混合光纤同轴网（HFC）

5．HFC的业务支持能力（1）基于数字传输的业务

①普通电话业务（POTS）②p×64kbit/s租用线业务

③E1（成帧与不成帧）业务④ISDN业务：BRA和PRA⑤数据业务⑥数字视频业务（如VOD）

⑦个人通信业务（PCS）（2）模拟业务

①模拟广播电视②调频广播1/15/2023248.3.4混合光纤同轴网（HFC）

6．HFC的用户设备

HFC的用户设备由综合业务单元（ISU）与电信业务终端和/或有线电视终端组成。

ISU提供与电信业务终端和/或有线电视终端的接口功能。常见的ISU有电缆调制解调器（CM）和机顶盒（SetTopBox）。

CM用于提供数据通信业务，连接PC或局域网。CM具有标准以太接口，可以连接单台PC，也可以接多台PC或局域网。机顶盒用于配合电视机收看模拟的或数字的广播电视节目。功能强的机顶盒可同时具有CM的功能，用户可通过电视机上网，同样CM也可能兼有接收模拟和数字广播电视的功能。1/15/2023258.4全光通信网

1．全光网的概念全光网是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。

2．全光网的基本结构如图8-29所示，可以分为光网络层和电网络层。

光网络层的拓扑结构可以是环形、星形和网孔形等，交换方式各采用空分、时分或波分光交换。目前国际上所试验的全光网更注重于波分光交换的应用。1/15/2023268.4全光通信网图8-29

全光网的基本结构1/15/2023278.4全光通信网

3．全光网络中的关键技术（1）光交叉连接设备（OXC）（2）光分插复用器（OADM）

（3）掺铒光纤放大器（EDFA）（4）全光网的管理、控制和运作①网络层与传输层一致的问题。②使用新的监控方法的问题。③协调处理好不同系统、不同传输层之间关系的问题。1/15/2023288.4全光通信网

4．全光网的特点①全光网通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性的优点。②全光网不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。③全光网络具备可扩展性。可同时扩展用户、容量和种类。④全光网还具备可重构性，动态地改变网络结构，可为突发业务提供临时连接，从而充分利用网络资源。⑤全光网的光网络层有许多光器件，可靠性高，维护费用低。1/15/2023298.5相干光通信技术

相干光通信系统：利用先进的调制方式（ASK、FSK和PSK）和外差接收构成的一种新型系统。

相干光通信系统与IM-DD系统比较，主要有以下优点。

（1）光接收机灵敏度高，中继距离长（2）频率选择性好，通信容量大（3）具有多种调制方式1/15/2023308.5相干光通信技术

1．相干光通信系统的组成与基本原理

相干光通信系统由光发射机、光纤和光接收机组成。（1）光发射机光发射机的组成框图如图8-25所示。图8-25

光发射机框图1/15/2023318.5相干光通信技术

①调制方式

光发射机中的光调制器根据调制方式的不同，可分为ASK、FSK和PSK3种形式，这3种形式的已调光波图如图8-26所示。

②调制方式的比较

ASK方式最简单，缺点是要损失一部分光源功率，通断消光比不理想，耦合时所附加的插入损耗较大。

FSK方式的一个突出优点是无需外部调制器，可对半导体激光器进行直接注入电流调制，但这种方式对激光器要求较高。

PSK方式的接收灵敏度最高可达20光子/比特，适用于长距离无中继传输，但它对光源的线宽要求极高。1/15/2023328.5相干光通信技术图8-26

各种调制方式的波形1/15/2023338.5相干光通信技术

（2）光纤单模光纤作为一种传输媒介，其作用是将已调光波从发送端传送到接收端，传送模式为基模。（3）光接收机光接收机的组成框图如图8-27所示。图8-27

光接收机框图1/15/2023348.6光孤子通信技术

1．光孤子通信技术的起源孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。

1834年英国海军工程师ScottRussel观察到河面上船过后隆起的水波可以保形传输，从此揭开了孤子理论的研究序幕。

1973年，Hasegawa与Tappert一起从理论上证明了光孤子脉冲能在光纤中保形传输这一现象，这种发现诱发了人们将光孤子作为一种信息载体用于高速通信的遐想。1/15/2023358.6光孤子通信技术

2．光孤子通信技术的基本原理光孤子(OpticalSoliton)就是一种具有双曲正割形状的光脉冲，这种脉冲在光纤中传输是利用光纤的群速度色散（GVD）和非线性作用中的自