光通信技术发展概述(下)-10120799764课件

光通信技术发展概述（下）2010-12-07光传输技术原理及发展概述城域网光传输技术骨干网光传输技术提纲光传输技术原理信源信宿用户用户交换设备发信终端收信终端传输信道传输信道噪声点到点的通信情况光传输部分为传输信道的组成部分之一，其主要技术包含物理层、数据链路层、网络层和传输层。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层SegmentPacketBitsFramePDU智能小区三层交换机2M/155MBTSBSCTMSC2M/155M2M汇聚POP点骨干POP点汇聚POP点核心路由器省内/省级干线省干传输10M专线100M2MN*155MBTSLANS100M上网100M上网N*100MGSR企业分部10M专线企业总部BSCMSCGE100M100MLANS智能小区100M上网汇聚层汇聚层汇聚层城域骨干传输层（10G)MSC2M/155M2M/155M本地话音异地话音2M/155M互联网业务本地专线光传输网络提供的服务SDH：同步数字传输系统；MSTP：多业务传送平台DWDM：密集波分复用系统；ASON：自动交换光网络（智能光网络）；PTN：分组传送网；OTN：光传送网光传送网络的发展SDH的主要优势：接口规范，同步复用，运行维护管理（OAM）功能强大，互联互通兼容性好DWDM主要优势：超大容量，对数据率“透明”按光波长复用和解复用，平滑扩容，兼容光交换

容量增加/业务多样化98年99年94年DWDM成为骨干网主要技术，全光网试验MSTP/ASON02年09年PTN逐步商用09年OTN逐步开始应用SDH逐步成为传输主要技术DWDM

开始应用光传输网演进路线ETHMPLSATMRPRPDHSDHFiberWDMOTHMSTPMPLS-TP跟业务相关的承载技术面向连接的传送技术光层1990

1995

2000

2005

2010

PBTROADMPXCULHWDMWDMEOMPLSPTNAccessSDHAggregationMSCServerMGWSGSNGGSN3GCNRNCSRBASCore固定网络用户商业网络用户移动网络用户STM-N、FE、GE、10GE、OTN、E1、PONSTM-N、E1、FE、GE、PON、DSL、POTSIPCORENGNSROTU/ODUWDM/OTN光通信网络层次结构OTU/ODUOTU/ODUOTU/ODUPDH准同步数字系统只有地区性的电接口规范，而不存在国际性标准。没有世界性的标准光接口规范从低次群到高次群的复接是异步的，需通过码速调整来达到频率的匹配和容纳时钟频率的偏差。上下电路需大量硬件进行逐级复用与解复用、结构复杂、成本高网络的OAM能力差：无足够的开销字节产生背景SDH（同步数字传输系统）SDH（同步数字传输系统）SDH是SynchronousDigitalHierachy的缩写，即同步数字传输系统。SDH是一个通过物理（主要是光）的传输网络传送适配的净荷（Payload）的标准化数字传送结构的一个系列集。SDH是大容量光通信网络的国际标准。技术优点：最主要的是同步复用、标准光接口和强大的网管能力速率统一：155M、622M、2.5G、10G、40G；光接口与帧结构统一：STM-N（N=1、4、16、64、256）；一步复用特性：可从高速信号中直接提取/接入低速信号强大的OAM&P能力实现了网络管理的智能化：丰富的开销（码流量的5%）、强大的软件技术；组网灵活、网络的生存性强：可组多种类型网络、具有自愈能力、可在线升级；前、后向兼容。SDH（同步数字传输系统）STM-NAUG-1AU-4VC-4TU-3VC-3C-3C-4TUG-2TU-12VC-12C-12TUG-3×N139264kbit/s34268kbit/s44736kbit/s2048kbit/s指针处理映射定位复用AUG-N×1×3×7×3×1ITU－T建议复用路线图SDH（同步数字传输系统）固定的帧结构丰富的开销和指针，便于维护管理RSOH、MSOH、HPOH、LPOH完成层层细化的监控功能。RSOH、MSOH、HPOH、LPOH完成层层细化的监控功能。开销段开销通道开销再生段开销复用段开销高阶段通道开销低阶段通道开销SDH开销光传送网络特点－完善的保护机制网络级保护设备级保护线性1＋1、1：N保护环形保护单板级1+1、1：N保护MESH网保护P1/W2W1/P2ABCDa)正常情况b)故障情况下P1/W2W1/P2ABCD倒换倒换二纤双向通道保护环示意图a)正常情况b)故障情况下的倒换W2/P1W1/P2ABCDABCD倒换W2/P1W1/P2二纤双向复用段共享保护环示意图MSTP的发展历程02年MSTP模型04年MSTP模型增加部分05年MSTP模型增加部分MSTP的发展是电信级传送技术分组化的开始MSTP设备功能结构PDH接口ATM接口以太网接口STM-N接口（支持级联）ATM层处理PPP/LAPS/GFP二层交换再生段开销处理复用段开销处理VC映射交叉连接(VC-N)复用段开销处理再生段开销处理STM-N接口STM-N接口业务处理二层交换环路控制封装映射SDH交叉连接Eth端口MSTP向PTN的转型MSTP向分组化继续演进的必要性：业务IP化，网络设备以太网接口越来越普及EoS的代价总是存在25MPLS-TP是MPLS的一个子集，数据基于MPLS标签进行转发，是面向连接的MPLS；MPLS-TP采用MPLS/PW伪线技术：“任何业务overMPLS/伪线over传送”进行多业务传送；相对于PW，吸收了多业务承载，TDM业务仿真等技术，并增加了ITU-T面向连接的OAM和保护恢复功能；基于MPLS-TP技术的PTN网络具有数据网络灵活性的特点，同时，具有传送网络的多业务、高可靠性、可扩展性、可管理性、QoS机制等优点；MPLS-TP传送平面也秉承了传送网络的分层架构，实现逻辑分层和嵌套。Tunnel可以是VC,ODU或波长等任意传送技术。QOS:通过伪线技术在tunnel中承载不同类型的二层业务流PTN网络架构及关键技术MPLS-TPPTN产品技术架构传输媒介层ETH、SDH、OTN传送通道层PW层、LSP层PtP、PtMP传送传送业务层

mptmpptpptmpe.g.E-Linee.g.E-Treee.g.E-LAN,L3VPN

客户层

电路业务、L2/L3业务设备架构视图传送模型视图层次化的OAM，实现精细化的故障和性能监控快速监测每个层次的网络故障和性能硬件OAM引擎，实现3.3msOAM协议报文插入，实现电信级保护倒换支持业务的端到端管理，支持根据业务情况按需配置OAM

MEPMIPOAM原子功能

ClientServiceClientServiceOAM(UNItoUNI)PWOAMTunnelOAMSegmentOAMAccessLinkOAMAccessLinkOAMPTN802.3ahMEF/ITU-TY.1731ITU-TG.8114/Y.1730/Y.1731/802.1agITU-TG.8114ITU-TG.8114PWOAMTunnelOAMSegmentOAMPTNPTN层次化OAM端到端QoS流量工程PTNPTNNodeBRNC1,识别用户业务，流量监管。2,将业务优先级映射PHB表，按照PHB表进行报文队列调度。3.根据PHB表修改隧道优先级。隧道优先级映射到PHB，根据PHB表进行报文队列调度。建立网络拓扑和资源数据库，实现PW和LSP的接纳许可控制Pipe模型30PTN构建IP化3G传送网PTN构建IP化3G的基站传送网，综合总体成本较低MSTP作为GSM的传送网PTN作为IP化3G的传送网STM-16/64STM-1/4STM-1/4BSC/MSCRNCGEGE10GEGEBTSE1接口NodeBFE接口FE/GE接口155M/2M接口城域网现状（CMCC）城域数据网：部分省已建全省范围的城域数据网从全国范围来看城域数据网规模较小，是CMNET省网延伸，与省网共自治域核心层一般采用L3IP/MPLS组网汇聚/接入层主要采用普通L2/L3交换机组网；采用星型、树型拓扑城域传送网：核心层：一般采用WDM和10G/2.5G的SDH设备组建环网（个别网状网）汇聚层：以2.5G的SDH和MSTP设备为主，辅以少量622M/155M设备组建环网节点数目一般为3～6个采用复用段保护接入层：主要采用622M/155M的SDH和MSTP设备，辅以PDH、微波、3.5G或其他无线接入技术主要组环网，根据接入光缆路由也可采用星型、树型或链型结构城域网愿景（CMCC）光传输技术原理及发展概述城域网光传输技术骨干网光传输技术提纲PTNAccessSDHAggregationMSCServerMGWSGSNGGSN3GCNRNCSRBASCore固定网络用户商业网络用户移动网络用户STM-N、FE、GE、10GE、OTN、E1、PONSTM-N、E1、FE、GE、PON、DSL、POTSIPCORENGNSROTU/ODUWDM/OTN光通信网络层次结构OTU/ODUOTU/ODUOTU/ODU什么是WDM光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法称为波分复用。

WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术

CWDM——coarseWDM信道间隔是20nm的WDM。省成本，高传输带宽，主要用于中短距离的光城域网中。NWDM——narrowWDM信道间隔是10nm的WDMDWDM——denseWDM工作于1550nm窗口，信道间隔1.6nm、0.8nm、0.4nm、0.2nm,可以广泛用于长途传输，组建全光网络。WWDM——wideWDM1310nm+1550nm，纯无源器件WDM（波分复用系统）超大容量传输节约光纤资源各通道透明传输、平滑升级扩容可充分利用成熟的TDM技术可实现超长距离传输可组成全光网络SDHIPLeased

lineATM...WDMMUXλ1λ2λ3λ4λ5隔离带 隔离带 隔离带正向车道 反向车道 第一车道:λ1第二车道:λ2第三车道:λ3第N车道:λN第一车道:λ1第二车道:λ2第三车道:λ3第N车道:λnDWDM系统好比一条高速公路DWDM系统相关理解一个DWDM系统好比一条高速公路，分为正反向双车道，就好比通信系统用的两条双纤一样，所有的车辆只允许单向行进，就是所谓的（双纤双向或单纤单向）系统。一个高速公路设计之初就用规划所使用的车道的数量8λ16λ32λ、……160λ每个高速公路都有规定的最高时速，120km/h,180km/h,对应起来就好比DWDM系统的每个波道的最高速率一样：2.5G、10G，高速率向下（低速率）兼容。每个车道上都允许跑不同种类的车：大卡车（SDH业务）、小轿车（GE、FE业务）…………规划系统设计波道数量设计单波道最高速率承载业务类型线路对WDM系统的影响吸收、散射光能转换为热能自相位调制(SPM)交叉相位调制(XPM)四波混频(FWM)SBSSRS衰减非线性效应模间色散波导色散材料色散偏振模色散色散光信躁比放大器的自发辐射噪声系统的噪音积累G.652：普通单模光纤，1550nm窗口具有低衰耗值，大有效面积和大色散分布，是大多数已经敷设的光纤。G.653：零色散位移光纤，1550nm窗口具有低衰耗值，小有效面积和零色散。G.655：常规G.655、大有效面积G.655（LEAF）非零色散位移光纤，1550nm窗口具有低衰耗值，较大有效面积和小色散。0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.7波长（mm）543210衰减（db/km）1243OH-OH-OH-~190THz~50THz单模光纤截止波长5光纤的衰减正向车道 第一车道:λ1第二车道:λ2第三车道:λ3DWDM系统需考虑的问题（衰耗）汔车在公路上行进需要消耗汔油，就好比DWDM系统的光信号在光纤中传输一样，光信号会慢减弱，因此必须在高速公路适当距离设置加油站，给汔车补充油量，以便于继续向前传送。光信号在DWDM系统中进行传送，光信号会慢减弱，在经过适当的距离要不断的进行放大，也就是要在适当的距离要合理设置站点，配置EDFA进行光信号放大形象的说所置的OA站点就相当于加油站EDFA就相当于汔油。加油站合理的设置放大器一个高速公路里的加油站（OA站），要根据所跑汔车的类型以及距离合理的调整自己油量系统.油料分很多种：汔油/柴油、机油、润滑油等。OBA/OLA相当于汔油，汔车跑一段时间就要加油。（上高速路之前就要加满汔油，也最是发送端配置OBA).OPA相当于润滑油，一般汔车跑过一段距离就要加，或者和汽油（OBA）配合使用。超长段的时候怎么办？前面的路很长，我的油箱装不了那多，跑不了这远的距离，怎么办？空中加油机相当于拉曼放大器，在某两点之间全程的为飞机加油，汽车一边消耗汽油一边由空中加油机为其加油。正好符合拉曼放大器的原理，分布式放大，信号一边衰减一边放大。加油站两点之间太远了空中加油机一.光纤色散：模间色散、色度色散、偏振模色散二.色度色散

色散系数D()：指光源谱宽和单位长度光纤的色度色散，其单位是ps/(nm.km)。零色散波长0：当波导色散与材料色散在某各波长互相抵消，使总的色度色散趋近于零时，该波长即为零色散波长。零色散斜率S0：在零色散波长0处色散系数随波长变化的斜率即为S0DWDM系统需考虑的问题（色散）DWDM系统需考虑的问题（色散）为了解光纤色散，需要知道送进光纤中的信号结构。一是光源发出的并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。

图3.4光源的谱宽表典型光源的线宽光源类型线宽(nm)发光二极管(LED)20~100激光二极管(LD)1~5分布反馈半导体激光器(DFB)50(MHz)多量子阱激光器(MQW)0.01~0.1第一车道:λ1第二车道:λ2第三车道:λ3第N车道:λNDWDM系统需考虑的问题（色散）续高速公路上的每一辆车相当于一个光信号脉冲一样，色散就好比汽车的前轮和后轮的速度不一致一样，造成汽车的长度增大，从面发生碰车事故。

撞车了当一个光脉冲从光纤中输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽的作用，即光纤存在色散。这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致，导致脉冲变宽。

色散斜率的影响SMF 1533nm 1557nm17ps/nm.km@1545nm 15.92ps/nm/km 18.08ps/nm/km0.09ps/nm2.km色散斜率(400km)6368ps/nm 7232ps/nmDCF-总色散距离短波长长波长DCFDCFDCFDCF工程设计时，以满足系统设计要求，即保证接收端在1550nm的残留色散值在0－800ps之间（该条件下，可保证整个波段1525-1565nm的所有波长均处于收端的容限之内）。光信噪比影响对于DWDM系统两个重要的指标：光信噪比(OSNR)误码率(BER)OSNR:信号光功率与噪声光功率之比，每个EDFA产生的ASE噪声会经过后续的放大器放大以及光纤衰之后积累起来，使得系统输出端OSNR下降。光信噪比影响精确计算WDM系统中光信道的OSNR是很复杂的，一方面EDFA光放大器对系统噪声积累的影响的理论模型还有待于完善；另一方面，WDM系统中许多主要参数与波长的相关性也增加了计算的复杂性，如光纤段衰减的波长相关、EDFA增益的不平坦等。但在现有理论和研究水平的基础上，为保证设计的WDM系统性能满足工程基本要求，根据最坏情况的设计原理，在工程中可以粗略地估算OSNR。简单化模型：对于最坏情况信道的可变跨距衰减

OSNRK=58+P(最坏情况)-Nf-Langk-10LogK OSNRK： K个跨距后的光信噪比，dB M： 波分复用得光信道数量

P(最坏情况)：最坏情况信道的输出光功率，dBm Nf： 光放大器(OA)的噪声指数

Langk：渐增的跨距衰减，dB光信噪比影响－续OSNR:信号光功率与噪声光功率之比，每个EDFA产生的ASE噪声会经过后续的放大器放大以及光纤衰之后积累起来，使得系统输出端OSNR下降。必须在信道数、光纤段数以及段损耗之间进行综合选择。累积噪声随着放大器的级数线性增长,而且还随着放大器级间损耗(增益)指数增长，系统总长度一定时,低增益、多级数比高增益、少级数方案有高得多的OSNR;其他条件一定时,信道数M和光纤段数N有互补作用;提高EDFA总输出功率的有效方法。对于ULHDWDM系统，光纤非线性效应的影响非常显著。由于我们采用G.652光纤传输，系统设计中主要考虑自相位调制（SPM[SelfPhaseModulation]）和相邻信道交叉相位调制（XPM[CrossPhaseModulation]）的影响。考虑非线性效应后，需要重新考虑光信噪比，信号的传输受诸多物理因素的限制，一味追求高OSNR是不对的。非线性效应的影响非线性效应在常规光纤系统中，光纤一般呈现线性传输特性。然而，当光功率增加到一定值时，光纤开始呈现非线性特性。因为在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不另外。过去，这种非线性不太为人们所关注，然而进几年来随着传输速率的提高，传输距离的延长，波分复用通路的增加以及光纤放大器的使用，这种光纤的非线性已成为最终限制系统性能的因素。非线性问题已成为新一代光纤系统设计考虑的重要方面。光纤中的非线性效应，一方面可引起传输信号的附加损耗、信道之间的串话、信号频率的移动等。受激的散射效应

受激拉曼散射(SRS) 受激布里渊散射(SBS)折射率效应

相位调制(SPM)交叉相位调制(XPM)四波混频(FWM，FPM)长途传输受限因素衰耗与光放色度色散与色散补偿PMD与系统容限非线性效应与系统容限OSNR与系统规划1550nm1310nm

180色散系数(ps/nm.km)波长PMDLSEOU1.31.41.51.61.7波长(m)1.010衰耗(dB/km)1625-1675,U-band1565-1625,L-band1530-1565,C-band1460-1530,S-band1360-1460,E-band1260-1360,O-bandDWDM系统组成DWDM系统组成发送和接收有源部分合波分波无源部分光放大部分光传输线路部分OSC和网管部分WDM和OTN技术WDM－波分复用把不同波长的光信号复用到一根光纤中传送的技术主要功能（线路技术、模拟信号）多波长复用高速长距离传输光层监控和管理OTN－光传送网络通过引入电域子层，为客户信号提供在波长/子波长上进行传送、复用、交换、监控和保护恢复的技术特点（节点技术、数字化、交叉）线路上采用WDM技术采用G.709封装和开销管理，具有分级管理特性，对于各层网络都有相应的管理监控机制，提高管理和互通能力对波长/子波长进行交叉连接提高组网、保护和调度能力WDM相当于OTN的一个子集OTN的基本特点OTH：采用传统的WDM平台，引入电交叉技术，实现波长的灵活调度；ROADM：采用可配置的光器件，实现WDM节点波长业务的灵活调度。G.709：网络节点接口（结构、开销、客户信号SDH、Ethernet映射）GMPLS：基于波长或子波长的智能化处理机制。OTN网络的特点网络分层方面SDH的网络分层VC12→VC3→VC4→MS→RS

根据业务速率，网络可分为多个层次，每个层次独立监控WDM的网络分层业务→波长→光纤

层次简单，只能通过OTU实现波长级端到端监控OTN的网络分层OPU→ODU→OTU 电层OCh→OMS→OTS 光层OTN关键技术

基于G.709接口基于ROADM（可重构的光分插复用器）ODUk交叉（OTH)57一般定义提供OTNG.709接口的设备统称为OTN设备，但OTN网络核心是OTN节点设备（特别是交叉节点）带来的价值支线路分离OTN交叉强大的OAM能力多种策略保护G.709帧结构光通路净荷单元OPU业务适配光通路数据单元ODU串联连接监测光通路传送单元OTU传输性能改善采用定长帧结构2.5G：约2万帧/s10G:约8.2万帧/s40G:约33万帧/s58OTN开销重要开销FECSM段监测PM通道检测TCMi串联连接监测APSGCCiSM：段监测，段段终结；PM：路径监测，业务端到端监测；TCMi：串型连接监测，根据网络情况分配；具有误码计数BIP和踪迹标识TTI；跨域、跨运营商、跨设备商管理；利于组成大型网络。NOANOBNOCUSR1USR2ODUkODUkClientSignalClientSignalPathCMPM客户信号由用户通过PM监控UNI-UNICMTCM1运营商A通过TCM1监控自己的网络SM、PM、TCMi开销应用NNI-NNICMTCM2用TCM2监控子网B和子网C的传输性能60FOADM与ROADM

固定波长上下设计，初期波长规划方案复杂；工程升级复杂，运维成本高；开通业务或升级扩容周期长，可靠性低。FOADM

可远程重新配置波长上下，降低运维成本；支持快速业务开通，满足波长租赁业务；可自由升级扩容，实现任意波长到任意端口上下；可实现波长到多个方向，实现多维度波长调度；支持通道功率调整和通道功率均衡。ROADMλ1~λ80λ1~λNOAOAλ1~λ80FOADMλ1~λ80λ1~λanyOAOAλ1~λ80ROADM61减少OEO转换降低网络成本ROADM-WB和PLCWB：波长阻塞器；基于微机电系统MEMS技术，可用于50GHz间隔；PLC：集成光波导，用于100GHz间隔；由于上下端口与波长相关，趋于淘汰。基于WB的ROADM节点基于PLC的ROADM节点ROADM-WSS波长选择开关WSS器件原理正向：实现任意波长到任意端口；方向：不同端口任意波长到同一端口（避免波长冲突）。目前主要应用：二维节点；业务的快速部署。基于WSS的PXC系统含ROADM节点的MESH网络64基于WSS的全光交叉节点PXC:基于ROADM的三维及以上光交叉节点优点支持任意波长到任意端口的指配，配合可调谐OTU，实现光网络波长自由上下；基于WSS可从升级到4维，6维和8维，支持灵活增加网元节点或增加的新的光方向；通过ASON控制平面完成波长自动路由，实现多层次的保护方式；相对于光开关整列构成的OXC，连纤数量少。缺点受波长冲突限制和传输物理损伤限制FZABCFGHGBCADHE65