光纤通信系统（第3版） 课件 第9-11章 数字光纤传输系统性能、光纤通信网、光纤通信新技术

光纤通信系统2本章内容简介为了满足全程全网各种通信的要求，需要对通信网在技术和经济相权衡的基础上进行规划和设计。对通信系统进行规划和设计时，首要考虑的因素是系统的传输性能。数字光纤通信系统的各种传输性能指标（如误码、抖动、漂移和延时等）必须满足系统传输性能的要求。本章主要讲解系统的传输性能指标要求以及相应的系统设计和规划方法。

39.1数字传输模型目的方法分类49.1.1数字传输模型原理及意义一个通信连接是通信网中从用户至用户，包括参与交换和传输的各个部分(如用户线，终端设备，交换机，传输系统等)的传输全程。通信连接是根据用户需要建立的各种机线设备的临时组合。这些实际的连接有长有短，结构上有简单有复杂，传输的业务可能也不相同。5思考确定传输系统性能的模型应该按照什么原则设定？是按照系统性能最佳的组合，还是按照可能出现的最坏情况进行设计？

ITU-T提出了各种数字传输模型的建议。模型分为假设参考连接（HRX），假设参考数字链路（HRDL）和假设参考数字段（HRDS）等。在此基础上，针对全光的光传送网（OTN），ITU-T还提出了假设参考光通道（HROP）。9.1.2数字传输模型分类

假设参考连接（HRX）

假设参考数字链路（HRDL）

假设参考数字段（HRDS）67图9-1标准数字假设参考连接HRX是按照最长距离和最坏情况下考虑的全程64kb/s连接国际部分4段国内部分5段HRX实际上是极端情况下的系统模型，按HRX设计的系统能满足实际中的性能要求8图9-2标准数字假设参考连接（中等长度）国际部分只有1段国内部分3段实际连接一般都比最长HRX短，因此引入了标准中等长度HRX9图9-3标准数字假设参考连接（用户接近ISC）注意与前2种模型的区别109.1.3光传送网传输模型

光传送网（OTN）是ITU-T最新的传送网标准，ITU-T专门制定了建议G.8021对其误码性能进行了规范。为了与传统的假设参考连接保持一致，G.8021建议针对OTN端到端误码性能也定义了一个27500km的假设参考光通道（HROP）。HROP引入了运营域的概念以取代了传统的国内和国际部分的划分，其中包括本地运营域（LOD）、区域运营域（ROD）和骨干运营域（BOD），LOD和ROD可以看作是国内部分，BOD是国外部分。

11图9-4假设参考光通道9.2光接口性能9.2.1SDH光接口性能9.2.2WDM光接口性能121.SDH光接口分类ITU-T根据传输距离和所用技术将SDH光接口归纳为局内通信、短距离局间通信和长距离局间通信三类。实际应用中分别使用不同代码表示三类光接口。13表9-1SDH光接口分类应用场合局内通信局间通信短距离长距离工作波长（nm）13101310155013101550光纤类型G.652G.652G.652G.652G.652G.654G.655目标传输距离（km）≤2~15~40~80STM等级STM-1STM-4STM-16STM-64I-1I-4I-16I-64S-1.1S-4.1S-16.1S-64.1S-1.2S-4.2S-16.2S-64.2L-1.1L.4.1L-16.1L-64.1L-1.2L-4.2L-16.2L-64.2L-1.3L-4.3L-16.3L-64.3142.SDH光接口参数

光线路码型

系统工作波长范围

光发送机接口

光通道

光接收机接口159.2.2WDM光接口参数

中心频率偏差

光通道衰减

光通道色散16中心频率偏差中心波长（频率）偏差定义为标称中心波长（频率）与实际中心波长（频率）之差。影响其大小的主要因素有激光器频率啁啾、信号带宽、非线性效应引起的频谱展宽以及期间老化和温度的影响。通道间隔n（GHz）50/100≥200最大中心频率偏差（±GHz）待定n/517光通道衰减与SDH系统光通道衰减性能类似，WDM系统光通道衰减也是一个范围，其最大值主要受限于光放大器增益以及反射等因素。18应用代码Lx-y.zVx-y.zUx-y.z最大光通道衰减（dB）223344应用代码nLx-y.znVx-y.z最大光通道衰减（dB）2233光通道色散应用代码LVUnV3-y.2nL5-y.2nV5-y.2nL8-y.2目标传输距离（km）80120160360400600640最大色散（ps/nm）160024003200720080001200012800表中所给出的无线路放大器和有线路放大器WDM系统在G.652光纤上的光通道色散限值，目标距离的计算中假设光纤的色散系数是20ps/nm.km，比G.652光纤的实际色散系数值略大，也是基于最坏值的考虑。199.3光纤数字通信系统性能9.3.1误码9.3.2抖动9.3.3漂移9.3.4延迟2021

对于一个数字通信系统而言，误码是最易观察到的传输损伤。顾名思义，误码表示由于传输过程中各种干扰、噪声、畸变等导致的接收的信号与发送信号不一致的情况，即差错。

数字传输系统的误码性能通常用误码率衡量，误码率是指在特定的一段时间内所接收到的差错误码元数目与在同一时间内所收到的码元总数之比9.3.1误码（Error）22比特误码率误码率的数值通常可用n×10-P的形式表示，其中P为一整数。对于数字系统来说，实际上指的是比特误码率(BER)，它是指每个码元为1比特时的误码率，其表达式为：

(9-2)23考察误码率的重要意义误码率是衡量数字系统传输质量好坏的一个主要指标。对于不同的通信业务，误码的影响后果也不同。对误码发生的形态和原因、误码的评定方法以及误码全程指标的确定和在网络各组成部分的合理分配等问题的研究都是十分重要的，是提供光纤数字传输系统设计的重要依据。241.误码产生原因绝大多数的误码发生形态可归为两类：一类是误码显示出随机发生形态，即误码往往是单个随机发生的，具有偶然性。另一类误码常常是突发的，成群发生的，这种误码在某个瞬间可能集中发生，而在其它大部分时间可能处于几乎没有误码的状态。误码发生的原因是多方面的。理想的光纤传输系统是十分稳定的传输通道，基本上不受外界电磁干扰的影响，造成误码的主要内部机理有下列几类：各种噪声源、色散引起的码间干扰、定位抖动产生的误码及复用器、交叉连接设备和交换机的误码等。259.2.3误码特性的评定方法1.长期平均比特误码率

平均误码率是指测量期间内收到的错误比特数与同一时期传送的全部比特数之比。用长期平均比特误码率的方法来评定误码，即是在较长的统计时间内，考查其平均比特误码率不超过某一定值来衡量误码率的水平。长期平均误码率适用于误码是单个随机发生的情况。26长期平均误码率的缺点对于突发的群误码的情况，长期平均误码率不能正确地进行评定。因为可能在某一限定时间内，由于突发群误码而导致误码率远远超过可以接收的水平，而在其它时间内误码率非常小，结果二者的长期平均误码率仍保持合格，这样高误码率发生时期对通信业务质量影响并未反映出来，或者说没有表示出误码随时间的分布特性，因此采用这种评定方法有很大的局限性。27为了能正确地反映误码的分布信息，ITU-TG.821建议采用时间率的概念来代替平均误码率的评定方法。所谓误码时间率是以比特误码率超过规定阈值(BERT)的百分数来表示的。这是在一个较长的时间TL内观察误码，记录每次平均取样观测时间T0内的误码个数或误码率超过某一定值m的时间百分数。2.误码的时间百分数28图9-5误码率随时间的变化只要T0和TL选择恰当，就可以用来评价各种数字信息在单位时间内误码的程度以及误码超过某一规定值的时间占总测量时间的百分数。因此，是比较适用和便于测量的评定方法。T0为取定的适合于评定各种业务的单位时间，TL为测量误码率总时间。误码时间率阈值（BERT）

在ITU-TG.821建议中，把误码劣化状态划分为三个领域来考虑：

可以正常通信的领域，即可接受的领域，其阈值为1×10-6。

可以通信但质量有所劣化的领域，即劣化领域，其阈值为1×10-6～1×10-3。

不能通信的领域，即不可接受的领域，其阈值为1×10-3。2930（1）N×64Kbit/s数字连接的误码性能

ITU-T建议G.821定义了2个参数来度量N×64Kbit/s(N≤31)通路27500km全程端到端连接的误码性能。

误码秒(ES)表示至少有一个误码的秒。

严重误码秒(SES)表示BER≥1×10－3的秒。3.误码性能的规范31误码性能要求ITU-T建议G.821对于N×64Kbit/s(N≤31)全程27500km端到端连接误码性能要求如下表所示。参数表示性能要求误码秒ESES占可用时间的比例ES％<8％严重误码秒SESSES占可用时间的比例SES％<0.2％32图9-6N×64Kbit/s连接全程误码指标的分配33（2）高比特率数字通道的性能误码性能参数G.826性能参数是以“块”为基础的一组参数。所谓“块”指一系列与通道有关的连续比特，当同一块内的任意比特发生差错时，就称该块是差错块。ITU-T所规定的3个高比特通道误码性能参数如下：

误块秒比(ESR)

严重误块秒比(SESR)背景误块比(BBER)高比特通道误码性能参数误块秒比（ESR）：当某1秒具有1个或多个差错块或至少出现1个网络缺陷时就称为误块秒（ES）。在规定测量间隔内出现的误块秒数与总的可用时间之比称为误块秒比（ESR）。

严重误块秒比（SESR）：当某1秒内包含有不少于30％的差错块或者至少出现1种缺陷时认为该秒为严重误块秒（SES）。在规定的测量时间内出现的SES数与总的可用时间之比称为严重误块秒比（SESR）。

背景误块比（BBER）：指扣除不可用时间和SES期间出现的差错块以后所剩下的差错块。

BBE数与扣除不可用时间和SES期间所有块数后的总块数之比称背景误块比（BBER）。3435误码性能要求ITU-T建议G.826对高比特率通道全程27500km端到端通道误码性能要求见下表所示。速率Mbit/s1.5～5>5～15>15～55>55～160>160～3500比特/块800～50002000～80004000～200006000～2000015000～30000ESR0.040.050.0750.16未定SESR0.0020.0020.0020.002未定BBER2×10－42×10－42×10－42×10－410－436误码指标的分配为了将27500km的指标分配给各组成部分，G.826建议采用了按区段分配的基础上再结合按距离分配的方法。这种分配方法技术上更加合理，且能照顾到大国及小国的利益。37图9-7高比特率通道全程误码指标分配光传送网误码规范通道类型比特率块数/秒SESRBBERODU12.5Gbit/s2042010-32×10-5ODU210Gbit/s8202510-35×10-6ODU340Gbit/s32949210-31.25×10-638399.3.2抖动（Jitter）抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时偏移。所谓短时偏移是指变化频率高于10Hz的相位变化，对应的低于10Hz的变化称为漂移。

对于高速大容量光纤数字传输系统而言，随着传输速率的提高，脉冲的宽度和间隔越窄，抖动的影响就越显著。因为抖动使接收端脉冲移位，从而可能把有脉冲判为无脉冲，或反之，把无脉冲判为有脉冲，从而导致误码。40∆t1∆t2∆t3∆t4发送信号接收信号抖动示意图41抖动的单位抖动的大小或幅度通常可用时间、相位度数或数字周期来表示。根据ITU-T建议，普遍采用数字周期来度量，即用“单位间隔”或称时隙(UI)来表示。1UI相当于1比特信息所占有的时间间隔，它在数值上等于传输比特率的倒数。抖动可以分为相位抖动和定时抖动。所谓相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。所谓定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。42表9-9PDH系列信号对应的UI值码速率Mbit/s2.0489.44834.368139.264单位抖动(ns)48811829.17.18431.抖动的来源在数字传输系统中，抖动的来源有以下几个方面：线路系统的抖动随机性抖动系统性抖动复用器的抖动PDH复用器抖动SDH复用器抖动44线路系统的抖动随机性抖动源各种噪声源 定时滤波器失谐时钟相位噪声系统抖动源码间干扰限幅器的门限偏移激光器的图案效应45复用器的抖动（1）PDH复用器的抖动PDH体制采用插入比特的正码速调整方法，在接收解复用侧，需要把这些附加的插入比特全部扣除，从而形成了带空隙的脉冲序列，由这样的非均匀脉冲序列所恢复的时钟就会带有相位抖动。（2）SDH复用器的抖动在SDH复用器中采用指针调整机制。指针调整将产生相位跃变。由于指针调整是按字节为单位进行的，一个字节含8bit，因而一次字节调整将产生8UI的相位跃变。462.抖动性能的规范

PDH网的抖动性能规范网络接口的最大允许抖动设备输入口的抖动和漂移容限设备抖动传递特性

SDH网的抖动性能规范网络接口的最大允许抖动设备输入口的抖动和漂移容限479.3.3漂移（Wander）9.4.1漂移的概念

漂移的定义为数字信号的特定时刻(例如最佳抽样时刻)相对其理想时间位置的长时间偏移。引起漂移的一个最普通的原因是环境温度变化，它会导致光缆传输特性发生变化，从而引起传输信号延时的缓慢变化。因此漂移可以简单地理解为信号传输延时的慢变化。489.3.4延时（Delay）信号从一个地方传输到另一个地方总是需要一定时间的，所需的时间就是信号传输延时。严格说，延时是指数字信号传输的群延时，即数字信号以群速通过一个数字连接所经历的时间，又称包络延时。当延时过大时会使通路发生困难，因此必须加以控制。49延迟的产生在整个端到端通信连接中，可能产生延时的环节很多，主要由下面几方面：传输系统网络节点和其它数字设备产生的延时

SDH引入的延时509.4光纤通信系统的可用性对光纤通信的要求是迅速、准确和连接不间断地工作。因此对系统的可靠性提出了较高的要求。

注意可靠性（Reliability）和可用性（Availability）的概念是不一样的。可靠性指的是某个产品和系统在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性；而可用性指的是在要求的外部资源和条件得到保证的前提下，某个产品或系统在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力。换而言之，可用性是产品或系统的可靠性、维修性和维修保障性的综合反映。

51可靠性和可用性表示方法通常用来表示系统可靠性的参数有两个：一个是平均故障间隔时间(MTBF)，单位为小时；另一个是故障率(λ)，单位为1/小时。λ＝1/MTBF。当λ采用10-9/小时作为计量单位时，称为Fit，即1Fit＝10-9/小时。52可用性系统的可用性是指在给定的时间间隔内处于良好工作状态的能力。系统的可用性(A)用系统的可用时间与规定的总工作时间的比值来表示，即：式中：A为可用性可用时间即为系统的平均故障间隔时间MTBF

总的工作时间包括：平均故障间隔时间(MTBF)和平均故障修理时间(MTTR)所以

(9-4)53不可用性当用失效率(不可用性)进行计算时，表达式为：式中F为失效率不可用时间即平均故障修理时间(MTTR)，所以

(9-6)由于MTTR值较小，故式(9.6)可近似为

(9-7)因此

(9-8)549.4.2光纤通信系统可用性计算光纤通信系统主要包括PCM复用设备、光端机、中继机、光缆、供电设备、备用转换设备等。光纤通信多采用热备用系统和自动保护倒换设备来提高系统的可用性。设主用系统为n个，备用系统为m个，主、备用系统比为n：m。若单个系统失效率为F0，在（n+m）个系统中，只要有任意（m+1）个以上系统出现故障，就不能确保n个主用系统均正常工作。55可用性计算分析（1）（m+1）个系统同时出现故障的概率为(F0)m+1，所以在（n+m）个系统中，任意（m+1）个系统同时出现的故障概率为Cn+mm+1(F0)m+1，同理，在（n+m）个系统中，任意（m+2）个系统同时出现故障概率为Cn+mm+2(F0)m+2。因此，n个主用系统中有任何系统发生故障的失效率为：

(9-9)56可用性计算分析（2）一般情况下，在（n+m）个系统中，任意（m+2）个以上系统同时出现故障的概率相对很小，因此式(9-9)中，仅取第一项就能满足精度要求，所以，式(9-9)可近似为(9-10)假设各个主用系统失效率相同，则每个主用系统发生故障的失效率为

(9-11)若系统中无备用系统即m＝0，则：F主＝F0。579.4.3光纤通信系统可用性指标要求对光纤通信系统可用性的要求是：希望系统和设备正常运行时间应尽可能长，维护工作尽可能少。我国在“光缆通信进网要求”中提出5000km光缆通信系统双向全程容许每年4次全阻故障。当取平均故障修复时间为6小时时，系统双向全程的可用性可达到99.73％，折算到280km数字段的可用性为99.985％，420km数字段的可用性为99.9％。对于市内光缆通信系统，若取平均故障修复时间为0.5小时，则50km市内光缆通信系统可用性可达99.99％。可用性长度换算见式9-12。589.5光纤通信系统设计

统计法统计法的基本思想就是假设允许一个预先确定的足够小的系统先期失效概率，从而获取所需的系统设计参数（如再生段距离等）。最坏值法最坏值设计法，就是在设计系统的主要参数（如再生段距离）时，将所有的参数均按照最坏值选取，而不管其具体分布。影响系统设计的主要因素

功率预算

光源频率啁啾

色度色散

偏振模色散

非线性59最坏值法设计过程

对于光纤通信系统而言，最主要的影响系统的因素是光纤损耗和色散，而其他的影响因素也可以换算成相应的功率代价。因此，工程中使用最坏值法时，可以分别计算仅考虑损耗和色散的不同情况，在计算完成后进行比较和分析，取其中较为保守的值作为设计结果。

如仅考虑光纤损耗则称为衰减受限系统，仅考虑色散的影响则称为色散受限系统。60611.衰减受限系统中继距离计算62衰减限制系统中继距离的计算

(9-13)式中：L－最大中继距离(km)

Ac－S、R点间增加的光连接器衰减(dB)

As－光纤固定接头平均衰减(dB／Km)Af—光纤的平均衰减(dB／Km)

Mc－光缆的富余度(dB／Km)ASR：系统S点和R点之间光缆线路容许的衰减(dB)

ASR=PS－PR－MePS－发送平均光功率(在S点测出的值)(dBm)PR－光接收机灵敏度(在R点测出的值)(dBm)

Me－设备富余度(dB)Me包括系统积累抖动、均衡失调、外界干扰等。632.色散受限系统中继距离计算在高速率光纤通信系统中，只考虑色散的影响，则系统的最大中继距离主要由光纤的色散来确定，称为色散限制系统。对于色散限制系统，首先应确定所设计的再生段的总色散（ps/nm），再据此选择合适的系统分类代码及相应的一整套光参数。通常，最经济的设计应该选择这样一类分类代码，它的最大色散值大于实际设计色散值，同时在满足要求的系统分类代码中具有最小的最大色散值。64色散限制系统中继距离的计算色散限制系统可达的再生段距离的最坏值可以用下式估计（9-14）其中DSR为S点和R点之间允许的最大色散值，可以由光接口参数规范中查到。Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散，单位为ps/（nm·km），可以根据公式求得，也可取光纤色散分布最大值。在工程中的一个较为简明的工程计算公式表示为（9-15）

式中α为啁啾系数，λ单位为nm，B的单位为Tb/s。65本章小结和知识点数字传输模型光接口性能光纤数字通信系统性能光纤通信系统的可用性光纤通信系统设计光纤通信系统67光纤接入网用户侧的业务从传统的话音为主逐渐向包括话音、视频及各种交互式数据业务融和的方向发展。接入网成为通信网络建设和发展的重点。光接入网是指在接入网中采用光纤作为主要传输媒质的接入技术，具有传输容量大、传输距离长、对业务透明性好等优点，是固定接入领域内最佳的解决方案。本章主要介绍光接入网原理及主要技术。教学课时为2学时。6810.1光接入网

通信网络已经发展成为覆盖全球的规模非常大的网络，传统上而言可以分为公共网络和用户网络（也称用户驻地网）两部分。

接入网是各类用户与公共网络进行通信，实现用户侧与网络侧业务互通的最重要的网络组成部分。6910.1.1接入网概述ITU-T建议G.902对接入网的定义如下：接入网是由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传输设施）组成的、为传送电信业务提供所需要的传送承载能力的实施系统，可经由Q3接口进行配置和管理。G.902建议中涉及的传送实体是为提供各类通信业务所必要的传送承载能力、由各类有线和无线技术构成的通信系统。70Y.1231IP接入网随着Internet和各种IP类数据业务应用的快速普及，ITU-T提出了适应于IP业务的IP接入网定义。建议Y.1231将IP接入网定义为IP用户和ISP之间为提供所需的、接入到IP业务的能力的网络实体的实现。Y.1231定义的接入网的结构和实现形式都较G.902灵活。为便于读者理解和把握接入网的总体概念，本章中所涉及的接入网内容主要以G.902建议为参照。712.接入网的定界接入网所覆盖的范围是由三个接口来定界，即网络侧经业务节点接口（SNI）与业务节点（SN）相连；用户侧经用户网络接口（UNI）与用户相连；管理侧经Q3接口与电信管理网（TMN）相连，不具备Q3接口时通常需经由协调设备（MD）与TMN相连。SN是提供业务的实体，是一种可以接入各种交换型和/或永久连接型电信业务的网络单元。72图10-1接入网的定界733.接入网分层模型为了便于网络设计与管理，接入网按垂直方向分为三个独立的层次。其中每一层为其相邻的高阶层提供传送服务，同时又使用相邻的低阶层所提供的传送服务，这三层分别是电路层、通道层和传输媒质层。在网络分层后，每一层仍显得很复杂，因此可以进一步将每一层网络划分为若干个子网，每一个子网又可以进一步分割成若干个更小的子网。74图10-2接入网通用协议参考模型754.接入网的主要特点（1）功能相对简单（2）业务多样性（3）网径较小（4）成本敏感（5）施工难度较高（6）对环境的适应能力强76图10-3接入网分类示意图线对增容技术PG数字用户线技术（xDSL）电力线接入技术PLC有线接入网无线接入网有线无线混合接入网接入网铜线接入网光纤接入网光纤铜线混合接入网（HFC）固定终端无线接入网移动终端无线接入网有源光纤接入网AON无源光纤接入网PON7710.1.2光纤接入网光纤接入网（OAN，OpticalAccessNetwork）是指在接入网中采用光纤作为主要传输媒质来实现信息传送的网络形式。它不是传统意义上的光纤传输系统，而是针对接入网环境所设计的特殊的光纤传输网络。781.光纤接入网的主要结构光纤接入网采用光纤作为主要传输媒质，而局侧和用户侧发出和接收的均为电信号，所以在局侧要进行电/光变换，在用户侧要进行光/电变换，才可实现中间线路的光信号传输。一个一般意义上的光纤接入网示意图如图10-4所示。一个光接入网主要由光线路终端OLT、光分配网络ODN和光网络单元ONU

等组成。79图10-4光纤接入网示意图80图10-5光纤接入网的参考配置81有源光网络AON和无源光网络PON无源光网络PON是指在OLT和ONU之间没有任何有源的设备而只使用光纤等无源器件。PON对各种业务透明，易于升级扩容，便于维护管理。有源光网络（AON）中，用有源设备或网络系统（如SDH环网）的ODT代替无源光网络中的ODN，传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，网络规划和运行的灵活性大，不足的是有源设备需要机房、供电和维护等辅助设施。82图10-6ODN中的光通道83光纤接入网的拓扑结构光纤接入网的拓扑结构主要有总线形、环形和星形。由此又可以派生出树形、双星形、环形－星形等结构，如图10-7所示。图10-7光纤接入网的拓扑结构848510.1.3光纤接入网的应用类型根据ONU位置的不同，可以将OAN划分为几种基本的应用类型，即光纤到路边FTTC、光纤到楼FTTB、光纤到家或办公室FTTH/FTTO等。从发展来看，光接入网的普及主要受到成本和内容等多方面的制约，从长远来看，以FTTH/O＋家庭（办公室）无线网的形式实现宽带接入可能是一种较好的选择。8610.1.4光接入网性能指标光接入网的性能指标既包括了物理层的光纤传输、光通道衰减、双向链路光功率预算等，也包括了误码和抖动性能，对于特定的光接入网技术，还可能包含了带宽分配、拥塞控制和流量控制等性能指标。光接入网中最主要的性能指标之一是链路的光功率预算，也即OLT与ONU间允许的能量损失。表示为87表10-1分光器插入损耗分光器类型1:21:41:8或2:81:16或2：161:32或2:32FBT或PLC≤3.6dB≤7.3dB≤10.7dB≤14dB≤17.7dB表10-2最大光链路衰减88序号接口（光纤线路最长传输距离1310nm时最大光链路衰减（dB）1490nm时最大光链路衰减（dB）11000Base-PX20U接口20km24-21000Base-PX20D接口20km-23.58910.1.2光接入网关键技术

突发收发技术

突发同步技术

测距技术

多址接入技术

动态带宽分配技术

光功率的动态调节

服务质量和安全技术90突发收发技术光接入网中需要具有突发收发的能力。例如对于采用TDMA的ONU而言，每个ONU只能在每一帧的特定时刻发送上行信号，因此需要有快速的功率开启和切断的功能。同时对于光接入网中发送机的消光比也有较高的要求。多个ONU对应于一个OLT，在每一时刻只有一个ONU发送信号，其他所有ONU都应处于关断状态，此时要求其余所有ONU的残留光之和不能对正在发光的ONU产生影响。OLT侧也有类似的问题。如多个ONU发送的信号到达OLT侧会有功率的波动，OLT的接收机需要能灵活快速地调整接收电平，迅速地接收和恢复数据。91突发同步技术

由于各ONU与OLT的距离不同，因此各个信元信号经传输延迟后，到达OLT时的比特相位不同，OLT接受到从ONU来的短脉冲数据流，这些数据流的比特相位各不相同且是未知。由于组成上行帧的各ONU传输的信元数有限，为了不丢失有用信息，需有较快的比特同步，OLT处的比特同步必须在每个上行ONU短脉冲数据流期间建立。使得快速比特同步电路在几个比特周期内与输入数据同步，从而把每个ONU发送的信号正确恢复出来。92测距技术光接入网的环境是典型的点到多点方式，由于各个ONU到OLT的距离不等，为了防止各个ONU所发上行信号发生冲突，OLT需要一套测距功能，以保证不同物理距离的ONU与OLT之间的“逻辑距离”相等，即传输延迟一致，以避免碰撞和冲突的出现。测距也即测量各个ONU到OLT的实际距离，并将所有的ONU到OLT的虚拟距离设置相等的过程。93测距实现测距过程分为三个子过程：静态粗测距；静态精测距；动态精测距。系统初始化时或当一个新的ONU加入时或一个ONU重新加电时，静态粗测距起作用，为保证该过程对数据传输的影响较小，采用低频低电平信号作为测距信号；静态精测距是达到所需测距精度的中间环节，每当ONU被重新激活时都要进行一次，它占据一个上行传输时隙；动态精测距是在数据传输过程中，使用数据信号来进行测距。精态精测距过程结束后，OLT指示ONU可以发送数据了，在发送数据过程中，OLT持续地测量各ONU环路延时，及时调整补偿时延以适应各种因素对环路时延的影响。94多址接入技术时分多址接入TDMA

波分多址接入WDMA

码分多址接入CDMA95时分多址接入技术TDMA上行传输时将时间分成若干个时隙，每一时隙内只安排一个ONU以分组方式向OLT发送分组信息。每个ONU严格按照预先规定的顺序依次发送。为了避免与OLT距离不同的ONU所发的上行信号在OLT处发生冲突，OLT需要有一套复杂的测距功能，不断测量每一ONU与OLT之间的时延（即逻辑距离），指挥每一个ONU调整发送时间，使之不至于互相冲突。96波分多址接入技术WDMA波分多址接入WDMA方式是采用不同的波长对应于不同的ONU。采用单根光纤，两个方向的信号（上行信号和下行信号），分别调在不同的波长上。各个ONU不同波长的上行光信号，送至光分路器并耦合进光纤，该复用信号到达OLT后，利用WDM器件可分出属于各个ONU的光信号，再经过光电检测器，解调出电信号。上行传输（从ONU到OLT）必须工作在1310nm波长区，下行传输（OLT到ONU）工作在1310nm或1550nm波长区。当上、下行均工作在1310nm波长区时，上行信号处于1310nm波长区高端，下行信号处于1310nm波长区低端。97码分多址接入技术CDMA码分多址接入CDMA方式是为每一个ONU分配一个多址码，并将各ONU的上行信码与其进行模二加后，再去调制具有相同波长的激光器，经光分路器（OBD）合路后传输到OLT，通过检测、放大和模二加等电路后，恢复出ONU送来的上行反码。98

动态带宽分配在上行方向，任意时刻不同ONU对带宽的需求是不一样的，这就涉及到带宽分配及其算法的问题。带宽分配要求提供一套最有效的在尽可能保证每个ONU需求的同时高效利用网络资源的手段。带宽分配算法既要考虑连接业务的性能特点和其服务质量的要求，又要考虑接入控制的实时性。动态带宽分配可以通过包括消息和状态机等技术来实现。99光功率的动态调节每个ONU与中心接收机的光路损耗是不同的，所以中心节点的光接收机必须能够应付从一个突发到另一个突发的不同的光接受功率，因此，接收机需要较大的动态范围，并且能够设定门限快速区分比特“0”和比特“1”。此外每个传输节点的输出功率将根据该节点的光路损耗而进行调节，从而降低对光接收机的动态范围的要求。100服务质量和安全技术光接入网的服务质量和安全技术是保证用户对于不同业务类型需求的关键技术。采用TDM方式传送下行数据的光接入网，必须采取一定的认证和鉴权机制，以保证每一个ONU只能获得自己所需的信息。而对于上行信号而言，需要采取认证机制以保证只有合法的ONU可以与OLT建立连接。同时针对用户的不同类型的业务，如对时延、误码率等要求不同的话音和视频业务等采取不同的对策加以区别对待。10110.1.3无源光接入网PON

在光接入网中如果ODN全部是由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是无源光接入网PON。PON中的ODN部分仅由光分路器、光缆等无源器件组成，因此PON具有极高的可靠性，同时对环境的依赖程度小，是光接入网中最为看好的技术。同时，PON方案也是实现光接入网FTTH的各种方案中成本最低的.图10-12实现FTTH方案成本对比

102103PON双向传输一般情况下，PON中只采用一个分光器，称为一级分光模式。近年来，由于FTTH的需求日益增加，也开始采用多个分光器级联使用的模式，称为二级分光。PON双向传输的常用方法是下行信号使用1490nm波长，上行信号使用1310nm波长。如果PON的分路比较高，即一个OLT需要连接较多ONU，且传输距离较长时，也可考虑在OLT侧设置光放大器，提高总的下行功率。ITU-T在G.983系列建议中规定，PON的分路比至少支持1：16或更高（目前多为1：32或1：64），OLT与ONU之间的物理距离不得少于20km。104基于ATM的APONAPON是基于ATM的PON接入技术，最早由全业务接入网组织（FSAN）于20世纪90年代提出，并由ITU-T完成标准化。APON下行方向采用TDM方式，并通过信头的虚通道标识符／虚通路标识符（VPI/VCI）进行二级寻址，并根据不同业务的QoS（服务质量）进行不同的转接处理。上行方向则采用TDMA方式，各个ONU以最小1个ATM信元对应的时隙占用上行带宽。105图10-13APON结构示意图106图10-14APON帧结构107基于Ethernet的EPONEPON是由国际电气电子工程师协会IEEE提出并标准化。IEEE的第一英里以太网EFM（EthernetintheFirstMileStudy）工作组于2002年7月制定了EPON草案。EPON的ODN由无源分光器件和光纤线路构成，EFM确定分路器的分光能力在1：16到1：128之间。上行和下行线路的光信号使用两个不同波长（1310nm/1490nm），速率均为1Gbit/s，传输距离可达20km。108EPON上下行方案在下行链路上，OLT以广播方式发送以太网数据帧。通过1：N的无源分光器，数据帧到达各ONU，ONU通过检查接收到的数据帧的目的媒体接入控制（MAC）地址和帧类型（如：广播帧、OAM帧）来判断是否接收此帧．在上行链路上，各ONU的数据帧以突发方式通过共同的无源分配网传输到OLT，因此必须有一种多址接入方式保证每个激活的ONU能够占用一定的上行信道带宽。考虑到业务的不对称性和ONU的低成本，EFM工作组决定在上行链路上采用TDMA方式。109图10-15EPON下行信号示意110图10-16EPON上行信号示意111千兆比特兼容的无源光接入网GPONITU-T在APON基础上，提出了千兆比特兼容的无源光接入网GPON。GPON的主要设想是在PON上传送多业务时保证高比特率和高效率。由于GPON一开始就自下而上地重新考虑了PON的应用和要求，为新的方案奠定了基础，不再基于早先的APON标准。它一方面保留了与PON不是直接相关的许多功能，如OAM消息、DBA等；另一方面GPON则基于完全新的传输会聚（TC）层。GPON采用的是一个以帧为基础的协议，用通用成帧程序（GFP）作业务映射。112GPON总体目标帧结构可以从622Mbit/s扩展到2.5Gbit/s，并支持不对称比特率；对任何业务都保证高带宽利用率和高效率；把任何业务（TDM和分组）都通过GFP装入125μs的帧中；对纯TDM业务作高效率的无开销传送；通过带宽指示器为每一ONT动态分配上行带宽。113图10-17GPON总体结构114图10-18GPON协议模型115图10-21上行接入控制示例新型PONWDMPONTDM-WDM混合PONXGPON和NGPON通信与信息工程学院11610.2计算机高速互联光网络技术10.2.1光纤分布式数据接口10.2.2光纤通道10.2.3高速计算机光互连技术通信与信息工程学院11710.3智能光网络

智能光网络是下一代的光网络，具有自动发现功能，包括能够自动地发现业务、拓扑、资源的变化；具有强大的计算功能，能够根据网络环境的这些变化，进行计算、分析、推理和判断，根据资源有效配置这一原则最终做出决定；具有快速的动态的连接建立能力，并能为需要的业务提供保护和恢复功能；能够提供不同类型的、不同优先级的服务等。11810.3.1智能光网络概述智能光网络另一个重要的特征是能够为用户提供更新型、更多带宽的服务，如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、光虚拟专用网（OVPN）等。学术界和工业界对于如何实现真正意义上的智能光网络仍存在一些不同看法，目前包括ITU-T、IETF、OIF等国际标准化组织都对此投入了巨大的精力，其中以ITU-T主导的自动交换光网络（ASON）被认为是现阶段实现智能光网络的主要方法，而IETF提出的通用多协议标记交换协议（GMPLS）是ASON的主要控制协议，OIF则侧重于接口标准的开发和规范。11912010.3.2自动交换光网络ASONASON最早是在2000年3月由ITU-T的Q19/13研究组正式提出，相关标准化工作进展迅速。ITU-T先后制订出G.807（自动交换传送网络功能需求）、G.8080（自动交换光网络体系结构）以及后续的ASON相关标准，IETF（因特网工程任务组）、OIF（光互联网论坛）等组织也正在积极扩展通用多协议标记交换GMPLS协议，使其能成为ASON的路由和信令协议。121ASON基本思想ASON核心思想是在路由和信令控制下，完成自动交换连接功能的新一代光网络。ASON首次将信令和选路引入传送网，通过智能的控制层面来建立呼叫和连接，实现了真正意义上的路由设置、端到端业务调度和网络自动恢复。

ASON的优势集中表现在其组网应用的动态、灵活、高效和智能方面。支持多粒度、多层次的智能，提供多样化、个性化的服务是ASON的核心特征。

122图10-29ASON的体系结构123ASON中的连接在ASON中，一共定义了三种不同的连接：永久性连接（PC，PermanentConnection）交换式连接（SC，SwitchedConnection）软永久性连接（SPC，Soft-permanentConnection）124图10-30交换连接示意图125ASON控制平面结构控制平面是ASON的核心。就其实质而言，控制平面是一个IP网络。也就是说ASON控制平面实际上是一个能实现对下层传送网进行控制的IP网络。控制平面主要包括信令协议、路由协议和链路资源管理等。信令协议用于分布式连接的建立、维护和拆除等管理；路由协议为连接的建立提供选路服务；链路资源管理用于链路管理，包括控制信道和传送链路的验证和维护。126图10-31ASON控制平面节点结构组件127图10-32分布式呼叫和连接管理模型128图10-33ASON网络路由工作框架129图10-34路由组件构成示意13010.3.3通用多协议标记交换GMPLSGMPLS（通用多协议标签交换）由MPLS扩展而来，它对MPLS的标签及LSP（标签交换路径）建立机制进行了扩展，从而产生了通用的标签及通用LSP（GLSP）。GMPLS除了支持具有分组交换能力的接口，还支持具有时分、空分以及波长交换能力的接口。同时，GMPLS为光网络提供了强有力的控制平面，从而使光网络向对等网络的演进成为可能。131控制平面引入GMPLS增加功能资源发现：跟踪系统资源的可用性，例如业务量端口、带宽以及复用能力；路由控制：提供路由能力、拓扑发现以及流量工程；连接管理：通过上面的功能为不同的业务提供端到端的业务配置，连接管理包括连接的建立、删除、修改以及连接查询；连接恢复：为网络提供更进一步的保护。GMPLS控制平面可以提供一些在多设备厂家环境下传统的管理平面很难提供的业务，它们包括端到端连接的配置、按需带宽（BoD）、自动流量工程、附加的保护和恢复以及光虚拟专用网（OVPN）等。132图10-37不同等级LSP嵌套关系示例10.4全光网全光网（AON）是指信息从源节点到目的节点的传输完全在光域进行，以光节点取代现有网络的电节点，并用光纤将光节点连成为网，全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络。它包括光传输、光放大、光再生、光选路、光交换、光存储、光信息处理等先进的全光技术。全光网克服了现有网络在传送和变换时的电子瓶颈，减少了信息传输的拥塞，大大提高了网络的吞吐量。13310.4.1全光网原理全光网使用光节点取代了现有网络中的电节点（或光电混合节点），信号在通过光节点时不需要经过光/电和电/光转换，因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特速率和调制方式透明，可以大大提高节点的吞吐量，克服了原有电子交换节点的时钟偏移、漂移、串话、响应速度慢、固有的RC参数等缺点。13410.4.2全光交换技术

传统的光网络节点中业务的处理只能在电域进行，需要在中间节点经由光/电和电/光转换，这种方式不仅成本高、结构复杂，而且吞吐容量不足。

全光交换技术是指光网络中的节点不需要任何光/电和电/光转换，可以直接在光域将输入光信号交换输出到不同的输出端。根据实现方式不同，主要分为光路交换技术和光分组交换技术。135空分光交换空分光交换技术是指通过控制光选通元件的通断，实现空间任意两点（点到点、一点到多点、多点到一点）的直接光通道连接。实现的方法是通过空间光路的转换加以实现。最基本的元件是光开关及相应的光开关阵列矩阵。136空分光交换137光波长交换

光波长交换（OpticalWavelengthSwitching）技术是以波分复用原理为基础，主要分为波长选择法交换和波长变换法交换。138图10-41波分交换的原理框图139光分组交换

光分组交换（OPS）是未来全光网的核心。在OPS的全光网中，业务层的数据包（例如IP数据）直接映射在光域的光分组上，由光域的光路由器或光交换机对光分组直接进行处理，从而实现真正意义上的全光交换。但是由于目前的技术限制，尚不能对光信号实现直接的存储、队列、缓冲和分发等功能。但是从长远来看，全光的分组交换OPS是光交换的发展方向。140光突发交换光突发交换OBS结合了电路交换和分组交换两者的优点。突发是光突发交换网中的基本交换单元，它由控制突发分组（BCP，作用相当于分组交换中的分组头）与突发数据BDP（净载荷）两部分组成。突发数据和控制分组在物理信道上是分离的，每个控制分组对应于一个突发数据，这也是光突发交换的核心设计思想。14110.4.3全光网节点技术

光交叉连接OXC

光分插复用器OADM

全光波长变换器142光纤通信系统144本章要点本章主要介绍包括相干光通信、光孤子技术、空间光通信和量子光通信等光纤通信新技术。本章教学课时为2学时。11.1相干光通信传统的光纤通信系统采用的是强度调制/直接检测(IM/DD)技术，其单路信道带宽很有限（受光源和检测器件开关频率的限制），难以适应高速率大容量光纤通信系统的要求。同时，对光源的直接强度调制技