第六章 光網(wǎng)絡(luò)

1第六章光網(wǎng)絡(luò)

6.1網(wǎng)絡(luò)概念6.2傳輸格式和速率

6.3光接口

6.4SONET/SDH6.5光交換技術(shù)分類參數(shù)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域（服務(wù)范圍）局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）、國家與國際網(wǎng)、全球網(wǎng)傳輸信號(hào)格式數(shù)字網(wǎng)、模擬網(wǎng)帶寬寬帶網(wǎng)、窄帶網(wǎng)物理層（媒介）有線：光纖網(wǎng)、銅線網(wǎng)無線：無線網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)功能傳輸網(wǎng)，骨干網(wǎng)核心網(wǎng)接入網(wǎng)支線網(wǎng)廣播網(wǎng)運(yùn)營方式公網(wǎng)、專網(wǎng)協(xié)議體制SDH、ATM、IP等業(yè)務(wù)種類電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)分類1、定義：以光為傳輸媒質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)奈锢砻浇橛校汗饫w、自由空間等。2、功能：在光層上完成通信數(shù)據(jù)的傳輸、交換、匯聚和接入等網(wǎng)絡(luò)的功能。3、特點(diǎn)：充分利用了光纖的巨大帶寬資源。對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率、協(xié)議、業(yè)務(wù)的透明性。可提供動(dòng)態(tài)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，靈活升級(jí)。波長的在利用可靠的保護(hù)恢復(fù)機(jī)制。光網(wǎng)絡(luò)的定義和功能第一代光網(wǎng)絡(luò)

光纖純粹作為傳輸媒介，作為銅纜替代品;點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸；

所有交換和比特處理用電的方法完成：

第一代光網(wǎng)絡(luò)的例子是SONET（同步光網(wǎng)絡(luò)）和SDH（同步數(shù)字體系）網(wǎng)絡(luò)，分別構(gòu)成北美、歐洲和亞洲通信基礎(chǔ)設(shè)施的核心。也有變化的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）。第二代光網(wǎng)絡(luò)部分交換和路由功能從電層進(jìn)入光層；發(fā)展了基于該優(yōu)點(diǎn)的OTDM和WDM網(wǎng)絡(luò)；為高層提供三種不同類型的服務(wù)：光通路服務(wù)，應(yīng)用于WDM網(wǎng)虛電路服務(wù)，數(shù)據(jù)包服務(wù)（IP）一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，一旦光通路建立，電路交換光通路服務(wù)對(duì)發(fā)送到上面的實(shí)際數(shù)據(jù)是透明的；在光域執(zhí)行更多功能，比如路由和交換波長，最終以光形式交換包

分類參數(shù)網(wǎng)絡(luò)功能核心交換網(wǎng)光傳輸網(wǎng)光接入網(wǎng)光局域網(wǎng)和光局域互連區(qū)域光廣域網(wǎng)光城域網(wǎng)光局域網(wǎng)光信號(hào)的傳輸媒介光纖網(wǎng)、空間通信網(wǎng)光承載的信號(hào)數(shù)字、模擬信號(hào)承載方式PDH、SDH、WDM、IP等光網(wǎng)絡(luò)分類分類參數(shù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)靜態(tài)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)波長變換無波長轉(zhuǎn)換有波長轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)單跳網(wǎng)絡(luò)多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線、星型、網(wǎng)狀、環(huán)形、樹形選路廣播與選擇波長選路網(wǎng)光網(wǎng)絡(luò)分類6.1網(wǎng)絡(luò)概念

6.2傳輸格式和速率

6.3光接口6.4SONET/SDH6.5光交換技術(shù)6.2傳輸格式和速率圖給出了SONET的基本幀結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)由9行、90列字節(jié)構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)。基本SONET幀的周期為125s，因此基本SONET信號(hào)的傳輸速率為：STS-1=(90字節(jié)/行)×(9行/幀)×(8比特/字節(jié))×(125s/幀)=51.84Mb/s。

該信號(hào)稱為STS-1信號(hào)，所有的SONET信號(hào)都是STS-1信號(hào)速率的整數(shù)倍，STS-N信號(hào)的比特速率是51.84Mb/s的N倍。當(dāng)采用STS-N信號(hào)調(diào)制光源時(shí)，先對(duì)邏輯STS-N信號(hào)進(jìn)行擾碼以減少長連0和長連1，便于在接收機(jī)中進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)。經(jīng)過電光變換后的物理層光信號(hào)稱為光載波(OpticalCarry,OC-N)。實(shí)際上采用OC-N鏈路表示SONET鏈路更為普遍。N值在1~255之間變化的生成算法都已提出，但ANSIT1.105標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的N僅為1,3,12,24,48和192。

傳輸格式和速率在SDH中基本速率等于STS-3，即155.22Mb/s，稱為同步傳輸模式(SynchronousTransportMode,STM-1)，更高的速率表示為STM-M。ITU-T建議支持的M值為1,4,14和64，它們相當(dāng)于SONET的OC-N信號(hào)。類似于SONET，SDH也先對(duì)邏輯信號(hào)進(jìn)行擾碼，但不同的是，SDH不區(qū)分邏輯電信號(hào)（如SONET中的STS-N）和物理光信號(hào)（如OC-N），這些信號(hào)都標(biāo)記為STM-M。傳輸格式和速率幀結(jié)構(gòu)中的前3列傳輸?shù)拈_銷字節(jié)承載了網(wǎng)管信息，剩下的87列承載了用戶數(shù)據(jù)，稱為同步有效載荷封裝(SynchronousPayloadEnvelope,SPE)和9個(gè)字節(jié)的通道開銷(PathOverHead,POH)。POH支持性能監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)、信號(hào)標(biāo)記、尋跡功能和一個(gè)用戶通道。這9個(gè)通道開銷字節(jié)總是排成1列，它們可以出現(xiàn)在SPE中的任何位置。值得注意的是，SONET/SDH的同步字節(jié)間插復(fù)用特性，可以實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)中信息通道的分插復(fù)用。傳輸格式和速率表給出了常用的OC-N與STM-M值和對(duì)應(yīng)關(guān)系。

常用的SONET和SDH傳輸速率表

SONET等級(jí)電等級(jí)線路速率(Mb/s)相應(yīng)的SDHOC-1STS-154.84—OC-3STS-3155.52STM-1OC-12STS-12622.08STM-4OC-24STS-241244.16STM-8OC-48STS-482488.32STM-16OC-96STS-964976.64STM-32OC-192STS-1929953.28STM-64傳輸格式和速率當(dāng)N值大于1時(shí)，幀結(jié)構(gòu)的列數(shù)是原來的N倍，而行數(shù)仍然為9行，如圖所示。

SONET的STS-N幀的基本結(jié)構(gòu)6.1網(wǎng)絡(luò)概念

6.2傳輸格式和速率

6.3光接口6.4SONET/SDH6.5光交換技術(shù)

光接口為了保證不同制造商的設(shè)備能夠互聯(lián)，SONET和SDH規(guī)范提出了光源特性、接收靈敏度以及不同類型光纖傳輸距離的特征。下表給出了標(biāo)準(zhǔn)定義的6種傳輸距離，它們?cè)赟ONET和SDH中所用的稱謂各不相同。

SONET和SDH規(guī)范和稱謂傳輸距離SONET稱謂SDH稱謂光纖種類≤2km短距離局間漸變折射率光纖15km中距離短途常規(guī)非色散位移單模光纖40km（1310nm）長距離長途色散位移光纖光接口SONET和SDH規(guī)范提出了光源特性、接收靈敏度以及不同類型光纖傳輸距離的特征。標(biāo)準(zhǔn)定義的6種傳輸距離，它們?cè)赟ONET和SDH中所用的稱謂各不相同。

SONET和SDH規(guī)范和稱謂傳輸距離SONET稱謂SDH稱謂光纖種類80km（1550nm）長距離長途色散位移光纖120km（1550nm）長距離甚長途色散位移光纖160km（1550nm）長距離超長途色散位移光纖光接口針對(duì)于表中不同等級(jí)的損耗和色散特性，可以采用的光源包括發(fā)光二極管(LED)、多橫縱模(MultipleLongitudinalMode,MLM)激光器和單縱模(SingleLongitudinalMode,SLM)激光器。在ANSIT1.105.06和ITU-TG.957中給出了光源的各種譜參數(shù)。

表

波長范圍和光纖損耗傳輸距離1310nm窗口1550nm窗口1310nm處損耗1550nm處損耗≤15km1260~1360nm1430~1580nm3.5dB/km未規(guī)定≤40km1260~1360nm1430~1580nm0.8dB/km0.5dB/km≤80km1280~1335nm1480~1580nm0.5dB/km0.3dB/km光接口表給出了傳輸速率從基群到OC-48或STM-16（傳輸速率為2.5Gb/s）的光功率。系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)在速率低于1Gb/s時(shí)不超過10-10，而當(dāng)速率更高或系統(tǒng)性能要求更高時(shí)不超過10-12，該性能的鏈路功率損傷不大于1dB。具體表7.4見書中134頁給出的數(shù)值。6.1網(wǎng)絡(luò)概念

6.2傳輸格式和速率

6.3光接口6.4SONET/SDH6.5光交換技術(shù)6.4SONET/SDH1985年，Bellcore提出了同步光纖網(wǎng)(SynchronousOpticalNetwork,SONET)標(biāo)準(zhǔn)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)通過了一系列有關(guān)SONET的標(biāo)準(zhǔn)。1989年，國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT接受了SONET概念并制定了同步數(shù)字系列(SynchronousDigitalHierarchy,SDH)標(biāo)準(zhǔn)，使之成為不僅適合于光纖也適合于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)耐ㄓ眉夹g(shù)體制。SONET/SDH與SONET有細(xì)微差別，SDH/SONET定義了一組在光纖上傳輸光信號(hào)的速率和格式，通常統(tǒng)稱為光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)，是寬帶綜合數(shù)字網(wǎng)B-ISDN的基礎(chǔ)之一。SDH/SONET都采用了時(shí)分復(fù)用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)技術(shù)，是同步系統(tǒng)，由主時(shí)鐘控制。兩者都用于骨干網(wǎng)傳輸，是對(duì)沿襲應(yīng)用的準(zhǔn)同步數(shù)字系列(Pseudo-synchronousDigitalHierarchy,PDH)的一次革命。SDH多用于中國和歐洲，而SONET多用于北美和日本。SONET的物理配置在SONET標(biāo)準(zhǔn)中，按照設(shè)備的功能和它們之間連接的關(guān)系，把連接分為了段(Section)、線路(Line)和通道(Path)?！岸巍敝傅氖侵苯舆B接相鄰設(shè)備的連接關(guān)系，即點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路，如再生器與同步傳輸信號(hào)(SynchronousTransportSignal,STS)復(fù)用器、再生器與再生器、添加/丟棄復(fù)用器與再生器之間的連接屬于段連接；“線路”是指連接兩個(gè)SONET復(fù)用器設(shè)備之間的連接，如STS復(fù)用器與添加/丟棄復(fù)用器之間的連接；而“通道”則是指兩個(gè)STS復(fù)用器之間的端到端的連接，如圖7.1所示。對(duì)于只由兩個(gè)STS復(fù)用器直接連接構(gòu)成的SONET系統(tǒng)，段、線路和通道是相同的。SONET系統(tǒng)

SONET的物理配置SONET系統(tǒng)主要包括三種設(shè)備：再生器(Regenerator)、添加/丟棄復(fù)用器(Add-DropMultilexer,ADM)和STS復(fù)用器。再生器就是轉(zhuǎn)發(fā)器，接收光信號(hào)，整形后轉(zhuǎn)發(fā)出去。添加/丟棄復(fù)用器也稱分插復(fù)用器，其主要功能是向通道中添加信號(hào)，并可以從通道中提取出需要的信號(hào)。STS復(fù)用器在SONET系統(tǒng)中的位置處于邊緣，有兩個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換和信號(hào)的復(fù)用/解復(fù)用。SONET/SDH環(huán)網(wǎng)絡(luò)SONET和SDH通常配置成環(huán)狀拓?fù)?。?dāng)設(shè)備或鏈路發(fā)生故障時(shí)，可以采用環(huán)回分集實(shí)現(xiàn)不中斷業(yè)務(wù)保護(hù)。SONET/SDH環(huán)也稱為自愈環(huán)(SelfHealingRing)。SONET/SDH環(huán)可以分為8種可能的類型，而每一種類型均有兩種可以互換的結(jié)構(gòu)。它們具有三個(gè)主要特征：（1）環(huán)上連接結(jié)點(diǎn)的光纖可以是二纖，也可以是四纖；（2）數(shù)據(jù)流可以沿順時(shí)針單方向傳輸，也可以沿兩個(gè)方向傳輸；（3）保護(hù)切換既可以采用線路切換，也可以采用通道切換方案。在8種可能的環(huán)類型組合中，SONET和SDH網(wǎng)絡(luò)中最普遍的兩種結(jié)構(gòu)是：二纖單向線路切換環(huán)(UPSR)和二纖/四纖雙向線路切換環(huán)(BLSR)SONET/SDH環(huán)網(wǎng)絡(luò)如圖所示，在雙纖單向自愈環(huán)配置中包括兩個(gè)通道，即主用通道（簡稱主通道，實(shí)線表示）和保護(hù)通道（也稱為副通道或備用通道，虛線表示）。雙纖單向通道與逆向保護(hù)通道SONET/SDH環(huán)網(wǎng)絡(luò)為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)，從發(fā)送結(jié)點(diǎn)發(fā)出的光信號(hào)同時(shí)輸入主通道光纖和副通道光纖，這樣就建立了一個(gè)指定的保護(hù)通道，數(shù)據(jù)流在保護(hù)通道中逆時(shí)針傳輸，如圖所示，稱為通過鏈路5和鏈路6的1,3結(jié)點(diǎn)之間通道保護(hù)。結(jié)點(diǎn)1到結(jié)點(diǎn)3主副通道數(shù)據(jù)流SONET/SDH環(huán)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)主用光纖環(huán)（標(biāo)注為1p到8p）用于常規(guī)雙向通信，而另外兩個(gè)輔助光纖環(huán)用于保護(hù)的備用環(huán)路（標(biāo)注為1s到8s）。圖為四纖雙向自愈環(huán)原理圖。與二纖單向自愈環(huán)不同，四纖雙向自愈環(huán)在容量上占有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗褂昧藘杀队谇罢叩墓饫w，而且兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)僅在環(huán)的一部分中傳輸。

SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)利用SONET/SDH設(shè)備可以構(gòu)成不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖所示。例如，配置成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路、總線型拓?fù)?、單向自愈環(huán)、雙向自愈環(huán)和環(huán)際互聯(lián)。

SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理圖SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)分插復(fù)用器是一個(gè)重要的SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它是一個(gè)完全同步的、面向字節(jié)的復(fù)用器，可以分接和插入OC-N信號(hào)中的子信道。下圖從概念上闡述了ADM的功能。若干個(gè)OC-12和OC-3信道復(fù)用到一個(gè)OC-48信道。ADM的功能SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)ONET/SDH結(jié)構(gòu)也可以采用WDM。如圖所示，一個(gè)DWDM系統(tǒng)由n個(gè)不同波長的OC-192主干環(huán)構(gòu)成。從每一個(gè)OC-192發(fā)送機(jī)輸出的不同波長光波，首先通過衰減器進(jìn)行功率均衡，然后送入WDM復(fù)用器，通過可選的后置光放大器進(jìn)行放大后，送入光纖傳輸。

由n個(gè)波長的OC-192主干環(huán)構(gòu)成的DWDM設(shè)備6.1網(wǎng)絡(luò)概念

6.2傳輸格式和速率

6.3光接口

6.4SONET/SDH6.5光交換技術(shù)

光交換系統(tǒng)光交換技術(shù)的發(fā)展在某種程度上也決定了全光通信的發(fā)展。光交換技術(shù)也是一種光纖通信技術(shù)，它是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，在光域直接將輸入的光信號(hào)交換到不同的輸出端。光交換技術(shù)可分成光路光交換和分組光交換兩種類型。隨著光器件技術(shù)的發(fā)展，光交換技術(shù)的最終發(fā)展趨勢(shì)將是光控光交換。成熟的光交換技術(shù)研究得最多、最成熟的是光路交換(OpticalCircuitSwitching,OCS)，它是一種面向連接的交換技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)需要為每一個(gè)連接請(qǐng)求建立從源端到目的端的光路（每一個(gè)鏈路上均需要分配一個(gè)專用波長）。交換過程共分三個(gè)階段：(1)鏈路建立階段(2)鏈路保持階段(3)鏈路拆除階段。光路交換系統(tǒng)所涉及的技術(shù)可分為:交換技術(shù)(TDPS)、空分交換技術(shù)(SDPS)、波分/頻分交換技術(shù)(W/FDPS)、碼分交換技術(shù)(CDPS)和復(fù)合型交換技術(shù)。成熟的光交換技術(shù)1．時(shí)分光交換技術(shù)時(shí)分光交換系統(tǒng)采用光器件或光電器件作為時(shí)隙交換器，通過光讀/寫門對(duì)光存儲(chǔ)器的受控有序讀/寫操作完成交換動(dòng)作，如圖所示。

時(shí)分光交換原理圖成熟的光交換技術(shù)2．空分光交換技術(shù)

空分光交換是由開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)的，開關(guān)矩陣結(jié)點(diǎn)可以由機(jī)械、電或光進(jìn)行控制，按要求建立物理通道，使輸入端任一信道與輸出端任一信道相連，完成信息的交換。各種機(jī)械、電或光控制的相關(guān)器件均可以構(gòu)成空分光交換。構(gòu)成光矩陣的開關(guān)有鈮酸鋰定向耦合器、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS等。SDPS的基本原理是