第4章光纖傳輸原理內容提要2光纖通信系統的構成光纖接入網光纖以太網基于SDH的光傳輸網基于DWDM的光傳輸網未來光傳送網4.1光纖通信系統的構成光纖傳輸，即以光信號作為信息載體，光導纖維作為傳輸媒介進行信息傳輸的通信方式，屬于有線通信的一種。光纖傳輸一般使用光纜進行傳輸，單根光導纖維的數據傳輸速率最高可達Tbps量級，在不使用中繼器的情況下，傳輸距離可達上千公里。

光纖通信有著無可比擬的優越性，是目前通信網絡中最主要的傳輸技術。4.1.1光纖通信系統模型光纖通信系統由光發射機、光接收機、光中繼器、光纖連接器及耦合器的無源器件等五個部分組成。圖4-1光纖通信系統組成（1）光發射機光發射機是實現電/光信號轉換的光端機。它由光源、驅動器和調制器組成。其功能是將來自于信號源的電信號對光源發出的光波進行調制，成為已調光波，然后再將已調的光信號耦合到光纖中傳輸。目前，光纖傳輸鏈路均采用半導體發光二極管（LED）或半導體激光器（LD）作為光源。(a)半導體發光二極管（LED）

(b)半導體激光器（LD）圖4-2光源實例圖（2）光接收機

光接收機是實現光/電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經光檢測器轉變為電信號（視頻、音頻或射頻），然后，再將這微弱的電信號經放大電路放大到足夠的電平，送至用戶接收端。

目前光纖傳輸系統中的光電檢測器是主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。（3）光纖或光纜

光纖或光纜構成光的傳輸通路。其功能是將發射端發出的已調光信號，經過光纖或光纜的遠距離傳輸后，耦合到接收端的光檢測器上去，完成傳送信息任務。與銅纜類似，光纜可以架空鋪設，也可以鋪設在管道內、鋪設于海底或直埋于地下。圖4-3光纜的鋪設圖（4）中繼器

中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個：一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減；另一個是對波形失真的脈沖進行校正。（5）光纖連接器、耦合器等無源器件

由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長度也是有限度的。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機的使用連接及耦合，對光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。

4.1.2光纖導光原理光纖的基本結構纖芯涂覆層包層圖4-4光纖基本結構實用的光纖是由多層透明介質構成的，一般可以分為三層：折射率較大的纖芯、折射率較低的包層和外涂覆層，如圖4-4所示。纖芯：用來導光。通信用的光纖，其纖芯的直徑為5～10

m（單模光纖）或50～80

m（多模光纖）。包層：提供在纖芯內發生光全反射的條件。包層可做成單層，也可做成多層。包層外直徑均為125

m。涂覆層：一般分為一次涂覆和二次涂覆層（套塑），有保護裸光纖不受外界微變應力的作用、防水、染成各種顏色加以區分等作用。

按照纖芯和包層的折射率差異，光纖又可以分為階躍型光纖和漸變型光纖。按纖芯折射率分布：

階躍折射率分布和漸變折射率分布思考：為什么纖芯的折射率要高于包層折射率？（a）階躍型光纖結構

(b)漸變型光纖結構圖4-5兩種光纖結構射線理論分析法

光纖屬于介質圓波導，分析導光原理很復雜，可采用波動理論與射線理論分析導光原理。射線理論是忽略波長λ的光學特性，用光射線去代表光能量在光纖中傳輸的方法，這種理論對于光纖的芯徑遠大于工作光波長（2a

λ）的多模光纖，分析傳輸原理是有效的。射線理論分析方法主要是利用基本的光學定律：（1）直線傳播定律光在均勻介質中是沿直線傳播的，其傳播速為，其中：c＝3×105km/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質的折射率。

（2）反射定律反射線位于入射線和法線所決定的平面內，反射線和入射線處于法線的兩側，反射角等于入射角，即有：θ1=θ'1

（4-1）圖4-6光射線的反射和折射（a）（3）折射定律折射線位于入射線和法線所決定的平面內，折射線和入射線位于法線的兩側，且滿足：（4-2）（b）

（c）圖4-6光射線的反射和折射光從一種介質傳播到另一種介質的交界面時，因兩種介質的折射率不等，將會在交界面上發生反射和折射現象。介質折射率大的為光密介質，折射率小的為光疏介質。下面以階躍型光纖為例，闡述光纖的導光原理圖4-7階躍型光纖的導光原理如果

i小于纖芯包層界面的臨界角

c=arcsin（n2/n1），則一部分光線折射進包層，最終被溢出而損耗掉，另一部分反射進入纖芯。如此幾經反射、折射后，很快就被損耗掉了。如果

i減小到

0，如光線②，則

z也減小到

z0，即

z0=（90°

c），而

i增大。如果

i增大到略大于臨界角

c時，則此光線將會在纖芯和包層界面發生全反射，能量全部反射回纖芯。當它繼續傳播再次遇到芯包界面時，再次發生全反射。如此反復，光線就能從一端沿著折線傳到另一端。★必須在纖芯的界面上產生全反射的光線才能限制在光纖纖芯中傳輸，且

0是最大接收角，2

0為光纖對光的最大可接收角?！纠?-2】已知光纖纖芯的折射率

，包層的折射率

的光纖

，問其數值孔徑是多少？☆數值孔徑NA(NumericalAperture)物理意義：NA大小反映了光纖捕捉光線的能力。（4-3）式中，解：波動理論分析法

射線光纖理論分析方法雖然形象地給出了光纖中光的傳輸原理，但其是假定光波長趨于0時的近似分析方法，無法對光在光纖中的傳輸狀態進行嚴格的定量分析，因此需要引入波動光學理論分析方法。

波動光學理論分析方法的核心是求解波動方程。式中，E和H分別是電場強度矢量和磁場強度矢量，k為波數，表示為ω為角頻率，ε和μ分別為介電常數和磁導率。簡化形式的波動方程（4-4）

考慮光纖的外形是圓柱形，纖芯和包層是存在一定折射率差的石英（SiO2）材料。因此，可以把光纖抽象為一個圓柱形介質波導體，z軸是軸向坐標（光信號傳播的前進方向）。用求解波動方程的方法考察光在光纖中具體的傳播和存在形式，即在圓柱坐標系中求解

6個變量。由于波動方程只有2個方程，因此需要進行必要的矢量變換。光纖中波動方程的求解柱面坐標系下的波動方程

求得光纖中任一處的EZ和HZ，再分別代入上式，便可以得到光纖中的完整電磁場分布。波動方程的求解

運用分離變量法求解波動方程經過一系列數學處理，可得：上式是貝塞爾方程，式中m是貝塞爾函數的階數，稱為方位角模數，它表示纖芯沿方位角

繞一圈場變化的周期數。方程解的討論根據邊界條件的假設，在纖芯和包層中波動方程的解（分別對應纖芯和包層中場的存在形式）應該不一樣。纖芯中應該是振蕩場，場的能量可以沿z軸方向傳輸；包層中應該是衰減場，理想情況下應該沒有場存在，這也符合前述的穩態傳輸條件假設，即場能量只存在于纖芯中。由于波動方程中的各系數都是待定的，因此波動方程的求解可能得到許多組解，也即對應著可能會在光纖中存在多種形式的傳輸場。模式存在條件總結對每一個傳播模來說，應該僅能存在纖芯中，而在包層中衰減無窮大，即不能在包層中存在，場的全部能量都沿光纖軸線方向傳輸。如果某一個模式在包層中沒有衰減，稱該模式被截止。不同的模式具有不同的模截止條件，滿足該條件時能以傳播模形式在纖芯中傳輸，否則該模式被截止；在所有的模式中，僅有LP01模不存在模截止條件，即截止頻率為0。也就是說，當其它所有模式均截止時該模式仍能傳輸，稱LP01模為基模。光纖中單模傳輸的條件為：

0＜V

＜2.405（4-13）式中，

【例4-3】

階躍型光纖的相對折射指數差

＝0.01，纖芯折射率n1=1.48，纖芯半徑a=3

m，要保證單模傳輸，問工作波長應如何選擇？解：單模傳輸條件是0<V<2.405即：解得：

綜上，對于工作波長的光波可以保證在該光纖中單模傳輸。

光信號經過一定距離的光纖傳輸后要產生衰減和畸變，因而輸出信號和輸入信號不同，光脈沖信號不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產生信號衰減和畸變的主要原因是光在光纖中傳輸時存在損耗和色散等性能劣化。

損耗和色散是光纖的最主要的傳輸特性，它們限制了系統的傳輸距離和傳輸容量。本節主要討論光纖損耗和色散的機理和特性。4.1.3光纖傳輸特性1.損耗特性

光纖的損耗將導致傳輸信號的衰減。在光纖通信系統中，當入纖的光功率和接收靈敏度給定時，光纖的損耗將是限制無中繼傳輸距離的重要因素。當工作波長為時，L公里長光纖的衰減及光纖每公里衰減可用下式表示：

式中：Pi、Po分別為光纖的輸入、輸出的光功率，單位W。L為光纖長度，單位km。（4-14）（4-15）【例4-4】如果發射機的發射功率為1mW，接收機的靈敏度為

，計算衰減系數為0.2dB/km的光纖鏈路的最大傳輸距離。解：由于的最小值是由接收器的靈敏度來決定的，則，由公式（4-15）得：光纖損耗的產生機理造成光纖中能量損失的原因是吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。吸收損耗與光纖材料有關，散射損耗與光纖材料及光纖中的結構缺陷有關，輻射損耗則是由光纖幾何形狀的微觀和宏觀擾動引起的，附加損耗則是光纖使用時所引入的傳輸損耗。吸收損耗本征吸收是由材料中的固有吸收引起的。物質中存在著紫外光區域光譜的吸收和紅外光區域的吸收。吸收損耗與光波長有關。紫外吸收帶是由于原子躍遷引起的。紅外吸收是由分子振動引起的。SiO2的光纖材料中含有一定的摻雜劑（如鍺Ge，硼B，磷P等）和躍遷金屬雜質（如鐵Fe，銅Cu，鉻Cr等）。這些成分的存在把紫外吸收尾部轉移到更長的波長上去。所含的雜質離子，在相應的波長段內有強烈的吸收。雜質含量越多，損耗越嚴重。除了躍遷金屬雜質吸收外，氫氧根離子（OH-）的存在也產生了大的吸收。散射損耗散射損耗是由于材料不均勻，使光散射而引起的損耗。瑞利散射損耗瑞利散射是由于光纖內部的密度不均勻引起的。瑞利散射損耗的大小與1/λ4成正比。波導散射損耗光纖在制造過程中，會發生某些缺陷。這就會產生散射損耗。圖4-8光纖損耗窗口附加損耗

光纖使用時過程中所引入的傳輸損耗稱為附加損耗。光纖受到某種外力作用時，會產生一定曲率半徑的彎曲。彎曲后的光纖可以傳光，但會使光的傳播途徑改變。一些傳輸模變為輻射模，引起能量的泄漏。宏彎圖4-9彎曲損耗2.色散特性在物理學中，色散是指不同顏色的光經過透明介質后被分散開的現象。在光纖中，信號的不同模式或不同頻率在傳輸時具有不同的群速度，因而信號達到終端時會出現傳輸時延差，從而引起信號畸變，這種現象統稱為色散。對于數字信號，色散會引起光脈沖展寬，嚴重時形成碼間干擾，導致誤碼率增加。根據色散產生的原因，光纖的色散主要分為：模式色散、材料色散、波導色散和偏振模色散。色散決定了光纖的傳輸帶寬，限制了系統的傳輸速率或中繼距離。色散一般用時延差來表示，所謂時延差，是指不同頻率的信號成分傳輸同樣的距離所需要的時間之差。2.色散特性

在多模光纖中，不同模式沿光纖軸向傳播的群速度不同，到達終端時必會有先有后，出現時延差，形成模式色散。模式色散圖4-11多模階躍光纖的模式色散估算階躍型多模光纖的最大模式色散：

在多模階躍光纖中，傳輸最快和最慢的兩條光線分別是沿軸心傳播的光線①和以臨界角

c入射的光線②，如圖4-11所示。設光線②所用時間為τmax和光線①所用時間為τmin；到達終端的時間差△t=τmax-τmin

設在長為L的光纖中，光線①和②沿軸方向傳播的速度分別為c/n1和c/n1sinθc。因此，光纖的模式色散為：（4-16）當光纖的長度越長，模式色散就越大；當相對折射率差

越大，模式色散就越嚴重。

材料色散光纖材料的折射率隨光波長的變化而變化，使得光信號各頻率的群速度不同，引起傳輸時延差，形成材料色散。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的線譜寬度。對于譜線寬度為Δλ的光波，經過長度為L的光纖后，由材料色散引起的時延差為:（4-17）式中，是光纖材料色散系數，是光源的譜線寬度。

波導色散光纖波導結構引起的色散稱為波導色散，也稱為結構色散。取決于波導尺寸和纖芯包層的相對折射率差。波導色散系數D(

)定義為：（4-18）光纖波導色散的計算式為：（4-19）

t＝

·D(

)·L(ps)偏振模色散光信號的兩個正交偏振態在光纖中因不同的傳播速度而引起的色散稱為偏振模色散。偏振模色散是單模光纖特有的一種色散(PMD)。圖4-12偏振模色散3.非線性效應光纖的制造材料本身并不是一種非線性材料，但光纖的結構使得光波以較高的能量沿光纖長度聚集在很小的光纖截面上，會引起明顯的非線性光學效應，對光纖傳輸系統的性能和傳輸特性產生影響。特別是近幾年來，隨著光纖放大器的出現和大量使用，提高了傳輸光纖中的平均入纖光功率，使光纖非線性效應顯著增大。所以光纖非線性效應及其可能帶來的對系統傳輸性能的影響必須加以考慮。

在高強度電磁場中電介質的響應會出現非線性效應，光纖也不例外，這種非線性響應分為受激散射和非線性折射。受激散射受激散射分為彈性散射和非彈性散射。彈性散射中，被散射的光的頻率（或光子能量）保持不變，相反在非彈性散射中被散射的光的頻率將會降低。

光纖中最常見的非彈性散射現象包括受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS），這兩種散射都可以理解為一個高能量的光子被散射成一個低能量的光子，同時產生一個能量為兩個光子能量差的另一個量子。SRS和SBS對光通信的不利影響是，光信號功率一旦達到拉曼或布里淵散射閾值，約65%能量將變成反向傳輸的斯托克斯波。這一方面消耗信號功率，另一方面反向斯托克斯波將使激光器工作不穩定。受激散射非線性折射

非線性折射效應是指材料的折射率和入射光功率有關。一般情況下，石英的折射率是一個固定值，這在較低入纖功率情況下是成立的。在較高入纖功率下，考慮到非線性的影響，石英的折射率會發生變化，并產生一個非線性相位移。折射率擾動引起三種非線性效應：自相位調制、交叉相位調制和四波混頻。SPM（SelfPhaseModulation）是指傳輸過程中光脈沖自身相位變化，導致脈沖頻譜展寬的現象。從原理上，自相位調制可用來實現調相，可在光纖中產生光孤子，實現光孤子通信。(1)自相位調制（SPM）(2)交叉相位調制（CPM）CPM（CrossPhaseModulation）是一個脈沖對其他信道脈沖相位的作用。當兩個或多個不同波長的光波在光纖的非線性作用下，將產生CPM，其產生機理與SPM相似。CPM與SPM不同的是SPM發生在單信道或多信道系統中，而CPM則僅出現在多信道系統中。CPM的作用是復雜的，但可用非零色散位移光纖能有效地限制CPM。(3)四波混頻四波混頻FWM（FourWaveMixing）是指由兩個或三個波長的光波混合后產生的新光波，其原理如下圖所示。四波混頻與信道間隔關系密切，信道間隔越小，FWM越嚴重。FWM對波分復用系統的影響為：一是將波長的部分能量轉換為無用的新生波長，從而損耗光信號的功率；二是新生波長可能與某信號波長相同或重疊，造成干擾。這種非線性效應會嚴重地損壞眼圖并產生系統誤碼。(3)四波混頻1.常用光纖類型4.1.4常用光纖光纜類型根據ITU-T規定，目前常用的單模光纖包括G.652光纖（常規單模光纖）、G.653光纖（色散位移光纖）、G.654光纖（1550nm低損耗光纖）、G.655光纖（非零色散位移光纖）、G.656光纖（色散平坦光纖）、G.657光纖（彎曲損耗不敏感單模光纖）和DCF光纖（色散補償光纖）等。G.652光纖G.652光纖又稱為常規單模光纖或標準單模光纖，被廣泛應用于數據通信和圖像傳輸。在1310nm窗口處有零色散。在1550nm窗口處有較大的色散，達+18ps/nm·km，不利于高速率大容量系統。G.653光纖G.653光纖又稱為色散位移光纖，將在λ＝1310nm附近的零色散點，移至1550nm波長處，使其在λ＝1550nm波長處的損耗系數和色散系數均很小。主要用于單信道長距離海底或陸地通信干線，其缺點是不適合波分復用系統。常用光纖類型G.654光纖

G.654光纖又稱為1550nm損耗最小光纖，它在λ＝1550nm處損耗系數很小，α＝0.2dB/km，光纖的彎曲性能好。主要用于無需插入有源器件的長距離無再生海底光纜系統。其缺點是制造困難，價格貴。G.655光纖G.655光纖稱為非零色散位移光纖。G.655光纖在1550nm波長處有一低的色散（但不是最?。?，能有效抑制“四波混頻”等非線性現象。適用于速率高于10Gb/s的使用光纖放大器的波分復用系統，但在長距離、高速率傳輸系統中仍然需要進行色散補償。常用光纖類型G.656光纖為充分開發和利用光纖的有效帶寬，需要光纖在整個光纖通信的波長段（1310～1550nm）能有一個較低的色散，G.656色散平坦光纖就是能在1310～1550nm波長范圍內呈現低的色散（≤1ps/nm·km）的一種光纖。G.657光纖G.657光纖的彎曲半徑可達5～10mm，可以像銅纜一樣沿著建筑物內很小的拐角安裝（直角拐彎），可以有效降低了光纖布線的施工難度和成本。常用光纖類型DCF光纖DCF是一種具有大的負色散和負色散斜率的光纖，用來補償常規光纖工作于1310nm或1550nm處所產生的較大的正色散。DCF方案是指在標準單模光纖(SMF-SingleModeFiber)中插入一段或幾段與其色散斜率相反的DCF，傳輸一定距離后色散達到一定的均衡，從而把系統色散限制于規定范圍內。DCF的長度、位置與系統需要補償色散的量和其自身性能有關。常用光纖類型2.光纜結構及特點光纜結構由纜芯、加強元件和護層三部分組成。其中纜芯是光纜結構的主體，它的作用主要是妥善安置光纖，使光纖在各種外力影響下仍能保持優良的傳輸性能。纜芯按結構可分為層絞式、骨架式、帶式、束管式4種。單獨的成品光纖，雖然已具有一定抗拉強度，但仍經不起實用場合的彎折、扭曲和側壓力的作用。欲使成品光纖能達到通信工程的實用要求，必須像通信用的各種銅線電纜那樣，將光線制作成光纜。（a）層絞式光纖束光纜

（b）中心束管式帶狀光纜（c）層絞式帶狀光纜（d）骨架式光纜圖4-13常用光纜類型

護層位于纜芯外圍，是由護套等構成的多層組合體。護層分為填充層、內護層、防水層、緩沖層、鎧裝層和外護層等。護層結構應根據敷設條件選定，敷設方式主要有管道、直埋、架空、水底（或海底）、隧道等幾種：光纜中加強元件的作用是提升光纜的抗機械拉伸負荷能力，這也是光纜結構與電纜結構的主要不同點。加強元件有兩種設置方式，一種是放在纜芯中心的中心加強方式，常用于層絞式和骨架式，另一種是放在護層中的外層加強方式，常用于帶式和束管式。光纜結構及特點（1）管道光纜是指在城市光纜環路、人口稠密場所和橫穿馬路時過街路口，將光纜穿入用于保護的白色聚乙烯塑料管內一類光纜。這類光纜具有較好的抗壓特性。（2）直埋光纜是一種長途干線光纜，經過遼闊的田野、戈壁時，直接埋入規定深度和寬度纜溝中一種光纜。（3）架空光纜是指光纜線路經過地形陡峭，跨越江河等特殊地形條件和城市市區無法直埋，借助吊掛鋼索或自身具有抗拉元件懸掛在已有的電線桿、塔上的一類光纜。（4）水底光纜是一種穿越江河湖泊海底的光纜。因為其敷設于水下，要求具有非常好的密封不透水性能。水下光纜可分為淺水光纜和海底光纜。（5）隧道光纜是指光纜線路經過公路、鐵路等交通隧道、涵洞用光纜。要求這種光纜具有一定的抗沖擊能力，多采用玻璃纖維復合棒作光纜加強件，吸收沖擊波撞擊。

此外，光纜還必須有防止潮氣浸入光纜內部的措施，一種是在纜芯內填充油膏，稱為充油光纜；另一種是采用主動充氣方式，稱為充氣光纜。

按照光纜使用環境場所的不同，可將光纜分為：室內光纜、室外光纜和特種光纜三種：（1）室內光纜

用于室內環境中，光纜所受的機械作用力、溫度變化和雨水作用非常小，因此，室內光纜主要特點是尺寸小，重量輕，柔軟，耐彎，便于布線，易于分支及阻燃等。（2）室外光纜

用于室外敷設的光纜。由于光纜在室外環境中使用，故光纜需要經受到各種外界機械作用力、溫度變化的影響、風雨雷電等的作用，這樣室外光纜必須具有足夠的機械強度，能夠扺抗風雨雷電的浸襲，并具有良好的溫度穩定性等，因此，所需的保護措施更多，結構較室內光纜要復雜的多。（3）特種光纜

是指在特殊場合使用、具有特殊結構并滿足特殊性能要求一類光纜。主要包括：海底光纜，電力系統光纜，阻燃光纜，軍用光纜，防蟻光纜、防鼠光纜以及防輻射光纜等。3.光纖的制作工藝

在光纖光纜制造過程中，要求嚴格控制并保證光纖原料的純度，這樣才能生產出性能優良的光纖光纜產品，同時，合理的選擇生產工藝也是非常重要的。光纖的制造要經歷光纖預制棒制備、光纖拉絲等具體的工藝步驟。制備光纖預制棒兩步法工藝：第一步采用氣相沉積工藝生產光纖預制棒的芯棒；在氣相沉積獲得的芯棒上施加外包層制成大光纖預制棒。常用的氣相沉積技術分類見圖4-14~4-16所示。圖4-14常用氣相沉積技術圖4-15氣相沉積工藝——MCVD法圖4-16VAD工藝圖4-17光纖預制棒示意圖用戶側的業務從傳統的話音為主逐漸向包括話音、視頻及各種交互式數據業務融和的方向發展。接入網成為通信網絡建設和發展的重點。隨著通信業務量的不斷增加，傳統的接入方式已經滿足不了需求，因此只有帶寬能力強的光纖接入才能將瓶頸打開，核心網和城域網的容量潛力才能真正發揮出來。4.2光纖接入網4.2.1光纖接入網概念光纖接入網是指在接入網中采用光纖作為主要傳輸媒質的接入技術，具有傳輸容量大、傳輸距離長、對業務透明性好等優點，是固定接入領域內最佳的解決方案。

圖4-18光纖接入網模型光纖接入網的優點（1）支持更高速率的寬帶業務。（2）光纖可以克服銅線電纜無法克服的一些限制因素。（3）光纖接入網的性能不斷提高，價格不斷下降，而銅纜的價格在不斷上漲。（4）光纖接入網提供數據業務，有完善的監控和管理系統，能適應將來寬帶綜合業務數字網的需要，有效解決接入網的“瓶頸”問題，使信息高速公路暢通無阻。光纖接入網的缺點（1）光纖接入的初期成本比較高，接入時用戶需購買一對光/電轉換設備(俗稱光貓)，光纖鋪設過程很耗時，而且一旦投資了成本就不可撤回。（2）光纖接入所需工程量大，造價高，不適合層數較少的住宅。單單每樓的一臺設備造價加上光纖的鋪設的成本與所帶的用戶比，前期太大的投入就不合適。另外，與無線接入網相比，光纖接入網還需要管道資源。4.2.2光纖接入網基本結構光纖接入網采用光纖作為主要傳輸媒質，而局側和用戶側發出和接收的均為電信號，所以在局側要進行電/光變換，在用戶側要進行光/電變換，才可實現中間線路的光信號傳輸。一個一般意義上的光纖接入網示意圖如圖4-19所示。一個光接入網主要由光線路終端OLT、光分配網絡ODN和光網絡單元ONU

等組成。圖4-19光纖接入網模型光接入網的參考配置如圖4-20所示，從圖中可以看出，一個光纖接入網主要由光線路終端（OLT）、光分配網絡（ODN）和光網絡單元（ONU）等組成。圖4-20光接入網參考配置（1）光線路終端（OLT）是光接入網的核心部件，相當于傳統通信網中的交換機或路由器，主要是提供通信網絡與光分配網絡（ODN）之間的光接口，并提供必要的手段來傳送不同的業務。OLT可以設置在本地交換機接口處也可以放置在局端，可以是獨立的設備也可以是與其他設備集成在一個總設備內。（2）光網絡單元（ONU）ONU位于光分配網絡（ODN）和用戶之間。ONU的網絡具有光接口，而用戶側為電接口，因此需要具有光/電變換功能，并能實現對各種電信號的處理與維護功能。ONU一般要求具備對用戶側業務需求進行必要的處理（如成幀）和調度等功能。（3）光分配網絡（ODN）ODN位于ONU和OLT之間，主要功能是完成信號的管理分配任務。無源光網絡（PON）指在OLT和ONU之間沒有任何有源的設備而只使用光纖等無源器件。PON對各種業務透明，易于升級和擴容，便于維護管理。有源光網絡（AON）中，用有源設備或網絡系統（如SDH環網）的光遠程終端（ODT）代替無源光網絡中的光分配網絡ODN，傳輸距離和容量大大增加，易于擴展帶寬，網絡規劃和運行靈活性大，不足的是有源設備需要機房、供電和維護等輔助措施。從系統配置上又可將光纖接入網分為無源光網絡（PON）和有源光網絡（AON）。4.2.3光纖接入網應用類型

根據光網絡單元ONU位置的不同，可以將光纖接入網劃分為幾種基本的應用類型，即光纖到路邊FTTC、光纖到樓宇FTTB、光纖到用戶家庭FTTH/O等圖4-21光纖接入網應用類型（1）FTTC

光纖到路邊，從路邊到各用戶使用星型結構，是光纖接入網應用較早時期的典型方案。圖4-22FTTC示意圖FTTC的優點是可以利用部分用戶側現有的銅線資源，缺點是作為一種光纖/銅線混合系統，其運維成本較高，用戶側較長的銅線不利于要求較高的寬帶業務的應用，且長遠來看，銅線將面臨淘汰。（2）FTTB光纖到用戶樓宇，是FTTC方案的改進，將光電轉換向用戶側推進，直接將ONU部署在辦公樓或居民住宅樓內的某個公共地方，光纖進入大樓后就轉換為電信號，然后用同軸電纜或雙絞銅線分配到各用戶。圖4-23FTTB示意圖FTTB通常為點到多點結構，一個OUN為多個用戶提供接入，通常采用FTTC+xDSL技術或FTTB+Ethernet技術。FTTB的光纖化較FTTC高，因此較適用于在用戶密度較高的場合使用。（3）FTTH/O

光纖到用戶家庭或辦公室，是光接入網較為理想的應用方案。將ONU直接部署在用戶家里或辦公室，中心局到用戶之間全部為光連接和光傳輸，是一種全光纖的接入網圖4-24FTTH/O示意圖FTTH/O的顯著技術特點是不但提供更大的帶寬，而且增強了網絡對數據格式、速率、波長和協議的透明性，放寬了對環境條件和供電等要求，簡化了維護和安裝。綜上所述：FTTH和FTTC更適合分散的個人用戶的接入；FTTB則更適合單位和密集小區用戶的接入。4.2.4光纖接入網關鍵技術突發收發技術突發同步技術測距技術多址接入技術動態帶寬分配技術光功率的動態調節服務質量和安全技術（1）突發收發技術光接入網中需要具有突發收發的能力。例如對于采用TDMA的ONU而言，每個ONU只能在每一幀的特定時刻發送上行信號，因此需要有快速的功率開啟和切斷的功能。同時對于光接入網中發送機的消光比也有較高的要求。多個ONU對應于一個OLT，在每一時刻只有一個ONU發送信號，其他所有ONU都應處于關斷狀態，此時要求其余所有ONU的殘留光之和不能對正在發光的ONU產生影響。OLT側也有類似的問題。如多個ONU發送的信號到達OLT側會有功率的波動，OLT的接收機需要能靈活快速地調整接收電平，迅速地接收和恢復數據。

由于各ONU與OLT的距離不同，因此各個信元信號經傳輸延遲后，到達OLT時的比特相位不同，OLT接受到從ONU來的短脈沖數據流，這些數據流的比特相位各不相同且是未知。由于組成上行幀的各ONU傳輸的信元數有限，為了不丟失有用信息，需有較快的比特同步，OLT處的比特同步必須在每個上行ONU短脈沖數據流期間建立。使得快速比特同步電路在幾個比特周期內與輸入數據同步，從而把每個ONU發送的信號正確恢復出來。（2）突發同步技術（3）測距技術光接入網的環境是典型的點到多點方式，由于各個ONU到OLT的距離不等，為了防止各個ONU所發上行信號發生沖突，OLT需要一套測距功能，以保證不同物理距離的ONU與OLT之間的“邏輯距離”相等，即傳輸延遲一致，以避免碰撞和沖突的出現。測距也即測量各個ONU到OLT的實際距離，并將所有的ONU到OLT的虛擬距離設置相等的過程。（4）多址接入技術時分多址接入TDMA

波分多址接入WDMA

碼分多址接入CDMA時分多址接入技術TDMA上行傳輸時將時間分成若干個時隙，每一時隙內只安排一個ONU以分組方式向OLT發送分組信息。每個ONU嚴格按照預先規定的順序依次發送。為了避免與OLT距離不同的ONU所發的上行信號在OLT處發生沖突，OLT需要有一套復雜的測距功能，不斷測量每一ONU與OLT之間的時延（即邏輯距離），指揮每一個ONU調整發送時間，使之不至于互相沖突。波分多址接入技術WDMA波分多址接入WDMA方式是采用不同的波長對應于不同的ONU。采用單根光纖，兩個方向的信號（上行信號和下行信號），分別調在不同的波長上。各個ONU不同波長的上行光信號，送至光分路器并耦合進光纖，該復用信號到達OLT后，利用WDM器件可分出屬于各個ONU的光信號，再經過光電檢測器，解調出電信號。上行傳輸（從ONU到OLT）必須工作在1310nm波長區，下行傳輸（OLT到ONU）工作在1310nm或1550nm波長區。當上、下行均工作在1310nm波長區時，上行信號處于1310nm波長區高端，下行信號處于1310nm波長區低端。碼分多址接入技術CDMA碼分多址接入CDMA方式是為每一個ONU分配一個多址碼，并將各ONU的上行信碼與其進行模二加后，再去調制具有相同波長的激光器，經光分路器（OBD）合路后傳輸到OLT，通過檢測、放大和模二加等電路后，恢復出ONU送來的上行反碼。

（5）動態帶寬分配在上行方向，任意時刻不同ONU對帶寬的需求是不一樣的，這就涉及到帶寬分配及其算法的問題。帶寬分配要求提供一套最有效的在盡可能保證每個ONU需求的同時高效利用網絡資源的手段。帶寬分配算法既要考慮連接業務的性能特點和其服務質量的要求，又要考慮接入控制的實時性。動態帶寬分配可以通過包括消息和狀態機等技術來實現。（6）光功率的動態調節

每個ONU與中心接收機的光路損耗是不同的，所以中心節點的光接收機必須能夠應付從一個突發到另一個突發的不同的光接受功率，因此，接收機需要較大的動態范圍，并且能夠設定門限快速區分比特“0”和比特“1”。此外每個傳輸節點的輸出功率將根據該節點的光路損耗而進行調節，從而降低對光接收機的動態范圍的要求。（7）服務質量和安全技術

光接入網的服務質量和安全技術是保證用戶對于不同業務類型需求的關鍵技術。采用TDM方式傳送下行數據的光接入網，必須采取一定的認證和鑒權機制，以保證每一個ONU只能獲得自己所需的信息。而對于上行信號而言，需要采取認證機制以保證只有合法的ONU可以與OLT建立連接。同時針對用戶的不同類型的業務，如對時延、誤碼率等要求不同的話音和視頻業務等采取不同的對策加以區別對待。4.2.5無源光網絡

在光接入網中如果ODN全部是由無源器件組成，不包括任何有源節點，則這種光接入網就是無源光接入網PON。PON中的ODN部分僅由光分路器、光纜等無源器件組成，因此PON具有極高的可靠性，同時對環境的依賴程度小，是光接入網中最為看好的技術。同時，PON方案也是實現光接入網FTTH的各種方案中成本最低的。圖4-25實現FTTH方案成本對比PON雙向傳輸一般情況下，PON中只采用一個分光器，稱為一級分光模式。近年來，由于FTTH的需求日益增加，也開始采用多個分光器級聯使用的模式，稱為二級分光。PON雙向傳輸的常用方法是下行信號使用1490nm波長，上行信號使用1310nm波長。如果PON的分路比較高，即一個OLT需要連接較多ONU，且傳輸距離較長時，也可考慮在OLT側設置光放大器，提高總的下行功率。ITU-T在G.983系列建議中規定，PON的分路比至少支持1：16或更高（目前多為1：32或1：64），OLT與ONU之間的物理距離不得少于20km。根據傳送信號數據格式的不同，PON可以進一步地分為基于Ethernet的EPON和吉比特兼容的GPON等。1.基于Ethernet的EPONEPON的ODN由無源分光器件和光纖線路構成，EFM（EthernetintheFirstMileStudy）確定分路器的分光能力在1：16到1：128之間。上行和下行線路的光信號使用兩個不同波長（1310nm/1490nm），速率均為1Gbit/s，傳輸距離可達20kmEPON上下行方案在下行鏈路上，OLT以廣播方式發送以太網數據幀。通過1：N的無源分光器，數據幀到達各ONU，ONU通過檢查接收到的數據幀的目的媒體接入控制（MAC）地址和幀類型（如：廣播幀、OAM幀）來判斷是否接收此幀．在上行鏈路上，各ONU的數據幀以突發方式通過共同的無源分配網傳輸到OLT，因此必須有一種多址接入方式保證每個激活的ONU能夠占用一定的上行信道帶寬?？紤]到業務的不對稱性和ONU的低成本，EFM工作組決定在上行鏈路上采用TDMA方式。圖4-26EPON下行信號傳輸方案圖4-27EPON上行信號傳輸方案2.基于吉比特兼容的GPONGPON的主要設想是在PON上傳送多業務時保證高比特率和高效率。具有高帶寬、高效率、大覆蓋范圍、用戶接口豐富等眾多優點，被大多數運營商視為實現接入網業務寬帶化、綜合化改造的理想技術。GPON具有如下主要技術特點：（1）業務能力強，具有全業務接入能力。（2）可提供較高帶寬和較遠的覆蓋距離。（3）帶寬分配靈活，有服務質量保證。（4）ODN無源特性減少了故障點，便于維護。（5）PON可以采用級聯的ODN結構，大大節約了主干光纜。（6）系統擴展容易，便于升級。圖4-28GPON總體結構GPON主要由光線路終端（OLT）、光網絡單光網絡終端（ONU/ONT）及光纖分配網（ODN）組成，由無源光分路器件將OLT的光信號分到各個ONU。GPON系統的工作原理：

在下行方向上，OLT以廣播方式將由數據包組成的幀經由無源光分支器發送到各個ONU。每個ONU收到全部的數據流，然后根據ONU的媒體訪問控制（MAC）地址取出特定的數據包。

在上行方向上多個ONU共享干線信道容量和信道資源。由于無源光合路器的方向屬性，從ONU來的數據幀只能到達OLT，而不能到達其他ONU。4.3光纖以太網4.3.1以太網的概念及分類圖4-29以太網發展歷程

光纖以太網指利用在光纖上運行以太網數據包接入SP網絡或在SP網絡中進行接入。底層連接可以以任何標準的以太網速度運行，包括10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s或10Gbit/s，但在此情況下，這些連接必須以全雙工速度運行。

隨著光纖技術在全世界的廣泛應用，網絡信息量的急劇膨脹和人們對信息傳輸速度的要求的不斷提高，為了滿足各行業網絡低價格、高帶寬的需求，光纖以太網將以太網的普遍性、靈活性、簡單性與光纖的可靠性和速度結合在一起，使得該技術在各行各業上發揮巨大的作用2.以太網的分類（1）標準以太網

標準以太網的速率是10Mbit/s，通常定位在網絡的接入層，最大傳輸距離為100m，標準以太網通常用于接入層最終用戶和接入層交換機之間的連接，一般不適用于匯聚層和核心層。IEEE802.3常用的線纜有：①

10BASE-5：粗同軸電纜，最大傳輸距離500m；②

10BASE-2：細同軸電纜，最大傳輸距離200m；③

10BASE-T：雙絞線，最大傳輸距離100m；④10BASE-F：光纖，最大傳輸距離2000m。

前面的數字表示傳輸速度，單位是“Mbit/s”，最后的一個數字表示單段網線長度（基準單位是100m），BASE表示“基帶”的意思（2）快速以太網

快速以太網速率能達到100Mbit/s，為用戶提供更高的網絡帶寬。從標準以太網升級到快速以太網不需要對網絡做太大的改動，通常只需將原有的集線器或者以太網交換機升級成快速以太網交換機，用戶更換一塊100Mbit/s的網卡即可，而網線等傳輸介質無需更換?？焖僖蕴W的采用傳輸介質有：①100BASE-TX：是一種使用5類數據級無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網技術。使用兩對雙絞線，一對用于發送，一對用于接收數據。在傳輸中使用4B/5B編碼方式，信號頻率為125MHz。使用RJ-45連接器。它的最大網段長度為100米。它支持全雙工的數據傳輸；②100BASE-T4：是一種可使用3、4、5類無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網技術。使用4對雙絞線，3對用于傳送數據，1對用于檢測沖突信號。在傳輸中使用8B/6T編碼方式，信號頻率為25MHz，使用RJ-45連接器，最大網段長度為100米；③100BASE-FX：是一種使用光纜的快速以太網技術，可使用單模和多模光纖（62.5和125um）。多模光纖連接的最大距離為550米，單模光纖連接的最大距離為3000米。在傳輸中使用4B/5B編碼方式，信號頻率為125MHz。它使用MIC/FDDI連接器、ST連接器或SC連接器。它的最大網段長度為150m、412m、2000m或更長至10公里，這與所使用的光纖類型和工作模式有關，它支持全雙工的數據傳輸。100BASE-FX特別適合于有電氣干擾的環境、較大距離連接、或高保密環境等情況下的適用；（3）吉比特以太網

吉比特以太網是在基于以太網協議的基礎之上，對IEEE802.3以太網標準進行擴展，將快速以太網的傳輸速率100Mbit/s提高了10倍，達到了1Gb/s。吉比特以太網的標準為IEEE802.3z（光纖與銅纜）和IEEE802.3ab（雙絞線）。

吉比特以太網可用于交換機之間的連接，現在很多匯聚層、接入層的以太網交換機均提供吉比特接口，彼此之間互聯可以組成更大的網絡。技術標準

線纜類型傳輸距離

1000BASE-T銅質EIA/TIA5類（UTP）非屏蔽雙絞線4對

100m1000BASE-CX銅質屏蔽雙絞線25m1000BASE-SX多模光纖，50/62.5μm光纖，使用波長為850nm的激光

550m/275m1000BASE-LX單模光纖，9μm光纖，使用波長為1300nm的激光

2～15km表4-1吉比特以太網的傳輸介質和距離（4）十吉比特以太網（10G以太網）10Gbit/s以太網標準由IEEE802.3工作組于2000年正式制定，10G以太網仍使用與10Mbit/s和100Mbit/s以太網相同的形式，同樣使用IEEE802.3標準的幀格式和流量控制方式。10G以太網達到很高的傳輸速率，由于10G以太網技術的復雜性及原來傳輸介質的兼容性問題，目前只能在光纖上傳輸，與原來企業常用的雙絞線不兼容了。10G以太網最主要的特點如下：

①保留802.3以太網的幀格式；

②保留802.3以太網的最大幀長和最小幀長；

③只使用全雙工工作方式，完全改變了傳統以太網的半雙工的廣播工作方式；

④只使用光纖作為傳輸媒介而不使用銅線；

⑤使用點對點鏈路，支持星形結構的局域網；

⑥10G以太網數據率非常高，不直接和端用戶相連；

⑦創造了新的光物理媒體相關（PMD）子層。

（4）十吉比特以太網（10G以太網）4.3.2以太網的網絡組成

以太網是一種計算機LAN，是由若干個站點（網絡節點）和將其連接到網上所使用的設備以及站點間傳輸信息的介質組成的。各站點間的通信是通過符合上述標準規范的以太網，以傳輸介質接入控制的方法實現。其傳輸介質也需遵守相關標準規定的以太網物理層的性能規范，信息在各種設備與傳輸介質中的運行，圖4-30以太網組成實例框圖下面將從以太網中傳輸信號的形式、各種設備、傳輸介質以及以太網介質接入控制規范等方面來進行簡單介紹。1.信號形式

以太網中傳輸的信號是以幀的形式存在的，是以太網通信信號的基本單元。在以太網中不允許非幀形式的信號存在，一旦發現有非幀形式的信號就會將其丟棄。2.通信工作模式一般在使用CSMA/CD介質接入規則的早期以太網站點之間采用半雙工工作模式?，F今以太網的工作方式則以全雙工方式為主，交換機可以隔離每個端口，只將幀發送到正確的目的地（如果目的地已知），而不是發送每個幀到每臺設備，數據的流動因而得到了有效的控制，顯然沒有爭用問題，也就不必使用CSMA/CD協議。3.以太網的主要設備

以太網的主要設備包括網卡、中繼器、網橋、交換機、路由器和服務器。（1）網卡

是網絡接口控制器的簡稱，也稱網絡接口適配器。其主要的功能是將各站點連到以太網的介質上，是計算機和工作站間的網絡接口。各站點無網卡就無法上網，因此是將計算機網絡站點連接到網上必備的設備。

（2）中繼器是以太網的核心，所有站點都必須連接到中繼器內部總線的各端口上。中繼器和其連接的網絡節點通常稱為一個網段。

（3）網橋網橋是可以連接若干個網段的多端口設備。當一個網段上站點太多時，會發生過多的競爭與碰撞，造成通信的中斷或使網絡利用率下降。為了克服這種缺點，可將此網段分割成若干個小網段并利用網橋將其連接起來，進行過濾、轉發等，以達到減少競爭與碰撞的目的。由于網橋連接成的網絡被稱為一個廣播域，是若干個網段（碰撞域）上各站點的集合。

（4）交換機交換機的功能與網橋相類似，不同的地方是通常幀交換可以使用專用的集成電路ASIC或多個CPU，可以并行收發多個幀信息，而且所有的端口都可以同時收發信息。

（5）路由器路由器是用于將多種不同類型LAN連接在一起的設備。由路由器將多種不同類型的LAN連接在一起可以形成干線網絡，復蓋整個城市或國家。例如因特網便是覆蓋世界范圍的巨大的路由網絡。

（6）網關網關工作在高層協議，用于不同高層協議的網絡之間的信息變換。路由器便是網關其中的一種。

以太網采用的傳輸介質分為電纜和光纜兩類。其中電纜包括同軸電纜與雙絞線對等，而光纜則包括多模光纜和單模光纜，4.3.3LAN接入組網案例分析1.IP網絡結構IP網絡可以分成骨干網絡和本地網絡，骨干網絡根據網絡規模和覆蓋面可分為：國家級骨干網絡、省級骨干網絡、城域網。城域網分為：核心層、匯聚層和接入層三個層次。

骨干核心層主要由一些核心路由器組成，路由器之間通過高速傳輸鏈路相連，通過骨干核心層連接到不同的全國性骨干網絡。匯聚層介于接入層和核心層之間，主要由三層交換機、BAS（寬帶接入服務器）和接入路由器等組成，用于匯聚接入層的不同業務流。用戶接入層則是最靠近用戶端的網絡，通過不同的接入手段接入到不同類型的用戶端，提供寬帶、語音、視頻、專線等業務的接入。圖4-31IP城域網的分層結構－組網模型2.寬帶接入組網結構圖4-32典型的寬帶接入的組網結構3.FTTx+LAN接入案例FTTx+LAN是一種利用光纖加五類網絡線方式實現寬帶接入的模式。FTTx+LAN方式能實現吉比特光纖到小區（大樓）中心交換機，中心交換機和樓道交換機以百兆光纖或五類網絡線相連，樓道內采用綜合布線，用戶上網速率可達10Mb/s，網絡可擴展性強，投資規模小。

另有光纖到辦公室、光纖到戶、光纖到桌面等多種補充接入方式滿足不同用戶的需求。FTTx+LAN方式采用星型網絡拓撲，用戶共享接入交換機的帶寬。圖4-33FTTx+LAN接入案例圖4-34ONU+IAD一體化的樓道箱示意圖4.4基于SDH的光傳輸網

光纖大容量數字傳輸目前都采用同步時分復用（TDM）技術，復用又分為若干等級，先后有兩種傳輸體制：準同步數字系列（PDH）和同步數字系列（SDH），這里重點講述SDH技術。4.4.1SDH基本概念1.SDH的定義

隨著通信網的發展和用戶的需求，基于點對點傳輸的準同步（PDH）系統暴露出一些固有的、難以克服的弱點，已經不能滿足大容量高速傳輸的要求。為了適應現代通信網的發展，產生了高速大容量光纖技術和智能網技術相結合的新體制——同步數字系列（SDH）。SDH它是一個將復接、線路傳輸及交換功能融為一體的、并由統一網管系統操作的綜合信息傳送網絡，可實現諸如網絡的有效管理、開通業務時的性能監視、動態網絡維護、不同供應廠商之間的互通等多項功能，它大大提高了網絡資源利用率，并顯著降低管理和維護費用，實現了靈活、可靠和高效的網絡運行與維護。2.SDH的特點（1）有全世界統一的網絡節點接口，包括統一的數字速率等級、幀結構、復接方法、線路接口、監控管理等等。。（2）采用標準化的信息結構等級，可簡單地將STM-1進行字節間插同步復接而得到更高速率的同步數字信號。（3）SDH的幀結構中安排了豐富的開銷比特，使網絡的管理和維護功能大大加強，（4）采用同步復用方式和靈活的復用映射結構，利用設置指針的辦法，可以在任意時刻，在總的復接碼流中確定任意支路字節的位置，從而使上下業務十分容易。（6）SDH對網管設備的接口進行了規范，使不同廠家的網管系統互聯成為可能。（7）SDH與現有PDH完全兼容，體現了后向兼容性。SDH體系并非完美無缺，其缺陷主要表現在三個方面：頻帶利用率低，指針調整機理復雜，軟件的大量使用使系統容易受到計算機病毒的侵害。（5）SDH確定了統一新型的網絡部件（TM，ADM，REG以及DXC）。這些部件都有世界統一的標準。4.4.2SDH的速率與幀結構1.SDH的速率SDH具有統一規范的速率。SDH信號以同步傳輸模塊（STM）的形式傳送。SDH信號最基本的同步傳輸模塊是STM-1，其速率為155.520Mbit/s。更高等級的STM-N信號是將STM-1經字節間插同步復接而成。其中，N是正整數。目前SDH僅支持N=1，4，16，64。等級STM-1STM-4STM-16STM-64速率

（Mb/s）155.520622.0802488.3209953.280表4-2ITU-TG.707建議規范的SDH標準速率2.SDH幀結構圖4-35SDH幀結構STM-N的幀結構由3部分組成：段開銷（SOH），管理單元指針（AU-PTR），信息凈負荷（Payload）。（1）信息凈負荷（Payload）信息凈負荷區就是幀結構中存放各種信息容量的地方。圖4-35中橫向為第10至第270×N列、縱向第1至第9行的2349×N個字節都屬于凈負荷區域。當然，其中還有少量的用于通道性能監視、管理和控制的通道開銷字節（POH）。（2）段開銷（SOH）段開銷是指STM-N幀結構中為了保證信息凈負荷正常靈活傳送所必須的附加字節，主要是供網絡運行、管理和維護使用的字節。

段開銷又分為再生段開銷（RSOH）和復用段開銷（MSOH），分別對相應的段層進行監控。（3）管理單元指針（AU-PTR）

管理單元指針是一種指示符，主要用來指示信息凈負荷的第1個字節在STM-N幀內的準確位置，以便在接收端正確地分解。圖4-35中第4行的9×N列，共9×N個字節是保留給AU-PTR用的。4.4.3SDH的基本網絡單元SDH傳輸網是由不同類型的網元設備通過光纜線路的連接組成，通過不同的網元完成SDH網絡的傳送功能，SDH常見的網元設備類型有終端復用器（TM）、分插復用器（ADM）、再生中繼器（REG）和數字交叉連接（DXC）等。1.終端復用器（TM）圖4-36終端復用器2.分插復用器（ADM）圖4-37分/插復用器ADM分插復用器用于SDH傳輸網絡的轉接站點處，例如鏈的中間結點或環上節點，是SDH網上使用最多、最重要的一種網元設備，它是一種具有三個端口的設備。3.再生中繼器（REG）圖4-38再生中繼器REG的最大特點是不上下（分/插）電路業務，只放大或再生光信號。REG的功能就是接收經過長途傳輸后衰減了的、有畸變的STM-N信號，對它進行放大、均衡、再.生后發送出去。4.數字交叉連接設備（DXC）圖4-39數字交叉連接設備DXC

數字交叉連接設備DXC具有一個或多個PDH或SDH信號接口，可以在任何接口之間對信號及其子速率信號進行可控連接和再連接的設備。

4.5基于DWDM的光傳輸網提高光纖通信系統的容量的方法包括時分復用（TDM）、波分復用（WDM）、空分復用（SDM）、模分復用（MDM）和極化復用（PDM）等

最常見的TDM方法的主要缺點是當電信號的傳輸速率達到較高等級（如10Gbit/s或更高時），對于光器件（如激光器和調制器）的開關速率等性能要求較高，實現難度較大，同時光纖中的色散和非線性等也限制了調制信號的速率。波分復用（WDM）為代表的多信道光纖通信系統成為實現大容量傳輸的主要技術方案之一。4.5.1波分復用原理1.波分復用定義圖4-40WDM原理示意圖光波分復用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技術是在一根光纖上能同時傳送多波長光信號的一項技術。它是在發送端將不同波長的光信號組合起來（復用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用）并作進一步處理，恢復出原信號送入不同的終端。因此，此項技術稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用（WDM）技術。2.波分復用技術特點（1）充分利用光纖的巨大帶寬資源（2）同時傳輸多種不同類型的信號（3）節省線路投資

（4）降低器件的超高速要求（5）高度的組網靈活性、

經濟性和可靠性4.5.2DWDM系統基本結構

實際的WDM系統主要由五部分組成：光發射機、光中繼放大、光接收機、光監控信道和網絡管理系統。圖4-41DWDM系統基本結構4.5.3DWDM技術選型WDM系統中的光纖傳輸技術與一般的光纖通信系統相比，由于存在傳輸速率高和信道數量多等特點，因此存在著一些特殊的要求，包括光纖選型、色散補償技術和色散均衡技術等。1.光纖選型

在使用1550nm波長段的光纖通信系統中，對單波長、長距離的通信采用G.653

（DSF，色散位移光纖）光纖具有很大的優越性。但當G.653光纖用于WDM系統中時，可能在零色散波長區出現嚴重的非線性效應，其中四波混頻FWM對系統的影響尤為明顯。FWM效應產生的大量寄生波長或感生波長與初始的某個傳輸波長一致，造成嚴重的干擾。如在已有的G.653光纖線路上開通WDM系統，一般可以采用非等間隔布置波長和增大波長間隔等方法。但總的來看，G.653光纖不適合于高速率、大容量、多波長的WDM系統。1.光纖選型f12f331f221f332f223f13f321f231f312f132f213f123f3f2f1頻率信道1信道3信道2fFWM=f1±f2±f3圖4-42四波混頻效應原理G.653光纖在1550nm波長處色散為零，FWM效應明顯，因此不適合用于WDM系統。

為了有效抑制四波混頻效應，可以選擇G.655非零色散位移光纖（NZDSF）。這樣既避開了零色散區（避免FWM效應），同時又保持了較小的色散值，利于傳輸高速率的信號。而為了適應WDM系統單個信道的傳輸速率需求，可以使用偏振模色散性能較好的G.655B和G.655C光纖。

從系統成本角度考慮，尤其是對原有采用G.652光纖的系統升級擴容而言，在G.652光纖線路上增加色散補償元件以控制整個光纖鏈路的總色散值也是一種可行的辦法。未來WDM系統中可能會利用整個O、S、C和L波長段，因此色散平坦光纖G.656光纖可能會得到較大的應用。

1.光纖選型2.色散補償技術

當DWDM系統在逐步提高單波速率和提高波道數的過程中，逐步由衰耗受限系統轉變為色散受限系統，那么，色散因素如何處理就成為DWDM系統的一個必須要解決的技術。下面介紹幾種較為成熟的色散補償技術。(1)色散補償光纖（DCF）DCF的品質因數FOM（FigureofMerit）定義為:

（4-20）式中,FOM為品質因數，單位（ps/nm·dB）；D——色散系數，單位（ps/nm·km）α——衰減系數，單位（dB/km）。FOM是DCF的重要參數，可以用來對不同類型的DCF進行性能比較。對光纖一階群速度色散（GVD）完全補償的條件為（4-21）

式中:——傳輸光纖在波長處的色散系數；——色散補償光纖在波長處的色散系數；——傳輸光纖的長度；——色散補償光纖的長度。

(1)色散補償光纖（DCF）

為了得到具有較大負色散系數的DCF，必須控制波導色散。現在已經有大量的商用DCF用于補償G.652光纖在C波段和L波段傳輸時的色散。常規單模光纖在1550nm附近具有高的色散，不利于高速率光纖通信系統色散補償光纖在1550nm附近具有負色散，可以抵消常規單模光纖的正色散圖4-43DCF與常規單模光纖色散特性比對(2)啁啾光纖光柵色散補償技術

啁啾光纖光柵色散補償的基本原理是：啁啾光纖光柵中，諧振波是位置的函數，因此不同波長的入射光在啁啾光纖光柵的不同位置上反射并具有不同的時延，短波長分量經受的時延長，長波長分量經受的時延短，光柵所引入的時延與光纖中傳輸時造成的時延正好相反，二者引入的時延差相互抵消，使脈沖寬度得以恢復。圖4-44啁啾光纖光柵色散補償(3)偏振模（PMD）色散補償技術

目前國際上主要是以兩種方式對PMD進行補償，即在傳輸的光路上直接對光信號進行補償或在光接收機內對電信號進行補償。兩者的實質都是利用某種光的或電的延遲線對PMD造成的兩偏振模之間的時延差進行補償。

其基本原理為：首先在光或電上將兩偏振模信號分開，然后用延遲線分別對其進行延時補償，在反饋回路的控制下，使兩偏振模之間的時延差為零，最后將補償后的兩偏振模信號混合輸出。3.色散均衡技術

在原有采用G.652光纖的系統中，采用色散補償技術只能實現整個鏈路或者其中部分數字段的總色散為零，但是由于色散補償元件是分段式的使用的，這就可能造成光纖鏈路的色散值呈現起伏波動的情況，這也不利于WDM系統。因此需要引入色散均衡技術，在保證整個鏈路色散最小的同時，中間任意數字段的色散起伏都不會很大。4.5.4DWDM關鍵技術（1）光源的波長準確度和穩定度

在DWDM系統中，首先要求光源具有較高的波長準確度，否則可能會引起不同波長信號之間的干擾。再有就是必須對光源的波長進行精確的設定和控制，否則波長的漂移必然會造成系統無法穩定、可靠地工作。所以要求在WDM系統中要有配套的波長監測與穩定技術。（2）光信道的串擾問題

光信道的串擾是影響接收機的靈敏度的重要因素。信道間的串擾大小主要取決于光纖的非線性和復用器的濾波特性。在信道間隔為1.6nm或0.8nm的情況下，目前使用的光解復用器在系統中可以保證光信道間的隔離度大于25dB，可以滿足WDM系統的要求，但對更高速率的系統尚待研究。（3）光纖色散對傳輸的影響問題WDM系統中普遍使用了光放大器，光纖線路的損耗得以有效解決，但隨著總傳輸距離不斷延長，色散累計值也會隨之增加，系統成為色散性能受限系統。對于WDM系統中單個信道速率達到10Gb/s乃至40Gb/s以上時，需要采取色散補償措施。（4）光纖的非線性效應問題

在WDM系統中，隨著EDFA等放大器的使用，入纖的光功率顯著增大，光纖在一定條件下將呈現非線性特性，會對系統的性能，包括信道間串擾和接收機靈敏度等產生影響。（5）光放大器引入的傳輸損傷

在WDM系統中，各光信道之間的信號傳輸功率有可能發生起伏變化，這就要求EDFA能夠根據信號的變化，實時地動態調整自身的工作狀態，從而減少信號波動的影響，保證整個信道的穩定。在WDM系統中，如果有一個或幾個信道的輸入光功率發生變化甚至輸入中斷時，剩下的信道增益即輸出功率會產生躍變，甚至會引起線路阻塞。所以EDFA必須具有增益鎖定功能來避免某些信道完全斷路時對其他信道的影響。4.6未來光傳送網

隨著新型業務網絡的發展，網絡的核心正在由TDM（時分復用）向IP轉變。目前光/電轉換的SDH+WDM傳送網組網方式帶寬利用率不高，缺乏靈活性；SDH本身技術特點已經不適合IP為核心的數據業務的發展需求，而WDM則是組網能力差，保護能力弱，也急需改進。未來傳送網要有一定的智能化，要有更高的安全性、更高的速率、更高的帶寬、更高的帶寬利用率、更長的傳輸距離和強大的網管功能。4.6.1智能