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光纤通信技术的发展趋势






随着 Internet 的迅速普及以及宽带综合业务数字网(B-ISDN)的快速发展,人们对 信息的需求呈现出爆炸性的增长,几乎是每半年翻一番。 在这样的背景下,信息高速 公路建设已成为世界性热潮。 而作为信息高速公路的核心和支柱的光纤通信技术更是成 为重中之重。很多国家和地区不遗余力地斥巨资发展光纤通信技术及其产业,光纤通信 事业得到了空前发展。此外,由于信息的生产、传播、交换以及应用对国民经济和国家 安全有决定性的影响,所以,与其它行业相比,光纤通信更具有特殊意义。 光纤通信 事业是一个巨大的系统工程。它的各个组成部分互为依存、互相推动,共同向前发展。 就光纤通信技术本身来说,应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、传输技术、光 有源器件、光无源器件以及光网络技术等。 光纤通信因其具有的损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、 不易串音等优点,备受业内人士青睐,发展非常迅速。目前,光纤光缆已经进入了有线 通信的各个领域,包括邮电通信、广播通信、电力通信和军用通信等领域。综述我国光 纤通信研究现状及其发展。

关键词:光纤通信 核心网 接入网 光孤子通信 全光网络

Abstract
With the rapid popularization of Internet and broadband integrated services digital network (B-ISDN) the rapid development of the information needs of people showing explosive growth, almost doubling every six months. In this context, the information highway construction has become a worldwide craze. As the core of the information superhighway and the pillar of the optical fiber communication technology has become a top priority. Spare no effort in many countries and regions, spending huge sums on optical fiber communication technology and its industry, fiber-optic communications business has been an unprecedented development. In addition, the production, dissemination, exchange and application of the national economy and national security have a decisive influence, so compared with other industries, optical fiber communications more special significance. Optical fiber communications industry is a huge systematic project. Its components are interdependent and mutually promote, together forward. On optical fiber communications technology themselves, it should include the following major components: fiber optic cable technology, transmission technology, optical active devices, optical passive devices and optical network technology. The loss of optical fiber communication because of its low transmission frequency bandwidth, large capacity, small size, light weight, resistance to electromagnetic interference, crosstalk, etc is not easy, much favored by the industry to develop rapidly. Currently, optical fiber cable has been wired into all areas of communication, including postal and telecommunications, broadcast communications, power communications and military communications. Summary of our Research and Development of Optical Fiber Communication.

words: Key words

Optical Fiber Communication

Core Network

Access Network

Optical soliton communication

All-optical networks

目 录
第一章 概 述 ................................................................................................................................................. 1 第一节 系统概述 ................................................................................................................................... 1 一、普通光纤 ................................................................................................................................. 1 二、核心网光缆 ............................................................................................................................. 1 三、接入网光缆 ............................................................................................................................. 1 四、室内光缆 ................................................................................................................................. 1 五、电力线路中的通信光缆 ......................................................................................................... 2 第二节 光纤光缆技术的进展 ........................................................................................................... 2

一、有源光纤 ................................................................................................................................. 2 二、 光有源器件的进展 ............................................................................................................... 3 三、 光无源器件 ........................................................................................................................... 4 四、 光复用技术 ........................................................................................................................... 5 五、 光放大技术 ........................................................................................................................... 5 第二章 基本光纤通信系统 ......................................................................................................................... 6 第一节 基本光纤通信系统 ................................................................................................................. 6 一、电发射端机 ............................................................................................................................. 6 二、光发射端机 ............................................................................................................................. 7 三、光接收机 ................................................................................................................................. 9 第二节 评价光纤数字通信 ............................................................................................................. 10

一、误码特性 ............................................................................................................................... 10 二、抖动特性 ............................................................................................................................... 11 三、系统的中继距离 ................................................................................................................... 11 四、同步数字序列 ....................................................................................................................... 12 第三章 光纤发展趋势 ................................................................................................................................. 14 第一节 光纤发展趋势展望 ................................................................................................................. 14 一、向超高速系统的发展 ........................................................................................................... 14 二、向超大容量 WDM 系统的演进 ........................................................................................... 14 三、实现光联网——战略大方向 ............................................................................................... 15 四、新一代的光纤 ....................................................................................................................... 15 结束语 ........................................................................................................................................................... 19 谢 辞 ............................................................................................................................................................. 20 参考文献 ....................................................................................................................................................... 21

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第一章 绪 言
1966 年, 美籍华人高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表论文, 预见了低 损耗的光纤能够用于通信,敲开了光纤通信的大门,引起了人们的重视。1970 年,美 国康宁公司首次研制成功损耗为 20dB/km 的光纤,光纤通信时代由此开始。光纤通信 是以很高频率(1014Hz 数量级)的光波作为载波、 以光纤作为传输介质的通信。 由于光纤 通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优 点,备受业内人士青睐,发展非常迅速。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新 技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩

第一节 系统概述

一、普通光纤 普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波 长信道容量增大,G.652.A 光纤的性能还有可能进一步优化,表现在 1550rim 区的低衰 减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合 ITUTG.654 规定的截止波长位移单模光纤和符合 G.653 规定的色散位移单模光纤实现 了这样的改进。 二、核心网光缆 我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光 纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括 G.652 光纤和 G.655 光纤。G.653 光纤虽然在我 国曾经采用过, 但今后不会再发展。 G.654 光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量, 它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线 光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停 止使用。 三、接入网光缆 接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤 芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光 纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。接入网使用 G.652 普通单模光纤和 G.652.C 低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量 的使用。 四、室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、 数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测 与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,包括局内光缆和综合
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布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其它电信机房内,布放紧密有序和位置 相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比 局用光缆有更严格的考虑。 五、电力线路中的通信光缆 光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系 统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式 (ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS 光缆因其可以单独布放,适应范围 广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。ADSS 光缆在国内的近期需求 量较大,是目前的一种热门产品。

第二节

光纤光缆技术的进展

光纤技术的进步可以从两个方面来说明: 一是通信系统所用的光纤; 二是特种光 纤。 早期光纤的传输窗口只有 3 个,即 850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及 1550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L 波段)、第五窗口(全波光纤)以及 S 波段窗口。其中特别重要的是无水峰的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于 从 1280nm 到 1625nm 的广阔的光频范围内,都能实现低损耗、低色散传输,使传输容 量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。这一技术成果将带来巨大的经济效益。 另一方 面是特种光纤的开发及其产业化,这是一个相当活跃的领域。 特种光纤具体有以下几种: 一、有源光纤 这类光纤主要是指掺有稀土离子的光纤。如掺铒(Er3+)、掺钕(Nb3+)、掺镨(Pr3+)、 掺镱(Yb3+)、掺铥(Tm3+)等,以此构成激光活性物质。这是制造光纤光放大器的核心物 质。不同掺杂的光纤放大器应用于不同的工作波段,如掺饵光纤放大器(EDFA)应用于 1550nm 附近(C、L 波段); 掺镨光纤放大器(PDFA)主要应用于 1310nm 波段; 掺铥光纤 放大器(TDFA)主要应用于 S 波段等。这些掺杂光纤放大器与喇曼(Raman)光纤放大器一 起给光纤通信技术带来了革命性的变化。它的显著作用是: 直接放大光信号,延长传输 距离; 在光纤通信网和有线电视网(CATV 网)中作分配损耗补偿; 此外,在波分复用 (WDM)系统中及光孤子通信系统中是不可缺少的关键元器件。正因为有了光纤放大器, 才能实现无中继器的百万公里的光孤子传输。也正是有了光纤放大器,不仅能使 WDM 传输的距离大幅度延长,而且也使得传输的性能最佳化。 (一) 色散补偿光纤(Dispersion Compesation Fiber,DCF) 常规 G.652 光纤在 1550nm 波长附近的色散为 17ps/nm?km。 当速率超过 2.5Gb/s 时,
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随着传输距离的增加,会导致误码。若在 CATV 系统中使用,会使信号失真。其主要原 因是正色散值的积累引起色散加剧,从而使传输特性变坏。为了克服这一问题,必须采 用色散值为负的光纤, 即将反色散光纤串接入系统中以抵消正色散值,从而控制整个 系统的色散大小。这里的反色散光纤就是所谓的色散补偿光纤。 在 1550nm 处,反色 散光纤的色散值通常在-50~200ps/nm?km。为了得到如此高的负色散值,必须将其芯径 做得很小,相对折射率差做得很大,而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加 (0.5~1dB/km)。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值,通常将其色散 与衰减之比称作质量因数,质量因数当然越大越好。为了能在整个波段均匀补偿常规单 模光纤的色散,最近又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的"双补偿"光纤 (DDCF)。该光纤的特点是色散斜率之比(RDE)与常规光纤相同,但符号相反,所以更适 合在整个波形内的均衡补偿。 (二)光纤光栅(Fiber Grating) 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在紫外光的照射(通常称为紫外光"写入")下,于 光纤芯部产生周期性的折射率变化(即光栅)而制成的。使用的是掺锗光纤,在相位掩膜 板的掩蔽下,用紫外光照射(在载氢气氛中),使纤芯的折射率产生周期性的变化,然后 经退火处理后可长期保存。其制作原理如图 2 所示。图 2 中的相位掩膜板实际上为一块 特殊设计的光栅, 其正负一级衍射光相交形成干涉条纹, 这样就在纤芯逐渐产生成光栅。 光栅周期 A 是模板周期的二分之一。 众所周知,光栅本身是一种选频器件,利用光纤 光栅可以制作成许多重要的光无源器件及光有源器件。 例如: 色散补偿器、 增益均衡器、 光分插复用器、光滤波器、光波复用器、光模或转换器、光脉冲压缩器、光纤传感器以 及光纤 (三) 多芯单模光纤(Multi-Coremono-Mode Fiber,MCF) 多芯光纤是一个共用外包层、内含有多根纤芯、而每根纤芯又有自己的内包层的单 模光纤。这种光纤的明显优势是成本较低。4 芯的这种光纤的生产成本较普通的光纤约 低 50%。此外,这种光纤可以提高成缆的集成密度,同时也可降低施工成本。 以上是 光纤技术在近几年里所取得的主要成就。至于光缆方面的成就,我们认为主要表现在带 状光缆的开发成功及批量化生产方面。 这种光缆是光纤接入网及局域网中必备的一种光 缆。目前光缆的含纤数量达千根以上,有力地保证了接入网的建设。 二、 光有源器件的进展 光有源器件的研究与开发本来是一个最为活跃的领域, 但由于前几年已取得辉煌的 成果,所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件,目前已完全成 熟, 而且可以大批量生产, 已完全商品化, 如多量子阱激光器(MQW-LD, MQW-DFBLD)。 除此之外,目前已在下列几方面取得重大成就。 (一)集成器件 这里主要指光电集成(OEIC)已开始商品化,如分布反馈激光器(DFB-LD)与电吸收
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调制器(EAMD)的集成, DFB-EA, 即 已开始商品化; 其它发射器件的集成, DFB-LD、 如 MQW-LD 分别与 MESFET 或 HBT 或 HEMT 的集成; 接收器件的集成主要是 PIN、金 属?半导体?金属探测器分别与 MESFET 或 HBT 或 HEMT 的前置放大电路的集成。 虽然 这些集成都已获得成功,但还没有商品化。 (二)垂直腔面发射激光器(VCSEL) 由于便于集成和高密度应用,垂直腔面发射激光器受到广泛重视。这种结构的器件 已 在 短 波 长 (ALGaAs/GaAs) 方 面 取 得 巨 大 的 成 功 , 并 开 始 商 品 化 ; 在 长 波 长 (InGaAsF/InP)方面的研制工作早已开始进行,目前也有少量商品。可以断言,垂直腔面 发射激光>器将在接入网、局域网中发挥重大作用。 (三) 窄带响应可调谐集成光子探测器 由于 DWDM 光网络系统信道间隔越来越小,甚至到 0.1nm。为此,探测器的响应 谱半宽也应基本上达到这个要求。恰好窄带探测器有陡锐的响应谱特性,能够满足这一 要求。集 F-P 腔滤波器和光吸收有源层于一体的共振腔增强(RCE)型探测器能提供一个 重要的全面解决方案。 (四)基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成(SiGe/Si MQW) 这方面的研究是一大热点。众所周知,硅(Si)、锗(Ge)是简接带源材料,发光效率 很低,不适合作光电子器件,但是 Si 材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想,利 用能带剪裁工程使物质改性,以达到在硅基基础上制作光电子器件及其集成(主要是实 现光电集成,即 OEIC)的目的,这方面已取得巨大成就。在理论上有众多的创新,在技 术上有重大的突破,器件水平日趋完善。 三、 光无源器件 光无源器件与光有源器件同样是不可缺少的。由于光纤接入网及全光网络的发展, 导致光无源器件的发展空前地热门。常规的常用器件已达到一定的产业规模,品种和性 能也得到了极大的扩展和改善。 所谓光无源器件就是指光能量消耗型器件、 其种类繁多、 功能各异,在光通信系统及光网络中主要的作用是: 连接光波导或光路; 控制光的传播 方向; 控制光功率的分配; 控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合; 合波与分波; 光信道的上下与交叉连接等。 早期的几种光无源器件已商品化。其中光 纤活动连接器无论在品种和产量方面都已有相当大的规模,不仅满足国内需要,而且有 少量出口。光分路器(功分器)、光衰减器和光隔离器已有小批量生产。随着光纤通信技 术的发展,相继又出现了许多光无源器件,如环行器、色散补偿器、增益平衡器、光的 上下复用器、光交叉连接器、阵列波导光栅 CAWG 等等。这些都还处于研发阶段或试 生产阶段,有的也能提供少量商品。 按光纤通信技术发展的一般规律来看,当光纤接 入网大规模兴建时,光无源器件的需求量远远大于对光有源器件的需求。这主要是由于 接入网的特点所决定的。接入网的市场约为整个通信市场的三分之一。因而,接入网产 品有巨大的市场及潜在的市场。
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四、 光复用技术 光复用技术种类很多,其中最为重要的是波分复用(WDM)技术和光时分复用 (OTDM)技术。光复用技术是当今光纤通信技术中最为活跃的一个领域,它的技术进步 极大地推动光纤通信事业的发展,给传输技术带来了革命性的变革。 波分复用当前的 商业水平是 273 个或更多的波长,研究水平是 1022 个波长(能传输 368 亿路电话),近 期的潜在水平为几千个波长,理论极限约为 15000 个波长(包括光的偏振模色散复用, OPDM)。据 1999 年 5 月多伦多的 Light Management Group Inc of Toronto 演示报导,在 一根光纤中传送了 65536 个光波,把 PC 数字信号传送到 200m 的广告板上,并采用声 光控制技术,这说明了密集波分复用技术的潜在能力是巨大的。 OTDM 是指在一个光 频率上,在不同的时刻传送不同的信道信息。这种复用的传输速度已达到 320Gb/s 的水 平。若将 DWDM 与 OTDM 相结合,则会使复用的容量增加得更大,如虎添翼。 五、 光放大技术 光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果, 它大大 地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。顾名思义,光放大器就是放大 光信号。在此之前,传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换,即 O/E/O 变换。 有了光放大器后就可直接实现光信号放大。 光放大器主要有 3 种: 光纤放大器、拉曼 放大器以及半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、镨、铥等) 作为激光活性物质。 每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。 掺铒光纤放大器的增益带较宽, 覆盖 S、C、L 频带; 掺铥光纤放大器的增益带是 S 波段; 掺镨光纤放大器的增益带在 1310nm 附近。而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器,即大功率的 激光注入光纤后,会发生非线性效应?喇曼散射。在不断发生散射的过程中, 把能量转 交给信号光,从而使信号光得到放大。由此不难理解,喇曼放大是一个分布式的放大过 程,即沿整个线路逐渐放大的。其工作带宽可以说是很宽的,几乎不受限制。这种光放 大器已开始商品化了,不过相当昂贵。半导体光放大器(S0A)一般是指行波光放大器, 工作原理与半导体激光器相类似。其工作带宽是很宽的但增益幅度稍小一些,制造难度 较大。这种光放大器虽然已实用了,但产量很小。 以上,我们系统、全面地评论了光纤通信技术的重大进展,至于光纤通信技术的发 展方向,可以概括为两个方面: 一是超大容量、超长距离的传输与交换技术; 二是全光 网络技术

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第二章

基本光纤通信系统

第一节 基本光纤通信系统

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据 源包括所有的信号源,它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号;光 发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号, 先后用过的光波窗 口有 0.85、1.31 和 1.55。 光学信道包括最基本的光纤,还有中继放大器 EDFA 等;而 光学接收机则接收光信号, 并从中提取信息, 然后转变成电信号, 最后得到对应的话音、 图象、数据等信息。 光纤传输系统是数字通信的理想通道。 与模拟通信相比较, 数字通信有很多的优点, 灵敏度高、传输质量好。因此,大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。 一、电发射端机 主要任务是 PCM 编码和信号的多路复用。 多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输, 到接收端再用专门的设 备将各路信号分离出来,多路复用可以极大地提高通信线路的利用率。 在光纤通信系统中,光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码,它由二进制数字 信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化 和编码产生的,称为 PCM(pulse code modulation) ,即脉冲编码调制。这种电的数字信 号称为数字基带信号,由 PCM 电端机产生。 抽样是指从原始的时间和幅度连续的模拟信号中离散地抽取一部分样值, 变换成时 间和幅度都是离散的数字信号的过程。 抽样所得的信号幅度是无限多的, 让这些幅度无限多的连续样值信号通过一个量化 ,这就是量化。由于在量化的 器,四舍五入,使这些幅度变为有限的 M 种(M 为整数) 过程中幅度取了整数,所以量化后的信号与抽样信号之间有一个差值(称为量化误差) , 使接收端的信号与原信号间有一定的误差,这种误差表现为接收噪声,称为量化噪声。 码位数 M 越多,分级就越细,误差越小,量化噪声也越小。 编码是指按照一定的规则将抽样所得的 M 种信号用一组二进制或者其它进制的数 来表示,每种信号都可以由 N 个 2 二进制数来表示,M 和 N 满足 M=2N。例如如果量 化后的幅值有 8 种,则编码时每个幅值都需要用 3 个二进制的序列来表示。需要注意的 是,此处的编码仅指信源编码,这和后面提到的信道编码是有所区别的。

现以话音为例来说明这个过程。我们知道话音的频率范围是 300~3,400Hz,在抽

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样的时候,要遵循所谓的奈奎斯特抽样率,实际中按 8,000Hz 的速率进行抽样。为了保 证通话的质量, 在长途干线话路中采用的是 8 位码 (28=256 个码组) 这样量化值有 256 。 种,每一种量化值都需要用 8 位二进制码编码,那么每一个话路的话音信号速率为 8×8 =64kbps。 奈奎斯特抽样定理:要从抽样信号中无失真地恢复原信号,抽样频率应大于 2 倍信 号最高频率。 多路复用技术包括:频分多路复用(FDM) 、时分多路复用(TDM) 、波分多路复 用(WDM) 、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA) 。 时分多路复用:当信道达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时,可以 将使用信道的时间分成一个个的时间片(时隙) ,按一定规则将这些时间片分配给各路 信号,每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输,所以信号之间不会互相干 扰。 频分多路复用:当信道带宽大于各路信号的总带宽时,可以将信道分割成若干

个子信道,每个子信道用来传输一路信号。或者说是将频率划分成不同的频率段,不同 路的信号在不同的频段内传送,各个频段之间不会相互影响,所以不同路的信号可以同 。 时传送。这就是频分多路复用(FDM) 波分多路复用:是 FDM 应用于光纤信道的一个变例。 码分多址(CDMA) :这种技术多用于移动通信,不同的移动台(或手机)可以使 用同一个频率,但是每个移动台(或手机)都被分配带有一个独特的"码序列",该序列 码与所有别的"码序列"都不相同,所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不同的 "码序列"来区分不同的移动台(或手机) ,所以叫做"码分多址"(CDMA)技术。 空分多址(SDMA) :这种技术是利用空间分割构成不同的信道。举例来说,在一 颗卫星上使用多个天线,各个天线的波束射向地球表面的不同区域。地面上不同地区的 地球站,它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作,它们之间也不会形成干扰。 空分多址(SDMA)是一种信道增容的方式,可以实现频率的重复使用,充分利用频率 资源。空分多址还可以和其它多址方式相互兼容,从而实现组合的多址技术,例如空 分·码分多址(SD-CDMA) 。

二、光发射端机 从 PCM 设备 (电端机) 送来的电信号是适合 PCM 传输的码型, HDB3 码或 CMI 为 码。信号进入光发送机后,首先进入输入接口电路,进行信道编码,变成由"0"和"1"码 组成的不归零码(NRZ) 。然后在码型变换电路中进行码型变换,变换成适合于光线路 传输的 mBnB 码或插入码, 再送入光发送电路, 将电信号变换成光信号, 送入光纤传输。

线路编码:又称信道编码,其作用是消除或减少数字电信号中的直流和低频分量, 以便于在光纤中传输、接收及监测。大体可归纳为三类:扰码二进制、字变换码、插入
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型码。 我们知道将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式, 这类技术 统称为调制/解调技术。 码名 单极性脉冲 双极性脉冲 不归零码(NRZ) 归零码(RZ) 曼彻斯特编码 特点 用电压的有、无表示两个二进制数。 用正、负电压分别表示两个二进制数。 是指在一个码元时间内,电压保持恒定,这种码又称为全宽码。 是指在一个码元的时 间内,非零电压的持续时间小于一个码元的时间即在一个码元的后半部分时间内,电压 总是要归于零。 利用电平的跳跃来表示"0"或"1" 优缺点 积累直流分量,会损坏电镀层。 可有效抑制直流分量。 续"1"或"0"时,码元 不易区分。 带宽较大 便于提取时钟信号,常用于局域网中。 调制方式:模拟通信可采用调幅、调频、调相等多种调制方式,采用数字调制时,相应 地称为幅移键控(ASK) 、频移键控(FSK) 、相移键控(PSK) ;信号只有两种状态的 ASK 称为通断键控(OOK) ,当前的数字通信系统使用 OOK-PCM 格式,属于强度调制 -直接检测(IM-DD)通信方式,是通信方式中最简单、最初级的方式。而相干通信系 统则可使用 ASK、FSK 或 PSK-PCM 格式,是复杂、高级的通信方式 光发射机包括以下参数: 发送光功率(dBm) 光谱特性 最大均方根宽度 最大 20dB 跌落宽度 最小边模抑制比(SMSR) 光中继器 目前,实用的光纤数字通信系统都是用二进制 PCM 信号对光源进行直接强度调制 的。光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端。由于受发送光 功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制,光端机之间的最 大传输距离是有限的。 例如, 1.31?m 工作区 34Mb/s 光端机的最大传输距离一般在 50~70km, 在 140Mb /s 光端机的最大传输距离一般在 40~60km。如果要超过这个最大传输距离,通常考 虑增加光中继器,以放大和处理经衰减和变形了的光脉冲。目前的光中继器常采用光电 再生中继器,即光一电-光中继器,这相当于光纤传输的接力站。如此,就可以把传输 距离大大延长。 传统的光中继器采用的是光-电-光(O-E-O)的模式,光电检测器先将光纤送来的 非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号,再通过放大、整形、再定时,还原成与原 来的信号一样的电脉冲信号。然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光,又将电信号变换 成光信号,向下一段光纤发送出光脉冲信号。通常把有再放大(re-amplifying)、再整形
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(re-shaping) 、再定时(re-timing)这三种功能的中继器称为"3R"中继器。这种方式过 程繁琐,很不利于光纤的高速传输。 自从掺铒光纤放大器问世以后,光中继实现了全光中继,通常又称为 1R (re-amplifying)再生。此技术目前仍然是通信领域的研究热点。下面是 3R 再生向 1R 再生的转变示意图。 三、光接收机 从光纤传来的光信号进入光接收电路,将光信号变成电信号并放大后,进行定时再 生,又恢复成数字信号。由于发送端有码型变换,因此,在接收端要进行码型反变换, 然后将信号送入输出接口电路,变成适合 PCM 传输的 HDB3 码或 CMI 码,送给 PCM。 在数字通信系统中,光接收机的性能用误码率来衡量。 接收机主要性能参数:接收灵敏度、光接收机的动态范围。 接收机灵敏度 接收机的灵敏度是表征光接收机调整到最佳工作状态时, 光接收机接收微弱光信号 的能力。 在数字接收机中,允许脉冲判决有一定的误差范围。如果接收机将"1"码误判为"0" 码,或者将"0"码误判为"1"码,这就叫 1 个错误比特。如果在 100 个比特中判错了一个 比特,则称误比特率为 1/100,即 10-2。数字通信要求,如果误比特率小于 10-6,则 则基本上不能进行正常的电 基本上可以恢复原来的数字信号。 如果误比特率大于 10-3, 话通信。对于数字光通信系统来说,一般要求系统的误比特率小于 10-9,即 10 亿个脉 冲中只容许发生一个误码。 因此,光接收机灵敏度定义为:在保证达到所要求的误比特率的条件下,接收机所 需要的最小输入光功率。接收灵敏度一般用 dBm 来表示,它是以 lmW 光功率为基础的 绝对功率,或写为 其中,Pmin 指在给定误比特率的条件下,接收机能接收的最小平均光功率。例如, 在给定的误比特率为 10-9 时,接收机能接收的最小平均光功率为 InW(即 10-9W) ,光 接收机灵敏度为-60dBm。 影响接收机灵敏度的主要因素是噪声,表现为信噪比。信噪比越大,表明接收电路 的噪声越小,对灵敏度影响越小。光接收机灵敏度是系统性能的综合反映,除了上述接 收机本身的特性以外,接收信号的波形也对灵敏度产生影响,而接收信号的波形主要由 光发送机的消光比和光纤的色散来决定。光接收机灵敏度还与传输信号的码速有关,码 速越高,接收灵敏度就越差。这就影响了高速传输系统的中继距离。速率越高,接收机 灵敏度越差,中继距离就越短。 接收机的动态范围 光接收机前置放大器输出的信号一般较弱,不能满足幅度判决的要求,因此还必须 加以放大。在实际光纤通信系统中,光接收机的输入信号将随具体的使用条件而变化。
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造成这种变化的原因,可能是由于温度变化引起了光纤损耗的变化,也可能是由于一个 标准化设计的光接收机,使用在不同的系统中,光源的强弱不同,光纤的传输距离也不 同。这样,传给光接收机的光功率就不可能一样。 为了使光接收机正常工作,接收信号不能太弱,否则会造成过大的误码。但接收信 号也不能太强,否则会使接收机放大器过载,而造成失真。因此光接收机正常工作时, 接收光信号的强度应该有一个范围。把光接收机在保证一定的误比特率条件下,所能接 收的最大光功率与最小光功率之差,称作光接收机的动态范围。一般希望光接收机的动 态范围越大越好,实际中一般为 16~20dB。 备用系统与辅助设备 为了确保系统的畅通,通常设置备用系统。正常情况下只有主系统工作,一旦主要 系统出现故障,就可以立即切换到备用系统,这样就可以保障通信的正确无误。 辅助设备是对系统的完善,它包括监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、 告警处理系统、电源供给系统等。 其中, 监控管理系统可对组成光纤传输系统的各种设备自动进行性能和工作状态的 监测,发生故障时会自动告警并予以处理,对保护倒换系统实行自动控制。对于设有多 个中继站的长途通信线路及装有通达多方向、多系统的线路维护中心局来说,集中监控 是必须采用的维护手段。 公务电话为各中继站与终端站之间提供业务联络。 "输入分配"和"输出倒换"组成了自动保护倒换装置。它是为提高线路的可靠性和可 利用率而准备的热备用系统。主用系统出现故障时,会自动切换到备用系统工作。备用 的方式是多种多样的,可以是一个主系统配备一个备用系统,也可以是多个主系统共用 一个备用系统。是采用一主一备还是多主一备系统工作,要根据使用要求和使用条件而 定。我国省内通信和本地网中采用一主一备方式较多,这主要是因为前期建设的系统数 较少,又要设保护系统的缘故。而长途干线中主要采用多主一备系统,以提高机线设备 的利用率。

第二节

评价光纤数字通信

误码特性和抖动特性是评价光纤数字通信系统的重要指标。 一、误码特性 什么是误码?误码的基本概念是:在数字通信系统中,当发送端发送"1"码时,接 收端收到的却是"0"码;而当发送端发送"0"码时,接收端却接收到了"1"码,这种接收码 与发送码不一致的情况就叫做误码。产生误码的主要原因是传输系统的噪声和脉冲抖
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动。 在数字光纤通信系统中,误码性能用误比特率 BER 来衡量。 BER=错误比特数/传输总的比特数 对于数字光通信系统来说,一般要求系统的误比特率小于 10-9。 二、抖动特性 抖动,又称为相位抖动,是指数字脉冲信号的相位摆动,或时间上的前后摆动。 在系统测量中,描述抖动程度的单位是"单位间隔",简写为 UI,其意义是指一个码 元的时间长度。对于不同的群次, 、不同码速率的相应 1UI 的时间是不相同的。例如, 对于 PCM 一次群信号,1UI=1/(2.048*106)ns≈122ns ;而对于 PCM 二次群信号,依此 类推。另外,抖动还可以用"度"为单位来表示,并规定 1UI=360°。 光前数字通信系统中,必须把抖动限制在一定的范围之内,否则,会导致定时脉冲 的相位偏离最佳判决位置, 结果造成误判概率的增加和引起再生脉冲流的时间间隔不规 则,码间距不一致。 铁腕高压,直接检测 强度调制-直接检测系统(Intensity Modulation/Direct Detection)是最简单的一种 传输方式, 目前大多数的光纤通信系统都采用这种传输技术。 "强度调制"是指在发送端, 用电的脉冲信号来控制光源,使其按照信号的强弱发光或者不发光;"直接检测"是指在 接收端用光电检测器直接检测光的有无,再转化为电信号。从历史的眼光来看,这仅相 当于无线电技术发展初期的马可尼时代。 三、系统的中继距离 我们知道,光纤数字通信系统是适于远距离、大容量通信的。在长距离传输中,需 要使用中继器来放大经过长距离传输而减弱了的信号,就像接力赛跑一样,一个人累了 的时候需要换一个人继续向前传递。在通信系统中,中继距离越长,中继站数目越少, 系统的成本就越低, 可靠性也越高。 延长系统的中继距离是科技工作者的奋斗目标之一。 光纤数字传输系统的最大中继距离是指在光发射机和光接收机之间不设中继器时 能传输的最远距离,在设计一个光纤通信系统时,计算最大中继距离是十分重要的。 光纤传输系统的最大中继距离由以下因素决定。 发送机输出耦合进光纤的平均光功率。耦合进光纤的功率越大,中继距离越长; 光纤的色散,若光纤的色散大,则经过一定距离传输后出现的波形失真就严重。传 输的距离越长,波形失真就越严重。在数字通信系统中,波形失真将引起码间干扰,使 光接收灵敏度降低,影响系统的中继距离;光纤的损耗。光纤线路的损耗包括光纤活动 连接器损耗和光纤的熔接损耗,当然主要是光纤的每公里损耗。如果光纤每公里损耗越 小,则信号光功率在光纤上的损失就越小,光信号在光纤中的传输距离就越远; 满足一定误比特率要求的光接收机灵敏度。接收灵敏度越高,即满足系统误比特率 要求的最低接收光功率越小,中继距离就越长。
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对于某一光纤通信系统来说,发送光功率和光接收灵敏度一般都是已知的,影响其 中继距离的因素主要是损耗限制和色散限制。对于单模光纤通信系统来说,传输速率在 140Mb/s 以下的系统一般只受损耗限制,色散对其影响不大;而传输速率在 565Mb/s 以上的系统,由于光源有一定的谱线宽度,可能会给中继距离带来较大影响。现在,采 用动态单纵模激光器,特别是多量子阱激光器(MQW)后,连传输速率为 2.5Gb/s 的 系统也几乎不受色散限制了。 四、同步数字序列 在数字通信发展的初期,为了适应点到点通信的需要,大量的数字传输系统都是准 同步数字体系(PDH) ,准同步是指各级的比特率相对于其标准值有一个规定的容量偏 差,而且定时用的时钟信号并不是由一个标准时钟发出来的,通常采用正码速调整法实 现准同步复用。 随着数字交换的引入,由光通信技术的发展带动的长距离大容量数字电路的建设, 以及网络控制和宽带综合业务数字网(B-ISDN)的发展需要,暴露了现有的准同步数 字序列存在的一些固有弱点。主要是:北美、日本、欧洲三种数字体制互不兼容;没有 世界性的标准光接口规范,在光路上无法互通和调配;难以上、下话路;网络维护管理 复杂,缺乏灵活性,无法适应不断演变的电信网的要求。 随着光纤通信技术和大规模集成电路的高速发展,1986 年美国提出了一种以光纤 通信为基础的同步光纤网 (SONET) 概念, 作为现代化通信网的基本结构。 1988 年 ITU-T 对 SONET 概念进行了修改,重新命名为同步数字序列,简称 SDH,使之成为不仅适用 于光纤通信,也适合于微波和卫星传输的体制。现在 SDH 已经成为国际上公认的新一 代的理想传输网体制。 在电信网中所运载的种类繁多的信息首先必须规范化, 然后再纳入数字序列的某一 级的一种速率信号之中,即成为电信网所传输的异步或同步数字序列信号的内容。SDH 的最低分级是 155.520Mb/s,称为基本传送模块,用 STM-1 表示。STM-N 则表示速率 为 N×155.520Mb/s 的传送模块,其中 N 一般取 1、4、16、64、256。

第三节 光纤通信传输体制的发展历程回顾

下面是光纤通信传输体制的发展历程: 1972 年 ITU-T 前身 CCITT 提出第一批 PDH 建议 1976 和 1988 年又提出两批建议--形成完整的 PDH 体系 1984 年美国贝尔实验室开始同步信号光传输体系的研究 1985 年美国国家标准协会(ANSI)根据贝尔实验室提出的全同步网的构想,委托
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T1X1 委员会起草光同步网标准,并命名为 SONET(Synchronous Optical NETwork) 1986 年 CCITT 开始以 SONET 为基础制订 SDH 1988 年通过了第一批 SDH 建议 1990 以后,SDH 已成为光纤通信基本传输方式;目前,SDH 不仅是一套新的国际标 准,又是一个组网原则,也是一种复用方法。 下面列出了几种传输技术(既包括电又包括光)的实现方式: 明线技术,FDM 模拟技术,每路电话 4kHz;光纤线,光缆线,光通信,光纤原理 小同轴电缆 6O 路 FDM 模拟技术,每路电话 4kHz; 中同轴电缆 1800 路 FDM 模拟技术,每路电话 4kHz; 光纤通信 140Mb/s PDH 系统,TDM 数字技术,每路电话 64kb/s; 光纤通信 2.5Gb/s SDH 系统,TDM 数字技术,每路电话 64kb/s; 光纤通信 N×2.5Gb/s WDM 系统,TDM 数字技术+光频域 FDM 模拟技术,每路 电话 64kb/s。

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第三章 光纤发展趋势

第一节 光纤发展趋势展望

光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。近几年来,随着技术的进步, 电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放, 光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃 发展的新局面,本文旨在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述与展望。 一、向超高速系统的发展 从过去 2O 多年的电信发展史看,网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对 主要矛盾。传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用(TDM)方式进行,每当传输 速率提高 4 倍,传输每比特的成本大约下降 30%~40%;因而高比特率系统的经济效 益大致按指数规律增长,这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去 20 多年来一直 在持续增加的根本原因。目前商用系统已从 45Mbps 增加到 10Gbps,其速率在 20 年时 间里增加了 20O0 倍,比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。高速系统的出现 不仅增加了业务传输容量,而且也为各种各样的新业务,特别是宽带业务和多媒体提供 了实现的可能。目前 10Gbps 系统已开始大批量装备网络,全世界安装的终端和中继器 已超过 5000 个,主要在北美,在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。我国也将 在近期开始现场试验。 需要注意的是,10Gbps 系统对于光缆极化模色散比较敏感,而 已经敷设的光缆并不一定都能满足开通和使用 10Gbps 系统的要求,需要实际测试,验 证合格后才能安装开通。 在理论上,上述基于时分复用的高速系统的速率还有望进一 步提高,例如在实验室传输速率已能达到 4OGbps,采用色度色散和极化模色散补偿以 及伪三进制(即双二进制)编码后已能传输 100km。然而,采用电的时分复用来提高传 输容量的作法已经接近硅和镓砷技术的极限, 没有太多潜力可挖了, 此外, 电的 40Gbps 系统在性能价格比及在实用中是否能成功还是个未知因素, 因而更现实的出路是转向光 的复用方式。光复用方式有很多种,但目前只有波分复用(WDM)方式进入大规模商 用阶段,而其它方式尚处于试验研究阶段。 二、向超大容量 WDM 系统的演进 如前所述,采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而光纤的 200nm 可用带宽 资源仅仅利用了不到 1%,99%的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源 信号同时在一极光纤上传送,则可大大增加光纤的信息传输容量,这就是波分复用 (WDM)的基本思路。采用波分复用系统的主要好处是:可以充分利用光纤的巨大带 宽资源,使容量可以迅速扩大几倍至上百倍;在大容量长途传输时可以节约大量光纤和 再生器,从而大大降低了传输成本;与信号速率及电调制方式无关,是引入宽带新业务
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的方便手段; 利用 WDM 网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、 具有高度生存 性的光联网。 鉴于上述应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动, 波分复用系统发展十分迅速。如果认为 1995 年是起飞年的话,其全球销售额仅仅为 1 亿美元,而 2000 年预计可超过 40 亿美元,2005 年可达 120 亿美元,发展趋势之快令 人惊讶。目前全球实际敷设的 WDM 系统已超过 3000 个,而实用化系统的最大容量已 达 320Gbps(2*16*10Gbps),美国朗讯公司已宣布将推出 80 个波长的 WDM 系统,其 总容量可达 200Gbps(80*2.5Gbps)或 400Gbps(40*10Gbps)。实验室的最高水平则 已达到 2.6Tbps(13*20Gbps)。预计不久实用化系统的容量即可达到 1Tbps 的水平。可 以认为近 2 年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑。 不仅彻底开发了无穷无尽的光传输键路的容量,而且也成为 IP 业务爆炸式发展的催化 剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。 三、实现光联网——战略大方向 上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量, 但基本上是以点到点通 信为基础的系统,其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似 SDH 在 电路上的分插功能和交叉连接功能的话, 无疑将增加新一层的威力。 根据这一基本思路, 光的分插复用器(OADM)和光的交叉连接设备(OXC)均已在实验室研制成功,前 者已投入商用。 实现光联网的基本目的是:实现超大容量光网络;实现网络扩展性, 允许网络的节点数和业务量的不断增长; 实现网络可重构性, 达到灵活重组网络的目的; 实现网络的透明性,允许互连任何系统和不同制式的信号;实现快速网络恢复,恢复时 间可达 100ms。 鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势,发达国家投入了大量的人力、 物力和财力进行预研,特别是美国国防部预研局(DARPA)资助了一系列光联网项目, 如以 Be11core 为主开发的 “光网技术合作计划 (ONTC) , ” 以朗讯公司为主开发的 “全 光通信网”预研计划”, “多波长光网络(MONET)”和“国家透明光网络(NTON)” 等。在欧洲和日本,也分别有类似的光联网项目在进行。 综上所述光联网已经成为继 SDH 电联网以后的又一新的光通信发展高潮。其标准化工作将于 2000 年基本完成,其 设备的商用化时间也大约在 2000 年左右。建设一个最大透明的。高度灵活的和超大容 量的国家骨干光网络不仅可以为未来的国家信息基础设施(NII) 奠定一个坚实的物理基 础, 而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的 战略意义。 四、新一代的光纤 近几年来随着 IP 业务量的爆炸式增长,电信网正开始向下一代可持续发展的方向 发展, 而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。 传统的 G.652 单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势, 开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前,为了适应干线网

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和城域网的不同发展需要,已出现了两种不同的新型光纤,即非零色散光纤(G.655 光 纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。 新一代的非零色散光纤 非零色散光纤(G.655 光纤)的基本设计思想是在 1550 窗 口工作波长区具有合理的较低色散,足以支持 10Gbps 的长距离传输而无需色散补偿, 从而节省了色散补偿器及其附加光放大器的成本;同时,其色散值又保持非零特性,具 有一起码的最小数值(如 2ps/(nm.km)以上),足以压制四波混合和交叉相位调制 等非线性影响,适宜开通具有足够多波长的 DWDM 系统,同时满足 TDM 和 DWDM 两种发展方向的需要。 为了达到上述目的, 可以将零色散点移向短波长侧 (通常 1510~ 1520nm 范围)或长波长侧(157nm 附近),使之在 1550nm 附近的工作波长区呈现一 定大小的色散值以满足上述要求。典型 G.655 光纤在 1550nm 波长区的色散值为 G.652 光纤的 1/6~1/7,因此色散补偿距离也大致为 G.652 光纤的 6~7 倍,色散补偿成本 (包括光放大器,色散补偿器和安装调试)远低于 G.652 光纤。 全波光纤 与长途网相比,城域网面临更加复杂多变的业务环境,要直接支持大用 户, 因而需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。 但其传输距离却很短, 通常只有 50~ 80km,因而很少应用光纤放大器,光纤色散也不是问题。显然,在这样的应用环境下, 怎样才能最经济有效地使业务量上下光纤成为网络设计至关重要的因素。 采用具有数百 个复用波长的高密集波分复用技术将是一项很有前途的解决方案。此时,可以将各种不 同速率的业务量分配给不同的波长, 在光路上进行业务量的选路和分插。 在这类应用中, 开发具有尽可能宽的可用波段的光纤成为关键。目前影响可用波段的主要因素是 1385nm 附近的水吸收峰,因而若能设法消除这一水峰,则光纤的可用频谱可望大大扩 展。全波光纤就是在这种形势下诞生的。 全波光纤采用了一种全新的生产工艺,几乎 可以完全消除由水峰引起的衰减。除了没有水峰以外,全波光纤与普通的标准 G.652 匹 配包层光纤一样。然而,由于没有了水峰,光纤可以开放第 5 个低损窗口,从而带来一 系列好处: (1)可用波长范围增加 100nm,使光纤的全部可用波长范围从大约 200nm 增加到 300nm,可复用的波长数大大增加; (2)由于上述波长范围内,光纤的色散仅 为 155Onm 波长区的一半,因而,容易实现高比特率长距离传输; (3)可以分配不同 的业务给最适合这种业务的波长传输,改进网络管理; (4)当可用波长范围大大扩展 后,允许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其 它元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降,这就降低了整个系统的成本。 5 IP over SDH 与 IP over Optical 以 IP 业务为主的数据业务是当前世界信息业发展 的主要推动力, 因而能否有效地支持 IP 业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。 目前, ATM 和 SDH 均能支持 IP, 分别称为 IP over ATM 和 IP over SDH 两者各有千秋。 IP over ATM 利用 ATM 的速度快、颗粒细、多业务支持能力的优点以及 IP 的简单、灵 活、 易扩充和统一性的特点, 可以达到优势互补的目的, 不足之处是网络体系结构复杂、 。 传输效率低、 开销损失大 (达 25%~30%) 而 SDH 与 IP 的结合恰好能弥补上述 IP over
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ATM 的弱点。其基本思路是将 IP 数据包通过点到点协议(PPP)直接映射到 SDH 帧, 省掉了中间复杂的 ATM 层。 具体作法是先把 IP 数据包封装进 PPP 分组, 然后利用 HDLC 组帧,再将字节同步映射进 SDH 的 VC 包封中,最后再加上相应 SDH 开销置入 STM -N 帧中即可。 IP over SDH 在本质上保留了因特网作为 IP 网的无连接特征,形成统 一的平面网,简化了网络体系结构,提高了传输效率,降低了成本,易于 IP 组插和兼 容的不同技术体系实现网间互联。最主要优点是可以省掉 ATM 方式所不可缺少的信头 开销和 IP over ATM 封装和分段组装功能,使通透量增加 25%~30%,这对于成本很 高的广域网而言是十分珍贵的。缺点是网络容量和拥塞控制能力差,大规模网络路由表 太复杂,只有业务分级,尚无优先级业务质量,对高质量业务难以确保质量,尚不适于 多业务平台,是以运载 IP 业务为主的网络理想方案。随着千兆比高速路由器的商用化, 其发展势头很强。采用这种技术的关键是千兆比高速路由器,这方面近来已有突破性进 展,如美国 Cisco 公司推出的 12000 系列千兆比特交换路由器(GSR),可在千兆比特 速率上实现因特网业务选路, 并具有 5~60Gbps 的多带宽交换能力, 提供灵活的拥塞管 理、组播和 QOS 功能,其骨干网速率可以高达 2.5Gbps,将来能升级至 10Gbps。这类 新型高速路由器的端口密度和端口费用已可与 ATM 相比,转发分组延时也已降至几十 微秒量级,不再是问题。总之,随着千兆比特高速路由器的成熟和 IP 业务的大发展, IP over SDH 将会得到越来越广泛的应用。 但从长远看,当 IP 业务量逐渐增加,需要 高于 2.4Gbps 的链路容量时,则有可能最终会省掉中间的 SDH 层,IP 直接在光路上跑, 形成十分简单统一的 IP 网结构(IP over Optical)。显然,这是一种最简单直接的体系 结构,省掉了中间 ATM 层与 SDH 层,减化了层次,减少了网络设备;减少了功能重 叠,简化了设备,减轻了网管复杂性,特别是网络配置的复杂性;额外的开销最低,传 输效率最高;通过业务量工程设计,可以与 IP 的不对称业务量特性相匹配;还可利用 光纤环路的保护光纤吸收突发业务, 尽量避免缓存, 减少延时; 由于省掉了昂贵的 ATM 交换机和大量普通 SDH 复用设备,简化了网管,又采用了波分复用技术,其总成本可 望比传统电路交换网降低一至二个量级! 综上所述,现实世界是多样性的,网络解决方 案也不会是单一的,具体技术的选用还与具体电信运营者的背景有关。三种 IP 传送技 术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。 但从面向 未来的视角看,IP over Optical 将是最具长远生命力的技术。特别是随着 IP 业务逐渐成 为网络的主导业务后,这种对 IP 业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干 网的主导传送技术。在相当长的时期,IP over ATM,IP overSDH 和 IP over Optical 将 会共存互补,各有其最佳应用场合和领域。6 解决全网瓶颈的手段——光接入网 过去 几年间,网络的核心部分发生了翻天覆地的变化,无论是交换,还是传输都已更新了好 几代。不久,网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能 化的网络。而另一方面,现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的(90%以上)、原始 落后的模拟系统。 两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全网进一步发展
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的瓶颈。目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段,如双绞线上的 xDSL 系 统,同轴电缆上的 HFC 系统,宽带无线接入系统,但都只能算是一些过渡性解决方案, 唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网。 接入网中采用光 接入网的主要目的是:减少维护管理费用和故障率;开发新设备,增加新收入;配合本 地网络结构的调整,减少节点,扩大覆盖;充分利用光纤化所带来的一系列好处;建设 透明光网络,迎接多媒体时代。 所谓光接入网从广义上可以包括光数字环路载波系统 (ODLC)和无源光网络(PON)两类。数字环路载波系统 DLC 不是一种新技术,但 结合了开放接口 VS.1/V5.2,并在光纤上传输综合的 DLC(IDLC),显示了很大的生 命力,以美国为例,目前的 1.3 亿用户线中,DLC/IDLC 已占据 3600 万线,其中 IDLC 占 2700 万线。特别是新增用户线中 50%为 IDLC,每年约 500 万线。至于无源光网络 技术主要是在德国和日本受到重视。德国在 1996 年底前共敷设了约 230 万线光接入网 系统,其中 PON 约占 100 万线。日本更是把 PON 作为其网络光纤化的主要技术,坚持 不懈攻关十多年,采取一系列技术和工艺措施,将无源光网络成本降至与铜缆绞线成本 相当的水平,并已在 1998 年全面启动光接入网建设,将于 2010 年达到 6000 万线,基 本普及光纤通信网,以此作为振兴 21 世纪经济的对策。近来又计划再争取提前到 2005 年实现光纤通信网。 在无源光网络的发展进程中,近来又出现了一种以 ATM 为基础 的宽带无源光网络(APON),这种技术将 ATM 和 PON 的优势相互结合,传输速率可 达 622/155Mbps,可以提供一个经济高效的多媒体业务传送平台并有效地利用网络资 源,代表了多媒体时代接入网发展的一个重要战略方向。目前国际电联已经基本完成了 标准化工作,预计 1999 年就会有商用设备问世。可以相信,在未来的无源光网络技术 中,APON 将会占据越来越大的份额,成为面向 21 世纪的宽带投入技术的主要发展方 向。7 结束语 从上述涉及光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看,完全有理由认 为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广,技术 更新更难,影响力和影响面也更宽,势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。 它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局, 也将对下一世 纪的社会经济发展产生巨大影响。

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结束语
光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。 虽然经历了全球光通信的“冬天”但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信 的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网 络的时代也会在不远的将来到来。

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谢 辞

本科毕业论文致谢词本论文是在指导老师的悉心指导下完成的。 指导老师渊博的专 业知识,严谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽 以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远 大的学术目标、 掌握了基本的研究方法, 还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。 本论文从选题到完成,每一步都是在张忠雨老师的指导下完成的,倾注了导师大量的心 血。在此,谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 本论文的顺利完成,离不开各位 老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感谢各位老师支持和帮助; 在学习期间,得到 师兄的关心和帮助,在此表示深深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的 学位论文的,同窗之间的友谊永远长存。

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光纤通信技术的发展趋势

参考文献

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