从光纤通信技术本身的发展来看

第7章光网络章光网络从光纤通信技术本身的发展来看，光网络可以分为三代。第一代光网络中，光只是用来实现大容量传输，所有的交换、路由和其他智能控制都是在电层面上实现的，SONET/SDH就是第一代的光网络。光传送网(OTN)和全光网络(AON)可以分别认为是第二代光网络和第三代光网络。本章首先介绍SONET/SDH作为理解光网络的基础，然后讲解属于第三代网络技术的光突发交换技术和智能光网络。1985年，Bellcore提出了同步光纤网(SynchronousOpticalNetwork,SONET)标准，美国国家标准协会(ANSI)通过了一系列有关SONET的标准。1989年，国际电报电话咨询委员会CCITT接受了SONET概念并制定了同步数字系列(SynchronousDigitalHierarchy,SDH)标准，使之成为不仅适合于光纤也适合于微波和卫星传输的通用技术体制。与SONET有细微差别，SDH/SONET定义了一组在光纤上传输光信号的速率和格式，通常统称为光同步数字传输网，是宽带综合数字网B-ISDN的基础之一。SDH/SONET都采用了时分复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)技术，是同步系统，由主时钟控制。两者都用于骨干网传输，是对沿袭应用的准同步数字系列(Pseudo-synchronousDigitalHierarchy,PDH)的一次革命。SDH多用于中国和欧洲，而SONET多用于北美和日本。的物理配置在SONET标准中，按照设备的功能和它们之间连接的关系，把连接分为了段(Section)、线路(Line)和通道(Path)。“段”指的是直接连接相邻设备的连接关系，即点到点的链路，如再生器与同步传输信号(SynchronousTransportSignal,STS)复用器、再生器与再生器、添加/丢弃复用器与再生器之间的连接属于段连接；“线路”是指连接两个SONET复用器设备之间的连接，如STS复用器与添加/丢弃复用器之间的连接；的物理配置而“通道”则是指两个STS复用器之间的端到端的连接，如图7.1所示。对于只由两个STS复用器直接连接构成的SONET系统，段、线路和通道是相同的。图7.1SONET系统的物理配置SONET系统主要包括三种设备：再生器(Regenerator)、添加/丢弃复用器(Add-DropMultilexer,ADM)和STS复用器。其中，再生器就是转发器，接收光信号，整形后转发出去。添加/丢弃复用器也称分插复用器，其主要功能是向通道中添加信号，并可以从通道中提取出需要的信号。STS复用器在SONET系统中的位置处于边缘，有两个功能：实现电信号与光信号的相互转换和信号的复用/解复用。传输格式和速率图7.2给出了SONET的基本帧结构。这是一个由9行、90列字节构成的二维结构。基本SONET帧的周期为125s，因此基本SONET信号的传输速率为：STS-1=(90字节/行)×(9行/帧)×(8比特/字节)×(125s/帧)=51.84Mb/s。图7.2SONET中STS-1的基本帧格式传输格式和速率该信号称为STS-1信号，所有的SONET信号都是STS-1信号速率的整数倍，STS-N信号的比特速率是51.84Mb/s的N倍。当采用STS-N信号调制光源时，先对逻辑STS-N信号进行扰码以减少长连0和长连1，便于在接收机中进行时钟恢复。经过电光变换后的物理层光信号称为光载波(OpticalCarry,OC-N)。实际上采用OC-N链路表示SONET链路更为普遍。N值在1~255之间变化的生成算法都已提出，但ANSIT1.105标准认可的N仅为1,3,12,24,48和192。传输格式和速率在SDH中基本速率等于STS-3，即155.22Mb/s，称为同步传输模式(SynchronousTransportMode,STM-1)，更高的速率表示为STM-M。ITU-T建议支持的M值为1,4,14和64，它们相当于SONET的OC-N信号。类似于SONET，SDH也先对逻辑信号进行扰码，但不同的是，SDH不区分逻辑电信号（如SONET中的STS-N）和物理光信号（如OC-N），这些信号都标记为STM-M。传输格式和速率表7.1给出了常用的OC-N与STM-M值和对应关系。表7.1常用的SONET和SDH传输速率SONET等级电等级线路速率(Mb/s)相应的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传输格式和速率如图7.2所示，帧结构中的前3列传输的开销字节承载了网管信息，剩下的87列承载了用户数据，称为同步有效载荷封装(SynchronousPayloadEnvelope,SPE)和9个字节的通道开销(PathOverHead,POH)。POH支持性能监视、统计、信号标记、寻迹功能和一个用户通道。这9个通道开销字节总是排成1列，它们可以出现在SPE中的任何位置。值得注意的是，SONET/SDH的同步字节间插复用特性，可以实现光网络中信息通道的分插复用。传输格式和速率当N值大于1时，帧结构的列数是原来的N倍，而行数仍然为9行，如图7.3所示。图7.3SONET的STS-N帧的基本结构光接口为了保证不同制造商的设备能够互联，SONET和SDH规范提出了光源特性、接收灵敏度以及不同类型光纤传输距离的特征。表7.2给出了标准定义的6种传输距离，它们在SONET和SDH中所用的称谓各不相同。表7.2SONET和SDH规范和称谓传输距离SONET称谓SDH称谓光纤种类≤2km短距离局间渐变折射率光纤15km中距离短途常规非色散位移单模光纤40km（1310nm）长距离长途色散位移光纤光接口SONET和SDH规范提出了光源特性、接收灵敏度以及不同类型光纤传输距离的特征。标准定义的6种传输距离，它们在SONET和SDH中所用的称谓各不相同。（续）表7.2SONET和SDH规范和称谓传输距离SONET称谓SDH称谓光纤种类80km（1550nm）长距离长途色散位移光纤120km（1550nm）长距离甚长途色散位移光纤160km（1550nm）长距离超长途色散位移光纤光接口针对于表7.3中不同等级的损耗和色散特性，可以采用的光源包括发光二极管(LED)、多横纵模(MultipleLongitudinalMode,MLM)激光器和单纵模(SingleLongitudinalMode,SLM)激光器。在ANSIT1.105.06和ITU-TG.957中给出了光源的各种谱参数。表7.3波长范围和光纤损耗传输距离1310nm窗口1550nm窗口1310nm处损耗1550nm处损耗≤15km1260~1360nm1430~1580nm3.5dB/km未规定≤40km1260~1360nm1430~1580nm0.8dB/km0.5dB/km≤80km1280~1335nm1480~1580nm0.5dB/km0.3dB/km光接口表7.4给出了传输速率从基群到OC-48或STM-16（传输速率为2.5Gb/s）的光功率。系统的误码率指标在速率低于1Gb/s时不超过10-10，而当速率更高或系统性能要求更高时不超过10-12，该性能的链路功率损伤不大于1dB。具体表7.4见书中134页给出的数值。环网络SONET和SDH通常配置成环状拓扑。当设备或链路发生故障时，可以采用环回分集实现不中断业务保护。SONET/SDH环也称为自愈环(SelfHealingRing)。SONET/SDH环可以分为8种可能的类型，而每一种类型均有两种可以互换的结构。它们具有三个主要特征：（1）环上连接结点的光纤可以是二纤，也可以是四纤；（2）数据流可以沿顺时针单方向传输，也可以沿两个方向传输；（3）保护切换既可以采用线路切换，也可以采用通道切换方案。在8种可能的环类型组合中，SONET和SDH网络中最普遍的两种结构是：二纤单向线路切换环(UPSR)和二纤/四纤双向线路切换环(BLSR)环网络如图7.4(a)所示，在双纤单向自愈环配置中包括两个通道，即主用通道（简称主通道，图7.4(a)中用实线表示）和保护通道（也称为副通道或备用通道，图7.4(a)中用虚线表示）。一般情况下，单向环中数据流沿主通道顺时针方向传输。例如，从结点1到结点3的连接使用了链路1和链路2，而从结点3到结点1的数据流则通过链路3和链路4传输。因此，两个结点间的通信利用了环的整个周长方向上特定的带宽容量。若结点1和结点3在OC-12环上以OC-3速率交换信息，则它们只使用了环中主通道容量的1/4。在单向环中，逆时针通道作为可变路由，以便在链路或结点出现故障时保护通道。环网络为了实现保护，从发送结点发出的光信号同时输入主通道光纤和副通道光纤，这样就建立了一个指定的保护通道，数据流在保护通道中逆时针传输，如图7.4(b)所示，称为通过链路5和链路6的1,3结点之间通道保护。如图7.4(b)所示，从某个结点发出的同样的信号以不同的方向和传输延时到达目的地。接收机通常选择来自主通道的信号，当然它也在不断比较两个方向信号的正确性，在出现一个通道信号丢失或性能劣化时马上选择另一路信号。因此，每一个通道都是基于信号性能而独立切换的。例如，一旦链路2中断或是结点2出现设备故障，则结点3将切换到保护通道，以接收来自结点1的信号。环网络(a)双纤单向通道与逆向保护通道(b)结点1到结点3主副通道数据流图7.4双纤单向自愈环原理图环网络图7.5给出了四纤双向自愈环原理图。其中，两个主用光纤环（标注为1p到8p）用于常规双向通信，而另外两个辅助光纤环用于保护的备用环路（标注为1s到8s）。与二纤单向自愈环不同，四纤双向自愈环在容量上占有优势，因为它使用了两倍于前者的光纤，而且两个结点之间的业务仅在环的一部分中传输。环网络首先看一下结点1和结点3之间的连接情况，从结点1到结点3的数据流按顺时针方向沿链路1p和2p传输，而从结点3到结点1的返回路径上，数据流是按逆时针方向沿链路7p和8p传输的。因此，结点1和结点3之间的信息交换不会占用另一半环中的主用通道的带宽资源，从而提高了带宽利用率。图7.5四纤双向自愈环原理图环网络为了了解四纤双向自愈环中备用链路的功能及其通用性，首先考虑一下主环上结点3与结点4中某个发送或接收电路板失效的情况。此时，受影响的结点检测到无