光纤通信与IP传送技术.docx
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光纤通信与IP传送技术
光纤通信与IP传送技术
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摘要
本文对光纤通信的发展现状作一简要总结与分析，并对未来的可能发展趋势作了展望；结合ATM，SDH，WDM等技术特点讨论了几种IP传送新技术。
关键词：
光纤通信；IP传送
目录
摘要-1-
引言1
1.绪论2
1.1光纤通信2
1.2光纤通信系统的组成2
1.2.1光纤光缆技术3
1.2.2光有源器件5
1.2.3光无源器件6
1.2.4光复用技术6
1.2.5光放大技术7
2.光纤通信8
2.1光纤通信的现状8
2.2光纤通信的展望9
3.光纤通信技术的发展历史与未来展望11
3.1光纤通信技术的发展及现状11
3.2光纤通信技术的趋势及展望11
3.2.1向超高速系统的发展11
3.2.2向超大容量WDM系统的演进12
3.2.3实现光联网12
3.2.4开发新代的光纤12
3.2.5解决全网瓶颈的手段一光接入网13
4.1IPoverATM14
4.1.1ATM面向连接与IP非连接的统一15
4.1.2OSI第3层与第2层的捆绑16
4.1.3路由与交换的优化结合18
4.2IPoverSDH18
4.2.1IPoverSDH概述18
4.2.2问题的提出18
4.2.3关于SDH帧结构中的信号标签19
4.2.4IPoverSDH与IpoverOptical19
结束语20
致谢21
参考文献22
引言
在当今世界向知识经济时代迈进过程中，计算机互联网技术的应用成为重要的促进因素，它的不断发展形成推动世界经济高速发展新的源动力。
随着国民经济信息化进程的深入发展，整个社会对现代化通信需求进一步增加，新一代宽带通信网络将成为新一代电信的明显特征，宽带IP网络技术应运而生。
随着技术条件的成熟，网络的融合正成为电信发展的大趋势。
首先是数字技术的迅速发展和全面采用，使电话、数据和图像信号都可以通过统一编码进行传输和交换。
其次是光通信技术的发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输质量，是三网业务的理想平台。
再就是软件技术的发展，使得三大网及其终端都能通过软件变更最终支持各种用户所需的特性、功能和业务。
最后，也是最重要的是统一的TCP/IP协议的普遍采用，使得各种以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通。
人类首次具有了统一的为三大网都能接受的通信协议，从技术上为三网融合奠定了最坚实的基础。
1.绪论
1.1光纤通信
各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式，称光纤通信。
光纤通信不同于有线电通信，后者是利用金属媒体传输信号，光纤通信则是利用透明的光纤传输光波。
虽然光和电都是电磁波，但频率范围相差很大。
一般通信电缆最高使用频率约9-24兆赫（10（6）Hz），光纤工作频率在10（14）-10（15））Hz之间。
光纤通信最主要的优点是：
（1）容量大。
光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8-9个数量级，故所开发的容量很大。
（2）衰减小。
光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。
（3）体积小，重量轻。
同时有利于施工和运输。
（4）防干扰性能好。
光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。
（5）节约有色金属。
一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。
光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量有色金属。
（6）成本低。
目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而光纤价格却有所下降。
这为光纤通信得到迅速发展创造了重要的前提条件。
光纤通信首先应用于市内电话局之间的光纤中继线路，继而广泛地用于长途干线网上，成为宽带通信的基础。
光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距离的通信，包括国内沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。
目前，各国还在进一步研究、开发用于广大用户接入网上的光纤通信系统。
随着光纤放大器、光波分复用技术、光弧子通信技术、光电集成和光集成等许多新技术不断取得进展，光纤通信将会得到更快的发展。
1.2光纤通信系统的组成
光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。
1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。
从此，开创了光纤通信领域的研究工作。
1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。
85微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。
1981年又实现了两电话局间使用103微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。
1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。
80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。
用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。
新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。
光孤子通信系统可以获得极高的速率，20世纪末或21世纪初可能达到实用化。
在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。
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。
1.2.1光纤光缆技术
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:
1.2.1.1.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。
1.2.1.2.色散补偿光纤（DispersionCompensationFiber，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，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。
1.2.1.3.光纤光栅（FiberGrating）
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。
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激光器等。
1.2.1.4.多芯单模光纤（Multi-Coremono-ModeFiber，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,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。
1.2.2光有源器件
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。
1.2.2.1.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）与电吸收调制器（EAMD）的集成，即DFB-EA，已开始商品化;其它发射器件的集成，如DFB-LD、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。
1.2.2.2.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。
1.2.2.3.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。
1.2.2.4.基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成（Si/Ge/SiMQW）
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。
1.2.3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。
1.2.4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LightManagementGroupIncofToronto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。
1.2.5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。
到此，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。
2.光纤通信
2.1光纤通信的现状
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，电信管制体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，特别是IP的爆炸式发展所带来的对带宽的巨大需求，光纤通信又一次呈现了蓬勃发展的新局面，成为近几年来发展速度最快的技术。
随着光纤通信技术的发展，业务种类的增加，适用于电路交换方式的PDH设备因为其固有的缺点已逐步淡出通信网，仅在一些小的通信场所有些应用。
而SDH设备则大规模应用于骨干网和城域网。
这是因为，与PDH相比，SDH有如下优势：
1PDH无世界统一光接口，而SDH具有世界统一光接口不同制造商生产的设备可以在光接口上互联。
2PDH低次群在合成高次群过程中需插入附加比特，无法从高次群中直接提取低次群信号，而SDH可从高次群中直接提取低次群信号。
3SDH帧中安排了丰富的用于网络运行、管理、维护（OAM）的比特，便于组网与网管。
4SDH向下兼容，SDH通路中可以直接上下PDH信号。
从以上可以看出，SDH是一种完整严密的传送网技术体制，这种技术体制一诞生就获得了广泛的支持，目前以成为各国核心网的主要传送技术。
我国从1995年就在干线网上开始全面转向SDH体制，目前以建成世界第一大SDH网络。
有趣的是，原来一直沿用北美SONET体制的我国周边国家和地区，也先后决定转向SDH体制。
这种传输体制的全面转向有利于全球统一基础网的形成，减少网间互通互联的困难。
除了核心网的应用以外，目前的市场，带宽需求和技术都已显示有必要把SDH技术带入接入网领域，使SDH的功能和接口尽可能靠近用户。
SDH的固有灵活性使网络运营者可以更快更有效地满足用户的业务需求以及组网需要。
特别是对于发展极其迅速的蜂窝通信系统采用SDH系统尤其合适，它可以迅速灵活地提供所需的2Mbps透明通道。
近来，接入网领域传输体制也开始呈现向SDH的汇聚趋势。
为了更充分地利用SDH的优势，需要将SDH进一步扩展至低带宽用户，使用STM-0子速率连接对于小带宽用户是一种经济有效的方案，同时又能保持全部SDH管理能力和功能。
届时SDH将进一步向用户推进，在接入网领域占据更大份额。
另一方面必须看到，随着数据业务逐渐成为全网的主要业务，传统的电路交换网将逐渐向分组网，特别是IP网演进。
作为支持电路交换方式的SDHTDM结构将越来越不适应未来业务的发展，独立的SDH设备的长远命运正受到严重挑战。
然而这种挑战在中国这样的环境下将是战略性的，SDH在中近期仍将继续发展，主要理由如下：
--考虑我国的电路交换网在5年左右的时间内仍将继续发展；
--SDH本身高低端的发展潜力（高于40Gbps，低于155Mbps）
--未来的超大容量的核心光传送网需要更多的SDH设备；
--近期仍然是可靠性和生存性最高的传送网技术；
--SDH的级联功能增强了支持ATM/IP的能力；
--SDH正在融合路由功能，支持以太网透明传输。
随着数据业务逐渐成为网上的主导业务，SDH的长期市场将逐渐缩小，并将逐渐退出核心骨干网，转移到网络边缘，独立的SDH设备将减少，其功能将逐渐融合到OTN中去。
2.2光纤通信的展望
目前在光通信领域有几个发展热点即超高速传输系统、超大容量WDM系统、光传送联网技术、新一代的光纤、IPoverOptical以及光接入网技术。
发展迅速的各种新型电信业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求，也带来了很大的压力，许多光纤网络容量的使用率达到了70%—80%，再某些严重的情况下，某些路由上连备用容量也已经耗尽。
因此，采用新技术对现有通信网进行扩容改造已势在必行。
有的甚至已有了商用化的产品。
从过去20多年的电信发展史来看，光纤通信发展始终在按照电的时分复用（TDM）方式进行，商用系统的速率以从45Mbps增加到10Gbps，其速率在20年时间里增加了200多倍。
目前，ETDM技术已经非常成熟了。
10Gbps系统已大批量装备网络。
不少电信公司实验室已开发出40Gbps的系统。
160Gbps速率的ETDM（Electrictime-divisionmultiplexing，电时分复用）和640Gbps的OTDM（Opticaltime-divisionmultiplexing，光时分复用）的传输实验已获成功，前者已在新一代的低色散斜率真波光纤上传了200km，但距实用化尚有距离。
而OTDM技术被认为是一个长远的网络技术，它的一些特点使之在许多方面具有不可比拟的优势。
OTDM是一种利用时隙传送信息的技术，其结构与ETDM技术类似，所不同的是ETDM的复用和解复用是在电域内进行，OTDM的复用和解复用都是在光域内完成的，从而克服了ETDM存在的“电子瓶颈”问题。
“电子瓶颈”来源于数字集成电路的限制、E/O和O/E转换中由于驱动激光器或调制器的高功率和低噪声线性放大器的速度限制以及激光器和调制器带宽的限制。
在OTDM中，采用单一光波长传输，它的关键技术包括：
*高重复率超短光脉冲源
*超短光脉冲传输技术
*时钟提取技术
*光时分解复用技术
*全光中继再生技术
目前，高速光开关技术是上述这些OTDM信号处理功能的基础。
另外，OCDMA（Opticalcode-divisionmultipleaccess,光码分多址）技术经过十几年的研究也取得了重大突破。
OCDMA网络能提供大的光纤网容量、光交叉连接、无源光上/下路、光交换和故障恢复能力，无需OXC和OADM，所用系统器件少，从而增加了网络的可靠性、简化了网络管理和降低了成本，同时对传输光纤无特殊要求，对光源无需精确控制波长，同OTDM一样，是实现全光网的重要技术，具有广阔应用前景
向超大容量超长距离波分复用系统的发展
WDM方式可利用已敷设的光纤，使单根光纤的传输容量在高速率的基础上成N倍地增加。
既不需要敷设新的光缆线路，也不必废弃原有光传输设备，还可建立新传输方式的光传输网，能迅速解决通信网络传输能力不足的问题，达到系统扩容的目的。
WDM方式利用了光子传输不占空间的特点，即在光纤上可同时传输多个不同波长的光载波，而在光纤上可能应用的光波长范围可划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道来传输一种预定波长的光信号，从而大大地增加光纤上传输的信息容量。
WDM实质上是在光纤上进行光频分复用，只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制，在波分复用技术高度发展，每个光载波可用的频段极窄、光源发光频率极大精确的前提下，或许用光频分复用（OFDM）来描述更恰当些。
目前广泛应用的光纤低损耗窗口为1310nm和1550nm，1310nm窗口低损耗区约从1260nm~1360nm，共100nm；而1550低损耗区约从1480nm~1580nm，共100nm。
两个工作区约200nm低损耗区可用，这相当于30THz带宽资源。
若波长间隔为5nm，则可复用约40个载波。
对于可复用的信道数目，预计可能达到1000多个。
在实际应用中的波分复用传输系统发送端，采用光波合波器将待传输的多个光载波长（信道）复用至一根光纤，而在接收端采用光分波器，将已复用的各波长信道分开或实现光波长（信道）的上下复用。
3.光纤通信技术的发展历史与未来展望
3.1光纤通信技术的发展及现状
光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。
光纤从提出理论到技术实现和今天的高速光纤通信也不过几十年的时间。
20世纪60年代中期，世界上研制的最好的光纤损耗在400分贝以上，1966年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损耗可降至20分贝/千米以下，日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100分贝/千米，1970年康宁公司（Corning）采用“粉末法”先后获得了损耗低于20分贝／千米和4分贝/千米的低损耗石英光纤，1974年贝尔实验室（Bell）采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。
到1979年，掺锗石英光纤在1.55千米处的损
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