第 9章 光纤网络
?网络历史回顾
?光纤网络基本知识
?基于光纤系统的三大网络
?光纤接入网
?光纤网络传输体制
?多波长光纤网络
前面集中讨论了点到点的光纤通信系统，它是分处于两个地点的终端设备之间的光纤通
信。如果把分散在各个地点的终端设备都用通信通道互连起来，实现各个终端之间以及
终端与信息中心之间的信息传递与交换，就形成了网络。若各点间的互连通道为光纤通
道，并在各个连接点处有相应的设备和网络管理软件，就构成了光纤网络。由于光纤网
络具有其他介质网络所不能比拟的优越性，能够承载数据量越来越大的宽带业务，随着
支持光纤网络技术的飞速发展，例如,EDFA的商用化和密集波分复用技术的实用化等，
光纤网络已经成为多种业务（包括 Internet）和广域网业务所必不可少的和必须依赖的理
想网络。
9.1 网络历史回顾
说到光网络，有必要先说明电网络。虽然光网络的发展与电网络的发展相对独立，但却
又互相渗透，相互依存。由于技术的限制，目前即使是光网络，也是由光纤链路和电节
点构成的网络。因此，本节将沿着电网络发展和光网络发展两根主线回顾一下人类通信
的发展史，给读者一个比较清晰的网络发展史轮廓，从而更好地理解目前的网络状况。
实际上，光网络的历史要早于电网络。 1791年，法国人 Claude Chappe将一块两面分别
刷成黑白两种颜色的木板不停地翻动，用了约四分钟的时间将一条包含有九个法文单词
的信息传递给他在 10英里之外的兄弟。他的兄弟利用望远镜和一个表达信息的密码本，
将该信息接收了下来。这个实验通常被认为是出现最早的光电报。在这之后的约 90年间，
光电报不断被改进成为一个完整的通信系统。然而，由于这种系统的工作依赖于天气，
并且光电报的操作者必须受过专门的训练，熟知庞大的密码本的内容，因此，光电报并
没有进入并改变普通市民的生活，最终于 1881年被废弃。
在欧洲人致力于改进光电报的同时，美国画家莫尔斯却在研究能够用电来传递信息的办
法，并在 1844年发明了真正意义上的电报。在以后的几十年间，电报成为人们进行信息
交流的最主要的手段。
电报发送的是文字信息，那么用什么手段能够发送话音信号呢？ 1876年，贝尔发明
了电话。从此，人类用电进行通信的历史翻开了新的一页。从贝尔的电话发明到 20
世纪初期，随着绝缘金属地线和铜丝拉制技术的发明，噪声和串扰问题基本解决，电
话线路更便宜，电话已经成为一种技术，并遍及美国。到了 20世纪 30年代，电报与
电话在美国人生活中的地位完全颠倒了过来，电话系统代替了电报系统。
20世纪 60年代末，电话机开始进入美国百姓家庭。电话系统中用户到市话局的部分
为普通双绞铜线，市话局间或长话局间的干线则为带宽更大的同轴电缆或微波塔，干
线上采用模拟载波复用技术，以传输多路电话。复用的话路数从最初的每两对双绞线
传输 12路电话（ 1950年）到每根同轴电缆承载 13 200路电话（ 1978年）。到了 1980
年，公用电话通信网 PSTN模拟话音载波复用系统已经相当普及。为了提高声音质量，
以时分复用 TDM技术为基础的数字复用技术 PCM（脉冲编码调制技术）于 1962年研
制成功，并逐渐开始代替已有的模拟载波复用系统。随着数字复用技术的发展，国际
电话与电报咨询委员会（ CCITT）对于话音 PCM数字信号的复用，给出两种基群系
列建议 PCM30/32路和 PCM24路系列。我国与欧洲国家采用了 PCM30/32系列，美国
及日本则采用了 PCM24系列。这就是我们常说的准同步数字系列 PDH
（ Plesiochronous Digital Hierarchy）。
现在让我们再回到光网络的发展历史中去。 1880年，曾经发明了电话的贝尔又发明
了光电话。他利用太阳光来传送话音。阳光被聚焦到一个反射镜上，当有声波传到反
射镜表面时，反射镜就会振动，导致反射光变化，这就相当于发射机通过反射光将声
波信号发射出去；在接收端，一个硒片被用来接收阳光，并将声波重现出来。贝尔的
光电话应该说是现代自由空间光通信的雏形。显然，贝尔的光电话与前面的光电报有
相似的缺点：系统工作依赖于天气条件，并且传输距离很短。
1951年，荷兰科学家 Abraham Cornelis Sebastian Van Heel证明玻璃纤维的外涂敷层
有助于将光保持在纤维内部。后来的光纤结构就是在此基础上发展起来的。但是，当时
光纤的损耗非常大，为 1dB/m。光纤的应用基本上局限于医学领域。
现代意义上的光通信一直要等到 20世纪 60年代有了强度很高、谱线很窄的光源和传输
损耗很小的光纤以后才发展起来。光纤技术在网络通信上应用的第一个例子是英格兰的
一个警察部门。 1975年，英格兰的某一地区的警察部门的通信系统因雷电袭击而遭受
到严重破坏。为了避免再受雷电打击和电力浪涌的影响，一位警官建议当地标准电话和
电缆公司把该部门的通信系统用光纤连接起来。该光纤通信系统的成功工作，给了世人
一个巨大的鼓舞。从此，世界各地不断地投资改进光纤技术。光纤通信开始了大发展的
时代。
光纤通信技术比电通信技术有优越性，即带宽更宽、容量更大、传输距离更长、抗电磁
干扰、尺寸小、重量轻等，致使电信部门首先采用这种新技术更新已有的电缆传输系统，
并建立了许多新的光纤线路。例如，在 1980年以前，美国和英国的电话公司已经在大
西洋底敷设了 7条连接欧美大陆的同轴电缆用以两个大陆间的电话通信。到了 1988年，
他们敷设的第 8条连接欧美大陆的大西洋海底通信线路不再是同轴电缆而是光缆，这条
光缆能够同时传送 40 000路电话。很快，这样一条线路的通信容量也不能满足需要，第
2条、第 3条光缆又相继被沉入大西洋洋底，担当起欧美大陆通信线路的重任。同样，在
太平洋及其他大陆或国家，也发生着类似的事情。光纤已经在电话通信网中占据了重要
的地位。光纤技术的优点不仅被电信公司所利用，而且也被有线电视公司及计算机网络
运营商们所利用。
早期的光纤通信系统主要应用于三次群以下的脉码调制语音通信系统和图像的模拟传输；
随后光纤通信系统则用于四次群以上的 PCM语音通信和图像的数字传输、长途干线传
输及 CATV系统。现代光纤通信系统，对现有的点到点的传统的光纤通信系统提速，采
用 WDM技术实现高速、大容量的光网络、电节点的通信网络。而未来的光通信技术将
朝着采用光节点、具有光交换功能的全光网络发展。
9.2 光纤网络基本知识
9.2.1 光纤网络的拓扑结构
1．网络结构中的一些基本概念
节点：网络中，一条或多条通信线路的终点或者是不同终端设备的连接点叫做节点。
交换：将信息从发出地通过一系列中间节点传送至目的地的终端设备的过程叫做交换。
路由：完成交换过程所选择的一条适合的信息传输的路径，叫路由。有时，也将该词
用做动词，称把某信息路由到某地。
拓扑：信息传输通道连接各地的终端设备，构成了实际的网络。网络的拓扑就是网络
的逻辑方式，由线路连接各节点构成。
协议：网络所使用的信息交换规则。
2．光纤网络的基本拓扑结构
光纤网络的基本拓扑结构有星形、环形、线形总线型。图 9.2.1示出了它们的结构。节
点在图中用符号,?” 表示。每个节点除了负责将送入本地的信息分离出来，将不是本
地所要的信息继续向其他节点传送之外，还需要将送出本地的信息上传至网络通道中。
这三种基本结构可以构成更为复杂庞大的网络的拓扑。每一种结构都有其各自的优缺点。
（ 1） 星形结构
星形结构是最传统的, 也是网络设计者最喜欢用的一种连接方式 。 大家每天使用的电话与
本地交换局间的连接就属于这种结构 。 在计算机网络中, 处于中心节点的网络设备称为集
线器 （ Hub） 。 这种结构中每个端用户只跟中心节点相连, 端用户之间的通信必须经过中
心节点 。 由于网络被分成几条网段, 便于集中控制, 也便于今后网络的扩展 。 由于这一特
点, 网络的可靠性得到了增强 。 因为当一个网段上的端用户设备发生故障时不会影响其他
端用户间的通信 。 分层的网络模块增强了安全性, 也易于管理和维护 。 但这种结构的一个
缺点是, 中心系统一旦损坏, 整个系统便趋于瘫痪 。 因此, 要求中心系统必须具有极高的
可靠性 。 通常的做法是, 中心系统采用双机热备份, 以提高系统的可靠性 。 星形网络在进
行扩展时, 只要中心设备有足够的能力负担额外的节点, 就可以通过加入带有分支的节点
和与节点相连的分支连接线即可, 如加入一个光分路器或者叫星形耦合器 。 这种结构还允
许在网络运行的时候加入节点 。
下面用简单的功率预算法来估计一下光纤星形网络的性能 。 在一个星形网络中的中心节点
处, 光发射机将光功率为 Ps(dBm)的信号耦合到一个星形耦合器中, 星形耦合器有 N个输
出端口, 分别与光纤相连, 光纤将信号传至远端的设备 。 设每根光纤的长度一致, 均为
L(km),损耗为 ? (dB/km)；远端设备上的接收机灵敏度为 Pr (dBm),则根据第 6章学过的功
率预算法可知：
（ 9.2.1）
式中, Lc为活动连接器总损耗, 单位为 dB； M为系统功率裕量, 单位为 dB； Lcoupler是星形
耦合器的总损耗, 包括附加损耗和分配损耗 。
有 （ 9.2.2）
考虑到网络中一般为双路光纤, 故光纤的总损耗为 2L?(dB)。 根据式 （ 9.2.1） 可以计算在
星形网络中远端设备离中心节点的距离 。 同样, 当系统的其他参数确定时, 根据上述两个
公式, 可以算出网络的支路数 N,也就可以估计中心节点带负载的能力 。
MLLLPP ????? c o u p le rcrs )2( ?
N
P
PLLL
N
i i
lg10)l g (10
1,out
ins p l i te x c e ssc o u p l e r ????
?
?
（ 2）环形结构
环形网中使用一个连续的环将每台设备连接在一起。信息沿某一个方向顺序地经
过每一个节点传输。每个节点都是一个中继器，所有节点在同样的协议下都以同
样的速度运行。它能够保证一台设备上发送的信号可以被环上其他所有的设备都
看到。但在简单的环形网中，环上任何部件的损坏都将导致系统出现故障，这样
将阻碍整个系统进行正常工作。为克服这种网络拓扑结构的缺点，可采用双光纤
环，其中一个环是激活的，在各节点间传送数据。另一个环为备用环，当一个节
点或某段光纤发生故障，备用环可以接着完成一个环绕传送过程。 SDH系统则有
更为完善的所谓自愈环（ Self-healing Ring）。自愈环在环上某一点发生故障时，
系统能够自动地探测到故障点，保护系统的状态，并绕开故障点启动系统继续工
作。在 SDH网中，自愈环可以在 60ms内完成上述动作。
（ 3）线形总线型结构
在线形总线型网络中，所有的节点都连接在一条公共的线路上。对于光纤总线型网
络，实现起来比同轴电缆网络要难。同轴电缆系统很容易将抽头安装到总线上而不
影响网络的运行能力。而光纤技术中则需要一个有源或无源的耦合器接入光数据总
线，将光功率的一部分抽取出来。若要实现双向通信，则还要有一个耦合器接入总
线将本地信号上传至总线。因此，在线形总线型网络中，一个节点需要两个耦合器。
可采用两个 2× 2方向耦合器构成一个总线耦合器，如图 9.2.2所示。
图 9.2.2 总线型耦合器结构示意图
设来自光纤总线的光功率为 P0(dBm),光功率经过一个接头进入总线耦合器, 接头损
耗为 ?c (dB)。 经过第一个方向耦合器时, 一部分功率耦合至本地接收机中, 另一部分
功率则留在总线耦合器的主线上继续传向下一个耦合器的一个输入端, 这部分光功率
的大小为 P2(dBm)。 若耦合器 1的端口 0到端口 2的插入损耗为 Lc0,2(dB),则有 P2 = P0 -
?c - Lc0,2(dBm)。 第二个耦合器的另一个输入端口将来自本地发射机的信号上传至耦
合器中, 此信号与来自第一个耦合器的光一并通过耦合器 2的输出端口经过一个接头
后进入光纤总线 。 若只考虑来自总站的信号功率大小, 忽略本地节点上传的功率, 则
经过第二个耦合器后到达光纤总线的光功率为 。 其中,
是耦合器 2的端口到端口的插入损耗 。 经过此节点, 光信号又沿着总线光纤
传输 L距离后, 到达下一个节点 。 此时的光功率 Pr(dBm)可表示为
（ 9.2.3）
式中, ?f为光纤损耗系数, 单位为 dB/km,由此公式可以计算到两个相邻节点间的距
离 。
)d B m(c2,0c2,0cc0 ?? ???? ??LLP
2,0c ??L
2,0c2,0ccf0r 2 ??????? LLLPP ??
9.2.2 光纤网络的物理构件
光纤网络以点到点光纤通信系统为基础，因此，构成光纤网络的最基本物理构件
仍为光发射机、光纤和光接收机。但由于网络的复杂性，还需要很多其他的有源
或无源光器件，如在第 5章中讲到的光放大器、光耦合器、波分复用器 /解复用器。
在 WDM光网络中，还需要能够进行上 /下路的分插复用器，光交叉连接器及波长
转换器等。这些新型的光器件，将在后面的章节中详细讲解。
9.2.3 网络分层体系结构 —— OSI参考模型
一个网络是由多个具有不同功能的器件和设备共同作用而形成的一个复杂的实体，
这些器件或设备还可能来自于不同的供应商。网络的结构也是千差万别。但网络
所具备的功能并非千差万别。为了能够清楚、简明地了解网络，我们可以把网络
所具有的功能分成不同的层，每一层执行一定的功能，并为它的上一层提供服务。
换言之，每一层都希望它的下一层为其提供服务。
开放系统互联 OSI（ Open System Interconnection）参考模型概括了一个网络所
应具有的基本功能，是一个为大家普遍接受的描述网络功能的模型。
OSI参考模型共分为七层，每一层都定义了一个数据在网络上的应用程序之间传送时执
行的功能。当然，这并不是说某一个特殊的信息在某个网络中传输时每一个功能都是必
要的，而且每一个功能也不是只跟某一个物理硬件相联系。 OSI参考模型如图 9.2.3所示
。
第一层为物理层。这一层处理实际使用的传输介质，传输速率和调制技术及输入 /输出
接口等。它定义了传输数据信号及传输介质的特性，如光纤的物理特性，单模还是多模
等。
第二层为数据链路层 DLL（ Data Link Layer）。这一层管理对网络的访问和通过网络的
数据包的传递。在发送数据时，它从第三层接收数据并加入一些包含服务信息的字头和
包含错误控制信息的字尾。这些加入的信息叫做协议数据单元 PDU（ Protocol Date Unit
）。当接收数据时,DLL又对从第一层接收的数据进行错误检查，去掉错误信息，并进
行流量控制，将剩余正确信息传给第三层。
第三层为网络层。这一层负责不同的网络和子网之间的数据的移动。在发送时，该层从
第四层（传输层）接收数据并加入路径信息和错误检查的信息，将信息包传给第二层。
IP路由选择使用的 IP就是这一层的功能。
第四层传输层。该层负责数据的传输，保证数据以合适的次序完整地到达目的地。如我
们通常所说的传输控制协议 TCP（ Transmission Control Protocol）就在这一层运行。当发
送数据时，接受来自第五层的信息，将数据分成一个个信息包。而工作在接收模式时，
又将信息包重新集合成数据。
第五层会话层。该层负责建立和终止两台计算机之间的连接，当两台计算机有信息交换
（会话）时，该层应负责安排。当你注册上网时，就是这一层负责连接并记录时间。
第六层称为表示层。该层负责数据的格式和码型。这一层从第五层接收到数据后将数据
流转换成 ASCII码或 EBCDIC码，或将数据转换成图像、声音或数据。
第七层为应用层。该层负责如何使用网络，将用户的请求转换成网络的某个特殊功能。
应用层从用户那里接收数据并传输，当数据传输后再将数据返还给用户。
从上面的描述我们看到,OSI参考模型并不针对或描述具体的网络和器件，而只是对网
络所应具有的一般性的问题或功能进行描述。该模型允许不同的制造商的产品之间相互
通信。这使得该模型自 1980年以来一直为人们所采用。而从该模型的结构来讲，涵盖了
许多功能和服务，某些特殊的网络不必具备所有的七层功能。
图 9.2.3 OSI参
考模型分层结构
9.3 基于光纤系统的三大网络
由于历史发展的局限，世界范围内已经形成了以同轴电缆、双绞线等为主要传输介质
的电话传输网、计算机网和有线电视（ CATV）网，而且形成了“三网独立”的局面。
20世纪 80年代之前，这些网络通信业务的交换和传输基本上靠各自独立的网络来完成，
如公用电话传输网和专用通信网，专门用来传输长途和市内电话及某个部门或某些特
定的用户的电话；数据业务由数据通信网来传输；电视信号则通过广播电视网发射到
接收地的电视天线上送至本地电视机或通过有线电视网传送到电视机上。负责上述业
务的部门分别配备了各自独立的终端设备。若想在各网络间实现互通，必须采用特殊
的专用接口才能实现。光纤通信技术的发展和应用，使各种网络的信息传送和处理能
力大幅提高，可传递的信息容量成倍增长，系统的性能也得以改善。如电信部门为满
足广大用户日益增长的对信息的需求，扩展了多项业务，在通信网上传输图像及计算
机数据，使计算机通信可以通过调制解调器在电话网上进行。而另一方面，计算机数
据也可以在有线网上传送，实现相互间的通信。总之，随着各种新技术的应用，各种
网络相互间开始融合，很多网络具备了传递多种业务的能力。三网融合将是未来的发
展趋势。
在上述三种网络中，很多地方采用了光纤技术，构成光纤网络。因此，光纤网络从功
能上来讲仍然可以按照电网络的分类来划分，即光纤计算机通信网、光纤电话网和光
纤有线电视网等。下面将介绍它们的构成与功能。
9.3.1 光纤计算机通信网
现代的计算机网络是在远程终端计算机系统的基础上，通过公用电话网把计算机互连起来，并建
立分层通信体系和相应的网络通信协议，使计算机之间的通信可靠。
完整的计算机网络由网络服务器、网络工作站、网络适配器（或称网卡）及连接线组成。实际中，
并不是简单地把这些硬件物理地连接起来就可以实现计算机间的通信了。系统的运转必须安装上
专门用来支持网络运行的软件，包括系统软件和应用软件，这样，一个能够满足工作或生活需求
的计算机网络就建成了。
用于计算机网络设备之间的通信连接线有铜双绞线、细同轴电缆、粗同轴电缆、光缆及微波、红
外线和激光、卫星线路等无线传输媒体。以光纤光缆为传输介质的光网络特别适于作为计算机网
络，这是因为要进行传输的数据信号在发射端只需进行一次电 /光转换，在接收端进行一次光 /电转
换就可以了。而在电话网中使用光网络时，在进行电 /光转换之前必须先将模拟的话音信号转换为
数字信号，在接收端首先进行光 /电转换，然后再进行数 /模转换才能得到模拟的话音信号。目前，
构建互联网主要干线的高速通道使用的就是光纤。
光纤计算机网按规模可以分为光纤局域网 LAN（ Local Area Network）、光纤城域网 MAN
（ Metropolitan Area Network）和光纤广域网 WAN（ Wide Area Network）。
局域网是连接一个较小区域内如一个办公大楼，一个工厂，一个学校的用户的网络。例如，一所
大学的计算中心房间里，计算机在这一局域网中，与房间中所有其他的计算机相连，也与整栋建
筑内的办公室的计算机相连。局域网中各个计算机间的连接按一般是电缆，也有少数网络用光缆
连接。在 LAN中使用光纤的最大动力是光纤的巨大带宽，而不是比用铜缆能传输更远的距离。
城域网是为一个城市内的用户或为一个大城市内某一个城区的用户提供信息互连功能的网络。为
保证网络运行的可靠性,MAN采用双光纤环结构。
广域网连接的是不同城市甚至不同的国家的用户计算机。城域网和广域网可以通过公共电话交换
网 PSTN相连。
本节将重点介绍光纤局域网的类型。
依据网络的拓扑结构、传输帧及协议，光纤 LAN分为光纤数据分布接口 FDDI（ Fiber Data
Distribution Interface）、吉比特以太网 GBE（ Gigabit Ethernet）、光纤通道 FC（ Fiber Channel）
等类型。
1．光纤数据分布接口（ FDDI）
FDDI是一种物理层和数据链路层标准，它规定了光纤媒介、光发射机和光接收器、
信号传送协议和允许使用的网络拓扑结构等规范，采用的是 IEEE802.5令牌传递媒
体接入控制 MAC（ Medium Access Control）协议和 IEEE802.2逻辑链路控制 LLC
（ Logical Lin Control）协议。其主要特征是：工作速率为 100Mb/s；采用光纤双
环拓扑，环路长度为 100 km； 1000个物理连接（双站为 500个）；最大站间距离
为 2 km；采用的光纤为带宽大于 500 MHz·km的 1300 nm多模光纤。
FDDI的标准中有四种应用环境，它们分别是数据中心环境（站点数小于 50个、相
邻站点之间光纤长度小于 400 m）；办公室或建筑物环境（单连接站点，且采用星
形拓扑）；校园环境（站点分布于多个建筑物中，点与点链路长达 2 km）；多校
园环境（各场地距离大于 60 km）。
2．吉比特光纤以太网（ GBE）
GBE顾名思义，其传输速率在 Gb/s的数量级，主要用于计算机与外围设备的高速
信息传输场合。例如，对于 1024× 1024像素的图片，若每个像素使用 24bit的彩色
编码和每秒 30帧画面，则要求的数据速率为 750Mb/s。
吉比特以太网产品于 1996年上市，其标准是 IEEE802.3z。图 9.3.1示出了吉比特以
太网协议的体系结构。
介质访问控制子层 MAC（ Media Access Control）集中了数据链路层中与接入各种传输介质有关的
问题,MAC还负责在物理层基础上进行无差错的通信，主要的功能有,图 9.3.1 吉比特以太网协
议体系结构
① 将上层交下来的数据封装成帧进行发送；接收时则相反，将帧拆卸。
② 实现和维护 MAC协议。
③ 比特差错检测。
④ 寻址。
吉比特介质无关接口 GMII（ Gigabit Media Independent Interface）是 MAC子层与物理层之间的接
口，使物理层可以使用不同的传输介质。吉比特物理层协议的功能主要包括数据的编码与解码、
比特流的传输与故障指示、建立链路所需要的机械特性、电气特性、功能特性和堆积特性等，具
体内容如下。
① 1000BASE-SX。采用 62.5?m和 50?m的多模光纤，传输距离分别是 300 m和 550 m，波长为
850 nm，编码方式为 8B/10B。 1000BASE-SX适用于作为建筑物内部构建宽带主干网，例如智能
大厦主干网、企业内部主干网。
② 1000BASE-LX。采用 50?m和 62.5?m的多模光纤或者单模光纤，传输距离分别是 550m和 3km，
波长分别是 850nm和 1300nm，编码方式为 8B/10B。 1000BASE-CX（采用 150?的平衡屏蔽双绞
线，传输速率为 1.25Gb/s，传输距离为 25m，编码方式为 8B/10B）。 1000BASE-LX适合作为校园
主干网。采用吉比特光收发器,1000BASE-LX也适于作为城域主干网。
③ 1000BASE-T。采用四对 5类非屏蔽双绞线，传输速率为 100Mb/s，最大传输距离是 100m和
550m，波长 850nm，编码方式为 4D-PAM5。它主要应用于建筑物内主干网，可利用已敷设的非屏
蔽双绞线。
图 9.3.2给出了吉比特以太网的典型应用。
3．光纤通道（ FC）
光纤通道在这里是一个专用名词，它主要由端系统（节点）和交换元素（网络交换机）构成，用来处
理数据通道和网络的连接。图 9.3.3为光纤通道网络示意图。
光纤通道的层结构如图 9.3.4所示，它的 5个层次 FC-0到 FC-4对应于物理层和数据链路层。
其中 FC-0层规定允许采用的数据速率和物理介质，更高速率为 1.6Gb/s和 3.2Gb/s。物理介质可以是
单模光纤（传输距离 10km）、多模光纤（传输距离 174m~10km）、视频电缆（ 25～ 100m）、小同
轴电缆（ 10～ 35m）和屏蔽双绞线（ 50～ 100m）； FC-1层负责字节的同步与编码（ 8B/10B方案）；
FC-2层处理在节点端口之间用帧方式进行数据传输； FC-3层为今后上一层提供服务； FC-4层则支持
多种数据通道和网络协议，包括高性能并行接口（ HIPPI）、小型计算机系统接口（ SCSI）等。
图 9.3.2 吉比特以太网配置 图 9.3.3 光纤通道网络
图 9.3.4 光纤通道的层结构
光纤通道可以在现有的网络上通过增加新的交换机或者增加交换机端口来适
应新的传输介质和数据速率，以保证原有投资不被浪费。
9.3.2 光纤电话网
电话通信网也称公用电话网，是进行交互型话音通信和开放电话业务的电信网。电话网
采用了数字技术和光纤通信技术后，信息容量和传输速度大幅度提高，传输距离也大大
延长。性能的改进使电话网开放许多其他的非电话业务成为可能，如在电话网上传输数
字信号、传输图像及传真等，因而它成为目前电信业务量最大，服务面积最广的专业网，
是电信网的基本形式和基础。
电话网主要由四部分组成：发送和接收电话信号的用户终端设备、进行电路交换的交换
设备、连接用户终端和交换设备的线路和交换设备之间的链路。如图 9.3.5所示为电话通
信网的基本结构框图。
图 9.3.5 电话通信网基本结构
从网络的观点来看，电话网由接入网
（ Access Network）和骨干网
（ Backbone Network）组成。
1．接入网
接入网由用户终端设备（通常就是电话机）及终端设备与本地交换设备连接线路
（也叫接入线）组成。从交换局到用户终端在绝大多数情况下距离不超过 4km，在城
市多数情况可能只有 1km，“最后的一公里”的称谓就是由此而来。
早期的接入网是由传统的用户环路发展而来。用户环路通常由铜双绞线连接用户终
端与交换局设备，为模拟传输系统。随着人们对信息需求的急剧增加，要求接入网
不仅能够支持电话业务，还要能够支持宽带业务，如点播电视、交互式图像业务、
远程教育等。这样，传统的铜双绞线模拟系统已不能适应宽带业务要求，迫切需要
采用新的技术来满足宽带业务需求。但是，接入网的结构特点是每一对接入线只涉
及一个用户，接入网用户数非常多，相应的接入线的线对数非常庞大。从整个通信
网建设的角度来看，接入网改用先进的光纤技术需要比骨干网更多的投资，而铜双
绞线接入网费用比光纤网低得多。虽然一些国家的接入网已经有了不同程度的光纤
化，但大多数国家和地区目前仍保持以铜双绞线为主的接入网的运作。与此同时，
多数骨干网已采用了先进的数字光纤技术，系统容量大，传输速率高。这样就造成
了骨干网带宽宽 ﹑ 容量大而接入网带宽窄 ﹑ 速率低的矛盾，目前的接入网成为网络
数字化的瓶颈。
采用某些调制和编码技术可以一定程度上提高双绞线上传送信号的带宽，如各种数
字用户线路 xDSL（ Digital Subscriber Line）,x可以是 A（非对称）,H（高速率）、
V（甚高速率）,U（通用）等。 ADSL采用频分复用的方法，下行速率达到 9Mb/s，
使得电话线传输视频信号成为可能。
2．骨干网
骨干网则由本地交换局的交换设备、中心交换局设备及它们之间的连接线路构成。
电信网中，话音信号首先经过脉冲编码调制（ PCM），一路 PCM信号的比特率为
64b/s，然后通过数字复接技术，将多个低速数字流合并成一个高速数字流。例如，对
30路电话进行复用后，传输速率为 (30+2)?64 kb/s=2.048Mb/s（每帧包括 30个信号，
2个成帧和信令）。国际的两类数字传输速率和数字复用等级见表 9.1。欧洲和我国采
用的是 E系统，北美和日本采用的是 T系统。需要说明的是，复用的下一步还需要一些
比特，以用于打包、传输和同步，所以群之间的速率并不满足整数倍的关系。经过复
用后的信号送到骨干网上时，传输数据的速率高达 Tb/s量级，所以，光纤作为传输介
质，加上 WDM,SONET等光纤网络技术成为骨干网的必然选择。关于这部分内容稍
后介绍。
除了以传递电话信息为主的业务网外，一个完整的电话网还需要有若干个用以保障业
务网正常运行、增强网络功能、提高网络服务质量的支撑网络。支撑网络中传递的是
相应的监测和控制信号。支撑网包括同步网、公共信道信令网、信输监控网和网络管
理网等。
群号 E系统 T系统
速率 路数 速率 路数
一次群 2.048Mb/s 30 1.544Mb/s 24
二次群 8.448Mb/s 30× 4＝ 120 6.312Mb/s 24× 4＝ 96
三次群 34.368Mb/s 120× 4＝ 480 32.064Mb/s 96× 5＝ 480
四次群 139.264Mb/s 480× 4＝ 1920 97.728Mb/s 480× 3＝ 1440
五次群 564.992Mb/s 1920× 4＝ 7680 397.200Mb/s 1440× 4＝ 5760
表 9.1 两类数字传输速率和数字复用等级系列
9.3.3 有线电视网
1．有线电视网结构 HFC及其频谱分配
这里的有线电视网是指光纤和同轴电缆组合而成的网络，电视台将电视信号由光发射
机送进光纤。为补偿线路损耗，常采用光放大器（如 EDFA）对模拟电视信号进行放大。
光分束器将信号分为多路后送入不同的光节点。在光节点处，对信号进行光电转换进
入同轴电缆送给用户，如图 9.3.6所示，这种结构也称为混合光纤 /电缆 HFC（ Hybrid
Fiber Coaxial）方式。
HFC网络中，采用副载波频分复用方式（ SCM），将多路电视信号合成后以电副载波
形式调制光载波，然后将光载波送入光纤传输，最后通过同轴电缆到达用户。除了传
输模拟电视信号外,HFC网络还可以传输数字电视信号、数据信号等。 HFC网络的带
宽受限于同轴电缆，我国的带宽分配已经有了统一的标准，见表 9.2。其中,5～
65MHz为上行交互式综合业务频带，进行状态监控、计算机连网、传输数据信号等；
65～ 87MHz为上下行频段的隔离带； 87～ 108MHz为 FM调频立体声广播频段； 108～
550MHz为模拟电视频段； 550～ 650MHz为数字压缩电视频段，主要用于视频点播等
业务； 650～ 862MHz为交互式综合业务的下行传送频段，可进行数据传输、计算机连
网,IP电话及个人通信等多种业务。
图 9.3.6 HFC CATV网络结构图
信号方向 上行 下行 下行 下行 下行 下行
传输内容 交互式综合
业务
保护带 调频 模拟电视 数字电视 交互式综合
业务
频率配置
（ MHz）
5~65 65~87 87~108 108~550 550~650 650~862
对于用户而言，要享受多种 HFC服务，必须配备网络接口单元 NIU（ Network Interface
Unit），它可将同轴电缆传输过来的信号分解成电话、电视和数据等信号形式，收视数字电
视还需另配机顶盒。
表 9.2 有线电视 HFC系统配置
2．电缆调制解调器（ Cable Modem）
HFC网络传输的数据信号，需要通过电缆调制解调器（ Cable Modem）的连接才能传送
到用户计算机上。 Cable Modem是 HFC网络开发数据通信业务专用的用户接入设备，其
传输速率比普通电话的 Modem高出 100～ 1000倍。它与普通 Modem的相同之处是数据信
号在模拟信道上交互传输的方法，不同之处除了数据速率以外，还在于普通 Modem的传
输介质在用户与访问服务器之间是独立的，即用户独享介质，而 Cable Modem的传输介
质是 HFC网将数据调制在某个传输带宽与有线电视信号共享介质。它由调制解调器、调谐
器、加 /解密模块、桥接器、网络接口卡、简单网络管理协议（ SNMP）和以太网集线器组
成，其中 SNMP主要完成参数配置、带宽分配以及网络运行维护、诊断、监视、控制等网
络管理功能，是目前广泛使用的标准网络管理协议。从用户计算机数字接口送出的数字信
号经过编码、加密、调制后变成可在同轴电缆中传输的射频（ RF）信号，进入同轴电缆；
而从同轴电缆来的 RF下行信号经过调谐、解调、解密、解码后送入计算机。
Cable Modem有三种类型：一是适用于个人用户的 CMP（ Cable Modem Personal），它
用于个人计算机，具有即插即用、全面的媒体访问控制层桥接功能、传送和接收数据等功
能。二是适用于小型企业和多计算机家庭的 CMW（ Cable Modem Workgroup），最多可
支持 4个用户。三是可用于大型企业网、学校系统、政府机关的 CMB（ Cable Modem
Business），可连接成千上万个用户，并可根据不同的访问和操作安全性要求实现保护功
能。
3．双向传输的方案
HFC是一双向网络，为实现双向传输功能，光纤线路部分可采用波分复用
方式。因为同轴电缆部分通常是树形拓扑，上行信号会聚在光节点时，将
形成噪声的漏斗效应，一个光节点对应的用户数增加的越多，漏斗噪声越
强。采用限制一个光节点的用户数（如 500～ 2000户）、选用优质器件、安
装滤波器等方法可以有效地抑制侵入噪声。同时，对上行信号选用合适的
多址接入和调制方式可以达到抑制窄带干扰的效果。
在我国，目前已建成了 12 989km的国家级有线电视干线光缆网络，在许多
地方已建成光缆和同轴电缆混合网，连通全国 22个省、市、自治区。现在，
我国的年增用户达 1000万户，新建网大部分为 HFC。国家广电总局要求新
建 HFC网每个光节点用户在 2000户以下，以利于数据传输和宽带接入。
9.4 光纤接入网
通过上一节的讨论，我们已经知道，光纤电话网由接入网和骨干网组成。骨干网承担
信息的传送，它由光纤构成。接入网承担着用户信息的接入，它由双绞线构成。实际
上的接入网类型很多,HFC也属于接入网，它是由同轴电缆构成的。随着社会信息化
的不断发展，新的业务不断涌现，如会议电视、高清晰度电视及各种检索业务等，对
各种业务的质量、可靠性、效率都提出了新的要求。在这种形式下，传统的电接入网
已经很难满足要求。与此同时，光纤通信技术正在飞速发展，新的光网络器件、设备
不断出现，价格不断走低，网络设计和施工技术都达到了实用化的水平。光纤接入网
技术已经切实可行，成为实现宽带综合业务数字网（ B-ISDN）的必要环节。
9.4.1 光纤接入网的形式和业务类型
光纤接入网也称为光纤用户网，泛指本地交换机或远端交换机与用户之间采用光纤作
为传输介质的网络。光纤接入网的形式由光纤引入的情况而定，一般视光线路终端设
置的位置而定。表 9.3是常用的一些接入方式。
符 号 名 称 英 文
FTTH 光纤到家 Fiber to the home
FTTB 光纤到大楼 Fiber to the building
FTTC 光纤到路边 Fiber to the curb
FTTO 光纤到办公室 Fiber to the office
FTTZ 光纤到小区 Fiber to the zone
FTTF 光纤到楼层 Fiber to the face
图 9.4.1示出了 FTTC的基本连接示意图，图中端局是电话业务的交换局和广播业务中
信号的出发点，其中的 OLT称为光线路终端（ Optical Line Terminal）。从端局接出
的光纤经过各种线路设备（如光分支器、入孔等）后，到达路边的光网络单元 ONU
（ Optical Network Unit），在 ONU中经过光电转换后，再由铜线分别将电话、数据
等窄带信号或宽带图像信号接至用户。
图 9.4.1 FTTC结构
如果是光纤到户（ FTTH）的结构,ONU被安装在用户住宅内，由一个用户专用。从
端局到用户家中的 ONU间都是光纤连接，这种结构方式，对任何一种传输方式都没
有限制。由于用户与端局的平均距离都很短，所以对这段光纤的传输性能要求不如
干线光缆高，可采用成本较低的元器件。
光纤接入网的拓扑结构有以下几种：
（ 1）总线型。该信道可使用一根双向传输的光纤或两根单向传输的光纤，各个终端
用耦合器互连到信道上，并采用时分复用、频分复用等方法使各节点共享信道。
（ 2）单星形。将具有控制和交换功能的星形耦合器作为中心节点（设在端局内）。
它的特点是用户之间彼此独立，保密性好，业务适应性强。但是成本较大，由于要
专用的光源和检测器，使得每户的初装费较高。
（ 3）双星形或多星形。它是单星形基础上的改进结构，适合于更大的范围。由端局
引出的两根或多根光缆，分别设置远端分配节点，节点数越多，网络规模越大。
（ 4）树形。这种网络结构中较多采用了光分路耦合器，光分路耦合器是无源器件，
所以对带宽、波长和传输方法没有限制。
（ 5）环形。这种结构中的所有节点都共用一条公共链路，自成一个封闭回路。每个
节点可以单向或双向传输。它的优点是提高了线路设计的灵活性和可靠性。
以上介绍了光纤接入网的典型结构。实际使用中应根据客观情况选用某种拓扑结构，
或者是多种拓扑结构的组合。
光纤接入网传送的业务有四大类：闭路分配业务（如闭路音响、图像分配）；交互
式或邮箱式业务（如电话、可视电话、话音邮政、可视图文）；检索式业务（如音
响、图像检索、数据检索）；广播分配业务（如广播式音响、图像分配）。业务的
类型不同，所需的带宽也不同。
9.4.2 无源光网络（ PON）
光纤接入网除了包括端局（也称做中心局 CO,Central Office）和光网络单元（ ONU）
外，通常还有远端节点 RN（ Remote Node）和光接口单元 NIU（ Network Interface
Unit）。它们之间的关系如图 9.4.2所示。在有源网络中,RN起着中继和分配的作用，
在无源网络中仅进行信号的分配。 NIU为用户设备，在 FTTH结构中,ONU位于用户
家中，兼有 NIU的功能，所以不需要单独的 NIU设备了。
光纤接入网的结构越简单，网络的操作、维护就越容易，显然，无源结构比有源结
构具有更高的可靠性，因为无源网络不需要进行交换和控制。我们将使用无源器件
作为远端节点的网络称为无源光网络 PON（ Passive Optical Network）。
图 9.4.2 光纤接入网体系
无源光网络的应用有多种形式。图 9.4.3示出了典型 PON的参考配置图。图中的几个功
能部件是：光线路终端 OLT（ Optical Line Terminal），它与骨干网结点（业务节点）相
连；光分配网 ODN（ Optical Distribution Network）；分配到用户的光网络单元 ONU；
适配功能（ Adapter Function）模块。 V是接入网与业务节点的参考点； T是用户侧的参
考点； Q3为网管接口。
图 9.4.3 光纤接入网参考配置
OLT一方面承载从骨干网传送来的信息，将信息传送给光分配网；另一方面又可以通过光分配网
（ ODN）将来自用户的信息向上传至骨干网，因此,OLT在光分配网一侧向 ODN提供光接口，
在与骨干网相连的网络一侧提供至少一个网络接口。 OLT可连接一个或多个光分配网。 OLC功能
模块又由核心模块 ﹑ 业务模块和通用模块三部分组成。其中核心模块提供网络与光分配网可用
带宽之间的数字交叉连接功能，同时还提供在光分配网上传送或接收业务时的传输复用功能，
以及与光分配网进行连接的物理光接口功能（包括光 /电和电 /光的转换）；业务模块提供业务端
口功能，支持多个不同的业务，承载 ISDN的主要速率，提供多个 2Mb/s端口；通用模块则提供
供电 ﹑ 维护和管理功能。
光分配网（ ODN）是光传输媒质，提供光网络单元（ ONU）到 OLT的光纤连接，并将光能分配
给各个光网络单元。光分配网由无源光器件如光纤、光纤连接器和光分路器构成。
在 ODN中，光传输方向有上行方向和下行方向之分。信号从 OLT到 ODN方向的传输为下行，反
之为上行。上下行方向的信号传输可以采用同一根光纤（单线双工），也可以采用不同的光纤
（双线双工）。
光分配网应能够支持现在可以预见的业务，即当增加新的业务时，不必要对分配网本身做出广
泛的修改，所以对光分配网所用的光无源器件有如下很严格的要求。
① 光波长的透明性。要求光器件支持 1310~1550nm范围内的任何波长上的信号传输。
② 互换性。输入与输出端口的互换不致造成光器件损耗的严重变化。
③ 光纤的可兼容性。所有的光器件应与 G.652单模光纤兼容。
由于光分配网包括了光线路终端 OLT与光网络单元 ONU之间的光纤和光无源器件，其损耗即为
参考点 S/R与 R/S之间的一切光路损耗，包括光纤线路损耗 ﹑ 光接头损耗 ﹑ 光连接器损耗及各种
光无源器件损耗。 ITU在 G.982中对光分配网的损耗计算给出了建议，并对采用不同复用技术的
接入系统的分配网规定了损耗的上 ﹑ 下限。表 9.4给出 ITU规定的 PON接入网三类光路损耗。
损耗 A类 B类 C类
最小损耗（ dB） 5 10 15
最大损耗（ dB） 20 25 30
其中,A类表示时分复用接入系统损耗； B类表示时间压缩复用接入系统损耗； C类表示空分复
用和波分复用接入系统的损耗。
光网络单元（ ONU）的作用是终结来自光分配网的光纤，处理光信号并为用户提供业务接口。
光网络单元由核心模块 ﹑ 业务模块和通用模块组成。核心模块提供客户业务复用功能、传输功
能及光分配网接口功能；业务模块提供用户端口功能，将来自光分配网的业务适配到 64kb/s和
n× 64kb/s的速率；通用模块提供光网络单元的供电 ﹑ 操作 ﹑ 维护和管理。
在无源光网络中，可以采用时分复用（ TDM）、波分复用（ WDM）、光功率分离、副载波复用
（ SCM）等多种复用技术。
无源光网络依据所采用的技术还分为 APON﹑ EPON和 WDM-PON等。 APON指的是使用 ATM技
术的无源光网络； EPON（ Ethernet PON）则指的是以太网技术与光纤技术结合的接入网；
WDM-PON指的是采用 WDM技术的 PON。这些无源光网络都有着各自的优点，因此这些网络
的倡导者积极地参与制定网络标准，以期能够很快地推行这些网络。目前,ITU对 APON已制定
出相应的标准 ITU-G.983。而 IEEE成立了一个研究小组 EFM（ Ethernet in the First Mile），正
在积极制订 EPON的标准。而 WDM-PON由于需要价格昂贵且数目众多的光器件,ITU暂时还没
有计划制订相关标准。人们之所以研究和倡导无源光网络，是因为无源光网络采用无源光分配
网，因而对传送信号速率、格式均透明，并且便于维护管理，接入成本低。
在光纤接入网中，如采用有源设备或有源网络代替 PON中的光分配网，就构成了有源光接入网。
这种有源设备通常叫做远程光终端（ Optical Distribution Terminal,ODT）。由于 ODT的采用，
接入网的容量和传输距离显著增加，网络规划及运行的灵活性加大。缺点是必须为有源设备提
供电源及其维护。
光纤用户接入网的光线路终端 OLT与远端的光网络单元 ONU的主要功能是完成整个接入网中业
务节点接口 SNI（ Service Node Interface）和用户网络接口 UNI（ User Network Interface）之间
的信号传输及有关信令协议的转换。接入设备本身不带交换功能，接入系统内的用户之间的业
务必须通过本地交换机的交换来实现。当接入系统的用户数量较大时，按用户要求其远端光网
络单元可以带交换即实现用户交换机的功能。
图 9.4.4 QuantunBridge Communications公司的接入网方案
图 9.4.4是美国 QuantunBridge Communications公司的 PON接入网解决方案。该公司是最早开始研
究接入网的公司之一。图中,OLT为该公司的系列产品 QB5000，此产品能够通过所构架的 PON为
用户提供声音、图像和数据服务,支持 ATM、吉比特以太网和时分复用 (OC-3c/VT1.5)网络接口；
S是光分束器或耦合器； ONTxxx是该公司的产品，代表了光网络终端，也就是我们所说的光网络
单元。
9.5 光纤网络传输体制
9.5.1 概述
在 20世纪 80年代中期，由于数字交换在电信网中的大规模应用，光纤已经成为数字交换
机之间传输信号的主要介质，许多厂家都提供光纤传输设备，以便将数字交换机输出的
低速率的数字信号复接成高速率的数字信号，然后再变成光信号，最后通过光纤传输。
但是由于没有世界标准，各个厂家的专用接口无法互连。为了规范不同厂家各种类型的
光纤产品，国际标准化组织对大容量的数字传输制定了相应的标准，即标准的信号格式。
北美的标准被称做同步光网络 SONET（ Synchronous Optical Network），在其他国家
和地区的标准则称为同步数字系列 SDH（ Synchronous Digital Hierarchy）。
SONET是北美在电信网络结构中传输和复用的一个标准。 SONET确立了 51.84Mb/s为
新系统的基本传输速率，称为 OC-1。 SDH由国际电信联盟（ ITU）制定。 SDH的第一级
传输速率为 155.52Mb/s。 SDH在北美以外的其他国家和地区常常采用。随着国际标准
化工作的不断进行,SONET与 SDH越来越趋于一致，因此统称为同步数字传输网或
SDH/SONET网，有时就简称为 SDH。 SDH涉及到网络、系统和设备、光 /电接口、传
输网管理与性能、定时、信息模型等各个层次与方面。
SDH/SONET是由一些 SDH网络单元（ NE）组成的、在光纤上进行同步信息传输、复
用和交叉连接的网络。它有世界统一的网络节点接口，从而简化了信号的互连及信号的
传输、复用及交叉的过程。它有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块，如
STM-1等，并具有块状帧结构，允许安排丰富的比特开销进行网络运行维护和管理。它
的基本网络单元有同步光缆线路系统、同步复用器（ SM）、分插复用器（ ADM）和同
步数字交叉连接设备（ SDXC）等，其功能各异，但都有统一的标准光接口，允许不同
厂家设备在光路上互通。同时，它大量采用软件进行网络配置和控制，使得新功能和新
特性的增加比较方便。
图 9.5.1 NNI的配置
9.5.2 SDH/SONET的基本概念
1,SDH/SONET的传输速率和传输格式
SDH/SONET的传输速率和传输格式是由网络节点接口 NNI（ Network Node Interface）
规定的。
传输网的两种基本设备是传输设备和网络节点。传输设备可以是光缆线路系统，也可以
是微波接力系统。网络节点则有多种，如 64kb/s电路节点、宽带节点等。简单节点只有
复用功能，复杂节点具有信道终端、交叉连接、复用和交换功能。网络节点接口则是网
络节点之间的接口，从具体实现上看其实是传输设备和网络节点之间的接口。图 9.5.1示
出了 NNI在网络中的参考配置。
表 9.5 SDH/SONET体系传输速率
在 SDH/SONET中,NNI成为实现网络节点之间互连的规范化的标准接口，它对节点之
间传输的信息流进行了规范，包括两个方面：首先是对每秒钟节点之间的比特总数进行
了规范，即速率体系；其次对该比特流的组织进行了规范，即帧格式。
（ 1）传输速率
表 9.5列出了 SDH/SONET体系的传输速率。 SDH/SONET体系由一些基本的标准组件术
语和传输速率组成。每一层有一个光层 OC（ Optical Carrier）和一个电层的同步传输信
号 STS（ Synchronous Transmission Signal）。相应传输速率下的 SDH体系称为同步传
送模块 STM（ Synchronous Transmission Module）层。
SDH 电层 链路传输速率 /Mb/s 光层
STS-1 51.84 OC-1
STM-1 STS-3 155.52 OC-3
STM-3 STS-9 466.56 OC-9
STM-4 STS-12 622.08 OC-12
STM-6 STS-18 933.12 OC-18
STM-8 STS-24 1244.16 OC-24
STM-13 STS-36 1866.24 OC-36
STM-16 STS-48 2488.32 OC-48
STM-32 STS-96 4976.64 OC-96
STM-64 STS-192 9953.28 OC-192
STM-256 STS-768 39813.12 OC-768
图 9.5.2 SONET的基本帧结构
（ 2）传输格式 —— 帧结构
① SONET帧结构。图 9.5.2给出了 SONET的基本帧结构，它是一个 9行,90列字节构成
的二维结构。每个字节长为 8比特。其中，“段”连接相邻的设备；“线”是指比段长
一些的连接两个 SONET器件的链路；“通道”是一个端到端的连接。由于基本的
SONET帧的周期为 125?s，因此,SONET的基本的传输速率为（ 9字节 /行） × （ 90行 /
帧） × （ 8比特 /字节） ÷ （ 125× 10-6秒 /帧）（ b/s） =51.84Mb/s。此传输速率对应于
电的同步传输信号为 STS-1。所有的 SONET信号都是此传输速率的整数倍。 STS-1每次
从上到下逐行地传送，每行由左到右传送。
传输速率为 N倍于基本传输速率的 SONET信号的帧结构如图 9.5.3所示。
图 9.5.4 STM-1帧结构
② SDH帧结构。 SDH帧结构与相对应的 SONET帧结构不同，如图 9.5.4所示为 STM-1的
帧结构。比特的传送方式是从左到右，从上到下。 STM-1的帧结构共有 9行,270列字节。
每个字节为 8比特。因此，对应的传输速率为（ 9字节 /行） × （ 270行 /帧） × （ 8比特 /字
节） ÷ （ 125× 10-6秒 /帧） =155.52Mb/s。
2,SDH/SONET体系的光接口
SDH/SONET体系允许不同厂家的产品互相连接，这是通过一系列规范对光源特性、光
纤类别及接收机灵敏度等光接口参数进行规定而实现的。表 9.6给出了不同传输速率下
SDH/SONET网络中光源的输出功率范围和接收机的灵敏度。 SDH/SONET体系规范给
出的接收机的灵敏度为最坏情况下的值，定义为误码率达到 1× 10-10时所需的平均最低
可接受的光功率。
距离 SONET速率 SDH速率 光源输出范围 /dBm 接收机灵敏度 /dBm
≤15km OC-48 STM-16 -10~-3 -18
≤40km OC-48 STM-16 -5~0 -18
≤80km OC-48 STM-16 -2~+3 -27
SDH/SONET体系规范中还对光纤的种类和性能、传输距离等进行了详细规定。
图 9.5.5 两种自愈环结构
9.5.3 SDH/SONET结构
1．分层
SDH传送网分为三层，它们是电路层、通道层和传输媒质层。其中，电路层面向公共交
换业务，向用户直接提供通信业务，诸如电路交换业务、分组交换业务和租用电路业务。
按照提供业务的不同，可区分不同的电路层网络；通道层支持一个或多个电路层网络，
并且提供传递服务。通道的建立由交叉设备负责，可以提供较长的保持时间；传输媒质
层与传输媒质（光缆，微波）有关，它支持一个或多个通道层网络，为通道层网络节点
（如 DXC）提供合适的通道容量。
2．自愈网
SDH/SONET网可以构成环路。通过合理配置，当设备或链路发生故障时，利用环的结
构，不需要人为干预，网络就能自身在极短的时间内自动恢复，从而实现不中断业务保
护。所以,SDH/SONET网也称为自愈网。双纤单向通道切换环和四纤双向线路切换环
是 SDH/SONET网络中最普遍采用的结构，如图 9.5.5所示。
图 9.5.5（ a）是一种双纤单向通道切换环网结构 UPSR（ Unidirectional Path-Switched
Ring）。该结构中有两个光纤环，一个环为工作环，另一个为备用环或叫保护环。为实
现保护，从发送节点 1出来的光信号同时输入工作和备用光纤，这样的保护常称为 1+1保
护。在工作环上，信号的传递为顺时针方向；备用环上，信号沿逆时针传递。接收节点
按照两路信号的优劣决定选哪一路作为分路信号，正常情况下，以工作光纤送来的信号
为主信号。我们以节点 1和节点 3之间的通信为例说明环的保护倒换情况。正常工作时，
节点 1发出的信息分别通过工作环上的链路 1,2和备用环上的链路 5,6到达节点 3；反
之，节点 3发出的信号通过工作光纤上的路径 3,4和备用光纤上的路径 7,8送达节点 1。
节点 3上的接收机通过一个开关选择来自工作光纤上的信号，当然，它也在不断地比较
从两个方向传来的信号。当来自工作光纤环的信号劣化或信号丢失（如工作环上节点 1
和节点 2之间某一点断路）时，节点 3上的接收机开关就切换，选择从备用光纤上链路 5、
6传来的信号，这样，节点 1和节点 3之间的业务就不会中断。故障排除后，开关返回原
来的位置。
另外一种常用环的结构如图 9.5.5（ b）所示，称做四纤双向线路切换环 BLSR
（ Bidirectional Line-Switched Ring）。这里有两个工作环，两个备用（保护）光纤环。
正常工作时，信息流在两个工作环中沿着相反的方向流动，一个沿着顺时针方向，一个
为逆时针方向。这种结构是两个节点之间信息传递最快的方式，比上述双纤 ﹑ 单向路径
切换环要快得多。例如，从节点 2到节点 1传递信号，在双纤 ﹑ 单向路径切换环中，信息
要沿着工作环上链路 2,3,4顺序经过节点 2和节点 4才能到达节点 1。而在四纤双向线
路切换环中，由于有两个工作环，从节点 2的信息可直接经过内工作环链路就能到达节
点 1。
图 9.5.6示出了一个国家级的混合 SONET网络的结构。 OC-192链路使用四纤 BLSR构成
国家主干网,OC-48为城市链路，它又可以连接本地低速率的 OC-12和 OC-3链路，而
每个链路又有独立的故障恢复机制。
图 9.5.6 SONET网络
图 9.5.7 ADM功能
9.5.4 SDH /SONET设备
SDH网络的基本设备有四种：终端复用器（ TM），分插复用器（ ADM），数字交叉连
接设备（ DXC）和再生器（ REG），这里我们对前面三种设备进行介绍。
1．终端复用器（ TM）
终端复用器是将 PDH支路信号或者将低速率的 SDH信号复用进高速率的 SDH设备，主
要应用在 PDH和 SDH的边界，将各类低速信号进入高速线路的传输场合上。根据使用支
路接口种类及速率等级的不同进行分类，如 Ⅱ,1型复用设备可提供若干个 STM-N信号组
合为一个 STM-M（ M > N）信号的能力。
2．分插复用器（ ADM）
分插复用器是 SDH/SONET中的重要设备，也是应用最广泛的设备。它实现了低速率信
号灵活插入到高速率信号之中或者从高速率信号中分出的功能。 ADM利用内部的时隙分
配，可以将支路信息指定到 STM-N/OC-N中的任何位置。图 9.5.7示出了其功能。图中，
作为 OC-48信道的一部分，一个 OC-12和两个 OC-3进入 ADM1,OC-12直通过去，两个
OC-3却被分接下来；然后，另外两个 OC-12和一个 OC-3连同直通的 OC-12一起复接成
一个 OC-48，送到 ADM2中。
3．数字交叉连接设备（ DXC）
DXC是一种具有一个、多个准同步数字体系（ G.703）或同步数字体系（ G.707）的信
号端口，可对任何速率信号端口（和 /或其子速率信号端口）与其他速率信号端口（和 /
或其子速率信号端口）间进行可控连接和再连接的设备。
DXC的核心是交叉连接功能，交叉连接速率与接入速率之间的转换由复用和解复用功能
来完成。首先每个输入信号被解复用成 m个并行交叉连接信号，然后，内部的交叉连接
网采用时隙交换技术，按照预先存放的交叉连接图或动态计算的交叉连接图对这些交叉
连接通道进行重新排列，最后再利用复用功能将这些重新安排后的信号复用成高速信号
输出。整个交叉连接过程由连至 DXC的本地操作系统或连至电信网管的支持设备进行控
制和维护。
9.6 多波长光纤网络
SDH/SONET是一个最流行的光网络。但是，随着波分复用技术的飞速发展和应用，
SONET/SDH系统的缺点变得越来越明显，即它是单波长系统。如第 8章中所述，采用
单波长光载波与传统的电时分复用（ TDM）相结合的技术受到电子迁移速率的限制，信
号传输速率超过 40Gb/s已经十分困难；单波长传输系统需要特定传输速率的中继器；当
单波长应用到光网络时，还需构建新的光纤路由。 SDH/SONET网络由光传输系统与电
子节点组成，在每个电子节点处，都要进行光 /电或电 /光转换，电子节点的处理负担过
重，限制了网络节点的吞吐量。相比之下,WDM技术是光域内的波分复用，在光纤的
低损耗窗口，可复用的波长数达到几百甚至上千个，因此，系统的容量可以成千倍地增
加，加之光放大器、光分插复用器、光交叉连接器及光波长变换器的使用，使得信号的
传输、放大（再生）和交换 /选路都在光域内进行，形成了光节点，而光节点不必按信
元或数据包的电子处理，即对信号的传输格式是透明的，因而吞吐量巨大，并大大降低
了传输时延。信号不需要进行任何的光 /电转换的网络也称为全光网络。
9.6.1 WDM光网络构成
在第 8章中，图 8.2.1示出的是一个点到点的 WDM传输系统框图。如图 9.6.1则是一个全
光网络的示意图。其中,OXC（ Optical Cross Connector）为光交叉连接器,OADM
（ Optical Add or Drop Multiplexer）为光分插复用器,ADM（ Add or Drop Multiplexer）
为分插复用器。多个 OXC构成了骨干网，多个 OADM构成了城域网或本地网，而 PON
和 ADM构成了接入网。
值得注意的一点是，全光网的概念并非完全没有电子处理或光 /电转换。在网络的边缘，
仍然有电子处理。事实上，由于光器件技术的局限，目前的光网络中还需要光 /电转换
来消除光信号在传输过程中的损伤、进行网络维护和管理。因此，目前所说的全光网是
由高性能的 O/E转换设备和多个全光透明的子网组成的网络，也就是我们常说的光传送
网。
9.6.2 WDM光网络的分层
对 WDM光网络也可以按功能进行分层，图 9.6.2是它的分层结构。
最上面一层为客户信号层，信号的格式可以是各种各样，如 ATM信号,IP信号,SDH信
号或者是以太网 GE（ Gigabit Ethernet）信号。
图 9.6.1 全光网络横向分割示意图
QoS（ Quality of Service）为服务质量，是网络与用户之间及用户与用户之间关于信息
传输与共享的质的约定，如传输延迟允许时间、最小传输画面失真度等。为保证有高质
量的 QoS，不同的组织和团体提出了不同的模型，如综合业务模型（ Int-Serv）和差分
业务（ Diff-Serv）模型等。 WDM光网络的 QoS层完成向光差分业务（ Diff Service）等
的映射。
光通道层为传送各种格式的信号提供光通路连网功能，并加入有关光通道配置的开销，
如波长标记、端口连接性、载荷的速率、格式线路码等，此层包含 OXC和 OADM的功能。
光复用层为多波长信号提供连网功能，并加入各种段层的开销以保证信号的完整性。光
波分复用器和交叉连接器的功能属于该层。
光传输段层为光信号提供不同的光传输媒质，如不同的光纤类别，光放大器也属于该层。
最底层即为物理媒质层。
图 9.6.2 全光网络的分层结构
9.6.3 WDM全光网络关键器件
1,光插分复用器（ OADM）
网络上有很多节点，这些节点与本地用户相连，因此，系统必须具有在这些节点上将传
往本地的光波信号下载（ drop），同时还能将本地用户发往其他节点的信号上载（ add）
进入主干光纤的能力。实现此项功能的器件叫做光插分复用器 （ OADM）。图 9.6.3示出
了 OADM的功能。从图中看出,OADM就是要从复用的信道中选出所需的波长，送至本
地接收机。那些未被选中的光波信道要能顺利通过此节点，同时 OADM在该节点上还要
将加载在该波长上的其他的本地信息送至复用通道中。不难想像，一个 OADM应该就是
一个波分复用器 /解复用器加上滤波器或光开关等器件组成的功能性器件。
依据所加的滤波器或光开关是固定波长还是可调谐波长，可将 OADM分成非重构型和重
构型两大类。非重构型 OADM是一个 WDM MUX/DEMUX加上固定波长的光滤波器，在
节点处只能下载一个或一组固定的波长，因而适合于波长信道固定不变的简单的 WDM
光网络。重构型 OADM则由可控光开关和可调谐滤波器与 WDM MUX/DEMUX共同组成。
在节点处，上 /下路的波长和通道数可以按系统要求改变，因而是一个动态的器件。下
面我们具体来介绍几种 OADM。
图 9.6.3 OADM功能图
（ 1）光纤光栅型 OADM
图 9.6.4示出了一个由 FBG和融熔拉锥型波分复用器及隔离器构成的一个简单的 OADM。
复用的 n个通道的信号进入 OADM的输入端，传至 FBG。 FBG反射的中心波长被设计为
?2，因此，信道中波长为 ?2的信号被反射，从端口 3输出至本地接收机，其他波长的光
波则几乎无损耗地通过 FBG；一个融熔拉锥型波分复用器将来自本地发射机的 ?2上的其
他信号耦合进主传输通道，并从端口 2输出。隔离器的作用是防止被 FBG反射的 ?2信号
沿着光纤反向传播，对发射机中的激光器造成影响。这种 OADM的插入损耗一般小于
3.5dB，相邻信道间的串扰小于 -22dB。但因为加入了隔离器，波分复用器等器件，引
入了附加损耗。
FBG还可以和其他类型的器件组成 OADM，如 FBG和 MZI光纤滤波器组成的 OADM、
FBG与光环行器组成的 OADM及与偏振分光器组成的 OADM等。所有这些都可以归类为
基于 FBG的 OADM。由于篇幅所限，这里不再一一介绍。
图 9.6.4 一种基于 FBG的 OADM工作原理示意图
（ 2）阵列波导光栅型 OADM
上一节我们已经学习了 AWG型波分复用器 /解复用器的工作原理，利用 AWG和光开关阵
列，同样可以实现 OADM的功能。如图 9.6.5所示为三个 AWG和一个热光开关阵列构成
的一个单片集成的 OADM结构原理图。主输入口将来自主干线光纤的复用信号引导至
AWG1输入端口的中心波导中,AWG1将复用信号解复用，并输出至开关阵列的各个输
入端口。如果此时想下载某个波长，则将开关阵列中相应的开关打开，使其处于“开”
状态，其他开关仍处于“关”态，则要下载的那路光波通过端口 2′进入 AWG3，最后从
下载口输出；那些处于“关”状态的开关中传播的光波信号，从开关阵列的各个 1′端口
输出，进入 AWG2，由 AWG2复用到主输出端口。如果想从本地加载信号，则将信号调
制到指定波长的光波上，从开关阵列中相应开关的 2号端口输入，将此开关的状态调至
关状态，则这个信号就和其他信号一起通过 AWG2而被复用到主干线中。
上面介绍了两种主要的 OADM。实际中，各种波分复用器与各种各样的滤波器，光环形
器及光开关的组合形成了多种多样的 OADM，如多层介质薄膜干涉型 OADM、基于声光
可调谐滤波器的 OADM、基于磁调谐 FBG的 OADM，等等。尽管器件的结构可能千差万
别，但是 WDM网络对 OADM的要求都是一致的。 WDM光网络对 OADM的性能要求与系
统对 WDM波分复用器 /解复用器的要求基本一致，同时由于有上 /下路的问题,OADM在
工作时还必须保证各信道的功率基本一致。
图 9.6.5 热光开关与 AWG构成的单片集成 OADM原理图
2．光交叉连接器 OXC
从图 9.6.1看出,OXC是全光网络的主要节点设备。其作用是将成百上千条输入线路与
成百上千条输出线路在光域内互连起来。有时光交叉连接又叫光交换。但这不准确，因
为我们知道，交换是将信息从发出地通过一系列中间节点传送至目的地终端设备的过程。
要完成交换过程，必须验证到达的业务流内的一些字头信息或标志信息，以便选择路由
将信息能够准确地送达目的地。而光交叉连接只是简单的端口与端口重新排列的过程，
即将光波长发送到预定的输出端口，并不像交换机那样完成信息的交换或路由选择。
光交叉连接器不等于光交换机。
既然光交叉连接器不能实现交换的功能，那么，为什么要进行交叉连接呢？将光信号进行交叉连接又
有什么好处呢？进行交叉连接的一个最根本的理由就是要将光波长切换到指定的光纤中去，从而动态
地调整各个光纤中的流量分布，提高光纤的利用率。 通过对光信号进行交叉连接，可以灵活、有效地
管理光传送网，还可实现可靠的网络保护 /恢复以及自动配线和监测。
OXC设备由光交叉连接矩阵、输入 /输出端口和管理控制单元组成，如图 9.6.6所示。每一个单元都具
有主用和备用的冗余结构。
光交叉连接矩阵由各种光开关交叉连接组成矩阵。光输入 /输出端口直接与光纤链路相连。当光信号
从输入端口进入交叉连接矩阵后，管理控制单元通过一些软硬件控制光开关，使光信号切换到相应的
路径上，到达光输出端口，进入另外的光纤链路。管理控制单元除了控制光开关的连接外，还对光开
关矩阵以及输入 /输出端口的状态进行监测，如监测输入 /输出信号的劣化和丢失情况，以便进行主备
保护倒换等。
OXC设备的核心是光交叉连接器。有多种技术可以实现 OXC结构。如图 9.6.7所示是一个基于 WDM技
术和空分复用技术而实现的 OXC结构。
在输入端口，有 M个 1× N解复用器，通过解复用后，共有 M× N个单波长信号（尽管波长数只有 N
个）。这些信号进入空分光开关进行交叉连接，然后，进入 M× N个波长变换器对波长进行变换，最
后通过 M个 N× 1波分复用器把信号复用到 M根光纤中。在这种结构中，通常选择 AWG作为空分光开
关，输入 /输出端口都是 M× N个。这样的开关矩阵可实现实时的任意选路交换。因此，此类 OXC也叫
做波长选路或波长路由交叉连接（ WRXC）。还有基于级联可调谐光纤光栅的 OXC、基于固态器件
的 OXC和基于微光机电系统（ Optical Micro-electrical Machnical System,OMEMS）的 OXC。
图 9.6.6 OXC功能结构示意图
图 9.6.7 基于 WDM技术和空分复用技术的 OXC结构
图 9.6.8 MEMS OXC模块的示意图
3．全光波长变换器
波长变换器 WC（ Wavelength Convertor）是将某个波长的光转换成另一个波长的光的
器件。通常情况下，实现光波长的变换可通过 O/E/O转换方式实现，即首先将在一个波
长上的光业务流转换成电信号，然后再用电信号调制一个工作在所希望的另一个波长上
的激光器，实现电 /光转换，这样，最终就实现了波长的转换。然而，全光网络的目标
是尽一切可能在光域内实现变换。不经过光 /电转换，直接在光域内进行的波长变换叫
做全光波长变换。
在 WDM全光网上要实现光域上的路由交换，在节点处通常要设置光交叉连接和光波长
变换器。因为,WDM光网络中不同的信道配给了不同的波长，一个光信道的信号在节
点处要转换到另一个信道传输时，通常要进行波长变换，通过波长变换建立起通信路由。
波长变换器以基于半导体光放大器中的非线性效应而实现波长转换的居多，如利用交叉
增益调制 XGM（ Cross Gain Modulation），交叉相位调制（ XPM）和四波混频（ FWM）
效应等。还有基于光纤中的非线性效应的波长变换器。下面简要介绍基于 SOA的交叉增
益调制全光波长变换器。
如图 9.6.9所示为基于 SOA的交叉增益调制波长变换器的工作原理图。一束波长为 ?c的
高强度连续光波从左端面耦合进入 SOA。 SOA由于电泵浦的作用最初处于粒子数反转状
态,?c引起受激辐射，使得 SOA对 ?c光波进行放大。然而，由于 ?c光波的功率较高，
使 SOA处于增益饱和状态。此时，有一携带业务流的光波信号 ?s也耦合进入 SOA。由
于此时 SOA已处于饱和状态，而半导体光放大器的增益是均匀加宽线形，增益的饱和表
现为增益谱均匀下降。信号 ?s的到来，引起波长 ?c处的增益下降。 ?s为比特,0”时,?c
的增益下降不多； ?s为比特,1”时,?c的增益下降较多。也就是说，当 ?s为比特,0”时，
?c的光功率电平处于较高状态； ?s为比特,1”时,?c的光功率电平处于低电平状态。由
于增益饱和，波长 ?s处的光信号转换成波长为 ?c处的反相的光信号。若在 SOA的输出端
放置一个滤波器，滤除波长为 ?s的光，则滤波器的输出就只有 ?c的光信号，实现了波长
的转换。只是 ?c的信号与原来的光信号反相，需要再进行处理。图 9.6.9 基于 SOA的交
叉增益调制
波长变换器的工作原理
光波长变换器的性能应满足以下要求：大的转换码率（应大于 10Gb/s）；低的输入功率；
宽的输入 /输出波长范围；高的消光比；小的啁啾；对输入偏振不敏感；低成本等。
图 9.6.9 基于 SOA的交叉增益调制
波长变换器的工作原理
本 章 小 结
光纤网络种类繁多, 本章介绍了光纤网络的发展史和网络的种类, 拓扑
结构 。 对光纤网络的设计给出了初步的功率预算方法；在此基础上, 对
光纤接入网, 光同步数字传送网以及 WDM全光网着重进行了介绍 。
?网络历史回顾
?光纤网络基本知识
?基于光纤系统的三大网络
?光纤接入网
?光纤网络传输体制
?多波长光纤网络
前面集中讨论了点到点的光纤通信系统，它是分处于两个地点的终端设备之间的光纤通
信。如果把分散在各个地点的终端设备都用通信通道互连起来，实现各个终端之间以及
终端与信息中心之间的信息传递与交换，就形成了网络。若各点间的互连通道为光纤通
道，并在各个连接点处有相应的设备和网络管理软件，就构成了光纤网络。由于光纤网
络具有其他介质网络所不能比拟的优越性，能够承载数据量越来越大的宽带业务，随着
支持光纤网络技术的飞速发展，例如,EDFA的商用化和密集波分复用技术的实用化等，
光纤网络已经成为多种业务（包括 Internet）和广域网业务所必不可少的和必须依赖的理
想网络。
9.1 网络历史回顾
说到光网络，有必要先说明电网络。虽然光网络的发展与电网络的发展相对独立，但却
又互相渗透，相互依存。由于技术的限制，目前即使是光网络，也是由光纤链路和电节
点构成的网络。因此，本节将沿着电网络发展和光网络发展两根主线回顾一下人类通信
的发展史，给读者一个比较清晰的网络发展史轮廓，从而更好地理解目前的网络状况。
实际上，光网络的历史要早于电网络。 1791年，法国人 Claude Chappe将一块两面分别
刷成黑白两种颜色的木板不停地翻动，用了约四分钟的时间将一条包含有九个法文单词
的信息传递给他在 10英里之外的兄弟。他的兄弟利用望远镜和一个表达信息的密码本，
将该信息接收了下来。这个实验通常被认为是出现最早的光电报。在这之后的约 90年间，
光电报不断被改进成为一个完整的通信系统。然而，由于这种系统的工作依赖于天气，
并且光电报的操作者必须受过专门的训练，熟知庞大的密码本的内容，因此，光电报并
没有进入并改变普通市民的生活，最终于 1881年被废弃。
在欧洲人致力于改进光电报的同时，美国画家莫尔斯却在研究能够用电来传递信息的办
法，并在 1844年发明了真正意义上的电报。在以后的几十年间，电报成为人们进行信息
交流的最主要的手段。
电报发送的是文字信息，那么用什么手段能够发送话音信号呢？ 1876年，贝尔发明
了电话。从此，人类用电进行通信的历史翻开了新的一页。从贝尔的电话发明到 20
世纪初期，随着绝缘金属地线和铜丝拉制技术的发明，噪声和串扰问题基本解决，电
话线路更便宜，电话已经成为一种技术，并遍及美国。到了 20世纪 30年代，电报与
电话在美国人生活中的地位完全颠倒了过来，电话系统代替了电报系统。
20世纪 60年代末，电话机开始进入美国百姓家庭。电话系统中用户到市话局的部分
为普通双绞铜线，市话局间或长话局间的干线则为带宽更大的同轴电缆或微波塔，干
线上采用模拟载波复用技术，以传输多路电话。复用的话路数从最初的每两对双绞线
传输 12路电话（ 1950年）到每根同轴电缆承载 13 200路电话（ 1978年）。到了 1980
年，公用电话通信网 PSTN模拟话音载波复用系统已经相当普及。为了提高声音质量，
以时分复用 TDM技术为基础的数字复用技术 PCM（脉冲编码调制技术）于 1962年研
制成功，并逐渐开始代替已有的模拟载波复用系统。随着数字复用技术的发展，国际
电话与电报咨询委员会（ CCITT）对于话音 PCM数字信号的复用，给出两种基群系
列建议 PCM30/32路和 PCM24路系列。我国与欧洲国家采用了 PCM30/32系列，美国
及日本则采用了 PCM24系列。这就是我们常说的准同步数字系列 PDH
（ Plesiochronous Digital Hierarchy）。
现在让我们再回到光网络的发展历史中去。 1880年，曾经发明了电话的贝尔又发明
了光电话。他利用太阳光来传送话音。阳光被聚焦到一个反射镜上，当有声波传到反
射镜表面时，反射镜就会振动，导致反射光变化，这就相当于发射机通过反射光将声
波信号发射出去；在接收端，一个硒片被用来接收阳光，并将声波重现出来。贝尔的
光电话应该说是现代自由空间光通信的雏形。显然，贝尔的光电话与前面的光电报有
相似的缺点：系统工作依赖于天气条件，并且传输距离很短。
1951年，荷兰科学家 Abraham Cornelis Sebastian Van Heel证明玻璃纤维的外涂敷层
有助于将光保持在纤维内部。后来的光纤结构就是在此基础上发展起来的。但是，当时
光纤的损耗非常大，为 1dB/m。光纤的应用基本上局限于医学领域。
现代意义上的光通信一直要等到 20世纪 60年代有了强度很高、谱线很窄的光源和传输
损耗很小的光纤以后才发展起来。光纤技术在网络通信上应用的第一个例子是英格兰的
一个警察部门。 1975年，英格兰的某一地区的警察部门的通信系统因雷电袭击而遭受
到严重破坏。为了避免再受雷电打击和电力浪涌的影响，一位警官建议当地标准电话和
电缆公司把该部门的通信系统用光纤连接起来。该光纤通信系统的成功工作，给了世人
一个巨大的鼓舞。从此，世界各地不断地投资改进光纤技术。光纤通信开始了大发展的
时代。
光纤通信技术比电通信技术有优越性，即带宽更宽、容量更大、传输距离更长、抗电磁
干扰、尺寸小、重量轻等，致使电信部门首先采用这种新技术更新已有的电缆传输系统，
并建立了许多新的光纤线路。例如，在 1980年以前，美国和英国的电话公司已经在大
西洋底敷设了 7条连接欧美大陆的同轴电缆用以两个大陆间的电话通信。到了 1988年，
他们敷设的第 8条连接欧美大陆的大西洋海底通信线路不再是同轴电缆而是光缆，这条
光缆能够同时传送 40 000路电话。很快，这样一条线路的通信容量也不能满足需要，第
2条、第 3条光缆又相继被沉入大西洋洋底，担当起欧美大陆通信线路的重任。同样，在
太平洋及其他大陆或国家，也发生着类似的事情。光纤已经在电话通信网中占据了重要
的地位。光纤技术的优点不仅被电信公司所利用，而且也被有线电视公司及计算机网络
运营商们所利用。
早期的光纤通信系统主要应用于三次群以下的脉码调制语音通信系统和图像的模拟传输；
随后光纤通信系统则用于四次群以上的 PCM语音通信和图像的数字传输、长途干线传
输及 CATV系统。现代光纤通信系统，对现有的点到点的传统的光纤通信系统提速，采
用 WDM技术实现高速、大容量的光网络、电节点的通信网络。而未来的光通信技术将
朝着采用光节点、具有光交换功能的全光网络发展。
9.2 光纤网络基本知识
9.2.1 光纤网络的拓扑结构
1．网络结构中的一些基本概念
节点：网络中，一条或多条通信线路的终点或者是不同终端设备的连接点叫做节点。
交换：将信息从发出地通过一系列中间节点传送至目的地的终端设备的过程叫做交换。
路由：完成交换过程所选择的一条适合的信息传输的路径，叫路由。有时，也将该词
用做动词，称把某信息路由到某地。
拓扑：信息传输通道连接各地的终端设备，构成了实际的网络。网络的拓扑就是网络
的逻辑方式，由线路连接各节点构成。
协议：网络所使用的信息交换规则。
2．光纤网络的基本拓扑结构
光纤网络的基本拓扑结构有星形、环形、线形总线型。图 9.2.1示出了它们的结构。节
点在图中用符号,?” 表示。每个节点除了负责将送入本地的信息分离出来，将不是本
地所要的信息继续向其他节点传送之外，还需要将送出本地的信息上传至网络通道中。
这三种基本结构可以构成更为复杂庞大的网络的拓扑。每一种结构都有其各自的优缺点。
（ 1） 星形结构
星形结构是最传统的, 也是网络设计者最喜欢用的一种连接方式 。 大家每天使用的电话与
本地交换局间的连接就属于这种结构 。 在计算机网络中, 处于中心节点的网络设备称为集
线器 （ Hub） 。 这种结构中每个端用户只跟中心节点相连, 端用户之间的通信必须经过中
心节点 。 由于网络被分成几条网段, 便于集中控制, 也便于今后网络的扩展 。 由于这一特
点, 网络的可靠性得到了增强 。 因为当一个网段上的端用户设备发生故障时不会影响其他
端用户间的通信 。 分层的网络模块增强了安全性, 也易于管理和维护 。 但这种结构的一个
缺点是, 中心系统一旦损坏, 整个系统便趋于瘫痪 。 因此, 要求中心系统必须具有极高的
可靠性 。 通常的做法是, 中心系统采用双机热备份, 以提高系统的可靠性 。 星形网络在进
行扩展时, 只要中心设备有足够的能力负担额外的节点, 就可以通过加入带有分支的节点
和与节点相连的分支连接线即可, 如加入一个光分路器或者叫星形耦合器 。 这种结构还允
许在网络运行的时候加入节点 。
下面用简单的功率预算法来估计一下光纤星形网络的性能 。 在一个星形网络中的中心节点
处, 光发射机将光功率为 Ps(dBm)的信号耦合到一个星形耦合器中, 星形耦合器有 N个输
出端口, 分别与光纤相连, 光纤将信号传至远端的设备 。 设每根光纤的长度一致, 均为
L(km),损耗为 ? (dB/km)；远端设备上的接收机灵敏度为 Pr (dBm),则根据第 6章学过的功
率预算法可知：
（ 9.2.1）
式中, Lc为活动连接器总损耗, 单位为 dB； M为系统功率裕量, 单位为 dB； Lcoupler是星形
耦合器的总损耗, 包括附加损耗和分配损耗 。
有 （ 9.2.2）
考虑到网络中一般为双路光纤, 故光纤的总损耗为 2L?(dB)。 根据式 （ 9.2.1） 可以计算在
星形网络中远端设备离中心节点的距离 。 同样, 当系统的其他参数确定时, 根据上述两个
公式, 可以算出网络的支路数 N,也就可以估计中心节点带负载的能力 。
MLLLPP ????? c o u p le rcrs )2( ?
N
P
PLLL
N
i i
lg10)l g (10
1,out
ins p l i te x c e ssc o u p l e r ????
?
?
（ 2）环形结构
环形网中使用一个连续的环将每台设备连接在一起。信息沿某一个方向顺序地经
过每一个节点传输。每个节点都是一个中继器，所有节点在同样的协议下都以同
样的速度运行。它能够保证一台设备上发送的信号可以被环上其他所有的设备都
看到。但在简单的环形网中，环上任何部件的损坏都将导致系统出现故障，这样
将阻碍整个系统进行正常工作。为克服这种网络拓扑结构的缺点，可采用双光纤
环，其中一个环是激活的，在各节点间传送数据。另一个环为备用环，当一个节
点或某段光纤发生故障，备用环可以接着完成一个环绕传送过程。 SDH系统则有
更为完善的所谓自愈环（ Self-healing Ring）。自愈环在环上某一点发生故障时，
系统能够自动地探测到故障点，保护系统的状态，并绕开故障点启动系统继续工
作。在 SDH网中，自愈环可以在 60ms内完成上述动作。
（ 3）线形总线型结构
在线形总线型网络中，所有的节点都连接在一条公共的线路上。对于光纤总线型网
络，实现起来比同轴电缆网络要难。同轴电缆系统很容易将抽头安装到总线上而不
影响网络的运行能力。而光纤技术中则需要一个有源或无源的耦合器接入光数据总
线，将光功率的一部分抽取出来。若要实现双向通信，则还要有一个耦合器接入总
线将本地信号上传至总线。因此，在线形总线型网络中，一个节点需要两个耦合器。
可采用两个 2× 2方向耦合器构成一个总线耦合器，如图 9.2.2所示。
图 9.2.2 总线型耦合器结构示意图
设来自光纤总线的光功率为 P0(dBm),光功率经过一个接头进入总线耦合器, 接头损
耗为 ?c (dB)。 经过第一个方向耦合器时, 一部分功率耦合至本地接收机中, 另一部分
功率则留在总线耦合器的主线上继续传向下一个耦合器的一个输入端, 这部分光功率
的大小为 P2(dBm)。 若耦合器 1的端口 0到端口 2的插入损耗为 Lc0,2(dB),则有 P2 = P0 -
?c - Lc0,2(dBm)。 第二个耦合器的另一个输入端口将来自本地发射机的信号上传至耦
合器中, 此信号与来自第一个耦合器的光一并通过耦合器 2的输出端口经过一个接头
后进入光纤总线 。 若只考虑来自总站的信号功率大小, 忽略本地节点上传的功率, 则
经过第二个耦合器后到达光纤总线的光功率为 。 其中,
是耦合器 2的端口到端口的插入损耗 。 经过此节点, 光信号又沿着总线光纤
传输 L距离后, 到达下一个节点 。 此时的光功率 Pr(dBm)可表示为
（ 9.2.3）
式中, ?f为光纤损耗系数, 单位为 dB/km,由此公式可以计算到两个相邻节点间的距
离 。
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9.2.2 光纤网络的物理构件
光纤网络以点到点光纤通信系统为基础，因此，构成光纤网络的最基本物理构件
仍为光发射机、光纤和光接收机。但由于网络的复杂性，还需要很多其他的有源
或无源光器件，如在第 5章中讲到的光放大器、光耦合器、波分复用器 /解复用器。
在 WDM光网络中，还需要能够进行上 /下路的分插复用器，光交叉连接器及波长
转换器等。这些新型的光器件，将在后面的章节中详细讲解。
9.2.3 网络分层体系结构 —— OSI参考模型
一个网络是由多个具有不同功能的器件和设备共同作用而形成的一个复杂的实体，
这些器件或设备还可能来自于不同的供应商。网络的结构也是千差万别。但网络
所具备的功能并非千差万别。为了能够清楚、简明地了解网络，我们可以把网络
所具有的功能分成不同的层，每一层执行一定的功能，并为它的上一层提供服务。
换言之，每一层都希望它的下一层为其提供服务。
开放系统互联 OSI（ Open System Interconnection）参考模型概括了一个网络所
应具有的基本功能，是一个为大家普遍接受的描述网络功能的模型。
OSI参考模型共分为七层，每一层都定义了一个数据在网络上的应用程序之间传送时执
行的功能。当然，这并不是说某一个特殊的信息在某个网络中传输时每一个功能都是必
要的，而且每一个功能也不是只跟某一个物理硬件相联系。 OSI参考模型如图 9.2.3所示
。
第一层为物理层。这一层处理实际使用的传输介质，传输速率和调制技术及输入 /输出
接口等。它定义了传输数据信号及传输介质的特性，如光纤的物理特性，单模还是多模
等。
第二层为数据链路层 DLL（ Data Link Layer）。这一层管理对网络的访问和通过网络的
数据包的传递。在发送数据时，它从第三层接收数据并加入一些包含服务信息的字头和
包含错误控制信息的字尾。这些加入的信息叫做协议数据单元 PDU（ Protocol Date Unit
）。当接收数据时,DLL又对从第一层接收的数据进行错误检查，去掉错误信息，并进
行流量控制，将剩余正确信息传给第三层。
第三层为网络层。这一层负责不同的网络和子网之间的数据的移动。在发送时，该层从
第四层（传输层）接收数据并加入路径信息和错误检查的信息，将信息包传给第二层。
IP路由选择使用的 IP就是这一层的功能。
第四层传输层。该层负责数据的传输，保证数据以合适的次序完整地到达目的地。如我
们通常所说的传输控制协议 TCP（ Transmission Control Protocol）就在这一层运行。当发
送数据时，接受来自第五层的信息，将数据分成一个个信息包。而工作在接收模式时，
又将信息包重新集合成数据。
第五层会话层。该层负责建立和终止两台计算机之间的连接，当两台计算机有信息交换
（会话）时，该层应负责安排。当你注册上网时，就是这一层负责连接并记录时间。
第六层称为表示层。该层负责数据的格式和码型。这一层从第五层接收到数据后将数据
流转换成 ASCII码或 EBCDIC码，或将数据转换成图像、声音或数据。
第七层为应用层。该层负责如何使用网络，将用户的请求转换成网络的某个特殊功能。
应用层从用户那里接收数据并传输，当数据传输后再将数据返还给用户。
从上面的描述我们看到,OSI参考模型并不针对或描述具体的网络和器件，而只是对网
络所应具有的一般性的问题或功能进行描述。该模型允许不同的制造商的产品之间相互
通信。这使得该模型自 1980年以来一直为人们所采用。而从该模型的结构来讲，涵盖了
许多功能和服务，某些特殊的网络不必具备所有的七层功能。
图 9.2.3 OSI参
考模型分层结构
9.3 基于光纤系统的三大网络
由于历史发展的局限，世界范围内已经形成了以同轴电缆、双绞线等为主要传输介质
的电话传输网、计算机网和有线电视（ CATV）网，而且形成了“三网独立”的局面。
20世纪 80年代之前，这些网络通信业务的交换和传输基本上靠各自独立的网络来完成，
如公用电话传输网和专用通信网，专门用来传输长途和市内电话及某个部门或某些特
定的用户的电话；数据业务由数据通信网来传输；电视信号则通过广播电视网发射到
接收地的电视天线上送至本地电视机或通过有线电视网传送到电视机上。负责上述业
务的部门分别配备了各自独立的终端设备。若想在各网络间实现互通，必须采用特殊
的专用接口才能实现。光纤通信技术的发展和应用，使各种网络的信息传送和处理能
力大幅提高，可传递的信息容量成倍增长，系统的性能也得以改善。如电信部门为满
足广大用户日益增长的对信息的需求，扩展了多项业务，在通信网上传输图像及计算
机数据，使计算机通信可以通过调制解调器在电话网上进行。而另一方面，计算机数
据也可以在有线网上传送，实现相互间的通信。总之，随着各种新技术的应用，各种
网络相互间开始融合，很多网络具备了传递多种业务的能力。三网融合将是未来的发
展趋势。
在上述三种网络中，很多地方采用了光纤技术，构成光纤网络。因此，光纤网络从功
能上来讲仍然可以按照电网络的分类来划分，即光纤计算机通信网、光纤电话网和光
纤有线电视网等。下面将介绍它们的构成与功能。
9.3.1 光纤计算机通信网
现代的计算机网络是在远程终端计算机系统的基础上，通过公用电话网把计算机互连起来，并建
立分层通信体系和相应的网络通信协议，使计算机之间的通信可靠。
完整的计算机网络由网络服务器、网络工作站、网络适配器（或称网卡）及连接线组成。实际中，
并不是简单地把这些硬件物理地连接起来就可以实现计算机间的通信了。系统的运转必须安装上
专门用来支持网络运行的软件，包括系统软件和应用软件，这样，一个能够满足工作或生活需求
的计算机网络就建成了。
用于计算机网络设备之间的通信连接线有铜双绞线、细同轴电缆、粗同轴电缆、光缆及微波、红
外线和激光、卫星线路等无线传输媒体。以光纤光缆为传输介质的光网络特别适于作为计算机网
络，这是因为要进行传输的数据信号在发射端只需进行一次电 /光转换，在接收端进行一次光 /电转
换就可以了。而在电话网中使用光网络时，在进行电 /光转换之前必须先将模拟的话音信号转换为
数字信号，在接收端首先进行光 /电转换，然后再进行数 /模转换才能得到模拟的话音信号。目前，
构建互联网主要干线的高速通道使用的就是光纤。
光纤计算机网按规模可以分为光纤局域网 LAN（ Local Area Network）、光纤城域网 MAN
（ Metropolitan Area Network）和光纤广域网 WAN（ Wide Area Network）。
局域网是连接一个较小区域内如一个办公大楼，一个工厂，一个学校的用户的网络。例如，一所
大学的计算中心房间里，计算机在这一局域网中，与房间中所有其他的计算机相连，也与整栋建
筑内的办公室的计算机相连。局域网中各个计算机间的连接按一般是电缆，也有少数网络用光缆
连接。在 LAN中使用光纤的最大动力是光纤的巨大带宽，而不是比用铜缆能传输更远的距离。
城域网是为一个城市内的用户或为一个大城市内某一个城区的用户提供信息互连功能的网络。为
保证网络运行的可靠性,MAN采用双光纤环结构。
广域网连接的是不同城市甚至不同的国家的用户计算机。城域网和广域网可以通过公共电话交换
网 PSTN相连。
本节将重点介绍光纤局域网的类型。
依据网络的拓扑结构、传输帧及协议，光纤 LAN分为光纤数据分布接口 FDDI（ Fiber Data
Distribution Interface）、吉比特以太网 GBE（ Gigabit Ethernet）、光纤通道 FC（ Fiber Channel）
等类型。
1．光纤数据分布接口（ FDDI）
FDDI是一种物理层和数据链路层标准，它规定了光纤媒介、光发射机和光接收器、
信号传送协议和允许使用的网络拓扑结构等规范，采用的是 IEEE802.5令牌传递媒
体接入控制 MAC（ Medium Access Control）协议和 IEEE802.2逻辑链路控制 LLC
（ Logical Lin Control）协议。其主要特征是：工作速率为 100Mb/s；采用光纤双
环拓扑，环路长度为 100 km； 1000个物理连接（双站为 500个）；最大站间距离
为 2 km；采用的光纤为带宽大于 500 MHz·km的 1300 nm多模光纤。
FDDI的标准中有四种应用环境，它们分别是数据中心环境（站点数小于 50个、相
邻站点之间光纤长度小于 400 m）；办公室或建筑物环境（单连接站点，且采用星
形拓扑）；校园环境（站点分布于多个建筑物中，点与点链路长达 2 km）；多校
园环境（各场地距离大于 60 km）。
2．吉比特光纤以太网（ GBE）
GBE顾名思义，其传输速率在 Gb/s的数量级，主要用于计算机与外围设备的高速
信息传输场合。例如，对于 1024× 1024像素的图片，若每个像素使用 24bit的彩色
编码和每秒 30帧画面，则要求的数据速率为 750Mb/s。
吉比特以太网产品于 1996年上市，其标准是 IEEE802.3z。图 9.3.1示出了吉比特以
太网协议的体系结构。
介质访问控制子层 MAC（ Media Access Control）集中了数据链路层中与接入各种传输介质有关的
问题,MAC还负责在物理层基础上进行无差错的通信，主要的功能有,图 9.3.1 吉比特以太网协
议体系结构
① 将上层交下来的数据封装成帧进行发送；接收时则相反，将帧拆卸。
② 实现和维护 MAC协议。
③ 比特差错检测。
④ 寻址。
吉比特介质无关接口 GMII（ Gigabit Media Independent Interface）是 MAC子层与物理层之间的接
口，使物理层可以使用不同的传输介质。吉比特物理层协议的功能主要包括数据的编码与解码、
比特流的传输与故障指示、建立链路所需要的机械特性、电气特性、功能特性和堆积特性等，具
体内容如下。
① 1000BASE-SX。采用 62.5?m和 50?m的多模光纤，传输距离分别是 300 m和 550 m，波长为
850 nm，编码方式为 8B/10B。 1000BASE-SX适用于作为建筑物内部构建宽带主干网，例如智能
大厦主干网、企业内部主干网。
② 1000BASE-LX。采用 50?m和 62.5?m的多模光纤或者单模光纤，传输距离分别是 550m和 3km，
波长分别是 850nm和 1300nm，编码方式为 8B/10B。 1000BASE-CX（采用 150?的平衡屏蔽双绞
线，传输速率为 1.25Gb/s，传输距离为 25m，编码方式为 8B/10B）。 1000BASE-LX适合作为校园
主干网。采用吉比特光收发器,1000BASE-LX也适于作为城域主干网。
③ 1000BASE-T。采用四对 5类非屏蔽双绞线，传输速率为 100Mb/s，最大传输距离是 100m和
550m，波长 850nm，编码方式为 4D-PAM5。它主要应用于建筑物内主干网，可利用已敷设的非屏
蔽双绞线。
图 9.3.2给出了吉比特以太网的典型应用。
3．光纤通道（ FC）
光纤通道在这里是一个专用名词，它主要由端系统（节点）和交换元素（网络交换机）构成，用来处
理数据通道和网络的连接。图 9.3.3为光纤通道网络示意图。
光纤通道的层结构如图 9.3.4所示，它的 5个层次 FC-0到 FC-4对应于物理层和数据链路层。
其中 FC-0层规定允许采用的数据速率和物理介质，更高速率为 1.6Gb/s和 3.2Gb/s。物理介质可以是
单模光纤（传输距离 10km）、多模光纤（传输距离 174m~10km）、视频电缆（ 25～ 100m）、小同
轴电缆（ 10～ 35m）和屏蔽双绞线（ 50～ 100m）； FC-1层负责字节的同步与编码（ 8B/10B方案）；
FC-2层处理在节点端口之间用帧方式进行数据传输； FC-3层为今后上一层提供服务； FC-4层则支持
多种数据通道和网络协议，包括高性能并行接口（ HIPPI）、小型计算机系统接口（ SCSI）等。
图 9.3.2 吉比特以太网配置 图 9.3.3 光纤通道网络
图 9.3.4 光纤通道的层结构
光纤通道可以在现有的网络上通过增加新的交换机或者增加交换机端口来适
应新的传输介质和数据速率，以保证原有投资不被浪费。
9.3.2 光纤电话网
电话通信网也称公用电话网，是进行交互型话音通信和开放电话业务的电信网。电话网
采用了数字技术和光纤通信技术后，信息容量和传输速度大幅度提高，传输距离也大大
延长。性能的改进使电话网开放许多其他的非电话业务成为可能，如在电话网上传输数
字信号、传输图像及传真等，因而它成为目前电信业务量最大，服务面积最广的专业网，
是电信网的基本形式和基础。
电话网主要由四部分组成：发送和接收电话信号的用户终端设备、进行电路交换的交换
设备、连接用户终端和交换设备的线路和交换设备之间的链路。如图 9.3.5所示为电话通
信网的基本结构框图。
图 9.3.5 电话通信网基本结构
从网络的观点来看，电话网由接入网
（ Access Network）和骨干网
（ Backbone Network）组成。
1．接入网
接入网由用户终端设备（通常就是电话机）及终端设备与本地交换设备连接线路
（也叫接入线）组成。从交换局到用户终端在绝大多数情况下距离不超过 4km，在城
市多数情况可能只有 1km，“最后的一公里”的称谓就是由此而来。
早期的接入网是由传统的用户环路发展而来。用户环路通常由铜双绞线连接用户终
端与交换局设备，为模拟传输系统。随着人们对信息需求的急剧增加，要求接入网
不仅能够支持电话业务，还要能够支持宽带业务，如点播电视、交互式图像业务、
远程教育等。这样，传统的铜双绞线模拟系统已不能适应宽带业务要求，迫切需要
采用新的技术来满足宽带业务需求。但是，接入网的结构特点是每一对接入线只涉
及一个用户，接入网用户数非常多，相应的接入线的线对数非常庞大。从整个通信
网建设的角度来看，接入网改用先进的光纤技术需要比骨干网更多的投资，而铜双
绞线接入网费用比光纤网低得多。虽然一些国家的接入网已经有了不同程度的光纤
化，但大多数国家和地区目前仍保持以铜双绞线为主的接入网的运作。与此同时，
多数骨干网已采用了先进的数字光纤技术，系统容量大，传输速率高。这样就造成
了骨干网带宽宽 ﹑ 容量大而接入网带宽窄 ﹑ 速率低的矛盾，目前的接入网成为网络
数字化的瓶颈。
采用某些调制和编码技术可以一定程度上提高双绞线上传送信号的带宽，如各种数
字用户线路 xDSL（ Digital Subscriber Line）,x可以是 A（非对称）,H（高速率）、
V（甚高速率）,U（通用）等。 ADSL采用频分复用的方法，下行速率达到 9Mb/s，
使得电话线传输视频信号成为可能。
2．骨干网
骨干网则由本地交换局的交换设备、中心交换局设备及它们之间的连接线路构成。
电信网中，话音信号首先经过脉冲编码调制（ PCM），一路 PCM信号的比特率为
64b/s，然后通过数字复接技术，将多个低速数字流合并成一个高速数字流。例如，对
30路电话进行复用后，传输速率为 (30+2)?64 kb/s=2.048Mb/s（每帧包括 30个信号，
2个成帧和信令）。国际的两类数字传输速率和数字复用等级见表 9.1。欧洲和我国采
用的是 E系统，北美和日本采用的是 T系统。需要说明的是，复用的下一步还需要一些
比特，以用于打包、传输和同步，所以群之间的速率并不满足整数倍的关系。经过复
用后的信号送到骨干网上时，传输数据的速率高达 Tb/s量级，所以，光纤作为传输介
质，加上 WDM,SONET等光纤网络技术成为骨干网的必然选择。关于这部分内容稍
后介绍。
除了以传递电话信息为主的业务网外，一个完整的电话网还需要有若干个用以保障业
务网正常运行、增强网络功能、提高网络服务质量的支撑网络。支撑网络中传递的是
相应的监测和控制信号。支撑网包括同步网、公共信道信令网、信输监控网和网络管
理网等。
群号 E系统 T系统
速率 路数 速率 路数
一次群 2.048Mb/s 30 1.544Mb/s 24
二次群 8.448Mb/s 30× 4＝ 120 6.312Mb/s 24× 4＝ 96
三次群 34.368Mb/s 120× 4＝ 480 32.064Mb/s 96× 5＝ 480
四次群 139.264Mb/s 480× 4＝ 1920 97.728Mb/s 480× 3＝ 1440
五次群 564.992Mb/s 1920× 4＝ 7680 397.200Mb/s 1440× 4＝ 5760
表 9.1 两类数字传输速率和数字复用等级系列
9.3.3 有线电视网
1．有线电视网结构 HFC及其频谱分配
这里的有线电视网是指光纤和同轴电缆组合而成的网络，电视台将电视信号由光发射
机送进光纤。为补偿线路损耗，常采用光放大器（如 EDFA）对模拟电视信号进行放大。
光分束器将信号分为多路后送入不同的光节点。在光节点处，对信号进行光电转换进
入同轴电缆送给用户，如图 9.3.6所示，这种结构也称为混合光纤 /电缆 HFC（ Hybrid
Fiber Coaxial）方式。
HFC网络中，采用副载波频分复用方式（ SCM），将多路电视信号合成后以电副载波
形式调制光载波，然后将光载波送入光纤传输，最后通过同轴电缆到达用户。除了传
输模拟电视信号外,HFC网络还可以传输数字电视信号、数据信号等。 HFC网络的带
宽受限于同轴电缆，我国的带宽分配已经有了统一的标准，见表 9.2。其中,5～
65MHz为上行交互式综合业务频带，进行状态监控、计算机连网、传输数据信号等；
65～ 87MHz为上下行频段的隔离带； 87～ 108MHz为 FM调频立体声广播频段； 108～
550MHz为模拟电视频段； 550～ 650MHz为数字压缩电视频段，主要用于视频点播等
业务； 650～ 862MHz为交互式综合业务的下行传送频段，可进行数据传输、计算机连
网,IP电话及个人通信等多种业务。
图 9.3.6 HFC CATV网络结构图
信号方向 上行 下行 下行 下行 下行 下行
传输内容 交互式综合
业务
保护带 调频 模拟电视 数字电视 交互式综合
业务
频率配置
（ MHz）
5~65 65~87 87~108 108~550 550~650 650~862
对于用户而言，要享受多种 HFC服务，必须配备网络接口单元 NIU（ Network Interface
Unit），它可将同轴电缆传输过来的信号分解成电话、电视和数据等信号形式，收视数字电
视还需另配机顶盒。
表 9.2 有线电视 HFC系统配置
2．电缆调制解调器（ Cable Modem）
HFC网络传输的数据信号，需要通过电缆调制解调器（ Cable Modem）的连接才能传送
到用户计算机上。 Cable Modem是 HFC网络开发数据通信业务专用的用户接入设备，其
传输速率比普通电话的 Modem高出 100～ 1000倍。它与普通 Modem的相同之处是数据信
号在模拟信道上交互传输的方法，不同之处除了数据速率以外，还在于普通 Modem的传
输介质在用户与访问服务器之间是独立的，即用户独享介质，而 Cable Modem的传输介
质是 HFC网将数据调制在某个传输带宽与有线电视信号共享介质。它由调制解调器、调谐
器、加 /解密模块、桥接器、网络接口卡、简单网络管理协议（ SNMP）和以太网集线器组
成，其中 SNMP主要完成参数配置、带宽分配以及网络运行维护、诊断、监视、控制等网
络管理功能，是目前广泛使用的标准网络管理协议。从用户计算机数字接口送出的数字信
号经过编码、加密、调制后变成可在同轴电缆中传输的射频（ RF）信号，进入同轴电缆；
而从同轴电缆来的 RF下行信号经过调谐、解调、解密、解码后送入计算机。
Cable Modem有三种类型：一是适用于个人用户的 CMP（ Cable Modem Personal），它
用于个人计算机，具有即插即用、全面的媒体访问控制层桥接功能、传送和接收数据等功
能。二是适用于小型企业和多计算机家庭的 CMW（ Cable Modem Workgroup），最多可
支持 4个用户。三是可用于大型企业网、学校系统、政府机关的 CMB（ Cable Modem
Business），可连接成千上万个用户，并可根据不同的访问和操作安全性要求实现保护功
能。
3．双向传输的方案
HFC是一双向网络，为实现双向传输功能，光纤线路部分可采用波分复用
方式。因为同轴电缆部分通常是树形拓扑，上行信号会聚在光节点时，将
形成噪声的漏斗效应，一个光节点对应的用户数增加的越多，漏斗噪声越
强。采用限制一个光节点的用户数（如 500～ 2000户）、选用优质器件、安
装滤波器等方法可以有效地抑制侵入噪声。同时，对上行信号选用合适的
多址接入和调制方式可以达到抑制窄带干扰的效果。
在我国，目前已建成了 12 989km的国家级有线电视干线光缆网络，在许多
地方已建成光缆和同轴电缆混合网，连通全国 22个省、市、自治区。现在，
我国的年增用户达 1000万户，新建网大部分为 HFC。国家广电总局要求新
建 HFC网每个光节点用户在 2000户以下，以利于数据传输和宽带接入。
9.4 光纤接入网
通过上一节的讨论，我们已经知道，光纤电话网由接入网和骨干网组成。骨干网承担
信息的传送，它由光纤构成。接入网承担着用户信息的接入，它由双绞线构成。实际
上的接入网类型很多,HFC也属于接入网，它是由同轴电缆构成的。随着社会信息化
的不断发展，新的业务不断涌现，如会议电视、高清晰度电视及各种检索业务等，对
各种业务的质量、可靠性、效率都提出了新的要求。在这种形式下，传统的电接入网
已经很难满足要求。与此同时，光纤通信技术正在飞速发展，新的光网络器件、设备
不断出现，价格不断走低，网络设计和施工技术都达到了实用化的水平。光纤接入网
技术已经切实可行，成为实现宽带综合业务数字网（ B-ISDN）的必要环节。
9.4.1 光纤接入网的形式和业务类型
光纤接入网也称为光纤用户网，泛指本地交换机或远端交换机与用户之间采用光纤作
为传输介质的网络。光纤接入网的形式由光纤引入的情况而定，一般视光线路终端设
置的位置而定。表 9.3是常用的一些接入方式。
符 号 名 称 英 文
FTTH 光纤到家 Fiber to the home
FTTB 光纤到大楼 Fiber to the building
FTTC 光纤到路边 Fiber to the curb
FTTO 光纤到办公室 Fiber to the office
FTTZ 光纤到小区 Fiber to the zone
FTTF 光纤到楼层 Fiber to the face
图 9.4.1示出了 FTTC的基本连接示意图，图中端局是电话业务的交换局和广播业务中
信号的出发点，其中的 OLT称为光线路终端（ Optical Line Terminal）。从端局接出
的光纤经过各种线路设备（如光分支器、入孔等）后，到达路边的光网络单元 ONU
（ Optical Network Unit），在 ONU中经过光电转换后，再由铜线分别将电话、数据
等窄带信号或宽带图像信号接至用户。
图 9.4.1 FTTC结构
如果是光纤到户（ FTTH）的结构,ONU被安装在用户住宅内，由一个用户专用。从
端局到用户家中的 ONU间都是光纤连接，这种结构方式，对任何一种传输方式都没
有限制。由于用户与端局的平均距离都很短，所以对这段光纤的传输性能要求不如
干线光缆高，可采用成本较低的元器件。
光纤接入网的拓扑结构有以下几种：
（ 1）总线型。该信道可使用一根双向传输的光纤或两根单向传输的光纤，各个终端
用耦合器互连到信道上，并采用时分复用、频分复用等方法使各节点共享信道。
（ 2）单星形。将具有控制和交换功能的星形耦合器作为中心节点（设在端局内）。
它的特点是用户之间彼此独立，保密性好，业务适应性强。但是成本较大，由于要
专用的光源和检测器，使得每户的初装费较高。
（ 3）双星形或多星形。它是单星形基础上的改进结构，适合于更大的范围。由端局
引出的两根或多根光缆，分别设置远端分配节点，节点数越多，网络规模越大。
（ 4）树形。这种网络结构中较多采用了光分路耦合器，光分路耦合器是无源器件，
所以对带宽、波长和传输方法没有限制。
（ 5）环形。这种结构中的所有节点都共用一条公共链路，自成一个封闭回路。每个
节点可以单向或双向传输。它的优点是提高了线路设计的灵活性和可靠性。
以上介绍了光纤接入网的典型结构。实际使用中应根据客观情况选用某种拓扑结构，
或者是多种拓扑结构的组合。
光纤接入网传送的业务有四大类：闭路分配业务（如闭路音响、图像分配）；交互
式或邮箱式业务（如电话、可视电话、话音邮政、可视图文）；检索式业务（如音
响、图像检索、数据检索）；广播分配业务（如广播式音响、图像分配）。业务的
类型不同，所需的带宽也不同。
9.4.2 无源光网络（ PON）
光纤接入网除了包括端局（也称做中心局 CO,Central Office）和光网络单元（ ONU）
外，通常还有远端节点 RN（ Remote Node）和光接口单元 NIU（ Network Interface
Unit）。它们之间的关系如图 9.4.2所示。在有源网络中,RN起着中继和分配的作用，
在无源网络中仅进行信号的分配。 NIU为用户设备，在 FTTH结构中,ONU位于用户
家中，兼有 NIU的功能，所以不需要单独的 NIU设备了。
光纤接入网的结构越简单，网络的操作、维护就越容易，显然，无源结构比有源结
构具有更高的可靠性，因为无源网络不需要进行交换和控制。我们将使用无源器件
作为远端节点的网络称为无源光网络 PON（ Passive Optical Network）。
图 9.4.2 光纤接入网体系
无源光网络的应用有多种形式。图 9.4.3示出了典型 PON的参考配置图。图中的几个功
能部件是：光线路终端 OLT（ Optical Line Terminal），它与骨干网结点（业务节点）相
连；光分配网 ODN（ Optical Distribution Network）；分配到用户的光网络单元 ONU；
适配功能（ Adapter Function）模块。 V是接入网与业务节点的参考点； T是用户侧的参
考点； Q3为网管接口。
图 9.4.3 光纤接入网参考配置
OLT一方面承载从骨干网传送来的信息，将信息传送给光分配网；另一方面又可以通过光分配网
（ ODN）将来自用户的信息向上传至骨干网，因此,OLT在光分配网一侧向 ODN提供光接口，
在与骨干网相连的网络一侧提供至少一个网络接口。 OLT可连接一个或多个光分配网。 OLC功能
模块又由核心模块 ﹑ 业务模块和通用模块三部分组成。其中核心模块提供网络与光分配网可用
带宽之间的数字交叉连接功能，同时还提供在光分配网上传送或接收业务时的传输复用功能，
以及与光分配网进行连接的物理光接口功能（包括光 /电和电 /光的转换）；业务模块提供业务端
口功能，支持多个不同的业务，承载 ISDN的主要速率，提供多个 2Mb/s端口；通用模块则提供
供电 ﹑ 维护和管理功能。
光分配网（ ODN）是光传输媒质，提供光网络单元（ ONU）到 OLT的光纤连接，并将光能分配
给各个光网络单元。光分配网由无源光器件如光纤、光纤连接器和光分路器构成。
在 ODN中，光传输方向有上行方向和下行方向之分。信号从 OLT到 ODN方向的传输为下行，反
之为上行。上下行方向的信号传输可以采用同一根光纤（单线双工），也可以采用不同的光纤
（双线双工）。
光分配网应能够支持现在可以预见的业务，即当增加新的业务时，不必要对分配网本身做出广
泛的修改，所以对光分配网所用的光无源器件有如下很严格的要求。
① 光波长的透明性。要求光器件支持 1310~1550nm范围内的任何波长上的信号传输。
② 互换性。输入与输出端口的互换不致造成光器件损耗的严重变化。
③ 光纤的可兼容性。所有的光器件应与 G.652单模光纤兼容。
由于光分配网包括了光线路终端 OLT与光网络单元 ONU之间的光纤和光无源器件，其损耗即为
参考点 S/R与 R/S之间的一切光路损耗，包括光纤线路损耗 ﹑ 光接头损耗 ﹑ 光连接器损耗及各种
光无源器件损耗。 ITU在 G.982中对光分配网的损耗计算给出了建议，并对采用不同复用技术的
接入系统的分配网规定了损耗的上 ﹑ 下限。表 9.4给出 ITU规定的 PON接入网三类光路损耗。
损耗 A类 B类 C类
最小损耗（ dB） 5 10 15
最大损耗（ dB） 20 25 30
其中,A类表示时分复用接入系统损耗； B类表示时间压缩复用接入系统损耗； C类表示空分复
用和波分复用接入系统的损耗。
光网络单元（ ONU）的作用是终结来自光分配网的光纤，处理光信号并为用户提供业务接口。
光网络单元由核心模块 ﹑ 业务模块和通用模块组成。核心模块提供客户业务复用功能、传输功
能及光分配网接口功能；业务模块提供用户端口功能，将来自光分配网的业务适配到 64kb/s和
n× 64kb/s的速率；通用模块提供光网络单元的供电 ﹑ 操作 ﹑ 维护和管理。
在无源光网络中，可以采用时分复用（ TDM）、波分复用（ WDM）、光功率分离、副载波复用
（ SCM）等多种复用技术。
无源光网络依据所采用的技术还分为 APON﹑ EPON和 WDM-PON等。 APON指的是使用 ATM技
术的无源光网络； EPON（ Ethernet PON）则指的是以太网技术与光纤技术结合的接入网；
WDM-PON指的是采用 WDM技术的 PON。这些无源光网络都有着各自的优点，因此这些网络
的倡导者积极地参与制定网络标准，以期能够很快地推行这些网络。目前,ITU对 APON已制定
出相应的标准 ITU-G.983。而 IEEE成立了一个研究小组 EFM（ Ethernet in the First Mile），正
在积极制订 EPON的标准。而 WDM-PON由于需要价格昂贵且数目众多的光器件,ITU暂时还没
有计划制订相关标准。人们之所以研究和倡导无源光网络，是因为无源光网络采用无源光分配
网，因而对传送信号速率、格式均透明，并且便于维护管理，接入成本低。
在光纤接入网中，如采用有源设备或有源网络代替 PON中的光分配网，就构成了有源光接入网。
这种有源设备通常叫做远程光终端（ Optical Distribution Terminal,ODT）。由于 ODT的采用，
接入网的容量和传输距离显著增加，网络规划及运行的灵活性加大。缺点是必须为有源设备提
供电源及其维护。
光纤用户接入网的光线路终端 OLT与远端的光网络单元 ONU的主要功能是完成整个接入网中业
务节点接口 SNI（ Service Node Interface）和用户网络接口 UNI（ User Network Interface）之间
的信号传输及有关信令协议的转换。接入设备本身不带交换功能，接入系统内的用户之间的业
务必须通过本地交换机的交换来实现。当接入系统的用户数量较大时，按用户要求其远端光网
络单元可以带交换即实现用户交换机的功能。
图 9.4.4 QuantunBridge Communications公司的接入网方案
图 9.4.4是美国 QuantunBridge Communications公司的 PON接入网解决方案。该公司是最早开始研
究接入网的公司之一。图中,OLT为该公司的系列产品 QB5000，此产品能够通过所构架的 PON为
用户提供声音、图像和数据服务,支持 ATM、吉比特以太网和时分复用 (OC-3c/VT1.5)网络接口；
S是光分束器或耦合器； ONTxxx是该公司的产品，代表了光网络终端，也就是我们所说的光网络
单元。
9.5 光纤网络传输体制
9.5.1 概述
在 20世纪 80年代中期，由于数字交换在电信网中的大规模应用，光纤已经成为数字交换
机之间传输信号的主要介质，许多厂家都提供光纤传输设备，以便将数字交换机输出的
低速率的数字信号复接成高速率的数字信号，然后再变成光信号，最后通过光纤传输。
但是由于没有世界标准，各个厂家的专用接口无法互连。为了规范不同厂家各种类型的
光纤产品，国际标准化组织对大容量的数字传输制定了相应的标准，即标准的信号格式。
北美的标准被称做同步光网络 SONET（ Synchronous Optical Network），在其他国家
和地区的标准则称为同步数字系列 SDH（ Synchronous Digital Hierarchy）。
SONET是北美在电信网络结构中传输和复用的一个标准。 SONET确立了 51.84Mb/s为
新系统的基本传输速率，称为 OC-1。 SDH由国际电信联盟（ ITU）制定。 SDH的第一级
传输速率为 155.52Mb/s。 SDH在北美以外的其他国家和地区常常采用。随着国际标准
化工作的不断进行,SONET与 SDH越来越趋于一致，因此统称为同步数字传输网或
SDH/SONET网，有时就简称为 SDH。 SDH涉及到网络、系统和设备、光 /电接口、传
输网管理与性能、定时、信息模型等各个层次与方面。
SDH/SONET是由一些 SDH网络单元（ NE）组成的、在光纤上进行同步信息传输、复
用和交叉连接的网络。它有世界统一的网络节点接口，从而简化了信号的互连及信号的
传输、复用及交叉的过程。它有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块，如
STM-1等，并具有块状帧结构，允许安排丰富的比特开销进行网络运行维护和管理。它
的基本网络单元有同步光缆线路系统、同步复用器（ SM）、分插复用器（ ADM）和同
步数字交叉连接设备（ SDXC）等，其功能各异，但都有统一的标准光接口，允许不同
厂家设备在光路上互通。同时，它大量采用软件进行网络配置和控制，使得新功能和新
特性的增加比较方便。
图 9.5.1 NNI的配置
9.5.2 SDH/SONET的基本概念
1,SDH/SONET的传输速率和传输格式
SDH/SONET的传输速率和传输格式是由网络节点接口 NNI（ Network Node Interface）
规定的。
传输网的两种基本设备是传输设备和网络节点。传输设备可以是光缆线路系统，也可以
是微波接力系统。网络节点则有多种，如 64kb/s电路节点、宽带节点等。简单节点只有
复用功能，复杂节点具有信道终端、交叉连接、复用和交换功能。网络节点接口则是网
络节点之间的接口，从具体实现上看其实是传输设备和网络节点之间的接口。图 9.5.1示
出了 NNI在网络中的参考配置。
表 9.5 SDH/SONET体系传输速率
在 SDH/SONET中,NNI成为实现网络节点之间互连的规范化的标准接口，它对节点之
间传输的信息流进行了规范，包括两个方面：首先是对每秒钟节点之间的比特总数进行
了规范，即速率体系；其次对该比特流的组织进行了规范，即帧格式。
（ 1）传输速率
表 9.5列出了 SDH/SONET体系的传输速率。 SDH/SONET体系由一些基本的标准组件术
语和传输速率组成。每一层有一个光层 OC（ Optical Carrier）和一个电层的同步传输信
号 STS（ Synchronous Transmission Signal）。相应传输速率下的 SDH体系称为同步传
送模块 STM（ Synchronous Transmission Module）层。
SDH 电层 链路传输速率 /Mb/s 光层
STS-1 51.84 OC-1
STM-1 STS-3 155.52 OC-3
STM-3 STS-9 466.56 OC-9
STM-4 STS-12 622.08 OC-12
STM-6 STS-18 933.12 OC-18
STM-8 STS-24 1244.16 OC-24
STM-13 STS-36 1866.24 OC-36
STM-16 STS-48 2488.32 OC-48
STM-32 STS-96 4976.64 OC-96
STM-64 STS-192 9953.28 OC-192
STM-256 STS-768 39813.12 OC-768
图 9.5.2 SONET的基本帧结构
（ 2）传输格式 —— 帧结构
① SONET帧结构。图 9.5.2给出了 SONET的基本帧结构，它是一个 9行,90列字节构成
的二维结构。每个字节长为 8比特。其中，“段”连接相邻的设备；“线”是指比段长
一些的连接两个 SONET器件的链路；“通道”是一个端到端的连接。由于基本的
SONET帧的周期为 125?s，因此,SONET的基本的传输速率为（ 9字节 /行） × （ 90行 /
帧） × （ 8比特 /字节） ÷ （ 125× 10-6秒 /帧）（ b/s） =51.84Mb/s。此传输速率对应于
电的同步传输信号为 STS-1。所有的 SONET信号都是此传输速率的整数倍。 STS-1每次
从上到下逐行地传送，每行由左到右传送。
传输速率为 N倍于基本传输速率的 SONET信号的帧结构如图 9.5.3所示。
图 9.5.4 STM-1帧结构
② SDH帧结构。 SDH帧结构与相对应的 SONET帧结构不同，如图 9.5.4所示为 STM-1的
帧结构。比特的传送方式是从左到右，从上到下。 STM-1的帧结构共有 9行,270列字节。
每个字节为 8比特。因此，对应的传输速率为（ 9字节 /行） × （ 270行 /帧） × （ 8比特 /字
节） ÷ （ 125× 10-6秒 /帧） =155.52Mb/s。
2,SDH/SONET体系的光接口
SDH/SONET体系允许不同厂家的产品互相连接，这是通过一系列规范对光源特性、光
纤类别及接收机灵敏度等光接口参数进行规定而实现的。表 9.6给出了不同传输速率下
SDH/SONET网络中光源的输出功率范围和接收机的灵敏度。 SDH/SONET体系规范给
出的接收机的灵敏度为最坏情况下的值，定义为误码率达到 1× 10-10时所需的平均最低
可接受的光功率。
距离 SONET速率 SDH速率 光源输出范围 /dBm 接收机灵敏度 /dBm
≤15km OC-48 STM-16 -10~-3 -18
≤40km OC-48 STM-16 -5~0 -18
≤80km OC-48 STM-16 -2~+3 -27
SDH/SONET体系规范中还对光纤的种类和性能、传输距离等进行了详细规定。
图 9.5.5 两种自愈环结构
9.5.3 SDH/SONET结构
1．分层
SDH传送网分为三层，它们是电路层、通道层和传输媒质层。其中，电路层面向公共交
换业务，向用户直接提供通信业务，诸如电路交换业务、分组交换业务和租用电路业务。
按照提供业务的不同，可区分不同的电路层网络；通道层支持一个或多个电路层网络，
并且提供传递服务。通道的建立由交叉设备负责，可以提供较长的保持时间；传输媒质
层与传输媒质（光缆，微波）有关，它支持一个或多个通道层网络，为通道层网络节点
（如 DXC）提供合适的通道容量。
2．自愈网
SDH/SONET网可以构成环路。通过合理配置，当设备或链路发生故障时，利用环的结
构，不需要人为干预，网络就能自身在极短的时间内自动恢复，从而实现不中断业务保
护。所以,SDH/SONET网也称为自愈网。双纤单向通道切换环和四纤双向线路切换环
是 SDH/SONET网络中最普遍采用的结构，如图 9.5.5所示。
图 9.5.5（ a）是一种双纤单向通道切换环网结构 UPSR（ Unidirectional Path-Switched
Ring）。该结构中有两个光纤环，一个环为工作环，另一个为备用环或叫保护环。为实
现保护，从发送节点 1出来的光信号同时输入工作和备用光纤，这样的保护常称为 1+1保
护。在工作环上，信号的传递为顺时针方向；备用环上，信号沿逆时针传递。接收节点
按照两路信号的优劣决定选哪一路作为分路信号，正常情况下，以工作光纤送来的信号
为主信号。我们以节点 1和节点 3之间的通信为例说明环的保护倒换情况。正常工作时，
节点 1发出的信息分别通过工作环上的链路 1,2和备用环上的链路 5,6到达节点 3；反
之，节点 3发出的信号通过工作光纤上的路径 3,4和备用光纤上的路径 7,8送达节点 1。
节点 3上的接收机通过一个开关选择来自工作光纤上的信号，当然，它也在不断地比较
从两个方向传来的信号。当来自工作光纤环的信号劣化或信号丢失（如工作环上节点 1
和节点 2之间某一点断路）时，节点 3上的接收机开关就切换，选择从备用光纤上链路 5、
6传来的信号，这样，节点 1和节点 3之间的业务就不会中断。故障排除后，开关返回原
来的位置。
另外一种常用环的结构如图 9.5.5（ b）所示，称做四纤双向线路切换环 BLSR
（ Bidirectional Line-Switched Ring）。这里有两个工作环，两个备用（保护）光纤环。
正常工作时，信息流在两个工作环中沿着相反的方向流动，一个沿着顺时针方向，一个
为逆时针方向。这种结构是两个节点之间信息传递最快的方式，比上述双纤 ﹑ 单向路径
切换环要快得多。例如，从节点 2到节点 1传递信号，在双纤 ﹑ 单向路径切换环中，信息
要沿着工作环上链路 2,3,4顺序经过节点 2和节点 4才能到达节点 1。而在四纤双向线
路切换环中，由于有两个工作环，从节点 2的信息可直接经过内工作环链路就能到达节
点 1。
图 9.5.6示出了一个国家级的混合 SONET网络的结构。 OC-192链路使用四纤 BLSR构成
国家主干网,OC-48为城市链路，它又可以连接本地低速率的 OC-12和 OC-3链路，而
每个链路又有独立的故障恢复机制。
图 9.5.6 SONET网络
图 9.5.7 ADM功能
9.5.4 SDH /SONET设备
SDH网络的基本设备有四种：终端复用器（ TM），分插复用器（ ADM），数字交叉连
接设备（ DXC）和再生器（ REG），这里我们对前面三种设备进行介绍。
1．终端复用器（ TM）
终端复用器是将 PDH支路信号或者将低速率的 SDH信号复用进高速率的 SDH设备，主
要应用在 PDH和 SDH的边界，将各类低速信号进入高速线路的传输场合上。根据使用支
路接口种类及速率等级的不同进行分类，如 Ⅱ,1型复用设备可提供若干个 STM-N信号组
合为一个 STM-M（ M > N）信号的能力。
2．分插复用器（ ADM）
分插复用器是 SDH/SONET中的重要设备，也是应用最广泛的设备。它实现了低速率信
号灵活插入到高速率信号之中或者从高速率信号中分出的功能。 ADM利用内部的时隙分
配，可以将支路信息指定到 STM-N/OC-N中的任何位置。图 9.5.7示出了其功能。图中，
作为 OC-48信道的一部分，一个 OC-12和两个 OC-3进入 ADM1,OC-12直通过去，两个
OC-3却被分接下来；然后，另外两个 OC-12和一个 OC-3连同直通的 OC-12一起复接成
一个 OC-48，送到 ADM2中。
3．数字交叉连接设备（ DXC）
DXC是一种具有一个、多个准同步数字体系（ G.703）或同步数字体系（ G.707）的信
号端口，可对任何速率信号端口（和 /或其子速率信号端口）与其他速率信号端口（和 /
或其子速率信号端口）间进行可控连接和再连接的设备。
DXC的核心是交叉连接功能，交叉连接速率与接入速率之间的转换由复用和解复用功能
来完成。首先每个输入信号被解复用成 m个并行交叉连接信号，然后，内部的交叉连接
网采用时隙交换技术，按照预先存放的交叉连接图或动态计算的交叉连接图对这些交叉
连接通道进行重新排列，最后再利用复用功能将这些重新安排后的信号复用成高速信号
输出。整个交叉连接过程由连至 DXC的本地操作系统或连至电信网管的支持设备进行控
制和维护。
9.6 多波长光纤网络
SDH/SONET是一个最流行的光网络。但是，随着波分复用技术的飞速发展和应用，
SONET/SDH系统的缺点变得越来越明显，即它是单波长系统。如第 8章中所述，采用
单波长光载波与传统的电时分复用（ TDM）相结合的技术受到电子迁移速率的限制，信
号传输速率超过 40Gb/s已经十分困难；单波长传输系统需要特定传输速率的中继器；当
单波长应用到光网络时，还需构建新的光纤路由。 SDH/SONET网络由光传输系统与电
子节点组成，在每个电子节点处，都要进行光 /电或电 /光转换，电子节点的处理负担过
重，限制了网络节点的吞吐量。相比之下,WDM技术是光域内的波分复用，在光纤的
低损耗窗口，可复用的波长数达到几百甚至上千个，因此，系统的容量可以成千倍地增
加，加之光放大器、光分插复用器、光交叉连接器及光波长变换器的使用，使得信号的
传输、放大（再生）和交换 /选路都在光域内进行，形成了光节点，而光节点不必按信
元或数据包的电子处理，即对信号的传输格式是透明的，因而吞吐量巨大，并大大降低
了传输时延。信号不需要进行任何的光 /电转换的网络也称为全光网络。
9.6.1 WDM光网络构成
在第 8章中，图 8.2.1示出的是一个点到点的 WDM传输系统框图。如图 9.6.1则是一个全
光网络的示意图。其中,OXC（ Optical Cross Connector）为光交叉连接器,OADM
（ Optical Add or Drop Multiplexer）为光分插复用器,ADM（ Add or Drop Multiplexer）
为分插复用器。多个 OXC构成了骨干网，多个 OADM构成了城域网或本地网，而 PON
和 ADM构成了接入网。
值得注意的一点是，全光网的概念并非完全没有电子处理或光 /电转换。在网络的边缘，
仍然有电子处理。事实上，由于光器件技术的局限，目前的光网络中还需要光 /电转换
来消除光信号在传输过程中的损伤、进行网络维护和管理。因此，目前所说的全光网是
由高性能的 O/E转换设备和多个全光透明的子网组成的网络，也就是我们常说的光传送
网。
9.6.2 WDM光网络的分层
对 WDM光网络也可以按功能进行分层，图 9.6.2是它的分层结构。
最上面一层为客户信号层，信号的格式可以是各种各样，如 ATM信号,IP信号,SDH信
号或者是以太网 GE（ Gigabit Ethernet）信号。
图 9.6.1 全光网络横向分割示意图
QoS（ Quality of Service）为服务质量，是网络与用户之间及用户与用户之间关于信息
传输与共享的质的约定，如传输延迟允许时间、最小传输画面失真度等。为保证有高质
量的 QoS，不同的组织和团体提出了不同的模型，如综合业务模型（ Int-Serv）和差分
业务（ Diff-Serv）模型等。 WDM光网络的 QoS层完成向光差分业务（ Diff Service）等
的映射。
光通道层为传送各种格式的信号提供光通路连网功能，并加入有关光通道配置的开销，
如波长标记、端口连接性、载荷的速率、格式线路码等，此层包含 OXC和 OADM的功能。
光复用层为多波长信号提供连网功能，并加入各种段层的开销以保证信号的完整性。光
波分复用器和交叉连接器的功能属于该层。
光传输段层为光信号提供不同的光传输媒质，如不同的光纤类别，光放大器也属于该层。
最底层即为物理媒质层。
图 9.6.2 全光网络的分层结构
9.6.3 WDM全光网络关键器件
1,光插分复用器（ OADM）
网络上有很多节点，这些节点与本地用户相连，因此，系统必须具有在这些节点上将传
往本地的光波信号下载（ drop），同时还能将本地用户发往其他节点的信号上载（ add）
进入主干光纤的能力。实现此项功能的器件叫做光插分复用器 （ OADM）。图 9.6.3示出
了 OADM的功能。从图中看出,OADM就是要从复用的信道中选出所需的波长，送至本
地接收机。那些未被选中的光波信道要能顺利通过此节点，同时 OADM在该节点上还要
将加载在该波长上的其他的本地信息送至复用通道中。不难想像，一个 OADM应该就是
一个波分复用器 /解复用器加上滤波器或光开关等器件组成的功能性器件。
依据所加的滤波器或光开关是固定波长还是可调谐波长，可将 OADM分成非重构型和重
构型两大类。非重构型 OADM是一个 WDM MUX/DEMUX加上固定波长的光滤波器，在
节点处只能下载一个或一组固定的波长，因而适合于波长信道固定不变的简单的 WDM
光网络。重构型 OADM则由可控光开关和可调谐滤波器与 WDM MUX/DEMUX共同组成。
在节点处，上 /下路的波长和通道数可以按系统要求改变，因而是一个动态的器件。下
面我们具体来介绍几种 OADM。
图 9.6.3 OADM功能图
（ 1）光纤光栅型 OADM
图 9.6.4示出了一个由 FBG和融熔拉锥型波分复用器及隔离器构成的一个简单的 OADM。
复用的 n个通道的信号进入 OADM的输入端，传至 FBG。 FBG反射的中心波长被设计为
?2，因此，信道中波长为 ?2的信号被反射，从端口 3输出至本地接收机，其他波长的光
波则几乎无损耗地通过 FBG；一个融熔拉锥型波分复用器将来自本地发射机的 ?2上的其
他信号耦合进主传输通道，并从端口 2输出。隔离器的作用是防止被 FBG反射的 ?2信号
沿着光纤反向传播，对发射机中的激光器造成影响。这种 OADM的插入损耗一般小于
3.5dB，相邻信道间的串扰小于 -22dB。但因为加入了隔离器，波分复用器等器件，引
入了附加损耗。
FBG还可以和其他类型的器件组成 OADM，如 FBG和 MZI光纤滤波器组成的 OADM、
FBG与光环行器组成的 OADM及与偏振分光器组成的 OADM等。所有这些都可以归类为
基于 FBG的 OADM。由于篇幅所限，这里不再一一介绍。
图 9.6.4 一种基于 FBG的 OADM工作原理示意图
（ 2）阵列波导光栅型 OADM
上一节我们已经学习了 AWG型波分复用器 /解复用器的工作原理，利用 AWG和光开关阵
列，同样可以实现 OADM的功能。如图 9.6.5所示为三个 AWG和一个热光开关阵列构成
的一个单片集成的 OADM结构原理图。主输入口将来自主干线光纤的复用信号引导至
AWG1输入端口的中心波导中,AWG1将复用信号解复用，并输出至开关阵列的各个输
入端口。如果此时想下载某个波长，则将开关阵列中相应的开关打开，使其处于“开”
状态，其他开关仍处于“关”态，则要下载的那路光波通过端口 2′进入 AWG3，最后从
下载口输出；那些处于“关”状态的开关中传播的光波信号，从开关阵列的各个 1′端口
输出，进入 AWG2，由 AWG2复用到主输出端口。如果想从本地加载信号，则将信号调
制到指定波长的光波上，从开关阵列中相应开关的 2号端口输入，将此开关的状态调至
关状态，则这个信号就和其他信号一起通过 AWG2而被复用到主干线中。
上面介绍了两种主要的 OADM。实际中，各种波分复用器与各种各样的滤波器，光环形
器及光开关的组合形成了多种多样的 OADM，如多层介质薄膜干涉型 OADM、基于声光
可调谐滤波器的 OADM、基于磁调谐 FBG的 OADM，等等。尽管器件的结构可能千差万
别，但是 WDM网络对 OADM的要求都是一致的。 WDM光网络对 OADM的性能要求与系
统对 WDM波分复用器 /解复用器的要求基本一致，同时由于有上 /下路的问题,OADM在
工作时还必须保证各信道的功率基本一致。
图 9.6.5 热光开关与 AWG构成的单片集成 OADM原理图
2．光交叉连接器 OXC
从图 9.6.1看出,OXC是全光网络的主要节点设备。其作用是将成百上千条输入线路与
成百上千条输出线路在光域内互连起来。有时光交叉连接又叫光交换。但这不准确，因
为我们知道，交换是将信息从发出地通过一系列中间节点传送至目的地终端设备的过程。
要完成交换过程，必须验证到达的业务流内的一些字头信息或标志信息，以便选择路由
将信息能够准确地送达目的地。而光交叉连接只是简单的端口与端口重新排列的过程，
即将光波长发送到预定的输出端口，并不像交换机那样完成信息的交换或路由选择。
光交叉连接器不等于光交换机。
既然光交叉连接器不能实现交换的功能，那么，为什么要进行交叉连接呢？将光信号进行交叉连接又
有什么好处呢？进行交叉连接的一个最根本的理由就是要将光波长切换到指定的光纤中去，从而动态
地调整各个光纤中的流量分布，提高光纤的利用率。 通过对光信号进行交叉连接，可以灵活、有效地
管理光传送网，还可实现可靠的网络保护 /恢复以及自动配线和监测。
OXC设备由光交叉连接矩阵、输入 /输出端口和管理控制单元组成，如图 9.6.6所示。每一个单元都具
有主用和备用的冗余结构。
光交叉连接矩阵由各种光开关交叉连接组成矩阵。光输入 /输出端口直接与光纤链路相连。当光信号
从输入端口进入交叉连接矩阵后，管理控制单元通过一些软硬件控制光开关，使光信号切换到相应的
路径上，到达光输出端口，进入另外的光纤链路。管理控制单元除了控制光开关的连接外，还对光开
关矩阵以及输入 /输出端口的状态进行监测，如监测输入 /输出信号的劣化和丢失情况，以便进行主备
保护倒换等。
OXC设备的核心是光交叉连接器。有多种技术可以实现 OXC结构。如图 9.6.7所示是一个基于 WDM技
术和空分复用技术而实现的 OXC结构。
在输入端口，有 M个 1× N解复用器，通过解复用后，共有 M× N个单波长信号（尽管波长数只有 N
个）。这些信号进入空分光开关进行交叉连接，然后，进入 M× N个波长变换器对波长进行变换，最
后通过 M个 N× 1波分复用器把信号复用到 M根光纤中。在这种结构中，通常选择 AWG作为空分光开
关，输入 /输出端口都是 M× N个。这样的开关矩阵可实现实时的任意选路交换。因此，此类 OXC也叫
做波长选路或波长路由交叉连接（ WRXC）。还有基于级联可调谐光纤光栅的 OXC、基于固态器件
的 OXC和基于微光机电系统（ Optical Micro-electrical Machnical System,OMEMS）的 OXC。
图 9.6.6 OXC功能结构示意图
图 9.6.7 基于 WDM技术和空分复用技术的 OXC结构
图 9.6.8 MEMS OXC模块的示意图
3．全光波长变换器
波长变换器 WC（ Wavelength Convertor）是将某个波长的光转换成另一个波长的光的
器件。通常情况下，实现光波长的变换可通过 O/E/O转换方式实现，即首先将在一个波
长上的光业务流转换成电信号，然后再用电信号调制一个工作在所希望的另一个波长上
的激光器，实现电 /光转换，这样，最终就实现了波长的转换。然而，全光网络的目标
是尽一切可能在光域内实现变换。不经过光 /电转换，直接在光域内进行的波长变换叫
做全光波长变换。
在 WDM全光网上要实现光域上的路由交换，在节点处通常要设置光交叉连接和光波长
变换器。因为,WDM光网络中不同的信道配给了不同的波长，一个光信道的信号在节
点处要转换到另一个信道传输时，通常要进行波长变换，通过波长变换建立起通信路由。
波长变换器以基于半导体光放大器中的非线性效应而实现波长转换的居多，如利用交叉
增益调制 XGM（ Cross Gain Modulation），交叉相位调制（ XPM）和四波混频（ FWM）
效应等。还有基于光纤中的非线性效应的波长变换器。下面简要介绍基于 SOA的交叉增
益调制全光波长变换器。
如图 9.6.9所示为基于 SOA的交叉增益调制波长变换器的工作原理图。一束波长为 ?c的
高强度连续光波从左端面耦合进入 SOA。 SOA由于电泵浦的作用最初处于粒子数反转状
态,?c引起受激辐射，使得 SOA对 ?c光波进行放大。然而，由于 ?c光波的功率较高，
使 SOA处于增益饱和状态。此时，有一携带业务流的光波信号 ?s也耦合进入 SOA。由
于此时 SOA已处于饱和状态，而半导体光放大器的增益是均匀加宽线形，增益的饱和表
现为增益谱均匀下降。信号 ?s的到来，引起波长 ?c处的增益下降。 ?s为比特,0”时,?c
的增益下降不多； ?s为比特,1”时,?c的增益下降较多。也就是说，当 ?s为比特,0”时，
?c的光功率电平处于较高状态； ?s为比特,1”时,?c的光功率电平处于低电平状态。由
于增益饱和，波长 ?s处的光信号转换成波长为 ?c处的反相的光信号。若在 SOA的输出端
放置一个滤波器，滤除波长为 ?s的光，则滤波器的输出就只有 ?c的光信号，实现了波长
的转换。只是 ?c的信号与原来的光信号反相，需要再进行处理。图 9.6.9 基于 SOA的交
叉增益调制
波长变换器的工作原理
光波长变换器的性能应满足以下要求：大的转换码率（应大于 10Gb/s）；低的输入功率；
宽的输入 /输出波长范围；高的消光比；小的啁啾；对输入偏振不敏感；低成本等。
图 9.6.9 基于 SOA的交叉增益调制
波长变换器的工作原理
本 章 小 结
光纤网络种类繁多, 本章介绍了光纤网络的发展史和网络的种类, 拓扑
结构 。 对光纤网络的设计给出了初步的功率预算方法；在此基础上, 对
光纤接入网, 光同步数字传送网以及 WDM全光网着重进行了介绍 。
