1.2 传统光传输网技术

对传统光传输网技术的深入阐述不是本书的重点，因此本章仅对运营商网络中涉及的传统光传输网技术进行简单介绍。

1.2.1 光缆网

1．光缆

光缆（Optical Fiber Cable）是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤作为传输媒质，用以实现光信号传输的一种通信线路，多适用于室外场景。光缆一般由缆芯、加强钢丝、填充物和护套等几部分组成，另外根据需要还有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。缆芯主要由光导纤维（细如头发的玻璃丝）和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆内没有金、银、铜、铝等金属，一般无回收价值。

目前社会正处于互联网信息时代，声音、图像和数据等信息的交流量非常大，而光缆网以其众多优点得到广泛应用，这些优点包括通信容量大、中继距离远、抗电磁干扰、体积小、质量轻、原材料丰富等。除此之外，光缆还具有易于均衡、抗腐蚀、不怕潮湿的优点，因而经济效益非常显著。

2．光缆路由

光缆路由是通信网络中用于承载光缆线路的支撑设施，根据外部环境和设施的不同可分为管道路由、直埋路由、架空路由、室内路由和水底路由等。这5种不同特性的物理路由作为承载通信线路的基础，串联起了整个通信网络。

（1）管道路由

管道路由是由人孔、手孔、引上管和管道四部分组成的物理路由，一般在城市地区采用，具有安全性高、灵活性强、容量大、造价高等特点，是目前敷设通信线路的最主要的方式。线缆通过逐段穿过人井孔的方式敷设，井间距一般为50~100m，由于管道密闭性强、安全性高，因此对线路护层没有特殊要求，无须铠装。制作管道的材料可根据地理选用混凝土、石棉水泥、钢管、塑料管等。管道路由承载的线路一般容易受到外力施工和鼠咬的破坏。

（2）直埋路由

直接埋设在地下的线路路由称为直埋路由，直埋路由主要由硅管、手井和预埋壕沟三部分组成，一般在山区、农田使用，安全性较高、灵活性差、造价中等，主要用于长途光缆的敷设。要求敷设的线路外部有钢带或钢丝的铠装（或加套硅管），这样可以抵抗外界机械损伤和防止土壤腐蚀。根据土质和环境的不同，地下深度一般为0.8~1.2m。承载的线路容易受到水利农田施工或自然灾害（如塌方）等的破坏。

（3）架空路由

架空路由包括水泥杆、吊线和挂钩等部分，一般在非城市地区使用，具有建设周期短、造价低、灵活性高等特点，缺点是安全性低，且部分城市区域不允许设立水泥杆。架空线路裸露挂设在水泥杆上，要求能适应各种自然环境，易受台风、冰凌、洪水等自然灾害的威胁，也容易受到外力和本身机械强度减弱等影响，因此架空线路的故障率高于直埋路由和管道路由。

（4）室内路由

室内路由由楼道竖井、楼道PVC管和墙外挂钩等部分组成，一般用在建筑物内的线路敷设，主要用于线路入户。

（5）水底路由

水底路由主要由水底特殊光缆和水底喷沟组成，主要用于河流、湖泊和滩岸等特殊的地理环境。水底光缆必须采用钢丝或钢带铠装的结构，护层的结构要根据河流的水文地质情况综合考虑。例如，在石质土壤、冲刷性强的季节性河床中，当光缆遭受磨损或拉力大时，需要粗钢丝做铠装，甚至要用双层的铠装。施工的方法也要根据河宽、水深、流速、河床、河床土质等情况选定。水底光缆的敷设环境条件比直埋光缆严峻得多，修复故障的技术和措施也困难得多，所以对水底光缆的可靠性要求也比直埋光缆高。

3．光缆网的结构

光缆网主要由长途干线网和本地城域网构成。根据连接对象和承载业务区域的不同，长途干线网的光缆称为长途干线光缆，包括省际光缆和省内光缆；本地城域网的光缆称为本地光缆，包括中继光缆、主干光缆和配线光缆，如图1-1所示。

（1）长途干线光缆网络

长途干线光缆网络是指由省与省之间、市与市之间连接的长途光缆组成的网络，具有线路长度长、承载系统多、传输速率高等特点，承载着电信运营商固网、移动网的全业务语音、数据、图像等信息。长途干线网络呈网状结构，局站与局站之间主要以点到点的形式连接，一旦中断，影响面极大。

由于承载的业务很重要，光缆网络的维护主要以“预防为主、抢修为辅”的思路开展工作。日常需要做好长途线路巡回、隐患处理、日常维修、护线宣传、路由标识等预防性工作，同时新建局站之间的备用光缆作为调度路由，重要光缆段落可以通过加建光自动保护设备的方式，实现光缆中断后承载系统的自动切换，以进一步提高光缆的安全性。

长途光缆按是否跨省可分为以下两类。

·省际光缆：跨省、直辖市、自治区，承载着省际长途业务、Internet国家干线业务的长途光缆。

·省内光缆：省内跨地市，承载着各长途局（地市）间业务的长途光缆。

（2）本地城域光缆网络

本地城域光缆网络是在一个城市范围内所建立的光缆网络，由数量庞大的本地光缆连接构成，主要承载城市间传送的业务信息。本地城域光缆网络结构复杂，不同场景下会采用不同的网络结构，比如中继光缆多为环形结构，主干光缆有环形和混合型结构，配线光缆有星形、总线型和树形结构等。

城域光缆网由于网络规模大、结构复杂，容易受市政工程影响发生光缆中断事故，在网络维护上主要以“防抢结合”的思路来开展工作。日常需要做好中继重要光缆的预防性维护工作，重点保障好城域光网环，针对承载的重点客户在重点时段做好专项保障，提高客户感知度。

城域光缆按层级不同可分为以下3类。

·中继光缆：本地局用局站到长途局站相应光配线架之间的通信光缆线路。可实现本地核心节点、区/县中心节点与长途节点之间大颗粒宽带业务的传送。

·主干光缆：从局用局站的光配线架出发，末端终结于一个或多个光交接设备（一级分光器或用户终端设施、接入局站的光纤配线架（ODF，Optical Distribution Frame））的通信光缆线路，可实现区/县中心节点以下各个片区的多种业务的传送和汇聚。

·配线光缆：从光缆交接箱（或分纤箱、接入间的ODF）出发，末端终结于一个或多个用户终端设施（如光终端盒、接入间的ODF等）的通信光缆线路。配线光缆在本地光缆中数量最多，用于进行带宽和业务的分配，实现用户的接入。

1.2.2 准同步数字系列（PDH）

准同步数字系列（PDH）是对标准速率相同但允许一定容差的支路信号采用正码率调整，使各支路信号达到同步，然后对已调整好的信号进行复接。为了保证通信的质量，要求不同节点时钟的差别不能超过规定的范围。因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步，所以叫作“准同步”。

接口方面只有地区性的电接口规范，不存在世界性标准，现有的准同步数字信号序列有3种信号速率等级：欧洲系列、北美系列和日本系列。我国采用的是欧洲系列，3种信号系列的电接口速率等级如图1-2所示。没有世界性标准的光接口规范，各个厂家采用自行开发的线路码型。

PDH采用异步复用方式，从PDH的高速信号中不能直接分/插出低速信号，而要一级一级地进行。例如，从140Mbit/s的信号中分/插出2Mbit/s低速信号要经过如图1-3所示的过程。

从图1-3中可以看出，在将140Mbit/s信号分/插出2Mbit/s信号的过程中使用了大量的背靠背设备，不仅增加了设备的体积、成本、功耗，还增加了设备的复杂性，降低了设备的可靠性。另外，PDH处理时延极大，在低时延网络中应尽量少采用。

1.2.3 同步数字系列（SDH）

同步数字系列（SDH）是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体，并由统一网管系统操作的综合信息传送网络。针对PDH几乎没有进行操作维护管理（OAM，Operation Administration and Maintenance）工作的开销字节，也没有统一的网管接口等缺点，SDH技术做了很大的改进。

1．SD H技术介绍

（1）SDH信号STM-N的帧结构

STM-N的帧是以字节（1Byte=8bit）为单位的矩形块状帧结构，如图1-4所示。

从图1-4中可以看出，STM-N的信号是9行270×N列的帧结构，N的取值与STM-N一致（取值为1、4、16、64、256），表示此信号由N个STM-1信号通过字节间插复用而成。STM-1信号是9行270列的块状帧。

STM-N的帧结构由三部分组成：段开销——包括再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）、管理单元指针（AU-PTR）、信息净负荷（Payload）。

（2）SDH的复用结构和步骤

低速支路信号复用成STM-N信号需经过3个步骤：映射、定位、复用。

映射是在SDH网络边界处将支路信号适配进虚容器（VC）的过程。各种速率（如140Mbit/s、34Mbit/s、2Mbit/s）信号先经过码速调整分别装入各自相应的标准容器中，再加上相应的低阶或高阶的通道开销形成各自相对应的虚容器。

定位是指通过指针调整，使指针的值指向低阶VC帧的起点（在TU净负荷中）或高阶VC帧的起点（在AU净负荷中）的具体位置，使接收端能据此正确地分离相应的VC。

复用是将多个低阶通道层的信号适配进高阶通道层，或把多个高阶通道层信号适配进复用层的过程，复用也就是通过字节交错间插方式把TU组织进高阶VC或把AU组织进STM-N的过程。

我国的光同步传输网技术体制规定以2Mbit/s信号为基础的PDH作为SDH的有效负荷，并选用AU-4的复用路线，如图1-5所示。从图中可以看到，此复用结构包括一些基本的复用单元：容器（C），虚容器（VC），支路单元（TU），支路单元组（TUG），管理单元（AU），管理单元组（AUG）。这些复用单元后的标号表示与此复用单元对应的信号级别。

2．SD H网络组网

（1）SDH基本网络拓扑结构

SDH网元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、数字交叉连接设备（DXC）、再生中继器（REG）等，不再像PDH那样只有点到点的链状组网方式，而是有了更丰富的网络拓扑，各种网络拓扑如图1-6所示。

（2）常用网络拓扑结构

目前用得最多的网络拓扑结构是链形和环形，如图1-7和图1-8所示，它们可灵活组合构成更加复杂的网络。

3．SD H网络保护

（1）光纤线路自动切换保护装置

光纤线路自动切换保护装置（OLP，Optical Fiber Line Auto Switch Protection Equipment）由光线路保护设备和操作维护终端组成，主要用于组建无阻断、高可靠、安全灵活的光通信网。其工作原理为：光线路保护设备中的光开关对主/备用路由光信号的强弱进行实时监测，当主用路由的光缆质量劣化或中断，导致光信号变弱或中断时，光开关可在50ms内将主用路由切换至备用路由，从而避免业务中断。实际应用中，可使用色散补偿模块（DCM，Dispersion Compensator Module）和掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier）使主、备用纤芯的传输性能尽可能一致。

（2）链形网1+1（或1∶N）MSP的线路保护倒换

如图1-9所示，1+1（或1∶N）复用段保护（MSP，Multiplex Section Protection）只能保护链路，而无法保护节点的失效，业务恢复时间少于50ms。

（3）SDH环形网保护

SDH环形网保护通过SDH环形组网及保护状态、保护指令的传递，实现系统级别的保护，工作原理如图1-10所示。当B、C节点间的两根光纤同时被切断时，B节点与C节点的倒换开关将S1/P2光纤与S2/P1光纤接通。在B节点，将从A节点进环沿S1/P2光纤送来的业务信号时隙转移到S2/P1光纤的保护时隙，沿S2/P1光纤传送到C节点。在C节点，将从本节点进环沿S2/P1光纤送出的业务信号时隙转移到S1/P2光纤的保护时隙，沿S1/P2光纤传送到A节点。

（4）SNCP

子网连接保护（SNCP，Sub-Network Connection Protection）是一种1+1方式采用单端倒换的保护，主要用于对跨子网业务进行保护，具有双发选收的特点，不需传递倒换协议，如图1-11所示。从保护形式上看，可以认为它是通道保护的扩充。当工作子网连接（或网络连接）失效或性能劣于某一必要水平时，工作子网连接将由保护子网连接代替。SDH和DWDM、OTN都可以采用SNCP方式对业务进行保护。

1.2.4 基于SDH的多业务传送平台（MSTP）

1．MSTP技术的引入

面对电信业务的加速数据化，标准SDH业务已经难以满足IP化的要求，基于SDH网络发展出来的多业务传送平台（MSTP）技术应运而生。

MSTP是一种基于同步数字体系（SDH）的多业务传输平台，能够为多种形式的网络业务提供支持，同时实现时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）、异步传输模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）、以太网等业务的接入、处理和传送，并提供统一的网管能力。MSTP设备综合以太网业务、ATM数据业务和TDM业务，具有SDH处理功能、ATM处理功能及以太网处理功能，其功能模型如图1-12所示。

2．MSTP的关键技术

（1）级联

以太网接口映射到SDH虚容器有连续级联和虚级联两种方式。连续级联通过融合多个负荷容器，形成更大容量，不过n个VC-N必须地址相邻，因此带宽分配不够灵活。虚级联使用复帧标识和序列号码，通过虚级联结合多个VC组成一个更大的管道传送信号，无须虚容器相邻。

（2）GFP

通用成帧规程（GFP，Generic Framing Procedure）是一种链路层标准，它定义了在链路中传送长度可变的数据分组和固定长度的数据块的数据适配方法。GFP一方面通过对各种数据信号进行透明的封装，可以实现多厂商设备之间的互联互通，另一方面通过引进“多服务等级”的概念，可以实现用户数据统计复用和服务质量（QoS，Quality of Service）的保证。

GFP采用不同的业务数据封装方法对不同的业务数据进行封装，有通用成帧规程分帧映射（GFP-F）模式和透传（GFP-T）模式两种。GFP-F模式用于以效率和灵活性为主的连接，成帧器在接收到完整的一帧后才进行封装处理，可用来封装长度可变的分组或以太网帧。GFP-T模式处理固定帧长度或恒定比特速率，码流处理无须等待完整帧的接收。GFP-F和GFP-T在帧结构方面完全相同，所不同的是帧映射的净荷长度可变，GFP-F的长度为4~65 535Bytes，而GFP-T的帧长为固定值。GFP是一种通用的适配机制，可以很好地支持多种业务。GFP封装具有效率高、更可靠等优势，而且还提供了一个与协议无关的传输层，有利于传输网络的演进发展。

（3）LCAS

链路容量调整机制（LCAS，Link Capacity Adjustment Scheme）可以在不中断业务数据流的情况下，通过自适应所承载业务的带宽动态调整链路容量。LCAS基于双向协议，收发节点之间能实时交换状态。在网络管理系统的控制下，LCAS通过动态调整虚级联组的VC业务实现业务带宽的动态“伸缩”，例如：当一部分成员失效时，链路保证其他正常的成员仍能正常传输数据，同时自动将失效成员去除；当失效的成员被修复后，链路能够以远快于手动配置的速度，自动恢复虚级联组的带宽，从而提高了链路对业务的保护能力。

3．MSTP支撑的以太网业务类型

MSTP主要支持以下几种以太网业务类型：以太网专线（EPL，Ethernet Private Line）业务、以太网虚拟专线（EVPL，Ethernet Virtual Private Line）业务、以太网专用局域网（EPLAN，Ethernet Private LAN）业务和以太网虚拟专用局域网（EVPLAN，Ethernet Virtual Private LAN）业务。

（1）以太网透传专线

以太网专线（EPL）业务提供“硬管道”服务，各个用户独占一个VCTrunk，可增强用户数据的安全性和私有性。以太网专线业务包括“点到点专线”和“端到端专线”两大类：“点到点专线”是指在一个MSTP环内的两个节点之间的以太网透传专线业务；“端到端专线”则是指跨MSTP环的两个节点之间的以太网透传专线业务。由于MSTP具有点到点、独占硬管道、QoS高、开通业务迅速、充分利用现有网络带宽资源等特点，在同一个MSTP环中，两个公司的端到端专线可通过不同VC通道的管理分配而互不影响，因此非常适合大客户私有专线的业务场景，具体如图1-13所示。

（2）以太网虚拟专线

以太网虚拟专线（EVPL）又可称为虚拟专用网（VPN，Virtual Private Network）专线，其优点在于不同的业务流可共享VC-Trunk通道，使得同一物理端口可提供多条点到点的业务连接，而且各个方向上的性能相同，接入带宽可调、可管理，业务可收敛实现汇聚，可节省端口资源。它用于两用户共享较大的带宽，或错开使用时间时，在费用不变的情况下可获取更高的带宽资源。

EVPL组网实例：如图1-14所示，EVPL透传专线也可用于城域网中企业互联，企业间的数据通过汇聚层传输设备的以太单板按VLAN和端口进行识别、区分，完成透明传送。此业务要求MSTP具有以太网交换功能，使用以太网交换板卡来实现。

（3）以太网专用局域网

以太网专用局域网（EPLAN）也称为网桥服务，网络由多条EPL专线组成，可实现多点到多点的业务连接。接入带宽可调、可管理，业务可收敛、汇聚。优点与EPL类似，在于用户独占带宽、安全性好。

EPLAN组网实例（校园网）：校园网的特点是数据流向复杂，点到点业务连接的流量变化大，而且部分业务需要实现汇聚。校园网中的各大学通过以太专线互联，构成一个校园专用本地网。利用以太单板的二层交换功能完成相互间的数据传送，对各端口进行速率限制（CAR，Committed Access Rate）和流量控制，满足各种QoS要求。

（4）以太网虚拟专用局域网

以太网虚拟专用局域网（EVPLAN）也称为虚拟网桥服务、多点虚拟专用网络（VPN）业务或虚拟专用局域网业务（VPLS，Virtual Private LAN Service），可实现多点到多点的业务连接。在EVPLAN业务中，业务流基于MAC地址转发，使得两个站点之间不占用物理通路就能形成逻辑上的以太业务连接，因而节省了带宽。虚拟通道还能使多个站点共享SDH环网的同一传输带宽，实现在该共享带宽上的多个站点业务的统计复用。以太网接口的成本低廉，与SDH网络的高效保护结合在一起构建以太环网，通过以太环网，实现透明LAN服务（TLS，Transparent LAN Service），可以在MSTP传输系统中为拥有多个分支机构的大客户提供虚拟局域网的互联业务。

EVPLAN组网示例：图1-15显示了为大公司与各个分部之间提供TLS服务的例子。以太网共享环支持MAC和VLAN交换，基于VLAN为用户提供多服务等级的业务，可以对客户进行限速。此外，还可以实现多个大客户共享一个虚拟通道，通过VLAN ID把大客户安全隔离开。

1.2.5 自动交换光网络（ASON）

1．ASO N技术的引入

SDH/MSTP光纤传输系统在长途通信网、城域通信网和接入网中都有大规模应用，但也存在业务配置复杂、带宽利用率低、保护方式单一等问题。为解决上述问题并进一步提升网络稳健性，一种新型的网络体系——ASON应运而生。ASON由用户动态发起业务请求，自动选路，并由信令控制实现连接的建立、拆除，能自动、动态完成网络连接。在ASON中引入了控制信令，并通过增加控制平面，采用Mesh拓扑结构，支持端到端业务配置和多种业务恢复形式。ASON通过提供路由选择和分级动态保护功能，尽量少地预留备用资源，一方面可以提高网络的带宽利用率，另一方面当网络出现故障时，可以尽快恢复业务。

2．ASO N的总体架构

ASON通常划分为3个平面，即传送平面、控制平面和管理平面。控制平面负责完成呼叫控制和连接控制，通过信令完成连接的建立、释放、监测和维护，并在发生故障时自动恢复连接，使光网络具备了基本的“智能”特性，因而也是ASON最为突出的特点之一；传送平面（即SDH网络）主要完成光信号的传输、复用、配置保护倒换和交叉连接等功能；管理平面负责完成整个系统的维护，以及对ASON进行端到端的配置管理。

传送平面和控制平面被划分为多个与相关网络管理域相匹配的子域。同一网络管理域中，在管理平面的控制下，相关控制平面和传送平面可被进一步划分为更细化的选路区域。不同子域、选路区域及同一选路区域不同的网络控制组件之间只通过相应的参考点之间的协议接口进行信息交互。不同平面间的关系如图1-16所示。

3．ASO N+SD H网络组网及保护方案

在演进到ASON时，组网方式以网孔型Mesh为主。ASON可以基于G.803规范的SDH传送网实现，也可以基于G.872规范的光传送网实现，因此，ASON可与SDH传送网络混合组网，相应的组网如图1-17所示。

（1）Mesh组网及保护方案

Mesh组网是ASON的主要组网方式之一，具有灵活、易扩展的特点。由于Mesh组网不需要预留50%的带宽，因而在提供动态路由恢复功能的同时，也节约了宝贵的带宽资源。传统的1+1保护只能抗一次断纤，而ASON依靠重路由恢复功能，可抗多次断纤，因而极大地增强了网络的可靠性。

Mesh组网中一般存在以下两种保护和恢复方式。

·路径保护恢复：就是当业务路径出现故障时，为了达到保护业务的目的，预先或实时重新计算一条ASON内端到端的路径并实现倒换。

·链路保护恢复：就是当业务路径出现故障时，只重新计算并倒换中断段落的局部路径，其余路径不变。

（2）网络恢复机制

ASON的保护机制主要有如下几种。

·1+1保护：提供专用的保护通道，源节点双发业务和宿节点选收业务，保护时间在50ms以内。

·重路由策略：分实时动态重路由和预置静态重路由。实时动态重路由是指工作路由中断后，故障节点根据当时的网络资源情况实时计算出恢复路由，同步将业务切换到恢复路由上；预置静态重路由则是指发生故障前就在预置表中为业务预置了恢复路由。发生故障时，可以从预置表中实时调用恢复路由，对业务进行切换。

（3）网络恢复方法

网络恢复方法可分为集中式恢复方法和分布式恢复方法。

集中式恢复方法中，网络由集中控制系统（通常为网管系统）进行全面控制。网管系统中存储着包含网络中所有节点、链路和空闲容量信息的网络数据库。当某些链路或节点失效时，故障信息经其他可用路由自动上报给网管系统，然后网管系统根据网络数据库中的信息计算出替代路由，并向各个节点下发控制命令，从而建立新的路由，使网络恢复正常运行。

分布式控制方法无须统一集中控制系统。当网络中的某些链路或节点失效时，相邻节点会检测到故障，并向全网广播故障信息，所有经过此链路或节点的标记交换路径（LSP，Label Switching Path，即智能业务经过的路径）会自动发起重路由，从而建立新的LSP，使网络恢复正常运行。

（4）业务类型

从保护的角度将业务分成多种级别，可以更灵活地满足不同用户的多种需求。

·钻石业务：提供永久1+1保护，保护时间为0~50ms。

·金级业务：提供1∶1保护和重路由恢复，保护时间为0~50ms；恢复时间为100ms至数秒。

·银级业务：实时自动重新计算路径，恢复时间为100ms至数秒。

·铜级业务：不提供保护。

·铁级业务：在网络资源紧张的情况下，能被更高级别的业务抢占。

1.2.6 波分复用（WDM）系统

波分复用技术利用一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把单模光纤低损耗窗口的波长范围划分成若干个波段，再将每个波段作为一个独立的通道，实现一种预定波长光信号的传输。WDM的本质是在光纤上进行光频分复用以达到扩充信道容量的目的。与单信道系统相比，WDM技术不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，并且具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，因此获得了广泛的应用。

1．密集波分复用（D W D M）系统

密集波分复用（DWDM）系统通常是指波长间距较小，光纤的低损窗口可以密集排布几十个波道的波分系统。通常使用光纤的1550nm窗口，由于波长间隔很窄，对激光器的谱宽要求很高。

（1）DWDM系统的构成

DWDM系统主要由发送和接收光终端复用器（OTM，Optical Terminal Multiplexer）与光线路放大器（OLA，Optical Line Amplifier）组成，如果按组成模块来分，则有光转换单元（OTU，Optical Transform Unit）、波分复用器或分波/合波器（ODU/OMU，Optical Demultiplexing Unit/Optical Multiplexing Unit）、光放大器（BA/LA/PA）、光监控信道（OSC，Optical Supervisory Channel）。

光转换单元将非标准的波长转换为符合ITU-T规范的标准波长，应用光/电/光（O/E/O，Optical/Electrical/Optical）的转换过程，即先把接收到的光信号转换为电信号，然后该电信号对标准波长的激光器进行调制，从而得到新的光波长信号。

波分复用器可分为发送端的光合波器和接收端的光分波器。光合波器在传输系统的发送端，有多个输入端口和一个输出端口，将多个不同预选波长的光信号合成一路复用的光信号输出。光分波器在传输系统的接收端，正好与光合波器相反，具有一个输入端口和多个输出端口，可将复用光信号的多个不同波长的信号分离开来。

光放大器可以对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的特性。目前实用的光纤放大器主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（OFRA）等，其中EDFA以其优越的性能，作为前置放大器、线路放大器、功率放大器被广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统中。

光监控信道是为监控WDM的光传输系统而设立的。对于光监控信道信号，ITU-T建议优先采用1510nm波长，OSC光信号速率为2Mbit/s。OSC信号采用低速率可以保证较高的接收灵敏度，当波分系统的光功率降至-48dBm时仍能正常工作。保证高接收灵敏度还需要优化OSC在系统光路中的接入点，光接收端侧在EDFA之前下光路，发送端侧在EDFA之后上光路。

（2）DWDM系统模式

DWDM通常有开放式DWDM和集成式DWDM两种模式，根据工程的需要可以选用不同的应用形式。在实际应用中，目前国内主要使用开放式DWDM系统。

开放式DWDM系统的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要求这些接口符合ITU-T建议的光接口标准。DWDM系统采用波长转换技术，将复用终端的光信号转换成指定的波长，不同终端设备的光信号转换成不同的符合ITU-T建议的波长，然后进行合波。

集成式DWDM系统没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号的波长符合DWDM系统的规范，不同的复用终端设备发送不同的符合ITU-T建议的波长，这样它们在接入合波器时就能占据不同的通道，从而完成合波。

（3）DWDM网络组网

DWDM的组网方式一般为链状和环状，分别如图1-18和图1-19所示。

2．稀疏波分复用（CWDM）系统

稀疏波分复用（CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing）系统的波长间隔通常较大，使用1260~1620nm的波段低损窗口。CWDM系统与DWDM系统的区别主要有以下两点。

①CWDM载波通道间距较宽，因此一根光纤上可复用2~40个波长的光波，“稀疏”与“密集”的称谓就由此而来。

②CWDM调制激光采用的是非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光需要冷却技术来稳定波长，实现起来难度很大，成本很高。CWDM系统采用的激光器不需要冷却，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统的成本只有DWDM系统成本的30%。

相对于DWDM系统，CWDM系统在提供一定数量的波长和100km以内的传输距离的同时，大大降低了系统的成本，因此CWDM系统主要应用于城域网中。CWDM用低成本提供了高接入带宽，适用于短距离、高带宽、接入点密集的通信场合。

但CWDM系统不可避免地存在一些性能上的局限，主要存在以下问题。

①没有全波段的放大器，每隔80km左右就需要电中继，而DWDM系统可实现无电中继2000km，所以传输距离增加时，CWDM系统的成本急剧上升。

②CWDM系统在单根光纤上支持的复用波长个数较少，扩容成本高。

1.2.7 光传送网（OTN）

光传送技术是一种以波分复用技术为基础、统一管理传统的电域和光域的技术。

1．OTN分层结构

OTN在垂直方向上分为光通路（OCh，Optical Channel）层网络、光复用段（OMS，Optical Multiplex Section）层网络和光传输段（OTS，Optical Transmission Section）层网络3层。

OTS是在接入点之间通过光传输段路径提供光复用段传送的层网络，是OTN设备通过传统的WDM设备中的光放大器件提供光传输段路径的物理载体。简单来说，两个光放大器之间构成了光传输段。OTS定义了物理接口，包括频率、功率和信噪比等参数，转化为OMS层适配信息和特定的OTS路径终端管理/维护开销进行传送。

OMS是在接入点之间通过光复用段路径提供光通道传送的层网络，在系统中体现为光波长复用/解复用子系统，即在合/分波器之间构成光复用段。

OCh为OTN的核心，是OTN的主要功能载体，OCh层网络通过光通路路径实现接入点之间的数字客户信号传输。

OCh层网络可以被划分为3个子层网络：光通路（OCh）子层网络、光通路传送单元（OTUk）子层网络和光通路数据单元（ODUk）子层网络。

对客户信息完整的适配和传送过程如下。

①OPUk和客户信号速率进行适配后形成OPUk净负荷，加上OPUk开销形成OPUk帧信号。

②ODUk信号净负荷就是OPUk帧信号，加上ODUk相关开销。ODUk是适配客户信息在光通路上传送的信息结构，用于实现客户信号数据单元的传送。

③OTUk信号中净负荷是光通路数据单元ODUk，加上OTUk相关开销（FEC和光通路连接管理开销），形成OTUk帧信号。

④OCh是把支持维护功能信息的开销添加到OTUk中，当OCh信号组合和拆分时，OCh开销信息会被终结取出。可以简单理解为波道通道就是OCh通道。

OTUk和OPUk的容量由k划分，k＝0,1,2,2e,3,4,flex。ODUk子层支持复用功能，可实现不同层次（k值）ODUk的信号复用。

OTN中另一个重要的设备是OTN电交叉设备，主要用于完成ODUk级别的电路交叉功能，为OTN提供灵活的电路调度和保护能力。OTN电交叉设备可以独立存在，对外提供各种业务接口和OTUk接口，可类比于大容量的SDH设备；也可以与WDM终端复用功能集成在一起，除了提供各种业务接口和OTUk接口以外，还提供光复用段和光传输段功能，支持WDM传输。OTN电交叉设备的功能模型如图1-20所示。

2．OTN的优势

引入OTN后，传输承载网在通道性能、故障监测和大颗粒业务开通等方面明显有了WDM系统不可比拟的优势。

①在WDM系统中引入OTN接口，实现对波长通道端到端的性能和故障监测。

②引入OTN交叉设备实现WDM系统业务接口和线路接口的分离（支线路分离），满足业务网络和传送网独立演进和发展的需求，降低网络建设成本。

③通过引入OTN交叉连接设备，实现大颗粒波长通道业务的快速开通，提高业务响应速度。引入基于OTN的保护和恢复机制，可以提高骨干传送网的可靠性，降低网络维护成本。

因此，OTN主要用于提供高质量的1Gbit/s及以上速率的电路，包括出租专线业务和具有质量要求的数据业务（如IPTV、CN2等）的承载电路。同时，采用OTN承载上层网络的1Gbit/s及以上速率的子波长级中继电路，可达到节省网络资源（光纤或波道）的目的。

3．OTN网络技术演进、业务承载及保护方案

（1）网络技术演进

图1-21展示了传输骨干网从SDH组网到SDH+DWDM组网，再到OTN的发展历程。

（2）业务承载方案

几种业务承载方案介绍如下。

·宽带业务承载：OTN支持GE到100GE端口转换，实现城域网内部及骨干网互通，支持ODUk上传送、实现通道热备、波长透传。

·移动业务承载：OTN可以和PTN/IPRAN混合组网，PTN/IPRAN接入环实现基站接入，通过OTN大带宽上联核心网。

·专线业务承载：OTN支持1Gbit/s、2.5Gbit/s、10Gbit/s、40Gbit/s、100Gbit/s及非标带宽等全颗粒、高QoS、高安全性大客户专线业务传送。OTN承载的3种业务如图1-22所示。

（3）OTN的网络保护功能

OTN的网络保护主要采用ODUk的1+1保护，即一个单独的工作信号由一个单独的保护实体进行保护，信号采用双发选收方式，保护倒换动作只发生在宿端，在源端进行永久桥接，倒换时间通常在50ms以内。ODUk 1＋1保护支持单向和双向倒换，同时支持可返回与不可返回两种操作类型，并允许用户进行配置。相应的原理如图1-23所示，图中工作传送实体是指承载业务的主用通道，保护传送实体是指备用的保护通道。

1.2.8 IPRAN

1．IPRAN定义

无线接入网（RAN，Radio Access Network）的作用是提供无线基站和核心网之间稳定、高效的承载和回传网络，IPRAN指的是基于网际协议（IP）的无线接入网。

在2G和3G时代，RAN主要承担基站收发台（BTS，Base Transceiver Station）和基站控制器（BSC，Base Station Controller）之间的承载，通常采用多业务传送平台（MSTP，Multi-Service Transport Platform）等传输技术组网。到了4G时代，无线基站已经实现了全IP化，此时就需要一种更加贴近IP传输模型的RAN，组网要求宽带化、扁平化、IP化、以太化基站的接入能力，并提供高可靠、大容量的基站回传流量的承载能力。而IPRAN以IP及多协议标记交换（MPLS，Multi-Protocal Label Switching）标准体系为基础，同时支持丰富的路由协议、动态转发、L3VPN、组播等动态网络部署，这些能力既满足了无线演进和基站回传流量的承载需求，同时也兼顾了向业务承载网络提供二、三层通道的能力，因此在4G和“光网城市”建设的过程中获得了广泛应用。

2．IPRAN的网络架构

IPRAN通常由接入层、汇聚层、核心层及移动云引擎（MCE，Mobile Cloud Engine）层组成。A设备和B设备分别组成了IPRAN的接入层和汇聚层。核心层包括城域核心层和省核心层，汇聚ER（Edge Router）、城域ER组成了城域核心层，而省核心层由省级ER组成。MCE层由BSC CE（Customer Edge，用户网络边缘设备）、EPC CE和MCE等网元组成，具体网络架构如图1-24所示。

3．IPRAN业务承载方案和保护方案

IPRAN业务承载通常采用伪线（PW，Pseudo-Wire）+L3VPN方案，个别场景会采用CE+L3VPN方案。

PW+L3VPN组网方案的特点是基站单播业务在IPRAN接入层采用PW承载，在核心层采用L3VPN进行承载，具体承载方案如图1-25所示。

在路由组织上，为保证路由层面的安全性，IPRAN接入层、汇聚层与IPRAN核心层采用了不同的IGP路由进程，并启用MPLS协议。B设备同时属于多个IGP域，核心与接入的IGP路由相对隔离，不进行路由的相互注入，B设备同属于接入层汇聚层的MPLS域和IPRAN核心层的MPLS域。IPRAN接入环IGP采用OSPF协议，汇聚环IGP则采用ISIS协议，所有设备均工作在二层网络（Level2）模式。B设备启用MP-BGP，与RAN ER和CE在同一个MP-BGP域内，比照PE进行部署，提供L3VPN业务的接入。

在业务承载上，基站业务通过GE链路接入A设备，A设备分别建立到两台B设备的冗余PW，B设备终结PW并进入L3VPN。两台B设备分别作为三层网关，提供基站业务的双网关保护。在L3VPN的保护上，通常会采用非联动方式进行。B设备以上通过L3VPN进行业务承载，启用MP-BGP。

在业务保护上，除了采用环网保护和双节点保护外，还会采用如下技术和策略进行网络级保护。

①A-B链路：采用PW保护+LSP保护。

②B设备：采用PW保护+VPN保护。

③B-ER：采用VPN保护+LSP保护。

④CE：采用VPN保护+网关保护。

1.2.9 分组传送网（PTN）

1．PTN定义

分组传送网（PTN，Packet Transport Network）是针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计的，以分组业务为核心，支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道，具备适应各种粗细颗粒业务的端到端组网能力。PTN由于具有更低的总体拥有成本（TCO，Total Cost of Ownership），同时又继承了光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的操作维护管理（OAM），因而又被看作一种更适合IP业务特性的“柔性”传输管道。

PTN有两种主要的实现技术：一种是从IP/MPLS技术发展来的多协议标签交换传送应用（MPLS-TP，Multi-Protocol Label Switching Transport Profile）技术，另一种是从传统以太网发展而来的运营商骨干桥接（PBB，Provider Backbone Bridge）技术和支持流量工程的运营商骨干桥接（PBB-TE，Provider Backbone Bridge-Traffic Engineering）技术。

2．PTN的网络架构

PTN通常由接入层、汇聚层和核心层组成。根据接入业务的不同，将设备分为L2设备、L2-L3设备和L3设备。其中L2设备仅接入二层业务，一般部署在接入层和汇聚层；L2-L3设备既接入二层业务又接入三层业务，一般部署在核心层；L3设备仅接入三层业务，部署在核心层。具体架构如图1-26所示。

3．PTN业务承载和保护方案

PTN业务承载方案包括：静态L2VPN+静态L3VPN、静态L2VPN+动态L3VPN、动态L2VPN+动态L3VPN。其中，静态L2VPN+动态L3VPN方案在实际应用中较为常见。

在静态L2VPN+动态L3VPN业务承载方案中，L2节点和L2-L3节点之间配置静态L2VPN业务；L2-L3节点和L3节点之间配置动态L3VPN业务。L2-L3节点上通过配置虚拟以太网（VE，Virtual Ethernet）接口组，实现L2VPN接入L3VPN的功能。VE接口组仅存在于L2-L3设备上，一个VE接口组包括一个L2VE接口和一个L3VE接口。L2VE接口即二层以太网虚接口，L3VE接口即三层以太网虚接口。L2VE接口作为L2业务的UNI；L3VE接口上则配置有一个或多个VLAN汇聚子接口，这些VLAN汇聚子接口用作L3业务的UNI。通过创建VE组，即可实现L2业务和L3业务在同一个L2-L3设备上的交换。

在业务保护上，除了采用环网保护外，运营商通常还会采用如下技术和策略。

①L2VPN：通过PW OAM检测设备或链路故障，并使用基于PW的自动保护切换（APS，Automatic Protection Switching）和跨设备的链路聚合（M-LAG，Multi-chassis Link Aggregation Group）来进行双归保护。

②L3VPN：Tunnel APS 1:1用于保护L3VPN内部链路；VPN快速重路由（FRR，Fast Reroute）用于保护双归设备。通过Tunnel OAM检测链路或设备故障。

1.2.10 无源光网络（PON）

1．无源光网络定义

无源光网络（PON，Passive Optical Network）技术是为了支持点到多点的应用发展起来的光接入技术，由光线路终端（OLT，Optical Line Terminal）、光网络单元（ONU，Optical Network Unit）/光网络终端（ONT，Optical Network Terminal）和光分配网络（ODN，Optical Distribution Network）组成。对ONU与ONT的理解可以结合以下场景，譬如在FTTB（光纤到楼）场景下，一般运营商会在楼道内的单元箱放置一台8/16个接口的ONU设备，一个ONU内有8/16个ONT，每个ONT再通过楼内的网线连接至各个用户；而在FTTH（光纤到户）场景下，运营商则是将一个1:8或1:16的分光器放置在楼道内的单元箱里，再通过楼道内的皮线光纤接至各个用户，每个用户端接一个ONT。因此可以把ONT理解为只有一个接口的ONU。而ODN则是对由光纤、分光器等无源器件组成的网络的统称，它具有以光纤为传输媒质、高接入带宽、全程无源分光传输等特点。

目前常用的以太网无源光网络（EPON，Ethernet PON）和吉比特无源光网络（GPON，Gigabit-Capable PON）采用单纤波分复用技术，下行波长为1490nm，上行波长为1310nm，视频CATV业务承载可选用1550nm波长。上行数据传输模式为时分复用（TDMA，Time Division Multiple Access）方式，各ONU上行数据分时发送，发送时间与长度由OLT集中控制。下行数据采用广播模式发送，每个ONU根据下行数据的标识信息（LLID）接收属于自己的数据，丢弃其他用户的数据。

PON的业务码流下行采用广播模式，在每一个以太网帧前添加一个LLID（每个ONU注册后会分配一个唯一的LLID），替代以太网前导符的最后两个字节（不改变原有帧结构），ONU接收数据时，仅接收符合自己的LLID的帧或者广播帧，保证信息隔离安全，其下行工作原理如图1-27所示。

业务码流的上行采用时分复用（TDMA）方式，任一时刻只能有一个ONU发送上行信号，不同的ONU分配不同的时间片，轮流发送上行数据。每个ONU发送上行数据的时间片可以是动态的，时间片的大小和多少在宏观上表现为带宽的大小。同时，发送上行数据时，由于数据速率非常高，系统对同一OLT下挂的不同ONU由于到OLT的距离不同而产生的细微的时延要予以考虑，所以OLT必须具备测距功能。其中，OLT产生时间戳消息，用于系统参考时间，通过MPCP帧指配带宽，进行测距操作和控制ONU注册，其上行工作原理如图1-28所示。

2．PON的网络结构

光线路终端（OLT）是整个无源光网络的核心设备，位于局端，向上提供的是接入网与核心网/城域网的高速接口，向下提供的是面向无源光纤网络的一点对多点的PON口。光网络终端（ONT）则位于用户端，主要用于实现数据和话音业务的接入。光纤分配网络（ODN）由光缆及无源光分路器组成，一个PON口的光纤传输带宽可通过光分路器由多个光网络单元共享，如图1-29所示，其中ODN在OLT和ONU间为用户提供光纤通道。

3．PON技术分类和比较

xPON是指利用无源光网络，采取不同的封装和传送技术的一类技术的统称，其中的x是泛指，主要包括基于ATM的无源光网络（APON，ATM Passive Optical Network）、宽带无源光网络（BPON，Broadband Passive OpticalNetwork）、以太网无源光网络（EPON）和吉比特无源光网络（GPON），目前常用的是EPON和GPON技术，并发展出了10Gbit/s EPON和xGPON技术。

（1）EPON

EPON的标准出自网络厂家为主的IETF，其优势是采用以太网封装和传送技术，可以支持1.25Gbit/s的对称速率，同时具备无源光网络结构和以太网低成本的优势，具有完整、成熟的产业链。不足之处是虽然能直接承载以太网帧，实现过程简单，但考虑到线路编码、以太网帧封装和开销，EPON的带宽利用率比GPON低30%左右。

（2）GPON

GPON技术源于APON，作为ITU-T的嫡系标准，GPON较IETF更周全地考虑了运营商的诉求，通过采用通用成帧规程（GFP）封装技术，以及扩展支持通用封装方法（GEM，General Encapsulation Methods），可以对任何类型和任何速率的业务进行重组后由PON传输，而且GEM帧头包含帧长度指示字节，可用于可变长度数据分组的传递，提高了传输效率，因此能够更简单、高效地支持运营商的全业务。GPON同样采用上行TDMA（时分复用）和下行广播方式。GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能，其下行最大传输速率可高达2.488Gbit/s，上行最大传输速率达1.244Gbit/s。

（3）10Gbit/s EPON

EPON的演进方向是10Gbit/s EPON对称和非对称两种。将OLT的EPON端口更换为对称/非对称的10Gbit/s EPON端口。EPON和10Gbit/s EPON下行波分共存，上行波长重叠时分共存，10Gbit/s的上行波长是包含在1Gbit/s上行波长范围内的，1Gbit/s和10Gbit/s终端不能同时发送数据。

随着业务种类的增加和业务带宽需求的增长，特别是4K视频和5G前传的需求增长，EPON和GPON的带宽已经不能完全满足要求，因而吉比特超宽带接入已经成为最佳的技术选择，国内各运营商都已在全国范围内开始试点和部署，如某运营商上海分公司从2016年10月下旬提出打造“千兆第一城”到完成千兆宽带的规模部署并开始商业开通，采用的就是10Gbit/s EPON技术。

（4）XG-PON/XGS-PON/TWDM-PON

根据ITU-T的演进路线图，在GPON之后，下一步将进入10Gbit/s PON时代，包括XG-PON和XGS-PON，也称NG-PON 1阶段，其中“S”的含义是对称（Symmetrical）。XG-PON被称为10Gbit/s GPON非对称模式，其下行线路速率为9.953Gbit/s，上行线路速率为2.488Gbit/s；XGS-PON则被称为10Gbit/s GPON对称模式，其下行线路速率为9.953Gbit/s，上行线路速率亦为9.953Gbit/s。而在10Gbit/s PON之后，将会迎来40Gbit/s PON时代，40Gbit/s PON又被称为TWDM-PON，通过叠加多个10Gbit/s PON通道的波，可使线路的上/下行速率达到4通道9.953Gbit/s。由于波长范围窄、光链路预算要求高，因此TWDMPON技术还不太成熟，技术上尚有一些亟待解决的难题，这个阶段也被称为NGPON 2阶段。

（5）各种PON技术指标比较

不同PON技术的速率、分光比等关键指标的比较见表1-1。

各种PON技术所占用频谱的情况如图1-30所示。

4．PON典型应用方案

依据ONU在接入网中所处的位置不同，PON系统有如下几种典型的应用方案，具体如图1-31所示。

①光纤到家庭（FTTH，Fiber To The Home）：利用光纤传输媒质连接通信局端和家庭住宅的接入方式，引入的光纤由单个家庭住宅独享。

②光纤到公司/办公室（FTTO，Fiber To The Office）：利用光纤传输媒质连接通信局端和公司或办公室用户的接入方式，引入的光纤由单个公司或办公室用户独享，ONU/ONT之后的设备或网络由用户管理。

③光纤到楼宇（FTTB，Fiber To The Building）：以光纤替换用户引入点之前的铜线电缆，ONU部署在传统的分线盒（用户引入点）即分配点（DP，Distribution Point），ONU下采用其他介质接入用户。

④光纤到路边（FTTC，Fiber To The Curb）：以光纤替换传统的馈线电缆，ONU部署在交接箱处，ONU下采用其他介质接入用户。

1.2.11 IP网传输承载

IP网骨干层由核心路由器（CR，Core Router）设备组成，城域网核心层由CR和边界路由器（BR，Border Router）设备组成，城域网业务控制层由宽带远程接入服务器（BRAS，Broadband Remote Access Server）/多业务边缘路由器（MSE，Multi-Service Edge Router）/全业务路由器（SR，Service Router）设备组成，宽带接入网由汇聚交换机/数字用户线路接入复用器（DSLAM，Digital Subscriber Line Access Multiplexer）/OLT组成。常见的IP网组网架构如图1-32所示。

1．IP骨干网对传输承载的需求

随着5G时代的来临，IP网络对网络容量的需求呈现爆炸式增长，网络结构也进一步趋向扁平化，原有的传输承载DWDM网络由于组网结构单一，单波带宽仅为2.5Gbit/s、10Gbit/s，已难以满足迅速发展的IP网高容量、快速调度及灵活扩充网络容量的需要，因此运营商的IP网络已大规模迁移到网络结构满足IP骨干网组网需求、能快速灵活扩充网络容量、具备ROADM交叉调度能力的光承载网上。

2．城域网对传输承载的需求

随着移动互联网、PON、IP网和网络域控制器（DC，Domain Controller）的发展，以及上网流量增长和视频用户的快速增长，城域网业务对承载网络的带宽、单节点容量等方面提出了更高的要求，尤其是组网方面必须更加灵活、可扩容性强，并且具有较好的保护能力。因此，城域层面也必须分步骤引入分组增强型OTN，主要实现两个目的：一是结合政企客户话音/视频/组网电路（刚性管道，独享带宽）、政企及公众客户互联网专线电路（柔性管道，共享带宽）的需求，选择同时支持分组/电路型功能的OTN设备，以接入多样化的业务，实现多种类型业务的归一化承载；二是优化基于IP的二层汇聚和路由器逐层上联的传统城域网架构，实现OLT到BRAS/SR/MSE甚至CR的一跳直达，以及对时延敏感型业务（如IPTV视频直播）的分流，从而大大提升客户的感知体验。具体的IP城域承载组网如图1-33所示。