1.1 光纤通信发展过程

光纤通信在过去20多年的时间里，经历了由低速到高速、从准同步数字序列（PDH，Plesiochronous Digital Hierarchy）到同步数字序列（SDH，Synchronous Digital Hierarchy），再到智能光网络的发展历程。单路波道的传输速率已从过去的PDH 8Mbps迅猛发展到了SDH 40Gbps，160Gbps的传输速率正在实验中。由于单一波道传输速率的提升受到诸多因素的限制，为进一步扩大传输容量，光纤波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术得到了大量的应用，现已从过去的8波2.5Gbps迅速发展到256波40Gbps的超大传输容量。目前，光传输领域的主流技术是采用架构在波分复用（WDM）系统之上的SDH传送网络，这两种技术的融合和大量应用有着时代的代表性，今天来看很多标准和做法或多或少带着那个时代的印迹及认知的局限性，经过网络业务的拓展、翻新和新科学技术革命的双重洗礼，传输领域迎来了新一轮的更新换代、竞争和发展。人们对传输网络的复杂性、多样性有了更进一步的认知。为研究光网络的发展历史，加深对新技术应用的理解，下面对SDH和WDM技术进行简要介绍，以揭示光网络发展的历史脉络。

1.1.1 光波分复用（WDM）技术

光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤中同时传输多个波长的光信号的一项技术。这种技术的原理是在发送端将不同波长的光信号组合复接起来，并耦合到光缆线路的同一根光纤中进行传输，即是复用过程；在接收端又将组合波长分解，并进一步处理，恢复出原信号后送入不同波长终端，这一过程称为解复用。这里复用和解复用的全过程被称为波分复用技术。根据波道间隔不同分为粗波分（CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing）和密集波分复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing），通常人们把8波以上光波分复用称为密集波分复用。光波分复用系统组成如图1-1所示。

WDM光传送网从垂直方向上可分解成多个独立的分层网络，其分层网络结构模型如图1-2所示。从功能的角度出发，WDM光传送网可以分为电子层、光层和物理媒介层。电子层包含了电路交换层和电子通道层（EP）。光层则包含了光通道子层（OP）和光段层（OS）。其中，光段层进一步细分为光复用段层（OMS）和光中继段层（ORS）。WDM传送网与SDH传送网的最大不同是在通道层引入了一个新的子层——光通道子层。引入光通道子层后，光交叉连接设备（OXC）可以直接在光域对接高速数据流。DXC （数字交叉连接设备）仅对低等级数字流实现分接和路由，也可以用光通道子层的光分插复用器（OADM）来完成。光通道子层还能完成原来在电子通道子层实现的网络监控和故障恢复等功能。

光通道网络是基于波长路由的，每个光通道通过光波长来进行识别，因此，基于波长路由的光通道处理可以在光域完成。由于采用光信号处理，光通道技术为不同比特率和传输模式（PDH、SDH或ATM）提供了一个统一的光平台。已经提出的光通道实现机制很多，其中的波长通道机制（WP）和虚波长通道机制（VWP）是最重要的两种。这两种光通道机制能够同时增强传输容量和OXC的吞吐量，简化网络恢复过程，提高网络的灵活性和可靠性。

WDM光传输系统中的关键器件主要包括：光源器件、合/分波器、光放大器、光开关等。光源器件在WDM系统的超长距离传输中有着非常苛刻的要求，光源器件必须具有十分狭窄的谱宽和非常稳定的发射波长。在光源的调制方式上WDM系统没有采用传统的直接调制方式而改用外调制方法，即所谓外调制型光源。光纤通信系统的传输距离可能会受到系统损耗的限制，也可能会受到系统色散的限制，而在高速率传输的情况下，色散受限往往占主要地位。采用传统的直接调制方式会使半导体激光器在高速率条件下工作时产生啁啾噪声，它极大地限制了系统的传输距离。合/分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。对合/分波器的基本要求是：插入损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复用通路数多和具有较高的分辨率等。光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大，以解决WDM系统的超长距离传输问题。对光放大器的要求是：有很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数等。特别是对于密集波分复用（DWDM）来说，关键是掺饵光纤放大器（EDFA）。光纤在1550nm窗口有一较宽的低损耗带宽，可以允许DWDM的光信号同时在一根光纤上传输。采用这种放大器的多路传输系统可以扩展，经济合理。EDFA出现以后，迅速取代了电的信号再生放大器，大大简化了整个光传送网。但随着系统带宽需求的不断上升，EDFA也开始显示出它的局限性。由于可用的带宽只有30nm，同时又希望传输尽可能多的信道，故每个信道间的距离非常小，一般只有0.8～1.6nm，这很容易造成相邻信道间的串扰。因此，实际上EDFA的带宽限制了DWDM系统的容量。最近的一项研究表明，1590nm宽波段光纤放大器能够把DWDM系统的工作窗口扩展到1600nm以上。贝尔实验室和NH的研究人员已研制成功实验性的DBFA，DBFA是一种基于二氧化硅和饵的双波段光纤放大器，由两个单独的子带放大器组成。传统1550nm（1530～1560nm）的EDFA和1590nm的扩展波段光纤放大器（EBFA）的结合使用，可使DWDM系统的带宽增加一倍以上（75nm），为信道提供更大的空间，从而减少甚至消除了串扰。因此，1590nm的EBFA向满足不断增长的高容量光纤系统的需求迈出了重要的一步。

由于光器件和科技水平的发展，WDM技术近几年来获得了飞速的发展，得到了广泛的应用。其主要的特点和优势如下：

（1）超大的传输容量。

光纤具有巨大的带宽资源。通过波分技术进行传输，可使一根光纤从单波传输扩展到上百个波长，传输容量增加到几倍至几十倍甚至几百倍，具有极高的应用价值和经济价值。

（2）超长的传输距离。

掺铒光纤放大器（EDFA）具有高增益、宽带宽，噪声较低等优点，在光纤通信中得到了广泛的应用。它可以覆盖整个1550nm波长的C波段或L波段。所以用一个带宽很宽的EDFA，就可以对WDM系统进行放大，以实现长距离传输，如640km。拉曼光纤放大器（RFA）比EDFA具有更低的噪声，用它可以实现超长距离（如2000km以上）传输。

（3）组网灵活和高的可靠性。

WDM技术有着多种应用方式，如长途干线网、光波分配网、多路多址分配网等，可以利用WDM技术选择路由，应用不同的保护功能，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且有高度生存性和可靠性的光网络。

（4）节省线路投资。

N个波长复用后在一根光纤中传输，一根光纤相当于N根“虚拟光纤”，可以节省大量的光纤，降低了线路投资。对已建的光缆线路，采用波分复用技术进行系统扩容也极为方便，在功率允许的情况下无须对线路进行改造，只须更换两端设备就可完成扩容，大大节省系统投资。

（5）WDM技术适应智能光网络的发展要求。

WDM的应用方式灵活，通道的数据格式透明，在网络扩容和业务增值中是最理想的扩容手段，也是引入智能光网络最为方便的手段。

1.1.2 同步数字序列（SDH）

同步数字序列（SDH，Synchronous Digital Hierarchy）是由一些基本网络单元（NE）组成，在光纤上可以进行同步信息传输、复用、分/插和交叉连接的传送网络。它具有全世界统一的网络结点接口（NNI），有一整套标准的信息结构等级，称为同步传送模块STM-N（N=l,4,16,64…）。其中最基本的模块为STM-1，传输速率为155.520Mbps；相邻等级的模块速率之间保持严格的4倍关系。SDH具备块状帧结构，每帧包含9×270×N个字节，帧重复周期固定为125 µs。按功能划分成段开销、净负荷和管理单元指针3个区域。段开销区存放与网络运行、管理、维护和指配功能相关的附加字节；净负荷区存放用于电信业务的比特及少量用于通道维护管理的通道开销字节；管理单元指针用来指示净负荷区存放的信息首字节在STM-N帧内的准确位置，以便接收时能正确分离净负荷。指针技术是SDH的重要创新。SDH规范了一整套特殊的复用方法，描述现有的各种数字信号，包括PDH、ATM和IP等，以及将来未知格式的新的信号类型可能采取何种路线、经历怎样途径被载入同步传送模块中，因而具有广泛的兼容性。不同业务在进入SDH帧结构时需要经过3个基本步骤，即映射、定位和复用。

映射是一种在SDH网络边界处，使各支路适配进虚容器的过程。其实质是各支路信号与相应的虚容器同步，以便使虚容器成为可以独立地传送、复用和交叉连接的实体。

定位是一种将帧偏移信息收进支路单元或管理单元的过程，它通过支路单元指针或管理单元指针功能来实现。

复用是一种把多个低阶通道层信号适配进高阶通道层或者把多个高阶通道层信号适配进复用段层的过程。

SDH通道层支持一个或多个电路层网络，为电路层网络结点之间提供透明的通道连接。包括低阶通道层和高阶通道层，其传送实体分别是不同种类的虚容器。传输媒质层支持一个或多个通道层网络，为通道层网络结点之间提供合适的传输容量，包括段层和物理层，前者涉及为提供通道层结点间信息传递的所有功能，又可细分为复用段层和再生段层；后者涉及具体支持段层网络的物理媒质类型，与开销无关。

SDH提出了一套完整而严密的传送网解决方案，是目前传送网应用最广泛、最成功的范例。SDH既是一项国际标准，又是一个组网原则，也是一种复用方法。最重要的是，它提供了一个在当时国际上得到广泛认可的标准框架，在此框架基础上可以构建出灵活、可靠、易管理和可持续发展的新型电信传送网络，不仅为以后业务的开发提供了兼容的传输解决方案，还使得不同厂商之间的设备互通变为可能。

在长途光缆干线传输网络中，WDM负责解决业务的远距离传输和大容量的问题，SDH负责解决业务的上下、调度和保护功能。目前SDH传送网络架构在波分复用（WDM）系统之上组网已得到大量应用，十多年来一直焕发着勃勃生机，其主要原因是SDH拥有开放化的体系结构、层次化的组织方式、模块化的处理过程，能够保证SDH在已有的应用范畴内，通过新技术的引用和与其他技术的融合，实现了原先网络所不具有的网络传送功能，开辟出新应用领域，从而推动了这种技术的持续发展。但是SDH系统最初是为传递64kbps的语音业务设计的，在今天网络业务性质已发生巨大改变，IP（Internet Protocol）业务得到迅猛的发展，并已成为网络应用业务的主流，而语音业务的增长已趋减缓，信息传递正在向着数据化和综合化方向发展，网络向着智能化、宽带化、兼容性和安全可信的方向发展。骨干网络带宽仍以每隔6～9个月增长一倍的速度扩展着。IP业务具有自相似性、突发性和流向不确定性等特点，要求传输网络具有更加完善的保护和恢复功能、更强大的互操作性和扩展性，要求网络能够实时、动态地调整网络的逻辑拓扑结构，从而实现网络资源的最佳利用。这些变化实质上赋予了现有系统更多的智能性，原有的网络技术和组织方式已经力不从心，要求网络向智能光网络发展进化。