具体描述
编辑推荐
华为与东南大学等知名高校联袂创作,移动通信国家重点实验室教授亲自主笔,教育部电子信息与电气工程专业认证委员会学术委员会副主任委员谈振辉教授撰序推荐。
产教融合,在符合高校教学大纲的同时,更加贴近企业实际需求。
华为HCNA官方认证教材,四本教程分别针对四项职业技能认证,100 %覆盖HCNA知识点。
配合华为ICT学堂在线视频,学习过程不再枯燥,扫码即看华为名师在线课程,帮助读者更好地理解重点难点。 内容简介
本书较为全面地介绍了传输网络主流技术原理、设备组成和典型组网等内容。全书共9章,主要介绍了光纤通信技术原理、网络技术基础、SDH技术原理、WDM技术原理、OTN技术原理、4G LTE业务接入技术等内容,并设置了综合应用案例和实训。全书通过二维码方式,在相应位置穿插了很多在线视频,可以帮助读者巩固所学的内容。 作者简介
李世银,中国矿业大学教授、博导,江苏省重点学科“信息与通信工程”学术带头人,入选江苏省“六大人才”高峰。长期从事无线通信、矿井通信与精 确定位、矿山物联网等教学和科研工作。
主持或参与完成国家科技支撑计划、国家自然基金、863 项目、江苏省支撑计划等国家和省部级科技项目10余项。获省部级科技奖9项,发表学术论文60余篇(其中SCI和EI收录20余篇)。编撰出版《无线通信中的稳健波束成形设计研究与应用》等专著6本,申请国家发明专利10余项。
先后为主讲《通信原理》《数字通信技术》《计算机通信》《无线通信》等课程。主持江苏省和教育部教改及专业建设项目5项,获得“江苏省教学成果一等奖”等教学成果10余项。 目录
第 1章 绪论 1
1.1 4G LTE移动通信网络架构 2
1.2 传输网络演进 3
1.3 传输设备 4
1.4 本书内容与安排 5
第 2章 光纤通信技术原理 6
2.1 光纤传输基础知识 7
2.1.1 折射和反射 7
2.1.2 光的偏振 8
2.1.3 光的色散 8
2.2 光纤基础知识 8
2.2.1 光纤的结构与折射率分布 8
2.2.2 光纤的模式 10
2.2.3 光纤的损耗 11
2.2.4 光纤中的色散 12
2.2.5 码间干扰 13
2.2.6 截止波长 14
2.2.7 模场直径和有效面积 14
2.2.8 单模光纤的分类 15
2.2.9 单模光纤的非线性效应 16
2.3 无源光器件 18
2.3.1 介质薄膜滤波器 18
2.3.2 光纤光栅 19
2.3.3 阵列波导光栅 20
2.3.4 梳状滤波器 20
2.3.5 耦合器和分光器 21
2.3.6 隔离器和环行器 22
2.3.7 光开关 23
2.4 有源光器件 23
2.4.1 光源 23
2.4.2 光放大器 26
2.5 本章小结 26
2.6 练习题 26
第3章 网络技术基础 27
3.1 局域网简介 28
3.2 以太网技术原理 28
3.2.1 以太网技术简介 28
3.2.2 以太网的物理介质 29
3.2.3 以太网工作机理 30
3.2.4 以太网端口技术 30
3.2.5 以太网协议 31
3.2.6 二层交换工作原理 32
3.3 VLAN技术 33
3.3.1 VLAN的基本概念 33
3.3.2 VLAN帧格式 33
3.3.3 VLAN的划分 34
3.3.4 VLAN的应用 36
3.4 IP协议 38
3.4.1 数据网络和Internet简介 38
3.4.2 协议和标准 39
3.4.3 TCP/IP协议栈以及各层功能 40
3.4.4 IP地址介绍 43
3.5 QinQ 45
3.5.1 QinQ简介 45
3.5.2 QinQ技术原理 46
3.5.3 QinQ应用 46
3.6 QoS 48
3.6.1 QoS基本概念 48
3.6.2 QoS实现技术 49
3.7 本章小结 54
3.8 练习题 54
第4章 SDH技术原理 55
4.1 SDH介绍 56
4.1.1 SDH网络的发展 56
4.1.2 PDH及其缺陷 56
4.1.3 SDH的工作方式 59
4.1.4 SDH的特点 59
4.1.5 SDH传输体制的缺点 61
4.2 SDH原理 61
4.2.1 SDH帧结构 61
4.2.2 复用 63
4.2.3 开销 68
4.2.4 指针 78
4.2.5 逻辑功能模块 81
4.2.6 组网与保护 84
4.3 SDH产品硬件 92
4.3.1 华为SDH产品系列介绍 92
4.3.2 其他厂家SDH产品介绍 97
4.4 业务配置 98
4.4.1 PDH业务配置(MSP/链形1+1/SNCP) 98
4.4.2 以太网业务介绍与配置 100
4.4.3 EPL/EVPL业务介绍 101
4.4.4 EPLAN/EVPLAN业务介绍 104
4.5 本章小结 106
4.6 练习题 107
第5章 WDM技术原理 108
5.1 WDM技术概述 109
5.1.1 WDM的概念 109
5.1.2 WDM技术的发展背景 109
5.1.3 DWDM原理概述 110
5.1.4 WDM系统组成 111
5.1.5 WDM技术的优势 112
5.1.6 传输模式与系统模式 112
5.1.7 DWDM与CWDM 114
5.2 WDM系统关键组件 115
5.2.1 复用与解复用器 115
5.2.2 光放大器 117
5.2.3 监控单元 122
5.3 WDM产品简介 123
5.3.1 传统波分产品 123
5.3.2 NG WDM产品 124
5.4 本章小结 126
5.5 练习题 126
第6章 OTN技术原理 127
6.1 OTN体系介绍 128
6.1.1 OTN概述 128
6.1.2 OTN技术原理 130
6.1.3 OTN功能模块的实现 133
6.1.4 OTN网络接口 133
6.1.5 OTN复用和映射结构 134
6.1.6 OTM复用和映射结构 137
6.1.7 OTN的比特率及容量 138
6.1.8 OTN信号的帧周期 140
6.1.9 ODUk的时分复用 140
6.2 OTN开销 142
6.2.1 电层开销 142
6.2.2 光层开销 150
6.2.3 OTN维护信号和路径层次 151
6.3 OTN产品 154
6.3.1 OptiX OSN 1800设备 154
6.3.2 OptiX OSN 3800设备 156
6.3.3 OptiX OSN 6800设备 157
6.3.4 OptiX OSN 8800设备 159
6.3.5 OptiX OSN 9600和OptiX OSN 9800设备 161
6.4 本章小结 162
6.5 练习题 162
第7章 4G LTE业务接入技术 163
7.1 PTN接入技术 164
7.1.1 PTN典型技术 164
7.1.2 PTN的典型应用 166
7.2 IP RAN接入技术 167
7.2.1 IP RAN典型组网 167
7.2.2 IP RAN业务承载实现 171
7.3 GPON技术 173
7.3.1 PON技术发展 173
7.3.2 GPON系统结构 175
7.3.3 GPON系统数据复用方式 177
7.3.4 GPON协议 178
7.3.5 GPON关键技术 181
7.3.6 GPON终端认证及管理 183
7.3.7 GPON组网 186
7.4 本章小结 186
7.5 练习题 187
第8章 综合应用案例 188
8.1 OTN业务承载解决方案 189
8.1.1 移动承载:提供大带宽、低延迟、低成本、快速部署的解决方案 189
8.1.2 城域宽带承载:解决带宽和光纤不足的困境 190
8.1.3 租赁专线:承载多种类型与速率的专线业务 190
8.1.4 固网移动综合承载:一个网络承载宽带+移动+专线 193
8.2 PTN业务承载解决方案 194
8.2.1 PTN LTE承载解决方案 195
8.2.2 地市L3VPN直接对接EPC 197
8.2.3 静态L2VPN+动态L3VPN方案 198
8.2.4 动态L2VPN+动态L3VPN方案 200
8.3 iManager U2000简介 201
8.4 本章小结 203
8.5 练习题 204
第9章 实训:SDH&OTN;常见业务配置 205
9.1 SDH配置 206
9.1.1 复用段线性1+1保护的业务配置 206
9.1.2 二纤双向复用段环业务配置 207
9.1.3 配置SNCP业务 209
9.1.4 以太网EPL业务配置 211
9.1.5 共享Port的EVPL(VLAN)配置 213
9.1.6 EVPLAN业务(IEEE 802.1q网桥)配置 215
9.2 OTN配置 218
9.2.1 TDX单板业务配置(10GE LAN业务配置) 218
9.2.2 TOA单板业务配置 220
9.3 练习题 225
《光纤通信原理与实践》 一、 引言 在信息时代飞速发展的今天,数据传输的需求呈现出爆炸式增长,对通信网络的性能提出了前所未有的挑战。传统通信方式已难以满足日益增长的带宽需求和低延迟要求。光纤通信作为一种高效、大容量、抗干扰能力强的通信技术,已成为现代信息传输网络的核心骨干。本书旨在深入浅出地阐述光纤通信的基本原理,并结合实际工程应用,为读者提供一套系统、全面的知识体系。从光纤的物理特性到光信号的产生、传输、接收,再到系统设计与优化,本书将带领读者走进光纤通信的精彩世界。 二、 光纤通信的物理基础 光的本质与传播: 电磁波理论: 光作为一种电磁波,其传播遵循麦克斯韦方程组。理解光的波动性和粒子性,对掌握光信号在光纤中的传播机制至关重要。 光子的概念: 光子的能量与频率成正比,这为光电转换器件(如激光器和光电探测器)的工作原理提供了理论基础。 光的干涉与衍射: 这些光学现象在理解光纤的制造、连接以及某些光通信器件的设计中扮演着重要角色。例如,干涉效应被用于设计高品质的滤波元件。 光纤的结构与原理: 全内反射: 这是光纤实现长距离传输的根本原理。当光线从折射率较高的介质射向折射率较低的介质,且入射角大于临界角时,光线会发生全反射,从而被限制在光纤内部传播。 光纤的组成: 纤芯 (Core): 传输光信号的部分,通常由石英玻璃制成,具有较高的折射率。 包层 (Cladding): 包围纤芯,折射率低于纤芯,用于实现全内反射。 涂覆层 (Coating): 保护光纤免受机械损伤和环境影响,并提供一定的强度。 光纤的种类: 单模光纤 (Single-mode Fiber, SMF): 纤芯直径极小(通常为9微米),只允许单一模式的光传播,传输损耗低,色散小,适用于长距离、大容量传输。 多模光纤 (Multi-mode Fiber, MMF): 纤芯直径较大(通常为50微米或62.5微米),允许多种模式的光传播,但会导致模间色散,适用于短距离传输。 多芯光纤 (Multi-core Fiber, MCF): 集成多根独立纤芯于一根光纤中,极大地提高了传输容量。 空芯光纤 (Hollow-core Fiber, HCF): 纤芯内部为空,光在空气中传播,具有极低的非线性效应和色散。 光纤中的损耗: 吸收损耗: 光信号能量被光纤材料吸收,转化为热能。主要由光纤材料本身的固有吸收以及杂质吸收引起。 散射损耗: 光信号在传播过程中,由于介质不均匀性(瑞利散射)或结构缺陷(米氏散射)而发生能量损失。瑞利散射是光纤损耗的主要来源之一,与光波长呈四次方反比关系。 弯曲损耗: 光纤受到弯曲时,部分光信号会从弯曲处辐射出去。微弯损耗由外部应力引起,宏弯损耗由较大半径的弯曲引起。 连接损耗: 光纤接头(熔接或活动连接器)处的能量损失,由芯径失配、端面不对齐、端面反射等因素引起。 光纤中的色散: 模间色散 (Intermodal Dispersion): 在多模光纤中,不同传输模式的光以不同的速度传播,导致信号脉冲展宽,限制了传输速率和距离。 波导色散 (Waveguide Dispersion): 由光纤的波导结构引起,取决于光纤的折射率分布和工作波长。 材料色散 (Material Dispersion): 由光纤材料的折射率随波长变化引起。 色散补偿: 为了克服色散对传输性能的影响,需要采取色散补偿技术,如使用色散位移光纤(DSF)、色散补偿光纤(DCF)或色散补偿模块(DCM)。 三、 光信号的产生与调制 光源: 激光器 (Laser Diode, LD): 具有高方向性、高单色性、高相干性和高光强度的特点,是现代光纤通信中最常用的光源。 半导体激光器原理: 基于PN结的受激辐射原理,产生相干光。 常用激光器类型: FP(法布里-珀罗)激光器、DFB(分布反馈)激光器、DBR(分布式布拉格反射器)激光器等。DFB激光器因其窄谱线宽度和良好的波长稳定性,是长距离通信的主流选择。 发光二极管 (Light Emitting Diode, LED): 结构简单,成本低,但光强弱、谱线宽,主要用于短距离、低速率的光通信。 光调制: 将电信号信息加载到光信号上的过程。 直接调制: 通过改变光源的驱动电流来改变其输出光功率或频率,从而实现信号调制。简单易行,但会引入啁啾效应,影响传输性能。 外部调制: 使用外部调制器(如电光调制器、声光调制器)来调制已有的连续光信号。调制效果更好,可实现高带宽、低啁啾的调制。 电光调制器: 利用某些晶体(如铌酸锂)的电光效应,在外加电场作用下改变折射率,从而调制光信号。 马赫-曾德尔调制器 (Mach-Zehnder Modulator, MZM): 一种常见的电光调制器,可实现幅度调制和相位调制。 调制格式: 开关键控 (On-Off Keying, OOK): 最简单的调制方式,代表“1”时有光,“0”时无光。 相移键控 (Phase-Shift Keying, PSK): 改变载波的相位来携带信息。 幅度相位键控 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM): 同时改变载波的幅度和相位来携带信息,可实现更高的频谱效率。 四、 光信号的接收与解调 光电探测器 (Photodetector, PD): 将接收到的光信号转换为电信号的器件。 PIN光电二极管: 响应速度快,噪声低,是常用的光电探测器。 雪崩光电二极管 (Avalanche Photodiode, APD): 具有内光电增益,灵敏度更高,适用于接收微弱光信号,但噪声也较大。 光电倍增管 (Photomultiplier Tube, PMT): 灵敏度极高,但体积大,功耗高,已较少用于现代光纤通信。 光电导探测器: 利用半导体材料的导电性变化来探测光信号。 光信号的解调: 将光信号中携带的信息还原为电信号。 相干检测 (Coherent Detection): 将本地振荡的相干光与接收到的信号光进行混合,通过测量其拍频信号来恢复信息。灵敏度高,可实现更远的传输距离。 非相干检测 (Incoherent Detection): 直接探测光信号的强度变化来恢复信息,如上述的OOK解调。 五、 光纤通信系统组成与关键器件 光发送机 (Optical Transmitter): 产生和调制光信号,包含光源、调制器以及驱动电路。 光纤链路 (Optical Fiber Link): 传输光信号的介质,包括光纤本身、连接器、跳线等。 光接收机 (Optical Receiver): 接收和解调光信号,包含光电探测器、放大器、滤波器和解调电路。 光放大器 (Optical Amplifier, OA): 在光信号衰减到一定程度后,对其进行放大,以弥补损耗,延长传输距离。 掺铒光纤放大器 (Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA): 最常用的光放大器,工作在1550nm波段,具有高增益、低噪声、宽带宽等优点,是实现超长距离通信的关键设备。 拉曼放大器 (Raman Amplifier): 利用受激拉曼散射效应放大光信号,具有分布式放大和低噪声的特点。 半导体光放大器 (Semiconductor Optical Amplifier, SOA): 结构紧凑,可集成,但增益和噪声性能不如EDFA。 光开关 (Optical Switch): 实现光路切换,用于网络重构、故障转移等。 光复用器/解复用器 (Optical Multiplexer/Demultiplexer): 实现波分复用(WDM)功能,允许在同一根光纤上同时传输多个不同波长的光信号,极大地提高了光纤的传输容量。 波分复用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM): 粗波分复用 (Coarse WDM, CWDM): 通道间隔较宽,成本较低,适用于城域网。 密集波分复用 (Dense WDM, DWDM): 通道间隔非常窄,通道数量多,适用于长途骨干网,是当前光通信的主流技术。 六、 光纤通信网络的建设与应用 光纤接入网 (Access Network): 将通信业务从本地交换局延伸到用户端,包括FTTH(光纤到户)、FTTB(光纤到楼)等。 城域网 (Metropolitan Area Network, MAN): 连接城市内部的用户和数据中心,承载大量数据流量。 骨干网 (Backbone Network): 构成全球通信网络的主干,连接各大洲和区域,通常采用DWDM技术实现超大容量传输。 数据中心互联 (Data Center Interconnect, DCI): 为满足日益增长的数据中心之间的数据交换需求,光纤通信提供了高带宽、低延迟的连接方案。 无线通信基站回传 (Backhaul): 为4G、5G等无线基站提供高速连接,支持海量数据传输。 七、 未来发展趋势 更高的数据速率: 随着通信需求的不断增长,下一代光通信系统将追求更高的比特率,例如100Gb/s、400Gb/s、800Gb/s甚至Tb/s级别。 更灵活的调制格式: 采用更先进的调制技术,如相干通信、多进制QAM等,以提高频谱效率和传输容量。 新型光器件: 研发更高效、更紧凑、更低功耗的光器件,如硅光子器件、相干光模块等。 智能化与自动化: 将人工智能和机器学习应用于光网络的设计、管理和优化,实现网络的智能化和自动化运行。 新型光纤技术: 如柔性光纤、可重构光纤网络等,为满足多样化的应用需求提供更多可能性。 八、 结论 《光纤通信原理与实践》一书,通过深入剖析光纤通信的物理基础、关键技术、系统构成以及应用场景,旨在为读者建立一个扎实的光纤通信知识框架。本书不仅涵盖了光纤通信的核心原理,更注重理论与实践的结合,力求让读者在理解概念的同时,也能体会到工程实现的复杂性和巧妙之处。掌握光纤通信技术,对于理解现代信息社会的高速发展,以及未来通信网络的演进方向,都具有至关重要的意义。