光纖通信技術(shù)-第十章-光纖接入網(wǎng)技術(shù)

10.1光纖接入技術(shù)的概念10.2EPON光纖接入網(wǎng)10.3GPON光纖接入網(wǎng)10.4光纖接入網(wǎng)的應(yīng)用舉例第10章光纖接入網(wǎng)技術(shù)10.1.1接入網(wǎng)的基本概念按照電信網(wǎng)的概念，可以將全網(wǎng)分為公用電信網(wǎng)和用戶駐地網(wǎng)兩大塊。用戶駐地網(wǎng)是屬于用戶所有，因而，通常電信網(wǎng)是指公用電信網(wǎng)部分。公用電信網(wǎng)可以分為長途網(wǎng)（長途端局以上部分），中繼網(wǎng)（長途端局和市話局之間以及市話局之間的部分）和接入網(wǎng)（端局至用戶之間的部分）。目前國際上已經(jīng)傾向于將長途網(wǎng)和中繼網(wǎng)合在一起稱為核心網(wǎng)。相對于核心網(wǎng)而言，其他部分統(tǒng)稱為接入網(wǎng)。接入網(wǎng)主要完成將所有用戶接入到核心網(wǎng)的任務(wù)。1.接入網(wǎng)定義

ITU-T建議G.902對接入網(wǎng)的定義如下：

接入網(wǎng)是由業(yè)務(wù)節(jié)點接口（SNI）和用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）之間的一系列傳送實體（如線路設(shè)施和傳輸設(shè)施）組成的、為傳送電信業(yè)務(wù)提供所需要的傳送承載能力的實施系統(tǒng)，可經(jīng)由Q3接口進行配置和管理。其中的傳送實體可提供必要的傳送承載能力，通常接入網(wǎng)對用戶信令是透明的，可不作解釋。原則上，對接入網(wǎng)可以實現(xiàn)的SNI和UNI的類型和數(shù)目沒有限制。

Y.1231IP接入網(wǎng)隨著Internet和各種IP類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速普及，ITU-T提出了適應(yīng)于IP業(yè)務(wù)的IP接入網(wǎng)定義。建議Y.1231將IP接入網(wǎng)定義為IP用戶和ISP之間為提供所需的、接入到IP業(yè)務(wù)的能力的網(wǎng)絡(luò)實體的實現(xiàn)。Y.1231定義的接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)形式都較G.902靈活。為便于讀者理解和把握接入網(wǎng)的總體概念，本章中所涉及的接入網(wǎng)內(nèi)容主要以G.902建議為參照。2.接入網(wǎng)的定界在電信網(wǎng)中接入網(wǎng)的定界如圖10-1所示。從圖中可知，接入網(wǎng)所覆蓋的范圍是由三個接口來定界，即網(wǎng)絡(luò)側(cè)經(jīng)業(yè)務(wù)節(jié)點接口（SNI）與業(yè)務(wù)節(jié)點（SN）相連；用戶側(cè)經(jīng)用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）與用戶相連；管理側(cè)經(jīng)Q3接口與電信管理網(wǎng)（TMN）相連，不具備Q3接口時通常需經(jīng)由協(xié)調(diào)設(shè)備（MD）與TMN相連。SN是提供業(yè)務(wù)的實體，是一種可以接入各種交換型和/或永久連接型電信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)單元。圖10-1接入網(wǎng)的定界3.接入網(wǎng)的分層為了便于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與管理，接入網(wǎng)按垂直方向分為三個獨立的層次。其中每一層為其相鄰的高階層提供傳送服務(wù)，同時又使用相鄰的低階層所提供的傳送服務(wù)，這三層分別是電路層、通道層和傳輸媒質(zhì)層。在網(wǎng)絡(luò)分層后，每一層仍顯得很復(fù)雜，因此可以進一步將每一層網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個子網(wǎng)，每一個子網(wǎng)又可以進一步分割成若干個更小的子網(wǎng)。圖10-2接入網(wǎng)通用協(xié)議參考模型4.接入網(wǎng)的主要特點完成復(fù)用、交叉連接和傳輸功能提供各種綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)徑較小成本與用戶有關(guān)線路施工難度較大光纖化程度高對環(huán)境的適應(yīng)能力強組網(wǎng)能力強圖10-3接入網(wǎng)分類示意圖線對增容技術(shù)PG數(shù)字用戶線技術(shù)（xDSL）電力線接入技術(shù)PLC有線接入網(wǎng)無線接入網(wǎng)有線無線混合接入網(wǎng)接入網(wǎng)銅線接入網(wǎng)光纖接入網(wǎng)光纖銅線混合接入網(wǎng)（HFC）固定終端無線接入網(wǎng)移動終端無線接入網(wǎng)有源光纖接入網(wǎng)AON無源光纖接入網(wǎng)PON10.1.2光纖接入網(wǎng)的概念1.光纖接入網(wǎng)的定義

光纖接入網(wǎng)（OAN，OpticalAccessNetwork）是指在接入網(wǎng)中采用光纖作為主要傳輸媒質(zhì)來實現(xiàn)信息傳送的網(wǎng)絡(luò)形式。它不是傳統(tǒng)意義上的光纖傳輸系統(tǒng)，而是針對接入網(wǎng)環(huán)境所設(shè)計的特殊的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。1.光纖接入網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)光纖接入網(wǎng)采用光纖作為主要傳輸媒質(zhì)，而局側(cè)和用戶側(cè)發(fā)出和接收的均為電信號，所以在局側(cè)要進行電/光變換，在用戶側(cè)要進行光/電變換，才可實現(xiàn)中間線路的光信號傳輸。一個一般意義上的光纖接入網(wǎng)示意圖如圖10-4所示。一個光接入網(wǎng)主要由光線路終端OLT、光分配網(wǎng)絡(luò)ODN和光網(wǎng)絡(luò)單元ONU等組成。圖10-4光纖接入網(wǎng)示意圖圖10-5光纖接入網(wǎng)的參考配置有源光網(wǎng)絡(luò)AON和無源光網(wǎng)絡(luò)PON

從系統(tǒng)配置上可將OAN分為無源光網(wǎng)絡(luò)PON和有源光網(wǎng)絡(luò)AON。無源光網(wǎng)絡(luò)PON是指在OLT和ONU之間沒有任何有源的設(shè)備而只使用光纖等無源器件。PON對各種業(yè)務(wù)透明，易于升級擴容，便于維護管理。有源光網(wǎng)絡(luò)（AON）中，用有源設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如SDH環(huán)網(wǎng)）的ODT代替無源光網(wǎng)絡(luò)中的ODN，傳輸距離和容量大大增加，易于擴展帶寬，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運行的靈活性大，不足的是有源設(shè)備需要機房、供電和維護等輔助設(shè)施。圖10-6ODN中的光通道光纖接入網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)光纖接入網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有總線形、環(huán)形和星形。由此又可以派生出樹形、雙星形、環(huán)形－星形等結(jié)構(gòu)，如圖10-7所示。圖10-7光纖接入網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)(部分)10.1.3光纖接入網(wǎng)技術(shù)的分類

根據(jù)ONU位置的不同，可以將OAN劃分為幾種基本的應(yīng)用類型，即光纖到路邊FTTC、光纖到樓FTTB、光纖到家或辦公室FTTH/FTTO、光纖到桌面FTTPC等。從發(fā)展來看，光接入網(wǎng)的普及主要受到成本和內(nèi)容等多方面的制約，從長遠來看，以FTTH/O＋家庭（辦公室）無線網(wǎng)的形式實現(xiàn)寬帶接入可能是一種較好的選擇。根據(jù)ONU位置，OAN可分為三種應(yīng)用類型光纖到路邊FTTC光纖到樓FTTB光纖到家/辦公室FTTH/O

ONUOBD中心局ONUONUBuddingOBDOBD

FTTC

FTTB

FTTH

homeOLTOAN的應(yīng)用示意圖光纖到路邊FTTCFTTC：FiberToTheCurb/CabONU設(shè)在交接箱處用戶到ONU之間（引入線）仍用雙絞銅線連接或同軸纜通常為點到點和點到多點結(jié)構(gòu)一個ONU可為一個或多個用戶提供接入是一種介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)通常采用FTTC+xDSL技術(shù)或FTTC+CableModem技術(shù)ONUOBD中心局OLT光接入網(wǎng)光纖到樓FTTBFTTB：FiberToTheBuddingONU設(shè)在辦公樓或居民住宅樓內(nèi)的某個公共地方用戶到ONU之間（引入線）用UTP5類線（或更高等級線）連接點到多點結(jié)構(gòu)，一個ONU為多個用戶提供接入通常采用FTTB+Ethernet技術(shù)OBD中心局OLT光接入網(wǎng)ONUBuddingEthernet光纖到家/辦公室FTTH/OFTTH：FiberToTheHomeONU直接放在用戶家里中心局到用戶之間全部為光連接和光傳輸接入網(wǎng)無任何有源設(shè)備，是一個真正的透明網(wǎng)絡(luò)是一種真正意義上的寬帶接入技術(shù)是用戶接入網(wǎng)的長遠目標(biāo)OBD中心局OLT光接入網(wǎng)ONUhome圖10-8FHHH/FTTO+無線接入示例10.1光纖接入技術(shù)的概念10.2EPON光纖接入網(wǎng)10.3GPON光纖接入網(wǎng)10.4光纖接入網(wǎng)的應(yīng)用舉例第10章光纖接入網(wǎng)技術(shù)無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)的基本概念ODN全部由無源器件組成（無源光分路器等）信號在傳輸過程中無再生放大信號由光分路器、無源光功率分配器等傳至用戶實現(xiàn)透明傳輸，信號處理全由局端和用戶端設(shè)備完成與有源光網(wǎng)絡(luò)比：覆蓋范圍和傳輸距離更小可靠性更高（戶外無有源設(shè)備，提高抗干擾能力）價格更低、安裝維護更方便是光接入網(wǎng)有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)（價格、維護等優(yōu)勢）PON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)OLTONU1ONU2ONUnPON用戶用戶用戶OBD業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)UNISNIODN組成：OLT、ODN、ONU，且ODN中全是無源器件共享介質(zhì)邏輯上是點到多點結(jié)構(gòu)，物理拓撲可有多種形式PON基本概念（續(xù)）

PON的結(jié)構(gòu)中，OLT和多個ONU（有時也將用戶側(cè)設(shè)備稱為光網(wǎng)絡(luò)終端ONT）之間進行通信，一般采用的方法是下行數(shù)據(jù)信號使用1480nm信號，上行數(shù)據(jù)信號采用1310nm信號，而下行視頻業(yè)務(wù)流則采用1550nm信號。如果PON的分路比較高，即一個OLT需要連接較多個ONU，且距離較長時，也可考慮在OLT側(cè)設(shè)置光放大器，提高總的功率。ITU-T在G.983系列建議中規(guī)定，PON的分路比至少支持1：16或更高（目前多為1：32或1：64），OLT與ONU之間的物理距離不得少于20km。10.2.1基于Ethernet的EPON

EPON在現(xiàn)有IEEE802.3協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過較小的修改實現(xiàn)在用戶接入網(wǎng)絡(luò)中傳輸以太網(wǎng)幀，是一種采用點到多點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸方式、基于高速以太網(wǎng)平臺和TDM（TimeDivisionMultiplexing）時分MAC（MediaAccessControl）媒體訪問控制方式提供多種綜合業(yè)務(wù)的寬帶接入技術(shù)。EPON的ODN由無源分光器件和光纖線路構(gòu)成，EFM確定分路器的分光能力在1：16到1：128之間．從OLT到ONU的方向稱為下行方向，反之稱為上行方向。上行和下行線路的光信號占用C波段（1550nm窗口）的某兩個不同波長，速率均為1Gbit/s，傳輸距離可達20km。1.技術(shù)優(yōu)勢

(1)與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性：以太網(wǎng)技術(shù)，是迄今為止最成功和成熟的局域網(wǎng)技術(shù)。EPON只是對現(xiàn)有IEEE802.3協(xié)議作一定的補充，基本上是與其兼容的。(2)高帶寬：根據(jù)目前的討論，EPON的下行信道為百兆/千兆的廣播方式，而上行信道為用戶共享的百兆/千兆信道。這比目前的接入方式，如Modem、ISDN、ADSL甚至ATMPON（下行622/155Mbps，上行共享155Mbps）都要高得多。（3）低成本：減少了大量的光纖和光器件以及維護的成本。以太網(wǎng)本身的價格優(yōu)勢，如廉價的器件和安裝維護使EPON具有ATMPON所無法比擬的低成本。2.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)EPON位于業(yè)務(wù)往來接口到用戶網(wǎng)絡(luò)接口間，通過SNI與業(yè)務(wù)節(jié)點連接，通過UNI與用戶設(shè)備相連。EPON主要分為三部分：即光線路終端（OLT）、光配線網(wǎng)絡(luò)（ODN）和光網(wǎng)絡(luò)單元/光網(wǎng)絡(luò)終端（ONU/ONT）組成。其中OLT位于局端，ONU/ONT位于用戶側(cè)。OLT到ONU/ONT的方向為下行方向，反之為上行方向。EPON接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖10-9所示。圖10-9EPON接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)在EPON系統(tǒng)中，OLT既是一個交換機或路由器，又是一個多業(yè)務(wù)提供平臺（MultipleServiceProvidingPlatform，MSPP），它提供面向無源光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖接口。根據(jù)以太網(wǎng)向城域或廣域發(fā)展的趨勢，OLT將提供多個Gbit/s和10Gbit/s的以太接口，支持WDM傳輸。為了支持其他流行的協(xié)議，OLT還支持ATM，F(xiàn)R以及等速率的SONET的連接。若需要支持傳統(tǒng)的TDM話音，普通電話線（POTS）和其他類型的TDM通信（T1/E1）可以被復(fù)用連接到PSTN接口。OLT除了提供網(wǎng)絡(luò)集中和接入的功能外，還可以針對用戶的Qos/SLA的不同要求進行帶寬分配、網(wǎng)絡(luò)安全和管理配置。

ONU的主要功能是選擇接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)；響應(yīng)OLT發(fā)出的測距及功率控制命令，并作相應(yīng)的調(diào)整；對用戶的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行緩存，并在OLT分配的發(fā)送窗口中向上行方向發(fā)送；實現(xiàn)其他相關(guān)的以太網(wǎng)功能。

在EPON中，從OLT到ONU距離最大可達20km，若使用光纖放大器（有源中繼器），距離還可以擴展。3.傳輸原理和幀結(jié)構(gòu)

EPON的工作原理如圖10.10所示，EPON系統(tǒng)采用WDM技術(shù)，實現(xiàn)單芯雙向傳輸（下行1490nm，上行1310nm）。下行方向的光信號被廣播到所有ONU，通過過濾的機制，ONU僅接收屬于自己的數(shù)據(jù)幀。上行方向通過TDMA方式進行業(yè)務(wù)傳輸，ONU根據(jù)OLT發(fā)送的帶寬授權(quán)發(fā)送上行業(yè)務(wù)。EPON上下行方案

在下行鏈路上，OLT以廣播方式發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。通過1：N的無源分光器，數(shù)據(jù)幀到達各ONU，ONU通過檢查接收到的數(shù)據(jù)幀的目的媒體接入控制（MAC）地址和幀類型（如：廣播幀、OAM幀）來判斷是否接收此幀．

在上行鏈路上，各ONU的數(shù)據(jù)幀以突發(fā)方式通過共同的無源分配網(wǎng)傳輸?shù)絆LT，因此必須有一種多址接入方式保證每個激活的ONU能夠占用一定的上行信道帶寬?？紤]到業(yè)務(wù)的不對稱性和ONU的低成本，EFM工作組決定在上行鏈路上采用TDMA方式。EPON系統(tǒng)中的上行方向工作原理EPON系統(tǒng)中的下行方向工作原理EPON傳送可變長Ethernet幀（64～1518字節(jié)） 是由一個被分割成固定長度幀的連續(xù)信息流組成，其傳輸速率為1.25Gbit/s。EPON幀為定時長幀 下行：采用TDM技術(shù)，固定長度幀的連續(xù)數(shù)據(jù)流（2ms），內(nèi)含多個不同長度的以太幀（時隙）＋頭部＋校驗部分，其中：信息頭部含ONU標(biāo)識符和同步頭 上行：采用TDMA技術(shù)，每個ONU在授權(quán)給定的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，不會發(fā)生碰撞（注：申請帶寬時可能發(fā)生碰撞）。幀長度也為2msEPON工作原理－上行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)EPON工作原理－下行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)10.2.2EPON光纖接入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)突發(fā)同步大動態(tài)范圍光功率接收測距和ONU數(shù)據(jù)發(fā)送時刻控制帶寬分配10.1光纖接入技術(shù)的概念10.2EPON光纖接入網(wǎng)10.3GPON光纖接入網(wǎng)10.4光纖接入網(wǎng)的應(yīng)用舉例第10章光纖接入網(wǎng)技術(shù)10.3千兆比特兼容的無源光接入網(wǎng)GPONGPON（Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork，千兆無源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)是無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）家族中一個重要的技術(shù)分支。GPON技術(shù)是基于ITU-TG.984.x標(biāo)準(zhǔn)的最新一代寬帶無源光綜合接入標(biāo)準(zhǔn)，具有高帶寬，高效率，大覆蓋范圍，用戶接口豐富等眾多優(yōu)點，被大多數(shù)運營商視為實現(xiàn)接入網(wǎng)業(yè)務(wù)寬帶化，綜合化改造的理想技術(shù)。

GPON的主要技術(shù)特點是采用最新的“通用成幀協(xié)議（GFP）”，實現(xiàn)對各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的通用成幀規(guī)程封裝。GPON的幀結(jié)構(gòu)是在各種用戶信號原有格式的基礎(chǔ)上進行封裝，因此能夠高效、通用而又能簡單地支持所有各種業(yè)務(wù)。

GPON具有如下主要技術(shù)特點：(1)業(yè)務(wù)支持能力強，具有全業(yè)務(wù)接入能力。(2)可提供較高帶寬和較遠的覆蓋距離。下行2.488Gbit/s，上行1.244Gbit/s(3)帶寬分配靈活，有服務(wù)質(zhì)量保證。(4)ODN的無源特性減少了故障點，便于維護。(5)PON可以采用級聯(lián)的ODN結(jié)構(gòu)，即多個光分路器可以進行級聯(lián)，大大節(jié)約了主干光纜。(6)系統(tǒng)擴展容易，便于升級。10.3.1GPON光纖接入網(wǎng)的原理1.GPON的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)G.984.1標(biāo)準(zhǔn)的建議，GPON的參考模型如圖10.15所示。GPON系統(tǒng)包括OLT、ODN、ONU等。其中OLT是位于局端的通信設(shè)備，在整個ONU系統(tǒng)中有著核心的作用。其主要功能是向上行提供廣域網(wǎng)或骨干城域網(wǎng)提供接口（包括支持基于以太網(wǎng)的EPON、以ATM為承載的APON和DS-3接口等），并且將廣域網(wǎng)或骨干城域網(wǎng)傳來的數(shù)據(jù)信息經(jīng)ODN傳給ONU。OLT作為PON系統(tǒng)的核心的功能器件，為接入網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)與核心網(wǎng)之間的接口，一般放在中心機房或城域核心機房，具有帶寬分配、控制各ONU、實時監(jiān)控、運行維護管理PON系統(tǒng)的功能。圖10-15GPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.GPON協(xié)議結(jié)構(gòu)

GPON的協(xié)議結(jié)構(gòu)參考模型如表10.1所示，GPON的層次結(jié)構(gòu)主要包括物理媒介相關(guān)層(