光纤接入技术

光纤接入技术 通信行业职业技能鉴定丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 第四章 光纤接入技术 第一节 光纤接入网概述 一、光纤接入网的基本概念 若传输媒质是光纤，同时利用光波进行接入网的信号传送，称为光纤接入网OAN(Optical Access Network)。由于目前接入网的用户终端设备大都属于电气设备(如电话、传真、电视、计算机等)，故在传输系统的两端(局端和用户端)之间以光纤作为传输媒质时，必须首先在发送端把各种电信号转换为光信号，才能在光纤上进行传输。而在接收端必须把光信号恢复为电信号，才能在电的终端设备上显示各种原始信息，见图4-1所示。 -1 光/电转换设备工作原理 图4 这种光,电转换设备(O/E或E/O)，在局端通常称作光线路终端(Optical Line Terminal,OLT),在用户端通常称作光网络单元(Optical Network Unit,ONU)。 光纤是目前带宽最宽的传输介质。在所有的传输介质中，光纤可以说是最理想的一种，可提供最大的带宽，可抗电磁干扰，抗雷击，不会产生腐蚀，可以长距离传输。目前绝大部分的主干网都已采用光纤。但在整体网络中，最主要的瓶颈在于接入网，这才是真正的网络堵塞路段。如将光纤应用到用户线路中，取代现有的电话铜线，一定能够满足各种宽带服务的需要，光纤接入网可以说是有线宽带接入网的最佳解决。 光纤接入网(OAN)不是传统的光纤传输系统，而是一种针对接入网环境所设计的特殊的光纤传输系统。尽管有人将之称为小型数字环路载波系统(DLC)，其实两者在设计思想、结构、成本和应用环境等方面都有不少差别。建设光纤接入网的主要目标是: 1、为小型企业和事业单位及住宅用户最大程度地提高接入网的带宽。 112 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 2、使宽带接入网与核心网相互独立，即OAN不应依赖于交换机的类型，既要能与现有模拟和数字交换机兼容，也要能与新的数字交换机兼容，能够工作于多厂家、多类型交换机环境。 3、OAN不仅能提供原铜线网所能提供的所有业务，将来还能方便升级，支持 多媒体、图像以及高速数据等新的宽带业务。 4、实现灵活的、高可靠性的网络结构，进一步提高网络的使用效率，降低网络结构的实现成本。 要全面建设光纤接入网，就必须铺设相当密度的光纤线路，这在短期光纤接入网的简单结构 二、光纤通信的基本概念 为了便于理解和学习光纤接入网的概念和原理，先简单讨论一下光纤通信的基本概念。 1、光纤通信系统的组成 一个光纤通信系统主要应该包括四个部分:光纤光缆、光源、光检测器、光分合器件。 图4-3 光纤通信系统基本模型 光纤在任何时间都只能单向传输，因而要实现双向通信，需要两根光纤，一个用于输入，一个用于输出，光纤两端接在光学接口上。 2、光纤光缆 (1)光纤的结构和分类 113 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 光纤的横截面很细，由三个部分组成:即纤芯、包层和涂层。光波的传输是由芯子和包层完成的，其中纤芯为光通路;包层由多层反射玻璃纤维构成，用来将光线反射到纤芯上，而涂层只是起保护的作用，见图4-4和图4-5所示。 图4-4光纤截面结构图 图4-5 光纤层面结构图 按光纤截面上折射率分布形状分类见图4-6所示，光纤可以是: 阶跃型光纤(均匀光纤) 渐变型光纤 三角型光纤 包层凹陷型光纤 114 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 图4-6 光纤截面上折射率分布图 按光纤传输的模式分类，主要有: 多模光纤:在光纤中传输的是多个模式，即发散为多路光波，每一路光波走一条通路。它的折射率分布多是渐变的。多模光纤的纤芯和外保护层为:50,75μm/125μm。 单模光纤:在光纤中只能传输一个模式，即只提供单条光通路，光纤的芯径很细，其折射率分布一般是阶跃型。单模光纤的纤芯和外保护层为:8.6,9.5μm/125μm。 常用光纤的规格有: 单模光纤:8/125μm，9/125μm，10/125μm 多模光纤:50/125μm 欧洲标准 62.5/125μm 美国标准 见图4-7所示 图4-7 增强型多模光纤 115 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 (2)光纤传输原理:光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。在两种介质的界面上，当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射高度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射 角度也是不同的。光纤通信就是基于以上光传输原理而实现的。 (3)光纤的主要传输性能: 损耗: 光纤损耗是光纤最重要的传输性能指标，也是衡量光纤质量的首要参数，损耗主要有吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是指光波在传输过程中被光纤材料吸收，使光能转变为热能的一种损耗现象。散射损耗是由于光纤的结构和材料的不均匀性，使光线在不均匀点变更其传播方向，导致光线的传播出现散乱，结果使得在终端的光功率减少的一种损耗现象。色散: 在光纤通信系统中，一般采用数字通信方式，也就是用数字脉冲信号去调制光载频，因而在光纤中传输是一个个的光脉冲信号。传输的速率越高，脉冲宽度越窄。由于脉冲宽度与频带宽度成反比，故脉冲越窄，频带就越宽。脉冲信号含有各个不同的频率成份，不同的频率经同样长的距离会产生不同的速度，或者说是产生不同的时延。 于是，一个脉冲的各个不同的频率成份到达接收端的时间各不相同，因而使脉冲的形状发生畸变，出现展宽的现象，称为色散。故可知光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成份的群速不同，从而引起传输信号畸变的一种物理现象。当色散严重时，前后脉冲将出现重叠，形成码间干扰，造成误码。这时，为了保证通信质量，必须加大码间距离，这就降低了传输速率，减少了通信容量，或限制了信号的传输距离。 光纤主要有四种类型色散:模式色散(模间色散)、材料色散、波导色散、偏振色散。 模式色散:产生于多模光纤中，它是指不同的传输模式在光纤中传输时，由于传输速度不同，各模式到达终点的时间不同，从而引起色散。渐变型多模光纤的模式色散比阶跃型多模光纤的模式色散小得多。故采用多模光纤传送信息时，都采用渐变型多模光纤。材料色散:光纤材料的折射率是随频率变化的，而一般光源所产生的光存在一定数量的不同波长，称为光谱，其光谱总占有一定的宽度。一般激光器的光谱宽度较窄，约几个nm;发光二极管的光谱宽度较宽，约几十个nm。这样， 116 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 从光源产生的光沿光纤传输时，将出现由于光纤材料折射率的频率特性所引起的色散。这种色散是单模光纤的主要色散。 波导色散:波导色散是由于波导效应引起模内频率较高或波长较短的光信号进入包层，而包层折射率小于纤芯折射率，导致模内各信号传输速度不同而产生的色散。 偏振色散:单模光纤没有模式色散，但是存在偏振色散。这种由单模光纤中双折射现象产生的色散称为偏振色散。单模光纤所传输的模式实际上相当于两个相互正交的模式。偏振色散与光纤的双折射参数成正比。当光纤的不完善性严重时，偏振色散很大。为了减少单模光纤的色散，必须设法减少光纤的双折射参数，严格光纤的几何尺寸标准。 材料色散和波导色散都是因为模内各信号频率成份的传输速度不同引起的，所以过去习惯上也称为模内色散。这两种色散都与光源谱宽有关。对于多模阶跃型 光纤，模式色散影响最大，其次是材料色散，波导色散很小;多模渐变型光纤的模式色散很小。对于单模光纤来说，没有模式色散，单模光纤的总色散为材料色散与波导色散之和。1988年国际电信联盟建议把总色散分为模式色散和频率色散(包括材料色散和波导色散在内)两部分组成，不单独计算材料色散或波导色散。 在光纤的传输参数中，通常认为最重要的是衰减和色散两个参数。国际电联ITU-T曾经提出四种不同类型的光纤光缆特性的建议。在我国，目前使用最广泛的是G652单模光纤光缆(标准只推荐使用1310nm波长性能最佳的单模光纤)，在用户接入网中使用的光纤光缆也多是这种类型。不同衰减系数等级的光纤光缆，其价格是不相同的，一般用户接入网的距离都很短，平均距离只有几公里，故一般不必选择高等级的光纤光缆，只有特殊长度或特殊要求的情况下，才考虑采用较高等级的光纤光缆。 (4)光纤的波长 光纤应用的波长是:850nm、1300nm、1550nm三种。通常多模光纤使用850nm和1300nm的波长，单模光纤使用1310nm、1550nm的波长。 (5)光纤的成缆 为了保证光纤的安全和使用寿命，免受各种外部机械力和环境变化的影响，必须加装各种护层、构件或护套制成光缆，俗称为成缆。光纤的结构已在前面作了介绍，这种光纤结构也称裸光纤，其涂层也叫一次涂覆。裸光纤是不能单独应用的，因为其机械性能太差。一般要进行二次涂覆或套塑，以便隔离外部机械力及环境的直接影响，防止光纤直接受力或暴露在外界环境中。二次涂覆可以分紧套和松套(前者指光纤与二次涂覆全粘接在一起，后者指光纤可以在二次涂覆内自由活动)两种 117 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 方式。在二次涂覆外面一般还要加装加强芯(钢芯、尼龙、聚酯丝等)、骨架、油膏、防潮层、护套和铠装等构件。其部分作用与电缆的构件类似，但其性能要求更加严格。成缆的作用，除了防止外界机械力和环境因素对光纤的影响外，还应根据各种不同的应用场合提供防虫鼠生物、化学、雷电等功能，还应考虑易于施工、维护、运输、价格成本低等因素。 光缆的种类: 按敷设方式分:自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。 按光缆结构分:束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。 按用途分:长途通讯用光缆，短途室外光缆，混合光缆和建筑物骨架型铠装/绞式光缆结构 图4-9 多骨架层绞式薄涂层8芯带纤结构1000芯用户光缆 3、光源 用于光纤通信的光源主要有发光二极管和注入型激光二极管。 118 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 发光二极管(LED):绝大多数的局域网网络在速度达到622Mbps时，需要使用发光二极管(LED)作为光源，这种光源是专门设计用于多模光纤工作的。他们可以提供的工作距离为300,2000米，且比激光器光源更经济实惠。 注入型激光二极管(ILD):是在千兆字节的高速网络项目中使用的，因为发光二极管不能快速传送窄小的光脉冲信号。激光器主要工作在单模光纤上。 4、光检测器 在接收端，当接收到从发送端经过光纤送来的光载波时，首先要经过光检测器进行光/电转换，然后经过放大均衡，才能变为所需要的电信号。故在整个光接收过程中，光检测器是关键器件。 常用的半导体光检测器有:PIN光电二极管和APD光电二极管 5、光分路器 将一根光纤中的光信号藕合到两根或多根光纤中的一种器件称为光分路器件。常用的有一分二光分路器或一分N光分路器，见图4-10和图4-11所示。 图4-10 光分路器原理结构 119 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 图4-11 “1分8”光分路器的构成 6、光分波器(合波器) 将一根光纤中多个不同波长的光信号分离，此器件称为光分波器;完成相反功能的器件则为合波器，见图4-12所示。 图4-12 光复用器原理示意图 第二节 数字光纤通信体系 光纤接入网不是传统的光纤传输系统，但它将用到传统光纤通信中的相关技术，在此有必要回顾一下骨干网中得到广泛应用的数字光纤通信系统传输技术: 准同步数字体系(PDH) 同步数字体系(SDH) 一、准同步数字体系PDH 过去的光纤通信系统是PDH体系，全网没有统一的时钟，各个国家、各个厂家生产的设备不能 120 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 互联，它们的制式和性能也不一致，难以支持新业务的开发和现代网络的管理。其主要缺点是: 1、PDH存在两大体系(含三个地区性标准)，彼此不能兼容，造成国际上互通困难详见表4-1所示。 表4-1 各个体系PDH传输速率表 2、准同步复用实现高次群(五次以上)复用困难，不适应光纤数字通信大容量超高速传输的发展。 3、没有统一的标准光接口，各个厂家生产的设备无法在光路上互通，无法调配电路，灵活性差。各厂家产品唯有通过光,电转换成标准电接口才能互通，限制了联网应用的灵活性，也增加了网络的复杂性和运营成本。 4、上、下电路困难。要从PDH的高速信号中识别并提取低速支路信号或送入信号，需要将整个高速信号逐级地解复用到所要的低速信号等级，提取或送入信号后，再逐级地复用至高速信号。实现不方便，结构复杂，成本也较高，见图4-13所示。 图4-13 异步复用图 4、PDH复用信号帧结构中管理维护的比特量少，操作、维护、管理能力差，不能满足现代通信网对监控和网管的需要,无法适应迅速发展的电信网的需求，使维护和管理能力难以提高。 121 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 二、同步数字体系SDH 为了克服PDH存在的缺点，在光路上实现标准化，便于不同厂家的产品可以在光路上互通，增加整个网络的灵活性，国际上经过反复协商，原国际电报电话咨询委员会(CCITT，现称国际电信联盟-电信小组,ITU-T)于1988年在美国同步光纤网(SONET)的基础上，修改形成了同步数字系列(SDH)。 SDH与SONET规范略有差异,但基本原理完全相同,标准也相互兼容。通常统称为光同步数字传送网SDH/SONET。 1、什么是SDH: SDH(Synchronous Digital Hierarchy)，即同步数字体系，是国际统一的关于数字通信多路复用和传输方面的等级通用标准。 同步:数字信号的传输严格按相同的传输速率。 准同步:数字信号的传输按“几乎”相同的传输速率。 异步:允许传输速率有“较大”误差。 SDH是一套可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级，而SDH网络则是由一些基本网络单元(NE)组成的，在传输介质上(如光纤、微波等)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节点接口(NNI)。 表4-2 SDH速率分级表 2、SDH的主要特点: (1)速率分为四个等级。SDH具有全世界数字传输体系的统一标准。SDH网不仅与现有的PDH网能实现完全兼容，使PDH的1.544Mbit/s;和2.048Mbit,s 两大体系(含三个地区性标准)在STM-1 122 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 等级上获得统一，实现了数字传输体制上的世界性标准;而且还可容纳各种新的数字业务信号(如ATM信元、FDDI信号等)，因此SDH网具有完全的前向兼容性和后向兼容性，见图4-14所示。 图 4-14 SDH复用路线 图4-14中: C:容器，用来装载各种不同速率的数字信号(净负荷)。VC:虚容器，由容器加上通道层开销构成，用于支持通道层连接。TU:支路单元，由虚容器加上支路单元指针构成，用于为低阶通道 与高阶通道提供适配功能。为适配不同的速率，独立的通道必须要有信息指针。 TUG:支路单元，由多个支路单元组合而成(支路单元复用)。 AU:管理单元，由虚容器加上管理单元指针构成，用于为高阶通道与复用段层提供适配功能。 AUG:管理单元组，由多个管理单元组合而成，是复用段基本复用单元。 一个国家或地区应保证使每一种支路信号只有唯一的路线可以到达STM-N帧。我国SDH传输体系规定:PDH支路速率以2Mbit/s和140Mbit/s为主，部分地区经批准可以使用34Mbit/s。STM-1(VC-4)为基本传输复用单位，大于C-4容量的信号采用AU-4级联方式传输。(2)具有全世界统一的网络节点接口(NNI)，并对各网络单元的光接口有严格的规范要求，从而使得任何网络单元在光路上得以互通。提出了一系列较完整的标准，使各生产单位和应用单位均有章可循，同时也使各厂家的产品可以直接互通，使电信网最终工作于多厂家的产品环境中，另外也便于国际互通。 (3)帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络的运行、管理、维护与指配能力大大加强，通过软件下载的方式，可实现对各网络单元的分布式管理，同时也便于新功能和新特性的及时开发与升级，促进了先进的网络管理系统和智能化设备的发展。 (4)SDH以155Mbit/s为基本模块，采用指针调整新技术和同步复接方式，简化了数字复接分接过程，避免了PDH复用、分用过程中的分插过程。见 123 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 图4-15 从高速STM-N信号中取出和插入低速支路信号 (5)采用先进的分插复用器(ADM)、数字交叉连接(DXC)等设备，使组网能力和自愈能力大大增强，同时也降低了网络的维护管理费用。 归纳起来，SDH最为核心的三大特点是同步复用、强大的网络管理能力和统一的光接口及复用标准，并由此带来了许多优良的性能。 3、SDH的缺点: 频带利用率不如PDH系统; 采用指针调整，大量使用软件而使得设备变得复杂。 综上所述，SDH技术以其良好的性能得到了举世公认，因此必将最终替代PDH，成为传输网的发展主流。尤其是与一些先进技术相结合，如光波分复用(WDM)技术、ATM技术、IP技术(IP over SDH)等，使SDH网络的作用越来越大，是未来信息高速公路不可缺少的主要物理传送平台。 4、在接入网中SDH的主要应用场合: (1)对容量较高的大企事业用户，SDH可以作为点到点方式应用，直接将光纤敷设到用户处，实现FTTO方式。 (2)SDH也可以作为环形网应用或星形网应用，直接将大企事业用户相连或者经业务复用器与用户相连。 (3)对于小企事业用户和住宅居民用户，只要有足够容量需求，SDH可以用于馈线段，待标准和设备成熟后，SDH可以进一步用于配线段。 第三节 光纤接入网的基本结构 124 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 一、光纤接入网的参考配置 光纤接入网的参考配置如图所示，该图是以无源光网络(PON)为例，并与业务和应用无关的接入网参考配置示例，但原则上它也适用于其它配置结构 , 图4-16 OAN的参考配置 参考配置中从给定网络接口(V接口)到单个用户接口(T接口)之间的传输手段的总和称为接入链路。光接入传输系统可以看作是一种使用光纤的具体实现手段，用以支持接入链路。因此，光接入网(OAN)可定义为:共享同样网络侧接口，且由光接入传输系统支持的一系列接入链路，由光线路终端(OLT)、光配线网(ODN)、光网络单元(ONU)及适配功能(AF)组成，可能包含若干与同一OLT相连的ODN。 OLT的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并经一个或多 OLT与ONU的关系为主从通信关系。OLT可个ODN与用户侧的ONU通信， 以直接设置在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器接口。OLT在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成一个设备内;ODN为OLT与ONU之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分配任务。ODN是由无源光元件(诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等)的纯无源的光配线网组成，通常呈树形-分支结构;ONU是为光接入网提供远端用户侧接口，处于ODN的用户侧。AF为ONU和用户设备提供适配功能，具体物理实现则既可以包含在ONU内，也可以完全独立。 图4-16中发送参考点S是紧靠在发送机(ONU或OLT)光连接器后的光纤点;而接收参考点R是紧靠在接收机(ONU或OLT)光连接器前的光纤点;a参考点是ONU与AF之间的参考点;V参考点是用户接入网与业务节点间参考点，T参考点是用户网络接口参考点;Q3为网管接口。 光接入网既可以是一点对多点，也可以是一点对一点方式，具体的光配线网(ODN)形式要根据用户情况而定。 125 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 二、基本功能块 1、OLT功能块 光线路终端(OLT，Optical Line Terminal)的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口，并经一个或多个ODN与用户侧的ONU通信，OLT与ONU的关系为主从通信关系。即OLT提供网络与光配线网(ODN)之间的光接口，并提供必要的手段来传递不同的业务。OLT可以分离交换和非交换业务，对来自ONU的信令和监控信息进行管理，从而为ONU和自身提供维护与供给功能。OLT可以设置在本地交换机接口处，也可设置在远端，与远端集中器或复用器接口。它在物理上可以是独立设备，也可以与其它设备集成在一个总设备OLT功能块 (1) 业务部分功能 业务部分主要是指业务端口功能，对它的要求至少应能携带ISDN的一次群速率，并能配置成至少能同时支持两种以上不同的业务。 (2) 核心部分功能 核心部分功能包括以下三种功能: 数字交叉连接功能:为OLT的ODN侧的可用带宽与OLT网络侧的可用带宽提供交叉连接能力。 传输复用功能:该功能是为能在ODN上发送和接收业务 通路提供必要服务而设置的。 ODN接口功能:该功能是根据ODN的各种光纤类型而提供一系列的物理光接口，实现电/光和光 /电变换。 (3)公共部分功能 126 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 公共部分功能包括供电功能和OAM功能: 供电功能:该功能用于将外部供电电源转变为ONU功能块 (1)核心部分功能 ODN接口功能:该功能可提供一系列物理光接口，与ODN相连接，并完成光/电和电/光的转换。 传输复用功能:为来自与送给ODN接口功能的进出信号进行处理和分配，提取和输入与ONU相关的信息。 用户和业务复用功能:该功能可对来自或送给不同用户的信息进行组装或拆卸。并与每种不同 的业务接口功能相连。 (2)业务部分功能 业务部分功能主要提供用户端口功能。用户端口功能提供用户业务接口并将其适配入64kbit/s或n×64kbit/s。上述功能既可以提供给单个用户，又可以提供给一群用户。最后，用户端口功能还能按照物理接口来提供信令转换功能，诸如振铃、信令、A/D和D/A转换等。包括NX64kbit/s适 127 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 配、信令转换等。 (3)公共部分功能 公共部分功能主要用于供电和OAM，其中供电功能为ONU供电(例如交/直流转换或直流/直流转换)，供电既可以是本地供电，又可以为远程供电，几个ONU可以公用同一供电系统。ONU在备用电池供电条件下也能正常工作。OAM功能为ONU的所有功能块提供处理操作、管理和维护功能，例如不同功能块的环回控制功能等。 3、ODN功能块 光配线网络(ODN，Optical Distribution Network)位于ONU和OLT之间，其主要功能是完成光信号的功率分配任务。多个ODN可以通过光纤放大器结合起来延长传输距离和扩大服务用户数。ODN主要由无源光器件(诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等)构成无源光路分配网络，通常采用树型-分支结构。 4、AF功能块 适配功能块(AF，Adaptation Function)主要为ONU和用户设备提供适配功能，在具体物理实施时，它既可以包含在ONU之间，也可以完全独立。 三、光纤接入网的网络拓扑: 光纤接入网可有多种网络拓扑结构，常见的有: 1、单星型结构 当ONU与OLT之间按点到点配置，即每一ONU经一专用光链路直接与OLT相连，中间没有光分路器(OBD)，就构成了所谓的单星形结构。光链路可以是一根光纤，也可以是一对光纤。由于这种配置不存在光分路引入的损耗，因此传输距离远大于点到多点配置，见图4-19所示。 单星型结构 有源多星型结构 无源多星型结构(树形) 总线型结构 环型结构 128 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 图4-19 单星形结构示例 2、树形结构 树形结构是点到多点配置的基本结构，这种结构利用了一系列级联的光分路器对下行信息进行分路，传给多个用户，同时也靠这些光分路器将上行信号结合在一起送给OLT。光分路器通常为1:n型，见图4-20所示。 图4-20 树形结构示意图 3、总线结构 总线结构也是点到多点配置的基本结构，这种结构利用了一系列串联的非平衡光分路器件以便从光总线上检出OLT发送的信号，同时又能将每一ONU发送的信号插入光总线送回给OLT。采用这种非平衡光分路器后会在光总线中引入损耗从而消耗掉一些光功率，见图4-21所示。 129 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 图4-21 总线结构示例 4、环形结构 环形结构也是点到多点配置，无源环形结构可以看作是无源总线结构的一种特例，即逻辑上等效于一折叠的总线结构。这种闭合的总线结构在某些情况下可以改进网络的可靠性，见图4-22所示。 图4-22 环形结构示例 拓扑结构的选择需要考虑多种因素，包括用户所在地的分布，OLT和ONU之间的距离，不同业务的光通道，可用的技术，光功率预算值，波长的分配，升级的需要，可靠性和可用性，操作管理和维护，ONU供电，安全，光缆容量等等。 130 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 第四节 光纤接入网的基本形式 根据光网络单元(ONU)与用户位置的远近，OAN又可分成若干种专门的传输结构。当前，在光纤用户接入网中，高速数据传输、多媒体业务接入等宽带业务需求并不多，大多数需求只是窄带或话音接入，另外，考虑到光纤替代铜缆接入的可观费用，以及OLT和ONU的实现成本，在用户接入网的整个长度上，并不必全部采用光纤来实现FTTH，而可以根据实际情况，分别采用以下一些基本形式: FTTH 光纤到家 FTTB 光纤到大楼 FTTC 光纤到路边 FTTO 光纤到办公室 FTTZ 光纤到小区 FTTF 光纤到楼层 FTTN 光纤到邻里 FTTR 光纤到远端节点 事实上，光纤直通到用户终端仍存在着许多困难。因而在这最后的一段又出现了各种不同的解决方案，但无论是什么方法，光纤接入网的基本元素是不变的，其差异在于从光纤网单元(ONU)到用户终端之间采用了那一种接入线路，这些接入线路包括同轴电缆以及双绞线。各种不同接入方式的主要区别在于ONU放置的位置不同。其中最典型的方式有三种(见图4-23所示): FTTH 光纤到家 FTTB 光纤到大楼 FTTC 光纤到路边 图4-23 光接入网常见应用类型 131 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 1、FTTC FTTC(Fiber To The Curb)是指从端局接出的光纤经过各种线路设备(如光耦合器、光分支器、入孔„)后，到达靠近用户群的路边设备(如分线盒、人孔„„等)上安装的ONU(光网络单元)，ONU放置在室外场所。由ONU经过光电转换后引出的电信号，用铜双绞线或同轴电缆把电话、数据信号或宽带图像信号接至用户。 FTTC结构主要适用于点到点或点到多点的树形分支拓扑，用户可以是住宅用户或小企事业用户，典型用户数在128个以下。所谓FTTC也是指光纤到小区(Fiber To The Curb)。此方案的架设成本较低，可提供约55Mbps的带宽进行高速Internet接入、VOD以及POTS，见图4-24所示。 图4-24 FTTC光纤到小区 FTTC典型的实现方式有PON-FTTC:信号从交换局经过无源光网络直接分配到用户。这种方式的优点是在建设初期投资少，大部分费用将推迟到用户正式开通宽带业务时的投入。ONU至用户接入线部分仍可利用原有铜线，而这部分的 投资比例是最大的。从OLT到ONU的光纤传输设施由多个用户共享分担，故每户成本较低，宽带设备的费用可推迟到以后解决，见图4-25所示。 132 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 -25 基于无源光网络的“光纤到路边”(PON-FTTC)方式 图4 2、FTTB FTTB的结构与FTTC的相似，FTTB可以看作是FTTC的一种变型，不同之处在于FTTB方式将ONU直接放到楼内(通常为居民住宅公寓或小企事业单位办公楼)，再经多对双绞线将业务分送给各个用户。FTTB是一种点到多点结构，通常不用于点到点结构。 FTTB的光纤化程度比FTTC更进一步，光纤已到楼，因而更适于高密度用户区，也更接近于长远发展目标。很适合于那些新建工业区或居民楼以及与宽带传输系统共处一地的场合。 3、FTTH(FTTO) FTTH(Fiber To The Home)称为光纤到户。顾名思义，光纤到户(FTTH)是指最后的一段接入线路也采用光纤直通到家庭用户或是。理想的FTTH结构(见图4-26所示)能够提供高达1Gbps的带宽，可进行高速Internet接入、多媒体视频以及原有的POTS电话服务。 FTTH是把ONU装置在用户住宅内，直接以最短的距离连接到终端用户，由用户专用。从端局OLT连接到用户家中ONU全程都是采用光纤，中间不入任何铜线，也没有有源设备，是全透明的。 133 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 图4-26 FTTH光纤到户 这种结构可说是光纤接入网的最终版本。但以目前的运用而言，当终端为一般家庭用户时，由于所需求的带宽较小，且ONU较为昂贵，因此位于局交换机房中的光纤线路终端(OLT)先连接到一个地区服务柜(Serving Area Cabinet),再从地区服务柜连接到范围更小的地区服务柜，然后连接至ONU，也可以直接连接ONU，ONU通常由数个家庭用户所共享，由此ONU同时支持多个家庭用户，其比例约为1:16(通常为10到16户，图中所示为1:1的理想情况)。以点对 多点的模式(星形拓扑排列)连接到各个家庭用户，再利用某些接口(例如用户分布网)连接各种用户终端设备。 实际上，在原来的FTTC结构中，如果将设置在路边的ONU换成无源光分路器，然后将ONU移到用户家即为FTTH结构。如果将ONU放在企事业用户(公司、大学、研究所、政府机关等等)终端设备处并能提供一定范围的灵活的业务，则构成所谓的光纤到办公室(FTTO，Fiber To The Office)结构。FTTO主要用于企事业用户，业务量需求大，因而结构上适于点到点或环形结构，从ONU再通 -27所示)。而FTTTH用于居民住宅用户，过接口连接到企业的内部网(见图4 业务量需求很小，因而经济的结构必然是点到多点方式。 134 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 图4-27 FTTO光纤到办公室 FTTH的主要优点: 1)对任何一种传输制式都没有限制，很适用于引入新业务，潜在的容量很大，是用户有线接入网的发展方向。 2)由于一般用户与端局的平均距离都很短，对传输性能的要求不如干线光缆的要求高，带宽的要求一般也较低，因而可以采用成本较低的元器件。 3)端局至用户之间没有任何有源设备，ONU可以由用户本地供电，成本较低，故障率低，维护方便。 FTTH的主要缺点是目前OLT和ONU的成本还比较高，每户需要一套的话，使用户的负担比较重。但随着光纤通信的迅速发展，光纤光缆和各种光器件的成本将逐步降低，加上各类用户对宽带业务的需求越来越大，FTTH的实现前景将会越来越近。 第五节 无源光网络 根据接入网室外传输设施中是否含有有源设备，OAN可以划分为无源光网络(PON，Passive Optical Network)和有源光网络(AON，Active Optical Network)，前者采用光分路器分路，后者采用电复用器分路。 一、OAN(PON)的业务支持能力 OAN是一种为双向交互式业务而设计的系统，初期主要支持2Mbit/s以下速率的窄带业务，基 135 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 本业务有下面7类: 普通电话业务(POTS); 租用线; 分组数据; ISDN基本速率接入(BRA); ISDN一次群速率接入(PRA); n×64kbit/s; 2Mbit/s(成帧和不成帧)。 除这7种基本窄带业务之外，还可能支持一些其它的业务，特别是对宽带业务的支持，诸如单向广播式业务(如CATV业务)，双向交互式业务(如VOD或数据通信业务)等，而且还可能支持模拟广播式业务。 二、无源光网络的结构与原理 无源光网络(PON)主要采用无源光功率分配器(耦合器)将信息送至各用户。由于采用了光功率分配器，使功率降低，因此较适合于短距离使用。若需要传输较长距离，或用户较多，可采用光纤放大器(EDFA)来增加功率。但PON对光器件要求较高，而且需要较为复杂的多址接入协议。另外在实现双向通信时，如何解决不同地点、不同长度的信号传输损耗、时延与同步也是难点之一。 无源光网络的发展速度很快，并且不断升级，其演变过程将经历无源电话光网络(TPON)、宽带无源光网络(BPON)以及宽带综合分配网(BIDN)，所提供的业务也从单一型向综合型发展。目前商用的PON系统主要是窄带PON(2Mbit/s以下业务)，宽带PON(BPON)尚处于研究试验阶段，但发展前景很好，值得密切关注。 1、无源光网络(PON)的主要特点 PON主要具有以下特点: (1)PON使用无源光分路器或耦合器，替代了SDH网络中昂贵的有源器件，是接入网的最佳选择。 (2)有源网络一般需要所有节点提前安装，而PON则可以根据需要增加配置，从而降低了前期投资。 (3)在PON中很容易增加WDN层，可以进一步降低投资。 (4)PON可以不对称传输(如:上行155Mbps，下行622Mbps)，因此允许使用低速率的ONU设备， 136 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 从而降低了ONU的花费。 (5)PON下行时的点对多点结构，适合于广播应用。如通过TDM或WDM可轻松加载模拟或数字视频信号，以实现广播业务。 2、无源光网络采用的双向传输技术 一般电信业务都是交互式的，因而必须解决信号的上、下行的关系，把用户的上行和下行业务分开，保证能实现全双向式通信。 在光接入网中，下行信号都采取TDM方式(时分复用技术)。由于在ODN中全是无源器件，整个无源分配网(不含WDM分路器件时)只对信号进行衰减，而不对信号进行分离和过滤，因而信号在ODN上的传送是透明的，广播式的，每个ONU都能收到所有的下行信号，每个ONU也只能解复用出那些属于自己的时隙信号。对于上行信号采用TDMA(时分多址接入)技术的，各个ONU上行信号通过占有不同的时隙，从而在时域上划分开来。上行信号的传送，与选用的具体技术有很大关系，双向传输技术主要有以下四种: SDM(空分复用技术) TCM(时间压缩复用技术) WDM(波分复用技术) SCM(副载波复用技术) (1)SDM技术 所谓空分复用，即在常规的光纤通信系统中，每根光纤只用于一个方向的信号传输，双向通信则需要一对光纤。也就是采用一对光(两根光纤)来实现局端到用户的双工通信。下行信号为TDM，上行信号则采取TDMA(时分多址技术)，每个ONU有其固定的时隙分配。此外，在OLT中必须对每个ONU进行距离测量，即所谓“测距”，并对每个ONU的发脉冲时间进行调整，以便在OLT处使各个ONU发来的脉冲正确地复用在一起，见图4-28所示。 图4-28 采用SDM技术的OAN系统结构 137 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 这是一种最直接、最简单的方式。缺点是采用双纤，增加了系统成本。而且当OLT配置的ODN数目较大时，因纤数很多，管理起来比较复杂。 (2)TCM技术 TCM技术，即时间压缩复用技术，也是我们平常所说的乒乓法。通过在时域上对上下行脉冲信号进行压缩，宽度分别压缩到原来的50%以下，从而能在原来脉冲时间的一半就可发送完脉冲。这样可以在上半个脉冲时间向下行方向发下行信号，下半个脉冲时间向上行方向发上行信号，以实现单根光纤上下行双向通信。 下行信号为TDM信号，上行则为TDMA信号。采用这种技术，线路上传输的速率其实是下(上)行标称速率的2倍。发送和接收信号必须通过光耦合器耦合到光纤线路中，而耦合器会带来3dB的功率代价，减少了可用功率。同样，TCM技术也必须有精确“测距”功能，见图4-29所示。 图4-29 采用TCM技术的OAN系统结构 (3)WDM技术 波分复用技术就是采用波分复用器(合波器)在发送端将不同规定的信号光载波合并起来并送入一根光纤进行传输。而在接收端，再由一波分解复用器(分波器)将这些承载不同信号的光载波分开的复用方式。同样，WDM技术也必须有精确的“测距”功能，见图4-30所示。 图4-30 采用WDM技术的OAN系统结构 138 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 为了解决信号的上、下行关系，我们只需要采用1310nm/1550nm的两波分用技术即可。该技术十分简单，成本较低。利用一个波长发送下行信号，另一个波长传送上行信号，通常采用1310nm传送上行业务，1550nm传输下行信号。也可以在1310nm窗口进行两波分复用。采用WDM技术时，由于波分复用器的引入，将带来一定的插入损耗，减少了系统可用功率，限制了传输距离。另外如果现在使用了1550nm窗口，则有可能影响未来宽带分配业务在该波长区的应用。 (4)SCM技术 SCM即副载波复用技术。首先，各路基带信号(模拟或数字，即每个ONU的上行信号)对不同的副载波频率振荡器进行调制，经调制后的各路变频信号再经过带通滤波和功率放大后调制一个光发送机成为受调光信号向上行方向发送。 在该技术中，下行信号采用TDM方式，由于下行基带数字信号的带宽有限，而光纤具有很宽的宽带，我们有可能在下地数字信号频谱分量高端以上的频带采用副载波复用技术传送上行信号，每一个ONU占用一个副载波。在OLT处对各个副载波进行合路，同时进行解调。上行信号由于每个ONU占用一个副载波， 因而每个ONU所占用的带宽在频率上被区分开来，即每个ONU确定地占用一段频带，这样就消除了使用TDMA方式中为了避开“时隙”碰撞而必须对ONU进行“测距”的复杂程序，也减少了反射的影响。采用SCM技术的OAN系统工作原理如图4-31所示。 图4-31 采用SCM技术的OAN系统工作原理 SCM方式中上行信号采用了模拟的副载波复用技术，各副载波间不可避免地存在着交调，因而要求各个激光器的线性要非常好，各路副载波的频率定位要十分准确，以避免相互干扰。另外，副载波调制含有模拟技术的成分，有模拟技术不可克服的某些弱点。 139 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 4、传输技术 在无源光网络(PON)中，OLT与ONU的信号交互通过上行信号和下行信号来进行。一般来说，OLT至ONU的下行信号的传输进程较为简单，但ONU至OLT的上行信号的传输过程就较为复杂。 无源光网络中常见的上行信道传输技术有: 时分复用/时分多址接入方式(TDM/TDMA) 波分复用/波分多址接入方式(WDM/WDMA) 副载波复用/副载波多址接入方式(SCM/SCMA) 码分复用/码分多址接入方式(CDM/CDMA) 时间压缩复用/时间压缩多址接入方式(TCM/TCMA) (1)时分复用/时分多址接入方式(TDM/TDMA) 时分复用方式所用器件相对简单，技术上也相对成熟。实际组网时遇到的一个难题是，各个ONU与OLT之间的距离并不相同，因而在上行传输时，会引出两个关键问题: 相位问题:在上行传输时，依其工作原理，将时间分成若干个时隙，每一个时隙内只安排一个ONU以分组方式向OLT发送分组信息，各个ONU严格按预先规定的顺序依次发送。为防止在光分路器(OBD)处出现碰撞，OLT必须在测定它与各ONU的相对距离的基础上(OLT内必须具备整套完善的测距手段)，对各ONU进行严格的发送定时。 由于各个ONU的定时信号都是由OLT发送的下行信号中提取出来的，因此在频率上可实现同步。但由于传输距离的不同，造成各个ONU的上行信号到达OLT时的相位并不一致，所以要求OLT中必须具有快速比特同步电路，即在每 一个ONU按规定时隙发送上行分组信号的开始几个比特时间内就要迅速建立比特同步。 幅度问题:由于各个ONU与OLT的距离不一样，因此它们各自传输的分组信号在到达OLT时，幅度上也会出现差异，正是由于这样一种幅度高低不等的接收信号，造成在OLT端不能采用常规的光接收机，实施固定的门限判决，而只能采用突发模式的光接收机，即根据每一个分组信号开始的几个比特信号幅度的大小迅速建立合理的判决门限，以便正确还原出该分组信号。 除相位与幅度问题之外，采用时分复用方式还会出现上行数据速度较低，难以升级到宽带速度、所有用户采用同一个光载体，难以进一步升级、以及系统中所涉及的电子电路较复杂等的问题，见图4-32所示。 140 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 -32 TDM/TDMA-PON示意图 图4 (2)波分复用/波分多址接入方式(WDM/WDMA) 波分复用方式与时分复用方式不同，它是采用不同的波长对应于不同的ONU，因而不需要复杂的电子器件，而且充分利用了光纤的低损耗波长窗口。在上行和下行信号的处理上，可分别采用不同的波长予以区分。如采用1310nm波段传送窄带上行信号，采用1550nm波段传送宽带下行信号，且上行和下行信道完全透明。若下行信号衰减较大，可采用掺铒光纤放大器(EDFA)予以放大。 例如，在WDM方式的PON系统结构中，各个ONU的上行传输信号分别调制为不同波长的光信号，送至光分路器(OBD)并耦合进馈线光纤。该复用信号到达OLT后，利用WDM器件可以分出属于各个ONU的光信号，再分别通过光电探测器(PD)解调出电信号。 WDM方式的主要缺点是对光源的波长稳定度要求很高;上行通道数受限;不能共享OLT光设备;成本较高等，见图4-33所示。 图4-33 WDM/TDMA-PON示意图 (3)副载波复用/副载波多址接入方式(SCM/SCMA) 副载波复用技术是以射频信号比如微波作为副载波(频率一般为几百兆至十几吉赫范围内)，将 141 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 各个ONU的上行信号调制在其上，再用已调副载波去分别调制各ONU的激光器(波长相同)。产生的已调光信号通过光分路器(OBD)后，经光纤传输到OLT，通过光电探测器(PD)检测、放大、及解调等装置后还原出各ONU的上行信号。在下行信号传输时，可先将其调制为另一个副载波，再调制成同一波长的光信号，通过同一根馈线光纤传输到各终端，见图4-34所示。 SCM方式的主要特点是，可以利用现已相当成熟的射频/微波技术，各信道彼此独立，不需要复杂的同步技术，所需光器件较少，增减任一路ONU较为方便等。但由于距离因素，可能会使接收到的信号功率相差很大，引起较为严重的相邻信道干扰，影响系统性能。 图4-34 SCM/SCMA-PON示意图 (4)码分复用/码分多址接入方式(CDM/CDMA) 给每一个ONU分配一个多址码，并将各ONU的上行信息码与其进行模二加，再去调制具有相同波长的激光器，经光分路器(OBD)合路后传输到达OLT，通过光电探测器、放大器和模二加等电路后，恢复出各ONU送来的上行信息码，见图4-35所示。 CDMA方式的主要特点是，用户地址分配灵活，抗干扰能力强，保密性能好，各ONU可灵活接入等，但这种方式的系统容量受到一定程度的限制，频谱利用率低。 图4-35 CDM/CDMA-PON示意图 142 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 (5)时间压缩复用/时间压缩多址接入方式(TCM/TCMA) 时间压缩复用方式的基本原理是将同一根馈线光纤上的传输时间划分为一个个的时间段，上行信号和下行信号分别在不同的时间段TCM/TCMA-PON示意图 三、无源光网络的实现 在一个实际的无源光网络的设计、建设与应用过程中，通常会结合使用各种复用和多址技术。 1、采用TDM+SCM+WDM的PON 利用频分复用(FDM)方式将多路模拟电视信号组成一路副载波复用信号，频率范围为0.4, 2.5GHz。该信号再对一个1550nm波长的激光器进行强度调制，形成载有宽带图像业务的光信号。而话音业务则通过时分复用(TDM)合并后，再由1310nm波长的激光器转变成载有窄带话音业务的光信号。这二种波长的光信号一起经PON传输后到达接收端，由波分解复用器(WDM)将1310nm的窄带信号和1550nm的宽带信号分开，并分别送入各自的接收机，见图4-37所示。 143 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 图4-37 采用TDM+SCM+WDM的PON系统配置 2、采用TDM+WDM的PON 先将各路模拟电视信号编码，然后由时分复用(TDM)方式合路，再对1550nm波长的激光器进行强度调制，其余部分与前述基本一致。这种结构是纯数字传输系统，因而带来了诸多好处，但对于用户来说，需要为常规的家用电视接收机配备一个机顶盒，以便将接收到的数字电视信号恢复成模拟信号，见图4-38所示。 图4-38 采用TDM+WDM的PON系统配置 四、PON的供电 无源光网络的电源供给问题主要是指对ONU的供电，其实现方法包括: 1、中心供电 144 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 中心供电是指由端局或其它节点经电缆对ONU供电，其特点是可以利用现有电缆设施，不用在ONU处安装维护电池，且成本低。但采用这种方式的供电距离不能太长。另外，中心供电对雷电的影响较为敏感。 2、本地供电 本地供电是指利用本地市电就近给ONU供电，其特点是方便，维护成本低，但受环境限制。 3、太阳能供电 在ONU处增设太阳能电池板，给ONU供电。其特点是安全、维护量小，但受天气、环境等影响 较大。 五、宽带无源光网络技术方案 以上介绍的无源光网络PON是一种服务于窄带业务的光纤接入网，而要适应目前飞速发展的宽带业务，必须对PON进行技术改造，而基于ATM传输技术的APON和基于以太网技术EPON就是目前两种较好的技术方案。下面着重介绍APON和EPON技术。 1、APON技术方案 以ATM传输技术为基础的PON简称为APON，它基于时分复用技术，并且被认为是目前能够较好地解决宽带接入的方案之一。ATM-PON技术采用无源光网络(PON)，可以降低光纤接入成本、提高接入性能、便于实现宽带业务接入。 APON的下行速率可以是622Mbps或155Mbps，而上行速率为155Mbps。一个OLT能够连接16至32个ONU，一个ONU能够连接几十个用户单元设备(CPE)。通过将ATM交叉连接模块配置在OLT中、将ATM的业务模块配置在各个ONU中，可以为用户提供交互式宽带业务。 ATM-PON的下行方向采用基于ATM信元的复用技术，上行方向则采用TDMA控制协议控制用户入网。上、下行方向的ATM信元均被封装成APON分组信元结构，即在每个分组信元的头部附加一个字节的信头，以提供网络同步以及与传输相关的功能，如上行TDMA协议的ONU标识等。网络的运行和维护功能(OAM)则通过物理层信元(PLOAM)传送，见图4-39和图4-40所示。 总之，PON的供电应根据具体的情况和问题，具体分析和解决。 145 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 图4-39 ATM-PON技术 图4-40 为了实现TDMA控制技术，需要解决光功率动态调整、测距延时、突发同步等问题。 (1) 光功率的动态调整问题 APON系统组网一般采用树形拓扑结构。各个ONU至OLT的光纤路经长度不同，光信号受到的传输衰耗不同，因而要求OLT的光接收器具有较大的光功率动态范围，并能够根据接收到的光功率大小，快速设置信号判决门限;而每个ONU的激光器应该能够根据与OLT之间不同的传输衰耗，动态进行输出光功率的调整，以降低对OLT接收动态范围的要求。实际上，APON可以依据分组信元头部字节的3个bit位传输信息，进行ONU光发功率的调整及OLT光检测接收门限的设置。测距延时问 题 146 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 各个ONU传送分组信元至OLT的路经不同，为了避免OLT接收端各个ONU传送来的分组信元发生碰撞，必须使各个ONU至OLT的有效连接距离相等，即确定和调整各个ONU发送分组信元之前的时延量。APON技术通过测距软件，自动测试各个ONU至OLT的有效连接距离，并依据有效连接距离自动确定各个ONU发送分组信元之前的时延量，以保证有效连接距离相等。 (3)突发同步问题 测距软件的精度是有限的，当某ONU需要连续突发传输分组信元时，为了避免同其他ONU的分组信元发生碰撞，必须在连续突发传输的分组信元之间预留一个保护时间(一般是2bit?1bit)，从而使各个突发分组信元的首bit将落在?1bit的保护时间 率:1、对称，155Mb/s 2、非对称，下行622Mb/s，上行155Mb/s 物理媒质:G.652光纤 传输方式:1、单纤波分复用，1310nm/1550nm 2、单向双纤空分复用，1310nm 传输会聚(TC)层: 负责OLT与多个ONU之间在下/上行方向ATM信元传输的开始和运行。 APON+XDSL是一种经济、实用的APON方案，在实现中，其将用户侧的ONU配置在用户大楼的电缆分配箱附近，以降低APON方案的成本。而ONU到用户 之间通过铜双绞线，采用XDSL方式互连，各个ONU需要负责XDSL信息结构与APON分组信元结构之间的转换，包括低速、高速信息流之间的复用/解复用，其余同上述的ATM-PON方案一样。XDSL传输方式的特点是传输速率能够依据用户需要动态分配。 ATM技术在综合宽带业务应用方面，具有较强的灵活性、可应用性和可靠性。与PON技术相结合采用灵活的接入组网方式，便于低成本、高效益地实现大量用户的宽带业务接入，因而APON在宽带接入系统中有重要的地位，其技术方案是现阶段宽带接入网技术中较好的方案。 2、EPON技术方案 以以太网技术为基础的PON简称为EPON。 147 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 随着这几年IP的崛起和迅猛发展，由于ATM不敌以太网而导致APON的发展受阻，针对这一问题，有人提出了EPON的概念和实施方案，即在与APON类似的结构和标准的基础上，保留APON的精华部分(物理层的PON技术)，而以以太网代替ATM作为数据链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体，即EPON。这一思想已经在以太网界获得了积极的响应。 (1) EPON的网络结构 在典型的EPON系统中，OLT位于根节点，取代了端局的SDH分插复用器。在下行方向，OLT将提供千兆以太网接口，将来OLT也可能会支持更高速的接口(10Gb/s接口)。OLT还可以支持ATM、FR以及OC3、OC12、OC48等速率的SDH/SONET的接口标准，支持WDM传输，通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入。 ODU是无源光分配器，包括单模光纤光缆、无源分路器/耦合器、连接器和接头，连接OLT和ONU，功能是分发下行数据并集中上行数据。ODU的分线率一般为8、16或者32，且可以多级连接。ONU接入用户终端，取代了SDH分插复用器和路由器，其基本功能是接收光信号，并将其转换为用户需要的格式。在EPON的统一网管方面，OLT是主要的控制中心，实现网络管理的主要功能，可以针对用户的不同要求进行带宽分配。 OLT和ONU之间的连接，可以灵活地组建成树形、环形、总线形等多种拓扑结构。在EPON中，OLT到ONU之间的距离最大可达20km，如果使用光纤放大器，距离还可以扩展。 (2) EPON的工作原理 EPON不需要任何复杂的协议，光信号就能精确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，EPON使用1000BASE的以太网，同时在PON的传输机制上，通过增加新的MAC控制命令来控制和优化OLT与各个ONU之间突发的数据通信和实时的TDM通信。在数据链路层，EPON采用成熟的全双工以太技术，使用时分复用技术，由各个ONU在自己的时隙内发送数据，不会发生碰撞，因此不需要CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)， 从而充分利用带宽。即EPON的下行数据采用广播方式从OLT发给多个ONU，每个包携带的信头唯一地标识了数据所要到达的特定ONU。 当ONU接收到数据流时，只提取发给自己的数据包，将发给其它ONU的数据包丢弃。而上行数据采用时分复用多址接入技术，每个ONU都分配一个传输时隙，这些时隙是同步的，因此当数据耦合进一根光纤时，不同ONU的数据包之间不会产生干扰。 EPON中的ONU采用了技术成熟而又经济的以太网协议，在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网交换功能。这种类型的ONU可以通过层叠 来为多个最终用户提供很高的带宽。因为都 148 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 使用以太网协议，在通信的过程中，就不再需要协议转换，实现ONU对用户数据的透明传送。ONU也支持其它传统的TDM协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。 (3) EPON的优势与技术难点 EPON兼有以太网和PON的优点: 1) EPON因与现有以太网的兼容性而容易被市场接受。EPON仅对现有的IEEE802.3协议作一定的补 充，它与以太网是完全兼容性的，这是其最大的优势之一。 2) PON是一种纯光介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的 故障率，提高了系统可靠性。 3) 相对成本低，维护简单，易于扩展和升级。EPON结构在传输途中不需要有源部件，因此容易铺 设，基本不用维护，长期运营和管理的成本很低;同时，EPON系统对局端资源占用很少，模块化程度高，初期投入低，投资回报率高;EPON是面向未来的技术，其系统为一多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。 4) 提供非常高的带宽，且分配灵活。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbit/s的带宽，并且 随着以太网技术的发展可以升级到10Gbit/s。 5) 服务范围大。EPON作为一种点到多点网络，以一种扇出结构来服务大量用户，节省局端资源。 当然，EPON的实现还存在着一些技术难点需要解决: 以太网从本质上说仍是一种局域网技术，采用这种技术提供公用电信网的接入，建设可运营、可管理的宽带接入网络，需要妥善解决一系列技术问题。 A. 认证计费 B. 用户和网络安全 C. 服务质量控制 D. 网络管理 E. 诸如测距、同步等关键技术，需要更加成熟的解决方案。 EPON技术，集合了代表未来网络融合趋势的IP技术以及无源光网络技术，兼具无源光网络独特的网络结构优势和以太网传统的低成本、灵活性优势。该技术将以太网最核心、最本质的部分保留下来，并补充以多址接入和远距离传送两个 主要功能，使其在传输距离和接入拓扑方面得以突破。可以预见，EPON技术在不远的将来将成为宽带长距离接入网领域的一支生力军。 149 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 第六节 有源光网络 有源光网络(AON，Active Optical Network)的结构形式多种多样。以下举例说明其结构与原理。 一、有源双星形结构 有源双星形结构(ADS，Active Double Star)结构可用来实现光纤到路边(FTTC)接入。它采用SONET设备并安装于环形网中作为有源节点，然后再由有源星形光网络连接到光网络单元(ONU)，最后由铜线以星形结构送给用户，见图4-41所示。 图4-41 基于有源双星形结构的“光纤到路边”(ADS-FTTC)方式 ADS结构的主要特点:对所用光器件要求不高，但在供电及远端电器件的运行与操作上存在一些困难，并且初期投资较大。 二、光纤到远端电节点结构 下面给出了美国贝尔电话公司在美国大部分地区实施光纤化时所采用的方案，即从交换局用光纤连接至远端模块或电节点，再经铜线分配给用户。这种结构称为光纤到远端电节点(FTTREN，Fiber To The Remote Electronic Node)结构，见图4-42所示。 150 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 图4-42 光纤到远端电节点方式 FTTREN实际上是FTTC的一种变种，即将ONU从DP点或FP点移至远离用户的远端(RE)，从而可以为更多的用户服务。 第七节 光纤接入网的规划 一、光纤接入网规划的基本思路 1、根据用户的实际需求和技术的最新发展情况，近期在我国城市地区除了个别发达的城市外，光纤接入网的发展应以光纤到大楼为主，尽量实现光缆通达全部大楼。在此基础上，根据现有铜缆的使用情况，逐步、稳妥地将光纤由光分支点向普通住宅用户延伸。整个光纤接入网的规划、建设和发展均应适度超前于用户的实际需求。 2、近期接入网的发展将会是一个以点带面的过程，只有紧紧抓住对于数据和多媒体新业务要求高、经济实力有保证的电信大用户，促使其充分利用已建成的光纤接入网络，才能提高现有光纤接入网的利用率，并进一步积累资金，逐步发展、完善，最终能够面向普通用户，满足所有用户对于通信带宽的较高要求。这将是一个循序渐进的发展过程。 3、在规划中有待确定的“电信大用户”，其范围宜涵盖以下几方面: (1)已经或正在进行综合布线的智能化大楼; (2)已建或近期新建的商业及办公大厦; (3)对通信可靠性要求较高的党政机关或部门; 151 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 (4)目前或将来数据通信业务量较大的单位; (5)近期对各种多媒体新业务有较多需求或能作为信息源的单位; (6)已建或新建规模较大的成片住宅小区。 二、确定光纤接入网结构和技术方案的基本原则 1、综合业务目标局的设定 综合业务目标局是指未来能作为话音、数据、图象、宽带等多种业务接入点的综合业务节点。具体确定时应参照以下几个原则: (1)交换机应具有标准接口以利于接入网的发展和设备的选型; (2)交换机机型应具有足够的处理能力来适应未来大业务量的需要; (3)交换局应具有两个或两个以上方向的出局管道，局房容量应有足够空余; (4)综合业务目标局的覆盖范围内应含有若干电信大用户，对于各种电信新业务将会有较大需求的未来用户，或近期会有跳跃性发展的新开发区等; (5)从整个城市的角度看，各综合业务目标局的分布应基本均匀合理; (6)在无须大规模改动现有本地电话网的基础上促进向大容量少局所方向过渡。2、主干光缆网络结构的选择 按照接入网物理参考模型的论述，接入网可分为主干层、配线层和引入层。目前阶段在我国光纤接入网的建设中，一般把实施重点放在前两个层面，即主干层 和配线层。 在广大城市地区除个别情况外，新建主干层光缆近期宜尽量采用环形的拓扑结构，少部分地区可暂时采用星形拓扑结构。目前环形结构的主干光缆主要有两种用纤方式，即光缆线路保护环和光缆设备自愈环。光缆线路保护环指每个ONU单独占用一组纤芯，通过环形的光缆从两个方向通达局内，一旦一个方向的光缆发生中断，采用线路倒换的办法使通信经过另一个方向的光缆继续进行，该ONU可独享这组纤芯上的传输带宽。而光缆设备自愈环是指若干ONU熔接在同一组纤芯上，采用SDH或SPDH传输设备，在光缆发生故障时完成自愈倒换，但是若干ONU需共享一组纤芯上的传输带宽。总的来说，光缆线路保护环用纤较多，但光缆应用相对灵活，可根据需要随时调整，并且带宽独享、易于升级;而光缆设备自愈环恰恰相反，接入同样多的大用户需要的纤芯比光缆保护环的方式要少得多，但是用纤方式不灵活，将来扩容较为困难。在具体的主干光缆熔接下纤时，建议采用两种混合的用纤方式以综合两者的长处，完善光纤接入网结构。值得注意的是，光纤接入网的主干光缆网络结构仅仅是指采用的光纤之间的连接关系，而光纤接入设备的系统结构则是系统中各光纤 152 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 接入设备(如OLT与ONU、ONU与ONU)之间的连接关系，它与接入设备厂商所生产的光纤接入设备的具体组网能力有直接关系。实际上光纤接入网主干光缆的网络结构和所采用的光纤接入设备的系统结构之间并无固定的关系，即在同一种光纤接入网主干光缆的网络结构中均可采用具有不同系统结构的光纤接入设备来组成结构不同的网络。 因此在具体进行光纤接入网规划时应规划光纤接入网中主干光缆的网络结构，而有关光纤接入设备的系统结构则应根据选用接入设备的实际组网能力再加以确定，同时这也能为光纤接入设备的选择提供更大的灵活性。 3、主干光缆路由的选择 (1)为了简化接入网的维护和管理工作，光缆环路基本上不跨越综合业务目标局的局界，即以本局环路为主，同时出于目前用户的实际需要和建设成本的综合考虑，可暂不采用将同一光缆环路接入两个目标局的方式。每个目标局根据情况设置若干光缆环，尽量覆盖该局界内的主要街道、住宅用户密集区及电信大用户。 (2)应尽量经过大用户分布相对集中的街道，以方便大用户的接入，并简化配线光缆网络的组织，以节省投资。 (3)应保证路由经过之处有必要的管孔用于铺设用户光缆(市区内局间与用户光缆不宜同纤或同缆)，并尽量使得同一光缆环路经过不同的物理路由环回到综合业务目标局中，以避免整个环路中断事故的发生(部分主干光缆根据实际情况可暂时采用星形结构)。 (4)应兼顾三方面的特殊需求，即:少部分宜跨局接入的用户、用光缆代替部分实际使用容量达到或接近饱和的主干铜缆线路、近期尚在规划或建设中的潜在的各种电信大用户。 在满足以上各项原则的前提下，还应尽量采用较短的光缆路由，以降低所需投资。 4、传输技术的选择 光纤接入网中的传输技术有许多选择，SDH、SPDH和PDH技术也可以用于接入网，尽管这些技术在骨干网中已经得到了十分广泛的应用。在接入网中SDH的主要应用有以下场合: DH可以作为点到点方式应用，直接将光 (1)对容量较高的大企事业用户，S 纤敷设到用户处，实现FTTO方式。 (2)SDH也可以作为环形网应用或星形网应用，直接将大企事业用户相连或者经业务复用器与用户相连。 (3)对于小企事业用户和住宅居民用户，只要有足够容量需求，SDH可以用于馈线段，待标准和设 153 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 第二章 光纤接入技术 备成熟后，SDH可以进一步用于配线段。 SDH用于光纤接入网中也同样具有许多技术方面的优势，例如:完善的自愈保护机制较强的管理和维护功能、较大的传输容量、标准的传输速率等等，并且有利于未来向宽带接入的方向发展。 综合考虑用户需求及设备成本等因素，建议目前阶段对于大用户密度较高，或发展潜力较大的主干光缆环路，可根据实际情况利用预留纤芯，采用内置SDH设备进行建设;而对于大用户不多或将来发展潜力不大的主干光缆环路仍可暂时适当采用SPDH设备进行建设。 5、光缆芯数的选择 为了便于施工，接入网中的光缆宜采用中心束管式(较小芯数)或层绞式(较大芯数)带状光缆。 目前我国市场上带状光缆的等级较多，可选择的余地较大，但是考虑到具体施工中如果采用的光缆芯数级别过多，将会给熔接等工作造成相当大的困难，同时对于光交接箱或光配线架的设置也十分不利，因此，建议在同一规划方案中，采用的主干光缆芯数不超过三个等级。 同时，由于主干光缆芯数的确定还受到如下多方面因素的制约，而这些因素在规划过程中均较难确定，因此具体到某个主干光缆环路采用何种芯数的光缆，既需要经过较为周密的计算，又需要为未来的发展预留较多的富余，即在光缆辅设的问题上必须具有适度超前的意识。 (1)若干ONU的连接方式(与不同设备的组网能力有关) (2)每个ONU进出的芯数(与各类用户的不同业务需求有关) (3)采用的传输技术和速度(与不同厂家的设备有关) (4)占用主干光缆纤芯的方式(与用户对于安全可靠性的不同要求有关)。 6、光分支点的设置 光分支点是指主干光缆与配线光缆的交汇点，在具体光缆线路中即是将主干光缆分支下部纤芯再熔接到配线光缆的点，它一般位于路边的入孔内。 (1)光分支点的设置主要应考虑四个原则: 1)应考虑在电信大用户相对集中的路边入孔内设置光分支点; 2)应尽量选择今后不受市政建设影响，不会产生大的变动的路边入孔; 3)应尽量设在交叉路口并靠近有条件放置光配线架或光交接箱的大楼附近的路边入孔处，以利于配线光缆的组织; 154 通信行业职业技能鉴定培训丛书 宽带接入 光纤接入技术 第二章 4)从整个光缆环路的角度分析，在充分考虑大用户分布的特殊性，未来对于规划建设中的成片新建住宅小区、新建办公和商业大厦，以及须采用光缆代替主干电缆需要预留的前提下，同一个环上各光分支点之间的间隔宜大致相当。 (2)在主干光缆的芯数和路由已基本确定的情况下，要确定该光缆环上光分支点的个数，需要考虑的因素有: 1)配线光缆的芯数 2)主干光缆的长度及路由 3)配线光缆的长度及路由 4)电信大用户分布的密集程度 根据各个规划所确定的光缆主干环路的芯数以及配线光缆的芯数，目前一般在同一主干光缆环路上可设6,8个光分支点。光分支点中配线光缆如何引出是具体施工过程中必须要考虑的问题。目前在各地实际应用中普遍采用通过光配线架或光交接箱引出配线光缆的方式。各地可根据各自城市发展、用户分布以及经济条件等方面的实际情况，尽量采用光配线架及光交接箱相结合的方式，以便既节省投资(ODF的造价相较高)又方便施工，同时增加网络的灵活性。但是在同一个光缆环路上应尽量考虑采用一种设备。 7、光网络单元的设备及配线光缆的组织 由于以实现光纤到大楼为规划基本目标，因此可主要在电信大用户的内部设立光网络单元(ONU)。除此之外，在近期需要利用光缆替代主干电缆的交接区内的原有电缆交接箱处设立若干ONU，ONU的容量根据用户的不同需要进行配置。在条件允许的情况下，应尽量采用室内型的ONU设备，以提高通信的可靠性。 近期配线光缆应根据ONU的分布及所带用户的性质，尽量统一考虑采用链形或星形的逻辑拓扑结构，对于用户性质重要、必须连入主干光缆环的ONU再采用环形结构。每个ONU暂按照进出各6芯光纤考虑预留(含话音、数据、图像)。由于配线光缆芯数小、数量多，需要占用大量的管孔，施工量较大，因此具体施工中应酌情采用管道或架空的铺设方式。 155