基于GPON的光纤到户的设计方案

1 基于 计方案 第 1章 绪论 宽带接入是指用户需要通过一定的通信基础网络支持实现用户和 于种种原因，从通信基础网络到用户端 “ 最后一公里 ” 成为宽带接入的 “ 瓶颈 ” 。目前，实现主要有以下几种方式： 比特以太网、无线接入技术、光纤接入技术。 内外发展历史及现状 最早的 字用户环路）远端设备的互联，传送 n64由于价格和业务保护方面均无法与环形拓扑的数字 用户环路设备抗衡，因此成为失败的技术。 20 世纪 90 年代，随着 兴起， 宽带 第一次成为 电信 技术发展的重要方向，而带宽潜力巨大的光纤技术也成为信息传输技术的宠儿。因此，在1995 年全球 7 个重要的 运营商 成立了全业务接入网组织（ ， 致力于 光纤接入 网的标准和应用的推进工作。在 第一个关于 于无源光网络（ 宽带 光接入 系统（ ）于 1998年发布，该标准一般也被称为 1。 限于当时器件水平和价格的因素， 备的成本还比较高、光纤接入网的外部配套条件也不成熟，因此 在北美地区的电信运营商中有一定规模的部署，并未在全球获得广泛的应用。 随着 术的衰落和 互联网 术的迅速兴起，继 后，业界希 2 望开发一种新型的 统，取代过时的 术。在这个背景下， 继在 2000 年和 2001 年启动了 标准化工作，并分别于2004年发布了完成的标准，为今天 2。 论文的研 究内容 本论文总共 有五个章节 ，围绕 “ 基于 光纤到户方案设计 ” 而进行调研，查阅资料，将理论知识与实践相结合写了这篇论文。 第 1章 描述了 简要介绍了 第 2 章介绍 了 并对几种 术进行比较。 重点描述了 点及其关键技术等。 第 3章介绍了 以及 一些通信公司的 和 第 4章以某一小区为例介绍 了 基于 第 5 章总结 了 能够实现小区三网融合方案和 设，能够为小区用户提供足够的带宽用于宽带业务 ， 并且 展望 从 0G 网络演进 必须考虑的问题是二者的共存 。 3 第 2章 种 从第 1章讨论的 要的 年来，被越来越广泛地应用于接入网以提供视频广播、远程教学、以及数据通信等多种业务。 而更适合宽带数据业务的需要。可以运行在多种物理层技术上， 001年改名为 ，是由 用于 二层信号传输协议的 最初的 范。采用 个术语导致用户相信只有 端用户 ，因此， 统提供包括以太网连接和 图像传输 在内的多种宽带服务。 下行速度分别为 155和 622随着需求与发展，相继出现了 太无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了 链路层使用以太网协议，利用 此，它综合了 成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等等。 技术是基于 标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化。 002年 9月提出， 此基础上于 2003年 3月完成了 和 2004年 2月和 6月完成了 3。 55层采用的是 此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载 务效率低等问题，未能取得市场上的成功。 了非常合适 务的带宽接入技术 ，已得到一定程度的商用。但是 需要支持必定要增加外部适配设备，所以预计 统在绝对系统成本和每比特成本这两方面都将相对较高。 够支持高速率、多业务，并且有最丰富的 特点。 业务的需求仍然是决定 目前情况看，在接入网中提供 G 比特业务还找不到明确的市场定位，目前的大量接入需求仍然是 务。另外一方面，目前提供 且 品的成熟性也逊于 但总的来说，无论在技术体制还是市场应用方面， 然有继续发展完善的必要性和可行性。对于中国的运营商而言，在部署 进程中，采用从低速到高速，从 务接入到综合业务接入的策略将是切实可行的选择 4。 995年开始逐渐形成的 的缩写。而 最早由 002年 9月提出， 003年 3月完成了 和 2004年 2月和 6月完成了 而最终形成了。 基于 是由局端的 光线路 终端 ） ，用户端的 光网络终端或称作光网络单元 ） ，连接前两种设备由单 模光纤 （ SM 和无源分光器 （ 组成的 光分配网络 ） 以及网管系统组成 5。 5 1. 前所未有的高带宽 提供足够大的带宽以满足未来网络日益增长的对高带宽的需求，同时非对称特性更能适应宽带数据业务市场。 2. ， 有很好的提供服务等级、支持 前， 非常成熟；使用 经开始广泛应用和发展。 3. 很好地支持 务 于 25s，能够直接支持能提供有 4. 简单、高效的适配封装 采用 多业务流实现简单、高效的适配封装。在 ，所有的多业务流 （ 话音、数据业务流 ） 都必需进行协议转化，映射到 所周知， 5 字节的 相对于 48 字节的数据来说，会带来超过 10%的带宽损失，特别对于长分组的 数据包 来说，其打包过程复杂、效率非常低。而在 然直接承载 以太网 帧，实现过程简单，但仅考虑 8B/100%的带宽浪费，加上对以太网帧的封装和开销， 宽 利用率比 0%左右。同时，在传输 要将其通过协议转化映射到以太网帧中，目前对此技术还没有规定统一的标准。 持定长和不定长帧的封装，对多种业务实现通用映射，不需要进行协议转换，实现过程简单，开销小，协议封装效率最高可达 94%，实现了带宽资源的充分利用。 5. 强大的 力 针对以太网系统在网路管理和性能监测的不足 ， 消费者需求和运营商运 行维护管理的角度 ， 提供了 3种 嵌入的 们承担不同的 形成 C/M 控制 /管理平面 ）， 平面中的 6 不同信息对各自的 具有丰富的业务管理和电信级的网络监测能力。 6. 技术相对复杂，设备成本较高 载有 障的多业务和强大的 力等优势很大程度上是以技术和设备的复杂性为代价换来的，从而使得相关设备成本较高。但随着 应地下降。 1. 技术标准 对于其他的 行速率高达 s，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场。提供 全业务保障，同时承载 很好的提供服务等级、支持 载 时，可以将 务映射到 中，使用标准的 8125s）帧能够直接支持 务。作为电信级的技术标准， 在 确规定需要支持的业务类型包括数据业务（ 括 务和 专用线（ 1， 务）和视频业务（数字视频）。 的多业务映射到各种业务类型都能提供相应的 6。 2. 同所有 统一样， 无源光分配网组成。 接入网提供网络侧与核心网之间的接口，通过 各 接。 作为 宽 分配、控制各 时监控、运行维护管理 用户侧的接口，提供话音、数据、视频等多业务流与 统支持的分支比为 1:16/32/64，随着光收发 模块 的发展演进，支持的分支比将达到 1:128。在同一根 光纤 上 ， 可使用波分复用 （ 技术实现信号的双向传输。根据实际需要，还可以在传统的树型拓扑的基础上采用相应的 3. 数据传输过程 在下行方向， 一个点到多点的网络。 广播方式将由数据包组成的帧经由无源光分路器发送到各个 个 后根据 质接入控制（ 址取出特定的数据包，如图 7。 图 在上行方向，多个 于无源光合路器的方向属性，从 的数据帧只能到达 不能到达其他 这一点上来说，上行方向的 络就如同一个点到点的网络。然而，不同于其他的点到点网络，来自不同 数据帧可能会发生数据冲突。因此，在上行方向免数据冲突和公平的分配信道资源。一般 式，将不同 数据帧插入到不同的时隙发送至图 7。 n 用户 1 用户 2 用户 n 1 2 n 1 2 n 1 1 2 2 n n 1 2 n 1 N 2 n 用户 1 用户 2 2 1 1 2 8 图 1. 从帧结构封装的角度讲， 其他数据封装方式类似。然而， 嵌入在 就是说， 如图 8。 图 入式 负荷长度指示）、 口 负荷类型指示）和 差错校验）组成。 字节，长度为 12多指示到 4095字节，所以大于这个值的用户数据帧必须采用分片机制传送。 12以提供 4096 个不同的端口， 用 于支持多端口复用，相当于 互独立 互独立 NT#n 用户 n n n 1 N 9 的 如图 图 似于在 用。3的最高位指示是数据帧还是 ，数据帧的最低位比特指示在分片机制中是否是帧的末端，次低位指示是否发生拥塞。 3供头部的检错和纠错功能。它是 39， 12， 2）码和一个奇偶校验比特的组合。 送机将该头部和固定的 0头部发送出去，接收机使用同样的异或计算回复头部 9。 25保证整个系统的定时关系。下行2s 2s s 3s A 1 6 6 4 10 帧结构如图 图 下行帧是由 理 控制块，提供帧同步、定时及动态带宽分配等 物理同步字段（ 固定的 32作与 0位包含一个超帧计数器，每个帧的 ， 净荷 n 净荷 n+1 n n+1 n+2 25据片段 净荷 字节 4字节 13字节 1字节 4字节 4字节 盖区域 下一 11 当这个计数器达到它的最大值时，下一个帧计数器将重设置为 0。它主要用于用户数据加密系统，也可 用 于提供较低速率的同步参考信号。 段 用 于传送物理层信息。 比特间插奇偶校验 8 比特码，用作误码率监测。 段规定了带 宽映射和 字段被发送两次以保证误差的健壮性。 一个 8 字节分配结构的标量数组，该数组的每一项代表一个特殊射数组中的项数 主要用于上行带宽分配。 如图 个上行猝发最少应包含 了负荷，它还可能包含 段。 行帧的负荷是由 、 10。 图 上行物理层开销（ 含了用于系统同步的前导码和定界符，它允许对上行突发链路进行适当的操作。 段用于承载上行物理层管理信息。 功率测量序列，长度120 字节，用于调整光功率。 于向 告 上行带宽需求， X Y Z A B 上行帧 12 态带宽分配（ 动态带宽分配（ 术是指通过 中各个 提高系统的宽带利用率的技术。统的上行接入一般采用中央控制按需分配和固定分配相结合的方式，也就是 规定的静态带宽分配和动态带宽分配两种方式，按照业务等级进行优先级分配。对于 的数据通信这种变速率业务，用静态带宽分配是不合适的，需要通过动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高，即 过在 据 特点和 议，可以 知道动态带宽分配的具体要求是：业务要透明、带宽利用率尽量高、具备低抖动与时延特性、公平分配带宽、信号健壮、实时性保证不同业务的 1. 宽带类型 和 准 明确提出了四种有先级别的带宽 。 它们分别是 是固定类型、确保类型、非确保类型和尽力而为类型的带宽。同时， 行系统中带宽分配基本单元的传输容器（ 按照其使用的带宽类型组合一共分为五种类型。基于业务等级的优先级分配方案能够在实现高效的 同时为业务提供良好的 以，清晰地认识到各种带宽资源的特性以及理解 使用范围对 2. 传输容器 面指出了 种类型的带宽都可以支持一定的 过为业务提供特定类型的带宽间接保证该业务的 种 全取决于该 果该 可以承载该业务，在五种类型的 ， 类型 提供类型仅提供 类型提供 类型仅提供 13 5类型是前四种类型的融合，可以提供所有类型的带宽，支持所有类型的业务。这五种 本文中有时也被分别称为类型 1、类型 2、类型 3、类型 4 和类型5的 3. 根据协议， 个步骤：用塞状态检测 ， 将拥塞状态汇报给 据提供的参数中心进行带宽分配 ， 据更新的带宽分配信息和 型发送授权，在 实现管理信息的协商。 程如图 11。 图 根据协议规定， 种是 据上报的数据对 行 所谓的基于状态报告的动态带宽分配（ 另一种是 告， 自己的流量监测功能，实现自动动态的带宽分配，既非基于状态报告的动态带宽分配（ 拥塞状态检测 拥塞状态汇报给 14 第 3章 供通往 光接口，用于实现 用户接入。根据 置位置的不同， 个 务功能 块及通用功能块组成，如图 图 核心功能块包括用户和服务复用功能、传输复用功能以及 口功能。用户和服务复用功能 包括装配来自各用户的信息、分配要传输给各用户的信息以及连接单个的服务接口功能； 传输复用功能 包括分析从 5 提供一系列光物理接口功能，包括光 /电和电 /光转换。如果每个 用不止一根光纤与 么就存在不止一个物理接口。 务功能块提供用户端功能 ，它包括提供用户服务接口并将用户信息适配为 64s或 n64功能块可为一个或若干个用户服务，并能根据其物理接口提供信令转换功能。 理和维护（ 能。供电功能包括交流变直流或直流变交流，供电方式为本地供电或远端供电，若干个 位于本地交换局或远端，为 提供必要的传输方式。 输复用和 数字交叉连接功能提供网络端与 允许的连接；传输复用功能通过 发送和接收通道提供必要的服务，它包括复用需要送至各 信息及识别各 来的信息； 口功能提供光物理功能接口与 关的一系列光纤相连，当与 过 可支持一种或若干种不同的服务。 用功能块提供供电功能和 能。 功能结构如图 16 图 位于 具有无源分配功能，其基本要求：为今后提供可靠的光缆设施；易于维护；具有纵向兼容性；具有可靠的网络结构；具有很大的传输容量；有效性高。 通常， 图 17 为公司 的系列设备 1. （ 1） 本功能： 网络单元；依托 行，提供中小规格的多业务接入网方式。如： 方便灵活的组网应用；简便快捷的安装；高可靠性和可维护性； （ 2） 品在网络中位置：处于网络接入层的尾端；主要用于 如图 图 络图 18 （ 3）华为 如图 19 图 2. 业务接入设备是华为技术有限公司推出的2P 一体化接入产品。 供大容量、高速率和高带宽的数据、语音和视频业务接入，可以作为 统中 备，和终端足 、基站回传、 线互联、批发等组网需求；支持 接入和以太网级联等宽带接入业务，通过与光接入终端配合，为用户提供点对点的 品外观 ，如图 图 20 根据容量的不同，共有三款 备，分别为 6个业务槽位， 个业务槽位， 个业务槽位，三款 品均支持相同业务单板（ 板及 兴通讯的系列产品 要用于 纤到户）、 纤到办公室）场景建设。 600、 601、620、 612、 625、 660、 612、 620、660、 627等系列产品，为用户提供丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。 1. 产品特性： （ 1） 接口丰富，承载全面：提供 多种接口，支持 业务承载，满足多种应用场景，促进全业务运营。 （ 2）小巧美观，部署灵活：小巧的产品，漂亮的外观，多项人性化功能设计，适合于室内灵活安置，助力运营商实现经济、灵活、简便、快速部署 速开展宽带增值业务。 （ 3）绿色节能，安全可靠：低功耗，绿色环保产品，用户接受度高，业界独家支持可内置铁锂蓄电池的电源适配器，宽电压设计和高等级防雷击保护，适应酷暑严寒等恶劣环境部署。 （ 4）综合管理，运维轻 松：基于 31综合网管系统实现设备即插即用，现场零配置，业务自动开通和恢复，故障自动检测和告警，业务性能监控统计，有效降低运维成本。 2. 设备 600是一款应用于 外形美观，绿色节能，提供 4个 10/100用户提供高速的数据服务和优质的视频服务， 21 通过 障诊断和性能统计，有效降低运维成本。 上联接口 ： 1个， C； 下联接口：以太网接口： 4个， 图 图 600 火通信的系列产品 1. 如图 图 22 图 . 实现 备支持多种物理接口种类： 10接口、 接口、 接口、干节点接口、外部时钟接口、管理接口、 告警接口。设备支持机盘的热拔拓，提供完善的电源、风扇、机盘、接口的冗余保护和光线路保护倒换机制。如图 图 23 o 原来的 构中，将设置在路边的光网络单元换成无源光分路器，然后将光网络单元移到用户家 8。 接放在用户家里 ； 中心局到用户之间全部为光连接和光传输 ； 接入网无任何有源设备，是一个真正的透明网络 ； 是一种真正意义上的宽带接入技术 ； 是用户接入网的长远目标 。 o 以看做是 同之处在于将光网络单元直接放到楼内（通常为居民住宅公寓或小企业事业单位办公楼），再经多对双绞线将业务分送给各个用户。是一种点到多点结构，通常不用于点到点结构。 用户到 入线）用 更高等级线）连接 ； 点到多点结构，一个 通常采用 o 光纤到办公室，是光纤延伸到办公室的宽带接入技术。若将 构中的 置在办公室，就构成了 构。 要用于大型企事业单位，业务量需求大，一般采用环型或点到点的结构。但是一般 了提供以太网接口用于宽带上网以外，还需要提供少量的 o 光纤到办公室，将光网络单元放在大企事业用户（公司、大学、研究所、政府机关等）终端设备处并能提供一定范围的灵活业务。在经济上比较容易成功，发展很快。 24 o 网络单元设置在路边的小孔或电线杆上的分线盒处。此时从光网络单元到各个用户之间的部分仍为双绞线铜缆。若要传送宽带图像业务，则这一部分可能会需要同轴电缆或者 要适用于点到点或点到多点的树型分支拓扑。 用户到 入线）仍用双绞铜线连接或同轴缆 ； 通常为点到点和点到多点结构 ； 一个 是一种介质混合结构 ； 通常采用 第 4章 基于 在实际的应用中针对 网络设计应按照不同的需求进行，即选择具体的结构模式并实现网络构建，下面就以某个 小 区网络为例进行分析。本方案采用了 络，实现光纤进入每个客户端的目标，从而满足 小 区用户 “ 光时速 ”上网的需求。 区项目概况 随着网络技术和业务的发展，视频、数据等高带宽业务和应用日益丰富。随着三网融合业务的进一步发展，今后主要的宽带业务将包括高 清 /标清电视、视频通信、网络游戏、高速上网及 音业务。各类业务的上下行带宽需求如表 9。 表 类业务带宽需求 业务类型 上行带宽 下行带宽 高速率用户需求 中低速率用户需求 高清电视 610Mb/s 50kb/s 1路 下行带宽 1路高清电视或 下行带宽 25 标清电视 23Mb/s 50kb/s 2路 20 Mb/s 上行带宽 512kb/s4Mb/s 1812Mb/s 上行带宽 512kb/s4Mb/s 网络电视 256kb/s1Mb/s 256kb/s1Mb/s 视频通信 256kb/s2Mb/s 256kb/s2Mb/s 音 100kb/s 100kb/s 2路 2路 高速上网 26Mb/s 512kb/s1Mb/s 从表 以看出，家庭用户宽带需求主要为高速上网、 音、视频通信、网络游戏、 ，通常情况下下行带宽需求高于上行带宽，下行带宽将在1016Mb/以，传统的宽带接入技术很难保证用户的高带宽需求。现有某新建小区由 10栋 30层住宅楼组成，每层 8户，共计 2400户，需为该小区内用户提供语音、宽带、有线电视等业务 。 决方案 针对项目特点，并考虑到今后扩容、升级等因素，对该小区采用 纤到户（ 整体解决方案，如图 10。 管 AN 波器 光分路器 26 图 于 方案 1. 总体设计方案 设计思路如图 主干光缆 配线光缆 皮线光缆 按 50%的配置率来算，每层楼配置 4个 0楼 29楼 28楼 27楼 26楼 25楼 24楼 23楼 22楼 21楼 20楼 19楼 18楼 17楼 16楼 15楼 14楼 13楼 12楼 11 楼 10楼 1:64光分路器 1:64光分路器 1:64光分路器 盘纤熔 盘纤熔 盘纤熔 1#27层 72芯分配箱 1#21层 72芯分配箱 1#15层 72芯分配箱 1栋 用户家 光 交 接 箱 O D F 华为 A 5680T 域网 件 机房 小区机房 光交接箱 27 图 小区总体设计方案 根据 于小区用户数 2400户大于 600户，所需 2，因此将 间采用一级分光方 式，由于小区机房位于小区中心位置，故光缆距离最长为 5足 0 本小区为光纤到户建设思路，楼内光缆和皮线光缆敷设路由需用暗管保护，皮线光缆按 1户 1条皮线光缆进行覆盖，总共覆盖 2400户； 用户端活动连接器和冷接子按总户数的 50%进行配置； 皮线光缆进小区用户家里，用户端设备根据开通实际情况进行配置 144型号 12。 2. 本设计方案根据成本情况考虑了分光器采用 1:32 和 1:64 组网的两种设计方案，按 100%的 小区如果采用 1:64分光器，则共需 40个，可提供 2560个 用 1:32分光器共需 80个，可提供 2560个 此可见，采用 1:64 分光器组网比采用 1:32 分光器组网能减少了建设成本。采用 1:32的分光比，单用户可用下行带宽为 72用 1:64的分光比，单用户可用带宽为 36 见采用 1:64的分光比组网既可满足高速率用户 20可降低工程造价。因此本小区采用 1:64分光器组网。 1:64光分路器 1:64光分路器 盘纤熔 盘纤熔 1#9层 72芯分配箱 1#3层 72芯分配箱 其中 9栋都按照 1栋的配置方式 进行配置（ 范围为 110） 28 （ 1） 光交主干侧光缆的接入：从通信机 房 48 芯光缆至小区交接箱，光交容量为 720 芯；光分配箱的主干侧光缆接入：光分配箱为 72 芯，分别设置于每栋楼的 3、 9、 15、 21、 27 层， 1:64 分光器安装于光分配箱内，从小区的光交布放 12芯光缆分别至每个光分配箱，每个光分配箱覆盖共 6 层楼的所有用户； 入户光缆的敷设：从光分配箱采用 2 芯皮线光缆，通过开发商预埋的暗管入户，接入用户多媒体信息盒内的光纤信息面板 13。 （ 2）主设备选择 根据 区域配置的 分 别作简要介绍： 华为 一款大容量、高密度的 端设备，提供大容量、高速率、高带宽的语音、数据、视频业务综合接入，如图 主要性能特点如下： 换容量 400G，每槽位带宽均达 10行 410持 32K 址； 平台设计，业务板卡可混插组网、统一网管； 新 量汇聚，分布处理，业务板统一处理业务，消除性能瓶颈； 主控板、电源板、上联板卡等关键板件双备份；灵活 2K 1:1， N:1）； 4板， 16个业务槽位，单框最大支持128个 14 。 华为 备能够提供 4 个 10/100/1000口、 2 个 口，可支持 （ 3）传输损耗计算 通道损耗所允许的衰减定义为 考点之间的光损耗， 通道损耗核算以及 备的功率预算，采用最坏值法核算 15。 通道损耗 =光分路器插入损耗 +光活动连接器插入损耗 数量 +光纤衰耗系数 传输距离 +光 缆线路富余度，其相关参数取定为： 1:64 分光器插入损耗最大值为 活动连接器插入损耗为 （ 310 ；光纤衰减系数为 310 ；采用 1:64分光比时，光缆线路富余度取值为 29 从 用 模光纤，损耗 dB/ 案中，采用皮线光缆入户，由于该距离比较短，可以不予考虑皮线光纤的插入损耗。目前一盘光缆长度大约为 23该方案最多需要 3 个接头。所以该链路 最大损耗为： 通道损耗 =+28 此可知，该方案符合行业规定要求。 （ 4）业务提供 由图 知， 上提供城域网的接口，向下提供连接 接口，具有网络分配、带宽接入和网络安全等功能。 统可以同时传输 与数字电视业务的 元中，因此数字电视业务可以在 统中传输。此外以同时承载以太网、 而实现了语言、视频及数据的 “ 三重播放 ” ，为三网合一提供扩展空间。 现光纤到户及业务的高速接入。 线电视射频接口及 音接口，可为不同的用户提供不同的业务。在本设计方案中， 整个网络具有易控、易管的特点 。 （ 5）业务宽带需求 如表 覆盖 50%小区用户业务实际需求测算网络带宽 。 表 小区用户实际需求带宽预测 用户数（户） 业务需求 业务带宽（ M） 市场占有率 同时在线率 需求带宽小计（ M） 1200 视频点播 3 50% 40% 720 1200 普通上网 2 50% 30% 360 1200 话音 0%