（通信与信息系统专业论文）epon突发式光发射模块的研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近几年来通信网络得到了很大的发展，主干网大都实现了光纤化、数字化 和宽带化，但在接入网方面发展却十分缓慢。互联网中通信流量的大幅增长和 严重不足的接入网容量问存在着矛盾，在高容量的局域网与主干网间仍存在着 “最后一公里”的瓶颈问题，传统的接入方式已经不能满足诸如视频点播、互 动游戏、视频会议这些新业务对带宽的要求。由于e p o n 融和了低成本的以太 网设备和低成本的光纤基础设施，因此成为下一代宽带接入网的首选方案。 在e p o n 系统中采用的是点到多点( p 2 m p ) 的结构，上行信道的数据传输是 突发模式的，下行信道的传输是广播式的连续传输。由于e p o n 系统特殊的结构 及传输性质，要采用一些关键性技术来保证传输的性能，如测距技术及快速同 步技术等。e p o n 系统中传输的数据为突发信号，它区别于连续信号的独特之处 就在于它的幅度和相位是变化的，且其中有长连0 和长连“l ”出现，这是 由e p o n 的特殊结构所决定的。由于现在市场上并没有一种设备可以直接产生突 发信号，而在突发模式光发射模块的研发工作中又必须用到突发信号作为调试 和测量之用，所以必须能够在实验室里模拟地产生突发信号。 突发模式光收发机是e p o n 系统中的核心器件，其中突发模式光发射机的 作用是实现在e p o n 系统上行信道中突发模式光信号的发射工作。由于突发光 信号的特殊性质，要求突发式光发射模块具有自动功率控制、延时补偿、上升 下降时间控制、光脉宽控制等特殊功能。现在市场中有很多具有这些功能的光 驱动模块，考虑成本、性能等诸多因素，选择m a x 3 6 5 6 芯片为主芯片，并结合 1 2 5 g b p se p o n 发射机的特殊性，对其进行外部电路的设计，并绘出了p c b 板。 同时对其进行了各项指标的测试，给出了测试方法和测试结果。通过用可编程 信号发生器模拟e p o n 中实际传输的数据，经发射模块驱动转化为光信号发射 后，观察信号失真小，包头包尾信号准确而清晰。同时通过对输出眼图的观察， 反映该发射模块的各方面均表现良好，性能稳定。 关键词：无源以太光网络，突发模式，光发射器，自动功率控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a s e x p e r i e n c e ds u b s t a n t i a lg r o w t h m o s tb a c k b o n en e t w o r k su s ef i b e ra n da c h i e v ed i g i t a la n db r o a d b a n d ，w h i l el i t t l eh a s c h a n g e d i nt h ea c c e s sn e t w o r k t h et r e m e n d o u sg r o w t ho fi n t e r n e tt r a f f i ch a s a c c e n t u a t e dt h e a g g r a v a t i n gl a go fa c c e s sn e t w o r kc a p a c i t y t h e “l a s tm i l e s t i l l r e m a i n st h eb o t t l e n e c kb e t w e e n h i g h c a p a c i t yl o c a l a r e an e t w o r k sa n dt h eb a c k b o n e n e t w o r kt h ec o n v e n t i o n a lt e c h n i q u e sa r eu n a b l et op r o v i d ee n o u g hb a n d w i d t hf o r e m e r g i n gs e r v i c e ss u c ha sv i d e o - o n d e m a n d ，i n t e r a c t i v eg a m i n go rt w o w a yv i d e o c o n f e r e n c i n g e t h e m e tp a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k s ( e p o n ) ，w h i c hr e p r e s e n t t h e c o n v e r g e n c eo f l o w c o s te t h e r n e te q u i p m e n ta n dl o w - c o s tf i b e ri n f r a s t r u c t u r e ，a p p e a r t ob et h eb e s tc a n d i d a t ef o rt h en e x t g e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r k p 2 m ps t r u c t u r ei su s e di ne p o n s y s t e m t h eu p s t r e a mi st r a n s f e r r e di nb u r s t m o d e ，w h i l ed o w n s t r e a mi st r a n s f e r r e di nc o n t i n u em o d eb e c a u s e o f t h ep a r t i c u l a r i t y o ft h es t r u c t u r ea n dt h et r a n s m i s s i o ni ne p o n ，s o m ek e yt e c h n i q u e s ，s u c ha sr a n g e m e a s u r ea n df a s t s y n c h r o n i z a t i o n ，a r e u s e dt oe n s u r ea n g o o d t r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e b u r s tm o d es i g n a l i st r a n s f e r r e di ne p o ns y s t e mi t sc h a r a c t e r sb y w h i c hd o e si tk n o wf r o mc o n t i n u es i g n a li st h ev a r i e t yo fi t sr a n g ea n dp h a s ea n dt h e a p p e a r a n c eo fl o n gs e q u e n c e 0 a n dl o n gs e q u e n c e 1 t h i sp h e n o m e n a i sb r o u g h t b y t h es p e c i a ls t r u c t u r eo f e p o n s y s t e mt h e r e i sn oo n ek i n do f f a c i l i t yc a n g e n e r a t e b u r s tm o d es i g n a l d i r e c t l y i nn o w a d a y sm a r k e t ，w h i l ew em u s tu s et h eb u r s tm o d e s i g n a lt od e b u ga n d t e s tt h em o d u l es ow em u s ts i m u l a t et h eg e n e r a t i o no f t h eb u r s t m o d e s i g n a li nt h el a b t h eb u r s tm o d eo p t i c a lt r a n s m i t t e ri st h ek e yp a r to ft h ee p o ns y s t e m i ti s d e s i g n e dt ol a u n c ht h eb u r s tm o d eo p t i c a ls i g n a li nt h eu p s t r e a mi nt h es y s t e m t h e c h a r a c t e r so ft h eb u r s tm o d eo p t i c a l s i g n a l a s kt h et r a n s m i t t e rf o rs o m es p e c i a l f u n c t i o ns u c ha sa u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l ，d e l a yc o m p e n s a t i o n ，r a i s e d r o pt i m e c o n t r o la n dp u l s ew i d t hc o n t r o lt h e r ea r em a n yd r i v ec h i pt h a th a v et h e s ef u n c t i o n t a k i n gc o s ta n dc a p a b i l i t yi n t oa c c o u n t ，w eu s et h em a x 3 6 5 6 c o n s i d e r i n go f t h e c h a r a c t e r so ft h e1 2 5 g b p st r a n s m i t t e ri ne p o ns y s t e m , w ed e s i g nt h ec i r c u i ta n d 武汉理工大学硕士学位论文 p c bd i a g r a ms o m eg u i d e l i n e sa r et e s t e da n ds o m et e s tt e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e d t h es i g n a lw h a ti st r a n s f e r r e di ne p o ns y s t e mi sg e n e r a t e db yt h ep r o g r a m m a b l e s i g n a lg e n e r a t o r t h i ss i g n a l i st u r n e di n t ot h eo p t i c a ls i g n a la n dl a u n c h e db yt h e t r a n s m i t t e rt h eo p t i c a ls i g n a lh a sal i t t l e d i s t o r t i o nt h eh e a da n dt h ee n do ft h e p a c k e ti se x a c ta n dc l e a r a c c o r d i n ga s 也ee y ed i a g r a m ，w e f i n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h i st r a n s m i t t e ri se x c e l l e n c e k e yw o r d s ：e p o n ，b u r s tm o d e ，o p t i c a lt r a n s m i t t e l a u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着通信技术的发展，近几年来通信网络已经得到了飞跃的发展，由于业 务量的增多，以及越来越多的诸如视频点播、互动游戏、视频会议等需要高带 宽的服务的出现，从而导致互联网对带宽的需求以每年倍的速度增长。现在 已经建立起了一个新的城域长途光纤传输网络，已经将光纤延伸到了最后一公 里，到达了许多商务用户。但是，这最后一公里的接入网状况在近5 0 年来没有 发生任何质的飞跃。高速发展的互联网通信流量的加剧，同时接入网的容量显 得不足，因此产生了矛盾。在高容量的局域网与骨干网之间仍存在着“最后一 公里”的瓶颈问题。目前广泛采用的宽带解决方案是数字用户线路( d s l ) 和基 于电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 的网络。尽管这与5 6 k b p s 的拔号上网相比 已是很大的改进了，但仍然无法给诸如视频点播、互动游戏、视频会议这些新 出现的业务提供足够的带宽。这样，一种新型的技术就成为必需，这种技术应 该经济、简单、可生级，并且能在一个单一的网络上向终端用户提供传输语音、 数据以及视频业务。由于e p o n 融和了低成本的以太网设备和低成本的光纤基 础设施，因此成为下一代宽带接入网的首选方案。“”。 1 1 1 通信量的增长 自从上个世纪9 0 年代以来，数据通信的业务量以每年超过1 0 0 的稳定增 长率增长。这种发展趋势在未来可能会继续。简单地说，越来越多的人会上网， 那些已经上网的用户将会在网上花更多的时间，使用具有更宽带宽的设备。市 场研究表明，升级到宽带网后，用户花费了比往常多3 5 的时间在网上。语音 的通话量也在上升，但年度增长率稍慢些，仅为8 。大部分的分析认为，数据 业务量已经超过了语音通话量，越来越多的用户使用远程通讯，他们希望这种 网络与他们公司的局域网具有相同的性能。随着用户群的增长，宽带网上将有 更多的业务和更多的应用。 d s l 和c a b l em o d e m 都满足不了这种需求。这两种技术都建立在现有通信 武汉理工大学硕士学位论文 网的基础上，对数据通信来说，并不是最佳的方案。在c a b l em o d e m 网络中， 仅有一些射频频道专门用于数据传输，而绝大部份的带宽用于传输传统的模拟 视频。由于信号的失真和串音，d s l 铜线网络在所需的距离上达不到足够的数 据传输率。人们已经意识到了一种新的以数据为主的接入网解决方案是多么的 急需这个事实。这种技术对i p 协议的数据传输是晟佳方案，像语音、视频等其 它的业务也将转换成一种数据格式，这样一种真正意义上的多功能服务型的新 网络就诞生了。”“ 1 1 2 “第一公里”问题 “第一公里”曾被称为“最后一公里”，业界将其改称为“第一公里”，以 此形象地说明了接入网部分的重要性。“第一公里”连接着业务提供商的中心 机房和商业及居民用户。它也常被称为用户接入网，或称为本地环路( 1 0 c a ll o o p ) 。 居民用户所需要的是宽带接入网，它要能够支持互联网上丰富的多媒体业务， 并且在价格网素上耍与现有的网络持平。 电信公司通过采用数字用户线路( d s l ) 来满足这种宽带互连网接入的需求。 d s l 使用普通电话线所用的双绞线，在客户端需要安装对应的d s l 调制解调器， 在中一山局要装上数字用户线路接入复用器( d s l a m ) 。d s l 所提供的典型数据 通信率为1 2 8 k b p s 到15 m b p s 。尽管这比模拟的调制解调器快了很多，但称它为 “宽带”就有些名不副实了，因为它不能应用在语音、视频等多媒体通信业务 上：另外一个d s l 中心局所能覆盖的物理范围仅为不到1 8 0 0 0 英尺( 5 5 公里) ， 这也仅能覆盖大约6 0 的用户群。尽管可以应用远程程控的方式来扩大d s l 的 覆盖范围，但一般的运营商由于价格因素不愿向中心局1 2 0 0 0 英尺以外的用户 提供服务。 有线电视公司为了满足互联网业务的需求，使用同轴电缆网来传输数据。比 较典型的有光纤，同轴电缆混合网( c ) 。h f c 网的主干线为光缆，通过无源光 网络( p o n ) 将光信号分配到各个光结点，然后经树状同轴电缆分配网进入到 千家万户。h f c 网的基本原理是将数字信号调制为模拟信号，并以频分复用的 方式与模拟信号混合在一起，然后去用这个信号调制驱动激光器，再经干线光 纤和支线同轴电缆传输后，在接收端进行解调，恢复为原来的信号。 光纤到楼、光纤到户是接入网未来的发展趋势。在以往的架构中采用个 馈电装置来节省用来布网的铜线和同轴电缆，现在与以往不同的是在整个网络 2 武汉理工大学硕士学位论文 中都使用了光纤。这种新的光网络在费用方面和d s l 与h f c 相当，而且能提供 g b p s 级的速度。 1 2 课题研究的目的和意义 作为解决电信网最后一公里接入瓶颈问题的极具发展前景的接入方式，无 源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，p o n ) 倍受关注。p o n 是指o d n ( 光配线 网) 中不含有任何电子器件及电子电源，o d n 全部由光分路器( s p l i t t e r ) 等无源 器件组成，不需要贵重的有源电子设备。p o n 网络采用无源星型光网络将信号 分送至用户，其突出优点就是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均 在交换机和用户宅内设备中完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资 金可咀等到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短， 覆盖的范围较小，但它造价低，易于维护。”3 p o n 自从在2 0 世纪8 0 年代被采用至今已经历几个发展阶段，电信运营商 和设备制造商开发了多种协议和技术以便使p o n 解决方案能更好的满足接入网 市场的要求。目前在p o n 中使用的数据链路层技术丰要有a t m 和e t h e r n e t 两 种。近几年i p 、a t m 技术在接入网、城域网和骨干网中的应用以及a p o n 商用 化后市场的反馈信息，都预示着a t m 很难成为未来带宽接入技术的主流，而 e p o n 则有着突出的优势： ( 1 ) 兼容性 以太网技术是迄今为止最成功、最成熟的局域网技术。e p o n 只是对现有 i e e e 8 0 23 协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。随着e p o n 标准的制定和 e p o n 的广泛使用，在w a n 和l a n 连接时将减少a p o n 在a t m 和i p 协议间 转换的需要。 ( 2 ) 高带宽 根据目前的讨论，e p o n 的下行信道为百兆干兆的广播方式，而上行信道 为用户共享的百兆于兆信道。这比目前的接入方式，如m o d e m 、i s d n 、a d s l 甚至a p o n ( 下行6 2 2 1 5 5 m b i t s ，上行共享1 5 5 m 1 5 i t s ) 都要高得多。 ( 3 1 低成本 e p o n 提供较大的带宽和较低的用户设备成本。首先，由于采用p o n 的结 构，e p o n 网络中减少了大量的光纤和光器件以及维护的成本，降低了预先支付 武汉理工大学硕士学位论文 的设备资金和与s o n e t 及a t m 有关的运行成本。其次，以太网本身的价格优 势，如廉价的器件和安装维护费用使e p o n 具有a p o n 所无法比拟的低成本。 ( 4 ) 安全性和q o s e p o n 允许多层安全保护，支持虚拟专用网的v l a n ，还支持v p n 、i p s e c 和隧道。通过差别服务( d i f f s e r v ) 和在媒体接入控带f j ( m a c ) 层中实现i e e e 8 0 2l p ， 提供与a p o n 类似的q o s ，为不同服务质量要求的信号设置不同优先级，以保 证信息包按预先设置的优先级传递。采用t o s 字段，提供8 层优先级，使信息 包按重要程度传输；或采用带宽预留机制，为话音实时业务保证反应时间提供 高速通道。 e p o n 给运营商带来的好处是多方面的。其中最重要的一点就是：从单个 用户的角度来看，点到多点的以太网结构为用户提供了一种非常低廉的宽带解 决方案。g 比特以太网能提供很高的带宽，这意味着运营商可以为极大数量的用 户提供宽带服务。网络一旦建立起来，服务的提供和管理都可以在中心机房进 行，这就避免了来回奔波以及其它一些不菲的管理和维护的费用。另外，运营 商可以根据不断变化的用户需求和相应的s l a ( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ) 来动 态地进行带宽分配。随着以太网速度的提高，运营商拥有可扩展的网络基础设 施，这也能够应对将来宽带业务的需要。另外，由于一个小型的o l t 可以支持 大量的用户，而且中心机房的初期投资也很少，所以运营商们只需按照目前的 需要进行建设，并根据市场的需求曲线增加投入和提供服务，这样他们就可以 从分散的投资中受益。i “”。” 1 3 国内外研究动态 目前，国外有很多公司先后推出了用于e p o n 的1 2 5 g b p s 突发模式光收发 模块，其中较知名的有：以色列b r o a d l i g h t 公司的型号为b b t - l - g g 、b b t - n - g g 的产品；日本n e c 公司的o d b 1 2 2 2 - n 2 1 ；日本o k i 公司的o a t l 2 3 2 - o l t 、 o a t l 2 3 3 s o n u 等。其中o k i 公司的o l t 模块没有恢复时钟输出，同时o k i 公司的光模块还需要外加自动门限控制电路的复位信号。美国和欧洲的一些系 统设备公司，大多是自行开发芯片和模块，突发式光模块并不对外出售。目前 也没有任何公司公开发售1 , 2 5 g 的突发式接收芯片。至于25 g 的系统及其光模 块至今还未见公开报道。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 小结 随着网络技术突飞猛进的发展以及信息时代的到来，通信网必将向着宽带、 高速的方向发展，e p o n 接入技术作为解决“第一公里”瓶颈问题的首选方案， 必将得到快速发展和广泛应用，而用于e p o n 网络的高速突发式光收发模块的研 究就非常有意义。目前用于e p o n 的突发式光收发模块技术还是处于国外垄断之 下，本课题的研究成果有望打破市场上国外产品的垄断，填补国内空白，为武 汉、中国光谷再立新功，社会效益t 分显著。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章p o n 网络技术 2 1 各种接入方法及其比较 接入网a n ( a c c e s sn e t w o r k ) 是通信网演变过程中的一个新概念。电信网 主要由用户传输线路、交换系统及中继传输线路构成。电信网发展至今，交换 系统及中继线路已基本实现了数字化。目前仅有用户传输线路仍采用模拟传输 方式，这一部分的数字化，正是通信网络向全数字化及宽带化过渡的最后阶段。 接入网定义为本地交换机( l e ) 与用户之间的传输网络系统，它完全或部分 代替本地线分配网。引入接入网这一概念的目的是为了用标准化的有限个接口， 结合多种传输媒体( 同轴电缆、金属线对、光纤、无线等) 来支持混合的不同 类型业务的接入。下面就几种常见的接入网进行介绍和分析。 2 1 1 铜线接入技术 近几十年，通信网得到了突飞猛进的发展，但是现在铜线技术仍然是网络接 入的主要手段，它在通信网络中占据了重要地位。传统的铜线接入方式适用于 话音业务及低速数据业务，但是它不能为当今形形色色的宽带业务提供接入， 形成了瓶颈问题。为此，人们提出很多解决方法使铜线线接入网能够实现宽带 传送。 铜线接入技术是指利用原有本地交换局至用户之间的星形双绞线作为宽带 接入的物理媒体，加上高比特数字用户线( h d s l ) 或非对称数字用户线( a d s l ) 技术以提高传输速率，实现多种业务的接入。 利用电话网铜线的x d s l ( 数字用户线) 技术具有良好的应用前景。这是因 为其利用现有电话铜线网作接入不需要对网络进行大规模的改造，只需在现有 铜绞线的两端分别加上一个调制解调器，即可使传输速率增加几十倍。在众多 的铜线接入技术中，目前被看好并被广泛使用的是a d s l ( a s y m m e t r i c d i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ) 技术。它不仅使铜双绞线在多媒体和高速数字通信领域占据了 一席之地，而且还将扮演非常重要的角色。 利用a d s l 技术开展宽带接入业务的优势非常明显，首先，现有的电话铜线 6 武汉理工大学硕士学位论文 网已经相当成熟了，a d s l 接入技术可以充分利用电信网现有的铜缆资源，保护 这一巨大投资，并充分发挥铜线的潜力；其次，a d s l 接入网允许用户随时可以 上网，无需每次重新建立连接，并且不会影响电话的使用，每个用户都可以独 享高速通道，没有阻塞问题；此外，a d s l 接入技术的保密性良好，安全可靠。 当然a d s l 也有其自身无法避免的劣势，其劣势之一在于传输距离短、对铜 线对的要求苛刻。而且a d s l 线路上能够提供的最高速率对传输距离和铜线质 量十分敏感，当距离增加时，串音尤其是远端串音会显著增加，使线路品质产 生严重劣化。同时，目前我国相当数量的铜绞线由于老化等质量问题不能承受 较高的传输速率，这两方面因素都严重制约了a d s l 接入网的传输速率。另外 一个问题是，a d s l 技术的产品标准还未完善，使用不同调制技术的a d s l 产品 不能兼容。 2 1 2 混和光纤同轴电缆接入技术 混和光纤同轴电缆( h f c ；h y b r i df i b e r c o a x ) 接入网是一种综合应用模拟 和数字传输技术、同轴电缆和光缆技术的高度分布式智能形接入网络，是电信 网和有线电视( c a t v ) 网相结合的产物，是将光纤逐渐向用户延伸的种新型、 经济的技术。 i q t z c 接入网最初由美国b e l l c o r e 提出，随后得以广泛推广，尤其是在已具有 较为完善的同轴电缆线路网络的国家和地区内有着广阔的应用前景。我国目前 的电视为模拟广播方式，c a t v 通过光缆同轴电缆己走入千家万户，在此基础 上，充分采用h f c 设备与技术并经过一定的升级，就可以为用户提供电话、数 据、有线电视及影视点播等业务。 h f c 接入网技术之所以被广泛应用，由以下一些优点所决定：第一，h f c 接入网的传输带宽较宽，这是双绞铜线对所无法比拟的。在这种接入网中，分 配网络的主干部分采用光纤为传输媒介，其间可以用光分路器将光信号分配到 各个服务区，在光节点处完成光电变换，再用同轴电缆将信号分送到各用户家 里。这种方式不仅提供了宽带业务所需的带宽，而且还节省了建立网络所需的 开支。第二，h f c 接入网可以与现有的用户设备相兼容。i - i f c 网的最后一段是 同轴网，它本身就是一个c a t v 网，因而视频信号可以直接进入用户的电视机， 以保证现有的大量模拟终端可以使用。第三，h f c 接入网的成本较低。h f c 接 入网的建设可以通过在原有网络基础上的改造来实现，然后再根据各种业务的 7 武汉理工大学硕士学位论文 需求，逐渐将网络升级。第四，h f c 接入网支持宽带业务。i - i f c 接入网支持现 有的和正在发展中的窄带和宽带业务，可以很方便的将话音、高速数据及视频 信号经调制后送出，从而提供了简单的能直接过渡到f t t h 的演变方式。 h f c 接入网络具有很多其自身特有的性质，在一定的时期和条件下，具有较 大的应用价值。但是，必须指出的是，h f c 网络是建立在模拟频分复用基础l 的，从技术发展趋势来看，未来的通信一定是朝着数字化方向发展的。目前的 h f c 系统要将数字信号通过q a m 调制成模拟信号，这显然与现在广泛采用的 数字传输不相吻合。另外要想在原有单向c a t v 网络基础上改变为双向多业务 网络，其难度也是相当大的，这是由以下几点因素造成的：第一，上行信道拥 挤。一般情况下，上行信道频带容量为4 8 0 个6 4 k b p s 信道，而h f c 网络是在基 本不改变原有c a t v 频道划分的基础上，将5 4 2 m h z 作为各种业务的上行信 息传送频带。当其信息增d i n - 定程度时，上行信道就会显得拥挤不堪。第二， 漏斗噪音。由于h i f c 上行信道位于噪音干扰较为严重的低频波段，因而容易受 到由外界各种因素引起的非线性失真产生的噪声干扰。而i - i f c 网络中，同轴电 缆分布为树状结构，来自于各“树枝”( 用户) 上的噪音全部汇聚到树干，使上 行信号的信噪比大大劣化，信号质量难以保证。第三，安全问题。由于h f c 网 络同轴电缆的树状结构决定了其频带资源对所有用户都是开放的，因此必须注 意传送数据业务时的安全性与保密性。 2 1 3 无线接入技术 由于无线用户环路的灵活性和低成本的特点，当采用一些多址技术时( 如时 分多址、码分多址等) ，就可以方便的建立拥有较大用户容量的用户接入环路。 这对于受地理条件限制的，即用有线接入有困难的用户能很快而又方便的接入 高速信息网，实现双向宽带业务的交换。故无线接入方式将是一种很有竞争力 的用户接入技术。 无线接入技术是指接入网的某一部分或全部使用的传输媒质是无线传输媒 质，从而向用户提供固定和移动接入服务的技术。无线接入网作为有线接入网 的有效补充，投资小、见效快。无线接入技术有其自身的技术特点，如系统容 量大，话音质量与有线一样，覆盖范围广，系统规划简单，扩容方便，可加密 码，并可用c d m a 增强保密性等，因此它可以解决边远地区、难于架线地区的 通信问题，是当前发展最快的接入网之一。对于新兴的运营公司而言，由于没 武汉理工大学硕士学位论文 有接入网络资源，为了能够尽快提供接入服务，无线接入，特别是固定无线接 入技术将有可能成为他们的选择。而对于传统电信运营公司而言，这一技术也 不失为快速提供宽带接入业务的有效手段。 无线接入可以分为移动接入和固定接入两大类。移动无线接入网包括蜂窝区 移动电话网、无线寻呼网、无绳电话网、集群电话网、卫星全球移动通信网、 个人通信网等等，是当今通信行业中最活跃的领域之，也代表了个人通信的 发展方向。固定无线接入是指从交换节点到固定用户终端之间采用的是无线接 入的方式，它实际上是p s t n i s d n 网在无线领域的延伸。 目前，一种被称为本地多点分配业务( l m d s ) 的固定宽带无线接入技术被 广泛看好。l m d s 利用地面转接站而不是卫星转发数据，可提供2 m b p s 1 5 5 m b p s 的带宽。它采用蜂窝单元，以毫米波以及2 8 g h z 的带宽向用户提供广 播、会议电视、视频家庭购物等宽带业务。l m d s 接入系统主要由带扇形天线 的收发信机组成，其典型蜂窝半径为4 1 0 k m ，在每个扇区传输交互式的数字信 号，信号到达用户室外单元后，2 8 g h z 的信号转换成5 9 5 m h z 的中频信号，然 后再在室内用同轴电缆将数字信号送至机顶盒( s t b ) 。l m d s 为某些布线施工 困难的地区提供类似的带宽接入和交互式能力。 l m d s 也有其局限性，其主要缺点之一就是存在来自其他小区的同信道干 扰，另外还存在覆盖区范围有限的问题。因为系统要求工作在高频段，所以即 使发射机和接收机位置固定，外界环境也很容易造成信号衰落，如交通工具和 树叶等。 2 1 4 光纤接入技术 由于光纤具有比金属传输线有许多好处的传输特性，将能给用户提供双向带 宽信号，便于用户从高速信息网中获取各类宽带信息，进行宽带的信息交换， 能使话音、数据、图像、计算机通信紧密的结合起来。 光纤接入网是指在接入网中用光纤作为主要传输媒质来实现信息传送的网 络形式。它不是传统意义上的光纤传输系统，而是针对接入网环境所设计的特 殊光纤传输网络。光纤接入网的主要特点是：( 1 ) 可以传输宽带业务，传输质 量佳，保密性强，抗电波干扰，可靠性高：( 2 ) 网径一般较小，可不用中继器， 仅在用户较多、需要分配的光功率较大时，采用光纤放大器进行功率补偿；( 3 ) 市场前景良好，应用范围广；( 4 ) 投资成本高，网络管理较为复杂，远端供电 武汉理工大学硕士学位论文 较难等。 根据光网络单元( o n u ) 离用户位置的远近，o a n 可分为若干传输结构， 主要包括：光纤到路边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t c ) 、光纤到小区( f t t z ) 、光 纤到户( f t t h ) 和光纤到办公室( f t t o ) 等。需要强调的是，f t t c 、f t t b 、 f t t z 和f t t h 等不是具体的接入技术，而是建设光纤接入网的实施策赂。把 o n u 移至用户家中( 即f t t h ) 是接入网的最终解决方案，即从本地局一直到 用户全部都采用光纤线路，中间没有任何铜线，也没有有源电子设备，是一种 全透明的网络，可为用户提供交互式宽带业务。由于经济上的原因、业务需求 的发展和投资上的考虑等诸多因素，f t t h 这一目标不会马上实现。但随着技术 的进步，成本逐渐下降，光纤最终将进入家庭。 光纤接入网可分为两类：有源光网络( a o n ) 和无源光网络( p o n ) ，前者 采用有源的电复用器分路，后者采用无源的光功率分配器( 光分路器) 分路， 把信息送至各用户。由于p o n 采用光功率分配器，使功率降低，所以比较适合 短距离使用，若传输距离长或用户较多，可采用掺铒光纤放大器( e d f a ) 来增 加功率。p o n 的主要特点是易于扩容和开展业务，维护费用较低，初期投资不 高，但它对光器件要求较高，而且需要较为复杂的多址接入协议。此外在实现 双向通信时，如何解决不同地点、不同长度的信号传输损耗、时延和同步也是 难点之一。1 3 。m “ 2 2p o n 系统拓扑结构 从逻辑上来说，“第一公里”是点对多点( p 2 m p ) 结构，一个中心局( c o ) 一般要为数以干计的用户提供服务。有一些多点拓扑结构较适合接入网，这些 拓扑结构包括树型、树枝型、环型和总线型( 如图21 ) 。使用l ：2 光抽头耦合 器和l ：n 光分路器，p o n 系统能够非常灵活地形成这些拓扑结构中的任一种。 此外，p o n 系统还能够形成冗余结构，例如双环型或双树型：冗余也可以只加 入到无源光网络的一部分，一般称其为树的枝干( 如图2l b 所示) 。 在p o n 系统中所有信息都在光线路终端( o l t ) 和光网络单元( o n u ) 之 间传输。光线路终端( o l t ) 安装在本地交换局( 中心局) ，起到连接光接入网 到骨干网的作用。光网络单元( o n u ) 可位于路边( 光纤到路边方案中) ，也可 在末端用户驻地( 光纤到家和光纤到大楼方案中) ，能够提供宽带的话音、数据 武汉理工大学硕士学位论文 和视频服务。在下行信号流方向( 从o l t 到o n u 的方向) ，p o n 是一个点对多 点( p 2 m p ) 结构的网络，而在上行信号流方向( 从o n u 到o l t 方向) 是多点 对点的网络。3 3 5 m o ： 粤雪眄固厂( ”匝回坷o ! 圃1 1 1 ，一列 l 回一翟葬鬯一。要翌蔷 ( a ) 树壹拓 卜采用1 ：盼麝嚣，( b ) 习：壅拓 卜( 采用2 x 2 丹接耦台春) 啤到，丁丽习 回葛裔国闻乜酬 ( c j 总线拓扑( 采用1 ：2 1 1 - 器m 台嚣，( d j 用冗采枝干柏树型拓扑( 采用2 ：分路嚣) 图21p o n 拓扑结构 2 3 p o n 系统分类 2 3 1 基于a t m 的无源光网络( a p o n ) a p o n 技术将a t m 和p o n 的优势互相结合，使其显示出优越性能。根据 g 9 8 3 建议，a p o n 上、下行传输速率采用两种方案，即下行为6 2 20 8 0 m b s ， 上行为1 5 5 5 2 m b s 或者是上下行均采用1 5 55 2 m b s 的传输速率。一个a p o n 可 以通过利用a t m 的分组方式，再结合无源光分路器对光纤和光线路终端的共享 作用，使接入网成本比目前常用的以电路交换为基础的s d h 接入系统降低了将 近一半。在a p o n 系统的下行方向上，采用广播方式传送信号，o n u 通过信元 头中的v p i v c i 来识别数据信元，从而接收属于自己的信号，并丢弃其他信号。 在上行方向上采用的是t d m a 方式进行接入，各个o n u 通过下行帧中的接入 控制信息来确定是否接入与何时接入，下行帧中的接入控制信息由o l t 根据各 个o n u 上报的情况来进行设置。 a p o n 作为一种新兴的接入网技术，可以为用户提供一系列操作、管理和维 护( o a m ) ，其中包括误码率( b e r ) 监视、警告和纠错、自动识别、自动测 距，以及作为一种安全机制而对下行通信量进行搅拌加密等等。然而，a p o n 系 武汉理工大学硕士学位论文 统具有两个实质性的缺陷：数据传输的整体低效率和在a t m 层提供和匹配业务 的复杂性，这将严重影响其发展和应用。“” 2 3 2 宽带无源光网络( b p o n ) i t u t g 9 8 3 系列标准中列出了1 5 5 m b p s 的p o n 系统，这个系统被称作宽 带无源光网络( b p o n ) 系统，它使用a t m 作为其载体协议( 前述的a p o n 协 议) 。b p o n 的名称被引入是因为a p o n 这个名称使得人们认为只有a t m 业务 能够被提供给终端使用者。把名称改为b p o n 表明这样一个事实：b p o n 系统 提供宽带业务，包括以太网接入、视频分布和高速租赁线业务。但是第一代f s a n 系统最普遍和知名的名称仍然是a p o n 。 2 3 3 基于以太网的无源光网络( e p o n ) 用于用户接入网的以太网，也被称作“第一公里以太网”或e f m ，最大限度 地结合了物理层( p h y ) 家族中i e e e8 0 2 3 媒介接入控制层( m a c ) 及媒介接入 控制子层的外延。这些物理层包括光纤、非屏蔽双绞线( u t p ) 铜芯电缆和物理 媒体相关予层( p m d ) ，实现在用户接入网中点对点的连接。 e p o n 是一种基于多点控制协议( m p c p ) 机制，作为一项功能在媒体接入控 制子层被定义。多点控制协议使用消息、状态机和计时器控制接入点到多点拓 扑结构。每一个点到多点拓扑结构中的光网络单元( 0 n u ) 包含一例m p c p 协议， 与光线路终端( 0 l t ) 中对应的m p c p 进行通讯。 e p o n m p c p 协议的基础来自于点对点仿真子层，它令一个基本的点到多点网 络成为一个连接到更高协议层的点对点链接的集合( 在m a c 或其上) 。它是通过 在每个数据包的起始端预留一个逻辑链路认证( l l i d ) 来取代两个八字节的报 头来实现的。 e p o n 作为一种协议仍然在i e e ee f m s e 作组的研究议程中，它还存在着许 多问题，包括关于协议本身、o a m 功能性和物理层规范都缺乏细节定义。目前， e p o n 具有两个实质性缺陷：超低效率和缺乏支持p o n 中除以太网外的其他业 务，因此在处理语音或t d m 业务时引入了服务质量( q o s ) 的问题。需要指出 的是，e p o n 使用8 b 1 0 b 码作为线路编码( 8 b 1 0 b 码可确保比特流中0 、l 代码的 充分平衡，这对任何通信链接的高性能运作都是至关重要的) 。8 b 1 0 b 线路编 武汉理工大学硕士学位论文 码本身会引入2 0 的带宽损失，这使得在处理协议本身之前，12 5 g b p s 的线速率 的起点实际上就只有1 g b p s 。i i ! i a p o n f f t i g p o n 系统是使用扰频作为线路编码的， 它与任何同步光纤网络( s o n e t ) 或同步数字系列( s d h ) 网络所使用的线路 编码机制相同。由于扰频过程中只改变了比特的顺序丽并没有增加任何比特， 所以该方法不会造成带宽损失。“2 “”1 2 3 4 千兆速率无源光网络( ( 3 p o n ) 用于干兆速率p o n ( g p o n ) 的另一项代替规范，正在由i t u 完成，新的规范 将使p o n 能够比许多基于a t m 的p o nr a p o n ) 2 1 2 作更快。投放g p o n 这种技术的 是f l e x l i g h tn e t w o r k s ，该公司宣称这种方法能提供超过以太网p o n ( e p o n ) 的 优点。 在p o n 中传输多业务时，g p o n 具有更高比特率和更高效率的双倍承诺。自 建立初，g p o n 就是根据p o n 的应用和需求自底而上重新考虑的结果，是新的解 决方案的基础，而不是基于先前的a p o n 标准。 有许多与p o n 不是直接相关的功能性，如o a m 信息、动态带宽分配( d b a ) 等，都被保留下来了。同时，g p o n 是基于一个全新的传输汇聚( t c ) 层的接 入技术。f s a n 最近选择了f l e x _ l i g h t 和众多加盟卖主提出的建议作为下代 g p o n 协议，即使用通用成帧协议( g f p ) 作为业务映射的帧结构协议。其下行、 上行帧结构见附录1 、附录2 所示。“ 2 4 小结 本章首先分析了现在所常用的几种接入方式，通过比较得出，无论从经济方 面考虑，还是探究其可行性、支持业务种类、能否升级及带宽容量等各个方面， 均可看出无源光