（通信与信息系统专业论文）三网融合中的接入网复用技术的研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 三网融合是在数字通信技术高度发展、人们对网络服务的要求同趋多样化的背 景下，逐渐成为人们关注的网络领域技术变革的热点。本文介绍了三网融合的历史 背景及研究现状、三网信号的传输特点、信号复接及多路复用技术、三网融合中接 入网的复用技术、接入网研究热点p o n 技术等，从理论上探讨了三网融合的可行性 与现实性，在此基础上提出基于g p o n 的三网融合行之有效的方案。最后设计并实 现了一种小型的基于f p g a 的端对端多种业务数据复接系统，该系统与x d s l 相比， 提供了更大的带宽、抗干扰能力、可靠性和安全性，除语音和以太网信号外，该系 统还复接了r s 2 3 2 异步数据等更多的业务，且留有较充足的功能扩展空间，有较深 的后展性。在p o n 技术还未能全面实施的情况下，该设计可以作为由x d s l 接入到 p o n 光纤接入的过渡产品。 关键词：三网融合，复用技术，e p o n ，g p o n a bs t r a c t w i t ht h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e da n da p p e a lo fn e t w o r k s e r v i c ed i v e r s i f i c a t i o ni n c r e a s e d ，t r i p l ep l a yi s g r a d u a l l yb e c o m et h et e c h n i cr e n o v a t i o n h o t s p o tt h a tp e o p l ep a ya t t e n t i o nt oi nt h ef i e l do fn e t w o r k s i nt h i sp a p e r , i tm a k e sa d e t a i l e dd i s c u s s i o no nt h eb a c k g r o u n da n da c t u a l i t yo ft h et r i p l ep l a y 、t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e en e t ss i g n a l 、m u l t i p l e x i n g 、a c c e s sn e t w o r k sm u l t i p l e xi nt r i p l e p l a y i tg i v e sat h e o r yd i s c u s so nt h ef e a s i b i l i t ya n dr e a l i t yo f3 - i n 一1n e t w o r k o nt h e g r o u n do ft h e s ea n a l y s i s ，a ne f f e c t i v ep r o j e c to ft r i p l ep l a yb a s e do ng p o nw a sb r o u g h t f o r w a r d i nt h ee n d ，as y s t e mo fm u l t i s e r v i c em u l t i p l e xb a s e do nf p g ai ss c h e m e do u t c o m p a r e dw i t hx d s l ，t h i sd e s i g no f f e r sw i d e rb a n d w i d t h b e y o n de t h e r n e ta n ds p e e c h s i g n a l ，i ta l s op r o v i d e sr s 2 3 2a s y n c h r o n o u sd a t at r a n s m i t i o n t h i sd e s i g ni sam u l t i p l e x s y s t e mt h a tr e a l i z e db ys i n g l e c h i pf p g aa n dt r a n s m i t e db yf i b e r ，s oi tc a nb eu s e da sa t r a n s i t i o np r o d u c t i o no ff i b e ra c c e s sn e t w o r k sf r o mx d s lt op o n x i a oj i n g m i n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a oz h e n d o n g k e yw o r d s ：t r i p l ep l a y ，m u l t i p l e x i n g ，e p o n ，g p o n 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 三网融合是在数字通信技术高度发展、人们对网络服务的要求同趋多样化的背 景下，逐渐成为人们关注的网络领域技术变革的热点。本文介绍了三网融合的历史 背景及研究现状、三网信号的传输特点、信号复接及多路复用技术、三网融合中接 入网的复用技术、接入网研究热点p o n 技术等，从理论上探讨了三网融合的可行性 与现实性，在此基础上提出基于g p o n 的三网融合行之有效的方案。最后设计并实 现了一种小型的基于f p g a 的端对端多种业务数据复接系统，该系统与x d s l 相比， 提供了更大的带宽、抗干扰能力、可靠性和安全性，除语音和以太网信号外，该系 统还复接了r s 2 3 2 异步数据等更多的业务，且留有较充足的功能扩展空间，有较深 的后展性。在p o n 技术还未能全面实施的情况下，该设计可以作为由x d s l 接入到 p o n 光纤接入的过渡产品。 关键词：三网融合，复用技术，e p o n ，g p o n a bs t r a c t w i t ht h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e da n da p p e a lo fn e t w o r k s e r v i c ed i v e r s i f i c a t i o ni n c r e a s e d ，t r i p l ep l a yi s g r a d u a l l yb e c o m et h et e c h n i cr e n o v a t i o n h o t s p o tt h a tp e o p l ep a ya t t e n t i o nt oi nt h ef i e l do fn e t w o r k s i nt h i sp a p e r , i tm a k e sa d e t a i l e dd i s c u s s i o no nt h eb a c k g r o u n da n da c t u a l i t yo ft h et r i p l ep l a y 、t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e en e t ss i g n a l 、m u l t i p l e x i n g 、a c c e s sn e t w o r k sm u l t i p l e xi nt r i p l e p l a y i tg i v e sat h e o r yd i s c u s so nt h ef e a s i b i l i t ya n dr e a l i t yo f3 - i n 一1n e t w o r k o nt h e g r o u n do ft h e s ea n a l y s i s ，a ne f f e c t i v ep r o j e c to ft r i p l ep l a yb a s e do ng p o nw a sb r o u g h t f o r w a r d i nt h ee n d ，as y s t e mo fm u l t i s e r v i c em u l t i p l e xb a s e do nf p g ai ss c h e m e do u t c o m p a r e dw i t hx d s l ，t h i sd e s i g no f f e r sw i d e rb a n d w i d t h b e y o n de t h e r n e ta n ds p e e c h s i g n a l ，i ta l s op r o v i d e sr s 2 3 2a s y n c h r o n o u sd a t at r a n s m i t i o n t h i sd e s i g ni sam u l t i p l e x s y s t e mt h a tr e a l i z e db ys i n g l e c h i pf p g aa n dt r a n s m i t e db yf i b e r ，s oi tc a nb eu s e da sa t r a n s i t i o np r o d u c t i o no ff i b e ra c c e s sn e t w o r k sf r o mx d s lt op o n x i a oj i n g m i n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a oz h e n d o n g k e yw o r d s ：t r i p l ep l a y ，m u l t i p l e x i n g ，e p o n ，g p o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文三网融合中的接入网复用技术的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：型日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期： 华北电力大学硕+ 学位论文 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展和人们生活水平的提高，语音、视频、数据成为人们 生活、娱乐、学习、工作的必需，人们越来越需要多样化的信息服务。传统的电信 网、有线电视网和计算机网在网络资源、信息传输、交换和接入方面虽各有所长， 但建设之初均是面向某项特定业务并有所侧重，用户只能从不同的网络服务商处获 得所需的各类不同的业务，不能直接享受综合的信息服务，同时三网重复建设，资 源造成浪费，因此，电信网、有线电视网、计算机网一体化的呼声f 1 渐高涨，人们 对网络提出了更高的要求，三网融合已经成为势不可挡的历史大潮，成为人们关注 的网络领域技术变革热点。 三网融合的关键技术之一就是接入网技术川。现今的宽带互连网已是具有高速 数据传输能力的网络平台，包括骨干网、城域网和接入网三部分。骨干网和城域网 带宽的不断增加，终端产品的处理速度也越来越高，人们对信息业务的需求量日渐 增多，总之，接入网的两端已达到吉比特的高度，而接入网还远没有跟上这个步伐， 它的窄带环境严重阻碍了网络经济的快速发展。所以，三网融合，重在接入网技术 的发展与建设。在接入网部分，基于f i t h 的三网融合的简单示意图如图1 - 1 所示。 id c n r p n 复 月一电话机 光纤信道解 i jl 用 - p c 机 i i n t e r n e t 1r 复 设 用 ： 备 n 电姚jic a t vl ii1 。 1 1 三网融合概述 图1 1 三网融合的基本构成框图 所谓的“三网 ，是指电信网、广播电视网和计算机网，但这并不是在物理网 络的划分，而是在高层业务上的区分1 2j 。实际的物理网络其实只有电信网和广播电 视网，其名称也是因模拟领域业务和技术相关而形成的。因为在模拟领域，不同的 业务对传输方法有不同的要求，因而形成不同的网络。因此，从某种意义上说，“三 网 都是模拟传输的产物。在数字领域，所有的语音、数据、图片和视频等信息都 是以“0 和“1 的数字信号出现，因此对数字网来说不存在不同网络的问题，多 个业务网完全可以共存于一个物理网中。信源的数字化导致了信息的汇聚，进而导 华北电力大学硕十学位论文 致了三网的融合。 三网融合并非指三大网络的物理合一，而是技术的趋同性和终端智能化水平的 提高促使的网络高层应用业务的融合，即在同一个网络上可以同时开展语音、数据 和视频等多种不同业务，亦即国际上通称的t r i p l ep l a y 。因此，三网融合的本质应 是语音、数据、视频各业务的数字流的融合，国际上称为“d i g i t a lc o n v e r g e n c e ”。 1 1 1 三网融合的研究背景与研究现状 人们对信息要求同渐综合化，三网重复建设造成资源的浪费，这两点是三网融 合这个课题研究的主要原因和最原始驱动力。也正是再这样的背景下，世界各国开 始了以业务融合技术为主要内容，行业融合为促进的“三网融合”的历史进程。 现在，三网融合已成为世人瞩目的焦点。在二十世纪末，这一领域已经发生了 突破性的变化。外国的大型计算机企业，如微软、索尼等公司，已经把“三网合一” 作为其今后发展的业务重点而加以大力推进【3 1 。2 0 世纪9 0 年代中后期，为抢夺未 来数字化技术和信息服务的制高点，世界各国的信息技术产业，特别是一些跨国信 息产业公司展开了激烈的商业竞争，仅在1 9 9 7 年1 0 月到1 9 9 8 年6 月不到1 年的 时间内，美国几个大型信息产业公司的三网合并与投资总额就达到1 4 7 0 亿美元。 以a t & t 收购t c i 公司和兼并电信港公司为例，为了在未来的三网合一竞争中取 得主动，a t & t 公司在原来主要经营长途电话、无线通信、互联网服务的基础上， 收购了t c i 公司，这样a t & t 就具备了有线电视和高速宽带网的业务能力。在兼并 电信港公司之后，a t & t 公司又获得了经营本地电话的能力，现在的a t & t 已经成 为能够提供“一站购齐服务的超级信息服务企业，业务范围覆盖长途电话、本地 电话、移动通信、高速因特网接入、有线电视、声像娱乐等全部的传统“三网”服 务内容。 国内，“三网融合 是最近几年来，在中国信息产业界讨论最多的话题。2 0 0 0 年底，我国在“十五 规划中就明确“加紧发展和完善国家高速宽带传输网络，加 快用户接入网建设，扩大利用互联网利用率，促进电信、电视、计算机三网融合。 2 0 0 5 年底，我国在“十一五”规划中则强调“加强宽带通信网、数字电视网和下一 代互联网等信息基础设施建议，推进三网融合，健全信息安全保障体系。从“十 五一的“促进”到“十一五 的“推进 ，可以看出中国政府在三网融合方面的重 视与决心。 在国内，北京、上海、青岛、重庆、江西等省市早已开展了这方面的探索，如 上海广电集团研制的“s g i t 三网合一”多媒体信息网络系统，就准备在在其公司开 发的居民住宅小区进行试运行；而重庆华信高技术公司则已声称其成功地开发了 “三网合一一的h f c 用户接入系统，能够利用有线电视网并行传输电视、电话和计 2 华北电力人学硕十学位论文 算机信息；中信国安、海信电器等上市公司也已经在这一领域迈出了扎实的一步。 1 9 9 7 年8 月，湖南省率先在全国建成了覆盖全省所有城市和部分农村乡镇的宽 带图像通信网络，并在该网络上实验性地实现了语音、数据和图像业务的综合接入。 该网络是当时全国最大的，其技术档次和开放的新业务功能在全国处于领先地位， 充分体现了三网合一的特性。作为国家确定的三网合一的试点城市，上海广电集团 早在1 9 9 8 年就建立了多媒体网络及网络产品实验室，并历时一年建立了有线电视 双向网，并用该网来代替有线电视网、计算机网、电信网的功能，实现了三网合一， 这样，就可以通过有线电视双向网收看电视、打电话和上网。历时不久，采用基于 思科l p 技术的三网合一架构建设的云南省公安系统广域网投入使用后，成功实现了 多业务接入，其中包括数据业务、语音业务、视频业务。 北京是三大网络管理的中心，在三网融合的研究开发方面处于国内领先地位。 由中国工程物理研究院承担的国家级重点科技项目y h 2 0 0 0 高速信息电视系统已通 过鉴定，这一高速信息电视系统是利用现有的电话线路上传信息，通过具有宽带物 理特性的单向有线电视网络高速下载数据，无需改造现有的有线、电信网络，可使 互联网、有线电视网、电信网在家庭实现三网合一，从而给北京和全国电视、电信 行业带来新的拓展领域，近期产业化的重点是：加强研发工作，推出适于三网融合 终端产品，如数字机顶盒；统一网络协议和多业务工作平台，打破部门所有和行业 垄断，进行统筹规划。 1 1 2 三网现状的特点及简要分析h 1 2 1 电信业务网：电信业务网是以电话网为基础逐步发展起来。目前信息到户主要 是双绞线，通过交换机与骨干网相连。电话网是最早进行数字化的，传输方式逐步 向光纤到户发展，传输协议从准同步体系( p d h ) 到同步体系( s d h ) 进而到异步传输模 式( a t m ) 发展，但由于发展的不平衡，尚不能做到全网传输和交换的数字化。虽然 有非对称用户环路( a d s u 和高速用户环路( v d s l ) 等方式，速率可以从几m b p s 到几 十m b p s ，但整个网络的流通能力受到双绞线传输容量这一瓶颈的抑制。 计算机网：计算机网络初期主要是局域网，远程网是在国际互联网大规模发展 后才迅速进入家庭的，目前主要依赖于电信网，因此同样受到到户双绞线传输容量 和c a b l em o d e m 速度的限制，但其互联网协议众多的优越性正在被其他网络所采用。 有线电视网：近十多年来发展起来的广播电视网的后起之秀有线电视网，具有 网络技术设备先进、光缆为主干线、贯通全国和各省市首府及其大部分的城镇、宽 带双向光纤同轴电缆混合网( h f c ) x , p 的优点。我国的有线电视网是世界上用户规 模最大的有线电视网络，但由于其发展不平衡，全国各地网络分配网带宽不一，使 用器材离散性大等诸多原因，因而也只有在对现有网络进行不同程度的升级改造之 3 华北电力人学硕士学位论文 后，才有进一步拓展广播电视业务以外的其它增值业务的可能。 综上可见，三大网络( 实际上主要是电信和有线电视两大网络) 由于自身固有的 弱点，特别是比照“三网融合的目标要求，在新兴业务提供能力方面差距是明显 的。为此，要实现三网融合，对有线电视网的改造虽是一种最可能、最现实的做法， 但这不能从根本上解决问题。所以，目前在一个网络中实现三种业务的三网合一是 不现实的。这也是业界为什么逐步用“三网融合 取代“三网合一”的提法的主要 原因。 所以，要真正地实现“三网融合 ，无论是从技术层面还是从物理层面，都亟 需一种新的理念来实现人类梦寐以求的“融合世界 。 1 1 3 三网融合的技术难点 三网融合为一后的宽带综合业务数字网若能同时传输语音、视频、数据等各种 信息，必须具有很宽的网络带宽，较好的q o s 和统一的信息表示方式，所以只有同 时具备传输、交换、接入的宽带化，并且在网络的各个环节对各种信息进行统一的 处理，才能构建三网融合赖以生存的技术前提p j 。 ( 1 ) 宽带传输的问题 骨干网传输的宽带化是三网融合的基础。从光纤通信具有的优点以及未来技术 的发展趋势看，以密集波分复用d w d m 为基础的光通信网络将在整个骨干网中占 主导地位，三网将在此基础上融合。但存在的问题是，较为成熟的d w d m + s d h 系统主要是针对语音信号设计的，要能使信息量庞大的视频、数据等信息，尤其是 实时性很高的视频信息也能在该系统上快速、高效的传输，同时保证较好的q o s ， 还有许多问题需要解决。 ( 2 ) 宽带交换的问题 网络交换机是造成网络阻塞的主要原因，宽带交换机则是三网融合的关键。 但无论是a t m 交换机，还是新一代的吉位线速路由交换机，在交换速度、网络吞 吐量、q o s 等方面都远不能达到三网融合需要的性能指标。单以话音来说，像北京、 上海、广州这样的汇接中心来往的话路是数以百万计的，其信息交换量之庞大可想 而知，单纯依靠a t m 交换机或吉位线路由交换机是不可能胜任交换任务的，而三 网融合后还需要传输更大数据量、更高q o s 要求的视频信息以及数据信息，这必然 对骨干交换机提出更高的要求。 ( 3 ) 宽带接入的问题 接入网是指从用户端到本地局端或网络节点的连接部分，它通常由用户传输系 统、复用设备、交叉连接设备等部分构成，负责将各种业务透明地传送到用户。接 4 华北电力人学硕十学位论文 入网问题是三网融合的主要难点。因为接入网是直接关系到终端用户的“最后一公 里 的问题，而各种业务的商业获利最终来源于用户，所以接入问题既是技术上的 问题，也是政策上的问题。这里抛开政策问题不谈，但就技术层次而言，接入部分 往往是应用条件最恶劣的部分，语音、视频、数据等各种业务在此汇聚、分离，上 行信号在此产生，如何在保证各业务q o s 的基础上正确分离下行信号、合并上行信 号是三网融合在接入部分的重点内容。 1 1 4f t t h 是实现三网融合的最终解决方案 接入部分两边目前都已跨入吉比特级以上的速率，只有突破接入部分的带宽 “瓶颈一，才能使整个网络有效发挥宽带的作用，真正推动宽带业务的发展，给运 营商带来经济效益和社会效益【6 1 。 目前，以a d s l 为代表的x d s l 技术是建立在铜线基础上的宽带接入技术，作 为有源设备，电磁干扰难以避免；另外，a d s l 上行1 m b i t s 和下行8 m b i t s 的连接 速率已无法满足高端用户的长远需求。 实时的广播电视占据带宽约5 0 0 m h z ，要用i n t e r n e t 去传送或采用点播方式是不 现实的。现有的广播电视网经过h f c 双向改造后，上行带宽为4 0 m h z ，在传送广 播电视的基础上兼顾i p 业务，可满足部分数据业务的要求。但是在许多用户分享带 宽的情况下，每户得到的上行带宽与a d s l 差不多，难以满足今后大量上行业务的 发展。 光纤是迄今为止最好的传输媒介，光纤接入技术与其他接入技术相比，最大优 势在于可用带宽大，光纤接入网还有传输质量好、传输距离长、抗干扰能力强、网 络可靠性高、节约管道资源等特点，是f 1 广r h 的发展动力所在，三网融合的趋势必 然会促进f 1 汀h 的发展，反过来f 1 丌h 的发展也必然会促进三网融合的尽早实现。 1 2 三网融合中接入网建设的必要性与可行性 长期以来接入网始终是通信网领域中技术变化最慢、耗资最大、成本最敏感、 运行环境最恶劣的部分【5 2 1 。三网融合的最初原因在于用户的综合业务需求，最终获 利也将来源于用户。所以，在三网融合中，连接最终用户的接入网的建设是难点也 是重点。 1 2 1 三网融合中接入网建设的必要性 作为三网融合的关键部分，接入网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备， 是连接城域网、骨干网和用户驻地网的桥梁，其长度一般为几百米到几公里，因而 被形象地称为“最后一公里”。由于接入网是直接连接最终用户的一段网络，而所 5 华北电力人学硕十学位论文 有的商业模式归根结底其利润都要来自最终用户，所以自然成了各网络运营商争夺 的焦点，而宽带接入网也成了此领域的服务商、投资商关注的重点。 随着光通信技术的飞速发展和用户宽带业务爆炸式的增长，全球骨干网层面的 信息容量己达到千兆比特和百万兆比特数量级，已经基本实现光纤化、高速化和智 能化。下一代网络的逐步引入和新兴业务的需求使得网络利用率进步提高，而接 入网层面由于成本和技术等因素，已经成为网络多业务融合的主要障碍，制约整个 通信网络向宽带化方向发展。作为信息高速公路的“最后一公里”，接入网技术研 究已经成为目前关注的焦点。 尽管目前广泛使用的宽带接入方案如a d s l 、c a b l em o d e m 提高了一定的带宽， 但与人们的需求还相去甚远，并且也不能为新兴网络业务如视频会议、v o i p 、i p t v 提供足够的带宽，因此需要一种新的宽带接入网技术来满足今后用户对带宽的需 求。 1 2 2 三网融合中接入网建设的可行性 由于光纤具有成本低、传输频带宽、抗干扰性强等优点，非常适合作为高速、 宽带业务的传输媒体。于是，光接入网的研究应运而生。光接入网根据室外传输设 备是否含有有源设备，划分为有源光网络和无源光网络( p o n ) 。p o n 是纯介质光网 络，整个网络结构中没有引入有源设备，相比于其他接入网技术，具有以下优点：设 备简单，不引入户外有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户住宅内完成； 安装维护费用低，投资相对也较小：设备组网灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总 线型、混合型、冗余型等；适用于点对多点通信，利用无源分光器实现光功率的分 配：纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地段使 用，而接入网相对于主干网、局域网而言就是自然条件最恶劣的部分；从技术发展 角度看，无源光网络扩容比较简单，不涉及设备改造，只需设备软件升级，硬件设备 一次购买，长期使用，为光纤入户奠定了基础，使用户投资得到保证。 基于p o n 的接入网，在实现三网融合时的最终要求是光纤到户( f t r h ) ，所以 在接入部分的线路敷设结构的可行性决定了光纤接入网的最终实施情况。在此分析 一下光纤接入的布线结构问题。 接入网可细分为室外和室内两部分，室外部分包括从小区的机房( 本地交换设 备所在处) 到住家接入点( h a p ) 的公共区域，室内部分包括从h a p 到家里的电气插座 的私人区域。因为电力网、电视网、互联网、电话网这四个网的接入网很相似，网 络拓扑结构几乎是可以重合的，因此只需按电力线路的结构敷设光纤，就可以在一 个网上实现电视、电话、互联网的接入i 。下面图1 2 和图1 3 分别是电力线入户线 路图和光缆入户的线路图。 6 华北电力火学硕十学位论文 小区变压器虏 1 0k v 3 8 0v , 2 2 0v 用户i 用户2 用户3 咒户n 用户1 用户2 用户3 i 髓户n 电缆l 电缆2 电缆n 图1 - 2 电力线入户线路图 h a p h a p h 人p 1 1 p 光缆i q 盟望! ii l a p 亟固 l a p 亟固h a p o nu 3l i 亟固h a p o n nhpu i 光缆2 o n u l o n u 2 图1 3 光缆入户的线路图 用户l 用户2 用户3 甩户n l p l w in p l p p ，1 巳缆 通过图1 2 和图1 3 的比较，我们看到使用光缆后的线路拓扑结构没有改变，只 是用户家里增加了一个光网络单元( o n u ) ，小区内增加了一套光分配网络( o d n ) 和 光线路终端( o l t ) 设备。o l t 的输入接口与c a t v ( 有线电视网) 、p s t n ( 公用电话 交换网) 、i n t e r n e t ( 互联网) 等相接，并且通过o l t 把多路光信号合成一路光信号。 o l t 的输出接口和o d n 输入接口相接，o d n 把一路光信号分成n 路光信号在光缆 中传输。在h a p 处用l x n 连接模块进行信号分路，在用户端用o n u 把光信号接收 下来并转换成电信号，分别供给计算机、电视、电话等设备。 1 3 论文内容安排 本文的研究对象是三网融合中的接入网复用技术，文章针对三网信号特点、复 接技术、p o n 接入网和一种小型的端对端多业务数据复接系统等几部分进行了仔细 的研究。本论文按照内容共分为六章，工作主要包括如下几个方面： 7 一一一一一一；一 喜l - ，蕊 华北电力大学硕士学位论文 第一章是绪论，主要介绍本论文研究工作的应用背景和国内外的研究现状，三 网融合的技术难点、物理支持和应用前景，对接入网建设的意义的讨论，引出了本 论文的核心。 第二章介绍信道复用与数据复接的基本知识，主要包括时分复用和波分复用的 概念、原理等几个方面。 第三章介绍三网信号的特点及传输过程。通过对各网信号的信道编码、传输过 程及各信号带宽的分析，为三网数据流的“融合”奠定了基础，提供了信号融合的 理论依据。 第四章是概述目前主要的接入技术，重点分析了代表未来接入网发展方向的 p o n 技术，尤其是e p o n 与g p o n 技术。阐述了e p o n 、g p o n 系统的基本结构和 工作原理、测距技术、系统同步、q o s 以及动态带宽分配等关键技术，并提出基于 e p o n 、g p o n 技术的三网融合的设计实现。 第五章设计了一种基于f p g a 实现的小型的端对端多业务复接系统，该系统是 一种网络、语音、异步数据等多业务综合接入的系统，可以作为到g p o n 技术的过 渡产品。 第六章是研究工作的总结和展望。 8 华北电力人学硕士学位论文 第二章信道复用技术 数据融合技术实质上是信道复用技术。为了提高信道利用率，使多路信号沿同 一信道传输而互相不干扰，称多路复用。目前采用较多的是频分复用和时分复用。 频分复用用于模拟通信，例如载波通信；时分复用用于数字通信，例如p c m 通信。 另外用于光纤通信的还有一种光复用技术。光复用技术包括光频分复用和光波分复 用两种。这两种技术无本质区别，因为光也是一种波，光的频率与波长具有单一对 应关系，波长上的划分肯定也导致了频率上的划分。通常也可以这样理解，光频分 ，复用指光频率的细分，光信道非常密集。光波分复用指光频率的粗分，光信道相隔 较远。人们习惯将这两种技术统称为波分复用( w d m ) 技术，以示与模拟中的频分 复用技术的区别。本文就时分复用与波分复用技术做一简单介绍。 2 1 时分复用 时分多路复用技术t d m 是数字通信的常用技术。该技术通过在同一信道中利 用不同时间间隙传输不同路的数字信号，来达到信道多路复用的目的。 2 1 1 时分复用原理 时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。数 字信号在其信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具 体来讲，就是把时间分成一些均匀的时隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时 隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。图2 1 为时分多路复用示意图： 周 期 识 别 码 第 1 路 信 号 第第 2 3 路路 信信 号号 图2 - 1 时分多路复用示意图 第 n 路 信 吁 如上图2 1 所示，在个时间周期里( 一帧) ，先发送一个周期识别码( 帧同步码) ， 9 华北电力大学硕十学位论文 以便对端接收时识别，然后开始发送第一路信号，一段时间以后发送第二路信号， 依次类推，直到发送完第n 路信号后，一个时间周期结束。紧接着下一个时间周期， 依然是按照上述方法分别从第一路到第n 路发送。这样循环下去，就完成了在一个 信道中同时传输n 路信号的目的。 2 1 2 时分复用的帧结构及同步技术 一帧信号通常由帧头、帧核、控制信息等组成。由时分多路复用原理可知，时 分多路复用的方式是用时隙来分割的，各个时隙是均匀的，为每一路信号分配若干 个时隙称为路时隙，帧同步码和一些必要的控制信息也各分配一定的时隙。如在常 见的p c m 3 0 3 2 系统中，是将整个帧均匀的分为3 2 个路时隙，每个路时隙包含8 个时隙，其中3 0 个路时隙分别用来传送3 0 路话音信号，一个路时隙用来传送帧同 步码，另一个路时隙用来传送信令码。 为保证正常通信，要求收、发双方必须保持严格的同步【8 j 。时分复用通信中的 同步技术包括位同步( 时钟同步) 和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。位同 步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端的时钟 频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。 帧同步是为了保证收、发各对应的通道在时间上保持一致，这样接收端就能正确接 收发送端送来的每一路信号，当然这必须是在位同步的前提下实现。要建立收、发 系统的帧同步，需要在每一帧( 即图2 1 中的一个时间周期) 中的固定位置插入具有 特定码型的帧同步码( 即图2 - 1 中的周期识别码) ，这样，只要收端能正确识别出这 些帧同步码，就能正确辨别出每一帧的首尾，从而能正确区分出发端送来的各路信 号。 2 2 波分复用 波分复用( w d m ) 技术是指在同一根光纤中通过不同光信道同时传输两个或两 个以上的光波长信号，以增加光纤信道的利用率。波分复用系统组成如下图2 2 所 示1 9 l o 合披器卜叫分渡嚣 图2 2 波分复州系统原理框图 1 0 匝厮 1 - 2 一 道一 道一 傅一 信一 华北电力人学硕+ 学位论文 波分复用技术充分利用了单模光纤低损耗区( 指波段1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m ) 带来的巨 大带宽资源。根据每一信道光波的频率( 或波长) 不同可以将光纤的抵损耗窗1 2 1 划分 成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器( 合波器) 将不同 规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端，再由一波分复 用器( 分波器) 将这些不同波长载有不同信号的光载波分开。由于在不考虑光纤非线 性时，不同波长的光载波信号可以看作互相独立的，从而在一根光纤中可实现多路 光信号的复用传输，将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可实现单纤双向 传输。 波分复用本质上是光频上的频分复用技术，每个波长通路通过频域的分割实 现，每个波长通路各占用一段光纤的带宽，按复用波长间隔，波分复用可分为宽带 波分复用与窄带波分复用，前者是指复用波长间隔大于1 0 0 n m 的复用技术，其余复 用波长间隔为窄带波分复用。窄带波分复用中常见的有密集型波分复用( d w d m ) 及 粗波分复用( c w d m ) 等。d w d m 通常是指通道间隔小于0 8 r i m 的波分复用，d w d m 器件是高速大容量d w d m 网络中的关键性器件，从1 9 9 8 年的3 2 通道发展到 2 0 0 2 年后大于1 2 8 通道，可以在s 带、c 带、l 带传输信号。各频带含义见下表 2 1 。d w d m 的线路光速率可从1 0 g b i t s 、2 0 g b i t s 、4 0 g b i t s 、8 0 g b i t s 、3 2 0 g b i t s 直至1 6 0 0 g b i t s 。 表2 1 光纤通信波段汇总表。 频带窗口波长范围( r i m ) 频率范围( n i z ) l 8 5 0 ( 7 7 0 - 91 0 ) 0 带( 0 r g in a lb a n d )原始波段2 1 2 6 0 - 1 3 6 0 2 3 7 9 2 2 0 4 e 带( e x t e n d e d )扩展波段5 1 3 6 0 - 1 4 6 0 2 2 0 4 2 0 5 3 s 带( s h o r tw a v e l e n g t h )短波长波段1 4 6 0 1 5 3 0 2 0 5 3 1 9 5 9 c 带( c o n v e n t i o n a l )常规波段31 5 3 0 1 5 6 51 9 5 9 - 1 9 1 6 l 带( l o n g e rw a v e l e n t h ) k = 波长波段41 5 6 5 1 6 2 51 9 1 6 - 1 8 4 5 u 带( u t r a l o n gw a v e l e n h t ) 超长波k 波段 1 6 2 5 1 6 7 5 1 8 4 5 1 7 9 0 g 6 9 4 2 定义了1 8 个从1 2 7 0 n m - - 1 6 1 0 n mc w d m 标称波长，波长间隔为2 0 r i m ， 这种间隔允许在使用无致冷光源条件下，各个波长的同时传输，c w d m 波长涵盖了 单模光纤系统的o 、e 、s 、c 、l 等五个波段。实际应用中，c w d m 产品主要有两 种形式，8 波长系统和1 6 波长系统，而8 波长系统是目前应用比较多的系统。从理 论上讲，从i t u 给出的1 8 个波长选择中任意选择8 个都可以作为工作波长。但是 考虑到已经敷设光纤的类型和损耗特性，8 波长一般选在( 1 4 6 0 - - 1 6 2 0 ) n m ，也就是 华北电力人学硕十学位论文 s + c + l 波段，避开了光纤水峰e 波段和损耗较大的0 波段，不需要对光纤提出额 外要求。1 6 波长的系统将对光纤的类型提出要求，也就是必须采用损耗平坦的“全 波”光纤，而目前此类光纤应用很少。c w d m 主要用于光纤缺乏的接入区域，8 波 的容量大部分可以满足系统要求。光纤的传输损耗和波长关系如下图2 3 所示： 话减 d l | ，k ， t i 4 o2 2 3 本章小结 图2 3 光纤的传输损耗和波长关系 复用技术是数字通信领域的重要技术，时分复用将多路不同业务、不同速率的 数据合为一路数据，在更大带宽的信道中传输；波分复用是光纤扩容的主要技术， 可以几十倍至上百倍的提高单根光纤的传输容量。波分复用在单根光纤中通过不同 波长的光载波同时传输多路光信号，大大的提高了光纤容量。可见，不论是时分复 用还是波分复用技术，都节约了线缆资源，提高了通信效率，是实现三网数据融合 的主要技术，而p o n 技术正是这两种技术的结合。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章三网信号的特点及传输过程 要进行多路信号的复接，需要了解各路信号的传输特点，本章就三网信号传输 特点做一简要总结。 3 1 有线数字电视网信号传输 在数字电视中，按信号传输信道不同，数字电视可分为地面无线传输数字电视 ( 地面数字电视) 、卫星传输数字电视( 卫星数字电视) 、有线传输数字电视( 有线数字 电视) 三类。信道不同，采用的信道编码与调制方式也有所不同。 3 1 1 有线数字电视传输系统 有线数字电视广播系统由图3 1 中个功能模块组成【1 0 l ，在前端将基带电视信号 与有线信号特征进行适配。有线数字电视的各处理过程均是按该系统框图所示进 行。 蒌帚般u ：束自奉地i 敏 蛳t c 一2 节f 1 碌分瓦 鼍瞄再复罔等 卜 订峨箭囊 噩圃一逝 有线i 舳 翥哪一到蕈悟恻雠 图3 - 1 有线数字电视广播系统前端与接收原理框图 数字电视信号净前端处理后，成为m p e g - 2 传输流( t s ) 复用包，然后与基带物 理接口连接。该复用包由固定的1 8 8 字节的数据包组成，每个数据包又可分为4 字 节的包头和1 8 4 字节的有效负荷。包头的第一个字节是同步字节h 4 7 ，即二进制 0 1 0 0 0 1 1 1 ，另外三个字节用于业务识别、加扰和控制信息。m p e g 2 复用包结构如 1 3 鬻苏_j1il 昔度基物接 华北电力火学硕士学位论文 图3 - 2 所示： 传送流 l 包头i 有效负荷i 包头i 有效负荷i 包刿有效负荷 比特数 同步i 传输l 净负i 传输li 传送l 自适i 连续l 自适 字节i 误码i 荷始i 优先lp i di 加扰i 心区l 计数l 应区 i 指示i 指示i 级il 控制l 控制l 器l 图3 - 2m p e g 2 传送码流的结构 经信源编码打包成m p e g 2 数据包后，在送至有线信道传输之前，还需经信道 编码和调制处理。数字电视信道编码及调制是为了提高信号的抗干扰能力，把传输 信号放在脉冲串上，为发射做好准备。常用调制方式是正交幅度调制( q a m ) ，该方 法调制效率高，要求传送途径的信噪比也高，适合有线传输。 首先，m p e g 2 数据包从基带物理接口传到s y n c l 反转和随机化单元，该单元 根据m p e g 2 帧结构将同步字节进行反转，同时为实现频谱成形，对数据流进行随 机化处理；然后经r s ( 里德一索罗门) 编码器进行截短的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码，对每一个 已随机化的传送包进行处理，产生一个误码保护包；该误码保护包经深度i = 1 2 的卷 积交织器进行卷积交织，然后由字节到m 位符号变换单元将交织器产生的字节变换 为q a m 符号；然后经差分编码对每个符号的两个最高有效位进行差分编码，从而 获得旋转不变的q a m 星座图；再经基带成形单元将m 比特符号映射为i 、q 信号， 在q a m 调制前，对i 、q 信号进行升余弦平方根滚将滤波，最后就是q a m 调制单 元。对于q a m 调制，2 0 0 4 年2 月1 日开始实施的标准g y t1 9 8