（电磁场与微波技术专业论文）点到点光接入网技术的研究及其单板硬件设计.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 摘要 点到点光接入网技术的研究及其单板硬件设计 摘要 自从进入2 1 世纪全球通信行业取得了巨大进步，特别是在光通 信领域。近年来一些行业术语如宽带、高速和接入等词频频出现。随 着数据业务的飞速增长，在过去的几年中人们对接入带宽的需求日益 增加，我国宽带业务市场发展正处于迅猛发展的时期。业界普遍认为 光纤是解决带宽问题的理想媒质，光纤到户( 删) 技术是宽带接 入网解决的理想方案。近年来，唧已经成为光通信领域中的一个 研究热点。各种光纤接入技术都有其最佳使用的场合和时机，到底哪 种结构更适合，则依赖于所传输的业务和建设成本。点到点光纤接入 技术有其自身的优点，比如它的物理连接的分离带来的高安全性能， 还有容易其操作、管理和维护等，有着一定的应用市场和研究价值， 因此，本论文设计了一套基于w d m 的点到点( p 2 p ) 光接入网系统， 并成功应用于北京市科委f i t h 项目中。 本论文分析了点到点光接入网技术并进行了系统设计的研究。论 文第一章对当前光接入网的发展趋势和关键技术作了较为深刻的分 析和研究，第二章针对点到点( p 2 p ) 光接入网技术展开了系统设计和 研究，第三章重点研究了p 2 p 系统中o l t 设备的e 1 汇聚卡，提出了 设计思路，并进行了硬件开发和软件调试，第四章对点到点系统进行 了功能性测试实验，验证了系统的功能要求。 本论文的创新性工作主要有：1 针对当前光接入网的发展需求， 参与并提出了点到点光接入系统的整体方案设计；2 针对系统中的 e 1 汇聚功能提出了可行性设计方案，并着手进行e 1 汇聚卡的硬件设 计和软件调试，最终完成设计要求。3 设计了点到点系统的功能性 测试实验，参与了系统的各项业务功能性测试，并最后通过了项目验 收。 关键词：光接入网e 1 汇聚点到点光纤到户 北京邮电大学硕 学位论文a b s l 姒c t t h er e s e a r c ho fp o i n t - t o p o i n to p t i c a l n b e ra c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h e b o a r dh a 劝a r ed e s i g n s i n c et h e2 0 0 0 t h e r eh a sb e e nat r e m e n d o u sa m o u n to fp r o g r e s si n t h e g l o b a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r y , a n di n f i b e r - o p t i c t e l e c o m m u n i c a t i o n si np a r t i c u l a r m a n yo ft h er e l a t e dt e r m so rb u z z w o r d s ， s u c ha sb r o a d b a n d ，v e r yh i g hb i tr a t ea n da c c e s sa r en o wq u i t ec o m m o n w i f ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd a t as e r v i c e c o n s u m e rd e m a n df o r b r o a d b a n da c c e s sh a sb e e ni n c r e a s i n go v e rt h ep a s tf e wy e a r sw i t hn o s t o p p a g ei ns i g h t n eb r o a d b a n dm a r k e ti si nah i g hs p e e dd e v e l o p m e n t p e r i o di nc h i n a h o w e v e r , a st h eo p t i c a lf i b e rh a sb e e nc o n s i d e r e dt h e m o s ti d e a lm a t e r i a l t h ef i h e r - m t h e h o m eh a sb e e nt h ei d e a ls c h e m eo f t h eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k r e c e n t l y f 兀hh a sb e e nah i tr e s e a r c hi n t h ef i b e r - o p t i ct e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y a i lk i n d so ft h et e c h n o l o g yo f o p t i c a lf i b e ra c c e s sh a v et h e r eo w nd e v e l o p m e n tp e r i o da n dm a r k e t t h e d e c i s i o nt ou s ee i t h e ro ft h et w oa r c h i t e c t u r e sd e p e n d so nt h es e r v i c e st o b ed e l i v e r e da n dt h ec o s to fi n f r a s t m c t u r e d e p l o y m e n t t h e p 2 p a r c h i t e c t u r eh a si t so w na d v a n t a g e s ，s u c ha st h eh i g hs e c u r i t yf o rt h e s e p a r a t ep h y s i c a lc o n n e c t i o n a n dt h ep 2 pa r c h i t e c t u r em a k e si te a s yt o m a n a g ef r o ma no p e r a t i o n ，a d m i n i s t r a t i o na n dm a n a g e m e n t ( o a m ) p e r s p e c t i v e ，s i n c ed i s t a n c e sb e t w e e nc o n n e c t i o np o i n t sa r ew e l lk n o w n s ot h i st e c h n o l o g yi sw o r t hr e s e a r c hf o rt h em a r k e ta n da p p l i c a t i o n s o w ed e s i g n e dap 2 po p t i c a la c c e s ss y s t e mb a s et h eb e i j i n gm u n i c i p a l s c i e n c ea n d1 e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h et e c h n o l o g yo ft h ep 2 pa r c h i t e c t u r ea n d r e s e a r c ht h es c h e m eo ft h es y s t e m i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h et r e n da n dk e y t e c h n o l o g yo ft h eo p t i c a l a c c e s sn e t w o r ka r ed i s c u s s e d t h es e c o n d c h a p t e ri n t r o d u c e st h es c h e m a t i cd e s i g no ft h ep 2 ps y s t e m i nt h et h i r d 北京邮电大学硕十学位论文a b s l l u 研 c h a p t e r , t h ea u t h o rb r i n gf o r w a r dt h e e 1a s s e m b l ed e v i c e sp l a na n d d i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e b u g g i n g t h ef o u r t h c h a p t e rt e s t st h ef u n c t i o no ft h es y s t e m t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sl i s t e da sf o l l o w i n g ：1 t h e a r c h i t e c t u r ea n dt h em a i nt e c h n o l o g yo ft h ep 2 po p t i c a la c c e s sn e t w o r k s y s t e mi sr e s e a r c h e d t h e nu n d e rt h es t u d vo ft h eo p t i c a la c c e s sn e t w o r k ap 2 ps y s t e mo fo p t i c a la c c e s sb a s eo nw d mt e c h n o l o g yh a sb e e n d e s i g n e d 2 t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ee 1a s s e m b l yd e v i c ea n dm a k e f o r w a r dt h es c h e m eo ft h es y s t e m a l s ot h ea u t h o rh a sd o n et h er e s e a r c h o ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee 1a s s e m b l yd e v i c e 3 m a n yt e s t e x p e r i m e n th a v eb e e nd o n eo nt h ep 2 ps y s t e m ，a n dt h ep e r f o r m a n c e sa n d f u n c t i o no ft h es y s t e mh a v eb e e np r o v e d k e y w o r d s ：o p t i c a la c c e s sn e t w o r k ( o 舢d e 1a s s e m b l e p o i n t - t o p o i n t ( p 2 p ) f i b e r - t o t h e h o m e ( 删) 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：缢日期：圣丝2 ，兰簋 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期日j 论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公白学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权1 0 。t 1 ：保密论文注释：本 学位论文不属丁保密范用，适坩本授权1 5 。 本人签名：你系牟日期：2 川3 s 导师签名：毫复日期：一墨翌z ：! ： 北京邮电大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 本章主要是简单介绍了论文的一些背景知识，其中首先描述了接入网的基本 概念和特点，并对各种接入网技术的发展进行了概述。然后对点到点接入网技术 的发展趋势及模型进行了阐述，最后简单介绍了本论文的主要内容。 1 1接入网概述 1 1 1 接入网的基本概念 i t u t 对接入网给出了明确的定义：接入网( a n ) 是指用户网络接口( u n i ) 与业务节点接口( s n i ) 问实现传送承载功能的实体网络。其目标是建立一种标 准化的接口方式，以一个可监控的接入网络，使用户能够获得话音、租用线业务、 数据多媒体、有线电视等综合业务。从整个电信网的角度来看将全网划分为公用 电信网和用户驻地网( c u s t o m e rp r e m i s en e t w o r k ，c p n ) 两部分，其中c p n 属 用户所有，公用电信网又可以划分为三部分：长途网、中继网和接入网，一般把 长途网和中继网合在一起称为核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) ，剩下的部分称为用 户接入网或接入网。 随着电信技术的发展和计算机网络的出现，现代的电信网络也不断与计算机 网络融合，网络分层的结构也越来越清晰了，现在的通信网结构可以分为骨f 网、 城域网、接入网和用户驻地网。其中长途骨干网指连接国家各省地区主要节点 的网络，通常是网状网，具有可靠的保护措施，以解决大容量的可靠传输为基本 特征：城域网是指运营商在城市及其郊区范围内提供话音、数据( 包括i p 业务) 、 图像、多媒体和各种增值业务及智能业务等多种业务的网络，通常为环网结构； 接入网部分则是包括以支持传统电话业务为主的传统电信界定义的接入网、以接 入数据业务i p 业务为主的i p 接入网和提供综合业务接入的接入网，主要功能是 用户业务的接入和汇聚，拓扑结构则呈现多样化，既有星形、环形也有树形，还 有环形加树形等；用户驻地网是属于用户自己或用户驻地网运营商管理运行的网 络，一般是用户终端至用户网络接口u n i 问所包含的网络部分，可以是普通用 户家罩的一对双绞线，也可以是大的复杂的用户驻地网络，如校园网、大企业网 或用户驻地网运营商所运营的居民小区网络等。 在传统的电信网络中接入网是电信网的组成部分，不包括m 接入网，传统 北京邮电人学硕上学位论文 的接入网主要负责将电信业务透明传送到用户，其主要是建立在以电话业务为主 和墓千a t m 的b i s d n 支持窬带多业务的基础上的。其主要接入类型有：p s t n 和i s d n 窄带接入、b 1 s d n 宽带接入、租用线接入和其他专用接入等。但实际 电信网发展情况并没有按照b i s d n 宽带模式来发展，而是在基于以太网的 i n t e m e t 业务指数增长的基础上，整体通信网发生了变化，其中接入网也在发生 着演变。接入网正在从传统的以电话和综合数据业务为主的时代向以l p 技术为 主导的包括话音、视频、数据等多种业务的接入网时代演进。 因此，人们现在所称的“接入网”广泛的指用户与核心网中的城域网之间的 一系列传送实体组成，为传送接入电信业务和或i p 业务而提供所需传送承载能 力和或i p 接入能力，并且可通过网管接口或参考点r p ( r e f e f e n c ep o i n t ) 进行 配置和管理的实施系统或网络。 1 1 2接入网的特点 由于在电信网中的位置和功能的不同，接入网与骨干网、城域网有着非常明 确的区别。接入网的特点主要表现在以下几个方面：业务量密度低，业务量分饰 集中，成本敏感且差异大，成本与业务量无关，用户需求多样化，运行环境恶劣， 维护量大，覆盖半径小，一般为1 0 k m 以内，宽带接入网还要求多业务接入，多 用户共享带宽以及适应业务的不对称性和突发性。 1 2宽带光接入网的发展状况和主流技术 随着互联网的持续快速发展，网上新业务层出不穷，特别是近年来开始风靡 的网络游戏、会议电视、视频点播等业务，使得人们对网络接入带宽的需求持续 增加。据相关数据分析，未来3 年用户平均带宽需求将超过1 0 m ，传统的接入 方式将不能满足带宽的需求。与其他有线、无线接入技术相比，光纤接入在带宽 容量和覆盖距离方面具有无与伦比的优势。随着低成本p o n 技术的出现和迅速 成熟，加之光纤光缆成本的快速下降，使得众多运营商接入网络光纤化的理想能 够得以实现。一方面是不断涌现的新业务对带宽的巨大潜在需求，另一方面是技 术上有望保证在用户可接受的价格下实现光纤接入。在“市场需求”和“技术进步” 两驾马车的合力作用下，许多专家预测兀t h 即将进入大规模商用的崭新时代。 1 2 1宽带光接入网的发展状况和趋势 f 丌1 是目前光通信领域的一个亮点，也是全球发展的一个热点。在经历了 1 9 7 8 年和1 9 9 5 年的两次发展契机的积淀后，现在f 1 1 已进入第三次发展浪潮， 2 北京邮电人学硕士学位论文绪论 全球宽带用户数目最高的4 个国家( 中国、美国、日本和韩国) 中，除中国外， 都在大规模发展f 丌 i i 。根据同本总务省最新的数据显示，2 0 0 6 年第一季度术， 日本f 刑用户数已达到5 4 6 万户。而在不久前召开的m 盯研讨会上得到的信息 是：到2 0 0 6 年底，日本的硎用户数量突破7 0 0 万户。另一个预测数据是由 i r e s e a r c h 市场咨询整理的计算机世界关于全球f 1 1 h 市场的分布情况，预计到 2 0 1 1 年r 本f t m ( 光纤到户) 用户数将达至1 1 3 1 3 0 j 3 ，居于全球f 1 m 用户数排行榜 的首位。其次是中国内地，用户数也将达到1 2 0 0 万。美国将以1 咖万的用户数而 名列第三。另外，虽然，欧洲国家的f 兀h 虽然远远落后于同本、韩国和美国等 国家，但是在2 0 0 6 年，很多欧洲国家也逐步开始发展f t m 。 1 2 2 宽带光接入网的主流技术 光纤接入网技术可以相分为有源和无源两类，细分有点到点的数字环路载波 系统( d l c ) 接入技术、点到点s d h m s t p 接入技术、点剑点有源以人网接入m c 接入技术以及点到多点的p o n 技术。下面分别介绍如下。 ( 一) 数字环路载波系统( d l c ) 接入技术。 有源光接入网络技术和产品有初期的s l i c ( s u b s c r i b e r l i n ei n t e r f a c ec i r c u i t ) 和后来的d l c ( d i g i t a ll o o pc a r r i e 0 、1 d l c ( i n t e g r a t e dd i g i t a ll o o pc a r r i e r ) 等， 国际电信联盟提出的基于p d h 的灵活复用和基于s d h 的灵活复用也属于有源 光接入技术。现在也有把波分复用( w d m l 技术用于光接入网的。实际上，包括 目的应用较广泛的点到点( p 1 r p ) 的m c ，都属于有源光纤接入。有源光接入网以 i i f 主要指第二代数字环路载波系统( d l c ) ，即综合的数字环路载波系统( i d l c ) 。 随着宽带的发展，d l c 也在进一步改进以支持d s l 等宽带接入业务，构筑统一 的宽带综合接入平台，支持向f 1 t c f i t h 的演进，国际上将其看作第三代数字 环路载波系统或宽带数字环路载波系统f b d l c ) 。b d l c 可以增加d s l 的可用 性，允许在所有有业务需求的地区按需提供d s l 业务。b d l c 也是推动接入网 灵活点( 交接箱处) 融合的理想平台，可以按需以用户线为基础逐步实现向软交换 的平滑过渡。这种技术在较低d s l 密度下是比较经济的解决方案，转折点大约 为2 5 左右。对于大规模高密度d s l 敷设，则d s l a m 是更理想的解决方案。 然而，这种技术作为有源设备仍然无法完全摆脱电磁干扰和雷电影响，以及有源 设备固有的维护问题，尽管在中近期会有所发展，但不是接入网的长远解决方案。 ( 二) 点到点s d h m s t p 接入技术。 在接入网中应用s d h 的主要优势在于可以提供理想的网络性能和业务可靠 性s d h 的最新发展趋势是支持以太网等业务接口的映射，于是s d h 逐渐发展成 3 北京邮电人学硕十学位论文 绪论 为多业务传送平台( m s t p ) ，基本思路是将多种不同业务直接或经过处理后再通 讨v f 绒联等方式映射讲不同的s d h 时隙，而将s d h 设备与二层乃至三层分组设 备在物理上集成为一个实体，构成业务层和传送层一体化的s d h 多业务节点，定 位于网络的边缘。具体实施时相当于将s d h 复用器、数字交叉连接器( d x c ) 、 w d m 终端、二层交换机乃至l p 边缘路出器等多个独立的设备集成为一个m s t p 网络设备，统一控制和管理。当然，这种融合不是一步到位的，随着业务的发展 和技术的进展，近期可以首先实现物理融合，最后再走向完全的功能融合，成为 名副其实的融合节点。特别是集成了v c 级联，g f p ，l c a s 三种标准功能的新一 代m s t p ，不仅能大大增强自身灵活有效地支持数据业务的能力，而且可以将核 心智能光网络的智能扩展到网络边缘，增强整个网络的智能范围和效率。最新的 发展则是将具有很好汇聚特性和优化的数据接入能力的弹性分组环( r p r ) 功能集 成进来，最适合于城域网的接入层应用，特别是在以太网业务带宽需求占绝对优 势的场合。然而，由于r p r 没有跨环标准，独立组大网的能力较弱，若利用与 m p l s 相结合的方法可以使跨环业务流配置成同一个m p l s 标记交换通道，从而 实现多个r p r 环业务的互通和端到端业务调度。利用m p l s 还能提供基于全网的 流量工程，实现空问重用和带宽保证，提供有q o s 保证的端到端业务连接，加强 了支持数据灵活联网的能力，应用范围则可以扩展到l 】c ) 9 状网等复杂拓扑结构。由 于这种方案基于同步工作，对抖动要求严，且设备成本较高；其次，灵活生成业 务的能力不足，因此主要适用于局日j 或p o p 问，以及大的企事业用户的点到点通 信。 ( 三) 点到点有源以太网接入m c 接入技术。 传统的以太网属于用户驻地网( c p n ) 。然而其应用却在向包括接入网在内的 其他公用网领域扩展。历史上，对于企事业用户应用环境，以太网技术一直是最 流行的方法，目前已成为仅次于供电插口的第二大住宅和办公室公用设施接口。 采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期 的经验知识，目前所有流行的操作系统和应用也都与以太网相兼容、性能价格比 好、具有可扩展性、容易安装开通以及具有高可靠性等特点。对于公用网住宅用 户应用环境，点到点有源以太网系统采用有源业务集中点来替代无源点到多点系 统的无源器件，使传输距离可以扩展至l j l 6 0 公里之远。主要优点是专用接入，带 宽有保证，每用户可以独享1 0 0 m b t i s ，局端设备简单，传输距离长，成本随用 户数的实际增长而线性增加，投资风险低，因而在低密度、用户分散地区成本较 低。缺点是光纤设旌专用，当需求快速增长且用户很密集时，空间需求和成本也 随之迅速增加，因而不太适合高密集用户区域。由于计费、质量、管理、安全等 多种因素，以太网作为公用网接入方式尚需进一步改进。主要是以太网技术的固 4 北京邮电大学硕，l ：学位论文 有机制不提供端到端的包延时、包丢失率、带宽控制，难以支持实时业务的服务 质量，缺乏安全机制保证等。 ( 四) 无源光网络( p o n ) 接入技术。 始于2 0 世纪8 0 年代初，目前市场上的p o n 产品按照其采用的技术，主要分为 a p o n b p o n ( a t m p o n 宽带p o n ) 、e p o n ( 以太网p o n ) 和g p o n ( 千兆比 特p o n ) ，其中，g p o n 是最新标准化和产品化的技术。 无源光网络( p o n ) 是一种很有吸引力的纯介质网络，其主要特点是避免了有 源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，同时节省了维护成本。还能比较经济地支持模拟广播电视q k 务，即具备三 重功能( t r i p l e p l a y ) 。据美国贝尔运营公司报道，采用无源光网络后每年每线可节 约维护费用5 0 美元，足电信维护部门长期期待的技术。其次，p o n 的业务透明性 较好，原则t ：呵适_ f j 于任何制式和速率的信号。最后，由于其光发送机和光纤山 用户共享，因而线路成本较其他点到点通信方式要低，特别是随着光纤向用户r i 益推进，其综合优势越来越明显。p o n 的灵活组网能力和经济适用能力使其最适 合于分散的小企业和居民用户，特别是那些用户区域较分散，而每一区域用户又 相对集中的小面积密集用户地区。 1 a p o n m p o n 接入技术 早期的窄带无源光网络是基于t d m 的，性能价格比不好，已经自然消亡。 一个a t m 化的无源光删络( a p o n b p o n ) 可以利用a t m 的集中和统计复用，再结 合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使性能价格比有重要改进。目时 该技术在美国和闩本等国已经开始商用，在同本已经敷设了约5 0 万线。然而，目 前实际a p o n b p o n 的业务适配提供很复杂，业务提供能力有限，数据传送速率 和效率不高，成本较高，其市场前景由于a t m 的衰落丽不确定。最后，从长远 的业务发展趋势看，a p o n 的可用带宽仍然不够。以m c 为例，尽管典型主干 下行速率可达6 2 2 m b i t s ，但由于分路后，实际可分到每个用户的带宽将大大减 小。按3 2 路计算，每一个分支的可用带宽仅乘1 1 9 5 m b i t s ，再按1 0 个用户共享， 则每个用户仅能分得约2 m b i t s 的带宽而已。显然，这样的性能价格比是无法满 足网络和业务的长远发展需要的。 2 e p o n g e p o n 接入技术 近几年随着i p 的崛起和发展，有人提出了e p o n 的概念，即在与a p o n 和 b p o n 类似的结构和g 9 8 3 的基础上，设法保留其精华部分一物理层p o n ，而以 以太网代替a t m 作为链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更 5 北京邮电大学硕上学位论文 绪论 宽业务能力的新的结合体e p o n 。这一思想在以太网界得到了积极响应，在 t f f f r n 1 的梧阍下尸绨形甫了棚，哆梳准n f p n n 存豇际中f p n n 和g e p o n 的 基本差别就是标准化，前者往往指非标设备，后者指符合i e e e 8 0 2 3 a h 规范的设 备。另外，g e p o n 的传输距离和分路比均比e p o n 有所减小。从e p o n g e p o n 的结构上看，其关键优点是极大地简化了传统的多层重迭网结构，主要特点有： 消除了a t m 和s d h 层，从而降低了初始成本和运行成本；下行业务速率高达 1 g b i s ，允许支持更多用户，每一用户的带宽可以更高，并能提供视频业务能力 和较好的o o s ；硬件简单，无须室外电子设备，使安装部署工作得以简化；改进 了电路的灵活指配、业务的提供和重配置能力。i e e e 8 0 2 3 a h 规范的g e p o n 技术 的规范性好，上下行波长是1 3 1 0 n m 和1 4 9 0 n m ，上下行速率为1 2 5 g b i t s ，传输距 离是1 0 2 0 k i n ，分路比是1 6 ，主要业务是数据和语声：增加一个1 5 5 0 n m 电视广播 波长后，成为语声、数据和电视三合一的所谓“t r i p l ep l a y ”宽带业务捆绑服务。 e p o n g e p o n 的主要缺点是效率低和难以支持以太嘲以外的业务。前者是由于 采用8 b 1 0 b 的线路编码，引入2 0 的带宽损失；而a p o n 和g p o n 都采用n r z 扰 码为线路码，没有带宽损失。再加上承载层、传输礼：聚层、业务适配效率等原因， 使e p o n 总的传输效率很低，大约仅为g p o n 的。半。 3 g p o n 接入技术 2 0 0 1 年，在i e e e 积极制定e p o n 标准的同时，f s a n 组织开始发起制定速率 超过1 g b i t s 的p o n 网络标准千兆以太网无源光网络( g p o n ) ；随后，i t u t 也介 入了这一新标准的制定工作，并于2 0 0 3 年1 月通过两个有关g p o n 的新标准 g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 f 速率提高到2 5 0 b i t s ) 。按照这一最新标准的规定，g p o n 可以 提供1 2 4 4 g b i t s 与2 4 8 8 g b i t s 的下行速率和所有标准的上行速率，传输距离至少 达2 0 公里，具有高速、高效传输的特点。而且，g p o n 还在传输汇聚层采用了一 个全新的标准通用组帧协议g f p ，这是一种可以透明、高效地将各种数据信号封 装进现有网络的开放的通用标准信号适配映射技术，可以适应任何用户信号格式 和任何传输网络制式，全面体现了业务提供商对业务提供的灵活性要求，而 a p o n 偈p o n 和e p o n g e p o n 对每种特定业务都需要提供特定的适配方法。由于 采用g f p 映射，g p o n 的传输汇聚层本质上是同步的，还使用标准s d h 的1 2 5 u s 帧，因而使g p o n 可以直接支持t d m 业务。从提供的业务看，g p o n 不仅可以提 供1 0 1 0 0 m b i t s ，1 g b i 体的业务，而且可以提供v l a n 业务和语音业务，事实上 可以适应任何现有业务和未来新业务的适配要求。g p o n 不是制造商驱动的技术 标准，而是一种运营商驱动的标准，因此具有更周到的运营利益考虑，速率更高， 可达2 4 g b i t s ；具有通用的映射格式，可适应任何新老业务；具有丰富的o a m & p 特点；对各种业务均具有很高的传输效率，即便对于t d m 业务也能高效无开销 6 北京邮电大学硕士学位论文 地传送。 由于三种p o n 的主要成本都是光接口，因而其硬件成本相差不多，而传输效 率是关键。g p o n 无论在扰码效率、传输汇聚层效率、承载协议效率和业务适配 效率方面都是最高的，因此其总效率最高，等效系统成本最低。总的看，g p o n 似乎应该具有更广阔长远的应用前景。g p o n 和e p o n g e p o n 面临的共同挑战 有：怎样才能在e t h e m e t g f p 上有效承载t d m 业务并提供电信级的服务质量；其 次，由于g p o n 和e p o n g e p o n 是点对多点的星形或树形网络，需要通过一个1 + 1 并经过不同路由的光网络来实现电信级的保护恢复要求，网络成本将非常高；第 三，目前g p o n 和e p o n g e p o n 设备成本主要受限于突发光发送接收模块以及 核心的控制模块芯片，这些模块技术不成熟无法商用，价格昂贵难以适应市场 需要：第四，g p o n 和e p o n g e p o n 的一次性投入成本较高，不太适合逐步投资 扩容的传统电信建设模式，最适合完全新建或改建的密集用户区域。 总体来看，各种宽带光纤接入网都有其最佳使用场合和时机。宽带点到点有 源光纤系统最适合企事业用户，其中宽带数字环路载波系统适合从传统电话网向 宽带网转型的过渡期应用：宽带点到点有源以太网光纤系统适合在低密度用户分 散地区应用；宽带点到多点无源光纤系统最适合新建或改建的密集用户区应用。 我国的发展趋势将可能跨越a p o n 、b p o n l * q l e p o n 阶段，从宽带点到点以太网光 纤系统和g e p o n 开始，乃至很快过渡到g p o n 阶段。 因此，在众多f 1 t r h 技术中，点到点( p 2 p ) 方式的光纤接入技术有着它自身的 优势，比较适合中国现阶段的国情，有着巨大的市场潜力和研究价值，它的主要 优点是专用接入，带宽有保证；技术实现简单，局端设备成本低；传输距离长， 服务区域大；成本随用户数的实际增长而线性增加，可预测，无需规划，投资风 险低，设备端口利用率较高，在低密度用户分布地区成本较低，同时具有配置灵 活、提供业务多元化及集中维护等多项特点。为此，本课题在北京市科委基金项 目的支柱下自主研发了一套基于w d m 的点到点多业务有源光纤接入系统。 1 3 本论文的主要工作和论文结构 本论文基于北京市科委“点到点的f ”r h 设备研发与应用”项目，在项目 中完成了对光纤接入网的理论调研、对光接入网技术的深入研究和比较以及针对 点对点技术展开实际设备研制等工作。本论文的主要工作完成o n u 单板的p c b 设计与调试和e 1 汇聚卡的硬件设计和调试。 本论文共分四章，论文结构如：第一章绪论部分主要介绍了接入网的概念和 7 北京i | i i f i 乜人学硕i ：学位论文 绪论 光纤接入网的发展状况、趋势和主要技术；第二章主要阐述了点到点丌m 系统 的总体方辜诒计包括对i i t 谢名的沿；+ 和f y l , , j 1 f 毋象带妒d t 1 4 硬件设计：第 三章主要讲述了本次课题中e 1 汇聚卡的设计和研究，主要包括原理图的设计、 p c b 板的制作和软件调试等工作；第四章系统测试，主要是针对系统的业务性 能进行了测试，并分析测试结果得出结论；第五章结束语，对本课题工作进行全 面总结，给出本文所取得的成果，指出存在的不足和改进方向。 北京邮电人学顾卜学位论文基于w d m 的点到点型光纤接入系统的设计 第二章基于w d m 的点到点型光纤接入系统的设计 本章主要讲述本论文研究的点到点光纤接入系统，以下将分别详细介绍系统 的框架结构、光线路终端设备o l t 和光网络单元o n u 的硬件设计方案。 2 1系统框架结构描述 光线路终端( o l t ) 单元位于局端机房，通过光纤与o n u 相连，o n u 可 以放置于用户楼道、小区机房乃至用户家中，每个o n u 和它对应的o l t 子板构 成一个点到点的子系统，o l t 单元中还要集成两个汇聚板：e 1 汇聚板和以太网 汇聚板，它们分别对这两种业务进行汇聚和分解。系统应用实例如图2 1 所示。 图2 - 1 点到点系统应用示例 本论文的点到点解决方案的实现方式采用m c ( m e d i ac o n t r o l l e r ，媒体控制 器) 方式，并加上基于c d r 技术的“语音数据汇聚分离器”核心器件，实现 t d mo v e ri p 而不占用e t h e m e t 业务的带宽，在功能上实现多业务的特性，使得 系统支持数据和话音业务。1 个o n u 可以接入4 个e 1 和1 个快速以太网信号， 1 台o l t 可同时接入8 个o n u ，o l t 具有汇聚功能，能汇聚8 个o n u 的快速 以太网信号成为一个千兆以太网光接口与上联设备相连，同时将各个o n u 的e 1 接口汇聚成为个标准的s d hs t m 一1 接口，然后连接到电信侧城域网和p s t n 网络，从而实现灵活组网。其系统结构框图如图2 2 所示。 9 北京邮电大学硕上学位论文基十w d m 的点到点型光纤接入系统的设计 1 5 5 m b p s s d i i s o n e t 光线路侧接口 千冕以太同光口 o l t 子卡- e l o l t 子卡2一一- 一ho n u l ( j 汇聚o l t 子卡3 7 ji n i f 一 卡 背o l t 予卡4 扳 o l t 子卡5 一o n u l 厂) 以太 o l t 子卡6 。 4 一一 o n u i 网汇 o l t 子卡7 l 聚卡o l t 子卡0 图2 - 2 点到点光纤接入系统框图 下面对方案中的各个模块分别介绍。 2 2 光网络单元( o n u ) o n u 是位于用户侧的网络单元，用于连接用户终端和接入网，为光接入网 提供直接的或远端的用户侧接口。o n u 的主要功能是终结来自o l t 的光纤处理 光信号并为多个小企事业用户和居民住宅用户提供业务接口，同时它把用户侧的 信号变成光纤送到o l t 。根据o n u 放置位置的不同，可以分为光纤到家( f i t h ) 、 光纤到办公室( f 1 吣) 、光纤到大楼( f 1 t b ) 及光纤到路边( f 1 r r c ) 。 2 2 1o n u 单元功能设计 本方案中，o n u 放置在大楼或企业中，属于f t t b 。它为用户提供r j 4 5 、 及c a l v ( 预留方案) 。具体接口如下( 如图2 3 所示) 。 用户侧接口： 网络接口：1 r j 4 5 ( f e ) 语音接口：4 x e l 接口 视频接口：c a t v d t v ( 预留1 网络侧接口： 单模光纤一根( 下行1 4 9 0 n m 和1 5 5 0 n m ( 预留波长) ，上行1 3 1 0 n m ) 管理测试口： d b 9 接口( 利用d b 2 5 的3 根线模拟s p i 接口同t k 3 5 0 1 通信) 检测灯 电源接口：a c 2 2 0 v 1 0 北京邮电人学硕士学位论文基于w d m 的点到点型光纤接入系统的设计 2 2 2o n u 单元具体实现 图2 - 3o n u 单元系统结构图 o n u 单元内部连接图如图2 - 4 所示。 图2 4 0 n u 单元内部连接图 o n u 的主要功能大致可以分为四部分：1 ) 用户侧接口，为用户提供服务， 包括一个百兆以太网接口和4 个e 1 接口；2 ) 数据语音的汇聚，完成o n u 的核 心功能数据语音业务的汇聚和分离，实现数据业务和语音业务的混合传输； 3 ) o l t 侧接1 3 ，提供一个与o l t 相连的1 2 5 m b p s 的光接口，采用w d m 技术， 实现了单根光纤传输上下行双波长的全双工通信；4 ) 配置管理功能，利用t k 3 5 0 1 的s p i 总线接口操作其内部寄存器，达到管理和控制o n u 单元中几个主要功能 芯片的目的，实现对单个o n u 的功能和性能的配置、监测、管理。 o n u 的p c b 设计如图2 5 所示。 1 1 北京邮电大学颁上学位论文基十w d m 的点刊点型光纤接入系统的设计 2 3 光线路单元( o l t ) 图2 - 5 0 n u p c b 布局图 o l t 是系统中的重要设备，0 l t 位于局端，起到业务汇聚的作用，0 l t 主要 是完成光电变化和信号处理，从上联口中来的信号经过交换处理后经再经电光转 换成光信号向下游的各个0 n u 转发，从0 n u 来的光信号则在0 l t 端首先变成电信 号，然后汇聚成上联接口信号，以便与城域网相连。 2 3 1o l t 设计原理 本次设计中，o l t 设计分为四大板卡，o l t 子板、e 1 业务汇聚卡、以太网 业务汇聚卡和背板。o l t 子卡设计与o n u 单板相同，其功能设计和硬件设计都 一样，不同是的两块板上的供电系统和光收发模块部分不同，供电部分在o l t 子卡上由机箱中的一4 8 v 直流电源供电，在o l t 子卡上再经d c - d c 转换成3 3 v 的低电压给各个芯片供电，o l t 子卡与o n u 板上的光模块必须配对使用，即收 发光波长要相互匹配。o l t 的功能设计如图2 6 所示。 北京邮屯大学硕十学位论文基于w d m 的点到点型光纤接入系统的设计 图2 - 6 0 l t 功能结构图 o l t 中除了o l t 子板外，还包括e 1 汇聚板、以太网汇聚板和背板，背板上 有网管接口，网管系统从背板由4 8 5 总线与o l t 中各个子扳通信，包括对o l t 子板的配置，对汇聚板的监测等。考虑到o l t 子板上的网口一共只有8 个与汇 聚板通信，e 1 口比较多而且速度又比较低，如果都走背板通信的话则需要设计 复杂的背板总线，而且信号线非常多，因此，o l t 子板与两块汇聚板之问的通信 直接经由u t p 导线相连，这样既简化了复杂的背板总线设计又大大降低了背板 制造成本，不过这样使得机箱后部导线杂乱造成了不美观。整个o l t 设计成一 个4 u 的机箱，一共由1 0 块子板组成，机箱外部供电为2 2 0 v 交流电，机箱内部 还有一个2 2 0 v 一4 8 v 的直流电源，为机箱内各子板提供直流电源。 2 4小结 本章主要是对本论文研究的点到点系统的设计进行了详细的功能设计描述， 包括对o n u 板的功能设计和具体的p c b 的设计，还包括o l t 设备的原理设计， o l t 的功能设计等。 北京邮电大学硕上学位论文e l 汇聚卡的醚件设计 第二章z 1 ；