（电路与系统专业论文）基于ATM的无源光纤网的关键技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 摘要 目前，无论是电话网的核心网部分还是c a t v ( 有线电视) 网的骨干网部分都正向高速、s d h ( 同步数据复用网络) 兼容 的网络发展，业务种类将会越来越多，所需带宽也越来越宽( 例 如h d t v ) ，交互性越来越强。显然，作为整个刚的瓶颈部分 接入网也将向着更高带宽，s d h 兼容和增加双向通信能力 的方向发展，否则电信网的现代化和宽带化将是一句空话。 多种网络接入技术在我国都已得到一定的应用，如：d s 。( 数 字用户环路) ( h d s l 、a d s l 、r a d s l 、v s d l ) 接入技术、d d n ( 数 字数据网) 接入技术、c a m em o d e m 接入技术、光纤接入技术 等。从各种网络接入技术本身的特点来看，分别有着不同的应 用场合和前景。光纤通信以其具有通信容量大、性能稳定、防 电磁干扰、保密性强等优点，在干线通信方面已有广泛体现， 在接入网中，光纤接入也将成为发展重点。 电信网的核心网部分正在a t m ( 异步传输模式) 化，接入 网也正在开始大量应用p o n ( 无源光纤网络) 系统，为了使用 太原理工大学硕士研究生学位论文 户接入网部分的p o n 和核心网的a t m 化趋势相兼容，合乎逻 辑的做法是使p o n 携带的信息a t m 化，这种a t m 化的p o n 称为a p o n 。 在各种可能的接入方案中，长远看基于a t m 的无源光接 入网( a p o n ) 是最具市场潜力的接入方案，它支持宽带接入 业务，业务透明，结合了a t m 的多业务、多比特率技术和无 源光接入网的宽带宽、低成本优势。结合a t m 技术的p o n 我 们在论文中进行了研究，讨论了a p o n 的网络结构、分层模型 和备组成单元等问题。 n i _ - j 二p o n 中光分配网络( o d n ) 部分为j0 亭光纤媒质， 因此一【：行方向上，每个用户的a t m 信元是在预先约定的时间 插入预先分配好的时隙内，从而组成一定格式的上行帧送给 o l t ( 光线路终端) 。为了避免与o l t 不同距离的o n u 所发的 上行信号在o l t 处发生冲突，o l t 需要一套测距功能，测量每 一o n u 与o l t 之间的距离( 即延时) ，并指挥每个o n u 调整 发送时间使之不致相互冲突。 测距( r a n g i n g ) 技术是无源光网络( p o n ) 中为了避免上 i i 太原理i 。人学硕 研究生学传沦文 行业务的冲突而引入的关键技术。本文在第四章中针对a p o n 接入网的特点，提出一种带内测距法的实现机制，给出实现原 理以及实现流程，并介绍了该实现方案在a p o n 中的具体实现。 信元传输时延( c t d ) 是评价系统性能的重要参数，a p o n 上承载的各类实时业务对时延敏感；系统运行期间o n u 信元 缓存器队列队长分布将决定缓存器的设计容量。本论文将用排 队理论对这两个重要的参数进行分析。并分析一类基于帧结构 的全局先进先出的带宽分配算法。 在基于a t m 的无源光纤接入网中，如何设计n t 端信元缓 冲器的大小，以不至于当信元流到来时被丢弃。本文针对这一 问题首次采用了概率母函数的方法分析了特定协议所确定的网 络模型的理论分析。在a p o n 中，m a c 协议所确定的网络模 型具有输入参数为a 的简单到达流、各个顾客的服务时间之间 以及它们与输入之间均相互独立并且服务时间有相同分布和拥 有一个先到先服务的服务台等三个特性，所以我们采用了泊松 到达、任意服务时间分布和一个先到先服务排队模型 ( m g 1 f c f s ) 来进行分析。在分析中，本文应媚了嵌入马尔 i l l 太原理1 人学硕 训 究生学位论文 可夫链，通过推导得出了m g 1 模型的队长分布即待发信元数 分布的母函数，并由这个母函数求出了平稳队长分布均值。 最后我们通过计算机仿真了应用了特定m a c 协议的无源 光纤网的有关性能，通过图表我们分析了信元延迟、队长分布 与服务时间与服务方差的关系，从而也验证了我们理论分析的 科学性。 关键词：a t m ，无源光纤网，测距，m a c 协议 太原理i _ 人学硕 + 研究寸_ 学侮论文 s t u d y 0 nt h ek e yt e c h n o l o g i e s0 fp a s s i v e o p t i c a lne ，r w o r k sb a s e d0 na t m a b s t r a c t h a v i n gb u i l tt h en a t i o n a lb a c k b o n ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， h a wt op r o v i d et h es e r v i c e si n c l u d i n gb r o a d b a n ds e r v i c et ou s e r s t h r o u g h i ta t a n y t i m ea n da n y w h e r ei s t h es u b s e q u e n ti m p o r t a n t t h i n g 。i na l lk i n d so fa l t e r n a t i v e s ，a t mb a s e dp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ( a p o n ) h a st h em o s tp r o m i s i n gp r o s p e c t ， w h i c h s u p p o r t sb r o a d b a n ds e r v i c ea n ds e r v i c et r a n s p a r e n c y 。i na d d i t i o n ， i tc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so f m u l t i - s e r v i c ea n dm u l t i - - b i tr a t e c a p a b i l i t i e so fa t m a n dt h ea d v a n t a g e so fw i d eb a n d w i d t ha n d l o w c o s to f p o n 。 w es t u d yt h ea t mb a s e dp o na n dd i s c u s si t sn e t w o r k v 太原理i 人学硬 ：研究小 位论支 a r c h i t e c t u r e ，l a y e r e dm o d e la n dt h e i rc o m p o n e n t s 。 a no p t i c a l d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ( o d n ) u s e di na p o ni sa l s od e s i g n e d 。 i na d d i t i o n ，w eb r i n gf o r w a r daw a v e l e n g t hd i v i s i o nb a s e dt i m e d i v i s i o na c c e s st e c h n o l o g y 。 r e c e n t l yp a s s i v eo p t i a c a ln e t w o r k sg a i n e dal o to fa t t e n t i o n a sap o s s i b l es o l u t i o nt ot h eb r o a d b a n dl o c a la c c e s sn e t w o r k 。p o n m a yb ed e p l o y e da sab u s ，r i n g ，o rt r e et o p o l o g y 。w h i l ei ti sav e r y c o s t e f f c e t i v es o l u t i o n ，i th a ss o m eu n i q u ep r o b l e m s ，n o tf o u n di n b a c k b o n eo rm e t r o p l o l i t a nn e t w o r k s 。o n eo fs u c hp r o b l e m si s u p s t r e a mt r a f f i cs y n c h r o n i z a t i o n 。i nt h eu p s t r e a md i r e c t i o np o n i s am u l t i p o i n t t o p o i n tn e t w o r k 。b e c a u s ed i s t a n c ef r o mc e n t r a lo f f i c e t oe v e r yn e t w o r ku n i ti sd i f f e r e n t ，i fe v e r yu n i tw i l lt r a n m i ti ni t s o w nt i m es l o t ，d u et od i f f e r e n c e si np r o p a g a t i o nd e l a y s ，d a t aw i l l c o l l i d ei nt h ep o i n tw h e r ef i b e r sf r o md i f f e r e n tn e t w o r ku n i t sj o i n t o g e t h e r 。i nt h i sp a p e rw ep r e s e n ta no p e r a t i o nc a l l e dr a n g i n g a p r o c e s so ff i n d i n gas p e c i f i cd e l a yf o re v e r yn e t w o r ku n i t ，s u c ht h a t a l lu p s t r e a mt r a n s m i s s i o n sw i l la r r i v et ot h ec e n t r a lo f f i c ew i t h o u t v i 太原理丁人学硕十研究生学协论文 c o l l i s i o n s 。t h e r ea r es e v e r a l w a y s 1 0 p e r f o r mr a n g i n g 。t h e p r e s e n t e d s o l u t i o ni s v e r yc o s t e f f e c t i v e ，a s i td o e n t r e q u i r e a d d i t i o no p t i c a lt r a n s m i t t e r sa n dr e c e i v e r st ob ei n s t a l l e d 。 a p o ni sat r e e 1 i k em e d i u m s h a r e dn e t w o r k ，w h i c hh a si t s o w nc h a r a c t e r i s t i c st h a t e m p l o y s ap a r t i c u l a rm e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lt oa v o i dc o l l i s i o nb e t w e e nc e l l sf r o m d i f f e r e n tt e r m i n a l s 。h e n c e ，w ea n a l y s i sak i n do fm a c ，a n d m a k eac o n c l u s i o no fi t sv e r i t ya n df a u l t ，a n dh o wt op r o m o t ei t s q u a l i t y 。 k e yw o r d s ：a t m ，p o n ，r a n g i n g ，m a c 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除文中特别 加以标注和致谢中所罗列j 自勺内容外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得太原 理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 ，t 料。与我一同工作的同志对本文研究所做的任何贡献均 己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：l 蔓! 垒日期：旦年勇竺日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 查阅和借阅论文；学校可以公布沦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论文( 保 密的论文在解密后遵守此规定) 。 本人签名：堕 导师签名： 日期：堕年j 竺目 日期：丛年二月! 竺日 太原理j 人学硕十研究生学位论文 第一章绪论 进入2 l 世纪，随着各国接入网市场的逐渐丌放，电信管制政策的放 松，竞争的r 益加剧和扩大，新业务需求的迅速出现，光纤技术和无线技 术乃至铜缆技术的新发展，接入网丌始成为人们关注的焦点。这一巨大的 潜在市场不仅吸引了各种不同背景的网络和业务的提供者，也促使产生了 各种各样五花八门的新技术。然而迄今为止没有任何一种单一的技术可以 满足所有的场合和应用需要，因而技术的多元化是接入网的一个基本特 征。 1 1 接入网 从整个电信网的角度，可以将全网划分为公用电信网和用户驻地网 ( c p n ) ，其中c p n 属用户所有，因而，在电信网中，传统上公用电信网一 般可分为长途网( 长途端局以上部分) 、中继网( 长途端局与市话局以及 各市话局之间部分) 和接入网三部分。相对于长途网与中继网的其他部 分统称为接入网( a c c e s sn e t w o r k ) ，它主要完成将所有用户接入到核心 网的任务并已成为公用电信网中最大和最重要的组成部分。可见，用户接 入网是相对核心网而言的，由于两者的环境，业务量密度以及技术手段有 很大差别所以又可以把核心网称为网路，而将接入网称为接入环路。 自从1 8 7 6 年电话机发明以后，电话用户环路就业已存在。一年后， 绝缘的双绞线对开发成功并标准化。1 9 世纪9 0 年代初又发明了局用主配 线架，用以终结和连接大量的双绞线对，同时还发明了集中供电电源，这 春燎理! ：人学硕十研究生学像沧文 均标志着用户接入网的基本形成。本世纪6 0 年代出现的数字传输技术使 接入网的面貌出现了根本改观的机会。在7 0 年代，i c m 技术进入实_ j 化， 但一次群速率( 2 m b i t s ) 的经济传输距离大约为2 0 一2 5 c m ，仍不适盼于 接入网。8 0 年代初，随着电子技术的发展，一次群速率的经济传输距离 已经降到6 到8 k m ，使得p c m 技术有可能在农村网得到某些应用。更重要 的历史事件是光纤光缆的诞生和应用，光纤光缆最重要的优点是巨大的带 宽可以提供大量宽带新业务，增强网络运营者的竞争地位和运营收入。 接入网在电信网中特别是在未来的通信信息网中具有极其重要的地 位，对今后的发展起着关键的作用。这主要是因为：接入网首先是电信网 和通信信息网中最大的部分，它的建设费用占建网总费用的一半以上：其 次接入网直接面对广大的用户和各种应用系统，它的服务质量和内容卣按 影响网络的发展，事实上大部分业务只需由接入网丽不必通过核心网就可 以完成；再次它是完成语音、数据、活动视像等全业务综合的最主要的部 分和必经之路，因此，接入网成了当前信息通信中高新技术竞争最激烈幂l 发展最快的部分”】。建设能把电信、有线电视和计算机等多种行业中的语 音、数据、静止或半静止图片、特别是活动视像业务融合为一体的公共通 信信息宽带接入网是现代电信网发生巨大变革的主要环节：具有多媒体 的、全业务特性的公共通信信息宽带接入网是建设信息高速公路的基本设 施。接入网( a n ) 4 定义为电信网络中业务节点( s o u r c en o d e ) 与用户 驻地网( c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k ，c p n ) 之间的实体部分( 如传输 系统等) 。图1 - 1 示出了电信网的基本组成移接入网在其中的位置。 太原理l ，人学硕十研究生牛何论文 u n i s n 】 s n i u n i c p n ( c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k ) a n ( a c c e s sn e t w o r k ) c n ( c o r en e t w o r k ) 图卜l 电信网的基本组成 f i g u m l - 1b a s i cc o m p o s eo ft e l e c o mn e t w o r k 图中u n i ( u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e ) 是用户网络接口，s n i ( s e r v i c en o d e i n t e r f a c e ) 是业务节点接口，而c p n ( c u s t o m e rp r e m is e sn e t w o r k ) 是 用户驻地网，多数情况下它只是一个用户终端。 1 2 接入网分类 目前接入网按接入技术可分为有线接入、无线接入以及有线和无线综 合三类。 1 ，2 1 有线接入网 有线接入技术可分铜缆接入和光纤接入，其中铜缆接入又可分为：、 对绞铜线接入，它是普通电话业务( p o t s ) 的传输方式。、同轴电缆， 主要用于过去的有线电视传输。、线对增容( p a i rg a i n ，p g ) 系统， 它采用语音压缩编码可以在一对铜绞线上扩大容量传送4 ，8 ， 1 6 路电 话。、高比特率数字用户线路( h i g hb i tr a t ed i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ，h d s l i ) 系统，它在两对以上的对绞铜线上传送全双工2 m b it s 信 太原理 人学硕十研究生学位论文 息。改进型的第二代h d s l 2 ”能在一对对绞线l 实现超过第一代i i d s i ，l 的 性能，其具体表现在：一对线上实现两线对h d s l l 的传输速率：获得与两 线对h d s l 相等的传输距离：对环路损害( 衰减、桥接头、串扰等) 的容 忍能力不低于h d s l l ：对现有业务造成的损害不能超过两线列l i d s 【i ：能 够在实际环路上可靠地运行：价格要比传统h d s l1 低。、非对称数字 用户线路系统( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l x d s l ) ，利用 一对铜绞线实现宽带传输，其上行方向传送3 8 4 5 7 6 k b i t s 而在下行可传 送6 2 5 2 m b i t s 的信息，这就使得原有对绞铜线可以得到充分的应用。 有线接入技术的光纤接入可分为：、采用z 接口的用户环路载波 ( s u b s c r i b e rl o o pc a r r i e r ，s l c ) 系统，出于此系统在端局和用户端需要 经过多余的模数与数模转换，增加了接入成本。、采用v s 国际标准 接口的数字环路载波( d i g i t a ll o o pc a r r i e r ，d l c ) 系统，由于采用了标 准接口，此系统不需要多余的模数转换即可将数字信息传送到用户端， 这样不仅提高了传输质量，并在一定长度下成本还能低于铜线。、采用 v 5 国际标准接口的无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，p o n ) 。此网络 采用低成本的无源光器件进行分路，它有利于升级和业务的拓展以及全数 字化。在今后可能的各种升级方式中，波分多路复用w d m l 5 】将是最有效 和有力的方法，它能容许长远的逐步升级。在密集波分多路复用w d m 系 统中，每对光纤可以密集加载1 0 0 路光，每路传送时分多路t d m 的数字 脉冲信号l0 g b s ，因此每对光纤总的传送速率可达1 0 0 1 0 g b s = l t b s 、模拟视频图像光纤传输系统。 另外有线的还有混合光纤同轴电缆( h f c ) 的现行有线电视网络和 交互式数字图像( s w i t c h e dd i g i t a lv i d e o ，s d v ) 系统。h f c 网络采用模 4 太原理l 人学硕”究：t 学位论文 拟传输方式，它在干线传输中用光缆作为媒质，应用副载波复用技术将多 路c a t v 信号调制到一条光路信号上，通过光纤传输送到光节点设备， 电话信号和各种数字信号也通过光纤送到光节点设备。在h f c 6 l 系统中， 光节点设备是关键部分，它包括一个模拟线性宽带光接收机、个下行信 号光接收机和一个反向上行信号光发射机；另外还有一个下行信号的射频 放大部分。从光节点设备到用户是一个传统的同轴电缆分配网，用户通过 网络用户接口单元( n i u ) 与网络相连。每个n i u 除通过同轴电缆直接 连往电视机外最多还可通过双绞线连接六十部电话机，为6 0 个用户提供 语音业务。一个光节点一般可服务5 0 0 个家庭。 1 2 2 无线接入网 无线接入网【1 j 依终端是否可移动可以分：固定终端接入和移动终端接 入。固定终端接入主要有：、卫星直播( d i r e c tb r o a d b a n ds y s t e m ，d b s ) 系统，这就是现今用于同步卫星的电视广播系统；、采用c 或k u 波段 的同步卫星通信( s y n c h r o n o u ss a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，s s c ) 系统；、 甚q q l 径终端卫星( v e r ys m a l la p e r t u r et e r m i n a l ，v s a t ) 系统，这种地 球站天线直径一般小于2 4 m 。主要用于小容量数据传输和小容量话音业 务，工作于c 或k u 波段；、单区制无线接入，这是一种传统的无线接 入方式，一般工作于1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z ，适用于于户数较少的郊区和农 村。覆盖半径可达几十公旱；、微波点对多点通信系统( m u l t i p l e a c c e s s r a d i os y s t e m ，m a r s ) 。本系统由中心基站传送到若干个用户端站，每个 端站容量为几十户，传输频率为1 4 2 5 g h z ，适用于用户小集中、大分散 地区；、本地多点分柿业务( l o c a l m u l t i p i o n t d i s t r i b u t i o ns e r v i c e ，l m d s ) 系统，此系统工作于2 8 g h z ，可与固定卫星链路相连，传输宽带业务。电 太罪理i 人学硕十研究生学位论文 可传输双向高速数据、广播视频、视频点播和电话业务，覆盖半径不超过 8 k m 、多点多路分布业务( m u l t i p i o n tm u l t i c h a n n e ld i s t r i b u t i o ns e r v i c e ， m m d s ) 系统。移动终端接入主要有：、无线寻呼( p a g i n g ) 系统，这 就是目前的b p 机系统；、无绳电话( c o r d l e s st e l e p h o n e ，c t ) 系统， 一般用于用户密集，而服务区域半径小的地区。它是由小基站( t e l e p o i n t ) 和- - t t 重量轻，体积小的手机构成，在室内无屏蔽阻挡的传输距离为 1 0 0 ，3 0 0 m ：无阻挡的室外传输可达lk m 以上。u t s t a r c o m 开发的无线市话 接入系统就属于这种系统：、集群通信系统。这是一种常用于生产、管 理和公安消防、交通等方面的调度系统，如出租车调度系统属于这一类： 、蜂窝移动通信系统，丌始时这种系统为模拟移动通信方式如早期欧洲 的t a c s ，n m t 和北美的a m p s 等，现今为工作于9 0 0 m h z 与1 8 0 0 m h z 中国祁欧洲的g m s 以及北美的c d m a 数字通信系统；、尉步卫星移 动通信系统，这类系统已有多年历史，如海上通信设备i n m e r s a t 等；、 低轨道卫星移动通信系统( l o we a r t ho r b i ts a t e l l i t em o b i l es y s t e m ，l e o ) ， 这种系统由运行于离地面数百公早到数千公里的轨道上的卫星网组成，最 具代表性的是美国m o t o r o l a 公司的“铱”星系统以及全球星( g l o b a l s t a r ) 系统：、公共陆地移动通信系统( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e p h o n e s y s t e m ，f p l m t ) ，这是新一代的移动通信系统，其标准还征在制定之中。 1 2 ，3 混台接入网 有线无线综合接入技术主要有光纤无线混合( h y b r i df i b e r & w i r e l e s s ， h f w ) 系统和个人通信系统( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，p c s ) 。 太原理i ，人学硕十研究生学位论文 1 3 本文的主要工作 在电信网、有线电视网和计算机通信网三网合一后，人们要求能在一 个通用接入网中能随时随地获得所有服务( 如高速数据通信、图像通信、 远程教学等) ，而这种服务将以个人化和宽带化为主要特征。目前在用户 网中利用电缆进行传输，存在带宽窄，容量小，损耗大，防干扰能力差， 成本逐步上升等缺点。为了满足用户对网络传输能力提出越来越高的要 求，接入网光纤化是不可避免的，而光纡化的过程中基于a t m 的无源光 接入网( a p o n ) 成了最佳选择，它以宽带化、低成本化和今后业务容易 拓展为主要特征。由于拥有上述优点，所以基于a t m 的无源光接入网 ( a p o n ) 自然也就成了我们的研究对象，本论文的工作主要就是基于 a p o n 进行的。 本论文所完成的具体工作可概括如下： 、测距( r a n g i n g ) 技术是无源光网络( p o n ) 中为了避免上行业 务的冲突而引入的关键技术。本文在第四章中针对a p o n 接入网的特点， 提出一种带内测距法的实现机制，给出实现原理以及实现流程，并介绍了 该实现方案在a p o n 中的具体实现。 、在基于a t m 的无源光纤接入网中，如何设计n t 端信元缓冲器 的大小，以不至于当信元流到来时被丢弃。本文针对这一问题首次采用了 概率母函数的方法进行了特定协议所确定的网络模型的理论分析。在 a p o n 中，m a c 协议所确定的网络模型具有输入参数为a 的简单到达流、 各个顾客的服务时间之间以及它们与输入之间均相互独立并且服务时间 有相同分布和拥有一个先到先服务的服务台等三个特性，所以我们采用了 泊松到达、任意服务时间分布和一个先到先服务排队模型( m g 1 f c f s ) 太原理i 人学硕十研究生学位论文 来进行分析。在分析中，本文应用了嵌入马尔可夫链，通过推导得出了 m g 1 模型的队长分布即待发信元数分和的母函数，并由这个母函数求出 了平稳队蚝分靠均值和信元延迟。 最后我们通过计算机仿真了应用了特定m a c 防议的无源光纤网的有 关性能，通过图表我们分析了信元延迟、队长分布与服务时间与服务方差 的关系，从而也验证了我们理论分析的科学性。 总之，经过完成上述工作，基本实现了本论文的主要目标：对宽带无 源光网络媒质接入控制( m a c ) 协议及其与光接入网有关的问题迸行了 深入的研究。 8 太原理r 人学硕十研究生学侮论文 第二章基于a t m 的无源光( 接入) 网络( a p o n ) 2 1 无源光网络( p o n ) 目前主干网基本上已经实现了光纤化、数字化和宽带化，而处于网络 边缘的用户接入网却一直发展缓慢、技术落后，成为制约全网宽带化的瓶 颈。摆在电信运营者面前的要求是建立一个宽带化、数字化的接入网。在 光纤接入手段没有得到广泛应用的环境下，基于铜线的接入技术发展迅 速，并有了相当的应用。比如说x d s l 技术( 包括h d s l 、a d s l 、v d s l ) ， 利用了原来的铜质双绞线，以其成本低、技术成熟、接入速率高等优点占 有了相当的市场。和铜线比起来，光纤具有频带宽、传输距离远，传输质 量好的特点，所以是接入网传输媒介的首选。以太网就是采用光纤到楼、 五类双绞线入户而成为中国宽带接入模式的后起之秀，由于它充分利用了 中国人口居住比较密集的特点，可以将入户成本控制得很低，从而在各个 居住小区、写字楼普及得十分迅速，但服务质量不高。无源光网络( p o n ) 在光纤接入手段中相对成本低、并且可以平滑升级，因而是未来的发展方 向。基于a ，r m 的p o n 结合了a t m 适于提供宽带综合业务的能力，上、下行 通讯带宽可以达到1 5 5 m ，每个用户可使用的带宽可以根据协议灵活划分， 实现共享“1 。 对用户和网络运营者来说，a p o n 与传统的铜缆接入网相比具有很大的优 势： 首先，a p o n 的光纤和光设备等硬件成本较低，与铜缆接入网相比来浇具 9 太慝理l ：人学硕+ 研究生学位论文 有更低的维护费用，网络运营者由此可以获得更大的利润。 其次，a t m 使得运营者可以为更多的用户提供服务，并且呵以提供不同质 量的业务，满足不同用户的需要。 第三，a p o n 可以在较长距离上提供宽带传输。x d s l 是种短距离的宽带 接入手段，可以作为光纤接入基础设施广泛建立之前的过渡阶段的接入手 段，而p o n 系统则是一种能适应未来需求的最终的端到端宽带接入平台。 第四，除了传输距离的限制，使用铜质双绞线的x d s l 还很容易受到外界 电磁干扰的影响：而使用光纤传输的a p o n 则不会受到普遍存在的电磁于 扰。 此外，a p o n 不仅提供了现有业务的接入，而且还保证了良好的业务可扩 展性( 比如同样的业务对带宽要求发生了变化) ，以及保证 uis 、 接入网系统管理功能 广 l o n u - io d n _ - 1o l t t - _ 1 lj ni o n u l j ia fh i 一 t 参考点v 参考点 0 n u ：o p t i c a ln e t w o r ku n i to l t ：o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n a f ：a d a p t a t i o nf u n c t i o no d n ：o p t i c a ld i s t f i b u t i a nn e w v o r k 图2 1 光接入网功能参考配置 f i g u r e2 - lo p t i c a la c c c ssn e t w o r kf o n c t i o nc o n f i g u r a t i 0 1 1 太原理【：大学硕十研究生学位论文 将来的新业务能够在该系统上运行，如透明的l a n 业务等。因此各大公 司都竞相丌发p o n 产品。 211 光接入网的定义及参考配置 图2 1 中从给定网络接口( v 接口) 到单个用户接口( t 接口) 之州 的传输手段的总和称为接入链路。通常，接入链路的用户侧和网络侧是不 一样的，因而是非对称的。光接入系统可以看做是一种使用光纤的具体实 现手段，用以支持接入链路。于是，光接入网( o a n ) 可以定义为共事 同样网络侧接口且光接入传输系统支持的一系列接入链路，由一个光线路 终端( o l t ) ，至少一个光配线网( o d n ) ，至少一个光网络单元( o n u ) 及适配设施( a f ) 组成，可能包含若干与同一o l t 相连的o d n 。这样， o a n 称为光纤环路系统( f i t l ) 1 0 】。 从光接入网的定义可以看到，一般情况下，光接入网是一个点到多点 的光传输系统。它的系统配置如图2 - 1 所示。图中o d n 是光分配网络， 它是o l t 和o n u 之间的光传输媒质，由无源光器件组成：o l t 是光线 路终端，它提供o a n 网络侧接口。并且连接一个或多个o d n ；o n u 是光网络单元，它提供o a n 用户侧接口。并且连接一个o d n “l 。 无源光网络( p o n ) 在o l t 和o n u 之间没有任何有源电子设备， 对各种业务呈现透明状态易于升级扩容，便于维护管理【3 】。 21 2 光接入网的拓扑结构和应用类型 网络的拓扑和结构泛指网络的布局和形状，可以进一步分为物理配置 结构和逻辑配罱结构。物理配置结构指实际网络节点和传输链路的布局和 几何排列，反映了网络的物理形状和物理上的连接性。逻辑配置结构指各 太原理1 人学硕士研究生学僚论文 种信号通道，如光波长，信元位嚣，时隙和频率等在光纡中使用的方式， 反映了网络的逻辑形状和逻辑上的连接性。 宏观的看，接入网的基本网络拓扑和结构有4 种，即星形、树形、总 线形和环形 4 1 。 星形结构 总线结构 环形结构 图2 - 2 网络基本结构 图2 2 所示。这些物理上的拓扑结构与信息的实际流动途径( 网络的 1 2 太原理。l 火学硕十研究生学位论文 逻辑结构) 相互组合，可形成多达六种网络结构。具体实际应用中选择哪 种结构取决于大量的经济和技术因素。 根据0 n u 的位置不同，0 a n 可以划分为四种基术的应用类型：光纤到 路边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到办公室( f t t 0 ) 或光纤到 家( f t t h ) ”“。 在f 1 t c 结构中，o n u 设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒处， 即d p 点，有时也可能设置在交接箱处，即f p 点，但通常为前者。此时 从o n u 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， 则这部分可能会需要同轴电缆。这样f t t c 将比传统的d l c ( d i g i t a l l o o pc a r r i e r 数字环路载波) ”系统的光纤化程度更靠近用户，增加了 更多的光缆共享部分，有人将之看作一种小型的d l c 系统。 f 1 可c 结构主要适用于点到点或点到多点的树形分支拓扑。用户为居 民住宅用户和小企事业用户，典型用户数在1 2 8 个以下，经济用户数f 逐 渐降低至8 3 2 个乃至4 个左右。还有一种称为光纤到远端( f t t r ) 的 结构，实际是f t r c 的一种变形，只是将o n u 的位置移到远离用户的远 端( r t ) 处，可以服务更多的用户( 多于2 5 6 个) ，从而降低了成本。由 于f 1 了具有的业务量处理能力，因而特别适用于点到点或环形结构。 f t r c 结构的主要特点可以总结如下： 在f t t c 结构中引入线部分是用户专用的，现有铜缆设施仍能利用， 因而可以推迟引入线部分( 有时甚至配线部分，取决于0 n u 位置) 的光纤 投资，具有较好的经济性。 预先敷设了一条很靠近用户的潜在宽带传输链路，一旦有宽带业务 需要，可以很快地将光纤引至用户处，实现光纤到家的战略目标。同样， 太原理：i ：大学硕十研究生学位论文 如果考虑到经济性需要也可以用同轴电缆将宽带业务提供给用户。 由于其光纤化程度已十分靠近用户，因而可以较充分地享受光纤化 所带来的系列优点，诸如节省管道空间，易于维护，传输距离长，带宽 大等。 由于f t t c 结构是一种光缆铜缆混合系统，最后一段仍然为铜缆， 还有室外有源设备需要维护，从维护运行的观点仍不理想。但是如果综合 考虑初始投资和年维护运行费用的话，f t t c 结构在提供2 m b i t s 以下窄 带业务时仍然是0 a n 中最现实，最经济的。然而对于将来需要同时提供窄 带和宽带业务时，这种结构就不够理想了，届时初期对窄带业务合适的光 功率预算值对以后的宽带业务就不够了，可能不得不减少节点数和用户 数，或者采用1 5um 波长区来传宽带业务。还有一种方案是干脆将宽带 业务放在独立的光纤中传输，例如采用h f c 结构，此时在h f c 上传模拟或 数字图像业务，而f t t c 主要用来传窄带交互型业务，具有一定灵活性和 独立性，但需要有两套基本独立的基础设施。 f 1 t b 是f 1 r c 的变形，不同之处是o n u 直接放在楼内( 如居民住 宅公寓，或小企业，事业单位办公楼内) ，在经过铜缆将业务分别送到各 个用户。f t i b 比v i t c 的光纤化程度更进一步，因而更适合高密度用户 区，也满足未来宽带传输系统发展的要求。 在f 1 t c 结构中，如果将设置在路边的o n u 换成无源光分支器，将 o n u 移到用户家或大企业事业单位用户( 如公司、大学、研究所、政府 机关等) ，即为f 1 r h 或f 1 t r o 方式。f 1 丁h 是一种全光网络，接入网成 为全透明的光网络，因而对传输制式、带宽、波长等没有任何限制，适合 引入新业务。是一种理想的业务传送网络。o n u 安装在用户处，环境条 1 4 太原理1 人学硕b 研究生学傍论之 件、供电、维护安装等问题都得以简化。光纾直接通到用户，每个用户真 不有了宽带网络，b i s d n 的实现才有最终的保证。 2 ，1 3 光接网络的传输复用技术 传输复用技术主要完成o l t 和o n u 连接的功能，其连接可以是点 到多点，也可以是点到点的方式1 5 i 。传输复用可以改进传输效率，提高传 输容量。适合光接入网的传输复用技术主要有：、s d m ( 空分复用) ， 所谓空分复用即每根光纤只用于一个方向的信号传输，双向通信则需要有 一对光纤。对上行信号和下行信号用分丌的两根光线传输。实现简单，但 与下面的单纤传输方式相比。成本高，安装和维护要复杂些；、方向分 割复用( d d m ) 采用一对光的耦合器，分别置于收发端用来分离收发两 个方向的信号，从而实现一根光纤的同波长双向传输，当然不同波长更没 问题了： 图2 - 3d d m 系统 f i g u r e2 3 d d ms y s t e m 、f d m ( 频分复用) ，在单根光纤上的一l , j 7 i hf 行信号通过调制 太原理i ：大学硕十研究生学傍论文 安排在不同的频谱位置。在接收端解调器中的滤波器仅滤 h 所需的信号频 谱：、s c m ( 副载波复用) 。一般都用两根光纤。每根光纤传送上行或 者下行光信号。下行采用时分复用( t d m ) 。o l t 在预定时隙内包含全 部用户信息的t d m 信号以广播方式送到每个o n u 。每个o n u 仅接收到 相关时隙的信号，由于采用广播方式，需要设置和检查安全密码一i 二行采 用时分多址复用( t d m a ) ，以防止上行信号的碰撞。因为每个o n u 到 o l t 的距离不同，o l t 通过自动定距程序对每个o n u 进行定位、控制和 管理，使每个o n u 在指定的时间向上发信号；、w d m ( 波分复用) ， 在一根光纤上的上行和下行信号用不同的波跃，每个方向的信号传输由波 分复用器件分开。w d m 能同时处理双向信号传输，上行和下行信号分别 用1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 波长。除采用w d m 器件外，不需要另外的光纤，或 者提高线路比特率。如嘿采用高密度波分复用，可为每个o n u 提供专用 的上行和下行波长。光栅型w d m 己达2 0 个波长，不久可望达到4 0 个 到5 0 个波长。更有甚者，若对光纤加装密集的波分多路d w d m 系统则 可达1 0 0 路，但这种系统目前成本太高，然而从长远看它依旧是实现 兀t h ，提供宽带业务的一种最有效和有力的办法。 2 1 ，4 光网络单元( 0 n u ) 的功能要求 o n u 提供与o d n 之间的光接口，实现o a n 用户侧的接口功能。o n u 可位于用户住宅的室内( f 1 1 b 、f i t o 和f t i h ) 或用户所在处的室外 ( 兀t c ) ，o n u 提供传递系统处理的各种不同业务所需要的手段。它的 功能框图示于图2 - 4 。 太原理1 人学硕+ ：研究生学位论文 业井层 用户 网圈 业务 复用 功能 j j 户 端口 阿习削据回 功能 图2 - 4o f l u 功能框图 f i g u r e2 - 4 o i i uf u n c ti o nf i g u r e 从图2 4 可见，o n u 三部分组成，定义为核心层、业务层和公共层。 核心层功能包括用户和业务复用功能、传输复用功能和o d n 接口功能。 传输复用功能提供从o d n 接口来的和到o d n 接口的输入、输出信号的 鉴别