光纤通信接入网技术研究.doc

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文摘 要信息产业是当今世界经济领域中最具有活力和竞争力的产业之一，它影响着人类的生活方式和生活质量。接入网是用户网进入城域网/骨干网的桥梁。随着SDH技术的大规模推广应用和ATM技术的发展，电信网的主干网已经基本上实现了光纤化、宽带化和数字化。本文首先对接入网技术做了概述。通过对定义、物理参考模型、接入技术、发展趋势等相关内容的简要介绍，说明了光纤接入网是接入网技术发展的必然趋势。然后，本文深入研究了铜线接入和光纤接入这两种接入网的接入技术，着重研究光纤接入尤其是无源光网络(PONPassive Optical Network)和目前主流的FTTx (Fiber To The x)。接着，本文对“光进铜退”的解决方案进行了具体的研究和分析。主流运营商的第一公里接入网络仍然主要以双绞线铜缆网络为主，为了满足日益增长的带宽需求，实现光纤接入，现有的铜缆接入网就必须进行改造。最后，本文对光接入网网管技术进行了介绍，讲述符合TMN要求的接入网管理系统的结构和功能，以及接入网网管功能的实现。关键词：接入网，光纤通信，PONABSTRACTInformation industry is the worlds economy the most dynamic and competitive industries in the world, it affects the way people live and the quality of life. Access network is the user network access to metro/backbone bridge. With the popularization and application of SDH technology and large-scale development of ATM technology, telecommunications network backbone has been basically realized fiber, broadband and digital.Firstly, an overview of access network technology. By definition, the physical reference model, access technology, trends and other related content outline indicating the access network, optical access network is the inevitable trend of technological development. Secondly, this in-depth study of the copper access and optical access to both the access network access technology, and focused on particular passive optical fiber access networks (PON - Passive Optical Network) and the current mainstream FTTx (Fiber To The x/some place) .Then, the paper Light of Copper solution for specific research and analysis. mainstream operators first kilometer access networks are still largely dominated by twisted pair copper network, in order to meet the growing bandwidth demand, to achieve optical access, the existing copper access network must be modified. Finally, on the optical access network technologies are introduced, consistent with TMN requirements about the access network management system structure and function, and the realization of the access network of network management.KEY WORDS: access network, optical fiber communication, PON目 录第1章 概论- 5 -1.1 接入网发展概述- 5 -1.1.1 接入网简介- 5 -1.1.2接入网的定义- 5 -1.1.3接入网的物理参考模型- 6 -1.1.4接入网的业务- 7 -1.2主要接入网技术- 8 -1.2.1铜线接入- 8 -1.2.2光纤接入- 8 -1.2.3无线接入- 8 -1.3 接入网的发展趋势- 9 -1.4论文的主要内容和章节安排- 10 -1.4.1论文的主要内容- 10 -1.4.2论文章节安排- 10 -第2章 光接入技术- 12 -2.1光纤通信简介- 12 -2.1.1光纤通信的概念- 12 -2.1.2光纤通信的优点- 12 -2.2光纤接入技术- 13 -2.2.1光纤接入FTTx- 13 -2.2.2光纤接入网的分类- 15 -2.2.3光纤接入的拓扑结构- 16 -2.3 PON技术- 17 -2.3.1 PON的拓扑结构- 17 -2.3.2 PON技术的标准化- 18 -2.4 光接入网中的复用方式- 19 -第3章 光发送与光接收- 20 -3.1天线- 20 -3.1.1卡塞格伦天线结构- 20 -3.1.2天线的性能分析- 21 -3.1.3无线光接入系统的多孔径天线- 21 -3.2光发送单元- 22 -3.2.1无线光接入发送单元的结构- 22 -3.2.2无线光接入系统光源的选取- 23 -3.3光接收单元- 23 -3.3.1接收单元结构和光探测器分析- 24 -3.3.2前置放大器的分析- 25 -第4章 接入网升级技术研究- 28 -4.1升级技术提出的背景- 28 -4.2“光进铜退”技术实施要求- 29 -4 3“光进铜退”采用的主要技术和相关设备- 31 -4.3.1 EPON技术- 31 -4.3.2 接入网关AG、综合接入设备IAD- 34 -第5章 无线光接入网的组网技术- 36 -5.1 接入网网管功能- 36 -5.1.1 接入网网管系统功能结构- 37 -5.1.2 接入网网管向TMN的过渡- 38 -5.2 光接入网网管系统功能实现- 38 -第6章 全文总结- 39 -参考文献- 41 -致 谢- 42 -毕业设计小结- 43 -第1章 概论1.1 接入网发展概述1.1.1 接入网简介电信网包含了各种电信业务的所有传输及复用设备、交换设备，以为各种线路设施等。整个电信网按功能可分为3个部分，即传输网、交换网和接入网，它们的关系如图1.1所示。图1.1 电信网功能模型1.1.2接入网的定义整个电信网从地理上可以分成三部分，即核心网(CN)、接入网(AN)和用户驻地网(CPN)，如图1.2所示。其中核心网包括长途网(长途端局以上部分)和中继网(长途端局与市话局之间以及市话局之间的部分)。按照G.902的定义，接入网是由业务节点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间的一系列传送实体(如线路设施和传输设施)组成的，是为供给电信业务而提供所需传送承载能力的实施系统，可经由管理接口(Q3)配置和管理。CPN：用户驻地点 UNI：用户网络接口 SNI：业务节点接口图1.1 电信网的基本组成接入网是电信网的一个组成部分，负责将电信业务透明地传送到用户，也就是说用户通过接入网的传输，能灵活地接入到不同的电信业务节点上。具体而言，接入网即为本地交换机与用户之间的连接部分，通常包括用户线传输系统、复用设备、交叉连接设备或用户/网络终端设备。近年来随着传输技术和交换技术的不断进步，核心网已经基本实现了光纤化、数字化和宽带化。同时，随着IP业务的迅速增长和多媒体业务的日益丰富，使得用户住宅网的业务需求也不只局限于原来的语音业务，数据和多媒体业务的需求已经成为不可阻挡的趋势，现有的语音业务接入网越来越成为制约信息高速公路建设的瓶颈，成为发展宽带综合业务数字网(B-ISDN-Broadband Integrated Service Digital Network)的障碍。进入20世纪90年代以来，新的政策法规、新的业务需求以及一系列新的技术手段的出现为接入网发展提供了新的契机，使得占电信网络总资产50%左右的接入网变得十分活跃，各种技术方案层出不穷，令人目不暇接。现在接入网已经成为世界各国研究和开发的热点。1.1.3接入网的物理参考模型以典型的市内铜缆用户接入网为例，其典型结构如图1.3所示。图中端局就是人们所说的电话局。由端局到交接箱之间的这一段线路称为馈线段。馈线电缆的线径较大，线对数也多。交接箱就是业务接入点，其作用是完成馈线电缆中双绞线与配线电缆中双绞线之间的交叉连接。从交接箱开始经线径较小、线对数较少的配线电缆连至分线盒。分线盒的作用是终结配线电缆并将之与引入线相连。由分线盒开始通常为若干单对或双对双绞线，与用户端相连，用户引入线为用户专用。通常，接入网的馈线段长度约35km；配线电缆长度约0.5 1km；引入线长度约10300m。图1.3 接入网的物理参考模型在光纤接入网中情况将发生较大的变化，除一些术语名称不同外，功能有显著不同。不仅通信容量不同，业务种类也有很大变化，而且在整个信息传输过程中要完成光/电和电/光交换。然而接入网的含义和网络框架是相同的或者说是相似通信接入网的光纤化技术研究与实现的。光纤在接入网中的应用首先是用光缆代替馈线电缆。交接箱由远端局(RORemote Office)代替，RO又称远端节点(RNRemote Node)，或简称远端(RTRemote Termination)。随着光纤继续向用户延伸，其成本越来越高，因而目前主要是到路边的分线盒，在该处需设置光网络单元(ONU)，一边完成光电变换和分用功能。最终目标则是将光纤引入到住宅用户，届时ONU也将设置到住宅处。1.1.4接入网的业务接入网的业务接入有两类：一类是支持单个业务的业务节点，另一类是支持一个以上业务的业务节点，即组合业务节点。业务接入点可提供的业务归纳起来可分为四类，如表1.1所示。表1.1 接入网业务及其带宽类型业务带宽类型业务带宽峰值平均值峰值平均值交互式业务电话会议电话可视电话图像监视可视会议语音邮政图像邮政字符式公文邮政图像式公文邮政混合式公文邮政可视图文32Mbit/s32Mbit/s2 Mbit/s2 Mbit/s2 Mbit/s32Mbit/s34Mbit/s80Mbit/s4 Mbit/s2 Mbit/s1 Mbit/s12Mbit/s12Mbit/s1 Mbit/s1 Mbit/s1 Mbit/s12Mbit/s10Mbit/s10Mbit/s2 Mbit/s0.5Mbit/s0.1Mbit/s交互式业务文档转移CAD/CAM1 Mbit/s10 Mbit/s0.1Mbit/s1 Mbit/s检 索业 务音响检索图像检索数据检索混合检索1.4Mbit/s34 Mbit/s1 Mbit/s2 Mbit/s0.5Mbit/s10 Mbit/s0.1Mbit/s0.5Mbit/s闭路分配业务闭路音响分配闭路图像分配闭路公文分配1.4Mbit/s34 Mbit/s2 Mbit/s0.5 Mbit/s10 Mbit/s0.5 Mbit/s广播式分配业务广播式音响分配广播式图像分配1.4Mbit/s34 Mbit/s0.5 Mbit/s10 Mbit/s可见，接入网承担的业务范围很广泛，是实现多媒体通信的关键网络之一，是实现未来信息高速公路的基本设施和重要网络。由于用户类型不同，所需要的业务也各不相同。大企事业用户，主要是高速数据、会议电视、可视电话等宽带用户，而住宅用户则主要是电话和广播式图像分配业务，如有线电视(CATV)以及一些窄带综合数字网业务(NISDN)。此外，正在迅速发展的高清晰度电视(HDTV)也是人们普遍注意的方向。1.2主要接入网技术接入网技术种类繁多，根据传输媒质的不同可将其分为铜线接入、光纤接入和无线接入三大类。1.2.1铜线接入目前，铜线接入主要有高速DSL(HNSLHighRate Digital Subscriber Loop)、非对称DSL(ADSLAsymmetric Digital Subscriber Loop)、超高速DSL(VDSLVery-High-Bit-Rate Digital Subscriber Loop)、ISDN-DSL(Integrated Services Digital Network-Digital Subscriber Loop)、速率自适应DSL(Rate Adaptive Digital Subscriber Loop)等技术。由于电话网已非常普及，电话线已居全世界用户线的90%以上，对于具有铜线资源的通信网络，基于铜线的宽带技术作为接入网的一种选择。如何充分利用这部分宝贵资源，采用各种先进的调制技术和编码技术，提高铜线的传输速率，是接入网宽带化的重要任务之一。1.2.2光纤接入光纤接入网是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体。接入网光纤化有很多方案，有光纤到路边(FTTCFiber To The Curb)、光纤到小区（FTTZFiber To The Zone）、光纤到办公室(FTTBFiber To The Building)、光纤到楼面（FTTFFiber To The Feeder）、光纤到家庭（FTTHFiber To The Home）。采用光纤接入网是光纤通信发展的必然趋势，尽管目前各国发展光纤接入网的步伐各不相同，但光纤到家庭是公认的接入网发展目标。现阶段大规模实现FTTH还不经济，主要是实现FTTB用TTC，目前可采用的传送技术手段以有源光纤接入(如PDHPlesiochronous Digital Hierarchy、ATMAsynchronous Transfer Mode、SDHSynchronous Digital Hierarchy、GE/FE等)为主，但当无源光纤接入开始得到应用时，其将成为FTTH的一种最经济有效的技术手段。1.2.3无线接入无线接入技术可以分为移动接入和固定接入两大类。与宽带接入方式相比，虽然无线接入技术的应用还面临着开发新频段、完善调制和多址技术、防止信元丢失等方面的问题，但无线接入的最大特点是无需敷设线路、建设速度快、初期投资小、安装灵活、维护方便等。对于没有有线资源的通信网络而言，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选择对象。1.3 接入网的发展趋势从目前的接入网的发展情况看，主要有下面几种情况：(l) 光纤接入网(含光接入网技术)是接入网技术的发展方向有线接入网在接入网中处于主体地位。全光接入网技术，即光纤到桌面、光纤到家，随着用户对带宽需求的不断增加，将得到不断的发展。与传统的用户网相比，光纤网络有很多优点，两者的特点如表1.2所示：表1.2 传统用户网与光纤网的特点比较传统用户网光纤网络用户网局域受限制且仅为窄带业务从窄带到宽带提供多种业务宽带业务传输能力差建设适宜未来需要的通信基础设施统一的网络/一样的可靠性实现灵活的、高可靠性的网络结构设备庞大，维护使用效率差进一步提高网络的维护和使用效率经济性差实现降低总成本的网络结构(2) 综合接入网技术是接入网技术发展的方向综合接入网设备同时具备普通电话POTS(Plain Old Telephone Service)、综合数字业务ISDN、数字数据DDN(Digital Data Network)、IP(Internet Protocol)等业务的接入功能，既能降低网络建设成本，又方便网络的统一维护。以后的综合接入网设备将能同时提供各类宽带和窄带业务的接入。(3) 以ATM技术或以太网技术为基础的无源光网络以ATM为基础的无源光网络(APON)代表了宽带接入技术的发展方向之一，其优势在于它结合了ATM多业务，多比特率支持能力和PON(无源光网络)透明宽带传输能力，业务的接入非常灵活。其提供的业务范围从具有交互性的图像分配业务到数据传送、局域网互联、透明的虚通道等。(4) 无线接入是接入网的一个重要组成部分就目前无线接入技术和设备而言，能提供电话业务和低/中速数据业务的系统主要有CDMA(CodeDivision Multiple Access)系统(19GHz频段)、S-CDMA系统(l.8GHz频段)、个人手持式电话系统PHSPersonal Handy-phone System(19GHz频段)、数字增强无绳通信DECTDigital Enhanced Cordless Telecommunications系统及450MHz模拟系统等；能提供电话、64kbit/s数据和ISDN等综合业务的综合接入系统有微波点到多点通信系统;能提供音频、数据和视频的宽带无线全业务接入系统有局域多点分布式系统(LMDS)等。(5) 铜缆技术的更新从技术发展来看，首先现有的铜缆接入网必须改造，以xDSL(ADSL、HDSL、VDSL等)数字用户线系列技术为代表的铜缆接入技术是一种重要改造手段；HFC系统和非对称Cable Modem则是改造现有CATV网的实验性方案;但从发展来看，光纤接入，特别是宽带光接入辅以无线接入手段将占主导地位。但是，从目前我国接入网的发展情况来看，ADSL技术在未来几年还将占居主流地位，并且向ADSL2+方向发展，VDSL也将会得到局部应用。(6) 内置SDH接入网内置SDH接入优势在以下几方面:兼容性强；完善的自愈保护能力，增加网络可靠性；借助SDH的大容量、高可靠性，可组成中继传输与接入的混合网；面向网络发展的升级能力；网络操作、维护、管理功能(OAM)大大加强；有利于向宽带接入发展。SDH利用虚容器(VC)的特点可映射各级速率的PDH，而且能直接接入ATM信号，因此为向宽带接入发展提供了一个理想的平台。1.4论文的主要内容和章节安排1.4.1论文的主要内容本文从整个系统的角度，阐述了光接入网定义，分析光接入网的特性和原理；介绍光纤接入网的主要技术以及各种复用方式，阐述光纤接入网的拓扑结构和接入网网管功能。1.4.2论文章节安排第一章先引入现有常用接入网的概述，阐明无线光接入网概念和无线光接入网的优缺点。同时阐述了接入网的发展趋势。第二章主要介绍光纤接入技术，光纤接入网的分类和拓扑结构，PON技术，还有光接入网中的一些复用方式。第三章是无线光接入系统光发送和接收单位，先介绍无线光接入系统中卡塞格伦天线结构和理论，再介绍无线光接入的光收发送单元结构，以及光源、探测器的选取，前置放大电路特点，无线光接收机的噪声机制和一些性能指标性能，最后从整个系统的角度对无线光传输进行功率预算。第四章是对接入网升级技术的研究，“光进铜退”采用的主要技术和相关设备。第五章介绍光接入网组网理论和网络结构，阐述了接入网网管功能和光接入网网管系统功能的实现。第六章对整个课题研究的总结。第2章 光接入技术2.1光纤通信简介2.1.1光纤通信的概念光纤通信是利用半导体激光器（Laser Diode，LD）或半导体发光二极管（LED）作为光源器件，把电信号转换成光信号并将其耦合进石英（或塑料）光纤中进行传输，在接收端使用半导体检测器件（检波器），如雪崩光电二极管（APD）或光电二极管（PIN）等，将光信号再还原为电信号的一种通信方式。实现光纤通信的关键器件与技术有； 低损耗、宽带宽的光纤； 高可见性、长寿命的光源及高响应的光检测器件； 光测量及光纤连接技术。2.1.2光纤通信的优点光纤通信之所以发展迅猛，这与光纤通信技术所具有的巨大技术优势和潜力，以及其巨大的经济效益和社会效益是分不开的。光纤通信最直接、最基本的优点可以从经济和技术两个方面看。1.经济优势 频率资源丰富，通信容量大。 无中继通信距离长。 节约铜（铝）和铅。 抗干扰能力强，保密性能好。 光缆耐腐烂，重量轻，体积小。2.技术优势除了上述的基本优点外，数字光纤传输系统与传统的传输方式相比，在技术上还有许多优势。 数字光纤传输系统很容易与程控交换机相连接，而主要用于模拟通信的同轴电缆很难满足数字化的要求。 数字光纤传输设备采用了专用超大规模数字集成电路和混合集成电路，以及表面安装技术，使设备的可靠性大大提高。 由于数字光纤传输系统采用PCM技术，因而可以方便地利用终端设备上的计算机实现系统的监测与监控。 扩容方便。 利用“插入比特”的线路码型，可以方便地解决“区间通信”问题和任意上下话路问题。 光纤/同轴电缆混合（Hybrid Fiber Coax，FC）技术广泛地应用于有线电视网中。 波分复用技术使得光纤通信的容量大幅度提高而不用增加光纤芯数。2.2光纤接入技术光纤接入网(或称光接入网)(Optical Access Network，OAN)是以光纤为传输介质，并利用光波作为载波传送信号的接入网，泛指本地交换机或远端交换模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。在北美，美国贝尔通信研究所对一种称为光纤环路系统(FITL：Fiber In The Loop)的概念进行了规范，其实质和目的与ITUT所规定的OAN基本一致，只是具体规范稍有差异，因而一般两者(OAN与FITL)可以等效使用，不做区分。只有强调某一项特有功能(如维护操作通路)时再区分是OAN还是FITL。多数情况下，OAN和FITL可以换用。在电信网中引入OAN或FITL最基本的目标为：(1) 减少铜缆的维护运行费用并降低故障率；(2) 支持开发新业务，特别是多媒体和宽带业务；(3) 增加传输距离，加大覆盖区面积，减少节点数目，有利于简化网络结构；(4) 便于实现混合接入结构网。2.2.1光纤接入FTTxFTTx技术主要用于接入网络光纤化，范围从区域电信机房的局端设备到用户终端设备，局端设备为光线路终端(OLT，Optical Line Terminal)、用户端设备为光网络单元(ONU，Optical Network Unit)或光网络终端(ONT，Optical Network Terminal)。根据光纤到用户的距离来分类，如图2.1所示，可分成光纤到交换箱(FTTCab，Fiber To The Cabinet)、光纤到路边(FTTC，Fiber To The Curb)、光纤到大楼(FTTB，Fiber To The Building)及光纤到户(FTTH，Fiber To The Home)等4种服务形态。美国运营商Verizon将FTTB及FTTH合称光纤到驻地(FTTP，Fiber To The Premise)。上述服务可统称FTTx。其中最主要的是FTTC、FTTB、FTTH。图2.1 FTTx类型1. FTTCFTTC为目前最主要的服务形式，主要是为住宅区的用户作服务，将ONU设备放置于路边机箱，利用ONU出来的同轴电缆传送CATV信号或双绞线传送电话及上网服务，这段可采用ISDN、HDSL或ADSL铜线接入技术。光纤到远端模块(FTTR，Fiber To The Remote module)是FTTC的一种变型，将ONU的位置移到远离用户的远端(RT)处，可服务更多的用户(多于256个)，从而降低成本，一般提供2Mbit/s以下的窄带业务。2. FTTBFTTB依服务对象区分有两种，一种是公寓大厦的用户服务，另一种是商业大楼的公司行号服务，两种皆将ONU设置在大楼的地下室配线箱处，只是公寓大厦的ONU是FTTC的延伸，而商业大楼是为了中大型企业单位，必须提高传输的速率，以提供高速的数据、电子商务、视频会议等宽带服务。FTTB与FTTC并没有什么根本不同，两者的差异在于服务的对象不同，因而所提供的业务不同。FTTB是一种点到多点的结构，通常不用点到点的结构。FTTB的光纤化程度比FTTC更进一步。3. FTTH至于FTTH，ITU认为从光纤端头的光电转换器(或称为媒体转换器MC)到用户桌面不超过100米的情况才是FTTH。FTTH将光纤的距离延伸到终端用户家里，使得家庭内能提供各种不同的宽带服务，如VOD、在家购物、在家上课等，提供更多的商机。若搭配WLAN技术，将使得宽带与移动结合，则可以达到未来宽带数字家庭的远景。因为主要用户是大企事业用户，业务量需求比较大，一般采用点到点或环形结构。FTTH光纤接入网，具有频带宽、容量大、信号质量好、可靠性搞、可以提供多种业务乃至未来宽带交互性业务，从本地交换机到用户全部为光连接，中间无铜缆，也无有源电子设备，ONU安在用户家，可采用成本较低的元器件。ONU还可采用本地供电，供电成本比网络供电方式费用低，故障率小，维护、安装和测试方便。FTTH是直接到用户的真正的信息高速公路，因而被认为是接入网发展的方向。这几种主要的光纤接入方式的优缺点以及适用场景对比列于表2.1。表2.1 几种FTTx方式的对比光纤到路边（FTTC）光纤到大楼（FTTB）光纤到户（FTTH）优势1） 接入带宽可以满足近期业务需求。但带宽进一步提升的空间取决于铜缆长度和设备。2） 投资灵活、渐进。3） 对既有铜缆可以继续利用。1） 高接入带宽，带宽扩容便利；与楼内布线配合，可提供语音、宽带业务。2） 将来在光纤到楼的基础上再一次分光，即可快速、低成本地实现光纤到户。1） 高品质、高带宽，同事提供语音宽带业务，业务扩展好。2） 良好的网络管理和QoS。3） 节约接入点用房和局端DSLAM设备，运营成本低。4） 避免了盗打等风险。问题1） 需要增加大量接入点，机房及配套设备投资较高。2） 维护分撒，工作量大，维护费用较高。3） 今后光纤还需要向用户延伸，存在改造成本。1） 接入点较多，维护工作量大。2） ONU在楼道存在供电和安全问题。3） 造价和维护成本较高。1） 前期投入大。2） 缺乏相应的内容应用产品支撑。3） 维护经验有待积累。适用场景1） 新建中低档住宅小区、农村行政村接入局点。2） 既有住宅小区改造。新建商业楼宇，中高档住宅新建商业楼宇、园区、高档住宅小区2.2.2光纤接入网的分类光纤接入网可分为有源光网络(AON)和无源光网络(PON)。采用SDH技术、ATM技术、以太网技术在光接入网系统中称为有源光网络。若光配线网(ODN)全部由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是无源光网络。现阶段，无源光网络(PON)技术是实现FTTx的主流技术。典型的PON系统由局侧OLT(光线路终端)、用户侧ONU/ONT(光网络单元)以及ODNOrgnization Development Network(光分配网络)组成。PON技术可节省主干光纤资源和网络层次，在长距离传输条件夏可提供双向高带宽能力，接入业务种类丰富，运维成本大幅降低，适合于用户区域较分散而每一区域内用户又相对集中的小面积密集用户地区。2.2.3光纤接入的拓扑结构光纤接入网的拓扑结构，是指传输线路和节点的几何排列图形，它表示了网络中各节点的相互位置与相互连接的布局情况。网络的拓扑结构对网络功能、造价及可靠性等具有重要影响。其三种基本的拓扑结构是:总线形、环形和星形，由此又可派生出总线星形、双星形、双环形、总线总线形等多种组合应用形式，各有特点、相互补充。通常的光纤接入的拓扑结构有点到点(PZP)方式和点到多点(PZMP)两种方式，如图2.2所示。（a）点到点光网络 （b）小区交换式网络 （c）点到多点无源光网络图2.2 FTTx的实施方案在点到点(PZP)的接入方式中，交换局为每个用户分配一根光纤，如图2.2(a)所示。在这种点到点光纤接入方式中每个用户可以使用这个根光纤的全部带宽，而且用户的升级容易实现。但是这种点到点的光纤接入方式存在严重的缺点：第一，随着用户数目的增加，光纤数量线形增加，成本很高；第二，每个光纤提供的传输带宽浪费严重，其他的用户无法共享光纤的带宽资源；第三，不利于开展多播和组播业务。因此这种点到点的光纤接入方式在实际中应用并不多。图2.2(b)是点到点接入方式的改进，中心局交换机和用户交换机之间通过光纤连接，用户交换机为每个用户提供点到点的光纤接入，相对于图2.2(a)中的点到点光纤接入，这种改进方式可以节约光纤资源。另一种是基于PON的点到多点(P2MP)接入方式，如图2.2(c)所示。这种无源的点到多点的接入方式中在用户侧使用无源光功率分配器，从而实现点到多点的用户接入方式。相对于点到点光纤接入方式，点到多点接入的优点非常明显：第一，由于多个用户共享一根光纤的带宽资源，用户成本相对较低，而且可以充分利用光纤的带宽资源；第二，对于开展点到多点的多播、组播业务相对简单，适合开展视频广播和流媒体业务；第三，减小中心交换局一侧的光纤接头数目，安装和维护简单，易于实现用户网络的优化规划。正是由于这些优点，PON已经成为光纤接入的主流技术。2.3 PON技术2.3.1 PON的拓扑结构根据不同的应用环境，PON的拓扑结构有以下几种方式：(1)树型拓扑结构树型结构的PON拓扑方式如图23(a)所示，这是最常用的PON组网方式。在这种方式中只需要一个lN的光分离器即可实现P2MP的传输，系统结构简单，成本较低，组网灵活。(2)环形拓扑结构环形拓扑结构如图2.3(b)所示。每个ONU和环型光纤通过22的光分离器相连。相对于树型和总线型拓扑结构，环型拓扑PON有较好的服务质量(QoS，Quality of Service)保障，但是组网复杂，光分离器较多，ONU的增加和删除都比较困难。(3)总线型拓扑结构总线型拓扑结构如图2.3(c)所示。在这种方式中需要N个12的光分离器来实现P2MP传输，系统结构简单，组网灵活，但是光分离器的数目较多。在实际的应用中，考虑到光分离器的成本、多用户接入控制复杂性和光分离器带来的噪声，应尽量减少光分离器的数目，因此树型拓扑的PON应用最为广泛。(a)树型结构(b)环型网络（c）总线型网络图2.3 PON的拓扑方式2.3.2 PON技术的标准化PON系统在90年代初就出现了，1996年ITUT完成了对G.982的标准化，主要对2Mbit/s以下接入速率的窄带PON系统进行定义。与此同时，以ATM为基础的PON (APON)发展迅速，1998年ITUT正式通过了G.983.1建议，即基于PON系统的高速光接入系统，G.983.1对APON系统进行了详尽的规范，主要规定线路速率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求、汇聚层要求、测距方法和传输性能要求等。1999年ITUT又推出了G.983.2建议即APON的光网络终端(ONT)管理和控制接口规范，该建议主要从网络管理和信息模型上对APON系统进行定义，以确保不同厂家的设备实现互操作。ITU(the International Telecommunications Union)和FSAN(Full Service Access Network)联盟采纳了ATM标准，把它作为在PON第二层的帧封装标准，能为商业用户、家庭用户提供包括IP数据、视频、音频等综合业务，形成了APON的标准(文档号ITUTRecG983)。但是APON存在着一系列的问题，比如带宽有限、带宽损失大、数据包开销大、协议转换麻烦、技术复杂、设备昂贵、多厂家互操作性差等。随着以太网技术的异军突起，APON技术一直没有得到大规模应用。随着Internet的高速发展，用户对网络带宽的要求不断提高，各种新的宽带接入技术已经成为研究的热点。在这种背景下，IEEE于2000年底成立了EFM工作组(Ethernet in the First Mile study Group)，试图引入一种新的接入技术标准Ethernet PON (Ethernet passive Optical Network，即EPON)。2004年IEEE802.3EFM工作组发布了EPON标准IEEE802.3ah，2005年并入IEEE802.3ah-2005标准。EPON利用PON(无源光网络)的拓扑结构实现以太网的接入，它基于高速以太网平台和TDM时分MAC(Media Access Control)媒体访问控制方式，能够提供多种综合业务的宽带接入，是成熟度最高、发展最快的技术。除了EPON标准，另外一个主要标准则为ITUT的GPON标准，GPON(Gigabit-Capablep PON)最早由FSAN组织于2002年9月提出，ITUT在此基础上于2003年3月完成了ITU-TG.984.1和G.984.2的制定，2004年2月和6月完成了G.984.3的标准化，从而最终形成了GPON的标准族。目前GPON尚处于试验应用阶段。2.4 光接入网中的复用方式 光纤最重要的一个特点是它可以传输很高速率的数字信号，容量很大。为了更进一步提高光纤的利用率，参考已经比较成熟的店的复用方法，人们还采用了各种光的复用技术。并将其运用于各种类型的光纤接入网中，如波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）、时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）、空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）和副载波复用（Subcarrier Multiplexing，SCM）等。第3章 光发送与光接收无线光接入光发送和探测技术和光纤通信区别，是针对大气信道的特征而采用的一些特殊处理技术。主意包括天线、背景光噪声处理、光源和光探测器的选取，以及光发射机和光接收机内部电路特殊处理。3.1天线由于卡塞格伦天线具有体积轻、结构紧凑、焦距长度短等特点，且后瓣小、设计馈源灵活、增益高，它是无线光接入中使用较多的一种天线，但其遮挡率影响比普通抛物面天线大。3.1.1卡塞格伦天线结构图3.1 天线结构原理图D：抛物面直径f：抛物面焦距0：抛物面半角d：双曲面直径0：双曲面半角LV：双曲面顶点到抛物面焦点的距离fc：双曲面实焦点F：虚焦点F间距离图3.1是一个卡塞格伦天线的示意图。由抛物面初级反射镜和双曲线次级反射镜组成。卡塞格伦天线主反射面是旋转抛物面，张角为0；副反射面为旋转双曲面，张角为0；发送源通常置于主副反射面间旋转双曲面的实焦点F上。在无线光通信中采用收发天线结构类似，发送和探测光信号部件都将放置在F上，同时为了减小遮挡率，F往往和抛物面的顶点重合。一般双曲面的虚焦点和抛物面的焦点是重合的。在进行天线的几何设计时，一般先给定抛物面D、f，再确定抛物面半角0， （3-1）双曲面的四个参量LV、0、fc、d可以任选两个参量，从而确定其他参数。给定D、F，可以用下式近似确定最小遮挡率的双曲面直径dmin （3-2）K取2，或者有dmin （3-3）K取0.7；且： （3-4）根据上述公式就可以对卡塞格伦天线进行几何设计。卡塞格伦天线的口径越大，那么接收到的光强的方差就越小。但是天线的口径的增大会带来成本和制造的难度，典型的无线光接入系统的主反射面口径直径为几十厘米以内。3.1.2天线的性能分析假设有球面波光场的光源置于双曲面的实焦点F上，经过双曲面和抛物面反射后，发送出光场将具有平面波特性。同理，平面波光场经过大气信道传输后，由接收天线的抛物面收集，再经双曲面反射将会聚在双曲面的实焦点F上，具有球面波的特性。通过场理论10推倒，可以得出一个有用的天线增益计算公式：g=2 g （3-5）D为主反射面直径，g为天线的总效率。效率因子g由副射面截获效率、主反射面截获效率、主反射面的口径效率、遮挡效率、主反射面效率的乘积确定。在天线设计过程中必须考虑如下要求：l）高的光学质量；2）低的遮挡率；3）光学透镜的高透射率及主、次反射镜的高反射率；4）低的散射光效应；5）材料的热膨胀系数小，机械强度高，重量轻，使用寿命长。3.1.3无线光接入系统的多孔径天线多孔径天线能减小大气湍流的影响，在发送端采用光纤和光纤分支器将光源发出的信号连接到发送孔径的馈源位置处，从光源到每个孔径采用等长光纤连接，三个孔径必须通过调整使整束发送光偏移角在1mrad左右的范围内。光信号经大气传输后，在接收端经相同的三个孔径收集会聚到副反射镜，再会聚到置于副反射镜焦点的多模光纤上，传送到光探测器上。并采用波长为785nm的信标光实现收发天线的校准。采用多孔径发送，以在整体上增加总的发送光功率；多孔径接收，一方面增加了光的接收面积，可以减少湍流的影响，另外多孔径效应也可以进一步降低接收光强的方差。总之，多孔径天线是一种改进的卡塞格伦天线，它有利于消除大气湍流射衰减的影响、改善系统通信性能。3.2光发送单元天线是发送接收链路中最前端的部分，送入发射天线的光信号针对大气信道如何产生以及进行有别于普通光纤通信的处理，也是无线光接入技术的重要内容。3.2.1无线光接入发送单元的结构在无线光接入系统中，一般采用强度调制直接检测（IM/DD）。强度调制直接检测的光发送机一般由光源、驱动电路、自动功率控制和自动温度控制电路、报警保护电路组成。图3.2是一个数字无线光接入系统发射机结构框图，采用调制方式是数字调制，如果采用模拟调制，就要去掉编码部分电路。信号经复用、编码后，图3.2 数字无线光接入系统发射机结构框图通过调制器对光源进行光强度调制。发射出的光一部分要反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功率控制电路（AGC），因为输出光功率与温度有关，所以还要加上自动稳定控制电路（ATC）。光源发射出光脉冲信号，既可以通过光耦合器耦合后由光纤传输到发射天线的馈源位置上，也可将激光器直接置于发射天线的馈源位置上。和光纤通信光发射机相比，无线光接入系统在光发射机前端添加了光发送天线。输入信号经复用后所采用有别于的信息编码和调制技术和普通光纤通信是有区别的，这将在第四章阐述。这里阐述光源的选取，其他驱动、告警保护、温度和自动增益控制电路完全可以参照使用光纤通信相应成熟的电路。3.2.2无线光接入系统光源的选取和光纤通信一样，在进行光发送机光源的选取时，必须综合考虑传输波长、系统带宽、功率预算等因素，并结合各种光源特性进行选取。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器（LD）和发光二极管（LED），发光二极管在数字通信中通常应用于传输带宽在140Mb/s的系统中，其中心波长在1.3m，比如在IEEE802.11下的红外无线局域网中，就常用LED作为光源。使用LED作为光源，具有不需要温控装置，驱动电路简单，成本低等优点。但在本文中所讨论的无线光接入系统中，一般采用780nm、850nm、1550nm的传输波长；传输速率采用同步复用模块STMN的系列；对光源输出光功率的要求是和整个系统的功率预算相关的，一个光接入系统不但要考虑天气状况良好的功率衰减，而且要考虑天气恶劣的情况功率预算，LED光源发出的光功率只有在无线光接入应用于短距离、低速率的情况可以满足系统功率预算的要求。参考LED和LD一些典型参数特性，结合无线光接入系统的参数要求，可以选择工作波长在850nm、1550nm的单模半导体激光器作为光源，其材料可以是GaAlAs或者GaInAsP，结构为掩埋异质结构。其输出光功率在1.58mw之间；调制频率可以达到23GHz。在数字无线光接入系统中,如果背景噪声或接收机噪声很大，接收机性能会受到严重影响，如果激光器发出的是脉冲光会有效抑制这种影响，如果再采用脉冲位置调制会有更好的效果，这将在第四章详细阐述。3.3光接收单元光发射机发出的光信号经大气信道传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也会展宽、变形。光接收机的作用就是检测经过传输的微弱