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PON基础知识 冉启阳 主要内容 PON的概念光纤通信基础光模块工作原理PON测试内容 通信网络中从共享网络分配到最终用户端的网络叫做接入网 接入有多种方式 点对点 以太网 铜线 XDSL 无线 WLAN XPON等 PON PassiveOpticalNetwork 作为一种点到多点的光网络 指的是信号的通道从源头到目的节点间都是通过无源器件完成的 这些无源的器件包括单模光纤光缆 无源光分束器 耦合器 连接器和接头等 PON的概念 PON的介绍 1 名词 PON PassiveOpticalNetwork OLT OpticalLineTermination 光线路终端 有时又叫局端ONU OpticalNetworkUnit ONT OpticalNetworkTermination 光网络单元 有时称做远端或用户端ODN OpticalDistributionNetwork 光分配网络2 类别 APON ATMPON BPON BroadbandPON EPON EthernetPON GPON Gigabit capablePON 3 主要区别 APON BPON GPON是ITU T规范的技术标准 EPON是IEEE规范的技术标准 采用IEEEStd802 3ah 20044 主要共同点 都是瞄准电信接入网的技术 EPON系统 EPON参考模型 EPON工作原理 以太网无源光网络 EPON 是一种采用点到多点 P2MP 结构的单纤双向光接入网络 其典型拓扑结构为树型 EPON系统由局侧的光线路终端 OLT 用户侧的光网络单元 ONU 和光分配网络 ODN 组成 为单纤双向系统 在下行方向 OLT到ONU OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU OLT的发送部分和ONU的接收部分都是连续工作方式 在上行方向 ONU到OLT ONU发送的信号只会到达OLT 而不会到达其他ONU 为了避免数据冲突并提高网络利用效率 上行方向采用TDMA多址接入方式并对各ONU的数据发送进行仲裁 OLT的接收部分和ONU的发送部分都是突发模式工作 ODN由光纤和一个或多个无源光分路器等无源光器件组成 在OLT和ONU间提供光通道 EPON的参数 按照ONU在接入网中所处的位置不同 EPON系统可以有几种网络应用类型 光纤到交接箱 FTTCab 光纤到楼宇 分线盒 FTTB C 光纤到家庭用户 FTTH 光纤到公司 办公室 FTTO EPON系统应使用符合ITU TG 652要求的单模光纤 EPON系统为单纤双向系统 上 下行应分别使用不同的波长 其中上行应使用1260nm 1360nm波长 下行应使用1480nm 1500nm波长 如果采用第三波长方式实现CATV业务的的承载 则应使用1540nm 1560nm波长 EPON系统的物理层接口应采用1000BASE PX20 EPON的传输码型是8B 10B码 上 下行速率都是1 25Gbps EPON关键技术测距 动态带宽分配DBA 突发信号同步ONU认证功能1 基于MAC地址的认证OLT应支持基于ONU的MAC地址对ONU合法性进行认证的能力 应拒绝非法ONU的接入 OLT应支持对该功能的开启和关闭配置 对于已被拒绝注册的非法ONU 仍然给该ONU一定的尝试注册的机会 CTC标准规定注册请求的发起时间间隔为60s 2 基于类802 1x的ONU认证主要是基于ONUID 类型和Password的类802 1x的ONU认证功能 1 光纤的构造光纤呈园柱形 它由纤芯 包层与涂敷层三大部分组成 光纤通信基础 纤芯core 纤芯位于光纤的中心部位 直径d1约9 50微米 单模光纤 9um 多模光纤 50 62 5um 折射率较高 用来传送光包层coating 包层位于纤芯的周围 其直径d2约125微米 折射率较低 与纤芯一起形成全反射条件涂敷层 增加光纤的机械强度与可弯曲性 一般涂敷后的光纤外径约1 5厘米 2 光纤的分类按折射率分布分类 阶跃光纤与渐变光纤按传播模式分类 多模光纤与单模光纤当光纤的几何尺寸 主要是纤芯直径d1 远远大于光波波长时 约1微米 光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式 当光纤的几何尺寸 主要是芯径 可以与光波长相比拟时 光纤只允许一种模式 基模HE11 在其中传播按工作波长分类 短波长光纤 0 6 0 9um 与长波长光纤 1 0 2 0um 按套塑类型分类 紧套光纤与松套光纤 3 光纤的导光原理光是一种频率极高的电磁波 而光纤本身是一种介质波导 因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的 光纤中光的传输基于光的全反射原理 我们知道 当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的 但在到达两种不同介质的分界面时 会发生反射与折射现象 根据光的反射定律 反射角等于入射角 根据光的折射定律 n1Sin 1 n2Sin 2其中n1为纤芯的折射率 n2为包层的折射率 显然 若n1 n2 则会有 2 1 如果n1与n2的比值增大到一定程度 则会使折射角 2 90 此时的折射光线不再进入包层 而会在纤芯与包层的分界面上掠过 2 90 时 或者重返回到纤芯中进行传播 2 90 时 这种现象叫做光的全反射现象 人们把对应于折射角 2等于90 的入射角叫做临界角 很容易可以得到临界角不难理解 当光在光纤中发生全反射现象时 由于光线基本上全部在纤芯区进行传播 没有光跑到包层中去 所以可以大大降低光纤的衰耗 了解了光的全反射原理之后 不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹 即按 之 字形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过 通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角 c来衡量光纤接收光的能力 于是产生了光纤数值孔径NA的概念 因为光在空气中的折射率n0 1 于是多次应用光的折射定律可得 为保证光在光纤中的全反射 则应有 且于是有因此 阶跃光纤数值孔径NA的物理意义是 能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角 c之正弦值 NA越大 虽然光纤接收光的能力越强 但光纤的模式色散也越厉害 CCITT建议光纤的NA 0 18 0 23 4 光纤的特性与参数衰减在光纤中的衰减 指由除了在开始时没有满足全内反射条件外的原因所造成的能量损耗 衰减分为弯曲 散射 吸收 色散当一个光脉冲从光纤输入 经过一段长度的光纤传输之后 其输出端的光脉冲会变宽 甚至有了明显的失真 这说明光纤对光脉冲有展宽作用 即光纤存在着色散 色散是沿用了光学中的名词 色散分为模式色散 材料色散 波导色散 5 光纤连接器在表示尾纤接头的标注中 我们常能见到 FC PC SC APC 等 其含义如下 前面部分表示尾纤的连接器型号 后面表明光纤接头截面工艺 即研磨方式FCtypeSCtype 6 光功率单位1 dB 10log10 Pout Pin Pout 输出功率 Pin 输入功率2 dBm 10log10 P 1mw 是通信工程中广泛使用的单位 通常表示以1毫瓦为参考的光功率 example 10dBm表示光功率等于100uw 3 dBu 10log10 P 1uw 根据上面的公式可计算分离器的衰减值 1 n分路器衰减值 10lg n 1 如1 4衰减6dB 1 8衰减9dB 7 使用光纤注意事项光纤虽有一定的强度和抗张能力 但经不起过大的侧压力与拉伸力 注意防水防潮和工作温度 注意光纤端面的整洁度 习惯用完后加上套帽 不要将光纤头直接对着人眼 可见光范围为350nm 750nm 而光纤所用光波长为800nm 1600nm 最小弯曲半径30mm 光模块的作用 完成光电转换和电光转换信号通过光模块实现传输媒体的转换 光纤 铜线 光模块的工作原理 1 光发射组件 TOSA 光发射模块是由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成 法布里 帕罗型激光二极管 FP LD 和分布反馈激光二极管 DFB LD 是光通信设备中最常用的半导体光发射器件 在设计驱动 放大电路时需要考虑ATC APC控制 2 激光二极管LDLD的发光机理是受激发光 即利用LD中的谐振腔发生振荡而激发出许许多多的频率相同的光子 从而形成激光 LD的优点 发光谱线窄 仅有1 5nm 从而大大降低了光纤的色散 增大了光纤的传输带宽 与光纤的耦合效率高 LD的缺点 温度特性较差线性度较差工作寿命较短 3 光接收组件 ROSA 光接收模块的作用是把经过传输后的微弱光信号转换为电信号 并放大 整形恢复为原输入的电信号光接收器件是利用光电效应把通信中光信号转换为电信号的光电检测器光纤通信中常用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管 APD 为了保证足够的动态范围 光接收组件 ROSA 必须包含AGC控制 为了降低系统成本 提升设备的竞争力 现在国内外推出的所有PON光模块 都是做成单纤双向收发一体的单纤双向光组件 BOSA 是收发一体光模块中的重要部件 包括ROSA和TOSA 1 功能方面ONU没有路由功能 测试内容和二层交换机相仿 主要包括组播 QoS 流控 FEC VLAN DHCP PPPoE MAC 镜像等功能 另外包括两个特殊项 OAM命令行 CTC可控组播 2 环境性能方面环境测试 和其他产品相同 包括高低温 拉偏等 性能方面 除了吞吐量 丢包率 时延外 还包括光参数测试 PON测试内容 光参数测试主要包括如下内容 1 平均发光功率Pt 1 4dBm 平均发送光功率是光发送机最重要的技术指标 它是指在 0 1 码等概率调制的情况下 光发送机输出的光功率值 单位为dBm 由于在 0 码调制时光发送机不发光 只有在 1 调制时光发送机才发出光脉冲 因此平均发送光功率与光源器件的最大发送光功率Pmax 又叫直流发光功率 是有区别的 后者是指在全 1 码调制的条件下光源器件的发光功率 2 关断光功率 激光器关闭时发出的光功率 60dBm 3 中心波长 1260 1360nm 可以理解为在波长范围内能量最大的那个分量的波长 4 谱宽 3nm 它其实就是光发送机中所用光源器件的谱线宽度 目前 有关于谱宽的提法有三种 即常用的根均方谱宽 rms和半值满谱宽 1 2 它们适用于多纵模激光器 还有一种是CCITT最新定义的 20dB谱宽 20dB 它主要用于单纵模激光器 意指从中心波长的最大幅度下降到百分之一 20dB 时两点间的宽度 谱宽越窄 由它引起的光纤色散就越小 就越利于进行大容量的传输 5 消光比EX 9dB 消光比的定义是 电信号 1 码输入时光发送机的发光功率与电信号 0 码输入时光发送机的发光功率之比 EX 10lg P1 P0 光发送机的消光比一般要求大于8 2dB 即 0 码光脉冲功率是 1 码光脉冲功率的七分之一 6 边模抑制比SMSR SideModeSuppression 该技术指标是针对使用单纵模激光器的光发送机而言 因为单纵模激光器在动态调制时也会出现多个纵模 边模 虽然在一般情况下这些边模的光功率比主模要小得多 SMSR的定义为 在全调制的条件下主纵模的光功率M1和最大边模光功率M2之比 即SMSR 10lg M1 M2