通工专业-光纤通信技术-第十章-光纤接入网技术

1、光纤通信技术光纤通信技术 Optical Communication 西安邮电大学通信与信息工程学院西安邮电大学通信与信息工程学院 通信工程系通信工程系 10.1 光纤接入技术的光纤接入技术的概念概念 10.2 EPON光纤接入网光纤接入网 10.3 GPON光纤接入网光纤接入网 10.4 光纤接入网的应用举例光纤接入网的应用举例 第第1010章章 光纤接入网技术光纤接入网技术 10.1.1 接入网的基本概念 l 按照电信网的概念，可以将全网分为公用电信网和 用户驻地网两大块。用户驻地网是属于用户所有，因而， 通常电信网是指公用电信网部分。公用电信网可以分为 长途网（长途端局以上部分），中继网

2、（长途端局和市 话局之间以及市话局之间的部分）和接入网（端局至用 户之间的部分）。目前国际上已经倾向于将长途网和中 继网合在一起称为核心网。相对于核心网而言，其他部 分统称为接入网。接入网主要完成将所有用户接入到核 心网的任务。 1. 接入网定义接入网定义 l ITU-T建议G.902对接入网的定义如下： 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、为传送电信业务提供所需要的传送承载能 力的实施系统，可经由Q3接口进行配置和管理。其中的 传送实体可提供必要的传送承载能力，通常接入网对用 户信令是透明的，可不作解释。原则上，对接

3、入网可以 实现的SNI和UNI的类型和数目没有限制。 Y.1231 IP接入网接入网 l 随着Internet和各种IP类数据业务应用的快速普 及，ITU-T提出了适应于IP业务的IP接入网定义。建 议Y.1231将IP接入网定义为IP用户和ISP之间为提供 所需的、接入到IP业务的能力的网络实体的实现。 Y.1231定义的接入网的结构和实现形式都较G.902 灵活。 l 为便于读者理解和把握接入网的总体概念，本 章中所涉及的接入网内容主要以G.902建议为参照。 2. 接入网的定界接入网的定界 l 在电信网中接入网的定界如图10-1所示。 l 从图中可知，接入网所覆盖的范围是由三个接 口来定

4、界，即网络侧经业务节点接口（SNI）与业 务节点（SN）相连；用户侧经用户网络接口（UNI） 与用户相连；管理侧经Q3接口与电信管理网（TMN） 相连，不具备Q3接口时通常需经由协调设备（MD） 与TMN相连。SN是提供业务的实体，是一种可以接 入各种交换型和/或永久连接型电信业务的网络单元。 图图10-1 接入网的定界接入网的定界 电信管理网TMN 业务节点SN接入网AN UNI QQ SNI 3. 接入网的分层接入网的分层 l 为了便于网络设计与管理，接入网按垂直方向 分为三个独立的层次。其中每一层为其相邻的高阶 层提供传送服务，同时又使用相邻的低阶层所提供 的传送服务，这三层分别是电路层

5、、通道层和传输 媒质层。在网络分层后，每一层仍显得很复杂，因 此可以进一步将每一层网络划分为若干个子网，每 一个子网又可以进一步分割成若干个更小的子网。 图图10-2 接入网通用协议参考模型接入网通用协议参考模型 接入承载能力要求 接入承载处理功能AF 电路层CL 通道层TP 传输及物理媒质层TM 层管理 系统管理 4. 接入网的主要特点接入网的主要特点 l 完成复用、交叉连接和传输功能 l 提供各种综合业务 l 网径较小 l 成本与用户有关 l 线路施工难度较大 l 光纤化程度高 l 对环境的适应能力强 l 组网能力强 图图10-3 接入网分类示意图接入网分类示意图 线对增容技术线对增容技术

6、PG 数字用户线技术（数字用户线技术（xDSL） 电力线接入技术电力线接入技术PLC 有线接入网有线接入网 无线接入网无线接入网 有线无线混合接入网有线无线混合接入网 接入网接入网 铜线接入网铜线接入网 光纤接入网光纤接入网 光纤铜线混合接入网（光纤铜线混合接入网（HFC） 固定终端无线接入网固定终端无线接入网 移动终端无线接入网移动终端无线接入网 有源光纤接入网有源光纤接入网AON 无源光纤接入网无源光纤接入网PON 10.1.2 光纤接入网的概念光纤接入网的概念 1. 光纤接入网的定义光纤接入网的定义 光纤接入网（光纤接入网（OAN，Optical Access Network）是指在接入

7、网中采用光纤作为主 要传输媒质来实现信息传送的网络形式。它 不是传统意义上的光纤传输系统，而是针对 接入网环境所设计的特殊的光纤传输网络。 1. 光纤接入网的光纤接入网的基本基本结构结构 l 光纤接入网采用光纤作为主要传输媒质， 而局侧和用户侧发出和接收的均为电信号， 所以在局侧要进行电/光变换，在用户侧要进 行光/电变换，才可实现中间线路的光信号传 输。一个一般意义上的光纤接入网示意图如 图10-4所示。 l 一个光接入网主要由光线路终端OLT、光 分配网络 ODN和光网络单元ONU等组成。 图图10-4 光纤接入网示意图光纤接入网示意图 CO/SN O L T O N U ODN FTTC

8、 FTTB/Z FTTO/H CO/SN：端局或业务节点 OLT：光线路终端 ODN：光分配网络 ONU：光网络单元 图图10-5 光纤接入网的参考配置光纤接入网的参考配置 有源光网络有源光网络AON和无源光网络和无源光网络PON 从系统配置上可将从系统配置上可将OAN分为无源光网络分为无源光网络PON和有源和有源 光网络光网络AON。 l 无源光网络PON是指在OLT和ONU之间没有任 何有源的设备而只使用光纤等无源器件。PON对各 种业务透明，易于升级扩容，便于维护管理。有源 光网络（AON）中，用有源设备或网络系统（如 SDH环网）的ODT代替无源光网络中的ODN，传输 距离和容量大大增

9、加，易于扩展带宽，网络规划和 运行的灵活性大，不足的是有源设备需要机房、供 电和维护等辅助设施。 图图10-6 ODN中的光通道中的光通道 ONU OLT 活动连接器 光纤接头 光分路器OBD L 光通道 Lp LjL1 S/R R/S 第j个光 通道元件 光纤接入网的拓扑结构光纤接入网的拓扑结构 l 光纤接入网的拓扑结构主要有总线形、 环形和星形。由此又可以派生出树形、双星 形、环形星形等结构，如图10-7所示。 图图10-7 光纤接入网的拓扑结构光纤接入网的拓扑结构(部分部分) 10.1.3 光纤接入网光纤接入网技术的分类技术的分类 l 根据ONU位置的不同，可以将OAN划分为几种基本 的

10、应用类型，即光纤到路边FTTC、光纤到楼FTTB、光 纤到家或办公室FTTH/FTTO、光纤到桌面FTTPC等。 l 从发展来看，光接入网的普及主要受到成本和内容 等多方面的制约，从长远来看，以FTTH/O家庭（办 公室）无线网的形式实现宽带接入可能是一种较好的选 择。 l根据根据ONU位置，位置，OAN可分为三种应用类型可分为三种应用类型 l光纤到路边光纤到路边 FTTC l光纤到楼光纤到楼 FTTB l光纤到家光纤到家/办公室办公室 FTTH/O ONUOBD 中中 心心 局局 ONU ONU Budding OBD OBD FTTFTTC C FTT FTTB B FTTFTTH H h

11、ome OLT OAN的应用示意图的应用示意图 光纤到路边 FTTC lFTTC： Fiber To The Curb/Cab lONU设在交接箱处设在交接箱处 l用户到用户到ONU之间（引入线）仍用双绞铜线连接或同轴缆之间（引入线）仍用双绞铜线连接或同轴缆 l通常为点到点和点到多点结构通常为点到点和点到多点结构 l一个一个ONU可为一个或多个用户提供接入可为一个或多个用户提供接入 l是一种介质混合结构是一种介质混合结构 l通常采用通常采用FTTC+xDSL技术或技术或FTTC+Cable Modem技术技术 ONUOBD 中中 心心 局局 OLT 光接入网光接入网 光纤到楼光纤到楼 FTTB

12、 lFTTB： Fiber To The Budding lONU设在办公楼或居民住宅楼内的某个公共地方设在办公楼或居民住宅楼内的某个公共地方 l用户到用户到ONU之间（引入线）用之间（引入线）用UTP5类线（或更高等类线（或更高等 级线）连接级线）连接 l点到多点结构，一个点到多点结构，一个ONU为多个用户提供接入为多个用户提供接入 l通常采用通常采用FTTB+Ethernet技术技术 OBD 中中 心心 局局 OLT 光接入网光接入网 ONU Budding Ethernet 光纤到家光纤到家/办公室办公室 FTTH/O lFTTH： Fiber To The Home lONU直接放在用

13、户家里直接放在用户家里 l中心局到用户之间全部为光连接和光传输中心局到用户之间全部为光连接和光传输 l接入网无任何有源设备，是一个真正的透明网络接入网无任何有源设备，是一个真正的透明网络 l是一种真正意义上的宽带接入技术是一种真正意义上的宽带接入技术 l是用户接入网的长远目标是用户接入网的长远目标 OBD 中中 心心 局局 OLT 光接入网光接入网 ONU home 图图10-8 FHHH/FTTO+无线接入示例无线接入示例 10.1 光纤接入技术的光纤接入技术的概念概念 10.2 EPON光纤接入网光纤接入网 10.3 GPON光纤接入网光纤接入网 10.4 光纤接入网的应用举例光纤接入网的

14、应用举例 第第1010章章 光纤接入网技术光纤接入网技术 无源光网络无源光网络(PON)的基本概念的基本概念 lODN全部由无源器件组成（无源光分路器等） l信号在传输过程中无再生放大 l信号由光分路器、无源光功率分配器等传至用户 l实现透明传输，信号处理全由局端和用户端设备完 成 l与有源光网络比： l覆盖范围和传输距离更小 l可靠性更高（户外无有源设备，提高抗干扰能力） l价格更低、安装维护更方便 l是光接入网有发展潜力的技术（价格、维护等优势） PON的系统结构 OL T ONU1 ONU2 ONUn PON 用户用户 用户用户 用户用户 OBD 业业 务务 网网 络络 UNISNI O

15、DN l组成：OLT、ODN、ONU，且ODN中全是无源器件 l共享介质 l逻辑上是点到多点结构，物理拓扑可有多种形式 PON 基本概念基本概念 （续）（续） l PON的结构中，OLT和多个ONU（有时也将用户 侧设备称为光网络终端ONT）之间进行通信，一般 采用的方法是下行数据信号使用1480nm信号，上行 数据信号采用1310nm信号，而下行视频业务流则采 用1550nm信号。如果PON的分路比较高，即一个 OLT需要连接较多个ONU，且距离较长时，也可考 虑在OLT侧设置光放大器，提高总的功率。ITU-T在 G.983系列建议中规定，PON的分路比至少支持1： 16或更高（目前多为1：

16、32或1：64），OLT与ONU 之间的物理距离不得少于20km。 10.2.1 基于基于Ethernet的的EPON l EPON在现有IEEE802.3协议的基础上，通过较小的修 改实现在用户接入网络中传输以太网帧，是一种采用点到 多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台 和TDM（Time Division Multiplexing）时分MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式提供多种综合业务的 宽带接入技术。 l EPON的ODN由无源分光器件和光纤线路构成，EFM 确定分路器的分光能力在1：16到1：128之间从OLT到 ONU的方向称为下行方向，

17、反之称为上行方向。上行和下 行线路的光信号占用C波段（1550 nm窗口）的某两个不 同波长，速率均为1 Gbit/s，传输距离可达20 km。 1. 技术优势技术优势 (1) 与现有以太网的兼容性：以太网技术，是迄今为止 最成功和成熟的局域网技术。EPON只是对现有IEEE802.3 协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。 (2) 高带宽：根据目前的讨论，EPON的下行信道为百兆/ 千兆的广播方式，而上行信道为用户共享的百兆/千兆信道。 这比目前的接入方式，如Modem、ISDN、ADSL甚至ATM PON（下行622/155Mbps，上行共享155Mbps）都要高得 多。 （3）低成本：减

18、少了大量的光纤和光器件以及维护的成 本。以太网本身的价格优势，如廉价的器件和安装维护使 EPON具有ATM PON所无法比拟的低成本。 2. 网络结构网络结构 lEPON位于业务往来接口到用户网络接口间，通过SNI与 业务节点连接，通过UNI与用户设备相连。EPON主要分 为三部分：即光线路终端（OLT）、光配线网络（ODN） 和光网络单元/光网络终端（ONU/ONT）组成。其中 OLT位于局端，ONU/ONT位于用户侧。OLT到 ONU/ONT的方向为下行方向，反之为上行方向。EPON 接入网络结构如图10-9所示。 图图10-9 EPON接入网结构接入网结构 l在EPON系统中，OLT既是

19、一个交换机或路由器， 又是一个多业务提供平台（Multiple Service Providing Platform，MSPP），它提供面向无源光 纤网络的光纤接口。根据以太网向城域或广域发展 的趋势，OLT将提供多个Gbit/s和10Gbit/s的以太接 口，支持WDM传输。为了支持其他流行的协议， OLT还支持ATM，FR以及等速率的SONET的连接。 若需要支持传统的TDM话音，普通电话线（POTS） 和其他类型的TDM通信（T1/E1）可以被复用连接 到PSTN接口。OLT除了提供网络集中和接入的功 能外，还可以针对用户的Qos/SLA的不同要求进行 带宽分配、网络安全和管理配置。 l

20、ONU的主要功能是选择接收OLT发送的广播数据； 响应OLT发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整；对用 户的以太网数据进行缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行 方向发送；实现其他相关的以太网功能。 在EPON中，从OLT到ONU距离最大可达20km，若使用光 纤放大器（有源中继器），距离还可以扩展。 3.传输原理和帧结构传输原理和帧结构 lEPON的工作原理如图10.10所示， EPON系统采用 WDM技术，实现单芯双向传输（下行1490nm，上行 1310nm）。 l下行方向的光信号被广播到所有ONU，通过过滤的机 制，ONU仅接收属于自己的数据帧。上行方向通过TDMA 方式进行业务传

21、输，ONU根据OLT发送的带宽授权发送上 行业务。 EPON 上下行方案上下行方案 l 在下行链路上，在下行链路上，OLT以广播方式发送以太网数据帧。以广播方式发送以太网数据帧。通 过1：N的无源分光器，数据帧到达各ONU，ONU通过检查 接收到的数据帧的目的媒体接入控制（MAC）地址和帧类型 （如：广播帧、OAM帧）来判断是否接收此帧 l 在上行链路上，各在上行链路上，各ONU的数据帧以突发方式通过共同的的数据帧以突发方式通过共同的 无源分配网传输到无源分配网传输到OLT，因此必须有一种多址接入方式保证 每个激活的ONU能够占用一定的上行信道带宽。考虑到业务 的不对称性和ONU的低成本，EF

22、M工作组决定在上行链路上 采用TDMA方式。 EPON系统中的上行方向工作原系统中的上行方向工作原 理理 EPON系统中的下行方向工作原系统中的下行方向工作原 理理 EPON传送可变长Ethernet帧（641518字节） 是由一个被分割成固定长度帧的连续信息流组成，其传输 速率为1.25Gbit/s。 EPON帧为定时长帧 下行： l采用TDM技术，固定长度帧的连续数据流（2ms），内含 多个不同长度的以太帧（时隙）头部校验部分，其中： 信息头部含ONU标识符和同步头 上行： l采用TDMA技术，每个ONU在授权给定的时隙内发送数据 帧，不会发生碰撞（注：申请带宽时可能发生碰撞）。帧 长度也

23、为2ms EPON工作原理上行数据帧结构工作原理上行数据帧结构 EPON工作原理下行数据帧结工作原理下行数据帧结 构构 10.2.2 EPON光纤接入网的关键技术光纤接入网的关键技术 l突发同步突发同步 l大动态范围光功率接收大动态范围光功率接收 l测距和测距和ONU数据发送时刻控制数据发送时刻控制 l带宽分配带宽分配 10.1 光纤接入技术的光纤接入技术的概念概念 10.2 EPON光纤接入网光纤接入网 10.3 GPON光纤接入网光纤接入网 10.4 光纤接入网的应用举例光纤接入网的应用举例 第第1010章章 光纤接入网技术光纤接入网技术 10.3 千兆比特兼容的无源光接入网千兆比特兼容的

24、无源光接入网GPON lGPON（Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork，千兆无 源光网络）技术是无源光网络（PON）家族中一个重要的技术 分支。GPON技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无 源光综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户 接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽 带化，综合化改造的理想技术。 l GPON的主要技术特点是采用最新的“通用成帧协议 （GFP）”，实现对各种业务数据流的通用成帧规程封装。 GPON的帧结构是在各种用户信号原有格式的基础上进行封装， 因此能够高效、通用而又能简单地支持所有各种业

25、务。 GPON具有如下主要技术特点：具有如下主要技术特点： l(1) 业务支持能力强，具有全业务接入能力。 l(2) 可提供较高带宽和较远的覆盖距离。下行2.488Gbit/s， 上行1.244Gbit/s l(3) 带宽分配灵活，有服务质量保证。 l(4) ODN的无源特性减少了故障点，便于维护。 l(5) PON可以采用级联的ODN结构，即多个光分路器可以 进行级联，大大节约了主干光缆。 l(6)系统扩展容易，便于升级。 10.3.1 GPON光纤接入网的原理光纤接入网的原理 l1. GPON的基本结构的基本结构 l根据G.984.1标准的建议，GPON的参考模型如图 10.15所示。GP

26、ON系统包括OLT、ODN 、ONU等。其中 OLT是位于局端的通信设备，在整个ONU系统中有着核心 的作用。其主要功能是向上行提供广域网或骨干城域网提 供接口（包括支持基于以太网的EPON、以ATM为承载的 APON和DS-3接口等），并且将广域网或骨干城域网传来 的数据信息经ODN传给ONU。OLT作为PON系统的核心 的功能器件，为接入网提供网络侧与核心网之间的接口， 一般放在中心机房或城域核心机房，具有带宽分配、控制 各ONU、实时监控、运行维护管理PON系统的功能。 图图10-15 GPON系统结构系统结构 2. GPON协议结构协议结构 GPONGPON的协议结构参考模型如表的协议结构参考模型如表10.1所示，所示，GPON的层次结的层次结 构主要包括物理媒