光纤接入技术课件

1、第七章 光纤接入技术7.1 光接入技术7.2 有源光网络接入技术7.3 无源光网络接入技术7.4 PON设备的功能结构7.5 我国FTTH技术发展的阶段与趋势7.1 光纤接入技术7.1.1 概述 一个接入链路定义为一个给定的网络接口（V）和单个用户（T）之间的全部传输手段。 光接入网（OAN）定义为共享相同的网络侧接口，并由光接入传输系统支持的接入链路群，一般称为光纤环路系统（Fiber In The Loop, FITL）。 光接入网（OAN）就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端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。通常，OAN指采用基带数字传输技术并以传输双向交

2、互式业务为目的的接入传输系统，将来应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。电信网中引入OAN或FITL的目标：（1）为了减少铜缆网的维护运行费用和故障率。（2）为了支持开发新业务，特别是多媒体和宽带新业务，增强竞争力，增加新业务收入，补偿建设光用户接入网所需的新投资。 7.1.2 系统接入方式 从光接入网系统接入方式看，FITL有3类接入方式： （1）综合的FITL系统 （2）通用的FITL系统 （3）专用交换机的FITL系统7.1.3 参考配置R：光接收参考点 S：光发送参考点 V：与业务节点间的参考点T：与用户端间的参考点 a: AF与ONU间的参考点 AF：适配功能7.1.4

3、 应用类型 1.光纤到路边（FTTC） 2.光纤到楼（FTTB） 3.光纤到家（FTTH）和光纤到办公室（FTTO）光纤到路边 FTTCFTTC： Fiber To The Curb/CabONU设在交接箱处用户到ONU之间（引入线）仍用双绞铜线连接或同轴缆通常为点到点和点到多点结构一个ONU可为一个或多个用户提供接入是一种介质混合结构通常采用FTTC+xDSL技术或FTTC+Cable Modem技术光纤到楼 FTTBFTTB： Fiber To The BuddingONU设在办公楼或居民住宅楼内的某个公共地方用户到ONU之间（引入线）用UTP5类线（或更高等级线）连接点到多点结构，一个O

4、NU为多个用户提供接入通常采用FTTB+Ethernet技术光纤到家/办公室 FTTH/OFTTH： Fiber To The HomeONU直接放在用户家里中心局到用户之间全部为光连接和光传输接入网无任何有源设备，是一个真正的透明网络是一种真正意义上的宽带接入技术是用户接入网的长远目标FTTH和FTTC更适合分散的个人用户的接入FTTB更适合单位和密集小区用户的接入7.1.5 业务支持能力 OAN是一种为双向交互式业务而设计的系统，初期主要支持2Mbit/s以下速率的业务，基本业务有下面7类： 普通电话（POTS）； 租用线； 分组数据；ISDN基本速率接入（BRA）；ISDN一次群速率接入

5、（PRA）；n64kbit/s；2Mbit/s（成帧和不成帧）。7.1.6 配置结构的选择 光接入网的配置结构选择取决于众多的因素，十分复杂，需要详细分析比较和综合计算，下面仅列出几个基本考虑的因素和原则 ： （1）用户类型 （2）成本 （3）与本地交换的综合 （4）服务灵活性 （5）业务类型 7.1.7 接入网的拓扑结构光接入网网络结构7.1.8 接入网的网络拓扑结构 1.初次投资费用； 2.运行维护费用； 3.网络使用的灵活性； 4.投资成本的有效性； 5.业务服务性能； 6.宽带的网络升级费用7.1.9 光接入网的网络拓扑结构 1.线形拓扑结构2.星形网络拓扑结构单星形结构双星形结构有源

6、双星形结构无源多星形结构3.环形网络拓扑结构4.树形网络拓扑结构 7.2 有源光网络接入技术有源光纤接入网(AON)，是指从局端设备到用户分配单元之间均用有源光纤传输设备，即光电转换设备、有源光电器件以及光纤等。 可分为基于PDH和基于SDH的AON 现通常是基于SDH的AON特点 传输容量大：155Mb/s或622Mb/s的接入速率 传输距离远：不加中继器，距离70多公里 技术成熟：无论PDH设备还是SDH设备，都已广泛应用 给有源设备供电是一件麻烦事7.3 无源光网络接入技术7.3.1 PON基本概念和特点无源光网络(PON)一般指光传输段采用无源器件（无源光分路器等），实现点对多点拓扑的

7、光纤接入网。 (1)信号在传输过程中无再生放大 (2)信号由光分路器、无源光功率分配器等传至用户 (3)实现透明传输，信号处理全由局端和用户端设备完成与有源光网络比：覆盖范围和传输距离更小可靠性更高（户外无有源设备，提高抗干扰能力）价格更低、安装维护更方便是光接入网有发展潜力的技术（价格、维护等优势）PON的结构单星形结构 多星形(树形)结构总线结构环形结构7.3.2 PON技术的种类副载波复用PON波分复用PON 超级PON 1. 副载波复用PON副载波复用技术是一种已相当成熟的电频分复用技术。这种副载波信号可方便地将激光器进行幅度调制，可传输模拟信号，也可传数字信号，而且扩容方便。以副载波

8、复用技术为基础的无源光网络（SCMPON）可方便地接入窄带信号和宽带信号，是向宽带接入网升级的方案之一，其基本原理如图7-7所示。SCM-PON中，从OLT到ONU的下行方向上传输的是以155Mbit/s为基础的广播基带信号。每个ONU接入一个STM-1基带信号，并可在TDM基础上进一步接入宽带副载波信号。在上行方向上采用副载波多址（SCMA）技术来处理多点对点的传输。在OLT，来自各个ONU的载荷通过滤波器来选择。这样，当其中一个ONU需要扩容时，只需将宽带副载波加在该ONU上，而不影响其他ONU的业务。各个ONU只需与相应副载波的容量相一致，而不影响整个PON的功率分配与带宽。此外，SCM

9、A还排除了TDMA的测距问题带来的麻烦。 SCM-PON的主要缺点是对激光器要求较高。为了避免信息带内产生的交叉调制，而对ONU中激光器的非线性有一定要求；要求ONU能自动调节工作点，以减轻给OLT副载波均衡带来的麻烦。另一个是相关强度噪声（RIN）。多个ONU激光器照射在一个OLT接收机上，这种较高的RIN积累限制了系统性能的改进。第三是光拍频噪声。当两个或多个激光器的光谱叠加，照射OLT光接收机时，就可能产生光拍频噪声，从而导致瞬间误码率增加。要克服这些弊病，就使得SCM的电路较复杂。SCM-PON仍在研究试验之中，窄带SCM-PON已进入现场试验。对于宽带SCM-PON升级技术和应用前景

10、问题尚需进一步实验和验证。2. 波分复用PON 波分复用技术可有效利用光纤带宽。以密集波分复用为基础的无源光纤网（WDM-PON）是全业务宽带接入网的发展方向。ITU-T对此已有新的参考标准G.983.3。WDM-PON采用多波长窄谱线光源提供下行通信，不同的波长可专用于不同的ONU。这样，不仅具有良好的保密性、安全性和有效性，而且可将宽带业务逐渐引入，逐步升级。当所需容量超过了PON所能提供的速率时，WDM-PON不需要使用复杂的电子设备来增加传输比特率，仅需引入一个新波长就可满足新的容量要求。利用WDM-PON升级时，可以不影响原来的业务。在远端节点，WDM-PON采用波导路由器代替了光分

11、路器，减小了插入损耗，增加了功率预算余量。这样就可以增加分路比，服务更多的用户。目前存在的主要问题是组件成本太高。一个是路由器，现已基本成熟，正在考虑降价之中。但最贵的部分是多波长发送机。这种发送机可由精心挑选的DFB-LD组成，这些激光器分别带有独立的调温装置，使其发送波长与路由器匹配，达到所要求的间隔。这种发送机性能很好，但电路复杂，价格也贵。集成光发送机正在研究之中，由16个激光器和集成的合波器组成的DFB-LD阵列发送机已有样品上市。高性能低成本的发送机是WDM-PON的关键课题。构成WDM-PON的上行回传通道有4种方案可供选择。一种是在ONU也用单频激光器，由位于远端节点的路由器将

12、不同ONU送来的不同波长的信号回传到OLT。另一种是利用下行光的一部分在ONU调制，从第二根光纤上环回上行信号，ONU没有光源。第三种是在ONU用LED一类的宽谱线光源，由路由器切取其中的一部分。由于LED功率很低，需要与光放大器配合使用。第四种是与常规PON一样，采用多址接入技术，如TDMA、SCMA等。图7-8是一种WDM-PON方案。这种方案兼顾了数字信号和模拟广播信号，远端节点采用了波导光栅路由器，ONU不用光源，而利用下行光的一部分调制后作为回传信号。WDMPON正在研究试验之中，其进入实用尚需时日。3. 超级PON 电信网的发展趋势是减少交换节点数量，扩大接入网的覆盖范围。这就要求

13、接入网传输距离要远，服务的用户要多。用多级串联的无源分路器与光放大器相结合是解决方案之一。这就是超级无源光纤网（SPON），其基本原理如图7-9所示。普通的PON的分路比一般为1632，传输距离20km左右，传输速率为155622Mbit/s。超级PON的传输距离可达100km，包括90km的馈线和10km的分支线，总分路比为2048，下行速率为2.5Gbit/s，上行速率为311Mbit/s。该系统采用动态带宽分配技术，可为15000个用户提供传统的窄带和交互宽带业务。在馈线段采用两根光纤单向传输，以避免双向串音干扰，而在分支段仍可用单根光纤双向传输。超级PON覆盖面大，用户多，可靠性非常重

14、要。在所有有光放大器的光中继单元（ORU）都设置一个ONU，用以完成对ORU的运行、维护以及突发模式控制。另外是采用2N分路器，在馈线段形成环形网，或直接将局端放在两个中心局交换机上。超级PON可以用WDM附加信道来升级，也可以提升TDMA的速率。方法之一是在分路器的光中继单元的下行方向引入固定波长选路功能，在上行方向加入固定波长转换机制。这样，在馈线段就能以不同波长支持若干个TDM/TDMA信道，而在分支段只有一个TDM/TDMA信道。这就可以逐步增加PON的总带宽，实现平稳升级。如前所述，现今使用的宽带PON典型分路系数在32以下，距离最大可达20km，传输速度达到622Mbit/s。然而

15、，考虑到中心网络的长远发展，接入网的规模将大大增加；100km的距离已在期望之中。另外，由于交换节点的费用主要由用户线决定，接入的用户数应最小化，因此需要接入网在一个LT上复用更大数目的用户（大约2000户）。建立如此宽范围、高分路系数的接入网的一种可能的途径，是以一串无源光分路器的级联代替本地交换机。由于此网络的功率预算大幅度增长，需要引入光放大器来弥补附加损耗。这样的有源器件被称作光再生单元（ORU）。使用光放大器代替电子器件的一个重要优点，是它对信号格式和比特率是透明的，而且可以通过波分复用（WDM）对它们实现宽带升级。由欧洲投资的ACTS（高级通信技术和业务）工程AC050“PLANE

16、T”（光子本地接入系统）正在开发一种被称为Super PON的接入网，其目的是达到2000的分路系数和1000km的距离。此项目的目标是论证高分路系数、宽范围PON的技术和经济可行性。为此，将进行总体研究，定义和规范该新型接入网的各个方面，如突发模式的光放大、恢复、发展方案、升级策略、费用等；并在1997年3月完成了一套演示系统。通过此演示系统展示了宽范围、高分路系数接入网的双向光传输。最后将在布鲁塞尔进行小规模的现场实验，于SuperPON网上演示各种交互式多媒体业务。此次现场实验系统的目标是100km馈线、10km引入线和2048的分路系数；支持下行2.4Gbit/s和上行311Mbit/

17、s。计算表明，此带宽足以为1500个用户服务（将传统的窄带业务和宽带业务等均考虑在内，实行动态带宽分配）。另外，允许每个ONU连接若干个用户的FTTC/FTTB配置在这种结构中也是可行的。 为了对上行和下行通道进行复用，在引入线部分优先选择单纤WDM传输，双纤双向传输用在网络的馈线部分。因此避免了WDM的合波/分波损耗和双向串话干扰，而且网络的这一部分光纤相当短。另外，每一个ORU包括一个ONU，由其完成O&M任务和对ORU进行突发模式控制。通过这种方式利用带内通道，经济有效地实现对光放大器的监控。 实现SuperPON的主要技术问题是光再生、可靠性和网络升级等，上述问题尚有待于进一步研究。7

18、.4 PON设备的功能结构OLTONU1ONU2ONUnPON用户用户用户OBD业务网络UNISNIODN组成：OLT、ODN、ONU，且ODN中全是无源器件共享介质逻辑上是点到多点结构，物理拓扑可有多种形式PON的数据传输PON的帧都是定时长帧，分上行帧和下行帧为了实现TDMA接入，在上行时隙中传输的数据要求附加开销。上行时隙格式如下：ONUONUOLTONUOBD上行突发模式下行连续模式保护时隙附加开销ATM信元/OAM信元/以太帧用于OLT同步、标识信元开始OAM信元为管理信元，如带宽申请、测距等PON的数据传输下行：OLT向各ONU采用广播通信方式，传输连续时隙流（下行帧）局端数据 O

19、LT 封装成连续时隙流下行帧 以广播方式传送 各ONU收到信元流，取出属于自己的数据用户终端上行：采用TDMA技术（动态分配），突发传送时隙流（上行帧）各ONU共享ODN，且数据突发性强。各ONU向OLT申请带宽OLT授权ONU发送（上行的发送时隙、带宽分配等） 获得授权的ONU在指定时隙发送1. ONU功能模块示意图 2. OLT功能模块示意图 3. ODN的功能结构 通常，ODN应为ONU到OLT的物理连接提供光传输媒质。组成ODN的无源元件有单模光纤、单模光缆、光纤带、带状光纤、光连接器、光分路器、波分复用器、光衰减器、光滤波器和熔接头等。 4.操作维护管理（OAM）功能 操作维护管理（

20、OAN）功能可用两个不同的部分来定义，即OAN子系统特有的OAM功能和OAM功能类别来共同定义。OAN子系统特有的OAM功能包括设备子系统、传输子系统、光的子系统及业务子系统。设备子系统包括OLT和ONU的机箱，机框，机架，供电及光分路器外壳，光纤的配线盘和配线架。传输的系统包括设备的电路和光电转换。光的子系统包括光纤，光分支器，滤波器和光时域反射仪或光功率计。业务子系统包括各种业务与OAN核心功能适配的部分（如PSTN，ISDN）。OAM功能类别包括配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及计费管理。光接入网的OAM应纳入电信管理网（TMN），它可以通过Q3接口与TMN相连。但由于Q3接口十分

21、复杂，考虑到PON系统的经济性，一般通过中间协调设备与OLT相连，再由协调设备经Q3接口与TMN相连。这样，协调设备与PON系统用标准的简单QX接口。5.PON的保护骨干光纤保护倒换 全光纤保护倒换 PON的关键技术测距技术快速比特传送技术突发信号的收发搅码技术（扰码）媒质接入控制（MAC）技术测距技术 为何需要测距？采用TDMA，必须保证每个时隙的数据彼此独立，互不干扰PON结构中，各ONU到OLT的物理距离不等，则各ONU到OLT的传输时延不同，如不进行时延补偿，会出现时隙的重叠，造成数据干扰为确保多个ONU到OLT间的正确传输，必须引入测距机制，使各ONU到OLT的逻辑距离相等测距技术测

22、距技术基本策略单独测距+传输数据时测距相结合(粗测精测）单独测距在ONU初装联网时必须进行传输数据时测距可根据OLT的配置而定测距的基本原理OLT向ONU发送测距允许消息，消息中指明ONU的上行应答的时隙ONU在指定的上行时隙中用测距PLOAM信元应答OLT计算往返时延，并与理想时延比较，计算出差值，发送一个测距时间给ONUONU根据测距时间调整均衡时延快速比特传送技术测距精度有限，各ONU到OLT的上行比特流存在相位差异需要采用某种技术实现快速同步基本策略先实现位同步、再进行信元同步普通的滑动技术不能满足快速同步要求，需采用其他技术突发信号的收发需要快速开启和关闭光电路，以适应上行的突发数据

23、传输接收端，需要快速调整接收门限，以适应不同距离用户的信号衰减搅码技术（扰码）为了保证共享介质传输的安全性，引入搅码技术在发送端：通过一个随机码对信息进行异或运算后传送在接收端：采用相同的随机码再进行一次异或运算，得到原始数据信元的时隙分配接入请求/允许带宽的动态分配带宽管理由OLT完成为不同的业务提供优先级和带宽上行带宽的占用由媒质接入控制MAC协议实现媒质接入控制（MAC）技术7.5 我国FTTH技术发展的阶段与趋势 实现端到端的全程光网络，是光通信开始应用有就的梦想。光纤到户（FTTH）概念提出的30多年里大致经历了三个发展阶段，第一次从上世纪七十年代末，法国、加拿大和日本世界上第一批F

24、TTH现场试验开始；第二次1995年左右主要是美国和日本进行了BPON的研究和实验。两次发展机遇全都由于成本太高，缺乏市场需求而夭折。2000年开始，EPON和GPON的概念提出并开始了标准化，FTTH技术迎来了真正的发展浪潮，全球的光纤接入市场迅速增长，全球FTTX用户数也将迅速增长，并且在全球宽带接入中所占的比率将逐步提高。我国则是在90年代中后期开始研究FTTH技术，迄今大致经历了技术选型的探索、确定技术标准进行试点和规模化及创新发展几个阶段。1. 我国FTTH技术选型探索阶段ITUT于1998年正式发布G.983.1建议，从此开始了基于ATM技术的PON系统的标准制定工作；后于2001

25、年将APON改名为BPON；ITU-T在2004年发布G.983.10，标志着G.983 BPON系列标准已全部完成。1995，武汉邮电科学研究院开始开发窄带PON系统，实现系统商用。其主要技术特征是采用点到多点的拓扑结构，来提供PSTN和TDM业务。1999年，烽火通信第一代窄带PON产品曾应用于广西、辽宁等地；但由于技术复杂且成本昂贵，并没有获得广泛应用。2001年3月，武汉邮电科学研究院完成了国家863计划“全业务接入系统”即APON的研究项目，并通过了863专家的验收。2002年，烽火和华为等相继开发了相应产品，但是考虑到ATM 网络建设基本停滞，APON 技术在国内基本没有采用。这一

26、阶段正处于光纤通信技术快速发展和通信网转型变革时期，各种点到点和点到多点的技术先后用于光纤接入，相比较而言，PON技术的标准化程度高，可以节省OLT（光线路终端）光接口和光纤，系统扩展性好，便于维护管理，尽管由于ATM技术在网络中的部署并不如最初想象的那样顺利，业界推出的BPON产品也始终没有得到广泛应用。但是已经明确了PON将是FTTH的主要实现方式，BPON是现种宽带PON技术的基础，后继发展起来的其他PON技术都直接或间接引用了BPON系列标准中的大量内容。2. 我国确定FTTH技术标准、试点起步的阶段2000年，IEEE成立了第一英里以太网工作组（EFM，802.3ah），并在其开发的

27、技术标准中包含了基于以太网的PON规范，这就是我们所熟悉的EPON标准。2004年，IEEE将IEEE802.3ah EPON协议方案正式批准。EPON将以太网的廉价和PON的结构特性融于一体，使其在尚未推出正式标准的时候就得到了业界的广泛认同。相对于传统的BPON，EPON的封装更加简单高效，速率也提升到了1Gb/s；相对于常规的P2P以太网，EPON增强了其OAM方面的特性， EPON的设备成本和维护成本也将大幅低于P2P的光纤以太网。吉比特无源光网络（GPON）是全业务接入网论坛（FSAN）组织于2001年提出的传输速率超过1Gbps的PON系统准，其在APON/BPON基础上发展而来。

28、2003年，ITU-T批准了GPON标准G.984.1和G.984.2，2004年，相继批准了G.984.3和G.984.4，形成了G.984.x系列标准。此后，G.984.5和G.984.6相继推出，分别定义了增强带宽和距离延伸的GPON。业界很早就推出了EPON产品，但早期的产品均无成熟的标准可参照， 2002年至2003年，烽火通信等承担的863项目“基于千兆以太网的宽带无源光网络（EPON）”实验系统完成。2005年，烽火通信与武汉电信携手建设的武汉紫菘花园FTTH工程成功开通，该工程采用烽火科技承担的国家“863”计划项目研究成果的基础上形成的产品，能够为用户综合提供普通电话、传真、

29、宽带上网、CATV、IPTV等多种电信业务，由此拉开了由电信运营商主导的我国FTTH商用的序幕。中国光谷所在地的武汉市政府，全力支持FTTH在武汉的发展，在地方政策、组织形式、技术、标准制订、用户/房产开发企业/运营企业/制造企业之间的协调等方面做了大量的工作。2005年完成了武汉市FTTH的一系列地方标准，更好地推动了FTTH的发展。与此同时，我国的电信运营企业对FTTH给予了重视和关注，中国电信从2005年开始推动EPON芯片级的互通测试；2006年，进行EPON系统级互通测试；2007年，发布企业标准V1.3，进行设备评估测试。中国电信在国际上首次实现了EPON设备全面的、大规模的芯片级

30、和系统级互通。2006年到2007年，从武汉、北京、上海、广州等试点城市开始，全国各省（市、自治区）都有了FTTH的试验工程。随着试验工程的大量建设，FTTH的建设成本有了大幅度的下降，具备了大规模应用的条件。标志着我国已经确定FTTH技术标准、经过试点起步的，拉开了规模的推广应用序幕。 3. 我国FTTH技术的标准化、规模化及创新发展阶段2005年，在中国通信标准化协会（CCSA）组织的传送网与接入网技术工作委员会（TC6）第3次全会上，完成了若干与FTTH相关的重要行业标准或研究项目的立项工作，烽火通信等单位牵头起草了宽带光接入网及FTTH体系架构和总体要求标准。在起草过程中，对FTTH系

31、统的体系架构、网络拓扑、业务类型、实现技术与要求、性能指标要求以及运行和维护要求等方面的内容进行了积极的探索，还概要地规范了FTTH光缆及线路辅助设施的基本要求等。宽带光接入网及FTTH体系架构和总体要求的出台为今后标准工作的开展提供了参考和指导。 2006年，接入网技术要求-基于以太网方式的无源光网络EPON（YD/T1475）和接入网设备测试方法-基于以太网方式的无源光网络EPON（YD/T1531）相继成为行业标准。在中国通信标准化协会（CCSA）的统一部署与领导下，各相关委员会和工作组已经开展了大量与FTTH相关的标准化工作。近年来已经完成的与FTTH相关的通信行业标准涵盖了有源/无源

32、器件、系统、光纤光缆等多个方面。2007年，中国电信在武汉召开了现场会，全国10省的中国电信规划和建设部门的领导参加了会议。参观了烽火等在武汉完成的FTTH各种不同应用场景的试点，主要讨论了中国电信在2008年以后的“光进铜退”建设和部署工作，2008年首次集采规模即达200万户。中国联通也进行了试点、测试、选型和集采，投入150亿元实施部分地区光纤到户。中国移动、广电部门以及其他专网也都采取了相应的行动，部署和推进FTTH的各种应用。20042008年，烽火、中兴、华为的EPON产品先后投放市场，广泛服务于国内各地运营商和专网用户，在网装机容量超过1000万线，产品经历了规模商用的实践检验，应用范围遍及全国30余个省份。2008年10月24日，我国“光纤接入产业联盟”在北京正式成立。首批参加联盟的单位包括电信运营商、电信设备制造商、光电子器件制造商、光纤光缆制造企业、电信设计单位、科研院所和大专院校等