光纤通信系统（第3版） 课件 第十章 光纤通信网

光纤通信系统2光纤接入网用户侧的业务从传统的话音为主逐渐向包括话音、视频及各种交互式数据业务融和的方向发展。接入网成为通信网络建设和发展的重点。光接入网是指在接入网中采用光纤作为主要传输媒质的接入技术，具有传输容量大、传输距离长、对业务透明性好等优点，是固定接入领域内最佳的解决方案。本章主要介绍光接入网原理及主要技术。教学课时为2学时。310.1光接入网

通信网络已经发展成为覆盖全球的规模非常大的网络，传统上而言可以分为公共网络和用户网络（也称用户驻地网）两部分。

接入网是各类用户与公共网络进行通信，实现用户侧与网络侧业务互通的最重要的网络组成部分。410.1.1接入网概述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。G.902建议中涉及的传送实体是为提供各类通信业务所必要的传送承载能力、由各类有线和无线技术构成的通信系统。5Y.1231IP接入网随着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。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。62.接入网的定界接入网所覆盖的范围是由三个接口来定界，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。7图10-1接入网的定界83.接入网分层模型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、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。9图10-2接入网通用协议参考模型104.接入网的主要特点（1）功能相对简单（2）业务多样性（3）网径较小（4）成本敏感（5）施工难度较高（6）对环境的适应能力强11图10-3接入网分类示意图线对增容技术PG数字用户线技术（xDSL）电力线接入技术PLC有线接入网无线接入网有线无线混合接入网接入网铜线接入网光纤接入网光纤铜线混合接入网（HFC）固定终端无线接入网移动终端无线接入网有源光纤接入网AON无源光纤接入网PON1210.1.2光纤接入网光纤接入网（OAN，OpticalAccessNetwork）是指在接入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。131.光纤接入网的主要结构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。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。14图10-4光纤接入网示意图15图10-5光纤接入网的参考配置16有源光网络AON和无源光网络PON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。17图10-6ODN中的光通道18光纤接入网的拓扑结构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10-7光纤接入网的拓扑结构192010.1.3光纤接入网的应用类型根据ONU位置的不同，可以将OAN划分为几种基本的应用类型，即光纤到路边FTTC、光纤到楼FTTB、光纤到家或办公室FTTH/FTTO等。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。2110.1.4光接入网性能指标光接入网的性能指标既包括了物理层的光纤传输、光通道衰减、双向链路光功率预算等，也包括了误码和抖动性能，对于特定的光接入网技术，还可能包含了带宽分配、拥塞控制和流量控制等性能指标。光接入网中最主要的性能指标之一是链路的光功率预算，也即OLT与ONU间允许的能量损失。表示为22表10-1分光器插入损耗分光器类型1:21:41:8或2:81:16或2：161:32或2:32FBT或PLC≤3.6dB≤7.3dB≤10.7dB≤14dB≤17.7dB表10-2最大光链路衰减23序号接口（光纤线路最长传输距离1310nm时最大光链路衰减（dB）1490nm时最大光链路衰减（dB）11000Base-PX20U接口20km24-21000Base-PX20D接口20km-23.52410.1.2光接入网关键技术

突发收发技术

突发同步技术

测距技术

多址接入技术

动态带宽分配技术

光功率的动态调节

服务质量和安全技术25突发收发技术光接入网中需要具有突发收发的能力。例如对于采用TDMA的ONU而言，每个ONU只能在每一帧的特定时刻发送上行信号，因此需要有快速的功率开启和切断的功能。同时对于光接入网中发送机的消光比也有较高的要求。多个ONU对应于一个OLT，在每一时刻只有一个ONU发送信号，其他所有ONU都应处于关断状态，此时要求其余所有ONU的残留光之和不能对正在发光的ONU产生影响。OLT侧也有类似的问题。如多个ONU发送的信号到达OLT侧会有功率的波动，OLT的接收机需要能灵活快速地调整接收电平，迅速地接收和恢复数据。26突发同步技术

由于各ONU与OLT的距离不同，因此各个信元信号经传输延迟后，到达OLT时的比特相位不同，OLT接受到从ONU来的短脉冲数据流，这些数据流的比特相位各不相同且是未知。由于组成上行帧的各ONU传输的信元数有限，为了不丢失有用信息，需有较快的比特同步，OLT处的比特同步必须在每个上行ONU短脉冲数据流期间建立。使得快速比特同步电路在几个比特周期内与输入数据同步，从而把每个ONU发送的信号正确恢复出来。27测距技术光接入网的环境是典型的点到多点方式，由于各个ONU到OLT的距离不等，为了防止各个ONU所发上行信号发生冲突，OLT需要一套测距功能，以保证不同物理距离的ONU与OLT之间的“逻辑距离”相等，即传输延迟一致，以避免碰撞和冲突的出现。测距也即测量各个ONU到OLT的实际距离，并将所有的ONU到OLT的虚拟距离设置相等的过程。28测距实现测距过程分为三个子过程：静态粗测距；静态精测距；动态精测距。系统初始化时或当一个新的ONU加入时或一个ONU重新加电时，静态粗测距起作用，为保证该过程对数据传输的影响较小，采用低频低电平信号作为测距信号；静态精测距是达到所需测距精度的中间环节，每当ONU被重新激活时都要进行一次，它占据一个上行传输时隙；动态精测距是在数据传输过程中，使用数据信号来进行测距。精态精测距过程结束后，OLT指示ONU可以发送数据了，在发送数据过程中，OLT持续地测量各ONU环路延时，及时调整补偿时延以适应各种因素对环路时延的影响。29多址接入技术时分多址接入TDMA

波分多址接入WDMA

码分多址接入CDMA30时分多址接入技术TDMA上行传输时将时间分成若干个时隙，每一时隙内只安排一个ONU以分组方式向OLT发送分组信息。每个ONU严格按照预先规定的顺序依次发送。为了避免与OLT距离不同的ONU所发的上行信号在OLT处发生冲突，OLT需要有一套复杂的测距功能，不断测量每一ONU与OLT之间的时延（即逻辑距离），指挥每一个ONU调整发送时间，使之不至于互相冲突。31波分多址接入技术WDMA波分多址接入WDMA方式是采用不同的波长对应于不同的ONU。采用单根光纤，两个方向的信号（上行信号和下行信号），分别调在不同的波长上。各个ONU不同波长的上行光信号，送至光分路器并耦合进光纤，该复用信号到达OLT后，利用WDM器件可分出属于各个ONU的光信号，再经过光电检测器，解调出电信号。上行传输（从ONU到OLT）必须工作在1310nm波长区，下行传输（OLT到ONU）工作在1310nm或1550nm波长区。当上、下行均工作在1310nm波长区时，上行信号处于1310nm波长区高端，下行信号处于1310nm波长区低端。32码分多址接入技术CDMA码分多址接入CDMA方式是为每一个ONU分配一个多址码，并将各ONU的上行信码与其进行模二加后，再去调制具有相同波长的激光器，经光分路器（OBD）合路后传输到OLT，通过检测、放大和模二加等电路后，恢复出ONU送来的上行反码。33

动态带宽分配在上行方向，任意时刻不同ONU对带宽的需求是不一样的，这就涉及到带宽分配及其算法的问题。带宽分配要求提供一套最有效的在尽可能保证每个ONU需求的同时高效利用网络资源的手段。带宽分配算法既要考虑连接业务的性能特点和其服务质量的要求，又要考虑接入控制的实时性。动态带宽分配可以通过包括消息和状态机等技术来实现。34光功率的动态调节每个ONU与中心接收机的光路损耗是不同的，所以中心节点的光接收机必须能够应付从一个突发到另一个突发的不同的光接受功率，因此，接收机需要较大的动态范围，并且能够设定门限快速区分比特“0”和比特“1”。此外每个传输节点的输出功率将根据该节点的光路损耗而进行调节，从而降低对光接收机的动态范围的要求。35服务质量和安全技术光接入网的服务质量和安全技术是保证用户对于不同业务类型需求的关键技术。采用TDM方式传送下行数据的光接入网，必须采取一定的认证和鉴权机制，以保证每一个ONU只能获得自己所需的信息。而对于上行信号而言，需要采取认证机制以保证只有合法的ONU可以与OLT建立连接。同时针对用户的不同类型的业务，如对时延、误码率等要求不同的话音和视频业务等采取不同的对策加以区别对待。3610.1.3无源光接入网PON

在光接入网中如果ODN全部是由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是无源光接入网PON。PON中的ODN部分仅由光分路器、光缆等无源器件组成，因此PON具有极高的可靠性，同时对环境的依赖程度小，是光接入网中最为看好的技术。同时，PON方案也是实现光接入网FTTH的各种方案中成本最低的.图10-12实现FTTH方案成本对比

3738PON双向传输一般情况下，PON中只采用一个分光器，称为一级分光模式。近年来，由于FTTH的需求日益增加，也开始采用多个分光器级联使用的模式，称为二级分光。PON双向传输的常用方法是下行信号使用1490nm波长，上行信号使用1310nm波长。如果PON的分路比较高，即一个OLT需要连接较多ONU，且传输距离较长时，也可考虑在OLT侧设置光放大器，提高总的下行功率。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1：32或1：64），OLT与ONU之间的物理距离不得少于20km。39基于ATM的APONAPON是基于ATM的PON接入技术，最早由全业务接入网组织（FSAN）于20世纪90年代提出，并由ITU-T完成标准化。APON下行方向采用TDM方式，并通过信头的虚通道标识符／虚通路标识符（VPI/VCI）进行二级寻址，并根据不同业务的QoS（服务质量）进行不同的转接处理。上行方向则采用TDMA方式，各个ONU以最小1个ATM信元对应的时隙占用上行带宽。40图10-13APON结构示意图41图10-14APON帧结构42基于Ethernet的EPONEPON是由国际电气电子工程师协会IEEE提出并标准化。IEEE的第一英里以太网EFM（EthernetintheFirstMileStudy）工作组于2002年7月制定了EPON草案。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。上行和下行线路的光信号使用两个不同波长（1310nm/1490nm），速率均为1Gbit/s，传输距离可达20km。43EPON上下行方案在下行链路上，OLT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．在上行链路上，各ONU的数据帧以突发方式通过共同的无源分配网传输到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，EFM工作组决定在上行链路上采用TDMA方式。44图10-15EPON下行信号示意45图10-16EPON上行信号示意46千兆比特兼容的无源光接入网GPONITU-T在APON基础上，提出了千兆比特兼容的无源光接入网GPON。GPON的主要设想是在PON上传送多业务时保证高比特率和高效率。由于GPON一开始就自下而上地重新考虑了PON的应用和要求，为新的方案奠定了基础，不再基于早先的APON标准。它一方面保留了与PON不是直接相关的许多功能，如OAM消息、DBA等；另一方面GPON则基于完全新的传输会聚（TC）层。GPON采用的是一个以帧为基础的协议，用通用成帧程序（GFP）作业务映射。47GPON总体目标帧结构可以从622Mbit/s扩展到2.5Gbit/s，并支持不对称比特率；对任何业务都保证高带宽利用率和高效率；把任何业务（TDM和分组）都通过GFP装入125μs的帧中；对纯TDM业务作高效率的无开销传送；通过带宽指示器为每一ONT动态分配上行带宽。48图10-17GPON总体结构49图10-18GPON协议模型50图10-21上行接入控制示例新型PONWDMPONTDM-WDM混合PONXGPON和NGPON通信与信息工程学院5110.2计算机高速互联光网络技术10.2.1光纤分布式数据接口10.2.2光纤通道10.2.3高速计算机光互连技术通信与信息工程学院5210.3智能光网络

智能光网络是下一代的光网络，具有自动发现功能，包括能够自动地发现业务、拓扑、资源的变化；具有强大的计算功能，能够根据网络环境的这些变化，进行计算、分析、推理和判断，根据资源有效配置这一原则最终做出决定；具有快速的动态的连接建立能力，并能为需要的业务提供保护和恢复功能；能够提供不同类型的、不同优先级的服务等。5310.3.1智能光网络概述智能光网络另一个重要的特征是能够为用户提供更新型、更多带宽的服务，如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、光虚拟专用网（OVPN）等。学术界和工业界对于如何实现真正意义上的智能光网络仍存在一些不同看法，目前包括ITU-T、IETF、OIF等国际标准化组织都对此投入了巨大的精力，其中以ITU-T主导的自动交换光网络（ASON）被认为是现阶段实现智能光网络的主要方法，而IETF提出的通用多协议标记交换协议（GMPLS）是ASON的主要控制协议，OIF则侧重于接口标准的开发和规范。545510.3.2自动交换光网络ASONASON最早是在2000年3月由ITU-T的Q19/13研究组正式提出，相关标准化工作进展迅速。ITU-T先后制订出G.807（自动交换传送网络功能需求）、G.8080（自动交换光网络体系结构）以及后续的ASON相关标准，IETF（因特网工程任务组）、OIF（光互联网论坛）等组织也正在积极扩展通用多协议标记交换GMPLS协议，使其能成为ASON的路由和信令协议。56ASON基本思想ASON核心思想是在路由和信令控制下，完成自动交换连接功能的新一代光网络。ASON首次将信令和选路引入传送网，通过智能的控制层面来建立呼叫和连接，实现了真正意义上的路由设置、端到端业务调度和网络自动恢复。

ASON的优势集中表现在其组网应用的动态、灵活、高效和智能方面。支持多粒度、多层次的智能，提供多样化、个性化的服务是ASON的核心特征。

57图10-29ASON的体系结构58ASON中的连接在ASON中，一共定义了三种不同的连接：永久性连接（PC，PermanentConnection）交换式连接（SC，SwitchedConnection）软永久性连接（SPC，Soft-permanentConnection）59图10-30交换连接示意图60ASON控制平面结构控制平面是ASON的核心。就其实质而言，控制平面是一个IP网络。也就是说ASON控制平面实际上是一个能实现对下层传送网进行控制的IP网络。控制平面主要包括信令协议、路由协议和链路资源管理等。信令协议用于分布式连接的建立、维护和拆除等管理；路由协议为连接的建立提供选路服务；链路资源管理用于链路管理，包括控制信道和传送链路的验证和维护。61图10-31ASON控制平面节点结构组件62图10-32分布式呼叫和连接管理模型63图10-33ASON网络路由工作框架64图10-34路由组件构成示意6510.3.3通用多协议标记交换GMPLSGMPLS（通用多协议标签交换）由MPLS扩展而来，它对MPLS的标签及LSP（标签交换路径）建立机制进行了扩展，从而产生了通用的标签及通用LSP（GLSP）。GMPLS除了支持具有分组交换能力的接口，还支持具有时分、空分以及波长交换能力的接口。同时，GMPLS为光网络提供了强有力的控制平面，从而使光网络向对等网络的演进成为可能。66控制平面引入GMPLS增加功能资源发现：跟踪系统资源的可用性，例如业务量端口、带宽以及复用能力；路由控制：提供路由能力、拓扑发现以及流量工程；连接管理：通过上面的功能为不同的业务提供端到端的业务配置，连接管理包括连接的建立、删除、修改以及连接查询；连接恢复：为网络提供更进一步的保护。GMPLS控制平面可以提供一些在多设备厂家环境下传统的管理平面很难提供的业务，它们包括端到端连接的配置、按需带宽（BoD）、自动流量工程、附加的保护和恢复以及光虚拟专用网（OVPN）等。67图10-37不同等级LSP嵌套关系示例10.4全光网全光网（AON）是指信息从源节点到目的节点的传输完全在光域进行，以光节点取代现有网络的电节点，并用光纤将光节点连成为网，全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络。它包括光传输、光放大、光再生、光选路、光交换、光存储、光信息处理等先进的全光技术。全光网克服了现有网络在传送