光纖通信系統(tǒng)（第3版） 課件 第十章 光纖通信網

光纖通信系統(tǒng)2光纖接入網用戶側的業(yè)務從傳統(tǒng)的話音為主逐漸向包括話音、視頻及各種交互式數據業(yè)務融和的方向發(fā)展。接入網成為通信網絡建設和發(fā)展的重點。光接入網是指在接入網中采用光纖作為主要傳輸媒質的接入技術，具有傳輸容量大、傳輸距離長、對業(yè)務透明性好等優(yōu)點，是固定接入領域內最佳的解決方案。本章主要介紹光接入網原理及主要技術。教學課時為2學時。310.1光接入網

通信網絡已經發(fā)展成為覆蓋全球的規(guī)模非常大的網絡，傳統(tǒng)上而言可以分為公共網絡和用戶網絡（也稱用戶駐地網）兩部分。

接入網是各類用戶與公共網絡進行通信，實現用戶側與網絡側業(yè)務互通的最重要的網絡組成部分。410.1.1接入網概述ITU-T建議G.902對接入網的定義如下：接入網是由業(yè)務節(jié)點接口（SNI）和用戶網絡接口（UNI）之間的一系列傳送實體（如線路設施和傳輸設施）組成的、為傳送電信業(yè)務提供所需要的傳送承載能力的實施系統(tǒng)，可經由Q3接口進行配置和管理。G.902建議中涉及的傳送實體是為提供各類通信業(yè)務所必要的傳送承載能力、由各類有線和無線技術構成的通信系統(tǒng)。5Y.1231IP接入網隨著Internet和各種IP類數據業(yè)務應用的快速普及，ITU-T提出了適應于IP業(yè)務的IP接入網定義。建議Y.1231將IP接入網定義為IP用戶和ISP之間為提供所需的、接入到IP業(yè)務的能力的網絡實體的實現。Y.1231定義的接入網的結構和實現形式都較G.902靈活。為便于讀者理解和把握接入網的總體概念，本章中所涉及的接入網內容主要以G.902建議為參照。62.接入網的定界接入網所覆蓋的范圍是由三個接口來定界，即網絡側經業(yè)務節(jié)點接口（SNI）與業(yè)務節(jié)點（SN）相連；用戶側經用戶網絡接口（UNI）與用戶相連；管理側經Q3接口與電信管理網（TMN）相連，不具備Q3接口時通常需經由協調設備（MD）與TMN相連。SN是提供業(yè)務的實體，是一種可以接入各種交換型和/或永久連接型電信業(yè)務的網絡單元。7圖10-1接入網的定界83.接入網分層模型為了便于網絡設計與管理，接入網按垂直方向分為三個獨立的層次。其中每一層為其相鄰的高階層提供傳送服務，同時又使用相鄰的低階層所提供的傳送服務，這三層分別是電路層、通道層和傳輸媒質層。在網絡分層后，每一層仍顯得很復雜，因此可以進一步將每一層網絡劃分為若干個子網，每一個子網又可以進一步分割成若干個更小的子網。9圖10-2接入網通用協議參考模型104.接入網的主要特點（1）功能相對簡單（2）業(yè)務多樣性（3）網徑較?。?）成本敏感（5）施工難度較高（6）對環(huán)境的適應能力強11圖10-3接入網分類示意圖線對增容技術PG數字用戶線技術（xDSL）電力線接入技術PLC有線接入網無線接入網有線無線混合接入網接入網銅線接入網光纖接入網光纖銅線混合接入網（HFC）固定終端無線接入網移動終端無線接入網有源光纖接入網AON無源光纖接入網PON1210.1.2光纖接入網光纖接入網（OAN，OpticalAccessNetwork）是指在接入網中采用光纖作為主要傳輸媒質來實現信息傳送的網絡形式。它不是傳統(tǒng)意義上的光纖傳輸系統(tǒng)，而是針對接入網環(huán)境所設計的特殊的光纖傳輸網絡。131.光纖接入網的主要結構光纖接入網采用光纖作為主要傳輸媒質，而局側和用戶側發(fā)出和接收的均為電信號，所以在局側要進行電/光變換，在用戶側要進行光/電變換，才可實現中間線路的光信號傳輸。一個一般意義上的光纖接入網示意圖如圖10-4所示。一個光接入網主要由光線路終端OLT、光分配網絡ODN和光網絡單元ONU

等組成。14圖10-4光纖接入網示意圖15圖10-5光纖接入網的參考配置16有源光網絡AON和無源光網絡PON無源光網絡PON是指在OLT和ONU之間沒有任何有源的設備而只使用光纖等無源器件。PON對各種業(yè)務透明，易于升級擴容，便于維護管理。有源光網絡（AON）中，用有源設備或網絡系統(tǒng)（如SDH環(huán)網）的ODT代替無源光網絡中的ODN，傳輸距離和容量大大增加，易于擴展帶寬，網絡規(guī)劃和運行的靈活性大，不足的是有源設備需要機房、供電和維護等輔助設施。17圖10-6ODN中的光通道18光纖接入網的拓撲結構光纖接入網的拓撲結構主要有總線形、環(huán)形和星形。由此又可以派生出樹形、雙星形、環(huán)形－星形等結構，如圖10-7所示。圖10-7光纖接入網的拓撲結構192010.1.3光纖接入網的應用類型根據ONU位置的不同，可以將OAN劃分為幾種基本的應用類型，即光纖到路邊FTTC、光纖到樓FTTB、光纖到家或辦公室FTTH/FTTO等。從發(fā)展來看，光接入網的普及主要受到成本和內容等多方面的制約，從長遠來看，以FTTH/O＋家庭（辦公室）無線網的形式實現寬帶接入可能是一種較好的選擇。2110.1.4光接入網性能指標光接入網的性能指標既包括了物理層的光纖傳輸、光通道衰減、雙向鏈路光功率預算等，也包括了誤碼和抖動性能，對于特定的光接入網技術，還可能包含了帶寬分配、擁塞控制和流量控制等性能指標。光接入網中最主要的性能指標之一是鏈路的光功率預算，也即OLT與ONU間允許的能量損失。表示為22表10-1分光器插入損耗分光器類型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最大光鏈路衰減23序號接口（光纖線路最長傳輸距離1310nm時最大光鏈路衰減（dB）1490nm時最大光鏈路衰減（dB）11000Base-PX20U接口20km24-21000Base-PX20D接口20km-23.52410.1.2光接入網關鍵技術

突發(fā)收發(fā)技術

突發(fā)同步技術

測距技術

多址接入技術

動態(tài)帶寬分配技術

光功率的動態(tài)調節(jié)

服務質量和安全技術25突發(fā)收發(fā)技術光接入網中需要具有突發(fā)收發(fā)的能力。例如對于采用TDMA的ONU而言，每個ONU只能在每一幀的特定時刻發(fā)送上行信號，因此需要有快速的功率開啟和切斷的功能。同時對于光接入網中發(fā)送機的消光比也有較高的要求。多個ONU對應于一個OLT，在每一時刻只有一個ONU發(fā)送信號，其他所有ONU都應處于關斷狀態(tài)，此時要求其余所有ONU的殘留光之和不能對正在發(fā)光的ONU產生影響。OLT側也有類似的問題。如多個ONU發(fā)送的信號到達OLT側會有功率的波動，OLT的接收機需要能靈活快速地調整接收電平，迅速地接收和恢復數據。26突發(fā)同步技術

由于各ONU與OLT的距離不同，因此各個信元信號經傳輸延遲后，到達OLT時的比特相位不同，OLT接受到從ONU來的短脈沖數據流，這些數據流的比特相位各不相同且是未知。由于組成上行幀的各ONU傳輸的信元數有限，為了不丟失有用信息，需有較快的比特同步，OLT處的比特同步必須在每個上行ONU短脈沖數據流期間建立。使得快速比特同步電路在幾個比特周期內與輸入數據同步，從而把每個ONU發(fā)送的信號正確恢復出來。27測距技術光接入網的環(huán)境是典型的點到多點方式，由于各個ONU到OLT的距離不等，為了防止各個ONU所發(fā)上行信號發(fā)生沖突，OLT需要一套測距功能，以保證不同物理距離的ONU與OLT之間的“邏輯距離”相等，即傳輸延遲一致，以避免碰撞和沖突的出現。測距也即測量各個ONU到OLT的實際距離，并將所有的ONU到OLT的虛擬距離設置相等的過程。28測距實現測距過程分為三個子過程：靜態(tài)粗測距；靜態(tài)精測距；動態(tài)精測距。系統(tǒng)初始化時或當一個新的ONU加入時或一個ONU重新加電時，靜態(tài)粗測距起作用，為保證該過程對數據傳輸的影響較小，采用低頻低電平信號作為測距信號；靜態(tài)精測距是達到所需測距精度的中間環(huán)節(jié)，每當ONU被重新激活時都要進行一次，它占據一個上行傳輸時隙；動態(tài)精測距是在數據傳輸過程中，使用數據信號來進行測距。精態(tài)精測距過程結束后，OLT指示ONU可以發(fā)送數據了，在發(fā)送數據過程中，OLT持續(xù)地測量各ONU環(huán)路延時，及時調整補償時延以適應各種因素對環(huán)路時延的影響。29多址接入技術時分多址接入TDMA

波分多址接入WDMA

碼分多址接入CDMA30時分多址接入技術TDMA上行傳輸時將時間分成若干個時隙，每一時隙內只安排一個ONU以分組方式向OLT發(fā)送分組信息。每個ONU嚴格按照預先規(guī)定的順序依次發(fā)送。為了避免與OLT距離不同的ONU所發(fā)的上行信號在OLT處發(fā)生沖突，OLT需要有一套復雜的測距功能，不斷測量每一ONU與OLT之間的時延（即邏輯距離），指揮每一個ONU調整發(fā)送時間，使之不至于互相沖突。31波分多址接入技術WDMA波分多址接入WDMA方式是采用不同的波長對應于不同的ONU。采用單根光纖，兩個方向的信號（上行信號和下行信號），分別調在不同的波長上。各個ONU不同波長的上行光信號，送至光分路器并耦合進光纖，該復用信號到達OLT后，利用WDM器件可分出屬于各個ONU的光信號，再經過光電檢測器，解調出電信號。上行傳輸（從ONU到OLT）必須工作在1310nm波長區(qū)，下行傳輸（OLT到ONU）工作在1310nm或1550nm波長區(qū)。當上、下行均工作在1310nm波長區(qū)時，上行信號處于1310nm波長區(qū)高端，下行信號處于1310nm波長區(qū)低端。32碼分多址接入技術CDMA碼分多址接入CDMA方式是為每一個ONU分配一個多址碼，并將各ONU的上行信碼與其進行模二加后，再去調制具有相同波長的激光器，經光分路器（OBD）合路后傳輸到OLT，通過檢測、放大和模二加等電路后，恢復出ONU送來的上行反碼。33

動態(tài)帶寬分配在上行方向，任意時刻不同ONU對帶寬的需求是不一樣的，這就涉及到帶寬分配及其算法的問題。帶寬分配要求提供一套最有效的在盡可能保證每個ONU需求的同時高效利用網絡資源的手段。帶寬分配算法既要考慮連接業(yè)務的性能特點和其服務質量的要求，又要考慮接入控制的實時性。動態(tài)帶寬分配可以通過包括消息和狀態(tài)機等技術來實現。34光功率的動態(tài)調節(jié)每個ONU與中心接收機的光路損耗是不同的，所以中心節(jié)點的光接收機必須能夠應付從一個突發(fā)到另一個突發(fā)的不同的光接受功率，因此，接收機需要較大的動態(tài)范圍，并且能夠設定門限快速區(qū)分比特“0”和比特“1”。此外每個傳輸節(jié)點的輸出功率將根據該節(jié)點的光路損耗而進行調節(jié)，從而降低對光接收機的動態(tài)范圍的要求。35服務質量和安全技術光接入網的服務質量和安全技術是保證用戶對于不同業(yè)務類型需求的關鍵技術。采用TDM方式傳送下行數據的光接入網，必須采取一定的認證和鑒權機制，以保證每一個ONU只能獲得自己所需的信息。而對于上行信號而言，需要采取認證機制以保證只有合法的ONU可以與OLT建立連接。同時針對用戶的不同類型的業(yè)務，如對時延、誤碼率等要求不同的話音和視頻業(yè)務等采取不同的對策加以區(qū)別對待。3610.1.3無源光接入網PON

在光接入網中如果ODN全部是由無源器件組成，不包括任何有源節(jié)點，則這種光接入網就是無源光接入網PON。PON中的ODN部分僅由光分路器、光纜等無源器件組成，因此PON具有極高的可靠性，同時對環(huán)境的依賴程度小，是光接入網中最為看好的技術。同時，PON方案也是實現光接入網FTTH的各種方案中成本最低的.圖10-12實現FTTH方案成本對比

3738PON雙向傳輸一般情況下，PON中只采用一個分光器，稱為一級分光模式。近年來，由于FTTH的需求日益增加，也開始采用多個分光器級聯使用的模式，稱為二級分光。PON雙向傳輸的常用方法是下行信號使用1490nm波長，上行信號使用1310nm波長。如果PON的分路比較高，即一個OLT需要連接較多ONU，且傳輸距離較長時，也可考慮在OLT側設置光放大器，提高總的下行功率。ITU-T在G.983系列建議中規(guī)定，PON的分路比至少支持1：16或更高（目前多為1：32或1：64），OLT與ONU之間的物理距離不得少于20km。39基于ATM的APONAPON是基于ATM的PON接入技術，最早由全業(yè)務接入網組織（FSAN）于20世紀90年代提出，并由ITU-T完成標準化。APON下行方向采用TDM方式，并通過信頭的虛通道標識符／虛通路標識符（VPI/VCI）進行二級尋址，并根據不同業(yè)務的QoS（服務質量）進行不同的轉接處理。上行方向則采用TDMA方式，各個ONU以最小1個ATM信元對應的時隙占用上行帶寬。40圖10-13APON結構示意圖41圖10-14APON幀結構42基于Ethernet的EPONEPON是由國際電氣電子工程師協會IEEE提出并標準化。IEEE的第一英里以太網EFM（EthernetintheFirstMileStudy）工作組于2002年7月制定了EPON草案。EPON的ODN由無源分光器件和光纖線路構成，EFM確定分路器的分光能力在1：16到1：128之間。上行和下行線路的光信號使用兩個不同波長（1310nm/1490nm），速率均為1Gbit/s，傳輸距離可達20km。43EPON上下行方案在下行鏈路上，OLT以廣播方式發(fā)送以太網數據幀。通過1：N的無源分光器，數據幀到達各ONU，ONU通過檢查接收到的數據幀的目的媒體接入控制（MAC）地址和幀類型（如：廣播幀、OAM幀）來判斷是否接收此幀．在上行鏈路上，各ONU的數據幀以突發(fā)方式通過共同的無源分配網傳輸到OLT，因此必須有一種多址接入方式保證每個激活的ONU能夠占用一定的上行信道帶寬?？紤]到業(yè)務的不對稱性和ONU的低成本，EFM工作組決定在上行鏈路上采用TDMA方式。44圖10-15EPON下行信號示意45圖10-16EPON上行信號示意46千兆比特兼容的無源光接入網GPONITU-T在APON基礎上，提出了千兆比特兼容的無源光接入網GPON。GPON的主要設想是在PON上傳送多業(yè)務時保證高比特率和高效率。由于GPON一開始就自下而上地重新考慮了PON的應用和要求，為新的方案奠定了基礎，不再基于早先的APON標準。它一方面保留了與PON不是直接相關的許多功能，如OAM消息、DBA等；另一方面GPON則基于完全新的傳輸會聚（TC）層。GPON采用的是一個以幀為基礎的協議，用通用成幀程序（GFP）作業(yè)務映射。47GPON總體目標幀結構可以從622Mbit/s擴展到2.5Gbit/s，并支持不對稱比特率；對任何業(yè)務都保證高帶寬利用率和高效率；把任何業(yè)務（TDM和分組）都通過GFP裝入125μs的幀中；對純TDM業(yè)務作高效率的無開銷傳送；通過帶寬指示器為每一ONT動態(tài)分配上行帶寬。48圖10-17GPON總體結構49圖10-18GPON協議模型50圖10-21上行接入控制示例新型PONWDMPONTDM-WDM混合PONXGPON和NGPON通信與信息工程學院5110.2計算機高速互聯光網絡技術10.2.1光纖分布式數據接口10.2.2光纖通道10.2.3高速計算機光互連技術通信與信息工程學院5210.3智能光網絡

智能光網絡是下一代的光網絡，具有自動發(fā)現功能，包括能夠自動地發(fā)現業(yè)務、拓撲、資源的變化；具有強大的計算功能，能夠根據網絡環(huán)境的這些變化，進行計算、分析、推理和判斷，根據資源有效配置這一原則最終做出決定；具有快速的動態(tài)的連接建立能力，并能為需要的業(yè)務提供保護和恢復功能；能夠提供不同類型的、不同優(yōu)先級的服務等。5310.3.1智能光網絡概述智能光網絡另一個重要的特征是能夠為用戶提供更新型、更多帶寬的服務，如按需帶寬業(yè)務、波長批發(fā)、波長出租、帶寬交易、光虛擬專用網（OVPN）等。學術界和工業(yè)界對于如何實現真正意義上的智能光網絡仍存在一些不同看法，目前包括ITU-T、IETF、OIF等國際標準化組織都對此投入了巨大的精力，其中以ITU-T主導的自動交換光網絡（ASON）被認為是現階段實現智能光網絡的主要方法，而IETF提出的通用多協議標記交換協議（GMPLS）是ASON的主要控制協議，OIF則側重于接口標準的開發(fā)和規(guī)范。545510.3.2自動交換光網絡ASONASON最早是在2000年3月由ITU-T的Q19/13研究組正式提出，相關標準化工作進展迅速。ITU-T先后制訂出G.807（自動交換傳送網絡功能需求）、G.8080（自動交換光網絡體系結構）以及后續(xù)的ASON相關標準，IETF（因特網工程任務組）、OIF（光互聯網論壇）等組織也正在積極擴展通用多協議標記交換GMPLS協議，使其能成為ASON的路由和信令協議。56ASON基本思想ASON核心思想是在路由和信令控制下，完成自動交換連接功能的新一代光網絡。ASON首次將信令和選路引入傳送網，通過智能的控制層面來建立呼叫和連接，實現了真正意義上的路由設置、端到端業(yè)務調度和網絡自動恢復。

ASON的優(yōu)勢集中表現在其組網應用的動態(tài)、靈活、高效和智能方面。支持多粒度、多層次的智能，提供多樣化、個性化的服務是ASON的核心特征。

57圖10-29ASON的體系結構58ASON中的連接在ASON中，一共定義了三種不同的連接：永久性連接（PC，PermanentConnection）交換式連接（SC，SwitchedConnection）軟永久性連接（SPC，Soft-permanentConnection）59圖10-30交換連接示意圖60ASON控制平面結構控制平面是ASON的核心。就其實質而言，控制平面是一個IP網絡。也就是說ASON控制平面實際上是一個能實現對下層傳送網進行控制的IP網絡?？刂破矫嬷饕ㄐ帕顓f議、路由協議和鏈路資源管理等。信令協議用于分布式連接的建立、維護和拆除等管理；路由協議為連接的建立提供選路服務；鏈路資源管理用于鏈路管理，包括控制信道和傳送鏈路的驗證和維護。61圖10-31ASON控制平面節(jié)點結構組件62圖10-32分布式呼叫和連接管理模型63圖10-33ASON網絡路由工作框架64圖10-34路由組件構成示意6510.3.3通用多協議標記交換GMPLSGMPLS（通用多協議標簽交換）由MPLS擴展而來，它對MPLS的標簽及LSP（標簽交換路徑）建立機制進行了擴展，從而產生了通用的標簽及通用LSP（GLSP）。GMPLS除了支持具有分組交換能力的接口，還支持具有時分、空分以及波長交換能力的接口。同時，GMPLS為光網絡提供了強有力的控制平面，從而使光網絡向對等網絡的演進成為可能。66控制平面引入GMPLS增加功能資源發(fā)現：跟蹤系統(tǒng)資源的可用性，例如業(yè)務量端口、帶寬以及復用能力；路由控制：提供路由能力、拓撲發(fā)現以及流量工程；連接管理：通過上面的功能為不同的業(yè)務提供端到端的業(yè)務配置，連接管理包括連接的建立、刪除、修改以及連接查詢；連接恢復：為網絡提供更進一步的保護。GMPLS控制平面可以提供一些在多設備廠家環(huán)境下傳統(tǒng)的管理平面很難提供的業(yè)務，它們包括端到端連接的配置、按需帶寬（BoD）、自動流量工程、附加的保護和恢復以及光虛擬專用網（OVPN）等。67圖10-37不同等級LSP嵌套關系示例10.4全光網全光網（AON）是指信息從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸完全在光域進行，以光節(jié)點取代現有網絡的電節(jié)點，并用光纖將光節(jié)點連成為網，全部采用光波技術完成信息的傳輸和交換的寬帶網絡。它包括光傳輸、光放大、光再生、光選路、光交換、光存儲、光信息處理等先進的全光技術。全光網克服了現有網絡在傳送