宽带接入技术第四章 光纤接入技术.docx

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宽带接入技术第四章光纤接入技术

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第4章光纤接入技术

王晖

（中国传媒大学信息工程学院）

2009/10

主要内容

?

?

?

?

?

4.14.24.34.44.54.6光纤接入技术概述PON的基本概念和结构PON的功能结构APON系统EPON系统GPON系统

4.1

光纤接入技术概述

光纤接入是指局端与用户之间以光纤作为传输媒体。

根据光接入网（OAN）中光配线网（ODN）是由无源器件还是由有源器件组成，可分为有源光网络和无源光网络（PON，PASSIVEOPTICALNETWORK）；根据技术体制，还可分为PDH光接入技术、SDH光接入技术、ATM光接入技术、以太网光接入技术等。

光纤接入网采用光纤做为主要的传输媒体来取代传统的双绞线。

交换局光纤双绞线ONU光网络单元用户设备

OF

ONU

交FTTH光纤到户FTTC光纤到路边FTTB光纤到大楼换机

O

OF

FTTHFTTB

LT

OF

ONU

ONU

双绞线

FTTC

无源光网络（PON）和有源光网络（AON）UNI

ONUSNI业务节点OLTODN...ONUOLT：

光线路终端ODN：

光分配网络ONU：

光网络单元ODT：

光远程终端SNI业务节点OLTODT...ONU

无源光网络图

UNIONU

有源光网络图

FTTH技术

FTTH：

ONU位于用户驻地的一种容量可扩展的光接入网OAN

–OAN:

–ONU:

–OLT:

OpticalAccessNetworkOpticalNetworkUnitOpticalLineTermination

OAN

CO/HE//

OLT

ONU

FTTH技术－系统架构

三种系统架构无源光网络PON

–在网络分配的某一段共享光纤–利用光分路器分离和汇聚信号–仅在端节点需要供电

有源节点

–提供一段专用的光纤路由–利用有源节点来管理信号分配

混合PON

–有源节点与PON的结合

FTTH系统架构–PON

（A-PON，E-PON，G-PON）

Usually10-20kmOLT

//////////

//

//

ONU

Opticalsplitter1x16（1x2,1x8）1x32（1x4,1x8）

//

FTTH系统架构–PON

1550nmbroadcast（ifused）1490nmdata

//////

（A-PON，E-PON，G-PON）

//

//

//

//

1310nmdata

//

FTTH系统架构－有源节点

Upto70kmOLT

////////

Upto10km

//

ONU

//

Processing（powered）

//

FTTH系统架构－有源节点

//

1550nmbroadcast（ifused）

//////

//

1310or1550nm（dependingondistance）onseparatefibers

//

//

FTTH系统架构－混合PON

Upto70kmOLTOpticalsplitter

//////

Usually10-20km

//

//

//

ONU

Processing（powered）

//

//

Opticalsplitter

//

FTTH系统架构－混合PON

Singlefiber,1550broadcast,1310bidirectionaldata//

////

1550nmbroadcast

//////

1310or1550nm（dependingondistance）onseparatefibers

//

//

//

FTTH参考模型

BroadcastProgrammingNarrowcastVideoV-OLT

1555nm

Splitterscanbecollocatedordistributed

1555nm

VideoRF

SFUONT

IPNetworkATMNetwork

OLTVoiceGateway

1490nm

1:

N1:

N

1490nm1310nm10/100BaseT

POTSLines

1310nm

1555nm

MDUONT

VideoRF24POTSLinesData{DSLor10/100BaseT}

TDM/PSTNNetwork

1490nm

EMS

1310nm

NetworkIntranetManagement

PassiveOpticalNetwork（PON）OpticalDistributionNetwork（ODN）

TelephonyDataVideo

ServiceSub-Network

AccessSub-Network

EndUserNetwork

4.2

PON的基本概念和结构

在光纤用户网的研究中，为了满足用户对于网络灵活性的要求，1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。

由于ATM技术发展及其作为标准传递模式的地位，研究人员开始注意到把ATM技术运用到PON的可能性，并于20世纪90年代初提出了APON的建议。

PON的基本概念和结构

在光接入网（OAN）中，若光配线网（ODN）全部由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是PON。

OLT为光线路终端，它为ODN提供网络接口并连至一个或多个ODN。

ODN为光配线网，它为OLT和ONU提供传输手段。

ONU为光网络单元，它为OAN提供用户侧接口并和ODN相连。

OLT（OpticalLineTermination）

Support8OLT,500ONU4000VLAN,2500TDM

ONU（OpticalNetworkUnit）

mduGear22424FEPort/2T1Port

室内型ONU

小容量综合接入单元

大容量综合接入单元

室外型ONU

小容量综合接入单元

室外型综合接入单元

PON的基本概念和结构

如果ODN全部由光分路器（opticalsplitter）等无源器件组成，不包含任何有源节点，则这种光接入网就是PON，其中的光分路器也称为光分支器（OBD，OpticalBranchingDevice）。

光分路器

OSP-S光分路器用于单模光纤网络可提供从2到16路各种光分比以适合网络需求。

PON的基本概念和结构

实际的OAN拓扑结构往往比较复杂。

根据OAN参考配置可知，OAN由OLT，ODN和ONU三大部分组成。

OAN的拓扑结构取决于ODN的结构。

通常ODN可归纳为单星、多星（树形）、总线和环形等四种基本结构，相应地，PON也具有这四种基本拓扑结构。

ONU1分路器1…n

CO

ONU2

OLT

ONUn

PON的单星结构

ONU1OBDONUn1OBDOLT

ONU1OBDONUn1PON的多星（树形）结构

分路器n

分路器2

分路器1

OLT

ONUn

ONU2

ONU1

PON的总线结构

ONU1

1

OBDOLT

ONUn

n

OBD

PON的环形结构

图:

PON的拓扑结构

ONUONUONU

λ1

OLT

λ2

……….ONU1:

32ONUONU

图:

PON的光路

PON的基本概念和结构

选择PON的拓扑结构应考虑的主要因素有：

用户的分布拓扑OLT和ONU的距离提供各种业务的光通道可获得的技术光功率预算

PON的基本概念和结构

选择PON的拓扑结构应考虑的主要因素有：

波长分配升级要求可靠性、有效性运行和维护安全和光缆的容量等

4.3

主要内容:

4.3.14.3.24.3.34.3.4

PON的功能结构

PON的构成PON的功能结构操作维护管理功能PON的多路接入技术

4.3

PON的功能结构

无源光网络（PON）：

是指信号在光网络的传输过程不经过再生放大（光放大或电放大），网络的分路由光功率分配器（分路器）等无源器件实现。

4.3.1

PON的构成

1、光接入网的参考配置

2、传输复用技术在PON中传输复用技术主要完成OLT和ONU连接的功能。

其连接可以是点对多点，也可以是点对点的方式。

Q3接入网系统管理功能

UNIS/R（PON）aTAFONUONUODNOLTR/S

SNI

V

业务节点功能

ONUODNAF用户侧接入链路ONU网络侧OLT业务节点功能

光接入网的参考配置

4.3.1

多点接入方式有多种：

时分多址接入（TDMA）副载波多址接入（SCMA）双向传输方式有：

空分复用（SDM）时间压缩复用（TCM）波分复用（WDM）副载波复用（SCM）

PON的构成

4.3.1

3、波长分配

PON的构成

1310nm波长区，波长分配范围是1260—1360nm；

1550nm波长区，波长分配范围是1480—1580nm；

测试或监视信号的传输应采用其他波长；

当采用光放大器时，以上波长范围可能变窄。

4.3.2

1、ONU的功能结构

PON的功能结构

ONU提供通往ODN的光接口，用于实现OAN的用户接入。

根据ONU放置位置的不同，OAN可分为光纤到家（FTTH），光纤到办公室（FTTO），光纤到大楼（FTTB）及光纤到路边（FTTC）。

每个ONU则由核心功能块、服务功能块及通用功能块组成。

服务功能模块

核心功能模块

用户

用户端功能

用户和服务复用功能

传输复用功能

ODN接口功能

ODN

供电功能

OAM功能

通用功能模块

图:

ONU的功能结构

ONU的功能结构

ONU的核心功能块包括用户和服务复用功能、传输复用功能以及ODN接口功能。

用户和服务复用功能包括装配来自各用户的信息、分配要传输给各用户的信息以及连接单个的服务接口功能；

ONU的功能结构

传输复用功能包括分析从ODN过来的信号，并取出属于该ONU部分以及合理地安排要发送给ODN的信息；

ODN接口功能则提供一系列光物理接口功能，包括光／电和电／光转换。

如果每个ONU使用不止—根光纤与ODN相连，那么就存在不止一个物理接口。

ONU的功能结构

ONU服务功能模块:

提供用户端功能，它包括提供用户服务接口，并将用户信息适配为64kbit/s或n╳64kbit/s的形式；

该功能块可为一个或若干个用户服务，并能根据其物理接口提供信令转换功能。

ONU的功能结构

ONU通用功能块提供供电功能及系统的运行、管理和维护（OAM）功能。

供电功能包括交流变直流或直流变交流，供电方式为本地供电或远端供电，若干个ONU可共享一个电源，ONU应在用备用电源供电时也能正常工作。

4.3.2

2、OLT的功能结构

PON的功能结构

OLT提供一个与ODN相连的光接口，在OAN的网络端提供至少一个网络业务接口。

它位于本地交换局或远端，为ONU所需业务提供必要的传输方式。

每个OLT由核心功能块、服务功能块及通用功能块组成。

核心功能块

ODN接口功能ODN传输复用ODN接口功能功能数字交叉连接功能

业务功能块网络

业务接口功能

供电功能通用功能块

OAM功能

OLT的功能结构

OLT的功能结构

OLT核心功能块包括数字交叉连接、传输复用和ODN接口功能。

数字交叉连接功能提供网络端与ODN端允许的连接；传输复用功能通过ODN的发送和接收通道提供必要的服务，它包括复用需要送至各ONU的信息及识别各ONU送来的信息；

OLT的功能结构

ODN接口功能提供光物理接口与ODN相关的一系列光纤相连，当与ODN相连的光纤出现故障时，OAN启动自动保护倒换功能，通过ODN保护光纤与别的ODN接口相连来恢复服务。

OLT服务功能块提供服务端功能，它可支持一种或若干种不同的服务。

OLT通用功能块提供供电功能和OAM（操作维护管理）功能。

4.3.2

3、ODN的功能结构

PON的功能结构

ODN是OAN中极其重要的组成部分，它位于ONU和OLT之间。

PON的ODN全部由无源器件构成，它具有无源分配功能。

R/SS/RQmONU1QrR/SONUnQ1QrODNOLT

ODN的功能结构

4.3.2

PON的功能结构

ODN的基本要求如下：

·为今后提供可靠的光缆设施；·易于维护；·具有纵向兼容性；·具有可靠的网络结构；·具有很大的传输容量；·有效性高。

4.3.2

PON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。

4.3.3

操作维护管理功能

操作维护管理（OAM）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。

4.3.3

操作维护管理功能

设备子系统包括OLT和ONU的机箱、机柜、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）。

4.3.3

操作维护管理功能

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。

4.3.4

PON的多址接入技术

TDMA：

时分多址（TimeDivisionMultipleAccess）

WDMA：

波分多址（波分多路访问）（WavelengthDivisionMultipleAccess）

CDMA：

码分多址（CodeDivisionMultipleAccess）

SCMA:

副载波多址（Sub-carrierMultipleAccess）

PONMultipleAccess

TDMA

CO

FEEDER

PASSIVESTARCOUPLER/SPLITTER

λ0λ0

t

TIMESLOTALLOCATEDTOSUBSCRIBER1

λ0

CH1CH2..CHN

TIMEDEMUX

RCVR

ADVANTAGESIdenticalopticalsourcesatCPs1photodectoratCO

DISADVANTAGESHighspeedlightsourcesBroadbandreceiveratCOHighspeedtimeDEMUX（sumofchannelbitrates）RangingprotocolAccessdelay

PONMultipleAccess

TDMA:

RangingProtocol

–RangingisafunctiontomeasurethedistancebetweenOLTandeachONUtoavoidcollisionsbetweenupstreamcellsinATM-PONsystems–TheequalizedroundtripdelayforeachONUcanbeconstant

Delaysduetoopto-electricalandelectro-opticalconversionintheONUandOLT?

PONsignalprocessingintheONUandOLT?

OpticalfiberpropagationdelayfromtheOLTtotheONUorviceversa

PONMultipleAccess

WDMA

（1）

CO

FEEDERWDMλλΝRCVR1RCVR2RCVRNWDMN21λ2λ1

ADVANTAGESDISADVANTAGESDensewavelengthMUX/DEMUXIndependenceofchannelsUseofdifferentwavelengthemissionBandwidthefficiency（nohighspeedDEMUXatandcostlyDFBlasersCO）WavelengthstabilizationofvariousSecuritycomponentsNocomponentsharingatCO（Nphotodetectors）

PONMultipleAccess

WDMA

（2）:

SpectrumSplicing

CO

LEDspectrumFEEDERHDWDMλ0λ0

λ0RCVR1RCVR2RCVRNHDWDM

ADVANTAGESIdenticalopticalsourcesatCPsIndependenceofchannelsbandwidthefficiencyNowavelengthstabilizationSecurity

DISADVANTAGESDensewavelengthMUX/DEMUXLowpowerbudgetNocomponentsharingatCO

PONMultipleAccess

SCMA

N

CO

FEEDER

21

PASSIVESTARCOUPLER/SPLITTER

λ0λ0

λf1DEMOD1DEMOD2DEMODNRCVRAdvantagesIndependenceofchannelsIdenticalopticalsourcesatCPsBandwidthefficiency（noHighspeedDEMUXatCO）1photodetectoratCODisadvantagesHighspeedlightsourcesBroadbandreceiveratCOf2fNλ0

μw-splitter

PONMultipleAccess

SCMA?

该技术的基本原理是将多路基带控制信号调制到不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。

?

在ONU端进行二次解调，首先利用光探测器从光信号中得到多路射频信号，并从中选出该单元需要接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中恢复出基带控制信号。

?

在控制信道上使用SCMA接入，不仅可降低网络成本，还可解决控制信道的竞争。

PONMultipleAccess

CDMA

Noise

DataSourceRate1/TCodeRaten/TCodeRaten/T

∫

T

DataSinkRate1/T

DoesnotrequireacomplicatedMACprotocol?

Hasabenefitforarelativelyhighnumberoflowbitrateconnections?

Hardtofindopticalorthogonalcodes（OOCs）

4.4

4.4.1

APON的关键技术

APON的产生及优点

在光纤用户网的研究中，为了满足用户对于网络灵活性的要求，1987年英国电信公司（即英国BT公司）的研究人员最早提出了PON的概念。

由于ATM技术的迅速发展及其作为标准传递模式的地位，使研究人员开始注意到把ATM技术运用到PON的可能性，并于9O年代初提出了APON的建议。

不久，阿尔卡特公司研制了第一个试验系统。

4.4.1

APON的产生及优点

由于ATM和PON一些固有的特点，使得APON从一开始就占据了一个较高的起点，该方案有着巨大的优势：

宽带化并支持所有种类和各种速率的业务；灵活地满足用户需求；能够全动态分配带宽；简单、有效的网络运行和管理（O＆M）；安全性高；低时延；对业务复用／解复用的全力支持。

4.4.2

#n

APON系统结构

#3#2#1

下行（连续比特率）ONU#1用户用户用户

ONU#2ATM交换机光线路终端1芯（WDM）#1#2#3ONU#n#n无源光分路器ONU#3

用户

上行（突发模式）

基本APON系统结构

20Km

APON网络结构

4.4.2

APON系统结构

该系统分路比为1：

16。

从局端OLT往ONU传送下行信号采用TDM技术。

ONU传送到局端OLT的上行信号采用TDMA技术。

在上行和下行时，ATM信元都是被组装在一个APON包中。

给每个包加入8个开销比特，可以提供同步及其他与网络传输相