宽带接入网技术项目式模块四 光纤接入技术

宽带接入网技术项目式模块四光纤接入技术4.1.1光接入网系统结构　　1.点到点(P2P)结构　　点到点的光接入网典型应用是FTTX+LAN技术，该技术利用光纤加五类线方式实现宽带接入，实现百兆/千兆光纤到小区(大楼)中心交换机，中心交换机和楼道交换机以百兆光纤或五类线相连，小区、大厦、写字楼内采用综合布线，用户端采用五类线方式接入，用户只需要一台带有网卡的PC机即可上网，即插即用(有直接接入和虚拟拨号两种方式)。任务1光接入网概述　　用户上网速率可达10Mb/s，网络可扩展性强，投资规模小。通过FTTX+LAN宽带接入方式，用户可以实现高速上网、快速地浏览各种互联网上的信息、远程办公、VOD点播、VPN等多种业务。由于FTTX+LAN方式的高带宽接入，较适合用户对音乐、影视和交互式游戏点播的数字家居需求。FTTX+LAN的网络结构如图4-1所示，由中心接入设备和边缘接入设备组成。图4-1FTTX+LAN系统模型　　边缘接入设备主要完成链路层帧的复用和解复用功能，在下行方向将中心接入设备发送的不同MAC地址的帧转发到对应的用户网络接口UNI上，在上行方向将来自不同UNI端口的MAC帧汇聚并转发到中心接入设备；中心接入设备负责汇聚用户流量，实现IP包转发、过滤以及各种IP层 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。具有对接入用户的管理控制功能，支持基于物理位置的用户和基于账号用户的接入，完成对用户使用接入网资源的认证、授权、计费等，同时必须能满足用户对信息的安全性要求。用户管理平台、业务管理平台、接入网的管理均可通过IP骨干网实行集中式处理。　　中心接入设备与边缘接入设备推荐采用星型拓扑结构，中心接入设备与IP骨干网设备之间的拓扑结构可以是星型，也可以是环型。其中，中心接入设备一般为：2层交换机、2层交换机+宽带接入服务器、3层交换机、3层交换机+宽带接入服务器等；边缘接入设备一般为2层交换机。　　下面以小区以太网为例，说明FTTX+LAN接入系统的组成。一般小区以太接入网络采用结构化布线，在楼宇之间采用光纤形成网络骨干线路，在单个建筑物内一般采用五类双绞线到住户内的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。中心接入设备一般放在小区内，称为小区交换机，每个小区交换机可容纳500到1000个用户，上行可采用1Gb/s光接口，或100M电接口经光电收发器与光纤连接，下行可为100Mb/s电接口或100Mb/s、1Gb/s光接口。小于100m采用五类双绞线，大于100m采用光纤。　　边缘接入设备一般位于居民楼内，称为楼道交换机。楼道交换机采用带VLAN功能的2层以太网交换机，可不需要路由功能，每个楼道交换机可接1～2个用户单元，上行采用100Mb/s、1Gb/s光接口或100Mb/s电接口，下行采用10Mb/s电接口。楼道交换机接入用户主要是通过楼内综合布线系统和相关的配线模块提供五类双绞线端口入户，入户端口能够提供10M的接入带宽。系统中可采用配置VLAN的方式保证最终用户一定的隔离和安全性。VLAN在楼道接入交换设备上配置，终结在小区接入交换设备上。每个小区接入交换机管辖区域内的VLAN要统一管理分配，IP地址统一规划。　　在网络管理上，为保证系统的安全，整个系统可采用“带内监视、带外控制”的方式进行管理，也可采用“带内控制”的方式进行管理。　　实际中，可根据小区规模的大小，或接入用户数量的多少将小区接入网络分为小规模、中规模和大规模三大类。　　1)小规模接入网络　　对于小规模居民小区来说，用户数少，且用户连接到以太交换设备的双绞线距离不超过100m。小区内采用1级交换：交换机采用100m上联，下联多个10M电接口，直接接入用户；若用户数超过交换机的端口数，可采用交换机级联方式，如图4-2所示。图4-2小规模接入网络　　2)中规模接入网络　　对于中规模居民小区来说，居民楼较多，用户相对分散。小区内采用2级交换：小区中心交换机(可以是3层交换机)具备一个千兆光接口或多个百兆电接口上联，其中光接口直联，电接口经光电收发器连接。中心交换机下联口既可以提供百兆电接口(100m以内)，也可以提供百兆光接口。楼道交换机的连接同小规模接入网络相同，用户数量多时可采用交换机级联方式，在100m距离内接入用户，如图4-3所示。图4-3中规模接入网络　　3)大规模接入网络　　大规模居民小区一般居民楼非常多，楼间距离较大，且相对分散。小区内采用2级交换：小区中心交换机(3层交换机)具备多个千兆光接口直联宽带IP城域网，中心交换机下联口既可以提供百兆光接口，也可以提供千兆光接口。楼道交换机连接基本上与小规模接入网络相同，必要时楼栋交换机上联用千兆光接口，如图4-4所示。图4-4大规模接入网络　　2.点到多点(P2MP)结构　　点到多点的光接入网典型应用是xPON技术，它由光线路终端(OLT)、光配线网(ODN)和光网络单元(ONU)三大部分组成，如图4-5所示。　　1)光线路终端OLT　　OLT位于ODN与核心网之间，实现核心网与用户间不同业务的传递功能，通常安装在服务提供端的机房中。它可以区分交换和非交换业务，管理来自ONU的信令和监控信息，并向网元管理系统提供网管接口，完成接口适配、复用和传输功能。同一个OLT可连接一个或多个ODN，为ODN提供网络接口。OLT可以直接设置在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集线器或复用器接口相连，OLT在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在一个设备内。图4-5xPON系统模型　　2)光配线网络ODN　　ODN位于ONU和OLT之间，为OLT与ONU提供光传输手段，完成光信号的传输和功率分配任务。通常ODN是由光连接器、光分路器、波分复用器、光衰减器、光滤波器和光纤光缆等无源光器件组成的无源光分配网，呈树型分支结构。　　3)光网络单元ONU　　ONU位于用户和ODN之间，实现用户接入。其主要功能是终结来自ODN的光纤、处理光信号，并为多个小企事业用户和居民住宅用户提供业务接口。ONU的网络侧是光接口，用户侧是电接口，因此ONU需要有光/电和电/光的转换功能，还要完成对语音信号的数/模和模/数转换、复用、信令处理和维护管理功能。它既可以安装在用户住宅处，也可以安装在DP(路边)处甚至FP(楼边)处。　　ONU上有多种用户接口，以支持不同的线路，如10/100Base-T，1000Base-FX以太网接口、T1/E1接口、DS0、DS3、V5.1和V5.2接口等，它是通过在模块结构中安装不同的接口卡来实现的。　　3.P2P与P2MP结构的比较　　(1)P2P(FTTx+LAN)方式：中心机房间到楼道交换机需要2(N+1)条光纤，2(N+1)对光收发器。周围环境变化对网络设备的稳定性有较大影响。　　(2)P2MP(xPON)方式：中心机房OLT到ONU之间需要N+1条光纤，且信号在ODN网络传输过程中不经过有源电子器件，因些故障点减少，可靠性提高，运营维护成本降低。4.1.2光接入网分类　　1.按传输网络中是否含源分类　　按室外传输网络中是否含有源设备，光接入网可分为有源光网络(AON)和无源光网络(PON)两大类　　1)有源光网络　　有源光网络主要采用电复用器分路，即OLT和ONU之间通过有源光传输设备相连。根据传输技术不同，AON又可分为基于SDH的AON、基于PDH的AON、基于MSTP和基于PPPOE的AON。有源光网络具有以下技术优势：　　(1)传输容量大：目前用在接入网的SDH传输设备一般提供155Mb/s或622Mb/s的接口，有的甚至提供2.5Gb/s的接口。将来只要有足够的业务量需求，传输带宽还可以增加。　　(2)传输距离远。在不加中继设备的情况下，传输距离可达70～80km。　　(3)用户信息隔离度好。有源光网络的网络拓扑结构无论是星型还是环型，从逻辑上看，用户信息的传输方式都是点到点方式。　　(4)技术成熟。无论SDH设备还是PDH设备，均已在以太网中大量使用。　　(5)成本上升低。虽然SDH技术在骨干传输网中大量使用有源光接入设备的成本已大大下降，但在网中与其他接入技术相比，其成本还是比较高的，成本下降空间较大。　　2)无源光网络(PON)　　无源光网络是指在OLT和ONU之间的光分配网络没有任何有源电子设备，主要采用光分路器分路。1983年，BT实验室首先发明了PON技术。PON是一种纯介质网络，由于消除了局端与用户端之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。PON的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。目前基于PON的实用技术主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等几种，其主要差异在于采用了不同的二层技术。　　2.按光网络单元放置的位置分类　　根据光接入网中光网络单元放置的具体位置不同，光接入网可分为光纤到路边(FTTC)、光纤到小区(FTTZ)、光纤到用户所在地(FTTP)、光纤到楼(FTTB)、光纤到楼层(FTTF)、光纤到桌面(FTTD)、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等几种，但主要应用的是FTTB、FTTC、FTTH三种类型，如图4-6所示。图4-6光接入网的应用类型　　(1)光纤到路边(FTTC)。　　FTTC主要是为住宅用户提供服务的，光网络单元(ONU)可设置在路边的入孔或电线杆上的分线盒处，也可设置在交接箱处。传送窄带业务时，ONU到各用户间采用普通双绞线铜缆；传送宽带业务时，ONU到用户间可采用五类线或同轴电缆。FTTC结构主要适用于点到点或点到多点的树枝分支拓扑，用户为居民住宅用户和小企事业用户，典型用户数在128个以下。　　(2)光纤到楼(FTTB)。　　FTTB主要用于综合大楼、远程医疗、远程教学及大型娱乐场所，为大中型企事业单位及商业用户服务，提供高速数据、电子商务、可视图文等宽带业务。FTTB是一种点到多点的结构，其ONU设置在大楼内的配线箱处，再经多对双绞线将业务分送给各个用户。　　FTTB可看作是FTTC的衍生类型，其光纤化程度比FTTC更进一步，光纤已铺设到楼，因而更适合高密度用户区，也更接近长远发展目标，会获得越来越广泛的应用，特别是那些新建工业区或居民楼以及与宽带传输系统共处一地的场合。　　(3)光纤到家(FTTH)和光纤到办公室(FTTO)。　　FTTH是将FTTC结构中设置在路边的ONU换成无源光分路器，然后将ONU放置在用户住宅内，为家庭用户提供各种综合宽带业务，但用户业务量需求很小，其经济结构是点到多点方式。FTTH接入网是全透明的光网络，对传输制式、带宽、波长和传输技术没有任何限制，适于引入新业务，是一种最理想的网络，是光接入网发展的长远目标。但是每一个用户都需要一对光纤和专用的ONU，因而成本昂贵，实现起来非常困难。　　FTTO结构与FTTH结构类似，不同之处是将ONU放在大企事业用户(公司、大学、科研院所和政府机关等)终端设备处，并能提供一定范围的灵活业务。由于大企事业单位所需业务量较大，因而FTTO在经济上比较容易成功，发展很快。FTTO也是一种纯光纤连接网络，可将其归入与FTTH同类的结构中。但要注意两者的应用场合不同，结构特点也不同。4.1.3光接入网的网络结构　1.总线型结构　　总线型结构是光接入网中应用非常普遍的一种点到多点配置的基本结构，它是以光纤作为公共总线，一端直接连接服务提供商的核心网络，另一端则是利用了一系列串联的非均匀光分路器连接至各个用户。ONU与总线的连接可以是同轴电缆，或是双绞线，也可以是光纤，如图4-7所示。图4-7总线型光接入网基本网络结构　　2.环型结构　　环型结构也是点到多点配置的基本结构。这种结构可看作是总线结构的特例，是一种首尾相接自成封闭回路的网络结构，如图4-8所示。　　ONU与光纤环的连接可以采用同轴电缆，或是双绞线，也可以是光纤。其信号传输方式和所用器件与总线形结构差不多。这种结构的突出优点是可以实现网络自愈，因为每个光分离器可从两个不同的方向连接到OLT，因此其可靠性大大提高。缺点是连接性能差，通常适用于较少用户的接入网中。图4-8环型光接入网基本网络结构　　3.星型结构　　星型结构是一种点到点配置的网络结构，又分为有源单星型结构、有源双星型结构和无源双星型结构三种。　　(1)有源单星型结构。　　　　该结构是每一个用户端设备ONU都经过光纤直接与局端设备OLT相连，如图4-9所示。　　这种结构的优点是用户之间相互独立，保密性能好，升级和扩容容易，只要将两端的设备更换就可以开通新业务，适应性强。缺点是成本太高，每个ONU都需要单独的一对光纤或一根光纤与OLT相连，要通向千家万户，就需要上千芯的光缆，难于处理。图4-9有源单星型光接入网基本网络结构　　2)有源双星型结构。　　双星型结构实际上是一种树型结构，分为两级。它在OLT与ONU之间增加了一个有源节点，OLT与有源节点间共用光纤，利用时分复用或频分复用传送大容量的信息，到有源节点再转换成较小容量的信息流，传到千家万户，结构如图4-10所示。　　这种网络结构的优点是灵活性较强，中心局有源节点间共用光纤，光缆芯数较少，降低了费用。缺点是有源节点部分复杂，成本高，维护不方便；另外，如要引入宽带新业务，将系统升级，则需将所有光电设备都更换，或采用波分复用叠加的方案，这比较困难。图4-10有源双星型光接入网基本网络结构　　(3)无源双星型结构。　　无源双星型结构保持了有源双星型结构光纤共享的优点，只是将有源节点换成了无源分路器，维护方便，可靠性高，成本较低。由于采用了一系列措施，保密性能也很好，是一种较好的接入网结构。　　实际中，选择光接入网的拓扑结构时应考虑多种因素：如用户所在地的分布、OLT和ONU的距离、不同业务的光信道、可用的技术、光功率预算、波长分配、升级要求、可靠性和有效性、操作管理和维护、ONU供电、安全和光缆容量等。4.1.4光接入网的传输技术　　1.空分复用(SDM)　　空分复用是指上行信号和下行信号使用不同的光纤分开传输。这种技术传输性能最佳，实现也最简单，但与单纤传输方式相比，成本高，安装和维护复杂。　　2.时分复用(TDM)/时分多址(TDMA)　　时分复用技术是指在同一个光载波波长上，将时间分割成周期性的帧，每帧再分割成若干个时隙，按一定的时隙分配原则，使每个ONU在指定时隙内以分组方式向OLT发送信号。基于TDM/TDMA的PON原理示意图如图4-11所示。图4-11TDM/TDMA的PON原理示意图TDM/TDMA技术所用器件相对简单，技术上也相对成熟。但在实际组网时，由于各个ONU与OLT之间的距离不同，上行传输时必然引起各ONU信号到达光分路器和OLT的相位及幅度不同。为此要求OLT必须具备一整套完善的测距系统，以防止信号在光分路器处出现碰撞；必须具有快速比特同步电路，保证OLT在每个分组信号开始的几个比特时间内迅速建立比特同步；采用突发模式的光接收机，才能根据每一个分组信号开始的几个比特信号幅度大小迅速建立合理的判决门限，正确还原出该组信号。　　3.时间压缩复用(TCM)/时间压缩多址(TCMA)　　时间压缩复用技术是指利用一根光纤，传输时不断改变收、发方向，使两个方向的信号以脉冲串的形式轮流在同一根光纤中传输，基于TCM/TCMA的PON原理示意图如图4-12所示。图4-12TCM/TCMA的PON原理示意图　　TCM/TCMA的工作原理是OLT将下行信号先经过时分复用技术形成下行脉冲串，再放入发送缓存器中进行时间压缩，最后在 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时间内送到光纤上传输。经光分路器后以广播方式送给ONU，各个ONU依次取出属于自己的信号。在随后的时间段内，各ONU依次在属于自己的时隙内以突发方式向OLT发送信号，形成上行脉冲串。待其发送完毕，OLT又开始发送下一个下行脉冲串，如此循环下去。　　TCM/TCMA技术的特点是：用一根光纤实现双向传输，节约了光纤、光分路器和活动连接器等，网管系统判断故障比较容易。但OLT和ONU的电路较复杂，传输速率不能太高。　　4.波分复用(WDM)/波分多址(WDMA)　　波分复用技术是指把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送的技术，可细分为WDM和DWDM。WDM是不同窗口的光波进行复用，DWDM是同一窗口的多个光波复用。根据波分复用原理，不同波长的光信号只要相隔一定间隔就可以共享同一根光纤传输而彼此互不干扰。在OAN中将各个ONU的上行传输信号分别调制为不同波长的光信号，送到光分路器并耦合进入光纤中传输，在OLT处再利用WDM器件分出属于不同ONU的光信号，最后再通过光/电检测器解调为电信号。基于WDM/WDMA的PON原理示意图如图4-13所示。图4-13WDM/WDMA的PON原理示意图　　5.码分复用(CDM)/码分多址(CDMA)　　CDM的基本原理是给每一个ONU分配一个唯一的正交码作为地址码，并将各ONU的上行信号与其进行模二加，再去调制具有相同波长的激光器，经分路器合路后送到光纤传输。OLT接到信号后通过光/电检测器接收、放大和模二加等过程恢复出各个ONU送来的信号。基于CDM/CDMA的PON原理示意图如图4-14所示。图4-14CDM/CDMA的PON原理示意图　　6.副载波复用(SCM)/副载波多址(SCMA)　　SCM技术是将上行信号和下行信号分别安排在不同频段，在同一根光纤中完成双向传输任务。下行信号一般采用TDM方式的基带传输形式，安排在低频段。上行信号采用SCM/SCMA方式，安排在较高频段。　　SCM/SCMA技术是指除光波外，多路信号调制在电的载波上的复用技术。一般情况下，SCM/SCMA系统是以射频波或微波作为副载波。各个ONU的上行信号先对不同频率的副载波分别进行电调制，再去调制具有相同波长的激光器，经分路器合路后送入光纤传输。OLT接收光信号，经光/电变换、放大、滤波和解调后还原出各个ONU送来的上行信号。基于SCM/SCMA技术的PON原理示意图如图4-15所示。图4-15SCM/SCMAOAN示意图4.1.5光接入网的特点　　光接入技术与其他接入技术(如铜双绞线、同轴电缆、无线等)相比，其具体优点表现如下：　　(1)传输速率高。　　现在采用的光纤波分复用技术可使一根光纤的传输容量加大到Tb/s级，4光路的WDM技术可以使一根光纤同时传输40Gb/s的信息量；100光路的WDM技术可以使一根光纤同时传输1Tb/s的信息量，这是其他有线接入网无法比拟的。　　(2)功率增益高，频率宽。　　现代的WDM/DWDM光纤系统中采用EDFA掺铒光纤放大器能够使带宽从20～30nm扩展到80～100nm，在1550nm窗口上提供足够的功率增益。　　(3)适合各种综合业务。　　因为光纤接入有极高的传输速率和带宽，所以用户可以通过光纤接入网实现各种信息传输业务，它有利于传统电话通信网(PSTN)、互联网(Internet)和有线电视广播网(CATV)“三网合一”。光纤接入网能满足用户对各种业务的需求。　　(4)传输质量高。　　光纤通信可以克服铜线电缆无法克服的一些限制因素，如光纤损耗、频带宽，解除了铜线直径小的限制，光纤不受电磁干扰，保证了信号的传输质量，用光缆代替铜线，可以解决城市地下通信管道拥挤的问题。　　当然，与其他接入技术相比，光接入网也存在一定的劣势。主要表现在如下几个方面：一是成本较高，尤其是光节点离用户越近，每个用户分摊的接入设备成本就越高；二是与无线接入相比，光纤接入网还需要管道资源，配置也较复杂。但采用光接入网是光纤通信发展的必然趋势，光纤到户是公认的接入网发展目标。4.2.1APON系统结构　　APON是指在PON上传送ATM信元，即物理层上采用PON技术，链路层上采用ATM技术。ATM统计复用的特点是使APON能服务于更多的用户，APON也继承了ATM的QoS优势。APON主要由光线路终端OLT、光分配网ODN、光网络单元ONU组成，系统结构如图4-16所示。任务2APON技术图4-16APON系统结构　　在OLT与ONU之间传送ATM信元，APON的网络侧，与OLT连接的是ATM交换机。在APON的用户侧，ONU可通过ISDN、LAN等与用户接口。　　根据G.983.1建议可知，传输线路的标称速率有两种：对称速率(155.52Mb/s)和非对称速率(上行155.52Mb/s，下行622.08Mb/s)。实现双向传输的方式也有两种：一是采用单纤波分复用方式，即利用一根光纤的1310nm和1550nm两个低损耗窗口及WDM技术实现单纤双向传输，1310nm波长传上行信号，1550nm波长传下行信号；二是采用单向双纤空分复用方式，即利用两根光纤的1310nm窗口分别传输上下信号。　　目前，APON系统一般采用波分复用方式及TDM/TDMA传输复用技术实现单纤双向传输，即OLT送往ONU的下行信号用TDM技术，ONU送往OLT的上行信号用TDMA技术。　　在下行方向，由ATM交换机来的ATM信元先送给OLT，将其转换成速率为155.52Mb/s或622.08Mb/s的下行信号，再经过光分路器以广播方式发送给与OLT相连的ONU，每个ONU可以根据信元的VCI/VPI选出属于自己的信元送给用户终端。在上行方向，各个ONU收集来的用户信息，将其适配成ATM信元格式，插入到指定的时隙，再通过电/光转换设备将其转换为1310nm波长的光信号以155.52Mb/s速率送入光纤传输。　　1.光线路终端(OLT)　　OLT通过 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业务接口与核心网络连接，通过PON专用接口与ODN相连，按要求提供光接入，其基本构成如图4-17所示。　　业务端口功能模块：主要通过VB5.X或V5.X接口实现系统和不同类型的业务节点的接入，可将ATM信元插入上行的SDH净荷区，也可从下行的SDH净荷中提取ATM信元。　　ATM交叉连接功能模块：主要实现多个信道的交换、信元的路由选择、信元的复制、错误信元的丢弃等功能。图4-17OLT功能块　　传输复用功能模块：为业务端口和ODN接口提供VP连接，并在IFPON点为不同的VP分配不同的业务。不同信息(如主要内容、信令和OAM信息流)可用VP中的VCs来交换。　　ODN接口功能模块：完成光/电和电/光变换；向下行PON净荷插入ATM信元并从上行PON净荷提取ATM信元；与ONU一起实现测距功能，并且将测得的数据存储，以便在电源或者光中断后重新启动ONU时能恢复正常工作。根据系统所支持的用户群的大小，OLT应该能够提供多个ODN接口。　　OAM功能模块对OLT的所有功能块提供操作、管理和维护，如配置管理、故障管理和性能管理等，并提供标准接口与TMN连接。　　供电功能模块将外部电源变换为机内所要求的各种电源。　　2.光网络单元(ONU)　　ONU通过PON专用接口与ODN相连，通过多种UNI接口与不同用户终端相连，支持多种用户终端接入。其功能块如图4-18所示。　　ODN接口功能：实现光/电和电/光变换功能；从下行信号中提取定时信号，保证频率同步；与OLT一起完成测距功能；在OLT控制下调整发送光功率；若与OLT通信中断时，则切断ONU光发送，以减小该ONU对其他ONU通信的串扰。图4-18ONU功能块　　传输复用功能：用于处理和分配相关信息，即分析从ODN接口来的下行信号，在定时信号的控制下取出属于该ONU的ATM信元；同时在规定时间内将上行ATM信元发送给ODN接口。　　用户和业务复用功能：对来自不同用户的ATM信元进行复用，经传输复用送至ODN接口；并对已取出的ATM信元进行解复用送至各用户端口。　　用户端口功能：通过多种NUI接口与不同用户终端相连，将各种用户信息适配成ATM信元，插入上行净荷中；并从下行净荷中提取ATM信元。　　OAM功能：对ONU所有的功能块提供操作、管理和维护(如线路接口板和用户环路维护、测试和告警，告警报告送给OLT等)。　　供电功能：提供ONU电源变换，与实际供电方式有关。　　3.光配线网络(ODN)　　ODN在OLT和一个或多个ONU之间提供一条或多条光信道，主要由单模光纤和光缆、带状光纤和光缆、光连接器、无源光分路器、无源光衰减器、光接头等无源光器件组成。根据ITU-T的建议，一个ODN的分支比最高能达到1∶32，即一个ODN最多支持32个ONU；光纤的最大距离为20km；光功率衰减范围是：B类10～25dB、C类10～30dB。4.2.2APON系统帧结构　　1.APON系统下行帧　　APON系统下行帧结构如图4-19所示。APON下行帧是由连续的时隙流组成的，每个时隙包含一个53字节的ATM信元或PLOAM信元，每隔27个时隙插入一个PLOAM信元。对于速率为155.52Mb/s的下行信号，每帧共56个时隙，其中含2个PLOAM信元。对于速率为622.08Mb/s的下行信号，每帧共224个时隙，其中有8个PLOAM信元。图4-19APON系统下行帧结构PLOAM信元是物理层运行和维护的信元，用来传送物理层OAM信息，同时携带ONU上行接入时所需的授权信号。通常，每个PLOAM信元有27个授权信号，而ONU上行接入时，每帧只需要53个授权信号，该53个授权信号被映像到下行帧前两个PLOAM信元中，第二个PLOAM信元的最后一个授权由一个空闲授权信号填充。在62208Mb/s的下行帧结构中，后面的6个PLOAM信元的授权信号区全部填充空闲授权信号，不被ONU使用，每个授权信号长度是8比特。ITU-T建议中规定有不同类型的授权信号，如表4-1所示。表4-1授权信号　　2.APON系统上行帧　　APON系统上行方向通过猝发模式发送数据，每帧包含53个时隙，每个时隙包含56个字节，其中53个字节为ATM信元，3个字节是开销字节，上行帧结构如图4-20所示。　　(1)保护时间：在两个连续信元之间提供足够的距离，以避免冲突，最小长度是4bit。　　(2)前置比特：用于与OLT同步。　　(3)定界图案：一种用于指示ATM信元开始的特殊码型，也可作字节同步。　　开销的边界是不固定的，其中保护时间长度、前导符和定界符格式可由OLT编程决定，其内容由下行方向PLOAM信元中的控制上行开销信息决定。图4-20APON系统上行帧结构4.2.3APON关键技术　　APON系统是点到多点的结构，每个ONU与OLT直接相连，在下行方向以TDM方式工作，信号是连续脉冲串，采用标准SDH光接口，以广播方式传送，各个ONU会收到所有的帧，并从中取出属于自己的信元，所以在下行方向不需要OLT进行控制，实现起来很容易。而上行方向是以TDMA方式工作，信号是突发的、幅度不等、长度也不同的脉冲串，且间隔时间也不同。基于这种突发模式，为了保证各个ONU的上行信号完整地到达OLT，需要适当的MAC协议进行控制，实现相对难些，涉及的主要技术有：测距技术、快速比特同步技术、突发信元的收发技术、搅动技术等。　　1.测距技术　　由于各个ONU发出的ATM信元是沿不同路径传输到OLT的，其传输距离不同，并且其传输距离也会由于环境温度的变化和光电器件的老化等因素而发生动态改变，导致不同节点发出的ATM信元到达接入点的时延不同，造成各ONU间的上行时隙重叠，从而导致不同的ATM信元发生碰撞。因此OLT需要引入测距技术来补偿因为ONU与OLT之间的距离不同而引起的传输时延差异，使所有ONU到OLT的逻辑距离相同，以确保不同ONU所发出的信号能够在OLT处准确地复用到一起。　　APON系统的测距过程分为三步：第一步是静态粗测，在ONU安装调测阶段进行，这是对物理距离差异进行的时延补偿。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；第二步是静态精测，每当ONU被重新激活时都要进行一次，是达到所需测距精度的中间环节，测距信号占据一个上行传输时隙。该过程结束后，OLT指示ONU可以发送数据；第三步是动态精测，是在数据传输过程中，使用数据信号进行的实时测距，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移。一般测距方法有以下几种：　　(1)扩频法测距：粗测时OLT向ONU发出一条测距指令， 通知 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 ONU发送一个特定低幅值的伪随机码，OLT利用相关技术检测出从发出指令到接收到伪随机码的时间差，并根据这个值分配给该ONU一个均衡时延Td。精测需要开一个小窗口，通过监测相位变化实时调整时延值。这种测距的优点是不中断正常业务，精测时占用的通信带宽很窄，ONU所需的缓存区较小，对业务质量QoS的影响不大。缺点是技术复杂，精度不高。　　(2)带外法测距：粗测时OLT向ONU发出一条测距指令，ONU接到指令后将低频小幅的正弦波加到激光器的偏置电流中，正弦波的初始相位固定。OLT通过检测正弦波的相位值计算出环路时延，并依据此值分配给ONU一个均衡时延。精测时需开一个信元的窗口。这种方法的优点是测距精度高，ONU的缓存区较小，对QoS影响小。缺点是技术复杂，成本较高，测距信号是模拟信号。　　(3)带内法测距：粗测时占用通信带宽，当一个ONU需要测距时，OLT命令其他ONU暂停发送上行业务，形成一个测距窗口供这个ONU使用。OLT向该ONU发出一条测距指令，ONU接到指令后向OLT发送一个特定信号。OLT接收到这个信号后，计算出均衡时延值。精测时采用实时监测上行信号，不需另外开窗。这种测距方法的优点是利用成熟的数字技术，实现简单，精度高，成本低。缺点是测距占用上行带宽，ONU需要较大的缓存器，对业务的QoS影响较大。　　接入网最敏感的是成本，所以APON应该采用带内开窗测距技术。为了克服其缺点，可采取减小开窗尺寸及设置优先级等措施。由于开窗测距是对新安装的ONU进行的，该ONU与OLT之间的距离可以有个估计值，根据估计值先分配给ONU一个预时延，这样可以大大减小开窗尺寸。如果估计距离精确度为2km，则开窗尺寸可限制在10个信元以内。为了不中断其它ONU的正常通信，可以规定测距的优先级较信元传输的优先级低，这样只有在空闲带宽充足的情况下才允许静态开窗测距，使得测距仅对信元时延和信元时延变化有一定的影响，而不中断业务。2.快速比特同步技术　　由于测距精度有限，在采用测距机制控制ONU的上行发送后，各ONU到达OLT的上行比特流仍存在一定的相位漂移，所以必须采取快速同步技术，将OLT的接收时钟同步到当前接收的、来自某一ONU的比特流。　　由APON的上行帧结构可知，在每个时隙的信元之前都有3个开销字节，用于同步定界，并提供保护时间。开销包含三个域，其中保护时间可用于防止微小的相位漂移损害信号；前置比特图案可用于同步获取，实现比特同步；定界图案则用于确定ATM信元的边界，完成字节同步。OLT必须在收到ONU上行突发信号的前几个比特内快速搜索同步图案，并以此获取码流的相位信息，达到比特同步，这样才能恢复ONU的信号。同步获取可以通过将收到的码流与特定的比特图案进行相关运算来实现。然而一般的滑动搜索方法延时太大，不适用于快速比特同步。因而可采用并行的滑动相关搜索方法，即将收到的信号用不同相位的时钟进行采样，采样结果同时与同步图案进行相关运算，比较运算结果，在相关系数大于某个门限时，将最大值对应的采样信号作为输出，并把该相位的时钟作为最佳时钟源；如果若干相关值相等，则可以取相位居中的信号和时钟。这实际上是以电路的复杂为代价来换取时间上的收益的。　　3.突发信元的收发技术　　APON系统上行信号采用TDMA的多址接入方式，各个ONU必须在指定的时间内完成光信号的发送，以免与其它信号发生冲突。突发信元的收发与快速比特同步密切相关。　　为了实现突发模式，收发两端都要采用特殊技术。在发送端，光突发发送电路要求能够非常快速地开启和关断，迅速建立信号，因而传统的采用反馈式自动功率控制的激光器将不适用，需要使用响应速度很快的激光器。另外，由于APON系统是点对多点的光通信系统，以1∶16系统为例，上行方向正常情况下只有1个激光器发光，其它15个激光器都处于“0”状态。根据消光比定义，即使是“0”状态，仍会有一些激光发出来。15个激光器的光功率加起来，如果消光比不大的话，有可能远远大于信号光功率，使信号淹没在噪声中，因此用于APON系统的激光器要有很好的消光比。　　在接收端，由于每个ONU到OLT的路径不同、距离不同、损耗不同，将使OLT接收到的上行光功率存在较大的变化范围。所以要求突发接收电路一方面必须有很大的动态范围，这可通过在OLT中采用具有自适应功能的光接收机来保证；另一方面在每次收到新的信号时，必须能快速调整接收门限电平。这可通过每个上行ATM信元流中开销字节的前置比特实现，突发模式前置放大器的阈值调整电路可以在几个比特内迅速建立起阈值，然后根据这个阈值正确恢复数据。　　4.搅动技术　　由于APON系统是共享媒质的网络，在下行方向上，所有的信元都是从OLT以广播方式传送到各个ONU，只有符合目的地址的用户才能读取对应的信元。这就带来了用户信息的安全性和保密性等问题。为了保证用户信息有必要的安全性和保密性，APON系统采用了搅动技术。这是一种介于传输系统扰码和高层编码之间的保护措施，基于信息扰码实现，为用户信息提供较低水平的保护。具体实现可通过OLT通知ONU上报信息扰码，然后OLT对下行信元在传输汇聚层进行搅动，ONU处通过信息扰码取出属于自己的数据。信息扰码长度一般为3字节，利用随机产生的3个字节和从上行用户信息中提取的3字节进行异或运算得到。信息扰码可快速更新，以满足更高的保密要求。这种搅动技术比较简单，易于实现，且附加成本较低。4.3.1GPON技术特点　　APON是20世纪90年代中期就被ITU和全业务接入网论坛(FSAN)标准化的PON技术，因常被误解为只能提供ATM业务，故在2001年底将APON更名为BPON(宽带无源光网络)，以表明这种系统能提供以太接入、视频分配、高速租用线等宽带业务。APON的最高速率为622Mb/s。任务3GPON技术因二层采用的是ATM封装和传送技术，因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题，未能取得市场上的成功。随后FSAN又推出了GPON系统，由于GPON是在APON基础上专门针对APON的缺点发展起来的，所以GPON保留了APON的许多优点，与APON有很多相同之处，但GPON更高效、高速，特别是以本色模式和极高的效率同时支持数据和TDM。ITU-T于2003—2004年，相继批准了GPON的标准：G.984.1和G.984.2、G.984.3和G.984.4，形成了G.984.x系列标准。GPON是目前最为理想的宽带光接入网技术。其主要技术特点如下。　　(1)提供多速率等级。　　在G.984.1标准中定义了七种类型的速率等级，见表4-2。上、下行速率可以是对称的，也可以是非对称的，能满足不同的用户要求，并具有扩展性。表4-2速率等级　　(2)支持多种业务。　　GPON支持多种业务类型，具有丰富多彩的用户网络接口和业务节点接口。另外GPON引入了一种新的传输汇聚子层(GTC)，用于承载ATM业务流和GEM业务流。GEM作为一种新的封装结构，主要用于封装那些长度可变的数据信号和TDM业务。GTC由成帧子层和适配子层组成，也可看成由两个平面组成，分别为C/M(用户管理)平面和U平面，C/M平面负责管理用户业务流、数据安全、OAM等，U平面负责承载用户业务流。　　(3)采用前向纠错编码(FEC)。　　GPON的OLT和ONU之间的最大逻辑距离可达60km，最大速率为2.44832Gb/s。为了保证长距离传输，引入前向纠错编码技术。利用FEC技术可大大降低传输误码率，可提高净增益约为3～4dB，从而延长传输距离。4.3.2GPON系统结构　　基于GPON技术的网络结构与已有的PON类似，也是由局端的OLT、用户端的ONT/ONU、用于连接两种设备的单模光纤、无源分光器以及网络系统组成，如图4-21所示。图4-21GPON系统结构4.3.3GPON帧结构　　1.GEM帧结构　　GEM帧结构如图4-22所示。图中PLI为有效负载长度指示符，用于确定净负荷长度。端口ID用于支持多端口复用，相当于APON技术中的VPI。标记用作分段指示，10表示第一个分段，00表示中间分段，01表示最后一个分段，若承载的是整帧，标记值为11。标记的引入解决了由于剩余带宽不足以承载当前以太网帧时带来的带宽浪费问题，提高了系统的有效带宽。FFS目前尚未定义。HFC为头校验字节，采用自描述方式确定帧的边界，用于帧的同步与帧头保护。图4-22GEM帧结构　　2.GPON帧结构　　GPON采用125微秒时间长度的帧结构，可用于更好地适配TDM业务。同时，继续沿用APON中PLOAM信元的概念传送OAM信息，并加以补充丰富。GPON帧的净负荷中分ATM信元段和GEM通用帧段，实现综合业务的接入。　　1)GPON下行帧结构　　GPON下行帧格式如图4-23所示。其中下行物理控制块字段，提供帧同步、定时及动态带宽分配等OAM功能；载荷字段透明承载ATM信元及GEM帧。图4-23GPON下行帧结构　　ONU依据物理层控制块获取同步等信息，并依据其中的ATM信元头的VPI/VCI过滤ATM信元，依据GEM帧头的端口ID过滤GEM帧。　　物理层控制块中物理同步字段用作ONU与OLT同步；超帧指示字段为0时指示一个超帧的开始；PLOAM信息字段用于承载下行PLOAM信息；BIP字段用于比特间插的位奇偶校验码，用作误码监测；Plend字段为下行有效载荷长度字段，用于说明“USBWMap”字段长度及载荷中ATM信元的数目，为了增强空错性，Plend出现两次；“USBWMap”字段用于上行带宽分配。　　2)GPON上行帧结构　　GPON上行帧长也为125微秒(μs)，帧格式的组织由下行帧中“USBWMap”字段确定，如图4-24所示。其中，PLOu为上行物理开销字段，用于突发同步，包含前导码、定界符、BIP、PLOAMu指标及FEC指示，其长度由OLT在初始化ONU时设置。ONU在占据上行信道后首先发送PLOu单元，以使OLT能够快速同步并正确接收ONU的数据。PLSu字段为功率测量序列，长度120字节，用于调整光功率。PLOAMu为上行操作、管理和维护字段，用于承载上行PLOAM信息，包含光网络单元ID、消息ID、消息及CRC循环校验码，长度为13字节。PCBu字段包含DBA动态带宽调整域和CRC域，用于申请上行带宽，共2字节；Payload为有效载荷字段用于填充ATM信元或者GEM帧。图4-24GPON上行帧结构4.3.4GPON的主要优势　　GPON的技术优势主要表现在以下几个方面。　　　　　　(1)高的传输速率。　　相对于其他的PON标准而言，GPON标准提供了前所未有的高带宽，下行速率高达2.5Gb/s，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场。　　(2)灵活的上/下行速率配置。　　GPON支持的速率配置有七种方式，对于FTTH、FTTC的应用，可采用非对称配置；对于FTTB、FTTO的应用，可采用对称配置。由于高速光突发发射、突发接收器件价格昂贵，且随速率上升显著增加，因此，这种灵活配置可使运营商有效控制光接入网的建设成本。　　(3)广泛的业务支持能力。　　在GPON标准中，明确规定需要支持的业务类型包括数据业务、PSTN业务、专用线业务和视频业务。　　(4)高效、灵活的IP业务承载能力。　　GEM帧的净负荷区范围为4～65535字节，解决了APON中ATM信元所带来的承载IP业务效率低的弊病；而以太网MAC帧中净负荷区的范围仅为46～1500字节，因此，GPON对于IP业务的承载能力相当强。GPON技术允许运营商根据各自的市场潜力和特定的管制环境，有针对性地提供其客户所需要提供的特定业务。　　(5)高实时业务处理能力。　　GPON所采用的标准125微秒(μs)周期的帧结构能对TDM语音业务提供直接支持，无论是低速的E1/T1还是高速的STM1/OC3，都能以它们的原有格式传输，这极大地减少了执行语音业务的时延拉动。　　(6)OAM＆P功能强大。　　GPON借鉴APON中PLOAM信元的概念，规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能，实现全面的运行维护管理功能，使GPON作为宽带综合接入的解决方案可运营性好。　　(7)良好的QoS支持。　　GPON同时承载ATM信元和(或)GEM帧，有很好的提供服务等级、提供QoS级保障和全业务接入的能力。　　目前，GPON技术相对复杂、设备成本高，在接入网中提供千兆位业务还找不到明确的市场定位，因此，无论在技术上还是在市场应用方面都还有待继续发展完善的必要性和可行性。4.4.1EPON系统结构　　EPON网络采用一点至多点的拓扑结构，取代点到点结构，大大节省了光纤的用量和管理成本。无源网络设备代替了ATM和SDH网元，并且OLT由许多ONU用户分担，建设费用和维护费用低。EPON利用以太网技术，采用标准以太帧，无须任何转换就可以承载目前的主流业务——IP业务，十分简单、高效，最适合宽带接入网的需要。10G以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的“最后一公里”的解决方案。任务4EPON技术　　一个典型的EPON系统也是由OLT、ODN和ONU/ONT三部分组成的，基本网络结构如图4-25所示。图4-25EPON系统基本网络结构　　OLT放在中心机房，既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台。在下行方向，OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口。在上行方向，OLT提供多个1Gb/s和10Gb/s的高速以太接口，并支持WDM传输。为了支持其他流行的协议，OLT还支持ATM、FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口标准。OLT通过支持T1/E1接口来实现传统的TDM语音的接入。OLT根据需要可以配置多块OLC(OpticalLineCard)，OLC与多个ONU通过ODN连接。在EPON中，OLT到ONU间的距离最大可达20km，如果使用光纤放大器(有源中继器)，距离还可以扩展。　　ODN由无源光分路器和光纤构成，其功能是分发下行数据并集中上行数据。无源光分路器(POS)是一个简单设备，它不需要电源，可以置于全天候的环境中，一般一个POS的分线率为2、4或8，并可以多级连接。　　ONU/ONT为用户端设备，为用户提供EPON接入的功能，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。　　EPON中的ONU采用了技术成熟而又经济的以太网协议，在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第2层和第3层交换功能。这种类型的ONU可以通过层叠来为多个终端用户提供很高的共享带宽。因为都使用以太协议，在通信的过程中，就不再需要协议转换，实现ONU对用户数据的透明传送。ONU也支持其他传统的TDM协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。在更高带宽的ONU中，将提供大量的以太接口和多个T1/E1接口。当然，对于光纤到家(FTTH)的接入方式，ONU和UNI可以被集成在一个简单的设备中，不需要交换功能，从而可以在极低的成本下给终端用户分配所需的带宽。4.4.2EPON帧结构　　EPON的工作原理与APON的主要区别是：在EPON中，根据以太网的IEEE802.3协议，传送的是可变长度的数据包，最长可为1518个字节；而在APON中根据ATM协议，传送的是53字节的固定长度信元，其中48个字节负荷，5个字节开销。很显然，用APON传送IP业务时需要把数据包分成每48个字节一组，然后在每一组前附加上5字节开销，这个过程耗时而复杂，也给OLT和ONU增加了额外的成本，所以APON系统不适合传送IP业务信息，而以太网则较适合携带IP业务，与ATM相比，极大的减少了开销。　　EPON帧同APON帧一样，也是一种定时长帧，分上行和下行两种帧结构。下行帧结构如图4-26所示。图4-26EPON下行帧结构每帧固定时长为2ms，由连续信息流组成，传输速率为1.25Gb/s。每帧包含一个同步标识符和多个可变长度的数据包(时隙)。同步标识符含有时钟信息，位于每帧的开头，长度为1个字节，用于ONU与OLT的同步。可变长度的数据包按照IEEE802.3协议组成，包括信头、可变长度净荷和误码检测域三部分，每个ONU分配一个数据包。　　EPON系统的上行帧结构如图4-27所示。　　帧长与下行帧长相同，也是2ms，每帧有一个帧头，表示该帧的开始；每帧还包含若干个长度可变的时隙，每个时隙分配给一个ONU，各个ONU发送的上行数据包，以TDM方式复合成一个连续的数据流，通过光分配器耦合送入光纤传输。图4-27EPON系统上行帧结构4.4.3EPON的关键技术　　在EPON系统的设计中引入了很多核心技术，也正是这些核心技术的引入，才使得EPON在以太网中实现了光网络的接入和多业务的支持。这些技术主要包括数据链路层技术和物理层技术两大类。　　1.EPON数据链路层的关键技术　　EPON采用TDMA方式时数据链路层的关键技术主要包括动态带宽分配技术、系统同步、测距和时延补偿技术、搅动技术等。　　1)动态带宽分配(DBA)技术　　目前MAC层争论的焦点在于DBA的算法及802.3ah标准中是否需要确定统一的DBA算法，由于直接关系到上行信道的利用率和数据时延，DBA技术是MAC层技术的关键。带宽分配分为静态和动态两种，静态带宽由打开的窗口尺寸决定，动态带宽则根据ONU的需要，由OLT分配。EPON中如果采用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适合，如按峰值速率静态分配带宽，则整个系统带宽很快就会被耗尽，带宽利用率很低。而采用带宽动态分配，可以使系统带宽利用率大大提高，在带宽相同的情况下可以承载更多的终端用户，从而降低用户成本。另外，DBA所具有的灵活性为进行服务水平协商(SLA)提供了很好的实现途径。　　目前一般采用的方案是基于轮询的带宽分配方案，即ONU实时地向OLT汇报当前的业务需求，如各类业务在ONU的缓存量级，OLT根据优先级和时延控制要求分配给ONU一个或多个时隙，各个ONU在分配的时隙中按业务优先级算法发送数据帧。由此可见，由于OLT分配带宽的对象是ONU的各类业务而非终端用户，对于QoS这样一个基于端到端的服务，必须有高层协议介入才能保障。　　2)系统同步　　由于EPON中的各ONU接入系统是采用时分多址复用方式，所以OLT和ONU在开始通信之前必须达到同步，才会保证信息正确传输。要使整个系统达到同步，必须有一个共同的参考时钟，在EPON中以OLT时钟为参考时钟，各个ONU时钟和OLT时钟同步。OLT周期性的广播发送同步信息给各个ONU，使其调整自己的时钟。　　EPON同步的要求是在某一ONU的时刻T(ONU时钟)发送的信息比特，OLT必须在时刻T(OLT时钟)接收它。在EPON中由于各个ONU到OLT的距离不同，所以传输时延各不相同，要达到系统同步，ONU的时钟必须比OLT的时钟有一个时间提前量，这个时间提前量就是上行传输时延，也就是如果OLT在时刻0发送一个比特，ONU必须在它的时刻RTT(往返传输时延)接收。RTT等于下行传输时延加上下行传输时延，这个RTT必须知道并传递给ONU。获得RTT的过程即为测距(ranging)。当EPON系统达到同步时，同一OLT下面的不同ONU发送的信息才不会发生碰撞。　　3)测距和时延补偿技术　　EPON的点对多点结构决定了各ONU对OLT的数据帧延时不同，因此必须引入测距和时延补偿技术以防止数据时域碰撞，并支持ONU的即插即用。准确测量各个ONU到OLT的距离，并精确调整ONU的发送时延，可以减小ONU发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。另外，测距过程应充分考虑整个EPON的配置情况，例如，若系统在工作时加入新的ONU，