第7章現(xiàn)代光纖網(wǎng)絡

1、 光纖通信光纖通信 原理與應用原理與應用 第 7 章 現(xiàn)代光纖網(wǎng)絡 第第7 7章章 現(xiàn)代光纖網(wǎng)絡現(xiàn)代光纖網(wǎng)絡 7.1 7.1 光纖通信在現(xiàn)代信息網(wǎng)絡中的重要地位光纖通信在現(xiàn)代信息網(wǎng)絡中的重要地位 7.1.1 現(xiàn)代信息網(wǎng)絡的基本特點 現(xiàn)代信息網(wǎng)絡又稱為多媒體通信網(wǎng)絡，其基本特點是 1. 信息綜合化 2. 信息高速化 3. 傳輸介質多樣化 4. 應用多樣化 7.1.2 光纖通信在現(xiàn)代信息網(wǎng)絡中的應用概況 1國際光纖通信發(fā)展概況 2我國光纖通信發(fā)展概況 7.2 光纖接入網(wǎng) 7.2.1 基本概念 1接入網(wǎng)（AN） 1） AN在整個通信網(wǎng)中的部位UNI用戶-網(wǎng)絡接口 ；SNI業(yè)務節(jié)點接口 用戶是指用戶終

2、端設備（如計算機、電話機等） 和用戶駐地設備（如用戶交換機等）； 核心網(wǎng)是指本地局與市話局、市話局與長途局、長途局與長途局之間的所有區(qū)段。 2）AN的幾種等價定義 接入網(wǎng)是用戶和端局（即本地交換局）之間的所有機線設備，具有復用、交叉連接和傳輸?shù)裙δ?接入網(wǎng)是用戶與核心網(wǎng)之間的中介網(wǎng) 接入網(wǎng)是UNI和SNI之間的所有機線設備 3）端局到用戶之間的傳統(tǒng)電纜接入網(wǎng)的線路連接結構（圖7-2）端局：本地交換局 2光纖接入網(wǎng)（OAN） 1）定義：光纖接入網(wǎng)是以光纖作為傳輸介質的接 入網(wǎng)，又稱為光接入網(wǎng)（OAN）。 2）光纖接入網(wǎng)的線路連接結構（圖7-3） 3）光纖接入網(wǎng)的的功能配置結構 PON和和AON

3、的區(qū)別的區(qū)別： PON 的配線網(wǎng)使用無源器件(光分路器、WDM器件) AON 的配線網(wǎng)使用有源器件(電復用器、集線器HUB等 )4）光纖接入網(wǎng)的基本拓撲結構（圖7-5）7.2.2 FTTx接入網(wǎng)1. 定義：定義：FTTx接入網(wǎng)屬于光纖接入網(wǎng)（OAN）的一部分，是指從端局設備OLT到用戶端設備ONU之間的所有機線設備2. FTTx的基本類型 1）光纖到路邊（FTTC） 2）光纖到大樓（FTTB） 3）光纖到戶（FTTH）和光纖到辦公室（FTTO) 雙連線是光纖；單連線是雙絞線；粗線長方塊是ONU圖7-6 FTTx接入網(wǎng)的基本類型OLT（圖中未畫出） 是LE與右側光纖之間的E/O轉換接口7.2.3

4、 FTTH的基本拓撲結構 1. 基本拓撲結構圖圖7-7 點對多點PON的基本拓撲結構 無源光分支器(又稱為光分路/合路器)使用光功率分路方式的光耦合器、或WDM方式的分波/合波器(目前多使用前者) 2. 點對多點PON結構的優(yōu)點 能節(jié)省大量光纖及相關設備，因而成為FTTH的熱 門研究對象。目前國際上研制的PON技術，主要分為： EPON（Ethernet PON）即以太網(wǎng)PON APON（ATM PON）即異步傳輸模式PON BPON（Bandwith PON）即寬帶PON GPON （Gigabit-Capable PON）即千兆位PON7.2.4 FTTH 的實現(xiàn)技術：xPON接入技術1x

5、PON的規(guī)范標準 A/BPON：ITU-T G.983.1G.983.10 EPON：IEEE802.3ah GPON ：ITU-T G.984.1 G.984.4 2xPON的基本工作原理 1）xPON接入網(wǎng)的拓撲結構：通常采用星形或樹形結構 2）上、下行信號的收發(fā)方式 下行方向 OLT發(fā)送的信號通過光分路/合路器以廣播方式傳送到各個ONU，各個ONU從中取出發(fā)給自己的信息。 上行方向 各個ONU從不同位置向OLT發(fā)送信號，并且共享從光分路/合路器到OLT的同一根光纖通道，因此必須遵循一定的上行接入規(guī)則，才能避免各信號之間發(fā)生碰撞。 3）按照現(xiàn)有規(guī)范，目前各類按照現(xiàn)有規(guī)范，目前各類PON的上

6、、下行信號的上、下行信號都是采用時分復用都是采用時分復用( (TDM) )的傳輸方式的傳輸方式 圖7-8 xPON的上、下行傳輸方式 4）關鍵問題：上行信號的時分多路接入控制）關鍵問題：上行信號的時分多路接入控制 3. xPON拓撲結構各組成模塊的基本功能 4. 各類PON的幀結構 1）A/BPON幀結構圖7-11 BPON幀結構（上行速率為155.52 Mb/s、下行速率為622.08 Mb/s ）圖7-12 BPON幀結構（上行速率為622.08 Mb/s、下行速率為1244.16 Mb/s ） 2）EPON幀結構 以太網(wǎng)幀的前導碼在物理層由硬件生成以太網(wǎng)幀除前導碼以外的部分稱為MAC幀圖

7、7-13 EPON的幀結構3）GPON幀結構圖7-15 GPON的幀結構5xPON的關鍵技術 1） 測距和時延補償技術測距和時延補償技術 2）上行信號的同步接收技術）上行信號的同步接收技術 3）上行信號的突發(fā)發(fā)射技術）上行信號的突發(fā)發(fā)射技術 7.2.5 各類PON接入技術的比較1. 各類PON的性能比較A/BPONEPONGPON標標 準準ITU-T G.983IEEE 802.3ahITU-T G. 984下行速率下行速率/(Mb/s)155.52/622.08/1244.1612501244.16/2488.32上行速率上行速率/(Mb/s)155.52/622.08 1250155.52

8、/622.08/ 1244.16/2488.32下行波長下行波長/nm12601360126013601260 1360上行波長上行波長/nm148015001480150014801500基本協(xié)議基本協(xié)議ATMEthernetATM線路編碼線路編碼NRZ8B/10BNRZ分支比分支比1:16/321:16/321:16/32/64/128最大傳輸距最大傳輸距離離/km202060傳輸碼效率傳輸碼效率較高低高支持多業(yè)務能支持多業(yè)務能力力ATM（其他業(yè)務適配復雜）Ethernet（其他業(yè)務適配復雜）ATM, TDM, Ethernet等QoS保障保障依靠ATM機制 有相關定義有多種具體定義OAM

9、功能功能豐富一般豐富下行數(shù)據(jù)安全下行數(shù)據(jù)安全 單密鑰加密/解密未具體定義AES單密鑰加密/解密2. 各類PON的應用情況 1）A/BPON 技術成熟，成本較高，在ATM 網(wǎng)絡資源豐富的應用環(huán)境易于實現(xiàn)。目前在北美、日本和歐洲都有APON產品的實際應用。 2）EPON 結構簡單，成本低，繼承了Ethernet易于實現(xiàn)的特點，在歐美等原有設備較多的國家和地區(qū)使用較多，在日本和韓國使用也較多。 3）GPON 其標準門檻較高，技術實現(xiàn)復雜，商用芯片推出較晚，成本高。2006年以來情況已經大為改觀，目前有眾多的大型芯片廠商支持GPON芯片的生產，有許多國家已經試驗或正在部署GPON的應用。 4）我國的應

10、用情況 2007年我國FTTH/FTTB建設已經逐漸拉開序幕，全國各地的FTTH商用工程不斷涌現(xiàn)。在這一年，中國電信進行了多輪的設備互聯(lián)互通測試，并于8月首次舉行16個省份EPON的集中采購。 2008年中國電信大力推動EPON的規(guī)模發(fā)展，同時以一些地區(qū)作為試點開始對GPON應用的探索。中國網(wǎng)通集團也將GPON作為未來接入網(wǎng)的演進目標。7.2.6 HFC接入網(wǎng)1基本概念 HFC（光纖-同軸電纜混合）接入網(wǎng)是在有線電視（CATV）網(wǎng)基礎上發(fā)展起來的一種寬帶接入網(wǎng)，是綜合利用數(shù)字和模擬傳輸技術、光纖和同軸電纜技術的一種接入網(wǎng)，是CATV網(wǎng)與通信網(wǎng)相結合的產物。 HFC網(wǎng)除了傳送CATV外，還提供電

11、話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互式業(yè)務。2HFC網(wǎng)絡結構圖7-17 HFC網(wǎng)絡結構簡圖各組成單元功能各組成單元功能 1）局端（又稱為前端）設備 完成電信號調制/解調、電/光和光/電轉換（即光發(fā)送和光接收）、合路/分路、應答控制等。 2）光纖節(jié)點（FN） 完成光/電和電/光轉換（即光接收和光發(fā)送），以及電信號解復用/復用等。 3）分路器（又稱為分支器） 是多根同軸電纜的交接點，完成電信號的分路/合路。 4）放大器 完成同軸電纜信號的放大。 5）用戶接口盒（UIB） 對用戶TV、電話機、計算機提供接口轉換功能。 HFC接入網(wǎng)的頻段分配如下： 上行通道（UC） 使用542 MHz頻段（高頻HF和甚高頻VHF）

12、，用來傳送上行電話及用戶視頻點播請求/控制信號 下行通道（DC） 使用501000 MHz頻段（甚高頻VHF和超高頻UHF），其中50550 MHz頻段用來傳送模擬電視，550750 MHz頻段用來傳送數(shù)字電視（也可分出一部分頻段用來傳輸下行電話及用戶數(shù)據(jù)信號），7501000 MHz頻段預留用來傳送雙向通信業(yè)務3HFC網(wǎng)絡的工作原理 發(fā)送端 所有信息通過相應調制轉換成射頻（即HF, VHF和UHF）模擬信號，經由頻分復用方式合成一個寬帶射頻電信號，加到前端的光發(fā)射模塊上調制成光信號發(fā)送出去 傳輸 光信號傳輸?shù)焦饫w節(jié)點后轉換為射頻電信號，再經射頻放大器放大后送至各個同軸電纜分配網(wǎng)傳輸?shù)接脩?用

13、戶端 用戶接收相應頻帶的信息，并進行解調得到所需信息 7.3 光纖局域網(wǎng)7.3.1 局域網(wǎng)（LAN）的基本概念1局域網(wǎng)的基本特點 1）通信范圍較?。ㄔ?0 km以內），可以覆蓋一座高樓、 一個建筑群、一個企業(yè)、一個校園等，站點數(shù)目有限，路由功能可有可無； 2）數(shù)據(jù)速率較高（幾至幾百Mb/s以上）； 3）誤碼率較低（109以下），中間節(jié)點不需要差錯控制； 4）采用基帶數(shù)字傳輸（傳輸介質是雙絞線、50 同軸電纜 或光纖）或寬帶模擬傳輸（傳輸介質是雙絞線、75 同軸電纜或光纖）； 5）各個站點共享信道資源，需要較復雜的介質接入控制（ MAC）技術（此特點僅適合ATM局域網(wǎng)以外的傳統(tǒng)局域網(wǎng)）。2局域網(wǎng)

14、分類 可以分為以太網(wǎng)（Ethernet）、令牌環(huán)（Token Ring）網(wǎng)、FDDI網(wǎng)（以上稱為傳統(tǒng)局域網(wǎng)）和ATM（異步傳輸模式）局域網(wǎng)。 以太網(wǎng)又分為10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10Gb/s以太網(wǎng)。10Base-5（50粗同軸電纜聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.310Base-2（50細同軸電纜聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.3a10Base-T（無屏蔽雙絞線聯(lián)網(wǎng)） IEEE802.3i10Base-F（光纖聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.3j10Mb/s以太網(wǎng)100Base-TX（無屏蔽或有屏蔽雙絞線聯(lián)網(wǎng)） IEEE802.3u100Base-FX（光纖聯(lián)網(wǎng)） IEEE802.3u100Base-

15、T4（無屏蔽雙絞線聯(lián)網(wǎng)） IEEE802.3u 100Mb/s 以太網(wǎng) 1000Mb/s 以太網(wǎng)1000Base-SX（光纖聯(lián)網(wǎng)） IEEE802.3z1000Base-LX（光纖聯(lián)網(wǎng)） IEEE802.3z1000Base-CX（有屏蔽雙絞線聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.3z1000Base-T（無屏蔽雙絞線聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.3ab10GBase-R（光纖聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.3ae 10GBase-T（無屏蔽雙絞線聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.3an4Mb/s令牌環(huán)（同軸電纜聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.516Mb/s令牌環(huán)（同軸電纜聯(lián)網(wǎng)）IEEE802.525或51Mb/s ATM局域網(wǎng)（無屏蔽雙絞線聯(lián)網(wǎng)）

16、ATM標準155Mb/s ATM局域網(wǎng)（無屏蔽或有屏蔽雙絞線或 光纖聯(lián)網(wǎng)光纖聯(lián)網(wǎng)）ATM標準622Mb/s ATM局域網(wǎng)（光纖聯(lián)網(wǎng)）ATM標準10Gb/s以太網(wǎng)令牌環(huán)網(wǎng) FDDI網(wǎng) ATM局域網(wǎng)100Mb/s光纖令牌環(huán)（光纖聯(lián)網(wǎng)）FDDI標準7.3.2 光纖總線形/星形局域網(wǎng)1. 定義 光纖總線形局域網(wǎng)是用一根光纖將多個用戶終端連接起來構成的網(wǎng)絡 光纖星形局域網(wǎng)是利用光纖將所有用戶終端分別與一個中心節(jié)點連接起來構成的網(wǎng)絡2. 實例 1）10Base-F 是一種使用光纖的10Mb/s以太網(wǎng)技術，包含以下三個類型，即 10Base-FL 用于計算機之間或計算機與中繼器之間的點對點鏈路，支持全雙工通

17、信，鏈路長度可達2 km（0.85 m多模光纖）或5 km（1.31 m多模光纖），與FOIRL（即中繼器間光纖鏈路）混用則長度減半 。用于大樓之間的鏈接。 10Base-FB 用于中繼器之間的主干鏈路，允許中繼器級聯(lián)，使用多模光纖，鏈路長度可達 2 km 。 10Base-FP 用于無中繼器情況下無源星形拓撲結構中的鏈路，使用多模光纖，鏈路長度可達 500 m 。 2）100Base-FX 是一種使用光纖的100Mb/s快速以太網(wǎng)技術，網(wǎng)絡拓撲結構為星形，使用1.31 m多模光纖，鏈路長度可達412 m（半雙工）或2 km（全雙工）。用于主干網(wǎng)上的網(wǎng)橋、路由器及交換機之間的鏈接。 3）100

18、0Base-SX和1000Base-LX 是使用光纖的千兆位以太網(wǎng)技術，網(wǎng)絡拓撲結構為星形，鏈路長度：1000Base-SX可達 550 m（ 用0.85 m多模光纖），1000Base-LX可達 5 km（ 用1.31 m單模光纖 ）。用于大樓主干網(wǎng)、校園主干網(wǎng)或城域主干網(wǎng)。 4）10GBase-R 是使用光纖的萬兆位以太網(wǎng)技術，網(wǎng)絡拓撲結構為星形，又分為以下三類： 10GBase-SR 使用兩根多模光纖（0.85 m），鏈路長度可達300 m（芯徑50 m ）或35 m（芯徑62.5 m）。通常用于數(shù)據(jù)中心。 10GBase-LR 使用兩根單模光纖（1.31 m），鏈路長度可達10 km。

19、 10GBase-ER 使用兩根單模光纖（1.55 m），鏈路長度可達40 km。 7.3.3 光纖令牌環(huán)局域網(wǎng)1定義 由兩個相互獨立的、傳輸方向相反的光纖環(huán)路作為傳輸介質，采用令牌環(huán)技術，速率達到100 Mb/s的高速局域網(wǎng)，稱為光纖令牌環(huán)局域網(wǎng)，又稱FDDI網(wǎng)絡。 2. 光纖令牌環(huán)局域網(wǎng)的結構圖7-20 光纖令牌環(huán)局域網(wǎng)的結構簡圖 主環(huán)和次環(huán) 主環(huán)用于傳輸數(shù)據(jù)，次環(huán)用于備份。 單連接站點（SAS）和雙連接站點（DAS） SAS 只能有一個端口（含進/出光纖接口各一個）與主環(huán)直接相連，而不能與次環(huán)直接相連（但可通過雙連接集中器連接到雙環(huán)上）。例如，一般站點（如用戶PC機）都是SAS。 DAS

20、 允許兩個端口分別與主環(huán)和次環(huán)直接相連。例如，重要站點（如服務器）都是DAS。 雙連接集中器（DAC，或稱為FDDI-Hub） 可以與主環(huán)和次環(huán)直接相連，本身還帶有多個端口，用來連接多個單連接站點SAS。3. 工作原理 FDDI環(huán)形網(wǎng)絡上各個站點不能任意爭搶公共信道來發(fā)送信息，而是由沿一定方向繞環(huán)傳遞的令牌（一種獨特格式的幀）來賦予站點發(fā)送信息的權力。一個需要發(fā)送信息的站點，必須等待令牌到來，并且只有截獲令牌后才可以發(fā)送信息。 一個截獲了令牌的站點發(fā)送完一個或多個信息包后，隨即產生一個新令牌，新令牌跟在所發(fā)送的最后一個信息包的后面繞環(huán)運行。其他任何站點截獲了這個令牌，也可以發(fā)送一個或多個信息包

21、，并且在這些信息包的后面立即又發(fā)送一個新的令牌繼續(xù)運行。 7.3.4 光纖ATM局域網(wǎng)1基本概念 ATM（異步傳輸模式）的協(xié)議模型比傳統(tǒng)以太網(wǎng)要復雜得多，在局域網(wǎng)中得到了成功的運用和發(fā)展。ATM網(wǎng)具有高帶寬（高達622 Mb/s）、低延時（30 s左右）、用途廣泛等優(yōu)點。 2ATM技術的主要特點 1）ATM是電路交換與分組交換的結合 2）ATM采用統(tǒng)計時分復用（STDM）方式 3）ATM支持各種不同速率的業(yè)務 4）ATM交換節(jié)點功能簡單 5）ATM適用性強 3光纖ATM局域網(wǎng)拓撲結構 光纖ATM局域網(wǎng)包括兩類基本的網(wǎng)絡元素，即ATM交換機和ATM端點。 各個ATM交換機之間用光纜兩兩相連形成網(wǎng)

22、狀結構，以獲得良好的連通性。 每個ATM交換機則通過一些點到點鏈路與各自的ATM端點相連，形成星形結構。 整個網(wǎng)絡成為星形-網(wǎng)狀拓撲結構。 7.4 光纖城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)7.4.1 光纖城域網(wǎng)（MAN）1城域網(wǎng)的基本特點 1）通信范圍比局域網(wǎng)大（在幾十km內）， 可以覆蓋一個城市。 2）數(shù)據(jù)速率較高（幾十至幾百Mb/s）。 3）誤碼率較低（109以下）。 4）網(wǎng)絡體系結構與局域網(wǎng)相同。 5）各個站點共享信道資源，需要較復雜的介 質接入控制（MAC）技術。2光纖分布式隊列雙總線 光纖分布式隊列雙總線（FDQDB）是一種基于光纖傳輸技術的分布式隊列雙總線城域網(wǎng)，數(shù)據(jù)速率可達2300 Mb/s。 FDQ

23、DB的拓撲結構是由光纖雙總線以及連接在這兩條總線之間的用戶站點組成的。兩條總線是單向傳輸，彼此方向相反；各個用戶站點通過這兩條傳輸方向相反的單向總線可以實現(xiàn)相互間的雙向通信。 7.4.2 基于SDH的多業(yè)務傳送平臺（MSTP）1. 基于SDH的多業(yè)務傳送平臺（MSTP）是利用光纖傳輸技術并以SDH為基礎的多業(yè)務傳送平臺，可以同時實現(xiàn)TDM, ATM, Ethernet等多種業(yè)務的接入、處理和傳送。MSTP是目前城域網(wǎng)最主要的一種實現(xiàn)方式。2. MSTP的拓撲結構是在SDH傳送網(wǎng)的基礎上配置第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）交換機（即按照MAC地址進行交換）等設備而構成的。3. MSTP提供多種業(yè)務的接口，包

24、括：TDM業(yè)務（PDH, SDH等）的E1, E3, STM-1/4/16接口；以太網(wǎng)業(yè)務的10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s接口；ATM業(yè)務的E1, E3, STM-1/4/16接口。4. MSTP使用GFP幀來承載各種業(yè)務信息。GFP（通用成幀規(guī)程）是一種面向無連接的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，它提供了一種將高層用戶信息適配到字節(jié)同步的SDH傳送網(wǎng)絡中的通用機制。7.4.3 光纖廣域網(wǎng)（WAN）1 WAN的基本特點 1）通信范圍比城域網(wǎng)大（在幾十至幾千km內），可以跨地區(qū)、跨省市、跨越整個國家，多用于LAN的遠程連接，站點數(shù)目很多，故需路由選擇。 2）數(shù)據(jù)速率較高（幾十至幾百Mb/s）。 3）不采用局域網(wǎng)使用的介質接入控制（MAC）技術，而