第6章無源光網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)

第6章無源光網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)第一頁，共74頁。6.1接入網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的作用及發(fā)展趨勢6.1.1接入網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的作用6.1.2光接入網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)6.1.3三網(wǎng)融合接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢第二頁，共74頁。6.1接入網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的作用及發(fā)展趨勢6.1.1接入網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的作用圖6.1.1信息網(wǎng)模型第三頁，共74頁。6.1.2光接入網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)窄帶接入逐漸被寬帶接入所取代，最終實現(xiàn)光纖到家；銅纜接入已逐漸被光纜接入所取代；xDSL：ADSL,VDSLSDH,以太網(wǎng)接入HFC,3GPON接入：APON、EPON、GPON、WDM-PON、WDM/TDM-PON、OFDM-PON第四頁，共74頁。無源與有源接入光纖接入有無源與有源之分，基于同步數(shù)字制式（SDH）或準(zhǔn)同步數(shù)字制式（PDH）的光纖接入是有源接入，基于無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的接入是無源接入。由于PON具有獨特的優(yōu)點，它能夠提供透明寬帶的傳送能力；因為PON本身是一種多用戶共享的系統(tǒng)，即多個用戶共享同一個設(shè)備、同一條光纜和同一個光分路器，所以成本低；與有源光網(wǎng)絡(luò)相比，由于PON的固有特性，它的安裝、開通和維護(hù)運營成本大為降低，使系統(tǒng)更可靠、更穩(wěn)定，因此接入網(wǎng)正在大量應(yīng)用PON系統(tǒng)。第五頁，共74頁。異步傳輸模式（ATM）異步傳輸模式（ATM）技術(shù)支持可變速率業(yè)務(wù)，支持時延要求較小的業(yè)務(wù)，具有支持多業(yè)務(wù)多比特率的能力，因此ATM接入系統(tǒng)能夠完成不同速率的多種業(yè)務(wù)接入，它既能夠提供窄帶業(yè)務(wù)，又能提供寬帶業(yè)務(wù)，即能提供全業(yè)務(wù)接入。另外，電信網(wǎng)的核心部分正在ATM化，為了使用戶接入網(wǎng)部分的PON和核心網(wǎng)的ATM化相兼容，ITU-T自1998年以來，已完成了一整套G.983建議，其目的就是使PON攜帶的信息ATM化，這種ATM化的PON稱為APON，利用APON構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)是一種全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（FSAN）。但是，G.983.1規(guī)定APON接入網(wǎng)傳輸系統(tǒng)下行傳輸速率最高為622Mb/s，隨著PON分光比的增加，光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）數(shù)也隨之增多，每個ONU所用的帶寬就有限。第六頁，共74頁。EPON2000年12月，以太網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商提出了將PON用于以太網(wǎng)接入的標(biāo)準(zhǔn)研究計劃，這種使用PON的以太網(wǎng)稱為EPON。EPON與APON相比，上下行傳輸速率比APON的高，EPON提供較大的帶寬和較低的用戶設(shè)備成本，除幀結(jié)構(gòu)和APON不同外，其余所用的技術(shù)與G.983建議中的許多內(nèi)容類似，如下行采用TDM，上行采用TDMA。2004年6月，由EFM工作組起草制訂的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ah正式獲得通過，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳輸速率上下行均為1.25Gb/s。IEEE在2006年成立了一個TaskForce工作組，進(jìn)行10GEPON標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3av的研究和制訂工作。10GEPON標(biāo)準(zhǔn)的制訂進(jìn)程較快，已于2009年9月正式發(fā)布。第七頁，共74頁。GPON（千兆無源光網(wǎng)絡(luò)）鑒于APON標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，成本高，在傳輸以太網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時效率低，以及在ATM層上適配和提供業(yè)務(wù)復(fù)雜。而EPON存在兩大致命的缺陷，即帶寬利用率低和難以支持以太網(wǎng)之外的業(yè)務(wù)。因此，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（FSAN）組織已制定了一種融合APON和EPON的優(yōu)點，克服其缺點的新的PON，那就是GPON（千兆無源光網(wǎng)絡(luò)）。GPON具有吉比特高速率，92%的帶寬利用率和支持多業(yè)務(wù)透明傳輸?shù)哪芰?，同時能夠保證服務(wù)質(zhì)量和級別，提供電信級的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和業(yè)務(wù)管理。第八頁，共74頁。WDM-PONAPON、EPON和GPON都是TDM-PON。APON較低的承載效率以及在ATM層上適配和提供業(yè)務(wù)復(fù)雜等缺點，現(xiàn)在已漸漸淡出人們的視線。而EPON存在兩大致命的缺陷，即帶寬利用率低和難以支持以太網(wǎng)之外的業(yè)務(wù)。GPON雖然能克服上述的缺點，但上下行均工作在單一波長，各用戶通過時分方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種在單一波長上為每個用戶分配時隙的機(jī)制，既限制了每用戶的可用帶寬，又大大浪費了光纖自身的可用帶寬，不能滿足不斷出現(xiàn)的寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。在這種背景下，人們就提出了WDM-PON的技術(shù)構(gòu)想。WDM-PON能克服上面所述的各種PON缺點。近年來，由于WDM器件價格的不斷下降，WDM-PON技術(shù)本身的不斷完善，WDM-PON接入網(wǎng)應(yīng)用到通信網(wǎng)絡(luò)中已成為可能。相信，隨著時間的推移，把WDM技術(shù)引入接入網(wǎng)將是下一代接入網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。第九頁，共74頁。光正交頻分復(fù)用PON（OFDM-PON）WDM-PON可以透明地分發(fā)多種業(yè)務(wù)，然而多個波長可能要求多個收發(fā)機(jī)和陣列波導(dǎo)光柵（AWG）或光濾波器，這樣就增加了系統(tǒng)費用和成本。此外，WDM-PON也缺乏在不同業(yè)務(wù)間動態(tài)分配資源的靈活性。為了克服以上PON的缺陷，科學(xué)家們就提出了光正交頻分PON（OFDM-PON）。第十頁，共74頁。6.1.3三網(wǎng)融合

接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢圖6.1.2三網(wǎng)融合示意圖第十一頁，共74頁。何謂三網(wǎng)融合？所謂三網(wǎng)融合就是將歸屬于工業(yè)和信息化部的電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和歸屬于廣電總局的廣播電視網(wǎng)在技術(shù)上趨向一致，網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)互通，業(yè)務(wù)層互相滲透交叉，應(yīng)用層使用統(tǒng)一的協(xié)議，經(jīng)營上互相競爭合作，政策層面趨向統(tǒng)一。三大網(wǎng)絡(luò)通過技術(shù)改造均能提供語音、數(shù)據(jù)和圖像等綜合多媒體的通信服務(wù)。第十二頁，共74頁。三網(wǎng)融合的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字技術(shù)：電話、數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務(wù)都可以變成二進(jìn)制“1”和“0”信號在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，無任何區(qū)別；光通信技術(shù)：為各種業(yè)務(wù)信息傳送提供了寬敞廉價高質(zhì)量的信息通道；軟件技術(shù)：通過軟件變更可支持三大網(wǎng)絡(luò)各種用戶的多種業(yè)務(wù)。第十三頁，共74頁。6.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第十四頁，共74頁。圖6.2.2PON接入網(wǎng)的參考結(jié)構(gòu)第十五頁，共74頁。圖6.2.3WDM-OLT/ONU

PON接入網(wǎng)的參考結(jié)構(gòu)第十六頁，共74頁。圖6.2.4OLT構(gòu)成框圖第十七頁，共74頁。1.OLT功能模塊下面以ATM-PON為例，介紹光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的構(gòu)成、作用和工作原理。OLT由ODN接口單元、ATM復(fù)用交叉單元、業(yè)務(wù)單元和公共單元組成，如圖6.2.4所示。ODN接口單元完成物理層功能和TC子層功能，主要包括光/電和電/光變換、速率耦合/解耦、測距、信元定界和幀同步、時隙和帶寬分配、口令識別、擾碼和解擾碼、攪動和攪動鍵更新、信頭誤碼控制（HEC）和比特交錯校驗（BIP8）、比特誤碼率（BER）計算和運行維護(hù)管理（OAM）等，特別是在OLT上行方向要完成突發(fā)同步和數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能。在具有動態(tài)帶寬分配（DBA）功能的系統(tǒng)中，ODN還完成動態(tài)授權(quán)分配功能。為了實現(xiàn)OLT和ODN間的保護(hù)切換，OLT通常配備有備份的ODN接口（見6.3節(jié)）。ATM復(fù)用交叉單元完成多種業(yè)務(wù)在ATM層的交叉連接功能、傳輸復(fù)用/解復(fù)用功能、流量管理和整形功能、運行維護(hù)和管理（OAM）等功能。在下行ATM凈荷中插入信頭構(gòu)成ATM信元，并從上行ATM信元中提取ATM凈荷。第十八頁，共74頁。OLT業(yè)務(wù)單元業(yè)務(wù)單元完成業(yè)務(wù)接口功能，如采用基于SDH接口，除完成電/光或光/電轉(zhuǎn)換外,在下行方向，從輸入的SDH信息流中提取時鐘和恢復(fù)數(shù)據(jù)，用信元定界方式從SDH幀中提取ATM信元，濾除空閑信元（即速率解耦），通過通用測試和運行物理接口（UTOPIA）輸出到ATM復(fù)用交叉單元；在上行方向，把ATM信元和空閑信元（如有必要）插入SDH幀的凈荷中（即速率耦合），并插入各種SDH開銷，以便組成SDH幀。另外業(yè)務(wù)單元還應(yīng)具有信令處理的能力。第十九頁，共74頁。OLT工作原理----下行方向在下行方向，接收來自業(yè)務(wù)端的數(shù)字流，經(jīng)速率解耦去掉空閑信元，提取出ATM信元，根據(jù)其虛通道標(biāo)識符（VPI）/虛信道標(biāo)識符（VCI）交叉連接到相應(yīng)的通路，重新組成ATM信元，然后對其凈荷進(jìn)行攪動加密。下行傳輸復(fù)用采用時分復(fù)用（TDM）方式，每發(fā)送27個ATM信元就插入1個物理層OAM（PLOAM）信元，由此形成PON的下行傳輸幀，經(jīng)擾碼后送給光發(fā)送模塊，進(jìn)行電/光變換，以廣播方式傳送給所有與之相連的ONU。第二十頁，共74頁。在上行方向，OLT在接收到ONU的突發(fā)數(shù)據(jù)時，根據(jù)前導(dǎo)碼恢復(fù)判決門限并提取時鐘信號，實現(xiàn)比特同步。接著根據(jù)定界符對信元進(jìn)行定界。獲得信元同步后，首先進(jìn)行解擾碼，恢復(fù)信元原貌。經(jīng)速率解耦后提取出ATM信元，然后根據(jù)信元類型進(jìn)行不同的處理。若是PLOAM信元，則根據(jù)其中的信息類型分別送到測距、攪動、OAM等功能模塊進(jìn)行處理。若是ATM信元，則送到ATM交叉連接單元進(jìn)行VPI/VCI轉(zhuǎn)換，連接到相應(yīng)的業(yè)務(wù)源。OLT工作原理----上行方向第二十一頁，共74頁。動態(tài)帶寬分配（DBA）方法通常，實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配（DBA）可以分成三步：第一步，DBA-OLT綜合使用流量監(jiān)測結(jié)果和ONU對帶寬需求的情況報告更新帶寬分配；第二步，DBA-OLT根據(jù)ONU對帶寬需求的情況報告更新帶寬分配；第三步，DBA-OLT根據(jù)流量監(jiān)測結(jié)果更新帶寬分配。第二十二頁，共74頁。6.2.3光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）ONU處于用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）和PON接口（IFPON）之間，提供與ODN的光接口，實現(xiàn)用戶側(cè)的端口功能。與OLT一起，ONU負(fù)責(zé)在UNI和SNI之間提供透明的業(yè)務(wù)傳輸。ONU根據(jù)用戶需要，利用ATM復(fù)用交叉連接功能，提供10/100BaseT以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、電路仿真業(yè)務(wù)（CES）、ATME1業(yè)務(wù)和xDSL等業(yè)務(wù)，從而可實現(xiàn)多業(yè)務(wù)的綜合接入。第二十三頁，共74頁。圖6.2.5ONU功能構(gòu)成框圖第二十四頁，共74頁。1.ONU完成功能ODN接口單元完成物理層功能和ATM傳輸會聚子層（TC）功能，物理層功能包括對下行信號進(jìn)行光/電變換，從下行數(shù)據(jù)中提取時鐘，從下行PON凈荷中提取ATM信元，在上行PON凈荷中插入ATM信元。如上行接入采用時分多址（TDMA）方式，則對上行信號完成突發(fā)模式發(fā)射。通常，TC子層完成速率耦合/解耦、串/并變換、信元定界和幀同步、擾碼/解擾碼、ATM信元和PLOAM信元識別分類、測距延時補償、口令識別、攪動鍵更新和解攪動、信頭誤碼控制（HEC）和比特交錯校驗（BIP8）、比特誤碼率（BER）計算和運行維護(hù)管理（OAM）等功能。如果在一個ONU中有多個傳輸容器（T-CONT），每個T-CONT都要完成以上的功能。第二十五頁，共74頁。ONU復(fù)用/解復(fù)用功能ONU提供的業(yè)務(wù)，既可以給單個用戶，也可以給多個用戶。所以要求復(fù)用/解復(fù)用單元完成傳輸復(fù)用/解復(fù)用功能、用戶業(yè)務(wù)復(fù)用/解復(fù)用功能。在上行ATM凈荷中插入信頭構(gòu)成ATM信元，從下行ATM信元中提取ATM凈荷，根據(jù)VPI/VCI值完成多種業(yè)務(wù)在ATM層的交叉連接、組裝/拆卸（SAR）和分發(fā)功能，以及運行維護(hù)和管理（OAM）等功能。第二十六頁，共74頁。ONU工作原理----接收下行數(shù)據(jù)時

當(dāng)接收下行數(shù)據(jù)時，ONU利用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)從下行數(shù)據(jù)中提取時鐘，并按照ITU-TI.432.1建議進(jìn)行信元定界和解擾碼。然后識別信元類型，若是空閑信元則直接丟棄，若是PLOAM信元，則根據(jù)其中的信息類型分別送到測距、攪動鍵更新、OAM等功能模塊進(jìn)行處理。若是ATM信元，則解攪動后根據(jù)VPI/VCI值選出屬于自己的ATM信元，送到ATM復(fù)用/解復(fù)用單元進(jìn)行VPI/VCI轉(zhuǎn)換，然后送到相應(yīng)的用戶終端。第二十七頁，共74頁。ONU從業(yè)務(wù)單元接收到各種用戶業(yè)務(wù)（如E1、CES等）的ATM信元后，進(jìn)行拆包，根據(jù)傳送的目的地加上VPI/VCI值，重新打包成ATM信元，然后存儲起來。根據(jù)從下行PLOAM信元中收到的數(shù)據(jù)授權(quán)和測距延時補償授權(quán)，延遲規(guī)定的時間后把信元發(fā)送出去，當(dāng)沒有信元發(fā)送時就發(fā)送空閑信元，當(dāng)接收到PLOAM授權(quán)后就發(fā)送PLOAM信元或在接收到可分割時隙授權(quán)后就發(fā)送微時隙。對該信元進(jìn)行電/光變換前，先要對除開銷字節(jié)外的凈荷進(jìn)行擾碼。ONU工作原理----發(fā)送上行數(shù)據(jù)時

第二十八頁，共74頁。6.2.4光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）提供ONU到OLT的光纖連接，如圖6.2.2所示。ODN將光能分配給各個ONU，這些ONU共享一根光纖的容量。在該分配網(wǎng)中，使用無源光器件實現(xiàn)光的連接和光的分路/合路，所以這種光分配系統(tǒng)稱為無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）。主要的無源光器件有：單模光纖光纜、光連接器、光分路器和光纖接頭等。ODN采用樹形結(jié)構(gòu)的點到多點方式，即多個ONU與一個OLT相連。這樣，多個ONU可以共享同一根光纖、同一個光分路器和同一個OLT，從而節(jié)約了成本。這種結(jié)構(gòu)利用了一系列級聯(lián)的光分路器對下行信號進(jìn)行分路，傳輸給多個用戶，同時也靠這些分路器將上行信號匯合在一起送給OLT。第二十九頁，共74頁。光分路器的功能光分路器的功能是把一個輸入的光功率分配給多個光輸出。作為光分路器使用的光耦合器，只用其一個輸入端口。光分路器的基本結(jié)構(gòu)如右上角圖所示，它是星形耦合器的一個特例。1N光分路器可以由多個22耦合器組合。右上角圖表示由7個22單模光纖耦合器組成的18光分路器結(jié)構(gòu)。光分路器對線路的影響是附加插入損耗，可能還有一定的反射和串音。分配損耗是Lspl=10logN （6.2.1）第三十頁，共74頁。12耦合器12耦合器的損耗大約是3.5dB，其中3dB是分配損耗，0.5dB是插入損耗。這種耦合器的體積和重量都比較大，一致性并不好，損耗對光波長敏感，特別是對于使用3個波長（1310nm、1490nm和1550nm）PON的應(yīng)用場合，這是一個致命的缺陷，不過其反射及方向性都非常好，均可以達(dá)到50dB或更高的水平。第三十一頁，共74頁。表6.2.11N光分路器不同分路比的分配損耗和插入損耗第三十二頁，共74頁。1N光分路器傳輸損耗第三十三頁，共74頁。ODN設(shè)計上行方向和下行方向可以用同一根光纖傳輸（單纖雙工），也可以用不同的光纖傳輸（雙纖雙工）。為了提高ODN的可靠性，通常需要對其進(jìn)行保護(hù)配置。保護(hù)通常指在網(wǎng)絡(luò)的某部分建立備用光通道，備用光通道往往靠近OLT，以便保護(hù)盡可能多的用戶。設(shè)計ODN時，應(yīng)考慮不僅能提供目前業(yè)務(wù)的需要，而且還能提供將來可預(yù)見到的任何業(yè)務(wù)需要，而不必對ODN本身做較大的改動。這就要求在選擇組成ODN的無源光器件時，要考慮器件的以下特性：對光波長的透明性：如光分路器應(yīng)能支持1310nm和1550nm波長區(qū)的任何波長信號的傳輸；可逆性：輸入口和輸出口掉換后不會引起光損耗的明顯變化，這樣可以簡化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計；與光纖的兼容性：所有光器件應(yīng)能與G.652單模光纖兼容，因為到目前為止，ITU-T并不打算在光接入網(wǎng)中采用其他光纖。第三十四頁，共74頁。無源光器件的規(guī)范第三十五頁，共74頁。無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）分類PON是一個點到多點（PTM）系統(tǒng)；各種PON都具有相同的拓?fù)涮匦?，即所有來自O(shè)NU的上行傳輸都在樹狀ODN中以無源方式復(fù)用，再通過單根光纖傳送到OLT后解復(fù)用；各個ONU都不能訪問其他ONU的上行傳輸；在ODN中有兩種發(fā)送下行信號的基本方法，一種是功率分配PON（PS-PON），一種是波長路由PON，也稱WDM-PON。在PS-PON中，一般我們簡稱為PON，下行信號的功率平均分配給每個分支，分光比為16~32是最經(jīng)濟(jì)的

；在WDM-PON中，每個ONU有一個或多個專用波長；在OFDMA-PON中，可動態(tài)分配不同的副載波給多個用戶，從而可以同時實現(xiàn)時域和頻域的資源分配，透明地支持各種業(yè)務(wù)，動態(tài)地在這些業(yè)務(wù)中進(jìn)行帶寬分配。OFDM-PON可以與TDM-PON結(jié)合，提供附加的資源管理功能，例如在時域，PON可以提供數(shù)據(jù)的突發(fā)流量；在頻域，PON可以提供精細(xì)的信道調(diào)度。第三十六頁，共74頁。6.3

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）基礎(chǔ)6.3.1分光比6.3.2結(jié)構(gòu)和要求6.3.3下行復(fù)用技術(shù)6.3.4上行接入技術(shù)6.3.5安全性和私密性第三十七頁，共74頁。6.3.1分光比允許PON以一定的分光比配置，從完全不分路（變成點對點系統(tǒng)）到通過光損耗預(yù)算和PON協(xié)議規(guī)定的最大分路值。PON容量是共享的，所以分光比越大，每個ONU的平均可用帶寬就越小。同樣，分光損耗越多，留給光纜的光功率預(yù)算就越小，系統(tǒng)的有效范圍也就越小。但采用PON最主要的原因是為了分擔(dān)饋線光纖和OLT光接口的費用，所以分光比越大，系統(tǒng)所需器件的平均成本就越低。不過，系統(tǒng)總成本不會一直隨分光比的增大而減少。這是因為，對于給定的系統(tǒng)有效范圍，分光比越大，對光電器件的要求也越高，成本也隨之增加。綜合以上因素，分光比為16~32是最經(jīng)濟(jì)的，F(xiàn)SAN則可以用64。如果ODN采用圖3.2.2表示的星形耦合器，每個ONU接收到的功率可以用式（6.1.2）計算。第三十八頁，共74頁。圖6.3.1只有OLT具有保護(hù)功能的PON系統(tǒng)第三十九頁，共74頁。圖6.3.21:1和1+1全保護(hù)PON系統(tǒng)第四十頁，共74頁。6.3.3下行復(fù)用技術(shù)電復(fù)用，OLT采用時分復(fù)用（TDM），將分配給各個ONU的信號按一定的規(guī)律插入時隙中，在接收端，ONU把給自己的有效載荷從集合信號中再分解出來。光復(fù)用，可以采用密集波分復(fù)用DWDM，給每個ONU分配一個下行波長，將分配給各個ONU的信號直接由該波長載送。在接收端，ONU使用光濾波器再從WDM信號中分解出自己的信號波長。第四十一頁，共74頁。6.3.4上行接入技術(shù)在點對點的系統(tǒng)中，信道的接入稱為復(fù)用，而在接入網(wǎng)中則稱為多址接入(Access)。對應(yīng)的頻分復(fù)用稱為頻分多址接入（FDMA），在光域內(nèi)的頻分復(fù)用則稱為波分復(fù)用（WDM），對應(yīng)的時分復(fù)用稱為時分多址接入（TDMA），對應(yīng)的碼分復(fù)用則稱為碼分多址接入（CDMA），對應(yīng)的光正交頻分復(fù)用則稱為正交頻分復(fù)用多址接入（OFDMA）。

第四十二頁，共74頁。圖6.3.3四種基本的多址接入技術(shù)第四十三頁，共74頁。1.時分多址接入（TDMA）時分多址接入（TDMA）是把傳輸帶寬劃分成一列連續(xù)的時隙，根據(jù)傳送模式的不同，預(yù)先分配或者根據(jù)用戶需要分配這些時隙給用戶。通常有同步傳送模式（STM）和異步傳送模式（ATM）。STM分配固定時隙給用戶，因此可保證每個用戶有固定的可用帶寬。時隙可以靜態(tài)分配，也可以根據(jù)呼叫動態(tài)分配。不管是哪種情況，分配給某個用戶的時隙只能由該用戶使用，其他用戶不能使用。有關(guān)動態(tài)分配帶寬的進(jìn)一步介紹見文獻(xiàn)2中的第9章。相反，ATM根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H需要分配時隙給用戶，因此可以更有效地使用總帶寬。與STM相比，ATM要求更多的有關(guān)業(yè)務(wù)的類型和流量特性，以確保每個用戶公平地使用帶寬。第四十四頁，共74頁。圖6.3.4PON系統(tǒng)各ONU采用TDMA

突發(fā)模式接入

該系統(tǒng)允許每個用戶在指定的時隙發(fā)送上行數(shù)據(jù)到OLT。OLT可以根據(jù)每個時隙位置或時隙本身發(fā)送的信息，取出屬于每個ONU的時隙數(shù)據(jù)。在下行方向，OLT采用TDM技術(shù)，在規(guī)定的時隙傳送數(shù)據(jù)給每個ONU。第四十五頁，共74頁。突發(fā)模式發(fā)射和測距在使用TDMA技術(shù)的樹形PON中，上行接入采用突發(fā)模式，一個重要特點是必須保證ONU上行時隙的同步，所以必須采用測距技術(shù)，以便控制每個ONU的發(fā)送時間，確保各ONU發(fā)送的時隙插入指定的位置，避免在組成上行傳輸幀時發(fā)生碰撞。為防止各ONU時隙發(fā)生碰撞，要求時隙間留有保護(hù)間隙。測距精度通常為1~2bit，所以各ONU信元在組成上行幀時的間隙有幾個比特，因此到達(dá)OLT的信元幾乎是連續(xù)的比特流。ONU占據(jù)多少時隙由媒質(zhì)接入控制協(xié)議（MAC）完成，ONU何時發(fā)送數(shù)據(jù)時隙（即在收到數(shù)據(jù)發(fā)送授權(quán)后延遲多長時間），由OLT根據(jù)測距（測量ONU到OLT的距離）結(jié)果通知ONU。關(guān)于測距的更多細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)2中的8.4節(jié)和8.5節(jié)。第四十六頁，共74頁。時鐘提取和同步在突發(fā)模式接收的TDMA系統(tǒng)中，除要求OLT測量每個ONU到OLT的距離外，還要求OLT利用上行突發(fā)數(shù)據(jù)時隙開始的前幾個比特盡快地恢復(fù)出采樣時鐘，并利用該時鐘進(jìn)行該時隙數(shù)據(jù)的恢復(fù)。也就是說同步電路必須能夠確定突發(fā)時隙信號到達(dá)OLT的相位和開始時間，同時還要為測距計數(shù)器提供開始計數(shù)和計數(shù)終了的時刻。第四十七頁，共74頁。對OLT接收機(jī)的動態(tài)范圍的要求在使用TDMA技術(shù)的樹形PON中，OLT突發(fā)模式接收機(jī)接收從不同距離的ONU發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，并恢復(fù)它們的幅度，正確判決它們是“1”還是“0”。由于每個ONU的LD發(fā)射功率都相同，但它們到達(dá)OLT的距離互不相同，所以它們的數(shù)據(jù)包到達(dá)OLT時的功率變化很大，如圖6.3.4所示。OLT突發(fā)模式接收機(jī)必須能夠應(yīng)付這些功率的變化，正確恢復(fù)出數(shù)據(jù)，不管它們離OLT多遠(yuǎn)。第四十八頁，共74頁。2.波分多址接入（WDMA）圖6.3.5波分多址接入（WDMA）樹形PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四十九頁，共74頁。6.3.5安全性和私密性用戶通信可能會被同一PON中的其他用戶竊聽——ITU-TG.983.1采用擾碼加密機(jī)制避免；侵入者可能接入某個ONU竊取相關(guān)服務(wù)——這種侵入行為可以通過口令協(xié)議加以阻止，ONU在初始化時向OLT注冊密碼（password），并得到OLT的確認(rèn)，在ITU-TG.983.1中稱為“驗證”。第五十頁，共74頁。6.4PON接入系統(tǒng)6.4.1EPON系統(tǒng)6.4.2GPON系統(tǒng)6.4.3WDM-PON系統(tǒng)6.4.5光正交頻分復(fù)用PON(O-OFDM-PON)第五十一頁，共74頁。6.4.1EPON系統(tǒng)EPON和APON的主要區(qū)別是，在EPON中，根據(jù)IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，傳送的是可變長度的數(shù)據(jù)包，最長可為1526個字節(jié)；而在APON中，根據(jù)ATM協(xié)議的規(guī)定，傳送的是包含48個字節(jié)的凈荷和5字節(jié)信頭的53字節(jié)的固定長度信元。IP要求將待傳數(shù)據(jù)分割成可變長度的數(shù)據(jù)包，最長可為65535個字節(jié)。與此相反，以太網(wǎng)適合攜帶IP業(yè)務(wù)，與ATM相比，極大地減少了開銷。第五十二頁，共74頁。表6.4.11000Base-PX10和1000Base-PX20

主要技術(shù)規(guī)范第五十三頁，共74頁。

EPON的標(biāo)準(zhǔn)化IEEE早在2006年就成立了一個TaskForce工作組，進(jìn)行10GEPON標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3av的研究和制訂工作。10GEPON采用64B/66B線路編碼，效率高達(dá)97%；更高的鏈路光功率預(yù)算（29dB）；前向糾錯（FEC）功能采用RS（255，223）多進(jìn)制編碼，可以使光功率預(yù)算相對于沒有FEC增加5~6dB。第五十四頁，共74頁。

圖6.4.110GEPON與1GEPON系統(tǒng)共存兼容與波長分配示意圖下行采用雙波長波分，上行采用雙速率突發(fā)模式接收技術(shù)，通過TDMA機(jī)制協(xié)調(diào)1G和10GONU共存。第五十五頁，共74頁。從EPON到GPON由于以太網(wǎng)技術(shù)的固有機(jī)制，不提供端到端的包延時、包丟失率以及帶寬控制能力，因此難以支持實時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。如何確保實時語音和IP視頻業(yè)務(wù)，在一個傳輸平臺上以與ATM和SDH的QoS相同的性能分送到每個用戶，GPON則是一個最好的選擇。第五十六頁，共74頁。6.4.2GPON系統(tǒng)APON標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，成本高，在傳輸以太網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時效率低，以及在ATM層上適配和提供業(yè)務(wù)復(fù)雜。而EPON存在兩大致命的缺陷，即帶寬利用率低和難以支持以太網(wǎng)之外的實時業(yè)務(wù)。因此，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（FSAN）組織開始考慮制定一種融合APON和EPON的優(yōu)點，克服其缺點的新的PON，那就是GPON。GPON具有吉比特高速率，92%的帶寬利用率和支持多業(yè)務(wù)透明傳輸?shù)哪芰?，同時能夠保證服務(wù)質(zhì)量和級別，提供電信級的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和業(yè)務(wù)管理。本節(jié)就介紹GPON接入的有關(guān)技術(shù)問題。第五十七頁，共74頁。圖6.4.2GPON系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)ODN是一個連接OLT和ONU的無源設(shè)備，它的主要功能是完成光信號和功率的分配任務(wù)。GPON上下行數(shù)據(jù)流可以采用波分復(fù)用技術(shù)，在一根光纖上傳送上下行數(shù)據(jù)。下行使用1480~1500nm波段，上行使用1260~1360nm波段。同時，GPON的ODN光分路器的性能也大大提高，可支持1:128分路比。第五十八頁，共74頁。圖6.4.3U平面協(xié)議棧GPON有兩種傳輸模式：一種是ATM模式，另一種是GEM模式。GPON在傳輸過程中，可以用ATM模式，也可以用GEM模式，也可以共同使用這兩種模式。究竟使用哪種模式，要在GPON初始化的時候進(jìn)行選擇。第五十九頁，共74頁。GEM對TDM語音和數(shù)據(jù)的封裝GEM對TDM數(shù)據(jù)的封裝是將TDM業(yè)務(wù)直接映射到可變長的GEM幀中，即TDMoverGEM。這種方式是是ITU-TG.984.3的附錄中提出的專門為GPON系統(tǒng)承載TDM業(yè)務(wù)所設(shè)計的一種封裝技術(shù)。具有相同PortID的TDM數(shù)據(jù)分組匯聚到TC層。由于用戶數(shù)據(jù)幀的長度是隨機(jī)的，如果用戶數(shù)據(jù)幀的長度超過GEM協(xié)議規(guī)定的凈荷最大長度，就要采用GEM的分段機(jī)制。GEM的分段機(jī)制把超過凈荷最大長度的用戶數(shù)據(jù)幀分割成若干段，每一段的長度與GEM凈荷最大長度相等，并且在每段的前面都加上一個GEM幀頭。這種分段機(jī)制，對于一些時間比較敏感的業(yè)務(wù)，如語音業(yè)務(wù)，可保證以高優(yōu)先級進(jìn)行傳輸。因為它把語音業(yè)務(wù)總是放在凈荷區(qū)的前端發(fā)送，而且?guī)L是125s，延時比較小，從而能保證語音業(yè)務(wù)的QoS。GEM使用不定長的GEM幀對TDM業(yè)務(wù)字節(jié)進(jìn)行分裝。TDMoverGEM方式的優(yōu)點在于使用了與SDH相同的125s的GEM幀，使得GPON可以直接承載TDM業(yè)務(wù)，將TDM語音和數(shù)據(jù)直接映射到GEM幀中，使得分裝效率提高。第六十頁，共74頁。GPON與EPON的比較及其優(yōu)勢（1）帶寬利用率 EPON使用8B/10B編碼，本身就引入了20%的帶寬損失。GPON使用擾碼作線路碼，只改變碼，不增加碼，所以沒有帶寬損失；另一方面，EPON封裝的總開銷約為調(diào)度開銷總和的34.4%，而GPON在同樣的包長分布模型下，得到GPON的封裝開銷約為13.7%。（2）成本 從單比特成本來講，GPON的成本要低于EPON。（3）多業(yè)務(wù)支持 EPON對于傳輸傳統(tǒng)的TDM支持能力相對比較差，容易引起QoS的問題。而GPON特有的封裝形式，使其能很好地支持ATM業(yè)務(wù)和IP業(yè)務(wù)。（4）OAM功能 EPON在OAM標(biāo)準(zhǔn)方面定義了遠(yuǎn)端故障指示、遠(yuǎn)端環(huán)回控制和鏈路監(jiān)視等基本功能，對于其它高級的OAM功能，則定義了豐富的廠商擴(kuò)展機(jī)制，讓廠商在具體的設(shè)備中自主增加各種OAM功能。GPON的OAM包括帶寬授權(quán)分配、DBA、鏈路監(jiān)視、保護(hù)倒換、密鑰交換以及各種告警功能。從標(biāo)準(zhǔn)上看，GPON標(biāo)準(zhǔn)定義的OAM信息比EPON的豐富。第六十一頁，共74頁。GPON具有以下優(yōu)勢（1）靈活配置上/下行速率 GPON技術(shù)支持的速率配置有7種方式，如表6.2.1所示。（2）高效承載IP業(yè)務(wù) GEM幀的凈荷區(qū)范圍為0~4095字節(jié)，解決了APON中ATM信元帶來的承載IP業(yè)務(wù)效率低的弊病；而以太網(wǎng)MAC幀中凈負(fù)荷區(qū)的范圍僅為46~1500字節(jié)。（3）支持實時業(yè)務(wù)能力 GPON所采用的125s周期的幀結(jié)構(gòu)能對TDM語音業(yè)務(wù)提供直接支持，無論是低速的E1，還是高速的STM1，都能以它們的原有格式傳輸，這極大地減少了執(zhí)行語音業(yè)務(wù)的時延及抖動。（4）支持的接入距離更遠(yuǎn) 針對FTTB開發(fā)的GPON系統(tǒng)，其OLT到ONU的最遠(yuǎn)邏輯接入距離可以達(dá)到60km以上，而EPON則只有20km。（5）帶寬有效性 EPON的帶寬有效性為70%；而GPON則高達(dá)92%。（6）分路比數(shù)量 EPON的支持的分路比為32；而GPON則高達(dá)64或128。（7）運行、管理、維護(hù)和指配（OAM&P）功能強大 GPON借鑒APON中PLOAM信元的概念，實現(xiàn)全面的運行維護(hù)管理功能。表6.1.2列出APON、EPON、GPON三種PON的技術(shù)比較。第六十二頁，共74頁。圖6.4.4APON、EPON、GPON

承載業(yè)務(wù)能力的比較第六十三頁，共74頁。表6.4.2三種PON技術(shù)的比較第六十四頁，共74頁。6.4.3WDM-PON系統(tǒng)近年來，由于WDM器件價格的不斷下降，WDM-PON技術(shù)本身的不斷完善，WDM-PON接入網(wǎng)應(yīng)用到通信網(wǎng)絡(luò)中已成為可能。相信，隨著時間的推移，把WDM技術(shù)引入接入網(wǎng)將是下一代接入網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。第六十五頁，共74頁。WDM-PON和TDM-PON目前的PON技術(shù)主要有APON、EPON和GPON，它們都是TDM-PON。APON承載效率低，在ATM層上適配和提供業(yè)務(wù)復(fù)雜。EPON存在兩大致命的缺陷，即帶寬利用率低和難以支持以太網(wǎng)之外的業(yè)務(wù)，特別是承載話音/TDM業(yè)務(wù)時會引起QoS問題。GPON雖然能克服上述的缺點，但上下行均工作在單一波長，各用戶通過時分的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種在單一波長上為每用戶分配時間片的機(jī)制，既限制了每用戶的可用帶寬，又大大浪費了光纖自身的可用帶寬，不能滿足不斷出現(xiàn)的寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。在這種背景下，人們就提出了WDM-PON的技術(shù)構(gòu)想。WDM-PON能克服上面所述的各種PON缺點。第六十六頁，共74頁。WDM-PON分類第一種是每個ONU分配一對波長，分別用于上行和下行傳輸，從而提供了OLT到各ONU固定的虛擬點對點雙向連接；第二種是ONU采用可調(diào)諧激光器，根據(jù)需要為ONU動態(tài)分配波長，各ONU能夠共享波長，網(wǎng)絡(luò)具有可重構(gòu)性；第三種是采用無色ONU，即ONU無光源方案。本節(jié)將介紹WDM-PON的有關(guān)技術(shù)問題。第六十七頁，共74頁。WDM-PON中的關(guān)鍵器件在TDM-PON中擔(dān)當(dāng)光功率分配的PON，在WDM-PON中，已由完成波分復(fù)用/解復(fù)用器功能的陣列波導(dǎo)光柵（AWG）路由器（WGR）替代；在OLT中，為了實現(xiàn)DWDM的功能，采用了能夠產(chǎn)生多個波長輸出的光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)陣列。產(chǎn)生多波長輸出的光發(fā)射機(jī)陣列是一個單片集成器件，采用單旋鈕進(jìn)行調(diào)諧，以便降低成本，提高可靠性。可把4.3節(jié)介紹的DFB或DBR