光纖通信原理-光接入網(wǎng)

第10章光接入網(wǎng)引入：光纖到家了嗎？我們到底需要多大的上網(wǎng)速率？梅特卡夫定律（Metcalfe'sLaw）告訴我們：網(wǎng)絡價值同網(wǎng)絡用戶數(shù)量的平方成正比。

第10章光接入網(wǎng)10.1接入網(wǎng)概述 10.2光接入網(wǎng) 10.3EPON技術(shù) 10.4GPON技術(shù) 10.5下一代無源光網(wǎng)絡 10.6光接入網(wǎng)器件與設備 10.7習題與設計題 10.1接入網(wǎng)概述

長途網(wǎng)和中繼網(wǎng)合在一起稱為核心網(wǎng)（CN，CoreNetwork），相對于核心網(wǎng)的其他部分，則統(tǒng)稱為接入網(wǎng)（AN，AccessNetwork），ITU-TG.902對接入網(wǎng)下的定義如下：接入網(wǎng)是由業(yè)務節(jié)點接口（SNI）和用戶網(wǎng)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(jīng)由Q3接口進行配置和管理。業(yè)務節(jié)點接口（SNI）：是接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的接口。有對交換機的模擬接口（Z接口）、數(shù)字接口（V接口）等。各種數(shù)據(jù)接口及針對寬帶業(yè)務的各種接口。用戶網(wǎng)絡接口（UNI）：是用戶和網(wǎng)絡之間的接口。具有模擬電話接口、N-ISDN接口、B-ISDN接口、各種數(shù)據(jù)接口和寬帶業(yè)務接口。網(wǎng)絡的發(fā)展方向是“三網(wǎng)合一”三網(wǎng)合一是指電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)在向?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)、數(shù)字電視網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)演進過程中，三大網(wǎng)絡通過技術(shù)改造，其技術(shù)功能趨于一致，業(yè)務范圍趨于相同，網(wǎng)絡互聯(lián)互通、資源共享，能為用戶提供語音、數(shù)據(jù)和廣播電視等多種服務?！居懻撆c創(chuàng)新】上網(wǎng)搜索資料，討論學習，未來我們到底需要多大的接入帶寬？10.2光接入網(wǎng)

10.2.1光接入網(wǎng)10.2.2無源光網(wǎng)絡10.2.1光接入網(wǎng)

它們有什么用呢？在光接入網(wǎng)中，光纜交接箱是一種為主干光纜、配線光纜提供光纜成端、跳接的交接設備。光纜引入光纜交接箱后，經(jīng)固定、端接、配纖以后，使用跳纖將主干光纜和配線光纜連通。FTTH室外壁掛式光分路器箱用于光纜與光通信設備的配線連接，通過箱內(nèi)的光分路器，用光纖引出光信號，實現(xiàn)光配線功能。光接入網(wǎng)（OAN）是指采用光纖傳輸技術(shù)的接入網(wǎng)，泛指本地交換機或遠端模塊與用戶之間采用光纖通信或部分采用光纖通信的系統(tǒng)。OAN又可以劃分為無源光網(wǎng)絡（PON，PassiveOpticalNetwork）有源光網(wǎng)絡（AON，ActiveOpticalNetwork），ONU：光網(wǎng)絡單元，提供OAN用戶側(cè)接口，并且連接到一個ODN；UNI：用戶網(wǎng)絡接口；SNI：業(yè)務結(jié)點接口；S：光發(fā)送參考點；

R：光接收參考點；AF：適配功能；V：與業(yè)務結(jié)點間的參考點；T：與用戶終端間的參考點；a：AF與ONU之間的參考點。Q3接口是電信管理網(wǎng)和電信各部分的標準接口OLT（OpticalLineTerminal）是光線路終端。OLT通常放置在中心機房，提供上行SNI接口，通過10GE/GE/FE連接IP城域網(wǎng)。ONU（OpticalNetworkUnit）是光網(wǎng)絡單元。通常放置在用戶側(cè)ODN（OpticalDistributionNetwork），由無源光纖分路器和光纜線路組成。光纜部分選用G.652、G.657系列的光纖，光分路器1:2～1:32可選。OLT到ONU之間的傳輸距離一般是10km～20km，原則上是10km用1:32的分光器，20km用1:16，因為分光器分光比例越高，光損耗越大。根據(jù)ONU所設置的位置，光纖接入網(wǎng)分為光纖到戶（FTTH）光纖到路邊（FTTC）光纖到大樓（FTTB）光纖到辦公室（FTTO）光纖到樓層（FTTF）光纖到小區(qū)（FTTZ）10.2.2無源光網(wǎng)絡

1．PON技術(shù)的發(fā)展PON的標準技術(shù)上有四種技術(shù)。APON（ATMPON）、BPON（BroadbandPON）基于ATM的無源光接入技術(shù)EPON（EthernetPON），基于以太網(wǎng)的無源光接入技術(shù)，遵循IEEE802.3ah系列標準GPON（GigabitCapablePON）基于ATM/GEM的無源光接入技術(shù)，遵循ITU-TG.984系列標準，2.PON無源光網(wǎng)絡應用10.3EPON技術(shù) 339

1.EPON概述EPON（IEEE802.3-2005）是千兆以太網(wǎng)技術(shù)與無源光網(wǎng)絡（PON）的結(jié)合，EPON技術(shù)和現(xiàn)有的設備具有很好的兼容性，而且EPON還可以輕松實現(xiàn)帶寬到10Gb/s的平滑升級。EPON基本特點：OLT與ONU之間信號傳輸基于IEEE802.3以太網(wǎng)幀傳輸線路速率下行/上行都是1250Mb/s以MAC控制子層的MPCP（Multipointcontrolprotocol）機制為基礎。2.EPON幀結(jié)構(gòu)EPON是基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡，OLT和ONU之間采用以太網(wǎng)封裝方式，傳輸?shù)氖且蕴W(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，所以EPON是基于802.3的幀格式。幀起始定界（SFD，StartofFrameDelimiter），共6字節(jié)，用來為幀的頭部定界；凈負荷（Payload），共72～1526字節(jié)，用來承載以太網(wǎng)幀，包括前導碼（Preamble）、目標MAC地址、源端MAC地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息、填充和校驗字段；幀結(jié)束定界（TFD，TerminalofFrameDelimiter），6個字節(jié)，共2個，用來為凈負荷和幀的尾部定界；前向差錯校驗（FEC），共16個字節(jié)，校驗范圍從SFD開始到第一個TFD為止。EPON幀的長度可變，所以EPON幀占用的時間不固定。EPON幀結(jié)構(gòu)中，修改了以太網(wǎng)幀的前導碼第3個字節(jié)SPD標識LLID（LogicalLinkIdentifier，邏輯鏈路標記）和CRC位置，標識它不是普通以太網(wǎng)幀而是一個EPON幀；對于上行數(shù)據(jù)，采用時分多址接入技術(shù)（TDMA），根據(jù)IEEE802.3ah協(xié)議，當ONU在注冊成功后，OLT會根據(jù)系統(tǒng)的配置，給ONU分配一個唯一的LLID，給ONU分配特定的帶寬，TDMA技術(shù)為每個ONU分配時隙，每個ONU的信號通過使用不同時間長度的光纖傳輸來完成“時分”功能，再把“時分”后的信號聚到光分路器，完成“復用”功能。在采用動態(tài)帶寬調(diào)整時，OLT會根據(jù)指定的帶寬分配策略和各個ONU的狀態(tài)報告，動態(tài)地給每一個ONU分配帶寬。EPON下行傳輸方式與上行的TDMA傳輸方式完全不間，由于EPON系統(tǒng)采用的是典型的樹形結(jié)構(gòu)，一個OLT將下行數(shù)據(jù)通過廣播的方式傳輸給多個ONU。根據(jù)IEEE802.3ah協(xié)議，OLT從來自上游網(wǎng)絡的比特流中取出以太網(wǎng)幀，并封裝成EPON幀，每一個數(shù)據(jù)幀的幀頭包含注冊時分配的、特定ONU的邏輯鏈路標識（LLID），替代以太網(wǎng)前導碼的最后兩個字節(jié)；OLT只給注冊過的ONU分配LLID，ONU接收數(shù)據(jù)時，僅接收符合自己的LLID的幀或者廣播幀。EPON下行幀的傳輸速率為1Gb/s（通過8B/10B編碼后速率變?yōu)?.25Gb/s）。3.

多址控制協(xié)議MPCP數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：上行信道的多址控制協(xié)議（MPCP）、ONU的即插即用問題、OLT的測距和延時補償。MPCP協(xié)議是EPON的數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)的核心。①ONU的自動注冊指OLT對系統(tǒng)中的ONU進行注冊，主要用于系統(tǒng)中增加ONU或ONU重新啟動。②動態(tài)帶寬分配（DBA，DynamicallyBandwidthAssignment）。DBA是一種能在微秒或毫秒級的時間間隔內(nèi)完成對上行帶寬的動態(tài)分配的機制。③系統(tǒng)同步。因為EPON中的各ONU接入系統(tǒng)采用時分方式，所以OLT和ONU在開始通信之前必須達到同步，才會保證信息的正確傳輸。要使整個系統(tǒng)達到同步，必須有一個共同的參考時鐘，在EPON中以OLT時鐘為參考時鐘，各個ONU時鐘和OLT時鐘同步。④測距和時延補償。由于EPON的上行信道采用TDMA方式，多點接入導致各ONU的數(shù)據(jù)幀延時不同，因此必須引入測距和時延補償技術(shù)以防止數(shù)據(jù)時域碰撞，并支持ONU的即插即用。測距包括靜態(tài)測距和動態(tài)測距。在ONU注冊時，對ONU開始測距，使用注冊沖突避讓機制。在EPON中解決ONU的注冊沖突的方案有兩種：隨機延遲時間法和隨機跳過開窗法。⑤支持QoS。在EPON中QoS主要體現(xiàn)在3個方面：一是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的安全性；二是如何支持業(yè)務等級區(qū)分；三是如何支持傳統(tǒng)業(yè)務。⑥EPON的安全性。ONU通過上行信道傳送一些保密信息（如數(shù)據(jù)加密密鑰），OLT使用該密鑰對下行信息加密，因為其他ONU無法獲知該密鑰，接收到下行廣播數(shù)據(jù)后，仍然無法解密獲得原始數(shù)據(jù)。⑦全局統(tǒng)一網(wǎng)管。在網(wǎng)管中心設網(wǎng)管服務器，各運行、維護中心設遠程終端，分權(quán)分域進行用戶管理和設備管理。目前主流廠商的網(wǎng)管可支持256個OLT的管理。10.4GPON技術(shù)

1.GPON的發(fā)展GPON（Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks）由FSAN組織于2002年9月提出。2003年3月ITU通過了ITU-T

G.984.1和ITU-TG.984.2協(xié)議。2004年6月ITU又通過了ITU-TG.984.3，特點如下：GPON，采用ITU-T定義的GFP（GenericFramingProtocol，通用成幀協(xié)議）對Ethernet、TDM、ATM等多種業(yè)務進行封裝映射；能提供1.25Gb/s和2.5Gb/s下行速率，155Mb/s、622Mb/s、1.25Gb/s、2.5Gb/s幾種上行速率；并具有較強的OAM功能；提供更遠的傳輸距離，采用光纖傳輸，接入層的覆蓋半徑達20km，局端單根光纖經(jīng)分光后引出多路到戶光纖，節(jié)省光纖資源；擁有高速寬帶及高效率傳輸?shù)奶匦浴?.GPON幀格式分為下行幀和上行幀結(jié)構(gòu)，GPON幀結(jié)構(gòu)比EOPN幀結(jié)構(gòu)復雜。GPON下行幀由物理控制塊（PCB）和下行凈負荷（Payload）組成，凈負荷之外部分被稱為物理控制塊（PCB）。凈負荷里面就是下行的GEM幀（GPONEncapsulationMode，GPON封裝方式）。GPON上行幀由PLO、PLOAM、PLS、DBR、上行凈負荷字段構(gòu)成。GPON上/下行幀長固定為125ms，頻率為8000Hz，可見GPON裝載125ms的PDH和SDH幀時，不需要進行速率適配。GEM幀是GPON技術(shù)中最小的業(yè)務承載單元，是最基本的封裝結(jié)構(gòu)GEM幀由幀頭和凈負荷組成，幀頭包括PLI、Port-ID、PTI和HEC這4個字段，共5字節(jié)。PLI（PayloadLengthIndicator，凈負荷長度標識）：12位，用來指明變長數(shù)據(jù)的凈負荷長度。由于GEM幀是連續(xù)傳輸?shù)?，所以PLI可以視作一個指針，用來指示并找到下一個GEM幀頭。凈負荷最大字節(jié)長度是4095字節(jié)，如果數(shù)據(jù)超過這個上限，GEM將采用分片機制。Port-ID（端口識別號）：12位，用來區(qū)分不同的端口。Port-ID可以提供4096個不同的端口，用于支持多端口復用。PTI（PayloadTypeIndicator，凈負荷類型標識）：3位，PTI最高位指示GEM幀是否為OAM信息，次高位指示用戶數(shù)據(jù)是否發(fā)生擁塞，最低位指示在分片機制中是否為幀的末尾，為1時表示幀的末尾。HEC（HeadErrorCheck，幀頭差錯校驗）：13位，用來存放幀頭的校驗字，供接收端對GEM幀頭進行檢錯和糾錯。GEM幀的凈負荷部分，最大長度是4095字節(jié)，用來存放TDM、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等。其中，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)取自以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中除前導碼之外的所有字段。GEM幀是GPON技術(shù)中最小的業(yè)務承載單元，是最基本的封裝結(jié)構(gòu)。所有的業(yè)務都要封裝在GEM幀中在GPON線路上傳輸，通過GEMPort標識。3.EPON和GPON的比較GPON和EPON技術(shù)在速率等級、傳輸距離、分光比等都有不同10.5下一代無源光網(wǎng)絡

10.5.110G/100GPON技術(shù) 10.5.2WDM-PON技術(shù) 為什么要發(fā)展下一代PON？超高清視頻，5G網(wǎng)絡，虛擬現(xiàn)實（VR），所有這些應用都需要發(fā)展下一代無源光網(wǎng)絡技術(shù)（NG-PON）。下一代PON包括NG-PON1NG-PON2NG-PON3NG-PON1包括10GEPON和XG-PON。NG-PON2的要求：OLT下行總速率≥40Gb/s，上行總速率≥40Gb/s，用戶ONU最高下行帶寬≥1Gb/s、上行帶寬0.5～1Gb/s，傳輸距離20～60km或100km（后者采用光放大），光分比1:64～1:1000，與之前的PON兼容。NG-PON3的設定目標：單個接入PON可支持1000個用戶，每個用戶帶寬1Gb/s，復合傳輸容量400Gb/s～1Tb/s，傳輸距離0～100km，與之前的PON兼容，技術(shù)的發(fā)展方向有WDM-PON、混合WDM/TDM-PON。10.5.110G/100GPON技術(shù)

1.10GEPON技術(shù)10GEPON擴大802.3ah標準的上下行帶寬，達到10Gb/s速率。IEEE802.3av確定了兩種物理層模式一種是非對稱模式，即10Gb/s速率下行和1Gb/s速率上行；另外一種是對稱模式，即上下行速率均為10Gb/s，10G-EPON采用1577nm作為10Gb/s下行信號波長，10Gb/s信號與1Gb/s信號（1490nm）為WDM方式上行方向，非對稱10G-EPON系統(tǒng)的上行波長仍然沿用EPON系統(tǒng)的上行波長1310nm（1260～1360nm），實現(xiàn)與EPON的無縫兼容；對稱10G-EPON系統(tǒng)的上行信號（速率為1Gb/s）波長是1270nm（1260～1280nm），二者有重疊，因此不能采用WDM方式，而是采用雙速率TDMA方式。2.100GEPON2015年7月開始啟動100G-EPON的標準制定工作，命名為IEEE802.3ca。100GEPON目標定義了3種MAC層速率，即25G、50G和100G。其中25G分為非對稱10G/25G和對稱25G/25G二種制式。100GEPON需要和對稱的10GEPON共存，以保護運營商的10GEPON投資。10.5.2WDM-PON技術(shù)WDM-PON系統(tǒng)一般包含三部分，OLT、RN和ONU。WDM-PON系統(tǒng)一般包含OLT、RN和ONU3部分。ONU上傳數(shù)據(jù)時占用某個波長，復用器將多波長信號合路到一根光纖，傳到OLT接收端，經(jīng)分路后，由接收機陣列最后完成接收。OLT下傳數(shù)據(jù)時，發(fā)射多波長信號，到達解復用器時進行分路，最后每個波長到達相應的ONU的接收端被接收。WDM的采用就為每個ONU到OLT的連接提供了一條虛擬的點到點雙向傳輸鏈路。無色ONU的實現(xiàn)技術(shù)根據(jù)使用的器件不同可分為可調(diào)激光器、寬譜光源和無光源。①使用波長可調(diào)的激光器使ONU可以工作在不同的波長，可調(diào)激光器也工作在特定波長，但可通過輔助手段對波長進行調(diào)諧，如電調(diào)諧、溫度調(diào)諧和機械調(diào)諧，這樣在系統(tǒng)中可使用同樣的激光器以產(chǎn)生不同的工作波長。②ONU中放置一個寬譜光源，發(fā)出的光從ONU出來后，再接一個WDM設備，比如薄膜濾波器或AWG，對信號進行譜分割，只允許特定的波長部分通過并傳輸?shù)轿挥谥行木值腛LT。這樣各個ONU具有相同的光源，但由于它們接在WDM合波器的不同端口上，從而可為每個通道生成單獨的波長信號。③ONU處無光源，系統(tǒng)中的所有光源都置于OLT處，并通過AWG進行譜分割后向ONU提供特定波長的光信號，而ONU直接對此光信號進行調(diào)制，以產(chǎn)生上行信號。2016年，出現(xiàn)首個32波10GWDM-PON樣機10.6光接入網(wǎng)器件與設備

10.6.1單纖雙向光收發(fā)器件 10.6.2波導型光分路器 10.6.3蝶形光纜及連接 10.6.4光線路終端設備 10.6.1單纖雙向光收發(fā)器件單纖雙向是指在一根光纖里可以同時傳輸收發(fā)兩個方向的光信號，要實現(xiàn)收發(fā)兩個方向的光信號同時傳輸，需要收發(fā)方向使用不同的光波長。ONU單纖雙向光收發(fā)組件可用于EPON網(wǎng)絡通信，發(fā)送機部分使用1310nm激光，接收部分使用1490nm接收機和互阻抗放大器（TIA）。雙向光收發(fā)組件（BOSA，Bi-DirectionalOpticalSub-Assembly）是將TO-LD光源、TO-PIN-TIA（跨阻抗放大器）探測器、分光片、光纖等零部件用同軸耦合工藝全部集成組裝于一體原理BOSA的中心部位有分光片，LD組件和PD組件均通過自聚焦透鏡與分光片耦合，光源照射面鍍增透膜，探測器接收面鍍反射膜。LD發(fā)出的光功率，通過自聚焦透鏡聚焦成平行光束，透過分光片耦合到傳輸光纖，外來信號光通過光纖照射到分光片上，再反射到自聚集透鏡上，經(jīng)透鏡聚光與PD探測器組件耦合。PON光模塊有EPON光模塊及GPON光模塊。PON光模塊有OLT光模塊和ONU光模塊10.6.2波導型光分路器

1.光波導分路器原理平面光波導型光分路器采用平面光波導工藝技術(shù)，在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層，平面光波導的制作包括成膜、光刻、刻蝕、退火等工藝。2.分路器器件無源光分路器的功能是將一路輸入光信號進行光功率分割，分成多路輸出。典型情況下，分路器實現(xiàn)1:2到1:32甚至1:64的分光。無源光分路器的特點是不需要供電。封裝后平面光波導型光分路器的實物圖。10.6.3蝶形光纜及連接

1.蝶形引入光纜蝶形光纜是一種新型光纜，也稱為軟光纜，或者皮纜。蝶形光纜多為單芯、雙芯結(jié)構(gòu)，也可做成四芯結(jié)構(gòu)，橫截面呈8字型，加強件位于兩圓中心，可采用金屬或非金屬結(jié)構(gòu)，光纖位于8字型的幾何中心。2快速連接器光纜的連接，可以采用2種技術(shù)：熔接和冷接。所謂冷接是與熔接相對立，指通過“冷接子”進行光纜機械接續(xù)。光纖面板插座提供與標準SC型單芯光纖活動連接適配器一致的插口，用于蝶形光纜與跳纖的互聯(lián)。10.6.4光線路終端設備華為光線路終端SmartNG-OLTMA5800MA5800多業(yè)務接入設備是千兆超寬時代的8KReadyOLT，采用分布式架構(gòu)，支持PON/10GPON/TWDMPON共平臺，具有支持多介質(zhì)千兆匯聚、最佳4K/8K視頻體驗、多業(yè)務虛擬化共平臺及100GPON平滑演進等特性?！居懻撆c創(chuàng)新】上網(wǎng)搜索資料，討論并學習下面的內(nèi)容。(1)什么可見光光通信Li-Fi呢？能利用可見光光通信實現(xiàn)光接入嗎？(2)5G移動網(wǎng)絡接入會取代FTTH嗎？(3)什么是自由空間光通信FSO呢？國內(nèi)外發(fā)展如何項目實踐：FTTH網(wǎng)絡設計1.項目基礎知識EPON網(wǎng)絡主要設備ODN的分光方式主要有兩種：一級分光和二級分光，受PON設備光功率預算及帶寬的限制，當前，ODN的總分路比一般為1:64。采用一級分光時，分路器一般設置在配線光交處；光分路器采用1×64。采用二級分光時，第一級分路器一般設置在配線光交處，光分路器采用1×8，第二級分路器一般設置在分纖箱處，光分路器采用1×8二級分光的PON系統(tǒng)ODN光通道損耗所允許的衰減定義為ONU和OLT之間，也就是S/R和R/S參考點之間的光損耗，其中S是光發(fā)送信號參考點，R是光接收信號參考點。OLT的傳輸距離應通過ODN允許的光通道損耗及OLT、ONU設備的功率預算，采用最壞值法核算，即ONU接收光功率＝OLT發(fā)射光功率－光通道損耗。目前，EPON在用的光模塊主要有：①PX20，允許通道插入損耗24dB，支持最高分光比為1:32，是EPON網(wǎng)絡部署的早期配置，新設備已不再配置PX20光模塊；②PX20+，允許通道插入損耗28dB，支持最高分光比為1:64，當前的EPON設備均配置PX20+光模塊。目前，GPON在用的光模塊主要有：①ClassB+，允許通道插入損耗28dB，支持最高分光比為1:64，當前GPON設備普遍配置ClassB+光模塊；②ClassC+，允許通道插入損耗32dB，支持最高分光比為1:128，ClassC+光模塊已發(fā)展成熟，未來將主要采用這種光模塊。光功率衰減的主要影響因素有光分路器的插入損耗（不同分光比有不同的插入損耗）、光纜本身的損耗、光纜熔接點損耗、尾纖/跳纖通過適配器端口連接的插入損耗等，光通道損耗為以上因素引起的損耗總和。①